美國開(kāi)發(fā)出首款可調諧基于芯片的"渦旋激光器"和探測器

  美國賓夕法尼亞大學(xué)工程與應用科學(xué)學(xué)院最近的兩項研究展示了一個(gè)新系統，可以操縱和檢測被稱(chēng)為光軌道角動(dòng)量(OAM)的光特殊屬性，首次基于小型半導體芯片實(shí)現，精度足夠高可以作為傳輸信息的媒介。一項研究由材料科學(xué)與工程系和電氣與系統工程系助理教授Liang Feng領(lǐng)導，展示了一種可動(dòng)態(tài)調整為多種不同OAM模式的微激光器。另一項研究由材料科學(xué)與工程系教授Ritesh Agarwal領(lǐng)導，展示了如何通過(guò)基于芯片的探測器測量激光器的OAM模式。兩項研究成果均發(fā)表在《科學(xué)》雜志。研究團隊包括杜克大學(xué)、東北大學(xué)、米蘭理工大學(xué)、湖南大學(xué)和美國國家標準與技術(shù)研究所。

  隨著(zhù)計算機的功能越來(lái)越強大，連接越來(lái)越多，發(fā)送和接收的數據量與用來(lái)傳輸數據的技術(shù)也在不斷競爭?，F已證明電子的速度已不滿(mǎn)足要求，隨著(zhù)對光纖網(wǎng)絡(luò )布線(xiàn)和數據中心需求的不斷增長(cháng)，電子正在被光子所取代。在現代光學(xué)系統中，通過(guò)將數據分層到光波的不同方面，如光波的振幅、波長(cháng)和偏振等，可以傳輸更多信息。像這樣越來(lái)越復雜的“多路復用”技術(shù)是應對日益增長(cháng)的數據需求的唯一方法，但這些技術(shù)也正在接近瓶頸。我們在光的傳統屬性中存儲更多數據的空間幾乎用完。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)現開(kāi)或關(guān)來(lái)表示1或0一樣簡(jiǎn)單。這實(shí)際上是對光波峰值的衡量-體現為亮度。隨著(zhù)激光器和探測器變得更加精確，可以持續地發(fā)射和區分不同級別的振幅，使同一信號中包含更多的比特信息。

  更復雜的激光器和探測器甚至可以改變光的其他屬性，如波長(cháng)(相當于顏色)和偏振(即波的振蕩方向相對于波的運動(dòng)方向)。這些屬性中的許多都可以獨立設置，從而實(shí)現越來(lái)越密集的復用。

  軌道角動(dòng)量是光的另一個(gè)屬性，考慮到從計算機芯片大小的激光器中產(chǎn)生軌道角動(dòng)量所需的納米級特征的復雜性，它相當難以操作。圓極化光攜帶著(zhù)一個(gè)繞著(zhù)運動(dòng)軸旋轉的電場(chǎng)，意味著(zhù)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)行多路復用。因此在光通信、數據中心鏈路等有著(zhù)廣泛的應用前景。

  “渦旋”激光器因其光圍繞行進(jìn)軸旋轉的方式而得名。然而，現有的可集成渦旋激光器缺乏可調控性。Feng在2016年首次展示了量子對稱(chēng)驅動(dòng)的設計。然而，到目前為止，Feng和該領(lǐng)域的其他研究人員還僅限于傳輸單一、預設的OAM模式，這使得它們無(wú)法用于編碼更多信息。在接收端，現有的探測器依靠復雜的濾波技術(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(如多路復用器、光開(kāi)關(guān)、光調制器等)中得到廣泛應用。

  在這項新的研究中，Feng領(lǐng)導的研究團隊從“微腔”激光器入手，該激光器由一個(gè)只有幾微米寬的半導體環(huán)組成，只要有電源供應，光就可以通過(guò)它無(wú)限循環(huán)。當額外的光從環(huán)兩側的控制臂“泵入”到環(huán)上時(shí)，這個(gè)設計精巧的環(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(zhù)，激光器的波面不是像圓偏振光那樣僅僅圍繞著(zhù)光束的軸線(xiàn)旋轉，而是以螺旋形的方式移動(dòng)。一個(gè)激光的OMA模式對應于它的奇異性，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 )使這種激光器的數據通道增加多達5倍?！?

圖1：可調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)設計和控制非厄米(non-Hermitian)對稱(chēng)性的方式動(dòng)態(tài)調控結構材料的損耗和增益來(lái)達成對渦旋光荷值的控制(圖一)。具體來(lái)說(shuō)，通過(guò)設計微腔和波導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)量轉換為軌道角動(dòng)量從而進(jìn)一步增加了荷值的可調控范圍。

圖2：可調控渦旋激光器實(shí)現了在相同波長(cháng)下五個(gè)不同渦旋光的動(dòng)態(tài)調制

  研究人員表示，使用InGaAsP量子阱半導體材料制造微腔和波導結構。該材料在沒(méi)有光學(xué)泵浦的情況下呈現高損耗狀態(tài)，而在光學(xué)泵浦下呈現增益狀態(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上的位置就可以達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)量的轉換，實(shí)現了五個(gè)不同渦旋光模式之間的動(dòng)態(tài)調制(圖2)。更進(jìn)一步，通過(guò)構建非厄米誘導的純虛部調制的規范場(chǎng)，實(shí)現了可調控渦旋激光陣列，展示了高度集成的渦旋光芯片的前景。

  能夠對激光的OAM、SAM和波長(cháng)進(jìn)行復用，這本身是前所未有的，也需要一個(gè)能夠區分這些狀態(tài)并讀出這些狀態(tài)的探測器。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，但這些方法都不可能在芯片上工作，也不可能與電子信號無(wú)縫對接?！?

  Agarwal和Ji基于他們之前對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借鑒了這一現象，設計了一種對不同的OAM模式有類(lèi)似反應的光探測器。

  研究人員利用外爾半金屬作為載體，發(fā)現光相位的空間變化可以引發(fā)受激發(fā)電子布居數的空間分布，進(jìn)而產(chǎn)生以光心為原點(diǎn)‘渦旋’的光電流(圖3)。區別于其他光致電流效應，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應于渦旋光的階數，或波前的相位分布。Ji將這一效應命名為“軌道光致電流效應”(orbital photogalvaniceffect)。其中，非局域渦旋光電流的發(fā)現得益于電極的特殊設計--這種光電流總空間積分為零，必須通過(guò)巧妙的電極結構設計來(lái)破缺體系的對稱(chēng)性，進(jìn)行局部的電流測量。此外研究人員還進(jìn)一步測量了高階龐加萊球上矢量渦旋光產(chǎn)生的電流，結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和信號分離。

圖3：渦旋光致電流的測量機制示意圖

圖4：高階龐加萊球上廣義渦旋光產(chǎn)生的OPGE電流

  在新探測器中，具有不同OAM模式的光產(chǎn)生的光電流產(chǎn)生了獨特的電流模式，使得研究人員能夠確定沖擊到他們設備上光的OAM。Agarwal說(shuō)：“這些結果不僅證明了光與物質(zhì)相互作用中的一種新的量子現象。而且首次實(shí)現了使用片上光探測器直接讀出光的相位信息。這些研究為設計未來(lái)光通信系統的高度集緊湊系統提供了巨大的前景?！?

  此次研究出的新型的可調諧渦旋微發(fā)射器和接收機共同代表了系統中最關(guān)鍵的兩個(gè)部件，可以實(shí)現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，標志著(zhù)我們向啟動(dòng)大容量光通信網(wǎng)絡(luò )、應對即將到來(lái)的信息爆炸邁出了一大步。

  動(dòng)態(tài)調整OAM值的能力也可以實(shí)現對跳頻這一經(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設序列中快速切換OAM模式，光通信可以讓人無(wú)法攔截。

  接下來(lái)，Agarwal和Feng計劃在這類(lèi)系統上進(jìn)行合作。通過(guò)結合他們獨特的專(zhuān)業(yè)知識，制造出能夠獨特檢測光OAM的片上渦旋微激光器和探測器，他們將設計出集成系統，展示光通信領(lǐng)域的新概念，增強經(jīng)典光的數據傳輸能力，并在提高對單光子的靈敏度后，用于量子應用。這種基于OAM模式的信息存儲新維度的演示，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)數量級。

  https://www.semiconductor-digest.com/2020/05/20/penn-engineers-develop-first-tunable-chip-based-vortex-microlaser-and-detector/