El concepto de transmisión multiplexada OAM habilitada para SMART a través de canales de dispersión. La información se codifica en un estado de superposición de luz de momento angular orbital (OAM). Un haz de vórtice que transporta datos se propaga a través de los canales de dispersión. En el receptor, el método SMART recupera el campo original de las motas aleatorias dispersas y completa la demultiplexación OAM del campo recuperado. Sobre esta base, los datos transportados por la luz se pueden extraer del espectro OAM reconstruido. Crédito:Light:Science &Applications, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-019-0140-3.
La comunicación óptica de alta capacidad se puede lograr multiplexando múltiples canales de momento angular orbital portador de luz (OAM). Sin embargo, en entornos turbulentos, La dispersión óptica y los 'patrones de moteado' se producen debido al ambiente, micropartículas atmosféricas y disminuyen significativamente la ortogonalidad entre los canales OAM, demultiplexar (extraer información) y aumentar la diafonía durante la comunicación. En un estudio reciente ahora publicado en Luz:ciencia y aplicaciones , Lei Gong y compañeros de trabajo en los departamentos de óptica e ingeniería óptica, Ingeniería médica, La ingeniería eléctrica y las ciencias físicas en China y los EE. UU. desarrollaron una 'técnica de recuperación asistida por matriz de dispersión' (SMART) para recuperar de manera eficiente datos dispersos de canales OAM multiplexados. En el estudio, utilizaron 24 canales OAM en paralelo, pasando a través de un medio de dispersión para demultiplexar los canales de los campos ópticos dispersos y lograr una diafonía experimental mínima de aproximadamente -13,8 dB.
Los científicos decodificaron la información de múltiples haces de luz retorcidos que pasaron a través de medios dispersos que contienen micropartículas atmosféricas (causando una calidad de imagen reducida) y recuperaron datos de alta calidad de los canales OAM multiplexados. La plataforma SMART permitió la transmisión de imágenes de alta fidelidad y redujo la tasa de error en 21 veces en comparación con estudios anteriores. Gong y col. Imagine que la técnica optimizada facilitará la transferencia de datos ópticos de alta calidad en condiciones atmosféricas adversas o bajo el agua para aplicaciones prácticas.
Los científicos implementaron la configuración experimental en un sistema de transmisión de datos construido por ellos mismos, empleando un dispositivo de microespejos digitales (DMD) para codificar canales OAM. Simultáneamente, proporcionaron una alta tolerancia a la desalineación en la configuración a través de la calibración sin referencia. Luego demostraron con éxito la transmisión de alta fidelidad de imágenes grises y en color en condiciones de dispersión, a una tasa de error de <0,08 por ciento. La técnica puede allanar el camino para la comunicación óptica de alto rendimiento en entornos turbulentos.
La luz es un portador de información durante la comunicación y los científicos tradicionalmente han tenido como objetivo mejorar su capacidad de transporte de información y eficiencia espectral multiplexando la longitud de onda, polarización y grado de libertad espacial para mejorar la comunicación de datos. El OAM de la luz, reconocido por Les Allen en 1992, se considera un grado de libertad prometedor para multiplexar datos en el espacio libre y fibras ópticas a nanoescala. Un haz de luz que lleva un OAM se caracteriza por un frente de onda helicoidal, es superior al momento angular de giro con dos estados, y ofrece canales ilimitados para la transmisión de datos. Como resultado de sus propiedades únicas, La multiplexación OAM se aplica ampliamente para lograr una comunicación de alta capacidad en el espacio libre y en fibras ópticas.
Cuando la luz se propaga a través de medios de dispersión o sistemas multimodo, Los patrones de moteado conocidos pueden surgir de la autointerferencia de varias luces mezcladas. Si bien los patrones de motas difieren de la luz incidente, la información codificada se retiene en las motas y nunca se pierde. De hecho, Los patrones de motas dependen de las propiedades temporales y espaciales de la luz incidente para extraer y utilizar información dentro de las motas.
Configuración y caracterización experimental de la plataforma SMART. a Configuración experimental de la plataforma SMART. b – d Recuperación de campo de un campo incidente conocido. Para un campo de superposición LG dado (x; (b)), se registra un moteado de intensidad bruta con un solo disparo (y * y; (c)). El campo recuperado (x ’; (d)) se logra mediante el uso de SMART. Los símbolos A y φ denotan la amplitud y fase de los campos, respectivamente. e Una comparación entre el espectro OAM medido por el SMART y el espectro teórico. Crédito:Light:Science &Applications, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-019-0140-3.
En el presente trabajo, Gong y col. propuso el sistema SMART para extraer con precisión estados OAM codificados a partir de luz dispersa múltiple. Los científicos emplearon primero la técnica con una matriz de dispersión de correlación de puntos para recuperar el campo óptico de un haz de vórtice que transporta datos. La luz contenía estados de superposición OAM y el sistema SMART demultiplexó todos los canales OAM utilizando el método de descomposición de modos.
Para probar la validez del sistema, los científicos construyeron un sistema de transmisión de datos inalámbrico óptico en un entorno de dispersión múltiple. Notablemente, el sistema SMART mostró una buena tolerancia a la desalineación del sistema y permitió la conexión sin línea de visión (NLOS) para su uso en comunicaciones ópticas. Después de estar sujeto a múltiples dispersiones, el haz de vórtice portador de datos generó un patrón de moteado aleatorio, que fue grabado por una cámara y luego analizado usando el sistema SMART.
Para validar experimentalmente el sistema, Gong y col. construyó un enlace óptico de transmisión de datos basado en un dispositivo de microespejos digitales (DMD). La configuración contenía un láser He-Ne como fuente de luz y un expansor de haz con un aumento específico, para ajustar el tamaño del rayo láser. Los científicos instalaron un cambio de modo de alta velocidad en el sistema para adquirir imágenes de forma sincrónica, que también se utilizó para ejecutar cálculos digitalizados en la plataforma SMART.
Los científicos utilizaron un difusor óptico para imitar un entorno de dispersión óptica en el experimento. que insertaron en la ruta de transmisión. Gong y col. luego introdujo una técnica desarrollada a través de la optimización del frente de onda paralelo para una calibración rápida sin referencia dentro de la misma configuración.
Relación de ortogonalidad medida entre los estados OAM dispersos. a La coincidencia medida entre los estados OAM con sus cargas topológicas de ln =–12 a ln =12 en un intervalo de 1. La diafonía máxima es de −9,4 dB. b La coincidencia medida para otra base OAM (ln =–24, –22, ···, 24) con un intervalo de estado de 2. La diafonía máxima es –13,8 dB. Crédito:Light:Science &Applications, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-019-0140-3
Después de reducir el potencial de diafonía en la configuración experimental, los científicos midieron el nivel de diafonía a -13,8 dB en el sistema, aceptable para aplicaciones prácticas. La técnica mostró buena tolerancia e inmunidad a la desalineación, indicando que la plataforma SMART era robusta para la implementación práctica y ventajosa para la transferencia de datos SMART.
Para transferir datos ópticos en dispersión, Gong y col. utilizó un método digital y codificó los datos binarios transportados en estados OAM multiplexados en un solo rayo láser. Durante la transferencia de datos, los científicos permitieron la codificación de información generando directamente un campo de luz que representaba el estado de superposición OAM. Por ejemplo, una imagen en escala de grises con 256 niveles de gris se representó con un byte digital binario de 8 bits; donde cada bit tomó un valor de 0-1. Para codificar el byte, los científicos utilizaron un estado de superposición OAM que contenía 8 bases OAM, donde cada uno se correlaciona con un bit. Por ejemplo, el nivel de gris de 111 tiene el byte binario de '01101111' en el espectro OAM.
Utilizando criterios simples derivados del estudio, los científicos demostraron que el espectro de OAM recuperado con la plataforma SMART estaba de acuerdo con el resultado teórico. Siguiendo la estrategia experimental desarrollada en el trabajo, Gong y col. transfirió una imagen gris (cubo de Rubik) a través de un medio de dispersión. Experimentalmente, los científicos recibieron la imagen transferida con una tasa de error de cero; definido como la proporción de píxeles incorrectos en la imagen decodificada a todos los píxeles de la imagen, lo que indica que todos los píxeles de la imagen se transfirieron perfectamente. Los científicos atribuyeron el alto rendimiento al bajo error de cada canal OAM en el espectro recuperado.
un esquema de codificación de nivel de grises que utiliza multiplexación 8-OAM para transferir imágenes en escala de grises. b Espectros OAM teóricos y experimentales del nivel de gris 111. c Ejemplo de imágenes en escala de grises enviadas y recibidas (Cubo de Rubik, 100 × 100 píxeles) en un experimento de transmisión de datos. El cubo de Rubik® se utilizó con el permiso de Rubik’s Brand Ltd (www.rubiks.com). Se logró una tasa de error de 0 para esta transmisión de imagen. d El error relativo RMSE / PK de todos los niveles de gris contenidos en la imagen de (c). e Esquema de codificación RGB con multiplexación 24-OAM, aplicado a imágenes en color. F, g Los resultados correspondientes para la transferencia óptica de una imagen en color de un cubo de Rubik. Se logró una tasa de error del 0,08% para la transferencia de datos de imágenes en color. h El error relativo RMSE / PK de todos los colores contenidos en la imagen en (g) Crédito:Luz:Ciencia y Aplicaciones, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-019-0140-3.
Para transferir una imagen en color, Gong y col. empleó un estado de superposición de 24 componentes OAM para codificar los datos. Los científicos verificaron la transmisión experimental y teórica de datos, al tiempo que indica que la plataforma se comportó bien para la transmisión de datos. Con base en estos resultados, los científicos transfirieron una imagen en color del cubo de Rubik con una tasa de error del 0.08 por ciento, más alto que antes, pero promete un menor error en la transmisión de datos. Además de la transferencia de datos digitales binarios, los científicos demostraron que la plataforma SMART tenía un gran potencial para análisis espectrales complejos y la medición de fase.
De este modo, Gong y col. introdujo una plataforma SMART para la recuperación de datos, que, en comparación con los sistemas demultiplexados OAM anteriores, ofrecía dos ventajas clave:
1. Emplear un método digital para identificar cada canal OAM.
2. Recuperar el estado de superposición de OAM de puntos muy dispersos y luego demultiplexar cada canal OAM para la recuperación de datos.
a, b) Las partes real (círculos azules) e imaginaria (cuadrados verdes) de los coeficientes OAM medidos con una fase dependiente de ln ϕ (ln) =πln / 24 + ϕ0, con cambios de fase preestablecidos de ϕ0 =0 (a) y π (b). Los datos teóricos se representan como líneas azules y rojas. C, d La correspondiente diferencia de fase (dif.) Δϕ (ln) entre la fase calculada ϕ (ln) graficada como una función de ln. Se calcula el ajuste lineal (líneas continuas) a la diferencia de fase. Las barras de error se calculan como el error estándar de 20 mediciones. Crédito:Light:Science &Applications, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-019-0140-3.
Los límites del método incluían la necesidad de precalibración y procesamiento de datos, que llevaban mucho tiempo experimentalmente. La transmisión de datos basada en OAM operó a una distancia de 3 metros en un entorno de laboratorio, los científicos realizaron análisis de datos en una computadora personal. Para transmisión de larga distancia, proponen usar un láser de mayor potencia, una lente colectora de mayor apertura y una buena alineación en el sistema óptico para mejorar la relación señal / ruido (SNR).
El prototipo SMART propuesto se puede optimizar aún más antes de las aplicaciones prácticas. La técnica ofrecerá oportunidades para la comunicación inalámbrica óptica de alto rendimiento en condiciones de dispersión, comunicación de fibra óptica multimodo y comunicación óptica submarina rigurosa. Los resultados también beneficiarán a la comunicación cuántica basada en OAM, distribución de claves cuánticas de alta dimensión, cifrado cuántico y memoria cuántica para una transferencia de datos eficiente en entornos turbulentos.
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