Pyörrevalolla vauhtia tiedonsiirtoon

Valon kiertoradan kulmamomentin eri OAM-moodit mahdollistavat uuden valon vapausasteen, jolla informaatiota voidaa siirtää.

Valolla on useita vapausasteita, joita voidaan käyttää informaation koodaamiseen. Valonsäde tai pulssi voidaan muokata myös siten, että sillä on kiertoradan kulmamomentin (orbital angular momentum) ominaisuus ja siitä tulee (vortex) pyörre. Koska pyörteen kiertolukumäärä voi olla mielivaltainen, informaation siirtokanavan kapasiteettia voidaan laajentaa huomattavasti.

Tähän asti tämän toteuttaminen on ollut rankka haaste.

Nyt Pennsylvanian yliopistossa tehdyt kaksi tutkimusta ovat osoittaneet järjestelmän, joka pystyy manipuloimaan ja havaitsemaan ominaisuutta, joka tunnetaan valon kiertoradan kulmavaihteena tai OAM:na.

Yksi tutkimus osoittaa mikrolaserin, joka voidaan dynaamisesti virittää useisiin erillisiin OAM-tiloihin. Toinen tutkimus osoittaa kuinka laserin OAM-tila voidaan mitata sirupohjaisella ilmaisimella

Tällaiset "pyörre" -laserit, joissa valo kiertää spiraalimaisesti liikeakselinsa ympäri, osoitti ensimmäistä kertaa vuonna 2016 tutkijaryhmään nytkin kuulunut Liang Feng. Kuitenkin alan tutkijat ovat tähän mennessä rajoittuneet siirtämään vain yhtä, ennalta asetettua OAM-tilaa.

Yhdessä nämä uudet viritettävät mikrotasoiset vortex-lähetin ja -vastaanotin edustavat järjestelmän kahta kriittistä komponenttia, jotka voivat mahdollistaa moninkertaistaa optisen viestinnän informaatiotiheyden.

Mahdollisuus dynaamisesti virittää OAM-arvoja mahdollistaisi myös fotonisen päivityksen klassiseen salaustekniikkaan: taajuushyppelyn. Vaihtamalla nopeasti OAM-tilojen välillä ennalta määritellyssä sekvenssissä, jonka vain lähettäjä ja vastaanottaja tuntevat, optinen viestintä voisi olla mahdotonta siepata.

"Demonstroimme mikrolasertyypin, joka pystyy lähettämään viittä erillistä OAM-tilaa", Feng sanoo. "Tämä voi kasvattaa tällaisten laserien datakanavaa jopa viisinkertaisesti."

Mahdollisuus multipleksoida laservalon OAM, SAM (spin angular momentum) ja aallonpituus on itsessään ennennäkemätöntä, mutta se ei ole erityisen hyödyllinen ilman ilmaisinta, joka pystyy erottamaan nämä tilat ja lukemaan ne.

Toinen tutkijaryhmä kehitti järjestelmään tarvittavan sirutasoisen detektorin. Se tukeutui Weyl-puolimetalliin, joka on kvanttimateriaalien luokka, jolla on bulkkimuodossa esiintyviä kvanttitiloja ja joiden sähköisiä ominaisuuksia voidaan hallita valolla.

"Nämä tulokset eivät osoita vain uutta kvantti-ilmiötä valo-aineen vuorovaikutuksessa", Agarwal sanoo, mutta myös mahdollistavat ensimmäistä kertaa valon vaiheinformaation suoran lukemisen sirutasoisella valodetektorilla. Nämä tutkimukset omaavat suurta lupausta suunnitella erittäin kompakteja järjestelmiä tuleville optisille viestintäjärjestelmille."

Tämä uuden ulottuvuuden demonstrointi OAM-moodiin perustuvien informaation tallentamiseksi voi auttaa luomaan rikkaampia superpositioituja kvanttitiloja, jotta informaatiokapasiteettia voidaan lisätä muutamalla suuruusluokalla.

Aiheesta aiemmin:

Superkiraalista valoa

Tehokkaammin kierteisillä radioaalloilla