Gemultiplexte optische antennes

Onderzoekers hebben een manier ontdekt om eigenschappen van lichtgolven te benutten die de hoeveelheid gegevens die ze vervoeren radicaal kunnen vergroten. Ze demonstreerden de emissie van discrete draaiende laserstralen van antennes die bestaan ​​uit concentrische ringen die ongeveer gelijk zijn aan de diameter van een mensenhaar - klein genoeg om op computerchips te worden geplaatst.

Het werk zal de hoeveelheid informatie die kan worden gemultiplext of gelijktijdig verzonden door een coherente lichtbron aanzienlijk vergroten. Een veelvoorkomend voorbeeld van multiplexing is de transmissie van meerdere telefoongesprekken via een enkele draad, maar er waren fundamentele limieten aan het aantal coherente getwijnde lichtgolven dat direct kon worden gemultiplext.

De technologie overwint de huidige datacapaciteitslimieten door middel van een lichtkenmerk dat het baanimpulsmoment wordt genoemd. Het heeft toepassingen in biologische beeldvorming, communicatie met hoge capaciteit en sensoren.

De huidige methoden voor het verzenden van signalen via elektromagnetische golven bereiken hun limiet. De frequentie is bijvoorbeeld verzadigd geraakt, daarom zijn er maar zo veel zenders waarop je op de radio kunt afstemmen. Polarisatie, waarbij lichtgolven worden gescheiden in twee waarden - horizontaal of verticaal - kan de hoeveelheid verzonden informatie verdubbelen. Filmmakers profiteren hiervan bij het maken van 3D-films, waardoor kijkers met een speciale bril twee sets signalen kunnen ontvangen — één voor elk oog — om een ​​stereoscopisch effect en de illusie van diepte te creëren.

Voorbij frequentie en polarisatie is orbitaal impulsmoment (OAM), een eigenschap van licht die de aandacht van wetenschappers heeft getrokken omdat het een exponentieel grotere capaciteit voor gegevensoverdracht biedt. Een manier om over OAM na te denken, is door het te vergelijken met de draaikolk van een tornado. De vortex in het licht, met zijn oneindige vrijheidsgraden, kan in principe een onbeperkte hoeveelheid data dragen. De uitdaging was het vinden van een manier om op betrouwbare wijze het oneindige aantal OAM-stralen te produceren.

De onderzoekers begonnen met een antenne, een van de belangrijkste componenten in elektromagnetisme en centraal in de huidige 5G- en opkomende 6G-technologieën. De antennes in dit onderzoek zijn topologisch - hun essentiële eigenschappen blijven behouden, zelfs wanneer het apparaat wordt gedraaid of gebogen.

Om de topologische antenne te maken, gebruikten de onderzoekers elektronenstraallithografie om een ​​rasterpatroon op indium galliumarsenidefosfide (een halfgeleidermateriaal) te etsen en vervolgens de structuur op een oppervlak van yttrium-ijzer-granaat te hechten. Ze ontwierpen het raster om kwantumputten te vormen in een patroon van drie concentrische cirkels - de grootste met een diameter van ongeveer 50 micron - om fotonen op te vangen. Het ontwerp schiep voorwaarden om een ​​fenomeen te ondersteunen dat bekend staat als het fotonische kwantum Hall-effect, dat de beweging van fotonen beschrijft wanneer een magnetisch veld wordt toegepast, waardoor licht wordt gedwongen in slechts één richting in de ringen te reizen.

Door een magnetisch veld loodrecht op de tweedimensionale microstructuur aan te leggen, hebben de onderzoekers met succes drie OAM-laserstralen gegenereerd die in cirkelvormige banen boven het oppervlak reizen. De studie toonde verder aan dat de laserstralen kwantumgetallen hadden van wel 276, verwijzend naar het aantal keren dat licht in één golflengte rond zijn as draait.