新型拓扑光学天线：可以“不限量”地传输数据
加州大学伯克利分校的研究人员发现了一种利用光波特性的新方法，可从根本上增加光波的数据携带量。
《自然·物理学》杂志当地时间2月25日发文称，美国加州大学伯克利分校（UCB）的研究人员发现了一种利用光波特性的新方法，它可从根本上增加光波的数据携带量。研究人员演示了从天线发射出的离散扭曲激光束，天线的同心圆直径与人类头发直径接近，足以由电脑芯片搭载。
研究人员在论文中指出，借助相干光源，可多路复用或同时传输大量信息。多路复用的常见例子是通过一根电线连接多个电话。然而，能够直接多路复用的相干光源扭曲光波的数量存在基本限制。
“这是人类首次直接复用产生扭曲光的激光器。”项目负责人、UCB副教授Boubacar Kanté说，“人类正在经历数据爆炸时代，我们现有的沟通渠道很快就将无法满足数据传输需求。新技术利用光特性‘轨道角动量’克服了当前的数据容量限制。它能够在生物成像、量子密码学、高容量通信和传感器等领域扮演‘规则改变者’。”
Kanté表示，通过电磁波传输信号的方法已经到达了极限，例如：频率已经饱和——这就是收音机只能收听有限数量电台的原因。当光波被分为水平/垂直两个分量时，偏振可以使传输的信息量增加一倍。电影公司在制作3D电影时，就常常会利用偏振技术让佩戴3D眼镜的观众接收两组信号，从而创造出立体效果和深度错觉。
除了频率和偏振，轨道角动量（OAM）也引起了科学家们的关注，因为它能够提供指数级的数据传输能力。
如何理解OAM？可将其与龙卷风的漩涡进行类比。“光波中的漩涡具有无限自由度，原则上可以支持无限数据量。”Kanté说，“现在的问题是，如何找到一种可靠的方法来制造无限数量的OAM光束。此前，从未有研究人员能够在紧凑的设备中产生高电荷OAM光束。”
研究人员指出，天线是电磁学中最重要的组件之一，它在正在推广的5G技术和即将到来的6G技术中都扮演着关键角色。Kanté等人设计的天线具有拓扑结构，这意味着即使设备扭曲或弯曲，其基本属性仍能保持不变。
为了制造拓扑天线，研究人员使用电子束光刻技术，在半导体材料铟镓砷磷化物上蚀刻出了栅格图案，然后将其负载到钇铁石榴石表面。研究人员将网格设计成由3个同心圆组成的量子阱，最大直径约50微米。该设计创造了实现“光子量子霍尔效应”的条件。光子量子霍尔效应是指：在磁场作用下，光只能沿着圆环中的一个方向传播。
Kanté说：“此前，人们认为磁场作用下的量子霍尔效应，只能用于电子学，而不能用于光学，因为现有材料在光学频率上具有弱磁性。我们首次证实，量子霍尔效应也适用于光波。”
通过施加一个垂直于二维微结构的磁场，研究人员成功地制造了三道OAM激光束。
进一步研究表明，激光束的量子数高达276。“量子数越大，就像可供造词的字母越多。”Kanté说，“我们在电信波长上证实了这种‘扩词’能力。原则上讲，它也能够适应其他频段。”
原创编译：雷鑫宇 审稿：西莫 责编：陈之涵
期刊来源：《自然·物理学》
期刊编号：1745-2473
原文链接：https://phys.org/news/2021-02-unbound-limits-optical-antennas.html
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