Snoet lys kunne belyse ny vej til trådløs kommunikation

Forskere har taget et vigtigt skridt hen imod at bruge 'snoet' lys som en form for trådløs, høj kapacitet datatransmission, som kan gøre fiberoptik forældet.

I en ny rapport offentliggjort i dag (torsdag 26. oktober) i tidsskriftet Videnskabens fremskridt , et hold fysikere baseret i Storbritannien, Tyskland, New Zealand og Canada beskriver, hvordan ny forskning i 'optisk vinkelmoment' (OAM) kunne overvinde nuværende vanskeligheder med at bruge snoet lys på tværs af åbne rum.

Forskere kan 'dreje' fotoner – individuelle lyspartikler – ved at føre dem gennem en særlig type hologram, svarende til det på et kreditkort, giver fotonerne et twist kendt som optisk vinkelmoment.

Mens konventionel digital kommunikation bruger fotoner som enere og nuller til at transportere information, antallet af sammenflettede drejninger i fotonerne giver dem mulighed for at bære yderligere data - noget der ligner at tilføje bogstaver ved siden af ​​eterne og nullerne. Snoede fotoners evne til at bære yderligere information betyder, at optisk vinkelmomentum har potentialet til at skabe kommunikationsteknologi med meget højere båndbredde.

Mens optiske vinkelmomentteknikker allerede er blevet brugt til at transmittere data på tværs af kabler, at transmittere snoet lys på tværs af åbne rum har været betydeligt mere udfordrende for forskere til dato. Selv simple ændringer i atmosfærisk tryk på tværs af åbne rum kan sprede lysstråler og forårsage, at spininformationen går tabt.

Forskerne undersøgte virkningerne på både fasen og intensiteten af ​​OAM, der bærer lys over en reel forbindelse i et bymiljø for at vurdere levedygtigheden af ​​disse former for kvanteinformationsoverførsel.

Deres ledige plads link, i Erlangen, Tyskland, var 1,6 km lang og passerede over marker og gader og tæt på højhuse for præcist at simulere et bymiljø og atmosfærisk turbulens, der kan forstyrre informationsoverførslen i rummet – en grundig tilgang, der vil være medvirkende til at bringe OAM-forskningen fremad.

Udførelse af disse felttest i et ægte bymiljø, har afsløret spændende nye udfordringer, som skal overvindes, før systemer kan gøres kommercielt tilgængelige. Tidligere undersøgelser har vist, at OAM-kommunikationssystemer kan lade sig gøre, men havde ikke fuldt ud karakteriseret virkningerne af turbulent luft på fasen af ​​det strukturerede lys, der forplanter sig over forbindelser af denne længde.

Dr. Martin Lavery, leder af Structured Photonics Research Group ved University of Glasgow, er hovedforfatter på holdets forskningspapir. Dr. Lavery sagde:"I en tid, hvor vores globale dataforbrug vokser med en eksponentiel hastighed, der er et stigende pres for at opdage nye metoder til informationsbæring, der kan følge med den enorme optagelse af data over hele verden.

"En komplet, fungerende optisk vinkelmomentumkommunikationssystem, der er i stand til at transmittere data trådløst på tværs af ledigt rum, har potentialet til at transformere onlineadgang for udviklingslande, forsvarssystemer og byer rundt om i verden.

"Optik til frirum er en løsning, der potentielt kan give os båndbredden af ​​fiber, men uden krav om fysisk kabelføring.

"Denne undersøgelse tager vigtige skridt fremad på rejsen mod højdimensionel frirumsoptik, der kan være en billigere, mere tilgængeligt alternativ til nedgravede fiberoptiske forbindelser."

Den turbulente atmosfære, der blev brugt i dette eksperiment, fremhævede skrøbeligheden af ​​formede fasefronter, især for dem, der ville være integreret i dataoverførsler med høj båndbredde. Denne undersøgelse indikerede de udfordringer, fremtidige adaptive optiske systemer vil være nødvendige for at løse.

Dr. Lavery tilføjede:"Med disse nye udviklinger, vi er sikre på, at vi nu kan genoverveje vores tilgange til kanalmodellering og kravene til adaptive optiksystemer. Vi kommer stadig tættere på at udvikle OAM-kommunikation, der kan implementeres i et ægte bymiljø.

"Vi ønsker at starte en samtale om de problemer, der skal behandles, og hvordan vi vil bevæge os hen imod en løsning."

Dr. Lavery påtog sig arbejdet i partnerskab med forskere fra Max Planck Institute for Science of Light og Institute of Optics, og universiteterne i Otago, Ottawa og Rochester.

Disse resultater gør det muligt for forskere at løse udfordringer - ikke tidligere observeret - i udviklingen af ​​adaptiv optik til kvanteinformationsoverførsel for at bevæge sig tættere på en ny tidsalder af frirumsoptik, der i sidste ende vil erstatte fiberoptik som en funktionel kommunikationsform i bymiljøer og fjernmålingssystemer .

Papiret, med titlen "Frirumsudbredelse af højdimensionelle strukturerede optiske felter i et bymiljø, " er offentliggjort i Videnskabens fremskridt .