Los efectos ópticos no lineales, conocidos por su respuesta ultrarrápida, gran ancho de banda y paralelismo, combinados con plataformas fotónicas integradas, pueden proporcionar una técnica de control óptico eficiente para avanzar en el desarrollo y la aplicación del procesamiento de señales ópticas.

Sin embargo, el exigente requisito de un campo de luz de alta intensidad sigue siendo un impedimento importante para realizar sistemas prácticos de procesamiento de señales ópticas no lineales (NOSP). Los dispositivos resonantes, normalmente empleados para reducir los requisitos de energía en aplicaciones no lineales, se enfrentan a un compromiso restrictivo entre velocidad y eficiencia en aplicaciones NOSP, lo que significa que aumentar la eficiencia a menudo se compensa con una reducción de la velocidad.

Recientemente, los investigadores han sido pioneros en un método que mejora notablemente la eficiencia y la velocidad de NOSP simultáneamente.

Este nuevo enfoque utiliza un sistema de microresonador especialmente diseñado que manipula la luz utilizando un principio llamado "simetría de tiempo de paridad (PT)". Con origen en la teoría cuántica de campos, la simetría PT se puede realizar en sistemas ópticos con una distribución de pérdida y ganancia espacialmente equilibrada. Los sistemas acoplados con subsistemas de baja/alta pérdida pueden considerarse sistemas PT pasivos mediante transformación matemática.

El trabajo está publicado en la revista eLight .

Para superar el equilibrio entre la eficiencia del ancho de banda (velocidad-eficiencia), es crucial aprovechar la pérdida (caída de la cavidad) a través de la simetría PT. Si bien la pérdida a menudo se considera una deficiencia de un sistema, puede ampliar el ancho de línea del resonador para acomodar señales de banda ancha.

Los investigadores idearon una manera de manipular la pérdida de las ondas de luz que participan en el NOSP donde la onda de luz (onda de bomba) que impulsa el NOSP experimenta una pérdida baja, por lo que su intensidad aumenta considerablemente mediante la mejora de la resonancia; mientras que el flujo de datos ópticos que está sujeto al procesamiento de señales ópticas (señal y ondas inactivas) experimenta una mayor pérdida (en otras palabras, resonancia amortiguada selectivamente), de modo que el sistema puede facilitar la luz modulada de alta velocidad. Las dos fases distintas que surgen de la ruptura de la simetría del PT, la característica más intrigante de los sistemas PT, encajan muy bien en este requisito.

Para lograr este objetivo, los investigadores desarrollaron un sistema de microresonador acoplado especial, en el que un microresonador tiene la mitad de longitud que el otro. Este diseño permite la incorporación tanto de la fase rota de PT como de la fase exacta de PT puntual casi excepcional en diferentes ventanas espectrales simultáneamente dentro de la misma estructura. Como resultado, se puede lograr una operación de alta eficiencia y alta velocidad simultáneamente, y se rompe efectivamente el límite de eficiencia de ancho de banda impuesto a los sistemas de un solo resonador.

Romper la limitación de eficiencia del ancho de banda de los microresonadores convencionales significa velocidades más rápidas. Los investigadores mostraron evidencia experimental que demuestra que el procesamiento de datos de alta velocidad, superior a 38 gigabits por segundo, se puede lograr con microresonadores de factor de alta calidad con anchos de línea intrínsecos tan estrechos como 1 gigahercio. Este logro tanto en mayor eficiencia como en velocidad permite una mejora de dos órdenes de magnitud en la eficiencia en comparación con los sistemas de un solo resonador.

En última instancia, esta innovación da como resultado una reducción significativa del consumo de energía necesario para realizar tareas de procesamiento de señales de alta velocidad. Al combinar el concepto con una plataforma de integración no lineal ultraalta, es decir, AlGaAs-on-Insulator, los investigadores demostraron el funcionamiento NOSP (conversión de longitud de onda) de una señal de encendido y apagado de 38 GBaud con solo 1 mW de potencia de bomba. Esta operación de potencia de bombeo récord pronostica dispositivos de procesamiento de señales no lineales a escala de chip en un futuro próximo.

Este avance aborda los desafíos prácticos de implementar el sistema NOSP, fomentando su implementación en el mundo real. Los dispositivos más pequeños, más rápidos y más eficientes posibles gracias al NOSP PT simétrico tienen el potencial de generar mejoras sustanciales 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. Anticipan que la técnica de manipulación del ancho de línea basada en simetría PT atraerá un amplio interés, dadas sus aplicaciones potenciales en diversos campos como la optomecánica, la acústica y la física e ingeniería atómicas.