Konceptet med SMART-aktiverad OAM-multiplexerad överföring över spridningskanaler. Information kodas in i ett orpital vinkelmoment (OAM) ljusposition. En databärande virvelstråle sprider sig över spridningskanaler. Vid mottagaren, SMART -metoden hämtar det ursprungliga fältet från de spridda slumpmässiga fläckarna och slutför OAM -demultiplexering från det hämtade fältet. Utifrån detta, data som bärs av ljus kan extraheras från det rekonstruerade OAM -spektrumet. Kredit:Light:Science &Applications, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-019-0140-3.
Optisk kommunikation med hög kapacitet kan åstadkommas genom multiplexering av flera ljusbärande orbitala vinkelmoment (OAM) kanaler. Dock, i turbulenta miljöer, optisk spridning och "fläckmönster" uppstår på grund av omgivande, atmosfäriska mikropartiklar och avsevärt minska ortogonaliteten mellan OAM -kanaler, demultiplexering (extrahering av information) och ökande överhörning under kommunikation. I en ny studie som nu publicerats i Ljus:Vetenskap och applikationer , Lei Gong och medarbetare vid avdelningarna för optik och optisk teknik, medicinsk teknik, elektroteknik och fysikaliska vetenskaper i Kina och USA utvecklade en "scattering-matrix-assisted retrieval technique" (SMART) för att effektivt återställa spridd data från multiplexade OAM-kanaler. I studien, de använde 24 OAM -kanaler parallellt, passerar genom ett spridningsmedium för att demultiplexera kanalerna från de spridda optiska fälten och uppnå minimal experimentell överhörning som närmar sig -13,8 dB.
Forskarna avkodade informationen om flera vridande ljusstrålar som passerade genom spridda medier som innehåller atmosfäriska mikropartiklar (orsakar minskad bildkvalitet) och hämtade data av hög kvalitet från de multiplexerade OAM -kanalerna istället. SMART-plattformen tillät överföring av bilder i hög kvalitet och minskade felprocenten med 21 gånger jämfört med tidigare studier. Gong et al. tänk dig att den optimerade tekniken kommer att underlätta optisk dataöverföring av hög kvalitet i tuffa atmosfäriska förhållanden eller under vattnet för praktiska tillämpningar.
Forskarna implementerade den experimentella installationen i ett självbyggt dataöverföringssystem, genom att använda en digital mikrospegelanordning (DMD) för att koda OAM-kanaler. De gav samtidigt hög tolerans för feljustering i installationen genom referensfri kalibrering. De demonstrerade sedan framgångsrikt överföringen av grå- och färgbilder i hög kvalitet under spridningsförhållanden, med en felfrekvens på <0,08 procent. Tekniken kan bana väg för högpresterande optisk kommunikation i turbulenta miljöer.
Ljus är informationsbärare under kommunikation och forskare har traditionellt strävat efter att förbättra dess informationsförmåga och spektrala effektivitet genom att multiplexera våglängden, polarisering och rumslig frihetsgrad för förbättrad datakommunikation. Ljusets OAM, erkänd av Les Allen 1992, anses vara en lovande grad av frihet att multiplexera data i ledigt utrymme och optiska fibrer i nanoskala. En ljusstråle som bär en OAM kännetecknas av en spiralformad vågfront, är överlägsen spin -vinkelmoment med två tillstånd, och erbjuder obegränsade kanaler för dataöverföring. Som ett resultat av dess unika egenskaper, OAM-multiplexering används i stor utsträckning för att uppnå kommunikation med hög kapacitet i ledigt utrymme och optiska fibrer.
När ljus sprider sig genom spridningsmedier eller multimodsystem, välkända fläckmönster kan uppstå från självinterferens av flerfaldigt förvrängt ljus. Medan fläckmönstren skiljer sig från det infallande ljuset, den kodade informationen finns kvar i fläckarna och går aldrig förlorad. Faktiskt, fläckmönster beror på de tillfälliga och rumsliga egenskaperna hos infallande ljus för att extrahera och använda information inom fläckarna.
Experimentell installation och karakterisering av SMART -plattformen. en Experimentell installation av SMART-plattformen. b – d Fälthämtning av ett känt incidentfält. För ett givet LG-överlagringsfält (x; (b)), en rå intensitetsfläck med ett enda skott (y*y; (c)) registreras. Det hämtade fältet (x ’; (d)) uppnås med hjälp av SMART. Symbolerna A och φ anger fältens amplitud och fas, respektive. e En jämförelse mellan det uppmätta OAM -spektrumet med SMART och det teoretiska spektrumet. Upphovsman:Light:Science &Applications, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-019-0140-3.
I det nuvarande arbetet, Gong et al. föreslog SMART-systemet för att exakt extrahera kodade OAM-tillstånd från multiplicera spritt ljus. Forskarna använde först tekniken med en sprickkorrelationsspridningsmatris för att återställa det optiska fältet hos en databärande virvelstråle. Ljuset innehöll OAM -superpositionstillstånd och SMART -systemet demultiplexerade varje OAM -kanal med hjälp av lägesnedbrytningsmetoden.
För att testa systemets giltighet, forskarna byggde ett optiskt trådlöst dataöverföringssystem i en miljö med flera spridningar. I synnerhet, SMART-systemet visade god tolerans mot systemfeljustering och tillåten icke-siktlinje-anslutning (NLOS) för användning i optisk kommunikation. Efter att ha utsatts för flera spridningar, den databärande virvelstrålen genererade ett slumpmässigt fläckmönster, som spelades in av en kamera och sedan analyserades med hjälp av SMART-systemet.
För att experimentellt validera systemet, Gong et al. konstruerade en optisk dataöverföringslänk baserad på en digital mikrospegelanordning (DMD). Uppsättningen innehöll en He-Ne-laser som ljuskälla och en strålexpander med en specificerad förstoring, för att ställa in storleken på laserstrålen. Forskarna installerade höghastighetslägesväxling i systemet för att ta bilder synkront, som också användes för att utföra digitaliserade beräkningar i SMART -plattformen.
Forskarna använde en optisk diffusor för att efterlikna en optiskt spridd miljö i experimentet, som de infogade i överföringsvägen. Gong et al. introducerade sedan en teknik utvecklad via parallell vågfrontsoptimering för snabb referensfri kalibrering inom samma setup.
Uppmätt ortogonalitetsförhållande mellan de spridda OAM -tillstånden. a Den uppmätta tillfälligheten mellan OAM -tillstånd med deras topologiska laddningar från ln =–12 till ln =12 med ett intervall på 1. Maximal överhörning är −9,4 dB. b Den uppmätta tillfälligheten för en annan OAM -bas (ln =–24, –22, ···, 24) med ett tillståndsintervall på 2. Maximal överhörning är –13,8 dB. Upphovsman:Light:Science &Applications, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-019-0140-3
Efter att ha minskat risken för överhörning i experimentuppställningen, forskarna mätte nivån av överhörning till -13,8 dB i systemet, godtagbara för praktiska tillämpningar. Tekniken visade god tolerans och immunitet mot feljustering, vilket indikerar att SMART -plattformen var robust för praktisk implementering och fördelaktig för SMART -dataöverföring.
För att överföra optisk data under spridning, Gong et al. använde en digital metod och kodade de binära data som transporteras i multiplexerade OAM -tillstånd i en enda laserstråle. Under dataöverföring, forskarna tillät informationskodning genom att direkt generera ett ljusfält som representerade OAM -superpositionstillståndet. Till exempel, en gråskalebild med 256 grånivåer representerades med en binär digital byte med 8 bitar; där varje bit tog ett värde från 0-1. För att koda byten, forskarna använde ett OAM -superpositionstillstånd som innehåller 8 OAM -baser, där var och en korrelerade med en bit. Till exempel, den gråa nivån 111 har den binära byten '01101111' i OAM -spektrumet.
Med hjälp av enkla kriterier härledda från studien, forskarna visade att OAM -spektrumet som hämtades med SMART -plattformen stämde överens med det teoretiska resultatet. Genom att följa den experimentella strategi som utvecklats i arbetet, Gong et al. överförde en grå bild (Rubiks kub) över ett spridningsmedium. Experimentellt, forskarna fick den överförda bilden med en felgrad på noll; definierat som förhållandet mellan felaktiga pixlar i den avkodade bilden och alla bildpunkter i bilden, vilket indikerar att alla pixlar i bilden överfördes perfekt. Forskarna tillskrev den höga prestandan till det låga felet för varje OAM -kanal i det hämtade spektrumet.
ett grått nivåkodningsschema med 8-OAM-multiplexering för överföring av gråskala bilder. b Teoretiska och experimentella OAM -spektra med grå nivå 111. c Exempel på skickade och mottagna gråskala bilder (Rubiks kub, 100 × 100 pixlar) i ett dataöverföringsexperiment. Rubik's Cube® användes med tillstånd av Rubiks Brand Ltd (www.rubiks.com). En felgrad på 0 uppnåddes för denna bildöverföring. d Det relativa felet RMSE/PK för alla grånivåer i bilden i (c). e RGB-kodningsschema med 24-OAM-multiplexering, tillämpas på färgbilder. f, g Motsvarande resultat för optisk överföring av en färgbild av en Rubiks kub. En felfrekvens på 0,08 % uppnåddes för dataöverföringen av färgbild. h Det relativa felet RMSE/PK för alla färger i bilden i (g) Kredit:Light:Science &Applications, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-019-0140-3.
För att överföra en färgbild, Gong et al. använde ett superpositionstillstånd med 24 OAM -komponenter för att koda data. Forskarna verifierade den experimentella och teoretiska överföringen av data, samtidigt som det indikerar att plattformen skötte sig bra för dataöverföring. Baserat på dessa resultat, forskarna överförde en färgbild av Rubiks kub med en felprocent på 0,08 procent, högre än tidigare men lovar lägre fel vid dataöverföring. Förutom binär digital dataöverföring, forskarna visade att SMART -plattformen hade stor potential för komplexa spektralanalyser och mätning av fas.
På det här sättet, Gong et al. introducerade en SMART-plattform för datahämtning, som jämfört med tidigare OAM-demultiplexerade system erbjöd två viktiga fördelar genom att:
1. Använda en digital metod för att identifiera varje OAM-kanal.
2. Återställa OAM -superpositionstillståndet från mycket spridda fläckar och sedan demultiplexera varje OAM -kanal för datahämtning.
a, b) De reella (blå cirklarna) och imaginära delarna (gröna kvadrater) av de uppmätta OAM-koefficienterna med en ln-beroende fas ϕ(ln)=πln/24+ϕ0, med förinställda fasskift på ϕ0 =0 (a) och π (b). De teoretiska uppgifterna är ritade som blå och röda linjer. c, d Motsvarande fasskillnad (diff.) Δϕ (ln) mellan den beräknade fasen ϕ (ln) ritad som en funktion av ln. Linjär anpassning (heldragna linjer) till fasskillnaden beräknas. Felstaplarna beräknas som standardfelet för 20 mätningar. Kredit:Light:Science &Applications, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-019-0140-3.
Metodens gränser omfattade nödvändigheten av förkalibrering och databehandling, som experimentellt var tidskrävande. Den OAM-baserade dataöverföringen fungerade över en sträcka av 3 meter i en laboratoriemiljö, forskarna genomförde dataanalys på en persondator. För långdistansöverföring, de föreslår att man använder en laser med högre effekt, en större bländaruppsamlingslins och bra inriktning i det optiska systemet för att förbättra signal/brusförhållandet (SNR).
Den föreslagna SMART -prototypen kan optimeras ytterligare innan praktiska tillämpningar. Tekniken kommer att erbjuda möjligheter för högpresterande optisk trådlös kommunikation under spridningsförhållanden, multimod fiberoptisk kommunikation och hård optisk undervattenskommunikation. Resultaten kommer också att gynna OAM-baserad kvantkommunikation, högdimensionell kvantnyckelfördelning, kvantkryptering och kvantminne för effektiv dataöverföring i turbulenta miljöer.
© 2019 Science X Network
