新型光学天线可能会突破数据限制，实现超高容量数据传输

Techpai 3月 01, 2021 1.33w 浏览 0

加州大学伯克利分校的研究人员发现了一种利用光波属性的新方法，该方法可以从根本上增加其携带的数据量。有助于突破数据限制，实现超高容量数据传输。他们演示了由同心圆环构成的天线发出的离散扭曲激光束的情况，该同心圆环大致等于人发的直径，小到可以放置在计算机芯片上。

2月25日星期四发表在《自然物理学》杂志上的一篇论文中报道了这项新研究，它公开了可以通过相干光源多路复用或同时传输的信息量。复用的一个常见示例是通过一条电线传输多个电话呼叫，但是可以直接复用的相干扭曲光波的数量存在根本限制。

这是第一次将产生扭曲光的激光器直接进行多路复用。

该研究报告的技术通过一种称为轨道角动量光的特征克服了当前数据容量的限制。它是改变游戏规则的应用程序，在生物成像，量子密码学，大容量通信和传感器中都有应用。

目前通过电磁波传输信号的方法已达到极限。例如，频率已经饱和，这就是为什么只有这么多电台可以收听到的原因。极化将光波分为两个值（水平或垂直），可使传输的信息量增加一倍。电影制作者在制作3D电影时会利用这一点，使戴着特殊眼镜的观众能够接收到两组信号（每只眼睛一组）来产生立体效果和深度幻觉。

利用涡流中的潜力

但是，除了频率和极化以外，还有轨道角动量（OAM），它是光的一种性质，已经引起了科学家的关注，因为它为数据传输提供了指数级的能力。

光的旋涡具有无限的自由度，原则上可以支持无限量的数据。研究的挑战在于找到一种方法来可靠地产生无限数量的OAM光束。以前没有人在如此紧凑的设备中产生过如此高电荷的OAM光束。

研究人员从天线（电磁学中最重要的组件之一）开始，他们指出，这对正在进行的5G和即将到来的6G技术至关重要。这项研究中的天线是拓扑结构，这意味着即使设备扭曲或弯曲，它们的基本属性也得以保留。

创造拓扑”光环“

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砷化铟磷磷上蚀刻了网格图案，然后将结构粘合到钇铁石榴石制成的表面上。研究人员设计了网格，以三个同心圆（直径最大约50微米）的图案形成量子阱，以捕获光子。该设计创造了条件来支持一种称为光子量子霍尔效应的现象，该现象描述了施加磁场时光子的运动，迫使光在环中仅沿一个方向传播。

通过施加垂直于其二维微观结构的磁场，研究人员成功地产生了三枚OAM激光束，它们在表面上方的圆形轨道中传播。研究进一步表明，激光束的量子数高达276，是指光在一个波长内绕其轴扭曲的次数。获取更多前沿科技研究访问：https://byteclicks.com

实验室的下一步计划是制造使用电能作为电源的量子霍尔环。

这项研究主要由海军研究办公室，美国国家科学基金会和伯克利实验室的实验室指导研究与开发计划提供支持。

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