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Nov 26, 2023

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Scientific Reports volume 12,

Scientific Reports volume 12, numero articolo: 12778 (2022) Citare questo articolo

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Recentemente, i modulatori completamente ottici sono potenzialmente il candidato più promettente per ottenere una modulazione a bit rate elevato nelle tecnologie di comunicazione completamente ottiche ad alta velocità e nell'elaborazione del segnale. In questo studio, viene introdotto un modulatore completamente ottico a due canali basato su una struttura di punti quantici elaborata in soluzione per due dimensioni di punti quantici per funzionare a due lunghezze d'onda degli spettri MIR (3 µm e 5 µm). Per eseguire analisi numeriche e teoriche e valutare il comportamento ottico del modulatore completamente ottico proposto, le equazioni di velocità e propagazione accoppiate sono state risolte considerando effetti di ampliamento omogenei e disomogenei. La profondità di modulazione alla frequenza di 50 GHz e alla potenza della sonda di 3 mW viene raggiunta, circa il 94% per il canale 1 con la lunghezza d'onda di 559 nm con una densità di potenza della pompa di 300 Wcm−2 e circa l'83,5% per il canale 2 con la lunghezza d'onda di 619 nm a una densità di potenza della pompa di 500 Wcm−2. Il modulatore completamente ottico a due canali introdotto può funzionare simultaneamente a due lunghezze d'onda durante il processo di modulazione in cui le informazioni potrebbero essere trasmesse attraverso entrambi i segnali dalla luce di controllo. Questo approccio può presentare il dispositivo pratico come un modulatore completamente ottico a due canali ad alto contrasto e alta velocità con un'elevata profondità di modulazione in numerose applicazioni come l'imaging termico nelle telecamere per la visione notturna, il demultiplexing della lunghezza d'onda, l'elaborazione del segnale, la comunicazione spaziale.

La richiesta sempre crescente di trasmettere grandi quantità di dati si è fatta sentire a partire dal 1993, quando Internet è diventato disponibile al pubblico di tutto il mondo. La rete in fibra ottica con mezzo di trasmissione naturale dispone di un'ampia larghezza di banda, per cui le fibre monomodali standard hanno una larghezza di banda fino a 25 THz, che richiede un bitrate molto elevato. Al giorno d'oggi, le reti in fibra ottica in tutto il mondo funzionano a una velocità in bit di 40 Gbps e la tecnologia all'avanguardia si muove sempre verso il miglioramento delle velocità in bit e delle alte velocità1,2. Pertanto, le tecnologie di comunicazione ottica ad alta velocità e l'elaborazione del segnale dipendono principalmente da dispositivi indicati come modulatori ottici. Infatti, i modulatori svolgono un ruolo sostanziale nella comunicazione ottica rispetto ad altri componenti. Utilizzando questi componenti, le informazioni vengono trasmesse su raggi ottici dopo aver viaggiato per chilometri, e poi vengono trasportate tramite fibre ottiche al centro delle reti di telecomunicazione e di condivisione dei dati3,4. Negli ultimi anni, i modulatori ottici hanno avuto un ruolo significativo nell'optoelettronica e nei dispositivi fotonici grazie alla loro ampia larghezza di banda e alla bassa perdita, e hanno raggiunto un enorme sviluppo nell'elaborazione ottica delle informazioni, nelle interconnessioni ottiche, nell'ingegneria dei laser pulsati e nel rilevamento ambientale5,6, 7,8,9.

I modulatori completamente ottici (AOM) sono potenzialmente il candidato più promettente per ottenere una modulazione a bit rate elevato, in cui la luce viene modulata dalla luce110,11,12,13 e presenta vantaggi unici nell'elaborazione del segnale completamente ottica rispetto alla modulazione elettro-ottica o modulazione acusto-ottica14,15. Recentemente, è probabile che la modulazione completamente ottica consenta reti fotoniche veloci grazie all'eliminazione del processo di conversione tra luce ed elettricità nella commutazione ottica convenzionale4,10. Gli AOM sono stati ampiamente ispezionati per la loro ampia larghezza di banda, risposta rapida e dimensioni compatte, in cui il segnale luminoso può essere modulato nel dominio fotonico senza esercitare alcun effetto termico, elettronico e di altro tipo esterno5,8,9. Il progresso dell'AOM mira non solo ad aumentare la velocità delle prestazioni, ma anche a fornire nuove applicazioni, come la comunicazione nello spazio libero a banda larga, l'imaging dell'atmosfera anti-fluttuazione e il rilevamento ultraveloce del tempo di volo, basati sulle attuali tecnologie di rilevamento MIR16 ,17.

Per il controllo attivo della luce, ci sono state numerose applicazioni interessanti mediante l'applicazione di punti quantici (QD) a semiconduttore4,10,18. Recentemente, gli studi sugli AOM alla lunghezza d'onda delle telecomunicazioni sono stati ampiamente sviluppati e abbiamo assistito a notevoli progressi in questo campo. A tal fine, è stata ottenuta una dimostrazione sperimentale di AOM basata sull'efficiente interazione tra la luce di controllo a una lunghezza d'onda di 515 nm e la luce di segnale a 1426 nm, convertendoli in polaritoni plasmonici di superficie (SPP) co-propaganti, che interagiscono attraverso un sottile strato di QD CdSe. La modulazione ottica a basse densità di potenza (∼ 100 Wcm−2) e la frequenza di modulazione intorno a 25 MHz sono state osservate a causa dell'elevato confinamento del campo SPP e dell'elevata sezione trasversale di assorbimento QD13. Per promuovere la profondità di modulazione (MD) e la frequenza di modulazione a questo intervallo di lunghezze d'onda è stata ipoteticamente segnalata anche una nuova procedura per progettare un AOM basato su vetro drogato con CdSe-QDs in cui la forte (560 Wcm−2) pompa luce alla lunghezza d'onda di 460 nm è stato utilizzato per modulare la luce del segnale a 1522 nm con MD del 96% e frequenza di modulazione di 70 GHz4. Grazie alle proprietà ottiche uniche dei materiali 2D nello sviluppo di operazioni di controllo della luce, è possibile ottenere sperimentalmente un AOM in microfibra rivestita di grafene con un MD del 38% e una frequenza di modulazione di 200 MHz dove la luce del segnale alla lunghezza d'onda di 1550 nm era controllato da una luce a 1064 nm19. Inoltre, è stato progettato un AOM che utilizza un metodo di modulazione spaziale della fase incrociata basato su MXene in cui una forte luce di controllo (∼ 40 Wcm−2) alla lunghezza d'onda di 671 nm è stata sfruttata per modulare un'altra luce di segnale debole a 532 nm20.