無束縛的光：新的光學天線可能會消除數據限制

加州大學伯克利分校的研究人員發現了一種利用光波屬性的新方法，該方法可以從根本上增加其攜帶的數據量。 他們演示了由同心圓環構成的天線發出的離散扭曲激光束的情況，該同心圓環大致等於人發的直徑，小到可以放置在計算機晶元上。

2月25日星期四發表在《自然物理學》雜誌上的一篇論文中報道了這項新研究，它公開了通過相干光源可以多路復用或同時傳輸的信息量。 復用的一個常見示例是通過一條電線傳輸多個電話呼叫，但是可以直接復用的相干扭曲光波的數量存在基本限制。

加州大學伯克利分校電氣工程和計算機科學系的胡晨明副教授說：「這是第一次將產生扭曲光的激光器直接進行多路復用。」 「我們一直在經歷著世界數據的爆炸式增長，現在我們已經擁有的通信渠道將很快無法滿足我們的需求。我們報告的技術通過一種稱為軌道角動量的光的特徵克服了當前數據容量的限制。它是改變遊戲規則的應用程序，在生物成像，量子密碼學，大容量通信和感測器中都有應用。」

坎特（Kanté）還是勞倫斯·伯克利國家實驗室（伯克利實驗室）材料科學系的教職科學家，在加州大學聖地亞哥分校開始研究後，一直在加州大學伯克利分校繼續這項工作。 該研究的第一作者是前博士Babak Bahari。 康德實驗室的學生。

康特說，目前通過電磁波傳輸信號的方法已經達到了極限。 例如，頻率已經飽和，這就是為什麼只有這麼多電台可以收聽到的電台的原因。 極化將光波分為兩個值（水平或垂直），可使傳輸的信息量增加一倍。 電影製作人員在製作3D電影時會利用這一點，使戴著特殊眼鏡的觀眾能夠接收兩組信號（每隻眼睛一個），從而產生立體效果和深度幻覺。

利用渦流中的潛力

但是，除了頻率和極化以外，還有軌道角動量（OAM），它是光的一種性質，已經引起了科學家的關注，因為它提供了指數級地更大的數據傳輸能力。 考慮OAM的一種方法是將其與龍成交量風的旋渦進行比較。

坎特說：「光的旋渦具有無限的自由度，原則上可以支持無限量的數據。」 「挑戰在於尋找一種方法來可靠地產生無限數量的OAM光束。以前沒有人在如此緊湊的設備中產生過如此高電荷的OAM光束。」

研究人員從天線（電磁學中最重要的組件之一）開始，並且指出，這對正在進行的5G和即將到來的6G技術至關重要。 這項研究中的天線是拓撲結構，這意味著即使設備扭曲或彎曲，它們的基本屬性也得以保留。

創造光環

為了製造拓撲天線，研究人員使用電子束光刻技術在半導體材料砷化磷銦鎵上蝕刻出網格圖案，然後將結構粘合到釔鐵石榴石製成的表面上。 研究人員設計了網格，以三個同心圓（最大直徑約為50微米）的圖案形成量子阱，以捕獲光子。 該設計創造了條件來支持一種稱為光子量子霍爾效應的現象，該現象描述了施加磁場時光子的運動，迫使光在環中僅沿一個方向傳播。

坎特說：「人們認為帶有磁場的量子霍爾效應可以用於電子產品，而不是光學產品，因為現有材料在光頻率上的磁性很弱。」 「我們是第一個證明量子霍爾效應確實對光有效的人。」

通過施加垂直於其二維微觀結構的磁場，研究人員成功地產生了三枚OAM激光束，它們在表面上方的圓形軌道中傳播。 研究進一步表明，激光束的量子數高達276，是指光在一個波長內繞其軸扭曲的次數。

坎特說：「具有更大的量子數就像在字母表中使用更多的字母一樣。」 「我們允許光擴展其辭彙量。在我們的研究中，我們展示了在電信波長處的這種能力，但原則上，它可以適應其他頻段。即使我們製造了三個激光器，將數據速率乘以三，光束的數量和數據容量沒有限制。」

康特說，他實驗室的下一步是製造使用電能作為電源的量子霍爾環。

有所作為：贊助機會

故事來源：

材料 由…提供 加州大學伯克利分校。 原文由Sarah Yang撰寫。 注意：可以編輯內容的樣式和長度。