Вертикальный размер оптического поля помогает расширить и модернизировать канал

1.

История исследования

Оптическая связь в свободном пространстве — это своего рода технология беспроводной связи с лазером в качестве носителя информации, которая обладает преимуществами большой емкости, высокой скорости и хорошей безопасности. Это незаменимый инструмент для развития высокоскоростной космической связи, который широко используется в различных системах связи, таких как пассивное оптическое дистанционное зондирование, LiDAR, микроволновый фотонный радар и т. д.

В последние годы, с развитием амплитуды, частоты, времени, поляризации и других измерений оптического поля, оптическая связь снова столкнулась с проблемой кризиса пропускной способности. Таким образом, пространственная структура (режим) светового поля постепенно развивается для решения все более серьезной проблемы с узкими местами в мощности.

Хотя пространственные моды, полученные путем горизонтального управления оптическим полем, полностью доказали свою применимость в классической и квантовой коммуникации, продольный размер оптического поля, другой важный пространственный размер оптического поля, до сих пор не применяется в процессе кодирования и декодирования информации.

2.

Инновационные исследования

Для решения вышеуказанных проблем команда профессора Цзяньлиня Чжао и профессора Пэн Ли из факультета физических наук и технологий Северо-Западного политехнического университета предложила метод кодека, основанный на продольном управлении режимом суперпозиции орбитального углового момента (ОАМ) и метаповерхности для реализации продольного управления модой оптического поля. Основываясь на геометрической фазе и конструкции фазы передачи четырехатомной структуры, метаповерхность может реализовать комплексное управление амплитудой поля передачи, зависящее от спина, а затем генерировать состояние суперпозиции режима OAM 0-15 порядка и реализовывать вертикальное изменение состояния суперпозиции методом «замораживающей волны». После того, как к информационному кодеку применяется горизонтальный режим вертикального изменения, информационный кодек с модальной пропускной способностью 163 реализуется в одном канале, что показывает, что он может увеличивать модальную пропускную способность канала в геометрической прогрессии.

Принцип кодирования и декодирования информации в продольных измерениях оптического поля показан на рисунке 1. Информация, излучаемая Бобом на передающей стороне, компилируется в код ASCII в состояние суперпозиции нескольких режимов OAM, на которое накладываются две моды OAM, топологические заряды которых равны l1 и l2 соответственно. Световое пятно имеет форму | Л1-Л2 |. Эти состояния суперпозиции OAM загружаются в решетку лучей с изменением продольной моды для передачи в свободном пространстве с использованием принципа оптической замораживающей волны. Когда Алиса получает информацию на принимающей стороне, она может измерить моды оптического поля массива в различных плоскостях передачи, таких как z1, z2, z3, и получить информацию посредством правильной операции последовательности декодирования.

Чтобы доказать способность этого специального светового поля кодировать продольные размеры, в эксперименте использовалась кодирующая информация «Северо-Западный политехнический университет», а элемент шестнадцатеричного кода ASCII используется для кодирования каждой буквы в слове и пространства между словами. Каждая буква соответствует двум шестнадцатеричным цифрам, поэтому для полного соответствия между угловым порядком луча и закодированной информацией необходимо 74 режима.

В эксперименте используется массивный луч 5×5, а диапазон продольной модуляции L каждой замороженной волны разделен на три сегмента, соответствующие 0 ~ 0,4 мм,> 0,4 ​​~ 0,8 мм,> 0,8 ~ 1,2 мм. В одном канале замороженной волны общая мощность мод, которые могут передавать код в одном канале, составляет 163 из-за продольной модуляции в 3 сегментах, каждый сегмент имеет 16 доступных мод. Третий сегмент волны замораживания 25-го луча исключается, а оставшаяся волна замораживания используется для завершения кодирования соответствующей информации.

Результаты моделирования при z1 = 0,1 мм, z2 = 0,5 мм и z3 = 0,9 мм показаны на рисунке 2 (a), где m представляет количество строк, n представляет количество столбцов, а число в верхнем левом углу диаграммы интенсивности светового поля представляет информацию углового порядка. Результаты эксперимента показаны на рисунке 2(б), а также дано распределение интенсивности светового поля, измеренное в плоскости z1= 0,1 мм, z2 = 0,5 мм, z3 = 0,9 мм.

Как показано на рисунке 2, результаты экспериментальных измерений согласуются с результатами численного моделирования, а все лучи решетки демонстрируют состояние суперпозиции режима OAM с изменениями по требованию. Начиная с первой строки по адресу z1, две шестнадцатеричные цифры декодируются группой в Z-образном порядке, чтобы получить сообщение «Северо-Западный политехнический университет».

Следует отметить, что число изменений продольной моды светового поля в эксперименте составляет всего 3, а предложенный в данной статье метод позволяет добиться более высокого вертикального регулирования, поэтому экспоненциальный коэффициент роста пропускной способности канала может быть дополнительно улучшен.

Чтобы повысить эффективность декодирования, также можно использовать метод разделения плоскостей для получения распределения светового поля в нескольких продольных плоскостях одновременно. В соответствии с характеристиками распространения световых волн, если информация о комплексной амплитуде светового поля измеряется в одной плоскости, распределение комплексной амплитуды других плоскостей также может быть получено путем численного расчета, а затем может быть получена мода светового поля в нескольких продольных плоскостях. Кроме того, ожидается, что за счет внедрения методов глубокого обучения можно будет получить продольно закодированную информацию из одного измерения.

3.

Подвести итоги

В данной работе на основе метаповерхности с независимым управлением состоянием поляризации и комплексной амплитудой реализовано гибкое управление суперпозицией мод ОУМ в продольном измерении замороженной волновой решетки. За счет использования световых полей продольных изменений мод экспериментально реализуется степенное экспоненциальное расширение мод канала и эффективно увеличивается модальная пропускная способность в канале.