Den vertikala dimensionen på det optiska fältet hjälper till att expandera och uppgradera kanalen

1.

Forskningsbakgrund

Free space optisk kommunikation är en slags trådlös kommunikationsteknik med laser som informationsbärare, som har fördelarna med stor kapacitet, hög hastighet och god säkerhet. Det är ett oumbärligt verktyg för utveckling av höghastighetsrymdkommunikation och har använts flitigt i olika kommunikationssystem, såsom passiv optisk fjärranalys, LiDAR, mikrovågsfotonradar, etc.

Under de senaste åren, med utvecklingen av det optiska fältets amplitud, frekvens, tid, polarisering och andra dimensioner, har optisk kommunikation återigen ställts inför utmaningen med kapacitetskris. Därför utvecklas ljusfältets rumsliga struktur (mod) gradvis för att lösa det allt allvarligare kapacitetsflaskhalsproblemet.

Även om de spatiala lägena som erhålls genom horisontell kontroll av det optiska fältet har helt bevisat sin genomförbarhet i klassisk och kvantkommunikation, har den longitudinella dimensionen av det optiska fältet, en annan viktig rumslig dimension av det optiska fältet, inte tillämpats i processen för informationskodning och avkodning hittills.

2.

Innovativ forskning

För att lösa ovanstående problem föreslog teamet av professor Jianlin Zhao och professor Peng Li från School of Physical Science and Technology vid Northwestern Polytechnical University en codec-metod baserad på den longitudinella kontrollen av orbital vinkelmomentum (OAM) mod superpositionstillstånd och en metasyta för att realisera den longitudinella kontrollen av optiskt fältläge. Baserat på den geometriska fasen och transmissionsfasdesignen av fyratomstrukturen kan metaytan realisera den komplexa amplitudkontrollen av transmissionsfältets spinnberoende, och sedan generera 0-15 ordning OAM-läge superpositionstillstånd och realisera den vertikala förändringen av superpositionstillståndet genom "frysningsvåg" -metoden. Efter att det horisontella läget för vertikal ändring har applicerats på informationskodeken, realiseras informationskodeken med modal kapacitet på 163 i en enda kanal, vilket visar att den kan öka kanalens modala kapacitet exponentiellt.

Principen för kodning och avkodning av information i longitudinella dimensioner av optiskt fält visas i figur 1. Informationen som sänds ut av Bob vid den sändande änden kompileras till ASCII-kod till multipel OAM-lägesöverlagringstillstånd, som överlagras av två OAM-moder vars topologiska laddningar är l1 respektive l2. Ljusfläcken har formen av | L1-L2 |. Dessa OAM-superpositionstillstånd laddas in i en strålarray med longitudinell modvariation för överföring av fritt utrymme med användning av principen för optisk frysvåg. När Alice erhåller information i den mottagande änden kan den mäta de optiska fältlägena för olika överföringsplan som z1, z2, z3 och få information genom korrekt avkodningssekvensoperation.

För att bevisa den longitudinella dimensionskodningsförmågan hos detta speciella ljusfält är kodningsinformationen som används i experimentet "Northwestern Polytechnical University", och det hexadecimala ASCII-kodelementet används för att koda varje bokstav i ordet och mellanrummet mellan orden. Varje bokstav motsvarar två hexadecimala siffror, så 74 lägen behövs för att slutföra en-till-en-överensstämmelsen mellan strålens vinkelordning och den kodade informationen.

Experimentet använder en 5 × 5 arraystråle, och det longitudinella moduleringsområdet L för varje frusen våg är uppdelat i tre segment, motsvarande 0 ~ 0,4 mm, > 0,4 ​​~ 0,8 mm, > 0,8 ~ 1,2 mm. I en enskild fryst vågkanal är den totala kapaciteten för moderna som kan sända kod i en enda kanal 163 på grund av den longitudinella moduleringen i 3 segment, varje segment har 16 tillgängliga lägen. Det tredje segmentet av den 25:e strålfrysvågen elimineras, och den återstående frysvågen används för att slutföra kodningen av motsvarande information.

Simuleringsresultaten vid z1= 0,1 mm, z2= 0,5 mm och z3= 0,9 mm visas i figur 2(a), där m representerar antalet rader, n representerar antalet kolumner och siffran i det övre vänstra hörnet av ljusfältets intensitetsdiagram representerar informationen i vinkelordning. De experimentella resultaten visas i figur 2(b), och intensitetsfördelningen av ljusfältet uppmätt i planet z1= 0,1 mm, z2= 0,5 mm, z3= 0,9 mm ges.

Som visas i figur 2 överensstämmer de experimentella mätresultaten med de numeriska simuleringsresultaten, och arraystrålarna visar alla ett överlagringstillstånd för OAM-läge med ändringar på begäran. Med start från första raden vid z1 avkodas två hexadecimala siffror i en grupp i Z-form för att få meddelandet "Northwestern Polytechnical University".

Det bör noteras att antalet longitudinella modändringar av ljusfältet i experimentet endast är 3, och den metod som föreslås i detta dokument kan uppnå högre vertikal reglering, så att den exponentiella faktorn för kanalkapacitetstillväxten kan förbättras ytterligare.

För att förbättra avkodningseffektiviteten kan metoden för avbildning i delat plan också användas för att erhålla ljusfältsfördelningen av flera längsgående plan samtidigt. Enligt utbredningsegenskaperna för ljusvågor, om den komplexa amplitudinformationen för ljusfältet mäts i ett enda plan, kan den komplexa amplitudfördelningen för andra plan också erhållas genom numerisk beräkning, och sedan kan ljusfältsläget för flera longitudinella plan erhållas. Genom att införa metoder för djupinlärning förväntas det dessutom att longitudinellt kodad information kan erhållas från en enda mätning.

3.

Summera

Baserat på metaytan med oberoende kontroll av polarisationstillstånd och komplex amplitud, realiseras den flexibla kontrollen av OAM-lägesöverlagring i den longitudinella dimensionen av frusen vågmatris i detta dokument. Genom att använda ljusfälten för modernas longitudinella förändringar realiseras den exponentiella effektexpansionen av kanalmoden experimentellt, och den modala kapaciteten i kanalen ökas effektivt.