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Esteja você lutando contra inimigos em uma arena virtual ou colaborando com colegas de todo o mundo, as interrupções induzidas pelo atraso podem ser um grande obstáculo para uma comunicação perfeita e experiências imersivas.
É por isso que pesquisadores da Faculdade de Óptica e Fotônica (CREOL) da Universidade da Flórida Central e da Universidade da Califórnia, em Los Angeles, desenvolveram uma nova tecnologia para tornar a transferência de dados por meio de comunicação de fibra óptica mais rápida e eficiente.
Seu novo desenvolvimento, uma nova classe de moduladores ópticos, é detalhado em um novo estudo publicado recentemente na revista Comunicações da Natureza. Os moduladores podem ser considerados como um interruptor de luz que controla certas propriedades da luz que transporta dados em um sistema de comunicação óptica.
“Transportando torrentes de dados entre hubs de Internet e conectando servidores, elementos de armazenamento e switches dentro de data centers, a comunicação por fibra óptica é a espinha dorsal sobre a qual o mundo digital é construído”, diz Sasan Fathpour, coautor do estudo e professor do CREOL. “Os constituintes básicos de tais links, a fibra óptica, o laser semicondutor, o modulador óptico e o fotorreceptor, impõem limites à largura de banda e à precisão da transmissão de dados.”
Fathpour diz particularmente a dispersão de fibras ópticas, ou distorção de sinal em longas distâncias, e ruído de lasers semicondutores, ou interferência de sinal indesejada, são duas limitações fundamentais dos sistemas de comunicação óptica e processamento de sinal que afetam a transmissão e confiabilidade de dados.
Ele diz que sua pesquisa inventou uma classe única de moduladores ópticos que abordam simultaneamente ambas as limitações, aproveitando a diversidade de fase, ou tempo variado de sinais, e operações diferenciais, ou comparação de sinais de luz.
Ao fazer isso, os pesquisadores criaram um “interruptor de luz” avançado que não apenas controla a transmissão de dados, mas também compara a quantidade e o tempo dos dados que passam pelo sistema para garantir uma transmissão precisa e eficiente.
“Chamados de moduladores eletroópticos quadrifásicos, o circuito é demonstrado em niobato de lítio de película fina, que é uma plataforma ultracompacta para aplicações fotônicas integradas, incluindo comunicação óptica”, diz Fathpour.
Os conceitos de diversidade de fase e operação diferencial existiam antes desta pesquisa e foram explorados pela equipe da UCLA, diz ele.
“O problema é que os componentes ópticos disponíveis no mercado e as arquiteturas moduladoras existentes não são capazes de realizar essas duas operações simultaneamente”, diz Fathpour. “A compactação da plataforma de niobato de lítio de película fina permite a integração estreita de vários componentes no mesmo pequeno chip e ajudou a moldar o conceito de moduladores eletroópticos de quatro fases.”
Bahram Jalali, um ilustre professor emérito e Cátedra Fang Lu de Engenharia no Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação da UCLA, diz que o conceito se originou de 25 anos de pesquisa em instrumentos de estiramento de tempo, uma técnica óptica de câmera lenta que se destaca como a mais eficaz método para capturar eventos ultrarrápidos de disparo único.
“Inventada na UCLA na década de 1990, a tecnologia de alongamento do tempo rendeu avanços, como a criação dos espectrômetros, câmeras, lidars, velocímetros, osciloscópios mais rápidos do mundo, e muito mais, descobrindo, em última análise, ondas ópticas traiçoeiras e a introdução de microscópios inovadores para triagem de sangue. , entre outros avanços”, diz Jalali. “Esta nova arquitetura de modulador eletroóptico culminou na busca por criar métodos aprimorados para codificação de dados ultrarrápidos em um feixe de laser para permitir instrumentos de extensão de tempo com alta largura de banda e alta sensibilidade.”
Como a pesquisa foi realizada
O modulador eletroóptico quadrifásico foi analisado no contexto de um sistema de alongamento de tempo usado para análise de processamento de sinal, e um modelo analítico abrangente foi desenvolvido para explicar seu funcionamento. A tecnologia também foi otimizada para largura de banda eletro-óptica e eficiência de modulação usando ferramentas de simulação para ajuste fino.
A aplicação do modulador eletroóptico quadrifásico em comunicação óptica também foi explorada. Foi demonstrado que o modulador eletroóptico de quatro fases pode eliminar o ruído e a dispersão do modo comum, e os resultados da simulação demonstraram sua capacidade de melhorar a qualidade do sinal e o orçamento de energia em sistemas de comunicação óptica.
Ehsan Ordouie ’23PhD era estudante de doutorado em óptica e fotônica quando a pesquisa foi conduzida e é o principal autor do estudo. Ele trabalhou em modelagem matemática, simulações de dispositivos, design de chips, fabricação e muito mais.
Ele diz que o dispositivo inovador permite diversidade de fase e operações diferenciais em um único circuito integrado fotônico, cancelando assim a penalidade de dispersão, ou degradação da qualidade do sinal, e ruído em links de comunicação óptica.
“Nossos experimentos demonstram que esta abordagem elimina os nulos inerentes na resposta de frequência, o que é um avanço significativo para sistemas fotônicos de alongamento de tempo e sistemas de comunicação óptica coerentes”, diz Ordouie. “Embora o modulador proposto seja mais complexo que os padrões, levando a um tamanho de chip maior e rendimento de fabricação potencialmente menor, acreditamos que as vantagens da diversidade de fase e das operações diferenciais justificam a complexidade adicional. Este avanço representa um avanço notável na implementação prática de sistemas fotônicos e abre novas possibilidades para comunicação e aquisição de dados mais rápidas e eficientes.”
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