A medida que las computadoras se vuelven más potentes y conectadas, la cantidad de datos que enviamos y recibimos está en constante carrera con las tecnologías que usamos para transmitirla. Los electrones ahora están demostrando ser insuficientemente rápidos y están siendo reemplazados por fotones como la demanda deel cableado de internet de fibra óptica y los centros de datos crecen.
Aunque la luz es mucho más rápida que la electricidad, en los sistemas ópticos modernos, se transmite más información por capas de datos en múltiples aspectos de una onda de luz, como su amplitud, longitud de onda y polarización. Técnicas de "multiplexación" cada vez más sofisticadas como estas son las únicasmanera de mantenerse a la vanguardia de la creciente demanda de datos, pero también se están acercando a un cuello de botella. Simplemente nos estamos quedando sin espacio para almacenar más datos en las propiedades convencionales de la luz.
Para romper esta barrera, los ingenieros están explorando algunas de las propiedades más difíciles de controlar de la luz. Ahora, dos estudios de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Pensilvania han demostrado un sistema que puede manipular y detectar una de esas propiedades conocida comoel momento angular orbital, o OAM, de la luz. Críticamente, son los primeros en hacerlo en pequeños chips semiconductores y con la precisión suficiente para que pueda usarse como medio para transmitir información.
El par de estudios coincidentes, publicado en la revista ciencia , se realizó en colaboración con investigadores de la Universidad de Duke, la Universidad del Nordeste, la Universidad Politécnica de Milán, la Universidad de Hunan y el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de EE. UU.
Un estudio, dirigido por Liang Feng, profesor asistente en los departamentos de Ciencia e Ingeniería de Materiales e Ingeniería Eléctrica y de Sistemas, demuestra un micro láser que puede ajustarse dinámicamente a múltiples modos OAM distintos. El otro, dirigido por Ritesh Agarwal, profesor enEl Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales muestra cómo un detector basado en chip puede medir el modo OAM de un láser. Ambos estudios involucran colaboraciones entre los grupos Agarwal y Feng en Penn.
Tales láseres de "vórtice", llamados así por la forma en que sus espirales de luz alrededor de su eje de viaje, fueron demostrados por primera vez por Feng con diseños impulsados por la simetría cuántica en 2016. Sin embargo, Feng y otros investigadores en el campo hasta ahora se han limitado atransmitiendo un único modo OAM preestablecido, lo que los hace poco prácticos para codificar más información. En el extremo receptor, los detectores existentes se han basado en técnicas de filtrado complejas que utilizan componentes voluminosos que les han impedido integrarse directamente en un chip y, por lo tanto, son incompatiblescon los enfoques de comunicaciones ópticas más prácticos.
Juntos, este nuevo micro transceptor y receptor de vórtice sintonizable representa los dos componentes más críticos de un sistema que puede permitir una forma de multiplicar la densidad de información de la comunicación óptica, potencialmente rompiendo ese cuello de botella de ancho de banda que se avecina.
La capacidad de sintonizar dinámicamente los valores OAM también permitiría una actualización fotónica a una técnica de cifrado clásica: salto de frecuencia. Al cambiar rápidamente entre los modos OAM en una secuencia predefinida conocida solo por el emisor y el receptor, las comunicaciones ópticas podrían ser imposiblesinterceptar
"Nuestros hallazgos marcan un gran paso hacia el lanzamiento de redes de comunicación óptica de gran capacidad y enfrentar la próxima crisis de información", dice Feng.
En la forma más básica de comunicación óptica, transmitir un mensaje binario es tan simple como representar 1s y 0s según si la luz está encendida o apagada. Esto es efectivamente una medida de la amplitud de la luz: qué tan alto es el pico de la ondaes lo que experimentamos como brillo. A medida que los láseres y los detectores se vuelven más precisos, pueden emitir y distinguir constantemente entre diferentes niveles de amplitud, lo que permite que se contengan más bits de información en la misma señal.
Los láseres y detectores aún más sofisticados pueden alterar otras propiedades de la luz, como su longitud de onda, que corresponde al color, y su polarización, que es la orientación de las oscilaciones de la onda en relación con su dirección de desplazamiento. Muchas de estas propiedades pueden serconfigurados independientemente el uno del otro, lo que permite una multiplexación cada vez más densa.
El momento angular orbital es otra propiedad de la luz, aunque es considerablemente más difícil de manipular, dada la complejidad de las características de nanoescala necesarias para generarlo a partir de láseres del tamaño de un chip de computadora. La luz polarizada circularmente lleva un campo eléctrico que gira alrededor de su luz.eje de desplazamiento, lo que significa que sus fotones tienen una calidad conocida como momento angular de giro, o SAM. Bajo interacciones de órbita de giro altamente controladas, SAM puede bloquearse o convertirse en otra propiedad, momento angular orbital u OAM.
La investigación sobre un láser OAM dinámicamente ajustable basado en este concepto fue dirigida por Feng y el estudiante graduado Zhifeng Zhang.
En este nuevo estudio, Feng, Zhang y sus colegas comenzaron con un láser "microring", que consiste en un anillo de semiconductor, de solo unos pocos micrones de ancho, a través del cual la luz puede circular indefinidamente mientras se suministre energía.la luz se "bombea" dentro del anillo desde los brazos de control a cada lado del anillo, el anillo diseñado delicadamente emite luz láser polarizada circularmente. Críticamente, la asimetría entre los dos brazos de control permite que el SAM del láser resultante se acople con OAM enuna dirección particular
Esto significa que, en lugar de simplemente girar alrededor del eje del haz, como lo hace la luz polarizada circularmente, el frente de onda de dicho láser orbita ese eje y, por lo tanto, viaja en un patrón helicoidal. El "modo" OAM de un láser corresponde a su quiralidad,la dirección en que giran esas hélices y cuán juntas están sus giros.
"Demostramos un láser microring que es capaz de emitir cinco modos OAM distintos", dice Feng. "Eso puede aumentar el canal de datos de tales láseres hasta cinco veces".
Ser capaz de multiplexar el OAM, SAM y la longitud de onda de la luz láser no tiene precedentes, pero no es particularmente útil sin un detector que pueda diferenciar esos estados y leerlos.
En concierto con el trabajo de Feng en el microlaser de vórtice sintonizable, la investigación sobre el detector OAM fue dirigida por Agarwal y Zhurun Ji, un estudiante graduado en su laboratorio.
"Los modos OAM se detectan actualmente a través de enfoques masivos, como los clasificadores de modos, o mediante técnicas de filtrado como la descomposición modal", dice Agarwal, "pero es probable que ninguno de estos métodos funcione en un chip o interactúe sin problemas con señales electrónicas."
Agarwal y Ji se basaron en su trabajo previo con los semimetales de Weyl, una clase de materiales cuánticos que tienen estados cuánticos a granel cuyas propiedades eléctricas pueden controlarse utilizando la luz. Sus experimentos mostraron que podían controlar la dirección de los electrones en esos materiales mediante la luz brillantecon diferentes SAM en él.
Junto con sus colaboradores, Agarwal y Ji recurrieron a este fenómeno al diseñar un fotodetector que responde de manera similar a los diferentes modos OAM. En su nuevo detector, la fotocorriente generada por la luz con diferentes modos OAM produjo patrones de corriente únicos, lo que permitió a los investigadoresdeterminar el OAM de la luz que incide en su dispositivo.
"Estos resultados no solo demuestran un nuevo fenómeno cuántico en la interacción de la materia de luz", dice Agarwal, "sino que por primera vez permiten la lectura directa de la información de fase de la luz utilizando un fotodetector en chip. Estos estudiosson muy prometedoras para diseñar sistemas altamente compactos para futuros sistemas de comunicación óptica "
A continuación, Agarwal y Feng planean colaborar en dichos sistemas. Al combinar su experiencia única para fabricar microlasers y detectores de vórtice en chip que puedan detectar de forma exclusiva el OAM de la luz, diseñarán sistemas integrados para demostrar nuevos conceptos en comunicaciones ópticas con datos mejoradoscapacidades de transmisión para la luz clásica y al aumentar la sensibilidad a fotones individuales, para aplicaciones cuánticas. Esta demostración de una nueva dimensión para almacenar información basada en modos OAM puede ayudar a crear estados cuánticos de superposición más ricos para aumentar la capacidad de información en unos pocos órdenes de magnitud.
Estos dos estudios fuertemente vinculados fueron parcialmente apoyados por la National Science Foundation, la Oficina de Investigación del Ejército de EE. UU. Y la Oficina de Investigación Naval. La investigación sobre el microlaser de vórtice se realizó en colaboración con Josep M. Jornet, profesor asociado de la Northeastern University yStefano Longhi, profesor de la Universidad Politécnica de Milán en Italia y Natalia M. Litchinitser, profesora de la Universidad de Duke, Penn's Xingdu Qiao, Bikashkali Midya, Kevin Liu, Tianwei Wu, Wenjing Liu y Duke's Jingbo Sun también contribuyeron al trabajo.El fotodetector se realizó en colaboración con Albert Davydov del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST y Anlian Pan de la Universidad de Hunan. Wenjing Liu de Penn, Xiaopeng Fan, Zhifeng Zhang y Sergiy Krylyuk de NIST también contribuyeron al trabajo.
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