Оптические антенны обещают неограниченную пропускную способность

Исследователи из Калифорнийского университета в Беркли обрисовали в общих чертах детали оптической антенны, которая, как они утверждают, может обеспечить почти безграничную полосу пропускания.

Они предполагают, что ключом к прорыву является метод, позволяющий в полной мере использовать свойства орбитального углового момента (OAM) когерентного источника света, тем самым обеспечивая мультиплексирование или одновременную передачу.

По словам Бубакара Канте, главного исследователя проекта в Беркли, «это первый случай прямого мультиплексирования лазеров, излучающих искривленный свет». Он доцент кафедры электронной инженерии и компьютерных наук университета, и первые результаты работы только что были опубликованы в журнале Nature Physics .

Канте сказал, что этот прорыв «изменит правила игры» с приложениями в области биологической визуализации, квантовой криптографии, высокопроизводительной связи и датчиков. Он добавил, что до сих пор существовали фундаментальные ограничения на количество когерентных закрученных световых волн, которые можно было напрямую мультиплексировать.

Он также предположил, что принцип OAM можно сравнить с вихрем торнадо.

«Световой вихрь с его бесконечными степенями свободы, в принципе, может поддерживать неограниченное количество данных. Проблема заключалась в том, чтобы найти способ надежно создавать бесконечное количество лучей OAM. Никто никогда раньше не производил пучки OAM с такими высокими зарядами в таком компактном устройстве », — сказал Канте.

Исследователи создали топологическую антенну, вытравив сетку на фосфиде арсенида индия-галлия, который затем прикрепили к поверхности железо-иттриевого граната. Сетка была спроектирована так, чтобы формировать квантовые ямы в виде трех концентрических кругов, диаметр самого большого из которых составлял 50 микрон, для захвата фотонов.

Эта конструкция создала необходимые условия для так называемого фотонного квантового эффекта Холла, который описывает движение фотонов при приложении магнитного поля, заставляя свет двигаться только в одном направлении в кольцах.

«Люди думали, что квантовый эффект Холла с магнитным полем можно использовать в электронике, но не в оптике из-за слабого магнетизма существующих материалов на оптических частотах. Мы первые показали, что квантовый эффект Холла действительно работает для света », — сказал Канте.

И, применив магнитное поле, перпендикулярное их двумерной микроструктуре, исследователи успешно сгенерировали три лазерных луча OAM, движущихся по круговым орбитам над поверхностью.

Исследования также показали, что лучи имели квантовые числа, равные 276, что означает количество поворотов света вокруг своей оси на одной длине волны.

Канте отметил, что команда продемонстрировала эту возможность на телекоммуникационных длинах волн, и предположил, что в принципе ее можно адаптировать к другим полосам частот. «Несмотря на то, что мы создали три лазера, умножив скорость передачи данных на три, нет ограничений на возможное количество лучей и емкость данных».

Он также предупредил, что существующие методы передачи сигналов с помощью электромагнитных волн достигают своего предела. «Частота, например, стала насыщенной, поэтому существует так много станций, на которые можно настроиться по радио. Поляризация, при которой световые волны разделяются на два значения — горизонтальное или вертикальное, — может удвоить объем передаваемой информации ».

Исследователи заявили, что их следующим шагом будет создание квантовых колец Холла, использующих электричество в качестве источника энергии.