Revolutionierung der Datenübertragung: Multiplexierte optische Antennen für ultraschnelle Kommunikation

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

Die Arbeit wird die Menge an Informationen, die durch eine kohärente Lichtquelle multiplexiert, also gleichzeitig übertragen, werden können, signifikant erhöhen. Ein gängiges Beispiel für Multiplexing ist die Übertragung mehrerer Telefongespräche über einen einzelnen Draht, aber es gab fundamentale Grenzen für die Anzahl kohärenter verdrehter Lichtwellen, die direkt multiplexiert werden konnten.

Die Technologie überwindet aktuelle Datenkapazitätsgrenzen durch eine Eigenschaft des Lichts, den Bahndrehimpuls (Orbital Angular Momentum, OAM). Sie hat Anwendungen in biologischer Bildgebung, hochkapazitiver Kommunikation und Sensorik.

Aktuelle Methoden der Signalübertragung durch elektromagnetische Wellen erreichen ihre Grenzen. Frequenz ist beispielsweise gesättigt, weshalb es nur so viele Radiosender gibt, in die man einstellen kann. Polarisation, bei der Lichtwellen in zwei Werte getrennt werden – horizontal oder vertikal – kann die übertragene Informationsmenge verdoppeln. Filmemacher nutzen dies bei der Erstellung von 3D-Filmen, wodurch Zuschauer mit speziellen Brillen zwei Signalsätze empfangen – einen für jedes Auge – um einen stereoskopischen Effekt und die Illusion von Tiefe zu erzeugen.

Jenseits von Frequenz und Polarisation liegt der Bahndrehimpuls (OAM), eine Eigenschaft des Lichts, die die Aufmerksamkeit von Wissenschaftlern auf sich gezogen hat, weil sie exponentiell größere Kapazität für Datenübertragung bietet. Man kann sich OAM als den Wirbel eines Tornados vorstellen. Der Wirbel im Licht mit seinen unendlichen Freiheitsgraden kann prinzipiell eine unbegrenzte Datenmenge unterstützen. Die Herausforderung bestand darin, einen Weg zu finden, die unendliche Anzahl von OAM-Strahlen zuverlässig zu erzeugen.

Die Forscher begannen mit einer Antenne, einer der wichtigsten Komponenten in der Elektromagnetik und zentral für laufende 5G- und kommende 6G-Technologien. Die Antennen in dieser Studie sind topologisch – ihre wesentlichen Eigenschaften bleiben erhalten, selbst wenn das Gerät verdreht oder gebogen wird.

Um die topologische Antenne herzustellen, nutzten die Forscher Elektronenstrahllithografie, um ein Gittermuster auf Indium-Gallium-Arsenid-Phosphid (ein Halbleitermaterial) zu ätzen und banden die Struktur dann auf eine aus Yttrium-Eisen-Granat bestehende Oberfläche. Sie entwarfen das Gitter so, dass es Quantenfänge in einem Muster aus drei konzentrischen Kreisen bildet – der größte etwa 50 Mikrometer im Durchmesser – um Photonen einzufangen. Das Design schuf Bedingungen, um ein Phänomen zu unterstützen, das als photonic quantum Hall effect bekannt ist, das die Bewegung von Photonen beschreibt, wenn ein Magnetfeld angelegt wird, was Licht zwingt, sich nur in eine Richtung in den Ringen zu bewegen.

Durch Anlegen eines senkrecht zur zweidimensionalen Mikrostruktur stehenden Magnetfelds gelang es den Forschern, drei OAM-Laserstrahlen zu erzeugen, die in Kreisbahnen über der Oberfläche verlaufen. Die Studie zeigte weiter, dass die Laserstrahlen Quellenzahlen von bis zu 276 aufwiesen, was sich auf die Anzahl bezieht, wie oft sich das Licht in einer Wellenlänge um seine Achse windet.