Первый перестраиваемый, чип-на основе вихревого microlaser и детектор

Поскольку компьютеры становятся более мощными и связи, объем данных, которые мы посылаем и получаем в постоянной гонке с технологиями, которые мы используем, чтобы передать его. Электроны теперь оказывались недостаточно быстрыми и заменяются фотонов, так как спрос на оптоволоконные интернет кабели и центров обработки данных растут.

Хотя свет гораздо быстрее, чем электричество, в современных оптических систем, больше информации передается путем наложения данных по разным аспектам световой волны, как ее амплитуда, длина волны и поляризация. Все более изощренное «мультиплексирование» подобные методы являются единственным способом, чтобы опережать растущий спрос на данные, но те слишком приближаются к узким местом. Мы просто не хватает места, чтобы хранить больше данных в обычных свойств света.

Чтобы прорвать эту преграду, инженеры, исследуя некоторые из света трудно поддающихся контролю свойства. Теперь, два исследования из Медицинской школы Университета Пенсильвании инженерных и прикладных наук показали систему, которая может манипулировать и обнаружить одно из таких свойств, известного как орбитальный угловой момент, или ОАМ, света. Критически, они являются первыми, чтобы сделать это на маленький полупроводниковых чипов и с достаточной точностью, что он может быть использован в качестве среды для передачи информации.

Подобранная пара из исследований, опубликованное в журнале Science, было сделано в сотрудничестве с исследователями из Университета Дьюка, Северо-Восточный Университет, политехнический университет Милана, университет Хунань и американского Национального института стандартов и технологий.

В одном исследовании, возглавляемая Лян Фэн, доцент кафедры материаловедения и инженерных, электрических и инженерных систем, демонстрирует microlaser, который может быть динамически настроена на несколько режимов ОАМ. Другая, возглавляемая Ритеша Агарвал, профессор кафедры материаловедения и инженерии, показывает, как режим лазера ОАМ может быть измерена с помощью чип-детектор. Оба исследования предполагают сотрудничество между Агарвал и Фэн группы в универе.

Такой «вихрь» лазеры, названный в честь их светлой спирали вокруг своей оси путешествия, были впервые продемонстрированы Фэн с квантовой симметрии управляемых конструкций в 2016 году. Однако, Фэн и другие исследователи в этой области до сих пор ограничено передачей одного, предварительно установить режим ОАМ, что делает их непрактичными для кодирования дополнительной информации. На приемном конце, существующих детекторов использовали сложные методы фильтрации, используя громоздкие компоненты, которые не могут быть интегрированы непосредственно на чип, и, таким образом, несовместимы с большинством практический подходы к коммуникации.

Вместе, это новый настраиваемый вихревой микро-передатчик и приемник представляет собой два наиболее важных компонентов системы, что может позволить путем умножения плотности информации, оптической связи, потенциально разрушая этой нависающей полосой пропускания.

Возможность динамически настраивать значения ОАМ также позволит фотонный обновление классический метод шифрования: скачкообразной перестройки частоты. Путем быстрого переключения между режимами ОАМ в определенной последовательности, известной только отправителю и получателю, оптическая связь может быть невозможно перехватить.

«Наши результаты знаменуют собой большой шаг на пути к выпуску большой емкости оптических сетей связи и перед предстоящей информации хруст», — говорит Фэн.

В самой основной форме оптической связи, передачи бинарного сообщения так же просто, как представляющие 1S и 0s ли свет включен или выключен. Это эффективно измерить амплитуды света-как высокий пик волны-который мы воспринимаем как свет. Как лазеры и детекторы стали более точными, они могут последовательно выделяет и различает разные уровни амплитуды, что позволяет более бит информации, которая должна содержаться в том же сигнала.

Еще более изощренные лазеры и детекторы могут изменить другие свойства, такие как длина волны, которой соответствует цвет, и его поляризации, которая является ориентация колебаний волны по отношению к направлению движения. Многие из этих свойств могут быть установлены независимо друг от друга, что позволяет для более плотного мультиплексирования.

Орбитальным моментом является еще одно свойство света, хотя это значительно труднее манипулировать, учитывая сложность наноразмерных функции, необходимые для создания его от компьютера-чип размером с лазерами. Циркулярно поляризованный свет несет электрического поля, которое вращается вокруг своей оси проезда, смысл его фотоны имеют качество известный как спиновый момент, или Сэм. В контролируемых спин-орбитального взаимодействия, Сэм могут быть заблокированы или преобразованы в другую собственность, орбитальный угловой момент, или ОАМ.

Исследования на динамически перестраиваемой ОАМ лазера на основе этой концепции возглавлял Фэн и аспирант Чжан Жифень.

В этом новом исследовании, Фэн, Чжан и их коллеги начали с «Би Лайн» лазера, который состоит из кольца полупроводниковых, только немного микронов в ширину, через которое свет может циркулировать неограниченно долго, пока подается питание. Когда дополнительный свет «закачивается» в кольцо из Управления вооружений по обе стороны от кольца, изысканный дизайн кольцо излучает циркулярно поляризованного лазерного света. Критически, асимметрия между двух рычагов позволяет Сэм полученного лазер в сочетании с ОАМ в определенном направлении.

Это означает, что вместо того, чтобы просто вращающийся вокруг оси пучка, а циркулярно поляризованного света, фронт волны такого лазера орбиты этой оси и, таким образом, перемещается в спиральный узор. Режим лазера ОАМ «» соответствует хиральности, направление этих спиралей поворот, и как близко его повороты.

«Мы продемонстрировали Маттек лазер, который способен излучать пять различных режимов ОАМ», — говорит Фэн. «Это может увеличить канал передачи данных таких лазеров до пяти раз».

Возможность мультиплексировать ОАМ, Сэм и длины волны лазерного света себя беспрецедентный, но не особо полезно без детектора, которые могут дифференцироваться между этими государствами и читать их.

В концерте с работы Фэна на Вортекс перестраиваемый microlaser, исследования на детекторе ОАМ возглавляет Агарвал и Zhurun Дзи, аспирант в лаборатории.

«В настоящее время режимы ОАМ обнаружены через Навального подходы, такие как сортировщики режиме, или с помощью фильтрации методы, такие как модальные разложения», — говорит Агарвал, «но ни один из этих методов, вероятно, работать на чипе, или взаимодействовать с электронными сигналами.»

Агарвал и Ji построен на прежней работе с полуметаллов Вейля, класс квантовых материалов, сыпучих квантовых государств, электрическими свойствами можно управлять с помощью света. Их эксперименты показали, что они могли контролировать направление электронов в этих материалах на свет с различными Сэм на него.

Вместе с их пособниками, Агарвал и Ji обратил на этот феномен путем разработки фотоприемник, который аналогичным образом реагирует на различные режимы ОАМ. В свой новый детектор, фототок, генерируемый свет с различными режимами ОАМ выпускаются уникальные современные модели, что позволило исследователям определить ОАМ света, падающего на своем устройстве.

«Эти результаты не только демонстрируют Роман квантовое явление в свет-вопрос взаимодействия», — говорит Агарвал, «но впервые возможность прямого считывания информации о фазе света, используя интегрированный фотоприемник. Эти исследования открывают широкие возможности для создания более компактных систем для будущих оптических систем связи».

Далее Агарвал и Фэн планируют сотрудничать в таких системах. Объединив свои уникальные знания, чтобы изготовить на микросхеме вихрь микролазеры и извещатели, которые могут идентифицировать света ОАМ, они будут разрабатывать интегрированные системы, чтобы продемонстрировать новые концепции в оптической связи с повышенной передача данных возможности для классического света и при увеличении чувствительности на один фотонов для квантовых приложений. Эта демонстрация новое измерение для хранения информации на основе режима ОАМ может помочь создать богаче суперпозиции квантовых состояний, чтобы увеличить информационную емкость на несколько порядков.

Эти два момента тесно связаны исследования были частично поддержана Национальным научным фондом, научно-исследовательского управления армии США и Управление военно-морских исследований. Исследования на microlaser вихря было сделано в сотрудничестве с Хосе М. Килиан, доцент Северо-Восточного университета и Стефано лонги, профессор Политехнического Университета Милана в Италии и М. Litchinitser Наталья, профессор Университета Дьюка. Синду Пенна Цяо, Bikashkali Мидя, Кевин Лю, Тяньвэй Ву, Лю Вэньцзин и герцога Jingbo Солнце также вносит свой вклад в работу. Исследования на фотоприемнике было сделано в сотрудничестве с Альберт Давыдов из Национального института стандартов и технологий (NIST) и Anlian Пан из Университета провинции Хунань. Вэньцзин Пенна Лю, вентилятор Сяопина, Чжан Жифень и Крылюк НИСТ Сергей также участвовал в работе.

сделать разницу: спонсорские возможности