Lys ubundet:Datagrænser kan forsvinde med nye optiske antenner

Forskere ved University of California, Berkeley, har fundet en ny måde at udnytte egenskaber ved lysbølger, der radikalt kan øge mængden af ​​data, de bærer. De demonstrerede emission af diskrete vridende laserstråler fra antenner, der består af koncentriske ringe, der stort set svarer til diameteren på et menneskehår, lille nok til at blive placeret på computerchips.

Det nye værk, rapporteret i et papir offentliggjort torsdag, 25. februar kl. i journalen Naturfysik , åbner mængden af ​​information, der kan multiplexeres, eller transmitteres samtidigt, af en sammenhængende lyskilde. Et almindeligt eksempel på multiplexing er transmission af flere telefonopkald over en enkelt ledning, men der havde været grundlæggende grænser for antallet af sammenhængende snoede lysbølger, der kunne multiplexeres direkte.

"Det er første gang, at lasere, der producerer snoet lys, er blevet direkte multiplekset, "sagde undersøgelsesforsker Boubacar Kanté, Chenming Hu -lektor ved UC Berkeleys afdeling for elektroteknik og datalogi. "Vi har oplevet en eksplosion af data i vores verden, og de kommunikationskanaler, vi har nu, vil snart være utilstrækkelige til det, vi har brug for. Den teknologi, vi rapporterer, overvinder nuværende datakapacitetsgrænser gennem et lysegenskab, der kaldes orbital vinkelmoment. Det er en game-changer med applikationer inden for biologisk billeddannelse, kvantekryptografi, kommunikation og sensorer med høj kapacitet. "

Kanté, som også er en fakultetsforsker i afdelingen for materialevidenskab ved Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), har fortsat dette arbejde på UC Berkeley efter at have startet forskningen ved UC San Diego. Den første forfatter til undersøgelsen er Babak Bahari, en tidligere ph.d. studerende i Kantés laboratorium.

Kanté sagde, at de nuværende metoder til at transmittere signaler gennem elektromagnetiske bølger når deres grænse. Frekvens, for eksempel, er blevet mættet, derfor er der kun så mange stationer, man kan stille ind på radioen. Polarisering, hvor lysbølger adskilles i to værdier - vandret eller lodret - kan fordoble mængden af ​​overført information. Filmskabere drager fordel af dette, når de opretter 3D-film, tillader seere med specialiserede briller at modtage to sæt signaler - et for hvert øje - for at skabe en stereoskopisk effekt og illusionen om dybde.

Udnytte potentialet i en hvirvel

Men ud over frekvens og polarisering er orbital vinkelmoment, eller OAM, en lysegenskab, der har vakt opmærksomhed fra forskere, fordi den tilbyder eksponentielt større kapacitet til dataoverførsel. En måde at tænke på OAM på er at sammenligne den med hvirvelen af ​​en tornado.

"Hvirvelen i lys, med sine uendelige frihedsgrader, kan, i princippet, understøtter en ubegrænset mængde data, "sagde Kanté." Udfordringen har været at finde en måde til pålideligt at producere det uendelige antal OAM -bjælker. Ingen har nogensinde produceret OAM -stråler med så høje ladninger i en så kompakt enhed før. "

Forskerne startede med en antenne, en af ​​de vigtigste komponenter inden for elektromagnetisme og, de bemærkede, centralt for igangværende 5G og kommende 6G -teknologier. Antennerne i denne undersøgelse er topologiske, hvilket betyder, at deres væsentlige egenskaber bevares, selv når enheden er snoet eller bøjet.

Oprettelse af lysringe

For at lave den topologiske antenne, forskerne brugte elektronstråle litografi til at etse et gittermønster på indiumgalliumarsenidphosphid, et halvledermateriale, og derefter limet strukturen på en overflade lavet af yttrium jern granat. Forskerne designet gitteret til at danne kvantebrønde i et mønster af tre koncentriske cirkler - de største omkring 50 mikrometer i diameter - for at fange fotoner. Designet skabte betingelser for at understøtte et fænomen kendt som den fotoniske quantum Hall -effekt, som beskriver fotons bevægelse, når et magnetfelt påføres, tvinger lys til kun at bevæge sig i en retning i ringene.

"Folk troede, at quantum Hall -effekten med et magnetfelt kunne bruges i elektronik, men ikke i optik på grund af den svage magnetisme af eksisterende materialer ved optiske frekvenser, "sagde Kanté." Vi er de første, der viser, at quantum Hall -effekten virker for lys. "

Ved at anvende et magnetfelt vinkelret på deres todimensionale mikrostruktur, forskerne har med succes genereret tre OAM -laserstråler, der bevæger sig i cirkulære baner over overfladen. Undersøgelsen viste endvidere, at laserstrålerne havde kvantetal så store som 276, refererer til antallet af gange lyset snor sig rundt om sin akse i en bølgelængde.

"At have et større kvantetal er som at have flere bogstaver at bruge i alfabetet, "sagde Kanté." Vi tillader lys at udvide sit ordforråd. I vores undersøgelse, vi demonstrerede denne evne ved telekommunikationsbølgelængder, men i princippet, den kan tilpasses andre frekvensbånd. Selvom vi lavede tre lasere, gange datahastigheden med tre, der er ingen grænse for det mulige antal stråler og datakapacitet. "

Kanté sagde, at det næste trin i hans laboratorium er at lave kvante Hall -ringe, der bruger elektricitet som strømkilder.