Valon itsekuvantamista uusissa ulottuvuuksissa

Henry F. Talbot suoritti vuonna 1836 tieteellisen kokeen, jossa hän havaitsi valon rakenteita, jotka ilmenevät uudelleen luonnollisesti valon edetessä ilman linssejä tai kuvantamisoptiikkaa. Tätä itsekuvantamisen ilmiötä kutsutaan nykyisin usein Talbotin ilmiöksi.

Valon rakenteista kiinnostuneiden tutkijoiden ryhmä Tampereen yliopiston Experimental Quantum Optics -ryhmästä (EQO) sekä Kastler-Brossel Laboratorion Complex Media Optics -ryhmästä Ecole Normale Supérieuressa, Pariisissa, ovat lyöttäytyneet yhteen ja tutkineet itsekuvantamista, eli Talbotin ilmiötä sylinterimäisissä järjestelmissä syvällisemmin kuin koskaan ennen. Tutkimuksen mielenkiintoinen perusfysiikka ja ilmiön sovellukset optisessa tietoliikenteessä ovat nyt julkaistu arvostetussa Nature Photonics -lehdessä.

Itsekuvantamista sylinterigeometrioissa

Niin kutsutussa rengasydinkuidussa kulkeva valokenttä kokee itsekuvantamisprosessin kulma-asennon suhteen.

– Kun valo syötetään kuituun rengasmaisen kuituytimen tietyssä kulmakohdassa, kuidussa edetessään se leviää ensin koko rengasytimen alueelle, ja yhdistyy sitten täydellisesti uudelleen muodostaen alkuperäisen kentän itsekuvantamisprosessin kautta, selittää väitöskirjatutkija Matias Eriksson, yksi tutkimuksen johtavista tutkijoista.

Itsekuvantaminen kulma-asennon suhteen on vain puolet tutkitusta sylinterimäisten geometrioiden perusilmiöstä. Samanlainen interferenssi-ilmiö ilmenee myös läheisesti liittyvässä valon ominaisuudessa, joka tunnetaan kiertoliikemääränä (engl. orbital angular momentum), ja jonka ansiosta valo voi pyörittää hiukkasia optisen akselin ympäri, eli saada ne kiertämään ympyrän muotoista reittiä. Pohjimmiltaan molemmat ominaisuudet, kulma-asento ja kiertoliikemäärä katsotaan toisiaan täydentäviksi muuttujiksi (engl. complementary variable), mikä tarkoittaa, että yhden tarkka määrittely johtaa toisen ominaisuuden epätarkkuuteen.

Tutkijat yhdistävät nyt itsekuvantamisen kulma-asennon ja kiertoliikemäärän suhteen ensimmäistä kertaa samassa kokeessa, mahdollistaen valon tilarakenteen ennennäkemättömän hallinnan. Mutta tutkimus ei lopu tähän, sillä ryhmä tutkii myös kiehtovaa yhteyttä tilassa ja ajassa tapahtuvien ilmiöiden välillä, ja esittelevät itsekuvantamiselle tehokkaan sovelluksen optisessa tietoliikenteessä.

Yhteys kahden optiikan alan välille

Yhtenä optiikan perusideana on niin sanottu aika-avaruus-dualismi, joka viittaa siihen, että monet tilarakenteessa havaitut ilmiöt ovat läsnä myös valon ajallisessa rakenteessa. Tällä periaatteella vastaava itsekuvantaminen tapahtuu ajassa jaksoittaiselle optisten pulssien sarjalle ja sitä vastaavalle taajuuskammalle, eli valolle, joka sisältää vain hyvin määriteltyjä ja tasaisin välimatkoin olevia taajuuksia.

Tutkijat esittelevät työssään uudenlaisen aika-avaruus-dualismin osoittamalla vahvan yhteyden kulma-asennon/kiertoliikemäärän ja ajan/taajuuden välillä.

– Tämä tarkoittaa, että näillä kahdella alalla havaitut ilmiöt liittyvät laajalti toisiinsa, ja toisen alan prosessointitekniikoita voidaan käyttää toisessa, kertoo toinen johtava tutkija Jianqi Hu, joka tutkimuksen aikaan oli postdoc-stipendiaatti Kastler Brossel -laboratoriossa. Tällä hetkellä hän työskentelee tutkijana École Polytechnique Fédérale de Lausannessa, Sveitsissä.

Perusfysiikan ilmiöstä optisen tietoliikenteen sovellukseksi

Hyödyntämällä tätä syvällisempää perustietoa itsekuvantamisesta ja siihen liittyvästä edistyneestä valon rakenteen hallinnasta, tutkijat esittelevät lisäksi tehokkaan optisen tietoliikenteen sovelluksen.

– Itsekuvantamista voidaan soveltaa koodaamaan, muuttamaan ja purkamaan tietoa hyödyntäen valon kiertoliikemäärän monia ominaisarvoja siten, että ne voivat toimia erillisinä viestintäkanavina, Eriksson sanoo.

Tutkimus siis osoittaa, että teoreettinen lupaus häviöttömästä ja ylikuulumattomasta optisesta tietoliikenteestä huomattavasti suuremmalla datanopeudella on ulottuvilla, millä voi olla syvällinen vaikutus optisen tietoliikenteen tulevaisuuteen.

Tutkimus itsekuvantamisesta kulma-asennon ja kiertoliikemäärän suhteen on nyt esillä Nature Photonics -lehdessä julkaistussa artikkelissa “Generalized angle–orbital angular momentum Talbot effect and modulo mode sorting”.