科學家扭曲光線以傳送資料

Scientists twist light to send data
http://phys.org/news/2012-06-scientists.html

June 25, 2012

(Phys.org) -- 一個由 USC 所領導、來自美、中、巴基斯坦以及以色列的多國團隊，開發出一套利用扭曲光束來傳輸資料的系統 -- 速度高達 2.56 terabits per second（Tbps）。

以宏觀角度來看（To put that in perspective），寬頻纜線（你現在可能用它來下載這篇文章）頂多支持約 30 Mbps。扭曲光線系統每秒所傳輸的資料則多出 85,000 倍。

他們的研究或能用來建立高速衛星通訊連線、短距自由空間地面連線，也有可能被某些 ISP 所用的光纖纜線所採用。

"你能以光辦到那些你用電辦不到的事，" Alan Willner 說，USC Viterbi 工學院的電機工程教授，以及一篇相關論文的通信作者，那於 6/24 發表在 Nature Photonics 上。"那是光的美妙之處；是一堆能在非常高的速度下，以許多不同方式操縱的光子。"

Willner 等人利用扭曲光線的「相位全像片（phase holograms）」來操縱八道光束，使每道光在自由空間中傳播時，扭曲成 DNA 般的螺旋形。每道光束都有各自的扭曲，且能編入 "1" 與 "0" 資料位元，使每道光束成為獨立的資料流 -- 十分類似你收音機上個別的頻道。

他們將資料傳送通過實驗室內開放空間的展示，試圖模擬可能發生在太空中衛星之間的那類通訊。此研究領域下一個可能的階段之一，會是促使它適合用於光纖，如那些常用來將資料傳遞到網際網路的光纖。

這個團隊的研究，是建立在 Leslie Allen、 Anton Zeilinger、 Miles Padgett 以及他們在歐洲數所大學的同僚，所完成的研究上。

"我們並未發明扭曲光線，但我們採用這個概念並將之提升到 Tbps，"  Willner 說。他的團隊包括來自 USC 的：Jian Wang, Jeng-Yuan Yang, Irfan M. Fazal, Nisar Ahmed, Yan Yan, Hao Huang, Yongxiong Ren and Yang Yue；來自 NASA JPL 的 Samuel Dolinar 以及來自台拉維夫大學的 Moshe Tur。

Wang，第一作者，在完成這項研究後離開 USC，現在是中國華中科技大學的教授。

※ 相關報導：

＊ Terabit free-space data transmission employing orbital angular momentum multiplexing
http://www.nature.com/nphoton/journal/vaop/ncurrent/full/nphoton.2012.138.html

Jian Wang, Jeng-Yuan Yang, Irfan M. Fazal, Nisar Ahmed,
Yan Yan, Hao Huang, Yongxiong Ren, Yang Yue, Samuel Dolinar,
Moshe Tur, Alan E. Willner
Nature Photonics (2012)
doi: 10.1038/nphoton.2012.138

...Here, we demonstrate that four light beams with different values of orbital angular momentum（軌角動量）and encoded with 42.8 × 4 Gbit s^-1 quadrature amplitude modulation (16-QAM) signals can be multiplexed and demultiplexed, allowing a 1.37 Tbit s^-1 aggregated rate and 25.6 bit s^-1 Hz^-1 spectral efficiency when combined with polarization multiplexing. Moreover, we show scalability in the spatial domain using two groups of concentric rings of eight polarization-multiplexed 20 × 4 Gbit s^-1 16-QAM-carrying orbital angular momentum beams, achieving a capacity of 2.56 Tbit s^-1 and spectral efficiency of 95.7 bit s^-1 Hz^-1. We also report data exchange between orbital angular momentum beams encoded with 100 Gbit s^-1 differential quadrature phase-shift keying signals（差動正交相位移鍵控訊號）. These demonstrations suggest that orbital angular momentum could be a useful degree of freedom for increasing the capacity of free-space communications.

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