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光学and photonics

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新设备生产并检测扭曲的灯

19 May 2020
扭曲的光可以提高数据传输

随着世界对数据传输的胃口增长,建立了发送多个同时,独立信号的方式,单个光纤 - 称为多路复用的过程落后。本周,美国研究人员向替代复用方法的进展报告了可能会大大提高现有光纤网络的能力。它们的技术依赖于使用基于芯片的微膜来控制光的轨道角动量(OAM)。在一个单独的纸张中,它们也首次证明它们可以通过电子方式检测到这种“扭曲”光的少量橡子。两篇论文一起标志着光纤通信中OAM复用的重要步骤,也可以对量子通信具有影响。

光子可以承载两种类型的角动量。第一是自旋角动量(SAM),其由于波传播而从光的偏振的旋转旋转而产生。可以在这些偏振状态中编码单独的信号,虽然这种“偏振分裂复用”面对技术问题,但它已发现利基商业用途,并且几家公司正在进一步开发。然而,由于光子仅具有两个正交偏振状态,因此这种类型的多路复用可以是最佳的,仅仅是光纤的容量。

其他类型的角动量,奥姆, 当波前自己围绕着传播轴缠绕时,出现在像面食螺旋一样。 OAM量化 - 波前必须在每个全波长后看起来相同— but there is 无限制多少 有可能。更好的是,每个OAM状态都与其他OAM状态正交。 原则上,这意味着每个光纤可以在每个波长下传输无限数量的信号,而没有干扰。

这是理论。在实践中,已经产生了高达100的OAM值的光的状态,但是控制它们需要以工作数据传输系统中不切实际的方式物理操纵光学组件。因此,几个研究组开发了在发射之前调制激光抛光的方法。然而,这种方法面临着局限性,光学工程师说 梁锋 宾夕法尼亚大学,美国。 “你需要一个外部激光来喂灯,”他解释道。

更糟糕的是,光的橡木与传统的光电探测器无法察觉。 “用奥姆的光线,所有信息都处于波浪的阶段,” ritesh agarwal.宾夕法尼亚州的光学工程师和冯同事。 “所有探测器都基本上计数在该点处撞击材料的光子的数量并基于该点产生光电流。相位信息消失了。“

动量控制

宾夕法尼亚州的研究人员和其他机构的同事现已发表回到返回的论文 科学 提出克服这些障碍的方法。这 第一篇论文 2016年布法罗大学梁凤集团的工作建立在布法罗大学,他和他的实验室成员在圆形微米级铟镓砷化物激光腔中隔离单手性(顺时针或逆时针)模式。这一提前意味着激光器的输出光仅在一个方向上行进,并用精确定义的OAM发出。

在最新工作中,研究人员展示了如何在不同OAM模式之间切换类似的激光。在腔周围添加两个微观的“控制臂”允许它们控制光子的山姆,从而选择锁定与SAM锁定的手性模式。用一组“齿轮齿”修改腔体本身使它们将SAM转换为OAM。因此,它们可以通过从控制臂注入额外的SAM来进一步增加光的ooam,并利用总角动量(OAM和SAM的总和)被保守的要求进一步。

结果是微米级激光器,可以在高纯度OAM状态之间动态切换,在+2到-2 - 潜在地在pic秒内 - 而不改变电信友好的1493nm的输出波长。对于这些实验,研究人员用1064nm激光将微升沉,但工作的高级作者冯说,这不应该是必要的。 “对于实际应用,我们可以原则上改变光学泵送到电气泵送,”他说。

非局部检测

在里面 第二篇论文,Agarwal和同事识别光线可以同时将OAM和能量转移到电子的“轨道光致vanic效应”。至关重要的是,agarwal解释说,检测OAM必须是非本地的 - 这意味着它只可以通过比较几个不同位置的值来进行。 “在局部检测中,您根据该点的强度测量相应的光电流,”他说。 “在带有OAM的光明中,所有相关信息都处于阶段,因为光线旋转。” Agarwal表示,该信息不能在任何单点检测到,但它包含在电场梯度中,因此可以产生光电流。

因此,agarwal和同事设计和制造了一种探测器,该探测器使用由钨Ditelluide制成的U形电极 - 一种称为a的特殊材料 Weyl Semimetal. - 拿起这种光电流。 “我们必须提出非常有趣的设备几何形状,以提取有关该阶段的信息,并确保我们不希望被取消的其他事情,”Agarwal解释说。

研究人员将激光束聚焦在其电极设置的中心上的恒定频率和强度,并在+4和-4之间变化其OAM。目前其探测器以离散步骤测量的各种不同,匹配其理论预测。 Agarwal预测,如果检测器被冷却到超导温度,则可以使用它来检测单个光子 - 对于量子通信和涉及“QUDITS”的量子计算协议的能力,或者具有超过0和1的多个可能状态的光子的能力。

精英成就

Miles Padgett.,英国格拉斯哥大学的物理学家,谁 专门从事奥马姆这两篇论文留下了深刻的印象,并相信第二个可能证明精美。 “第一论文代表了这些涡旋束的固态激光生成中的技术状态 - 毫无疑问 - 但它在以前建立了什么,”他说。 “据我所知,基于光电流的性质检测[OAM量子数]的能力是 - 嗯,这是任何人都能够做到这一点的第一次。”

艾伦·威纳人是美国南加州大学的电气工程师,我们制造了其中一个 OAM复用的首先演示 回到2012年,同意。 “我们在光学桌上建立了具有大,昂贵的设备的东西,在很大程度上我们仍然是”,“他说。 “原则上,一个人可以以成本效益,可靠,高性能的方式构建未来系统需要这些类型的构建块。我认为这是一个很棒的一步。“

Padgett和Willner现在希望看到研究人员结合两种技术,看看他们的探测器是否可以拿起他们的微叠层的OAM变化。 “我很乐意看到收发器,你有发射器和接收器集成在一起,”威纳尔说。

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