Pionowy wymiar pola optycznego pomaga rozszerzyć i ulepszyć kanał

1.

Tło badawcze

Komunikacja optyczna w wolnej przestrzeni to rodzaj technologii komunikacji bezprzewodowej z laserem jako nośnikiem informacji, która ma zalety dużej pojemności, dużej prędkości i dobrego bezpieczeństwa. Jest niezbędnym narzędziem do rozwoju szybkiej komunikacji kosmicznej i jest szeroko stosowany w różnych systemach komunikacyjnych, takich jak pasywna teledetekcja optyczna, LiDAR, mikrofalowy radar fotonowy itp.

W ostatnich latach, wraz z rozwojem amplitudy, częstotliwości, czasu, polaryzacji i innych wymiarów pola optycznego, komunikacja optyczna ponownie staje przed wyzwaniem kryzysu przepustowości. Dlatego struktura przestrzenna (tryb) pola świetlnego jest stopniowo rozwijana, aby rozwiązać coraz poważniejszy problem wąskiego gardła w wydajności.

Chociaż mody przestrzenne uzyskiwane poprzez poziomą kontrolę pola optycznego w pełni sprawdziły się w komunikacji klasycznej i kwantowej, podłużny wymiar pola optycznego, kolejny ważny wymiar przestrzenny pola optycznego, nie został dotychczas zastosowany w procesie kodowania i dekodowania informacji.

2.

Innowacyjne badania

Aby rozwiązać powyższe problemy, zespół profesorów Jianlina Zhao i profesora Peng Li ze Szkoły Nauk Fizycznych i Technologii Northwestern Polytechnical University zaproponował metodę kodeka opartą na kontroli podłużnej stanu superpozycji orbitalnego momentu pędu (OAM) i metapowierzchni w celu realizacji podłużnej kontroli trybu pola optycznego. W oparciu o geometryczny projekt fazy i fazy transmisji struktury czteroatomowej, metapowierzchnia może realizować złożoną kontrolę amplitudy zależnej od spinu pola transmisyjnego, a następnie generować stan superpozycji trybu OAM rzędu 0-15 i realizować pionową zmianę stanu superpozycji metodą „fali zamrażającej”. Po zastosowaniu poziomego trybu zmiany pionowej do kodeka informacyjnego, kodek informacyjny o pojemności modalnej 163 jest realizowany w jednym kanale, co pokazuje, że może on wykładniczo zwiększać pojemność modalną kanału.

Zasadę kodowania i dekodowania informacji w podłużnych wymiarach pola optycznego pokazano na rysunku 1. Informacje emitowane przez Boba na końcu nadawczym są kompilowane do kodu ASCII w stan superpozycji wielu trybów OAM, na który nakładają się dwa mody OAM, których ładunki topologiczne wynoszą odpowiednio l1 i l2. Plamka świetlna ma kształt | L1-L2 |. Te stany superpozycji OAM są ładowane do układu wiązek ze zmianą trybu podłużnego w celu transmisji w wolnej przestrzeni przy użyciu zasady optycznej fali zamrażającej. Kiedy Alicja uzyskuje informację po stronie odbiorczej, może zmierzyć tryby pola optycznego różnych płaszczyzn transmisji, takich jak z1, z2, z3, i uzyskać informację poprzez prawidłową operację sekwencji dekodowania.

Aby udowodnić zdolność kodowania wymiaru podłużnego tego specjalnego pola świetlnego, w eksperymencie zastosowano informację o kodowaniu „Northwestern Polytechnical University”, a element kodu szesnastkowego ASCII został użyty do zakodowania każdej litery słowa i odstępu między słowami. Każda litera odpowiada dwóm cyfrom szesnastkowym, zatem potrzebne są 74 tryby, aby zakończyć zgodność jeden do jednego między kolejnością kątową wiązki a zakodowaną informacją.

W eksperymencie zastosowano wiązkę o wymiarach 5×5, a zakres modulacji podłużnej L każdej zamrożonej fali podzielono na trzy segmenty, odpowiadające 0 ~ 0,4 mm, > 0,4 ​​~ 0,8 mm, > 0,8 ~ 1,2 mm. W pojedynczym kanale fali zamrożonej łączna pojemność trybów, które mogą przesyłać kod w jednym kanale wynosi 163 ze względu na modulację podłużną w 3 segmentach, każdy segment ma 16 dostępnych modów. Trzeci segment 25. fali zamrożenia wiązki jest eliminowany, a pozostała fala zamrożenia jest wykorzystywana do zakończenia kodowania odpowiedniej informacji.

Wyniki symulacji dla z1= 0,1 mm, z2= 0,5 mm i z3= 0,9 mm pokazano na rysunku 2(a), gdzie m oznacza liczbę wierszy, n oznacza liczbę kolumn, a liczba w lewym górnym rogu wykresu natężenia pola świetlnego oznacza informację o porządku kątowym. Wyniki eksperymentów przedstawiono na rysunku 2(b), a podany został rozkład natężenia pola świetlnego mierzony w płaszczyźnie z1= 0,1mm, z2= 0,5mm, z3= 0,9mm.

Jak pokazano na rysunku 2, wyniki pomiarów eksperymentalnych są zgodne z wynikami symulacji numerycznej, a wszystkie wiązki układu pokazują stan superpozycji trybu OAM ze zmianami na żądanie. Zaczynając od pierwszej linii w z1, dwie cyfry szesnastkowe są dekodowane w grupie w kształcie Z, aby otrzymać wiadomość „Northwestern Polytechnical University”.

Należy zauważyć, że liczba zmian trybu podłużnego pola świetlnego w eksperymencie wynosi tylko 3, a metoda zaproponowana w tym artykule pozwala uzyskać wyższą regulację pionową, dzięki czemu można jeszcze poprawić współczynnik wykładniczy wzrostu przepustowości kanału.

W celu poprawy efektywności dekodowania można zastosować także metodę obrazowania typu split-plane, pozwalającą uzyskać jednocześnie rozkład pola świetlnego w wielu płaszczyznach podłużnych. Zgodnie z charakterystyką propagacji fal świetlnych, jeśli złożoną informację o amplitudzie pola świetlnego mierzy się w jednej płaszczyźnie, zespolony rozkład amplitud w innych płaszczyznach można również uzyskać za pomocą obliczeń numerycznych, a następnie można uzyskać tryb pola świetlnego wielu płaszczyzn podłużnych. Dodatkowo, wprowadzając metody głębokiego uczenia się, oczekuje się również, że z pojedynczego pomiaru będzie można uzyskać informację zakodowaną podłużnie.

3.

Zsumować

W oparciu o metapowierzchnię z niezależną kontrolą stanu polaryzacji i zespolonej amplitudy, w artykule zrealizowano elastyczne sterowanie superpozycją modów OAM w wymiarze podłużnym zamrożonego układu fal. Wykorzystując pola świetlne podłużnych zmian modów, eksponencjalna ekspansja mocy modów kanału jest realizowana eksperymentalnie i skutecznie zwiększa się pojemność modalna w kanale.