データ伝送に革命：多重化光アンテナで超高速通信を実現

研究者たちが、光波の特性を活用してデータ伝送量を飛躍的に増大させる方法を発見しました。同心円状のリングからなるアンテナから、離散的なねじれレーザービームを放出することに成功。リングの直径は人間の髪の毛程度で、コンピュータチップへの搭載が可能です。

この技術は、コヒーレント光源による多重化（同時伝送）データ量を大幅に増やします。多重化の一般的な例は、単一電線で複数の電話通話を伝送することですが、直接多重化できるコヒーレントねじれ光波の数には根本的な限界がありました。

この技術は、軌道角運動量（OAM）と呼ばれる光の特性を通じて、現在のデータ容量限界を克服します。生物イメージング、大容量通信、センサーへの応用が期待されます。

電磁波による信号伝送の現在の手法は限界に達しています。例えば周波数は飽和状態で、ラジオでチューニングできる局数が限られるのはそのためです。偏光（光波を水平・垂直の2値に分離）では情報量を2倍にできます。映画製作者は3D映画制作でこれを利用し、専用メガネで左右それぞれに異なる信号を届けて立体効果と奥行きの錯覚を生み出しています。

周波数と偏光の先にあるのが軌道角運動量（OAM）です。光のこの特性は、データ伝送容量が指数関数的に大きいため、科学者の注目を集めています。OAMを理解する一つの方法は、竜巻の渦に例えることです。光の渦は無限の自由度を持ち、原理的には無制限のデータ量を支えられます。課題は、無限のOAMビームを確実に生成する方法を見つけることでした。

研究者たちはアンテナから着手しました。アンテナは電磁気学で最も重要なコンポーネントの一つで、進行中の5Gと今後の6G技術の中心です。この研究のアンテナはトポロジカルで、デバイスがねじれたり曲がったりしても本質的特性を保持します。

トポロジカルアンテナを作るため、電子ビームリソグラフィでインジウムガリウムヒ素リン（半導体材料）に格子パターンをエッチングし、イットリウム鉄ガーネット製の表面に接合しました。格子を、最大約50ミクロン直径の3つの同心円パターンで量子井戸を形成するよう設計し、光子を閉じ込めました。この設計により、磁場印加時に光子がリング内で単一方向のみを移動するフォトニック量子ホール効果を支持する条件が生まれました。

二次元微細構造に垂直な磁場を印加することで、研究者たちは表面上を円軌道で伝播する3つのOAMレーザービームを生成することに成功。さらに、レーザービームの量子数が最大276に達することも示しました。これは、光が1波長で軸を中心に何回ねじれるかを示します。

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