新研究令单个光源能够同时传输的信息量实现飞跃。
来源 加州大学伯克利分校
翻译 武大可
编辑 魏潇
美国加州大学伯克利分校（University of California, Berkeley）的研究人员发现了一种新的方法，能使光信号携带的信息量显著提升。他们用同心圆环构成的天线演示了离散扭曲激光的发射。这一构件尺寸极小，直径与人的发丝相近，能够被置入计算机芯片。
这项研究于 2 月 25 日（周四）发表在《自然-物理学》（Nature Physics）上，报告了相干光源可以以多路复用（multiplex）——也就是同时传输的形式，传输更大的信息量。多路复用的一个常见例子是通过一条电话线同时传输多个电话呼叫，但直接进行复用的技术对相干扭曲光波的数量存在基本限制。
该研究的领导者、加州大学伯克利分校电气工程和计算机科学系副教授 Boubacar Kanté 表示：“这是首次将产生扭曲光的激光器直接设置为多路复用。我们正处在数据的爆炸式增长的时代，现有的通信传输方式很快就会无法满足我们的需求。这项研究带来的技术通过对光的轨道角动量（orbital angular momentum, OAM）特征的利用，突破了数据量的限制。这一突破性的技术有望为生物成像、量子密码学，大容量通信和传感器等领域的现有格局带来根本改变。”
Kanté 还是美国劳伦斯·伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory）材料科学系的科学家，他在加入加州大学伯克利分校前就开始了这项研究。论文的第一作者 Babak Bahari 曾在 Kanté 实验室攻读博士学位。
Kanté 说，目前依靠电磁波的传输信号技术已经接近物理极限。例如，对频段的开发已经达到饱和——这就是能够同时广播的电台数目存在上限的原因。而偏振将光波分为两个分量（水平或垂直），可使传输的信息量增加一倍。3D 电影的制作就利用到了这一点，使戴着特殊眼镜的观众能够接收两组信号（两只眼睛分别接受水平/垂直的偏振光），从而产生立体视觉效果。
开发“漩涡”的潜能
而除了频率和偏振以外，光还具有轨道角动量（OAM）这一性质，它具有成倍的数据传输能力，因而受到了科学家的关注。若要形象地理解 OAM，可以将其想象成龙卷风的旋涡。
Kanté说：“光的‘漩涡’具有无限的自由度，原则上可以承载无限量的数据。而技术上的挑战在于寻找一种可靠的方法来生成无限的 OAM 光束。在如此紧凑的设备中生成过如此高强度的 OAM 光束，目前并无先例。”
研究人员选择了最重要的电磁学组件之一——天线作为技术载体，因为它对目前的 5G 技术和未来的 6G 技术至关重要。这项研究中的天线具有拓扑设计，这保证了它的关键属性即使在被扭曲或弯折的情况下也能得以保留。
制造“光环”
为了制造拓扑天线，研究人员使用电子束光刻技术在半导体材料磷化砷镓铟（InGaAsP）上蚀刻出网格形状，然后将结构粘合到钇铁石榴石（一种具有多项磁特性的氧化铁合成晶体，常用于调节激光）制成的表面上。网格设计形成三个同心圆环（直径最大约 50微米）状的量子阱，以束缚光子。这样的设计令光子的量子霍尔效应现象（描述了施加磁场时光子的运动）得以发生，迫使光在环中沿同一方向传播。
Kanté 说：“磁场导致的量子霍尔效应过去仅被认为可应用于电子设备，但在光学设备缺乏应用前景，因为现有材料在光学频率上的磁效应很弱。而我们最先演示了光子的类似现象——光的量子霍尔效应。”
通过施加垂直于其二维微观结构的磁场，研究人员成功地产生了三束沿表面上方的圆形轨道传播的 OAM 激光。进一步研究表明，激光束的量子数（光在一个波长内绕其轴扭曲的次数）高达 276。
Kanté 说：“赋予结构更大的量子数就像在一门语言中使用更多的字母，令光得以扩展其‘词汇量’。在我们的研究中，我们展示了电磁波在通信频段上的这种能力。但原则上它也可在其他频段工作。我们现在制造的激光器数目是 3 部，数据传输速率是单个设备的 3 倍，但实际上光束的数量和传输容量并不受限。”
Kanté 表示，实验室的下一步是制造使用电能驱动的量子霍尔环。
https://www.eurekalert.org/pub_releases/2021-02/uoc--lud022221.php
论文信息
【标题】Photonic quantum Hall effect and multiplexed light sources of large orbital angular momenta
【期刊】Nature Physics
【作者】Babak Bahari, Liyi Hsu, Si Hui Pan, Daryl Preece, Abdoulaye Ndao, Abdelkrim El Amili, Yeshaiahu Fainman & Boubacar Kanté
【日期】2021年2月25日
【摘要】The quantum Hall effect involves electrons confined to a two-dimensional plane subject to a perpendicular magnetic field, but it also has a photonic analogue. Using heterostructures based on structured semiconductors on a magnetic substrate, we introduce compact and integrated coherent light sources of large orbital angular momenta7 based on the photonic quantum Hall effect. The photonic quantum Hall effect enables the direct and integrated generation of coherent orbital angular momenta beams of large quantum numbers from light travelling in leaky circular orbits at the interface between two topologically dissimilar photonic structures. Our work gives direct access to the infinite number of orbital angular momenta basis elements and will thus enable multiplexed quantum light sources for communication and imaging applications.
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