A dimensão vertical do campo óptico ajuda a expandir e atualizar o canal

1.

Histórico de pesquisa

A comunicação óptica em espaço livre é um tipo de tecnologia de comunicação sem fio com laser como portador de informações, que tem as vantagens de grande capacidade, alta velocidade e boa segurança. É uma ferramenta indispensável para o desenvolvimento da comunicação espacial de alta velocidade e tem sido amplamente utilizada em diversos sistemas de comunicação, como sensoriamento remoto óptico passivo, LiDAR, radar de fótons de micro-ondas, etc.

Nos últimos anos, com o desenvolvimento da amplitude do campo óptico, frequência, tempo, polarização e outras dimensões, a comunicação óptica enfrenta mais uma vez o desafio da crise de capacidade. Portanto, a estrutura espacial (modo) do campo de luz é gradualmente desenvolvida para resolver o problema cada vez mais sério de gargalo de capacidade.

Embora os modos espaciais obtidos pelo controle horizontal do campo óptico tenham provado plenamente sua viabilidade na comunicação clássica e quântica, a dimensão longitudinal do campo óptico, outra importante dimensão espacial do campo óptico, não foi aplicada no processo de codificação e decodificação de informações até agora.

2.

Pesquisa inovadora

A fim de resolver os problemas acima, a equipe do Professor Jianlin Zhao e do Professor Peng Li da Escola de Ciências Físicas e Tecnologia da Northwestern Polytechnical University propôs um método de codec baseado no controle longitudinal do estado de superposição do modo de momento angular orbital (OAM) e uma metassuperfície para realizar o controle longitudinal do modo de campo óptico. Com base na fase geométrica e no projeto da fase de transmissão da estrutura de quatro átomos, a metassuperfície pode realizar o complexo controle de amplitude do campo de transmissão dependente do spin e, em seguida, gerar o estado de superposição do modo OAM de ordem 0-15 e realizar a mudança vertical do estado de superposição pelo método de "onda de congelamento". Após a aplicação do modo horizontal de mudança vertical ao codec de informação, o codec de informação com capacidade modal de 163 é realizado em um único canal, o que mostra que pode aumentar exponencialmente a capacidade modal do canal.

O princípio de codificação e decodificação de informações nas dimensões longitudinais do campo óptico é mostrado na Figura 1. As informações emitidas por Bob na extremidade de transmissão são compiladas em código ASCII em estado de superposição de modo OAM múltiplo, que é sobreposto por dois modos OAM cujas cargas topológicas são l1 e l2 respectivamente. O ponto de luz apresenta o formato de | L1-L2 |. Esses estados de superposição OAM são carregados em um conjunto de feixes com variação de modo longitudinal para transmissão em espaço livre usando o princípio de onda óptica de congelamento. Quando Alice obtém informações na extremidade receptora, ela pode medir os modos de campo óptico da matriz de diferentes planos de transmissão, como z1, z2, z3, e obter informações por meio da operação correta da sequência de decodificação.

A fim de provar a capacidade de codificação da dimensão longitudinal deste campo de luz especial, a informação de codificação usada no experimento é "Northwestern Polytechnical University", e o elemento de código hexadecimal ASCII é usado para codificar cada letra da palavra e o espaço entre as palavras. Cada letra corresponde a dois dígitos hexadecimais, portanto são necessários 74 modos para completar a correspondência um a um entre a ordem angular do feixe e a informação codificada.

O experimento adota um feixe de matriz 5 × 5, e a faixa de modulação longitudinal L de cada onda congelada é dividida em três segmentos, correspondendo a 0 ~ 0,4 mm,> 0,4 ​​~ 0,8 mm,> 0,8 ~ 1,2 mm. Em um único canal de onda congelada, a capacidade total dos modos que podem transmitir código em um único canal é de 163 devido à modulação longitudinal em 3 segmentos, cada segmento possui 16 modos disponíveis. O terceiro segmento da onda congelada do 25º feixe é eliminado e a onda congelada restante é usada para completar a codificação da informação correspondente.

Os resultados da simulação em z1 = 0,1 mm, z2 = 0,5 mm e z3 = 0,9 mm são mostrados na Figura 2 (a), onde m representa o número de linhas, n representa o número de colunas e o número no canto superior esquerdo do diagrama de intensidade do campo de luz representa a informação de ordem angular. Os resultados experimentais são mostrados na Figura 2 (b), e a distribuição de intensidade do campo de luz medido no plano z1 = 0,1 mm, z2 = 0,5 mm, z3 = 0,9 mm é dada.

Conforme mostrado na Figura 2, os resultados da medição experimental são consistentes com os resultados da simulação numérica, e todos os feixes da matriz mostram um estado de superposição do modo OAM com alterações sob demanda. A partir da primeira linha em z1, dois dígitos hexadecimais são decodificados em um grupo em ordem de Z para obter a mensagem "Northwestern Polytechnical University".

Deve-se notar que o número de mudanças de modo longitudinal do campo de luz no experimento é de apenas 3, e o método proposto neste artigo pode alcançar maior regulação vertical, de modo que o fator exponencial do crescimento da capacidade do canal possa ser melhorado ainda mais.

A fim de melhorar a eficiência de decodificação, o método de imagem de plano dividido também pode ser usado para obter a distribuição do campo de luz de múltiplos planos longitudinais ao mesmo tempo. De acordo com as características de propagação das ondas de luz, se a informação de amplitude complexa do campo de luz for medida num único plano, a distribuição de amplitude complexa de outros planos também pode ser obtida por cálculo numérico, e então o modo de campo de luz de múltiplos planos longitudinais pode ser obtido. Além disso, com a introdução de métodos de aprendizagem profunda, espera-se também que informações codificadas longitudinalmente possam ser obtidas a partir de uma única medição.

3.

Resumir

Com base na metassuperfície com controle independente do estado de polarização e amplitude complexa, o controle flexível da superposição do modo OAM na dimensão longitudinal do conjunto de ondas congeladas é realizado neste artigo. Ao utilizar os campos de luz das mudanças longitudinais dos modos, a expansão exponencial de potência dos modos do canal é realizada experimentalmente e a capacidade modal no canal é efetivamente aumentada.