Wetenschappers hebben een belangrijke stap gezet in het gebruik van 'twisted' licht als een vorm van draadloos, datatransmissie met hoge capaciteit, waardoor glasvezel overbodig zou kunnen worden.

In een nieuw rapport dat vandaag (donderdag 26 oktober) in het tijdschrift is gepubliceerd wetenschappelijke vooruitgang , een team van natuurkundigen gevestigd in het Verenigd Koninkrijk, Duitsland, Nieuw-Zeeland en Canada beschrijven hoe nieuw onderzoek naar 'optical angular momentum' (OAM) de huidige problemen met het gebruik van gedraaid licht in open ruimtes zou kunnen overwinnen.

Wetenschappers kunnen fotonen - individuele lichtdeeltjes - 'draaien' door ze door een speciaal soort hologram te laten gaan, vergelijkbaar met die op een creditcard, waardoor de fotonen een draai krijgen die bekend staat als optisch impulsmoment.

Terwijl conventionele digitale communicatie fotonen gebruikt als enen en nullen om informatie over te dragen, het aantal met elkaar verweven wendingen in de fotonen stelt ze in staat om extra gegevens te dragen - iets dat lijkt op het toevoegen van letters naast de enen en nullen. Het vermogen van gedraaide fotonen om aanvullende informatie te dragen, betekent dat optisch impulsmoment de potentie heeft om communicatietechnologie met een veel hogere bandbreedte te creëren.

Hoewel optische impulsmomenttechnieken al zijn gebruikt om gegevens over kabels te verzenden, het verzenden van gedraaid licht over open ruimtes was tot nu toe een aanzienlijk grotere uitdaging voor wetenschappers. Zelfs eenvoudige veranderingen in atmosferische druk in open ruimten kunnen lichtstralen verstrooien en ervoor zorgen dat de spin-informatie verloren gaat.

De onderzoekers onderzochten de effecten op zowel de fase als de intensiteit van OAM dat licht over een echte link in een stedelijke omgeving transporteert om de levensvatbaarheid van deze vormen van kwantuminformatieoverdracht te beoordelen.

Hun vrije ruimte link, in Erlangen, Duitsland, was 1,6 km lang en liep over velden en straten en dicht bij hoogbouw om nauwkeurig een stedelijke omgeving en atmosferische turbulentie te simuleren die de informatieoverdracht in de ruimte kan verstoren - een grondige aanpak die van groot belang zal zijn om OAM-onderzoek vooruit te helpen.

Het uitvoeren van deze veldtesten in een echte stedelijke omgeving, heeft spannende nieuwe uitdagingen aan het licht gebracht die moeten worden overwonnen voordat systemen commercieel beschikbaar kunnen worden gemaakt. Eerdere studies hadden het potentieel van OAM-communicatiesystemen aangetoond, maar had de effecten van turbulente lucht op de fase van het gestructureerde licht dat zich over schakels van deze lengte voortplant, niet volledig gekarakteriseerd.

Dr. Martin Lavery, hoofd van de Structured Photonics Research Group aan de Universiteit van Glasgow, is de hoofdauteur van de onderzoekspaper van het team. Dr. Lavery zei:"In een tijd waarin ons wereldwijde dataverbruik exponentieel groeit, er is een toenemende druk om nieuwe methoden voor informatieoverdracht te ontdekken die gelijke tred kunnen houden met de enorme toename van gegevens over de hele wereld.

"Een volledige, werkend optisch impulsmomentcommunicatiesysteem dat gegevens draadloos door de vrije ruimte kan verzenden, heeft het potentieel om online toegang voor ontwikkelingslanden te transformeren, verdedigingssystemen en steden over de hele wereld.

"Optica voor vrije ruimte is een oplossing die ons potentieel de bandbreedte van glasvezel kan geven, maar zonder de noodzaak van fysieke bekabeling.

"Deze studie zet essentiële stappen voorwaarts in de reis naar hoogdimensionale vrije-ruimte-optica die een goedkopere, toegankelijker alternatief voor begraven glasvezelverbindingen."

De turbulente atmosfeer die in dit experiment werd gebruikt, benadrukte de kwetsbaarheid van gevormde fasefronten, vooral voor degenen die een integraal onderdeel zouden zijn van gegevensoverdrachten met hoge bandbreedte. Deze studie gaf de uitdagingen aan die toekomstige adaptieve optische systemen moeten oplossen.

Dr. Lavery voegde toe:"Met deze nieuwe ontwikkelingen, we zijn ervan overtuigd dat we onze benaderingen voor kanaalmodellering en de vereisten voor adaptieve optische systemen nu kunnen heroverwegen. We komen steeds dichter bij het ontwikkelen van OAM-communicatie die kan worden ingezet in een echte stedelijke omgeving.

"We willen een gesprek beginnen over de problemen die moeten worden aangepakt en hoe we naar de oplossing gaan."

Dr. Lavery ondernam het werk in samenwerking met onderzoekers van het Max Planck Institute for the Science of Light en Institute of Optics, en de universiteiten van Otago, Ottawa en Rochester.

Deze bevindingen stellen onderzoekers in staat om uitdagingen aan te gaan - niet eerder waargenomen - bij het ontwikkelen van adaptieve optica voor kwantuminformatieoverdracht om dichter bij een nieuw tijdperk van optica in de vrije ruimte te komen dat uiteindelijk glasvezel zal vervangen als een functionele communicatiemodus in stedelijke omgevingen en teledetectiesystemen .

De krant, getiteld "Free-space propagatie van hoogdimensionale gestructureerde optische velden in een stedelijke omgeving, " is gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang .