La dimensión vertical del campo óptico ayuda a ampliar y mejorar el canal

1.

Antecedentes de la investigación

La comunicación óptica en el espacio libre es un tipo de tecnología de comunicación inalámbrica con láser como portador de información, que tiene las ventajas de gran capacidad, alta velocidad y buena seguridad. Es una herramienta indispensable para el desarrollo de las comunicaciones espaciales de alta velocidad y se ha utilizado ampliamente en diversos sistemas de comunicación, como la teledetección óptica pasiva, LiDAR, radar de fotones de microondas, etc.

En los últimos años, con el desarrollo de la amplitud, la frecuencia, el tiempo, la polarización y otras dimensiones del campo óptico, la comunicación óptica se enfrenta una vez más al desafío de la crisis de capacidad. Por lo tanto, la estructura espacial (modo) del campo luminoso se desarrolla gradualmente para resolver el problema cada vez más grave del cuello de botella de capacidad.

Aunque los modos espaciales obtenidos mediante el control horizontal del campo óptico han demostrado plenamente su viabilidad en la comunicación clásica y cuántica, la dimensión longitudinal del campo óptico, otra dimensión espacial importante del campo óptico, no se ha aplicado hasta ahora en el proceso de codificación y decodificación de información.

2.

Investigación innovadora

Para resolver los problemas anteriores, el equipo del profesor Jianlin Zhao y el profesor Peng Li de la Escuela de Ciencias Físicas y Tecnología de la Universidad Politécnica Northwestern propuso un método de códec basado en el control longitudinal del estado de superposición del modo de momento angular orbital (OAM) y una metasuperficie para realizar el control longitudinal del modo de campo óptico. Con base en el diseño de fase geométrica y fase de transmisión de la estructura de cuatro átomos, la metasuperficie puede realizar el complejo control de amplitud del campo de transmisión dependiente del espín, y luego generar un estado de superposición en modo OAM de orden 0-15 y realizar el cambio vertical del estado de superposición mediante el método de "onda de congelación". Después de aplicar el modo horizontal de cambio vertical al códec de información, el códec de información con capacidad modal de 163 se realiza en un solo canal, lo que demuestra que puede aumentar exponencialmente la capacidad modal del canal.

El principio de codificación y decodificación de información en dimensiones longitudinales del campo óptico se muestra en la Figura 1. La información emitida por Bob en el extremo transmisor se compila en código ASCII en múltiples estados de superposición de modos OAM, que se superponen por dos modos OAM cuyas cargas topológicas son l1 y l2 respectivamente. El punto de luz presenta la forma de | L1-L2 |. Estos estados de superposición OAM se cargan en una matriz de haces con variación de modo longitudinal para la transmisión en el espacio libre utilizando el principio de onda de congelación óptica. Cuando Alice obtiene información en el extremo receptor, puede medir los modos del campo óptico de la matriz de diferentes planos de transmisión, como z1, z2, z3, y obtener información mediante la operación correcta de la secuencia de decodificación.

Para demostrar la capacidad de codificación de dimensiones longitudinales de este campo de luz especial, la información de codificación utilizada en el experimento es "Northwestern Polytechnical University" y el elemento de código hexadecimal ASCII se utiliza para codificar cada letra de la palabra y el espacio entre las palabras. Cada letra corresponde a dos dígitos hexadecimales, por lo que se necesitan 74 modos para completar la correspondencia uno a uno entre el orden angular del haz y la información codificada.

El experimento adopta un haz de matriz de 5 × 5 y el rango de modulación longitudinal L de cada onda congelada se divide en tres segmentos, correspondientes a 0 ~ 0,4 mm, >0,4 ~ 0,8 mm, >0,8 ~ 1,2 mm. En un solo canal de onda congelada, la capacidad total de los modos que pueden transmitir código en un solo canal es de 163 debido a la modulación longitudinal en 3 segmentos, cada segmento tiene 16 modos disponibles. Se elimina el tercer segmento de la onda de congelación del haz número 25 y la onda de congelación restante se utiliza para completar la codificación de la información correspondiente.

Los resultados de la simulación en z1 = 0,1 mm, z2 = 0,5 mm y z3 = 0,9 mm se muestran en la Figura 2 (a), donde m representa el número de filas, n representa el número de columnas y el número en la esquina superior izquierda del diagrama de intensidad del campo de luz representa la información de orden angular. Los resultados experimentales se muestran en la Figura 2 (b), y se proporciona la distribución de intensidad del campo de luz medido en el plano z1 = 0,1 mm, z2 = 0,5 mm, z3 = 0,9 mm.

Como se muestra en la Figura 2, los resultados de las mediciones experimentales son consistentes con los resultados de la simulación numérica, y todos los haces de la matriz muestran un estado de superposición del modo OAM con cambios según la demanda. A partir de la primera línea en z1, se decodifican dos dígitos hexadecimales en un grupo en forma de Z para obtener el mensaje "Universidad Politécnica del Noroeste".

Cabe señalar que el número de cambios de modo longitudinal del campo de luz en el experimento es solo 3, y el método propuesto en este artículo puede lograr una mayor regulación vertical, por lo que el factor exponencial del crecimiento de la capacidad del canal se puede mejorar aún más.

Para mejorar la eficiencia de decodificación, el método de imágenes de plano dividido también se puede utilizar para obtener la distribución del campo de luz de múltiples planos longitudinales al mismo tiempo. De acuerdo con las características de propagación de las ondas de luz, si la información de amplitud compleja del campo de luz se mide en un solo plano, la distribución de amplitud compleja de otros planos también se puede obtener mediante cálculo numérico, y luego se puede obtener el modo de campo de luz de múltiples planos longitudinales. Además, al introducir métodos de aprendizaje profundo, también se espera que se pueda obtener información codificada longitudinalmente a partir de una única medición.

3.

Resumir

Basado en la metasuperficie con control independiente del estado de polarización y amplitud compleja, en este artículo se realiza el control flexible de la superposición del modo OAM en la dimensión longitudinal de una matriz de ondas congeladas. Al utilizar los campos de luz de los cambios longitudinales de los modos, la expansión exponencial de potencia de los modos del canal se realiza experimentalmente y la capacidad modal en el canal aumenta efectivamente.