Vortex lasers are named for the way light spirals around their axis of travel, thanks to a property known as orbital angular momentum, or OAM. Different OAM “modes” correspond to the direction and spacing of those spirals. Given a sensitive enough laser and detector, those modes could be another property in which information could be transmitted.一项新的研究发现，涡旋激光可以帮助光子携带更多的数据。现代光通信从光的亮度和颜色等多个方面对数据进行编码。为了在光中存储更多的数据，科学家们正在探索证明更难控制的光的其他特性。正在研究的光的一个有希望的特性与动量有关。光有动量，就像一个在空间中运动的物理物体，即使它没有质量。因此，当光照在物体上时，它会施加一种力。而光的线性动量在光运动的方向上施加推力，而光的角动量则施加扭矩。光束可以具有两种角动量。光线的旋转角动量可以使它照射的物体原地旋转，而它的轨道角动量可以使物体围绕光线的中心旋转。一束携带轨道角动量的光束类似于一个漩涡，以螺旋状的模式在空间中移动，就像一个螺旋。传统光束的中心最亮，而漩涡光束的中心则是暗的环形，这是由于组成漩涡光束的一些波是相互干扰的。涡旋光束的一个潜在的非常有用的特性是，如果它们都具有不同的扭曲模式，它们不会相互干扰。这意味着理论上无限数量的涡旋光束可以叠加在一起，同时携带无限数量的数据流。然而，到目前为止，所有在电信波长发射的微芯片级旋涡激光器都仅限于发射一个轨道角动量模式。同时，现有的涡流光束探测器依赖于使用笨重组件的复杂滤波技术，这使得它们无法集成到芯片上，并使它们与大多数实用的光通信方法不兼容。现在，宾夕法尼亚大学的科学家和他们的同事已经在涡流激光和涡流束探测器方面取得了突破。他们在5月15日出版的《科学》杂志的两项研究中详细阐述了他们的发现。研究人员首先用一个由直径只有7微米的砷化铟镓磷化铟环组成的微环激光器，通过650纳米宽的通道，光可以在其中循环流动。通过改变从环两侧的微观臂泵入这个圆的光，研究人员可以改变从激光发射的光束的轨道角动量。他们没有发射一个轨道角动量模式，而是显示出它可以发射五个不同的模式。科学家们还开发了一种基于二碲化钨的光探测器，它可以像所谓的Weyl半金属一样工作，这种材料的性能介于导电金属和纯半导体之间。他们的实验发现，不同的光轨道角动量模式各自在光电探测器内产生独特的电流模式，他们建议这种检测光轨道角动量的电子方法可以缩放到微芯片上工作。“通过使用我们的激光产生五种不同的轨道角动量模式，并用我们的探测器对它们进行分类，轨道角动量通道的数据容量可以提高5倍，”宾夕法尼亚大学光学工程师、描述激光的研究报告的主要作者Liang Feng说。
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Ritesh Agarwal and Liang Feng, pictured in 2018.宾夕法尼亚大学的材料科学家、描述探测器的研究报告的主要作者Ritesh Agarwal说：“我们现在拥有两个基本的集成元素，即通过轨道角动量模式实现大容量光通信的源和探测器。”在未来，Feng说，他们可以用电的方法，而不是用激光来调整涡旋光束的轨道角动量，这有助于更好地将这些装置集成到微芯片上。他还建议，通过增加轨道角动量模式的数量，可以将涡旋束设置为任意角度。Agarwal说，科学家们还计划提高探测器对单光子的灵敏度，以便它能在量子通信和其他量子应用中发挥作用。然而，要获得高灵敏度和高信号纯度将是一项挑战，因此我们将继续寻找更好的材料平台并改进制造技术。文章来源：
