Naarmate computers krachtiger en meer verbonden worden, de hoeveelheid gegevens die we verzenden en ontvangen is in een constante race met de technologieën die we gebruiken om ze te verzenden. Elektronen blijken nu onvoldoende snel en worden vervangen door fotonen als de vraag naar glasvezel internet bekabeling en datacenters groeien.

Hoewel licht veel sneller is dan elektriciteit, in moderne optische systemen, meer informatie wordt verzonden door gegevens in meerdere aspecten van een lichtgolf te stapelen, zoals de amplitude, golflengte en polarisatie. Steeds geavanceerdere "multiplexing"-technieken zoals deze zijn de enige manier om de toenemende vraag naar gegevens voor te blijven, maar ook die naderen een knelpunt. We hebben gewoon bijna geen ruimte meer om meer gegevens op te slaan in de conventionele eigenschappen van licht.

Om deze barrière te doorbreken, ingenieurs onderzoeken enkele van de moeilijker te controleren eigenschappen van licht. Nutsvoorzieningen, twee studies van de School of Engineering and Applied Science van de University of Pennsylvania hebben een systeem aangetoond dat een eigenschap kan manipuleren en detecteren die bekend staat als het baanimpulsmoment, of OAM, van licht. Kritisch, zij zijn de eersten die dit doen op kleine halfgeleiderchips en met voldoende precisie om als medium voor het verzenden van informatie te kunnen worden gebruikt.

Het gematchte paar studies, gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap , werd gedaan in samenwerking met onderzoekers van Duke University, Northeastern University, de Polytechnische Universiteit van Milaan, Hunan University en het Amerikaanse National Institute of Standards and Technology.

een studie, geleid door Liang Feng, universitair docent bij de afdelingen Materials Science and Engineering en Electrical and Systems Engineering, demonstreert een microlaser die dynamisch kan worden afgestemd op meerdere verschillende OAM-modi. De andere, geleid door Ritesh Agarwal, hoogleraar bij de afdeling Materials Science and Engineering, laat zien hoe de OAM-modus van een laser kan worden gemeten door een op chips gebaseerde detector. Beide onderzoeken omvatten samenwerkingen tussen de Agarwal- en Feng-groepen bij Penn.

Dergelijke "vortex" lasers, genoemd naar de manier waarop hun licht rond hun reisas spiraliseert, werden voor het eerst gedemonstreerd door Feng met kwantumsymmetrie-gedreven ontwerpen in 2016. Feng en andere onderzoekers in het veld hebben zich tot nu toe beperkt tot het verzenden van een enkele, vooraf ingestelde OAM-modus, waardoor ze onpraktisch zijn voor het coderen van meer informatie. Aan de ontvangende kant, bestaande detectoren vertrouwden op complexe filtertechnieken met omvangrijke componenten waardoor ze niet rechtstreeks op een chip konden worden geïntegreerd, en zijn dus onverenigbaar met de meeste praktische benaderingen voor optische communicatie.

Samen, deze nieuwe afstembare vortex micro-transceiver en ontvanger vertegenwoordigt de twee meest kritische componenten van een systeem dat een manier kan bieden om de informatiedichtheid van optische communicatie te vermenigvuldigen, potentieel verbrijzelen dat dreigende bandbreedte knelpunt.

De mogelijkheid om OAM-waarden dynamisch af te stemmen, zou ook een fotonische update mogelijk maken van een klassieke versleutelingstechniek:frequency hopping. Door snel te schakelen tussen OAM-modi in een vooraf gedefinieerde volgorde die alleen bekend is bij de zender en ontvanger, optische communicatie onmogelijk kan worden onderschept.

"Onze bevindingen markeren een grote stap in de richting van de lancering van optische communicatienetwerken met grote capaciteit en het hoofd bieden aan de komende informatiecrisis, ' zegt Feng.

In de meest basale vorm van optische communicatie, het verzenden van een binair bericht is net zo eenvoudig als het weergeven van enen en nullen door of het licht aan of uit is. Dit is in feite een maat voor de amplitude van het licht - hoe hoog de piek van de golf is - die we als helderheid ervaren. Naarmate lasers en detectoren nauwkeuriger worden, ze kunnen consistent verschillende niveaus van amplitude uitzenden en onderscheiden, waardoor meer stukjes informatie in hetzelfde signaal kunnen worden opgenomen.

Nog geavanceerdere lasers en detectoren kunnen andere eigenschappen van licht veranderen, zoals de golflengte, die overeenkomt met de kleur, en zijn polarisatie, dat is de oriëntatie van de oscillaties van de golf ten opzichte van de reisrichting. Veel van deze eigenschappen kunnen onafhankelijk van elkaar worden ingesteld, waardoor steeds dichtere multiplexing mogelijk is.

Orbitaal impulsmoment is nog een andere eigenschap van licht, hoewel het aanzienlijk moeilijker te manipuleren is, gezien de complexiteit van de nanoschaalkenmerken die nodig zijn om het te genereren met lasers ter grootte van een computerchip. Circulair gepolariseerd licht draagt ​​een elektrisch veld dat rond zijn bewegingsas draait, wat betekent dat de fotonen een kwaliteit hebben die bekend staat als spin-impulsmoment, of SAM. Onder sterk gecontroleerde spin-baan interacties, SAM kan worden vergrendeld of omgezet in een andere eigenschap, orbitaal impulsmoment, of OAM.

Het onderzoek naar een dynamisch afstembare OAM-laser op basis van dit concept werd geleid door Feng en afgestudeerde student Zhifeng Zhang.

In deze nieuwe studie Feng, Zhang en hun collega's begonnen met een "microring"-laser, die bestaat uit een ring van halfgeleiders, slechts een paar micron breed, waardoor licht onbeperkt kan circuleren zolang er stroom wordt geleverd. Wanneer extra licht in de ring wordt "gepompt" vanaf de bedieningsarmen aan weerszijden van de ring, de delicaat ontworpen ring straalt circulair gepolariseerd laserlicht uit. Kritisch, asymmetrie tussen de twee stuurarmen zorgt ervoor dat de SAM van de resulterende laser in een bepaalde richting kan worden gekoppeld aan OAM.

Dit betekent dat in plaats van alleen maar rond de as van de straal te draaien, zoals circulair gepolariseerd licht doet, het golffront van zo'n laser draait om die as en beweegt dus in een spiraalvormig patroon. De OAM-modus van een laser komt overeen met zijn chiraliteit, de richting waarin die helices draaien, en hoe dicht bij elkaar zijn wendingen zijn.

"We hebben een microringlaser gedemonstreerd die vijf verschillende OAM-modi kan uitzenden, "zegt Feng. "Dat kan het datakanaal van dergelijke lasers tot vijf keer vergroten."

De OAM kunnen multiplexen, SAM en golflengte van laserlicht is zelf ongekend, maar niet bijzonder nuttig zonder een detector die onderscheid kan maken tussen die toestanden en ze kan uitlezen.

In samenwerking met Feng's werk aan de afstembare vortex-microlaser, het onderzoek naar de OAM-detector werd geleid door Agarwal en Zhurun ​​Ji, een afgestudeerde student in zijn lab.

"OAM-modi worden momenteel gedetecteerd via bulkbenaderingen zoals modussorteerders, of door filtertechnieken zoals modale decompositie, "Agarwal zegt, "maar geen van deze methoden zal waarschijnlijk werken op een chip, of naadloos aansluiten op elektronische signalen."

Agarwal en Ji bouwden voort op hun eerdere werk met Weyl-halfmetalen, een klasse van kwantummaterialen met bulkkwantumtoestanden waarvan de elektrische eigenschappen kunnen worden gecontroleerd met behulp van licht. Hun experimenten toonden aan dat ze de richting van elektronen in die materialen konden regelen door er licht met verschillende SAM op te schijnen.

Samen met hun medewerkers, Agarwal en Ji maakten gebruik van dit fenomeen door een fotodetector te ontwerpen die op dezelfde manier reageert op verschillende OAM-modi. In hun nieuwe detector, de fotostroom gegenereerd door licht met verschillende OAM-modi produceerde unieke stroompatronen, waarmee de onderzoekers de OAM konden bepalen van licht dat op hun apparaat valt.

"Deze resultaten demonstreren niet alleen een nieuw kwantumfenomeen in de interactie tussen licht en materie, "Agarwal zegt, "maar voor het eerst is het mogelijk om de fase-informatie van licht direct uit te lezen met behulp van een on-chip fotodetector. Deze onderzoeken zijn veelbelovend voor het ontwerpen van zeer compacte systemen voor toekomstige optische communicatiesystemen."

Volgende, Agarwal en Feng zijn van plan samen te werken aan dergelijke systemen. Door hun unieke expertise te combineren om on-chip vortex-microlasers en detectoren te fabriceren die de OAM van licht op unieke wijze kunnen detecteren, ze zullen geïntegreerde systemen ontwerpen om nieuwe concepten in optische communicatie te demonstreren met verbeterde datatransmissiemogelijkheden voor klassiek licht en bij het vergroten van de gevoeligheid voor afzonderlijke fotonen, voor kwantumtoepassingen. Deze demonstratie van een nieuwe dimensie voor het opslaan van informatie op basis van OAM-modi kan helpen bij het creëren van rijkere superpositiekwantumtoestanden om de informatiecapaciteit met enkele ordes van grootte te vergroten.