Поскольку телекоммуникационная отрасль в последнее время развивается очень быстро, производители начинают ощущать нехватку частотного спектра. Однако профессор Бо Тайд из Шведского института физики пространства и его коллеги из Италии надеются изменить такое положение вещей путем перехода на абсолютно новый механизм, позволяющий увеличить в десятки раз число независимых каналов в одном и том же узком частотном диапазоне. Команда исследователей провела в Венеции демонстрацию инновационной технологии, позволяющей увеличить информационную ёмкость радиоволн, в которой используется «орбитальный угловой момент» вращающихся волн.
Вариация этих вращений позволяет помещать несколько потоков данных в тот разброс по частоте, который сейчас используется только для одного потока. Такой подход можно применить к трансляции радио, Wi-Fi и телевидению.
Сегменты электромагнитного спектра, которые используются для всех трех направлений, делятся приблизительно таким образом: для каждого канала выделяется свой разброс по частоте. То есть, каждый канал содержит определенную полосу пропускания.
Ключевая особенность технологии лежит в различии между орбитальным и спиновым моментом импульса электромагнитных волн. Прекрасный пример, иллюстрирующий вышеприведенный термин: Земля и Солнце. Земля вращается вокруг своей оси — это спиновый момент импульса, и в то же время вращается по орбите вокруг Солнца — орбитальный угловой момент.
Для частиц света — фотонов — характерны как орбитальный угловой момент, так и спиновый момент импульса. Кстати, спиновый момент импульса фотонов больше известен как эффект поляризации, используемый в солнцезащитных и 3D-очках.
Подобно тому, как сигналы для правого и левого глаза в 3-D-очках можно закодировать с двумя различными поляризациями, экстрасигналы можно установить с разными суммами орбитального углового момента.
Профессор Тайд и его коллеги анализировали эту идею на протяжении многих лет; в прошлом году они опубликовали статью в журнале Nature Physics, в которой поясняли, что вращающиеся черные дыры могут генерировать подобный «крученый» свет.
Первый практический эксперимент команда ученых провела в Венеции, им удалось передать сигнал на расстоянии 442 метра c острова Сан-Георгио в Дворец дожей на площади Сан-Марко. «Это как раз то самое место, на котором Галилео впервые демонстрировал свой телескоп 400 лет назад», — отметил проф. Тайд.
В простейшем случае вращение электромагнитных волн достигается обычным поворотом тарелки-антенны, передающей сигнал. Ученые разделили стандартную сателитную антенну по радиусу и получили в результате две отдельных кромки. В этом случае антенна напоминает штопор.
В 2011 году (это событие широко освещалось в прессе) ученые использовали стандартную антенну и модифицированную антенну собственной разработки для передачи двух аудиосигналов на частоте 2,4 ГГц (диапазон Wi-Fi) в такой ширине спектра, которая обычно позволяла отправку только одного сигнала. В опыте не было бы ничего необычного, если б оба канала не работали одновременно на одной несущей частоте (2,414 ГГц), при этом использовались два одинаковых Wi-Fi-FM-передатчика каждый мощностью 2 Вт. Отличались же только передающие антенны. Они позволили по-разному «закодировать» две одинаковые почти во всех отношениях радиоволны. Позже они повторили тот же эксперимент для двух телевизионных сигналов.
На практике бесконечное число каналов получить нельзя. Но ведущий автор работы Фабрицио Тамбурини (Fabrizio Tamburini) утверждает: «В разумных экономических границах можно использовать состояния орбитального момента от -5 до +5, в том числе нескрученную волну. В этом случае мы можем иметь 11 каналов на одном частотном диапазоне. Если ещё использовать мультиплексирование, как в цифровом ТВ, на каждом из них, то можно получить 55 каналов в одном частотном диапазоне».
Профессор Тайд и его коллеги сейчас работают с производителями оборудования над разработкой системы, которая способна передавать свыше двух частотных диапазонов с разным орбитальным угловым моментом.