加州理工学院开发新光学开关 可能导致超高速信号处理

摘要:

加州理工学院(Caltech)的工程师们已经开发出一种开关,这是计算的最基本组件之一,它使用光学而不是电子组件。这一发展可能有助于实现超快的全光信号处理和计算。

通过使用光脉冲而不是电信号,光学设备有能力比电气设备更快地传输信号。这就是为什么现代设备经常采用光学技术来发送数据。例如,光缆的网速比传统的以太网电缆快得多。通过以更快的速度和更小的功率做更多事情,光学领域有可能彻底改变计算。

然而,今天基于光学的系统的主要限制之一是,在某一点上,它们仍然需要有基于电子的晶体管来有效处理数据。现在,利用光学非线性的力量,由加州理工学院电气工程和应用物理学助理教授Alireza Marandi领导的一个工程师团队已经创造了一个全光开关。这种开关最终可以实现使用光子的数据处理。这项研究于7月28日发表在《自然-光子学》杂志上。

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Alireza Marandi团队选择了一种被称为铌酸锂的晶体材料,这是一种在自然界中不存在的铌、锂和氧的组合,但在过去的50年中被证明对光学领域至关重要。这种材料本身是非线性的。由于晶体中原子排列的特殊方式,它所产生的光学信号与输入信号不成正比。

虽然铌酸锂晶体被用于光学领域已有数十年之久,但最近,纳米加工技术的进步使团队能够创造出基于铌酸锂的集成光子设备,使光线被限制在一个微小的空间内。空间越小,相同功率下的光强度就越大。因此,通过这样一个光学系统携带信息的光脉冲可以提供比其他方式更强的非线性响应。

Alireza Marandi团队还在时间上限制了光。从本质上讲,他们减少了光脉冲的持续时间,并使用了一种特殊的设计,使脉冲在通过设备传播时保持短促,这导致每个脉冲具有更高的峰值功率。这两种策略的综合效果大大增强了特定脉冲能量的非线性强度,这意味着光子现在对彼此的影响更强。

最终的结果是创建了一个非线性分离器,在这个分离器中,光脉冲根据其能量被输送到两个不同的输出,这使得开关在不到50飞秒(飞秒是四亿分之一秒)的时间内发生。相比之下,最先进的电子开关需要几十皮秒(一皮秒是一万亿分之一秒),相差很多数量级。

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