一个扭曲的激光漩涡可能会解决我们的互联网拥堵问题

今年早些时候，数百万人开始在网上工作、学习和社交。突然之间，互联网正在吞噬比它应该吞噬的更多的数据。

现在仍然如此，因为7个月过去了，我们中的许多人仍然在工作、学习，总的来说，主要依靠互联网生活。

我们对现有网络施加的压力不小，互联网正在变得拥挤，美国东北大学电子与计算机工程副教授Josep Jornet说。

Josep Jornet是工程学院的副教授。由Matthew Modoono/东北大学拍摄

在家里，我们和家人或室友共享同一个网络。有些人想看Netflix，有些人想在Zoom上打电话给爷爷，还有一些人需要共享大文件来工作——所有这些都需要同时进行。

“每个人都在家里这样做，所以想象一下互联网在本地、国内和国际上处理的数据量，”Jornet说。“我们需要找到在相同的基础设施中压缩更多数据的方法。”

Jornet是由宾夕法尼亚大学研究人员领导的一个团队的成员，这个团队展示了一种操纵激光和调整其光的特性的新方法，这种方法有一天可以实现更快更好的互联网连接。他们在最近的一项研究中发表了他们的研究结果。

如今，几乎所有与互联网工作原理有关的事情都是通过光纤来连接的，在光纤中，红外光的脉冲比电缆更快、更有效地传输数据。这些闪光转换成二进制代码，以0和1的形式传输，对于光，则以不同强度传输。

“为了发送0和1，我们需要操纵我们正在发送的信号的一个属性，”Jornet说。“因为我们处理的是光通信，所以我们试图控制光的特性。”

因特网大部分是依靠光信号来发送和接收数据的。电子和计算机工程副教授Josep Jornet是一个研究小组的成员，该小组展示了一种用微芯片调整光波的新方法，帮助实现更快更好的数据传输。照片由Matthew Modoono/东北大学拍摄

近几十年来，科学家和工程师们孜孜不倦地开发和操纵光的特性，以发送越来越多的数据。这些特性包括波长、振幅和偏振度——这些都是光在极微观尺度上的不同特性。

在传统的光通信系统中，数据流使用不同波动的光波在光纤中传输，这种方法被称为波分复用。Jornet说，问题是，当人们将这些系统用于基于互联网的生活方式时，这些系统正在变得不堪重负。

在信息传播的方式上增加了一种新的转折，创造了许多共享数据的新方式。这就是为什么Jornet的团队用计算机芯片大小的微型激光器来改变难以控制的光的特性。该小组专门操纵光子，即构成光的粒子，以产生纳米级的涡旋激光器。

这种纳米技术发射出的激光呈螺旋状，这要归功于光子的微调，使其具有轨道角动量，这使得光波以旋转的方式传播，类似于螺旋楼梯的旋转，或者类似于罗蒂尼意大利面的细长部分。

这种扭曲和调谐光的能力意味着，与我们大多数人熟悉的激光器一样，涡旋激光器的光会沿着它的行进轴旋转和螺旋，而不是直接发射出聚焦的光波。(就意大利面而言，传统激光的光波看起来就像一块生的意大利面。)

“我们可以顺时针或逆时针旋转，”Jornet说。“即使当我们在同一方向扭转光线时，我们也可以使顶点更近或更远，这样我们就可以以不同的角度扭转。”

Jornet说，这很重要，因为在理论上，科学家可以在无限的程度上操纵光子的轨道角动量来传输数据。调整这些角度的最大好处之一是螺旋模式的每一种不同变化都提供了一种发送数据的新方式，从而增加了网络的容量——无论是观看Netflix还是在家工作。

制造涡旋激光器的想法并不新鲜。但是直到现在，Jornet说，研究人员还不能控制从一个小芯片设备发出的光的确切形状和扭曲。一般来说，研究人员需要一个镜头或其他硬件。

此外，其他使用轨道角动量的方法只提供了一种方法来控制这种特性的一种模式。也就是说，一旦研究人员建立了一个涡旋激光器，其光子的轨道角动量是固定的，几乎不可能改变它，Jornet说。

新的发现表明，工程师们现在可以使用可调谐的微芯片设备工作，该设备可以动态地、随意地切换轨道角动量模式。

“我们只需要改变我们应用到它的电子条件，”Jornet说。“我们可以将信号应用到激光上，基于该信号的激光就会改变。”

这意味着以不同轨道角动量发送的信息不会阻塞网络，也不会在光纤中与其他数据混在一起。Jornet说，换句话说，工程师可以利用已经建立的网络系统，将信息进行多路复用，并同时发送大量信息。

“想象一下，光电子行业，光纤行业相信这一点，并意识到it’最好保留一根他们已经有的光纤，只改变你在最后连接的东西，”Jornet说。你不需要安装新的基础设施，你只需要更换发射器和接收器。

现在这个团队已经展示了如何在纳米尺度上调整光的轨道角动量，Jornet说下一步是弄清楚如何设计和制造能够在长距离上做同样的事情的激光器。

“我们已经演示、设计和制造了一种可以操纵光特性的激光器，然后我们可以利用它来发送信息，”Jornet说。“我们现在非常了解物理学，所以我们需要更好地思考如何增加它的传播距离。”

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