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新光学天线可能会消除数据限制 精选

已有 3438 次阅读 2021-2-27 21:55 |个人分类:新观察|系统分类:海外观察

新光学天线可能会消除数据限制

诸平

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Researchers at the University of California, Berkeley, have found a new way to harness properties of light waves that can radically increase the amount of data they carry. They demonstrated the emission of discrete twisting laser beams from antennas made up of concentric rings roughly equal to the diameter of a human hair, small enough to be placed on computer chips. Credit: Image courtesy Boubacar Kanté

据美国加州大学伯克利分校(University of California - Berkeley2021225日(当地时间)提供的消息,新的研究为单一光源可以同时传输的信息量大开方便之门。上述图片是加州大学伯克利分校的研究人员发现了一种利用光波属性的新方法,该方法可以从根本上增加其携带的数据量。他们演示了由同心环组成的天线发射的离散扭曲激光束的情况,该同心环大约等于人发的直径,小到可以放置在计算机芯片上。相关研究结果于2021225日已经在《自然物理学》(Nature Physics)杂志网站上发表——Babak BahariLiyi HsuSi Hui PanDaryl PreeceAbdoulaye NdaoAbdelkrim El AmiliYeshaiahu FainmanBoubacar KantéPhotonic quantum Hall effect and multiplexed light sources of large orbital angular momentaNature Physics, Published 25 February 2021. DOI: 10.1038/s41567-021-01165-8. https://doi.org/10.1038/s41567-021-01165-8

在该篇论文中作者报道了这项新研究,它公开了通过相干光源可以多路复用或同时传输的信息量。复用的一个常见示例是通过一条电线传输多个电话呼叫,但是可以直接复用的相干扭曲光波的数量存在根本限制。

加州大学伯克利分校电气工程与计算机科学系的胡晨明(Chenming Hu音译)副教授说:这是第一次将产生扭曲光的激光器直接进行多路复用。” “我们一直在经历着世界上数据的爆炸式增长,现在我们已经拥有的通信渠道将很快无法满足我们的需求。我们报告的技术通过称为轨道角动量的光的特征克服了当前数据容量的限制。它是改变游戏规则的应用程序,在生物成像、量子密码学、大容量通信以及传感器中都有应用。

劳伦斯·伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory简称Berkeley Lab)材料科学部的教职科学家、上述论文的通讯作者布巴卡尔·坎特(Boubacar Kanté),在美国加州大学圣地亚哥分校(UC San Diego)时就开始这项研究,一直到在美国加州大学伯克利分校继续这项工作。该研究论文的第一作者巴巴克·巴哈里(Babak Bahari),之前曾经是布巴卡尔·坎特实验室的博士生。

布巴卡尔·坎特说,目前通过电磁波传输信号的方法已经达到极限。例如,频率已经饱和,这就是为什么一个人可以在收音机上收听的电台只有那么多。极化(Polarization)将光波分为水平或垂直两个值时,可使传输的信息量增加一倍。电影制作人在制作3D电影时会利用这一点,使戴着特殊眼镜的观众能够接收到两组信号(每只眼睛只接收其中一组信号),从而产生立体效果和深度错觉。

利用漩涡中的能量(Harnessing the potential in a vortex

但是,除了频率和极化以外,利用旋涡中的势能就是轨道角动量(orbital angular momentum简称OAM),它是光的一种性质,已经引起了科学家的关注,因为它提供了指数级地更大的数据传输能力。考虑OAM的一种方法是将其与龙卷风的旋涡进行比较。

布巴卡尔·坎特说:光中的旋涡具有无限的自由度,原则上可以支持无限量的数据。目前的挑战是找到一种可靠地方法来产生无限数量的OAM光束(OAM beams)。以前没有人在如此紧凑的设备中产生过如此高电荷的OAM光束。

研究人员从天线开始,他们指出,天线是电磁学中最重要的组件之一,这对正在进行的5G和即将到来的6G技术至关重要。这项研究中的天线是拓扑结构的,这意味着即使设备被扭曲或弯曲,它们的基本属性仍然保持不变。 

创造光环(Creating rings of light

为了制造拓扑天线,研究人员使用电子束光刻(electron-beam lithography)技术在半导体材料磷化砷镓铟(indium gallium arsenide phosphide)上蚀刻出网格图案,然后将该结构粘合到钇铁石榴石(yttrium iron garnet)制成的表面上。研究人员将网格设计成由3个同心圆组成的量子阱,其中最大的直径约为50 μm,以捕获光子。该设计创造了支持一种被称为“光子量子霍尔效应(photonic quantum Hall effect)”现象的条件,这种现象描述的是在施加磁场时光子的运动,迫使光在圆环中仅沿一个方向传播。

布巴卡尔·坎特说:人们认为带有磁场的量子霍耳效应可用于电子设备,而不能用于光学设备,因为现有材料在光频率上的磁性很弱。是我们首次证明了量子霍尔效应确实对光有效。

通过施加垂直于其二维微观结构的磁场,研究人员成功地产生了三支OAM激光束,它们沿表面上方的圆形轨道传播。进一步研究表明,此激光束的量子数高达276,是指光在一个波长内绕其轴旋转的次数。

布巴卡尔·坎特说:具有更大的量子数就像在字母表中使用更多的字母一样。我们允许光扩展其词汇量。在我们的研究中,我们展示了在电信波长段的这种能力,但原则上,它可以适应其他频段。即使我们制造了三个激光器,将数据速率乘以三,光束的数量和数据容量没有限制。布巴卡尔·坎特说,他实验室的下一步是制造使用电能作为电源的量子霍尔环。

这项研究主要由美国海军研究办公室(Office of Naval Research),美国国家科学基金会(National Science Foundation)和伯克利实验室的实验室指导研究与开发计划(Berkeley Lab’s Laboratory Directed Research and Development Program)提供支持。上述介绍仅供参考,更多信息请注意浏览原文或者相关报道

Abstract

The quantum Hall effect involves electrons confined to a two-dimensional plane subject to a perpendicular magnetic field, but it also has a photonic analogue1,2,3,4,5,6. Using heterostructures based on structured semiconductors on a magnetic substrate, we introduce compact and integrated coherent light sources of large orbital angular momenta7 based on the photonic quantum Hall effect1,2,3,4,5,6. The photonic quantum Hall effect enables the direct and integrated generation of coherent orbital angular momenta beams of large quantum numbers from light travelling in leaky circular orbits at the interface between two topologically dissimilar photonic structures. Our work gives direct access to the infinite number of orbital angular momenta basis elements and will thus enable multiplexed quantum light sources for communication and imaging applications.



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