使用光 Kerr 效應的全球最低功率全光學開關。

2014-09-29 2022-09-23 miyahara

研究

2014-09-29

切換所需的功率可以降低多少？

迄今為止，已有許多全光開關得以實現。以半導體製造的微光諧振器為基礎的全光開關在整合度和能源消耗方面較為優異，但它們會因為開關運作所產生的載子而受到損耗。當開關被用於對損耗敏感的應用（如量子資訊通訊）或開關被串聯時，這種損耗就會成為一個問題。不涉及載子產生的光 Kerr 效應可以用在開關中來解決這個問題，但產生光 Kerr 效應所需的高光功率一直是個問題。在本研究中，藉由使用矽甲烷諧振器，大幅降低了產生光 Kerr 效應所需的功率，並成功以世界上最低的功率驅動開關，成為使用光 Kerr 效應的光開關。

Silicatroid 諧振器具有極高的 Q 值和較小的模式體積，因此可以預期光 Kerr 效應會在低輸入功率下發生 (圖 1)。然而，除了光 Kerr 效應之外，這些諧振器還存在熱光效應，這是由於吸收光所產生的熱所造成的。通常，只有光 Kerr 效應無法選擇性地使用，因為熱光效應比光 Kerr 效應大，但在本研究中，光 Kerr 效應的反應速度更快，我們的目標是透過輸入時間寬度短到熱無法反應的光脈衝，來實現光 Kerr 開關。光 Kerr 效應的反應時間比熱反應時間快得多。

圖 1 矽膠環狀微腔的掃描電子顯微鏡影像。.

圖 2 顯示實驗結果。藍色實線表示信號光輸出，灰色區域表示控制光輸入。如果實現的是光學開關，信號光輸出只有在控制光輸入時才會被開啟，而圖 2 中正好可以觀察到這樣的行為。我們測得開關的反應時間為 6 ns，這對於熱反應來說太短了，因此可以推斷這個結果是透過光 Kerr 效應獲得的。如圖 3 左圖所示，圖 2 中使用的諧振器要求開關的最低功率為 830 µW，但通過使用 Q 值更高的諧振器，功率成功降低到 36 µW（圖 3 右圖）。這是迄今為止所報告的所有光車開關中功率最低的。