Wissenschaftler haben eine neue optische Antenne entwickelt, um Informationen ohne Einschränkungen zu übertragen
Forscher der University of California in Berkeley haben einen neuen Weg gefunden, um die Eigenschaften von Lichtwellen zu nutzen, die die Datenmenge, die sie übertragen, drastisch erhöhen können. Sie demonstrierten die Emission diskreter verdrehter Laserstrahlen von Antennen, die aus konzentrischen Ringen von der Größe eines menschlichen Haares bestehen und klein genug sind, um auf Computerchips zu passen.
Die neue Arbeit, die in einem Artikel in der Zeitschrift Nature Physics veröffentlicht wurde, offenbart weitgehend die Menge an Informationen, die von einer kohärenten Lichtquelle gemultiplext oder gleichzeitig übertragen werden können. Ein häufiges Beispiel für Multiplexing ist die Übertragung mehrerer Telefonanrufe über eine einzige Leitung. Es gab jedoch grundlegende Einschränkungen hinsichtlich der Anzahl kohärenter verdrillter Lichtwellen, die direkt gemultiplext werden konnten.
Dies ist das erste Mal, dass Twisted-Light-Laser direkt gemultiplext wurden, sagte der Principal Investigator Boubacar Kante vom Institut für Elektrotechnik und Informatik der University of California in Berkeley.
Wir erleben eine Datenexplosion in unserer Welt, und die Kommunikationskanäle, die wir jetzt haben, werden bald nicht mehr für das ausreichen, was wir brauchen. Die Technologie, über die wir berichten, überwindet die aktuellen Einschränkungen der Datenkapazität durch eine Eigenschaft des Lichts, die als Drehimpuls bezeichnet wird. Es ist ein Game Changer mit Anwendungen in der biologischen Bildgebung, Quantenkryptographie, Hochleistungskommunikation und Sensoren.
Kante sagte, dass moderne Methoden zur Übertragung von Signalen mit elektromagnetischen Wellen an ihre Grenzen stoßen. Die Frequenz ist zum Beispiel gesättigt, weshalb es so viele Sender gibt, die Sie per Radio einstellen können. Die Polarisation, bei der Lichtwellen in zwei Werte aufgeteilt werden - horizontal oder vertikal - kann die Menge der übertragenen Informationen verdoppeln.
Filmemacher nutzen dies, um 3D-Filme zu erstellen, bei denen Betrachter mit Spezialbrille zwei Signalsätze empfangen können - einen für jedes Auge, um einen stereoskopischen Effekt und eine Illusion von Tiefe zu erzielen.
Das Potential in einem Wirbel nutzen:
Jenseits von Frequenz und Polarisation liegt jedoch der Orbital-Drehimpuls (OAM), eine Eigenschaft des Lichts, die die Aufmerksamkeit der Wissenschaftler auf sich gezogen hat, weil er exponentiell mehr Bandbreite für die Datenübertragung bietet. Eine Möglichkeit, OUM darzustellen, besteht darin, es mit einem Tornado-Wirbel zu vergleichen.
Ein Lichtwirbel mit seinen unendlichen Freiheitsgraden kann im Prinzip eine unbegrenzte Datenmenge unterstützen, sagte Kante. Die Herausforderung bestand darin, einen Weg zu finden, um unendlich viele OAM-Strahlen zuverlässig zu erzeugen. Niemand hat jemals OAM-Strahlen mit so hohen Ladungen in einem so kompakten Gerät erzeugt.
Die Forscher begannen mit einer Antenne, einer der wichtigsten Komponenten des Elektromagnetismus, die für aktuelle 5G- und zukünftige 6G-Technologien von zentraler Bedeutung ist. Die Antennen in dieser Studie sind topologisch, was bedeutet, dass ihre grundlegenden Eigenschaften auch dann erhalten bleiben, wenn das Gerät verdreht oder gebogen wird.
Lichtringe schaffen:
Um die topologische Antenne herzustellen, ätzten die Forscher mithilfe der Elektronenstrahllithographie ein Gitter auf Indium-Gallium-Arsenid-Phosphid, ein Halbleitermaterial, und befestigten die Struktur dann an einer Granatoberfläche aus Yttrium-Eisen.
Die Forscher entwickelten ein Gitter zur Bildung von Quantentöpfen in Form von drei konzentrischen Kreisen - dem größten mit einem Durchmesser von etwa 50 Mikrometern, um Photonen einzufangen. Das Design schuf die Bedingungen, um ein Phänomen zu unterstützen, das als photonischer Quanten-Hall-Effekt bekannt ist und die Bewegung von Photonen beschreibt, wenn ein Magnetfeld angelegt wird, das bewirkt, dass sich Licht in Ringen nur in eine Richtung bewegt.
Die Leute dachten, dass der Quanten-Hall-Effekt mit einem Magnetfeld in der Elektronik verwendet werden könnte, aber nicht in der Optik aufgrund des schwachen Magnetismus bestehender Materialien bei optischen Frequenzen, sagte Kante. Wir haben als erste gezeigt, dass der Quanten-Hall-Effekt tatsächlich für Licht funktioniert.
Mithilfe eines Magnetfelds senkrecht zu ihrer zweidimensionalen Mikrostruktur konnten die Forscher erfolgreich drei OUM-Laserstrahlen erzeugen, die sich in kreisförmigen Bahnen über der Oberfläche bewegen. Die Studie fand auch heraus, dass Laserstrahlen Quantenzahlen von bis zu 276 haben, was bedeutet, wie oft sich Licht mit einer Wellenlänge um seine Achse dreht.
Eine größere Quantenzahl zu haben, ist wie mehr Buchstaben im Alphabet zu haben, sagte Kante. - Wir lassen das Licht seinen Wortschatz erweitern. In unserer Studie haben wir diese Fähigkeit bei Telekommunikationswellenlängen gezeigt, aber im Prinzip kann sie auch an andere Frequenzbänder angepasst werden. Obwohl wir drei Laser durch Multiplizieren der Datenrate mit drei erstellt haben, gibt es keine Begrenzung für die Anzahl der Strahlen und die Datenkapazität.
Wissenschaftler sagen, dass der nächste Schritt darin bestehen wird, Quanten-Hall-Ringe zu erzeugen.