Frirum databærende bøjelig lyskommunikation

Bøjelige lysstråler har betydelige anvendelser i optisk manipulation, optisk billeddannelse, routing, mikrobearbejdning og ikke-lineær optik. Forskere har længe undersøgt buede lysstråler i stedet for traditionelle gaussiske stråler til linie-of-sight lyskommunikation. I en nylig undersøgelse offentliggjort på Videnskabelige rapporter , Long Zhu og et team af forskere i optisk og elektronisk information, i Kina, foreslået og udviklet frirum, databærende bøjeligt lys kommunikationssystemer mellem vilkårlige mål for potentiel multifunktionalitet. Forskerne brugte et 32-ær kvadratur amplitudemodulation (32-QAM) baseret diskret multitone (DMT) signal til at demonstrere frirum bøjelig lysintensitetsmoduleret direkte detektion (IM-DD) kommunikation i nærværelse af tre buede lysbaner. De karakteriserede (testede) flere funktioner af bøjelig lyskommunikation i frit rum for at afsløre, at de tillod optisk kommunikation at være mere fleksibel, robust og multifunktionel. Arbejdet vil åbne en ny retning for at udforske specielle lysstråler aktiveret, avanceret frirumslyskommunikation.

Bøjelige lysstråler er en ny klasse af elektromagnetiske bølger forbundet med et lokaliseret intensitetsmaksimum, der kan forplante sig langs en buet bane. Forskere har tidligere undersøgt og rapporteret generiske klasser af bøjelige lysstråler, der rejser langs elliptiske og parabolske baner. Luftige stråler (ser ud til at krumme sig, mens de bevæger sig) er en type ikke-diffraktionsstråler, der bevarer sin bølgefront under transmission, meget som Bessel-bjælker (som kun eksisterer i teorien, ideelt) til optisk kommunikation uden forhindringer. Luftige bjælker har egenskaber af selvacceleration, ikke-diffraktion og selvhelbredende for at forplante sig langs en parabolsk bane. Bortset fra luftige bjælker, bøjelige lysstråler kan rekonstruere deres bølgefront til at forplante sig kontinuerligt langs den forudindstillede bane. For at udforske fordelene ved bøjelige lysstråler til forskellige applikationer, forskere skal bøje lyset langs vilkårlige baner; hvilket kan opnås ved hjælp af den kaustiske metode. Den ønskede bane kan opnås med en optisk lyskaustik til at implementere i det virkelige rum og i Fourier-rummet.

Fysikere havde tidligere brugt luftige stråler til overførsel af information i frit rum uden at udforske yderligere funktionaliteter af bøjelige lysstråler. I nærværende arbejde, Zhu et al. undersøgte derfor bøjelige lysstråler til optisk kommunikation i frit rum. Den optiske vej er traditionelt en lige linje, der forbinder senderen og modtageren, imidlertid, hindringer mellem dem udvikler sig som kommunikationssvigt. Brugen af ​​buede lysstråler under optisk kommunikation i frit rum giver derfor videnskabsmænd mulighed for nemt at navigere rundt om forhindringer ved hjælp af passende baner. Da bøjelige lysstråler er ikke-diffrakterende, de kan konstruere deres bølgefront og fortsætte med at udbrede sig langs forudindstillede baner. Som resultat, videnskabsmænd kan designe specifikke baner for at sende information til flere brugere og samtidig undgå uønskede brugere for at bygge mere fleksible og robuste kommunikationssystemer.

Zhu et al. brugte kun fase-rumlig lysmodulation til at realisere bøjelige lysstråler langs vilkårlige baner, herunder selvbrudte baner. De demonstrerede med succes frirums bøjeligt lysintensitetsmoduleret direkte detektion (IM-DD) kommunikationssystemer ved hjælp af tre forskellige buede lysveje. Forskerholdet kategoriserede derefter transmissionsydelsen inden for fire forskellige forhold:

1. Kommunikation omgår forhindringer
2. Selvhelbredende kommunikation
3. Selvbrudt banekommunikation
4. Bevægelig, multi-modtager kommunikation

Forskerne designede først et specifikt fasemønster til rumlig lysstyring ved hjælp af en optisk lyskaustisk metode til at bygge vilkårligt buede lysveje for øget fleksibilitet i kommunikationssystemet. I modsætning til traditionelle gaussiske bjælker, det bøjelige lys genereret af Zhu et al. omgået eksisterende forhindringer - som forventet. Den buede stråles selvhelbredende egenskab gjorde kommunikationssystemet mere robust. De konstruerede derefter en selvbrudt kurvet lysstråle for at øge sikkerheden af ​​kommunikationssystemet for den resulterende buede lysinformation, der skal leveres til flere brugere langs lysets vej. Det bøjelige lys, frirumskommunikationssystem var multifunktionelt, fleksibel og robust.

Som proof-of-concept, Zhu et al. brugte en 39,06 Gbit/s, 32-QAM DMT-signaltransmission ved 1550 nm sendt til kollimatoren for at generere en Gauss-stråle med fri rum med en strålediameter på to µm og numerisk blændeåbning på 0,24. Forskerholdet genererede det databærende bøjelige lys umiddelbart efter lyspolariseringsjustering ved hjælp af en rumlig lysmodulator (SLM) fyldt med det ønskede fasemønster via den optiske lys kaustiske metode. Forskerne brugte et to-lins 4-f billeddannelsessystem til at optage den fulde udbredelsesbane og placerede et kamera til at registrere dynamikken af ​​det udbredende bøjelige, buede lys, der bevæger sig langs et motoriseret lineært translationstrin for at koble ind i modtageren til signaldetektering.

Zhu et al. med succes genereret tre bøjelige lysstråler med forskellige buede baner. De opnåede først buede lysstråler langs parabolske baner og S-formede buede lysstråler og observerede, at de målte intensitetsfordelinger var i god overensstemmelse med de foruddesignede baner. Holdet målte bitfejlfrekvensen (BER) ydeevnen i forhold til det modtagne optiske signal-til-støj-forhold (OSNR) for de tre bøjelige lysstråler. De viste flere funktionaliteter af bøjelig lyskommunikation i frit rum.

For at opnå dette, de satte først forhindringer langs sigtelinjen mellem sender og modtager og brugte en gaussisk stråle til sammenligning i eksperimenterne. Zhu et al. indstille en forhindring (Ob1) og målt BER-ydelse af den S-formede lysstråle efterfulgt af to forhindringer (Ob1 og Ob2), at måle BER-kurven for den S-formede lysstråle (kurve BP-Ob-2). Forskerne viste derefter den selvhelbredende egenskab ved bøjelig lyskommunikation i frit rum ved hjælp af en forhindring på 0,8 mm i diameter for at blokere den buede vej af en S-formet bøjelig stråle. Efter formering, lyset rekonstruerede sin bølgefront for at nå en modtager 300 mm væk som selvhelbredende, databærende bøjeligt lys. Ved måling, ydeevnen af ​​det rekonstruerede lys lignede den ikke-blokerede kurve. Da holdet genererede en buet lysstråle med en selvbrudt bane, hovedlappen af ​​det buede lys så ud til at mangle og genoprettede hen imod færdiggørelsen af ​​kommunikationen. Mens de ikke kunne opdage information ved den ødelagte del, forskerne modtog med succes informationen i slutningen af ​​den bøjelige lysstråle.

Forskerholdet testede derefter kommunikationsydelsen af ​​den bøjelige lysstråle for yderligere brugere. På grund af sin selvhelbredende egenskab, det buede lys kunne levere information til flere brugere langs den buede lysbanebane, i modsætning til traditionel frirumslyskommunikation. Holdet satte tre modtagere langs lysvejen og målte deres BER-ydeevne for at demonstrere næsten ens transmissionsydelse blandt de tre modtagere.

På denne måde Long Zhu og kolleger demonstrerede med succes ledig plads, databærende bøjelig lyskommunikation og kategoriseret flere funktionaliteter. De observerede resultater viste, at bøjeligt lys kunne levere dynamisk, fleksibel og robust frirum optisk kommunikation. Forskerne forventer, at ordningen er skalerbar til udbredelsesafstand og bøjningsforskydning. Arbejdet vil åbne en ny dør til at udforske lignende lysstråler og lette omfattende frirums-lyskommunikationssystemer med avanceret alsidighed.

© 2019 Science X Network