Ingeniører udvikler første tunable, chipbaseret vortex-mikrolaser og detektor

Efterhånden som computere bliver mere kraftfulde og tilsluttede, mængden af ​​data, vi sender og modtager, er i konstant løb med de teknologier, vi bruger til at overføre dem. Elektroner viser sig nu utilstrækkeligt hurtige og erstattes af fotoner i takt med at efterspørgslen efter fiberoptisk internetkabler og datacentre vokser.

Selvom lys er meget hurtigere end elektricitet, i moderne optiske systemer, mere information overføres ved lagdeling af data i flere aspekter af en lysbølge, såsom dens amplitude, bølgelængde og polarisering. Stigende sofistikerede "multiplexing" teknikker som disse er den eneste måde at holde sig foran den stigende efterspørgsel efter data, men også dem nærmer sig en flaskehals. Vi er simpelthen ved at løbe tør for plads til at gemme flere data i lysets konventionelle egenskaber.

For at bryde igennem denne barriere, ingeniører undersøger nogle af lysets sværere at kontrollere egenskaber. Nu, to undersøgelser fra University of Pennsylvania's School of Engineering and Applied Science har vist et system, der kan manipulere og opdage en sådan egenskab kendt som orbital vinkelmoment, eller OAM, af lys. Kritisk, de er de første til at gøre det på små halvlederchips og med tilstrækkelig præcision til, at det kan bruges som et medium til overførsel af information.

Det matchede par undersøgelser, offentliggjort i tidsskriftet Videnskab , blev udført i samarbejde med forskere ved Duke University, Nordøstlige universitet, det polytekniske universitet i Milano, Hunan University og U.S.National Institute of Standards and Technology.

En undersøgelse, ledet af Liang Feng, adjunkt i afdelingerne for materialevidenskab og teknik og el- og systemteknik, demonstrerer en mikrolaser, der dynamisk kan indstilles til flere forskellige OAM -tilstande. Den anden, ledet af Ritesh Agarwal, professor i Institut for Materialevidenskab og Teknik, viser, hvordan en lasers OAM-tilstand kan måles med en chipbaseret detektor. Begge undersøgelser involverer samarbejde mellem Agarwal- og Feng -grupperne i Penn.

Sådanne "vortex" lasere, opkaldt efter måden deres lysspiraler omkring deres rejseakse, blev først demonstreret af Feng med kvantesymmetri-drevne designs i 2016. Dog er Feng og andre forskere på området har hidtil været begrænset til at sende en enkelt, forudindstillet OAM-tilstand, hvilket gør dem upraktiske til kodning af flere oplysninger. I den modtagende ende, eksisterende detektorer har påberåbt sig komplekse filtreringsteknikker ved hjælp af omfangsrige komponenter, der har forhindret dem i at blive integreret direkte på en chip, og er således uforenelige med de fleste praktiske optiske kommunikationsmetoder.

Sammen, denne nye afstembare vortexmikrotransceiver og modtager repræsenterer de to mest kritiske komponenter i et system, der kan muliggøre en måde at multiplicere informationstætheden for optisk kommunikation, potentielt ødelægger den truende båndbreddeflaskehals.

Evnen til dynamisk at indstille OAM -værdier ville også muliggøre en fotonisk opdatering til en klassisk krypteringsteknik:frekvenshopping. Ved hurtigt at skifte mellem OAM-tilstande i en foruddefineret sekvens, som kun afsender og modtager kender, optisk kommunikation kunne gøres umulig at opfange.

"Vores resultater markerer et stort skridt i retning af at lancere optiske kommunikationsnetværk med stor kapacitet og konfrontere den kommende informationsstød, «siger Feng.

I den mest grundlæggende form for optisk kommunikation, at sende en binær besked er lige så enkelt som at repræsentere 1s og 0s ved, om lyset er tændt eller slukket. Dette er effektivt et mål for lysets amplitude - hvor høj bølgetoppen er - som vi oplever som lysstyrke. Efterhånden som lasere og detektorer bliver mere præcise, de kan konsekvent udsende og skelne mellem forskellige amplitudeniveauer, gør det muligt at indeholde flere informationsstykker i det samme signal.

Endnu mere sofistikerede lasere og detektorer kan ændre andre lysegenskaber, såsom dens bølgelængde, der svarer til farve, og dens polarisering, som er orienteringen af ​​bølgens svingninger i forhold til dens kørselsretning. Mange af disse egenskaber kan indstilles uafhængigt af hinanden, giver mulighed for stadig tættere multiplexering.

Orbital vinkelmoment er endnu en lysegenskab, selvom det er betydeligt sværere at manipulere, i betragtning af kompleksiteten af ​​de nanoskala-funktioner, der er nødvendige for at generere den fra computere i chip-størrelse. Cirkulært polariseret lys bærer et elektrisk felt, der roterer omkring sin rejseakse, hvilket betyder, at dets fotoner har en kvalitet kendt som spin vinkelmoment, eller SAM. Under stærkt kontrollerede spin-orbit-interaktioner, SAM kan låses eller konverteres til en anden ejendom, orbital vinkelmoment, eller OAM.

Forskningen om en dynamisk afstembar OAM -laser baseret på dette koncept blev ledet af Feng og kandidatstuderende Zhifeng Zhang.

I denne nye undersøgelse, Feng, Zhang og deres kolleger begyndte med en "microring" laser, som består af en ring af halvleder, kun få mikron bred, hvorigennem lys kan cirkulere på ubestemt tid, så længe strøm tilføres. Når yderligere lys "pumpes" ind i ringen fra kontrolarme på hver side af ringen, den delikat designede ring udsender cirkulært polariseret laserlys. Kritisk, asymmetri mellem de to kontrolarme tillader, at SAM for den resulterende laser kan kobles med OAM i en bestemt retning.

Dette betyder, at snarere end blot at rotere rundt om bjælkens akse, som cirkulært polariseret lys gør, bølgefronten for en sådan laser kredser om denne akse og bevæger sig således i et spiralformet mønster. En lasers OAM "mode" svarer til dens chiralitet, retningen disse spiraler vrider, og hvor tæt sammen dens vendinger er.

"Vi demonstrerede en mikrorroringslaser, der er i stand til at udsende fem forskellige OAM -tilstande, "Feng siger." Det kan øge datakanalen for sådanne lasere med op til fem gange. "

At kunne multiplexere OAM, SAM og bølgelængde for laserlys er i sig selv hidtil uset, men ikke særlig nyttig uden en detektor, der kan skelne mellem disse stater og læse dem op.

I samklang med Fengs arbejde med den afstembare vortex -mikrolaser, forskningen om OAM -detektoren blev ledet af Agarwal og Zhurun ​​Ji, en kandidatstuderende i sit laboratorium.

"OAM -tilstande registreres i øjeblikket ved hjælp af massemetoder, f.eks. eller ved filtreringsteknikker såsom modal nedbrydning, "Agarwal siger, "men ingen af ​​disse metoder fungerer sandsynligvis på en chip, eller grænseflade problemfrit med elektroniske signaler. "

Agarwal og Ji byggede videre på deres tidligere arbejde med Weyl -halvmetaller, en klasse kvantematerialer, der har bulkkvantetilstande, hvis elektriske egenskaber kan styres ved hjælp af lys. Deres eksperimenter viste, at de kunne styre elektronernes retning i disse materialer ved at skinne lys med forskellige SAM på den.

Sammen med deres samarbejdspartnere, Agarwal og Ji trak på dette fænomen ved at designe en fotodetektor, der på samme måde reagerer på forskellige OAM -tilstande. I deres nye detektor, fotostrømmen genereret af lys med forskellige OAM -tilstande producerede unikke aktuelle mønstre, hvilket gjorde det muligt for forskerne at bestemme lysets OAM, der rammer deres enhed.

"Disse resultater demonstrerer ikke kun et nyt kvantefænomen i lys-stof-interaktionen, "Agarwal siger, "men muliggjorde for første gang direkte udlæsning af lysets faseinformation ved hjælp af en fotodetektor på chip. Disse undersøgelser har et stort løfte om at designe meget kompakte systemer til fremtidige optiske kommunikationssystemer."

Næste, Agarwal og Feng planlægger at samarbejde om sådanne systemer. Ved at kombinere deres unikke ekspertise til at fremstille on-chip vortex-mikrolasere og detektorer, der unikt kan registrere lysets OAM, de vil designe integrerede systemer til at demonstrere nye koncepter inden for optisk kommunikation med forbedrede datatransmissionskapaciteter for klassisk lys og ved at øge følsomheden for enkeltfotoner, til kvanteapplikationer. Denne demonstration af en ny dimension til lagring af information baseret på OAM -tilstande kan hjælpe med at skabe rigere superpositionskvantetilstande for at øge informationskapaciteten med et par størrelsesordener.