Den helt optiska omkopplaren är en slags enhet som styr ljus med ljus, som är den grundläggande byggstenen för modern optisk kommunikation och informationsbehandling. Att skapa en effektiv, Ultra snabb, och kompakt helt optisk switch har erkänts som nyckelsteget för utvecklingen av nästa generations optiska och kvantberäkningar. I princip, fotoner interagerar inte direkt med varandra i den linjära regimen med låg effekt, och en hålighet behövs vanligtvis för att resonant förbättra fältet för kontrolljus och öka interaktionen. I tidigt arbete, prestandan för helt optiska switchar har förbättrats snabbt genom att optimera resonatorer som mikroringar eller fotoniska kristaller. För ytterligare förbättringar, forskningsområdet når gränsen – avvägningen mellan ultralåg energiförbrukning och ultrakort kopplingstid.

"Låg energiförbrukning kräver vanligtvis en hög Q-faktor för resonatorn, medan det längre livslängden high-Q-läget utgör ett hinder för att förbättra växlingshastigheten, "sa Qinghai Song från Harbin Institute of Technology, Kina. "Ett alternativt tillvägagångssätt med plasmonisk nanostruktur har nyligen utnyttjats för att bryta avvägningen. Insättnings- och spridningsförlusten är så stor som 19 dB och ytterligare strömförbrukning krävs för att förstärka signalerna."

De lasrande åtgärderna vid de topologiskt skyddade avgränsade tillstånden i kontinuumet har potential att så småningom lösa denna långvariga utmaning. I Vetenskap , forskare från Harbin Institute of Technology, Australian National University och City University of New York beskriver sin innovation av omkopplingsmekanismen vid de topologiskt skyddade gränsade tillstånden i kontinuumet (BICs), som erbjuder en ultrasnabb övergång av mikrolaseremission från en radiellt polariserad munkstråle till linjärt polariserade lober och vice versa. Den extremt höga Q-faktorn hos BIC:erna kan dramatiskt minska lasertröskeln och så småningom bryta ovanstående kompromiss i konventionella helt optiska switchar.

Nästa steg i denna forskning är att kaskadmässigt integrera flera sådana omkopplingsbara mikrolasrar med ett integrerat fotoniskt chip och att utföra optiska logiska operationer. Detta är förutsättningen för det slutliga målet - optisk eller kvantberäkning.

Använda symmetri-skyddade BIC

Konventionella ultrasnabba helt optiska omkopplare använder antingen det olinjära brytningsindexet eller olinjär absorption för att producera en optisk bit. Sådana tekniker kräver antingen hög excitationsfluens för att producera våglängdsförskjutning eller extra förlust för att modulera transmissionen, fortfarande begränsat av avvägningen.

Forskarna löser detta problem med de optiska egenskaperna hos BIC, som ursprungligen föreslogs av Von Neumann och Wigner inom kvantmekanik och som nyligen har återupptagits inom optik. Även om de oavsiktliga BIC:n har väckt mest forskningsuppmärksamhet på grund av dess robusthet, denna forskning fokuserar på laseremissioner från symmetriskyddade BIC:er. Jämfört med oavsiktliga BIC:er, den senare är extremt känslig för symmetribrytande störningar. Den exceptionella vinsten med ett lasersystem, som motsvarar den imaginära delen av brytningsindexet (n"), kan vara en ny och effektiv parameter för ultrasnabb kontroll av symmetri och motsvarande symmetrirelaterade laseremissioner från fjärrfält vid BIC.

För att testa konceptet, forskarna tillverkade en periodisk nanostruktur med kvadratiskt gitter i en MAPbBr ₃ perovskitfilm och pumpade den optiskt. Single-mode laseroperation uppnåddes vid de symmetriskyddade BIC:erna. Den utgående laserstrålen är en munkstråle i vertikal riktning med en divergensvinkel på 2o. Polarisationstestet och självinterferensmönstret visar att laserstrålen för strålning är radiellt polariserad med orbital vinkelmoment (OAM).

"Den riktade laseremissionen med OAM är inte förvånande, " sa Song. "Det har observerats och förklarats av B. Kante från UC Berkeley. Det hänför sig till polarisationsvirveln vid BIC:erna och den tvärgående spinnvinkelmomentet som induceras av de riktiga proverna. Det kan också realiseras med cirkulärt polariserad optisk excitation. Jämförbart, BIC-mikrolasern är mer spännande i helt optisk switchning."

Forskarna visar att pumpprofilen effektivt kan styra BIC-lasrarna. Genom att delvis öka den optiska förstärkningen med den andra strålen, den fyrfaldiga rotationssymmetrin bryts och BIC-lasern bryts ned till en konventionell fotonisk kristalllaser. Som ett resultat, munkstrålen går över till två linjärt polariserade lober. En sådan övergång och dess omkastning sker inom en tid av 1-1,5 ps. En fullständig övergång från en munk till två lober och tillbaka till en munk har också realiserats inom 2-3 ps. En sådan omkopplingstid är mer än en storleksordning snabbare än BIC-mikrolaserns livslängd, visar tydligt att begränsningen av laserns livslängd på omkopplingstid är bruten.

"En sådan ultrasnabb kontroll tillskrivs fjärrfältsegenskaperna hos BIC, " sa Song. "BIC:erna bildas av destruktiv interferens vid strålningskanalerna. Med tanke på fjärrfältstrålning, övergången från BIC-mikrolasare till konventionella lasrar representerar en omfördelning av laseremissionen i stället för en direkt till- och frånkoppling av lasermetoden. "

Lasertröskeln är cirka 4,2 mW/cm ² , ger en energiförbrukning per bit liknande nuvarande helt optiska switchar. "Detta beror på att kvaliteten på våra perovskit -nanostrukturer är låg och att den extremt höga Q -faktorn för BIC inte har utnyttjats fullt ut, "sa sången." Så småningom, tröskeln kan reduceras ytterligare i storleksordningar med BIC:erna och bryta alla begränsningar för helt optiska omkopplare."

Den demonstrerade mekanismen är inte begränsad av optisk excitation. Elektriskt drivna BIC-mikrolasrar med ultrasnabb omkoppling är också möjliga och den kaskadvisa integrationen på chipet av sådana ultrasnabba omkopplingsbara BIC-lasrar är också väsentlig för optisk och kvantberäkning. Denna forskning är publicerad i Vetenskap den 28 februari 2020.