《自然》子刊：新型光学天线可消除数据传输限制

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，这种方法可以极大地增加光波携带的数据量。他们展示了由同心环组成的天线发射的离散扭曲激光束，同心环的直径大约等于一根头发，小到可以放在计算机芯片上。

该研究成果发发表于《自然·物理》(Nature Physics)。

研究人员称，“世界正在经历数据爆炸，现在拥有的通信渠道很快将无法满足需求。我们的技术通过一种叫做轨道角动量的光的特性克服了当前数据容量的限制。它将改变游戏规则，可应用于生物成像、量子密码术、大容量通信和传感器。”

研究人员从天线开始，天线是电磁学中最重要的组件之一，他们指出，天线是正在进行的5G和即将到来的6G技术的核心。这项研究中的天线是拓扑的，这意味着即使当设备扭曲或弯曲时，它们的基本特性也会保留下来。

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磷化铟镓上蚀刻出网格图案，然后将该结构结合到钇铁石榴石制成的表面上。研究人员设计了网格，以三个同心圆的模式形成量子阱，最大直径约为50微米，以捕获光子。

这项设计创造了支持光子量子霍尔效应现象的条件，这种现象描述了当施加磁场时光子的运动，迫使光在环中只向一个方向传播。就此，研究人员表示其“是第一个证明量子霍尔效应对光起作用的人。”

通过施加垂直于其二维微结构的磁场，研究人员成功地产生了三束在表面上方圆形轨道上行进的轨道角动量(OAM)激光束。这项研究进一步表明，激光束的量子数(光在一个波长内绕其轴扭曲的次数)高达276。

研究人员解释道：“拥有更大的量子数就像字母表中使用的字母更多......允许光扩展它的词汇量。在我们的研究中，我们在电信波长证明了这种能力。但原则上，它可以适应其他频段。即使我们创造了3种激光器，将数据速率提升了3倍，但其实光束的数量和数据容量没有限制。”

编译/前瞻经济学人APP资讯组

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41567-021-01165-8