Snoet lys kan mangedoble datahastigheden

De seneste år har flere forskningsgrupper verden over taget hul på en ny teknik til at øge kapaciteten af eksisterende kommunikationskanaler.

Det går populært sagt ud på at sno elektromagnetiske bølger på en særlig måde, så information kan sendes med forskellige grad af snoning over samme fysiske kanal.

Princippet kan udnyttes både for laserlys i det optiske eller infra­røde område og for radiobølger ved frekvenser, der anvendes til mobilkommunikation.

Teknikken er afprøvet både gennem luften og i en optisk fiber produceret i Danmark.

Eksperimenterne har foreløbig haft præg af demonstrationsforsøg, men de rummer potentielt muligheden for at øge transmissionskapaciteten mange gange.

I et helt nyt eksperiment har forskere fra Anton Zeilingers forskningsgruppe ved Universität Wien i Østrig, som er anerkendt som verdens førende inden for kvanteoptik, sendt en grøn laserstråle med 16 forskellige grader af snoning tre kilometer gennem luften i Wien og bl.a. på denne måde overført et billede af Mozart.

Eksperimentet viste, at signalerne er upåvirkede af atmosfæriske forstyrrelser, som man ellers kunne have frygtet ville koble de forskellige grader af snoning mellem hinanden og dermed ødelægge transmissionskvaliteten.

Information på flere kanaler

Snoning af lys har forbindelse til det mere velkendte begreb polarisation, som beskriver, hvordan de elektriske og magnetiske felter svinger i forhold til den retning, som lys udbreder sig i.

Sollys er upolariseret, dvs. det elektriske og magnetiske felt svinger helt uregelmæssigt og tilfældigt. Ved reflektion fra f.eks. vand, sne og vejbelægninger vil det reflekterede lys fra en lavtstående sol dog have en foretrukken polarisationsretning. Genskinnet fra disse overflader kan fjernes med polarisa­tionsfiltre i solbriller.

Laserlys er derimod ensartet og har en fast polarisationsretning. Det samme kan være gældende for radiobølger.

Det kan udnyttes direkte inden for kommunikationsteknologi ved at sende information på to kanaler, hvor polarisationen er vandret eller lodret – eller på to kanaler, hvor den ene er cirkulært polariseret med uret (højrecirkulært), og den anden polariseret mod urets retning (venstrecirkulært).

Når en elektromagnetisk bølge er cirkulært polariseret, vil de elektriske og magnetiske felter rotere rundt om den akse, som angiver udbredelsen af bølgen.

Fotonerne, der er knyttet til det elektromagnetiske felt, vil have et impulsmoment, der inden for fysikken traditionelt kaldes spin op eller ned, og som svarer til, at det elektromagnetiske felt er højrecirkulært eller venstrecirkulært polariseret.

Dette giver lyset et impulsmoment, som på engelsk kaldes for Spin Angular Moment (SAM).

Det er en direkte konsekvens af Maxwells ligninger og har været kendt, siden den britiske fysiker John Poynting beskrev det i 1909.

Richard A. Beth fra Princeton University i USA viste i 1936, at dette impulsmoment, som forudsagt af Poynting, kunne give anledning til et mekanisk drejningsmoment, når lys rammer en genstand, på samme måde som lys og andre elektromagnetiske bølger også besidder bevægelsesmængde, som kan overføres som et strålingstryk – som kan udnyttes i forbindelse med solsejl på satellitter.

Først i 1992 stod det dog helt klart, at der ud over SAM også findes et andet impulsmoment knyttet til elektromagnetiske bølger kaldet et Orbital Angular Momentum (OAM). Les Allen og tre af hans kolleger fra universitetet i Leiden i Holland gav som de første en præcis beskrivelse af OAM i en artikel i Physical Review A.

Hvor de elektriske og magnetiske feltvektorer ved SAM roterer rundt i et plan, danner de ved OAM en skruelinje som en vindeltrappe.

Stigningen af denne skruelinje kan være mere eller mindre kraftig, så hvor der kun findes to SAM-tilstande, findes der uendeligt mange OAM-tilstande. Lys med OAM-tilstande kaldes populært for twisted light eller snoet lys.

Andre forsøg

Forskerne i Wien er ikke de første til at udføre et OAM-eksperiment i en historisk by. Den 24. juni 2011 sendte en svensk-italiensk forskningsgruppe snoede radiobølger med en frekvens på 2,4 GHz 442 meter over lagunen ved Venedig.

De brugte en opskåret parabol med en diameter på 80 cm til at give radiosignalerne en snoning.

Forsøget gav efterfølgende anledning til stor diskussion i fag­kredse, hvor det blev diskuteret intenst, hvordan OAM skal fortolkes i sammenligning med en anden velkendt teknik, der kaldes MIMO (Multiple Input, Multiple Output).

Tidligere i år lykkedes det forskere ved University of Southern Califor­nia i Los Angeles at overføre 32 gigabit/s ved en radiofrekvens på 28 GHz ved at bruge otte kanaler af hver 4 Gbit/s fordelt på fire snoninger og to polarisationer. Eksperimentet blev dog kun gennemført i laboratoriet over en afstand på 2,5 meter. Radiobølgerne blev snoet ved at sende dem gennem specielt formede teflonplader, som ikke absorberer energien.

Sidste år berettede forskere fra Boston University i USA, hvordan de i samarbejde med Poul Kristensen fra OFS Fitel i Brøndby og med en fiber produceret hos OFS Fitel i Danmark havde sendt to forskellige OAM-bølgetyper gennem en 1,1 km lang fiber specialdesignet til formålet. En sædvanlig optisk fiber vil ikke kunne anvendes, da uperfektheder vil blande signalerne sammen.

Snoningen blev opnået ved at sende laserlys gennem et hologram med et spiralt fasemønster.

I kombination med anvendelse af ti bølgelængder og et avanceret modulationsformat opnåede forskerne en samlet datahastighed på 1,6 terabit/s. Ingeniøren kårede dette som et af de vigtigste danske forskningsresultater i 2013.

Poul Kristensen vurderede ved den lejlighed, at OAM-teknikken i fibre ikke mindst kunne være interessant i store datacentre, hvor der skal overføres meget store datamængder over afstande under en kilometer, og hvor der allerede i dag er plads­problemer med at installere nye kabler.

Emner : Lys
sortSortér kommentarer
  • Ældste først
  • Nyeste først
  • Bedste først

Kære Jens, " Først i 1992 stod det dog helt klart, at der ud over SAM også findes et andet impulsmoment knyttet til elektromagnetiske bølger kaldet et Orbital Angular Momentum (OAM)" Jeg vil anbefale dig Jens at genlæse et specale du engang i tidernes morgen (1980) var censor på. I dette speciale, som du tilsynelladende har glemt, og heller ikke har forstået, kan kan du læse om det intrinsiske impusmoment (som ikke kaldes spin. men helicitet). I Dette speciale, kan du også læse om om koblingen mellem baneimpulsmoment og helicitet. Der er ngen ny videnskab her Jens. Jeg forstår nu hvorfor jeg ikke fik 13! mvh Jørn

  • 0
  • 1

Hej igen Jend, Du gider åbenbart ikke at kommentere? Er vi enige om, Jens, at AOM på dansk kaldes baneimpulsmoment? Er vi enige om at dette begreb, i kvantetemekaniken, er detaljeret beskrevet i lærebøger fra før 2. verdenskrig? I din ovst. artikkel får den ikke for lidt med videnkabelige referencener! Jeg kalder dit vrøvl tågesnak. "Snoet Lys ..." Hvad sker der i hovedet på dig Jens? Er du, Gud forbyde det, blot en plat bladsmører der skal fremme et hjernedødt statsfinancieret OFS-forskningsprojekt? Jeg håber ikke projektet bruger vendingen "Snoet lys ..." Din tavshed plager mig! mvh Jørn

  • 0
  • 1

I min gammeldags optik svarer det til at rotere en almindelig dipolantenne med noget under frekvensen af det udsendte. Det kan selvfølgelig modtages optimalt med en antenne der roterer på same måde, men interferens med andre lineært polariserede eller andre eksotiske polariseringer har jeg svært ved at udelukke. Jeg kan slet ikke overskue dette impulsmoment der tales om. Kan det måske få modtageren til at rotere i takt med senderen eller hvad er formålet med det.

  • 0
  • 0
Bidrag med din viden – log ind og deltag i debatten