"ยุคของแสงโดนัท" กำลังจะมาถึง: การปฏิวัติ "กระแสแสง" ที่เปิดประตูสู่การสื่อสารความหนาแน่นสูง

แสงที่บิดเบี้ยวเพิ่ม "เลนข้อมูล"

เช่นเดียวกับที่กระแสน้ำวนบนผิวน้ำหมุนไปขณะเคลื่อนที่ แสงก็สามารถหมุนในทิศทางการเคลื่อนที่ (โมเมนตัมเชิงมุมของวงโคจร: OAM) กลายเป็น "แสงวน" เนื่องจากสามารถมัลติเพล็กซ์โหมดที่มี OAM ต่างกันเป็น "เลน" แยกกันได้ จึงสามารถขยายปริมาณข้อมูลที่สามารถขนส่งได้ในแบนด์วิธเดียวกันได้อย่างมีประสิทธิภาพ—ความฝันนี้ได้ถูกทำให้ใกล้ความจริงในระดับ "แผ่นบาง" ไม่ใช่แค่ในระดับห้องปฏิบัติการ ซึ่งเป็นผลสำเร็จในครั้งนี้Phys.org

อะไรใหม่: การสร้างวนที่ความหนา "หลาย µm → ใต้ความยาวคลื่น"

เครื่องกำเนิดแสงวนแบบดั้งเดิมต้องใช้แผ่นเฟสเกลียว, q-plate, ตัวปรับแสงเชิงพื้นที่, เมตาเซอร์เฟส และองค์ประกอบที่ต้องการการประมวลผลที่แม่นยำและมีขนาดใหญ่ วิธีการในครั้งนี้ใช้การหักเหสองทางขนาดใหญ่ที่มีอยู่ในวัสดุ vdW โดยธรรมชาติ และเชื่อมโยง "สปิน" ของแสงโพลาไรซ์วงกลมเข้ากับ "โมเมนตัมเชิงมุมของวงโคจร" (การเชื่อมโยงสปิน-วงโคจร) โดยไม่ต้องใช้การประมวลผลนาโน ได้มีการสาธิตการสร้างประจุวน ±2 ด้วย h-BN 8 µm และสำเร็จด้วย MoS₂ 320 nm นอกจากนี้ MoS₂ 26 µm ยังมีประสิทธิภาพการแปลงถึง 0.46 ใกล้เคียงกับขีดจำกัดทางทฤษฎีที่ 0.5Nature

ในทางเทคนิค เมื่อแสงโพลาไรซ์วงกลมที่เข้ามา (LCP/RCP) เคลื่อนที่ไปตามแกนผิดปกติของผลึก ส่วนประกอบการเคลื่อนที่ในตัวกลางจะต่างกันเนื่องจากการหักเหสองทาง และจะถูกแปลงเป็นลำแสงที่มีการหมุนวงกลมตรงข้ามพร้อม OAM ที่ด้านขาออก เปรียบเสมือนแสงที่เข้าสู่ "ห้องกระจก" ถูกบิดเฟสและเกิดใหม่เป็นลำแสงวนที่มีจุดมืดรูปโดนัทPhys.org

ขนาด "เล็กและมีประสิทธิภาพ" แค่ไหน

บทความถูกเผยแพร่เมื่อวันที่ 18 สิงหาคม 2025 ใน Light: Science & Applications โดยวัดประสิทธิภาพได้ 0.30 สำหรับ h-BN 8 µm, 0.46 สำหรับ MoS₂ 26 µm และ 0.09 สำหรับ MoS₂ 320 nm นอกจากนี้ การคำนวณเชิงตัวเลขยังแสดงให้เห็นว่าหากทำให้รูปลักษณ์ของลำแสงที่เข้ามาเป็นลำแสงเบสเซล จะสามารถรวมความบางและประสิทธิภาพสูงได้ และอาจเข้าใกล้ความเป็นเอกภาพในทางทฤษฎีNature

ความหมายของ "ความบาง" นี้มีมากมาย ในอดีต ลิเธียมไนโอเบต (LN) หรือเบต้า-โบเรตแบเรียม (BBO) ที่ใช้หลักการเดียวกันต้องมีความหนาระดับมิลลิเมตรเนื่องจากการหักเหสองทางที่น้อย แต่ด้วยวัสดุ vdW สามารถทำได้ในระดับหลาย µm ถึงใต้ความยาวคลื่น การทำให้มีขนาดเล็ก น้ำหนักเบา และต้นทุนต่ำกลายเป็นความจริงมากขึ้นNature

ขอบเขตการใช้งานในสังคม: การสื่อสาร ควอนตัม เซ็นเซอร์

แสงวนสามารถทำหน้าที่เป็นเส้นทางข้อมูลที่เป็นอิสระในแต่ละโหมด (ประจุวน) ซึ่งช่วยขยายความจุใน OAM มัลติเพล็กซ์ของการสื่อสารในอวกาศเสรี ดาวเทียม และไฟเบอร์ ทีมวิจัยได้ระบุว่า "การเพิ่มความเข้ากันได้กับเทคโนโลยีการสื่อสารที่มีอยู่" และ "การเพิ่มประสิทธิภาพ" เป็นจุดเน้นในอนาคต สื่อภายในมหาวิทยาลัย Pursuit ยังเน้นว่าเป็น "เส้นทางสู่การสื่อสารที่รวดเร็วและปลอดภัยสูง" และการรวมเข้ากับแพลตฟอร์มดาวเทียมและการเดินสายภายในชิปก็อยู่ในสายตาPhys.org

ในขณะเดียวกัน OAM ก็มีความสำคัญในโฟโตนิกส์ควอนตัมเช่นกัน มีความเป็นไปได้ที่จะลดการประมวลผลองค์ประกอบขนาดเล็กลงในสถานะควอนตัมหลายมิติ (QKD มิติสูง การกำหนดเส้นทางควอนตัม) และการเข้ารหัสที่ทนต่อเสียงรบกวนโดยใช้โหมดวน ซึ่งสอดคล้องกับการพัฒนา "แสงบิด" ที่หลากหลายในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา (เช่น วิธีใหม่ในการออกแบบการกระจายตัวของวนในอวกาศอย่างชาญฉลาด)

การตอบสนองของ SNS: การแพร่กระจายอย่างรวดเร็วและเสียงคาดหวัง

ไม่นานหลังจากเผยแพร่ Science X/Phys.org ได้โพสต์บทความใน Threads ในช่องแสดงความคิดเห็นมีการคาดหวังว่า "การปรากฏของแหล่งแสงวนที่มีขนาดเล็กและราคาถูกสามารถเร่งการใช้งานใหม่สำหรับดาวเทียมและสถานีฐาน" (※บทความนี้เป็นการสรุปโดยกองบรรณาธิการ) นอกจากนี้ บทความเดียวกันนี้ยังถูกโพสต์ในกรอบแนวโน้มของ "Buzzing" ในชุมชนภาษาจีน ซึ่งแสดงให้เห็นถึงความสนใจในชุมชนวิทยาศาสตร์และวิศวกรรม นอกจากนี้ บล็อกของ Lifeboat Foundation ยังได้หยิบยกประเด็นสำคัญของบทความ (การสร้างประจุวน ±2) และช่วยกระตุ้นให้เกิดการพูดคุยLifeboat Foundation

คุณค่าที่แท้จริงและขีดจำกัดของ "ไม่ต้องการนาโนแฟบ"

ข้อดี

• ไม่ต้องการการประมวลผลนาโน: เนื่องจากใช้การหักเหสองทางที่มีอยู่ในวัสดุเอง จึงสามารถลดภาระการผลิตและการลดลงของ S/N ที่เกิดจากข้อผิดพลาดได้ง่ายNature

• บางและเบามาก: ทำงานได้ที่ 8 µm ถึงใต้ความยาวคลื่น เหมาะสำหรับดาวเทียม โดรน และอุปกรณ์พกพาNature

• มีแนวโน้มประสิทธิภาพสูง: 26 µm MoS₂ มีประสิทธิภาพ 0.46 ใกล้เคียงกับขีดจำกัดทางทฤษฎีที่ 0.5Nature

ความท้าทาย

• การเชื่อมต่อและการจัดแนว: การสูญเสียระหว่างอวกาศเสรี⇄ไกด์เวฟ การลดการรบกวนระหว่างโหมด OAM

• ช่วงความยาวคลื่นและความสม่ำเสมอของวัสดุ: ค่าคงที่ทางแสง ข้อบกพร่อง และความไม่สม่ำเสมอของโดเมนใน h-BN/วัสดุ TMD ต่างๆ ที่มีผลต่อผลผลิต

• ความทนทานต่อความร้อนและพลังงาน: การเสื่อมสภาพทางแสงความร้อนและเกณฑ์ความเสียหายในการทำงานที่กำลังสูง

• การมาตรฐาน: มาตรฐาน OAM มัลติเพล็กซ์ การออกแบบรวมกับการแก้ไขข้อผิดพลาดและการประมวลผล MIMO

ตำแหน่งของการวิจัย: สู่แสงที่ใช้ได้ใน "สามสถานที่" บนบก ทะเล และอากาศ

วิธีการสร้างแสงวนได้หลากหลายในช่วง 10 ปีที่ผ่านมา เช่น เมตาเซอร์เฟส แต่มีไม่มากที่ตอบโจทย์ **"บาง ถูก และผลิตง่าย"** เครื่องกำเนิดที่ใช้วัสดุ vdW เป็นตัวเต็งที่มีศักยภาพที่จะนำอุปกรณ์ที่ "ดูดีในห้องปฏิบัติการ" ลงสู่สถานที่ใช้งานจริง บทความได้จัดเรียงข้อมูลตั้งแต่พื้นฐานของ OAM ข้อจำกัดของวิธีการที่มีอยู่ และเหตุใดการหักเหสองทางขนาดใหญ่ของวัสดุ vdW จึงมีประสิทธิภาพNature

จุดที่ควรให้ความสนใจในอนาคต (รายการตรวจสอบมุมมองการปฏิบัติ)

1. การรวมไฟเบอร์/ไกด์เวฟ: สามารถเชื่อมต่อภายในชิปโดยไม่ทำลายโหมด OAM ได้หรือไม่

2. การขยายแบนด์วิดท์: การใช้ประโยชน์จากแถบการส่งผ่านที่กว้างของ h-BN และการแอนไอโซโทรปีของ TMD สำหรับการทำงานหลายความยาวคลื่นNature

3. กระบวนการผลิตจำนวนมาก: การขยายขนาดและการควบคุมความหนาจาก CVD/การลอกทางกล

4. การประเมินระบบ: ความจุช่องสัญญาณจริง, BER/OSNR, ความทนทานต่อความปั่นป่วนใน FSO กลางแจ้ง

5. ความปลอดภัยและมาตรฐาน: การออกแบบที่ปลอดภัยต่อดวงตาในสถานีดาวเทียม/ภาคพื้นดินและการปฏิบัติตามมาตรฐานที่เกี่ยวข้อง
   
   
   

แหล่งที่มา (ข้อมูลหลัก)

• คำอธิบายสำหรับบุคคลทั่วไป (19 สิงหาคม 2025): Phys.org "Ultra-thin materials twist light into optical vortices…"Phys.org

• บทความต้นฉบับ (18