Verdrehtes Licht senden und empfangen

Die Datenmengen im weltweiten Internet steigen beständig an. Rechenzentren müssen immer schnellere Verarbeitungs­kapazitäten bereitstellen. Die Möglichkeiten, die bestehende Technik immer weiter zu minia­turisieren, sind zwar noch vorhanden, allerdings sind einige Technologien schon ziemlich ausgereizt und keine großen Sprünge mehr zu erwarten. Nun gibt es einen Multi­plikations­faktor, der die Daten­übertragung bedeutend voranbringen könnte und der bislang noch nicht Stand der Technik ist: Der Drehimpuls von Photonen bietet einen unabhängigen Freiheitsgrad, um Datenpakete zu bündeln.

Allerdings fehlt es derzeit noch an praktisch einsetzbaren, kompakten Geräten, mit denen sich solche OAM-Pulse (orbital angular momentum) erzeugen und auch wieder nachweisen lassen. Das Problem besteht in einer geschickten Verbindung von Halbleiter­technik und passender Opto­elektronik. Zwei internationale Forscherteams unter Leitung von Wissen­schaftlern der University of Pennsylvania in Philadelphia haben nun sowohl einen OAM-Mikrolaser als auch einen OAM-Photo­detektor vorgestellt, die neue Optionen für photonische Schalt­kreisen der nächsten Generation eröffnen.

Das erste Team hat einen speziell designten Mikrolaser entwickelt, der auf einer Halbleiter-Mikro­kavität basiert. Diese hat die Form eines Rings mit einem Durchmesser von etwas unter vier Mikrometern. Durch diesen minia­turisierten Ansatz wollen die Forscher die Vorteile integrierter Optiken ins Spiel bringen. Mikrolaser auf einem Chip gelten als kompakte und wenig stör­anfällige Lösungen. Dabei wollten die Forscher die OAM-Moden mit der gängigen zirkulären Polari­sation verbinden, die dem Spindrehimpuls entspricht und deswegen auch als SAM-Zustände (spin angular momentum) bezeichnet werden. Ähnliche Ansätze hatten nun bislang mit dem Problem zu kämpfen, nicht rekon­figurierbar zu sein und bei jeder Wellenlänge immer nur den selben definierten OAM-Zustand aussenden zu können. Wieder andere Geräte können nicht schnell und sicher zwischen den verschie­denen Zuständen umschalten. Deshalb sollte der neue Mikrolaser die Option für echtes Multiplexing eröffnen, also je nach Wunsch unter­schiedliche OAM-Moden auszu­strahlen. Der Clou bestand darin, die Wechsel­wirkung zwischen OAM- und SAM-Zuständen zu nutzen, so dass der Mikrolaser eine gewisse Bandbreite verschieden verdrehter Lichtpulse abstrahlen kann.

Dazu entwarfen die Forscher einen Mikroring-Resonator, der zwei Flüster­galerie-Moden erzeugen konnte, einmal in Richtung des Uhrzeiger­sinns und einmal in Gegen­richtung. Dieser befand sich sich auf einer 200 Nanometer dicken InGaAsP-Mehrfach-Quantentopf-Schicht und war an zwei Kontrollarme angeschlossen, die eine indirekte Kopplung der beiden Moden erlaubten. Durch eine fein gewählte Abstimmung der Geometrie dieser Wellen­leiter konnten die Forscher die radialen und azimuthalen Komponenten des elektrischen Feldes beeinflussen. Dadurch koppelten über die Spin-Bahn-Wechsel­wirkung die rechts- und die links­händige Polari­sation mit den OAM-Moden. Die Entartung zwischen den in Gegenrichtung zirkulierenden Zuständen ließ sich dadurch aufheben, dass die Forscher eine nicht-hermi­­tesche Modenkopplung in Form eines speziellen Wellenleiters einführten. Dank dieser geschickten geometrischen Wahl optischer Komponenten kann der Mikrolaser fünf verschiedene Arten von OAM-Pulsen aussenden, die in Einheiten des Planckschen Wirkungs­quantum vom zweifach negativen bis zum zweifach positivem Zustand laufen – und zwar bei einer fixierten Wellenlänge. 

Um solche Pulse verwerten zu können, benötigt man aber auch einen OAM-Photo­detektor, der zuverlässig zwischen den verschiedenen Zuständen unterscheiden kann. Das zweite Forscherteam nutzte Elektroden aus Wolfram-Ditellurid. Dieses besondere Material ist bei Raumtemperatur ein Weyl-Semimetall mit einer gebrochenen Inversions­symmetrie. 

Dank einer passend gewählten Geometrie ist diese Photo­elektrode über einen orbitalen photo­galvanischen Effekt auf den helikalen Phasen­gradienten von OAM-Wellen empfindlich. Dabei reagieren die Elektronen im Material auf spezifische Weise auf den Drehimpuls der Photonen, was schließlich zu einem Photostrom proportional zum Bahn­drehimpuls der Photonen führt. Mit diesem Photo­detektor ließen sich sowohl die verschiedenen Zustände von OAM-Signalen als auch der Beitrag von SAM-Zuständen auseinander­halten, was für Multi­plexing entscheidend ist.

Mit solchen Mikro­optiken könnte in den nächsten Jahren das Multiplexing von Wellenlänge, Polari­sation und Bahn­drehimpuls deutlich vorankommen. Dabei werden aber nicht nur Faktoren wie Preis und Zuver­lässigkeit eine Rolle spielen. Auch die Glasfaser­industrie dürfte noch mit neuen Angeboten aufwarten, denn über längere Strecken drohen bislang die OAM-Moden noch verloren zu gehen.

Dirk Eidemüller

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  Z. Zhang et al.: Tunable topological charge vortex microlaser, Science 368, 760 (2020); DOI: 10.1126/science.aba8996
• Z. Ji et al.: Photocurrent detection of the orbital angular momentum of light, Science 368, 763 (2020); DOI: 10.1126/science.aba9192

• Electrical and Systems Engineering, University of Pennsylvania, Philadelphia

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