Dataoverdracht Revolutie: Multiplexe Optische Antennes voor Ultra-Snelle Communicatie

Onderzoekers hebben een manier ontdekt om eigenschappen van lichtgolven te benutten die de hoeveelheid data die ze kunnen dragen radicaal kan verhogen. Ze demonstreerden de emissie van discrete draaiende laserbundels van antennes opgebouwd uit concentrische ringen ruwweg gelijk aan de diameter van een menselijk haar — klein genoeg om op computerchips geplaatst te worden.

Het werk zal de hoeveelheid informatie die gemultiplexeerd, of gelijktijdig overgebracht, kan worden door een coherente lichtbron aanzienlijk verhogen. Een algemeen voorbeeld van multiplexeren is de transmissie van meerdere telefoongesprekken over een enkele draad, maar er waren fundamentele limieten aan het aantal coherente gedraaide lichtgolven die direct gemultiplexeerd konden worden.

De technologie overwint de huidige datacapaciteitslimieten door een kenmerk van licht genaamd de baanimpulsmoment (orbital angular momentum, OAM). Het heeft toepassingen in biologische imaging, hoge-capaciteit communicatie, en sensoren.

Huidige methoden om signalen over elektromagnetische golven te transmitteren bereiken hun limiet. Frequentie, bijvoorbeeld, is verzadigd, weshalb er maar zoveel radiostations zijn waar je naartoe kunt tunen. Polarizatie, waar lichtgolven gescheiden worden in twee waarden — horizontaal of verticaal — kan de hoeveelheid overgedragen informatie verdubbelen. Filmemakers profiteren hiervan bij het maken van 3D-films, waardoor kijkers met gespecialiseerde brillen twee sets signalen ontvangen — één voor elk oog — om een stereoscopisch effect en de illusie van diepte te creëren.

Naast frequentie en polarisatie is baanimpulsmoment (OAM), een eigenschap van licht die aandacht heeft getrokken van wetenschappers omdat het exponentieel grotere capaciteit biedt voor dataoverdracht. Een manier om OAM te begrijpen is om het te vergelijken met de vortex van een tornado. De vortex in licht, met zijn oneindige graden van vrijheid, kan in principe een onbegrensde hoeveelheid data ondersteunen. De uitdaging was een manier te vinden om betrouwbaar het oneindige aantal OAM-bundels te produceren.

De onderzoekers begonnen met een antenne, een van de belangrijkste componenten in elektromagnetisme en centraal voor lopende 5G en komende 6G technologieën. De antennes in deze studie zijn topologisch — hun essentiële eigenschappen blijven behouden zelfs als het apparaat gedraaid of gebogen wordt.

Om de topologische antenne te maken, gebruikten de onderzoekers elektronenbundel-lithografie om een roosterpatroon in indium-gallium-arsenide-fosfide (een halfgeleidermateriaal) te etsen en bondeden de structuur vervolgens aan een oppervlak van yttrium-ijzer-graan. Ze ontwierpen het rooster om kwantumputten te vorm in een patroon van drie concentrische cirkels — de grootste ongeveer 50 micron in diameter — om fotonen te vangen. Het ontwerp creëerde omstandigheden om een fenomeen bekend als het fotonische kwantum Hall-effect te ondersteunen, wat de beweging van fotonen beschrijft wanneer een magneetveld wordt toegepast, waardoor gedwongen wordt dat licht slechts in één richting in de ringen reist.

Door een magneetveld loodrecht op de tweedimensionale microstructuur toe te passen, generaerden de onderzoekers met succes drie OAM laserbundels die in cirkelvormige banen boven het oppervlak reizen. De studie toonde verder aan dat de laserbundels kwantumgetallen hadden van zo groot als 276, verwijzend naar het aantal keren dat licht om zijn as draait in één golfengte.