无束缚的光:新的光学天线可能会消除数据限制

  加州大学伯克利分校的研究人员发现了一种利用光波属性的新方法,该方法可以从根本上增加其携带的数据量。他们演示了由同心环组成的天线发射的离散扭曲激光束的情况,该同心环大约等于人发的直径,小到可以放置在计算机芯片上。

  2月25日星期四发表在《自然物理学》杂志上的一篇论文中报道了这项新研究,它公开了通过相干光源可以多路复用或同时传输的信息量。复用的一个常见示例是通过一条电线传输多个电话呼叫,但是可以直接复用的相干扭曲光波的数量存在根本限制。

无束缚的光:新的光学天线可能会消除数据限制

  加州大学伯克利分校电气工程与计算机科学系的胡晨明副教授说:“这是第一次将产生扭曲光的激光器直接进行多路复用。” “我们一直在经历着世界上数据的爆炸式增长,现在我们已经拥有的通信渠道将很快无法满足我们的需求。我们报告的技术通过称为轨道角动量的光的特征克服了当前数据容量的限制。它是改变游戏规则的应用程序,在生物成像,量子密码学,大容量通信和传感器中都有应用。”

  坎特(Kanté)也是劳伦斯·伯克利国家实验室(伯克利实验室)材料科学部的教职科学家,在加州大学圣地亚哥分校开始研究后,一直在加州大学伯克利分校继续这项工作。该研究的第一作者是前博士Babak Bahari。康德实验室的学生。

  康特说,目前通过电磁波传输信号的方法已经达到了极限。例如,频率已经饱和,这就是为什么只有这么多电台可以收听到的电台的原因。极化将光波分为两个值(水平或垂直),可使传输的信息量增加一倍。电影制作人在制作3D电影时会利用这一点,使戴着特殊眼镜的观看者可以接收两组信号(每只眼各一个),从而产生立体效果和深度幻觉。

  利用涡流中的潜力

  但是,除了频率和极化以外,还有轨道角动量(OAM),它是光的一种性质,已经引起了科学家的关注,因为它提供了指数级地更大的数据传输能力。考虑OAM的一种方法是将其与龙卷风的旋涡进行比较。

  坎特说:“光的旋涡具有无限的自由度,原则上可以支持无限量的数据。” “挑战在于找到一种方法来可靠地产生无限数量的OAM光束。以前没有人在如此紧凑的设备中产生过如此高电荷的OAM光束。”

  研究人员从天线(电磁学中最重要的组件之一)开始,并且指出,这对正在进行的5G和即将到来的6G技术至关重要。这项研究中的天线是拓扑结构,这意味着即使设备扭曲或弯曲,它们的基本属性也得以保留。

  创造光环

  为了制造拓扑天线,研究人员使用电子束光刻技术在半导体材料砷化铟磷磷上蚀刻了网格图案,然后将结构粘合到钇铁石榴石制成的表面上。研究人员设计了网格,以三个同心圆(直径最大约50微米)的图案形成量子阱,以捕获光子。该设计创造了条件来支持一种称为光子量子霍尔效应的现象,该现象描述了施加磁场时光子的运动,迫使光在环中仅沿一个方向传播。

  坎特说:“人们认为带有磁场的量子霍尔效应可以用于电子产品,而不是光学产品,因为现有材料在光频率上的磁性很弱。” “我们是第一个证明量子霍尔效应确实对光有效的人。”

  通过施加垂直于其二维微观结构的磁场,研究人员成功地产生了三枚OAM激光束,它们在表面上方的圆形轨道中传播。研究进一步表明,激光束的量子数高达276,是指光在一个波长内绕其轴扭曲的次数。

  坎特说:“具有更大的量子数就像在字母表中使用更多的字母一样。” “我们允许光扩展其词汇量。在我们的研究中,我们展示了在电信波长下的这种能力,但是原则上,它可以适应其他频段。即使我们制造了三个激光器,将数据速率乘以三,光束的数量和数据容量没有限制。”

  康特说,他实验室的下一步是制造使用电能作为电源的量子霍尔环。

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