En ny helt optisk koblingsmetode gør optiske computer- og kommunikationssystemer mere strømeffektive

En gruppe fotonikforskere ved Tampere Universitet har introduceret en ny metode til at styre en lysstråle med en anden stråle gennem en unik plasmonisk metaoverflade i et lineært medium ved ultralav effekt. Denne enkle lineære omskiftningsmetode gør nanofotoniske enheder såsom optiske databehandlings- og kommunikationssystemer mere bæredygtige og kræver lav lysintensitet.

Alt-optisk kobling er moduleringen af ​​signallys på grund af kontrollys på en sådan måde, at den har tænd/sluk-konverteringsfunktionen. Generelt kan en lysstråle moduleres med en anden intens laserstråle i nærværelse af et ikke-lineært medium.

Skiftmetoden udviklet af forskerne er grundlæggende baseret på det kvanteoptiske fænomen kendt som Enhancement of Index of Refraction (EIR).

"Vores arbejde er den første eksperimentelle demonstration af denne effekt på det optiske system og dets udnyttelse til lineær al-optisk switching. Forskningen oplyser også det videnskabelige samfund til at opnå tabskompenserede plasmoniske enheder, der opererer ved resonansfrekvenser gennem ekstraordinær forbedring af brydningsindekset uden ved at bruge et hvilket som helst forstærkningsmedie eller ikke-lineære processer," siger Humeyra Caglayan, lektor (tenure track) i fotonik ved Tampere University.

Optisk skift aktiveret med ultrahurtig hastighed

High-speed switching og lav-tab medium for at undgå den stærke spredning af signal under udbredelsen er grundlaget for at udvikle integreret fotonisk teknologi, hvor fotoner bruges som informationsbærere i stedet for elektroner. For at realisere on-chip ultrahurtige optiske switch-netværk og fotoniske centralbehandlingsenheder skal al-optisk switching have ultrahurtig switching-tid, ultralav tærskelkontroleffekt, ultrahøj switch-effektivitet og nanoskala-funktionsstørrelse.

"Skift mellem signalværdier på 0 og 1 er grundlæggende i alle digitale elektroniske enheder inklusive computere og kommunikationssystemer. I løbet af de seneste årtier er disse elektroniske elementer gradvist blevet mindre og hurtigere. F.eks. de almindelige beregninger udført med vores computere på ordren. sekunder kunne ikke klares med gamle computere i rumstørrelse, selv på flere dage," bemærker Caglayan.

I konventionel elektronik er omskiftning afhængig af at styre strømmen af ​​elektroner på tidsskalaen på et mikrosekund (10 ^-6 sek.) eller nanosekund (10 ^-9 sec) rækkevidde ved at tilslutte eller afbryde elektrisk spænding.

"Skiftehastigheden kan dog hæves til en ultrahurtig tidsskala (femtosekund 10 ^-15 sek) ved at erstatte elektronerne med plasmoner. Plasmoner er en kombination af fotoner og en samling elektroner på overfladen af ​​metaller. Dette muliggør optisk skift med vores enhed med femtosekund (10 ^-15 sek) hastigheder," siger hun.

"Vores plasmoniske nano-switch består af en L-formet kombination af metalliske nanorods. En af nanoroderne modtager et lineært polariseret signal, og den anden modtager en anden lineært polariseret 'kontrol'-stråle vinkelret på den første stråle," siger postdoktorale forskningsstipendiat Rakesh Dhama , den første forfatter til artiklen offentliggjort i Nature Communications .

Polarisering betyder den retning, hvori strålens elektriske felt svinger. Styrestrålen kan dæmpe eller forstærke signalet afhængigt af faseforskellen mellem strålerne. Faseforskellen refererer til tidsforskellen, når hver stråle når sin maksimale intensitet. Signalforstærkningen opstår på grund af overførslen af ​​noget optisk energi fra kontrolstrålen til signalet gennem en konstruktiv superposition med en omhyggeligt konstrueret faseforskel.

Forbedring af ydeevnen af ​​plasmoniske enheder

På samme måde opnås dæmpningen af ​​signalet ved destruktiv superposition, når strålerne har den modsatte faseforskel. Denne opdagelse gør nanofotoniske enheder såsom optiske databehandlings- og kommunikationssystemer mere bæredygtige og kræver lav lysintensitet. Denne simple lineære koblingsmetode kan erstatte de nuværende metoder til optisk behandling, databehandling eller kommunikation ved at accelerere udviklingen og realiseringen af ​​plasmoniske systemer i nanoskala.

"Vi forventer at se yderligere undersøgelser af plasmoniske strukturer, der udnytter vores forbedrede switching-metode og muligvis brugen af ​​vores metode i plasmoniske kredsløb i fremtiden. Derudover kunne den L-formede metasurface undersøges yderligere for at afsløre ultrahøjhastigheds-omskiftning under belysning af femtosekund laserimpulser og for at undersøge den ikke-lineære forbedring og kontrol af plasmoniske nanopartikler," bemærker Humeyra Caglayan.

Styring af nanostrukturers ikke-lineære respons giver endnu mere interessante applikationer og funktionaliteter til nanofotoniske enheder såsom optiske databehandlings- og kommunikationssystemer.

"Denne tilgang har også potentialet til at forbedre ydeevnen af ​​plasmoniske enheder ved at skabe bredbåndsgennemsigtighed for en signalstråle uden noget forstærkningsmedium. Det kan åbne op for flere måder at designe smarte fotoniske elementer til integreret fotonik," siger Cagalayan. + Udforsk yderligere

Rekonfigurerbare siliciumnanoantenner styret af vektorlysfelt