De volledig optische schakelaar is een soort apparaat dat licht met licht regelt, dat is de fundamentele bouwsteen van moderne optische communicatie en informatieverwerking. Het creëren van een efficiënte, ultrasnel, en compacte, volledig optische schakelaar is erkend als de belangrijkste stap voor de ontwikkelingen van optische en kwantumcomputers van de volgende generatie. In principe, fotonen hebben geen directe interactie met elkaar in het lineaire regime met laag vermogen, en een holte is meestal nodig om het veld van controlelicht resonant te versterken en de interactie te vergroten. In het vroege werk, de prestaties van volledig optische schakelaars zijn snel verbeterd door resonatoren zoals microringen of fotonische kristallen te optimaliseren. Voor verdere verbeteringen, het onderzoeksgebied bereikt de limiet - de afweging tussen ultralaag energieverbruik en ultrakorte schakeltijd.

"Een laag energieverbruik vereist meestal een hoge Q-factor van de resonator, overwegende dat de high-Q-modus met een langere levensduur een obstakel vormt voor het verbeteren van de schakelsnelheid, " zei Qinghai Song van het Harbin Institute of Technology, China. "Een alternatieve benadering met plasmonische nanostructuur is recentelijk gebruikt om de wisselwerking te doorbreken. Het invoeg- en voortplantingsverlies is zo groot als 19 dB en extra stroomverbruik is vereist om de signalen te versterken."

De laseracties bij de topologisch beschermde begrensde toestanden in het continuüm hebben het potentieel om deze langdurige uitdaging uiteindelijk op te lossen. In Wetenschap , onderzoekers van het Harbin Institute of Technology, Australian National University en City University of New York beschrijven hun innovatie van het schakelmechanisme in de topologisch beschermde begrensde staten in het continuüm (BIC's), die een ultrasnelle overgang van microlaser-emissie biedt van een radiaal gepolariseerde donutbundel naar lineair gepolariseerde lobben en vice versa. De extreem hoge Q-factor van de BIC's kan de laserdrempel drastisch verlagen en uiteindelijk de bovenstaande afweging in conventionele volledig optische schakelaars doorbreken.

De volgende stap van dit onderzoek is om verschillende van dergelijke schakelbare microlasers cascadesgewijs te integreren met een geïntegreerde fotonische chip en om optische logische bewerkingen uit te voeren. Dit is de voorwaarde voor het uiteindelijke doel:optische of kwantumcomputers.

Door symmetrie beveiligde BIC's gebruiken

Conventionele ultrasnelle volledig optische schakelaars gebruiken ofwel de niet-lineaire brekingsindex of niet-lineaire absorptie om een ​​optische bit te produceren. Dergelijke technieken vereisen ofwel een hoge excitatieflux om golflengteverschuiving te produceren of extra verlies om de transmissie te moduleren, nog steeds beperkt door de wisselwerking.

De onderzoekers lossen dit probleem op met de optische kenmerken van BIC's, die aanvankelijk werd voorgesteld door Von Neumann en Wigner in de kwantummechanica en onlangs opnieuw is bekeken in de optica. Hoewel de toevallige BIC's de meeste onderzoeksaandacht hebben getrokken vanwege zijn robuustheid, dit onderzoek richt zich op laseremissies van symmetrie-beschermde BIC's. Vergeleken met onbedoelde BIC's, de laatste is extreem gevoelig voor symmetrie-brekende verstoringen. De uitzonderlijke winst van een lasersysteem, overeenkomend met het denkbeeldige deel van de brekingsindex (n"), kan een nieuwe en effectieve parameter zijn voor ultrasnelle controle van symmetrie en de bijbehorende symmetriegerelateerde far-field laseremissies bij de BIC's.

Om het concept te testen, de onderzoekers fabriceerden een vierkante rooster periodieke nanostructuur in een MAPbBr ₃ perovskietfilm en optisch gepompt. Single-mode laserwerking werd bereikt bij de symmetrie-beveiligde BIC's. De uitgangslaserstraal is een donutstraal in verticale richting met een divergentiehoek van 2o. De polarisatietest en het zelfinterferentiepatroon laten zien dat de emissielaserstraal radiaal is gepolariseerd met orbitaal impulsmoment (OAM).

"De directionele laseremissie met OAM is niet verrassend, " zei Song. "Het is waargenomen en uitgelegd door B. Kante van UC Berkeley. Het heeft betrekking op de polarisatievortex bij de BIC's en het transversale spinimpulsmoment dat wordt geïnduceerd door de echte monsters. Het kan ook worden gerealiseerd met circulair gepolariseerde optische excitatie. vergelijkbaar, de BIC-microlaser is meer intrigerend in volledig optisch schakelen."

De onderzoekers laten zien dat het pompprofiel de BIC-lasers effectief kan aansturen. Door de optische versterking gedeeltelijk te vergroten met de tweede straal, de viervoudige rotatiesymmetrie wordt verbroken en de BIC-laser degradeert tot een conventionele fotonische kristallaser. Als resultaat, de donutstraal gaat door naar twee lineair gepolariseerde lobben. Een dergelijke overgang en de omkering ervan gebeuren in een tijd van 1-1,5 ps. Een volledige overgang van een donut naar twee lobben en terug naar een donut is ook binnen 2-3 ps gerealiseerd. Een dergelijke schakeltijd is meer dan een orde van grootte sneller dan de levensduur van de BIC-microlaser, duidelijk aantonend dat de beperking van de levensduur van de laser op de schakeltijd wordt doorbroken.

"Zo'n ultrasnelle controle wordt toegeschreven aan de verre-veldkenmerken van BIC's, " zei Song. "De BIC's worden gevormd door destructieve interferentie op de stralingskanalen. Gezien verre veldstraling, de overgang van BIC-microlasers naar conventionele lasers vertegenwoordigt een herverdeling van de laseremissie in plaats van een directe aan-/uitschakeling van de lasermodus."

De laserdrempel is ongeveer 4,2 mW/cm ² , wat een energieverbruik per bit geeft dat vergelijkbaar is met de huidige volledig optische schakelaars. "Dit komt omdat de kwaliteit van onze perovskiet-nanostructuren laag is en de ultrahoge Q-factor van BIC's niet volledig is benut, ' zei Song. 'Uiteindelijk, de drempel kan met de BIC's verder worden verlaagd met ordes van grootte en alle beperkingen van volledig optische schakelaars doorbreken."

Het gedemonstreerde mechanisme wordt niet beperkt door optische excitatie. Elektrisch aangedreven BIC-microlasers met ultrasnel schakelen zijn ook mogelijk en de cascadegewijze on-chip integratie van dergelijke ultrasnelle schakelbare BIC-lasers is ook essentieel voor optische en kwantumcomputers. Dit onderzoek is gepubliceerd in Wetenschap op 28 februari, 2020.