I big datas tidevarv står signalbehandlingen inför betydande utmaningar när det gäller kapacitet och energiförbrukning på grund av mängden data som ska bearbetas. Med över 90 % av data som överförs genom ljus, kan optisk signalbehandling erbjuda oöverträffad hastighet och energieffektivitet jämfört med dess elektroniska motsvarigheter, eftersom den fungerar utan att behöva konvertera den optiska dataströmmen till den elektriska domänen.
Optiska olinjära effekter, kända för sin ultrasnabba respons, stora bandbredd och parallellitet, i kombination med integrerade fotonikplattformar, kan tillhandahålla en effektiv optisk styrteknik för att främja utvecklingen och tillämpningen av optisk signalbehandling.
Ändå är det krävande kravet på ett högintensivt ljusfält fortfarande ett stort hinder för att realisera praktiska icke-linjära optiska signalbehandlingssystem (NOSP). Resonansenheter, som vanligtvis används för att minska strömbehovet i icke-linjära applikationer, står inför en restriktiv kompromiss mellan hastighet och effektivitet i NOSP-applikationer, vilket innebär att öka effektiviteten ofta kompenseras genom att skärpa hastigheten.
Nyligen har forskare banat väg för en metod som markant förbättrar effektiviteten och hastigheten hos NOSP samtidigt.
Detta nya tillvägagångssätt använder ett speciellt designat mikroresonatorsystem som manipulerar ljus med en princip som kallas "paritetstid (PT) symmetri." Med sitt ursprung i kvantfältteorin kan PT-symmetri realiseras i optiska system med en spatialt balanserad vinst-förlustfördelning. Kopplade system med låg-/högförlust-delsystem kan betraktas som passiva PT-system via matematisk transformation.
Verket publiceras i tidskriften eLight .
För att övervinna avvägningen mellan bandbreddseffektivitet (hastighetseffektivitet) är det avgörande att utnyttja förlust (kavitetsförsämring) genom PT-symmetri. Även om förlusten ofta ses som en brist i ett system, kan den bredda resonatorns linjebredd för att ta emot bredbandssignaler.
Forskarna utarbetade ett sätt att manipulera förlusten för de ljusvågor som deltar i NOSP där ljusvågen (pumpvågen) som driver NOSP upplever låg förlust, och därmed förstärks kraftigt i sin intensitet genom resonansförbättring; medan den optiska dataströmmen som är föremål för optisk signalbehandling (signal- och tomgångsvågor) upplever en högre förlust – med andra ord selektivt dämpad resonans – så att systemet kan underlätta det höghastighetsmodulerade ljuset. De två distinkta faserna som uppstår från PT-symmetribrott, den mest spännande egenskapen hos PT-system, passar bra in i detta krav.
För att uppnå detta mål utvecklade forskarna ett speciellt kopplat mikroresonatorsystem, där en mikroresonator var halva längden på den andra. Denna design möjliggör inkorporering av både den PT-brutna fasen och den nästan exceptionella punkten PT-exakta fasen i olika spektralfönster samtidigt inom samma struktur. Som ett resultat kan högeffektiv och höghastighetsdrift uppnås samtidigt, och bryter effektivt bandbreddseffektivitetsgränsen som gäller för system med enstaka resonatorer.
Att bryta bandbreddseffektivitetsbegränsningen för konventionella mikroresonatorer innebär högre hastigheter. Forskarna visade experimentella bevis som visar att höghastighetsdatabehandling, som överstiger 38 gigabit per sekund, kan uppnås med högkvalitativa faktormikroresonatorer med inbyggda linjebredder så smala som 1 gigahertz. Denna prestation i både ökad effektivitet och hastighet möjliggör en förbättring av effektiviteten i två storleksordningar jämfört med system med enstaka resonatorer.
Denna innovation resulterar i slutändan i avsevärt minskad strömförbrukning som krävs för att utföra höghastighetssignalbehandlingsuppgifter. Genom att kombinera konceptet med en ultrahög icke-linjär integrationsplattform, det vill säga AlGaAs-on-Insulator, visade forskarna NOSP-drift (våglängdskonvertering) av en 38 GBaud på-av-nyckelsignal med endast 1mW pumpeffekt. Denna drift med rekordlåg pumpeffekt förutspår ickelinjära signalbehandlingsenheter i full chipskala inom en snar framtid.
Detta genombrott tar itu med de praktiska utmaningarna med att implementera NOSP-systemet och främjar deras implementering i verkliga världen. De mindre, snabbare och mer effektiva enheterna som möjliggörs av PT-symmetrisk NOSP har potential att åstadkomma avsevärda förbättringar av nätverkskapacitet, hastighet och energieffektivitet. Dessa framsteg kan leda till snabbare internethastigheter, effektivare datacenter och till och med nya applikationer inom kvantberäkning.
Forskarna är optimistiska om den verkliga effekten av deras arbete. De förutser att den PT-symmetribaserade linjebreddsmanipulationstekniken kommer att locka brett intresse, med tanke på dess potentiella tillämpningar inom olika områden som optomekanik, akustik och atomfysik och ingenjörskonst.
Mer information: Chanju Kim et al., Paritet-tidssymmetri möjliggjorde ultraeffektiv olinjär optisk signalbehandling, eLight (2024). DOI:10.1186/s43593-024-00062-w
Journalinformation: eLight
Tillhandahålls av Chinese Academy of Sciences
