Перший настроюваний вихровий мікролазер та детектор на основі чіпів - ScienceDaily
По мірі того, як комп’ютери стають потужнішими та зв’язанішими, обсяг даних, які ми надсилаємо та отримуємо, постійно переживає технології, які ми використовуємо для їх передачі. Електрони зараз виявляються недостатньо швидко і замінюються фотонами, оскільки попит на волоконно-оптичні кабелі Інтернету та центри обробки даних зростає.
Хоча світло набагато швидше, ніж електрика, в сучасних оптичних системах більше інформації передається за допомогою шарування даних у різні аспекти світлової хвилі, такі як її амплітуда, довжина хвилі та поляризація. Настільки складні методи "мультиплексування", як ці, є єдиним способом випередити зростаючий попит на дані, але вони теж наближаються до вузького місця. У нас просто не вистачає місця для зберігання більшої кількості даних у звичайних властивостях світла.
Щоб прорвати цей бар’єр, інженери досліджують деякі важчі для управління властивості світла. Зараз два дослідження Школи інженерних та прикладних наук Університету Пенсільванії показали систему, яка може маніпулювати та виявляти одну таку властивість, відому як орбітальний кутовий момент, або OAM, світла. Критично важливо, що вони першими роблять це на невеликих напівпровідникових мікросхемах і з достатньою точністю, щоб його можна було використовувати як засіб передачі інформації.
Відповідна пара досліджень, опублікована в журналі Science, була виконана у співпраці з дослідниками з Університету Дьюка, Північно-Східного університету, Міланського політехнічного університету, Університету Хунань та Національного інституту стандартів і технологій США.
Одне дослідження під керівництвом Лян Фенга, доцента кафедри матеріалознавства та техніки та електротехніки та системної інженерії, демонструє мікролазер, який можна динамічно налаштовувати на кілька різних режимів OAM. Другий під керівництвом Рітеша Агарваля, професора кафедри матеріалознавства та техніки, показує, як режим ОАМ лазера можна виміряти детектором на основі мікросхеми. Обидва дослідження передбачають співпрацю між групами "Агарвал" і "Фенг" у Пенсільванії.
Такі "вихрові" лазери, названі за способом їхніх світлових спіралей навколо своєї осі переміщення, були вперше продемонстровані Фенгом за допомогою квантової симетрії в 2016 році. Однак Фен та інші дослідники в цій галузі до цих пір обмежилися передачею одиночний, попередньо встановлений режим OAM, що робить їх непрактичними для кодування додаткової інформації. На приймальному кінці існуючі детектори покладаються на складні методи фільтрації з використанням громіздких компонентів, що перешкоджають їх інтеграції безпосередньо на мікросхему, і, отже, несумісні з більшістю практичних підходів до оптичного зв'язку.
Разом цей новий регульований вихровий мікротрансфівер та приймач представляє два найбільш критичні компоненти системи, які можуть забезпечити спосіб множення інформаційної щільності оптичного зв'язку, потенційно зруйнуючи це нависла пропускна здатність.
Можливість динамічного налаштування значень OAM також дозволить фотонне оновлення до класичної техніки шифрування: стрибка частоти. Швидким перемиканням між режимами OAM у заздалегідь визначеній послідовності, відомій лише відправнику та одержувачу, можна було б зробити неможливим перехоплення оптичного зв'язку.
"Наші висновки знаменують великий крок до запуску мереж оптичного зв'язку великої ємності та протистояння майбутній інформаційній кризі", - говорить Фенг.