【光电通信】加州大学伯克利分校发现光通信新的多路复用方式，传输数据量将大幅提升

我们知道，在光传输网络中，为了提高信息传输的效率，增加信息容量，常常会用到光的多路复用技术，目前被广泛应用的有光的波分复用(WDM)、时分复用(OTDM)、以及其它待开发的新型多路复用技术。

图片来源：Boubacar Kanté

美国加州大学伯克利分校（University of California, Berkeley）的研究人员发现了一种新的多路复用（multiplex）方式，能使光信号携带的信息量显著提升。他们用同心圆环构成的天线演示了离散扭曲激光的发射。这一构件尺寸极小，直径与人的发丝相近，能够被置入计算机芯片。这项研究于2月25日（周四）发表在《自然-物理学》（Nature Physics）上。

该研究的领导者、加州大学伯克利分校电气工程和计算机科学系副教授 Boubacar Kanté 表示：“这是首次将产生扭曲光的激光器直接设置为多路复用。我们正处在数据的爆炸式增长的时代，现有的通信传输方式很快就会无法满足我们的需求。这项研究带来的技术通过对光的轨道角动量（orbital angular momentum, OAM）特征的利用，突破了数据量的限制。这一突破性的技术有望为生物成像、量子密码学，大容量通信和传感器等领域的现有格局带来根本改变。”

Kanté还是美国劳伦斯·伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory）材料科学系的科学家，他在加入加州大学伯克利分校前就开始了这项研究。论文的第一作者Babak Bahari曾在Kanté实验室攻读博士学位。

Kanté说，目前依靠电磁波的传输信号技术已经接近物理极限。例如，对频段的开发已经达到饱和——这就是能够同时广播的电台数目存在上限的原因。除了波分复用和时分复用之外，偏振光也是一个思路。偏振将光波分为两个分量（水平或垂直），可使传输的信息量增加一倍。3D 电影的制作就利用到了这一点，使戴着特殊眼镜的观众能够接收两组信号（两只眼睛分别接受水平/垂直的偏振光），从而产生立体视觉效果。

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开发“漩涡”的潜能

除了频率和偏振以外，光还具有轨道角动量（OAM）这一性质，它具有成倍的数据传输能力，因而受到了科学家的关注。若要形象地理解OAM，可以将其想象成龙卷风的旋涡。

Kanté说：“光的‘漩涡’具有无限的自由度，原则上可以承载无限量的数据。而技术上的挑战在于寻找一种可靠的方法来生成无限的OAM光束。在如此紧凑的设备中生成过如此高强度的OAM光束，目前并无先例。”

研究人员选择了最重要的电磁学组件之一——天线作为技术载体，因为它对目前的5G技术和未来的6G技术至关重要。这项研究中的天线具有拓扑设计，这保证了它的关键属性即使在被扭曲或弯折的情况下也能得以保留。

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制造“光环”

为了制造拓扑天线，研究人员使用电子束光刻技术在半导体材料磷化砷镓铟（InGaAsP）上蚀刻出网格形状，然后将结构粘合到钇铁石榴石（一种具有多项磁特性的氧化铁合成晶体，常用于调节激光）制成的表面上。网格设计形成三个同心圆环（直径最大约50微米）状的量子阱，以束缚光子。这样的设计令光子的量子霍尔效应现象（描述了施加磁场时光子的运动）得以发生，迫使光在环中沿同一方向传播。

Kanté说：“磁场导致的量子霍尔效应过去仅被认为可应用于电子设备，但在光学设备缺乏应用前景，因为现有材料在光学频率上的磁效应很弱。而我们最先演示了光子的类似现象——光的量子霍尔效应。”

通过施加垂直于其二维微观结构的磁场，研究人员成功地产生了三束沿表面上方的圆形轨道传播的OAM激光。进一步研究表明，激光束的量子数（光在一个波长内绕其轴扭曲的次数）高达276。

Kanté说：“赋予结构更大的量子数就像在一门语言中使用更多的字母，令光得以扩展其‘词汇量’。在我们的研究中，我们展示了电磁波在通信频段上的这种能力。但原则上它也可在其他频段工作。我们现在制造的激光器数目是3部，数据传输速率是单个设备的3倍，但实际上光束的数量和传输容量并不受限。”

Kanté表示，实验室的下一步是制造使用电能驱动的量子霍尔环。