Optische communicatie met hoge capaciteit kan worden bereikt door meerdere lichtdragende orbitale impulsmoment (OAM) kanalen te multiplexen. Echter, in turbulente omgevingen, optische verstrooiing en 'spikkelpatronen' treden op als gevolg van omgevings-, atmosferische microdeeltjes en de orthogonaliteit tussen OAM-kanalen aanzienlijk verminderen, demultiplexing (extraheren van informatie) en toenemende overspraak tijdens communicatie. In een recente studie die nu is gepubliceerd in Licht:wetenschap en toepassingen , Lei Gong en medewerkers van de afdelingen optica en optische techniek, Medische techniek, elektrotechniek en natuurwetenschappen in China en de VS hebben een 'scattering-matrix-assisted retrieval techniek' (SMART) ontwikkeld om efficiënt verspreide gegevens van gemultiplexte OAM-kanalen te herstellen. In de studie, ze gebruikten 24 OAM-kanalen parallel, passeren door een verstrooiingsmedium om de kanalen van de verstrooide optische velden te demultiplexen en minimale experimentele overspraak van ongeveer -13,8 dB te bereiken.

De wetenschappers ontcijferden de informatie van meerdere draaiende lichtstralen die door verspreide media gingen die atmosferische microdeeltjes bevatten (die een verminderde beeldkwaliteit veroorzaakten) en in plaats daarvan gegevens van hoge kwaliteit ophaalden uit de gemultiplexte OAM-kanalen. Het SMART-platform maakte high-fidelity-overdracht van afbeeldingen mogelijk en verminderde het foutenpercentage met 21 keer in vergelijking met eerdere onderzoeken. Gong et al. stel je voor dat de geoptimaliseerde techniek optische gegevensoverdracht van hoge kwaliteit zal vergemakkelijken in barre atmosferische omstandigheden of onder water voor praktische toepassingen.

De wetenschappers implementeerden de experimentele opstelling in een zelfgebouwd datatransmissiesysteem, door gebruik te maken van een digitaal microspiegelapparaat (DMD) om OAM-kanalen te coderen. Ze boden tegelijkertijd een hoge tolerantie voor verkeerde uitlijning in de opstelling door middel van referentievrije kalibratie. Vervolgens demonstreerden ze met succes de high-fidelity-transmissie van grijze en kleurenafbeeldingen onder verstrooiingsomstandigheden, met een foutenpercentage van <0,08 procent. De techniek kan de weg vrijmaken voor hoogwaardige optische communicatie in turbulente omgevingen.

Licht is een drager van informatie tijdens communicatie en wetenschappers hebben traditioneel gestreefd naar het verbeteren van het informatiedragende vermogen en de spectrale efficiëntie door de golflengte te multiplexen, polarisatie en ruimtelijke vrijheidsgraad voor verbeterde datacommunicatie. De OAM van licht, erkend door Les Allen in 1992, wordt beschouwd als een veelbelovende mate van vrijheid om gegevens in de vrije ruimte en optische vezels op nanoschaal te multiplexen. Een lichtstraal die een OAM draagt, wordt gekenmerkt door een spiraalvormig golffront, is superieur aan het draaiimpulsmoment met twee toestanden, en biedt onbeperkte kanalen voor gegevensoverdracht. Door zijn unieke eigenschappen, OAM-multiplexing wordt veel toegepast om communicatie met hoge capaciteit in vrije ruimte en optische vezels te bereiken.

Wanneer licht zich voortplant door verstrooiende media of multimode-systemen, bekende spikkelpatronen kunnen ontstaan ​​door zelfinterferentie van meervoudig vervormd licht. Hoewel de spikkelpatronen verschillen van het invallende licht, de gecodeerde informatie wordt bewaard in de spikkels en gaat nooit verloren. In feite, spikkelpatronen zijn afhankelijk van de temporele en ruimtelijke eigenschappen van invallend licht om informatie binnen de spikkels te extraheren en te gebruiken.

In het huidige werk, Gong et al. stelde het SMART-systeem voor om gecodeerde OAM-toestanden nauwkeurig te extraheren uit meervoudig verstrooid licht. De wetenschappers gebruikten de techniek eerst met een spikkelcorrelatieverstrooiingsmatrix om het optische veld van een gegevensdragende vortexstraal te herstellen. Het licht bevatte OAM-superpositietoestanden en het SMART-systeem demultiplexte elk OAM-kanaal met behulp van de modusdecompositiemethode.

Om de validiteit van het systeem te testen, de wetenschappers bouwden een optisch draadloos datatransmissiesysteem in een omgeving met meervoudige verstrooiing. Opmerkelijk, het SMART-systeem vertoonde een goede tolerantie voor verkeerde uitlijning van het systeem en stond een niet-line-of-sight (NLOS)-verbinding toe voor gebruik in optische communicatie. Na te zijn onderworpen aan meervoudige verstrooiing, de gegevensdragende vortexstraal genereerde een willekeurig spikkelpatroon, die werd opgenomen door een camera en vervolgens geanalyseerd met behulp van het SMART-systeem.

Om het systeem experimenteel te valideren, Gong et al. een optische datatransmissieverbinding geconstrueerd op basis van een digitaal microspiegelapparaat (DMD). De opstelling bevatte een He-Ne-laser als lichtbron en een bundelexpander met een gespecificeerde vergroting, om de grootte van de laserstraal af te stemmen. De wetenschappers installeerden high-speed mode-switching in het systeem om beelden synchroon te verkrijgen, die ook werd gebruikt om gedigitaliseerde berekeningen uit te voeren in het SMART-platform.

De wetenschappers gebruikten een optische diffusor om een ​​optisch verstrooiende omgeving in het experiment na te bootsen, die ze in het transmissiepad hebben ingevoegd. Gong et al. introduceerde vervolgens een techniek die is ontwikkeld via parallelle golffrontoptimalisatie voor snelle referentievrije kalibratie binnen dezelfde opstelling.

Na het verminderen van de kans op overspraak in de experimentele opstelling, de wetenschappers maten het niveau van overspraak bij -13,8 dB in het systeem, acceptabel voor praktische toepassingen. De techniek toonde een goede tolerantie en immuniteit voor verkeerde uitlijning, wat aangeeft dat het SMART-platform robuust was voor praktische implementatie en voordelig voor SMART-gegevensoverdracht.

Om optische gegevens onder verstrooiing over te brengen, Gong et al. gebruikte een digitale methode en codeerde de binaire gegevens die in gemultiplexte OAM-toestanden werden gedragen in een enkele laserstraal. Tijdens de gegevensoverdracht, de wetenschappers lieten informatiecodering toe door direct een lichtveld te genereren dat de OAM-superpositietoestand vertegenwoordigde. Bijvoorbeeld, een grijswaardenafbeelding met 256 grijsniveaus werd weergegeven met een binaire digitale byte met 8 bits; waarbij elk bit een waarde had van 0-1. Om de byte te coderen, de wetenschappers gebruikten een OAM-superpositietoestand met 8 OAM-bases, waarbij elk correleerde met één bit. Bijvoorbeeld, het grijsniveau van 111 heeft de binaire byte van '01101111' in het OAM-spectrum.

Met behulp van eenvoudige criteria die in het onderzoek zijn afgeleid, de wetenschappers toonden aan dat het OAM-spectrum dat werd opgehaald met het SMART-platform goed overeenkwam met het theoretische resultaat. Door de experimentele strategie te volgen die in het werk is ontwikkeld, Gong et al. bracht een grijze afbeelding (Rubiks kubus) over een verstrooiingsmedium. Experimenteel, de wetenschappers ontvingen de overgedragen foto met een foutenpercentage van nul; gedefinieerd als de verhouding van onjuiste pixels in de gedecodeerde afbeelding tot alle pixels van de afbeelding, wat aangeeft dat alle pixels in de afbeelding perfect werden overgebracht. De wetenschappers schreven de hoge prestaties toe aan de lage fout van elk OAM-kanaal in het opgehaalde spectrum.

Om een ​​kleurenafbeelding over te brengen, Gong et al. gebruikte een superpositiestatus van 24 OAM-componenten om de gegevens te coderen. De wetenschappers verifieerden de experimentele en theoretische overdracht van gegevens, terwijl het aangeeft dat het platform zich goed gedroeg voor gegevensoverdracht. Op basis van deze resultaten, de wetenschappers brachten een kleurenafbeelding van de Rubiks kubus over met een foutenpercentage van 0,08 procent, hoger dan voorheen, maar veelbelovende lagere fout in gegevensoverdracht. Naast binaire digitale gegevensoverdracht, de wetenschappers toonden aan dat het SMART-platform een ​​groot potentieel heeft voor complexe spectrale analyses en fasemeting.

Op deze manier, Gong et al. introduceerde een SMART-platform voor het ophalen van gegevens, die in vergelijking met eerdere OAM-gedemultiplexte systemen twee belangrijke voordelen bood door:

1. Een digitale methode gebruiken om elk OAM-kanaal te identificeren.

2. Herstellen van de OAM-superpositiestatus van sterk verspreide spikkels en vervolgens demultiplexen van elk OAM-kanaal voor het ophalen van gegevens.

Beperkingen van de methode waren onder meer de noodzaak van pre-kalibratie en gegevensverwerking, die experimenteel tijdrovend waren. De op OAM gebaseerde datatransmissie werkte over een afstand van 3 meter in een laboratoriumomgeving, de wetenschappers voerden data-analyse uit op een personal computer. Voor transmissie over lange afstand, ze stellen voor om een ​​laser met een hoger vermogen te gebruiken, een verzamellens met een groter diafragma en een goede uitlijning in het optische systeem om de signaal-ruisverhouding (SNR) te verbeteren.

Het voorgestelde SMART-prototype kan voorafgaand aan praktische toepassingen verder worden geoptimaliseerd. De techniek zal kansen bieden voor hoogwaardige optische draadloze communicatie onder verstrooiingsomstandigheden, multimode glasvezelcommunicatie en harde optische communicatie onder water. De resultaten zullen ook ten goede komen aan op OAM gebaseerde kwantumcommunicatie, hoogdimensionale kwantumsleuteldistributie, kwantumversleuteling en kwantumgeheugen voor efficiënte gegevensoverdracht in turbulente omgevingen.

© 2019 Wetenschap X Netwerk