美國開發(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工程與應用科學學院最近的兩項研究展示了一個新系統，可以操縱和檢測被稱為光軌道角動量(OAM)的光特殊屬性，首次基于小型半導體芯片實現，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與工程系和電氣與系統工程系助理教授Liang Feng領導，展示了一種可動態(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與工程系教授Ritesh Agarwal領導，展示了如何通過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》雜志。研究團隊包括杜克大學、東北大學、米蘭理工大學、湖南大學和美國國家標準與技術研究所。

  隨著計算機的功能越來越強大，連接越來越多，發(fā)送和接收的數據量與用來傳輸數據的技術也在不斷競爭?，F已證明電子的速度已不滿足要求，隨著對光纖網絡布線和數據中心需求的不斷增長，電子正在被光子所取代。在現代光學系統中，通過將數據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。像這樣越來越復雜的“多路復用”技術是應對日益增長的數據需求的唯一方法，但這些技術也正在接近瓶頸。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。

  在最基本的光通信形式中，傳輸二進制信息就像用光通過實現開或關來表示1或0一樣簡單。這實際上是對光波峰值的衡量-體現為亮度。隨著激光器和探測器變得更加精確，可以持續(xù)地發(fā)射和區(qū)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(相當于顏色)和偏振(即波的振蕩方向相對于波的運動方向)。這些屬性中的許多都可以獨立設置，從而實現越來越密集的復用。

  軌道角動量是光的另一個屬性，考慮到從計算機芯片大小的激光器中產生軌道角動量所需的納米級特征的復雜性，它相當難以操作。圓極化光攜帶著一個繞著運動軸旋轉的電場，意味著其光子具有一種稱為自旋角動量的質量，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，即軌道角動量(OAM)。

  不同于自旋角動量(SAM)只有兩個狀態(tài)，渦旋光的軌道角動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行多路復用。因此在光通信、數據中心鏈路等有著廣泛的應用前景。

  “渦旋”激光器因其光圍繞行進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驅動的設計。然而，到目前為止，Feng和該領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，需要使用笨重的組件，使其無法直接集成到芯片上，與大多數實用的光通信方法不兼容。渦旋光尚未在實際集成光學器件(如多路復用器、光開關、光調制器等)中得到廣泛應用。

  在這項新的研究中，Feng領導的研究團隊從“微腔”激光器入手，該激光器由一個只有幾微米寬的半導體環(huán)組成，只要有電源供應，光就可以通過它無限循環(huán)。當額外的光從環(huán)兩側的控制臂“泵入”到環(huán)上時，這個設計精巧的環(huán)會發(fā)出環(huán)狀偏振激光。最關鍵的是，兩個控制臂之間的不對稱性使得所產生的激光器的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，而是以螺旋形的方式移動。一個激光的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：“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，研究人員通過設計和控制非厄米(non-Hermitian)對稱性的方式動態(tài)調控結構材料的損耗和增益來達成對渦旋光荷值的控制(圖一)。具體來說，通過設計微腔和波導間的可控非厄米耦合使得微腔中兩個自旋-軌道鎖定的渦旋態(tài)能進行單向耦合，從而選取激發(fā)一個特定的渦旋態(tài)?；诳偨莿恿渴睾愕脑?，將自旋角動量轉換為軌道角動量從而進一步增加了荷值的可調控范圍。

圖2：可調控渦旋激光器實現了在相同波長下五個不同渦旋光的動態(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。該材料在沒有光學泵浦的情況下呈現高損耗狀態(tài)，而在光學泵浦下呈現增益狀態(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，通過控制自旋角動量和軌道角動量的轉換，實現了五個不同渦旋光模式之間的動態(tài)調制(圖2)。更進一步，通過構建非厄米誘導的純虛部調制的規(guī)范場，實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和波長進行復用，這本身是前所未有的，也需要一個能夠區(qū)分這些狀態(tài)并讀出這些狀態(tài)的探測器。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)分解等濾波技術來探測，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縫對接。”

  Agarwal和Ji基于他們之前對Weyl semimetals的研究，這是一類量子材料，具有體量子態(tài)，其電學特性可以用光來控制。他們的實驗表明，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借鑒了這一現象，設計了一種對不同的OAM模式有類似反應的光探測器。

  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，進而產生以光心為原點‘渦旋’的光電流(圖3)。區(qū)別于其他光致電流效應，這種非線性光學過程不存在于平面波中，且其產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，必須通過巧妙的電極結構設計來破缺體系的對稱性，進行局部的電流測量。此外研究人員還進一步測量了高階龐加萊球上矢量渦旋光產生的電流，結果表明廣義的渦旋光的軌道和自旋角動量可以同時被精確確定(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生的OPGE電流

  在新探測器中，具有不同OAM模式的光產生的光電流產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：“這些結果不僅證明了光與物質相互作用中的一種新的量子現象。而且首次實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鍵的兩個部件，可以實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渦旋光作為信息載體的集成化和實用化進程，標志著我們向啟動大容量光通信網絡、應對即將到來的信息爆炸邁出了一大步。

  動態(tài)調整OAM值的能力也可以實現對跳頻這一經典加密技術的光子更新。通過在只有發(fā)送方和接收方知道的預設序列中快速切換OAM模式，光通信可以讓人無法攔截。

  接下來，Agarwal和Feng計劃在這類系統上進行合作。通過結合他們獨特的專業(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，展示光通信領域的新概念，增強經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數量級。

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