美國賓夕法尼亞大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院最近的兩項(xiàng)研究展示了一個(gè)新系統(tǒng),可以操縱和檢測(cè)被稱為光軌道角動(dòng)量(OAM)的光特殊屬性,首次基于小型半導(dǎo)體芯片實(shí)現(xiàn),精度足夠高可以作為傳輸信息的媒介。一項(xiàng)研究由材料科學(xué)與工程系和電氣與系統(tǒng)工程系助理教授Liang Feng領(lǐng)導(dǎo),展示了一種可動(dòng)態(tài)調(diào)整為多種不同OAM模式的微激光器。另一項(xiàng)研究由材料科學(xué)與工程系教授Ritesh Agarwal領(lǐng)導(dǎo),展示了如何通過基于芯片的探測(cè)器測(cè)量激光器的OAM模式。兩項(xiàng)研究成果均發(fā)表在《科學(xué)》雜志。研究團(tuán)隊(duì)包括杜克大學(xué)、東北大學(xué)、米蘭理工大學(xué)、湖南大學(xué)和美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所。
隨著計(jì)算機(jī)的功能越來越強(qiáng)大,連接越來越多,發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)量與用來傳輸數(shù)據(jù)的技術(shù)也在不斷競(jìng)爭(zhēng)?,F(xiàn)已證明電子的速度已不滿足要求,隨著對(duì)光纖網(wǎng)絡(luò)布線和數(shù)據(jù)中心需求的不斷增長,電子正在被光子所取代。在現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)中,通過將數(shù)據(jù)分層到光波的不同方面,如光波的振幅、波長和偏振等,可以傳輸更多信息。像這樣越來越復(fù)雜的“多路復(fù)用”技術(shù)是應(yīng)對(duì)日益增長的數(shù)據(jù)需求的唯一方法,但這些技術(shù)也正在接近瓶頸。我們?cè)诠獾膫鹘y(tǒng)屬性中存儲(chǔ)更多數(shù)據(jù)的空間幾乎用完。為此,光一些難以控制的特性成為研究重點(diǎn)。
在最基本的光通信形式中,傳輸二進(jìn)制信息就像用光通過實(shí)現(xiàn)開或關(guān)來表示1或0一樣簡單。這實(shí)際上是對(duì)光波峰值的衡量-體現(xiàn)為亮度。隨著激光器和探測(cè)器變得更加精確,可以持續(xù)地發(fā)射和區(qū)分不同級(jí)別的振幅,使同一信號(hào)中包含更多的比特信息。
更復(fù)雜的激光器和探測(cè)器甚至可以改變光的其他屬性,如波長(相當(dāng)于顏色)和偏振(即波的振蕩方向相對(duì)于波的運(yùn)動(dòng)方向)。這些屬性中的許多都可以獨(dú)立設(shè)置,從而實(shí)現(xiàn)越來越密集的復(fù)用。
軌道角動(dòng)量是光的另一個(gè)屬性,考慮到從計(jì)算機(jī)芯片大小的激光器中產(chǎn)生軌道角動(dòng)量所需的納米級(jí)特征的復(fù)雜性,它相當(dāng)難以操作。圓極化光攜帶著一個(gè)繞著運(yùn)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)的電場(chǎng),意味著其光子具有一種稱為自旋角動(dòng)量的質(zhì)量,即SAM。在高度控制的自旋-軌道相互作用下,SAM可以被鎖定或轉(zhuǎn)化為另一種屬性,即軌道角動(dòng)量(OAM)。
不同于自旋角動(dòng)量(SAM)只有兩個(gè)狀態(tài),渦旋光的軌道角動(dòng)量理論上具有無限的狀態(tài)范圍。特別是其可以作為載波進(jìn)行多路復(fù)用。因此在光通信、數(shù)據(jù)中心鏈路等有著廣泛的應(yīng)用前景。
“渦旋”激光器因其光圍繞行進(jìn)軸旋轉(zhuǎn)的方式而得名。然而,現(xiàn)有的可集成渦旋激光器缺乏可調(diào)控性。Feng在2016年首次展示了量子對(duì)稱驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)。然而,到目前為止,F(xiàn)eng和該領(lǐng)域的其他研究人員還僅限于傳輸單一、預(yù)設(shè)的OAM模式,這使得它們無法用于編碼更多信息。在接收端,現(xiàn)有的探測(cè)器依靠復(fù)雜的濾波技術(shù),需要使用笨重的組件,使其無法直接集成到芯片上,與大多數(shù)實(shí)用的光通信方法不兼容。渦旋光尚未在實(shí)際集成光學(xué)器件(如多路復(fù)用器、光開關(guān)、光調(diào)制器等)中得到廣泛應(yīng)用。
在這項(xiàng)新的研究中,F(xiàn)eng領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)從“微腔”激光器入手,該激光器由一個(gè)只有幾微米寬的半導(dǎo)體環(huán)組成,只要有電源供應(yīng),光就可以通過它無限循環(huán)。當(dāng)額外的光從環(huán)兩側(cè)的控制臂“泵入”到環(huán)上時(shí),這個(gè)設(shè)計(jì)精巧的環(huán)會(huì)發(fā)出環(huán)狀偏振激光。最關(guān)鍵的是,兩個(gè)控制臂之間的不對(duì)稱性使得所產(chǎn)生的激光器的SAM與OAM在特定的方向上耦合。這就意味著,激光器的波面不是像圓偏振光那樣僅僅圍繞著光束的軸線旋轉(zhuǎn),而是以螺旋形的方式移動(dòng)。一個(gè)激光的OMA模式對(duì)應(yīng)于它的奇異性,這些螺旋形的扭曲方向及其扭曲的距離有多近。Feng說:“我們展示了一種能夠發(fā)射五種不同OAM模式的微環(huán)激光器。這可能會(huì)使這種激光器的數(shù)據(jù)通道增加多達(dá)5倍?!?
圖1:可調(diào)控渦旋激光器示意圖
在光源方面,不同于固定荷值的渦旋激光器,研究人員通過設(shè)計(jì)和控制非厄米(non-Hermitian)對(duì)稱性的方式動(dòng)態(tài)調(diào)控結(jié)構(gòu)材料的損耗和增益來達(dá)成對(duì)渦旋光荷值的控制(圖一)。具體來說,通過設(shè)計(jì)微腔和波導(dǎo)間的可控非厄米耦合使得微腔中兩個(gè)自旋-軌道鎖定的渦旋態(tài)能進(jìn)行單向耦合,從而選取激發(fā)一個(gè)特定的渦旋態(tài)。基于總角動(dòng)量守恒的原理,將自旋角動(dòng)量轉(zhuǎn)換為軌道角動(dòng)量從而進(jìn)一步增加了荷值的可調(diào)控范圍。
圖2:可調(diào)控渦旋激光器實(shí)現(xiàn)了在相同波長下五個(gè)不同渦旋光的動(dòng)態(tài)調(diào)制
研究人員表示,使用InGaAsP量子阱半導(dǎo)體材料制造微腔和波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。該材料在沒有光學(xué)泵浦的情況下呈現(xiàn)高損耗狀態(tài),而在光學(xué)泵浦下呈現(xiàn)增益狀態(tài),滿足非厄米控制所需的特性。因此通過改變光泵浦在非厄米波導(dǎo)上的位置就可以達(dá)到改變單向耦合方向的目的,從而選取激發(fā)特定手性的渦旋光。隨后,通過控制自旋角動(dòng)量和軌道角動(dòng)量的轉(zhuǎn)換,實(shí)現(xiàn)了五個(gè)不同渦旋光模式之間的動(dòng)態(tài)調(diào)制(圖2)。更進(jìn)一步,通過構(gòu)建非厄米誘導(dǎo)的純虛部調(diào)制的規(guī)范場(chǎng),實(shí)現(xiàn)了可調(diào)控渦旋激光陣列,展示了高度集成的渦旋光芯片的前景。
能夠?qū)す獾腛AM、SAM和波長進(jìn)行復(fù)用,這本身是前所未有的,也需要一個(gè)能夠區(qū)分這些狀態(tài)并讀出這些狀態(tài)的探測(cè)器。Agarwal說:“OAM模式目前可以通過模式分選器等批量方法,或者通過模態(tài)分解等濾波技術(shù)來探測(cè),但這些方法都不可能在芯片上工作,也不可能與電子信號(hào)無縫對(duì)接?!?
Agarwal和Ji基于他們之前對(duì)Weyl semimetals的研究,這是一類量子材料,具有體量子態(tài),其電學(xué)特性可以用光來控制。他們的實(shí)驗(yàn)表明,通過將不同的SAM光照射到這些材料上,可以控制這些材料中電子的方向。Agarwal和Ji借鑒了這一現(xiàn)象,設(shè)計(jì)了一種對(duì)不同的OAM模式有類似反應(yīng)的光探測(cè)器。
研究人員利用外爾半金屬作為載體,發(fā)現(xiàn)光相位的空間變化可以引發(fā)受激發(fā)電子布居數(shù)的空間分布,進(jìn)而產(chǎn)生以光心為原點(diǎn)‘渦旋’的光電流(圖3)。區(qū)別于其他光致電流效應(yīng),這種非線性光學(xué)過程不存在于平面波中,且其產(chǎn)生的非局域電流大小和流向直接對(duì)應(yīng)于渦旋光的階數(shù),或波前的相位分布。Ji將這一效應(yīng)命名為“軌道光致電流效應(yīng)”(orbital photogalvaniceffect)。其中,非局域渦旋光電流的發(fā)現(xiàn)得益于電極的特殊設(shè)計(jì)--這種光電流總空間積分為零,必須通過巧妙的電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來破缺體系的對(duì)稱性,進(jìn)行局部的電流測(cè)量。此外研究人員還進(jìn)一步測(cè)量了高階龐加萊球上矢量渦旋光產(chǎn)生的電流,結(jié)果表明廣義的渦旋光的軌道和自旋角動(dòng)量可以同時(shí)被精確確定(圖4)。作者們指出,若能將這種方法加以推廣,有望通過單一電極陣列完成混合渦旋光的芯片上檢測(cè)和信號(hào)分離。
圖3:渦旋光致電流的測(cè)量機(jī)制示意圖
圖4:高階龐加萊球上廣義渦旋光產(chǎn)生的OPGE電流
在新探測(cè)器中,具有不同OAM模式的光產(chǎn)生的光電流產(chǎn)生了獨(dú)特的電流模式,使得研究人員能夠確定沖擊到他們?cè)O(shè)備上光的OAM。Agarwal說:“這些結(jié)果不僅證明了光與物質(zhì)相互作用中的一種新的量子現(xiàn)象。而且首次實(shí)現(xiàn)了使用片上光探測(cè)器直接讀出光的相位信息。這些研究為設(shè)計(jì)未來光通信系統(tǒng)的高度集緊湊系統(tǒng)提供了巨大的前景。”
此次研究出的新型的可調(diào)諧渦旋微發(fā)射器和接收機(jī)共同代表了系統(tǒng)中最關(guān)鍵的兩個(gè)部件,可以實(shí)現(xiàn)光通信信息密度的倍增,有可能打破帶寬瓶頸。Feng表示:我們的研究結(jié)果將大大推進(jìn)渦旋光作為信息載體的集成化和實(shí)用化進(jìn)程,標(biāo)志著我們向啟動(dòng)大容量光通信網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)對(duì)即將到來的信息爆炸邁出了一大步。
動(dòng)態(tài)調(diào)整OAM值的能力也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)跳頻這一經(jīng)典加密技術(shù)的光子更新。通過在只有發(fā)送方和接收方知道的預(yù)設(shè)序列中快速切換OAM模式,光通信可以讓人無法攔截。
接下來,Agarwal和Feng計(jì)劃在這類系統(tǒng)上進(jìn)行合作。通過結(jié)合他們獨(dú)特的專業(yè)知識(shí),制造出能夠獨(dú)特檢測(cè)光OAM的片上渦旋微激光器和探測(cè)器,他們將設(shè)計(jì)出集成系統(tǒng),展示光通信領(lǐng)域的新概念,增強(qiáng)經(jīng)典光的數(shù)據(jù)傳輸能力,并在提高對(duì)單光子的靈敏度后,用于量子應(yīng)用。這種基于OAM模式的信息存儲(chǔ)新維度的演示,可以幫助創(chuàng)造更豐富的疊加量子態(tài),將信息容量提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。
https://www.semiconductor-digest.com/2020/05/20/penn-engineers-develop-first-tunable-chip-based-vortex-microlaser-and-detector/