Volloptisches Schaltgerät ebnet den Weg für schnellere Glasfaserkommunikation

Modernes Breitband-Internet nutzt Licht, um große Datenmengen schnell und zuverlässig über Glasfaserkabel zu übertragen. Derzeit stoßen Lichtsignale jedoch auf einen Engpass, wenn Datenverarbeitung erforderlich ist. Dazu müssen sie vor der Weiterleitung in zu verarbeitende elektrische Signale umgewandelt werden.

Ein als rein optischer Schalter bezeichnetes Gerät könnte stattdessen Licht verwenden, um andere Lichtsignale zu steuern, ohne dass eine elektrische Umwandlung erforderlich wäre, was Zeit und Energie bei der Glasfaserkommunikation spart.

Ein Forschungsteam unter der Leitung der University of Michigan hat einen ultraschnellen rein optischen Schalter demonstriert, indem es zirkular polarisiertes Licht, das sich wie ein Propeller dreht, durch einen mit einem ultradünnen Halbleiter ausgekleideten optischen Hohlraum pulsiert. Die Studie wurde kürzlich in veröffentlicht Natürliche Kommunikation.

Das Gerät könnte als standardmäßiger optischer Schalter fungieren, bei dem das Ein- oder Ausschalten eines Steuerlasers den Signalstrahl derselben Polarisation umschaltet, oder als eine Art Logikgatter, das als Exklusiv-ODER-Schalter (XOR) bezeichnet wird und bei dem ein Ausgangssignal erzeugt wird Ein Lichteingang dreht sich im Uhrzeigersinn und der andere gegen den Uhrzeigersinn, jedoch nicht, wenn die beiden Eingänge gleich sind.

„Da ein Schalter der grundlegendste Baustein jeder Informationsverarbeitungseinheit ist, ist ein rein optischer Schalter der erste Schritt in Richtung optischer Datenverarbeitung oder des Aufbaus optischer neuronaler Netze“, sagte Lingxiao, Doktorand in Physik an der UM und Hauptautor der Studie.

Die geringen Verluste des optischen Rechnens machen es wünschenswerter als das elektronische Rechnen.

„Ein extrem geringer Stromverbrauch ist der Schlüssel zum Erfolg des optischen Rechnens. Die Arbeit unseres Teams befasst sich genau mit diesem Problem, indem es ungewöhnliche zweidimensionale Materialien verwendet, um Daten mit sehr geringer Energie pro Bit zu übertragen“, sagte Stephen Forrest, Peter A. Franken angesehener Professor. Universitätsprofessor für Elektrotechnik an der UM und Mitautor der Studie.

Um dies zu erreichen, haben die Forscher in regelmäßigen Abständen einen Spirallaser durch einen optischen Hohlraum gepulst (eine Reihe von Spiegeln, die Licht mehrmals einfangen und reflektieren) und so die Leistung des Lasers um zwei Größenordnungen erhöht.

Wenn eine ein Molekül dicke Schicht aus Halbleiter-Wolframdiselenid (WSe2) in den optischen Hohlraum eingebettet wird, vergrößert das stark oszillierende Licht die elektronischen Bänder der verfügbaren Elektronen im Halbleiter – ein nichtlinearer optischer Effekt, der als optischer Stark-Effekt bekannt ist. . Das bedeutet, dass ein Elektron, wenn es auf ein höheres Orbital springt, mehr Energie absorbiert und beim Abstieg mehr Energie abgibt, was als Blauverschiebung bezeichnet wird. Dies wiederum verändert die Fluenz des Lichtsignals, die pro Flächeneinheit abgegebene oder reflektierte Energiemenge.

Zusätzlich zur Modulation des Lichtsignals erzeugt der optische Stark-Effekt ein pseudomagnetisches Feld, das elektronische Bänder auf die gleiche Weise beeinflusst wie ein Magnetfeld. Seine effektive Stärke betrug 210 Tesla und war damit weitaus stärker als der stärkste Magnet der Erde mit einer Stärke von 100 Tesla. Die extrem starke Kraft spüren nur Elektronen, deren Spins auf die Helizität des Lichts ausgerichtet sind, wodurch elektronische Bänder mit unterschiedlichen Spinorientierungen vorübergehend gespalten werden und Elektronen in die ausgerichteten Bänder mit der gleichen Ausrichtung gelenkt werden.

Das Team könnte die Reihenfolge elektronischer Bänder mit unterschiedlichen Spins ändern, indem es die Richtung ändert, in die sich das Licht dreht.

Die kurzzeitige einheitliche Spinrichtung von Elektronen in verschiedenen Bändern bricht auch die sogenannte Zeitumkehrsymmetrie. Im Wesentlichen bedeutet Zeitumkehrsymmetrie, dass die einem Prozess zugrunde liegende Physik vorwärts und rückwärts dieselbe ist, was eine Energieerhaltung impliziert.

Obwohl wir dies in der makroskopischen Welt aufgrund der Art und Weise, wie Energie durch Kräfte wie Reibung zerstreut wird, im Allgemeinen nicht beobachten können, würde ein Video rotierender Elektronen den Gesetzen der Physik gehorchen, unabhängig davon, ob man es vorwärts oder rückwärts abspielt: die Elektronendrehung in eine Richtung würde sich in ein Elektron verwandeln, das sich mit der gleichen Energie in die entgegengesetzte Richtung dreht. Doch im pseudomagnetischen Feld wird die Zeitumkehrsymmetrie gebrochen, denn wenn es zurückgespult wird, hat das in die entgegengesetzte Richtung rotierende Elektron eine andere Energie – und die Energie der verschiedenen Spins lässt sich über den Laser steuern.

„Unsere Ergebnisse eröffnen die Tür zu vielen neuen Möglichkeiten, sowohl in der Grundlagenwissenschaft, wo die Kontrolle der Zeitumkehrsymmetrie eine notwendige Voraussetzung für die Schaffung exotischer Materiezustände ist, als auch in der Technologie, wo es möglich wird, ein so großes Magnetfeld zu nutzen.“ sagte Hui Deng, ein Forscher. Professor für Physik sowie Elektro- und Computertechnik an der UM und korrespondierender Autor der Studie.