Primul microlaser și detector vortex reglabil, bazat pe cip - ScienceDaily
Pe măsură ce computerele devin mai puternice și conectate, cantitatea de date pe care o trimitem și o primim este într-o cursă constantă cu tehnologiile pe care le folosim pentru a le transmite. Electronii se dovedesc a fi insuficient de rapizi și sunt înlocuiți cu fotoni pe măsură ce crește cererea de cablare a internetului prin fibră optică și centre de date.
Deși lumina este mult mai rapidă decât electricitatea, în sistemele optice moderne, mai multe informații sunt transmise prin stratificarea datelor în mai multe aspecte ale unei unde de lumină, cum ar fi amplitudinea, lungimea de undă și polarizarea acesteia. Tehnici de „multiplexare” din ce în ce mai sofisticate ca acestea sunt singura modalitate de a rămâne înaintea cererii tot mai mari de date, dar și acestea se apropie de un blocaj. Pur și simplu rămânem fără spațiu pentru a stoca mai multe date în proprietățile convenționale ale luminii.
Pentru a trece peste această barieră, inginerii explorează unele dintre proprietățile luminii mai greu de controlat. Acum, două studii de la Școala de Inginerie și Știință Aplicată a Universității din Pennsylvania au arătat un sistem care poate manipula și detecta o astfel de proprietate cunoscută sub numele de impulsul unghiular orbital, sau OAM, al luminii. În mod critic, sunt primii care o fac pe cipuri semiconductoare mici și cu suficientă precizie încât să poată fi folosit ca mediu de transmitere a informațiilor.
Perechea de studii potrivite, publicată în revista Science, a fost realizată în colaborare cu cercetători de la Universitatea Duke, Universitatea Northeastern, Universitatea Politehnică din Milano, Universitatea Hunan și S.U.A. Institutul Național de Standarde și Tehnologie.
Un studiu, condus de Liang Feng, profesor asistent în departamentele de Știința și Ingineria Materialelor și Ingineria Electrică și a Sistemelor, demonstrează un microlaser care poate fi reglat dinamic la mai multe moduri OAM distincte. Celălalt, condus de Ritesh Agarwal, profesor la Departamentul de Știința și Ingineria Materialelor, arată cum modul OAM al unui laser poate fi măsurat printr-un detector bazat pe cipuri. Ambele studii implică colaborări între grupurile Agarwal și Feng de la Penn.
Astfel de lasere „vortex”, denumite pentru modul în care spiralele lor de lumină din jurul axei lor de călătorie, au fost demonstrate pentru prima dată de Feng cu proiecte bazate pe simetrie cuantică în 2016. Cu toate acestea, Feng și alți cercetători din domeniu s-au limitat până acum la transmiterea unui un singur mod OAM prestabilit, ceea ce le face impracticabile pentru codificarea mai multor informații. La capătul de recepție, detectoarele existente s-au bazat pe tehnici complexe de filtrare care utilizează componente voluminoase care le-au împiedicat să fie integrate direct pe un cip și, prin urmare, sunt incompatibile cu majoritatea abordărilor practice de comunicații optice.
Împreună, acest nou micro-transceptor și receptor vortex reglabil reprezintă cele două componente cele mai critice ale unui sistem care poate permite o modalitate de a multiplica densitatea informațiilor de comunicații optice, putând distruge acel blocaj de lățime de bandă care se apropie.
Capacitatea de a regla dinamic valorile OAM ar permite, de asemenea, o actualizare fotonică a unei tehnici clasice de criptare: saltul de frecvență. Prin comutarea rapidă între modurile OAM într-o secvență predefinită cunoscută doar de expeditor și receptor, comunicațiile optice ar putea fi imposibil de interceptat.
„Descoperirile noastre marchează un pas mare spre lansarea rețelelor de comunicații optice de mare capacitate și confruntarea viitoarei crize de informații”, spune Feng.