宾夕法尼亚大学 涡旋激光器因光围绕其传播轴盘旋的方式而得名，这要归功于一种被称为轨道角动量的特性
不同的声光调制器模式对应于这些螺旋的方向和间距，如果有足够灵敏的激光器和检测器，这可能是另一种可以传输信息的特性
学分:宾夕法尼亚大学 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处于不断的竞争之中
随着对光纤互联网电缆和数据中心需求的增长，电子现在被证明不够快，并被光子取代
虽然光比电快得多，但在现代光学系统中，更多的信息是通过将数据分层到光波的多个方面来传输的，例如光波的振幅、波长和偏振
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
我们只是在光的传统属性中没有空间来存储更多的数据
为了突破这个障碍，工程师们正在探索光的一些难以控制的特性
现在，宾夕法尼亚大学工程和应用科学学院的两项研究表明，一个系统可以操纵和检测一种叫做光的轨道角动量的微小属性
至关重要的是，他们是第一个在小型半导体芯片上这样做的人，而且精度足够高，可以用作传输信息的媒介
发表在《科学》杂志上的配对研究是与杜克大学、东北大学、米兰理工大学、湖南大学和美国大学的研究人员合作完成的
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国家标准与技术研究所
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展示了一种可动态调谐到多种不同光声模式的微激光器
另一个由材料科学与工程系教授里提什·阿加瓦尔领导，展示了如何通过基于芯片的检测器来测量激光的声光调制模式
这两项研究都涉及到宾夕法尼亚大学的阿加瓦尔和冯团队之间的合作
这种“涡旋”激光器，因其光围绕其传播轴的螺旋方式而得名，于2016年由冯首次用量子对称驱动设计进行了演示
然而，冯和该领域的其他研究人员迄今仅限于传输单一的、预设的OAM模式，这使得他们无法对更多的信息进行编码
在接收端，现有的检测器依赖于复杂的滤波技术，使用体积庞大的组件，这使得它们不能直接集成到芯片上，因此与大多数实际的光通信方法不兼容
这种新的可调谐涡流微收发器和接收器共同代表了系统的两个最关键的组成部分，这两个组成部分可以使光通信的信息密度成倍增加，有可能打破这一迫在眉睫的带宽瓶颈
动态调整OAM值的能力也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快速切换OAM模式，可以使光通信不可能被拦截
来自微环激光器两侧控制臂的光泵浦的不对称性允许将产生的光的OAM调谐到不同的模式
一种新的轨道光电流效应负责探测光的振幅
学分:宾夕法尼亚大学 冯说:“我们的发现标志着在推出大容量光通信网络和应对即将到来的信息危机方面迈出了一大步。”
在最基本的光通信形式中，传输二进制信息就像通过灯是亮还是灭来表示1和0一样简单
这实际上是对光的振幅——波的峰值有多高——的一种度量，我们将其视为亮度
随着激光和探测器变得越来越精确，它们可以一致地发射和区分不同级别的振幅，从而允许同一信号中包含更多的信息
甚至更复杂的激光和探测器也能改变光的其他特性，比如它的波长(对应于颜色)和偏振(波的振动方向相对于传播方向的方向)
这些属性中的许多可以彼此独立地设置，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，尽管要操纵它要困难得多，因为计算机芯片大小的激光需要复杂的纳米级特征来产生它
圆偏振光携带一个围绕其传播轴旋转的电场，这意味着它的光子具有被称为自旋角动量的质量
在高度受控的自旋轨道相互作用下，SAM可以被锁定或转换成另一种性质，轨道角动量，或称OAM
基于这一概念的动态可调谐声光调制器激光器的研究是由冯和研究生共同主持的
在这项新的研究中，冯、张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，只要有电源，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”环中时，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允许最终激光器的SAM在特定方向上与OAM耦合
这意味着，这种激光器的波前不像圆偏振光那样仅仅围绕光束的轴旋转，而是围绕该轴旋转，从而以螺旋模式行进
激光的“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
冯说:“我们展示了一种能够发射五种不同光声模式的微环激光器。”
“这可能会使这种激光器的数据通道增加五倍
" 这是Ritesh Agarwal(左)和Liang Feng(右)信用:斯科特·斯皮策，宾夕法尼亚大学 能够对光的偏振态、偏振态和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，这种复用就不是特别有用
结合冯在可调涡旋微激光器方面的工作，OAM探测器的研究由他所在实验室的研究生Agarwal和Zhurun Ji领导
Agarwal说:“目前通过模式分类器等批量方法，或者通过模式分解等过滤技术来检测OAM模式，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接口。”
" 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，其电学性质可以用光来控制
他们的实验表明，他们可以通过在这些材料上照射不同SAM的光来控制电子的方向
Agarwal和Ji与他们的合作者利用这一现象，设计了一种对不同的OAM模式有类似响应的光电探测器
在他们的新检测器中，由具有不同光振幅模式的光产生的光电流产生了独特的电流模式，这使得研究人员能够确定照射到他们设备上的光的光振幅
“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，”阿格沃尔说，“而且首次能够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很大的希望
" 接下来，阿加瓦尔和冯计划合作开发这样的系统
通过结合他们独特的专业知识来制造能够独特检测光的声光调制器的片上涡流微激光器和检测器，他们将设计集成系统来展示光学通信的新概念，增强经典光的数据传输能力，并提高量子应用对单光子的灵敏度
这种基于开放存取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
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