Дослідники з Каліфорнійського університету в Берклі знайшли новий спосіб використовувати властивості світлових хвиль, які можуть радикально збільшити обсяг даних, які вони несуть. Вони продемонстрували випромінювання дискретних лазерних променів від антен, що складаються з концентричних кілець, приблизно рівних діаметру людського волосся, досить маленьких, щоб їх можна було розмістити на комп'ютерних чіпах.
Нова робота, про яку повідомляється в статті, опублікованій в журналі Nature Physics, широко розкриває обсяг інформації, яка може бути мультиплексована або одночасно передана когерентним джерелом світла. Поширеним прикладом мультиплексування є передача декількох телефонних дзвінків по одному проводу, але існували фундаментальні обмеження на кількість когерентних скручених світлових хвиль, які могли бути безпосередньо мультиплексовані.
«Це перший випадок, коли лазери, що виробляють скручене світло, були безпосередньо мультиплексовані», - сказав головний дослідник Бубакар Канте з кафедри електротехніки та комп'ютерних наук Каліфорнійського університету в Берклі.
"Ми переживаємо вибух даних у нашому світі, і канали зв'язку, які ми маємо зараз, скоро будуть недостатні для того, що нам потрібно. Технологія, про яку ми повідомляємо, долає поточні обмеження ємності даних за допомогою характеристики світла, званої орбітальним кутовим моментом. Це гра-чейнджер з додатками в області біологічної візуалізації, квантової криптографії, високопродуктивного зв'язку і датчиків.
Канте сказав, що сучасні методи передачі сигналів за допомогою електромагнітних хвиль досягають своєї межі. Частота, наприклад, стала насиченою, ось чому існує так багато станцій, на які можна налаштуватися по радіо. Поляризація, коли світлові хвилі поділяються на два значення - горизонтальне або вертикальне - може подвоїти обсяг переданої інформації.
Кінематографісти користуються цим при створенні тривимірних фільмів, дозволяючи глядачам зі спеціалізованими окулярами отримувати два набори сигналів - по одному для кожного ока для створення стереоскопічного ефекту та ілюзії глибини.
Використання потенціалу у вихорі
Але за межами частоти і поляризації знаходиться орбітальний кутовий момент, або ОУМ, властивість світла, яке привернуло увагу вчених, тому що воно забезпечує експоненційно велику пропускну здатність для передачі даних. Один із способів представити ОУМ - порівняти його з вихором торнадо.
«Вихор у світлі, з його нескінченними ступенями свободи, може, в принципі, підтримувати необмежену кількість даних», - сказав Канте. "Завдання полягало в тому, щоб знайти спосіб надійно виробляти нескінченну кількість променів OYM. Ніхто ще не здійснював пучки ОУМ таких високих зарядів у такому компактному пристрої ".
Дослідники почали з антени, одного з найважливіших компонентів електромагнетизму і, як вони зазначили, центрального для поточних технологій 5G і майбутніх технологій 6G. Антени в цьому дослідженні є топологічними, що означає, що їх основні властивості зберігаються навіть при скручуванні або вигині пристрою.
Створення кілець світла
Щоб зробити топологічну антену, дослідники використовували електронно-променеву літографію, щоб витравити сітку на фосфіді арсеніда індія-галія, напівпровідниковому матеріалі, а потім прикріпили структуру до поверхні із залізного гранату іттрію.
Дослідники розробили сітку для формування квантових ям у вигляді трьох концентричних кіл - найбільший близько 50 мікрон в діаметрі для вловлювання фотонів. Конструкція створювала умови для підтримки явища, відомого як фотонний квантовий ефект Холу, який описує рух фотонів при додатку магнітного поля, що змушує світло рухатися в кільцях тільки в одному напрямку.
«Люди думали, що квантовий ефект Холла з магнітним полем може бути використаний в електроніці, але не в оптиці через слабкий магнетизм існуючих матеріалів на оптичних частотах», - сказав Канте. «Ми перші показали, що квантовий ефект Холла дійсно працює для світла».
Застосовуючи магнітне поле, перпендикулярне їх почесній мікроструктурі, дослідники успішно генерували три лазерних промені OYM, що рухаються по кругових орбітах над поверхнею. Дослідження також показало, що лазерні промені мають квантові числа, що досягають 276, що означає кількість разів, коли світло обертається навколо своєї осі на одній довжині хвилі.
«Мати більше квантове число - все одно що мати більше букв в алфавіті», - сказав Канте. - Ми дозволяємо світлу розширити свій словниковий запас. У нашому дослідженні ми продемонстрували цю здатність на телекомунікаційних довжинах хвиль, але в принципі вона може бути адаптована і до інших частотних смуг. Незважаючи на те, що ми створили три лазери, помноживши швидкість передачі даних на три, немає межі можливій кількості променів і ємності даних.
Вчені кажуть, що наступним кроком буде створення квантових кілець Холу, які використовують електрику в якості джерел енергії.
