La simetría del tiempo de paridad mejora la velocidad del procesamiento de señales ópticas

En la era del big data, el procesamiento de señales enfrenta importantes desafíos en términos de capacidad y consumo de energía debido al torrente de datos que hay que procesar. Con más del 90% de los datos transmitidos a través de la luz, el procesamiento de señales ópticas puede ofrecer una velocidad y eficiencia energética sin precedentes en comparación con sus homólogos electrónicos, funcionando sin la necesidad de convertir el flujo de datos ópticos en un campo eléctrico. Los efectos ópticos no lineales, conocidos por su respuesta ultrarrápida, gran ancho de banda y paralelismo, combinados con plataformas fotónicas integradas, pueden proporcionar una tecnología de control óptico eficaz para promover el desarrollo y la aplicación del procesamiento de señales ópticas.

Sin embargo, los desafiantes requisitos del campo de luz de alta intensidad siguen siendo un obstáculo importante para la realización de sistemas prácticos de procesamiento de señales ópticas no lineales (NOSP). Los dispositivos resonantes, que normalmente se utilizan para reducir los requisitos de energía en aplicaciones no lineales, enfrentan un compromiso restrictivo entre velocidad y eficiencia en aplicaciones NOSP, lo que significa que la mejora de la eficiencia a menudo se compensa con una reducción de la velocidad.

Recientemente, los investigadores idearon un método innovador que aumenta significativamente la eficiencia y la velocidad de NOSP simultáneamente. Este nuevo enfoque utiliza un sistema microresonante especialmente diseñado que manipula la luz utilizando un principio llamado «simetría de tiempo de paridad (PT)». A partir de la teoría cuántica de campos, la simetría PT se puede lograr en sistemas ópticos con una distribución de pérdida y ganancia espacialmente equilibrada. Los sistemas acoplados con subsistemas de pérdidas bajas/altas pueden considerarse sistemas PT pasivos mediante transformación matemática.

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Para superar el equilibrio entre la eficiencia del ancho de banda (eficiencia y velocidad), es crucial aprovechar la pérdida (caída de la cavidad) a través de la simetría PT. Si bien la pérdida a menudo se considera un defecto en el sistema, puede ampliar el ancho de línea del resonador para adaptarse a señales de banda ancha. Los investigadores han ideado un método para abordar la pérdida de ondas de luz involucradas en NOSP donde la onda de luz (onda de bomba) que impulsa NOSP está sujeta a una pérdida baja y, por lo tanto, su intensidad aumenta en gran medida a través de una resonancia mejorada, mientras que el flujo de datos ópticos sufre influencia óptica. está expuesto a un procesamiento de señales (señal de ondas e histéresis) de mayor pérdida (en otras palabras, resonancia amortiguada selectivamente) para que el sistema pueda facilitar la luz modulada de alta velocidad. Las dos fases distintas que surgen de la ruptura de la simetría del PT, que es la característica más interesante de los sistemas PT, se ajustan bien a este requisito.

Para lograr este objetivo, los investigadores desarrollaron un sistema especial de microresonador dual, donde un microresonador tiene la mitad de longitud que el otro. Este diseño permite combinar tanto el PT de fase rota como el PT de fase fina semiextraordinario en diferentes ventanas espectrales simultáneamente dentro de la misma estructura. Como resultado, se puede lograr un funcionamiento de alta eficiencia y alta velocidad simultáneamente, rompiendo efectivamente el límite de eficiencia del ancho de banda impuesto a los sistemas de resonador individuales.

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Romper las limitaciones de eficiencia del ancho de banda de los microresonadores tradicionales significa velocidades más rápidas. Los investigadores han demostrado evidencia experimental de que se puede lograr un procesamiento de datos de alta velocidad, superior a 38 gigabits por segundo, utilizando microresonadores de alta calidad con anchos de línea intrínsecos tan estrechos como 1 GHz. Este avance tanto en eficiencia como en mayor velocidad permite una mejora de dos órdenes de magnitud en la eficiencia con respecto a los sistemas de un solo resonador.

En última instancia, esta innovación da como resultado una reducción significativa del consumo de energía para realizar tareas de procesamiento de señales de alta velocidad. Al combinar este concepto con una plataforma de integración no lineal de alta gama, como AlGaAs-on-Insulator, los investigadores demostraron el funcionamiento NOSP (desplazamiento de longitud de onda) de una señal de encendido y apagado de 38 G con una potencia de bombeo de solo 1 mW. El funcionamiento de la bomba con una potencia récord baja predice dispositivos de procesamiento de señales no lineales a escala de chip en un futuro próximo.

Este avance aborda los desafíos prácticos de implementar un sistema NOSP y mejorar su implementación en el mundo real. Los dispositivos más pequeños, más rápidos y más eficientes posibles gracias al PT simétrico NOSP tienen el potencial de aportar mejoras significativas en la capacidad, velocidad y eficiencia energética de la red. Estos avances podrían conducir a velocidades de Internet más rápidas, centros de datos más eficientes e incluso nuevas aplicaciones en computación cuántica.

Los investigadores son optimistas sobre el impacto de su trabajo en el mundo real. Esperan que la técnica de procesamiento de ancho de línea basada en la simetría PT atraiga un interés generalizado, debido a sus posibles aplicaciones en diversos campos como la optomecánica, la acústica, la física atómica y la ingeniería. Creen que este trabajo también resonará en una audiencia amplia e interdisciplinaria, ya que trae la idea de que la pérdida puede ser un bien valioso y puede aprovecharse para resolver la paradoja entre eficiencia y velocidad, un desafío común que se encuentra en nuestra vida diaria. .

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