導讀
近日，澳大利亞皇家墨爾本理工大學的研究人員研製出世界上首個利用渦旋光的納米光子設備，它能編碼更多的數據並更快地處理它們。該設備將釋放出渦旋光在未來光學與量子通信方面的巨大潛力。
背景
在如今這個信息大爆炸的時代中，人類產生與接收的信息量都越來越多，因此對通信容量的需求也在急劇增長。那麼，如何才能利用有限的頻譜、空間、能耗、成本等資源，去適應通信容量的急劇增長呢？
目前，互聯網主要採用的是以光波作為信息載體，以光纖作為傳輸媒介的一種通信方式。光波的振幅、相位、偏振、波長和時間維度已經被廣泛利用，以提高光通信容量。
除了這些傳統的複用技術，科學家們將目光投向了光波的矢量特徵：軌道角動量（Orbital Angular Momentum, OAM）。軌道角動量光束可以作為載波進行多路複用，以提高系統的通信容量和頻譜效率。目前，這方面的研究已經引起了廣泛關注。
在這裡，順便回顧一下之前介紹的一個案例，讓大家有一個參考和對比。這個案例介紹並不是光波的軌道角動量，而是與之有異曲同工之妙的聲波軌道角動量。美國能源部所屬勞倫斯伯克利國家實驗室的研究人員利用聲波軌道角動量，在單個頻率上包裝更多的信道，顯著提升信息傳輸量，實現高速的水下聲通信。
（圖片來源：Chengzhi Shi/Berkeley Lab and UC Berkeley）
創新
今天，筆者要為大家介紹一項突破性技術，它利用光波軌道角動量，提升信息傳輸速度，並有望使互聯網速度提升100倍。
在一篇發表在《自然通信（Nature Communications）》期刊上的論文中，澳大利亞皇家墨爾本理工大學科學院的研究人員公佈了世界上首個利用渦旋光的納米光子設備，它能編碼更多的數據並更快地處理它們。
論文合著者之一， 澳大利亞皇家墨爾本理工大學科學院的 Haoran Ren 博士稱，他們為讀取渦旋光所構造的這種微型納米光子設備，是解鎖超高速、超寬頻帶通信所需的那把遺失的鑰匙。
技術
寬頻帶纖維光學（Broadband fiber-optics），通過光纖以光脈衝的形式攜帶信息，信息傳輸速度可達光速。可是，在光纖一端光線編碼的方式，以及在另外一端的處理方式，影響了數據速度。
Haoran Ren 博士表示：“如今，光學通信正朝著‘容量危機’的方向發展，無法滿足大數據不斷增長的需求。”
“我們想辦法實現了一種可以大幅提升帶寬的方式，通過光線以最高的容量準確地傳輸數據。”
目前最尖端的光纖通信技術，就像澳大利亞國家寬頻帶網絡（NBN）中採用的那些，在色譜上攜帶數據，只使用了光線實際容量的一小部分。
正在開發的新型寬頻帶技術，採用振盪或者光波的形狀來編碼數據，也利用了我們看不見的光線來增加帶寬。
這項處於光學通信技術尖端的最新技術，用渦旋光攜帶數據，進一步增加容量。這種光線也被稱為處於軌道角動量（OAM）狀態的光線。
2016年，澳大利亞皇家墨爾本理工大學人工智能納米光學實驗室（LAIN）的同一研究小組在《科學》期刊上發表了一篇革命性的研究論文，論文描述了他們如何在納米光子芯片上解碼小範圍的渦旋光線。但是，這項技術表明：對於光學通信系統來說，檢測大範圍的OAM光線是不可行的，直到如今還是這樣。
Ren 表示：“我們的小型OAM納米電子檢測器，能夠通過連續的順序，分離不同的OAM光線狀態，並解碼渦旋光所攜帶的信息。”
“之前，這麼做需要一個像桌子那麼大的機器，對於電信系統來說，這是完全不切實際的。通過使用幾分之一毫米的超薄拓撲納米片，我們的發明創造更好地完成了這項任務，並且適合應用在光纖的一端。”
價值
LAIN 的主任、RMIT 研究創新與創業方面的副校長 Min Gu 教授表示，設備中使用的材料可以兼容大多數技術中使用的硅基材料，從而可以輕易地擴展用於工業領域。
他說：“我們的OAM納米電子解碼器有點像一個‘眼睛’，它可以‘看’到渦旋光所攜帶的信息，並且解碼這些信息使之可被電子設備理解。這項技術的高性能、低成本和小尺寸，使之可用於下一代寬頻帶光學通信。”
“它適合現有的光纖技術，並能增加帶寬，或者有望提升光纖處理速度，未來幾年內速度提幅度將超過100倍。這種簡單的可伸縮性以及對於電信系統的巨大影響，非常令人振奮。”
Gu 表示，檢測器也可用於接收通過渦旋光發送的量子信息，意味著它可以應用於各種各樣尖端的量子通信與量子計算研究。
Gu 表示：“我們的納米電子設備將釋放出渦旋光在未來光學與量子通信方面的全部潛力。”
關鍵字
互聯網、光學、通信、量子技術、納米電子
【1】https://www.rmit.edu.au/news/all-news/2018/oct/faster-internet
【2】http://dx.doi.org/10.1038/s41467-018-06952-1
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