Antenas Ópticas Multiplexadas

Pesquisadores descobriram uma maneira de aproveitar as propriedades das ondas de luz que podem aumentar radicalmente a quantidade de dados que elas carregam. Eles demonstraram a emissão de discretos feixes de laser torcidos de antenas compostas de anéis concêntricos aproximadamente iguais ao diâmetro de um cabelo humano – pequenos o suficiente para serem colocados em chips de computador.

O trabalho aumentará significativamente a quantidade de informações que podem ser multiplexadas, ou transmitidas simultaneamente, por uma fonte de luz coerente. Um exemplo comum de multiplexação é a transmissão de várias chamadas telefônicas em um único fio, mas havia limites fundamentais para o número de ondas de luz trançadas coerentes que poderiam ser multiplexadas diretamente.

A tecnologia supera os limites atuais de capacidade de dados por meio de uma característica da luz chamada momento angular orbital. Tem aplicações em imagens biológicas, comunicações de alta capacidade e sensores.

Os métodos atuais de transmissão de sinais através de ondas eletromagnéticas estão chegando ao seu limite. A frequência, por exemplo, ficou saturada, e é por isso que há apenas um número limitado de estações que se pode sintonizar no rádio. A polarização, onde as ondas de luz são separadas em dois valores – horizontal ou vertical – pode dobrar a quantidade de informação transmitida. Os cineastas aproveitam isso ao criar filmes em 3D, permitindo que espectadores com óculos especializados recebam dois conjuntos de sinais – um para cada olho – para criar um efeito estereoscópico e a ilusão de profundidade.

Além da frequência e da polarização, está o momento angular orbital (OAM), uma propriedade da luz que chamou a atenção dos cientistas porque oferece uma capacidade exponencialmente maior de transmissão de dados. Uma maneira de pensar sobre OAM é compará-lo ao vórtice de um tornado. O vórtice na luz, com seus infinitos graus de liberdade, pode, em princípio, suportar uma quantidade ilimitada de dados. O desafio tem sido encontrar uma maneira de produzir de forma confiável o número infinito de feixes OAM.

Os pesquisadores começaram com uma antena, um dos componentes mais importantes do eletromagnetismo e central para as tecnologias 5G em andamento e as próximas 6G. As antenas neste estudo são topológicas – suas propriedades essenciais são mantidas mesmo quando o dispositivo é torcido ou dobrado.

Para fazer a antena topológica, os pesquisadores usaram litografia por feixe de elétrons para gravar um padrão de grade no fosforeto de arseneto de índio e gálio (um material semicondutor) e depois ligaram a estrutura a uma superfície feita de granada de ítrio e ferro. Eles projetaram a grade para formar poços quânticos em um padrão de três círculos concêntricos – o maior com cerca de 50 mícrons de diâmetro – para prender fótons. O projeto criou condições para suportar um fenômeno conhecido como efeito Hall quântico fotônico, que descreve o movimento de fótons quando um campo magnético é aplicado, forçando a luz a viajar em apenas uma direção nos anéis.

Ao aplicar um campo magnético perpendicular à microestrutura bidimensional, os pesquisadores geraram com sucesso três feixes de laser OAM viajando em órbitas circulares acima da superfície. O estudo mostrou ainda que os feixes de laser tinham números quânticos tão grandes quanto 276, referindo-se ao número de vezes que a luz gira em torno de seu eixo em um comprimento de onda.