全光开关：光纤通信的革命性突破，揭秘超快速数据传输的新技术

在追求超快速数据传输的征途上，一项突破性的全光开关技术为我们揭开了通往未来的螺旋之路。这项新技术利用圆偏振光和创新的半导体材料，能够在光纤系统中更快、更高效地处理数据。
现代高速互联网依赖于光纤电缆中光的传输，以快速、可靠地传送大量数据。然而，当数据需要处理时，光信号面临一个瓶颈：它们必须首先被转换成电信号才能进行处理，然后才能继续传输。全光开关提供了一个解决方案，它使用光来控制其他光信号，无需电转换，这在光纤通信系统中节省了时间和能源。

密歇根大学的研究团队展示了一个超快全光开关，它使用脉冲圆偏振光（螺旋状扭曲）通过一个内衬超薄半导体的光学腔。他们的研究最近发表在《自然通讯》上。这种设备可以作为一个标准的光开关运行，通过开启或关闭控制激光来切换相同极化的信号光。它还可以作为一个逻辑门，称为异或（XOR）开关，当一个光输入顺时针扭曲，另一个逆时针扭曲时产生输出信号，但如果两者以相同方向扭曲，则不产生输出。
“因为开关是任何信息处理单元的最基本构建块，全光开关是迈向全光计算或构建光神经网络的第一步，”该研究的主要作者、密歇根大学的物理博士生Lingxiao Zhou说。
“极低的功耗是光学计算成功的关键。我们团队的工作正是解决了这个问题，使用不寻常的二维材料在极低能量每位比特的情况下切换数据，”密歇根大学的电气工程教授Stephen Forrest说。为了实现这一点，研究人员通过一个光学腔（一组镜子，可以多次捕获并反射光）以规律间隔脉冲一个螺旋激光，将激光的强度提高了两个数量级。
当一个分子厚度的半导体钨二硒化物（WSe2）嵌入在光学腔中时，强烈的振荡光会扩大半导体中可用电子的电子带——一个非线性光学效应，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，它吸收更多的能量，当它跃迁下来时释放更多的能量，称为蓝移。这反过来又修改了信号光的光通量，即每单位面积传递或反射的能量。

除了调制信号光，光学斯塔克效应还产生了一个伪磁场，它类似于磁场一样影响电子带。其有效强度为210特斯拉，远强于地球上最强的100特斯拉的磁场。这种巨大的力量只被与光的螺旋性对齐的电子的自旋感受到，暂时分裂了不同自旋取向的电子带，并指导对齐带中的电子全部朝同一方向排列。
研究团队可以通过改变光的扭曲方向来改变不同自旋的电子带的排序。不同带中电子的短暂统一自旋方向也打破了所谓的时间反演对称性。从本质上讲，时间反演对称性意味着一个过程背后的物理在向前和向后播放时是相同的，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，因为能量通过摩擦等力耗散，但如果你能拍摄一个电子自旋的视频，无论你是向前播放还是向后播放，它都会遵循物理定律——一个方向自旋的电子会变成一个相反方向自旋的电子，具有相同的能量。但在伪磁场中，时间反演对称性被打破，因为如果回放，相反方向自旋的电子具有不同的能量——不同自旋的能量可以通过激光控制。
“我们的结果为许多新的可能性打开了大门，无论是在需要控制时间反演对称性以创建奇异物质状态的基础科学领域，还是在可以利用如此巨大的磁场的技术领域，”密歇根大学物理学和电气与计算机工程教授、该研究的通讯作者Hui Deng说。
这项全光开关技术不仅为光纤通信带来了革命性的变革，还为光学计算和量子物理的研究开辟了新的道路。随着技术的不断发展，我们有望在未来看到更快速、更节能的通信系统，以及对量子物质状态更深入的理解。我们邀请您在评论区分享您对这项技术的看法，以及它可能对通信行业和科学研究带来的影响。
参考资料：DOI： 10.1038/s41467-024-52014-0