Az optikai mező függőleges mérete segít a csatorna bővítésében és frissítésében

1.

Kutatási háttér

A szabad térbeli optikai kommunikáció egyfajta vezeték nélküli kommunikációs technológia, amelynek információhordozója a lézer, amelynek előnyei a nagy kapacitás, a nagy sebesség és a jó biztonság. Nélkülözhetetlen eszköze a nagy sebességű űrkommunikáció fejlesztésének, és széles körben alkalmazzák különféle kommunikációs rendszerekben, mint például a passzív optikai távérzékelés, a LiDAR, a mikrohullámú foton radar stb.

Az utóbbi években az optikai tér amplitúdója, frekvencia, idő, polarizáció és egyéb dimenziók fejlődésével az optikai kommunikáció ismét a kapacitásválság kihívásával szembesült. Ezért a fénymező térszerkezetét (módját) fokozatosan fejlesztik az egyre súlyosabb kapacitás szűk keresztmetszet probléma megoldására.

Bár az optikai tér vízszintes szabályozásával kapott térbeli módok teljes mértékben beváltak a klasszikus és kvantumkommunikációban, az optikai tér másik fontos térbeli dimenziója, az optikai tér longitudinális dimenziója ez idáig nem került alkalmazásra az információkódolás és -dekódolás folyamatában.

2.

Innovatív kutatás

A fenti problémák megoldására Jianlin Zhao professzor és Peng Li professzor, az Északnyugati Politechnikai Egyetem Fizikai Tudományos és Technológiai Karának csapata olyan kodek módszert javasolt, amely az orbitális szögmomentum (OAM) módusú szuperpozíciós állapot longitudinális szabályozásán alapul, és egy metassurface-t az optikai tér módusának longitudinális szabályozásának megvalósításához. A négyatomos szerkezet geometriai fázis- és transzmissziós fázisterve alapján a metafelület megvalósíthatja az átviteli mező spin-függő komplex amplitúdó-szabályozását, majd 0-15 sorrendű OAM módú szuperpozíciós állapotot generálhat, és a szuperpozíció állapotának függőleges változását "fagyóhullám" módszerrel valósítja meg. A függőleges változás vízszintes módjának az információs kodekre történő alkalmazása után a 163 modális kapacitású információs kodek egyetlen csatornában valósul meg, ami azt mutatja, hogy exponenciálisan képes növelni a csatorna modális kapacitását.

Az információ kódolásának és dekódolásának elve az optikai mező longitudinális dimenzióiban az 1. ábrán látható. A Bob által az átviteli oldalon kibocsátott információ ASCII-kódba kerül több OAM módú szuperpozíciós állapotba, amelyet két OAM mód szuperponál, amelyek topológiai töltései rendre l1 és l2. A világos folt a | alakját mutatja be L1-L2 |. Ezeket az OAM szuperpozíciós állapotokat egy sugártömbbe töltik be longitudinális módusváltással a szabad tér átviteléhez az optikai fagyási hullám elve alapján. Amikor Alice információt szerez a vevő oldalon, meg tudja mérni a különböző átviteli síkok, például a z1, z2, z3 tömb optikai térmódjait, és információkat szerezhet a megfelelő dekódolási szekvencia működésével.

Ennek a speciális fénymezőnek a longitudinális dimenzió kódoló képességének bizonyítására a kísérletben használt kódolási információ "Northwestern Polytechnical University", az ASCII hexadecimális kódelem pedig a szó minden betűjének és a szavak közötti szóköznek a kódolására szolgál. Minden betű két hexadecimális számjegynek felel meg, így 74 módra van szükség a nyaláb szögrendje és a kódolt információ közötti egy-egy megfeleltetéshez.

A kísérlet egy 5 × 5-ös tömbsugarat alkalmaz, és az egyes fagyott hullámok L longitudinális modulációs tartományát három szegmensre osztják, amelyek 0–0,4 mm, >0,4–0,8 mm, >0,8–1,2 mm értéknek felelnek meg. Egyetlen fagyasztott hullámcsatornában az egyetlen csatornában kódot továbbító módok összkapacitása 163, mivel a longitudinális moduláció 3 szegmensben történik, mindegyik szegmensnek 16 elérhető módja van. A 25. nyaláb fagyási hullámának harmadik szegmense megszűnik, a fennmaradó fagyhullám pedig a megfelelő információ kódolásának befejezésére szolgál.

A z1= 0,1 mm, z2= 0,5 mm és z3= 0,9 mm melletti szimulációs eredményeket a 2(a) ábra mutatja, ahol m a sorok számát, n az oszlopok számát, a fénymező intenzitásdiagram bal felső sarkában lévő szám pedig a szögrendű információt jelöli. A kísérleti eredményeket a 2(b) ábra mutatja, és a z1= 0,1 mm, z2= 0,5 mm, z3= 0,9 mm síkban mért fénytér intenzitáseloszlását adjuk meg.

A 2. ábrán látható módon a kísérleti mérési eredmények összhangban vannak a numerikus szimulációs eredményekkel, és a tömbnyalábok mind OAM mód szuperpozíciós állapotát mutatják, igény szerinti változtatásokkal. A z1 első sorától kezdve két hexadecimális számjegyet dekódolunk egy csoportba Z-alakúan, hogy megkapjuk az "Északnyugati Műszaki Egyetem" üzenetet.

Megjegyzendő, hogy a kísérletben a fénymező longitudinális módusváltásainak száma mindössze 3, és a dolgozatban javasolt módszerrel nagyobb vertikális szabályozás érhető el, így a csatornakapacitás növekedésének exponenciális tényezője tovább javítható.

A dekódolás hatékonyságának javítása érdekében az osztott síkú képalkotás módszerével több hosszsík fénytéreloszlását is meg lehet nyerni egyszerre. A fényhullámok terjedési jellemzői szerint, ha a fénytér komplex amplitúdóinformációját egyetlen síkban mérjük, akkor numerikus számítással más síkok komplex amplitúdó-eloszlása ​​is megkapható, majd több hosszsík fénytérmódja is megkapható. Emellett a mély tanulási módszerek bevezetésével az is elvárás, hogy egyetlen mérésből longitudinálisan kódolt információ nyerhető.

3.

Összegezve

A polarizációs állapot és a komplex amplitúdó független szabályozásával rendelkező metafelület alapján az OAM módusú szuperpozíció rugalmas szabályozása a fagyott hullámtömb longitudinális dimenziójában valósul meg ebben a cikkben. A módusok longitudinális változásainak fénytereinek felhasználásával kísérleti úton valósul meg a csatornamódusok teljesítmény exponenciális tágulása, és hatékonyan növeljük a csatornában a modális kapacitást.