Kierteinen valo vapauttaa tiedonsiirtoa

Esitys multipleksoiduista antenneista, jotka emittoivat koherenttia valoa sen kiertoradan kulmamomenteilla (OAM).

Suurempi kuva

Kalifornian yliopiston Berkeleyn tutkijat ovat löytäneet uuden tavan hyödyntää valoaaltojen ominaisuuksia, tavalla joka voi lisätä radikaalisti niillä kannetun datan määrää.

He osoittivat erillisten kiertävien lasersäteiden emissioita samankeskisistä renkaista koostuvista antenneista, jotka ovat riittävän pieniä sopimaan tietokonesiruille.

"Tämä on ensimmäinen kerta, kun kierrettyä valoa tuottavat laserit on multipleksoitu suoraan ", kertoo tutkimuksen johtava tutkija Boubacar Kanté. "Raportoimamme tekniikka ylittää nykyiset datakapasiteetin rajoitukset valon kiertoradan kulmamomentilla. Se on iso muutostekijä, jolla on sovelluksia biologisessa kuvantamisessa, kvanttisalauksessa, suuren kapasiteetin viestinnässä ja antureissa."

Kanté toteaa myös, että nykyiset menetelmät signaalien siirtämiseksi sähkömagneettisilla aalloilla ovat saavuttamassa rajansa. Myös valoaallon polarisaation mahdollisuuksia hyödynnetään jo nykyään. Mutta taajuuden ja polarisaation lisäksi valon kiertoradan kulmamomentti tai OAM, on herättänyt tutkijoiden huomion, koska se tarjoaa eksponentiaalisesti suuremman datansiirtokapasiteetin.

"Valon pyörre, jolla on äärettömät vapausasteet, voi periaatteessa tukea rajoittamatonta datamäärää", Kanté toteaa. "Haasteena on ollut löytää tapa tuottaa loputtomasti OAM-säteitä luotettavasti.

Tutkijat valmistivat topologisesti erilaisien fotonisten rakenteiden antenninsa elektronisädelitografialla syövyttäen hilakuvion indiumgalliumarsenidifosfidiin ja sitoivat sen sitten yttriumrautagranaatista valmistettuun pintaan.

Rakenteessa hila muodostaa kvanttikaivot kolmen samankeskisen ympyrän muodossa fotonien ansoittamiseksi. Suunnitelma loi olosuhteet tukea fotonikvantti-Hall-ilmiötä. Se kuvaa fotonien liikettä magneettikenttää käytettäessä, pakottaen valoa kulkemaan renkaissa vain yhteen suuntaan.

"Yleensä on ajateltu, että kvantti-Hall-vaikutusta magneettikentällä voitaisiin käyttää elektroniikassa, mutta ei optiikassa optisten taajuuksien olemassa olevien materiaalien heikon magneettisuuden takia. Olemme ensimmäiset, jotka osoittavat, että kvantti-Hall-vaikutus toimii valolle, hehkuttaa Kante."

Soveltamalla magneettikenttää kohtisuoraan kaksiulotteiseen mikrorakenteeseen tutkijat loivat onnistuneesti kolme OAM-lasersädettä, jotka kulkevat pyöreillä kiertoradoilla pinnan yläpuolella. Tutkimus osoitti lisäksi, että lasersäteiden kvanttiluvut olivat peräti 276, eli kuinka monta kertaa valo kiertyy akselinsa ympäri yhdellä aallonpituudella.

"Suuremman kvanttiluvun saaminen on kuin enemmän kirjaimia käytettäväksi aakkosissa", Kanté tarkentaa. "Annamme valon laajentaa sanastoa. Tutkimuksessamme osoitimme tämän kyvyn tietoliikenteen aallonpituuksilla, mutta periaatteessa se voidaan sovittaa muille taajuuskaistoille. Vaikka olemme luoneet kolme laseria, kertoen datanopeuden kolmella, keilojen mahdolliselle määrälle ja datakapasiteetille ei ole rajoituksia."

Kantén mukaan seuraava askel on tehdä laboratoriossa kvantti-Hall-renkaita, jotka käyttävät sähköä teholähteenä.

Aiheesta aiemmin:

Kvantti spin Hall -ilmiö valossa

Magneettisuus pois ja päälle