Forskare har tagit ett viktigt steg mot att använda 'vridit' ljus som en form av trådlöst, dataöverföring med hög kapacitet som kan göra fiberoptiken föråldrad.

I en ny rapport som publicerades idag (torsdag 26 oktober) i tidningen Vetenskapliga framsteg , ett team av fysiker baserade i Storbritannien, Tyskland, Nya Zeeland och Kanada beskriver hur ny forskning om 'optisk vinkelmoment' (OAM) skulle kunna övervinna nuvarande svårigheter med att använda vriden ljus över öppna utrymmen.

Forskare kan 'vrida' fotoner - enskilda ljuspartiklar - genom att föra dem genom ett speciellt typ av hologram, liknande det på ett kreditkort, ger fotonerna en vridning som kallas optisk vinkelmoment.

Medan konventionell digital kommunikation använder fotoner som enor och nollor för att bära information, antalet sammanflätade vändningar i fotonerna gör att de kan bära ytterligare data - något som liknar att lägga till bokstäver vid sidan av enorna och nollorna. Förvrängda fotons förmåga att bära ytterligare information innebär att optisk vinkelmoment har potential att skapa mycket högre bandbreddskommunikationsteknik.

Även om optiska vinkelmomenttekniker redan har använts för att överföra data över kablar, att sända förvrängt ljus över öppna ytor har varit betydligt mer utmanande för forskare hittills. Även enkla förändringar i atmosfärstryck över öppna utrymmen kan sprida ljusstrålar och orsaka att centrifugeringsinformationen går förlorad.

Forskarna undersökte effekterna på både fas och intensitet av OAM som bär ljus över en verklig länk i en stadsmiljö för att bedöma livskraften för dessa metoder för överföring av kvantinformation.

Deras lediga utrymme länk, i Erlangen, Tyskland, var 1,6 km lång och passerade över fält och gator och nära höghus för att exakt simulera en stadsmiljö och atmosfärisk turbulens som kan störa informationsöverföring i rymden-ett grundligt tillvägagångssätt som kommer att vara avgörande för att flytta OAM-forskning framåt.

Genomföra detta fältprov i en verklig stadsmiljö, har avslöjat spännande nya utmaningar som måste övervinnas innan system kan göras kommersiellt tillgängliga. Tidigare studier har visat att OAM -kommunikationssystem är möjliga, men hade inte fullt ut karaktäriserat effekterna av turbulent luft på fasen av det strukturerade ljuset som sprider sig över länkar av denna längd.

Dr Martin Lavery, chef för Structured Photonics Research Group vid University of Glasgow, är huvudförfattare på teamets forskningspapper. Dr Lavery sa:"I en tid där vår globala datakonsumtion växer i exponentiell takt, det finns ett ökande tryck för att upptäcka nya metoder för informationsbärande som kan hänga med i den enorma upptagningen av data över hela världen.

"En komplett, fungerande optiskt vinkelmomentkommunikationssystem som kan överföra data trådlöst över ledigt utrymme har potential att förändra onlineåtkomst för utvecklingsländer, försvarssystem och städer runt om i världen.

"Ledigt rymdoptik är en lösning som potentiellt kan ge oss fiberbredd, men utan krav på fysisk kabeldragning.

"Denna studie tar viktiga steg framåt i resan mot högdimensionella lediga rymdoptik som kan vara billigare, mer tillgängligt alternativ till begravda fiberoptiska anslutningar. "

Den turbulenta atmosfären som användes i detta experiment belyste bräckligheten hos formade fasfronter, särskilt för dem som skulle vara integrerade i dataöverföringar med hög bandbredd. Denna studie indikerade de utmaningar framtida adaptiva optiska system kommer att krävas för att lösa.

Dr Lavery tillade:"Med denna nya utveckling, Vi är övertygade om att vi nu kan tänka om våra tillvägagångssätt för kanalmodellering och kraven ställer på adaptiva optiksystem. Vi kommer allt närmare att utveckla OAM -kommunikation som kan distribueras i en riktig urban miljö.

"Vi vill inleda en konversation om de frågor som måste åtgärdas och hur vi ska gå vidare till resolutionen."

Dr Lavery åtog sig arbetet i samarbete med forskare från Max Planck Institute for the Science of Light och Institute of Optics, och universiteten i Otago, Ottawa och Rochester.

Dessa fynd gör det möjligt för forskare att ta itu med utmaningar - som inte tidigare observerats - för att utveckla adaptiv optik för överföring av kvantinformation för att gå närmare en ny tid för fri rymdoptik som så småningom kommer att ersätta fiberoptik som ett funktionellt kommunikationssätt i stadsmiljöer och fjärranalyssystem .

Pappret, med titeln "Fritt rymdutbredning av högdimensionella strukturerade optiska fält i en stadsmiljö, "publiceras i Vetenskapliga framsteg .