Η κάθετη διάσταση του οπτικού πεδίου βοηθά στην επέκταση και την αναβάθμιση του καναλιού

1.

Ερευνητικό υπόβαθρο

Η οπτική επικοινωνία ελεύθερου χώρου είναι ένα είδος ασύρματης τεχνολογίας επικοινωνίας με το λέιζερ ως φορέα πληροφοριών, η οποία έχει τα πλεονεκτήματα της μεγάλης χωρητικότητας, της υψηλής ταχύτητας και της καλής ασφάλειας. Είναι ένα απαραίτητο εργαλείο για την ανάπτυξη διαστημικής επικοινωνίας υψηλής ταχύτητας και έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως σε διάφορα συστήματα επικοινωνίας, όπως η παθητική οπτική τηλεπισκόπηση, το LiDAR, το ραντάρ φωτονίων μικροκυμάτων κ.λπ.

Τα τελευταία χρόνια, με την ανάπτυξη του πλάτους του οπτικού πεδίου, της συχνότητας, του χρόνου, της πόλωσης και άλλων διαστάσεων, η οπτική επικοινωνία αντιμετωπίζει και πάλι την πρόκληση της κρίσης χωρητικότητας. Ως εκ τούτου, η χωρική δομή (τρόπος λειτουργίας) του πεδίου φωτός αναπτύσσεται σταδιακά για να λύσει το όλο και πιο σοβαρό πρόβλημα της συμφόρησης χωρητικότητας.

Αν και οι χωρικοί τρόποι που λαμβάνονται με οριζόντιο έλεγχο του οπτικού πεδίου έχουν αποδείξει πλήρως τη σκοπιμότητα τους στην κλασική και κβαντική επικοινωνία, η διαμήκης διάσταση του οπτικού πεδίου, μια άλλη σημαντική χωρική διάσταση του οπτικού πεδίου, δεν έχει εφαρμοστεί μέχρι στιγμής στη διαδικασία κωδικοποίησης και αποκωδικοποίησης πληροφοριών.

2.

Καινοτόμος έρευνα

Προκειμένου να λυθούν τα παραπάνω προβλήματα, η ομάδα του καθηγητή Jianlin Zhao και του καθηγητή Peng Li της Σχολής Φυσικής Επιστήμης και Τεχνολογίας του Northwestern Polytechnical University πρότεινε μια μέθοδο κωδικοποιητή βασισμένη στον διαμήκη έλεγχο της κατάστασης υπέρθεσης τρόπου τροχιακής γωνιακής ορμής (OAM) και σε μια μετα-επιφάνεια για να πραγματοποιηθεί ο έλεγχος του διαμήκους τρόπου πεδίου. Με βάση τη γεωμετρική φάση και το σχεδιασμό φάσης μετάδοσης της δομής τεσσάρων ατόμων, η μετα-επιφάνεια μπορεί να πραγματοποιήσει τον σύνθετο έλεγχο πλάτους του πεδίου μετάδοσης που εξαρτάται από το σπιν και στη συνέχεια να δημιουργήσει κατάσταση υπέρθεσης λειτουργίας OAM 0-15 τάξης και να πραγματοποιήσει την κατακόρυφη αλλαγή της κατάστασης υπέρθεσης με τη μέθοδο "κύμα κατάψυξης". Αφού εφαρμοστεί ο οριζόντιος τρόπος κατακόρυφης αλλαγής στον κωδικοποιητή πληροφοριών, ο κωδικοποιητής πληροφοριών με χωρητικότητα 163 διαμορφώνεται σε ένα μόνο κανάλι, γεγονός που δείχνει ότι μπορεί να αυξήσει εκθετικά την τροπική χωρητικότητα του καναλιού.

Η αρχή της κωδικοποίησης και αποκωδικοποίησης πληροφοριών σε διαμήκεις διαστάσεις του οπτικού πεδίου φαίνεται στο Σχήμα 1. Οι πληροφορίες που εκπέμπονται από τον Bob στο άκρο εκπομπής μεταγλωττίζονται σε κώδικα ASCII σε πολλαπλή κατάσταση υπέρθεσης λειτουργίας OAM, η οποία υπερτίθεται από δύο τρόπους OAM των οποίων τα τοπολογικά φορτία είναι l1 και l2 αντίστοιχα. Η φωτεινή κηλίδα παρουσιάζει το σχήμα του | L1-L2 |. Αυτές οι καταστάσεις υπέρθεσης OAM φορτώνονται σε μια διάταξη δέσμης με διαμήκη μεταβολή τρόπου λειτουργίας για μετάδοση ελεύθερου χώρου χρησιμοποιώντας την αρχή του οπτικού κύματος κατάψυξης. Όταν η Alice λαμβάνει πληροφορίες στο άκρο λήψης, μπορεί να μετρήσει τις λειτουργίες οπτικού πεδίου συστοιχίας διαφορετικών επιπέδων μετάδοσης όπως z1, z2, z3 και να λάβει πληροφορίες μέσω της σωστής λειτουργίας ακολουθίας αποκωδικοποίησης.

Προκειμένου να αποδειχθεί η ικανότητα κωδικοποίησης της διαμήκους διάστασης αυτού του ειδικού πεδίου φωτός, οι πληροφορίες κωδικοποίησης που χρησιμοποιήθηκαν στο πείραμα είναι "Northwestern Polytechnical University" και το δεκαεξαδικό στοιχείο κώδικα ASCII χρησιμοποιείται για την κωδικοποίηση κάθε γράμματος στη λέξη και το διάστημα μεταξύ των λέξεων. Κάθε γράμμα αντιστοιχεί σε δύο δεκαεξαδικά ψηφία, επομένως απαιτούνται 74 λειτουργίες για να ολοκληρωθεί η αντιστοιχία ένα προς ένα μεταξύ της γωνιακής σειράς δέσμης και των κωδικοποιημένων πληροφοριών.

Το πείραμα υιοθετεί μια δέσμη συστοιχίας 5×5 και το εύρος διαμήκους διαμόρφωσης L κάθε παγωμένου κύματος χωρίζεται σε τρία τμήματα, που αντιστοιχούν σε 0 ~ 0,4 mm, >0,4 ~ 0,8 mm, > 0,8 ~ 1,2 mm. Σε ένα κανάλι παγωμένου κύματος, η συνολική χωρητικότητα των τρόπων λειτουργίας που μπορούν να μεταδώσουν κώδικα σε ένα μόνο κανάλι είναι 163 λόγω της διαμήκους διαμόρφωσης σε 3 τμήματα, κάθε τμήμα έχει 16 διαθέσιμες λειτουργίες. Το τρίτο τμήμα του κύματος παγώματος της 25ης δέσμης εξαλείφεται και το υπόλοιπο κύμα παγώματος χρησιμοποιείται για την ολοκλήρωση της κωδικοποίησης των αντίστοιχων πληροφοριών.

Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης σε z1= 0,1mm, z2= 0,5mm και z3= 0,9mm φαίνονται στο Σχήμα 2(a), όπου το m αντιπροσωπεύει τον αριθμό των σειρών, το n τον αριθμό των στηλών και ο αριθμός στην επάνω αριστερή γωνία του διαγράμματος έντασης του πεδίου φωτός αντιπροσωπεύει τις πληροφορίες γωνιακής τάξης. Τα πειραματικά αποτελέσματα φαίνονται στο Σχήμα 2(β) και δίνεται η κατανομή της έντασης του φωτεινού πεδίου που μετράται στο επίπεδο z1= 0,1mm, z2= 0,5mm, z3= 0,9mm.

Όπως φαίνεται στο Σχήμα 2, τα αποτελέσματα των πειραματικών μετρήσεων είναι σύμφωνα με τα αποτελέσματα της αριθμητικής προσομοίωσης και οι δέσμες συστοιχιών δείχνουν όλες μια κατάσταση υπέρθεσης λειτουργίας OAM με αλλαγές κατά παραγγελία. Ξεκινώντας από την πρώτη γραμμή στο z1, δύο δεκαεξαδικά ψηφία αποκωδικοποιούνται σε μια ομάδα σε σχήμα Ζ για να λάβουν το μήνυμα "Northwestern Polytechnical University".

Θα πρέπει να σημειωθεί ότι ο αριθμός των διαμήκων αλλαγών του φωτεινού πεδίου στο πείραμα είναι μόνο 3 και η μέθοδος που προτείνεται σε αυτό το άρθρο μπορεί να επιτύχει υψηλότερη κατακόρυφη ρύθμιση, επομένως ο εκθετικός παράγοντας της αύξησης της χωρητικότητας του καναλιού μπορεί να βελτιωθεί περαιτέρω.

Προκειμένου να βελτιωθεί η αποτελεσματικότητα της αποκωδικοποίησης, η μέθοδος απεικόνισης διαχωρισμένου επιπέδου μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για να ληφθεί η κατανομή φωτεινού πεδίου πολλαπλών διαμήκων επιπέδων ταυτόχρονα. Σύμφωνα με τα χαρακτηριστικά διάδοσης των κυμάτων φωτός, εάν η πληροφορία μιγαδικού πλάτους του πεδίου φωτός μετρηθεί σε ένα μόνο επίπεδο, η μιγαδική κατανομή πλάτους άλλων επιπέδων μπορεί επίσης να ληφθεί με αριθμητικό υπολογισμό και, στη συνέχεια, μπορεί να ληφθεί η λειτουργία φωτεινού πεδίου πολλαπλών διαμήκων επιπέδων. Επιπλέον, με την εισαγωγή μεθόδων βαθιάς μάθησης, αναμένεται επίσης ότι οι διαχρονικά κωδικοποιημένες πληροφορίες μπορούν να ληφθούν από μία μόνο μέτρηση.

3.

Ανακεφαλαιώνω

Με βάση τη μεταεπιφάνεια με ανεξάρτητο έλεγχο της κατάστασης πόλωσης και το σύνθετο πλάτος, ο ευέλικτος έλεγχος της υπέρθεσης λειτουργίας OAM στη διαμήκη διάσταση της συστοιχίας παγωμένων κυμάτων πραγματοποιείται σε αυτή την εργασία. Χρησιμοποιώντας τα φωτεινά πεδία των διαμήκων αλλαγών των τρόπων λειτουργίας, η εκθετική επέκταση ισχύος των τρόπων καναλιού πραγματοποιείται πειραματικά και η τροπική χωρητικότητα στο κανάλι αυξάνεται αποτελεσματικά.