全光開(kāi)關(guān)為更快的光纖通信鋪平道路

現(xiàn)代高速互聯(lián)網(wǎng)利用光通過(guò)光纜快速、可靠地傳輸大量數(shù)據(jù)，但目前光信號(hào)在需要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)遇到了瓶頸。為此，光信號(hào)在進(jìn)一步傳輸之前必須轉(zhuǎn)換成電信號(hào)進(jìn)行處理。

而一種被稱(chēng)為全光開(kāi)關(guān)的設(shè)備可以利用光來(lái)控制其他光信號(hào)，而無(wú)需進(jìn)行電氣轉(zhuǎn)換，從而節(jié)省了光纖通信的時(shí)間和能源。

密歇根大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究小組通過(guò)脈沖圓偏振光（像螺旋一樣扭曲）穿過(guò)襯有超薄半導(dǎo)體的光腔，展示了一種超快全光開(kāi)關(guān)。這項(xiàng)研究最近發(fā)表在《自然·通訊》（Nature Communications）上。

圖片:搜狗截圖20241020150626.png

原理和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

這種裝置可以作為標(biāo)準(zhǔn)的光學(xué)開(kāi)關(guān)（打開(kāi)或關(guān)閉控制激光器，切換相同偏振的信號(hào)光束），也可以作為一種稱(chēng)為 “排他性O(shè)R（XOR）開(kāi)關(guān) ”的邏輯門(mén)（當(dāng)一個(gè)光輸入順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，另一個(gè)光輸入逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生輸出信號(hào)，但當(dāng)兩個(gè)輸入相同時(shí)不產(chǎn)生輸出信號(hào)）。

該研究的第一作者、麻省理工大學(xué)物理學(xué)博士生Lingxiao Zhou說(shuō)：“由于開(kāi)關(guān)是任何信息處理單元最基本的構(gòu)件，因此全光開(kāi)關(guān)是實(shí)現(xiàn)全光計(jì)算或構(gòu)建光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的第一步。”

光計(jì)算的低損耗使其比電子計(jì)算更受歡迎。

馬薩諸塞大學(xué)電氣工程 Peter A. Franken 特聘教授、該研究的主要作者 Stephen Forrest 說(shuō)：“極低的功耗是光計(jì)算成功的關(guān)鍵。我們團(tuán)隊(duì)所做的工作恰恰解決了這個(gè)問(wèn)題，利用非同尋常的二維材料，以極低的單位比特能量進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。”

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，研究人員通過(guò)光腔——一組能多次捕捉和來(lái)回反彈光線(xiàn)的鏡子——以一定的間隔脈沖螺旋激光，將激光強(qiáng)度提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

當(dāng)光腔中嵌入一分子厚的半導(dǎo)體二硒化鎢（WSe2）層時(shí)，強(qiáng)烈的振蕩光擴(kuò)大了半導(dǎo)體中可用電子的電子帶--這種非線(xiàn)性光學(xué)效應(yīng)被稱(chēng)為光學(xué)斯塔克效應(yīng)。這意味著，當(dāng)電子躍遷到更高的軌道時(shí)，它會(huì)吸收更多的能量，而當(dāng)它向下躍遷時(shí)，則會(huì)發(fā)射更多的能量，這就是所謂的藍(lán)移。這反過(guò)來(lái)又改變了信號(hào)光的通量，即單位面積上傳遞或反射的能量。

除了調(diào)制信號(hào)光之外，光學(xué)斯塔克效應(yīng)還產(chǎn)生了一個(gè)偽磁場(chǎng)，它對(duì)電子波段的影響與磁場(chǎng)類(lèi)似。其有效強(qiáng)度為 210 特斯拉，遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于地球上強(qiáng)度為 100 特斯拉的最強(qiáng)磁鐵。只有那些自旋與光的螺旋度對(duì)齊的電子才能感受到這股巨大的力量，從而暫時(shí)分裂出不同自旋方向的電子帶，將對(duì)齊電子帶中的電子導(dǎo)向同一方向。

研究小組可以通過(guò)改變光的扭曲方向來(lái)改變不同自旋電子帶的排序。

不同電子帶中電子短暫的統(tǒng)一自旋方向性也打破了一種叫做時(shí)間反轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性的東西。從本質(zhì)上講，時(shí)間反轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性意味著一個(gè)過(guò)程的基本物理原理前后相同，這意味著能量守恒。

雖然我們通常無(wú)法在宏觀世界中觀察到這一點(diǎn)，因?yàn)槟芰繒?huì)通過(guò)摩擦力等力量耗散，但如果你能拍攝一段電子旋轉(zhuǎn)的視頻，那么無(wú)論你是向前還是向后播放，它都會(huì)遵守物理定律--單向旋轉(zhuǎn)的電子會(huì)變成能量相同的反向旋轉(zhuǎn)的電子。但在偽磁場(chǎng)中，時(shí)間反轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性被打破了，因?yàn)槿绻�倒帶，旋轉(zhuǎn)方向相反的電子具有不同的能量——不同自旋的能量可以通過(guò)激光來(lái)控制。

該研究的通訊作者、麻省理工大學(xué)物理與電子和計(jì)算機(jī)工程系教授Hui Deng說(shuō)：“我們的研究成果為許多新的可能性打開(kāi)了大門(mén)，無(wú)論是在基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域，控制時(shí)間反轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性是創(chuàng)造奇異物質(zhì)狀態(tài)的必要條件；還是在技術(shù)領(lǐng)域，利用如此巨大的磁場(chǎng)成為可能�！�

相關(guān)鏈接：https://phys.org/news/2024-10-optical-device-paves-faster-fiber.html

論文鏈接：https://dx.doi.org/10.1038/s41467-024-52014-0