El 24 de junio, un equipo de colaboración formado por la Universidad de Shanghái para la Ciencia y la Tecnología, la Universidad del Oeste de China, la Universidad Normal de Yunnan y la Universidad de Fudan publicó resultados de investigación científica relacionados con las comunicaciones ópticas en Nature Communications. El equipo investigó los vórtices espacio-temporales y el momento angular orbital transversal, proponiendo un nuevo método para controlar programablemente la estructura espacio-temporal de los campos de luz, lo que proporciona una nueva vía experimental para las comunicaciones ópticas de alta dimensión, la manipulación de campos de luz ultrarrápidos y la codificación de información en estados topológicos.
Las comunicaciones ópticas están evolucionando desde la simple mejora de la velocidad de transmisión hacia una utilización más compleja de las dimensiones del campo de luz. Las comunicaciones ópticas tradicionales utilizan principalmente parámetros como la intensidad, la frecuencia, la fase y la polarización de la luz para transmitir información, mientras que el momento angular orbital proporciona un grado de libertad adicional para la codificación de información. Los vórtices espacio-temporales, que portan momento angular orbital transversal, se consideran una dirección importante para expandir la estructura del campo de luz y mejorar la capacidad de carga de información. Sin embargo, anteriormente, estos campos de luz solían tratarse como objetos escalares relativamente fijos, y la dinámica interna de los paquetes de ondas seguía siendo difícil de controlar adecuadamente.
El equipo de investigación rompió la simetría rotacional del campo de luz original mediante el mapeo no lineal de gradientes de fase azimutales, logrando una respiración programable del flujo espacio-temporal. En términos simples, el equipo no solo hizo que el vórtice de luz "portara una etiqueta de momento angular orbital", sino que además modificó el flujo de energía interna y el gradiente de fase local dentro del vórtice, permitiendo que el campo de luz formara una estructura reticular estable de múltiples lóbulos en las dimensiones espacio-temporales. Esta estructura, manteniendo la carga topológica general sin cambios, puede presentar estados internos más ricos.
El estudio también verificó la capacidad de aplicación de estas estructuras en la transmisión de información en espacio libre. El equipo utilizó la frecuencia de modulación para lograr la codificación y decodificación de información en estados topológicos espacio-temporales, obteniendo resultados de alta fidelidad. Esto significa que los vórtices espacio-temporales no son solo objetos físicos en la investigación óptica básica, sino que también pueden diseñarse como portadores funcionales de información, proporcionando una nueva dimensión de codificación para las comunicaciones ópticas de alta dimensión.
El valor central de las comunicaciones ópticas de alta dimensión radica en introducir más estados de información distinguibles dentro de recursos de transmisión limitados. Con el crecimiento de la demanda de interconexión de centros de datos, comunicaciones láser en espacio libre, comunicaciones cuánticas y redes ópticas ultrarrápidas, los sistemas de comunicación necesitan mayor capacidad, una capacidad de interferencia más fuerte y métodos de modulación de información más flexibles. Los campos de luz topológicos espacio-temporales controlables tienen el potencial de proporcionar métodos de codificación más complejos y canales de información de mayor dimensión para estos escenarios.
La importancia científica fundamental de este logro también es notable. En la naturaleza, los vórtices no suelen ser perfectamente simétricos, y los métodos anteriores para generar vórtices espacio-temporales artificiales solían ser rígidos, lo que limitaba la explotación de estructuras complejas. Al controlar el gradiente de fase local, el equipo reorganizó la densidad de momento angular orbital local en una red estable, transformando los vórtices espacio-temporales de "estructuras pasivas" a "estructuras funcionales programables".
Desde una perspectiva de ingeniería, esta tecnología aún necesita superar la integración de dispositivos, la estabilidad de modulación, las pérdidas de transmisión, la complejidad de decodificación y la verificación de compatibilidad del sistema antes de llegar a los sistemas de comunicaciones ópticas comerciales. Sin embargo, como resultado de investigación básica, ofrece una nueva idea: las comunicaciones ópticas futuras no solo transmitirán más rápido a través de fibras ópticas o en espacio libre, sino que también podrán transportar estados de información más ricos en un mismo haz de luz mediante estructuras de campo de luz espacio-temporal más refinadas.
Para la industria de las comunicaciones y la información, el valor de este tipo de investigación radica en expandir de antemano las dimensiones físicas de la próxima generación de comunicaciones ópticas. Los recursos de espectro, el rendimiento de los dispositivos ópticos y los métodos de modulación tradicionales tienen límites. Los nuevos métodos de control del momento angular orbital y los campos de luz topológicos ofrecen un mayor espacio de imaginación técnica para futuros sistemas de comunicaciones ópticas ultrarrápidas, de alta dimensión, en espacio libre o cuánticas. La luz ya no es solo un portador de transmisión de información; su propia estructura espacio-temporal se está convirtiendo en un recurso de información que puede diseñarse, codificarse y utilizarse.