O interruptor totalmente óptico é um tipo de dispositivo que controla luz com luz, que é o bloco de construção fundamental das comunicações ópticas modernas e do processamento de informações. Criando um eficiente, ultra rápido, e o switch totalmente óptico compacto foi reconhecido como a etapa chave para o desenvolvimento da computação óptica e quântica de próxima geração. Em princípio, os fótons não interagem uns com os outros diretamente no regime linear de baixa potência, e uma cavidade é geralmente necessária para aumentar ressonantemente o campo de luz de controle e aumentar a interação. No início do trabalho, o desempenho de interruptores totalmente óticos foi aprimorado rapidamente com a otimização de ressonadores, como microrings ou cristais fotônicos. Para mais melhorias, a área de pesquisa atinge o limite - a compensação entre o consumo de energia ultrabaixo e o tempo de comutação ultracurto.

"O baixo consumo de energia geralmente requer um alto fator Q do ressonador, Considerando que o modo Q alto de vida mais longa impõe um obstáculo para melhorar a velocidade de comutação, "disse Qinghai Song do Instituto de Tecnologia de Harbin, China. "Uma abordagem alternativa com a nanoestrutura plasmônica foi recentemente explorada para quebrar o trade-off. A perda de inserção e propagação é tão grande quanto 19 dB e o consumo de energia adicional é necessário para amplificar os sinais."

As ações lasing nos estados delimitados topologicamente protegidos no continuum têm o potencial de, eventualmente, resolver esse desafio de longa data. No Ciência , pesquisadores do Harbin Institute of Technology, A Australian National University e a City University of New York detalham sua inovação do mecanismo de comutação nos estados delimitados topologicamente protegidos no continuum (BICs), que oferece uma transição ultrarrápida de emissão de microlaser de um feixe de donut radialmente polarizado para lóbulos polarizados linearmente e vice-versa. O fator Q extremamente alto dos BICs pode reduzir drasticamente o limiar do laser e, eventualmente, quebrar a compensação acima em interruptores totalmente ópticos convencionais.

A próxima etapa desta pesquisa é integrar em cascata vários desses microlasers comutáveis ​​com um chip fotônico integrado e realizar operações lógicas ópticas. Este é o pré-requisito para o objetivo final - computação óptica ou quântica.

Usando BICs protegidos por simetria

Os comutadores totalmente óticos ultrarrápidos convencionais utilizam o índice de refração não linear ou a absorção não linear para produzir um bit ótico. Tais técnicas requerem alta fluência de excitação para produzir mudança de comprimento de onda ou perda extra para modular a transmissão, ainda limitado pelo trade-off.

Os pesquisadores resolvem esse problema com as características ópticas dos BICs, que foi inicialmente proposto por Von Neumann e Wigner em mecânica quântica e foi revisitado em óptica recentemente. Embora os BICs acidentais tenham atraído a maior parte da atenção da pesquisa devido à sua robustez, esta pesquisa se concentra nas emissões de laser de BICs protegidos por simetria. Comparado com BICs acidentais, o último é extremamente sensível a perturbações de quebra de simetria. O ganho excepcional de um sistema laser, correspondendo à parte imaginária do índice de refração (n "), pode ser um parâmetro novo e eficaz para o controle ultrarrápido de simetria e as emissões de laser de campo distante relacionadas à simetria correspondentes nos BICs.

Para testar o conceito, os pesquisadores fabricaram uma nanoestrutura periódica de rede quadrada em um MAPbBr ₃ filme perovskita e opticamente bombeado. A operação do laser de modo único foi alcançada nos BICs protegidos por simetria. O feixe de laser de saída é um feixe de rosca na direção vertical com um ângulo de divergência de 2o. O teste de polarização e o padrão de autointerferência mostram que o feixe de laser de emissão é radialmente polarizado com momento angular orbital (OAM).

"A emissão de laser direcional com OAM não é surpreendente, "disse Song." Foi observado e explicado por B. Kante da UC Berkeley. Relaciona-se ao vórtice de polarização nos BICs e ao momento angular de rotação transversal induzido pelas amostras reais. Também pode ser realizado com excitação óptica polarizada circularmente. Comparavelmente, o microlaser BIC é mais intrigante em comutação totalmente óptica. "

Os pesquisadores mostram que o perfil de bombeamento pode controlar efetivamente os lasers BIC. Ao aumentar parcialmente o ganho óptico com o segundo feixe, a simetria rotacional quádrupla é quebrada e o laser BIC se degrada em um laser de cristal fotônico convencional. Como resultado, o feixe de rosca transita para dois lóbulos polarizados linearmente. Essa transição e sua reversão acontecem em um tempo de 1-1,5 ps. Uma transição completa de um donut para dois lóbulos e de volta para um donut também foi realizada em 2-3 ps. Esse tempo de comutação é mais do que uma ordem de magnitude mais rápido do que a vida útil do microlaser BIC, demonstrando claramente que a limitação da vida útil do laser no tempo de comutação foi quebrada.

"Esse controle ultrarrápido é atribuído às características de campo distante dos BICs, "disse Song." Os BICs são formados por interferência destrutiva nos canais de radiação. Considerando a radiação de campo distante, a transição dos microlasers BIC para os lasers convencionais representa uma redistribuição da emissão do laser, em vez de um ligar / desligar direto do modo de laser. "

O limite do laser é de cerca de 4,2 mW / cm ² , dando um consumo de energia por bit semelhante aos atuais switches totalmente ópticos. "Isso ocorre porque a qualidade de nossas nanoestruturas de perovskita é baixa e o fator Q ultra-alto dos BICs não foi totalmente utilizado, "disse Song." Eventualmente, o limite pode ser ainda mais reduzido em ordens de magnitude com os BICs e quebrar todas as limitações de comutadores totalmente ópticos. "

O mecanismo demonstrado não é limitado pela excitação óptica. Microlasers BIC eletricamente acionados com comutação ultrarrápida também são possíveis e a integração no chip em cascata de tais lasers BIC comutáveis ​​ultrarrápidos também é essencial para computação óptica e quântica. Esta pesquisa foi publicada em Ciência em 28 de fevereiro, 2020.