La dimensione verticale del campo ottico aiuta ad espandere e migliorare il canale

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Contesto della ricerca

La comunicazione ottica nello spazio libero è un tipo di tecnologia di comunicazione wireless con il laser come vettore di informazioni, che presenta i vantaggi di grande capacità, alta velocità e buona sicurezza. È uno strumento indispensabile per lo sviluppo della comunicazione spaziale ad alta velocità ed è stato ampiamente utilizzato in vari sistemi di comunicazione, come il telerilevamento ottico passivo, LiDAR, radar fotonico a microonde, ecc.

Negli ultimi anni, con lo sviluppo dell’ampiezza del campo ottico, della frequenza, del tempo, della polarizzazione e di altre dimensioni, la comunicazione ottica si trova ancora una volta ad affrontare la sfida della crisi di capacità. Pertanto, la struttura spaziale (modalità) del campo luminoso viene gradualmente sviluppata per risolvere il problema sempre più grave del collo di bottiglia della capacità.

Sebbene i modi spaziali ottenuti dal controllo orizzontale del campo ottico abbiano pienamente dimostrato la loro fattibilità nella comunicazione classica e quantistica, la dimensione longitudinale del campo ottico, un'altra importante dimensione spaziale del campo ottico, non è stata finora applicata nel processo di codifica e decodifica delle informazioni.

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Ricerca innovativa

Per risolvere i problemi di cui sopra, il team del professor Jianlin Zhao e del professor Peng Li della Scuola di Scienze Fisiche e Tecnologia della Northwestern Polytechnical University ha proposto un metodo codec basato sul controllo longitudinale dello stato di sovrapposizione della modalità momento angolare orbitale (OAM) e una metasuperficie per realizzare il controllo longitudinale della modalità del campo ottico. Basandosi sulla fase geometrica e sulla progettazione della fase di trasmissione della struttura a quattro atomi, la metasuperficie può realizzare il complesso controllo dell'ampiezza del campo di trasmissione dipendente dallo spin, quindi generare uno stato di sovrapposizione in modalità OAM di ordine 0-15 e realizzare il cambiamento verticale dello stato di sovrapposizione mediante il metodo dell'"onda congelante". Dopo che la modalità orizzontale di modifica verticale è stata applicata al codec di informazioni, il codec di informazioni con capacità modale di 163 viene realizzato in un singolo canale, il che dimostra che può aumentare esponenzialmente la capacità modale del canale.

Il principio di codifica e decodifica delle informazioni nelle dimensioni longitudinali del campo ottico è mostrato nella Figura 1. Le informazioni emesse da Bob all'estremità trasmittente vengono compilate in codice ASCII in uno stato di sovrapposizione di modalità OAM multiple, che è sovrapposto da due modalità OAM le cui cariche topologiche sono rispettivamente l1 e l2. Il punto luminoso presenta la forma di | L1-L2 |. Questi stati di sovrapposizione OAM vengono caricati in un array di raggi con variazione della modalità longitudinale per la trasmissione nello spazio libero utilizzando il principio dell'onda di congelamento ottico. Quando Alice ottiene informazioni all'estremità ricevente, può misurare le modalità del campo ottico dell'array di diversi piani di trasmissione come z1, z2, z3 e ottenere informazioni attraverso la corretta operazione di sequenza di decodifica.

Per dimostrare la capacità di codifica della dimensione longitudinale di questo speciale campo luminoso, l'informazione di codifica utilizzata nell'esperimento è "Northwestern Polytechnical University" e l'elemento di codice esadecimale ASCII viene utilizzato per codificare ogni lettera nella parola e lo spazio tra le parole. Ogni lettera corrisponde a due cifre esadecimali, quindi sono necessarie 74 modalità per completare la corrispondenza uno a uno tra l'ordine angolare del fascio e l'informazione codificata.

L'esperimento adotta un raggio array 5×5 e l'intervallo di modulazione longitudinale L di ciascuna onda congelata è diviso in tre segmenti, corrispondenti a 0 ~ 0,4 mm, > 0,4 ​​~ 0,8 mm, > 0,8 ~ 1,2 mm. In un singolo canale d'onda congelata, la capacità totale delle modalità che possono trasmettere il codice in un singolo canale è 163 a causa della modulazione longitudinale in 3 segmenti, ogni segmento ha 16 modalità disponibili. Il terzo segmento della 25a onda di congelamento del raggio viene eliminato e l'onda di congelamento rimanente viene utilizzata per completare la codifica delle informazioni corrispondenti.

I risultati della simulazione a z1= 0,1 mm, z2= 0,5 mm e z3= 0,9 mm sono mostrati nella Figura 2(a), dove m rappresenta il numero di righe, n rappresenta il numero di colonne e il numero nell'angolo in alto a sinistra del diagramma dell'intensità del campo luminoso rappresenta le informazioni sull'ordine angolare. I risultati sperimentali sono mostrati nella Figura 2(b), e viene fornita la distribuzione dell'intensità del campo luminoso misurata nel piano z1= 0,1 mm, z2= 0,5 mm, z3= 0,9 mm.

Come mostrato nella Figura 2, i risultati della misurazione sperimentale sono coerenti con i risultati della simulazione numerica e i raggi dell'array mostrano tutti uno stato di sovrapposizione della modalità OAM con modifiche su richiesta. A partire dalla prima riga in z1, due cifre esadecimali vengono decodificate in un gruppo in ordine a forma di Z per ottenere il messaggio "Northwestern Polytechnical University".

Va notato che il numero di cambiamenti di modalità longitudinale del campo luminoso nell'esperimento è solo 3 e il metodo proposto in questo documento può ottenere una regolazione verticale più elevata, quindi il fattore esponenziale di crescita della capacità del canale può essere ulteriormente migliorato.

Per migliorare l'efficienza della decodifica, il metodo dell'imaging a piano diviso può essere utilizzato anche per ottenere la distribuzione del campo luminoso su più piani longitudinali contemporaneamente. In base alle caratteristiche di propagazione delle onde luminose, se le informazioni sull'ampiezza complessa del campo luminoso vengono misurate su un singolo piano, la distribuzione complessa dell'ampiezza di altri piani può essere ottenuta anche mediante calcolo numerico, quindi è possibile ottenere la modalità del campo luminoso di più piani longitudinali. Inoltre, introducendo metodi di deep learning, si prevede anche che da una singola misurazione si possano ottenere informazioni codificate longitudinalmente.

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Riassumere

Basato sulla metasuperficie con controllo indipendente dello stato di polarizzazione e dell'ampiezza complessa, in questo articolo viene realizzato il controllo flessibile della sovrapposizione della modalità OAM nella dimensione longitudinale della schiera di onde congelate. Utilizzando i campi luminosi dei cambiamenti longitudinali delle modalità, l'espansione esponenziale della potenza delle modalità del canale viene realizzata sperimentalmente e la capacità modale nel canale viene effettivamente aumentata.