Man mano che i computer diventano più potenti e connessi, la quantità di dati che inviamo e riceviamo è in costante competizione con le tecnologie che utilizziamo per trasmetterli. Gli elettroni si stanno dimostrando insufficientemente veloci e vengono sostituiti dai fotoni man mano che cresce la domanda di cablaggi Internet in fibra ottica e data center.

Sebbene la luce sia molto più veloce dell'elettricità, nei moderni sistemi ottici, più informazioni vengono trasmesse stratificando i dati in più aspetti di un'onda luminosa, come la sua ampiezza, lunghezza d'onda e polarizzazione. Tecniche di "multiplexing" sempre più sofisticate come queste sono l'unico modo per stare al passo con la crescente domanda di dati, ma anche quelli si stanno avvicinando a un collo di bottiglia. Stiamo semplicemente esaurendo lo spazio per memorizzare più dati nelle proprietà convenzionali della luce.

Per sfondare questa barriera, gli ingegneri stanno esplorando alcune delle proprietà più difficili da controllare della luce. Ora, due studi della School of Engineering and Applied Science dell'Università della Pennsylvania hanno mostrato un sistema in grado di manipolare e rilevare una di queste proprietà nota come momento angolare orbitale, o OAM, di luce. criticamente, sono i primi a farlo su piccoli chip semiconduttori e con una precisione sufficiente da poter essere utilizzata come mezzo per la trasmissione di informazioni.

La coppia di studi abbinati, pubblicato sulla rivista Scienza , è stato fatto in collaborazione con i ricercatori della Duke University, Università del nordest, il Politecnico di Milano, Hunan University e il National Institute of Standards and Technology degli Stati Uniti.

Uno studio, guidato da Liang Feng, assistente professore nei dipartimenti di Scienza e ingegneria dei materiali e Ingegneria elettrica e dei sistemi, dimostra un microlaser che può essere sintonizzato dinamicamente su più modalità OAM distinte. L'altro, guidato da Ritesh Agarwal, professore presso il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali, mostra come la modalità OAM di un laser può essere misurata da un rivelatore basato su chip. Entrambi gli studi coinvolgono collaborazioni tra i gruppi Agarwal e Feng a Penn.

Tali laser "vortice", chiamato per il modo in cui la loro luce si avvolge a spirale attorno al loro asse di viaggio, sono stati dimostrati per la prima volta da Feng con progetti basati sulla simmetria quantistica nel 2016. Tuttavia, Feng e altri ricercatori del settore si sono finora limitati a trasmettere un singolo, modalità OAM preimpostata, rendendoli poco pratici per la codifica di più informazioni. Sul lato ricevente, i rilevatori esistenti si sono affidati a complesse tecniche di filtraggio utilizzando componenti ingombranti che hanno impedito loro di essere integrati direttamente su un chip, e sono quindi incompatibili con la maggior parte degli approcci pratici di comunicazione ottica.

Insieme, questo nuovo micro-ricevitore e ricevitore a vortice sintonizzabile rappresenta i due componenti più critici di un sistema che può consentire un modo di moltiplicare la densità di informazioni della comunicazione ottica, potenzialmente infrangendo quell'incombente collo di bottiglia della larghezza di banda.

La capacità di sintonizzare dinamicamente i valori OAM consentirebbe anche un aggiornamento fotonico a una tecnica di crittografia classica:il frequency hopping. Passando rapidamente tra le modalità OAM in una sequenza predefinita nota solo al mittente e al destinatario, comunicazioni ottiche potrebbero essere impossibili da intercettare.

"I nostri risultati segnano un grande passo avanti verso il lancio di reti di comunicazione ottica di grande capacità e per affrontare l'imminente crisi di informazioni, "dice Feng.

Nella forma più elementare di comunicazione ottica, trasmettere un messaggio binario è semplice come rappresentare 1 e 0 se la luce è accesa o spenta. Questa è effettivamente una misura dell'ampiezza della luce - quanto è alto il picco dell'onda - che sperimentiamo come luminosità. Man mano che laser e rilevatori diventano più precisi, possono emettere costantemente e distinguere tra diversi livelli di ampiezza, consentendo di contenere più bit di informazione nello stesso segnale.

Laser e rilevatori ancora più sofisticati possono alterare altre proprietà della luce, come la sua lunghezza d'onda, che corrisponde al colore, e la sua polarizzazione, che è l'orientamento delle oscillazioni dell'onda rispetto alla sua direzione di marcia. Molte di queste proprietà possono essere impostate indipendentemente l'una dall'altra, consentendo un multiplexing sempre più denso.

Il momento angolare orbitale è un'altra proprietà della luce, sebbene sia considerevolmente più difficile da manipolare, data la complessità delle caratteristiche su scala nanometrica necessarie per generarlo da laser delle dimensioni di un chip di computer. La luce polarizzata circolarmente trasporta un campo elettrico che ruota attorno al suo asse di viaggio, il che significa che i suoi fotoni hanno una qualità nota come momento angolare di spin, o SAM. Sotto interazioni spin-orbita altamente controllate, SAM può essere bloccato o convertito in un'altra proprietà, momento angolare orbitale, o OAM.

La ricerca su un laser OAM sintonizzabile dinamicamente basata su questo concetto è stata condotta da Feng e dallo studente laureato Zhifeng Zhang.

In questo nuovo studio, Feng, Zhang e i loro colleghi hanno iniziato con un laser "microring", che consiste in un anello di semiconduttore, solo pochi micron di larghezza, attraverso il quale la luce può circolare indefinitamente finché viene fornita energia. Quando la luce aggiuntiva viene "pompata" nell'anello dai bracci di controllo su entrambi i lati dell'anello, l'anello dal design delicato emette luce laser polarizzata circolarmente. criticamente, l'asimmetria tra i due bracci di controllo consente di accoppiare il SAM del laser risultante con l'OAM in una particolare direzione.

Ciò significa che invece di ruotare semplicemente attorno all'asse del raggio, come fa la luce polarizzata circolarmente, il fronte d'onda di un tale laser orbita attorno a quell'asse e quindi viaggia in uno schema elicoidale. La "modalità" OAM di un laser corrisponde alla sua chiralità, la direzione in cui si attorcigliano quelle eliche, e quanto sono ravvicinati i suoi colpi di scena.

"Abbiamo dimostrato un laser a microanello in grado di emettere cinque distinte modalità OAM, " Dice Feng. "Ciò potrebbe aumentare il canale dati di tali laser fino a cinque volte".

Essere in grado di multiplexare l'OAM, SAM e la lunghezza d'onda della luce laser è di per sé senza precedenti, ma non particolarmente utile senza un rilevatore in grado di distinguere tra questi stati e leggerli.

In concerto con il lavoro di Feng sul microlaser a vortice accordabile, la ricerca sul rivelatore OAM è stata condotta da Agarwal e Zhurun ​​Ji, uno studente laureato nel suo laboratorio.

"Le modalità OAM sono attualmente rilevate attraverso approcci di massa come i selezionatori di modalità, o mediante tecniche di filtraggio come la decomposizione modale, "Agarwal dice, "ma nessuno di questi metodi può funzionare su un chip, o interfacciarsi perfettamente con i segnali elettronici."

Agarwal e Ji hanno costruito sul loro precedente lavoro con i semimetalli Weyl, una classe di materiali quantistici che hanno stati quantistici di massa le cui proprietà elettriche possono essere controllate usando la luce. I loro esperimenti hanno mostrato che potevano controllare la direzione degli elettroni in quei materiali facendo brillare luce con diversi SAM su di essi.

Insieme ai loro collaboratori, Agarwal e Ji hanno attinto a questo fenomeno progettando un fotorilevatore che reagisce in modo simile a diverse modalità OAM. Nel loro nuovo rivelatore, la fotocorrente generata dalla luce con diverse modalità OAM ha prodotto modelli di corrente unici, che ha permesso ai ricercatori di determinare l'OAM della luce che colpisce il loro dispositivo.

"Questi risultati non solo dimostrano un nuovo fenomeno quantistico nell'interazione luce-materia, "Agarwal dice, "ma per la prima volta consentono la lettura diretta delle informazioni di fase della luce utilizzando un fotorilevatore su chip. Questi studi sono molto promettenti per la progettazione di sistemi altamente compatti per i futuri sistemi di comunicazione ottica".

Prossimo, Agarwal e Feng intendono collaborare su tali sistemi. Combinando la loro esperienza unica per fabbricare microlaser e rilevatori a vortice su chip in grado di rilevare in modo univoco l'OAM della luce, progetteranno sistemi integrati per dimostrare nuovi concetti nelle comunicazioni ottiche con capacità di trasmissione dati avanzate per la luce classica e aumentando la sensibilità ai singoli fotoni, per applicazioni quantistiche. Questa dimostrazione di una nuova dimensione per l'archiviazione delle informazioni basate sulle modalità OAM può aiutare a creare stati quantistici di sovrapposizione più ricchi per aumentare la capacità delle informazioni di alcuni ordini di grandezza.