Buigbare lichtstralen hebben belangrijke toepassingen in optische manipulatie, optische beeldvorming, routering, microbewerking en niet-lineaire optica. Onderzoekers hebben lang gekromde lichtbundels onderzocht in plaats van traditionele Gauss-bundels voor lichtlijncommunicatie. In een recente studie die nu is gepubliceerd op Wetenschappelijke rapporten , Long Zhu en een team van onderzoekers in optische en elektronische informatie, in China, voorgestelde en ontwikkelde vrije ruimte, datadragende buigbare lichte communicatiesystemen tussen willekeurige doelen voor mogelijke multifunctionaliteit. De onderzoekers gebruikten een 32-tal kwadratuur-amplitudemodulatie (32-QAM) gebaseerd discreet multitone (DMT) signaal om in de vrije ruimte buigbare, door lichtintensiteit gemoduleerde directe detectie (IM-DD) communicatie te demonstreren in de aanwezigheid van drie gebogen lichtpaden. Ze karakteriseerden (testen) meerdere functies van buigbare lichtcommunicatie in de vrije ruimte om te onthullen dat ze optische communicatie flexibeler konden maken, robuust en multifunctioneel. Het werk zal een nieuwe richting openen om speciale lichtstralen te verkennen, geavanceerde lichtcommunicatie in de vrije ruimte.

Buigbare lichtstralen zijn een nieuwe klasse van elektromagnetische golven die geassocieerd zijn met een gelokaliseerd intensiteitsmaximum dat zich langs een gebogen baan kan voortplanten. Onderzoekers hebben eerder generieke klassen van buigbare lichtstralen bestudeerd en gerapporteerd die langs elliptische en parabolische banen reizen. Luchtige bundels (lijken te krommen terwijl ze reizen) zijn een soort niet-diffracterende bundels die hun golffront behouden tijdens transmissie, net als Bessel-stralen (die alleen in theorie bestaan, ideaal) voor optische communicatie zonder obstakels. Luchtige balken hebben eigenschappen van zelfversnelling, non-diffractie en zelfgenezing om zich langs een parabolische baan voort te planten. Afgezien van luchtige balken, buigbare lichtstralen kunnen hun golffront reconstrueren om zich continu langs het vooraf ingestelde traject voort te planten. Om de voordelen van buigbare lichtbundels voor diverse toepassingen te onderzoeken, onderzoekers moeten het licht langs willekeurige banen buigen; die kan worden bereikt met behulp van de bijtende methode. Het gewenste traject kan worden bereikt met een optisch lichtbijtmiddel om te implementeren in de echte ruimte en in de Fourier-ruimte.

Natuurkundigen hadden eerder luchtige bundels gebruikt voor de overdracht van informatie in de vrije ruimte zonder de aanvullende functionaliteiten van buigbare lichtbundels te onderzoeken. In het huidige werk, Zhu et al. bestudeerde daarom buigbare lichtstralen voor optische communicatie in de vrije ruimte. Het optische pad is traditioneel een rechte lijn die de zender en ontvanger verbindt, echter, obstakels tussen hen ontwikkelen zich als communicatiefalen. Het gebruik van gebogen lichtstralen tijdens optische communicatie in de vrije ruimte stelt wetenschappers daarom in staat om gemakkelijk rond obstakels te navigeren met behulp van geschikte trajecten. Omdat buigbare lichtbundels niet-diffracterend zijn, ze kunnen hun golffront construeren en zich blijven voortplanten langs vooraf ingestelde banen. Als resultaat, wetenschappers kunnen specifieke trajecten ontwerpen om informatie naar meerdere gebruikers te sturen, terwijl ongewenste gebruikers worden vermeden om flexibelere en robuustere communicatiesystemen te bouwen.

Zhu et al. gebruikte fase-only ruimtelijke lichtmodulatie om buigbare lichtbundels langs willekeurige trajecten te realiseren, inclusief zelfonderbroken trajecten. Ze demonstreerden met succes flexibele, door lichtintensiteit gemoduleerde directe detectie (IM-DD) communicatiesystemen in de vrije ruimte met behulp van drie verschillende gebogen lichtpaden. Het onderzoeksteam categoriseerde vervolgens de transmissieprestaties in vier verschillende voorwaarden:

1. Communicatie omzeilt obstakels
2. Zelfgenezende communicatie
3. Zelfverbroken trajectcommunicatie
4. verplaatsbaar, communicatie met meerdere ontvangers

De onderzoekers ontwierpen eerst een specifiek fasepatroon voor ruimtelijke lichtregeling met behulp van een optische lichtbijtende methode om willekeurig gebogen lichtpaden te bouwen voor meer flexibiliteit binnen het communicatiesysteem. In tegenstelling tot traditionele Gauss-stralen, het buigbare licht gegenereerd door Zhu et al. omzeilde bestaande obstakels - zoals verwacht. De zelfherstellende eigenschap van de gebogen straal maakte het communicatiesysteem robuuster. Vervolgens construeerden ze een zelfverbrekende gebogen lichtstraal om de veiligheid van het communicatiesysteem te vergroten, zodat de resulterende gebogen lichtinformatie aan meerdere gebruikers langs het lichtpad kan worden geleverd. Het buigbare licht, communicatiesysteem in de vrije ruimte was multifunctioneel, flexibel en robuust.

Als proof-of-concept, Zhu et al. gebruikte een 39,06 Gbit/s, 32-QAM DMT-signaaltransmissie bij 1550 nm verzonden naar de collimator om een ​​Gauss-bundel in de vrije ruimte te genereren met een bundeldiameter van twee m en een numerieke apertuur van 0,24. Het onderzoeksteam genereerde het gegevensdragende buigbare licht onmiddellijk na de uitlijning van de lichtpolarisatie met behulp van een ruimtelijke lichtmodulator (SLM) geladen met het gewenste fasepatroon via de optische lichtbijtende methode. De wetenschappers gebruikten een 4-f-beeldvormingssysteem met twee lenzen om het volledige voortplantingstraject vast te leggen en plaatsten een camera om de dynamiek vast te leggen van het zich voortplantende buigbare gebogen licht dat langs een gemotoriseerde lineaire translatiefase beweegt om in de ontvanger te koppelen voor signaaldetectie.

Zhu et al. heeft met succes drie buigbare lichtstralen gegenereerd met verschillende gebogen banen. Ze bereikten eerst gebogen lichtstralen langs parabolische trajecten en S-vormige gebogen lichtstralen en zagen dat de gemeten intensiteitsverdelingen goed overeenkwamen met de vooraf ontworpen trajecten. Het team heeft de prestaties van de bitfoutfrequentie (BER) gemeten ten opzichte van de ontvangen optische signaal-ruisverhouding (OSNR) voor de drie buigbare lichtstralen. Ze toonden meerdere functionaliteiten van buigbare lichtcommunicatie in de vrije ruimte.

Om dit te behalen, ze plaatsten eerst obstakels langs de zichtlijn tussen de zender en ontvanger en gebruikten een Gauss-straal ter vergelijking in de experimenten. Zhu et al. stel één obstructie (Ob1) in en meet de BER-prestaties van de S-vormige lichtstraal gevolgd door twee obstructies (Ob1 en Ob2), om de BER-curve van de S-vormige lichtbundel te meten (curve BP-Ob-2). De onderzoekers toonden vervolgens de zelfgenezende eigenschap van buigbare lichtcommunicatie in de vrije ruimte met behulp van een obstructie met een diameter van 0,8 mm om het gebogen pad van een S-vormige buigbare straal te blokkeren. Na vermeerdering, het licht reconstrueerde zijn golffront om een ​​ontvanger op 300 mm afstand te bereiken als zelfherstellend, datadragende buigbare lamp. Bij meting, de prestaties van het gereconstrueerde licht leken vergelijkbaar met de niet-geblokkeerde curve. Toen het team een ​​gebogen lichtstraal genereerde met een zelfonderbroken traject, de hoofdlob van het gebogen licht leek te ontbreken en herstelde zich tegen de voltooiing van de communicatie. Hoewel ze geen informatie konden detecteren op het kapotte onderdeel, de wetenschappers hebben de informatie met succes ontvangen aan het einde van de buigbare lichtstraal.

Het onderzoeksteam testte vervolgens de communicatieprestaties van de buigbare lichtstraal voor extra gebruikers. Door zijn zelfherstellende eigenschap, het gebogen licht zou informatie kunnen leveren aan meerdere gebruikers langs het traject van het gebogen lichtpad, in tegenstelling tot traditionele lichtcommunicatie in de vrije ruimte. Het team plaatste drie ontvangers langs het lichtpad en mat hun BER-prestaties om bijna vergelijkbare transmissieprestaties tussen de drie ontvangers aan te tonen.

Op deze manier, Long Zhu en collega's hebben met succes vrije ruimte gedemonstreerd, datadragende buigbare lichte communicatie en gecategoriseerde meerdere functionaliteiten. De waargenomen resultaten toonden aan dat buigbaar licht dynamische, flexibele en robuuste optische communicatie in de vrije ruimte. De wetenschappers verwachten dat het schema schaalbaar is voor propagatieafstand en buigoffset. Het werk zal een nieuwe deur openen om vergelijkbare lichtstralen te verkennen en uitgebreide lichtcommunicatiesystemen in de vrije ruimte met geavanceerde veelzijdigheid mogelijk te maken.

© 2019 Wetenschap X Netwerk