Paritet-tidssymmetri:Låser op for hurtigere og stærkere optisk signalbehandling

I big data-æraen står signalbehandling over for betydelige udfordringer med hensyn til kapacitet og energiforbrug på grund af strømmen af ​​data, der skal behandles. Med over 90 % af data transmitteret gennem lys, kan optisk signalbehandling tilbyde hidtil uset hastighed og energieffektivitet sammenlignet med dens elektroniske modstykker, da den fungerer uden behov for at konvertere den optiske datastrøm til det elektriske domæne.

Optiske ikke-lineære effekter, kendt for deres ultrahurtige respons, store båndbredde og parallelitet, kombineret med integrerede fotonikplatforme, kan give en effektiv optisk kontrolteknik til at fremme udviklingen og anvendelsen af ​​optisk signalbehandling.

Alligevel er det krævende krav til et lysfelt med høj intensitet stadig en væsentlig hindring for at realisere praktiske ikke-lineære optiske signalbehandlingssystemer (NOSP). Resonansenheder, der typisk bruges til at reducere strømbehovet i ikke-lineære applikationer, står over for en restriktiv afvejning mellem hastighed og effektivitet i NOSP-applikationer, hvilket betyder, at øget effektivitet ofte afvejes af scarifying hastighed.

For nylig har forskere været banebrydende for en metode, der markant forbedrer effektiviteten og hastigheden af ​​NOSP samtidigt.

Denne nye tilgang bruger et specielt designet mikroresonatorsystem, der manipulerer lys ved hjælp af et princip kaldet "paritetstid (PT) symmetri." Med udgangspunkt i kvantefeltteori kan PT-symmetri realiseres i optiske systemer med en rumligt afbalanceret gevinst-tab-fordeling. Koblede systemer med lav-/højtabsundersystemer kan betragtes som passive PT-systemer via matematisk transformation.

Værket er publiceret i tidsskriftet eLight .

For at overvinde afvejningen mellem båndbredde-effektivitet (hastighedseffektivitet) er det afgørende at udnytte tab (hulrumsforfald) gennem PT-symmetri. Selvom tabet ofte betragtes som en mangel ved et system, kan det udvide resonatorlinjebredderne for at rumme bredbåndssignaler.

Forskerne udtænkte en måde at manipulere tabet for lysbølgerne, der deltager i NOSP'en, hvor lysbølgen (pumpebølgen), der driver NOSP'en, oplever lavt tab, og dermed bliver dens intensitet kraftigt forstærket gennem resonansforbedring; hvorimod den optiske datastrøm, der er genstand for optisk signalbehandling (signal- og tomgangsbølger), oplever et højere tab – med andre ord selektivt dæmpet resonans – så systemet kan lette det højhastighedsmodulerede lys. De to adskilte faser, der opstår ved PT-symmetribrud, det mest spændende træk ved PT-systemer, passer fint ind i dette krav.

For at nå dette mål udviklede forskerne et specielt koblet mikroresonatorsystem, hvor den ene mikroresonator er halvt så lang som den anden. Dette design muliggør inkorporering af både den PT-brudte fase og den næsten exceptionelle punkt PT-nøjagtige fase i forskellige spektrale vinduer samtidigt inden for den samme struktur. Som et resultat kan højeffektivitet og højhastighedsdrift opnås samtidigt og bryder effektivt grænsen for båndbreddeeffektivitet, der er pålagt enkeltresonatorsystemer.

At bryde båndbredde-effektivitetsbegrænsningen for konventionelle mikroresonatorer betyder hurtigere hastigheder. Forskerne viste eksperimentelle beviser, der demonstrerer, at højhastighedsdatabehandling, der overstiger 38 gigabit pr. sekund, kan opnås med højkvalitetsfaktormikroresonatorer med iboende liniebredder så snævre som 1 gigahertz. Denne præstation i både øget effektivitet og hastighed muliggør en forbedring af effektiviteten i to størrelsesordener sammenlignet med enkeltresonatorsystemer.

Denne innovation resulterer i sidste ende i et betydeligt reduceret strømforbrug, der kræves til at udføre højhastighedssignalbehandlingsopgaver. Ved at kombinere konceptet med en ultrahøj ikke-lineær integrationsplatform, dvs. AlGaAs-on-Insulator, demonstrerede forskerne NOSP-drift (bølgelængdekonvertering) af et 38 GBaud on-off-keying-signal med kun 1mW pumpeeffekt. Denne rekordlave pumpeeffekt forudsiger fuldt chip-skala ikke-lineære signalbehandlingsenheder i den nærmeste fremtid.

Dette gennembrud tackler de praktiske udfordringer ved at implementere NOSP-systemet og fremmer deres implementering i den virkelige verden. De mindre, hurtigere og mere effektive enheder, der er muliggjort af PT-symmetrisk NOSP, har potentialet til at skabe væsentlige forbedringer i netværkskapacitet, hastighed og energieffektivitet. Disse fremskridt kan føre til hurtigere internethastigheder, mere effektive datacentre og endda nye applikationer inden for kvantecomputere.

Forskerne er optimistiske med hensyn til virkningen af ​​deres arbejde i den virkelige verden. De forudser, at den PT-symmetribaserede linjebreddemanipulationsteknik vil tiltrække bred interesse, givet dens potentielle anvendelser på tværs af forskellige felter såsom optomekanik, akustik og atomfysik og ingeniørvidenskab.

Flere oplysninger: Chanju Kim et al., Paritet-tidssymmetri muliggjorde ultraeffektiv ikke-lineær optisk signalbehandling, eLight (2024). DOI:10.1186/s43593-024-00062-w

Journaloplysninger: eLight

Leveret af Chinese Academy of Sciences