Współczesna komunikacja opiera się na świetle biegnącym przez włókna światłowodowe. Od jakości i pojemności tych łączy zależą dziś usługi chmurowe, praca centrów danych, przesyłanie obrazu, działanie czujników przemysłowych i coraz większa część narzędzi opartych na sztucznej inteligencji. Fizycy i inżynierowie szukają więc sposobów, by jednym torem przesłać więcej informacji niż dotąd. Jedną z najbardziej interesujących możliwości daje wykorzystanie wiązek wirowych, nazywanych też wiązkami z orbitalnym momentem pędu światła.

Naukowcy w pracy opublikowanej w czasopiśmie naukowym „Optical Fiber Technology" przypominają, że taka wiązka ma skręcony front fazowy, a różne stopnie tego skręcenia mogą pełnić rolę odrębnych kanałów transmisji. Dzięki temu światło może nieść więcej informacji bez mnożenia liczby włókien.

W zwykłej transmisji optycznej zwiększanie przepustowości wymaga dokładania nowych zasobów: kolejnych długości fali, dodatkowych torów lub bardziej złożonej elektroniki. W przypadku wiązek wirowych dochodzi jeszcze jeden wymiar kodowania, związany z geometrią samej fali świetlnej. Badacze piszą, że tryby o różnym orbitalnym momencie pędu pozostają wzajemnie ortogonalne, czyli dają się od siebie odróżnić podczas propagacji. W praktyce otwiera to drogę do przesyłania wielu strumieni danych równolegle. Takie wiązki są interesujące nie tylko dla telekomunikacji, lecz także dla obrazowania, manipulacji mikroskopijnymi obiektami i technologii kwantowych.

Od lat wiadomo jednak, że sama idea nie wystarczy. Wiązki wirowe trzeba jeszcze wytwarzać w sposób stabilny i wygodny dla techniki. Klasyczne elementy optyczne używane do nadawania światłu skrętu są często stosunkowo duże i wymagają bardzo dokładnego ustawienia w całym układzie. Badacze zwracają uwagę, że tradycyjne spiralne płytki fazowe mają rozmiary rzędu centymetrów i wysokie wymagania dotyczące ustawienia, co utrudnia ich integrację z małymi układami fotonicznymi. Z tego powodu rośnie zainteresowanie mikroukładami tworzonymi bezpośrednio na końcówkach włókien światłowodowych.

Właśnie taką drogę wybrał zespół fizyków i inżynierów z Politechniki Warszawskiej we współpracy z naukowcami z Chin. Badacze wykonali na końcu światłowodu mikroskopijne spiralne struktury, które zmieniają zwykłą wiązkę laserową w wiązkę wirową. Do ich wytworzenia użyli druku 3D w skali mikro- i nanometrowej, opartego na polimeryzacji dwufotonowej. Ta technika pozwala budować bardzo małe obiekty o niemal dowolnym kształcie i dlatego dobrze nadaje się do produkcji precyzyjnych elementów optycznych. W artykule opisano dwa warianty takich struktur: schodkowy i gładki. Drugi okazał się skuteczniejszy, ponieważ zapewnia bardziej płynną zmianę fazy światła.

W fotonice nawet bardzo drobne różnice geometrii przekładają się na jakość działania całego układu. Naukowcy pokazali, że struktury gładkie dawały wyższą sprawność zamiany światła na pożądany tryb wirowy i mniejsze straty sygnału niż struktury schodkowe. Taki rezultat wzmacnia ważny trend we współczesnej technologii: rozwój optyki coraz silniej zależy od zaawansowanych metod wytwarzania, które pozwalają projektować element dokładnie pod wymagania propagacji światła, a nie pod ograniczenia tradycyjnych technik obróbki.

Badanie dotyczyło pasma promieniowania o długości fali około 2 mikrometrów. To zakres, który przyciąga uwagę ze względu na potencjalne zastosowania w komunikacji optycznej, lidarach i innych systemach fotonicznych. Fizycy podkreślają, że zainteresowanie tym pasmem rośnie, a urządzenia dla takiego zakresu są potrzebne, jeśli przyszła infrastruktura cyfrowa ma być bardziej pojemna i elastyczna. Dodatkowo zespół sprawdził w symulacjach oraz częściowo w doświadczeniu, że podobne rozwiązanie może działać także przy innych długościach fali, między innymi 980, 1310 i 1550 nanometrów charakterystycznych dla dzisiejszej komunikacji światłowodowej. Wyniki zwiększają szanse na dopasowanie technologii do różnych zastosowań.

Każda metoda, która pozwala pełniej wykorzystać światło jako nośnik informacji, może w przyszłości wspierać rozwój wydajniejszych sieci, bardziej zintegrowanych urządzeń i nowych systemów komunikacji między maszynami. Tak właśnie powstają rozwiązania, które po latach mogą trafić z laboratoriów do przemysłu.

Badania były współfinansowane przez Narodowe Centrum Nauki w ramach polsko-chińskiego grantu SHENG 3. (PAP)

kmp/ agt/