มิติแนวตั้งของสนามแสงช่วยขยายและอัพเกรดช่องสัญญาณ

1.

ภูมิหลังการวิจัย

การสื่อสารด้วยแสงในพื้นที่ว่างเป็นเทคโนโลยีการสื่อสารไร้สายชนิดหนึ่งที่มีเลเซอร์เป็นตัวพาข้อมูล ซึ่งมีข้อดีคือมีความจุขนาดใหญ่ ความเร็วสูง และมีความปลอดภัยที่ดี เป็นเครื่องมือที่ขาดไม่ได้สำหรับการพัฒนาการสื่อสารในอวกาศความเร็วสูง และมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในระบบการสื่อสารต่างๆ เช่น การสำรวจระยะไกลด้วยแสงแบบพาสซีฟ LiDAR เรดาร์โฟตอนไมโครเวฟ เป็นต้น

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ด้วยการพัฒนาของแอมพลิจูดของสนามแสง ความถี่ เวลา โพลาไรเซชัน และมิติอื่นๆ การสื่อสารแบบออปติคอลต้องเผชิญกับความท้าทายของวิกฤตความจุอีกครั้ง ดังนั้นโครงสร้างเชิงพื้นที่ (โหมด) ของสนามแสงจึงค่อยๆ พัฒนาขึ้นเพื่อแก้ปัญหาคอขวดด้านความจุที่ร้ายแรงมากขึ้น

แม้ว่าโหมดเชิงพื้นที่ที่ได้จากการควบคุมแนวนอนของสนามแสงได้พิสูจน์ความเป็นไปได้ในการสื่อสารแบบคลาสสิกและควอนตัมอย่างสมบูรณ์แล้ว แต่มิติตามยาวของสนามแสงซึ่งเป็นมิติเชิงพื้นที่ที่สำคัญอีกมิติหนึ่งของสนามแสงยังไม่ได้ถูกนำมาใช้ในกระบวนการเข้ารหัสและถอดรหัสข้อมูลจนถึงขณะนี้

2.

การวิจัยเชิงนวัตกรรม

เพื่อแก้ไขปัญหาข้างต้น ทีมงานของศาสตราจารย์ Jianlin Zhao และศาสตราจารย์ Peng Li แห่งคณะวิทยาศาสตร์กายภาพและเทคโนโลยีของ Northwestern Polytechnical University ได้เสนอวิธีตัวแปลงสัญญาณโดยอาศัยการควบคุมตามยาวของสถานะการซ้อนทับของโหมดโมเมนตัมเชิงมุมของวงโคจร (OAM) และ metassurface เพื่อให้เกิดการควบคุมตามยาวของโหมดสนามแสง ขึ้นอยู่กับเฟสเรขาคณิตและการออกแบบเฟสการส่งผ่านของโครงสร้างสี่อะตอม metasurface สามารถรับรู้ถึงการควบคุมแอมพลิจูดที่ซับซ้อนของสนามการส่งผ่านที่ขึ้นอยู่กับการหมุน จากนั้นสร้างสถานะการซ้อนของโหมด OAM ลำดับ 0-15 และตระหนักถึงการเปลี่ยนแปลงในแนวตั้งของสถานะการซ้อนทับโดยวิธี "คลื่นเยือกแข็ง" หลังจากใช้โหมดแนวนอนของการเปลี่ยนแปลงแนวตั้งกับตัวแปลงสัญญาณข้อมูลแล้ว ตัวแปลงสัญญาณข้อมูลที่มีความจุโมดอล 163 จะถูกรับรู้ในช่องเดียว ซึ่งแสดงให้เห็นว่าสามารถเพิ่มความจุโมดอลของช่องสัญญาณได้แบบทวีคูณ

หลักการเข้ารหัสและถอดรหัสข้อมูลในมิติตามยาวของสนามแสงจะแสดงในรูปที่ 1 ข้อมูลที่ Bob ปล่อยออกมาที่ส่วนท้ายของการส่งสัญญาณจะถูกรวบรวมเป็นโค้ด ASCII ให้เป็นสถานะการซ้อนโหมด OAM หลายโหมด ซึ่งถูกทับด้วยโหมด OAM สองโหมดซึ่งมีประจุทอพอโลยีเป็น l1 และ l2 ตามลำดับ จุดไฟแสดงรูปร่างของ | L1-L2 |. สถานะการซ้อนทับของ OAM เหล่านี้ถูกโหลดลงในอาร์เรย์ลำแสงที่มีรูปแบบโหมดตามยาวสำหรับการส่งผ่านพื้นที่ว่างโดยใช้หลักการคลื่นแช่แข็งด้วยแสง เมื่ออลิซได้รับข้อมูลที่ส่วนรับ จะสามารถวัดโหมดสนามแสงอาเรย์ของระนาบการส่งผ่านที่แตกต่างกัน เช่น z1, z2, z3 และรับข้อมูลผ่านการดำเนินการลำดับการถอดรหัสที่ถูกต้อง

เพื่อพิสูจน์ความสามารถในการเขียนโค้ดมิติตามยาวของสนามแสงพิเศษนี้ ข้อมูลการเข้ารหัสที่ใช้ในการทดลองคือ "มหาวิทยาลัยสารพัดช่างนอร์ธเวสเทิร์น" และใช้องค์ประกอบรหัสเลขฐานสิบหก ASCII เพื่อเข้ารหัสตัวอักษรแต่ละตัวในคำและช่องว่างระหว่างคำ ตัวอักษรแต่ละตัวสอดคล้องกับเลขฐานสิบหกสองหลัก ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีโหมด 74 โหมดเพื่อดำเนินการโต้ตอบแบบหนึ่งต่อหนึ่งระหว่างลำดับเชิงมุมของลำแสงและข้อมูลที่เข้ารหัส

การทดลองใช้ลำแสงอาร์เรย์ 5 × 5 และช่วงการปรับตามยาว L ของแต่ละคลื่นแช่แข็งแบ่งออกเป็นสามส่วน ซึ่งสอดคล้องกับ 0 ~ 0.4 มม. >0.4 ~ 0.8 มม. >0.8 ~ 1.2 มม. ในช่องคลื่นแช่แข็งเดี่ยว ความจุรวมของโหมดที่สามารถส่งโค้ดในช่องเดียวคือ 163 เนื่องจากการมอดูเลตตามยาวใน 3 ส่วน แต่ละส่วนมี 16 โหมดที่ใช้งานได้ ส่วนที่สามของคลื่นการแช่แข็งลำแสงที่ 25 จะถูกกำจัดออกไป และใช้คลื่นการแช่แข็งที่เหลือเพื่อเข้ารหัสข้อมูลที่เกี่ยวข้องให้เสร็จสมบูรณ์

ผลการจำลองที่ z1= 0.1 มม., z2= 0.5 มม. และ z3= 0.9 มม. แสดงในรูปที่ 2 (a) โดยที่ m แทนจำนวนแถว n แทนจำนวนคอลัมน์ และตัวเลขที่มุมซ้ายบนของแผนภาพความเข้มของสนามแสงแสดงถึงข้อมูลลำดับเชิงมุม ผลการทดลองแสดงในรูปที่ 2(b) และให้ค่าการกระจายความเข้มของสนามแสงที่วัดในระนาบ z1= 0.1 มม., z2= 0.5 มม., z3= 0.9 มม.

ดังที่แสดงในรูปที่ 2 ผลการวัดเชิงทดลองสอดคล้องกับผลการจำลองเชิงตัวเลข และลำแสงอาเรย์ทั้งหมดแสดงสถานะการซ้อนของโหมด OAM โดยมีการเปลี่ยนแปลงตามความต้องการ เริ่มต้นจากบรรทัดแรกที่ z1 เลขฐานสิบหกสองหลักจะถูกถอดรหัสเป็นกลุ่มเป็นรูปตัว Z เพื่อรับข้อความ "Northwestern Polytechnical University"

ควรสังเกตว่าจำนวนการเปลี่ยนแปลงโหมดตามยาวของสนามแสงในการทดลองมีเพียง 3 เท่านั้น และวิธีการที่เสนอในบทความนี้สามารถบรรลุการควบคุมแนวตั้งที่สูงขึ้นได้ ดังนั้นจึงสามารถปรับปรุงปัจจัยเอ็กซ์โพเนนเชียลของการเติบโตของความจุช่องสัญญาณเพิ่มเติมได้

เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการถอดรหัส ยังสามารถใช้วิธีการถ่ายภาพระนาบแยกเพื่อให้ได้การกระจายสนามแสงของระนาบตามยาวหลายอันในคราวเดียว ตามลักษณะการแพร่กระจายของคลื่นแสง หากวัดข้อมูลแอมพลิจูดที่ซับซ้อนของสนามแสงในระนาบเดียว การกระจายแอมพลิจูดที่ซับซ้อนของระนาบอื่นก็สามารถได้รับโดยการคำนวณเชิงตัวเลข จากนั้นสามารถรับโหมดสนามแสงของระนาบตามยาวหลายอันได้ นอกจากนี้ ด้วยการแนะนำวิธีการเรียนรู้เชิงลึก ยังคาดหวังว่าสามารถรับข้อมูลที่เข้ารหัสตามยาวได้จากการวัดเพียงครั้งเดียว

3.

สรุป

จาก metasurface ที่มีการควบคุมอิสระของสถานะโพลาไรเซชันและแอมพลิจูดที่ซับซ้อน การควบคุมที่ยืดหยุ่นของการวางซ้อนโหมด OAM ในมิติตามยาวของอาเรย์คลื่นแช่แข็งนั้นเกิดขึ้นได้ในบทความนี้ ด้วยการใช้สนามแสงของการเปลี่ยนแปลงตามยาวของโหมด การทดลองขยายกำลังแบบเอ็กซ์โพเนนเชียลของโหมดแชนเนล และความจุโมดอลในช่องก็เพิ่มขึ้นอย่างมีประสิทธิภาพ