De verticale dimensie van het optische veld helpt het kanaal uit te breiden en te upgraden

1.

Onderzoeksachtergrond

Optische communicatie in de vrije ruimte is een soort draadloze communicatietechnologie met laser als informatiedrager, die de voordelen heeft van grote capaciteit, hoge snelheid en goede veiligheid. Het is een onmisbaar hulpmiddel voor de ontwikkeling van snelle ruimtecommunicatie en wordt op grote schaal gebruikt in verschillende communicatiesystemen, zoals passieve optische teledetectie, LiDAR, microgolffotonenradar, enz.

In de afgelopen jaren, met de ontwikkeling van optische veldamplitude, frequentie, tijd, polarisatie en andere dimensies, wordt optische communicatie opnieuw geconfronteerd met de uitdaging van een capaciteitscrisis. Daarom wordt de ruimtelijke structuur (modus) van het lichtveld geleidelijk ontwikkeld om het steeds ernstiger wordende capaciteitsknelpuntprobleem op te lossen.

Hoewel de ruimtelijke modi verkregen door horizontale controle van het optische veld hun haalbaarheid volledig hebben bewezen in klassieke en kwantumcommunicatie, is de longitudinale dimensie van het optische veld, een andere belangrijke ruimtelijke dimensie van het optische veld, tot nu toe niet toegepast in het proces van informatiecodering en -decodering.

2.

Innovatief onderzoek

Om de bovenstaande problemen op te lossen, heeft het team van professor Jianlin Zhao en professor Peng Li van de School of Physical Science and Technology van de Northwestern Polytechnical University een codec-methode voorgesteld gebaseerd op de longitudinale controle van de superpositietoestand van de orbitale impulsmomentmodus (OAM) en een metasoppervlak om de longitudinale controle van de optische veldmodus te realiseren. Gebaseerd op het geometrische fase- en transmissiefaseontwerp van de vieratomige structuur, kan het metasurface de complexe amplitudecontrole van het spin-afhankelijke transmissieveld realiseren, en vervolgens een OAM-modus-superpositietoestand van 0-15 orde genereren, en de verticale verandering van de superpositie realiseren. toestand door "bevriezingsgolf" -methode. Nadat de horizontale modus van verticale verandering op de informatiecodec is toegepast, wordt de informatiecodec met modale capaciteit van 163 gerealiseerd in een enkel kanaal, wat aantoont dat deze de modale capaciteit van het kanaal exponentieel kan vergroten.

Het principe van het coderen en decoderen van informatie in de longitudinale dimensies van het optische veld wordt weergegeven in figuur 1. De informatie die door Bob aan de zendende kant wordt uitgezonden, wordt gecompileerd in ASCII-code in een superpositiestatus in meerdere OAM-modi, die wordt gesuperponeerd door twee OAM-modi waarvan de topologische ladingen respectievelijk l1 en l2 zijn. De lichtvlek heeft de vorm van | L1-L2 |. Deze OAM-superpositietoestanden worden geladen in een bundelarray met longitudinale modusvariatie voor transmissie in de vrije ruimte met behulp van het optische bevriezingsgolfprincipe. Wanneer Alice informatie verkrijgt aan de ontvangende kant, kan deze de optische veldmodi van de array meten van verschillende transmissievlakken zoals z1, z2, z3, en informatie verkrijgen via de juiste decodeervolgorde.

Om het coderingsvermogen van dit speciale lichtveld in de longitudinale dimensie te bewijzen, is de coderingsinformatie die in het experiment wordt gebruikt "Northwestern Polytechnical University", en wordt het ASCII hexadecimale code-element gebruikt om elke letter in het woord en de ruimte tussen de woorden te coderen. Elke letter komt overeen met twee hexadecimale cijfers, dus er zijn 74 modi nodig om de één-op-één correspondentie tussen de hoekvolgorde van de bundel en de gecodeerde informatie te voltooien.

Het experiment maakt gebruik van een 5×5 array-bundel en het longitudinale modulatiebereik L van elke bevroren golf is verdeeld in drie segmenten, overeenkomend met 0 ~ 0,4 mm, >0,4 ~ 0,8 mm, >0,8 ~ 1,2 mm. In een enkel bevroren golfkanaal is de totale capaciteit van de modi die code in een enkel kanaal kunnen verzenden 163 vanwege de longitudinale modulatie in 3 segmenten, elk segment heeft 16 beschikbare modi. Het derde segment van de 25e bundelbevriezingsgolf wordt geëlimineerd en de resterende bevriezingsgolf wordt gebruikt om de codering van de overeenkomstige informatie te voltooien.

De simulatieresultaten bij z1= 0,1 mm, z2= 0,5 mm en z3= 0,9 mm worden weergegeven in figuur 2(a), waarbij m het aantal rijen vertegenwoordigt, n het aantal kolommen vertegenwoordigt en het getal in de linkerbovenhoek van het lichtveldintensiteitsdiagram de informatie van de hoekvolgorde vertegenwoordigt. De experimentele resultaten worden getoond in Figuur 2(b), en de intensiteitsverdeling van het lichtveld gemeten in het vlak z1= 0,1 mm, z2= 0,5 mm, z3= 0,9 mm wordt gegeven.

Zoals weergegeven in figuur 2 zijn de experimentele meetresultaten consistent met de numerieke simulatieresultaten, en vertonen de array-bundels allemaal een superpositiestatus van de OAM-modus met veranderingen op verzoek. Vanaf de eerste regel op z1 worden twee hexadecimale cijfers in een groep in Z-vorm gedecodeerd om de boodschap "Northwestern Polytechnical University" te krijgen.

Opgemerkt moet worden dat het aantal longitudinale modusveranderingen van het lichtveld in het experiment slechts 3 bedraagt, en dat de in dit artikel voorgestelde methode een hogere verticale regulatie kan bereiken, zodat de exponentiële factor van de groei van de kanaalcapaciteit verder kan worden verbeterd.

Om de decoderingsefficiëntie te verbeteren, kan de methode van split-plane imaging ook worden gebruikt om de lichtveldverdeling van meerdere longitudinale vlakken tegelijk te verkrijgen. Volgens de voortplantingskarakteristieken van lichtgolven kan, als de complexe amplitude-informatie van het lichtveld in een enkel vlak wordt gemeten, de complexe amplitudeverdeling van andere vlakken ook worden verkregen door numerieke berekening, en vervolgens kan de lichtveldmodus van meerdere longitudinale vlakken worden verkregen. Bovendien wordt door de introductie van deep learning-methoden ook verwacht dat longitudinaal gecodeerde informatie uit één enkele meting kan worden verkregen.

3.

Samenvattend

Gebaseerd op het metasurface met onafhankelijke controle van de polarisatietoestand en complexe amplitude, wordt in dit artikel de flexibele controle van OAM-modussuperpositie in de longitudinale dimensie van bevroren golfarray gerealiseerd. Door gebruik te maken van de lichtvelden van de longitudinale veranderingen van de modi, wordt de exponentiële vermogensexpansie van de kanaalmodi experimenteel gerealiseerd en wordt de modale capaciteit in het kanaal effectief vergroot.