پژوهش‌گران آمریکایی و ایتالیایی از لیزر کوچکی رونمایی کردند که «نور پیچشی» ساطع می‌کند. این دستگاه نیمه‌رسانا که تنها 9 میکرومتر عرض دارد، می‌تواند پرتوی نوری تولید کند که حامل تکانه زاویه‌ای مداری است. با وجود آن‌که لازم است این محصول پیش از تجاری‌ شدن بهبود و ارتقا یابد، می‌توان پیش‌بینی کرد که روزی برای تقویت پهنای باند سیستم‌های مخابراتی-اپتیکی مورد استفاده قرار گیرد. به علاوه از نور پیچشی می‌توان در محاسبات کوانتومی و ارتباطات و مخابرات کوانتومی نیز استفاده کرد.

در یک پیچش: لیزر ریزحلقه نوری با OAM ساطع می‌کند

در پرتویی از نور با تکانه زاویه‌ای مداری (OAM)، جبهه موج میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی نور، حول محور انتشار می‌پیچد و در میان پرتوی نور جریانی حلقوی ایجاد می‌کند. OAM در مدهای منحصر به فرد و شناخته‌شده‌ای اتفاق می‌افتد و پژوهش‌گران موفق به ساخت نمونه‌ اولیه‌ای از سیستم‌های مخابراتی-اپتیکی شده‌اند که از این مدها برای انتقال اطلاعات استفاده می‌کند. توانایی استفاده از چندین مد مختلف در آن واحد موجب شده مقدار داده‌ای که می‌تواند به صورت آنالوگ از طریق فیبر نوری فرستاده شود، افزایش یابد. فیزیک‌پیشگان نشان دادند که OAM تک‌فوتون‌ها می‌توانند دست‌خوش دورنوردی کوانتومی (جابه‌جایی مادی در فضای غیرمادی) قرار گیرند و ممکن است برای انتقال اطلاعات کوانتومی در رایانه‌های کوانتومی و سامانه‌های رمزنویسی کوانتومی روزی از OAM بهره برده شود.

اما قبل از آن‌که بسیاری از این کاربردها محقق شود، پژوهش‌گران باید روی کوچک کردن لیزرهای OAM و مجتمع کردن آن‌ها در تراشه‌های اپتیکی کار کنند. بیشتر منابع OAM که امروزه موجود هستند بسیار بزرگ بوده و با ادوات اپتوالکترونیک نیمه‌رسانا-محور سازگار نیستند.

لیزری به شکل ساعت

 Liang Feng ،Natalia Litchinitserو هم‌کارانشان از دانشگاه ایالتی نیویورک در بوفالو و دانشگاه پلی‌تکنیک میلان لیزر OAM کوچکی ساختند که متشکل از حلقه‌ای از جنس ماده‌ای نیمه‌رساناست و قطر خارجی و داخلی آن به ترتیب 9 و 7 میکرومتر است. ضخامت حلقه 1/5 میکرومتر است و روی زیرلایه نیمه‌رسانا قرار می‌گیرد. سطح بالایی حلقه شبیه صفحه ساعتی با نشان‌های «تیک» با فاصله‌های منظم است که از دو ماده مختلف ساخته شده است (شکل را ببینید).

این ساختار با نام «ریزحلقه» شناخته می‌شود و مشهور است که وقتی با استفاده لیزری خارجی پمپاژ شود (یا به آن انرژی اعمال شود)، نور لیزر در چنین حلقه‌ای خواهد چرخید. با این حال در ریزحلقه‌های معمول، نور هم در جهت ساعت‌گرد و هم در جهت پادساعت‌گرد خواهد چرخید. در هر حالت چرخشی، OAM یکسان و خلاف جهت حمل می‌شود که به طور موثری یکدیگر را در نور ساطع‌شده توسط لیزر خنثی می‌‌کنند.

این جا همان‌جایی است که الگوی صفحه ساعت ظاهر می‌شود. موادی که برای ایجاد این الگو استفاده می‌شود، به صورتی انتخاب می‌شود که ضریب‌ شکست‌های ویژه‌ای داشته باشند تا نور تنها بتواند در یک جهت جریان یابد. دیواره خارجی ریزحلقه نیز دارای مدولاسیون تناوبی ضریب شکست است که موجب چرخش نور برای انتشار به سمت بالا می‌شود و از حلقه بیرون آمده و در فضای آزاد ظاهر می‌شود.

جدیدترین فن‌آوری حذف

لیزر در مد OAM خاصی نور فروسرخ تولید می‌کند و Feng می‌گوید که این لیزر دارای نرخ حذف باندجانبی تقریباً 40 دسی‌بل است. این عدد مقیاسی از کیفیت نور لیزر است که او آن را به عنوان آخرین فن‌آوری لیزرهای ریزحلقه معرفی می‌کند. هرچند او خاطرنشان کرد که در حال حاضر این لیزر توسط منبعی خارجی از نور لیزر به کار می‌افتد که استفاده از آن در دستگاه‌های تجاری مخابرات اپتیکی عملی نیست. وی می‌گوید این گروه در حال کار بر روی دستگاه‌های عملی‌‌تری است که با سیگنال‌های الکتریکی به کار افتد. یکی از اهداف پژوهش‌گران ساخت لیزرهای OAM‌ای است که می‌تواند بر روی تراشه‌های پردازش سیگنال پیشرفته‌ مجتمع شود.

یک نقص مهم این لیزر آن است که یک لیزر ریزحلقه تکی تنها می‌تواند یک مد OAM را خروجی دهد. بنابراین برای کدگذاری داده‌ها در مدهای مختلف انتخاب لیزرهای مختلف لازم است. Feng‌ می‌گوید ساخت تک‌حلقه‌ای که خروجی آن مدهای مختلف دلخواه باشد، نیازمند تحقیق و توسعه‌های بیشتر است.

لیزر ریزحلقه در نشریه Science  منتشر شده است.