Microláser que emite luz helicoidal

Dibujo20160730 intensity and phases distributions with n equal 56 in microring cavity science mag org

La luz helicoidal es la que tiene momento angular orbital. Se genera haciendo pasar la luz de un láser por un holograma adecuado. Se publica en Science el primer láser integrado en chip que emite luz helicoidal. Gracias a ello la luz helicoidal logrará gran número de aplicaciones en tecnologías de la información y de las comunicaciones, en especial, técnicas de codificación de la información que usan como nuevo grado de libertad el momento angular orbital.

El artículo es Pei Miao, Zhifeng Zhang, …, Liang Feng, “Orbital angular momentum microlaser,” Science 353: 464-467 (29 Jul 2016), doi: 10.1126/science.aaf8533. Más información divulgativa en Cory Nealon, “Vortex laser offers hope for Moore’s Law,” Phys Org, 28 Jul 2016.

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La luz de un láser convencional está compuesta de fotones polarizados linealmente, sin momento angular, con un frente de onda plano y un perfil espacial homogéneo. Los fotones polarizados circularmente tienen momento angular, el llamado momento angular de espín. En el año 1992 se demostró que un haz de luz puede tener otro momento angular asociado a la distribución espacial del campo electromagnético en un fotón, llamado momento angular orbital. Se suele llamar luz helicoidal porque la fase del campo electromagnético tiene frentes de onda en forma de hélice (en inglés se suele usar el término twist).

El momento angular de espín de un fotón tiene dos valores (los dos valores de la polarización). Pero su momento angular orbital puede tener un número arbitrario de valores. Gracias a ello crece el número de grados de libertad de un fotón que se pueden usar para codificar información, lo que incrementa el ancho de banda (la cantidad de bits por segundo que se puede transmitir). Por ejemplo, en la figura se muestra el caso de momento angular orbital N=56, que tiene 2*N+1 = 113 estados posibles.

Dibujo20160730 micrograph microscience mag org

El láser integrado de luz helicoidal usa tecnología CMOS y está formado por una cavidad en forma de resonador en microanillo. El microanillo está construido sobre un sustrato de InP y tiene un diámetro de 9 μm, una anchura de 1,1 μm y una altura de 1,5 μm, en concreto, 0,5 μm de InGaAsP y 1 μm de InP. Encima del anillo de InGaAsP se colocan una estructura periódica con nanocapas alternas de una monocapa de Ge de 30 nm y una bicapa de 5 nm de Cr y 11 nm de Ge. Esta estructura periódica es la que dota de índice de refracción complejo al microanillo y es responsable de la aparición del momento angular orbital.

Dibujo20160730 polarization dependence oam beam microlaser science mag org

Un haz de luz con momento angular tiene la forma espacial de un vórtice óptico. Por ello al hacerla pasar por filtros polarizadores con diferentes orientaciones (cuatro en la figura) se observa que tiene dos lóbulos con un mínimo central. El momento angular orbital de la luz del microláser se controla por diseño y está fijada una vez se fija el diseño. El nuevo láser integrado promete múltiples aplicaciones en comunicaciones ópticas, tanto en el régimen clásico como en el cuántico.


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