涡旋激光器可以帮助光子携带更多数据

扭曲的光束可以提高电信数据传输速率，宾夕法尼亚大学涡旋激光器以光围绕其行进轴螺旋运动的方式而得名，这要归功于它的轨道角动量（OAM）特性。不同的OAM“模式”对应于那些螺旋的方向和间距。给定足够灵敏的激光器和检测器，这些模式可能是可以传输信息的另一特性。

一项新的研究发现，涡旋激光器可以帮助光子携带更多数据。

现代光通信在光的多个方面（例如其亮度和颜色）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。

研究中的光的一个有前途的特征与动量有关。光具有动量，就像物理物体在空间中移动一样，即使它没有质量。这样，当光照射到物体上时，它会施加力。光的线性动量在光的移动方向上施加推力，而角动量则施加转矩。一束光束可以具有两种角动量。光线的自旋角动量可以使发光的对象旋转到位，而其轨道角动量可以使对象绕射线的中心旋转。带有轨道角动量的光束像漩涡一样，以螺旋状的形式像开瓶器一样在太空中移动。常规光束的中心最亮，而涡流光束的环形形状在中心较暗，这是由于组成涡流光束的某些波如何相互干扰。

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相互重叠，以同时承载无限数量的数据流。然而，直到现在，所有以电信波长发射的微芯片级涡旋激光器均仅限于发射单个轨道角动量图。同时，现有的涡旋光束检测器依靠使用大体积组件的复杂滤波技术，这会阻止它们集成在芯片上并使它们与大多数实际的光通信方法不兼容。

现在，宾夕法尼亚大学的科学家及其同事在涡旋激光器和涡旋束探测器方面都取得了突破。他们在5月15日的《科学》杂志上进行的两项研究中详细介绍了他们的发现。研究人员首先用一个由直径只有7微米的砷化铟镓磷化物环组成的微环激光器，在该激光器中，光可以通过650纳米宽的通道以环形流动。通过改变从该环两侧的微观臂泵入该圆的光，研究人员可以改变激光发射光束的轨道角动量。他们没有发出单一的轨道角动量模式，而是表明它可以发出五个不同的模式。

科学家还开发了一种基于二碲化钨的光探测器，该探测器的作用类似于所谓的Weyl半金属，这种材料的特性介于导电金属和纯半导体之间。他们的实验发现，光的不同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，并且他们建议这种检测光的轨道角动量的电子方法可以扩展到在微芯片上工作的程度。宾夕法尼亚大学光学工程师梁峰说：“通过使用我们的激光器生成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，可以将轨道角动量通道的数据容量提高五倍。”

宾夕法尼亚大学的材料科学家，研究的主要作者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。”

光学工程师梁峰说，将来，他们不再使用激光来调谐涡旋光束的轨道角动量，而是可以通过电子方式完成，这将有助于将这些器件更好地集成到微芯片上。他还建议，他们可以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。

科学家还计划提高检测器对单光子的灵敏度，以使其可用于量子通信和其他量子应用。