Les scientifiques ont créé une nouvelle antenne optique pour transmettre des informations sans restrictions

Des chercheurs de l'Université de Californie à Berkeley ont trouvé une nouvelle façon d'exploiter les propriétés des ondes lumineuses qui peuvent considérablement augmenter la quantité de données qu'elles transportent. Ils ont démontré l'émission de faisceaux laser à torsion discrète à partir d'antennes constituées d'anneaux concentriques de la taille d'un cheveu humain, suffisamment petits pour tenir sur des puces informatiques.

Le nouveau travail, rapporté dans un article publié dans la revue Nature Physics, divulgue largement la quantité d'informations qui peuvent être multiplexées ou transmises simultanément par une source de lumière cohérente. Un exemple courant de multiplexage est la transmission de plusieurs appels téléphoniques sur un seul fil, mais il y avait des limitations fondamentales sur le nombre d'ondes lumineuses torsadées cohérentes qui pouvaient être directement multiplexées.

C'est la première fois que des lasers à lumière torsadée sont directement multiplexés, a déclaré le chercheur principal Boubacar Kante du département des sciences électriques et informatiques de l'Université de Californie à Berkeley.

Nous vivons une explosion de données dans notre monde et les canaux de communication dont nous disposons actuellement seront bientôt insuffisants pour ce dont nous avons besoin. La technologie que nous rapportons surmonte les limitations actuelles de capacité de données grâce à une caractéristique de la lumière appelée moment angulaire orbital. Il change la donne avec des applications en imagerie biologique, cryptographie quantique, communications haute performance et capteurs.

Kante a déclaré que les méthodes modernes de transmission de signaux utilisant des ondes électromagnétiques atteignaient leurs limites. La fréquence, par exemple, est devenue saturée, c'est pourquoi il y a tellement de stations que vous pouvez écouter la radio. La polarisation, dans laquelle les ondes lumineuses sont divisées en deux valeurs - horizontale ou verticale - peut doubler la quantité d'informations transmises.

Les cinéastes en profitent pour créer des films 3D, permettant aux téléspectateurs avec des lunettes spécialisées de recevoir deux ensembles de signaux - un pour chaque œil pour créer un effet stéréoscopique et une illusion de profondeur.

Utilisation du potentiel dans un vortex:

Mais au-delà de la fréquence et de la polarisation, il y a le moment angulaire orbital, ou OAM, une propriété de la lumière qui a attiré l'attention des scientifiques car elle fournit exponentiellement plus de bande passante pour la transmission de données. Une façon de représenter OUM est de le comparer à un tourbillon de tornade.

Un vortex de lumière, avec ses degrés de liberté infinis, peut, en principe, supporter une quantité illimitée de données, a déclaré Kante. Le défi était de trouver un moyen de produire de manière fiable un nombre infini de faisceaux OAM. Personne n'a jamais produit de faisceaux OAM de charges aussi élevées dans un appareil aussi compact.

Les chercheurs ont commencé avec une antenne, l'un des composants les plus importants de l'électromagnétisme et, ont-ils noté, au cœur des technologies 5G actuelles et futures 6G. Les antennes de cette étude sont topologiques, ce qui signifie que leurs propriétés de base sont conservées même lorsque l'appareil est tordu ou plié.

Créer des anneaux de lumière:

Pour fabriquer l'antenne topologique, les chercheurs ont utilisé la lithographie par faisceau d'électrons pour graver une grille sur du phosphure d'arséniure d'indium-gallium, un matériau semi-conducteur, puis ont attaché la structure à une surface de grenat d'yttrium et de fer.

Les chercheurs ont développé une grille pour former des puits quantiques sous la forme de trois cercles concentriques - le plus grand, d'environ 50 microns de diamètre, pour capturer les photons. La conception a créé les conditions nécessaires pour prendre en charge un phénomène connu sous le nom d'effet Hall quantique photonique, qui décrit le mouvement des photons lorsqu'un champ magnétique est appliqué et provoque le déplacement de la lumière dans les anneaux dans une seule direction.

Les gens pensaient que l'effet Hall quantique avec un champ magnétique pourrait être utilisé dans l'électronique, mais pas dans l'optique en raison du faible magnétisme des matériaux existants aux fréquences optiques, a déclaré Kante. Nous avons été les premiers à montrer que l'effet Hall quantique fonctionne réellement pour la lumière.

En appliquant un champ magnétique perpendiculaire à leur microstructure bidimensionnelle, les chercheurs ont réussi à générer trois faisceaux laser OUM se déplaçant sur des orbites circulaires au-dessus de la surface. L'étude a également montré que les faisceaux laser ont des nombres quantiques aussi élevés que 276, ce qui signifie le nombre de fois que la lumière est tournée sur son axe à la même longueur d'onde.

Avoir un nombre quantique plus grand, c'est comme avoir plus de lettres dans l'alphabet, a déclaré Kante. - Nous permettons à la lumière d'élargir son vocabulaire. Dans notre étude, nous avons démontré cette capacité aux longueurs d'onde de télécommunication, mais en principe, elle peut également être adaptée à d'autres bandes de fréquences. Même si nous avons créé trois lasers en multipliant le débit de données par trois, il n'y a pas de limite au nombre de faisceaux et à la capacité de données.

Les scientifiques disent que la prochaine étape sera de créer des anneaux de Hall quantique.