Concept et principe des communications lumineuses flexibles transportant des données en espace libre. Crédit :Rapports scientifiques, doi:10.1038/s41598-019-51496-z
Les faisceaux lumineux pliables ont des applications importantes dans la manipulation optique, imagerie optique, routage, micro-usinage et optique non linéaire. Les chercheurs ont longtemps exploré les faisceaux lumineux incurvés à la place des faisceaux gaussiens traditionnels pour les communications lumineuses en ligne de mire. Dans une étude récente maintenant publiée sur Rapports scientifiques , Long Zhu et une équipe de chercheurs en information optique et électronique, en Chine, espace libre proposé et développé, des systèmes de communication de lumière pliable porteurs de données entre des cibles arbitraires pour une multifonctionnalité potentielle. Les chercheurs ont utilisé un signal multitone discret (DMT) basé sur une modulation d'amplitude en quadrature de 32 aires (32-QAM) pour démontrer la communication par détection directe à modulation d'intensité lumineuse (IM-DD) en espace libre en présence de trois chemins lumineux incurvés. Ils ont caractérisé (testé) plusieurs fonctions de communication lumineuse flexible en espace libre pour révéler qu'elles permettaient aux communications optiques d'être plus flexibles, robuste et multifonctionnel. Le travail ouvrira une nouvelle direction pour explorer les faisceaux lumineux spéciaux activés, communications lumineuses avancées en espace libre.
Les faisceaux lumineux pliables sont une nouvelle classe d'ondes électromagnétiques associées à un maximum d'intensité localisé pouvant se propager le long d'une trajectoire courbe. Les chercheurs ont déjà étudié et signalé des classes génériques de faisceaux lumineux pliables qui se déplacent le long de trajectoires elliptiques et paraboliques. Les faisceaux aériens (semblent se courber lorsqu'ils se déplacent) sont un type de faisceaux non diffractants qui maintiennent leur front d'onde pendant la transmission, un peu comme les poutres de Bessel (qui n'existent qu'en théorie, idéalement) pour une communication optique sans obstruction. Les faisceaux aériens possèdent des propriétés d'auto-accélération, non-diffraction et auto-guérison pour se propager le long d'une trajectoire parabolique. Mis à part les poutres aérées, les faisceaux lumineux pliables peuvent reconstruire leur front d'onde pour se propager en continu le long de la trajectoire prédéfinie. Pour explorer les avantages des faisceaux lumineux pliables pour diverses applications, les chercheurs doivent diriger la lumière le long de trajectoires arbitraires; qui peut être obtenu par la méthode caustique. La trajectoire souhaitée peut être réalisée avec une optique lumineuse caustique à mettre en œuvre dans l'espace réel et dans l'espace de Fourier.
Les physiciens avaient auparavant utilisé des faisceaux aériens pour le transfert d'informations en espace libre sans explorer les fonctionnalités supplémentaires des faisceaux lumineux pliables. Dans le travail present, Zhu et al. donc étudié des faisceaux lumineux pliables pour la communication optique en espace libre. Le chemin optique est traditionnellement une ligne droite qui relie l'émetteur et le récepteur, cependant, les obstacles entre eux se développent comme un échec de la communication. L'utilisation de faisceaux lumineux incurvés lors de la communication optique en espace libre permet donc aux scientifiques de contourner facilement les obstacles en utilisant des trajectoires appropriées. Étant donné que les faisceaux lumineux pliables ne diffractent pas, ils peuvent construire leur front d'onde et continuer à se propager le long de trajectoires prédéfinies. Par conséquent, les scientifiques peuvent concevoir des trajectoires spécifiques pour envoyer des informations à plusieurs utilisateurs tout en évitant aux utilisateurs indésirables de construire des systèmes de communication plus flexibles et plus robustes.
Les détails de mise en œuvre de l'émetteur et du récepteur dans la configuration expérimentale. AWG :générateur de signaux arbitraires; EDFA :amplificateur à fibre dopée à l'erbium; PC :contrôleur de polarisation; VOA :atténuateur optique variable; PD :photodétecteur. Crédit :Rapports scientifiques, doi:10.1038/s41598-019-51496-z
Zhu et al. modulation de la lumière spatiale en phase uniquement pour réaliser des faisceaux lumineux pliables le long de trajectoires arbitraires, y compris les trajectoires auto-cassés. Ils ont démontré avec succès des systèmes de communication à détection directe modulée en intensité lumineuse (IM-DD) en espace libre utilisant trois chemins lumineux incurvés différents. L'équipe de recherche a ensuite classé les performances de transmission dans quatre conditions différentes :
Les chercheurs ont d'abord conçu un modèle de phase spécifique pour le contrôle spatial de la lumière à l'aide d'une méthode caustique de lumière optique pour construire des chemins de lumière arbitrairement courbés pour une flexibilité accrue au sein du système de communication. Contrairement aux poutres gaussiennes traditionnelles, la lumière flexible générée par Zhu et al. contourné les obstacles existants, comme prévu. La propriété d'auto-guérison du faisceau incurvé a rendu le système de communication plus robuste. Ils ont ensuite construit un faisceau lumineux incurvé à trajectoire auto-coupée pour augmenter la sécurité du système de communication pour que les informations lumineuses incurvées résultantes soient transmises à plusieurs utilisateurs le long du chemin de la lumière. La lumière pliable, le système de communication en espace libre était multifonctionnel, souple et robuste.
Configuration expérimentale des communications lumineuses flexibles en espace libre. Col. :collimateur; Pol. :polariseur; BE :extenseur de faisceau; SLM :modulateur spatial de lumière; M :miroir; L :lentille. Crédit :Rapports scientifiques, doi:10.1038/s41598-019-51496-z
Comme preuve de concept, Zhu et al. utilisé un 39,06 Gbit/s, Transmission du signal 32-QAM DMT à 1550 nm envoyé au collimateur pour générer un faisceau gaussien en espace libre avec un diamètre de faisceau de deux µm et une ouverture numérique de 0,24. L'équipe de recherche a généré la lumière pliable porteuse de données immédiatement après l'alignement de la polarisation de la lumière à l'aide d'un modulateur spatial de lumière (SLM) chargé avec le modèle de phase souhaité via la méthode optique caustique de la lumière. Les scientifiques ont utilisé un système d'imagerie à deux lentilles 4-f pour enregistrer la trajectoire de propagation complète et ont placé une caméra pour enregistrer la dynamique de la lumière incurvée pliable se propageant le long d'un étage de translation linéaire motorisé pour se coupler au récepteur pour la détection du signal.
Zhu et al. généré avec succès trois faisceaux lumineux flexibles avec différentes trajectoires incurvées. Ils ont d'abord réalisé des faisceaux lumineux incurvés le long de trajectoires paraboliques et des faisceaux lumineux incurvés en forme de S et ont observé que les distributions d'intensité mesurées étaient en bon accord avec les trajectoires préconçues. L'équipe a mesuré les performances du taux d'erreur sur les bits (BER) par rapport au rapport signal/bruit optique reçu (OSNR) pour les trois faisceaux lumineux pliables. Ils ont montré de multiples fonctionnalités de communication lumineuse flexible en espace libre.
Résultats expérimentaux de communications lumineuses flexibles en espace libre le long de trajectoires arbitraires. (a–c), Distribution d'intensité mesurée de trois différents faisceaux lumineux pliables au plan x-z (la ligne pointillée bleue est la trajectoire prédéfinie) et profils d'intensité transversaux correspondants à z = 200 mm. (ré), Performances du taux d'erreur binaire (BER) mesuré des trois différents faisceaux lumineux flexibles porteurs de données. Les encarts montrent des constellations de signaux DMT 32-QAM. B-to-B :dos à dos. BP1-BP3 correspondent à a-c. EFEC :correction d'erreur directe améliorée. Crédit :Rapports scientifiques, doi:10.1038/s41598-019-51496-z
Pour y parvenir, ils ont d'abord placé des obstacles le long de la ligne de visée entre l'émetteur et le récepteur et ont utilisé un faisceau gaussien pour la comparaison dans les expériences. Zhu et al. définir une obstruction (Ob1) et mesurer la performance BER du faisceau lumineux en forme de S suivie de deux obstructions (Ob1 et Ob2), pour mesurer la courbe BER du faisceau lumineux en forme de S (courbe BP-Ob-2). Les chercheurs ont ensuite montré la propriété d'auto-guérison des communications lumineuses pliables en espace libre en utilisant une obstruction de 0,8 mm de diamètre pour bloquer le chemin incurvé d'un faisceau pliable en forme de S. Après propagation, la lumière a reconstruit son front d'onde pour atteindre un récepteur à 300 mm de distance en tant qu'auto-guérison, lumière pliable porteuse de données. Lors de la mesure, la performance de la lumière reconstruite est apparue similaire à la courbe non bloquée. Lorsque l'équipe a généré un faisceau lumineux incurvé avec une trajectoire auto-cassé, le lobe principal de la lumière incurvée semblait être manquant et récupéré vers l'achèvement de la communication. Bien qu'ils n'aient pas pu détecter d'informations sur la partie cassée, les scientifiques ont reçu avec succès les informations à la fin du faisceau lumineux pliable.
L'équipe de recherche a ensuite testé les performances de communication du faisceau lumineux pliable pour d'autres utilisateurs. En raison de sa propriété d'auto-guérison, la lumière incurvée pourrait fournir des informations à plusieurs utilisateurs le long de la trajectoire du chemin lumineux incurvé, contrairement aux communications lumineuses traditionnelles en espace libre. L'équipe a placé trois récepteurs le long du trajet optique et mesuré leurs performances BER pour démontrer des performances de transmission presque similaires entre les trois récepteurs.
Résultats expérimentaux des communications lumineuses flexibles en espace libre pour différentes fonctionnalités. (a) Distribution d'intensité mesurée et performance BER de la communication lumineuse pliable dans des conditions d'obstruction. (b) Distribution d'intensité mesurée et performance BER de la communication lumineuse pliable dans des conditions d'auto-guérison. (c) Distribution d'intensité mesurée et performance BER de la communication lumineuse pliable auto-interrompue. (d) Distribution d'intensité mesurée et performance BER de la communication lumineuse flexible pour plusieurs utilisateurs mobiles. Crédit :Rapports scientifiques, doi:10.1038/s41598-019-51496-z
De cette façon, Long Zhu et ses collègues ont démontré avec succès l'espace libre, communications légères flexibles porteuses de données et plusieurs fonctionnalités classées. Les résultats observés ont montré que la lumière pliable pouvait fournir une dynamique, communications optiques flexibles et robustes en espace libre. Les scientifiques s'attendent à ce que le schéma soit évolutif pour la distance de propagation et le décalage de courbure. Les travaux ouvriront une nouvelle porte pour explorer des faisceaux lumineux similaires et faciliteront de vastes systèmes de communication lumineuse en espace libre avec une polyvalence avancée.
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