Symetria czasu parzystości zwiększa szybkość przetwarzania sygnału optycznego

W erze dużych zbiorów danych przetwarzanie sygnałów stoi przed poważnymi wyzwaniami w zakresie wydajności i zużycia energii ze względu na potok danych do przetworzenia. Przy ponad 90% danych przesyłanych za pomocą światła, przetwarzanie sygnału optycznego może zapewnić niespotykaną szybkość i efektywność energetyczną w porównaniu z jego elektronicznymi odpowiednikami, działając bez konieczności przekształcania przepływu danych optycznych w pole elektryczne. Nieliniowe efekty optyczne, znane z ultraszybkiej reakcji, dużej przepustowości i równoległości, w połączeniu ze zintegrowanymi platformami fotonicznymi, mogą zapewnić skuteczną technologię kontroli optycznej promującą rozwój i zastosowanie przetwarzania sygnałów optycznych.

Jednak ambitne wymagania pola świetlnego o dużym natężeniu pozostają główną przeszkodą w realizacji praktycznych systemów nieliniowego przetwarzania sygnału optycznego (NOSP). Urządzenia rezonansowe, które są zwykle używane do zmniejszania zapotrzebowania na moc w zastosowaniach nieliniowych, w zastosowaniach NOSP stoją przed restrykcyjnym kompromisem między szybkością a wydajnością, co oznacza, że ​​zwiększenie wydajności często idzie w parze ze zmniejszeniem prędkości.

Niedawno badacze opracowali przełomową metodę, która znacząco zwiększa jednocześnie wydajność i szybkość NOSP. To nowe podejście wykorzystuje specjalnie zaprojektowany system mikrorezonatorów, który manipuluje światłem, stosując zasadę zwaną symetrią czasu parzystości (PT). Wychodząc od kwantowej teorii pola, symetrię PT można osiągnąć w układach optycznych z przestrzennie zrównoważonym rozkładem wzmocnienia i straty. Systemy sprzężone z podsystemami o niskich/wysokich stratach można uznać za pasywne systemy PT poprzez transformację matematyczną.

Aby przezwyciężyć kompromis pomiędzy wydajnością pasma (efektywnością i szybkością), kluczowe znaczenie ma wykorzystanie strat (zaniku wnęki) w wyniku symetrii PT. Chociaż utratę często postrzega się jako wadę systemu, może ona zwiększyć szerokość linii rezonatora, aby dostosować się do sygnałów szerokopasmowych. Naukowcy opracowali metodę rozwiązania problemu utraty fal świetlnych związanych z NOSP, w której fala świetlna (fala pompy) napędzająca NOSP podlega niskim stratom, w związku z czym jej intensywność jest znacznie zwiększona poprzez wzmocniony rezonans, podczas gdy optyczny strumień danych podlegający wpływowi optycznemu jest narażony na przetwarzanie sygnału (sygnał falowy i histereza) o większej stracie – innymi słowy, selektywnie tłumiony rezonans – dzięki czemu system może zapewnić modulowane światło o dużej prędkości. Dwie odrębne fazy powstałe w wyniku złamania symetrii PT, co jest najciekawszą cechą systemów PT, dobrze spełniają ten wymóg.

Aby osiągnąć ten cel, naukowcy opracowali specjalny system podwójnego mikrorezonatora, w którym jeden mikrorezonator jest o połowę krótszy od drugiego. Konstrukcja ta pozwala na jednoczesne łączenie PT z fazą przerywaną i półniezwykłego PT z drobnofazową fazą w różnych oknach widmowych w tej samej strukturze. W rezultacie można osiągnąć jednocześnie wysoką wydajność i dużą prędkość działania, skutecznie przełamując limit wydajności pasma nałożony na poszczególne systemy rezonatorów.

Przełamanie ograniczeń wydajności pasma tradycyjnych mikrorezonatorów oznacza większe prędkości. Naukowcy przedstawili dowody eksperymentalne, że szybkie przetwarzanie danych, przekraczające 38 Gb/s, można osiągnąć przy użyciu wysokiej jakości mikrorezonatorów o wewnętrznej szerokości linii wynoszącej zaledwie 1 GHz. Ten przełom zarówno pod względem wydajności, jak i zwiększonej prędkości pozwala na poprawę wydajności o dwa rzędy wielkości w porównaniu z systemami z pojedynczym rezonatorem.

Ta innowacja ostatecznie skutkuje znacznie zmniejszonym zużyciem energii podczas wykonywania zadań przetwarzania sygnałów z dużą szybkością. Łącząc tę ​​koncepcję z zaawansowaną platformą integracji nieliniowej, taką jak AlGaAs-on-Insulator, badacze zademonstrowali działanie NOSP (przesunięcie długości fali) dla sygnału włączenia-wyłączenia 38-G przy mocy pompy wynoszącej zaledwie 1 mW. Rekordowo niska moc pompy przewiduje, że w najbliższej przyszłości pojawią się urządzenia do nieliniowego przetwarzania sygnału w skali chipa.

To przełomowe rozwiązanie pozwala sprostać praktycznym wyzwaniom związanym z wdrażaniem systemu NOSP i usprawnieniem jego wdrażania w świecie rzeczywistym. Mniejsze, szybsze i bardziej wydajne urządzenia możliwe dzięki symetrycznemu PT NOSP mają potencjał, aby zapewnić znaczną poprawę przepustowości sieci, szybkości i efektywności energetycznej. Postępy te mogą skutkować szybszym łączem internetowym, wydajniejszymi centrami danych, a nawet nowymi zastosowaniami w obliczeniach kwantowych.

Naukowcy są optymistami, jeśli chodzi o wpływ ich pracy na świat rzeczywisty. Oczekują, że technika przetwarzania szerokości linii oparta na symetrii PT wzbudzi szerokie zainteresowanie ze względu na jej potencjalne zastosowania w różnych dziedzinach, takich jak optomechanika, akustyka, fizyka atomowa i inżynieria. Wierzą, że ta praca odbije się również echem wśród szerokiej i interdyscyplinarnej publiczności, ponieważ niesie ze sobą pogląd, że strata może być cennym towarem i można ją wykorzystać do rozwiązania paradoksu między wydajnością a szybkością, co jest częstym wyzwaniem spotykanym w naszym codziennym życiu. .