Forskare vid University of California, Berkeley, har hittat ett nytt sätt att utnyttja ljusvågors egenskaper som radikalt kan öka mängden data de bär. De demonstrerade utsläpp av diskreta vridande laserstrålar från antenner som består av koncentriska ringar som ungefär är lika med diametern på ett människohår, tillräckligt liten för att kunna placeras på datorchips.

Det nya verket, rapporterade i en tidning som publicerades i torsdags, 25 februari i tidningen Naturfysik , kastar stor mängd information som kan multiplexeras, eller samtidigt överförd, av en sammanhängande ljuskälla. Ett vanligt exempel på multiplexing är överföring av flera telefonsamtal över en enda tråd, men det hade funnits grundläggande gränser för antalet sammanhängande vridna ljusvågor som kunde multiplexeras direkt.

"Det är första gången som lasrar som producerar vriden ljus har blivit multiplexerade direkt, "sade utredaren Boubacar Kanté, Chenming Hu docent vid UC Berkeleys institution för elektroteknik och datavetenskap. "Vi har upplevt en explosion av data i vår värld, och de kommunikationskanaler vi har nu kommer snart att vara otillräckliga för det vi behöver. Tekniken vi rapporterar övervinner nuvarande datakapacitetsgränser genom ett ljuskarakteristik som kallas orbital vinkelmoment. Det är en spelväxlare med applikationer inom biologisk avbildning, kvantkryptografi, kommunikation och sensorer med hög kapacitet. "

Kanté, som också är fakultetsvetare vid materialvetenskapsavdelningen vid Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), har fortsatt detta arbete vid UC Berkeley efter att ha startat forskningen vid UC San Diego. Studiens första författare är Babak Bahari, en tidigare doktorand student i Kantés labb.

Kanté sa att nuvarande metoder för att överföra signaler genom elektromagnetiska vågor når sin gräns. Frekvens, till exempel, har blivit mättad, det är därför det bara finns så många stationer man kan ställa in på radion. Polarisering, där ljusvågor är separerade i två värden - horisontellt eller vertikalt - kan fördubbla mängden information som överförs. Filmskapare utnyttjar detta när de skapar 3-D-filmer, låta tittare med specialglasögon ta emot två uppsättningar signaler - en för varje öga - för att skapa en stereoskopisk effekt och illusionen av djup.

Utnyttja potentialen i en virvel

Men bortom frekvens och polarisering är orbital vinkelmoment, eller OAM, en ljusegenskap som har uppmärksammats av forskare eftersom den erbjuder exponentiellt större kapacitet för dataöverföring. Ett sätt att tänka på OAM är att jämföra det med virveln av en tornado.

"Virvelen i ljuset, med sina oändliga grader av frihet, burk, i princip, stödja en obegränsad mängd data, "sa Kanté." Utmaningen har varit att hitta ett sätt att på ett tillförlitligt sätt producera det oändliga antalet OAM -balkar. Ingen har någonsin producerat OAM -strålar med så höga laddningar i en så kompakt enhet tidigare. "

Forskarna började med en antenn, en av de viktigaste komponenterna inom elektromagnetism och, de noterade, central för pågående 5G och kommande 6G -teknik. Antennerna i denna studie är topologiska, vilket innebär att deras väsentliga egenskaper bibehålls även när enheten är vriden eller böjd.

Skapar ljusringar

För att göra den topologiska antennen, forskarna använde elektronstråle litografi för att etsa ett rutmönster på indiumgalliumarsenidfosfid, ett halvledarmaterial, och sedan bunden strukturen på en yta gjord av yttrium järn granat. Forskarna utformade rutnätet för att bilda kvantbrunnar i ett mönster av tre koncentriska cirklar - de största cirka 50 mikron i diameter - för att fånga fotoner. Designen skapade förutsättningar för att stödja ett fenomen som kallas den fotoniska quantum Hall -effekten, som beskriver fotons rörelse när ett magnetfält appliceras, tvingar ljus att färdas i endast en riktning i ringarna.

"Folk trodde att quantum Hall -effekten med ett magnetfält kunde användas inom elektronik men inte i optik på grund av den svaga magnetismen hos befintliga material vid optiska frekvenser, "sa Kanté." Vi är de första som visar att kvante Hall -effekten fungerar för ljus. "

Genom att applicera ett magnetfält vinkelrätt mot deras tvådimensionella mikrostruktur, forskarna skapade framgångsrikt tre OAM -laserstrålar som färdades i cirkulära banor ovanför ytan. Studien visade vidare att laserstrålarna hade kvantnummer så stora som 276, med hänvisning till antalet gånger ljuset vrider sig runt sin axel i en våglängd.

"Att ha ett större kvantnummer är som att ha fler bokstäver att använda i alfabetet, "sa Kanté." Vi låter ljuset utöka sitt ordförråd. I vår studie, vi visade denna förmåga vid telekommunikationsvåglängder, men i princip den kan anpassas till andra frekvensband. Även om vi skapade tre lasrar, multiplicera datahastigheten med tre, det finns ingen gräns för det möjliga antalet strålar och datakapacitet. "

Kanté sa att nästa steg i sitt labb är att göra kvant Hall Hall -ringar som använder elektricitet som kraftkällor.