Forskare vid Tokyo Institute of Technology har tillverkat en multiplexer/demultiplexermodul baserad på en egenskap hos ljus som inte utnyttjades i kommunikationssystem:den optiska virveln. Sådana enheter kommer att vara avgörande för att förbättra optiska nätverk, som är ryggraden i dagens internet, så att de kan möta morgondagens trafikkrav.

I vår kommunikationscentrerade era, Internettrafiken har ökat snabbt. De enorma mängderna data som färdas genom Internet möjliggörs av enorma stamnät, vanligtvis involverar miljontals anslutningar som distribueras med hjälp av optisk kommunikationsteknik. Förutser att denna ökning av dataflödet inte kommer att sluta någon gång snart, forskare över hela världen letar efter sätt att vidareutveckla och förbättra optisk kommunikation.

En allestädes närvarande teknik i modern elektronisk kommunikation är multiplexering, vilket är ett sätt att maximera användningen av den tillgängliga bandbredden. Multiplexing består i att packa flera signaler till en enda signal som kan skickas via ett delat medium, såsom en optisk fiber. Den mottagna komplexa signalen demultiplexeras sedan vid mottagaren och varje enkel signal dirigeras till sin avsedda destination. Flera multiplexeringsmetoder används numera för att uppnå hastigheter på över 100 gbit/s genom optiska nätverk.

Dock, vi måste hitta ett sätt att klämma in mer data i optiska signaler utan att kräva mer energi och till en låg kostnad; det är, ny multiplexeringsteknik behövs. Nya lovande metoder innebär att man drar fördel av egenskaper hos ljus som inte konventionellt används för kommunikation för att koda oberoende signaler. Till exempel, polarisering av ljus har redan använts och praktiska tillämpningar har föreslagits.

Å andra sidan, det finns en annan egenskap hos ljus, kallad "optisk virvel", som kan utnyttjas. Detta var fokus för en forskning som utfördes vid Tokyo Institute of Technology, ledd av biträdande professor Tomohiro Amemiya. "Den optiska virveln bär ljusets orbitala vinkelmomentum och kan användas för att multiplexa signaler genom att tilldela varje signal till en ljusvåg med olika momentum, " förklarar Amemiya. Tillämpningen av den optiska virveln för signalmultiplexering representerar outnyttjat territorium med stor potential.

Självklart, att ens tänka på att koda signaler till ljusvågor med olika optiska virvlar och sända dem, det är först nödvändigt att designa och implementera de nödvändiga kretsarna för både multiplexerings- och demultiplexeringsoperationerna. Forskargruppen designade och tillverkade därför en orbital vinkelmomentmultiplex-/demultiplexeringsmodul.

Deras enhet tillverkades för att ta fem oberoende signaler som ingång. Genom att använda en kombination av två små kretsstrukturer, kallas en stjärnkopplare och en optisk virvelgenerator, var och en av de fem signalerna är "kodade" med ett unikt optiskt vinkelmoment. Utsignalen består av en kombination av de fem signalerna, och mottagarkretsen behöver bara utföra multiplexeringsoperationen i omvänd riktning (demultiplexering) för att åter sluta med de fem oberoende signalerna.

Den tillverkade modulen visas i figur 1. De böjda spetsarna på vågledarna i den optiska virvelgeneratorn var gjorda av kisel och mätte några mikrometer. Tillverkningsprocessen för den optiska virvelgeneratorn hade rapporterats i tidigare forskning, och det arbete som nu gjorts av teamet visar en konkret tillämpning av denna teknik.

Enheter och multiplexeringstekniker som de som teamet demonstrerat kommer att vara avgörande inom en snar framtid. "Det är säkert att efterfrågan på högkapacitetssystem med låg kostnad och mindre energiförluster kommer att öka ytterligare i framtiden, " konstaterar Amemiya. Lyckligtvis, fler sätt att förbättra nuvarande kommunikationssystem genom att utnyttja ljusets outnyttjade egenskaper kommer säkerligen att bli tillgängliga för att ta oss ett steg framåt i vår kommunikationsera.