Innovativ koblingsmekanisme forbedrer ultrahurtig kontrol af mikrolasere

Den helt optiske switch er en slags enhed, der styrer lys med lys, som er den grundlæggende byggesten for moderne optisk kommunikation og informationsbehandling. At skabe en effektiv, ultrahurtig, og kompakt heloptisk switch er blevet anerkendt som nøgletrinnet i udviklingen inden for næste generations optiske og kvante computing. I princippet, fotoner interagerer ikke direkte med hinanden i det lineære regime med lav effekt, og et hulrum er normalt nødvendigt for resonant at forbedre kontrollysfeltet og øge interaktionen. I det tidlige arbejde, ydeevnen for alle optiske switches er blevet forbedret hurtigt ved at optimere resonatorer såsom mikroringe eller fotoniske krystaller. For yderligere forbedringer, forskningsområdet når grænsen-afvejningen mellem ultralavt energiforbrug og ultrakort skiftetid.

"Lavt energiforbrug kræver normalt en høj Q -faktor for resonatoren, der henviser til, at høj-Q-tilstanden med længere levetid pålægger en hindring for forbedring af skiftehastighed, "sagde Qinghai Song fra Harbin Institute of Technology, Kina. "En alternativ tilgang med plasmonisk nanostruktur er for nylig blevet udnyttet til at bryde afvejningen. Indsætnings- og formerings-tabet er så stort som 19 dB, og der kræves yderligere strømforbrug for at forstærke signalerne."

Laseaktionerne ved de topologisk beskyttede afgrænsede tilstande i kontinuum har potentiale til i sidste ende at løse denne mangeårige udfordring. I Videnskab , forskere fra Harbin Institute of Technology, Australian National University og City University of New York beskriver deres innovation af switch -mekanismen i de topologisk beskyttede afgrænsede stater i kontinuum (BIC'er), som tilbyder en ultrahurtig overgang af mikrolaseremission fra en radialt polariseret donutstråle til lineært polariserede lapper og omvendt. Den ekstremt høje Q-faktor for BIC'erne kan dramatisk reducere lasertærsklen og til sidst bryde ovennævnte afvejning i konventionelle altoptiske switches.

Det næste trin i denne forskning er at integrere flere sådanne omskiftelige mikrolasere kaskadevis med en integreret fotonisk chip og udføre optiske logiske operationer. Dette er forudsætningen for det ultimative mål - optisk eller kvanteberegning.

Brug af symmetribeskyttede BIC'er

Konventionelle ultrahurtige altoptiske switches anvender enten det ikke-lineære brydningsindeks eller den ikke-lineære absorption til at producere en optisk bit. Sådanne teknikker kræver enten høj excitationsfluens for at producere bølgelængdeforskydning eller ekstra tab for at modulere transmissionen, stadig begrænset af afvejningen.

Forskerne løser dette problem med de optiske egenskaber ved BIC'er, som oprindeligt blev foreslået af Von Neumann og Wigner i kvantemekanik og for nylig er blevet revideret inden for optik. Selvom de utilsigtede BIC'er har tiltrukket sig størst forskningsopmærksomhed på grund af dets robusthed, denne forskning fokuserer på laseremissioner fra symmetribeskyttede BIC'er. Sammenlignet med utilsigtede BIC'er, sidstnævnte er ekstremt følsom over for symmetri-brydende forstyrrelser. Den ekstraordinære gevinst ved et lasersystem, svarende til den imaginære del af brydningsindekset (n "), kan være en ny og effektiv parameter til ultrahurtig kontrol af symmetri og de tilsvarende symmetri-relaterede fjernfeltlaseremissioner på BIC'erne.

For at teste konceptet, forskerne fremstillede en firkantet gitter periodisk nanostruktur i en MAPbBr ₃ perovskitfilm og pumpede den optisk. Single-mode laseroperation blev opnået ved de symmetribeskyttede BIC'er. Outputlaserstrålen er en donutstråle i lodret retning med en divergensvinkel på 2o. Polarisationstesten og selvinterferensmønsteret viser, at laserstrålen for emission er radialt polariseret med orbitalt vinkelmoment (OAM).

"Den retningsbestemte laseremission med OAM er ikke overraskende, "sagde sangen." Det er blevet observeret og forklaret af B. Kante fra UC Berkeley. Det vedrører polarisationsvirvelen ved BIC'erne og det tværgående spin -vinkelmoment induceret af de rigtige prøver. Det kan også realiseres med cirkulært polariseret optisk excitation. Tilsvarende, BIC-mikrolaser er mere spændende i altoptisk omskiftning. "

Forskerne viser, at pumpeprofilen effektivt kan styre BIC -laserne. Ved delvist at øge den optiske forstærkning med den anden stråle, den firefaldede rotationssymmetri brydes, og BIC-laseren nedbrydes til en konventionel fotonisk krystallaser. Som resultat, donutstrålen overgår til to lineært polariserede lapper. En sådan overgang og dens vending sker i en tid på 1-1,5 ps. En komplet overgang fra en doughnut til to lapper og tilbage til en doughnut er også blevet realiseret inden for 2-3 ps. En sådan skiftetid er mere end en størrelsesorden hurtigere end BIC -mikrolaserens levetid, klart viser, at begrænsningen af ​​lasers levetid ved skiftetid er brudt.

"En sådan ultrahurtig kontrol tilskrives BIC'ernes fjernfeltkarakteristika, "sagde sangen." BIC'erne dannes ved destruktiv interferens ved strålingskanalerne. I betragtning af fjernfeltstråling, Overgangen fra BIC-mikrolasere til konventionelle lasere repræsenterer en re-distribution af laseremissionen i stedet for en direkte til- og frakobling af lasertilstanden. "

Lasertærsklen er ca. 4,2 mW/cm ² , giver et energiforbrug pr. bit, der ligner nuværende all-optiske switches. "Dette skyldes, at kvaliteten af ​​vores perovskite -nanostrukturer er lav, og den ultrahøje Q -faktor for BIC'er ikke er blevet udnyttet fuldt ud, "sagde sangen." Til sidst, tærsklen kan reduceres yderligere med størrelsesordener med BIC'erne og bryde alle begrænsninger ved alle optiske switches. "

Den demonstrerede mekanisme er ikke begrænset af optisk excitation. Elektrisk drevne BIC-mikrolasere med ultrahurtig omskiftning er også mulige, og den kaskademæssige integrering af sådanne ultrahurtige omskiftelige BIC-lasere er også afgørende for optisk og kvanteberegning. Denne forskning er publiceret i Videnskab den 28. februar kl. 2020.