Gli effetti ottici non lineari, noti per la loro risposta ultraveloce, l'ampia larghezza di banda e il parallelismo, combinati con piattaforme fotoniche integrate, possono fornire un'efficiente tecnica di controllo ottico per promuovere lo sviluppo e l'applicazione dell'elaborazione del segnale ottico.

Tuttavia, il requisito impegnativo di un campo luminoso ad alta intensità rimane ancora un grave ostacolo alla realizzazione di sistemi pratici di elaborazione del segnale ottico non lineare (NOSP). I dispositivi risonanti, generalmente utilizzati per ridurre i requisiti di potenza nelle applicazioni non lineari, devono affrontare un compromesso restrittivo tra velocità ed efficienza nelle applicazioni NOSP, il che significa che l'aumento dell'efficienza è spesso compromesso dalla riduzione della velocità.

Recentemente, i ricercatori hanno sperimentato un metodo che migliora notevolmente l'efficienza e la velocità del NOSP contemporaneamente.

Questo nuovo approccio utilizza un sistema di microrisonatore appositamente progettato che manipola la luce utilizzando un principio chiamato “simmetria del tempo di parità (PT)”. Originata dalla teoria quantistica dei campi, la simmetria PT può essere realizzata in sistemi ottici con una distribuzione guadagno-perdita spazialmente bilanciata. I sistemi accoppiati con sottosistemi a bassa/alta perdita possono essere considerati sistemi PT passivi tramite trasformazione matematica.

Il lavoro è pubblicato sulla rivista eLight .

Per superare il compromesso tra efficienza di larghezza di banda (efficienza di velocità), è fondamentale sfruttare la perdita (decadimento della cavità) attraverso la simmetria PT. Sebbene la perdita sia spesso vista come un difetto di un sistema, può ampliare la larghezza delle linee del risonatore per accogliere segnali a banda larga.

I ricercatori hanno ideato un modo per manipolare la perdita per le onde luminose che partecipano al NOSP in cui l'onda luminosa (onda della pompa) che guida il NOSP subisce una bassa perdita, essendo quindi notevolmente aumentata nella sua intensità attraverso il potenziamento della risonanza; mentre il flusso di dati ottici soggetto all'elaborazione del segnale ottico (onde di segnale e onde folli) subisce una perdita maggiore, in altre parole, una risonanza smorzata selettivamente, in modo che il sistema possa facilitare la luce modulata ad alta velocità. Le due fasi distinte che derivano dalla rottura della simmetria del PT, la caratteristica più intrigante dei sistemi PT, si adattano perfettamente a questo requisito.

Per raggiungere questo obiettivo, i ricercatori hanno sviluppato uno speciale sistema di microrisonatore accoppiato, in cui un microrisonatore è lungo la metà dell'altro. Questo design consente l'incorporazione sia della fase spezzata del PT che della fase PT esatta del punto quasi eccezionale in diverse finestre spettrali contemporaneamente all'interno della stessa struttura. Di conseguenza, è possibile ottenere simultaneamente un funzionamento ad alta efficienza e ad alta velocità e superare efficacemente il limite di efficienza della larghezza di banda imposto ai sistemi a risonatore singolo.

Superare il limite di efficienza della larghezza di banda dei microrisonatori convenzionali significa velocità più elevate. I ricercatori hanno mostrato prove sperimentali che dimostrano che l'elaborazione dei dati ad alta velocità, superiore a 38 gigabit al secondo, può essere ottenuta con microrisonatori con fattori di alta qualità caratterizzati da larghezze di linea intrinseche fino a 1 gigahertz. Questo risultato sia in termini di maggiore efficienza che di velocità consente un miglioramento dell'efficienza di due ordini di grandezza rispetto ai sistemi a risonatore singolo.

Questa innovazione si traduce in definitiva in un consumo energetico significativamente ridotto necessario per eseguire attività di elaborazione del segnale ad alta velocità. Combinando il concetto con una piattaforma di integrazione non lineare ultraelevata, ovvero AlGaAs-on-Insulator, i ricercatori hanno dimostrato il funzionamento NOSP (conversione della lunghezza d'onda) di un segnale on-off-keying da 38 GBaud con solo 1 mW di potenza della pompa. Questo funzionamento a bassissimo consumo di energia della pompa prevede nel prossimo futuro dispositivi di elaborazione del segnale non lineare su scala chip.

Questa svolta affronta le sfide pratiche legate all’implementazione del sistema NOSP, favorendone l’implementazione nel mondo reale. I dispositivi più piccoli, più veloci e più efficienti resi possibili dal NOSP simmetrico PT hanno il potenziale per apportare miglioramenti sostanziali nella capacità della rete, nella velocità e nell’efficienza energetica. Questi progressi potrebbero portare a velocità Internet più elevate, data center più efficienti e persino nuove applicazioni nel campo dell'informatica quantistica.

I ricercatori sono ottimisti riguardo all’impatto del loro lavoro nel mondo reale. Si prevede che la tecnica di manipolazione della larghezza di linea basata sulla simmetria PT attirerà un ampio interesse, date le sue potenziali applicazioni in vari campi come optomeccanica, acustica, fisica e ingegneria atomica.