Революция в передаче данных: мультиплексные оптические антенны для ультрабыстрой связи

Исследователи обнаружили способ использовать свойства световых волн, которые могут радикально увеличить объем передаваемых данных. Они продемонстрировали излучение дискретных закрученных лазерных лучей из антенн, состоящих из концентрических колец примерно с диаметром человеческого волоса — достаточно малых для размещения на компьютерных чипах.

Работа значительно увеличит объем информации, который можно мультиплексировать, или одновременно передавать, когерентным световым источником. Обычный пример мультиплексирования — передача множественных телефонных звонков по одному проводу, но существовало фундаментальное ограничение на количество когерентных закрученных световых волн, которые можно было напрямую мультиплексировать.

Технология преодолевает текущие пределы емкости данных через характеристику света, называемую орбитальным угловым моментом (ОУМ). У неё есть приложения в биологической визуализации, высокоемкостных коммуникациях и сенсорах.

Текущие методы передачи сигналов через электромагнитные волны достигают своего предела. Частота, например, стала насыщенной, поэтому можно настроиться только на определенное количество радиостанций. Поляризация, где световые волны разделяются на два значения — горизонтальное или вертикальное — может удвоить объем передаваемой информации. Кинематографисты используют это при создании 3D-фильмов, позволяя зрителям со специализированными очками получать два набора сигналов — по одному для каждого глаза — для создания стереоскопического эффекта и иллюзии глубины.

За пределами частоты и поляризации находится орбитальный угловой момент (ОУМ), свойство света, привлекшее внимание ученых, потому что оно предлагает экспоненциально большую емкость для передачи данных. Один способ представления ОУМ — сравнить его с вихрем торнадо. Вихрь в свете, с его бесконечными степенями свободы, в принципе может поддерживать неограниченное количество данных. Вызов заключался в нахождении способа надежно производить бесконечное число ОУМ-лучей.

Исследователи начали с антенны, одного из самых важных компонентов в электромагнетизме и центрального для текущих 5G и грядущих 6G технологий. Антенны в этом исследовании топологические — их существенные свойства сохраняются даже при скручивании или изгибании устройства.

Для создания топологической антенны исследователи использовали электронно-лучевую литографию для травировки сеточного узора на индие-галлиево-арсенидо-фосфиде (полупроводниковом материале), а затем приклеили структуру на поверхность из иттрий-фарфора. Они спроектировали сетку для формирования квантовых ям в узоре из трех концентрических кругов — наибольший около 50 микрон в диаметре — для захвата фотонов. Дизайн создал условия для поддержки явления, известного как фотоновый квантовый Холлов эффект, описывающий движение фотонов при приложении магнитного поля, заставляющего свет двигаться только в одном направлении в кольцах.

Приложив магнитное поле перпендикулярно двумерной микроструктуре, исследователи успешно сгенерировали три ОУМ-лазерных луча, движущихся по круговым орбитам над поверхностью. Исследование также показало, что лазерные лучи имели квантовые числа до 276, относящиеся к количеству оборотов света вокруг своей оси за одну длину волны.