全光开关装置为更快的光纤通信铺平了道路

Josiah02

现代高速互联网利用光通过光纤电缆快速可靠地传输大量数据，但目前，光信号在需要处理数据时会遇到瓶颈。为此，它们必须转换为电信号进行处理后才能进一步传输。
一种称为全光开关的设备可以使用光来控制其他光信号，而无需电转换，从而节省光纤通信的时间和能源。
密歇根大学领导的研究小组展示了一种超快全光开关，它通过一个内衬超薄半导体的光腔脉冲发射圆偏振光（像螺旋一样扭曲）。这项研究最近发表在《自然通讯》上。
该设备可以作为一个标准的光开关，打开或关闭控制激光器可以切换相同偏振的信号光束，或者作为一种称为异或（XOR）开关的逻辑门，当一个光输入顺时针旋转而另一个光输入逆时针旋转时，它会产生输出信号，但当两个输入相同时则不会产生输出信号。
密歇根大学物理学博士生、这项研究的主要作者周凌晓说：“因为开关是任何信息处理单元的最基本组成部分，所以全光开关是迈向全光计算或构建光学神经网络的第一步。”
光学计算的低损耗使其比电子计算更受欢迎。
“极低功耗是光学计算成功的关键。我们团队所做的工作解决了这个问题，使用不寻常的二维材料以极低的每比特能量来交换数据，”密歇根大学电气工程系 Peter A. Franken 杰出大学教授、这项研究的作者 Stephen Forrest 说。
为了实现这一目标，研究人员通过光学腔（一组可以多次捕获和反射光的镜子）定期脉冲螺旋激光，将激光强度提高了两个数量级。
当一层单分子厚的半导体二硒化钨 (WSe2) 嵌入光学腔内时，强烈的振荡光会扩大半导体中可用电子的电子带，这是一种非线性光学效应，称为光学斯塔克效应。这意味着当电子跃迁到更高的轨道时，它会吸收更多能量，而当它跳下来时，它会释放更多能量，这被称为蓝移。这反过来又改变了信号光的通量，即单位面积传输或反射的能量。
除了调制信号光之外，光学斯塔克效应还产生了伪磁场，这种伪磁场对电子带的影响类似于磁场。其有效强度为 210 特斯拉，远高于地球上最强的磁铁（强度为 100 特斯拉）。只有自旋与光的螺旋度对齐的电子才能感受到这种强大的力量，暂时分裂不同自旋方向的电子带，使对齐带中的电子都朝着相同的方向移动。
研究团队可以通过改变光的扭曲方向来改变不同自旋的电子带的顺序。
不同能带中电子短暂的均匀自旋方向性也打破了所谓的时间反演对称性。本质上，时间反演对称性意味着一个过程背后的物理原理在正向和反向都是相同的，这意味着能量守恒。
虽然我们通常无法在宏观世界中观察到这种情况，因为能量会通过摩擦等力消散，但如果你可以拍摄电子旋转的视频，无论你正向播放还是反向播放，它都会遵循物理定律——一种方向旋转的电子会变成以相同能量反向旋转的电子。但在伪磁场中，时间反转对称性被打破，因为如果倒转，反向旋转的电子具有不同的能量——而不同自旋的能量可以通过激光控制。
“我们的研究结果为许多新的可能性打开了大门，无论是在基础科学领域，控制时间反转对称性是创造奇异物质状态的必要条件，还是在技术领域，利用如此巨大的磁场成为可能，”密歇根大学物理学、电气与计算机工程系教授、这项研究的通讯作者邓辉说。