Pe măsură ce computerele devin mai puternice și conectate, cantitatea de date pe care o trimitem și o primim este într-o cursă constantă cu tehnologiile pe care le folosim pentru a le transmite. Electronii se dovedesc a fi insuficient de rapizi și sunt înlocuiți cu fotoni pe măsură ce crește cererea de cablare a internetului prin fibră optică și centre de date.

detector

Deși lumina este mult mai rapidă decât electricitatea, în sistemele optice moderne, mai multe informații sunt transmise prin stratificarea datelor în mai multe aspecte ale unei unde de lumină, cum ar fi amplitudinea, lungimea de undă și polarizarea acesteia. Tehnici de „multiplexare” din ce în ce mai sofisticate ca acestea sunt singura modalitate de a rămâne înaintea cererii tot mai mari de date, dar și acestea se apropie de un blocaj. Pur și simplu rămânem fără spațiu pentru a stoca mai multe date în proprietățile convenționale ale luminii.

Pentru a trece peste această barieră, inginerii explorează unele dintre proprietățile luminii mai greu de controlat. Acum, două studii de la Școala de Inginerie și Știință Aplicată a Universității din Pennsylvania au arătat un sistem care poate manipula și detecta o astfel de proprietate cunoscută sub numele de impulsul unghiular orbital, sau OAM, al luminii. În mod critic, sunt primii care o fac pe cipuri semiconductoare mici și cu suficientă precizie încât să poată fi folosit ca mediu de transmitere a informațiilor.

Perechea de studii potrivite, publicată în revista Science, a fost realizată în colaborare cu cercetători de la Universitatea Duke, Universitatea Northeastern, Universitatea Politehnică din Milano, Universitatea Hunan și S.U.A. Institutul Național de Standarde și Tehnologie.

Un studiu, condus de Liang Feng, profesor asistent în departamentele de Știința și Ingineria Materialelor și Ingineria Electrică și a Sistemelor, demonstrează un microlaser care poate fi reglat dinamic la mai multe moduri OAM distincte. Celălalt, condus de Ritesh Agarwal, profesor la Departamentul de Știința și Ingineria Materialelor, arată cum modul OAM al unui laser poate fi măsurat printr-un detector bazat pe cipuri. Ambele studii implică colaborări între grupurile Agarwal și Feng de la Penn.

Astfel de lasere „vortex”, denumite pentru modul în care spiralele lor de lumină din jurul axei lor de călătorie, au fost demonstrate pentru prima dată de Feng cu proiecte bazate pe simetrie cuantică în 2016. Cu toate acestea, Feng și alți cercetători din domeniu s-au limitat până acum la transmiterea unui un singur mod OAM prestabilit, ceea ce le face impracticabile pentru codificarea mai multor informații. La capătul de recepție, detectoarele existente s-au bazat pe tehnici complexe de filtrare care utilizează componente voluminoase care le-au împiedicat să fie integrate direct pe un cip și, prin urmare, sunt incompatibile cu majoritatea abordărilor practice de comunicații optice.

Împreună, acest nou micro-transceptor și receptor vortex reglabil reprezintă cele două componente cele mai critice ale unui sistem care poate permite o modalitate de a multiplica densitatea informațiilor de comunicații optice, putând distruge acel blocaj de lățime de bandă care se apropie.

Capacitatea de a regla dinamic valorile OAM ar permite, de asemenea, o actualizare fotonică a unei tehnici clasice de criptare: saltul de frecvență. Prin comutarea rapidă între modurile OAM într-o secvență predefinită cunoscută doar de expeditor și receptor, comunicațiile optice ar putea fi imposibil de interceptat.

„Descoperirile noastre marchează un pas mare spre lansarea rețelelor de comunicații optice de mare capacitate și confruntarea viitoarei crize de informații”, spune Feng.

În cea mai simplă formă de comunicare optică, transmiterea unui mesaj binar este la fel de simplă ca reprezentarea 1s și 0s, indiferent dacă lumina este aprinsă sau oprită. Aceasta este efectiv o măsură a amplitudinii luminii - cât de înalt este vârful undei - pe care o experimentăm ca luminozitate. Pe măsură ce laserele și detectoarele devin mai precise, ele pot emite și distinge în mod constant diferite niveluri de amplitudine, permițând conținerea mai multor biți de informații în același semnal.

Chiar și laserele și detectoarele mai sofisticate pot modifica alte proprietăți ale luminii, cum ar fi lungimea de undă, care corespunde culorii, și polarizarea, care este orientarea oscilațiilor undei în raport cu direcția sa de deplasare. Multe dintre aceste proprietăți pot fi setate independent una de cealaltă, permițând multiplexarea din ce în ce mai densă.

Momentul unghiular orbital este încă o altă proprietate a luminii, deși este considerabil mai greu de manipulat, având în vedere complexitatea caracteristicilor la scară nanometrică necesare pentru a o genera din laserele de dimensiuni ale unui cip de computer. Lumina polarizată circular poartă un câmp electric care se rotește în jurul axei sale de deplasare, ceea ce înseamnă că fotonii săi au o calitate cunoscută sub numele de impuls angular de spin sau SAM. În cadrul interacțiunilor spin-orbită extrem de controlate, SAM poate fi blocat sau convertit într-o altă proprietate, moment unghiular orbital sau OAM.

Cercetarea cu privire la un laser OAM reglabil dinamic bazat pe acest concept a fost condusă de Feng și de studentul absolvent Zhifeng Zhang.

În acest nou studiu, Feng, Zhang și colegii lor au început cu un laser „microring”, care constă dintr-un inel de semiconductor, cu o lățime de doar câțiva microni, prin care lumina poate circula la nesfârșit atâta timp cât este furnizată energie. Când o lumină suplimentară este „pompată” în inel de la brațele de control de pe ambele părți ale inelului, inelul proiectat delicat emite lumină laser polarizată circular. În mod critic, asimetria dintre cele două brațe de control permite ca SAM-ul laserului rezultat să fie cuplat cu OAM într-o anumită direcție.

Aceasta înseamnă că, mai degrabă decât să se rotească în jurul axei fasciculului, așa cum o face lumina polarizată circular, fața de undă a unui astfel de laser orbitează acea axă și, astfel, se deplasează într-un model elicoidal. „Modul” OAM al unui laser corespunde chiralității sale, direcției în care acele helici se răsucesc și cât de apropiate sunt răsucirile sale.

"Am demonstrat un laser microring care este capabil să emită cinci moduri OAM distincte", spune Feng. "Acest lucru poate crește canalul de date al acestor lasere de până la cinci ori."

Posibilitatea de a multiplexa OAM, SAM și lungimea de undă a luminii laser este ea însăși fără precedent, dar nu este deosebit de utilă fără un detector care poate diferenția aceste stări și le poate citi.

În concordanță cu lucrările lui Feng asupra microlaserului vortex reglabil, cercetarea detectorului OAM a fost condusă de Agarwal și Zhurun ​​Ji, un student absolvent în laboratorul său.

„Modurile OAM sunt detectate în prezent prin abordări în bloc, cum ar fi sortările de moduri sau prin tehnici de filtrare, cum ar fi descompunerea modală”, spune Agarwal, „dar niciuna dintre aceste metode nu funcționează probabil pe un cip sau interfață perfect cu semnalele electronice”.

Agarwal și Ji au construit pe baza lucrărilor lor anterioare cu semimetalele Weyl, o clasă de materiale cuantice care au stări cuantice în vrac ale căror proprietăți electrice pot fi controlate cu ajutorul luminii. Experimentele lor au arătat că pot controla direcția electronilor din acele materiale strălucind lumină cu SAM diferit pe el.

Împreună cu colaboratorii lor, Agarwal și Ji au atras acest fenomen prin proiectarea unui fotodetector care să răspundă în mod similar diferitelor moduri OAM. În noul lor detector, fotocurentul generat de lumină cu diferite moduri OAM a produs modele de curent unice, care au permis cercetătorilor să determine OAM de lumină care afectează dispozitivul lor.

„Aceste rezultate nu numai că demonstrează un fenomen cuantic nou în interacțiunea lumină-materie”, spune Agarwal, „dar permit pentru prima dată citirea directă a informațiilor de fază ale luminii folosind un fotodetector pe cip. promisiune pentru proiectarea sistemelor extrem de compacte pentru viitoarele sisteme de comunicații optice. "

Apoi, Agarwal și Feng intenționează să colaboreze la astfel de sisteme. Prin combinarea expertizei lor unice pentru a fabrica microlasere și detectoare vortex on-chip care pot detecta în mod unic OAM-ul luminii, vor proiecta sisteme integrate pentru a demonstra noi concepte în comunicațiile optice cu capacități îmbunătățite de transmisie a datelor pentru lumina clasică și la creșterea sensibilității la fotoni unici, pentru aplicații cuantice. Această demonstrație a unei noi dimensiuni pentru stocarea informațiilor bazate pe modurile OAM poate ajuta la crearea unor stări cuantice de suprapunere mai bogate pentru a crește capacitatea informațională cu câteva ordine de mărime.