Il concetto di trasmissione multiplex OAM abilitata per SMART attraverso i canali di dispersione. Le informazioni sono codificate in uno stato di sovrapposizione del momento angolare orbitale (OAM) della luce. Un fascio di vortici che trasporta dati si propaga attraverso i canali di diffusione. Al ricevitore, il metodo SMART recupera il campo originale dalle macchie casuali sparse e completa il demultiplexing OAM dal campo recuperato. Su questa base, i dati trasportati dalla luce possono essere estratti dallo spettro OAM ricostruito. Credito:Luce:scienza e applicazioni, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-019-0140-3.
La comunicazione ottica ad alta capacità può essere realizzata multiplexando più canali del momento angolare orbitale (OAM) che trasportano la luce. Però, in ambienti turbolenti, scattering ottico e "macchiature" si verificano a causa dell'ambiente, microparticelle atmosferiche e diminuiscono significativamente l'ortogonalità tra i canali OAM, demultiplexing (estrazione di informazioni) e aumento della diafonia durante la comunicazione. In un recente studio ora pubblicato in Luce:scienza e applicazioni , Lei Gong e collaboratori presso i dipartimenti di ottica e ingegneria ottica, ingegneria medica, l'ingegneria elettrica e le scienze fisiche in Cina e negli Stati Uniti hanno sviluppato una "tecnica di recupero assistita da matrice di dispersione" (SMART) per recuperare in modo efficiente i dati sparsi dai canali OAM multiplexati. Nello studio, usavano 24 canali OAM in parallelo, passando attraverso un mezzo di diffusione per demultiplare i canali dai campi ottici dispersi e ottenere una diafonia sperimentale minima che si avvicina a -13,8 dB.
Gli scienziati hanno decodificato le informazioni di più raggi di luce a torsione che sono passati attraverso supporti dispersi contenenti microparticelle atmosferiche (causando una riduzione della qualità dell'immagine) e hanno invece recuperato dati di alta qualità dai canali OAM multiplexati. La piattaforma SMART ha consentito la trasmissione di immagini ad alta fedeltà e ha ridotto il tasso di errore di 21 volte rispetto agli studi precedenti. Gong et al. immagina che la tecnica ottimizzata faciliterà il trasferimento di dati ottici di alta qualità in condizioni atmosferiche difficili o sott'acqua per applicazioni pratiche.
Gli scienziati hanno implementato la configurazione sperimentale in un sistema di trasmissione dati autocostruito, impiegando un dispositivo digitale a microspecchi (DMD) per codificare i canali OAM. Hanno fornito contemporaneamente un'elevata tolleranza al disallineamento nella configurazione attraverso la calibrazione senza riferimento. Hanno quindi dimostrato con successo la trasmissione ad alta fedeltà di immagini grigie e a colori in condizioni di dispersione, con un tasso di errore di <0,08%. La tecnica può aprire la strada a comunicazioni ottiche ad alte prestazioni in ambienti turbolenti.
La luce è un vettore di informazioni durante la comunicazione e gli scienziati hanno tradizionalmente mirato a migliorare la sua capacità di trasporto di informazioni e l'efficienza spettrale multiplexando la lunghezza d'onda, polarizzazione e grado di libertà spaziale per una migliore comunicazione dei dati. L'OAM di luce, riconosciuto da Les Allen nel 1992, è considerato un promettente grado di libertà per multiplexare i dati nello spazio libero e nelle fibre ottiche su scala nanometrica. Un raggio di luce che trasporta un OAM è caratterizzato da un fronte d'onda elicoidale, è superiore al momento angolare di spin con due stati, e offre canali illimitati per la trasmissione dei dati. Grazie alle sue proprietà uniche, Il multiplexing OAM è ampiamente applicato per ottenere comunicazioni ad alta capacità nello spazio libero e nelle fibre ottiche.
Quando la luce si propaga attraverso mezzi di diffusione o sistemi multimodali, modelli ben noti di macchioline possono derivare dall'auto-interferenza della luce multiplamente confusa. Mentre i modelli di macchie differiscono dalla luce incidente, le informazioni codificate vengono conservate nelle macchioline e non vengono mai perse. Infatti, i modelli di macchie dipendono dalle proprietà temporali e spaziali della luce incidente per estrarre e utilizzare le informazioni all'interno delle macchie.
Configurazione sperimentale e caratterizzazione della piattaforma SMART. a Configurazione sperimentale della piattaforma SMART. b–d Recupero sul campo di un campo incidente noto. Per un dato campo di sovrapposizione LG (x; (b)), viene registrata una macchia di intensità grezza con un singolo scatto (y*y; (c)). Il campo recuperato (x'; (d)) si ottiene utilizzando SMART. I simboli A e φ indicano l'ampiezza e la fase dei campi, rispettivamente. e Un confronto tra lo spettro OAM misurato dallo SMART e lo spettro teorico. Credito:Luce:scienza e applicazioni, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-019-0140-3.
Nel presente lavoro, Gong et al. ha proposto il sistema SMART per estrarre con precisione gli stati OAM codificati dalla luce diffusa multipla. Gli scienziati hanno dapprima impiegato la tecnica con una matrice di dispersione di correlazione speckle per recuperare il campo ottico di un raggio di vortice che trasporta dati. La luce conteneva stati di sovrapposizione OAM e il sistema SMART ha demultiplexato ogni canale OAM utilizzando il metodo di decomposizione della modalità.
Per verificare la validità del sistema, gli scienziati hanno costruito un sistema di trasmissione dati wireless ottico in un ambiente a diffusione multipla. In particolare, il sistema SMART ha mostrato una buona tolleranza al disallineamento del sistema e ha consentito la connessione non in linea di vista (NLOS) per l'uso nella comunicazione ottica. Dopo essere stato soggetto a dispersione multipla, il raggio di vortice che trasporta i dati ha generato uno schema di macchie casuali, che è stato registrato da una telecamera e poi analizzato utilizzando il sistema SMART.
Per validare sperimentalmente il sistema, Gong et al. costruito un collegamento ottico di trasmissione dati basato su un dispositivo digitale a microspecchi (DMD). La configurazione conteneva un laser He-Ne come sorgente di luce e un espansore di raggio con un ingrandimento specificato, per regolare la dimensione del raggio laser. Gli scienziati hanno installato la commutazione della modalità ad alta velocità nel sistema per acquisire immagini in modo sincrono, che è stato utilizzato anche per eseguire calcoli digitalizzati nella piattaforma SMART.
Gli scienziati hanno utilizzato un diffusore ottico per imitare un ambiente a dispersione ottica nell'esperimento, che hanno inserito nel percorso di trasmissione. Gong et al. ha poi introdotto una tecnica sviluppata tramite l'ottimizzazione del fronte d'onda parallelo per una rapida calibrazione senza riferimenti all'interno della stessa configurazione.
Relazione di ortogonalità misurata tra gli stati OAM sparsi. a La coincidenza misurata tra gli stati OAM con le loro cariche topologiche da ln = –12 a ln = 12 a un intervallo di 1. La diafonia massima è −9.4 dB. b La coincidenza misurata per un'altra base OAM (ln = –24, –22, ···, 24) con un intervallo di stato di 2. La diafonia massima è –13,8 dB. Credito:Luce:scienza e applicazioni, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-019-0140-3
Dopo aver ridotto il potenziale di diafonia nel setup sperimentale, gli scienziati hanno misurato il livello di diafonia a -13,8 dB nel sistema, accettabile per applicazioni pratiche. La tecnica ha mostrato una buona tolleranza e immunità al disallineamento, indicando che la piattaforma SMART era robusta per l'implementazione pratica e vantaggiosa per il trasferimento di dati SMART.
Per trasferire dati ottici sotto scattering, Gong et al. ha utilizzato un metodo digitale e ha codificato i dati binari trasportati negli stati OAM multiplexati in un singolo raggio laser. Durante il trasferimento dei dati, gli scienziati hanno consentito la codifica delle informazioni generando direttamente un campo luminoso che rappresentava lo stato di sovrapposizione dell'OAM. Per esempio, un'immagine in scala di grigi con 256 livelli di grigio è stata rappresentata con un byte digitale binario a 8 bit; dove ogni bit ha preso un valore da 0-1. Per codificare il byte, gli scienziati hanno utilizzato uno stato di sovrapposizione OAM contenente 8 basi OAM, dove ciascuno correlato con un bit. Ad esempio, il livello di grigio di 111 ha il byte binario di '01101111' nello spettro OAM.
Utilizzando semplici criteri derivati nello studio, gli scienziati hanno mostrato che lo spettro OAM recuperato con la piattaforma SMART era in buon accordo con il risultato teorico. Seguendo la strategia sperimentale sviluppata nel lavoro, Gong et al. trasferito un'immagine grigia (cubo di Rubik) attraverso un mezzo di diffusione. Sperimentalmente, gli scienziati hanno ricevuto l'immagine trasferita con un tasso di errore pari a zero; definito come il rapporto tra pixel errati nell'immagine decodificata e tutti i pixel dell'immagine, indicando che tutti i pixel nell'immagine sono stati trasferiti perfettamente. Gli scienziati hanno attribuito le elevate prestazioni al basso errore di ogni canale OAM nello spettro recuperato.
uno schema di codifica a livello di grigio che utilizza il multiplexing 8-OAM per il trasferimento di immagini in scala di grigi. b Spettri OAM teorici e sperimentali del livello di grigio 111. c Esempio di immagini in scala di grigi inviate e ricevute (Cubo di Rubik, 100 × 100 pixel) in un esperimento di trasmissione dati. Il Cubo di Rubik è stato utilizzato con il permesso di Rubik's Brand Ltd (www.rubiks.com). Per questa trasmissione di immagini è stato raggiunto un tasso di errore pari a 0. d L'errore relativo RMSE/PK di tutti i livelli di grigio contenuti nell'immagine in (c). e Schema di codifica RGB utilizzando il multiplexing 24-OAM, applicato alle immagini a colori. F, g I risultati corrispondenti per il trasferimento ottico di un'immagine a colori di un cubo di Rubik. È stato raggiunto un tasso di errore dello 0,08% per il trasferimento dei dati dell'immagine a colori. h L'errore relativo RMSE/PK di tutti i colori contenuti nell'immagine in (g) Credit:Light:Science &Applications, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-019-0140-3.
Per trasferire un'immagine a colori, Gong et al. impiegato uno stato di sovrapposizione di 24 componenti OAM per codificare i dati. Gli scienziati hanno verificato la trasmissione sperimentale e teorica dei dati, pur indicando che la piattaforma si è comportata bene per la trasmissione dei dati. Sulla base di questi risultati, gli scienziati hanno trasferito un'immagine a colori del cubo di Rubik con un tasso di errore dello 0,08 percento, superiore a prima ma promette un errore inferiore nella trasmissione dei dati. Oltre al trasferimento di dati digitali binari, gli scienziati hanno dimostrato che la piattaforma SMART ha un grande potenziale per analisi spettrali complesse e la misurazione della fase.
In questo modo, Gong et al. ha introdotto una piattaforma SMART per il recupero dei dati, che rispetto ai precedenti sistemi demultiplexati con OAM offriva due vantaggi chiave:
1. Utilizzo di un metodo digitale per identificare ciascun canale OAM.
2. Recupero dello stato di sovrapposizione OAM da macchie altamente disperse e quindi demultiplazione di ciascun canale OAM per il recupero dei dati.
un, b) Le parti reale (cerchi blu) e immaginaria (quadrati verdi) dei coefficienti OAM misurati con una fase dipendente da ln ϕ(ln)=πln/24+ϕ0, con sfasamenti preimpostati di ϕ0 = 0 (a) e π (b). I dati teorici sono tracciati come linee blu e rosse. C, d La differenza di fase corrispondente (diff.) Δϕ(ln) tra la fase calcolata ϕ(ln) tracciata in funzione di ln. Viene calcolato l'adattamento lineare (linee continue) alla differenza di fase. Le barre di errore sono calcolate come errore standard di 20 misurazioni. Credito:Luce:scienza e applicazioni, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-019-0140-3.
I limiti del metodo includevano la necessità di pre-calibrazione ed elaborazione dei dati, che richiedevano tempo sperimentalmente. La trasmissione dati basata su OAM operava su una distanza di 3 metri in un ambiente di laboratorio, gli scienziati hanno condotto l'analisi dei dati su un personal computer. Per la trasmissione a lunga distanza, propongono di utilizzare un laser di potenza superiore, una lente di raccolta con apertura più ampia e un buon allineamento nel sistema ottico per migliorare il rapporto segnale/rumore (SNR).
Il prototipo SMART proposto può essere ulteriormente ottimizzato prima delle applicazioni pratiche. La tecnica offrirà opportunità per comunicazioni wireless ottiche ad alte prestazioni in condizioni di scattering, comunicazione in fibra ottica multimodale e comunicazione ottica subacquea dura. I risultati andranno anche a beneficio della comunicazione quantistica basata su OAM, distribuzione della chiave quantistica ad alta dimensione, crittografia quantistica e memoria quantistica per un trasferimento dati efficiente in ambienti turbolenti.
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