Мультиплексированные оптические антенны

Исследователи открыли способ использования свойств световых волн, которые могут радикально увеличить количество данных, которые они несут. Они продемонстрировали излучение дискретных закручивающихся лазерных лучей от антенн, состоящих из концентрических колец, примерно равных человеческому волосу в диаметре — достаточно маленьких, чтобы их можно было разместить на компьютерных чипах.

Работа позволит значительно увеличить количество информации, которая может быть мультиплексирована или одновременно передана когерентным источником света. Распространенным примером мультиплексирования является передача нескольких телефонных вызовов по одному проводу, но существовали фундаментальные ограничения на количество когерентных скрученных световых волн, которые можно было напрямую мультиплексировать.

Технология преодолевает текущие ограничения емкости данных благодаря характеристике света, называемой орбитальным угловым моментом. Он находит применение в биологической визуализации, высокопроизводительной связи и датчиках.

Современные методы передачи сигналов с помощью электромагнитных волн достигают своего предела. Частота, например, стала насыщенной, поэтому 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 преимуществом при создании 3D-фильмов, позволяя зрителям в специальных очках получать два набора сигналов — по одному для каждого глаза — для создания стереоскопического эффекта и иллюзии глубины.

Помимо частоты и поляризации, существует орбитальный угловой момент (ОУМ) — свойство света, которое привлекло внимание ученых, поскольку оно обеспечивает экспоненциально большую пропускную способность для передачи данных. Один из способов представить OAM — сравнить его с вихрем торнадо. Световой вихрь с его бесконечными степенями свободы в принципе может поддерживать неограниченное количество данных. Задача состояла в том, чтобы найти способ надежного создания бесконечного числа лучей OAM.

Исследователи начали с антенны, одного из наиболее важных компонентов в электромагнетизме, который занимает центральное место в текущих технологиях 5G и будущих технологиях 6G. Антенны в этом исследовании являются топологическими — их основные свойства сохраняются даже при скручивании или изгибе устройства.

Чтобы сделать топологическую антенну, исследователи использовали электронно-лучевую литографию, чтобы вытравить рисунок сетки на фосфиде арсенида индия-галлия (полупроводниковый материал), а затем прикрепить структуру к поверхности, сделанной из железо-иттриевого граната. Они разработали сетку для формирования квантовых ям в виде трех концентрических кругов, самый большой из которых имеет диаметр около 50 микрон, для улавливания фотонов. Дизайн создал условия для поддержки явления, известного как фотонный квантовый эффект Холла, который описывает движение фотонов под действием магнитного поля, заставляющего свет двигаться по кольцам только в одном направлении.

Приложив магнитное поле, перпендикулярное двумерной микроструктуре, исследователи успешно создали три лазерных луча OAM, путешествующих по круговым орбитам над поверхностью. Исследование также показало, что лазерные лучи имеют квантовые числа до 276, что соответствует количеству поворотов света вокруг своей оси за одну длину волны.