Concepto y principio de comunicaciones ligeras flexibles que transportan datos en el espacio libre. Crédito:Informes científicos, doi:10.1038 / s41598-019-51496-z
Los haces de luz flexibles tienen aplicaciones importantes en la manipulación óptica, imagen óptica, enrutamiento micromecanizado y óptica no lineal. Los investigadores han explorado durante mucho tiempo los haces de luz curvos en lugar de los haces gaussianos tradicionales para las comunicaciones de luz de línea de visión. En un estudio reciente ahora publicado en Informes científicos , Long Zhu y un equipo de investigadores en información óptica y electrónica, en China, espacio libre propuesto y desarrollado, sistemas de comunicación de luz flexible que transportan datos entre objetivos arbitrarios para una posible multifuncionalidad. Los investigadores emplearon una señal multitono discreta (DMT) basada en modulación de amplitud en cuadratura 32 (32-QAM) para demostrar la comunicación de detección directa modulada de intensidad de luz flexible (IM-DD) en el espacio libre en presencia de tres trayectorias de luz curvas. Caracterizaron (probaron) múltiples funciones de la comunicación de luz flexible en el espacio libre para revelar que permitían que las comunicaciones ópticas fueran más flexibles, robusto y multifuncional. El trabajo abrirá una nueva dirección para explorar haces de luz especiales habilitados, comunicaciones avanzadas de luz en el espacio libre.
Los haces de luz flexibles son una nueva clase de ondas electromagnéticas asociadas con un máximo de intensidad localizado que puede propagarse a lo largo de una trayectoria curva. Los investigadores han estudiado e informado previamente clases genéricas de rayos de luz flexibles que viajan a lo largo de trayectorias elípticas y parabólicas. Los haces aireados (parecen curvarse a medida que viajan) son un tipo de haces no difractantes que mantienen su frente de onda durante la transmisión. muy parecido a las vigas de Bessel (que sólo existen en teoría, idealmente) para una comunicación óptica libre de obstrucciones. Las vigas aireadas poseen propiedades de autoaceleración, no difracción y autocuración para propagarse a lo largo de una trayectoria parabólica. Aparte de los rayos de luz, Los haces de luz flexibles pueden reconstruir su frente de onda para propagarse continuamente a lo largo de la trayectoria preestablecida. Para explorar las ventajas de los haces de luz flexibles para diversas aplicaciones, los investigadores deben desviar la luz a lo largo de trayectorias arbitrarias; que se puede lograr utilizando el método cáustico. La trayectoria deseada se puede lograr con una luz óptica cáustica para implementar en el espacio real y en el espacio de Fourier.
Los físicos habían utilizado previamente haces de aire para la transferencia de información en el espacio libre sin explorar las funcionalidades adicionales de los haces de luz flexibles. En el presente trabajo, Zhu y col. por lo tanto, estudió los haces de luz flexibles para la comunicación óptica en el espacio libre. El camino óptico es tradicionalmente una línea recta que conecta el transmisor y el receptor, sin embargo, las obstrucciones entre ellos se desarrollan como fallas de comunicación. Por lo tanto, el uso de haces de luz curvos durante la comunicación óptica en el espacio libre permite a los científicos navegar fácilmente alrededor de las obstrucciones utilizando trayectorias adecuadas. Dado que los haces de luz flexibles no difractan, pueden construir su frente de onda y continuar propagándose a lo largo de trayectorias preestablecidas. Como resultado, Los científicos pueden diseñar trayectorias específicas para enviar información a múltiples usuarios mientras evitan usuarios no deseados para construir sistemas de comunicación más flexibles y robustos.
Los detalles de implementación del transmisor y receptor en la configuración experimental. AWG:generador de forma de onda arbitraria; EDFA:amplificador de fibra dopada con erbio; PC:controlador de polarización; VOA:atenuador óptico variable; PD:fotodetector. Crédito:Informes científicos, doi:10.1038 / s41598-019-51496-z
Zhu y col. Usó modulación de luz espacial de fase única para realizar haces de luz flexibles a lo largo de trayectorias arbitrarias, incluyendo trayectorias auto-rotas. Demostraron con éxito sistemas de comunicación de detección directa modulada de intensidad de luz flexible en espacio libre (IM-DD) utilizando tres trayectorias de luz curvas diferentes. Luego, el equipo de investigación categorizó el rendimiento de la transmisión en cuatro condiciones diferentes:
Los investigadores diseñaron primero un patrón de fase específico para el control de la luz espacial utilizando un método cáustico de luz óptica para construir trayectorias de luz curvadas arbitrariamente para una mayor flexibilidad dentro del sistema de comunicación. En contraste con los haces gaussianos tradicionales, la luz flexible generada por Zhu et al. evitó las obstrucciones existentes, como se esperaba. La propiedad de autocuración del haz curvo hizo que el sistema de comunicación fuera más robusto. Luego construyeron un haz de luz curvo de trayectoria auto-interrumpido para aumentar la seguridad del sistema de comunicación para que la información de luz curvada resultante se entregue a múltiples usuarios a lo largo del camino de la luz. La luz flexible el sistema de comunicación en el espacio libre era multifuncional, flexible y robusto.
Configuración experimental de comunicaciones de luz flexible en el espacio libre. Col .:colimador; Pol .:polarizador; BE:expansor de haz; SLM:modulador espacial de luz; M:espejo; L:lente. Crédito:Informes científicos, doi:10.1038 / s41598-019-51496-z
Como prueba de concepto, Zhu y col. usó 39.06 Gbit / s, Transmisión de señal DMT 32-QAM a 1550 nm enviada al colimador para generar un haz gaussiano de espacio libre con un diámetro de haz de dos µm y una apertura numérica de 0,24. El equipo de investigación generó la luz flexible portadora de datos inmediatamente después de la alineación de la polarización de la luz utilizando un modulador de luz espacial (SLM) cargado con el patrón de fase deseado a través del método cáustico de luz óptica. Los científicos emplearon un sistema de imágenes 4-f de dos lentes para registrar la trayectoria de propagación completa y colocaron una cámara para registrar la dinámica de la luz curva flexible que se propaga y se mueve a lo largo de una etapa de traducción lineal motorizada para acoplarse al receptor para la detección de señales.
Zhu y col. generó con éxito tres haces de luz flexibles con diferentes trayectorias curvas. Primero lograron haces de luz curvos a lo largo de trayectorias parabólicas y haces de luz curvos en forma de S y observaron que las distribuciones de intensidad medidas estaban en buen acuerdo con las trayectorias prediseñadas. El equipo midió el rendimiento de la tasa de error de bits (BER) en relación con la relación señal / ruido óptica recibida (OSNR) para los tres haces de luz flexibles. Mostraron múltiples funcionalidades de comunicación de luz flexible en el espacio libre.
Resultados experimentales de las comunicaciones de luz flexible en el espacio libre a lo largo de trayectorias arbitrarias. (C.A), Distribución de intensidad medida de tres haces de luz flexibles diferentes en el plano x-z (la línea discontinua azul es la trayectoria preestablecida) y los perfiles de intensidad transversal correspondientes en z =200 mm. (D), Rendimiento de la tasa de error de bits medida (BER) de los tres diferentes haces de luz flexibles portadores de datos. Los recuadros muestran constelaciones de señales DMT 32-QAM. B-to-B:espalda con espalda. BP1-BP3 corresponden a a-c. EFEC:corrección mejorada de errores hacia adelante. Crédito:Informes científicos, doi:10.1038 / s41598-019-51496-z
Lograr esto, Primero colocaron obstrucciones a lo largo de la línea de visión entre el transmisor y el receptor y usaron un rayo gaussiano para comparar en los experimentos. Zhu y col. establecer una obstrucción (Ob1) y medir el rendimiento de BER del haz de luz en forma de S seguido de dos obstrucciones (Ob1 y Ob2), para medir la curva BER del haz de luz en forma de S (curva BP-Ob-2). Luego, los investigadores mostraron la propiedad de autocuración de las comunicaciones de luz flexible en el espacio libre utilizando una obstrucción de 0,8 mm de diámetro para bloquear la trayectoria curva de un rayo flexible en forma de S. Después de la propagación, la luz reconstruyó su frente de onda para llegar a un receptor a 300 mm de distancia como autorreparador, luz flexible portadora de datos. Tras la medición, el rendimiento de la luz reconstruida pareció similar al de la curva no bloqueada. Cuando el equipo generó un rayo de luz curvo con una trayectoria auto-rota, el lóbulo principal de la luz curva parecía faltar y se recuperó hacia la finalización de la comunicación. Si bien no pudieron detectar información en la parte rota, los científicos recibieron con éxito la información al final del haz de luz flexible.
Luego, el equipo de investigación probó el rendimiento de comunicación del haz de luz flexible para usuarios adicionales. Debido a su propiedad de autocuración, la luz curva podría entregar información a múltiples usuarios a lo largo de la trayectoria de la trayectoria de la luz curva, a diferencia de las comunicaciones de luz tradicionales en el espacio libre. El equipo colocó tres receptores a lo largo de la trayectoria de la luz y midió su rendimiento BER para demostrar un rendimiento de transmisión casi similar entre los tres receptores.
Resultados experimentales de comunicaciones de luz flexible en espacio libre para diferentes funcionalidades. (a) Distribución de intensidad medida y rendimiento de BER de la comunicación de luz flexible en condiciones de obstrucción. (b) Distribución de intensidad medida y rendimiento de BER de la comunicación de luz flexible en condiciones de autocuración. (c) Distribución de intensidad medida y rendimiento de BER de la comunicación de luz flexible auto-interrumpida. (d) Distribución de intensidad medida y rendimiento de BER de la comunicación de luz flexible para múltiples usuarios móviles. Crédito:Informes científicos, doi:10.1038 / s41598-019-51496-z
De este modo, Long Zhu y sus colegas demostraron con éxito el espacio libre, comunicaciones ligeras flexibles que transportan datos y múltiples funcionalidades categorizadas. Los resultados observados mostraron que la luz flexible podía ofrecer una dinámica, Comunicaciones ópticas de espacio libre flexibles y robustas. Los científicos esperan que el esquema sea escalable para la distancia de propagación y la compensación de flexión. El trabajo abrirá una nueva puerta para explorar haces de luz similares y facilitará amplios sistemas de comunicación de luz en el espacio libre con una versatilidad avanzada.
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