«Скрученный» свет может указать новый путь для беспроводной связи

Ученые сделали важный шаг в направлении использования «скрученного» света в качестве формы беспроводной передачи данных с высокой пропускной способностью, которая может привести к устареванию оптоволоконной сети.

В статье, опубликованном в журнале Science Advances, группа физиков из Великобритании, Германии, Новой Зеландии и Канады описала, как новые исследования «оптического углового момента» (OAM) могут преодолеть существующие трудности с использованием скрученного света в открытом пространстве.

Ученые могут «скручивать» фотоны - отдельные частицы света - пропуская их через специальный тип голограммы, аналогичный тому, что есть на кредитной карте, что сообщает фотонам оптический угловой момент.

В то время как обычная цифровая связь использует фотоны как единицы и нули для передачи данных, количество переплетающихся завихрений в фотонах позволяет им переносить дополнительные данные - что-то похожее на добавление букв вместе с единицами и нулями. Способность скрученных фотонов нести дополнительную информацию означает, что оптический угловой момент может создавать более широкополосные технологии связи.

Хотя методы оптического углового момента уже использовались для передачи данных по кабелям, передача скрученной световой волны через открытое пространство была значительно сложнее для ученых на сегодняшний день. Даже простые изменения атмосферного давления в открытом пространстве могут рассеивать световые лучи и приводить к потере информации о спине.

Исследователи изучили влияние как фазы, так и величины ОАМ, переносящегося светом через реальный канал в городской среде, для оценки жизнеспособности этих способов квантовой передачи информации.

Их канал в свободном пространстве в Эрлангене, Германия, был длиной 1,6 км и проходил по полям и улицам и близко к высотным зданиям, чтобы точно имитировать городскую среду и атмосферную турбулентность, которые могут нарушить передачу информации в пространстве, - тщательный подход, который сыграет важную роль в продвижении исследований OAM.

Проведение этих полевых испытаний в реальной городской среде выявило новые проблемы, которые необходимо преодолеть, прежде чем системы станут коммерчески доступными. Предыдущие исследования показали потенциальную возможность систем связи на основе OAM, но не полностью охарактеризовали влияние турбулентного воздуха на фазу структурированного света, распространяющегося по линиям такой длины.

Д-р Мартин Лавери (Martin Lavery), руководитель исследовательской группы по структурированной фотонике в Университете Глазго, является ведущим автором исследовательской работы команды. Он сказал: «В эпоху, когда глобальное потребление данных растет с экспоненциальной скоростью, существует растущая потребность в новых методах передачи информации, которые не должны отставать от темпа роста объемов данных по всему миру. Полноценная работающая система связи на основе оптического углового момента, способная передавать данные через свободное пространство, может трансформировать онлайн-доступ для развивающихся стран, систем обороны и городов по всему миру. Оптика в свободном пространстве - это решение, которое потенциально может дать нам полосу пропускания волокна, но без необходимости в физических кабелях. Она может быть более дешевой, более доступной альтернативой подключенным оптоволоконным соединениям».

Турбулентная атмосфера, используемая в этом эксперименте, подчеркнула хрупкость формируемых фазовых фронтов, особенно тех, которые могли бы быть неотъемлемой частью передачи данных с высокой пропускной способностью. Это исследование показало, какие проблемы будущих адаптивных оптических систем потребуют решения.

Д-р Лавери провел работу в сотрудничестве с исследователями из Института Макса Планка и университетов Отаго, Оттавы и Рочестера.

Эти результаты позволяют исследователям решать проблемы, которые ранее не наблюдались, в разработке адаптивной оптики для квантовой передачи информации для приближения новой эпохи оптики в свободном пространстве, которая в конечном итоге заменит волоконную оптику как функциональный способ связи в городских условиях и системах дистанционного зондирования.