开瓶器光保证更高的光通信数据速率

现代世界依赖于良好的沟通。如果你是少数几个不相信这一点的人之一，最近对视频会议的痴迷应该会让你相信不是这样。视频的关键是容量：由大容量光纤通信网络提供便利的海量数据流。

实际上，光通信的效率并不是很高，这可能会让你大吃一惊。最近的一篇论文展示了一种激光器，它可以通过使用一种叫做轨道角动量(OAM)的东西来增加信息密度。

在我们进入令人眼花缭乱的光的世界之前，让我们先看看为什么光的利用效率如此之低。AM无线电台可能以500 kHz的频率运行，并可能使用高达5 kHz的带宽，从而使其频谱效率达到1%。如果我们要将其扩展到光学频率，我们应该有大约2THz的带宽，您可能期望单个波长的数据速率为1TB/s。

但是，单个波长的光被限制在10 Gb/s到100 Gb/s之间。为了正确理解这一点，我自己的互联网连接在满负荷运行时只使用了一个通道的很大一部分。

在侧边栏中有更多关于这种低效的细节，但足以说的是，现代电子产品只是速度不够快，无法很好地调制光线。另一种选择是调制光的许多不同性质，这样即使调制很慢，我们也可以编码大量信息。目前，我们对相位和幅度进行调制，但这些特性都是不断变化的，因此很容易将一个相位与另一个邻近的相位相混淆。处于离散状态的光的属性可能更好。

这就是OAM可以发挥作用的地方。思考OAM最简单的方式是想象光以一种开瓶器模式传播。钻头可以用它是顺时针钻还是逆时针钻来定义。随着旋转方向的不同，开瓶器的紧固度也会有所不同。原则上，光可以呈现无限多个OAM状态。

但这并不是到此为止。虽然存在无限数量的状态，但它们是离散的且彼此分离-您不能用其他OAM状态的混合来描述一个OAM状态。这意味着更难将一种OAM状态误认为另一种状态(与我们在比较两个亮度时所犯的错误不同)。如果我们能快速改变(和检测)光的OAM状态，我们就会有一种非常有效的方式来发送数据。

问题是在OAM状态之间快速切换，这是我们目前不知道如何做的。这就是最新研究的用武之地。研究人员建造了一种环形光波导。在环的内侧，他们放置了一系列的山脊。这些山脊将光线散射出光环，因此它在光环平面上向上发射光线。如果你想象戒指戴在你的手指上，光在戒指中绕着你的手指循环，但会沿着你的手指的方向发射。根据灯光循环的方向(以及许多其他因素)，发射的灯光将具有OAM。只需切换灯光方向即可访问两个OAM状态。

研究人员指出，如果环上有一个放大光的系统，那么它发出的激光将处于OAM状态，这取决于激光是如何被激发的。

假设环被设置为发射+2(第二状态顺时针)和-2(第二状态逆时针)OAM状态。当从顺时针方向激发时，你得到+2并兴奋；从逆时针方向，你得到-2。然而，如果这两种激发平衡，你就会得到第0状态(所以，没有OAM).。如果天平移动了，所以一种激发比另一种激发高一点，你可以得到+1状态(或-1状态)。换句话说，通过切换激发幅度，可以产生从+2到-2的所有状态。

研究人员证明了这一点--它确实奏效了。但我们还没有到可以很快在通信系统中实现这一点的地步。原则上快速切换是可能的(激光器应该能够在皮秒内切换)，但在实践中仍然需要这样做。然后，我们必须证明我们可以有效地传输和检测OAM状态。

是的，这些状态本身都是离散的，但这并不意味着我们产生或检测的光总是处于纯状态，因为激光和干涉光学可能导致OAM状态的混合。要对数据进行解码，必须对预期状态做出决定。这意味着错误将不可避免。这意味着，虽然2到4的因素几乎肯定会奏效，但我对10到100的因素就不那么确定了。然而，这是一件非常酷的作品。