光の不思議な特性の一つである、波の伝播に「ねじれ」を与える能力は実用化に一歩近づき、光ファイバーネットワークの速度を100倍に高めるのに利用できる可能性がある。
光のねじれには、軌道角運動量（OAM）と呼ばれるものが関与しています。光に螺旋状の波面を与え、実質的にねじれさせることで、結果として生じる放射の特性に情報をエンコードすることが可能です。重要なのは、光線を互いに干渉させることなく回転させることができるため、ガラス光ファイバー回線により多くのデータを詰め込むことができることです。
たとえば、簡単に言えば、時計回りに変調された光線と、反時計回りに変調された 2 番目の光線は、互いに干渉することなく同じファイバーを共有できるため、帯域幅が 2 倍になります。つまり、同じ伝播ラインに沿って 2 つの光線があるチャネルを流れる情報量が 2 倍になるということです。
ねじれを迂回する光伝送能力は1990年代に確認され、高速データネットワークにおけるOAMの最初の実証は、我々の知る限りでは2012年に電波を用いて行われました。それ以来、研究者たちは光のねじれの検出精度向上に取り組み、より多くのOAMチャネルを構築し、データセンタースイッチで実用化できるよう技術を小型化してきました。
今週、オーストラリアのロイヤルメルボルン工科大学が、この取り組みに関する詳細をネイチャー誌に発表し、CMOS互換のOAM検出器を実証しました。
RMITの装置の仕組みを示す模式図。「ねじれた光」が複数の個別のビームに変換され、検出器に送られます。画像：RMIT大学。クリックして拡大
ゼンジ・ユー氏とともに論文の共同筆頭著者であるハオラン・レン博士によると、これは「通信にはまったく実用的ではないテーブルほどの大きさの」装置を小型センサーに置き換えるものだ。「1ミリメートル未満の極薄トポロジカルナノシートを使用することで、私たちの発明はこの仕事をよりうまくこなし、光ファイバーの端にフィットします。」
レン博士はThe Registerに対し、研究グループの実験では 4 つの個別の OAM 状態を検出することに成功し、10 個の状態の検出をシミュレーションしたと語った。
同大学の人工知能・ナノフォトニクス研究所（LAIN）所長で論文の共著者であるミン・グ教授は、「100州を実現できる」と付け加えた。そうなれば、既存の光ファイバーから膨大な帯域幅を浪費することになるだろう。
レン博士は、ナノスケールの検出器は「異なるOAM光の状態を連続的に分離し、ねじれた光によって運ばれる情報を解読するように設計されている」と説明した。
研究者らは、アンチモンとテルルから100nmの薄膜を作製しました。この薄膜は「プラズモニック・トポロジカル絶縁体」として機能し、チャンネル間のクロストークを-20dB未満に抑えてOAM符号化データを検出できると研究者らは述べています。顧教授は、シリコン互換の検出器を開発することで、この技術を通信用途に容易にスケールアップでき、「今後数年以内に」最大100倍の容量向上が期待できると述べています。®
