Ученые создали новую оптическую антенну для передачи информации без ограничений

Исследователи из Калифорнийского университета в Беркли нашли новый способ использовать свойства световых волн, которые могут радикально увеличить объем данных, которые они несут. Они продемонстрировали излучение дискретных скручивающихся лазерных лучей от антенн, состоящих из концентрических колец, примерно равных диаметру человеческого волоса, достаточно маленьких, чтобы их можно было разместить на компьютерных чипах.

Новая работа, о которой сообщается в статье, опубликованной в журнале Nature Physics, широко раскрывает объем информации, которая может быть мультиплексирована или одновременно передана когерентным источником света. Распространенным примером мультиплексирования является передача нескольких телефонных звонков по одному проводу, но существовали фундаментальные ограничения на количество когерентных скрученных световых волн, которые могли быть непосредственно мультиплексированы.

«Это первый случай, когда лазеры, производящие скрученный свет, были непосредственно мультиплексированы», — сказал главный исследователь Бубакар Канте с кафедры электротехники и компьютерных наук Калифорнийского университета в Беркли.

«Мы переживаем взрыв данных в нашем мире, и каналы связи, которые мы имеем сейчас, скоро будут недостаточны для того, что нам нужно. Технология, о которой мы сообщаем, преодолевает текущие ограничения емкости данных с помощью характеристики света, называемой орбитальным угловым моментом. Это игра-чейнджер с приложениями в области биологической визуализации, квантовой криптографии, высокопроизводительной связи и датчиков.»

Канте сказал, что современные методы передачи сигналов с помощью электромагнитных волн достигают своего предела. Частота, например, стала насыщенной, вот почему существует так много станций, на которые можно настроиться по радио. Поляризация, при которой световые волны разделяются на два значения — горизонтальное или вертикальное — может удвоить объем передаваемой информации.

Кинематографисты пользуются этим при создании трехмерных фильмов, позволяя зрителям со специализированными очками получать два набора сигналов — по одному для каждого глаза для создания стереоскопического эффекта и иллюзии глубины.

Использование потенциала в вихре

Но за пределами частоты и поляризации находится орбитальный угловой момент, или ОУМ, свойство света, которое привлекло внимание ученых, потому что оно обеспечивает экспоненциально большую пропускную способность для передачи данных. Один из способов представить ОУМ — сравнить его с вихрем торнадо.

«Вихрь в свете, с его бесконечными степенями свободы, может, в принципе, поддерживать неограниченное количество данных», — сказал Канте. «Задача состояла в том, чтобы найти способ надежно производить бесконечное количество лучей OУM. Никто еще не производил пучки ОУМ таких высоких зарядов в таком компактном устройстве.»

Исследователи начали с антенны, одного из самых важных компонентов электромагнетизма и, как они отметили, центрального для текущих технологий 5G и будущих технологий 6G. Антенны в этом исследовании являются топологическими, что означает, что их основные свойства сохраняются даже при скручивании или изгибе устройства.

Создание колец света

Чтобы сделать топологическую антенну, исследователи использовали электронно-лучевую литографию, чтобы вытравить сетку на фосфиде арсенида индия-галлия, полупроводниковом материале, а затем прикрепили структуру к поверхности из железного граната иттрия.

Исследователи разработали сетку для формирования квантовых ям в виде трех концентрических кругов—самый большой около 50 микрон в диаметре для улавливания фотонов. Конструкция создавала условия для поддержки явления, известного как фотонный квантовый эффект Холла, который описывает движение фотонов при приложении магнитного поля, заставляющего свет двигаться в кольцах только в одном направлении.

«Люди думали, что квантовый эффект Холла с магнитным полем может быть использован в электронике, но не в оптике из-за слабого магнетизма существующих материалов на оптических частотах», — сказал Канте. «Мы первые показали, что квантовый эффект Холла действительно работает для света.»

Применяя магнитное поле, перпендикулярное их двумерной микроструктуре, исследователи успешно генерировали три лазерных луча OУM, движущихся по круговым орбитам над поверхностью. Исследование также показало, что лазерные лучи имеют квантовые числа, достигающие 276, что означает количество раз, когда свет вращается вокруг своей оси на одной длине волны.

«Иметь большее квантовое число — все равно что иметь больше букв в алфавите», — сказал Канте. — Мы позволяем свету расширить свой словарный запас. В нашем исследовании мы продемонстрировали эту способность на телекоммуникационных длинах волн, но в принципе она может быть адаптирована и к другим частотным полосам. Несмотря на то, что мы создали три лазера, умножив скорость передачи данных на три, нет предела возможному количеству лучей и емкости данных.»

Ученые говорят, что следующим шагом будет создание квантовых колец Холла, которые используют электричество в качестве источников энергии.