新型拓扑光学天线：可以“不限量”地传输数据了

美国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。它可从根本上增加光波的数据携带量。 

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。”

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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