A medida que las computadoras se vuelven más potentes y conectadas, la cantidad de datos que enviamos y recibimos está en una carrera constante con las tecnologías que usamos para transmitirlos. Los electrones ahora están demostrando ser insuficientemente rápidos y están siendo reemplazados por fotones a medida que crece la demanda de cableado de Internet de fibra óptica y centros de datos.

Aunque la luz es mucho más rápida que la electricidad, en sistemas ópticos modernos, se transmite más información mediante la superposición de datos en múltiples aspectos de una onda de luz, como su amplitud, longitud de onda y polarización. Las técnicas de "multiplexación" cada vez más sofisticadas como estas son la única forma de adelantarse a la creciente demanda de datos, pero esos 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 Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Pensilvania han demostrado un sistema que puede manipular y detectar una propiedad conocida como momento angular orbital, o OAM, de luz. Críticamente, son los primeros en hacerlo en pequeños chips semiconductores y con la precisión suficiente para que pueda utilizarse como medio de transmisión de información.

El par de estudios emparejados, publicado en la revista Ciencias , se realizó en colaboración con investigadores de la Universidad de Duke, Universidad del Noroeste, la Universidad Politécnica de Milán, 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 microláser que se puede ajustar dinámicamente a múltiples modos OAM distintos. El otro, dirigido por Ritesh Agarwal, profesor del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales, muestra cómo se puede medir el modo OAM de un láser mediante un detector basado en chip. Ambos estudios involucran colaboraciones entre los grupos Agarwal y Feng en Penn.

Tales láseres de "vórtice", llamado así por la forma en que su luz gira en espiral alrededor de su eje de viaje, fueron demostrados por primera vez por Feng con diseños basados ​​en simetría cuántica en 2016. Sin embargo, Feng y otros investigadores en el campo hasta ahora se han limitado a transmitir un solo, modo OAM preestablecido, haciéndolos 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 han impedido que se integren directamente en un chip. y, por lo tanto, son incompatibles con la mayoría de los enfoques prácticos de comunicaciones ópticas.

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 del ancho de banda que se avecina.

La capacidad de ajustar dinámicamente los valores OAM también permitiría una actualización fotónica de una técnica de cifrado clásica:el salto de frecuencia. Al cambiar rápidamente entre los modos OAM en una secuencia predefinida conocida solo por el remitente y el receptor, las comunicaciones ópticas podrían resultar imposibles de interceptar.

"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 unos y ceros en función de si la luz está encendida o apagada. Ésta es efectivamente una medida de la amplitud de la luz (qué tan alto es el pico de la onda) que experimentamos como brillo. A medida que los láseres y los detectores se vuelven más precisos, pueden emitir y distinguir consistentemente entre diferentes niveles de amplitud, permitiendo contener más bits de información en la misma señal.

Incluso los láseres y detectores 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 viaje. Muchas de estas propiedades se pueden establecer de forma independiente entre sí, permitiendo 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 a nanoescala necesarias para generarlo a partir de láseres del tamaño de un chip de computadora. La luz polarizada circularmente transporta un campo eléctrico que gira alrededor de su eje de viaje, lo que significa que sus fotones tienen una cualidad conocida como momento angular de espín, o SAM. Bajo interacciones espín-órbita altamente controladas, SAM se puede bloquear o convertir en otra propiedad, momento angular orbital, o OAM.

La investigación sobre un láser OAM sintonizable dinámicamente basado en este concepto fue dirigida por Feng y el estudiante de posgrado Zhifeng Zhang.

En este nuevo estudio, Feng, Zhang y sus colegas comenzaron con un láser "microring", que consta de un anillo de semiconductor, solo unas pocas micras de ancho, a través del cual la luz puede circular indefinidamente mientras se suministre energía. Cuando se "bombea" luz adicional al anillo desde los brazos de control a cada lado del anillo, el anillo de delicado diseño 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 en una 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 lo cerca que 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 ".

Pudiendo multiplexar el OAM, SAM y la longitud de onda de la luz láser no tienen precedentes, pero no es particularmente útil sin un detector que pueda diferenciar entre 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 de posgrado en su laboratorio.

"Los modos OAM se detectan actualmente a través de enfoques masivos, como clasificadores de modo, o mediante técnicas de filtrado como la descomposición modal, "Agarwal dice, "pero es probable que ninguno de estos métodos funcione en un chip, o interactuar sin problemas con señales electrónicas ".

Agarwal y Ji se basaron en su trabajo anterior con semimetales Weyl, una clase de materiales cuánticos que tienen estados cuánticos masivos cuyas propiedades eléctricas se pueden controlar con luz. Sus experimentos demostraron que podían controlar la dirección de los electrones en esos materiales al iluminarlos con diferentes SAM.

Junto a sus colaboradores, Agarwal y Ji se basaron en este fenómeno al diseñar un fotodetector que responde de manera similar a 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 investigadores determinar el OAM de la luz que incide en su dispositivo.

"Estos resultados no solo demuestran un fenómeno cuántico novedoso en la interacción luz-materia, "Agarwal dice, "pero por primera vez permiten la lectura directa de la información de fase de la luz usando un fotodetector en chip. Estos estudios son muy prometedores para diseñar sistemas altamente compactos para futuros sistemas de comunicación óptica".

Próximo, Agarwal y Feng planean colaborar en tales sistemas. Al combinar su experiencia única para fabricar microlasers y detectores de vórtice en chip que pueden detectar de forma única el OAM de la luz, diseñarán sistemas integrados para demostrar nuevos conceptos en comunicaciones ópticas con capacidades mejoradas de transmisión de datos para 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.