Optisen kentän pystysuuntainen ulottuvuus auttaa laajentamaan ja päivittämään kanavaa

1.

Tutkimus tausta

Vapaan tilan optinen viestintä on eräänlainen langaton viestintätekniikka laserilla tiedonvälittäjänä, jonka etuna on suuri kapasiteetti, suuri nopeus ja hyvä turvallisuus. Se on välttämätön työkalu nopean avaruusviestinnän kehittämiseen, ja sitä on käytetty laajasti erilaisissa viestintäjärjestelmissä, kuten passiivinen optinen kaukokartoitus, LiDAR, mikroaaltofotonitutka jne.

Viime vuosina optisen kentän amplitudin, taajuuden, ajan, polarisaation ja muiden ulottuvuuksien kehittyessä optinen viestintä on jälleen kohdannut kapasiteettikriisin haastetta. Siksi valokentän avaruudellista rakennetta (moodia) kehitetään asteittain ratkaisemaan yhä vakavampi kapasiteetin pullonkaulaongelma.

Vaikka optisen kentän horisontaalisella ohjauksella saadut spatiaaliset tilat ovat täysin osoittaneet käyttökelpoisuutensa klassisessa ja kvanttiviestinnässä, optisen kentän pitkittäisulottuvuutta, joka on toinen tärkeä optisen kentän avaruudellinen ulottuvuus, ei ole toistaiseksi sovellettu tiedon koodaus- ja dekoodausprosessissa.

2.

Innovatiivinen tutkimus

Yllä olevien ongelmien ratkaisemiseksi professori Jianlin Zhaon ja professori Peng Li:n ryhmä Northwestern Polytechnical Universityn fysiikan ja teknologian korkeakoulusta ehdotti koodekkimenetelmää, joka perustuu orbitaalisen kulmamomentti (OAM) -moodin superpositiotilan pitkittäiseen ohjaukseen ja metaspinnan optisen kentän pitkittäisen tilan ohjauksen toteuttamiseksi. Neljän atomin rakenteen geometrisen vaiheen ja siirtovaiheen suunnittelun perusteella metapinta voi toteuttaa lähetyskentän spin-riippuvaisen monimutkaisen amplitudin ohjauksen ja sitten luoda 0-15 asteen OAM-tilan superpositiotilan ja toteuttaa superpositiotilan pystysuuntaisen muutoksen "jäädytysaalto" -menetelmällä. Sen jälkeen, kun informaatiokoodekissa on sovellettu pystysuuntaisen muutoksen vaakamuotoa, informaatiokoodekki modaalikapasiteetilla 163 realisoituu yhteen kanavaan, mikä osoittaa, että se voi lisätä kanavan modaalikapasiteettia eksponentiaalisesti.

Optisen kentän pitkittäismittojen informaation koodauksen ja dekoodauksen periaate on esitetty kuvassa 1. Bobin lähettämä informaatio lähetyspäässä käännetään ASCII-koodiksi usean OAM-tilan superpositiotilaan, joka on päällekkäin kahdella OAM-moodilla, joiden topologiset varaukset ovat vastaavasti l1 ja l2. Valopiste esittää |:n muotoa L1-L2 |. Nämä OAM-superpositiotilat ladataan säderyhmään, jossa on pituussuuntainen moodivaihtelu vapaan tilan siirtoa varten optisen jäädytysaallon periaatetta käyttäen. Kun Alice saa tietoa vastaanottopäästä, se voi mitata eri siirtotasojen, kuten z1, z2, z3, optisen kentän muodot ja saada tietoa oikean dekoodaussekvenssin toiminnan avulla.

Tämän erityisen valokentän pitkittäisulottuvuuden koodauskyvyn todistamiseksi kokeessa käytetty koodaustieto on "Northwestern Polytechnical University" ja ASCII-heksadesimaalikoodielementtiä käytetään sanan jokaisen kirjaimen ja sanojen välisen tilan koodaamiseen. Jokainen kirjain vastaa kahta heksadesimaalilukua, joten tarvitaan 74 tilaa, jotta yksi-yhteen vastaavuus säteen kulmajärjestyksen ja koodatun tiedon välillä saadaan valmiiksi.

Kokeessa käytetään 5 × 5 -sädettä, ja kunkin jäätyneen aallon pituussuuntainen modulaatioalue L jaetaan kolmeen segmenttiin, jotka vastaavat 0 - 0,4 mm, > 0,4 ​​- 0,8 mm, > 0,8 - 1,2 mm. Yhdellä jäädytetyllä aaltokanavalla niiden moodien kokonaiskapasiteetti, jotka voivat lähettää koodia yhdellä kanavalla, on 163 pitkittäismodulaation vuoksi 3 segmentissä, jokaisessa segmentissä on 16 käytettävissä olevaa tilaa. 25. säteen jäädytysaallon kolmas segmentti eliminoidaan ja jäljellä olevaa jäädytysaaltoa käytetään vastaavan tiedon koodauksen loppuun saattamiseksi.

Simulaatiotulokset kohdissa z1= 0,1 mm, z2= 0,5 mm ja z3= 0,9 mm on esitetty kuvassa 2(a), jossa m edustaa rivien lukumäärää, n edustaa sarakkeiden lukumäärää ja numero valokentän voimakkuuskaavion vasemmassa yläkulmassa edustaa kulmajärjestyksen tietoja. Koetulokset on esitetty kuvassa 2(b), ja valokentän voimakkuusjakauma mitattuna tasossa z1= 0,1mm, z2=0,5mm, z3=0,9mm.

Kuten kuvassa 2 näkyy, kokeelliset mittaustulokset ovat yhdenmukaisia ​​numeeristen simulaatiotulosten kanssa, ja kaikki taulukon säteet näyttävät OAM-tilan superpositiotilan, jossa on muutoksia tarpeen mukaan. Alkaen ensimmäisestä rivistä z1:stä, kaksi heksadesimaalilukua dekoodataan ryhmässä Z-muotoon, jotta saadaan viesti "Northwestern Polytechnical University".

On huomattava, että valokentän pitkittäismuotomuutosten lukumäärä kokeessa on vain 3, ja tässä artikkelissa ehdotetulla menetelmällä voidaan saavuttaa korkeampi vertikaalinen säätely, joten kanavakapasiteetin kasvun eksponentiaalista tekijää voidaan edelleen parantaa.

Dekoodauksen tehokkuuden parantamiseksi jaetun tason kuvantamismenetelmää voidaan käyttää myös useiden pitkittäistasojen valokenttäjakauman saamiseksi kerralla. Valoaaltojen etenemisominaisuuksien mukaan, jos valokentän kompleksinen amplituditieto mitataan yhdessä tasossa, voidaan numeerisella laskennalla saada myös muiden tasojen kompleksinen amplitudijakauma, jolloin saadaan useiden pitkittäistasojen valokenttämoodi. Lisäksi syväoppimismenetelmiä ottamalla käyttöön odotetaan myös, että pitkittäisesti koodattua tietoa voidaan saada yhdestä mittauksesta.

3.

Yhteenveto

Perustuen metapintaan, jossa on riippumaton polarisaatiotilan ja kompleksisen amplitudin säätö, OAM-moodin superpositiota joustava ohjaus jäädytetyn aaltoryhmän pituussuuntaisessa ulottuvuudessa on toteutettu tässä artikkelissa. Moodin pituussuuntaisten muutosten valokenttiä käyttämällä toteutetaan kokeellisesti kanavamoodien tehon eksponentiaalinen laajeneminen ja kanavan modaalikapasiteettia lisätään tehokkaasti.