Gemultiplexte optische Antennen

Forscher haben einen Weg entdeckt, die Eigenschaften von Lichtwellen zu nutzen, die die von ihnen übertragene Datenmenge radikal erhöhen können. Sie demonstrierten die Emission diskret verdrehter Laserstrahlen von Antennen, die aus konzentrischen Ringen bestanden, die ungefähr dem Durchmesser eines menschlichen Haares entsprachen – klein genug, um auf Computerchips platziert zu werden.

Die Arbeit wird die Informationsmenge, die von einer kohärenten Lichtquelle gemultiplext oder gleichzeitig übertragen werden kann, erheblich erhöhen. Ein gängiges Beispiel für Multiplexing ist die Übertragung mehrerer Telefonanrufe über eine einzige Leitung, aber es gab grundlegende Grenzen für die Anzahl kohärenter verdrillter Lichtwellen, die direkt gemultiplext werden konnten.

Die Technologie überwindet die derzeitigen Grenzen der Datenkapazität durch eine Lichteigenschaft, die als orbitaler Drehimpuls bezeichnet wird. Es hat Anwendungen in der biologischen Bildgebung, Hochleistungskommunikation und Sensoren.

Aktuelle Verfahren zur Übertragung von Signalen durch elektromagnetische Wellen stoßen an ihre Grenzen. Die Frequenz zum Beispiel ist gesättigt, weshalb es nur eine begrenzte Anzahl von Sendern gibt, die man im Radio einstellen kann. Polarisation, bei der Lichtwellen in zwei Werte – horizontal oder vertikal – getrennt werden, kann die Menge der übertragenen Informationen verdoppeln. Filmemacher nutzen dies bei der Erstellung von 3D-Filmen, indem sie es Zuschauern mit Spezialbrillen ermöglichen, zwei Signalsätze zu empfangen – einen für jedes Auge –, um einen stereoskopischen Effekt und die Illusion von Tiefe zu erzeugen.

Jenseits von Frequenz und Polarisation liegt der orbitale Drehimpuls (OAM), eine Eigenschaft des Lichts, die die Aufmerksamkeit von Wissenschaftlern auf sich gezogen hat, weil sie eine exponentiell größere Kapazität für die Datenübertragung bietet. Eine Möglichkeit, über OAM nachzudenken, besteht darin, es mit dem Wirbel eines Tornados zu vergleichen. Der Wirbel im Licht mit seinen unendlichen Freiheitsgraden kann im Prinzip eine unbegrenzte Datenmenge unterstützen. Die Herausforderung bestand darin, einen Weg zu finden, die unendliche Anzahl von OAM-Strahlen zuverlässig zu produzieren.

Die Forscher begannen mit einer Antenne, einer der wichtigsten Komponenten im Elektromagnetismus und von zentraler Bedeutung für die laufenden 5G- und kommenden 6G-Technologien. Die Antennen in dieser Studie sind topologisch – ihre wesentlichen Eigenschaften bleiben auch dann erhalten, wenn das Gerät gedreht oder gebogen wird.

Um die topologische Antenne herzustellen, verwendeten die Forscher Elektronenstrahl-Lithographie, um ein Gittermuster auf Indium-Gallium-Arsenid-Phosphid (ein Halbleitermaterial) zu ätzen und die Struktur dann auf eine Oberfläche aus Yttrium-Eisen-Granat zu kleben. Sie entwarfen das Gitter so, dass es Quantentöpfe in einem Muster aus drei konzentrischen Kreisen – der größte mit einem Durchmesser von etwa 50 Mikrometern – bildet, um Photonen einzufangen. Das Design schuf Bedingungen, um ein Phänomen zu unterstützen, das als photonischer Quanten-Hall-Effekt bekannt ist, der die Bewegung von Photonen beschreibt, wenn ein Magnetfeld angelegt wird, wodurch Licht gezwungen wird, sich in den Ringen nur in eine Richtung zu bewegen.

Durch Anlegen eines Magnetfelds senkrecht zur zweidimensionalen Mikrostruktur erzeugten die Forscher erfolgreich drei OAM-Laserstrahlen, die sich in Kreisbahnen über der Oberfläche bewegten. Die Studie zeigte ferner, dass die Laserstrahlen Quantenzahlen von bis zu 276 hatten, was sich auf die Anzahl der Drehungen des Lichts um seine Achse in einer Wellenlänge bezieht.