Le 24 juin, une équipe de recherche collaborative de l’Université des Sciences et Technologies de Shanghai, de l’Université de l’Ouest du Lac, de l’Université Normale du Yunnan et de l’Université Fudan a publié des résultats de recherche en communications optiques dans Nature Communications. Cette équipe a mené des recherches sur les vortex spatio-temporels de la lumière et le moment angulaire orbital transverse, et a proposé une nouvelle méthode de contrôle programmable de la structure spatio-temporelle du champ lumineux, offrant une nouvelle voie expérimentale pour les communications optiques à haute dimension, le contrôle des champs lumineux ultrarapides et le codage d’informations sur les états topologiques.
Les communications optiques évoluent d’une simple augmentation du débit de transmission vers une utilisation plus complexe des dimensions du champ lumineux. Les communications optiques traditionnelles utilisent principalement des paramètres tels que l’intensité, la fréquence, la phase et la polarisation de la lumière pour transmettre des informations, tandis que le moment angulaire orbital offre un degré de liberté supplémentaire pour le codage de l’information. Les vortex spatio-temporels de la lumière, porteurs d’un moment angulaire orbital transverse, sont considérés comme une direction importante pour étendre la structure du champ lumineux et améliorer la capacité de transport d’informations. Cependant, jusqu’à présent, ces champs lumineux étaient généralement traités comme des objets scalaires relativement fixes, et la dynamique des paquets d’ondes internes restait difficile à contrôler pleinement.
L’équipe de recherche a brisé la symétrie de rotation du champ lumineux original en mappant de manière non linéaire le gradient de phase azimutale, réalisant ainsi une respiration programmable du flux spatio-temporel. En termes simples, l’équipe ne s’est pas contentée de faire en sorte que le vortex lumineux « porte une étiquette de moment angulaire orbital », mais a plutôt modifié davantage le flux d’énergie interne et le gradient de phase local du vortex lumineux, permettant au champ lumineux de former une structure de réseau stable à plusieurs lobes dans les dimensions spatio-temporelles. Cette structure, tout en conservant la charge topologique globale inchangée, peut présenter des états internes plus riches.
Cette étude a également validé la capacité de ces structures à être utilisées pour la transmission d’informations en espace libre. L’équipe a utilisé la fréquence de modulation pour coder et décoder les informations des états topologiques spatio-temporels, obtenant des résultats à haute fidélité. Cela signifie que les vortex spatio-temporels de la lumière ne sont pas seulement des objets physiques dans la recherche optique fondamentale, mais peuvent également être conçus comme des vecteurs fonctionnels capables de transporter des informations, offrant ainsi une nouvelle dimension de codage pour les communications optiques à haute dimension.
La valeur fondamentale des communications optiques à haute dimension réside dans l’introduction d’un plus grand nombre d’états d’information distincts dans des ressources de transmission limitées. Avec la croissance des besoins en interconnexion de centres de données, communications laser spatiales, communications quantiques et réseaux optiques à très haut débit, les systèmes de communication nécessitent une capacité plus élevée, une meilleure résistance aux interférences et des modes de modulation d’information plus flexibles. Les champs lumineux topologiques spatio-temporels contrôlables offrent la possibilité de fournir des méthodes de codage plus complexes et des canaux d’information de dimension supérieure pour ces scénarios.
La signification scientifique fondamentale de ces résultats est également remarquable. Dans la nature, les vortex ne sont généralement pas parfaitement symétriques, et les méthodes de génération de vortex spatio-temporels artificiels étaient auparavant souvent rigides, limitant l’exploitation de structures complexes. En contrôlant le gradient de phase local, l’équipe de recherche a permis de réorganiser la densité locale de moment angulaire orbital en un réseau stable, faisant passer le vortex spatio-temporel de la lumière d’une « structure passive » à une « structure fonctionnelle programmable ».
D’un point de vue de l’ingénierie applicative, cette technologie doit encore passer par l’intégration de composants, la stabilité de la modulation, les pertes de transmission, la complexité du décodage et la validation de la compatibilité système avant d’être utilisée dans des systèmes de communication optique commerciaux. Cependant, en tant que résultat de recherche fondamentale, elle offre une nouvelle perspective : les futures communications optiques ne se limiteront pas à transmettre plus rapidement dans les fibres ou en espace libre, mais pourront également transporter des états d’information plus riches dans un même faisceau lumineux grâce à des structures de champ spatio-temporel plus fines.
Pour l’industrie des technologies de l’information et de la communication, la valeur de ce type de recherche réside dans l’expansion précoce des dimensions physiques des communications optiques de nouvelle génération. Les ressources spectrales, les performances des composants optiques et les méthodes de modulation traditionnelles ont toutes leurs limites. Les nouvelles méthodes de contrôle du moment angulaire orbital et des champs lumineux topologiques offrent un espace d’imagination technologique plus vaste pour les futurs systèmes de communication optique à très haut débit, à haute dimension, en espace libre ou quantiques. La lumière n’est plus seulement un vecteur de transmission d’informations ; sa propre structure spatio-temporelle devient également une ressource informationnelle concevable, codable et utilisable.