El dispositivo de conmutación totalmente óptico allana el camino para una comunicación de fibra óptica más rápida

La Internet moderna de alta velocidad utiliza la luz para transmitir de manera rápida y confiable grandes cantidades de datos a través de cables de fibra óptica, pero actualmente las señales de luz encuentran un cuello de botella cuando es necesario el procesamiento de datos. Para ello, deben convertirse en señales eléctricas para su procesamiento antes de su posterior transmisión.

En cambio, un dispositivo llamado interruptor totalmente óptico podría usar luz para controlar otras señales luminosas sin necesidad de conversión eléctrica, ahorrando tiempo y energía en la comunicación por fibra óptica.

Un equipo de investigación dirigido por la Universidad de Michigan demostró un interruptor totalmente óptico ultrarrápido que pulsa luz polarizada circularmente, que gira como una hélice, a través de una cavidad óptica revestida con un semiconductor ultrafino. El estudio fue publicado recientemente en Comunicaciones de la naturaleza.

El dispositivo podría funcionar como un interruptor óptico estándar, donde al encender o apagar un láser de control se activa el haz de señal de la misma polarización, o como un tipo de puerta lógica llamada interruptor OR Exclusivo (XOR), que produciría una señal de salida cuando uno La entrada de luz gira en el sentido de las agujas del reloj y la otra en el sentido contrario a las agujas del reloj, pero no cuando ambas entradas son iguales.

«Debido a que un interruptor es el bloque de construcción más elemental de cualquier unidad de procesamiento de información, un interruptor totalmente óptico es el primer paso hacia la computación óptica o la construcción de redes neuronales ópticas», dijo Lingxiao Zhou, estudiante de doctorado en física de la UM y autor principal de el estudio.

La baja pérdida de la informática óptica la hace más deseable que la informática electrónica.

«El consumo de energía extremadamente bajo es la clave del éxito de la computación óptica. El trabajo realizado por nuestro equipo aborda precisamente este problema, utilizando materiales bidimensionales inusuales para conmutar datos a energías por bit muy bajas», afirmó Stephen Forrest, Distinguido Peter A. Franken. Profesor universitario de Ingeniería Eléctrica en la UM y autor colaborador del estudio.

Para lograr esto, los investigadores pulsaron un láser helicoidal a intervalos regulares a través de una cavidad óptica (un conjunto de espejos que atrapan y hacen rebotar la luz hacia adelante y hacia atrás varias veces), aumentando la fuerza del láser en dos órdenes de magnitud.

Cuando una capa de una molécula de espesor del semiconductor diseleniuro de tungsteno (WSe2) se incrusta dentro de la cavidad óptica, la luz fuerte y oscilante amplía las bandas electrónicas de los electrones disponibles en el semiconductor, un efecto óptico no lineal conocido como efecto óptico Stark. . Esto significa que cuando un electrón salta a un orbital más alto, absorbe más energía y emite más energía cuando salta hacia abajo, lo que se conoce como desplazamiento hacia el azul. Esto a su vez modifica la fluencia de la luz de señal, la cantidad de energía entregada o reflejada por unidad de área.

Además de modular la señal luminosa, el efecto óptico Stark genera un campo pseudomagnético que influye en las bandas electrónicas de forma similar a como lo hace un campo magnético. Su fuerza efectiva era de 210 Tesla, mucho más fuerte que El imán más fuerte de la Tierra con una fuerza de 100 Tesla. La fuerza enormemente fuerte sólo la sienten los electrones cuyos espines están alineados con la helicidad de la luz, dividiendo temporalmente las bandas electrónicas de diferentes orientaciones de espín, dirigiendo a los electrones en las bandas alineadas, todos en la misma orientación.

El equipo podría cambiar el orden de las bandas electrónicas de diferentes espines cambiando la dirección en la que gira la luz.

La breve direccionalidad uniforme del espín de los electrones en diferentes bandas también rompe algo llamado simetría de inversión del tiempo. Esencialmente, la simetría de inversión del tiempo significa que la física subyacente a un proceso es la misma hacia adelante y hacia atrás, lo que implica conservación de energía.

Si bien normalmente no podemos observar esto en el mundo macroscópico debido a la forma en que la energía se disipa a través de fuerzas como la fricción, si pudieras tomar un video de electrones girando, obedecería las leyes de la física ya sea que lo reproduzcas hacia adelante o hacia atrás: el electrón Girando en una dirección se convertiría en un electrón girando en la dirección opuesta con la misma energía. Pero en el campo pseudomagnético, la simetría de inversión del tiempo se rompe porque, si se rebobina, el electrón que gira en la dirección opuesta tiene una energía diferente, y la energía de diferentes espines se puede controlar a través del láser.

«Nuestros resultados abren las puertas a muchas posibilidades nuevas, tanto en la ciencia fundamental, donde controlar la simetría de inversión del tiempo es un requisito para crear estados exóticos de la materia, como en la tecnología, donde es posible aprovechar un campo magnético tan enorme», dijo Hui Deng, un profesor de física e ingeniería eléctrica e informática en la UM y autor correspondiente del estudio.