第一个基于芯片的可调谐“涡旋微激光”和检测器

　　随着计算机变得越来越强大和连接，我们发送和接收的数据量与用于传输数据的技术一直处于竞争状态。现在证明电子的速度不够快，并且随着对光纤互联网电缆和数据中心的需求的增长，光子已取代了电子。

　　尽管光比电快得多，但是在现代光学系统中，通过将数据分层到光波的多个方面（例如波幅，波长和偏振），可以传输更多信息。诸如此类的日益复杂的“多路复用”技术是保持对数据需求增长的领先优势的唯一方法，但这些技术也正接近瓶颈。我们简直没有足够的空间来存储传统光属性中的更多数据。

　　为了突破这一障碍，工程师们正在探索某些难以控制的光源特性。现在，宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院的两项研究表明，该系统可以操纵和检测一种称为光的轨道角动量或OAM的特性。至关重要的是，它们是第一种在小型半导体芯片上做到这一点的方法，其精度足以将其用作传输信息的介质。

　　这对配对的研究是与杜克大学，东北大学，米兰理工大学，湖南大学和美国国家标准与技术研究院的研究人员合作完成的，这些研究发表在《科学》杂志上。

　　由材料科学与工程系和电气与系统工程系的助理教授梁峰领导的一项研究表明，可以动态地将其调谐到多种不同的OAM模式的微型激光器。另一个由材料科学与工程系教授Ritesh Agarwal领导，展示了如何通过基于芯片的检测器来测量激光器的OAM模式。两项研究都涉及宾夕法尼亚州的Agarwal和Feng小组之间的合作。

　　此类“涡旋”激光器以光围绕行进轴的螺旋线的方式命名，是冯在2016年首次用量子对称驱动的设计演示的。然而，迄今为止，冯和其他领域的研究人员仅限于传输单一的预设OAM模式，使它们对于编码更多信息不切实际。在接收端，现有的检测器依赖于使用笨重组件的复杂滤波技术，从而阻止了它们直接集成到芯片上，因此与大多数实际的光通信方法不兼容。

　　新的可调谐涡旋微收发器和接收器一起代表了系统的两个最关键的组件，这些组件可以实现增加光通信信息密度的方式，从而有可能消除迫在眉睫的带宽瓶颈。

　　动态调整OAM值的能力还将使光子更新为经典的加密技术：跳频。通过以仅对发送方和接收方已知的预定顺序在OAM模式之间快速切换，可以使光通信无法进行拦截。

　　“我们的发现标志着朝着启动大容量光通信网络迈出了一大步，并且正面临即将到来的信息紧缩，”冯说。

　　在光通信的最基本形式中，传输二进制消息就像通过打开还是关闭光表示1和0一样简单。这实际上是对光振幅的度量，即波的峰值有多高，我们将其称为亮度。随着激光和检测器变得越来越精确，它们可以一致地发射并区分不同幅度的幅度，从而允许在同一信号中包含更多位信息。

　　甚至更复杂的激光器和检测器也可以改变光的其他属性，例如其波长（对应于颜色）和偏振（即波的振荡相对于其传播方向的方向）。这些属性中的许多属性可以彼此独立设置，从而允许日益密集的多路复用。

　　轨道角动量是光的另一种特性，尽管鉴于用计算机芯片大小的激光器生成光所需的纳米级特征的复杂性，它很难操纵。圆偏振光携带一个围绕行进轴旋转的电场，这意味着其光子具有称为自旋角动量或SAM的质量。在高度受控的自旋轨道相互作用下，SAM可以被锁定或转换为另一特性，轨道角动量或OAM。

　　基于这个概念的动态可调OAM激光器的研究是由Feng和研究生Zhang Zhifeng领导的。

涡旋激光器以光围绕其行进轴螺旋运动的方式而得名，这要归功于它的轨道角动量（OAM）特性。不同的OAM模式对应于那些螺旋的方向和间距，并且在给定足够灵敏的激光和检测器的情况下，它可能是可以传输信息的另一特性。（图源：宾夕法尼亚大学）

　　在这项新的研究中，Feng，Zhang及其同事开始使用“微环”激光器，该激光器由仅几微米宽的半导体环组成，只要提供电源，光就可以无限循环。当其他光从环两侧的控制臂“泵入”到环中时，设计精巧的环将发射圆偏振激光。至关重要的是，两个控制臂之间的不对称性允许最终激光器的SAM与OAM在特定方向上耦合。

　　这意味着，不仅像圆偏振光那样绕光束的轴旋转，这种激光的波前还绕着该轴旋转并以螺旋形传播。激光器的OAM“模式”对应于其手征性，这些螺旋扭曲的方向以及其扭曲的紧密程度。

　　“我们展示了一种能够发射五种不同OAM模式的微环激光器，” Feng说。“这可能会使此类激光器的数据通道增加多达五倍。”

　　能够复用OAM，SAM和激光波长本身是史无前例的，但是如果没有能够区分这些状态并读出它们的检测器，它就不会特别有用。

　　与冯在可调谐涡旋微激光器上的研究相配合，OAM检测器的研究由Agarwal和他实验室的研究生Jizhurun Ji领导。

　　Agarwal说：“ OAM模式目前是通过诸如模式分类器之类的大量方法，或诸如模态分解之类的滤波技术来检测的，但是这些方法都不可能在芯片上运行，或者与电子信号无缝对接。”

　　阿加瓦尔（Agarwal）和吉（Ji）在以前的研究中使用了韦尔半金属，这是一类具有体量子态的量子材料，其电特性可以通过光来控制。他们的实验表明，通过用不同的SAM照射光，可以控制这些材料中电子的方向。

　　Agarwal和Ji与他们的合作者一起，通过设计对不同OAM模式具有相似响应的光电检测器来利用这种现象。在他们的新探测器中，具有不同OAM模式的光所产生的光电流产生了独特的电流模式，这使研究人员能够确定撞击在其设备上的光的OAM。

　　“这些结果不仅证明了光-物质相互作用中的一种新颖的量子现象，” Agarwal说，“而且这首次使芯片上的光电探测器能够直接读出光的相位信息。为未来的光通信系统设计高度紧凑的系统的承诺。”

　　接下来，Agarwal和Feng计划在此类系统上进行协作。通过结合他们独特的专业知识来制造可以独特地检测光的OAM的片上涡旋微激光和检测器，他们将设计集成系统，以展示光通信中的新概念，并增强传统光的数据传输能力，并增加对单光子的灵敏度，用于量子应用。这种基于OAM模式存储信息的新维度的演示可以帮助创建更丰富的叠加量子态，从而将信息容量提高几个数量级。

　　这两项紧密的研究得到了美国国家科学基金会，美国陆军研究办公室和海军研究办公室的部分支持。与东北大学副教授Josep M. Jornet和意大利米兰理工大学教授Stefano Longhi以及杜克大学教授Natalia M. Litchinitser合作，对涡旋微激光进行了研究。佩恩的乔星渡，比卡什卡利?米迪亚，刘凯文，吴天伟，刘文静和杜克大学的孙静波也为这项工作做出了贡献。与美国国家标准技术研究院（NIST）的Albert Davydov和湖南大学的Pan Anlian共同进行了光电探测器的研究。宾夕法尼亚大学的刘文静，范晓鹏，张志峰和NIST的谢尔盖?克里尤克也为这项工作做出了贡献。