新型可调谐涡旋微激光器

涡旋激光是以光绕其运动轴旋转的方式命名的，这得益于一种称为轨道角动量（OAM）的特性。不同的轨道角动量模式对应于这些螺旋的方向和间距，并且可以给定激光和探测器足够的灵敏度，这种也可用于信息传输。

随着计算机变得越来越强大，连接越来越紧密，我们发送和接收的数据量与我们用来传输数据的技术一直在竞争。随着对光纤互联网布线和数据中心需求的增长，电子现在证明速度不够快，正被光子所取代。

尽管光比电快得多，但在现代光学系统中，更多的信息是通过将数据分层传输到光波的多个方面，如其振幅、波长和偏振度。越来越复杂的“多路复用”技术是领先于不断增长的数据需求的唯一途径，但这些技术也正在接近瓶颈。我们已经没有足够的空间来存储更多的光的传统属性的数据了。

为了突破这一障碍，工程师们正在探索一些光的难以控制的特性。现在，宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院的两项研究表明，该系统能够操纵和探测一种被称为光的轨道角动量（轨道角动量）的性质。关键的是，他们是第一个在小型半导体芯片上这样做的，并且具有足够的精度，可以用作传输信息的介质。

相关的研究已发表在《科学Science》杂志上，是与杜克大学、东北大学、米兰理工大学、湖南大学和美国国家标准与技术研究所的研究人员共同合作完成的。

由材料科学与工程系、电子与系统工程系助理教授Liang Feng领导的这项研究表明，微激光器可以动态调谐到多种不同的轨道角动量模式。另一个由材料科学与工程系教授Ritesh Agarwal展示了如何用基于芯片的探测器测量激光的轨道角动量模式。

这种“涡旋”激光器，以其光绕其运行轴的螺旋方式命名，在2016年由Feng用量子对称驱动的设计进行了首次演示。然而，到目前为止，Feng和该领域的其他研究人员仅限于传输一个预先设置好的轨道角动量模式，这使得它们无法对更多信息进行编码。在接收端，现有的探测器依靠复杂的滤波技术，使用体积庞大的元器件，这些元件阻止了探测器直接集成到芯片上，因此与大多数实用的光通信方法不兼容。

总之，这种新型的可调谐涡流微型收发器和接收器代表了系统中两个最关键的组件，它们可以使光通信的信息密度成倍增加，从而可能打破即将出现的带宽瓶颈。

动态调整轨道角动量值的能力还将使光子更新成为一种经典的加密技术：跳频。通过在只有发送方和接收方知道的预定义序列中的轨道角动量模式之间快速切换，可以使光通信不可能被截获。

上图所示微环激光器两侧控制臂的光抽运不对称使得产生的光的轨道角动量可以调谐到不同的模式，且利用一种新的轨道光电流效应负责探测光的轨道角动量。