全光开关为更快的光纤通信铺平道路

现代高速互联网利用光通过光缆快速、可靠地传输大量数据，但目前光信号在需要进行数据处理时遇到了瓶颈。为此，光信号在进一步传输之前必须转换成电信号进行处理。

而一种被称为全光开关的设备可以利用光来控制其他光信号，而无需进行电气转换，从而节省了光纤通信的时间和能源。

密歇根大学领导的一个研究小组通过脉冲圆偏振光（像螺旋一样扭曲）穿过衬有超薄半导体的光腔，展示了一种超快全光开关。这项研究最近发表在《自然·通讯》（Nature Communications）上。

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原理和实验系统

这种装置可以作为标准的光学开关（打开或关闭控制激光器，切换相同偏振的信号光束），也可以作为一种称为 “排他性OR（XOR）开关 ”的逻辑门（当一个光输入顺时针旋转，另一个光输入逆时针旋转时产生输出信号，但当两个输入相同时不产生输出信号）。

该研究的第一作者、麻省理工大学物理学博士生Lingxiao Zhou说：“由于开关是任何信息处理单元最基本的构件，因此全光开关是实现全光计算或构建光神经网络的第一步。”

光计算的低损耗使其比电子计算更受欢迎。

马萨诸塞大学电气工程 Peter A. Franken 特聘教授、该研究的主要作者 Stephen Forrest 说：“极低的功耗是光计算成功的关键。我们团队所做的工作恰恰解决了这个问题，利用非同寻常的二维材料，以极低的单位比特能量进行数据交换。”

为了实现这一目标，研究人员通过光腔——一组能多次捕捉和来回反弹光线的镜子——以一定的间隔脉冲螺旋激光，将激光强度提高了两个数量级。

当光腔中嵌入一分子厚的半导体二硒化钨（WSe2）层时，强烈的振荡光扩大了半导体中可用电子的电子带--这种非线性光学效应被称为光学斯塔克效应。这意味着，当电子跃迁到更高的轨道时，它会吸收更多的能量，而当它向下跃迁时，则会发射更多的能量，这就是所谓的蓝移。这反过来又改变了信号光的通量，即单位面积上传递或反射的能量。

除了调制信号光之外，光学斯塔克效应还产生了一个伪磁场，它对电子波段的影响与磁场类似。其有效强度为 210 特斯拉，远远强于地球上强度为 100 特斯拉的最强磁铁。只有那些自旋与光的螺旋度对齐的电子才能感受到这股巨大的力量，从而暂时分裂出不同自旋方向的电子带，将对齐电子带中的电子导向同一方向。

研究小组可以通过改变光的扭曲方向来改变不同自旋电子带的排序。

不同电子带中电子短暂的统一自旋方向性也打破了一种叫做时间反转对称性的东西。从本质上讲，时间反转对称性意味着一个过程的基本物理原理前后相同，这意味着能量守恒。

虽然我们通常无法在宏观世界中观察到这一点，因为能量会通过摩擦力等力量耗散，但如果你能拍摄一段电子旋转的视频，那么无论你是向前还是向后播放，它都会遵守物理定律--单向旋转的电子会变成能量相同的反向旋转的电子。但在伪磁场中，时间反转对称性被打破了，因为如果倒带，旋转方向相反的电子具有不同的能量——不同自旋的能量可以通过激光来控制。

该研究的通讯作者、麻省理工大学物理与电子和计算机工程系教授Hui Deng说：“我们的研究成果为许多新的可能性打开了大门，无论是在基础科学领域，控制时间反转对称性是创造奇异物质状态的必要条件；还是在技术领域，利用如此巨大的磁场成为可能。”

相关链接：https://phys.org/news/2024-10-optical-device-paves-faster-fiber.html

论文链接：https://dx.doi.org/10.1038/s41467-024-52014-0