对《自然·物理》一文的疑问与思考

-----新型光学天线将突破光传输数据的限制

都世民

摘要：本文针对《自然·物理》刊物发表的一篇文章，“新型光学天线将突破光传输数据的限制”。从文章的题目看，主要介绍天线。从应用看，主要针对通信。文中提出两个概念，光天线的拓扑结构和轨道角通量，是两个概念的综合，形成的一种新的光天线。笔者从天线学科的角度，提出一些疑问和对有关问题的思考。

关键词：自然·物理，光拓扑结构，光轨道角通量，光学天线，数据传输。

引言

近来，《自然·物理》刊登一种新型光学天线引起笔者关注，其因有两个方面：一，天线是笔者几十年从事的专业；二，新型光学天线突破光传输信息的瓶颈，这与人的视觉通道传输70%的信息量有无关联？

查询相关文章：

［1］“Light unbound: Data limits could vanish with new optical antennas”，［J］，Nature Physies，（https://phys.org/news/2021-02-unbound-limits-optical-antennas.html）2021-02-25.

［2］2021-02-26，东方财富网刊文：“《自然》子刊：新型光学天线可消除数据传输限制”。

（https://baijiahao.baidu.com/s?id=1692736212778242800&wfr=spider&for=pc）

（3］2021-02-26 10:28:28，贤集网刊文：“加州大学研发新型圆形的光学天线 可提高通信数据携带量”。（https://www.xianjichina.com/special/detail_474560.html）

［4］2021.2.26，《自然》子刊：”新型光学天线可消除数据传输限制”，老刘的科学讲堂，（http://www.yidianzixun.com/article/0THOEMwP)

［5］2021-2-27 ，科学网刊文：诸平，“新光学天线可能会消除数据限制”。

（http://blog.sciencenet.cn/blog-212210-1274165.html）

［6］2021-02-28，搜狐网刊文：江苏激光产业创新联盟 ，“《自然》子刊：新型光学天线可消除数据传输限制”。（https://www.sohu.com/a/453148486_100034932）

［7］2021-03-01 15:00，“新型拓扑光学天线：可以“不限量”地传输数据了”，（https://user.guancha.cn/main/content?id=470059&s=fwzwyzzwzbt）

［8］2021- 03-01 15:11 ，“新型拓扑光学天线：可以“不限量”地传输数据了”，科学大观园杂志社. （https://weibo.com/ttarticle/p/show?id=2309404609956279091523)

［9］ 2021年3月2日 ，“無束縛的光：新的光學天線可能會消除數據限制”，

（https://0xzx.com/zh-tw/2021030217581225194.html）

［10］2021-03-02 14:07，“研究人员开发光学天线 打破数据传播信号天花板”，OFweek光通讯网 。

（http://mp.ofweek.com/fiber/a6567149311） 

［11］ 2021-3-5  12:06，“光的解放：新型光学天线令数据传输限制不复存在”，

（https://new.qq.com/omn/20210305/20210305A050G400.html）

从各个网络报道的这篇文章，无论是标题还是内容，是有些差异。不难看出，原文翻译后的文题和内容有不同的理解和表达方式。

研究团队主要研究人员：

【作者】Babak Bahari, Liyi Hsu, Si Hui Pan, Daryl Preece, Abdoulaye Ndao, Abdelkrim El Amili, Yeshaiahu Fainman & Boubacar Kanté

·该研究是加州大学伯克利分校，第一作者是康德实验室的前博士生Babak Bahari。

·坎特（Kanté）也是劳伦斯·伯克利国家实验室（伯克利实验室）材料科学部的科学家，在加州大学圣地亚哥分校开始研究后，一直在加州大学伯克利分校继续这项工作。

文章的创新点及其意义：

〔1〕新型光学天线构造：同心环结构，三个同心圆的模式形成量子阱，最大直径约为50微米，以捕获光子。这项设计创造了支持光子量子霍尔效应现象的条件，这种现象描述了当施加磁场时光子的运动，光在环中沿单一方向传播。因此，研究人员认为他们“是第一个证明量子霍尔效应对光起作用的人。”

〔2〕天线发射的离散旋转激光束，这种新方法可以极大地增加光波携带的数据量。

〔3〕通过施加垂直于其平面微结构的磁场，研究人员成功地产生了三束在表面上方圆形轨道上行进的轨道角动量(OAM)激光束。这项研究进一步表明，激光束的量子数(光在一个波长内绕其轴扭曲的次数)高达276。

〔4〕制造天线的拓扑结构：研究人员使用电子束光刻技术在半导体材料磷化铟镓上蚀刻出网格图案，然后将该结构结合到钇铁石榴石制成的表面上。研究人员设计了网格，以三个同心圆的模式形成量子阱，最大直径约为50微米，以捕获光子。

〔5〕这项设计创造了支持光子量子霍尔效应现象的条件。这是《自然·物理》刊登这篇文章的原文论述要点。

对《自然·物理》一文的疑问与思考

〔1〕从文章的题目看，“Light unbound: Data limits could vanish with new optical antennas”有不同的理解和翻译方法，“無束縛的光”、“光的解放”；“新型光学天线”、“新型拓扑光学天线”、“新型圆形的光学天线”；“消除数据传输限制”、“可提高通信数据携带量”、“不限量”地传输数据”、“数据传输限制不复存在”、“打破数据传播信号天花板”。

文题主要体现在三个方面：光的特性、天线型式、数据传输的限制。前两个方面有不同的理解，后一点差别不大。

〔2〕从文章的内容看，其创新要点有以下几点：

·这篇文章的创新点是什么？天线的拓扑结构；轨道角动量(OAM)涡旋激光束；涡旋激光束旋转的次数。

·文章作者的意图想突出什么？光子量子霍尔效应证明的首创者；消除光传输数据的限制。这是作者想通过新型光学天线所实现的应用前景。从文章的内容和题目来看，两者不太匹配，其原因是，文章的题目强调的是新型光学天线，实际上文章的内容没有给出天性的性能和参数，这就不是搞天线的人应该写的文章，应该阐明的问题没有阐明。如果文章的作者想突出量子霍尔效应，那么文章的题目应该有所体现，更重要的是，杂志社的审稿人如何选择就是个问题，因为这是两个完全不同的学科，审稿人的知识面不一定能够包括这两个学科的问题。这往往也是杂志社寻求审稿人难以处理的问题，杂志的编辑不可能了解的那么详细。

〔3〕从光传输数据的限制角度来看，Kanté 说，目前依靠电磁波的传输信号已接近物理极限。频率资源的应用越来越少，已经达到饱和。光波的偏振为两个分量（水平或垂直），只能使传输的信息量增加一倍。在天线学科，称偏振为极化概念。这项新研究的技术是通过光的轨道角动量（orbital angular momentum, OAM）特性才突破了传输数据量的限制。

〔4〕这项新研究的光天线基片是釆用拓扑结构，这种光拓扑概念引入量子霍尔效应，文章作者想证明量子霍尔效应。因为这种光拓扑结构设计，使光子的量子霍尔效应现象（描述了施加磁场时光子的运动）得以发生，使光在同心环中沿同一方向传播。这样的设计与光传输数据的限制没有直接关系，也就是说与文章的题目没有直接关系。

〔5〕应当指出的是，这篇论文所说的新型光天线，辐射的激光束是电磁波，而轨道角动量是增加一个旋转的相位因子，这就是平面波前绕着传播方向旋转，呈现出螺旋相位结构，可以构成不同模式螺旋相位波前。产生轨道角动量的方法有多种，例如透射的光栅结构、透射的螺旋结构、透射的螺旋反射面结构、天线阵列结构，可以使用在不同的频率范围。也就是说不局限于微观结构，可以不引入量子概念。在天线学科，从轨道角动量产生的波束称作为涡旋电磁波束，不是现在一些译文中所说的光的‘漩涡’。与龙卷风和水的湍流之‘漩涡’不一样，因为光的涡旋是绕着传播方向旋转，旋转的次数与相位因子有关。

有译文把轨道角动量（OAM）形成的波束看作为“高电荷”OAM光束。“高电荷”是粒子概念，其实这里是电磁波概念。

〔6〕这篇文章三个同心圆与拓扑结构的基片，是怎样形成的螺旋相位因子？这个基片厚度从图上看是变化的，图中没有给出尺寸，只标出 lh1、lh2、lh3，说明这三个数值是不相同的，是否是因为它们形成的旋转角动量相位因子？笔者认为，文章的作者对这个问题应该说清楚。

〔7〕通过施加垂直于其平面微观结构的磁场，研究人员成功地产生了三束沿表面上方的圆形轨道传播的 OAM 激光。进一步研究表明，激光束的量子数（光在一个波长内绕其轴扭曲的次数）高达 276。

文章作者这种叙述的方式和给出的插图，看不出形成的激光束的传播方向，这个天线是平面天线，施加的磁场是垂直于这个天线的平面，而传播方向是在这个天线平面的上方，这种说法是不确切的，因为可以画出很多个轴线，文章的作者应该标出施加磁场的方向和天线传播方向。到底这个研究是否经过实验验证？通过什么办法测量？文中没有叙述。形成的涡旋激光束的旋转次数，被看成量子数，其实在天线学科不一定这样认为。至今天线学科没有给出量子天线的定义，虽然量子通信和量子雷达都已经见诸报端，却没有给出量子天线的构成和工作机理。