家庭のインターネット接続には、主に2つの方式があります。1つは銅線、おそらく電話回線を使って、インターネットプロバイダーから自宅へ、そして自宅からプロバイダーへ電気信号を送る方式です。この技術は電信の時代からほとんど変わっていません。もう1つは、電気信号を光に変換し、再び電気信号に戻す光ケーブルを使う方式です。光信号は歪まずにより長い距離を進めるため、データ転送速度が向上します。
現在、科学者たちは「ねじれた」光ビームを使ってデータを 伝送する新たな方法を探っています。こうしたビームの光波は、DNAの構造に似たらせん状のパターンを形成し、中心軸の周りを回転します。通信に使われる標準的な光ビームとは異なるため、ねじれた光は光ケーブルにおける新たな通信チャネルになり得ます。
光ケーブルを介したデータ伝送では、ある地点から別の地点へ1と0を送ります。標準的な方式では、光ビームの有無によってそれらの1と0を表します。しかし、この方式では、1本の光ケーブルを通過できる光ビームの数に物理的な限界があります。
データ転送の強化
ねじれた光ビームは、同じデータを転送する別の方法となります。その特性は通常の光ビームとは異なるため、異なる方法で符号化できます。また、この符号化は標準的な方式に干渉しないため、同じ光ケーブルのデータ伝送容量を大幅に増やせる可能性があります。しかし近年進展があったものの、ねじれた光を生成する方法は少なく、何よりも処理速度が遅いのが現状です。
こうした制約に対処するため、私たちエンジニアのチームは、これまでにない速度で光ビームをねじることのできる新しい音響光学デバイスを開発しました。このデバイスは幅広いパターンを形成でき、従来よりも巧みに光ビームの形状を整え、進行方向を制御できます。この研究成果は学術誌「 Optics Express」に掲載されました。
新しいデバイスは、リング状に配置された64個の小型「圧電」音源で構成され、それぞれが高周波スピーカーとして機能します。圧電材料は電気信号を振動、つまり音に変換します。これらの音源を組み合わせて、精密に制御された音場を生成します。
音に任せる
光をねじる鍵は、音の存在によって、音が通過する材料の屈折率がわずかに変化することです。屈折率が変化すると光の進行方向がわずかに変わり、その結果、光ビームの形状も変化します。音波の強度と光への影響の関係が分かれば、ほぼあらゆる形状の光ビームを作り出せます。このデバイスでは、ねじれた音波を使ってレーザービームにパターンを刻み、ねじれた光ビームを形成しました。
この方式によるねじれの生成は以前にも実現されていますが、私たちのデバイスは極めて短時間で結果を生み出せます。圧電材料に与える電気パターンを変えるだけで、音場が変化し、最終的に光ビームの形状が変わります。
1秒間に数百万種類のパターンを実現できます。これは将来、レーザービームを基盤とするデバイスを、現在可能な速度よりもはるかに速く再構成できることを意味します。これまで達成された最速の速度は、毎秒数千回の更新でした。この速度差は重要です。更新頻度がこれほど高くなければ、この技術は標準的な光通信技術と競争できないからです。ある意味、この速度差はダイヤルアップインターネットとブロードバンドの違いに似ています。
通信に加え、レーザービームの形状を整え、進行方向を制御し、ねじる能力は、細胞や同様の微小な物体を保持できる光ビームである光ピンセットなど、ほかの多くの光学用途にも役立ちます。こうした用途の多くでは速度が鍵となるため、私たちの新しいデバイスが、私たちの想像をはるかに超える刺激的な可能性を切り開くことを期待しています。
この記事は、 The Conversationとの協力により掲載されています。記事の掲載は、世界経済フォーラムが見解を支持することを意味するものではありません。
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著者：ブルース・ドリンクウォーターは、ブリストル大学の超音波学教授です。
画像：2011年6月23日、シドニーで撮影された写真のイラストに写るインターネットLANケーブル。REUTERS/Tim Wimborne。
