Optisk databehandling drager fordel af ny form for mobilitet

Tilstandskontrol er afgørende for optisk kommunikation og databehandlingsteknologier. Uanset om det er forbindelser og switches i datatransmissionslinjer eller en slags ikke-gensidig enhed til optiske kredsløb, evnen til at kontrollere, for eksempel, om udgangstilstanden vil være lige eller ulige for en given inputtilstand er nøglen. Nu, forskere i Kina og Canada har demonstreret, hvordan man opnår effektiv optisk tilstandsoverførsel i mere kompakte enheder end tidligere muligt ved at udnytte "ekstraordinære punkter" med nye mobile egenskaber.

"Det er altid udfordrende at opnå sådanne enheder med minimeret lydstyrke, lavt indføringstab, og høj effektivitet, " forklarer Bing Wang, en forsker ved Wuhan National Laboratory for Optoelectronics, Huazhong University of Science and Technology i Kina, og hovedforfatteren af ​​rapporten af ​​disse seneste resultater. For at tackle udfordringen, han og samarbejdspartnere ved Wuhan National Laboratory for Optoelectronics, Wuhan Institute of Technology, det kinesiske videnskabsakademi Center for Excellence i Ultra-Intense Laser Science i Shanghai og University of Ottawa undersøgte adfærden af ​​"exceptionelle punkter" - et matematisk koncept, der for nylig har tiltrukket sig interesse for mikrobølge- og optisk styrede systemer på grund af den mulige modusoverførsel med de topologiske egenskaber, de beskriver.

Imidlertid, tidligere bestræbelser på at udnytte ekstraordinære punkter i tilstandsoverførselsenheder blev hæmmet af begrænsninger for optimering af tilstandsoverførselseffektiviteten og transmittansen, hvilket uundgåeligt resulterer i lange bølgeledere, der ikke er velegnede til mere kompakte applikationer. For første gang, Wang og hans samarbejdspartnere overvejede muligheden for ekstraordinære punkter, der kunne bevæge sig. Dette gjorde det muligt for dem at opnå høj modusoverførselseffektivitet og transmittans i en meget kortere bølgeleder.

Hvad er et ekstraordinært punkt?

En manifold beskriver et topologisk rum, der lokalt ligner euklidisk rum på hvert punkt. I ægte endimensionelt rum, dette kunne omfatte linjer eller cirkler, men ikke tal på otte, da krydsningsstedet ikke ville blive fundet i det euklidiske rum. Komplekse tal omfatter reelle og imaginære dele, hvor den imaginære del er proportional med kvadratroden af ​​1 og bruges ofte til at beskrive dæmpningsadfærd i fysiske systemer. På grund af de to komponenter, en endimensionel kompleks manifold præsenteres som et plan kaldet en Riemann-overflade, som kan repræsentere egenværdier af energien af ​​en bestemt tilstand i et system med dissipation. Det ekstraordinære punkt er den forgrenede singularitet, hvor to tilstande mødes, og dette er den topologiske egenskab, der tillader modusoverførsel i systemet.

Wang og kolleger fremstillede bølgeledere med to gitre ætset ind i silicium på siliciumoxid. Bølgerne ved ristkanterne påvirker systemets effektive tab. Hvis plot af gitterbredden og gitteradskillelsen omkranser koordinaterne for det ekstraordinære punkt, tilstandsoverførsel finder sted, så en ulige eller lige tilstand input resulterer i en ulige eller lige tilstand output afhængigt af systemets parametre. Imidlertid, enten er det ekstraordinære punkt nær indgangsenden af ​​bølgelederen, så egenværdierne let omkranser den for effektiv modusoverførsel, men transmittansen er lav på grund af systemets store tab. Alternativt kan det ekstraordinære punkt er langt fra bølgelederindgangen, så tilstandsoverførselseffektiviteten kompromitteres, medmindre bølgelederen er meget længere.

Flytter til rillen

Wang og kolleger kom uden om afvejningen mellem bølgelederlængde og ydeevne ved at variere bredden og adskillelsen af ​​ristene, hvilket gjorde det muligt for de ekstraordinære punkter at flytte sig. "At flytte exceptionelle punkter er et konceptuelt gennembrud, da de oprindeligt betragtes i et todimensionelt parameterrum, "forklarer Wang, som selv var overrasket over, hvordan tilgangen fungerede.

Faktisk, han og hans kolleger havde været fokuseret på at reducere tabet med stabile exceptionelle punkter ved at ændre bølgeledernes gitterbølger. "På denne måde, imidlertid, vi bemærkede, at det usædvanlige punkt ikke længere er løst, " fortæller Wang til phys.org. Efter at have udviklet teorien til at forklare effekten, de var i stand til at bekræfte deres resultater med numeriske simuleringer.

De forventer, at effekten vil være nyttig for optiske konvertere, koblinger, filtre og kontakter i integrerede enheder, samt optiske bredbåndsisolatorer og cirkulatorer, som bringer elektronisk-lignende retningsforskydning til optiske kredsløb. De mener også, at det bør gælde for akustiske og materiebølger.

Næste, de planlægger at manipulere de ekstraordinære punkter i realtid. LiNbO ₃ har en stærk elektro-optisk effekt, så de kunne manipulere den effektive permittivitet af bølgelederen ved at ændre et eksternt elektrisk felt.

© 2020 Science X Network