Wetenschap
Pariteit-tijdsymmetrie:Ontgrendeling van snellere en sterkere optische signaalverwerking
In het tijdperk van big data wordt signaalverwerking geconfronteerd met aanzienlijke uitdagingen op het gebied van capaciteit en energieverbruik als gevolg van de stortvloed aan gegevens die moeten worden verwerkt. Omdat meer dan 90% van de gegevens via licht worden verzonden, kan optische signaalverwerking een ongekende snelheid en energie-efficiëntie bieden in vergelijking met zijn elektronische tegenhangers, omdat het werkt zonder de noodzaak om de optische gegevensstroom om te zetten in het elektrische domein.
Optische niet-lineaire effecten, bekend om hun ultrasnelle respons, grote bandbreedte en parallellisme, gecombineerd met geïntegreerde fotonicaplatforms, kunnen een efficiënte optische besturingstechniek bieden om de ontwikkeling en toepassing van optische signaalverwerking te bevorderen.
Toch blijft de veeleisende eis aan een lichtveld met hoge intensiteit nog steeds een grote belemmering voor het realiseren van praktische niet-lineaire optische signaalverwerkingssystemen (NOSP). Resonante apparaten, die doorgaans worden gebruikt om de stroombehoefte in niet-lineaire toepassingen te verminderen, worden geconfronteerd met een restrictieve afweging tussen snelheid en efficiëntie in NOSP-toepassingen, wat betekent dat het verhogen van de efficiëntie vaak wordt gecompenseerd door het verlagen van de snelheid.
Onlangs hebben onderzoekers een methode ontwikkeld die de efficiëntie en snelheid van NOSP tegelijkertijd aanzienlijk verbetert.
Deze nieuwe aanpak maakt gebruik van een speciaal ontworpen microresonatorsysteem dat licht manipuleert met behulp van een principe dat 'pariteit-tijd (PT) symmetrie' wordt genoemd. Afkomstig uit de kwantumveldentheorie kan PT-symmetrie worden gerealiseerd in optische systemen met een ruimtelijk gebalanceerde winst-verliesverdeling. Gekoppelde systemen met subsystemen met weinig/hoog verlies kunnen via wiskundige transformatie worden beschouwd als passieve OV-systemen.
Het werk is gepubliceerd in het tijdschrift eLight .
Om de afweging tussen bandbreedte-efficiëntie (snelheid-efficiëntie) te overwinnen, is het benutten van verlies (holteverval) door PT-symmetrie van cruciaal belang. Hoewel het verlies vaak wordt gezien als een tekortkoming van een systeem, kan het de lijnbreedte van de resonator vergroten om breedbandsignalen te accommoderen.
De onderzoekers bedachten een manier om het verlies te manipuleren voor de lichtgolven die deelnemen aan de NOSP, waarbij de lichtgolf (pompgolf) die de NOSP aandrijft weinig verlies ervaart, waardoor de intensiteit enorm wordt versterkt door resonantieverbetering; terwijl de optische datastroom die wordt onderworpen aan optische signaalverwerking (signaal- en rustgolven) een groter verlies ervaart – met andere woorden, selectief gedempte resonantie – zodat het systeem het hogesnelheidsgemoduleerde licht kan faciliteren. De twee verschillende fasen die voortkomen uit het breken van de OV-symmetrie, het meest intrigerende kenmerk van OV-systemen, passen mooi in deze eis.
Om dit doel te bereiken ontwikkelden de onderzoekers een speciaal gekoppeld microresonatorsysteem, waarbij de ene microresonator de helft zo lang was als de andere. Dit ontwerp maakt de opname mogelijk van zowel de PT-gebroken fase als de bijna uitzonderlijke punt-PT-exacte fase in verschillende spectrale vensters tegelijkertijd binnen dezelfde structuur. Als resultaat hiervan kunnen tegelijkertijd hoge efficiëntie en hoge snelheid worden bereikt, en wordt op effectieve wijze de bandbreedte-efficiëntielimiet doorbroken die wordt opgelegd aan systemen met één resonator.
Het doorbreken van de bandbreedte-efficiëntiebeperking van conventionele microresonatoren betekent hogere snelheden. De onderzoekers toonden experimenteel bewijs dat aantoont dat gegevensverwerking op hoge snelheid, van meer dan 38 gigabits per seconde, kan worden bereikt met hoogwaardige microresonatoren met intrinsieke lijnbreedtes zo smal als 1 gigahertz. Deze prestatie op het gebied van zowel verhoogde efficiëntie als snelheid maakt een verbetering van de efficiëntie van twee ordes van grootte mogelijk in vergelijking met systemen met enkele resonator.
Deze innovatie resulteert uiteindelijk in een aanzienlijk lager energieverbruik dat nodig is voor het uitvoeren van snelle signaalverwerkingstaken. Door het concept te combineren met een ultrahoog niet-lineair integratieplatform, dat wil zeggen AlGaAs-on-Insulator, demonstreerden de onderzoekers de NOSP-werking (golflengteconversie) van een 38 GBaud aan-uit-sleutelsignaal met slechts 1 mW pompvermogen. Deze pompkrachtoperatie met een recordlaagje voorspelt in de nabije toekomst volledig niet-lineaire signaalverwerkingsapparatuur op chipschaal.
Deze doorbraak pakt de praktische uitdagingen van de implementatie van het NOSP-systeem aan en bevordert de implementatie ervan in de echte wereld. De kleinere, snellere en efficiëntere apparaten die mogelijk worden gemaakt door PT-symmetrische NOSP hebben het potentieel om substantiële verbeteringen te bewerkstelligen in netwerkcapaciteit, snelheid en energie-efficiëntie. Deze vooruitgang zou kunnen leiden tot hogere internetsnelheden, efficiëntere datacenters en zelfs nieuwe toepassingen in quantum computing.
De onderzoekers zijn optimistisch over de impact van hun werk in de echte wereld. Ze verwachten dat de op PT-symmetrie gebaseerde techniek voor lijnbreedtemanipulatie brede belangstelling zal trekken, gezien de potentiële toepassingen ervan op verschillende gebieden, zoals optomechanica, akoestiek en atoomfysica en techniek.