A 24 de junho, uma equipa de investigação conjunta da Universidade de Xangai para a Ciência e Tecnologia, Universidade do Oeste do Lago, Universidade Normal de Yunnan e Universidade de Fudan publicou resultados de investigação científica relacionados com comunicações óticas na revista Nature Communications. A equipa concentrou-se no estudo de vórtices espaço-temporais e momento angular orbital transversal, propondo um novo método programável para controlar a estrutura espaço-temporal de campos óticos, oferecendo um novo caminho experimental para comunicações óticas de alta dimensão, manipulação de campos óticos ultrarrápidos e codificação de informação em estados topológicos.
As comunicações óticas estão a evoluir do simples aumento da taxa de transmissão para uma utilização mais complexa das dimensões do campo ótico. As comunicações óticas tradicionais utilizam principalmente parâmetros como intensidade, frequência, fase e polarização da luz para transmitir informação, enquanto o momento angular orbital oferece um grau de liberdade adicional para a codificação de informação. Os vórtices espaço-temporais, que transportam momento angular orbital transversal, são considerados uma direção importante para expandir a estrutura do campo ótico e aumentar a capacidade de transporte de informação, mas anteriormente, esses campos óticos eram frequentemente tratados como objetos escalares relativamente fixos, com a dinâmica interna dos pacotes de ondas ainda difícil de controlar adequadamente.
A equipa de investigação quebrou a simetria rotacional do campo ótico original através do mapeamento não linear de gradientes de fase azimutal, conseguindo uma respiração programável do fluxo espaço-temporal. Em termos simples, a equipa não se limitou a fazer com que o vórtice ótico "carregasse uma etiqueta de momento angular orbital", mas alterou ainda mais o fluxo de energia interna e o gradiente de fase local do vórtice ótico, permitindo que o campo ótico formasse uma estrutura de rede estável de múltiplos lóbulos nas dimensões espaço-temporais. Esta estrutura, mantendo a carga topológica global inalterada, pode apresentar estados internos mais ricos.
O estudo também verificou a capacidade de aplicação destas estruturas na transmissão de informação em espaço livre. A equipa utilizou a frequência de modulação para codificar e descodificar informação em estados topológicos espaço-temporais, obtendo resultados de alta fidelidade. Isto significa que os vórtices espaço-temporais não são apenas objetos físicos na investigação ótica fundamental, mas também podem ser projetados como portadores funcionais de informação, fornecendo uma nova dimensão de codificação para comunicações óticas de alta dimensão.
O valor central das comunicações óticas de alta dimensão reside na introdução de mais estados de informação distinguíveis em recursos de transmissão limitados. Com o crescimento da procura por interconexão de centros de dados, comunicações laser no espaço, comunicações quânticas e redes óticas de altíssima velocidade, os sistemas de comunicação necessitam de maior capacidade, maior resistência a interferências e métodos de modulação de informação mais flexíveis. Os campos óticos topológicos espaço-temporais controláveis têm o potencial de fornecer métodos de codificação mais complexos e canais de informação de dimensão superior para esses cenários.
O significado científico fundamental deste resultado também é notável. Na natureza, os vórtices nem sempre são perfeitamente simétricos, e os métodos anteriores de geração de vórtices espaço-temporais artificiais eram frequentemente rígidos, limitando a utilização de estruturas complexas. Ao controlar o gradiente de fase local, a equipa reorganizou a densidade de momento angular orbital local numa rede estável, transformando os vórtices espaço-temporais de "estruturas passivas" em "estruturas funcionais programáveis".
Do ponto de vista da engenharia de aplicações, esta tecnologia ainda precisa de passar por integração de dispositivos, estabilidade de modulação, perdas de transmissão, complexidade de descodificação e verificação de compatibilidade de sistema antes de poder ser utilizada em sistemas de comunicação ótica comerciais. No entanto, como resultado de investigação fundamental, oferece uma nova perspetiva: as comunicações óticas do futuro não só transmitirão mais rapidamente através de fibras óticas ou espaço livre, mas também poderão transportar estados de informação mais ricos no mesmo feixe de luz, através de estruturas de campo ótico espaço-temporais mais refinadas.
Para a indústria de tecnologias de informação e comunicação, o valor deste tipo de investigação reside na expansão antecipada das dimensões físicas da próxima geração de comunicações óticas. Os recursos de espetro, o desempenho dos dispositivos óticos e os métodos de modulação tradicionais têm todos limites. Novos métodos de controlo de momento angular orbital e campos óticos topológicos oferecem um espaço de imaginação técnica maior para futuros sistemas de comunicações óticas de altíssima velocidade, alta dimensão, espaço livre ou quânticas. A luz já não é apenas um portador de transmissão de informação; a sua própria estrutura espaço-temporal está a tornar-se um recurso de informação que pode ser projetado, codificado e utilizado.