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                  UC Berkeley發現光通信新的多路復用方式,傳輸數據量將大幅提升

                  2021-05-20 10:25:42 深圳市瑞普高電子有限公司 397

                  我們知道,在光傳輸網絡中,為了提高信息傳輸的效率,增加信息容量,常常會用到光的多路復用技術,目前被廣泛應用的有光的波分復用(WDM)、時分復用(OTDM)、以及其它待開發的新型多路復用技術。

                  美國加州大學伯克利分校(University of California, Berkeley)的研究人員發現了一種新的多路復用(multiplex)方式,能使光信號攜帶的信息量顯著提升。他們用同心圓環構成的天線演示了離散扭曲激光的發射。這一構件尺寸極小,直徑與人的發絲相近,能夠被置入計算機芯片。 這項研究于2月25日(周四)發表在《自然-物理學》(Nature Physics)上。

                  該研究的領導者、加州大學伯克利分校電氣工程和計算機科學系副教授 Boubacar Kanté 表示:“這是首次將產生扭曲光的激光器直接設置為多路復用。我們正處在數據的爆炸式增長的時代,現有的通信傳輸方式很快就會無法滿足我們的需求。這項研究帶來的技術通過對光的軌道角動量(orbital angular momentum, OAM)特征的利用,突破了數據量的限制。這一突破性的技術有望為生物成像、量子密碼學,大容量通信和傳感器等領域的現有格局帶來根本改變?!?/span>

                  Kanté還是美國勞倫斯·伯克利國家實驗室(Lawrence Berkeley National Laboratory)材料科學系的科學家,他在加入加州大學伯克利分校前就開始了這項研究。論文的第一作者Babak Bahari曾在Kanté實驗室攻讀博士學位。

                  Kanté說,目前依靠電磁波的傳輸信號技術已經接近物理極限。例如,對頻段的開發已經達到飽和——這就是能夠同時廣播的電臺數目存在上限的原因。除了波分復用和時分復用之外,偏振光也是一個思路。偏振將光波分為兩個分量(水平或垂直),可使傳輸的信息量增加一倍。3D 電影的制作就利用到了這一點,使戴著特殊眼鏡的觀眾能夠接收兩組信號(兩只眼睛分別接受水平/垂直的偏振光),從而產生立體視覺效果。

                  開發“漩渦”的潛能

                  除了頻率和偏振以外,光還具有軌道角動量(OAM)這一性質,它具有成倍的數據傳輸能力,因而受到了科學家的關注。若要形象地理解OAM,可以將其想象成龍卷風的旋渦。

                  Kanté說:“光的‘漩渦’具有無限的自由度,原則上可以承載無限量的數據。而技術上的挑戰在于尋找一種可靠的方法來生成無限的OAM光束。在如此緊湊的設備中生成過如此高強度的OAM光束,目前并無先例?!?/span>

                  研究人員選擇了最重要的電磁學組件之一天線作為技術載體,因為它對目前的5G技術和未來的6G技術至關重要。這項研究中的天線具有拓撲設計,這保證了它的關鍵屬性即使在被扭曲或彎折的情況下也能得以保留。

                  制造“光環”

                  為了制造拓撲天線,研究人員使用電子束光刻技術在半導體材料磷化砷鎵銦(InGaAsP)上蝕刻出網格形狀,然后將結構粘合到釔鐵石榴石(一種具有多項磁特性的氧化鐵合成晶體,常用于調節激光)制成的表面上。網格設計形成三個同心圓環(直徑最大約50微米)狀的量子阱,以束縛光子。這樣的設計令光子的量子霍爾效應現象(描述了施加磁場時光子的運動)得以發生,迫使光在環中沿同一方向傳播。

                  Kanté說:“磁場導致的量子霍爾效應過去僅被認為可應用于電子設備,但在光學設備缺乏應用前景,因為現有材料在光學頻率上的磁效應很弱。而我們最先演示了光子的類似現象——光的量子霍爾效應?!?/span>

                  通過施加垂直于其二維微觀結構的磁場,研究人員成功地產生了三束沿表面上方的圓形軌道傳播的OAM激光。進一步研究表明,激光束的量子數(光在一個波長內繞其軸扭曲的次數)高達276。

                  Kanté說:“賦予結構更大的量子數就像在一門語言中使用更多的字母,令光得以擴展其‘詞匯量’。在我們的研究中,我們展示了電磁波在通信頻段上的這種能力。但原則上它也可在其他頻段工作。我們現在制造的激光器數目是3部,數據傳輸速率是單個設備的3倍,但實際上光束的數量和傳輸容量并不受限?!?/span>

                  Kanté表示,實驗室的下一步是制造使用電能驅動的量子霍爾環。






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