Gendannelse af spredte data fra snoet lys via spredning-matrix-assisteret hentningsteknik (SMART)

Optisk kommunikation med høj kapacitet kan opnås ved at multiplexere flere lysbærende orbital vinkelmoment (OAM) kanaler. Imidlertid, i turbulente miljøer, optisk spredning og 'speckle mønstre' opstår på grund af omgivende, atmosfæriske mikropartikler og reducerer ortogonaliteten betydeligt mellem OAM -kanaler, demultiplexering (udtrækning af information) og stigende crosstalk under kommunikation. I en nylig undersøgelse nu offentliggjort i Lys:Videnskab og applikationer , Lei Gong og kolleger på afdelingerne for optik og optik, medicinsk teknik, elektroteknik og fysik i Kina og USA udviklede en 'spredning-matrix-assisteret hentningsteknik' (SMART) til effektivt at gendanne spredte data fra multipleksede OAM-kanaler. I undersøgelsen, de brugte 24 OAM -kanaler parallelt, passerer gennem et spredningsmedium for at demultipleksere kanalerne fra de spredte optiske felter og opnå minimal eksperimentel krydstale tilnærmelsesvis -13,8 dB.

Forskerne afkodede oplysningerne om flere snoede lysstråler, der passerede gennem spredte medier indeholdende atmosfæriske mikropartikler (forårsager reduceret billedkvalitet) og hentede i stedet højkvalitetsdata fra de multipleksede OAM -kanaler. SMART-platformen tillod overførsel af billeder i høj kvalitet og reducerede fejlprocenten 21 gange sammenlignet med tidligere undersøgelser. Gong et al. forestil dig, at den optimerede teknik vil lette optisk dataoverførsel i høj kvalitet under barske atmosfæriske forhold eller under vandet til praktiske applikationer.

Forskerne implementerede den eksperimentelle opsætning i et selvbygget datatransmissionssystem, ved at anvende en digital mikromirror -enhed (DMD) til at kode OAM -kanaler. De gav samtidig høj tolerance over for fejljustering i opsætningen gennem referencefri kalibrering. De demonstrerede derefter med succes high-fidelity transmission af grå- og farvebilleder under spredningsforhold, med en fejlprocent på <0,08 procent. Teknikken kan bane vejen til højtydende optisk kommunikation i turbulente miljøer.

Lys er en informationsbærer under kommunikation, og forskere har traditionelt haft til formål at forbedre dets informationsbærende kapacitet og spektrale effektivitet ved at multiplexere bølgelængden, polarisering og rumlig frihedsgrad til forbedret datakommunikation. Lysets OAM, anerkendt af Les Allen i 1992, betragtes som en lovende grad af frihed til at multiplexere data i frit rum og optiske fibre på nanoskalaen. En lysstråle, der bærer en OAM, er kendetegnet ved en spiralformet bølgefront, er bedre end at dreje vinkelmomentet med to tilstande, og tilbyder ubegrænsede kanaler til datatransmission. Som et resultat af dets unikke egenskaber, OAM -multiplexering anvendes bredt for at opnå kommunikation med høj kapacitet i ledigt rum og optiske fibre.

Når lyset formerer sig gennem spredningsmedier eller multimode -systemer, velkendte plettemønstre kan opstå ved selvinterferens af mangfoldigt krypteret lys. Mens prikkemønstrene adskiller sig fra det indfaldende lys, den kodede information bevares i pletterne og går aldrig tabt. Faktisk, flekkemønstre afhænger af de tidsmæssige og rumlige egenskaber ved indfaldende lys for at udtrække og bruge information inden for pletterne.

I det nuværende arbejde, Gong et al. foreslog SMART -systemet til præcist at udtrække kodede OAM -tilstande fra multiplieret spredt lys. Forskerne anvendte først teknikken med en spikkel-korrelation-spredningsmatrix til at gendanne det optiske felt for en databærende hvirvelstråle. Lyset indeholdt OAM -superpositionstilstande, og SMART -systemet demultiplexerede hver OAM -kanal ved hjælp af tilstandsnedbrydningsmetoden.

For at teste systemets gyldighed, forskerne byggede et optisk trådløst datatransmissionssystem i et miljø med flere spredninger. Især SMART-systemet viste god tolerance over for systemfejl og tilladt non-line-of-sight (NLOS) forbindelse til brug i optisk kommunikation. Efter at have været udsat for flere spredninger, den databærende hvirvelstråle genererede et tilfældigt flekkemønster, som blev optaget med et kamera og derefter analyseret ved hjælp af SMART -systemet.

For at eksperimentelt validere systemet, Gong et al. konstrueret et optisk datatransmissionslink baseret på en digital mikromirror -enhed (DMD). Opsætningen indeholdt en He-Ne laser som lyskilde og en stråleudvidelse med en specificeret forstørrelse, at indstille laserstrålens størrelse. Forskerne installerede højhastighedstilstandsskift i systemet for at optage billeder synkront, som også blev brugt til at udføre digitaliserede beregninger i SMART -platformen.

Forskerne brugte en optisk diffuser til at efterligne et optisk spredt miljø i eksperimentet, som de indsatte i transmissionsvejen. Gong et al. introducerede derefter en teknik udviklet via parallel wavefront optimering til hurtig referencefri kalibrering inden for samme setup.

Efter at have reduceret potentialet for krydstale i den eksperimentelle opsætning, forskerne målte niveauet for krydstale ved -13,8 dB i systemet, acceptabel til praktiske anvendelser. Teknikken viste god tolerance og immunitet over for fejljustering, hvilket angiver, at SMART -platformen var robust til praktisk implementering og fordelagtig for SMART -dataoverførsel.

For at overføre optiske data under spredning, Gong et al. brugte en digital metode og kodede de binære data, der transporteres i multipleksede OAM -tilstande, til en enkelt laserstråle. Under dataoverførsel, forskerne tillod informationskodning ved direkte at generere et lysfelt, der repræsenterede OAM -superpositionstilstanden. For eksempel, et gråtonebillede med 256 gråtoner blev repræsenteret med en binær digital byte med 8 bit; hvor hver bit tog en værdi fra 0-1. For at kode byten, forskerne brugte en OAM -superpositionstilstand indeholdende 8 OAM -baser, hvor hver korrelerede med en bit. For eksempel, det grå niveau på 111 har den binære byte på '01101111' i OAM -spektret.

Ved hjælp af enkle kriterier afledt af undersøgelsen, forskerne viste, at OAM -spektret hentet med SMART -platformen var i god overensstemmelse med det teoretiske resultat. Ved at følge den eksperimentelle strategi udviklet i arbejdet, Gong et al. overførte et gråt billede (Rubiks terning) over et spredningsmedium. Eksperimentelt, forskerne modtog det overførte billede med en fejlprocent på nul; defineret som forholdet mellem forkerte pixels i det afkodede billede til alle pixels i billedet, hvilket angiver, at alle pixels i billedet blev perfekt overført. Forskerne tilskrev den høje ydelse til den lave fejl i hver OAM -kanal i det hentede spektrum.

For at overføre et farvebillede, Gong et al. anvendte en superpositionstilstand på 24 OAM -komponenter til at kode dataene. Forskerne verificerede den eksperimentelle og teoretiske overførsel af data, samtidig med, at platformen opførte sig godt til dataoverførsel. Baseret på disse resultater, forskerne overførte et farvebillede af Rubiks terning med en fejlprocent på 0,08 procent, højere end før, men lovende lavere fejl i datatransmission. Ud over binær digital dataoverførsel, forskerne viste, at SMART -platformen havde et stort potentiale for komplekse spektralanalyser og måling af fase.

På denne måde, Gong et al. introducerede en SMART platform til datahentning, som sammenlignet med tidligere OAM-demultiplexede systemer tilbød to vigtige fordele ved:

1. Anvendelse af en digital metode til at identificere hver OAM -kanal.

2. Gendannelse af OAM -superpositionstilstanden fra stærkt spredte pletter og derefter demultiplexere hver OAM -kanal til datahentning.

Metodens grænser omfattede nødvendigheden af ​​forkalibrering og databehandling, som eksperimentelt var tidskrævende. Den OAM-baserede datatransmission opererede over en afstand på 3 meter i et laboratoriemiljø, forskerne foretog dataanalyse på en pc. Til langdistanceoverførsel, de foreslår at bruge en laser med højere effekt, en større blændeopsamlende linse og god justering i det optiske system for at forbedre signal / støjforholdet (SNR).

Den foreslåede SMART -prototype kan optimeres yderligere inden praktiske applikationer. Teknikken vil tilbyde muligheder for højtydende optisk trådløs kommunikation under spredningsforhold, multimode fiberoptisk kommunikation og hård undervandsoptisk kommunikation. Resultaterne vil også gavne OAM-baseret kvantekommunikation, højdimensionel kvantnøglefordeling, kvantekryptering og kvantehukommelse til effektiv dataoverførsel i turbulente miljøer.

© 2019 Science X Network