À mesure que les ordinateurs deviennent plus puissants et connectés, la quantité de données que nous envoyons et recevons est en constante course avec les technologies que nous utilisons pour la transmettre. Les électrons s'avèrent désormais insuffisamment rapides et sont remplacés par des photons à mesure que la demande de câbles Internet en fibre optique et de centres de données augmente.

Bien que la lumière soit beaucoup plus rapide que l'électricité, dans les systèmes optiques modernes, plus d'informations sont transmises en superposant les données en plusieurs aspects d'une onde lumineuse, comme son amplitude, longueur d'onde et polarisation. Des techniques de "multiplexage" de plus en plus sophistiquées comme celles-ci sont le seul moyen de garder une longueur d'avance sur la demande croissante de données, mais ceux-là aussi s'approchent d'un goulot d'étranglement. Nous manquons simplement de place pour stocker plus de données dans les propriétés conventionnelles de la lumière.

Pour franchir cette barrière, les ingénieurs explorent certaines des propriétés les plus difficiles à contrôler de la lumière. Maintenant, deux études de la School of Engineering and Applied Science de l'Université de Pennsylvanie ont montré un système capable de manipuler et de détecter une propriété connue sous le nom de moment angulaire orbital, ou OAM, de la lumière. De manière critique, ils sont les premiers à le faire sur de petites puces semi-conductrices et avec une précision suffisante pour qu'elles puissent être utilisées comme support de transmission d'informations.

La paire d'études appariées, publié dans la revue Science , a été fait en collaboration avec des chercheurs de l'Université Duke, Université du Nord-Est, l'Université Polytechnique de Milan, Université du Hunan et Institut national des normes et de la technologie des États-Unis.

Une étude, dirigé par Liang Feng, professeur assistant dans les départements de science et génie des matériaux et de génie électrique et des systèmes, montre un microlaser qui peut être réglé dynamiquement sur plusieurs modes OAM distincts. L'autre, dirigé par Ritesh Agarwal, professeur au Département de science et génie des matériaux, montre comment le mode OAM d'un laser peut être mesuré par un détecteur à puce. Les deux études impliquent des collaborations entre les groupes Agarwal et Feng à Penn.

De tels lasers "vortex", nommé pour la façon dont leur lumière spirale autour de leur axe de déplacement, ont été démontrés pour la première fois par Feng avec des conceptions basées sur la symétrie quantique en 2016. Cependant, Feng et d'autres chercheurs dans le domaine se sont jusqu'à présent limités à transmettre un seul, mode OAM prédéfini, ce qui les rend peu pratiques pour encoder plus d'informations. Du côté de la réception, les détecteurs existants se sont appuyés sur des techniques de filtrage complexes utilisant des composants encombrants qui les ont empêchés d'être intégrés directement sur une puce, et sont donc incompatibles avec la plupart des approches de communications optiques pratiques.

Ensemble, ce nouveau micro-émetteur-récepteur vortex accordable et récepteur représente les deux composants les plus critiques d'un système qui peut permettre un moyen de multiplier la densité d'information de la communication optique, potentiellement briser ce goulot d'étranglement imminent de la bande passante.

La possibilité de régler dynamiquement les valeurs OAM permettrait également une mise à jour photonique vers une technique de cryptage classique :le saut de fréquence. En basculant rapidement entre les modes OAM dans une séquence prédéfinie connue uniquement de l'expéditeur et du destinataire, les communications optiques pourraient être rendues impossibles à intercepter.

"Nos résultats marquent un grand pas vers le lancement de réseaux de communication optique de grande capacité et la confrontation à la crise de l'information à venir, " dit Feng.

Dans la forme la plus basique de communication optique, transmettre un message binaire est aussi simple que de représenter des 1 et des 0 selon que la lumière est allumée ou éteinte. Il s'agit en fait d'une mesure de l'amplitude de la lumière - la hauteur du pic de l'onde - que nous ressentons comme de la luminosité. À mesure que les lasers et les détecteurs deviennent plus précis, ils peuvent émettre et distinguer de manière cohérente entre différents niveaux d'amplitude, permettant à plus de bits d'information d'être contenus dans le même signal.

Des lasers et des détecteurs encore plus sophistiqués peuvent altérer d'autres propriétés de la lumière, comme sa longueur d'onde, qui correspond à la couleur, et sa polarisation, qui est l'orientation des oscillations de l'onde par rapport à sa direction de déplacement. Beaucoup de ces propriétés peuvent être définies indépendamment les unes des autres, permettant un multiplexage de plus en plus dense.

Le moment angulaire orbital est encore une autre propriété de la lumière, bien qu'il soit considérablement plus difficile à manipuler, étant donné la complexité des caractéristiques nanométriques nécessaires pour le générer à partir de lasers de la taille d'une puce informatique. La lumière polarisée circulaire transporte un champ électrique qui tourne autour de son axe de déplacement, ce qui signifie que ses photons ont une qualité connue sous le nom de moment angulaire de spin, ou SAM. Sous des interactions spin-orbite hautement contrôlées, SAM peut être verrouillé ou converti en une autre propriété, moment angulaire orbital, ou OAM.

La recherche sur un laser OAM accordable dynamiquement basé sur ce concept a été dirigée par Feng et l'étudiant diplômé Zhifeng Zhang.

Dans cette nouvelle étude, Feng, Zhang et leurs collègues ont commencé avec un laser "microring", qui se compose d'un anneau de semi-conducteur, seulement quelques microns de large, à travers lequel la lumière peut circuler indéfiniment tant que l'électricité est fournie. Lorsque de la lumière supplémentaire est "pompée" dans l'anneau à partir des bras de commande de chaque côté de l'anneau, l'anneau délicatement conçu émet une lumière laser à polarisation circulaire. De manière critique, l'asymétrie entre les deux bras de commande permet au SAM du laser résultant d'être couplé à l'OAM dans une direction particulière.

Cela signifie qu'au lieu de simplement tourner autour de l'axe du faisceau, comme le fait la lumière polarisée circulairement, le front d'onde d'un tel laser orbite autour de cet axe et se déplace ainsi selon un schéma hélicoïdal. Le "mode" OAM d'un laser correspond à sa chiralité, la direction dans laquelle ces hélices se tordent, et à quel point ses rebondissements sont proches.

« Nous avons fait la démonstration d'un laser à micro-anneau capable d'émettre cinq modes OAM distincts, " dit Feng. "Cela peut multiplier par cinq le canal de données de ces lasers."

Pouvoir multiplexer l'OAM, SAM et longueur d'onde de la lumière laser est en soi sans précédent, mais pas particulièrement utile sans un détecteur qui peut différencier ces états et les lire.

De concert avec les travaux de Feng sur le microlaser vortex accordable, la recherche sur le détecteur OAM a été dirigée par Agarwal et Zhurun ​​Ji, un étudiant diplômé dans son laboratoire.

« Les modes OAM sont actuellement détectés par des approches en vrac telles que les trieurs de modes, soit par des techniques de filtrage telles que la décomposition modale, " Agarwal dit, "mais aucune de ces méthodes n'est susceptible de fonctionner sur une puce, ou s'interfacer de manière transparente avec les signaux électroniques."

Agarwal et Ji se sont appuyés sur leurs travaux antérieurs avec les semi-métaux de Weyl, une classe de matériaux quantiques qui ont des états quantiques en vrac dont les propriétés électriques peuvent être contrôlées à l'aide de la lumière. Leurs expériences ont montré qu'ils pouvaient contrôler la direction des électrons dans ces matériaux en y projetant de la lumière avec différents SAM.

Avec leurs collaborateurs, Agarwal et Ji se sont inspirés de ce phénomène en concevant un photodétecteur qui réagit de la même manière aux différents modes OAM. Dans leur nouveau détecteur, le photocourant généré par la lumière avec différents modes OAM a produit des modèles de courant uniques, ce qui a permis aux chercheurs de déterminer l'OAM de la lumière frappant leur appareil.

"Ces résultats démontrent non seulement un nouveau phénomène quantique dans l'interaction lumière-matière, " Agarwal dit, "mais pour la première fois, permettent la lecture directe des informations de phase de la lumière à l'aide d'un photodétecteur sur puce. Ces études sont très prometteuses pour la conception de systèmes très compacts pour les futurs systèmes de communication optique."

Prochain, Agarwal et Feng prévoient de collaborer sur de tels systèmes. En combinant leur expertise unique pour fabriquer des microlasers et des détecteurs vortex sur puce capables de détecter de manière unique l'OAM de la lumière, ils concevront des systèmes intégrés pour démontrer de nouveaux concepts de communications optiques avec des capacités de transmission de données améliorées pour la lumière classique et en augmentant la sensibilité aux photons uniques, pour les applications quantiques. Cette démonstration d'une nouvelle dimension de stockage d'informations basée sur les modes OAM peut aider à créer des états quantiques de superposition plus riches pour augmenter la capacité d'information de quelques ordres de grandeur.