Volloptikschalter für Glasfaserkommunikation

Darstellung des optischen Hohlraums mit einer ein Molekül dicken Wolframschicht (Bild: umich.edu)

Ann Arbor (pte001/22.10.2024/06:00) - Forscher unter der Leitung der University of Michigan ( https://umich.edu/ ) (U-M) haben einen ultraschnellen, rein optischen Schalter präsentiert, indem das Team zirkular polarisiertes Licht, das sich wie eine Helix dreht, durch einen mit einem ultradünnen Halbleiter ausgekleideten optischen Hohlraum pulsieren ließ. Das Gerät ebnet den Weg in eine schnellere Glasfaserkommunikation.

Das Gadget könnte als optischer Schalter funktionieren, bei dem das Ein- oder Ausschalten eines Steuerlasers den Signalstrahl derselben Polarisation umschaltet. Einsetzen ließe es sich auch als logisches Gatter, also ein Exklusiv-ODER-Schalter, der ein Ausgangssignal erzeugt, wenn ein Lichteingang im Uhrzeigersinn und der andere gegen den Uhrzeigersinn gedreht wird - allerdings nicht, wenn beide Eingänge gleich sind. Die Studie ( https://www.nature.com/articles/s41467-024-52014-0 ) dazu wurde kürzlich in "Nature Communications" veröffentlicht.

Schritt zum optischen Computer

Modernes Hochgeschwindigkeitsinternet nutzt Licht, um große Datenmengen schnell und zuverlässig über Glasfaserkabel zu übertragen. Allerdings stoßen Lichtsignale bislang auf einen Engpass, wenn eine Datenverarbeitung erforderlich ist. Dazu müssen sie vor der weiteren Übertragung in elektrische Signale umgewandelt und verarbeitet werden. Ein rein optischer Schalter könnte stattdessen Licht verwenden, um andere Lichtsignale zu steuern. Das ginge ohne elektrische Umwandlung, was Zeit und Energie bei der Glasfaserkommunikation sparen würde.

"Da ein Schalter der elementarste Baustein jeder informationsverarbeitenden Einheit ist, ist ein rein optischer Schalter der erste Schritt in Richtung optischer Computer oder optischer neuronaler Netze", so Hauptautor Lingxiao Zhou. Der geringe Verlust des optischen Rechnens mache es besser als elektronisches Rechnen. "Ein extrem niedriger Stromverbrauch ist der Schlüssel zum Erfolg des optischen Rechnens. Die Arbeit unseres Teams befasst sich genau mit diesem Problem, indem ungewöhnliche zweidimensionale Materialien verwendet werden, um Daten mit sehr geringer Energie pro Bit zu schalten", ergänzt Mitautor Stephen Forrest.

Um dies zu erreichen, haben die Forscher einen spiralförmigen Laser in regelmäßigen Abständen durch einen optischen Hohlraum gepulst - eine Reihe von Spiegeln, die Licht einfangen und mehrfach hin- und herwerfen - und somit die Stärke des Lasers um zwei Größenordnungen erhöht. Wird eine ein Molekül dicke Schicht des Halbleiters Wolframdiselenid in den optischen Hohlraum eingebettet, vergrößert das starke, oszillierende Licht die elektronischen Bänder der verfügbaren Elektronen im Halbleiter - ein nichtlinearer optischer Effekt, der als optischer Stark-Effekt bekannt ist.

Starkes pseudomagnetisches Feld

Der optische Stark-Effekt moduliert nicht nur das Signallicht, sondern erzeugt auch ein pseudomagnetisches Feld, das die elektronischen Bänder ähnlich wie ein Magnetfeld beeinflusst. Seine effektive Stärke betrug 210 Tesla, weit stärker als der stärkste Magnet der Erde mit einer Stärke von 100 Tesla. Diese enorme Kraft wird nur von Elektronen wahrgenommen, deren Spins an der Helizität des Lichts ausgerichtet sind, wodurch die elektronischen Bänder mit unterschiedlichen Spinausrichtungen vorübergehend aufgespalten werden und die Elektronen in den ausgerichteten Bändern alle in die gleiche Richtung gelenkt werden.

Das Team hat die Anordnung der elektronischen Bänder mit unterschiedlichen Spins geändert, indem es die Richtung der Lichtdrehung manipulierte. Die kurze einheitliche Spinrichtung der Elektronen in den verschiedenen Bändern bricht auch die Zeitumkehrsymmetrie. Die einem Prozess zugrunde liegende Physik vorwärts und rückwärts ist demnach dieselbe, was die Erhaltung der Energie bedeutet. "Unsere Ergebnisse eröffnen viele neue Möglichkeiten, sowohl in der Grundlagenforschung, wo die Kontrolle der Zeitumkehrsymmetrie eine Voraussetzung für die Erzeugung exotischer Materiezustände ist, als auch in der Technologie, wo die Nutzung eines solchen riesigen Magnetfeldes möglich wird", so U-M-Forscher Hui Deng.

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