Całkowicie optyczne urządzenie przełączające toruje drogę do szybszej komunikacji światłowodowej

Nowoczesny szybki Internet wykorzystuje światło do szybkiego i niezawodnego przesyłania dużych ilości danych za pomocą kabli światłowodowych, ale obecnie sygnały świetlne napotykają wąskie gardło, gdy konieczne jest przetwarzanie danych. W tym celu muszą zostać zamienione na sygnały elektryczne w celu przetworzenia przed dalszą transmisją.

Urządzenie zwane przełącznikiem całkowicie optycznym mogłoby zamiast tego wykorzystywać światło do sterowania innymi sygnałami świetlnymi bez konieczności konwersji elektrycznej, oszczędzając czas i energię w komunikacji światłowodowej.

Zespół badawczy pod kierunkiem Uniwersytetu Michigan zademonstrował ultraszybki, całkowicie optyczny przełącznik, polegający na pulsowaniu światła spolaryzowanego kołowo, które wije się jak helisa, przez wnękę optyczną wyłożoną ultracienkim półprzewodnikiem. Badanie zostało niedawno opublikowane w Komunikacja przyrodnicza.

Urządzenie mogłoby pełnić funkcję standardowego przełącznika optycznego, w którym włączenie lub wyłączenie lasera sterującego przełącza wiązkę sygnału o tej samej polaryzacji, lub jako rodzaj bramki logicznej zwanej przełącznikiem Exclusive OR (XOR), która wytwarzałaby sygnał wyjściowy, gdy Wejście światła obraca się w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara, a drugie w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, ale nie wtedy, gdy oba wejścia są takie same.

„Ponieważ przełącznik jest najbardziej podstawowym elementem składowym każdej jednostki przetwarzania informacji, przełącznik w pełni optyczny jest pierwszym krokiem w kierunku wszelkich obliczeń optycznych lub budowy optycznych sieci neuronowych” – powiedział Lingxiao Zhou, doktorant fizyki na UM i główny autor książki badanie.

Niskie straty w obliczeniach optycznych sprawiają, że są one bardziej pożądane niż obliczenia elektroniczne.

„Niezwykle niskie zużycie energii jest kluczem do sukcesu obliczeń optycznych. Praca wykonana przez nasz zespół dotyczy właśnie tego problemu, wykorzystując niezwykłe dwuwymiarowe materiały do ​​przełączania danych przy bardzo niskich energiach na bit” – powiedział Stephen Forrest, Peter A. Franken Distinguished Profesor elektrotechniki UM i współautor badania.

Aby to osiągnąć, badacze w regularnych odstępach czasu przepuszczali spiralny laser przez wnękę optyczną – zestaw luster, które wielokrotnie wychwytują i odbijają światło w tę i z powrotem – zwiększając siłę lasera o dwa rzędy wielkości.

Kiedy warstwa półprzewodnikowego diselenku wolframu (WSe2) o grubości jednej cząsteczki jest osadzona we wnęce optycznej, silne, oscylujące światło powiększa pasma elektronowe dostępnych elektronów w półprzewodniku — jest to nieliniowy efekt optyczny znany jako optyczny efekt Starka . Oznacza to, że elektron wskakując na wyższą orbitę, pochłania więcej energii i emituje więcej energii, gdy skacze w dół, co jest znane jako przesunięcie niebieskie. To z kolei modyfikuje fluencję światła sygnalizacyjnego, czyli ilość energii dostarczonej lub odbitej na jednostkę powierzchni.

Oprócz modulowania światła sygnalizacyjnego, optyczny efekt Starka wytwarza pole pseudomagnetyczne, które oddziałuje na pasma elektroniczne podobnie jak pole magnetyczne. Jego efektywna siła wynosiła 210 Tesli, czyli znacznie więcej niż Najsilniejszy magnes Ziemi o mocy 100 Tesli. Ogromną siłę odczuwają jedynie elektrony, których spiny są wyrównane ze spiralą światła, tymczasowo rozdzielając pasma elektronowe o różnych orientacjach spinów i kierując elektrony w ustawionych pasmach w tę samą orientację.

Zespół mógłby zmienić kolejność pasm elektronicznych o różnych spinach, zmieniając kierunek skrętu światła.

Krótka, jednolita kierunkowość spinu elektronów w różnych pasmach również łamie coś, co nazywa się symetrią odwrócenia czasu. Zasadniczo symetria odwrócenia czasu oznacza, że ​​fizyka leżąca u podstaw procesu jest taka sama w przód i w tył, co sugeruje zachowanie energii.

Chociaż zazwyczaj nie możemy tego zaobserwować w świecie makroskopowym ze względu na sposób, w jaki energia rozprasza się przez siły takie jak tarcie, gdybyś mógł nagrać film przedstawiający wirujące elektrony, przestrzegałby on praw fizyki, niezależnie od tego, czy odtwarzałeś go do przodu, czy do tyłu – elektron obracający się w jedną stronę zamieniłby się w elektron wirujący w drugą stronę z tą samą energią. Jednak w polu pseudomagnetycznym symetria odwrócenia czasu zostaje złamana, ponieważ po przewinięciu elektron wirujący w przeciwnym kierunku ma inną energię, a energię różnych spinów można kontrolować za pomocą lasera.

„Nasze wyniki otwierają drzwi do wielu nowych możliwości, zarówno w naukach podstawowych, gdzie kontrolowanie symetrii odwrócenia czasu jest wymogiem tworzenia egzotycznych stanów materii, jak i w technologii, gdzie możliwe staje się wykorzystanie tak ogromnego pola magnetycznego” – powiedział Hui Deng, badacz profesor fizyki oraz inżynierii elektrycznej i komputerowej na UM oraz autor korespondencyjny opracowania.