全光交换装置为更快的光纤通信铺平了道路

光学腔的原理图，在光场强度最大的前天线处有一层1分子厚的二硒化钨（WSe2）    来源：密歇根大学邓实验室

       现代高速互联网利用光通过光纤电缆快速且可靠地传输大量数据，但当下，在需要进行数据处理时，光信号遇到了瓶颈。为此，在进一步传输之前，光信号必须转换成电信号进行处理。而一种名为全光开关的设备，可以用光来控制其他光信号，无需进行电转换，从而节省光纤通信的时间和能量。由密歇根大学领导的一个研究小组展示了一种超快全光开关，通过脉冲圆偏振光使其像螺旋一样扭曲，经由内衬超薄半导体的光学腔实现。这项研究近期发表在《自然通讯》杂志上。该装置既可以作为一个标准的光开关，通过打开或关闭控制激光来开关相同偏振的信号束，也可以作为一种被称为异或（XOR）开关的逻辑门，当一个光输入顺时针旋转而另一个光输入逆时针旋转时产生输出信号，但若两个输入相同时则不会产生输出信号。“因为开关是任何信息处理单元最基本的构建块，所以全光开关是迈向全光计算或构建光神经网络的第一步，” 密歇根大学物理学博士生、该研究的第一作者周凌晓说道。光计算的低损耗使其比电子计算更具优势。

       “极低的功耗是光学计算成功的关键。我们团队所做的工作正是解决了这个问题，使用不寻常的二维材料以每比特非常低的能量来切换数据，” 密歇根大学彼得・A・弗兰肯杰出大学电子工程教授、该研究的主要作者斯蒂芬・福雷斯特表示。为达成这一目标，研究人员以一定的间隔通过一个光学腔（一组反射镜，可多次捕获和反射光线）脉冲螺旋激光，将激光的强度提高了两个数量级。当一层一分子厚的半导体二硒化钨（WSe2）被嵌入到光学腔中时，强烈的振荡光扩大了半导体中可用电子的电子带 —— 一种被称为光学斯塔克效应的非线性光学效应。这意味着当一个电子跳到更高的轨道时，它会吸收更多的能量，而当它跳到更高的轨道后再释放能量时，就会出现所谓的蓝移。这反过来又改变了信号光的影响，即每单位面积上传递或反射的能量。除了调制信号光外，光学斯塔克效应还产生了一个伪磁场，其对电子带的影响与磁场类似。它的有效强度为 210 特斯拉，远远超过地球上最强的磁铁（100 特斯拉）。只有自旋与光的螺旋度一致的电子才能感受到这种巨大的力，这种力会暂时分裂不同自旋方向的电子带，使排列在同一方向的电子带中的电子都指向同一方向。该团队可以通过改变光扭曲的方向来改变不同自旋的电子带的顺序。电子在不同能带上短暂的均匀自旋方向也打破了所谓的时间反转对称性。从本质上讲，时间反转对称性意味着一个过程背后的物理原理是相同的，也就意味着能量守恒。虽然在宏观世界中我们通常无法观察到这一点，因为能量会通过摩擦等力消散，但如果你能拍一段电子自旋的视频，不管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方向相反的电子，且具有相同的能量。然而在伪磁场中，时间反转对称性被打破，因为如果重绕，相反方向自旋的电子具有不同的能量，而不同自旋的能量可以通过激光来控制。“我们的研究结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，” 密歇根大学物理、电子和计算机工程教授、该研究的通讯作者邓辉说道。