La dimension verticale du champ optique aide à étendre et à améliorer le canal

1.

Contexte de recherche

La communication optique en espace libre est une sorte de technologie de communication sans fil avec le laser comme support d'informations, qui présente les avantages d'une grande capacité, d'une vitesse élevée et d'une bonne sécurité. Il s'agit d'un outil indispensable pour le développement des communications spatiales à haut débit et a été largement utilisé dans divers systèmes de communication, tels que la télédétection optique passive, le LiDAR, le radar à photons micro-ondes, etc.

Ces dernières années, avec le développement de l'amplitude, de la fréquence, du temps, de la polarisation et d'autres dimensions du champ optique, la communication optique est à nouveau confrontée au défi d'une crise de capacité. Par conséquent, la structure spatiale (mode) du champ lumineux est progressivement développée pour résoudre le problème de plus en plus grave des goulots d'étranglement de capacité.

Bien que les modes spatiaux obtenus par contrôle horizontal du champ optique aient pleinement prouvé leur faisabilité dans la communication classique et quantique, la dimension longitudinale du champ optique, une autre dimension spatiale importante du champ optique, n'a pas encore été appliquée dans le processus de codage et de décodage de l'information.

2.

Recherche innovante

Afin de résoudre les problèmes ci-dessus, l'équipe du professeur Jianlin Zhao et du professeur Peng Li de l'École des sciences physiques et technologiques de l'Université polytechnique du Nord-Ouest a proposé une méthode de codec basée sur le contrôle longitudinal de l'état de superposition du mode moment angulaire orbital (OAM) et une métasurface pour réaliser le contrôle longitudinal du mode de champ optique. Sur la base de la conception de la phase géométrique et de la phase de transmission de la structure à quatre atomes, la métasurface peut réaliser le contrôle complexe de l'amplitude du champ de transmission en fonction du spin, puis générer un état de superposition en mode OAM d'ordre 0 à 15, et réaliser le changement vertical de l'état de superposition par la méthode « d'onde de congélation ». Une fois le mode horizontal de changement vertical appliqué au codec d'informations, le codec d'informations avec une capacité modale de 163 est réalisé dans un seul canal, ce qui montre qu'il peut augmenter la capacité modale du canal de manière exponentielle.

Le principe de codage et de décodage des informations dans les dimensions longitudinales du champ optique est illustré à la figure 1. Les informations émises par Bob à l'extrémité émettrice sont compilées en code ASCII dans un état de superposition de modes OAM multiples, qui est superposé par deux modes OAM dont les charges topologiques sont respectivement l1 et l2. Le spot lumineux présente la forme de | L1-L2 |. Ces états de superposition OAM sont chargés dans un réseau de faisceaux avec variation de mode longitudinal pour une transmission en espace libre en utilisant le principe de l'onde de congélation optique. Lorsqu'Alice obtient des informations à l'extrémité de réception, elle peut mesurer les modes de champ optique du réseau de différents plans de transmission tels que z1, z2, z3, et obtenir des informations grâce à une opération de séquence de décodage correcte.

Afin de prouver la capacité de codage des dimensions longitudinales de ce champ lumineux spécial, les informations de codage utilisées dans l'expérience sont « Northwestern Polytechnical University », et l'élément de code hexadécimal ASCII est utilisé pour coder chaque lettre du mot et l'espace entre les mots. Chaque lettre correspond à deux chiffres hexadécimaux, donc 74 modes sont nécessaires pour compléter la correspondance biunivoque entre l'ordre angulaire du faisceau et les informations codées.

L'expérience adopte un faisceau matriciel 5 × 5 et la plage de modulation longitudinale L de chaque onde gelée est divisée en trois segments, correspondant à 0 ~ 0,4 mm, > 0,4 ​​~ 0,8 mm, > 0,8 ~ 1,2 mm. Dans un seul canal à ondes gelées, la capacité totale des modes pouvant transmettre du code dans un seul canal est de 163 en raison de la modulation longitudinale en 3 segments, chaque segment dispose de 16 modes disponibles. Le troisième segment de la 25ème onde de gel du faisceau est éliminé et l'onde de gel restante est utilisée pour terminer le codage des informations correspondantes.

Les résultats de simulation à z1 = 0,1 mm, z2 = 0,5 mm et z3 = 0,9 mm sont présentés sur la figure 2 (a), où m représente le nombre de lignes, n représente le nombre de colonnes et le nombre dans le coin supérieur gauche du diagramme d'intensité du champ lumineux représente les informations d'ordre angulaire. Les résultats expérimentaux sont présentés sur la figure 2 (b) et la distribution d'intensité du champ lumineux mesurée dans le plan z1 = 0,1 mm, z2 = 0,5 mm, z3 = 0,9 mm est donnée.

Comme le montre la figure 2, les résultats des mesures expérimentales sont cohérents avec les résultats de la simulation numérique et les faisceaux du réseau montrent tous un état de superposition du mode OAM avec des changements à la demande. À partir de la première ligne en z1, deux chiffres hexadécimaux sont décodés dans un groupe en forme de Z pour obtenir le message « Northwestern Polytechnical University ».

Il convient de noter que le nombre de changements de mode longitudinal du champ lumineux dans l'expérience n'est que de 3 et que la méthode proposée dans cet article peut permettre d'obtenir une régulation verticale plus élevée, de sorte que le facteur exponentiel de croissance de la capacité du canal peut être encore amélioré.

Afin d'améliorer l'efficacité du décodage, la méthode d'imagerie à plan divisé peut également être utilisée pour obtenir la distribution du champ lumineux de plusieurs plans longitudinaux en même temps. Selon les caractéristiques de propagation des ondes lumineuses, si les informations complexes d'amplitude du champ lumineux sont mesurées dans un seul plan, la distribution complexe d'amplitude d'autres plans peut également être obtenue par calcul numérique, puis le mode de champ lumineux de plusieurs plans longitudinaux peut être obtenu. De plus, en introduisant des méthodes d’apprentissage profond, on s’attend également à ce que des informations codées longitudinalement puissent être obtenues à partir d’une seule mesure.

3.

Résumer

Basé sur la métasurface avec contrôle indépendant de l'état de polarisation et de l'amplitude complexe, le contrôle flexible de la superposition du mode OAM dans la dimension longitudinale du réseau d'ondes gelées est réalisé dans cet article. En utilisant les champs lumineux des changements longitudinaux des modes, l'expansion exponentielle de puissance des modes de canal est réalisée expérimentalement et la capacité modale dans le canal est effectivement augmentée.