物理科技：數據傳輸限製將不複存在


圖源：Boubacar Kanté
美國加州大學伯克利分校（University of California, Berkeley）的研究人員發現了一種新的方法，能使光信號攜帶的信息量顯著提升。他們用同心圓環構成的天線演示了離散扭曲激光的發射。這一構件尺寸極小，直徑與人的發絲相近，能夠被置入計算機芯片。


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這項研究發表在《自然·物理學》（Nature Physics）上，報告了相幹光源可以以多路複用（multiplex）——也就是同時傳輸的形式，傳輸更大的信息量。多路複用的一個常見例子是通過一條電話線同時傳輸多個電話呼叫，但直接進行複用的技術對相幹扭曲光波的數量存在基本限製。
該研究的領導者、加州大學伯克利分校電氣工程和計算機科學係副教授Boubacar Kanté表示：“這是首次將產生扭曲光的激光器直接設置為多路複用。我們正處在數據的爆炸式增長的時代，現有的通信傳輸方式很快就會無法滿足我們的需求。這項研究帶來的技術通過對光的軌道角動量（orbital angular momentum, OAM）特征的利用，突破了數據量的限製。這一突破性的技術有望為生物成像、量子密碼學，大容量通信和傳感器等領域的現有格局帶來根本改變。”
Kanté 還是美國勞倫斯·伯克利國家實驗室（Lawrence Berkeley National Laboratory）材料科學係的科學家，他在加入加州大學伯克利分校前就開始了這項研究。論文的第一作者Babak Bahari曾在Kanté實驗室攻讀博士學位。
Kanté 說，目前依靠電磁波的傳輸信號技術已經接近物理極限。例如，對頻段的開發已經達到飽和——這就是能夠同時廣播的電台數目存在上限的原因。而偏振將光波分為兩個分量（水平或垂直），可使傳輸的信息量增加一倍。3D 電影的製作就利用到了這一點，使戴著特殊眼鏡的觀眾能夠接收兩組信號（兩隻眼睛分別接受水平/垂直的偏振光），從而產生立體視覺效果。


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開發“漩渦”的潛能
而除了頻率和偏振以外，光還具有軌道角動量（OAM）這一性質，它具有成倍的數據傳輸能力，因而受到了科學家的關注。若要形象地理解OAM，可以將其想象成龍卷風的旋渦。
Kanté說：“光的‘漩渦’具有無限的自由度，原則上可以承載無限量的數據。而技術上的挑戰在於尋找一種可靠的方法來生成無限的OAM光束。在如此緊湊的設備中生成過如此高強度的OAM光束，目前並無先例。”
研究人員選擇了最重要的電磁學組件之一——天線作為技術載體，因為它對目前的5G技術和未來的6G技術至關重要。這項研究中的天線具有拓撲設計，這保證了它的關鍵屬性即使在被扭曲或彎折的情況下也能得以保留。
製造“光環”
為了製造拓撲天線，研究人員使用電子束光刻技術在半導體材料磷化砷镓銦（InGaAsP）上蝕刻出網格形狀，然後將結構粘合到釔鐵石榴石（一種具有多項磁特性的氧化鐵合成晶體，常用於調節激光）製成的表麵上。網格設計形成三個同心圓環（直徑最大約 50微米）狀的量子阱，以束縛光子。這樣的設計令光子的量子霍爾效應現象（描述了施加磁場時光子的運動）得以發生，迫使光在環中沿同一方向傳播。
Kanté 說：“磁場導致的量子霍爾效應過去僅被認為可應用於電子設備，但在光學設備缺乏應用前景，因為現有材料在光學頻率上的磁效應很弱。而我們最先演示了光子的類似現象——光的量子霍爾效應。”
通過施加垂直於其二維微觀結構的磁場，研究人員成功地產生了三束沿表麵上方的圓形軌道傳播的 OAM 激光。進一步研究表明，激光束的量子數（光在一個波長內繞其軸扭曲的次數）高達 276。
Kanté 說：“賦予結構更大的量子數就像在一門語言中使用更多的字母，令光得以擴展其‘詞匯量’。在我們的研究中，我們展示了電磁波在通信頻段上的這種能力。但原則上它也可在其他頻段工作。我們現在製造的激光器數目是3部，數據傳輸速率是單個設備的3倍，但實際上光束的數量和傳輸容量並不受限。”
Kanté 表示，實驗室的下一步是製造使用電能驅動的量子霍爾環。
翻譯：武大可
審校：魏瀟
引進來源：加州大學伯克利分校
引進鏈接：https://www.eurekalert.org/pub_releases/2021-02/uoc--lud022221.php
本文來自：環球科學


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