Le dispositif de commutation entièrement optique ouvre la voie à une communication par fibre optique plus rapide

L’Internet haut débit moderne utilise la lumière pour transmettre rapidement et de manière fiable de grandes quantités de données via des câbles à fibres optiques, mais actuellement, les signaux lumineux se heurtent à un goulot d’étranglement lorsque le traitement des données est nécessaire. Pour cela, ils doivent être convertis en signaux électriques à traiter avant une transmission ultérieure.

Un dispositif appelé commutateur tout optique pourrait à la place utiliser la lumière pour contrôler d’autres signaux lumineux sans avoir besoin de conversion électrique, économisant ainsi du temps et de l’énergie dans la communication par fibre optique.

Une équipe de recherche dirigée par l’Université du Michigan a démontré un commutateur tout optique ultrarapide en pulsant une lumière polarisée circulairement, qui se tord comme une hélice, à travers une cavité optique bordée d’un semi-conducteur ultra-mince. L’étude a été récemment publiée dans Communications naturelles.

L’appareil pourrait fonctionner comme un commutateur optique standard, où l’activation ou la désactivation d’un laser de contrôle commute le faisceau de signal de même polarisation, ou comme un type de porte logique appelé commutateur OU exclusif (XOR), qui produirait un signal de sortie lorsqu’un l’entrée de lumière tourne dans le sens des aiguilles d’une montre et l’autre dans le sens inverse des aiguilles d’une montre, mais pas lorsque les deux entrées sont identiques.

« Parce qu’un commutateur est l’élément de base le plus élémentaire de toute unité de traitement de l’information, un commutateur entièrement optique est la première étape vers tout calcul optique ou la construction de réseaux de neurones optiques », a déclaré Lingxiao Zhou, doctorant en physique à l’UM et auteur principal de l’étude.

Les faibles pertes de l’informatique optique la rendent plus souhaitable que l’informatique électronique.

« Une consommation d’énergie extrêmement faible est la clé du succès de l’informatique optique. Le travail effectué par notre équipe résout précisément ce problème, en utilisant des matériaux bidimensionnels inhabituels pour commuter les données à très faible énergie par bit », a déclaré Stephen Forrest, professeur distingué Peter A. Franken. Professeur universitaire de génie électrique à l’UM et auteur collaborateur de l’étude.

Pour y parvenir, les chercheurs ont pulsé un laser hélicoïdal à intervalles réguliers à travers une cavité optique (un ensemble de miroirs qui piègent et font rebondir la lumière plusieurs fois), augmentant ainsi la puissance du laser de deux ordres de grandeur.

Lorsqu’une couche d’une molécule d’épaisseur de diséléniure de tungstène semi-conducteur (WSe2) est incorporée dans la cavité optique, la forte lumière oscillante agrandit les bandes électroniques des électrons disponibles dans le semi-conducteur – un effet optique non linéaire connu sous le nom d’effet optique Stark. . Cela signifie que lorsqu’un électron saute vers une orbitale supérieure, il absorbe plus d’énergie et émet plus d’énergie lorsqu’il saute vers le bas, ce que l’on appelle le décalage vers le bleu. Cela modifie à son tour la fluence du signal lumineux, la quantité d’énergie délivrée ou réfléchie par unité de surface.

En plus de moduler le signal lumineux, l’effet optique Stark produit un champ pseudo-magnétique qui influence les bandes électroniques de la même manière que celles d’un champ magnétique. Sa force effective était de 210 Tesla, bien plus forte que L’aimant le plus puissant de la Terre avec une force de 100 Tesla. La force extrêmement forte n’est ressentie que par les électrons dont les spins sont alignés avec l’hélicité de la lumière, divisant temporairement les bandes électroniques d’orientations de spin différentes, dirigeant les électrons dans les bandes alignées toutes dans la même orientation.

L’équipe pourrait modifier l’ordre des bandes électroniques de différents spins en changeant la direction dans laquelle la lumière tourne.

La brève directionnalité de spin uniforme des électrons dans différentes bandes brise également ce qu’on appelle la symétrie d’inversion du temps. Essentiellement, la symétrie d’inversion du temps signifie que la physique sous-jacente à un processus est la même en avant et en arrière, ce qui implique une conservation de l’énergie.

Bien que nous ne puissions généralement pas observer cela dans le monde macroscopique en raison de la façon dont l’énergie se dissipe par des forces telles que la friction, si vous pouviez prendre une vidéo d’électrons en rotation, elle obéirait aux lois de la physique, que vous la jouiez en avant ou en arrière : l’électron tourner dans un sens se transformerait en un électron tournant dans le sens opposé avec la même énergie. Mais dans le champ pseudo-magnétique, la symétrie d’inversion temporelle est rompue car s’il est rembobiné, l’électron tournant dans la direction opposée a une énergie différente – et l’énergie des différents spins peut être contrôlée via le laser.

« Nos résultats ouvrent la porte à de nombreuses nouvelles possibilités, à la fois en science fondamentale, où le contrôle de la symétrie d’inversion du temps est une condition nécessaire pour créer des états exotiques de la matière, et en technologie, où il devient possible d’exploiter un champ magnétique aussi énorme », a déclaré Hui Deng, un chercheur scientifique. professeur de physique et de génie électrique et informatique à l’UM et auteur correspondant de l’étude.