La luz "Twisted" o "Trenzada" podría hacer que la fibra óptica se quede obsolota
Los científicos han dado un paso importante hacia el uso de la luz "Trenzada" como una forma de transmisión de datos inalámbrica de alta capacidad que podría hacer que la fibra óptica sea obsoleta.
En un nuevo informe en la revista Science Advances, un equipo de físicos con sede en el Reino Unido, Alemania, Nueva Zelanda y Canadá describe cómo las nuevas investigaciones sobre "momento angular óptico" (OAM) podrían superar las dificultades actuales usando luz Trenzada en espacios abiertos.
Los científicos pueden "torcer" fotones (partículas individuales de luz) pasándolos a través de un tipo especial de hologramas, similar al de una tarjeta de crédito, dando a los fotones un giro conocido como momento angular óptico.
Mientras que las comunicaciones digitales convencionales utilizan fotones como unos y ceros para transportar información, el número de giros entrelazados en los fotones les permite llevar datos adicionales, algo así como agregar letras junto a las ceros. La capacidad de los fotones retorcidos para transportar información adicional significa que el momento angular óptico tiene el potencial de crear una tecnología de comunicaciones con un ancho de banda mucho mayor.
Si bien las técnicas ópticas de momento angular ya se han utilizado para transmitir datos a través de cables, la transmisión de luz trenzada a través de espacios abiertos ha sido significativamente más desafiante para los científicos hasta la fecha. Incluso los cambios simples en las presiones atmosféricas a través de los espacios abiertos pueden dispersar haces de luz y hacer que se pierda la información de los giros.
Los investigadores examinaron los efectos tanto en la fase como en la intensidad de OAM que transportaba luz sobre un enlace real en un entorno urbano para evaluar la viabilidad de estos modos de transferencia de información cuántica.
Su enlace de espacio libre, en Erlangen, Alemania, tenía 1,6 km de longitud y pasaba por campos y calles y cerca de edificios de gran altura para simular con precisión un entorno urbano y turbulencias atmosféricas que pueden interrumpir la transferencia de información en el espacio: un enfoque completo que ser un instrumento para avanzar en la investigación de OAM.
Llevar a cabo estas pruebas de campo en un entorno urbano real, ha revelado nuevos y emocionantes desafíos que deberán superarse antes de que los sistemas puedan comercializarse. Estudios previos habían indicado la posibilidad potencial de sistemas de comunicación OAM, pero no habían caracterizado completamente los efectos del aire turbulento en la fase de propagación de luz estructurada sobre enlaces de esta longitud.
El Dr. Martin Lavery, director del Grupo de Investigación de Fotónica Estructurada de la Universidad de Glasgow, es el autor principal del trabajo de investigación del equipo. El Dr. Lavery dijo: "En una época en la que nuestro consumo global de datos está creciendo a un ritmo exponencial, existe una creciente presión para descubrir nuevos métodos de transmisión de información que puedan mantenerse al día con la gran aceptación de datos en todo el mundo.
"Un sistema de comunicaciones de momento angular óptico completo y funcional, capaz de transmitir datos de forma inalámbrica a través del espacio libre, tiene el potencial de transformar el acceso en línea para los países en desarrollo, los sistemas de defensa y las ciudades de todo el mundo.
"La óptica de espacio libre es una solución que puede proporcionarnos el ancho de banda de fibra, pero sin el requisito de cableado físico."
"Este estudio da pasos vitales en el camino hacia la óptica espacial de alta dimensión que puede ser una alternativa más económica y accesible a las conexiones de fibra óptica enterradas".
La atmósfera turbulenta utilizada en este experimento destacó la fragilidad de los frentes de fase configurados, particularmente para aquellos que serían esenciales para las transferencias de datos de gran ancho de banda. Este estudio indicó los desafíos que los futuros sistemas ópticos adaptativos deberán resolver.
El Dr. Lavery añadió: "Con estos nuevos desarrollos, confiamos en que ahora podemos volver a pensar en nuestros enfoques para el modelado de canales y los requisitos de los sistemas de óptica adaptativa. Nos estamos acercando cada vez más al desarrollo de comunicaciones OAM que se pueden implementar en una entorno urbano real.
"Queremos iniciar una conversación sobre los problemas que deben abordarse y sobre cómo avanzar hacia la resolución".
El Dr. Lavery emprendió el trabajo en asociación con investigadores del Instituto Max Planck para la Ciencia de la Luz y el Instituto de Óptica, y las Universidades de Otago, Ottawa y Rochester.
Estos hallazgos permiten a los investigadores abordar desafíos no observados previamente en el desarrollo de ópticas adaptativas para la transferencia de información cuántica para acercarse a una nueva era de óptica de espacio libre que eventualmente reemplazará a la fibra óptica como un modo funcional de comunicación en entornos urbanos y sistemas de teledetección .
El documento, titulado "Propagación en espacio libre de campos ópticos estructurados de alta dimensión en un entorno urbano", se publica en Science Advances.
Creando luz retorcida con un haz de electrones
Hasta ahora, los investigadores creaban luz retorcida disparando rayos láser a través de máscaras o rejillas holográficas. Pero un equipo de físicos aceleradores de SLAC y UCLA ha demostrado que pueden crearlo con un haz de electrones, de forma muy similar a como lo hace el láser de rayos X LACC Coherente de Luz (LCLS) de SLAC que utiliza electrones para generar pulsos de luz láser de rayos X.
Ilustración del experimento (no a escala). El haz de electrones relativista no modulado interactúa con un láser polarizado linealmente en un ondulador helicoidal, que les da a los electrones una patada de energía que depende de su posición en el rayo láser enfocado. El rayo-e atraviesa entonces una chicane longitudinalmente dispersiva que permite que los electrones con mayor energía alcancen a aquellos con menor energía (compactación de momento). El resultado es un rayo 'helicoidalmente microbuncado' que luego irradia luz con
OAM a la frecuencia fundamental en el ondulador plano.
Aquí hay varias ventajas para generar haces de luz sacacorchos de esta manera, dijo el investigador postdoctoral SLAC Erik Hemsing, autor principal de un artículo en la edición de septiembre de Nature Physics. Los láseres de electrones libres pueden generar luz en un amplio rango de longitudes de onda y pulsos luminosos extremadamente cortos, lo que abre la posibilidad de generar luz de momento angular angular (OAM) en las longitudes de onda de rayos X de, por ejemplo, LCLS.
En el caso de la luz de sacacorchos, los investigadores envían dos pulsos, uno que contiene electrones, la otra luz láser, a través de un ondulador simultáneamente.
La combinación de pulso láser y ondulador imprime un patrón de energía en los electrones. Mientras pasan a través de otra agrupación de imanes llamada chicane, los electrones se reposicionan como autos de carreras en una curva, y golpean la siguiente recta dispuesta en forma de sacacorchos. Esta disposición de electrones "helicoidal microbunched" luego entra en un segundo ondulador que hace que se muevan y emitan luz en espiral.
Los rayos intensos de la luz de rayos X en espiral también podrían abrir la puerta a nuevas investigaciones de materia condensada, dijo Hemsing.