Onderzoekers van de Universiteit van Californië, Berkeley, hebben een nieuwe manier gevonden om eigenschappen van lichtgolven te benutten die de hoeveelheid gegevens die ze vervoeren radicaal kunnen vergroten. Ze demonstreerden de emissie van discrete draaiende laserstralen van antennes die bestaan ​​uit concentrische ringen die ongeveer gelijk zijn aan de diameter van een mensenhaar, klein genoeg om op computerchips te worden geplaatst.

Het nieuwe werk, meldde in een krant die donderdag werd gepubliceerd, 25 februari in het journaal Natuurfysica , gooit de hoeveelheid informatie die kan worden gemultiplext wijd open, of gelijktijdig verzonden, door een coherente lichtbron. Een veelvoorkomend voorbeeld van multiplexing is het verzenden van meerdere telefoongesprekken via een enkele draad, maar er waren fundamentele grenzen geweest aan het aantal coherente, getwiste lichtgolven die direct konden worden gemultiplext.

"Het is de eerste keer dat lasers die gedraaid licht produceren direct zijn gemultiplext, " zei hoofdonderzoeker Boubacar Kanté, de Chenming Hu Associate Professor aan de afdeling Elektrotechniek en Computerwetenschappen van UC Berkeley. "We hebben een explosie van gegevens in onze wereld meegemaakt, en de communicatiekanalen die we nu hebben, zullen binnenkort ontoereikend zijn voor wat we nodig hebben. De technologie die we rapporteren overwint de huidige gegevenscapaciteitslimieten door een kenmerk van licht dat het baanimpulsmoment wordt genoemd. Het is een game-changer met toepassingen in biologische beeldvorming, kwantumcryptografie, communicatie en sensoren met hoge capaciteit."

Kanté, die ook een faculteitswetenschapper is in de Materials Sciences Division van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), heeft dit werk voortgezet aan UC Berkeley nadat het onderzoek was begonnen aan UC San Diego. De eerste auteur van de studie is Babak Bahari, een voormalig Ph.D. student in het laboratorium van Kanté.

Kanté zei dat de huidige methoden voor het verzenden van signalen via elektromagnetische golven hun limiet bereiken. Frequentie, bijvoorbeeld, is verzadigd geraakt, daarom zijn er maar zo veel zenders waarop je op de radio kunt afstemmen. Polarisatie, waar lichtgolven worden gescheiden in twee waarden - horizontaal of verticaal - kan de hoeveelheid verzonden informatie verdubbelen. Filmmakers profiteren hiervan bij het maken van 3D-films, waardoor kijkers met een gespecialiseerde bril twee sets signalen kunnen ontvangen - één voor elk oog - om een ​​stereoscopisch effect en de illusie van diepte te creëren.

Het potentieel in een draaikolk benutten

Maar voorbij frequentie en polarisatie is baanimpulsmoment, of OAM, een eigenschap van licht die de aandacht van wetenschappers heeft getrokken omdat het een exponentieel grotere capaciteit voor gegevensoverdracht biedt. Een manier om over OAM na te denken, is door het te vergelijken met de draaikolk van een tornado.

"De draaikolk in het licht, met zijn oneindige vrijheidsgraden, kan, in principe, een onbeperkte hoeveelheid gegevens ondersteunen, "zei Kanté. "De uitdaging was om een ​​manier te vinden om op betrouwbare wijze het oneindige aantal OAM-stralen te produceren. Niemand heeft ooit OAM-stralen met zulke hoge ladingen in zo'n compact apparaat geproduceerd."

De onderzoekers begonnen met een antenne, een van de belangrijkste componenten in elektromagnetisme en, zij merkten op, centraal in de huidige 5G- en opkomende 6G-technologieën. De antennes in deze studie zijn topologisch, wat betekent dat hun essentiële eigenschappen behouden blijven, zelfs wanneer het apparaat wordt gedraaid of gebogen.

Ringen van licht maken

Om de topologische antenne te maken, de onderzoekers gebruikten elektronenstraallithografie om een ​​rasterpatroon op indium galliumarsenidefosfide te etsen, een halfgeleidermateriaal, en vervolgens de structuur op een oppervlak van yttrium-ijzer-granaat gelijmd. De onderzoekers ontwierpen het raster om kwantumputten te vormen in een patroon van drie concentrische cirkels - de grootste met een diameter van ongeveer 50 micron - om fotonen op te vangen. Het ontwerp schiep voorwaarden om een ​​fenomeen te ondersteunen dat bekend staat als het fotonische kwantum Hall-effect, die de beweging van fotonen beschrijft wanneer een magnetisch veld wordt aangelegd, waardoor het licht slechts in één richting in de ringen reist.

"Mensen dachten dat het kwantum Hall-effect met een magnetisch veld in de elektronica kon worden gebruikt, maar niet in de optica vanwege het zwakke magnetisme van bestaande materialen bij optische frequenties, "zei Kanté. "Wij zijn de eersten die aantonen dat het quantum Hall-effect werkt voor licht."

Door een magnetisch veld aan te leggen loodrecht op hun tweedimensionale microstructuur, de onderzoekers hebben met succes drie OAM-laserstralen gegenereerd die in cirkelvormige banen boven het oppervlak reizen. De studie toonde verder aan dat de laserstralen kwantumgetallen hadden zo groot als 276, verwijzend naar het aantal keren dat licht in één golflengte om zijn as draait.

"Het hebben van een groter kwantumgetal is als het hebben van meer letters om in het alfabet te gebruiken, " zei Kanté. "We laten het licht zijn woordenschat uitbreiden. In onze studie, we hebben dit vermogen aangetoond bij telecommunicatiegolflengten, maar in principe het kan worden aangepast aan andere frequentiebanden. Ook al hebben we drie lasers gemaakt, vermenigvuldiging van de datasnelheid met drie, er is geen limiet aan het mogelijke aantal stralen en datacapaciteit."

Kanté zei dat de volgende stap in zijn laboratorium is om quantum Hall-ringen te maken die elektriciteit als stroombron gebruiken.