Antenas ópticas multiplexadas

Los investigadores han descubierto una forma de aprovechar las propiedades de las ondas de luz que pueden aumentar radicalmente la cantidad de datos que transportan. Demostraron la emisión de rayos láser giratorios discretos desde antenas formadas por anillos concéntricos aproximadamente del diámetro de un cabello humano, lo suficientemente pequeños como para colocarlos en chips de computadora.

El trabajo aumentará significativamente la cantidad de información que se puede multiplexar o transmitir simultáneamente mediante una fuente de luz coherente. Un ejemplo común de multiplexación es la transmisión de múltiples llamadas telefónicas a través de un solo cable, pero existían límites fundamentales para la cantidad de ondas de luz retorcidas coherentes que podían multiplexarse ​​directamente.

La tecnología supera los límites actuales de capacidad de datos a través de una característica de la luz llamada momento angular orbital. Tiene aplicaciones en imágenes biológicas, comunicaciones de alta capacidad y sensores.

Los métodos actuales de transmisión de señales a través de ondas electromagnéticas están llegando a su límite. La frecuencia, por ejemplo, se ha saturado, por lo que solo hay un número limitado de estaciones que se pueden sintonizar en la radio. La polarización, donde las ondas de luz se separan en dos valores, horizontal o vertical, puede duplicar la cantidad de información transmitida. Los cineastas aprovechan esto cuando crean películas en 3D, lo que permite a los espectadores con anteojos especializados recibir dos conjuntos de señales, una para cada ojo, para crear un efecto estereoscópico y la ilusión de profundidad.

Más allá de la frecuencia y la polarización está el momento angular orbital (OAM), una propiedad de la luz que ha atraído la atención de los científicos porque ofrece una capacidad exponencialmente mayor para la transmisión de datos. Una forma de pensar en OAM es compararlo con el vórtice de un tornado. El vórtice de luz, con sus infinitos grados de libertad, puede, en principio, soportar una cantidad ilimitada de datos. El desafío ha sido encontrar una manera de producir de manera confiable la cantidad infinita de haces OAM.

Los investigadores comenzaron con una antena, uno de los componentes más importantes del electromagnetismo y central para las tecnologías 5G en curso y 6G. Las antenas de este estudio son topológicas:sus propiedades esenciales se conservan incluso cuando el dispositivo está torcido o doblado.

Para hacer la antena topológica, los investigadores utilizaron litografía por haz de electrones para grabar un patrón de cuadrícula en fosfuro de arseniuro de indio y galio (un material semiconductor) y luego unieron la estructura a una superficie hecha de granate de hierro itrio. Diseñaron la red para formar pozos cuánticos en un patrón de tres círculos concéntricos, el más grande de aproximadamente 50 micrones de diámetro, para atrapar fotones. El diseño creó las condiciones para respaldar un fenómeno conocido como efecto Hall cuántico fotónico, que describe el movimiento de los fotones cuando se aplica un campo magnético, lo que obliga a la luz a viajar en una sola dirección en los anillos.

Al aplicar un campo magnético perpendicular a la microestructura bidimensional, los investigadores generaron con éxito tres rayos láser OAM que viajaban en órbitas circulares sobre la superficie. El estudio mostró además que los rayos láser tenían números cuánticos de hasta 276, que se refieren a la cantidad de veces que la luz gira alrededor de su eje en una longitud de onda.