Volloptisches Switch-Gerät ebnet den Weg für schnellere Glasfaserkommunikation

Modernes Hochgeschwindigkeitsinternet 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 weiteren Übertragung in elektrische Signale zur Verarbeitung umgewandelt werden.

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

Ein Forschungsteam unter der Leitung der University of Michigan demonstrierte einen ultraschnellen rein optischen Schalter, indem es zirkular polarisiertes Licht, das sich wie eine Helix dreht, durch einen mit einem ultradünnen Halbleiter ausgekleideten optischen Hohlraum pulsierte. Die Studie wurde kürzlich in veröffentlicht Naturkommunikation.

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 namens Exklusiv-ODER-Schalter (XOR), der bei Ein- und Ausschalten ein Ausgangssignal erzeugen würde Der Lichteingang dreht sich im Uhrzeigersinn und der andere gegen den Uhrzeigersinn, jedoch nicht, wenn beide Eingänge gleich sind.

„Da ein Schalter der elementarste Baustein jeder Informationsverarbeitungseinheit ist, ist ein rein optischer Schalter der erste Schritt hin zu allen optischen Computern oder dem Aufbau optischer neuronaler Netze“, sagte Lingxiao Zhou, Physikdoktorand an der UM und Hauptautor von die Studie.

Der geringe Verlust des optischen Rechnens macht es wünschenswerter als das elektronische Rechnen.

„Ein extrem niedriger Stromverbrauch ist ein Schlüssel zum Erfolg optischer Computer. Die von unserem Team geleistete Arbeit geht genau dieses Problem an, indem ungewöhnliche zweidimensionale Materialien verwendet werden, um Daten mit sehr niedrigen Energien pro Bit zu übertragen“, sagte Stephen Forrest, der Peter A. Franken Distinguished 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 hin und her reflektieren – und so die Stärke des Lasers um zwei Größenordnungen steigern.

Wenn eine ein Molekül dicke Schicht des Halbleiters Wolframdiselenid (WSe2) in den optischen Hohlraum eingebettet wird, vergrößert das starke, 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 Abwärtsspringen mehr Energie abgibt, was als Blauverschiebung bezeichnet wird. Dies wiederum verändert die Fluenz des Signallichts, die pro Flächeneinheit abgegebene oder reflektierte Energiemenge.

Zusätzlich zur Modulation des Signallichts erzeugte der optische Stark-Effekt ein pseudomagnetisches Feld, das elektronische Bänder ähnlich wie ein Magnetfeld beeinflusst. Seine effektive Stärke betrug 210 Tesla, weitaus stärker als Der stärkste Magnet der Erde mit einer Stärke von 100 Tesla. Die enorm starke Kraft spüren nur Elektronen, deren Spins auf die Helizität des Lichts ausgerichtet sind, wodurch die elektronischen Bänder unterschiedlicher Spinorientierung vorübergehend aufgespalten werden und die Elektronen in den ausgerichteten Bändern alle in die gleiche Ausrichtung gelenkt werden.

Das Team könnte die Reihenfolge der elektronischen Bänder verschiedener Drehungen ändern, indem es die Richtung ändert, in der sich das Licht dreht.

Die kurzzeitige einheitliche Spinrichtung der 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.

Während wir dies in der makroskopischen Welt aufgrund der Art und Weise, wie Energie durch Kräfte wie Reibung zerstreut wird, normalerweise nicht beobachten können, würde es, wenn man ein Video von sich drehenden Elektronen aufnehmen könnte, den Gesetzen der Physik gehorchen, egal ob man es vorwärts oder rückwärts abspielt – das Elektron Wenn sich ein Elektron in eine Richtung dreht, wird es zu einem Elektron, das sich mit der gleichen Energie in die entgegengesetzte Richtung dreht. Aber im pseudomagnetischen Feld wird die Zeitumkehrsymmetrie gebrochen, weil das in die entgegengesetzte Richtung rotierende Elektron beim Zurückspulen eine andere Energie hat – und die Energie verschiedener Spins kann durch den Laser gesteuert werden.

„Unsere Ergebnisse eröffnen Türen zu vielen neuen Möglichkeiten, sowohl in der Grundlagenwissenschaft, wo die Kontrolle der Zeitumkehrsymmetrie eine Voraussetzung für die Schaffung exotischer Materiezustände ist, als auch in der Technologie, wo die Nutzung eines so großen Magnetfelds möglich wird“, sagte Hui Deng, a Professor für Physik sowie Elektro- und Computertechnik an der UM und korrespondierender Autor der Studie.