Die vertikale Dimension des optischen Feldes trägt zur Erweiterung und Aufwertung des Kanals bei

1.

Forschungshintergrund

Die optische Freiraumkommunikation ist eine Art drahtlose Kommunikationstechnologie mit Laser als Informationsträger, die die Vorteile großer Kapazität, hoher Geschwindigkeit und guter Sicherheit bietet. Es ist ein unverzichtbares Werkzeug für die Entwicklung der Hochgeschwindigkeits-Weltraumkommunikation und wird häufig in verschiedenen Kommunikationssystemen eingesetzt, beispielsweise in der passiven optischen Fernerkundung, LiDAR, Mikrowellen-Photonenradar usw.

In den letzten Jahren steht die optische Kommunikation mit der Entwicklung der Amplitude, Frequenz, Zeit, Polarisation und anderer Dimensionen des optischen Felds erneut vor der Herausforderung einer Kapazitätskrise. Daher wird die räumliche Struktur (Modus) des Lichtfelds schrittweise weiterentwickelt, um das immer schwerwiegendere Problem des Kapazitätsengpasses zu lösen.

Obwohl die räumlichen Moden, die durch horizontale Steuerung des optischen Feldes erhalten werden, ihre Machbarkeit in der klassischen Kommunikation und in der Quantenkommunikation vollständig bewiesen haben, wurde die Längsdimension des optischen Feldes, eine weitere wichtige räumliche Dimension des optischen Feldes, bisher nicht im Prozess der Informationskodierung und -dekodierung angewendet.

2.

Innovative Forschung

Um die oben genannten Probleme zu lösen, schlug das Team von Professor Jianlin Zhao und Professor Peng Li von der School of Physical Science and Technology der Northwestern Polytechnical University eine Codec-Methode vor, die auf der Längssteuerung des Überlagerungszustands des Orbitaldrehimpulsmodus (OAM) und einer Metaoberfläche basiert, um die Längssteuerung des optischen Feldmodus zu realisieren. Basierend auf dem geometrischen Phasen- und Übertragungsphasendesign der Vier-Atom-Struktur kann die Metaoberfläche die komplexe Amplitudensteuerung des spinabhängigen Übertragungsfelds realisieren und dann einen OAM-Modus-Überlagerungszustand der Ordnung 0–15 erzeugen und die vertikale Änderung des Überlagerungszustands durch die „Freezing Wave“-Methode realisieren. Nachdem der horizontale Modus der vertikalen Änderung auf den Informationscodec angewendet wurde, wird der Informationscodec mit einer Modalkapazität von 163 in einem einzelnen Kanal realisiert, was zeigt, dass er die Modalkapazität des Kanals exponentiell erhöhen kann.

Das Prinzip der Kodierung und Dekodierung von Informationen in Längsdimensionen des optischen Feldes ist in Abbildung 1 dargestellt. Die von Bob am Sendeende emittierten Informationen werden in ASCII-Code in einen Überlagerungszustand mit mehreren OAM-Modi kompiliert, der von zwei OAM-Modi überlagert wird, deren topologische Ladungen l1 bzw. l2 sind. Der Lichtfleck hat die Form | L1-L2 |. Diese OAM-Überlagerungszustände werden in ein Strahlarray mit longitudinaler Modenvariation für die Freiraumübertragung unter Verwendung des Prinzips der optischen Gefrierwelle geladen. Wenn Alice am Empfangsende Informationen erhält, kann sie die optischen Feldmodi des Arrays verschiedener Übertragungsebenen wie z1, z2, z3 messen und Informationen durch korrekte Decodierungssequenzoperationen erhalten.

Um die Längsdimensionskodierungsfähigkeit dieses speziellen Lichtfeldes zu beweisen, lautet die im Experiment verwendete Kodierungsinformation „Northwestern Polytechnical University“, und das ASCII-Hexadezimalcodeelement wird verwendet, um jeden Buchstaben im Wort und den Abstand zwischen den Wörtern zu kodieren. Jeder Buchstabe entspricht zwei hexadezimalen Ziffern, sodass 74 Modi erforderlich sind, um die Eins-zu-eins-Entsprechung zwischen der Strahlwinkelreihenfolge und den codierten Informationen zu vervollständigen.

Das Experiment verwendet einen 5×5-Array-Strahl und der longitudinale Modulationsbereich L jeder eingefrorenen Welle ist in drei Segmente unterteilt, entsprechend 0 ~ 0,4 mm, >0,4 ~ 0,8 mm, >0,8 ~ 1,2 mm. In einem einzelnen Frozen-Wave-Kanal beträgt die Gesamtkapazität der Modi, die Code in einem einzelnen Kanal übertragen können, 163, da die Längsmodulation in drei Segmenten erfolgt. Jedes Segment verfügt über 16 verfügbare Modi. Das dritte Segment der 25. Strahl-Einfrierwelle wird eliminiert und die verbleibende Einfrierwelle wird verwendet, um die Kodierung der entsprechenden Informationen abzuschließen.

Die Simulationsergebnisse bei z1 = 0,1 mm, z2 = 0,5 mm und z3 = 0,9 mm sind in Abbildung 2(a) dargestellt, wobei m die Anzahl der Zeilen, n die Anzahl der Spalten und die Zahl in der oberen linken Ecke des Lichtfeldintensitätsdiagramms die Informationen zur Winkelordnung darstellt. Die experimentellen Ergebnisse sind in Abbildung 2(b) dargestellt und die Intensitätsverteilung des Lichtfeldes gemessen in der Ebene z1= 0,1 mm, z2= 0,5 mm, z3= 0,9 mm ist angegeben.

Wie in Abbildung 2 dargestellt, stimmen die experimentellen Messergebnisse mit den Ergebnissen der numerischen Simulation überein und die Array-Strahlen zeigen alle einen Überlagerungszustand des OAM-Modus mit Änderungen bei Bedarf. Beginnend mit der ersten Zeile bei z1 werden zwei hexadezimale Ziffern in einer Gruppe in Z-Form dekodiert, um die Nachricht „Northwestern Polytechnical University“ zu erhalten.

Es ist zu beachten, dass die Anzahl der longitudinalen Modenänderungen des Lichtfelds im Experiment nur 3 beträgt und die in diesem Artikel vorgeschlagene Methode eine höhere vertikale Regulierung erreichen kann, sodass der exponentielle Faktor des Kanalkapazitätswachstums weiter verbessert werden kann.

Um die Decodierungseffizienz zu verbessern, kann die Methode der Split-Plane-Bildgebung auch verwendet werden, um die Lichtfeldverteilung mehrerer Längsebenen gleichzeitig zu erhalten. Gemäß den Ausbreitungseigenschaften von Lichtwellen können, wenn die komplexen Amplitudeninformationen des Lichtfelds in einer einzelnen Ebene gemessen werden, auch die komplexe Amplitudenverteilung anderer Ebenen durch numerische Berechnung ermittelt werden, und dann kann der Lichtfeldmodus mehrerer Längsebenen ermittelt werden. Darüber hinaus wird durch die Einführung von Deep-Learning-Methoden auch erwartet, dass longitudinal kodierte Informationen aus einer einzigen Messung gewonnen werden können.

3.

Fassen Sie zusammen

Basierend auf der Metaoberfläche mit unabhängiger Steuerung des Polarisationszustands und der komplexen Amplitude wird in diesem Artikel die flexible Steuerung der OAM-Modenüberlagerung in der Längsdimension eines gefrorenen Wellenarrays realisiert. Durch die Verwendung der Lichtfelder der longitudinalen Änderungen der Moden wird die exponentielle Leistungsausweitung der Kanalmoden experimentell realisiert und die Modalkapazität im Kanal effektiv erhöht.