美國(guó)開(kāi)發(fā)出首款可調(diào)諧基于芯片的"渦旋激光器"和探測(cè)器

  美國(guó)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(chēng)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(guò)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(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所。

  隨著計(jì)算機(jī)的功能越來(lái)越強(qiáng)大，連接越來(lái)越多，發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)量與用來(lái)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(mǎn)足要求，隨著對(duì)光纖網(wǎng)絡(luò)布線(xiàn)和數(shù)據(jù)中心需求的不斷增長(zhǎng)，電子正在被光子所取代。在現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)中，通過(guò)將數(shù)據(jù)分層到光波的不同方面，如光波的振幅、波長(zhǎng)和偏振等，可以傳輸更多信息。像這樣越來(lái)越復(fù)雜的“多路復(fù)用”技術(shù)是應(yīng)對(duì)日益增長(zhǎng)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(guò)實(shí)現(xiàn)開(kāi)或關(guān)來(lái)表示1或0一樣簡(jiǎn)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(zhǎng)(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(lái)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(chēng)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(wú)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(chēng)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(wú)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(wú)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(kāi)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(guò)它無(wú)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(chēng)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(xiàn)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(shuō)：“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(guò)設(shè)計(jì)和控制非厄米(non-Hermitian)對(duì)稱(chēng)性的方式動(dòng)態(tài)調(diào)控結(jié)構(gòu)材料的損耗和增益來(lái)達(dá)成對(duì)渦旋光荷值的控制(圖一)。具體來(lái)說(shuō)，通過(guò)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)?；诳偨莿?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(zhǎng)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(méi)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(mǎn)足非厄米控制所需的特性。因此通過(guò)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(guò)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(guò)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(zhǎng)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(shuō)：“OAM模式目前可以通過(guò)模式分選器等批量方法，或者通過(guò)模態(tài)分解等濾波技術(shù)來(lái)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(wú)縫對(duì)接?！?

  Agarwal和Ji基于他們之前對(duì)Weyl semimetals的研究，這是一類(lèi)量子材料，具有體量子態(tài)，其電學(xué)特性可以用光來(lái)控制。他們的實(shí)驗(yàn)表明，通過(guò)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(lèi)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(xiàn)性光學(xué)過(guò)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(guò)巧妙的電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)破缺體系的對(duì)稱(chēng)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(guò)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(shuō)：“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(lái)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(lái)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(guò)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(wú)法攔截。

  接下來(lái)，Agarwal和Feng計(jì)劃在這類(lèi)系統(tǒng)上進(jìn)行合作。通過(guò)結(jié)合他們獨(dú)特的專(zhuān)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/