美国开发出首款可调谐基于芯片的"涡旋激光器"和探测器

  美国宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院最近的两项研究展示了一个新系统，可以操纵和检测被称为光轨道角动量(OAM)的光特殊属性，首次基于小型半导体芯片实现，精度足够高可以作为传输信息的媒介。一项研究由材料科学与工程系和电气与系统工程系助理教授Liang Feng领导，展示了一种可动态调整为多种不同OAM模式的微激光器。另一项研究由材料科学与工程系教授Ritesh Agarwal领导，展示了如何通过基于芯片的探测器测量激光器的OAM模式。两项研究成果均发表在《科学》杂志。研究团队包括杜克大学、东北大学、米兰理工大学、湖南大学和美国国家标准与技术研究所。

  随着计算机的功能越来越强大，连接越来越多，发送和接收的数据量与用来传输数据的技术也在不断竞争。现已证明电子的速度已不满足要求，随着对光纤网络布线和数据中心需求的不断增长，电子正在被光子所取代。在现代光学系统中，通过将数据分层到光波的不同方面，如光波的振幅、波长和偏振等，可以传输更多信息。像这样越来越复杂的“多路复用”技术是应对日益增长的数据需求的唯一方法，但这些技术也正在接近瓶颈。我们在光的传统属性中存储更多数据的空间几乎用完。为此，光一些难以控制的特性成为研究重点。

  在最基本的光通信形式中，传输二进制信息就像用光通过实现开或关来表示1或0一样简单。这实际上是对光波峰值的衡量-体现为亮度。随着激光器和探测器变得更加精确，可以持续地发射和区分不同级别的振幅，使同一信号中包含更多的比特信息。

  更复杂的激光器和探测器甚至可以改变光的其他属性，如波长(相当于颜色)和偏振(即波的振荡方向相对于波的运动方向)。这些属性中的许多都可以独立设置，从而实现越来越密集的复用。

  轨道角动量是光的另一个属性，考虑到从计算机芯片大小的激光器中产生轨道角动量所需的纳米级特征的复杂性，它相当难以操作。圆极化光携带着一个绕着运动轴旋转的电场，意味着其光子具有一种称为自旋角动量的质量，即SAM。在高度控制的自旋-轨道相互作用下，SAM可以被锁定或转化为另一种属性，即轨道角动量(OAM)。

  不同于自旋角动量(SAM)只有两个状态，涡旋光的轨道角动量理论上具有无限的状态范围。特别是其可以作为载波进行多路复用。因此在光通信、数据中心链路等有着广泛的应用前景。

  “涡旋”激光器因其光围绕行进轴旋转的方式而得名。然而，现有的可集成涡旋激光器缺乏可调控性。Feng在2016年首次展示了量子对称驱动的设计。然而，到目前为止，Feng和该领域的其他研究人员还仅限于传输单一、预设的OAM模式，这使得它们无法用于编码更多信息。在接收端，现有的探测器依靠复杂的滤波技术，需要使用笨重的组件，使其无法直接集成到芯片上，与大多数实用的光通信方法不兼容。涡旋光尚未在实际集成光学器件(如多路复用器、光开关、光调制器等)中得到广泛应用。

  在这项新的研究中，Feng领导的研究团队从“微腔”激光器入手，该激光器由一个只有几微米宽的半导体环组成，只要有电源供应，光就可以通过它无限循环。当额外的光从环两侧的控制臂“泵入”到环上时，这个设计精巧的环会发出环状偏振激光。最关键的是，两个控制臂之间的不对称性使得所产生的激光器的SAM与OAM在特定的方向上耦合。这就意味着，激光器的波面不是像圆偏振光那样仅仅围绕着光束的轴线旋转，而是以螺旋形的方式移动。一个激光的OMA模式对应于它的奇异性，这些螺旋形的扭曲方向及其扭曲的距离有多近。Feng说：“我们展示了一种能够发射五种不同OAM模式的微环激光器。这可能会使这种激光器的数据通道增加多达5倍。”

图1：可调控涡旋激光器示意图

  在光源方面，不同于固定荷值的涡旋激光器，研究人员通过设计和控制非厄米(non-Hermitian)对称性的方式动态调控结构材料的损耗和增益来达成对涡旋光荷值的控制(图一)。具体来说，通过设计微腔和波导间的可控非厄米耦合使得微腔中两个自旋-轨道锁定的涡旋态能进行单向耦合，从而选取激发一个特定的涡旋态。基于总角动量守恒的原理，将自旋角动量转换为轨道角动量从而进一步增加了荷值的可调控范围。

图2：可调控涡旋激光器实现了在相同波长下五个不同涡旋光的动态调制

  研究人员表示，使用InGaAsP量子阱半导体材料制造微腔和波导结构。该材料在没有光学泵浦的情况下呈现高损耗状态，而在光学泵浦下呈现增益状态，满足非厄米控制所需的特性。因此通过改变光泵浦在非厄米波导上的位置就可以达到改变单向耦合方向的目的，从而选取激发特定手性的涡旋光。随后，通过控制自旋角动量和轨道角动量的转换，实现了五个不同涡旋光模式之间的动态调制(图2)。更进一步，通过构建非厄米诱导的纯虚部调制的规范场，实现了可调控涡旋激光阵列，展示了高度集成的涡旋光芯片的前景。

  能够对激光的OAM、SAM和波长进行复用，这本身是前所未有的，也需要一个能够区分这些状态并读出这些状态的探测器。Agarwal说：“OAM模式目前可以通过模式分选器等批量方法，或者通过模态分解等滤波技术来探测，但这些方法都不可能在芯片上工作，也不可能与电子信号无缝对接。”

  Agarwal和Ji基于他们之前对Weyl semimetals的研究，这是一类量子材料，具有体量子态，其电学特性可以用光来控制。他们的实验表明，通过将不同的SAM光照射到这些材料上，可以控制这些材料中电子的方向。Agarwal和Ji借鉴了这一现象，设计了一种对不同的OAM模式有类似反应的光探测器。

  研究人员利用外尔半金属作为载体，发现光相位的空间变化可以引发受激发电子布居数的空间分布，进而产生以光心为原点‘涡旋’的光电流(图3)。区别于其他光致电流效应，这种非线性光学过程不存在于平面波中，且其产生的非局域电流大小和流向直接对应于涡旋光的阶数，或波前的相位分布。Ji将这一效应命名为“轨道光致电流效应”(orbital photogalvaniceffect)。其中，非局域涡旋光电流的发现得益于电极的特殊设计--这种光电流总空间积分为零，必须通过巧妙的电极结构设计来破缺体系的对称性，进行局部的电流测量。此外研究人员还进一步测量了高阶庞加莱球上矢量涡旋光产生的电流，结果表明广义的涡旋光的轨道和自旋角动量可以同时被精确确定(图4)。作者们指出，若能将这种方法加以推广，有望通过单一电极阵列完成混合涡旋光的芯片上检测和信号分离。

图3：涡旋光致电流的测量机制示意图

图4：高阶庞加莱球上广义涡旋光产生的OPGE电流

  在新探测器中，具有不同OAM模式的光产生的光电流产生了独特的电流模式，使得研究人员能够确定冲击到他们设备上光的OAM。Agarwal说：“这些结果不仅证明了光与物质相互作用中的一种新的量子现象。而且首次实现了使用片上光探测器直接读出光的相位信息。这些研究为设计未来光通信系统的高度集紧凑系统提供了巨大的前景。”

  此次研究出的新型的可调谐涡旋微发射器和接收机共同代表了系统中最关键的两个部件，可以实现光通信信息密度的倍增，有可能打破带宽瓶颈。Feng表示：我们的研究结果将大大推进涡旋光作为信息载体的集成化和实用化进程，标志着我们向启动大容量光通信网络、应对即将到来的信息爆炸迈出了一大步。

  动态调整OAM值的能力也可以实现对跳频这一经典加密技术的光子更新。通过在只有发送方和接收方知道的预设序列中快速切换OAM模式，光通信可以让人无法拦截。

  接下来，Agarwal和Feng计划在这类系统上进行合作。通过结合他们独特的专业知识，制造出能够独特检测光OAM的片上涡旋微激光器和探测器，他们将设计出集成系统，展示光通信领域的新概念，增强经典光的数据传输能力，并在提高对单光子的灵敏度后，用于量子应用。这种基于OAM模式的信息存储新维度的演示，可以帮助创造更丰富的叠加量子态，将信息容量提高几个数量级。

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