När datorer blir kraftfullare och mer anslutna, mängden data som vi skickar och tar emot är i en ständig kapplöpning med den teknik som vi använder för att överföra den. Elektroner visar sig nu vara otillräckligt snabba och ersätts av fotoner i takt med att efterfrågan på fiberoptiska internetkablar och datacenter växer.

Även om ljus är mycket snabbare än elektricitet, i moderna optiska system, mer information överförs genom att lagra data i flera aspekter av en ljusvåg, som dess amplitud, våglängd och polarisation. Allt mer sofistikerade "multiplexeringstekniker" som dessa är det enda sättet att ligga steget före den ökande efterfrågan på data, men även de närmar sig en flaskhals. Vi har helt enkelt slut på utrymme för att lagra mer data i ljusets konventionella egenskaper.

För att bryta igenom denna barriär, ingenjörer undersöker några av ljusets svårare att kontrollera egenskaper. Nu, två studier från University of Pennsylvania's School of Engineering and Applied Science har visat ett system som kan manipulera och detektera en sådan egenskap som kallas orbital vinkelmomentum, eller OAM, av ljus. Kritiskt, de är de första att göra det på små halvledarchips och med tillräcklig precision för att det kan användas som ett medium för att överföra information.

Det matchade paret av studier, publiceras i tidskriften Vetenskap , gjordes i samarbete med forskare vid Duke University, Northeastern University, polytekniska universitetet i Milano, Hunan University och U.S. National Institute of Standards and Technology.

En studie, leds av Liang Feng, biträdande professor vid institutionerna för materialvetenskap och teknik samt el- och systemteknik, demonstrerar en mikrolaser som kan ställas in dynamiskt till flera olika OAM-lägen. Den andra, ledd av Ritesh Agarwal, professor vid institutionen för materialvetenskap och teknik, visar hur en lasers OAM-läge kan mätas av en chipbaserad detektor. Båda studierna involverar samarbeten mellan Agarwal- och Feng-grupperna på Penn.

Sådana "virvel"-lasrar, uppkallade efter hur deras ljus spiralformar runt deras färdaxel, demonstrerades först av Feng med kvantsymmetridrivna konstruktioner 2016. Feng och andra forskare inom området har hittills varit begränsade till att sända en enda, förinställt OAM-läge, vilket gör dem opraktiska för att koda mer information. På den mottagande sidan, befintliga detektorer har förlitat sig på komplexa filtreringstekniker med skrymmande komponenter som har hindrat dem från att integreras direkt på ett chip, och är således oförenliga med de flesta praktiska optiska kommunikationsmetoder.

Tillsammans, denna nya avstämbara virvelmikrotransceiver och mottagare representerar de två mest kritiska komponenterna i ett system som kan möjliggöra ett sätt att multiplicera informationstätheten för optisk kommunikation, potentiellt krossa den hotande bandbreddsflaskhalsen.

Möjligheten att dynamiskt ställa in OAM-värden skulle också möjliggöra en fotonisk uppdatering till en klassisk krypteringsteknik:frekvenshopp. Genom att snabbt växla mellan OAM-lägen i en fördefinierad sekvens som endast är känd för sändaren och mottagaren, optisk kommunikation skulle kunna göras omöjlig att avlyssna.

"Våra resultat markerar ett stort steg mot att lansera optiska kommunikationsnätverk med stor kapacitet och möta den kommande informationskrisen, säger Feng.

I den mest grundläggande formen av optisk kommunikation, att sända ett binärt meddelande är så enkelt som att representera 1:or och 0:or med om lampan är på eller av. Detta är faktiskt ett mått på ljusets amplitud – hur hög vågens topp är – som vi upplever som ljusstyrka. När lasrar och detektorer blir mer exakta, de kan konsekvent sända ut och skilja mellan olika nivåer av amplitud, tillåter att fler bitar av information finns i samma signal.

Ännu mer sofistikerade lasrar och detektorer kan ändra andra egenskaper hos ljus, som dess våglängd, som motsvarar färg, och dess polarisering, vilket är orienteringen av vågens svängningar i förhållande till dess färdriktning. Många av dessa egenskaper kan ställas in oberoende av varandra, möjliggör allt tätare multiplexering.

Orbital vinkelmomentum är ännu en egenskap hos ljus, även om det är betydligt svårare att manipulera, med tanke på komplexiteten hos de nanoskaliga funktioner som är nödvändiga för att generera den från lasrar i datorchipstorlek. Cirkulärt polariserat ljus bär ett elektriskt fält som roterar runt sin färdaxel, vilket betyder att dess fotoner har en kvalitet som kallas spin vinkelmoment, eller SAM. Under mycket kontrollerade spin-omloppsinteraktioner, SAM kan låsas eller konverteras till en annan fastighet, orbital rörelsemängd, eller OAM.

Forskningen om en dynamiskt avstämbar OAM-laser baserad på detta koncept leddes av Feng och doktorand Zhifeng Zhang.

I denna nya studie, Feng, Zhang och deras kollegor började med en "microring" laser, som består av en ring av halvledare, bara några mikron bred, genom vilket ljus kan cirkulera i det oändliga så länge som ström tillförs. När ytterligare ljus "pumpas" in i ringen från kontrollarmarna på vardera sidan av ringen, den delikat designade ringen avger cirkulärt polariserat laserljus. Kritiskt, asymmetri mellan de två kontrollarmarna gör att SAM för den resulterande lasern kan kopplas med OAM i en viss riktning.

Detta betyder att istället för att bara rotera runt strålens axel, som cirkulärt polariserat ljus gör, vågfronten för en sådan laser kretsar runt den axeln och färdas således i ett spiralformigt mönster. En lasers OAM "läge" motsvarar dess kiralitet, riktningen dessa helixar vrider sig, och hur nära varandra dess vändningar är.

"Vi demonstrerade en mikroringlaser som kan sända ut fem distinkta OAM-lägen, " Feng säger. "Det kan öka datakanalen för sådana lasrar med upp till fem gånger."

Att kunna multiplexa OAM, SAM och våglängd för laserljus är i sig oöverträffad, men inte särskilt användbart utan en detektor som kan skilja mellan dessa tillstånd och läsa ut dem.

I samverkan med Fengs arbete med den avstämbara vortexmikrolasern, forskningen om OAM-detektorn leddes av Agarwal och Zhurun ​​Ji, en doktorand i sitt labb.

"OAM-lägen detekteras för närvarande genom bulkmetoder som modsorterare, eller genom filtreringstekniker såsom modal nedbrytning, " Agarwal säger, "men ingen av dessa metoder fungerar sannolikt på ett chip, eller gränssnitt sömlöst med elektroniska signaler."

Agarwal och Ji byggde på sitt tidigare arbete med Weyl semimetals, en klass av kvantmaterial som har bulkkvanttillstånd vars elektriska egenskaper kan styras med hjälp av ljus. Deras experiment visade att de kunde kontrollera elektronernas riktning i dessa material genom att lysa ljus med olika SAM på det.

Tillsammans med sina medarbetare, Agarwal och Ji drog på detta fenomen genom att designa en fotodetektor som är lika känslig för olika OAM-lägen. I deras nya detektor, fotoströmmen som genereras av ljus med olika OAM-lägen producerade unika strömmönster, vilket gjorde det möjligt för forskarna att fastställa OAM för ljus som träffar deras enhet.

"Dessa resultat visar inte bara ett nytt kvantfenomen i interaktionen mellan ljus och materia, " Agarwal säger, "men möjliggör för första gången direkt avläsning av ljusets fasinformation med hjälp av en fotodetektor på kretsen. Dessa studier lovar mycket för att designa mycket kompakta system för framtida optiska kommunikationssystem."

Nästa, Agarwal och Feng planerar att samarbeta om sådana system. Genom att kombinera sin unika expertis för att tillverka virvelmikrolasrar och detektorer på chip som unikt kan detektera ljusets OAM, de kommer att designa integrerade system för att demonstrera nya koncept inom optisk kommunikation med förbättrade dataöverföringsmöjligheter för klassiskt ljus och efter att öka känsligheten för enstaka fotoner, för kvanttillämpningar. Denna demonstration av en ny dimension för att lagra information baserad på OAM-lägen kan hjälpa till att skapa rikare superpositionskvantumtillstånd för att öka informationskapaciteten med några storleksordningar.