Optik, teknologier som utnyttjar ljusets beteende och egenskaper, är grunden för många befintliga tekniska verktyg, framför allt fiberkommunikationssystem som möjliggör lång- och kortdistanskommunikation med hög hastighet mellan enheter. Optiska signaler har hög informationskapacitet och kan sändas över längre avstånd.

Forskare vid California Institute of Technology har nyligen utvecklat en ny enhet som kan hjälpa till att övervinna några av begränsningarna hos befintliga optiska system. Denna enhet, introducerad i en artikel publicerad i Nature Photonics , är en litiumniobatbaserad enhet som kan växla ultrakorta ljuspulser med en extremt låg optisk pulsenergi på tiotals femtojoule.

"Till skillnad från elektronik, saknar optik fortfarande effektivitet i de komponenter som krävs för beräkning och signalbehandling, vilket har varit en stor barriär för att låsa upp potentialen hos optik för ultrasnabba och effektiva beräkningsscheman," sa Alireza Marandi, huvudforskare för studien, till Phys.org . "Under de senaste decennierna har betydande ansträngningar ägnats åt att utveckla helt optiska omkopplare som skulle kunna möta denna utmaning, men de flesta av de energieffektiva konstruktionerna led av långsamma omkopplingstider, främst för att de antingen använde hög-Q-resonatorer eller bärare- baserade olinjäriteter."

Huvudsyftet med den senaste studien av Marandi och hans kollegor var att utnyttja den inneboende olinjäriteten hos litiumniobat för att utveckla en högpresterande optisk switch. De ville att den här omkopplaren skulle vara ultrasnabb (i femtosekundsintervallet) och fungera med ultralåg energi (dvs femtojoule).

När forskarna designade sin enhet, integrerade forskarna inga resonatorer. Istället introducerade de två nyckelelement som förbättrade enhetens växlingsprestanda, både vad gäller energiförbrukning och hastighet.

"För det första använder vi den spatio-temporala inneslutningen av ljus i nanovågledare för att förbättra de olinjära interaktionerna eftersom styrkan hos parametriska olinjära processer beror på toppintensiteten," sa Marandi. "Denna spatio-temporala inneslutning var möjlig i nanaofotoniskt litiumniobat på grund av vågledarnas nanoskaliga tvärsnitt och möjligheten till dispersionsteknik, vilket tillåter femtosekundpulser att förbli korta när de fortplantar sig genom vågledaren i nanoskala."

Den andra kännetecknande egenskapen hos enheten skapad av Marandi och hans kollegor är att dess olinjära interaktioners kvasi-fasmatchning konstruerades. Mer specifikt designade och ändrade teamet den kristallografiska orienteringen av litiumniobat längs dess nanovågledare.

"Vi använder ett periodiskt mönster med en artificiell defekt i mitten, som deterministiskt växlar den olinjära processen från generering av andra övertoner (SHG) till optisk parametrisk förstärkning (OPA)," Qiushi Guo, postdoktor och huvudförfattare till artikeln förklarade. "Genom att lägga till en våglängdsselektiv kopplare före denna defekt, eftersom lågenergipulser inte leder till effektiv SHG i den första halvan av vågledaren kommer de att släppas av den linjära kopplaren. Men högenergipulser leder till effektiv SHG före kopplaren och kommer därför inte att släppas av kopplaren, eftersom ingångsenergin kommer att lagras i den andra övertonens våglängd av ingången. Efter defekten återgår OPA-processen tillbaka signalen till ingångsvåglängden."

I inledande utvärderingar fann forskarna att deras design möjliggjorde ultrasnabb helt optisk omkoppling, samtidigt som de bara förbrukade femtojoule energi. Specifikt uppnådde deras enhet ultralåga kopplingsenergier ner till 80 fJ, med en snabbaste kopplingstid på ~46 fs och en lägsta energitidsprodukt på 3,7 × 10 ⁻²⁷ J s i integrerad fotonik.

"Vår enhetsdesign skiljer sig mycket från de tidigare helt optiska switcharna, mest på grund av hur vi konstruerade kvasi-fasmatchningen och hur vi kunde använda ultrakorta pulser, och den resulterande prestandan är extraordinär," sa Marandi. "Detta är ett av de mest optimala sätten att realisera en icke-linjär optisk splitter. Vi är dock inte vana vid att tänka på informationsbehandling på det här sättet. Till exempel för kommunikation är det mest använda sättet att packa information om optiska signaler. våglängdsmultiplexering, vilket inte är riktigt kompatibelt med denna omkopplingsmekanism."

Switchen som forskarna skapat är särskilt lämpad för det som kallas tidsdelningsmultiplexering, en teknik för att packa information till en optisk signal för kommunikation och informationsbehandling. Enhetens förmåga att stödja detta multiplexeringsschema kan öppna oöverträffade möjligheter på detta område, genom att utnyttja den ultrasnabba hastigheten och andra fördelaktiga egenskaper hos optik.

"Informationsbehandling med THz-klockfrekvenser kan vara en av de viktiga konsekvenserna av vårt arbete," sa Marandi. "Möjligheterna inom ultrasnabb litiumniobat nanofotonik är överväldigande."

Det senaste arbetet av detta team av forskare visar den stora potentialen hos integrerade olinjära fotoniska enheter. I framtiden kan det hjälpa att ompröva designen av fotonisk och optisk teknik på både enhets- och systemnivå.

I sina nästa studier planerar Marandi och hans kollegor att fortsätta utveckla högpresterande enheter med unika och innovativa funktioner. Deras förhoppning är att bidra till skapandet av storskaliga, ultrasnabba nanofotoniska kretsar och system.

"Vi är också glada över att använda vår olinjära splitter som kärnan i en integrerad lägeslåst laser," tillade Marandi. "Splittern kan fungera som en "mättbar absorberare", vilket är den huvudsakliga byggstenen för låsning av passivt läge och har varit utmanande att uppnå i integrerad fotonik. Den effektiva mättbara absorptionen i vår enhet har en extraordinär hastighet och energieffektivitet, och dess designen är kompatibel med integrerade lasrar." + Utforska vidare

Ny optisk switch kan leda till ultrasnabb helt optisk signalbehandling

© 2022 Science X Network