p À medida que os computadores ficam mais poderosos e conectados, a quantidade de dados que enviamos e recebemos está em uma corrida constante com as tecnologias que usamos para transmiti-los. Os elétrons agora estão se mostrando insuficientemente rápidos e estão sendo substituídos por fótons à medida que a demanda por cabos de fibra ótica para Internet e centros de dados aumenta. p Embora a luz seja muito mais rápida que a eletricidade, em sistemas ópticos modernos, mais informações são transmitidas por camadas de dados em vários aspectos de uma onda de luz, como sua amplitude, comprimento de onda e polarização. Técnicas de "multiplexação" cada vez mais sofisticadas como essas são a única maneira de ficar à frente da crescente demanda por dados, mas esses também estão se aproximando de um gargalo. Estamos simplesmente ficando sem espaço para armazenar mais dados nas propriedades convencionais da luz.

p Para quebrar essa barreira, os engenheiros estão explorando algumas das propriedades mais difíceis de controlar da luz. Agora, dois estudos da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas da Universidade da Pensilvânia mostraram um sistema que pode manipular e detectar uma propriedade conhecida como momento angular orbital, ou OAM, de luz. Criticamente, eles são os primeiros a fazê-lo em pequenos chips semicondutores e com precisão suficiente para serem usados ​​como meio de transmissão de informações.

p O par combinado de estudos, publicado no jornal Ciência , foi feito em colaboração com pesquisadores da Duke University, Universidade do Nordeste, a Universidade Politécnica de Milão, Hunan University e o Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia dos EUA.

p Um estudo, liderado por Liang Feng, professor assistente nos departamentos de Ciência e Engenharia de Materiais e Engenharia Elétrica e de Sistemas, demonstra um microlaser que pode ser ajustado dinamicamente para vários modos OAM distintos. O outro, liderado por Ritesh Agarwal, professor do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais, mostra como o modo OAM de um laser pode ser medido por um detector baseado em chip. Ambos os estudos envolvem colaborações entre os grupos Agarwal e Feng na Penn.

p Esses lasers "vórtices", nomeado pela forma como suas espirais de luz em torno de seu eixo de viagem, foram demonstrados pela primeira vez por Feng com projetos orientados por simetria quântica em 2016. No entanto, Feng e outros pesquisadores da área têm se limitado, até agora, a transmitir um único, modo OAM predefinido, tornando-os impraticáveis ​​para codificar mais informações. Na ponta receptora, os detectores existentes contam com técnicas de filtragem complexas usando componentes volumosos que os impedem de serem integrados diretamente em um chip, e são, portanto, incompatíveis com a maioria das abordagens práticas de comunicação óptica.

p Juntos, este novo micro-transceptor e receptor de vórtice sintonizável representa os dois componentes mais críticos de um sistema que pode permitir uma maneira de multiplicar a densidade de informação da comunicação óptica, potencialmente quebrando aquele gargalo de largura de banda iminente.

p A capacidade de ajustar dinamicamente os valores de OAM também permitiria uma atualização fotônica para uma técnica de criptografia clássica:salto de frequência. Ao alternar rapidamente entre os modos OAM em uma sequência predefinida conhecida apenas pelo remetente e pelo receptor, comunicações ópticas podem ser impossibilitadas de interceptar.

p "Nossas descobertas marcam um grande passo em direção ao lançamento de redes de comunicação óptica de grande capacidade e ao enfrentamento da iminente crise de informações, "diz Feng.

p Na forma mais básica de comunicação óptica, transmitir uma mensagem binária é tão simples quanto representar 1s e 0s, independentemente de a luz estar acesa ou apagada. Esta é efetivamente uma medida da amplitude da luz - quão alto é o pico da onda - que sentimos como brilho. Conforme lasers e detectores se tornam mais precisos, eles podem emitir e distinguir consistentemente entre diferentes níveis de amplitude, permitindo que mais bits de informação sejam contidos no mesmo sinal.

p Lasers e detectores ainda mais sofisticados podem alterar outras propriedades da luz, como seu comprimento de onda, que corresponde à cor, e sua polarização, que é a orientação das oscilações da onda em relação à sua direção de viagem. Muitas dessas propriedades podem ser definidas independentemente umas das outras, permitindo uma multiplexação cada vez mais densa.

p O momento angular orbital é outra propriedade da luz, embora seja consideravelmente mais difícil de manipular, dada a complexidade dos recursos em nanoescala necessários para gerá-lo a partir de lasers do tamanho de um chip de computador. A luz polarizada circularmente carrega um campo elétrico que gira em torno de seu eixo de viagem, o que significa que seus fótons têm uma qualidade conhecida como momento angular de rotação, ou SAM. Sob interações spin-órbita altamente controladas, O SAM pode ser bloqueado ou convertido em outra propriedade, momento angular orbital, ou OAM.

p A pesquisa sobre um laser OAM dinamicamente ajustável com base neste conceito foi conduzida por Feng e o estudante de graduação Zhifeng Zhang.

p Neste novo estudo, Feng, Zhang e seus colegas começaram com um laser "microring", que consiste em um anel de semicondutor, apenas alguns mícrons de largura, através do qual a luz pode circular indefinidamente enquanto a energia for fornecida. Quando luz adicional é "bombeada" para o anel a partir dos braços de controle em ambos os lados do anel, o anel delicadamente desenhado emite luz laser polarizada circularmente. Criticamente, a assimetria entre os dois braços de controle permite que o SAM do laser resultante seja acoplado ao OAM em uma direção específica.

p Isso significa que, em vez de apenas girar em torno do eixo da viga, como a luz circularmente polarizada, a frente de onda desse laser orbita esse eixo e, portanto, viaja em um padrão helicoidal. O "modo" OAM de um laser corresponde à sua quiralidade, a direção que essas hélices giram, e quão próximas são suas torções.

p "Demonstramos um laser de microring que é capaz de emitir cinco modos distintos de OAM, "Feng diz." Isso pode aumentar o canal de dados de tais lasers em até cinco vezes. "

p Ser capaz de multiplexar o OAM, O SAM e o comprimento de onda da luz laser são em si sem precedentes, mas não é particularmente útil sem um detector que pode diferenciar entre esses estados e lê-los.

p Em conjunto com o trabalho de Feng no microlaser de vórtice sintonizável, a pesquisa sobre o detector OAM foi liderada por Agarwal e Zhurun ​​Ji, um estudante de pós-graduação em seu laboratório.

p "Os modos OAM são detectados atualmente por meio de abordagens em massa, como classificadores de modo, ou por técnicas de filtragem, como decomposição modal, "Agarwal diz, "mas nenhum desses métodos provavelmente funcionará em um chip, ou interface perfeitamente com sinais eletrônicos. "

p Agarwal e Ji desenvolveram seu trabalho anterior com semimetais de Weyl, uma classe de materiais quânticos que possuem estados quânticos em massa, cujas propriedades elétricas podem ser controladas por meio de luz. Seus experimentos mostraram que eles podiam controlar a direção dos elétrons nesses materiais, iluminando-os com diferentes SAMs.

p Junto com seus colaboradores, Agarwal e Ji se basearam nesse fenômeno projetando um fotodetector que responde da mesma forma a diferentes modos OAM. Em seu novo detector, a fotocorrente gerada pela luz com diferentes modos OAM produziu padrões de corrente únicos, o que permitiu aos pesquisadores determinar o OAM da luz que incide em seu dispositivo.

p "Esses resultados não apenas demonstram um novo fenômeno quântico na interação luz-matéria, "Agarwal diz, "mas, pela primeira vez, permitir a leitura direta das informações de fase da luz usando um fotodetector on-chip. Esses estudos são uma grande promessa para o projeto de sistemas altamente compactos para futuros sistemas de comunicação óptica."

p Próximo, Agarwal e Feng planejam colaborar em tais sistemas. Ao combinar sua experiência única para fabricar microlasers e detectores de vórtice no chip que podem detectar OAM de luz com exclusividade, eles irão projetar sistemas integrados para demonstrar novos conceitos em comunicações ópticas com recursos aprimorados de transmissão de dados para luz clássica e ao aumentar a sensibilidade a fótons individuais, para aplicações quânticas. Esta demonstração de uma nova dimensão para armazenar informações com base nos modos OAM pode ajudar a criar estados quânticos de superposição mais ricos para aumentar a capacidade de informações em algumas ordens de magnitude.