Ein neuartiges rein optisches Schaltverfahren macht optische Rechen- und Kommunikationssysteme energieeffizienter

Eine Gruppe von Photonikforschern an der Universität Tampere hat eine neuartige Methode eingeführt, um einen Lichtstrahl mit einem anderen Strahl durch eine einzigartige plasmonische Metaoberfläche in einem linearen Medium bei ultraniedriger Leistung zu steuern. Diese einfache lineare Schaltmethode macht nanophotonische Geräte wie optische Computer- und Kommunikationssysteme nachhaltiger, da sie eine geringe Lichtintensität erfordern.

Volloptisches Schalten ist die Modulation von Signallicht durch Steuerlicht derart, dass es die Ein/Aus-Umwandlungsfunktion besitzt. Im Allgemeinen kann ein Lichtstrahl in Gegenwart eines nichtlinearen Mediums mit einem anderen intensiven Laserstrahl moduliert werden.

Das von den Forschern entwickelte Schaltverfahren basiert im Wesentlichen auf dem quantenoptischen Phänomen, das als Enhancement of Refraction (EIR) bekannt ist.

„Unsere Arbeit ist die erste experimentelle Demonstration dieses Effekts auf das optische System und seine Nutzung für lineares rein optisches Schalten. Die Forschung klärt die wissenschaftliche Gemeinschaft auch auf, um verlustkompensierte plasmonische Geräte zu erreichen, die bei Resonanzfrequenzen durch außergewöhnliche Verbesserung des Brechungsindex ohne arbeiten unter Verwendung beliebiger Verstärkungsmedien oder nichtlinearer Prozesse“, sagt Humeyra Caglayan, außerordentliche Professorin (Tenure Track) für Photonik an der Universität Tampere.

Optisches Umschalten mit ultraschneller Geschwindigkeit

Hochgeschwindigkeitsschalten und verlustarme Medien zur Vermeidung der starken Signaldissipation während der Ausbreitung sind die Grundlage für die Entwicklung integrierter photonischer Technologie, bei der Photonen anstelle von Elektronen als Informationsträger verwendet werden. Um ultraschnelle volloptische Schaltnetzwerke und photonische Zentraleinheiten auf dem Chip zu realisieren, muss das volloptische Schalten eine ultraschnelle Schaltzeit, eine ultraniedrige Schwellensteuerleistung, eine ultrahohe Schalteffizienz und eine Strukturgröße im Nanomaßstab aufweisen.

„Das Umschalten zwischen Signalwerten von 0 und 1 ist grundlegend in allen digitalen elektronischen Geräten, einschließlich Computern und Kommunikationssystemen. In den letzten Jahrzehnten sind diese elektronischen Elemente immer kleiner und schneller geworden. Zum Beispiel die gewöhnlichen Berechnungen, die mit unseren Computern auf Bestellung durchgeführt werden von Sekunden war mit alten zimmergroßen Computern nicht einmal in mehreren Tagen möglich“, bemerkt Caglayan.

In der konventionellen Elektronik beruht das Schalten auf der Steuerung des Elektronenflusses auf der Zeitskala im Mikrosekunden- (10-6 Sek.) oder Nanosekunden- (10-9 Sek.) Bereich durch Anschließen oder Trennen von elektrischer Spannung.

„Allerdings lässt sich die Schaltgeschwindigkeit auf eine ultraschnelle Zeitskala (Femtosekunde 10-15 Sek.) anheben, indem man die Elektronen durch Plasmonen ersetzt. Plasmonen sind eine Kombination aus Photonen und einer Ansammlung von Elektronen auf der Oberfläche von Metallen. Dadurch wird optisches Schalten mit möglich unser Gerät mit Geschwindigkeiten im Femtosekundenbereich (10-15 Sek.),“ erklärt sie.

„Unser plasmonischer Nanoschalter besteht aus einer L-förmigen Kombination aus metallischen Nanostäbchen. Einer der Nanostäbchen empfängt ein linear polarisiertes Signal und der andere einen weiteren linear polarisierten ‚Kontroll‘-Strahl senkrecht zum ersten Strahl“, sagt Postdoktorand Rakesh Dhama , der Erstautor des in veröffentlichten Artikels Naturkommunikation.

Polarisation bedeutet die Richtung, in der das elektrische Feld des Strahls oszilliert. Der Steuerstrahl kann das Signal abhängig von der Phasendifferenz zwischen den Strahlen dämpfen oder verstärken. Die Phasendifferenz bezieht sich auf die Zeitdifferenz, wenn jeder Strahl seine maximale Intensität erreicht. Die Signalverstärkung erfolgt aufgrund der Übertragung von etwas optischer Energie vom Steuerstrahl auf das Signal durch eine konstruktive Überlagerung mit einer sorgfältig konstruierten Phasendifferenz.

Verbesserung der Leistung von plasmonischen Geräten

In ähnlicher Weise wird die Dämpfung des Signals durch destruktive Überlagerung erreicht, wenn die Strahlen die entgegengesetzte Phasendifferenz aufweisen. Diese Erkenntnis macht nanophotonische Geräte wie optische Computer- und Kommunikationssysteme nachhaltiger, die eine geringe Lichtintensität erfordern. Diese einfache lineare Schaltmethode kann die aktuellen Methoden der optischen Verarbeitung, des Rechnens oder der Kommunikation ersetzen, indem sie die Entwicklung und Realisierung von plasmonischen Systemen im Nanomaßstab beschleunigt.

„Wir erwarten weitere Studien zu plasmonischen Strukturen, die unsere verbesserte Schaltmethode und möglicherweise die Verwendung unserer Methode in plasmonischen Schaltkreisen in der Zukunft nutzen. Darüber hinaus könnte die L-förmige Metaoberfläche weiter untersucht werden, um ultraschnelles Schalten unter Beleuchtung von zu zeigen Femtosekunden-Laserpulse und zur Untersuchung der nichtlinearen Verstärkung und Kontrolle von plasmonischen Nanopartikeln“, bemerkt Humeyra Caglayan.

Die Steuerung der nichtlinearen Reaktion von Nanostrukturen bietet sogar noch interessantere Anwendungen und Funktionalitäten für nanophotonische Geräte wie optische Computer- und Kommunikationssysteme.

„Dieser Ansatz hat auch das Potenzial, die Leistung von plasmonischen Geräten zu verbessern, indem er Breitbandtransparenz für einen Signalstrahl ohne Verstärkungsmedium schafft. Er kann mehrere Möglichkeiten eröffnen, intelligente photonische Elemente für die integrierte Photonik zu entwerfen“, sagt Cagalayan.

Zur Verfügung gestellt von der Universität Tampere