导读
近日，澳大利亚皇家墨尔本理工大学的研究人员研制出世界上首个利用涡旋光的纳米光子设备，它能编码更多的数据并更快地处理它们。该设备将释放出涡旋光在未来光学与量子通信方面的巨大潜力。
背景
在如今这个信息大爆炸的时代中，人类产生与接收的信息量都越来越多，因此对通信容量的需求也在急剧增长。那么，如何才能利用有限的频谱、空间、能耗、成本等资源，去适应通信容量的急剧增长呢？
目前，互联网主要采用的是以光波作为信息载体，以光纤作为传输媒介的一种通信方式。光波的振幅、相位、偏振、波长和时间维度已经被广泛利用，以提高光通信容量。
除了这些传统的复用技术，科学家们将目光投向了光波的矢量特征：轨道角动量（Orbital Angular Momentum, OAM）。轨道角动量光束可以作为载波进行多路复用，以提高系统的通信容量和频谱效率。目前，这方面的研究已经引起了广泛关注。
在这里，顺便回顾一下之前介绍的一个案例，让大家有一个参考和对比。这个案例介绍并不是光波的轨道角动量，而是与之有异曲同工之妙的声波轨道角动量。美国能源部所属劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员利用声波轨道角动量，在单个频率上包装更多的信道，显著提升信息传输量，实现高速的水下声通信。
（图片来源：Chengzhi Shi/Berkeley Lab and UC Berkeley）
创新
今天，笔者要为大家介绍一项突破性技术，它利用光波轨道角动量，提升信息传输速度，并有望使互联网速度提升100倍。
在一篇发表在《自然通信（Nature Communications）》期刊上的论文中，澳大利亚皇家墨尔本理工大学科学院的研究人员公布了世界上首个利用涡旋光的纳米光子设备，它能编码更多的数据并更快地处理它们。
论文合著者之一， 澳大利亚皇家墨尔本理工大学科学院的 Haoran Ren 博士称，他们为读取涡旋光所构造的这种微型纳米光子设备，是解锁超高速、超宽频带通信所需的那把遗失的钥匙。
技术
宽频带纤维光学（Broadband fiber-optics），通过光纤以光脉冲的形式携带信息，信息传输速度可达光速。可是，在光纤一端光线编码的方式，以及在另外一端的处理方式，影响了数据速度。
Haoran Ren 博士表示：“如今，光学通信正朝着‘容量危机’的方向发展，无法满足大数据不断增长的需求。”
“我们想办法实现了一种可以大幅提升带宽的方式，通过光线以最高的容量准确地传输数据。”
目前最尖端的光纤通信技术，就像澳大利亚国家宽频带网络（NBN）中采用的那些，在色谱上携带数据，只使用了光线实际容量的一小部分。
正在开发的新型宽频带技术，采用振荡或者光波的形状来编码数据，也利用了我们看不见的光线来增加带宽。
这项处于光学通信技术尖端的最新技术，用涡旋光携带数据，进一步增加容量。这种光线也被称为处于轨道角动量（OAM）状态的光线。
2016年，澳大利亚皇家墨尔本理工大学人工智能纳米光学实验室（LAIN）的同一研究小组在《科学》期刊上发表了一篇革命性的研究论文，论文描述了他们如何在纳米光子芯片上解码小范围的涡旋光线。但是，这项技术表明：对于光学通信系统来说，检测大范围的OAM光线是不可行的，直到如今还是这样。
Ren 表示：“我们的小型OAM纳米电子检测器，能够通过连续的顺序，分离不同的OAM光线状态，并解码涡旋光所携带的信息。”
“之前，这么做需要一个像桌子那么大的机器，对于电信系统来说，这是完全不切实际的。通过使用几分之一毫米的超薄拓扑纳米片，我们的发明创造更好地完成了这项任务，并且适合应用在光纤的一端。”
价值
LAIN 的主任、RMIT 研究创新与创业方面的副校长 Min Gu 教授表示，设备中使用的材料可以兼容大多数技术中使用的硅基材料，从而可以轻易地扩展用于工业领域。
他说：“我们的OAM纳米电子解码器有点像一个‘眼睛’，它可以‘看’到涡旋光所携带的信息，并且解码这些信息使之可被电子设备理解。这项技术的高性能、低成本和小尺寸，使之可用于下一代宽频带光学通信。”
“它适合现有的光纤技术，并能增加带宽，或者有望提升光纤处理速度，未来几年内速度提幅度将超过100倍。这种简单的可伸缩性以及对于电信系统的巨大影响，非常令人振奋。”
Gu 表示，检测器也可用于接收通过涡旋光发送的量子信息，意味着它可以应用于各种各样尖端的量子通信与量子计算研究。
Gu 表示：“我们的纳米电子设备将释放出涡旋光在未来光学与量子通信方面的全部潜力。”
关键字
互联网、光学、通信、量子技术、纳米电子
【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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