Simetria de tempo de paridade:Desbloqueando processamento de sinal óptico mais rápido e mais forte
Manipulação baseada em simetria de tempo de paridade (PT) de largura de linha e aprimoramento de intensidade. a Superior:esquema da conversão de comprimento de onda, onde uma forte luz de bomba de onda contínua (CW) é aplicada para converter um fluxo de dados ópticos de alta velocidade transportado por uma onda de sinal em uma onda intermediária. Meio e fundo:ilustrações do espectro de aprimoramento de intensidade do processo de mistura de quatro ondas (FWM) usado para operação de conversão de comprimento de onda em uma única cavidade (meio) e cavidade manipulada por largura de linha (parte inferior) projetada para a mesma largura de banda de sinal B, respectivamente. b, c Diagrama esquemático e escada de energia dos microrressonadores acoplados simétricos PT, respectivamente. d Diagrama esquemático da distribuição do campo intracavitário de sinal, bomba e onda intermediária indicada por tons de azul, verde e vermelho, respectivamente. Os pulsos de sinal e de onda intermediária nas cavidades representam sinal codificado por dados de alta velocidade e ondas intermediárias; na realidade, as durações dos pulsos são maiores que o tempo de ida e volta da cavidade. Crédito:eLight (2024). DOI:10.1186/s43593-024-00062-w Na era do big data, o processamento de sinais enfrenta desafios significativos em termos de capacidade e consumo de energia devido à torrente de dados a processar. Com mais de 90% dos dados transmitidos através da luz, o processamento de sinais ópticos pode oferecer velocidade e eficiência energética sem precedentes em comparação com os seus homólogos electrónicos, uma vez que funciona sem a necessidade de converter o fluxo de dados ópticos no domínio eléctrico.
Efeitos ópticos não lineares, conhecidos por sua resposta ultrarrápida, grande largura de banda e paralelismo, combinados com plataformas fotônicas integradas, podem fornecer uma técnica de controle óptico eficiente para avançar no desenvolvimento e aplicação de processamento de sinais ópticos.
No entanto, o exigente requisito de um campo de luz de alta intensidade ainda permanece um grande impedimento para a realização de sistemas práticos de processamento de sinais ópticos não lineares (NOSP). Dispositivos ressonantes, normalmente empregados para reduzir a necessidade de energia em aplicações não lineares, enfrentam um compromisso restritivo entre velocidade e eficiência em aplicações NOSP, o que significa que o aumento da eficiência é muitas vezes compensado pela escarificação da velocidade.
Recentemente, os pesquisadores foram pioneiros em um método que aumenta significativamente a eficiência e a velocidade do NOSP simultaneamente.
Esta nova abordagem utiliza um sistema microrressonador especialmente projetado que manipula a luz usando um princípio chamado "simetria de tempo de paridade (PT)". Originada da teoria quântica de campos, a simetria PT pode ser realizada em sistemas ópticos com uma distribuição de ganho-perda espacialmente equilibrada. Sistemas acoplados com subsistemas de baixas/altas perdas podem ser considerados sistemas PT passivos através de transformação matemática.
O trabalho está publicado na revista eLight .
Para superar o compromisso entre eficiência de largura de banda (eficiência de velocidade), é crucial aproveitar a perda (decaimento da cavidade) através da simetria PT. Embora a perda seja frequentemente vista como uma deficiência de um sistema, ela pode ampliar a largura de linha do ressonador para acomodar sinais de banda larga.
Os pesquisadores desenvolveram uma maneira de manipular a perda para as ondas de luz participantes do NOSP, onde a onda de luz (onda de bomba) que conduz o NOSP sofre baixa perda, sendo assim grandemente aumentada em sua intensidade através do aprimoramento da ressonância; enquanto o fluxo de dados ópticos que está sujeito ao processamento de sinal óptico (sinal e ondas intermediárias) sofre uma perda maior - em outras palavras, ressonância amortecida seletivamente - para que o sistema possa facilitar a luz modulada de alta velocidade. As duas fases distintas que surgem da quebra de simetria do PT, a característica mais intrigante dos sistemas PT, enquadram-se perfeitamente neste requisito.
Para atingir esse objetivo, os pesquisadores desenvolveram um sistema especial de microressonador acoplado, com um microrressonador tendo metade do comprimento do outro. Este projeto permite a incorporação tanto da fase quebrada do PT quanto da fase exata do PT do ponto quase excepcional em diferentes janelas espectrais simultaneamente dentro da mesma estrutura. Como resultado, a operação de alta eficiência e alta velocidade pode ser alcançada simultaneamente e quebra efetivamente o limite de eficiência de largura de banda imposto em sistemas ressonadores únicos.
Romper a limitação de eficiência de largura de banda dos microrressonadores convencionais significa velocidades mais rápidas. Os pesquisadores mostraram evidências experimentais demonstrando que o processamento de dados em alta velocidade, superior a 38 gigabits por segundo, pode ser alcançado com microrressonadores de fator de alta qualidade com larguras de linha intrínsecas tão estreitas quanto 1 gigahertz. Essa conquista tanto no aumento da eficiência quanto na velocidade permite uma melhoria de duas ordens de magnitude na eficiência em comparação com sistemas de ressonador único.
Em última análise, esta inovação resulta numa redução significativa do consumo de energia necessário para a execução de tarefas de processamento de sinais de alta velocidade. Ao combinar o conceito com uma plataforma de integração não linear ultra-alta, ou seja, AlGaAs-on-Insulator, os pesquisadores demonstraram a operação NOSP (conversão de comprimento de onda) de um sinal on-off-keying de 38 GBaud com potência de bomba de apenas 1mW. Esta operação de potência de bomba recorde prevê dispositivos de processamento de sinal não linear em escala de chip em um futuro próximo.
Este avanço aborda os desafios práticos da implementação do sistema NOSP, promovendo a sua implantação no mundo real. Os dispositivos menores, mais rápidos e mais eficientes possibilitados pelo NOSP simétrico PT têm o potencial de trazer melhorias substanciais na capacidade, velocidade e eficiência energética da rede. Esses avanços podem levar a velocidades de Internet mais rápidas, data centers mais eficientes e até mesmo a novos aplicativos em computação quântica.
Os pesquisadores estão otimistas quanto ao impacto de seu trabalho no mundo real. Eles antecipam que a técnica de manipulação de largura de linha baseada em simetria PT atrairá amplo interesse, dadas as suas aplicações potenciais em vários campos, como optomecânica, acústica e física e engenharia atômica.
