對《自然·物理》一文的疑問與思考
-----新型光學(xué)天線將突破光傳輸數(shù)據(jù)的限制
都世民
摘要：本文針對《自然·物理》刊物發(fā)表的一篇文章，“新型光學(xué)天線將突破光傳輸數(shù)據(jù)的限制”。從文章的題目看，主要介紹天線。從應(yīng)用看，主要針對通信。文中提出兩個概念，光天線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和軌道角通量，是兩個概念的綜合，形成的一種新的光天線。筆者從天線學(xué)科的角度，提出一些疑問和對有關(guān)問題的思考。
關(guān)鍵詞：自然·物理，光拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，光軌道角通量，光學(xué)天線，數(shù)據(jù)傳輸。
引言
近來，《自然·物理》刊登一種新型光學(xué)天線引起筆者關(guān)注，其因有兩個方面：一天線是筆者幾十年從事的專業(yè)；二新型光學(xué)天線突破光傳輸信息的瓶頸，這與人的視覺通道傳輸70%的信息量有無關(guān)聯(lián)？
查詢相關(guān)文章：
［1］“Light unbound: Data limits could vanish with new optical antennas”，［J］，Nature Physies，（https://phys.org/news/2021-02-unbound-limits-optical-antennas.html）2021-02-25.
［2］2021-02-26，東方財富網(wǎng)刊文：“《自然》子刊：新型光學(xué)天線可消除數(shù)據(jù)傳輸限制”。
（https://baijiahao.baidu.com/s?id=1692736212778242800&wfr=spider&for=pc）
（3］2021-02-26 10:28:28，賢集網(wǎng)刊文：“加州大學(xué)研發(fā)新型圓形的光學(xué)天線 可提高通信數(shù)據(jù)攜帶量”。（https://www.xianjichina.com/special/detail_474560.html）
［4］2021.2.26，《自然》子刊：”新型光學(xué)天線可消除數(shù)據(jù)傳輸限制”，老劉的科學(xué)講堂，（http://www.yidianzixun.com/article/0THOEMwP)
［5］2021-2-27 ，科學(xué)網(wǎng)刊文：諸平，“新光學(xué)天線可能會消除數(shù)據(jù)限制”。
（http://blog.sciencenet.cn/blog-212210-1274165.html）
［6］2021-02-28，搜狐網(wǎng)刊文：江蘇激光產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟 ，“《自然》子刊：新型光學(xué)天線可消除數(shù)據(jù)傳輸限制”。（https://www.sohu.com/a/453148486_100034932）
［7］2021-03-01 15:00，“新型拓?fù)涔鈱W(xué)天線：可以“不限量”地傳輸數(shù)據(jù)了”，（https://user.guancha.cn/main/content?id=470059&s=fwzwyzzwzbt）
［8］2021- 03-01 15:11 ，“新型拓?fù)涔鈱W(xué)天線：可以“不限量”地傳輸數(shù)據(jù)了”，科學(xué)大觀園雜志社.?（https://weibo.com/ttarticle/p/show?id=2309404609956279091523)
［9］ 2021年3月2日 ，“無束縛的光：新的光學(xué)天線可能會消除數(shù)據(jù)限制”，
（https://0xzx.com/zh-tw/2021030217581225194.html）
［10］2021-03-02 14:07，“研究人員開發(fā)光學(xué)天線 打破數(shù)據(jù)傳播信號天花板”，OFweek光通訊網(wǎng) 。
（http://mp.ofweek.com/fiber/a6567149311）
［11］ 2021-3-5 12:06，“光的解放：新型光學(xué)天線令數(shù)據(jù)傳輸限制不復(fù)存在”，
（https://new.qq.com/omn/20210305/20210305A050G400.html）
從各個網(wǎng)絡(luò)報道的這篇文章，無論是標(biāo)題還是內(nèi)容，是有些差異。不難看出，原文翻譯后的文題和內(nèi)容有不同的理解和表達(dá)方式。
研究團(tuán)隊主要研究人員：
【作者】Babak Bahari, Liyi Hsu, Si Hui Pan, Daryl Preece, Abdoulaye Ndao, Abdelkrim El Amili, Yeshaiahu Fainman & Boubacar Kanté
·該研究是加州大學(xué)伯克利分校，第一作者是康德實驗室的前博士生Babak Bahari。
·坎特（Kanté）也是勞倫斯·伯克利國家實驗室（伯克利實驗室）材料科學(xué)部的科學(xué)家，在加州大學(xué)圣地亞哥分校開始研究后，一直在加州大學(xué)伯克利分校繼續(xù)這項工作。
文章的創(chuàng)新點及其意義：
〔1〕新型光學(xué)天線構(gòu)造：同心環(huán)結(jié)構(gòu)，三個同心圓的模式形成量子阱，最大直徑約為50微米，以捕獲光子。這項設(shè)計創(chuàng)造了支持光子量子霍爾效應(yīng)現(xiàn)象的條件，這種現(xiàn)象描述了當(dāng)施加磁場時光子的運動，光在環(huán)中沿單一方向傳播。因此，研究人員認(rèn)為他們“是第一個證明量子霍爾效應(yīng)對光起作用的人?！?/strong>
〔2〕天線發(fā)射的離散旋轉(zhuǎn)激光束，這種新方法可以極大地增加光波攜帶的數(shù)據(jù)量。
〔3〕通過施加垂直于其平面微結(jié)構(gòu)的磁場，研究人員成功地產(chǎn)生了三束在表面上方圓形軌道上行進(jìn)的軌道角動量(OAM)激光束。這項研究進(jìn)一步表明，激光束的量子數(shù)(光在一個波長內(nèi)繞其軸扭曲的次數(shù))高達(dá)276。
〔4〕制造天線的拓?fù)?/span>結(jié)構(gòu)：研究人員使用電子束光刻技術(shù)在半導(dǎo)體材料磷化銦鎵上蝕刻出網(wǎng)格圖案，然后將該結(jié)構(gòu)結(jié)合到釔鐵石榴石制成的表面上。研究人員設(shè)計了網(wǎng)格，以三個同心圓的模式形成量子阱，最大直徑約為50微米，以捕獲光子。
〔5〕這項設(shè)計創(chuàng)造了支持光子量子霍爾效應(yīng)現(xiàn)象的條件。這是《自然·物理》刊登這篇文章的原文論述要點。
對《自然·物理》一文的疑問與思考
〔1〕從文章的題目看，“Light unbound: Data limits could vanish with new optical antennas”有不同的理解和翻譯方法，“無束縛的光”、“光的解放”；“新型光學(xué)天線”、“新型拓?fù)涔鈱W(xué)天線”、“新型圓形的光學(xué)天線”；“消除數(shù)據(jù)傳輸限制”、“可提高通信數(shù)據(jù)攜帶量”、“不限量”地傳輸數(shù)據(jù)”、“數(shù)據(jù)傳輸限制不復(fù)存在”、“打破數(shù)據(jù)傳播信號天花板”。
文題主要體現(xiàn)在三個方面：光的特性、天線型式、數(shù)據(jù)傳輸?shù)南拗?。前兩個方面有不同的理解，后一點差別不大。
〔2〕從文章的內(nèi)容看，其創(chuàng)新要點有以下幾點：
·這篇文章的創(chuàng)新點是什么？天線的拓?fù)?/span>結(jié)構(gòu)；軌道角動量(OAM)渦旋激光束；渦旋激光束旋轉(zhuǎn)的次數(shù)。
·文章作者的意圖想突出什么？光子量子霍爾效應(yīng)證明的首創(chuàng)者；消除光傳輸數(shù)據(jù)的限制。這是作者想通過新型光學(xué)天線所實現(xiàn)的應(yīng)用前景。從文章的內(nèi)容和題目來看，兩者不太匹配，其原因是，文章的題目強(qiáng)調(diào)的是新型光學(xué)天線，實際上文章的內(nèi)容沒有給出天性的性能和參數(shù)，這就不是搞天線的人應(yīng)該寫的文章，應(yīng)該闡明的問題沒有闡明。如果文章的作者想突出量子霍爾效應(yīng)，那么文章的題目應(yīng)該有所體現(xiàn)，更重要的是，雜志社的審稿人如何選擇就是個問題，因為這是兩個完全不同的學(xué)科，審稿人的知識面不一定能夠包括這兩個學(xué)科的問題。這往往也是雜志社尋求審稿人難以處理的問題，雜志的編輯不可能了解的那么詳細(xì)。
〔3〕從光傳輸數(shù)據(jù)的限制角度來看，Kanté 說，目前依靠電磁波的傳輸信號已接近物理極限。頻率資源的應(yīng)用越來越少，已經(jīng)達(dá)到飽和。光波的偏振為兩個分量（水平或垂直），只能使傳輸?shù)男畔⒘吭黾右槐?/strong>。在天線學(xué)科，稱偏振為極化概念。這項新研究的技術(shù)是通過光的軌道角動量（orbital angular momentum, OAM）特性才突破了傳輸數(shù)據(jù)量的限制。
〔4〕這項新研究的光天線基片是釆用拓?fù)?/span>結(jié)構(gòu)，這種光拓?fù)?/span>概念引入量子霍爾效應(yīng)，文章作者想證明量子霍爾效應(yīng)。因為這種光拓?fù)?/span>結(jié)構(gòu)設(shè)計，使光子的量子霍爾效應(yīng)現(xiàn)象（描述了施加磁場時光子的運動）得以發(fā)生，使光在同心環(huán)中沿同一方向傳播。這樣的設(shè)計與光傳輸數(shù)據(jù)的限制沒有直接關(guān)系，也就是說與文章的題目沒有直接關(guān)系。
〔5〕應(yīng)當(dāng)指出的是，這篇論文所說的新型光天線，輻射的激光束是電磁波，而軌道角動量是增加一個旋轉(zhuǎn)的相位因子，這就是平面波前繞著傳播方向旋轉(zhuǎn)，呈現(xiàn)出螺旋相位結(jié)構(gòu)，可以構(gòu)成不同模式螺旋相位波前。產(chǎn)生軌道角動量的方法有多種，例如透射的光柵結(jié)構(gòu)、透射的螺旋結(jié)構(gòu)、透射的螺旋反射面結(jié)構(gòu)、天線陣列結(jié)構(gòu)，可以使用在不同的頻率范圍。也就是說不局限于微觀結(jié)構(gòu)，可以不引入量子概念。在天線學(xué)科，從軌道角動量產(chǎn)生的波束為渦旋電磁波束，不是現(xiàn)在一些譯文中所說的光的'渦旋’。與龍卷風(fēng)和水的湍流之'漩渦’不一樣，因為光的渦旋是繞著傳播方向旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的次數(shù)與相位因子有關(guān)。
有譯文把軌道角動量（OAM）形成的波束看作為“高電荷”OAM光束。“高電荷”是粒子概念，其實這里是電磁波概念。
〔6〕這篇文章三個同心圓與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基片，是怎樣形成的螺旋相位因子？這個基片厚度從圖上看是變化的，圖中沒有給出尺寸，只標(biāo)出 lh1、lh2、lh3，說明這三個數(shù)值是不相同的，是否是因為它們形成的旋轉(zhuǎn)角動量相位因子？筆者認(rèn)為，文章的作者對這個問題應(yīng)該說清楚。
〔7〕通過施加垂直于其平面微觀結(jié)構(gòu)的磁場，研究人員成功地產(chǎn)生了三束沿表面上方的圓形軌道傳播的 OAM 激光。進(jìn)一步研究表明，激光束的量子數(shù)（光在一個波長內(nèi)繞其軸扭曲的次數(shù)）高達(dá) 276。
文章作者這種敘述的方式和給出的插圖，看不出形成的激光束的傳播方向，這個天線是平面天線，施加的磁場是垂直于這個天線的平面，而傳播方向是在這個天線平面的上方，這種說法是不確切的，因為可以畫出很多個軸線，文章的作者應(yīng)該標(biāo)出施加磁場的方向和天線傳播方向。到底這個研究是否經(jīng)過實驗驗證？通過什么辦法測量？文中沒有敘述。形成的渦旋激光束的旋轉(zhuǎn)次數(shù)，被看成量子數(shù)，其實在天線學(xué)科不一定這樣認(rèn)為。至今天線學(xué)科沒有給出量子天線的定義，雖然量子通信和量子雷達(dá)都已經(jīng)見諸報端，卻沒有給出量子天線的構(gòu)成和工作機(jī)理。
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