Le concept de transmission multiplexée OAM compatible SMART sur les canaux de diffusion. L'information est codée dans un état de superposition de moment angulaire orbital (OAM) de la lumière. Un faisceau vortex porteur de données se propage à travers les canaux de diffusion. Au récepteur, la méthode SMART récupère le champ d'origine à partir des taches aléatoires dispersées et termine le démultiplexage OAM à partir du champ récupéré. Sur cette base, les données portées par la lumière peuvent être extraites du spectre OAM reconstruit. Crédit :Lumière :Science &Applications, doi :https://doi.org/10.1038/s41377-019-0140-3.
Une communication optique haute capacité peut être réalisée en multiplexant plusieurs canaux de moment angulaire orbital (OAM) porteurs de lumière. Cependant, dans des environnements turbulents, la diffusion optique et les « motifs de chatoiement » se produisent en raison de l'environnement, microparticules atmosphériques et diminuent significativement l'orthogonalité entre les canaux OAM, démultiplexage (extraction d'informations) et augmentation de la diaphonie pendant la communication. Dans une étude récente maintenant publiée dans Lumière :science et applications , Lei Gong et ses collègues des départements d'optique et d'ingénierie optique, ingénierie médicale, le génie électrique et les sciences physiques en Chine et aux États-Unis ont développé une « technique de récupération assistée par matrice de diffusion » (SMART) pour récupérer efficacement les données dispersées à partir de canaux OAM multiplexés. Dans l'étude, ils utilisaient 24 canaux OAM en parallèle, passer à travers un milieu diffusant pour démultiplexer les canaux des champs optiques diffusés et obtenir une diaphonie expérimentale minimale d'environ -13,8 dB.
Les scientifiques ont décodé les informations de plusieurs faisceaux lumineux en torsion qui ont traversé des supports dispersés contenant des microparticules atmosphériques (causant une qualité d'image réduite) et ont plutôt récupéré des données de haute qualité à partir des canaux OAM multiplexés. La plate-forme SMART a permis une transmission d'images haute fidélité et a réduit le taux d'erreur de 21 fois par rapport aux études précédentes. Gong et al. imaginez que la technique optimisée facilitera le transfert de données optiques de haute qualité dans des conditions atmosphériques difficiles ou sous l'eau pour des applications pratiques.
Les scientifiques ont mis en œuvre la configuration expérimentale dans un système de transmission de données auto-construit, en utilisant un dispositif numérique à micromiroir (DMD) pour coder les canaux OAM. Ils ont simultanément fourni une tolérance élevée au désalignement dans la configuration grâce à un étalonnage sans référence. Ils ont ensuite démontré avec succès la transmission haute fidélité des images grises et couleur dans des conditions de diffusion, à un taux d'erreur de <0,08 pour cent. La technique peut ouvrir la voie à une communication optique haute performance dans des environnements turbulents.
La lumière est un vecteur d'informations pendant la communication et les scientifiques ont traditionnellement cherché à améliorer sa capacité de transport d'informations et son efficacité spectrale en multiplexant la longueur d'onde, polarisation et degré de liberté spatiale pour une meilleure communication des données. L'OAM de la lumière, reconnu par Les Allen en 1992, est considéré comme un degré de liberté prometteur pour multiplexer les données dans l'espace libre et les fibres optiques à l'échelle nanométrique. Un faisceau lumineux portant un OAM est caractérisé par un front d'onde hélicoïdal, est supérieur au moment cinétique de spin à deux états, et offre des canaux illimités pour la transmission de données. En raison de ses propriétés uniques, Le multiplexage OAM est largement appliqué pour obtenir une communication à haute capacité dans l'espace libre et les fibres optiques.
Lorsque la lumière se propage à travers des milieux diffusants ou des systèmes multimodes, des motifs de mouchetures bien connus peuvent résulter de l'auto-interférence de la lumière brouillée à plusieurs reprises. Bien que les motifs de mouchetures diffèrent de la lumière incidente, les informations codées sont conservées dans les taches et jamais perdues. En réalité, Les motifs de mouchetures dépendent des propriétés temporelles et spatiales de la lumière incidente pour extraire et utiliser les informations à l'intérieur des mouchetures.
Mise en place expérimentale et caractérisation de la plateforme SMART. a Configuration expérimentale de la plateforme SMART. b–d Récupération de champ d'un champ incident connu. Pour un champ de superposition LG donné (x; (b)), une tache d'intensité brute avec un seul coup (y*y; (c)) est enregistrée. Le champ récupéré (x'; (d)) est obtenu en utilisant le SMART. Les symboles A et désignent l'amplitude et la phase des champs, respectivement. e Une comparaison entre le spectre OAM mesuré par le SMART et le spectre théorique. Crédit :Lumière :Science &Applications, doi :https://doi.org/10.1038/s41377-019-0140-3.
Dans le travail present, Gong et al. a proposé le système SMART pour extraire avec précision les états OAM codés à partir de la lumière à diffusion multiple. Les scientifiques ont d'abord utilisé la technique avec une matrice de diffusion à corrélation de taches pour récupérer le champ optique d'un faisceau vortex porteur de données. La lumière contenait des états de superposition OAM et le système SMART a démultiplexé chaque canal OAM en utilisant la méthode de décomposition de mode.
Pour tester la validité du système, les scientifiques ont construit un système de transmission de données optique sans fil dans un environnement de diffusion multiple. Notamment, le système SMART a montré une bonne tolérance au désalignement du système et a permis une connexion sans visibilité directe (NLOS) pour une utilisation dans la communication optique. Après avoir subi une diffusion multiple, le faisceau de vortex porteur de données a généré un motif de speckle aléatoire, qui a été enregistré par une caméra puis analysé à l'aide du système SMART.
Pour valider expérimentalement le système, Gong et al. construit une liaison de transmission de données optique basée sur un dispositif numérique à micromiroir (DMD). L'installation contenait un laser He-Ne comme source de lumière et un extenseur de faisceau avec un grossissement spécifié, pour régler la taille du faisceau laser. Les scientifiques ont installé une commutation de mode à grande vitesse dans le système pour acquérir des images de manière synchrone, qui a également été utilisé pour exécuter des calculs numérisés dans la plate-forme SMART.
Les scientifiques ont utilisé un diffuseur optique pour imiter un environnement de diffusion optique dans l'expérience, qu'ils ont inséré dans le chemin de transmission. Gong et al. a ensuite introduit une technique développée via l'optimisation du front d'onde parallèle pour un étalonnage rapide sans référence au sein de la même configuration.
Relation d'orthogonalité mesurée entre les états OAM dispersés. a La coïncidence mesurée entre les états OAM avec leurs charges topologiques de ln = –12 à ln = 12 à un intervalle de 1. La diaphonie maximale est de −9,4 dB. b La coïncidence mesurée pour une autre base OAM (ln = –24, –22, ···, 24) avec un intervalle d'état de 2. La diaphonie maximale est de –13,8 dB. Crédit :Lumière :Science &Applications, doi :https://doi.org/10.1038/s41377-019-0140-3
Après avoir réduit le potentiel de diaphonie dans la configuration expérimentale, les scientifiques ont mesuré le niveau de diaphonie à -13,8 dB dans le système, acceptable pour des applications pratiques. La technique a montré une bonne tolérance et une immunité au désalignement, indiquant que la plate-forme SMART était robuste pour une mise en œuvre pratique et avantageuse pour le transfert de données SMART.
Pour transférer des données optiques sous diffusion, Gong et al. utilisé une méthode numérique et codé les données binaires transportées dans des états OAM multiplexés en un seul faisceau laser. Pendant le transfert de données, les scientifiques ont permis le codage de l'information en générant directement un champ lumineux qui représentait l'état de superposition OAM. Par exemple, une image en niveaux de gris avec 256 niveaux de gris a été représentée avec un octet numérique binaire avec 8 bits; où chaque bit prenait une valeur de 0-1. Pour coder l'octet, les scientifiques ont utilisé un état de superposition OAM contenant 8 bases OAM, où chacun est corrélé à un bit. Par exemple, le niveau de gris de 111 a l'octet binaire de '01101111' dans le spectre OAM.
En utilisant des critères simples dérivés de l'étude, les scientifiques ont montré que le spectre OAM récupéré avec la plate-forme SMART était en bon accord avec le résultat théorique. En suivant la stratégie expérimentale développée dans le travail, Gong et al. transféré une image grise (rubik's cube) à travers un milieu diffusant. Expérimentalement, les scientifiques ont reçu l'image transférée avec un taux d'erreur de zéro ; défini comme le rapport des pixels incorrects dans l'image décodée à tous les pixels de l'image, indiquant que tous les pixels de l'image ont été parfaitement transférés. Les scientifiques ont attribué les performances élevées à la faible erreur de chaque canal OAM dans le spectre récupéré.
un schéma de codage en niveaux de gris utilisant le multiplexage 8-OAM pour transférer des images en niveaux de gris. b Spectres OAM théoriques et expérimentaux du niveau de gris 111. c Exemple d'images en niveaux de gris envoyées et reçues (Rubik's Cube, 100 × 100 pixels) dans une expérience de transmission de données. Le Rubik's Cube® a été utilisé avec la permission de Rubik's Brand Ltd (www.rubiks.com). Un taux d'erreur de 0 a été atteint pour cette transmission d'image. d L'erreur relative RMSE/PK de tous les niveaux de gris contenus dans l'image en (c). e Schéma de codage RVB utilisant le multiplexage 24-OAM, appliqué aux images en couleur. F, g Les résultats correspondants pour le transfert optique d'une image couleur d'un Rubik's Cube. Un taux d'erreur de 0,08 % a été atteint pour le transfert de données d'image couleur. h L'erreur relative RMSE/PK de toutes les couleurs contenues dans l'image en (g) Crédit :Lumière :Science &Applications, doi :https://doi.org/10.1038/s41377-019-0140-3.
Pour transférer une image couleur, Gong et al. utilisé un état de superposition de 24 composants OAM pour coder les données. Les scientifiques ont vérifié la transmission expérimentale et théorique des données, tout en indiquant que la plateforme s'est bien comportée pour la transmission des données. Sur la base de ces résultats, les scientifiques ont transféré une image couleur du Rubik's cube avec un taux d'erreur de 0,08 %, plus élevé qu'auparavant mais promettant une erreur inférieure dans la transmission des données. En plus du transfert de données numériques binaires, les scientifiques ont montré que la plateforme SMART avait un grand potentiel pour des analyses spectrales complexes et la mesure de phase.
De cette façon, Gong et al. introduit une plate-forme SMART pour la récupération de données, qui, par rapport aux systèmes démultiplexés OAM précédents, offrait deux avantages clés en :
1. Utiliser une méthode numérique pour identifier chaque canal OAM.
2. Récupération de l'état de superposition OAM à partir de taches très dispersées, puis démultiplexage de chaque canal OAM pour la récupération des données.
une, b) Les parties réelles (cercles bleus) et imaginaires (carrés verts) des coefficients OAM mesurés avec une phase dépendante de ln ϕ(ln)=πln/24+ϕ0, avec des déphasages prédéfinis de ϕ0 = 0 (a) et π (b). Les données théoriques sont tracées sous forme de lignes bleues et rouges. c, d La différence de phase correspondante (diff.) (ln) entre la phase calculée ϕ(ln) tracée en fonction de ln. L'ajustement linéaire (traits pleins) à la différence de phase est calculé. Les barres d'erreur sont calculées comme l'erreur standard de 20 mesures. Crédit :Lumière :Science &Applications, doi :https://doi.org/10.1038/s41377-019-0140-3.
Les limites de la méthode comprenaient la nécessité d'un pré-étalonnage et d'un traitement des données, qui étaient expérimentalement chronophages. La transmission de données basée sur OAM a fonctionné sur une distance de 3 mètres dans un environnement de laboratoire, les scientifiques ont effectué l'analyse des données sur un ordinateur personnel. Pour les transmissions longue distance, ils proposent d'utiliser un laser de plus forte puissance, une lentille collectrice à plus grande ouverture et un bon alignement dans le système optique pour améliorer le rapport signal sur bruit (SNR).
Le prototype SMART proposé peut être encore optimisé avant les applications pratiques. La technique offrira des opportunités de communication optique sans fil haute performance dans des conditions de diffusion, communication par fibre optique multimode et communication optique sous-marine dure. Les résultats bénéficieront également à la communication quantique basée sur OAM, distribution de clés quantiques de grande dimension, cryptage quantique et mémoire quantique pour un transfert de données efficace dans des environnements turbulents.
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