Vertikální rozměr optického pole pomáhá rozšířit a upgradovat kanál

1.

Výzkum pozadí

Optická komunikace ve volném prostoru je druh bezdrátové komunikační technologie s laserem jako nosičem informací, který má výhody velké kapacity, vysoké rychlosti a dobré bezpečnosti. Je to nepostradatelný nástroj pro rozvoj vysokorychlostní vesmírné komunikace a byl široce používán v různých komunikačních systémech, jako je pasivní optický dálkový průzkum Země, LiDAR, mikrovlnný fotonový radar atd.

V posledních letech, s rozvojem amplitudy, frekvence, času, polarizace a dalších dimenzí optického pole, je optická komunikace opět konfrontována s výzvou kapacitní krize. Prostorová struktura (mód) světelného pole se proto postupně vyvíjí, aby se vyřešil stále závažnější problém kapacitního úzkého hrdla.

Prostorové módy získané horizontálním řízením optického pole sice plně prokázaly svou proveditelnost v klasické i kvantové komunikaci, ale délkový rozměr optického pole, další důležitý prostorový rozměr optického pole, nebyl dosud v procesu kódování a dekódování informací uplatněn.

2.

Inovativní výzkum

Za účelem vyřešení výše uvedených problémů navrhl tým profesora Jianlin Zhao a profesora Peng Li ze School of Physical Science and Technology Northwestern Polytechnical University metodu kodeku založenou na podélném řízení stavu superpozice orbitálního momentu hybnosti (OAM) a metapovrchu pro realizaci podélného řízení režimu optického pole. Na základě návrhu geometrické fáze a fáze přenosu čtyřatomové struktury může metapovrch realizovat komplexní řízení amplitudy v závislosti na spinu přenosového pole a poté generovat stav superpozice režimu OAM 0-15 řádu a realizovat vertikální změnu stavu superpozice metodou „zmrazující vlny“. Poté, co je na informační kodek aplikován horizontální režim vertikální změny, je informační kodek s modální kapacitou 163 realizován v jediném kanálu, což ukazuje, že může exponenciálně zvýšit modální kapacitu kanálu.

Princip kódování a dekódování informace v podélných rozměrech optického pole je znázorněn na obrázku 1. Informace vysílané Bobem na vysílacím konci jsou kompilovány do kódu ASCII do stavu superpozice více režimů OAM, který je superponován dvěma režimy OAM, jejichž topologické náboje jsou l1 a l2. Světelný bod představuje tvar | L1-L2 |. Tyto superpoziční stavy OAM jsou načteny do pole paprsků s podélnou variací režimu pro přenos volným prostorem pomocí principu optické zmrazení vlny. Když Alice získá informace na přijímacím konci, může měřit režimy pole optického pole různých přenosových rovin, jako je zl, z2, z3, a získat informace prostřednictvím správné operace dekódovací sekvence.

Aby se prokázala schopnost kódování podélných rozměrů tohoto speciálního světelného pole, je v experimentu použitou kódovací informací „Northwestern Polytechnical University“ a pro zakódování každého písmene ve slově a mezery mezi slovy je použit prvek hexadecimálního kódu ASCII. Každé písmeno odpovídá dvěma hexadecimálním číslicím, takže k dokončení vzájemné korespondence mezi úhlovým řádem paprsku a zakódovanou informací je zapotřebí 74 režimů.

Experiment využívá pole paprsku 5×5 a rozsah podélné modulace L každé zmrzlé vlny je rozdělen do tří segmentů, které odpovídají 0 ~ 0,4 mm, > 0,4 ​​~ 0,8 mm, > 0,8 ~ 1,2 mm. V jediném kanálu zmrazených vln je celková kapacita režimů, které mohou přenášet kód v jediném kanálu, 163, protože podélná modulace ve 3 segmentech má každý segment 16 dostupných režimů. Třetí segment 25. zmrazené vlny paprsku je eliminován a zbývající zmrazená vlna se použije k dokončení kódování odpovídající informace.

Výsledky simulace při z1= 0,1 mm, z2= 0,5 mm a z3= 0,9 mm jsou znázorněny na obrázku 2(a), kde m představuje počet řádků, n představuje počet sloupců a číslo v levém horním rohu diagramu intenzity světelného pole představuje informaci o úhlovém pořadí. Experimentální výsledky jsou znázorněny na obrázku 2(b) a je uvedeno rozložení intenzity světelného pole měřené v rovině zl= 0,1 mm, z2= 0,5 mm, z3= 0,9 mm.

Jak je znázorněno na obrázku 2, výsledky experimentálního měření jsou konzistentní s výsledky numerické simulace a všechny paprsky pole ukazují stav superpozice režimu OAM se změnami na vyžádání. Počínaje prvním řádkem na z1 se dekódují dvě hexadecimální číslice ve skupině ve tvaru Z, aby se získala zpráva „Northwestern Polytechnical University“.

Je třeba poznamenat, že počet změn podélného režimu světelného pole v experimentu je pouze 3 a metodou navrženou v tomto článku lze dosáhnout vyšší vertikální regulace, takže exponenciální faktor růstu kapacity kanálu lze dále zlepšit.

Aby se zlepšila účinnost dekódování, může být také použit způsob zobrazování rozdělené roviny k získání rozložení světelného pole více podélných rovin v jednom okamžiku. Podle charakteristik šíření světelných vln, pokud je komplexní amplitudová informace světelného pole měřena v jedné rovině, lze numerickým výpočtem získat také komplexní amplitudové rozložení dalších rovin a pak lze získat režim světelného pole více podélných rovin. Kromě toho se zavedením metod hlubokého učení také očekává, že z jednoho měření lze získat podélně zakódované informace.

3.

Shrnout

Na základě metapovrchu s nezávislým řízením stavu polarizace a komplexní amplitudy je v tomto článku realizováno flexibilní řízení superpozice režimu OAM v podélném rozměru pole zmrazených vln. Použitím světelných polí podélných změn módů je experimentálně realizováno exponenciální rozšíření výkonu kanálových módů a efektivně zvýšena modální kapacita v kanálu.