Låser op for lysets uudnyttede potentiale i optisk kommunikation

Forskere ved Tokyo Institute of Technology har fremstillet et multiplexer/demultiplexermodul baseret på en lysegenskab, der ikke blev udnyttet i kommunikationssystemer:den optiske hvirvel. Sådanne enheder vil være afgørende for at forbedre optiske netværk, som er rygraden i nutidens internet, så de kan imødekomme morgendagens trafikkrav.

I vores kommunikationscentrerede æra, Internettrafikken har været stærkt stigende. De enorme mængder data, der rejser gennem Internettet, aktiveres af enorme rygradnetværk, normalt involverer millioner af forbindelser implementeret ved hjælp af optisk kommunikationsteknologi. Forudsiger at denne stigning i datastrømmen ikke snart vil stoppe, forskere verden over søger efter måder at videreudvikle og forbedre optisk kommunikation.

En allestedsnærværende teknik i moderne elektronisk kommunikation er multiplexing, hvilket er en måde at maksimere brugen af ​​den tilgængelige båndbredde. Multiplexing består i at pakke flere signaler til et enkelt signal, der kan sendes via et delt medium, såsom en optisk fiber. Det modtagne komplekse signal demultiplexeres derefter ved modtageren, og hvert enkelt signal dirigeres til dets påtænkte destination. Flere multiplexeringstilgange bruges i dag til at opnå hastigheder på over 100 gbits/s gennem optiske netværk.

Imidlertid, vi skal finde en måde at proppe flere data ind i optiske signaler uden at kræve mere energi og til en lav pris; det er, nye multiplexingsteknologier er nødvendige. Nylige lovende metoder involverer at drage fordel af lysets egenskaber, der ikke konventionelt bruges til kommunikation til at kode uafhængige signaler. For eksempel, polarisering af lys er allerede blevet anvendt, og praktiske anvendelser er blevet foreslået.

På den anden side, der er en anden egenskab ved lys, kaldet "optisk hvirvel", der kan udnyttes. Dette var fokus for en forskning udført ved Tokyo Institute of Technology, ledet af adjunkt Tomohiro Amemiya. "Den optiske hvirvel bærer lysets orbitale vinkelmoment og kan bruges til at multiplexere signaler ved at tildele hvert signal til en lysbølge med forskellig momentum, "forklarer Amemiya. Anvendelsen af ​​den optiske hvirvel til signalmultiplexering repræsenterer et uudnyttet område med et stort potentiale.

Selvfølgelig, endda at tænke på at kode signaler i lysbølger med forskellige optiske hvirvler og transmittere dem, det er først nødvendigt at designe og implementere de nødvendige kredsløb til både multiplexing og demultiplexering. Forskergruppen designede og fremstillede derfor et orbitalt vinkelmoment -multiplex-/demultiplexeringsmodul.

Deres enhed blev fremstillet til at tage fem uafhængige signaler som input. Ved hjælp af en kombination af to små kredsløbstrukturer, kaldet en stjernekobler og en optisk-hvirvelgenerator, hvert af de fem signaler er "indkodet" med et unikt optisk vinkelmoment. Udgangssignalet består af en kombination af de fem signaler, og modtagerkredsløbet behøver kun at udføre multiplexeringsoperationen omvendt (demultiplexering) for at ende igen med de fem uafhængige signaler.

Det fremstillede modul er vist i figur 1. De buede spidser på bølgelederne i den optiske-hvirvelgenerator var fremstillet af silicium og målt et par mikrometer. Fremstillingsprocessen for den optiske-hvirvelgenerator var blevet rapporteret i tidligere undersøgelser, og det arbejde, teamet nu udfører, demonstrerer en konkret anvendelse af denne teknologi.

Enheder og multiplexingsteknikker som dem, der demonstreres af teamet, vil være afgørende i den nærmeste fremtid. "Det er sikkert, at efterspørgslen efter systemer med høj kapacitet med lave omkostninger og mindre energitab vil stige yderligere i fremtiden, "fastslår Amemiya. Heldigvis flere måder at forbedre nuværende kommunikationssystemer ved at udnytte lysets uudnyttede egenskaber vil helt sikkert blive tilgængelige for at bringe os et skridt fremad i vores kommunikationstid.