工程师们开发了第一个可调的、基于芯片的“涡旋微激光器”和探测器

时间:2020-06-02 22:08 来源:seo 作者:小可爱科技知识网 点击量:

工程师们开发了第一个可调的、基于芯片的“涡旋微激光器”和探测器 随着计算机变得越来越强大和互联,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。随着对光纤网络和数据中心需求的增长,电子的速度被证明不够快,取而代之的是光子。 尽管光比电快得多,但在现代光学系统中,通过将数据分层传输到光波的多个方面(如振幅、波长和偏振),可以传输更多的信息。像这样越来越复杂的“多路复用”技术是保持领先于不断增长的数据需求的唯一方法,但这些技术也正在接近瓶颈。我们用传统的光的特性来储存更多的数据的空间已经不够了。 为了突破这一障碍,工程师们正在探索光的一些更难控制的特性。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,一个系统可以操纵和探测光的轨道角动量,或称OAM。关键的是,他们是第一批在小型半导体芯片上这样做的,而且精确度足够高,可以用作传输信息的媒介。 这两项研究是由杜克大学(Duke University)、东北大学(Northeastern University)、米兰理工大学(Polytechnic University of Milan)、湖南大学(Hunan University)和美国国家标准与技术研究院(U.S. National Institute of Standards and Technology)的研究人员合作完成的,研究结果发表在《科学》(Science)杂志上。 材料科学与工程系、电气与系统工程系助理教授梁峰领导的一项研究展示了一种微激光器,它可以动态调整到多种不同的OAM模式。另一项由材料科学与工程学院的Ritesh Agarwal教授领导,展示了如何用基于芯片的探测器来测量激光的OAM模式。这两项研究都涉及到阿加瓦尔和冯在宾夕法尼亚大学的团队之间的合作。 2016年,冯首次用量子对称驱动的设计展示了这种“涡旋”激光器。然而,冯和该领域的其他研究人员迄今为止仅限于传输单一的预先设置的OAM模式,这使得他们无法对更多信息进行编码。在接收端,现有的探测器依赖于复杂的滤波技术,这些技术使用笨重的组件,使它们无法直接集成到芯片上,因此与大多数实际的光通信方法不兼容。 动态调整OAM值的能力也将使一种经典加密技术的光子更新成为可能:跳频。通过在只有发送方和接收方知道的预先定义的OAM模式之间快速切换,光通信就不可能被截获。 工程师们开发了第一个可调的、基于芯片的“涡旋微激光器”和探测器 冯说:“我们的研究成果标志着我们朝着启动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,传输二进制信息就像通过光的开与关来表示1和0一样简单。这是一种有效的测量光的振幅的方法——波峰的高度——我们体验到的亮度。随着激光和探测器变得更加精确,它们可以持续地发射并区分不同的振幅级别,从而允许在同一个信号中包含更多的信息。 更复杂的激光和探测器可以改变光的其他属性,比如波长,它对应的颜色,和偏振,这是波的振荡的方向相对于它的行进方向。这些属性中的许多属性可以彼此独立设置,从而实现越来越密集的多路复用。 轨道角动量是光的另一个属性,尽管它相当难以操纵,因为从计算机芯片大小的激光器产生它所必需的纳米尺度特征的复杂性。圆偏振光携带着一个围绕其行进轴旋转的电场,这意味着它的光子具有一种被称为自旋角动量(SAM)的性质。在高度受控的自旋轨道相互作用下,SAM可以被锁定或转换成另一种属性,即轨道角动量,或OAM。 冯和研究生张志峰领导了基于这一概念的可动态调谐OAM激光器的研究。 在这项新的研究中,冯、张和他们的同事从“微环”激光器开始,它由一个只有几微米宽的半导体环组成,通过这个环,光可以无限循环,只要有电源供应。当额外的光从环两边的控制臂“泵入”到环中时,精心设计的环就会发出圆偏振激光。关键的是,两个控制臂之间的不对称性允许产生的激光的SAM在特定方向上与OAM耦合。 这意味着,与圆偏振光不同的是,这种激光器的波前不只是围绕光束的轴线旋转,而是围绕光束的轴线旋转,从而以螺旋的方式传播。激光的OAM“模式”与它的手性、螺旋扭曲的方向以及扭曲的紧密程度有关。 “我们演示了一种微环激光器,它可以发射五种不同的OAM模式,”冯说。“这可能会使这类激光器的数据通道增加至多5倍。” 工程师们开发了第一个可调的、基于芯片的“涡旋微激光器”和探测器 能够对OAM、SAM和激光波长进行多路复用本身是前所未有的,但如果没有一个能够区分这些状态并将其读出的检测器,就不是特别有用。 与冯在可调谐涡旋微激光器方面的工作相呼应,阿加瓦尔和他实验室的研究生纪哲伦(Zhurun Ji)领导了对OAM探测器的研究。 Agarwal说:“OAM模式目前是通过诸如模式分类器之类的批量方法或诸如模态分解之类的过滤技术来检测的,但是这些方法都不太可能在芯片上工作,或者与电子信号无缝接口。” Agarwal和Ji是在他们之前的Weyl半金属研究的基础上建立起来的,Weyl半金属是一类具有大量量子态的量子材料,其电学特性可以用光来控制。他们的实验表明,他们可以通过照射不同物质的光来控制这些材料中电子的方向。 Agarwal和Ji与他们的合作者一起,通过设计一种对不同OAM模式做出相似响应的光电探测器,利用了这一现象。在他们的新探测器中,不同OAM模式的光产生的光电流产生了独特的电流模式,这使得研究人员可以确定撞击他们设备的光的OAM。 “这些结果不仅证明了光与物质相互作用中的一种新的量子现象,”阿加瓦尔说,“而且首次使使用芯片上的光电探测器直接读出光的相位信息成为可能。”这些研究为未来的光通信系统设计高度紧凑的系统提供了极大的希望。” 接下来,阿加瓦尔和冯计划在这样的系统上进行合作。通过结合他们独特的专业知识,制造芯片上的涡旋微激光器和能够检测光的OAM的探测器,他们将设计集成系统,以展示光学通信中的新概念,增强经典光的数据传输能力,并提高单光子的灵敏度,用于量子应用。这种基于OAM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,从而将信息容量提高几个数量级。
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