Pesquisadores integram esforços na busca de salto
na capacidade de transmissão de dados
O acesso febril dos internautas ao YouTube é um bom parâmetro do aumento exponencial da demanda de dados por habitante que se observa no planeta. A tecnologia existente vem dando conta do recado, mas supondo que os recursos não sejam aprimorados, há estimativa de um colapso no setor de telecomunicações dentro de uma década. "Temos componentes que viabilizam a comunicação atualmente, mas que não acompanham a velocidade do crescimento da demanda", alerta o professor Newton Cesario Frateschi, do Instituto de Física Gleb Wataghin (IFGW) da Unicamp.
Frateschi colabora com os esforços dos pesquisadores em fotônica e optoeletrônica na busca de componentes capazes de promover um salto na capacidade de transmissão de sinais, atendendo à próxima geração de sistemas de comunicação. "Tanto aqui, como no exterior, estamos ainda na fase de exploração das alternativas. Asseguro que, por enquanto, ninguém no mundo sabe quais são esses dispositivos".
O grupo brasileiro desenvolve seus estudos no Laboratório de Pesquisa em Dispositivos do Departamento de Física Aplicada IFGW e no Centro de Componentes Semicondutores (CCS) da Unicamp, estando inserido no Centro de Pesquisa em Óptica e Fotônica (CePOF) e no Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia Fotonicom (coordenado por Hugo Fragnito, também docente do IFGW).
Como lembra Newton Frateschi, que acumula a coordenação do CCS, já vai longe o tempo em que havia um fio ligando cada canal de comunicação – só os mais velhos guardam a imagem da telefonista trocando os pinos no painel de telefonia. "Hoje lidamos com as telecomunicações ópticas, enviando luz entre pontos de um prédio e entre cidades, países, continentes. Dentro de uma única fibra óptica, temos um vaivém de sinais de voz, áudio e imagem, numa comunicação pesada".
O professor explica que a transmissão de diversos sinais através de um único canal físico é possível desde que surgiu, há cerca de 20 anos, a técnica denominada multiplexação por divisão de cores (ou de comprimentos de onda). "Na fibra óptica, cada canal de comunicação é dividido em intervalos de tempo e em comprimentos de onda (cor de luz). A transmissão exige um componente que converte os sinais eletrônicos nos sinais ópticos que viajam pela fibra e, na outra ponta, um dispositivo semelhante que realiza o processo inverso".
Os pesquisadores em fotônica e optoeletrônica, conforme acrescenta Frateschi, atuam entre esses dois domínios: da luz e da eletrônica. "Buscamos componentes que façam a conversão cada vez mais rapidamente. Outro objetivo sempre perseguido é a miniaturização progressiva, ou seja, componentes cada vez menores e com maior capacidade de informação, propiciando menor consumo de energia".
Um exemplo de mudança de paradigma que se faz necessária agora, e que propiciou grande avanço em telecomunicações, envolveu um problema na transmissão a longas distâncias: a luz ia sendo absorvida pela fibra e caía de intensidade, por vezes a ponto de a informação não ser reconhecida na outra ponta. "A alternativa era implantar receptores – mesmo no meio da mata – que convertiam o sinal de luz em sinal eletrônico, corrigindo-o e jogando-o novamente como luz na fibra".
Segundo o pesquisador da Unicamp, a solução veio com a fibra dopada a érbio. Inserido na fibra óptica que conduz a informação, este dispositivo amplifica o sinal no próprio domínio óptico, sem necessidade da conversão em sinal eletrônico. "Assim como este amplificador de érbio proveu grande avanço na comunicação a longa distância, alguém precisa pensar na próxima geração de emissores, moduladores e filtros de luz, a fim de afastar o risco do colapso".
Newton Frateschi observa que, além do exemplo do YouTube, logo teremos a tevê de alta definição pela Internet e, de fato, todo um tráfego de dados envolvendo praticamente todos os setores da vida humana. "Há ainda a tendência de que a fibra óptica seja levada até a porta das casas. E grandes centros com redes sem fio (wireless) também necessitarão de uma interface eficiente entre o domínio de radio frequência e o da luz, assim como de capacidade de escoamento do sinal óptico por luz".
Na opinião do pesquisador, é grande a capacidade instalada de fibras ópticas, graças principalmente à técnica de multiplexação por comprimentos de onda que multiplicou o envio de sinais por uma só fibra. "O gargalo está se formando em torno da densidade de informações e não do tamanho dos canos. Aumentar a quantidade de sinais transmitidos implica, basicamente, em fazer a luz piscar mais rapidamente e misturar mais cores em uma única fibra".
No entanto, o sucesso depende da superação de vários desafios. Frateschi toma o exemplo de uma rádio FM, que não possui muitas estações em seu espectro, haja vista que havendo canais demais, eles se misturam. Seguindo esta lógica, quanto mais fina a cor (canal), mais informações podem ser transmitidas dentro da fibra óptica. "Um primeiro objetivo do nosso grupo é a miniaturização e a diminuição do consumo de potência dos componentes. Isso implica criar novos meios de amplificação da luz e de criação de microcavidades ressonantes para alcançar uma elevada pureza espectral. Um segundo objetivo é utilizar a interação entre essas estruturas de forma funcional, aplicada ao processamento de sinais ópticos".
O docente da Unicamp afirma que as pesquisas envolvem novas arquiteturas de laser, com dimensões micrométricas ou ainda menores, chamadas de microlasers. "Produzimos discos com dimensões que vão de 1 a 40 micra, onde a luz gira e tem a sua emissão estimulada. Uma alternativa buscada é a modificação das propriedades de materiais comuns à optoeletrônica, por meio da nanotecnologia, desenhando estruturas cujas propriedades optoeletrônicas dependam do confinamento quântico de portadores de carga".
Um desafio, de acordo com o pesquisador, é que a emissão dos microlasers é isotrópica (para todos os lados) e com tendência de emissão em mais de uma cor pura. "Uma saída é distorcer as cavidades ressonantes onde o laser é produzido, buscando-se novos formatos da luz que melhorem essas qualidades. A ideia, portanto, é mudar o meio ativo (a aplicação da luz) ou então a arquitetura da cavidade para criar novos emissores de dimensões microscópicas. Acreditamos em resultados importantes nesta área de trabalho".
Fazendo o silício emitir luz
Outro foco do grupo do professor Newton Frateschi está na tentativa de tornar mais compatíveis as tecnologias de optoeletrônica e fotônica e aumentar a emissão de luz no silício – o que este elemento faz de forma muito pobre, apesar de outras propriedades excepcionais na área de eletrônica. A inspiração veio da fibra dopada com o érbio que, como vimos anteriormente, tem o dom de excitar o laser. "O professor Leandro Tessler, também do CePOF, já estuda o érbio misturado ao silício há algum tempo. Ele utiliza o silício amorfo, obtido com uma técnica de deposição bastante simples".
O grupo decidiu utilizar este silício co-depositado com érbio nas cavidades ressonantes que produzem o laser, observando os resultados em termos de emissão e de direcionalidade da luz. Trata-se de um trabalho de dois alunos, David Figueira (orientando de Frateschi) e Danilo Mustafá (orientando de Tessler). "Eles associaram pontos quânticos de silício a esses materiais nas estruturas ressonantes. Dentro da cavidade, o érbio e os pontos quânticos são bombeados opticamente. Os pontos quânticos se 'desexcitam', bombeando mais os átomos de érbio, o que aumenta a emissão de luz. Esta talvez seja uma proposta para chegar aos emissores de silício".
Newton Frateschi menciona ainda uma alternativa híbrida, defendida por outros pesquisadores no mundo, visando aproveitar tanto as propriedades do silício como dos materiais da optoeletrônica. "A proposta é acoplar as duas partes, literalmente, criando um processador trazendo de um lado a eletrônica e, do outro, as fibras ópticas, ambos acoplados por circuitos fotônicos".
Outro caminho está em circuitos fotônicos onde sinais de luz são gerados, recebidos, condicionados e enviados permanecendo no domínio óptico. Isto exige o desenvolvimento de plataformas de nano e microfabricação em materiais compatíveis com silício. Este trabalho está sendo desenvolvido entre o Laboratório de Pesquisa de Dispositivos (LPD) do IFGW e o Centro de Componentes Semicondutores (CCS) da Unicamp, com o uso do sistema de feixes de íons focalizados (FIB) e, futuramente, da litografia de feixes de elétrons.
Frateschi destaca, também, uma parceria do professor Hugo Figueroa, da Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação (FEEC), com a pesquisadora Michal Lipson, da Universidade de Cornell, estabelecida no contexto do INCT Fotonicom. A parceria visa o desenvolvimento de guias de onda e acopladores a fim de obter alta densidade de emissão, na expectativa de produzir filtros, conversores e misturadores de comprimento de onda – inclusive de ondas de rádio.
Ainda dentro do CePOF, foi concluído o estudo de mestrado de Felipe Vallini, orientado por Frateschi, em torno de amplificadores ópticos, mas de laser com dimensões convencionais. "Normalmente, esses amplificadores trabalham de duas formas: a linear, em que a amplificação é independente da potência e o sinal reproduzido fielmente; e a não-linear, em que o a amplificação do sinal depende da potência, gerando distorção".
O pesquisador da Unicamp aponta aspectos positivos tanto no amplificador de operação linear (não-saturada) como não-linear (saturada), já que o primeiro permite ampliar a intensidade da luz sem distorcê-la, enquanto que o segundo pode ser usado como estabilizador da potência, assim como eliminar ruído ou modulação do sinal. "Ocorre que não existe um amplificador que funcione das duas formas, e é isso o que buscamos. Trata-se de um componente com controle de saturação, microscópico, como resposta mais para a demanda atual, mas que poderá se tornar importante também para a próxima geração de sistemas de comunicação".