광학장의 수직 차원은 채널 확장 및 업그레이드에 도움이 됩니다.

1.

연구배경

자유 공간 광통신은 레이저를 정보 매체로 사용하는 일종의 무선 통신 기술로 대용량, 고속 및 우수한 안전성이라는 장점이 있습니다. 고속 우주 통신 개발에 없어서는 안될 도구이며 수동형 광학 원격 감지, LiDAR, 마이크로파 광자 레이더 등과 같은 다양한 통신 시스템에 널리 사용되었습니다.

최근 몇 년 동안 광장 진폭, 주파수, 시간, 편파 및 기타 차원의 발전으로 광통신은 다시 한번 용량 위기에 직면했습니다. 따라서 점점 심각해지는 용량 병목 문제를 해결하기 위해 라이트 필드의 공간 구조(모드)가 점차 개발되고 있습니다.

광학장의 수평 제어를 통해 얻은 공간 모드는 고전 및 양자 통신에서 타당성이 완전히 입증되었지만 광학장의 또 다른 중요한 공간 차원인 광학장의 세로 차원은 지금까지 정보 인코딩 및 디코딩 과정에서 적용되지 않았습니다.

2.

혁신적인 연구

위의 문제를 해결하기 위해 Northwestern Polytechnical University의 Jianlin Zhao 교수와 Peng Li 교수팀은 OAM(Orbital Angle Momentum) 모드 중첩 상태의 종방향 제어와 광학장 모드의 종방향 제어를 구현하는 메타표면을 기반으로 하는 코덱 방법을 제안했습니다. 4원자 구조의 기하학적 위상 및 전송 위상 설계를 기반으로 메타표면은 전송 필드 스핀 종속의 복잡한 진폭 제어를 실현한 다음 0-15차 OAM 모드 중첩 상태를 생성하고 "동결파" 방법으로 중첩 상태의 수직 변화를 실현할 수 있습니다. 정보 코덱에 수직 변화의 수평 모드를 적용한 후, 163의 모달 용량을 갖는 정보 코덱이 단일 채널에서 구현되어 채널의 모달 용량을 기하급수적으로 늘릴 수 있음을 보여줍니다.

광학 필드의 세로 차원에서 정보를 인코딩 및 디코딩하는 원리는 그림 1에 나와 있습니다. 전송 끝에서 Bob이 방출한 정보는 ASCII 코드로 컴파일되어 다중 OAM 모드 중첩 상태로 구성되며, 이는 토폴로지 전하가 각각 l1과 l2인 두 개의 OAM 모드가 중첩됩니다. 광점은 다음과 같은 모양을 나타냅니다. L1-L2 |. 이러한 OAM 중첩 상태는 광학 동결파 원리를 사용하여 자유 공간 전송을 위한 종방향 모드 변화가 있는 빔 어레이에 로드됩니다. Alice가 수신단에서 정보를 얻으면 z1, z2, z3와 같은 다양한 전송 평면의 배열 광학장 모드를 측정하고 올바른 디코딩 시퀀스 작동을 통해 정보를 얻을 수 있습니다.

이 특수 라이트 필드의 세로 차원 코딩 능력을 입증하기 위해 실험에 사용된 인코딩 정보는 "Northwestern Polytechnical University"이며, 단어의 각 문자와 단어 사이의 공백을 ASCII 16진수 코드 요소를 사용하여 인코딩합니다. 각 문자는 두 개의 16진수 숫자에 해당하므로 빔 각도 순서와 인코딩된 정보 간의 일대일 대응을 완료하려면 74개의 모드가 필요합니다.

실험은 5×5 어레이 빔을 채택하고 각 동결파의 세로 변조 범위 L은 0~0.4mm, >0.4~0.8mm, >0.8~1.2mm에 해당하는 세 부분으로 나뉩니다. 단일 동결파 채널에서 단일 채널에서 코드를 전송할 수 있는 모드의 총 용량은 3개 세그먼트의 종방향 변조로 인해 163개이며 각 세그먼트에는 16개의 사용 가능한 모드가 있습니다. 25번째 빔 동결파의 세 번째 세그먼트는 제거되고, 나머지 동결파는 해당 정보의 인코딩을 완료하는 데 사용됩니다.

z1= 0.1mm, z2= 0.5mm, z3= 0.9mm에서의 시뮬레이션 결과는 그림 2(a)에 나와 있으며, 여기서 m은 행 수, n은 열 수, 라이트 필드 강도 다이어그램의 왼쪽 상단에 있는 숫자는 각도 순서 정보를 나타냅니다. 실험 결과는 그림 2(b)에 나타나 있으며, 평면에서 측정된 광장의 강도 분포 z1= 0.1mm, z2= 0.5mm, z3= 0.9mm가 주어져 있다.

그림 2에서 볼 수 있듯이 실험 측정 결과는 수치 시뮬레이션 결과와 일치하며 어레이 빔은 모두 요구에 따라 변경되는 OAM 모드의 중첩 상태를 보여줍니다. z1의 첫 번째 줄부터 시작하여 두 개의 16진수 숫자가 Z 모양 순서로 그룹으로 디코딩되어 "Northwestern Polytechnical University"라는 메시지를 얻습니다.

실험에서 광 필드의 세로 모드 변경 횟수는 3개에 불과하며, 본 논문에서 제안한 방법은 더 높은 수직 조절을 달성할 수 있으므로 채널 용량 증가의 지수 인자가 더욱 향상될 수 있다는 점에 유의해야 합니다.

디코딩 효율을 향상시키기 위해 분할 평면 이미징 방법을 사용하여 한 번에 여러 세로 평면의 광 필드 분포를 얻을 수도 있습니다. 광파의 전파 특성에 따라 단일 평면에서 광장의 복소 진폭 정보를 측정하면 다른 평면의 복소 진폭 분포도 수치 계산을 통해 얻을 수 있으며, 이를 통해 여러 세로 평면의 명시야 모드를 얻을 수 있습니다. 또한 딥러닝 기법을 도입함으로써 단 한번의 측정으로 종단적으로 인코딩된 정보를 얻을 수 있을 것으로 기대된다.

3.

요약

본 논문에서는 편광 상태와 복소 진폭을 독립적으로 제어하는 ​​메타표면을 기반으로 고정파 배열의 세로 방향에서 OAM 모드 중첩의 유연한 제어가 실현됩니다. 모드의 세로 변화에 대한 명장을 사용하여 채널 모드의 전력 지수 확장이 실험적으로 실현되고 채널의 모드 용량이 효과적으로 증가합니다.