Pesquisadores de fotônica da Universidade de Tampere, Finlândia, e do Laboratório Kastler-Brossel, França, demonstraram como a autoimagem da luz, um fenômeno conhecido há quase dois séculos, pode ser aplicada a sistemas cilíndricos, facilitando o controle sem precedentes da estrutura da luz com grande potencial para sistemas avançados de comunicação óptica. Além disso, um novo tipo de dualidade espaço-tempo foi explorado para analogias poderosas que unem diferentes campos da óptica.

Em 1836, Henry F. Talbot realizou um experimento no qual observou padrões de luz que reapareciam naturalmente após alguma propagação, sem o uso de lentes ou óptica de imagem — um fenômeno de autoimagem hoje conhecido como efeito Talbot.

Recentemente, pesquisadores interessados ??em esculpir a luz do Experimental Quantum Optics Group (EQO) na Universidade de Tampere, bem como do grupo Complex Media Optics no Kastler Brossel Laboratory, na Ecole Normale Supérieure, Paris, se uniram e investigaram o efeito Talbot de autoimagem em sistemas cilíndricos em maior profundidade do que nunca. A interessante física fundamental apresentada e as poderosas aplicações em comunicações ópticas foram agora publicadas no periódico Nature Photonics.

A luz que viaja em uma fibra chamada de núcleo em anel passa por um processo de autoimagem, embora em uma posição angular.

"À medida que a luz entra na fibra em uma posição angular específica do núcleo da fibra em forma de anel, ela primeiro se espalha por todo o núcleo cilíndrico e então se recombina perfeitamente para formar o campo original por meio do processo de autoimagem", explica o pesquisador de doutorado Matias Eriksson, um dos principais autores do estudo.

Importante, essa autoimagem em posições angulares é apenas metade do fenômeno fundamental em geometrias cilíndricas. Um efeito de interferência similar também aparece em uma propriedade intimamente relacionada da luz conhecida como momento angular orbital , que permite que a luz gire partículas ao redor do eixo óptico, ou seja, faça-as orbitar em um caminho semelhante a um anel. Fundamentalmente, ambas as propriedades, posição angular e momento angular orbital, são consideradas variáveis

complementares, o que significa que a definição precisa de uma leva à imprecisão da outra propriedade.

A equipe agora combina a autoimagem em ângulo e momento angular orbital pela primeira vez em um único experimento, para controle sem precedentes da estrutura espacial da luz. Mas o estudo não para por aí, os pesquisadores também exploram a intrigante conexão com o domínio do tempo e demonstram uma poderosa aplicação para comunicação óptica.

Uma ideia fundamental em óptica é a chamada dualidade espaço-tempo, que sugere que muitos efeitos que são observados espacialmente também podem ser vistos na estrutura temporal da luz. Com base nesse princípio, a autoimagem generalizada no tempo ocorre para um trem periódico de pulsos ópticos e seu pente de frequência correspondente, ou seja, luz contendo apenas frequências bem definidas e igualmente espaçadas.

Em seu trabalho, os pesquisadores revelam uma nova forma de dualidade espaço-tempo ao mostrar a forte ligação entre ângulo/momento angular e tempo/frequência.

"Isso significa que os fenômenos físicos observados nesses dois campos estão amplamente conectados, e as técnicas de processamento de um podem ser usadas para o outro", explica o outro autor principal, Jianqi Hu, que foi bolsista de pós-doutorado no Laboratório Kastler Brossel e atualmente é pesquisador na École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Suíça.

Beneficiando-se desse conhecimento fundamental mais profundo sobre a autoimagem e suas capacidades avançadas de modulação, os pesquisadores também demonstram uma aplicação poderosa para comunicação óptica.

"O efeito generalizado de autoimagem pode ser habilmente ajustado para codificar, converter e decodificar informações nos valores do momento angular orbital da luz, de modo que eles possam atuar como canais de comunicação independentes", diz Eriksson.

Dessa forma, o estudo atual mostra que a promessa teórica de uma operação sem perdas e sem diafonia para uma taxa de dados muito maior está ao alcance, o que pode ter um impacto profundo no futuro das telecomunicações ópticas.