De nouvelles recherches révèlent la quantité d’informations pouvant être transmises simultanément par une seule source de lumière.
Des chercheurs duUniversité de Californie, Berkeley, ont trouvé une nouvelle façon d'exploiter les propriétés des ondes lumineuses qui peuvent augmenter radicalement la quantité de données qu'elles transportent. Ils ont démontré l’émission de faisceaux laser discrets à torsion à partir d’antennes constituées d’anneaux concentriques à peu près égaux au diamètre d’un cheveu humain, suffisamment petits pour être placés sur des puces informatiques.
Les nouveaux travaux, rapportés dans un article publié le jeudi 25 février 2021 dans la revuePhysique naturelle, ouvre grand la quantité d’informations qui peuvent être multiplexées, ou transmises simultanément, par une source de lumière cohérente. Un exemple courant de multiplexage est la transmission de plusieurs appels téléphoniques sur un seul fil, mais il existait des limites fondamentales au nombre d'ondes lumineuses torsadées cohérentes pouvant être directement multiplexées.
"C'est la première fois que des lasers produisant de la lumière torsadée sont directement multiplexés", a déclaré Boubacar Kanté, chercheur principal de l'étude et professeur agrégé de Chenming Hu au département de génie électrique et d'informatique de l'UC Berkeley. "Nous avons connu une explosion de données dans notre monde, et les canaux de communication dont nous disposons actuellement seront bientôt insuffisants pour répondre à nos besoins. La technologie dont nous faisons état dépasse les limites actuelles de capacité de données grâce à une caractéristique de la lumière appelée moment cinétique orbital. Elle change la donne avec des applications dans l'imagerie biologique, la cryptographie quantique, les communications à haute capacité et les capteurs. "
Kanté, qui est également chercheur à la Division des sciences des matériaux du Laboratoire national Lawrence Berkeley (Berkeley Lab), poursuit ce travail à l'UC Berkeley après avoir commencé la recherche à l'UC San Diego. Le premier auteur de l'étude est Babak Bahari, ancien doctorant. étudiant dans le laboratoire de Kanté.
Kanté a déclaré que les méthodes actuelles de transmission de signaux par ondes électromagnétiques atteignent leurs limites. La fréquence, par exemple, est devenue saturée, c'est pourquoi le nombre de stations que l'on peut écouter à la radio est limité. La polarisation, où les ondes lumineuses sont séparées en deux valeurs – horizontale ou verticale – peut doubler la quantité d'informations transmises. Les cinéastes en profitent lors de la création de films 3D, permettant aux spectateurs portant des lunettes spécialisées de recevoir deux ensembles de signaux – un pour chaque œil – pour créer un effet stéréoscopique et une illusion de profondeur.
Exploiter le potentiel d’un vortex
Mais au-delà de la fréquence et de la polarisation, il y a le moment cinétique orbital, ou OAM, une propriété de la lumière qui a retenu l'attention des scientifiques car elle offre une capacité de transmission de données exponentiellement plus grande. Une façon de penser à l’OAM est de le comparer au vortex d’une tornade.
"Le vortex lumineux, avec ses degrés de liberté infinis, peut, en principe, supporter une quantité illimitée de données", a déclaré Kanté. "Le défi a été de trouver un moyen de produire de manière fiable un nombre infini de faisceaux OAM. Personne n'a jamais produit de faisceaux OAM de charges aussi élevées dans un appareil aussi compact auparavant."
Les chercheurs ont commencé avec une antenne, l’un des composants les plus importants de l’électromagnétisme et, ont-ils noté, 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 lorsque l'appareil est tordu ou plié.
Créer des anneaux de lumière
Pour fabriquer 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 collé la structure sur une surface en grenat d'yttrium et de fer. Les chercheurs ont conçu la grille pour former des puits quantiques selon un motif de trois cercles concentriques – le plus grand mesurant environ 50 microns de diamètre – pour piéger les photons. La conception a créé les conditions nécessaires à un phénomène connu sous le nom d’effet Hall quantique photonique, qui décrit le mouvement des photons lorsqu’un champ 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 pouvait être utilisé en électronique mais pas en optique en raison du faible magnétisme des matériaux existants 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 leur microstructure bidimensionnelle, les chercheurs ont réussi à générer trois faisceaux laser OAM se déplaçant sur des orbites circulaires au-dessus de la surface. L’étude a en outre montré que les faisceaux laser avaient des nombres quantiques aussi grands que 276, faisant référence au nombre de fois où la lumière se tord autour de son axe dans une longueur d’onde.
"Avoir un nombre quantique plus grand, c'est comme avoir plus de lettres à utiliser 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. Même si nous avons créé trois lasers, multipliant le débit de données par trois, il n'y a pas de limite au nombre possible de faisceaux et à la capacité de données."
Kanté a déclaré que la prochaine étape dans son laboratoire consisterait à fabriquer des anneaux de Hall quantiques utilisant l'électricité comme source d'énergie.
Référence : « Effet Hall photonique quantique et sources lumineuses multiplexées de grands moments angulaires orbitaux » par Babak Bahari, Liyi Hsu, Si Hui Pan, Daryl Preece, Abdoulaye Ndao, Abdelkrim El Amili, Yeshaiahu Fainman et Boubacar Kanté, 25 février,Physique naturelle.
DOI : 10.1038/s41567-021-01165-8
Cette recherche a été principalement soutenue par l’Office of Naval Research, la National Science Foundation et le programme de recherche et de développement dirigé par le laboratoire de Berkeley Lab.
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De nouvelles recherches révèlent la quantité d’informations pouvant être transmises simultanément par une seule source de lumière.
Des chercheurs duUniversité de Californie, Berkeley, ont trouvé une nouvelle façon d'exploiter les propriétés des ondes lumineuses qui peuvent augmenter radicalement la quantité de données qu'elles transportent. Ils ont démontré l’émission de faisceaux laser discrets à torsion à partir d’antennes constituées d’anneaux concentriques à peu près égaux au diamètre d’un cheveu humain, suffisamment petits pour être placés sur des puces informatiques.
Les nouveaux travaux, rapportés dans un article publié le jeudi 25 février 2021 dans la revuePhysique naturelle, ouvre grand la quantité d’informations qui peuvent être multiplexées, ou transmises simultanément, par une source de lumière cohérente. Un exemple courant de multiplexage est la transmission de plusieurs appels téléphoniques sur un seul fil, mais il existait des limites fondamentales au nombre d'ondes lumineuses torsadées cohérentes pouvant être directement multiplexées.
"C'est la première fois que des lasers produisant de la lumière torsadée sont directement multiplexés", a déclaré Boubacar Kanté, chercheur principal de l'étude et professeur agrégé de Chenming Hu au département de génie électrique et d'informatique de l'UC Berkeley. "Nous avons connu une explosion de données dans notre monde, et les canaux de communication dont nous disposons actuellement seront bientôt insuffisants pour répondre à nos besoins. La technologie dont nous faisons état dépasse les limites actuelles de capacité de données grâce à une caractéristique de la lumière appelée moment cinétique orbital. Elle change la donne avec des applications dans l'imagerie biologique, la cryptographie quantique, les communications à haute capacité et les capteurs. "
Kanté, qui est également chercheur à la Division des sciences des matériaux du Laboratoire national Lawrence Berkeley (Berkeley Lab), poursuit ce travail à l'UC Berkeley après avoir commencé la recherche à l'UC San Diego. Le premier auteur de l'étude est Babak Bahari, ancien doctorant. étudiant dans le laboratoire de Kanté.
Kanté a déclaré que les méthodes actuelles de transmission de signaux par ondes électromagnétiques atteignent leurs limites. La fréquence, par exemple, est devenue saturée, c'est pourquoi le nombre de stations que l'on peut écouter à la radio est limité. La polarisation, où les ondes lumineuses sont séparées en deux valeurs – horizontale ou verticale – peut doubler la quantité d'informations transmises. Les cinéastes en profitent lors de la création de films 3D, permettant aux spectateurs portant des lunettes spécialisées de recevoir deux ensembles de signaux – un pour chaque œil – pour créer un effet stéréoscopique et une illusion de profondeur.
Exploiter le potentiel d’un vortex
Mais au-delà de la fréquence et de la polarisation, il y a le moment cinétique orbital, ou OAM, une propriété de la lumière qui a retenu l'attention des scientifiques car elle offre une capacité de transmission de données exponentiellement plus grande. Une façon de penser à l’OAM est de le comparer au vortex d’une tornade.
"Le vortex lumineux, avec ses degrés de liberté infinis, peut, en principe, supporter une quantité illimitée de données", a déclaré Kanté. "Le défi a été de trouver un moyen de produire de manière fiable un nombre infini de faisceaux OAM. Personne n'a jamais produit de faisceaux OAM de charges aussi élevées dans un appareil aussi compact auparavant."
Les chercheurs ont commencé avec une antenne, l’un des composants les plus importants de l’électromagnétisme et, ont-ils noté, 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 lorsque l'appareil est tordu ou plié.
Créer des anneaux de lumière
Pour fabriquer 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 collé la structure sur une surface en grenat d'yttrium et de fer. Les chercheurs ont conçu la grille pour former des puits quantiques selon un motif de trois cercles concentriques – le plus grand mesurant environ 50 microns de diamètre – pour piéger les photons. La conception a créé les conditions nécessaires à un phénomène connu sous le nom d’effet Hall quantique photonique, qui décrit le mouvement des photons lorsqu’un champ 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 pouvait être utilisé en électronique mais pas en optique en raison du faible magnétisme des matériaux existants 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 leur microstructure bidimensionnelle, les chercheurs ont réussi à générer trois faisceaux laser OAM se déplaçant sur des orbites circulaires au-dessus de la surface. L’étude a en outre montré que les faisceaux laser avaient des nombres quantiques aussi grands que 276, faisant référence au nombre de fois où la lumière se tord autour de son axe dans une longueur d’onde.
"Avoir un nombre quantique plus grand, c'est comme avoir plus de lettres à utiliser 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. Même si nous avons créé trois lasers, multipliant le débit de données par trois, il n'y a pas de limite au nombre possible de faisceaux et à la capacité de données."
Kanté a déclaré que la prochaine étape dans son laboratoire consisterait à fabriquer des anneaux de Hall quantiques utilisant l'électricité comme source d'énergie.
Référence : « Effet Hall photonique quantique et sources lumineuses multiplexées de grands moments angulaires orbitaux » par Babak Bahari, Liyi Hsu, Si Hui Pan, Daryl Preece, Abdoulaye Ndao, Abdelkrim El Amili, Yeshaiahu Fainman et Boubacar Kanté, 25 février,Physique naturelle.
DOI : 10.1038/s41567-021-01165-8
Cette recherche a été principalement soutenue par l’Office of Naval Research, la National Science Foundation et le programme de recherche et de développement dirigé par le laboratoire de Berkeley Lab.
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