Американские физики разработали оптическую антенну, использующую вместо частоты волны орбитальный угловой момент света. По мнению ученых, такая антенна способна передавать значительно больший объем информации, чем традиционные электромагнитные или поляризационные устройства, и может стать ключевым элементом технологий 5G и будущих технологий 6G. Описание разработки опубликовано в журнале Nature Physics.

Современные методы передачи сигналов с помощью электромагнитных волн достигли своего предела. В отличие от радиоволн, световые волны можно еще разложить на две составляющие — горизонтальную и вертикальную — с помощью поляризации. Это позволяет удвоить объем передаваемой информации. Еще большие возможности открывает использование орбитального углового момента света (OAM — orbital angular momentum).

Исследователи из Калифорнийского университета в Беркли нашли способ мультеплексирования — радикального увеличения объема передаваемых данных — с помощью дискретных закручивающихся лазерных лучей от антенн, состоящих из концентрических колец.

"Мы переживаем взрывной рост объемов данных в нашем мире, и каналы связи, которые у нас есть сейчас, скоро станут недостаточными. Технология, о которой мы сообщаем, преодолевает текущие ограничения емкости данных за счет характеристики света, называемой орбитальным угловым моментом. Впервые нами были напрямую мультиплексированы лазеры, излучающие искривленный свет, — приводятся в пресс-релизе университета слова руководителя исследования Бубакара Канте (Boubacar Kanté), доцент кафедры электротехники и компьютерных наук. — Это кардинально меняет правила игры с приложениями в области биологической визуализации, квантовой криптографии, высокопроизводительной связи и датчиков".

Распространенный пример мультиплексирования, или уплотнение каналов связи — передача нескольких телефонных разговоров по одному проводу. Но до сих пор существовали фундаментальные ограничения на количество когерентных скрученных световых волн, которые можно было мультиплексировать напрямую.

Исследователи создали в закрученных антеннах, диаметр которых равен человеческому волосу, световые вихри, аналогичные по структуре атмосферным торнадо. При этом эти компактные антенны, которые можно разместить на компьютерной плате, — топологические. Это означает, что они сохраняют свои свойства даже при скручивании или изгибе устройства.

"Световой вихрь с его бесконечными степенями свободы, в принципе, может поддерживать передачу неограниченного количества данных, — объясняет Канте. — Задача состоит в том, чтобы найти способ надежно произвести бесконечное количество лучей OAM. Никто никогда раньше не производил лучи OAM с такими высокими зарядами в таком компактном устройстве".

Чтобы создать топологическую антенну, исследователи использовали метод электронно-лучевой литографии, с помощью которого они сначала вытравили сетку на поверхности полупроводникового материала — сплава арсенида галлия и фосфида индия — соединения, которое широко применяется в фотонных устройствах, а затем прикрепили полученную структуру к поверхности железо-иттриевого граната.

По словам авторам, такая конструкция была необходима для поддержания явления, известного как фотонный квантовый эффект Холла — движения света в кольцах в одном направлении при приложении магнитного поля.

"Раньше думали, что квантовый эффект Холла с магнитным полем можно использовать в электронике, но не в оптике, из-за слабого магнетизма существующих материалов на оптических частотах, — говорит ученый. — Мы первые показали, что квантовый эффект Холла работает и для света".

Приложив магнитное поле, перпендикулярное двумерной микроструктуре, исследователи успешно сгенерировали три лазерных луча OAM, движущихся по круговым орбитам над поверхностью.

"Мы создали три лазера, увеличив скорость передачи данных в три раза, но в принципе нет ограничений на возможное количество лучей и объем передаваемых данных", — заключает Канте.

В ближайшее время ученые планируют приступить к разработке оптических антенн, использующих в качестве источника энергии электричество.