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新型可调谐涡旋微激光器

admin| 2020-9-28 09:44

轨道角动量是光的另一个特性,尽管考虑到从计算机芯片大小的激光器中产生它所必需的纳米级特性的复杂性,操作起来要困难得多。圆偏振光携带一个绕其运动轴旋转的电场,这意味着其光子具有称为自旋角动量(SAM)的性 ...
  

涡旋激光是以光绕其运动轴旋转的方式命名的,这得益于一种称为轨道角动量(OAM)的特性。不同的轨道角动量模式对应于这些螺旋的方向和间距,并且可以给定激光和探测器足够的灵敏度,这种也可用于信息传输。

随着计算机变得越来越强大,连接越来越紧密,我们发送和接收的数据量与我们用来传输数据的技术一直在竞争。随着对光纤互联网布线和数据中心需求的增长,电子现在证明速度不够快,正被光子所取代。

尽管光比电快得多,但在现代光学系统中,更多的信息是通过将数据分层传输到光波的多个方面,如其振幅、波长和偏振度。越来越复杂的“多路复用”技术是领先于不断增长的数据需求的唯一途径,但这些技术也正在接近瓶颈。我们已经没有足够的空间来存储更多的光的传统属性的数据了。

为了突破这一障碍,工程师们正在探索一些光的难以控制的特性。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,该系统能够操纵和探测一种被称为光的轨道角动量(轨道角动量)的性质。关键的是,他们是第一个在小型半导体芯片上这样做的,并且具有足够的精度,可以用作传输信息的介质。

相关的研究已发表在《科学Science》杂志上,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所的研究人员共同合作完成的。

由材料科学与工程系、电子与系统工程系助理教授Liang Feng领导的这项研究表明,微激光器可以动态调谐到多种不同的轨道角动量模式。另一个由材料科学与工程系教授Ritesh Agarwal展示了如何用基于芯片的探测器测量激光的轨道角动量模式。

这种“涡旋”激光器,以其光绕其运行轴的螺旋方式命名,在2016年由Feng用量子对称驱动的设计进行了首次演示。然而,到目前为止,Feng和该领域的其他研究人员仅限于传输一个预先设置好的轨道角动量模式,这使得它们无法对更多信息进行编码。在接收端,现有的探测器依靠复杂的滤波技术,使用体积庞大的元器件,这些元件阻止了探测器直接集成到芯片上,因此与大多数实用的光通信方法不兼容。

总之,这种新型的可调谐涡流微型收发器和接收器代表了系统中两个最关键的组件,它们可以使光通信的信息密度成倍增加,从而可能打破即将出现的带宽瓶颈。

动态调整轨道角动量值的能力还将使光子更新成为一种经典的加密技术:跳频。通过在只有发送方和接收方知道的预定义序列中的轨道角动量模式之间快速切换,可以使光通信不可能被截获。

上图所示微环激光器两侧控制臂的光抽运不对称使得产生的光的轨道角动量可以调谐到不同的模式,且利用一种新的轨道光电流效应负责探测光的轨道角动量。

Feng说:“我们的发现标志着朝着建立大容量光通信网络和应对即将到来的信息危机迈出了一大步。”。

在最基本的光通信形式中,传输二进制信息非常简单,只要通过光是开还是关来表示1和0。这是一个有效的测量光的振幅波峰有多高,即常规的亮度。随着激光和探测器变得更加精确,它们可以始终如一地发射和区分不同级别的振幅,从而允许在同一信号中包含更多的信息位。

更复杂的激光和探测器可以改变光的其他特性,比如波长(与颜色相对应)和偏振(与波的传播方向相对应)等。其中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个特性,尽管考虑到从计算机芯片大小的激光器中产生它所必需的纳米级特性的复杂性,操作起来要困难得多。圆偏振光携带一个绕其运动轴旋转的电场,这意味着其光子具有称为自旋角动量(SAM)的性质。在高度控制的自旋轨道相互作用下,自旋角动量可以被锁定或转换为另一个性质,轨道角动量(轨道角动量)。

基于这一概念的动态可调谐轨道角动量激光器的研究是由Feng和研究生Zhifeng Zhang领导的。

在这项新的研究中,Feng、Zhang和他们的同事从一种“微环”激光器开始,这种激光器由一个只有几微米宽的半导体环组成,只要有电,光就可以通过它无限循环。当额外的光从环两侧的控制臂“泵入”环时,精心设计的环发射圆偏振激光。关键的是,两个控制臂之间的不对称使得产生的激光的自旋角动量在特定方向上与轨道角动量耦合。

这意味着,这种激光的波前不是像圆偏振光那样仅仅围绕光束轴旋转,而是绕着光束轴旋转,从而以螺旋模式传播。激光的轨道角动量“模式”对应于它的手性,螺旋扭曲的方向,以及扭曲的紧密程度。

“我们展示了一种能够发射五种不同轨道角动量模式的微环激光器,”Feng说,“这可能会使这种激光器的数据通道增加5倍。”

能够复用轨道角动量、自旋角动量和激光波长本身是史无前例的,但如果没有能够区分这些状态并读出它们的探测器,就不是特别有用。

结合Feng教授在可调谐涡旋微激光器方面的工作,Agarwal和他实验室的研究生Zhurun Ji对轨道角动量探测器的研究。

“轨道角动量模式目前是通过模式分类机等批量方法检测的,或者通过模式分解等过滤技术检测的,” Agarwal说,“但这些方法都不可能在芯片上工作,也不可能与电子信号无缝连接。”

Agarwal和Ji建立在他们之前对Weyl半金属的研究基础上,Weyl半金属是一类具有体量子态的量子材料,其电性能可以用光来控制。他们的实验表明,他们可以通过在这些材料上照射不同自旋角动量的光来控制电子的方向。

与他们的合作者一起,Agarwal和Ji用这一现象,设计了一种对不同轨道角动量模式有类似响应的光电探测器。在他们的新探测器中,由不同轨道角动量模式的光产生的光电流产生独特的电流模式,这使得研究人员能够确定撞击到他们装置上的光的轨道角动量。

 “这些结果不仅证明了光-物质相互作用中的一种新的量子现象,”Agarwal说,“而且首次使用片上光电探测器直接读出光的相位信息。这些研究为未来光通信系统设计高度紧凑的系统提供了巨大的希望。”

接下来,Agarwal和Feng计划在这些系统上进行合作。通过将他们独特的专业知识结合起来,制造出能独特探测光的轨道角动量的片上涡流微激光器和探测器,他们将设计集成系统,展示光学通信的新概念,增强经典光的数据传输能力,并在提高对单光子的灵敏度的同时,为量子应用。这种基于轨道角动量模式的信息存储新维度的演示可以帮助创建更丰富的叠加量子态,从而将信息容量增加几个数量级。

来源:https://phys.org/news/2020-05-tunable-chip-based-vortex-microlaser-detector.html

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