Pesquisadores Desenvolvem Método para Suprimir Retroespalhamento, Melhorando Transmissão Óptica de Dados

Universidade de Illinois em Urbana-Champaign, Champaign, IL

Engenheiros da Universidade de Illinois encontraram uma forma de redirecionar ondas de luz desajustadas para reduzir perda de energia durante transmissão óptica de dados. Em um estudo, pesquisadores exploraram uma interação entre ondas de luz e som para suprimir a dispersão de luz de defeitos de material — o que poderia levar a comunicação por fibra óptica melhorada.

Professor de ciência e engenharia mecânica Gaurav Bahl, esquerda, e estudante de graduação Seunghwi Kim confirmaram que ondas de luz retroespalhadas podem ser suprimidas para reduzir perda de dados em sistemas de comunicação óptica. (Foto cortesia Julia Stackler)

Problema do Retroespalhamento

Ondas de luz se dispersam quando encontram obstáculos, seja uma rachadura em uma janela ou uma pequena falha em um cabo de fibra óptica. Grande parte daquela luz se dispersa para fora do sistema, mas parte dela se dispersa de volta em direção à fonte — um fenômeno chamado retroespalhamento. Sempre há um pouco de imperfeição e um pouco de aleatoriedade nos materiais usados em qualquer tecnologia engenheirada. Por exemplo, a fibra óptica mais perfeita usada para transmissão de dados de longo alcance ainda pode ter algumas falhas invisíveis. Estas falhas podem ser resultado de fabricação, ou podem aparecer com o tempo como resultado de mudanças térmicas e mecânicas no material. Em última análise, tais falhas definem os limites de desempenho para qualquer sistema óptico.

Alguns estudos anteriores mostraram que retroespalhamento indesejável pode ser suprimido em materiais especiais que têm certas propriedades magnéticas. No entanto, estas não são opções viáveis para os sistemas ópticos de hoje que usam materiais transparentes, não magnéticos como silício ou vidro de sílica. No novo estudo, os pesquisadores usaram uma interação de luz com ondas de som, em vez de campos magnéticos, para controlar retroespalhamento.

Ondas de luz viajam através da maioria dos materiais na mesma velocidade independentemente da direção, seja para frente ou para trás. Mas, ao usar algumas interações optomecânicas sensíveis à direção, os pesquisadores são capazes de quebrar essa simetria e efetivamente desligar retroespalhamento. É como criar um espelho unidirecional. Ao bloquear a propagação para trás de uma onda de luz, ela não tem para onde ir quando encontra um dispersor, e nenhuma outra opção senão continuar movendo-se para frente.

Para demonstrar este fenômeno, a equipe enviou ondas de luz para uma minúscula esfera feita de vidro de sílica, chamada de microressonador. Dentro, a luz viaja ao longo de um caminho circular como uma pista de corrida, encontrando defeitos na sílica repetidamente, amplificando o efeito de retroespalhamento. A equipe então usou um segundo feixe de laser para engajar a interação luz-som na direção para trás apenas, bloqueando a possibilidade de luz se dispersar para trás. O que teria sido energia perdida continua movendo-se para frente, apesar de defeitos no ressonador.

"Ser capaz de parar o retroespalhamento é significativo, mas parte da luz ainda é perdida para dispersão lateral, sobre a qual cientistas não têm controle", disse o pesquisador principal, professor de ciência e engenharia mecânica Gaurav Bahl. "O avanço é, portanto, muito sutil neste estágio e apenas útil sobre uma largura de banda estreita. No entanto, simplesmente verificar que podemos suprimir retroespalhamento em um material tão comum quanto vidro de sílica sugere que poderíamos produzir cabo de fibra óptica melhor ou até continuar a usar cabo velho, danificado já em serviço no fundo dos oceanos do mundo, em vez de ter que substituí-lo."

Tentar o experimento em cabo de fibra óptica será o próximo passo em mostrar que este fenômeno é possível nas larguras de banda requeridas em comunicações de fibra óptica. "O princípio que exploramos foi visto antes", disse Bahl. "A verdadeira história aqui é que confirmamos que retroespalhamento pode ser suprimido em algo tão simples quanto vidro, usando uma interação optomecânica que está disponível em todo material óptico. Esperamos que outros pesquisadores examinem este fenômeno em seus sistemas ópticos, também, para avançar ainda mais a tecnologia."

Para mais informações, contate Gaurav Bahl em este endereço de email.