Les frontières des données pourraient disparaître avec de nouvelles antennes optiques


Lumière non liée: avec les nouvelles antennes optiques, les limites des données pourraient disparaître

chercheurs de l’Université de Californie à Berkeley ont trouvé une nouvelle façon d’exploiter propriétés des ondes lumineuses, ce qui peut considérablement augmenter la quantité de données qu’elles transportent. Ils ont démontré l’émission de faisceaux laser torsadés discrets à partir d’antennes constituées d’anneaux concentriques d’environ le diamètre d’un cheveu humain et suffisamment petits pour être placés sur des puces informatiques. Crédit photo: Boubacar Kanté

Des chercheurs de l’Université de Californie à Berkeley ont trouvé une nouvelle façon d’exploiter les propriétés des ondes lumineuses, ce qui peut considérablement augmenter la quantité de données qu’elles transportent. Ils ont démontré l’émission de faisceaux laser torsadés discrets à partir d’antennes constituées d’anneaux concentriques d’environ le diamètre d’un cheveu humain et suffisamment petits pour être placés sur des puces informatiques.

Le nouveau travail a été présenté dans un article publié dans la revue le jeudi 25 février Physique naturelleaugmente la quantité d’informations qui peuvent être multiplexées ou transmises simultanément à partir d’une source de lumière cohérente. Un exemple courant de multiplexage est la transmission de plusieurs appels téléphoniques sur une seule ligne. Cependant, le nombre d’ondes lumineuses torsadées cohérentes qui pouvaient être directement multiplexées était fondamentalement limité.

«C’est la première fois que les lasers qui produisent de la lumière torsadée sont directement multiplexés», a déclaré le directeur de l’étude Boubacar Kanté, professeur associé de Chenming Hu au département des sciences électriques et informatiques de l’UC Berkeley. « Nous avons assisté à une explosion des données dans notre monde et les canaux de dont nous disposons actuellement ne seront bientôt plus suffisants pour ce dont nous avons besoin. La technologie dont nous faisons état dépasse les limites actuelles de capacité de données grâce à une propriété de la lumière connue sous le nom de moment angulaire , il change la donne avec des applications en imagerie biologique, cryptographie quantique, communications haute capacité et capteurs. « 

Kanté, qui est également professeur au département de science des matériaux du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), a poursuivi ce travail à l’UC Berkeley après avoir commencé ses recherches à l’UC San Diego. Le premier auteur de l’étude est Babak Bahari, un ancien Ph.D. Etudiant au laboratoire de Kanté.

Kanté a déclaré que les méthodes actuelles de transmission de signaux utilisant des ondes électromagnétiques atteignent leurs limites. Par exemple, la fréquence est saturée, c’est pourquoi il n’y a qu’un nombre limité de stations que vous pouvez syntoniser sur la radio. La polarisation, dans laquelle les ondes lumineuses sont divisées en deux valeurs – horizontale ou verticale – peut doubler la quantité d’informations transmises. Les cinéastes l’utilisent lors de la création de films 3D afin que les spectateurs portant des lunettes spéciales puissent recevoir deux ensembles de signaux – un pour chaque œil – pour créer un effet stéréoscopique et l’illusion de profondeur.

Utiliser le potentiel dans un vortex

Au-delà de la fréquence et de la polarisation, cependant, se trouve le moment angulaire orbital (OAM), une propriété de la lumière que les scientifiques ont remarquée car elle offre une capacité exponentiellement plus grande pour la transmission de données. Une façon de penser à l’OAM est de le comparer au vortex d’une tornade.

«Le vortex de lumière avec ses degrés de liberté infinis peut en principe supporter une quantité illimitée de données», a déclaré Kanté. « Le défi était de trouver un moyen de générer de manière fiable le nombre infini de faisceaux OAM. Personne n’a jamais créé de faisceaux OAM avec des charges aussi élevées dans un appareil aussi compact auparavant. »

Les chercheurs ont commencé avec une antenne, l’un des composants clés de l’électromagnétisme, et ils ont trouvé qu’elle était au cœur des technologies 5G en cours et 6G à venir. Les antennes de cette étude sont topologiques, ce qui signifie que leurs propriétés essentielles sont conservées même si l’appareil est tordu ou plié.

Créez des anneaux de lumière

Pour créer l’antenne topologique, les chercheurs ont utilisé la lithographie par faisceau d’électrons pour graver un motif de grille sur du phosphure d’arséniure d’indium et de gallium, un matériau semi-conducteur, puis ont attaché la structure sur une surface en grenat d’yttrium et de fer. Les chercheurs ont conçu le réseau pour former des puits quantiques dans un motif de trois cercles concentriques – le plus grand d’environ 50 microns de diamètre – pour capturer des photons. La conception a créé les conditions pour supporter un phénomène connu sous le nom d’effet Hall quantique photonique, qui décrit le mouvement des photons lorsqu’un magnétique est appliqué, forçant la lumière à se déplacer dans une seule direction dans les anneaux.

« Les gens pensaient que l’effet Hall quantique avec un champ magnétique pourrait être utilisé en électronique mais pas en optique car les matériaux existants ont un faible magnétisme aux fréquences optiques », a déclaré Kanté. « Nous sommes les premiers à montrer que l’effet Hall quantique fonctionne pour la lumière. »

En appliquant un champ magnétique perpendiculaire à sa microstructure bidimensionnelle, les chercheurs ont réussi à générer trois faisceaux laser OAM qui se déplacent selon des trajectoires circulaires sur la surface. L’étude a également montré que les faisceaux laser avaient des nombres quantiques allant jusqu’à 276, en fonction de la fréquence à laquelle la lumière tourne autour de son axe dans une longueur d’.

« Avoir un plus grand nombre quantique signifie avoir plus de lettres dans l’alphabet », a déclaré Kanté. « Nous permettons à la lumière d’élargir son vocabulaire. Dans notre étude, nous avons démontré cette capacité aux longueurs d’onde des télécommunications, mais en principe, elle peut être adaptée à d’autres bandes de fréquences. Bien que nous ayons créé trois lasers, nous multiplions le débit de données par trois. Le nombre possible de « Les faisceaux et la capacité de données sont illimités. »

Kanté a déclaré que la prochaine étape dans son laboratoire serait de fabriquer des anneaux de Hall quantiques utilisant l’électricité comme source d’énergie.


Les résonateurs laser prennent de formes et fonctions


Plus d’information:
B. Bahari, L. Hsu, SH Pan et al. Effet Hall quantique photonique et sources lumineuses multiplexées à grand moment angulaire. Physique naturelle (2021). DOI: 10.1038 / s41567-021-01165-8

Fourni par l’Université de Californie – Berkeley

Citation: Lumière non liée: les limites des données pourraient disparaître avec de nouvelles antennes optiques (2021, 25 février), consulté le 25 février 2021 sur https://phys.org/news/2021-02-unbound-limits-optical-antennas.html

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