Den vertikale dimension af det optiske felt hjælper med at udvide og opgradere kanalen

1.

Forskningsbaggrund

Frirumsoptisk kommunikation er en slags trådløs kommunikationsteknologi med laser som informationsbærer, som har fordelene ved stor kapacitet, høj hastighed og god sikkerhed. Det er et uundværligt værktøj til udvikling af højhastighedskommunikation i rummet og har været meget brugt i forskellige kommunikationssystemer, såsom passiv optisk fjernmåling, LiDAR, mikrobølgefotonradar osv.

I de senere år, med udviklingen af ​​det optiske felts amplitude, frekvens, tid, polarisering og andre dimensioner, står optisk kommunikation igen over for udfordringen med kapacitetskrise. Derfor udvikles lysfeltets rumlige struktur (mode) gradvist for at løse det stadig mere alvorlige kapacitetsflaskehalsproblem.

Selvom de rumlige tilstande opnået ved horisontal kontrol af det optiske felt fuldt ud har bevist deres gennemførlighed i klassisk og kvantekommunikation, er den langsgående dimension af det optiske felt, en anden vigtig rumlig dimension af det optiske felt, ikke blevet anvendt i processen med informationskodning og afkodning indtil videre.

2.

Innovativ forskning

For at løse ovennævnte problemer foreslog holdet af professor Jianlin Zhao og professor Peng Li fra School of Physical Science and Technology ved Northwestern Polytechnical University en codec-metode baseret på den langsgående kontrol af orbital vinkelmomentum (OAM) mode superpositionstilstand og en metassurface til at realisere den langsgående kontrol af optisk felttilstand. Baseret på den geometriske fase og transmissionsfasedesignet af fireatomstrukturen kan metasoverfladen realisere den komplekse amplitudekontrol af transmissionsfeltets spin-afhængige og derefter generere 0-15 orden OAM-tilstand superpositionstilstand og realisere den lodrette ændring af superpositionstilstand ved "frysningsbølge" metode. Efter at den horisontale modus for vertikal ændring er påført informationscodec'et, realiseres informationscodec'et med modal kapacitet på 163 i en enkelt kanal, hvilket viser, at det kan øge kanalens modale kapacitet eksponentielt.

Princippet om kodning og afkodning af information i længdedimensioner af optisk felt er vist i figur 1. Informationen udsendt af Bob ved den transmitterende ende er kompileret til ASCII-kode i multipel OAM-mode-superpositionstilstand, som er overlejret af to OAM-tilstande, hvis topologiske ladninger er henholdsvis l1 og l2. Lyspletten har formen af ​​| L1-L2 |. Disse OAM-superpositionstilstande indlæses i et strålearray med langsgående modusvariation til frirumstransmission ved hjælp af det optiske frysebølgeprincip. Når Alice opnår information i den modtagende ende, kan den måle array optiske felttilstande for forskellige transmissionsplaner, såsom z1, z2, z3, og opnå information gennem korrekt afkodningssekvensoperation.

For at bevise længdedimensionens kodningsevne af dette specielle lysfelt, er kodningsinformationen brugt i eksperimentet "Northwestern Polytechnical University", og det hexadecimale ASCII-kodeelement bruges til at kode hvert bogstav i ordet og mellemrummet mellem ordene. Hvert bogstav svarer til to hexadecimale cifre, så 74 tilstande er nødvendige for at fuldføre en-til-en-korrespondancen mellem strålevinkelrækkefølgen og den kodede information.

Eksperimentet anvender en 5×5 array-stråle, og det langsgående modulationsområde L af hver frosne bølge er opdelt i tre segmenter, svarende til 0 ~ 0,4 mm, > 0,4 ​​~ 0,8 mm, > 0,8 ~ 1,2 mm. I en enkelt frossen bølgekanal er den samlede kapacitet af de tilstande, der kan transmittere kode i en enkelt kanal, 163 på grund af den langsgående modulation i 3 segmenter, hvert segment har 16 tilgængelige tilstande. Det tredje segment af den 25. strålefrysebølge elimineres, og den resterende fastfrysningsbølge bruges til at fuldføre kodningen af ​​den tilsvarende information.

Simuleringsresultaterne ved z1= 0,1 mm, z2= 0,5 mm og z3= 0,9 mm er vist i figur 2(a), hvor m repræsenterer antallet af rækker, n repræsenterer antallet af søjler, og tallet i øverste venstre hjørne af lysfeltintensitetsdiagrammet repræsenterer informationen i vinkelorden. De eksperimentelle resultater er vist i figur 2(b), og lysfeltets intensitetsfordeling målt i planet z1= 0,1 mm, z2= 0,5 mm, z3= 0,9 mm er angivet.

Som vist i figur 2 er de eksperimentelle måleresultater i overensstemmelse med de numeriske simuleringsresultater, og array-strålerne viser alle en superpositionstilstand af OAM-tilstand med ændringer efter behov. Startende fra den første linje ved z1 afkodes to hexadecimale cifre i en gruppe i Z-form for at få beskeden "Northwestern Polytechnical University".

Det skal bemærkes, at antallet af langsgående tilstandsændringer af lysfeltet i eksperimentet kun er 3, og den metode, der foreslås i dette papir, kan opnå højere vertikal regulering, så den eksponentielle faktor for kanalkapacitetsvæksten kan forbedres yderligere.

For at forbedre afkodningseffektiviteten kan metoden med delt plan billeddannelse også bruges til at opnå lysfeltfordelingen af ​​flere langsgående planer på én gang. Ifølge lysbølgernes udbredelseskarakteristika, hvis den komplekse amplitudeinformation af lysfeltet måles i et enkelt plan, kan den komplekse amplitudefordeling af andre planer også opnås ved numerisk beregning, og derefter kan lysfelttilstanden for flere langsgående planer opnås. Ved at indføre deep learning-metoder forventes det desuden også, at der kan opnås longitudinelt kodet information fra en enkelt måling.

3.

Opsummer

Baseret på metaoverfladen med uafhængig kontrol af polarisationstilstand og kompleks amplitude, realiseres den fleksible kontrol af OAM-mode-superposition i den langsgående dimension af frosset bølgearray i dette papir. Ved at bruge lysfelterne for de langsgående ændringer af tilstandene realiseres den eksponentielle effektudvidelse af kanaltilstandene eksperimentelt, og den modale kapacitet i kanalen øges effektivt.