Мультиплексирование орбитального углового момента - Orbital angular momentum multiplexing

Мультиплексирование
Multiplexing diagram.svg
Аналоговая модуляция
похожие темы

Орбитальный угловой момент (OAM) мультиплексирование это физический слой метод для мультиплексирование сигналы, передаваемые электромагнитные волны с использованием орбитальный угловой момент электромагнитных волн, чтобы различать разные ортогональные сигналы.[1]

Орбитальный угловой момент - это одна из двух форм угловой момент света. OAM отличается от, и его не следует путать с световой спин угловой момент. Спиновый угловой момент света предлагает только два ортогональный квантовые состояния соответствующие двум состояниям круговая поляризация, и может быть продемонстрировано, что он эквивалентен комбинации поляризационное мультиплексирование и фазовый сдвиг. OAM, с другой стороны, полагается на расширенный луч света и более высокие квантовые степени свободы, которые приходят с расширением. Таким образом, мультиплексирование OAM может получить доступ к потенциально неограниченному набору состояний и, как таковое, предлагает гораздо большее количество каналов, при условии только ограничений реальной оптики.[нужна цитата ]

По состоянию на 2013 годХотя мультиплексирование OAM обещает очень значительные улучшения в полосе пропускания при использовании вместе с другими существующими схемами модуляции и мультиплексирования, это все еще экспериментальный метод, который пока был продемонстрирован только в лаборатории. Вслед за ранним заявлением о том, что OAM использует новый квантовый режим распространения информации, этот метод стал неоднозначным: многочисленные исследования показывают, что его можно смоделировать как чисто классический феномен, рассматривая его как особую форму строго модулированной стратегии мультиплексирования MIMO, подчиняющейся классической теоретико-информационные границы.

По состоянию на 2020 годНовые данные, полученные в результате наблюдений с помощью радиотелескопа, позволяют предположить, что радиочастотный орбитальный угловой момент мог наблюдаться в природных явлениях в астрономических масштабах, и это явление все еще изучается.[2]

История

Мультиплексирование OAM было продемонстрировано с использованием световых лучей в свободном пространстве еще в 2004 году.[3] С тех пор исследования OAM продолжались в двух областях: радиочастота и оптическая передача.

Радиочастота

Земные эксперименты

Эксперимент 2011 года продемонстрировал OAM-мультиплексирование двух некогерентных радиосигналов на расстоянии 442 м.[4] Было заявлено, что OAM не улучшает то, что может быть достигнуто с помощью обычных радиочастотных систем на основе линейного импульса, которые уже MIMO, поскольку теоретические работы предполагают, что на радиочастотах традиционные методы MIMO могут дублировать многие из линейно-импульсных свойств радиолучей, несущих OAM, не оставляя или оставляя небольшого дополнительного прироста производительности.[5]

В ноябре 2012 года поступали сообщения о разногласиях по поводу базовой теоретической концепции мультиплексирования OAM на радиочастотах между исследовательскими группами Тамбурини и Тайда и многими различными лагерями инженеров связи и физиков, при этом некоторые заявляли, что они верят, что мультиплексирование OAM было просто реализация MIMO, и другие, придерживающиеся своего утверждения, что мультиплексирование OAM - это отдельное, экспериментально подтвержденное явление.[6][7][8]

В 2014 году группа исследователей описала реализацию канала связи более 8 миллиметровая волна каналы мультиплексируются с использованием комбинации OAM и мультиплексирования в поляризационном режиме для достижения совокупной пропускной способности 32 Гбит / с на расстоянии 2,5 метра.[9] Эти результаты хорошо согласуются с предсказаниями о сильно ограниченных расстояниях, сделанными Эдфорсом и др.[5]

Промышленный интерес к микроволновому мультиплексированию OAM на большие расстояния, похоже, снижается с 2015 года, когда некоторые из первоначальных пропагандистов связи на основе OAM на радиочастотах (включая Siae Microelettronica ) опубликовали теоретическое исследование[10] показывая, что кроме традиционных пространственное мультиплексирование с точки зрения емкости и общей занятости антенны.

Радиоастрономия

В 2019 году письмо, опубликованное в Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества представили доказательства того, что радиосигналы OAM были получены из окрестностей M87 * черная дыра находится на расстоянии более 50 миллионов световых лет, что позволяет предположить, что информация об оптическом угловом моменте может распространяться на астрономические расстояния.[2]

Оптический

Мультиплексирование OAM было опробовано в оптической области. В 2012 году исследователи продемонстрировали скорость оптической передачи с мультиплексированием OAM до 2,5Тбит / с использование 8 отдельных каналов OAM в едином луче света, но только на очень коротком пути в свободном пространстве примерно в один метр.[1][11] Продолжается работа по применению методов OAM для практических оптическая связь в свободном пространстве ссылки.[12]

Мультиплексирование OAM не может быть реализовано в существующих оптоволоконных системах большой протяженности, поскольку эти системы основаны на одномодовые волокна, которые по своей сути не поддерживают световые состояния OAM. Вместо этого необходимо использовать многомодовые или многомодовые волокна. Дополнительная проблема для реализации мультиплексирования OAM вызвана связь мод что присутствует в обычных волокнах,[13] которые вызывают изменения спинового углового момента мод при нормальных условиях и изменения орбитального углового момента при изгибе или напряжении волокон. Из-за нестабильности этого режима мультиплексирование OAM с прямым обнаружением еще не реализовано в дальняя связь. В 2012 году исследователи из Бостонского университета продемонстрировали передачу состояний OAM с чистотой 97% через 20 метров по специальным волокнам.[14] Более поздние эксперименты показали устойчивое распространение этих мод на расстояния до 50 метров.[15] и дальнейшее улучшение этого расстояния является предметом постоянной работы. Другие текущие исследования по обеспечению работы мультиплексирования OAM в будущем волоконно-оптические системы передачи включает возможность использования техник, аналогичных тем, которые используются для компенсации вращения мод в оптических поляризационное мультиплексирование.[нужна цитата ]

Альтернативой мультиплексированию OAM прямого обнаружения является вычислительно сложное когерентное обнаружение с (MIMO ) цифровая обработка сигналов (DSP) подход, который можно использовать для обеспечения связи на дальние расстояния,[16] где сильная связь мод считается полезной для систем на основе когерентного обнаружения.[17]

Вначале люди достигают мультиплексирования OAM, используя несколько фазовых пластин или пространственных модуляторов света. Мультиплексор OAM на кристалле тогда был предметом исследования. В 2012 году статья Tiehui Su и др. продемонстрировал интегрированный мультиплексор OAM.[18] Различные решения для интегрированного мультиплексора OAM были продемонстрированы Xinlun Cai в его статье в 2012 году.[19] В 2019 году Ян Маркус Бауманн и др. разработал микросхему для мультиплексирования OAM.[20]

Практическая демонстрация в волоконно-оптической системе

В статье Божиновича и др. опубликовано в Наука в 2013 году заявляет об успешной демонстрации волоконно-оптической системы передачи с мультиплексированием OAM на испытательном тракте протяженностью 1,1 км.[21][22] Испытательная система была способна использовать до 4 различных каналов OAM одновременно с использованием волокна с «вихревым» профилем показателя преломления. Они также продемонстрировали комбинированные OAM и WDM с использованием одного и того же устройства, но с использованием только двух режимов OAM.[22]

Статья Каспера Ингерслева и др. опубликованная в Optics Express в 2018 году, демонстрирует передачу без MIMO 12 мод орбитального углового момента (OAM) по оптоволокну с воздушной сердцевиной длиной 1,2 км.[23] Совместимость системы с WDM демонстрируется с использованием разнесенных каналов WDM 60, 25 ГГц с сигналами QPSK 10 Гбод.

Практическая демонстрация в обычных волоконно-оптических системах

В 2014 г. в статьях G. Milione et al. и H. Huang et al. заявили о первой успешной демонстрации волоконно-оптической системы передачи с мультиплексированием OAM на 5 км обычного оптического волокна,[24][25][26] то есть оптическое волокно, имеющее круглую сердцевину и градиентный профиль показателя преломления. В отличие от работы Bozinovic et al., В которой использовалось специальное оптическое волокно с «вихревым» профилем показателя преломления, работа G. Milione et al. и H. Huang et al. показали, что мультиплексирование OAM может использоваться в коммерчески доступных оптических волокнах с использованием цифровых MIMO постобработка для корректировки смешивания мод в волокне. Этот метод чувствителен к изменениям в системе, которые изменяют смешивание мод во время распространения, таким как изменения в изгибе волокна, и требует значительных вычислительных ресурсов для масштабирования до большего числа независимых мод, но имеет большие перспективы.

В 2018 году Цзэнцзи Юэ, Хаоран Рен, Шибяо Вэй, Цзяо Линь и Мин Гу[27] в Королевский технологический институт Мельбурна уменьшил эту технологию до размеров большого обеденного стола до небольшого чипа, который можно было бы интегрировать в сети связи. По их прогнозам, этот чип может увеличить пропускную способность оптоволоконных кабелей как минимум в 100 раз и, вероятно, выше, по мере дальнейшего развития технологии.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б Себастьян Энтони (25.06.2012). «Беспроводные вихревые лучи бесконечной емкости передают 2,5 терабит в секунду». Extremetech. Получено 2012-06-25.
  2. ^ а б Tamburini, F .; Thidé, B .; Делла Валле, М. (ноябрь 2019 г.). «Измерение вращения черной дыры M87 по наблюдаемому закрученному свету». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества: письма. Vol. 492 нет. 1. стр. L22 – L27. Дои:10.1093 / mnrasl / slz176.
  3. ^ Gibson, G .; Courtial, J .; Padgett, M. J .; Васнецов, М .; Pas'Ko, V .; Barnett, S.M .; Франке-Арнольд, С. (2004). «Передача информации в свободном пространстве с помощью световых лучей, несущих орбитальный угловой момент». Оптика Экспресс. 12 (22): 5448–5456. Bibcode:2004OExpr..12.5448G. Дои:10.1364 / OPEX.12.005448. PMID  19484105.
  4. ^ Tamburini, F .; Mari, E .; Sponselli, A .; Thidé, B .; Bianchini, A .; Романато, Ф. (2012). «Кодирование множества каналов на одной и той же частоте с помощью завихренности радиоволн: первое экспериментальное испытание». Новый журнал физики. 14 (3): 033001. arXiv:1107.2348. Bibcode:2012NJPh ... 14c3001T. Дои:10.1088/1367-2630/14/3/033001. S2CID  3570230.
  5. ^ а б Edfors, O .; Йоханссон, А. Дж. (2012). "Является ли радиосвязь на основе орбитального углового момента (OAM) неизведанной областью?". Транзакции IEEE по антеннам и распространению. 60 (2): 1126. Bibcode:2012ITAP ... 60.1126E. Дои:10.1109 / TAP.2011.2173142. S2CID  446298.
  6. ^ Джейсон Палмер (8 ноября 2012 г.). "'Идея Twisted Light по увеличению объемов данных вызывает жаркие споры ". Новости BBC. Получено 8 ноября 2012.
  7. ^ Tamagnone, M .; Craeye, C .; Перрюассо-Каррье, Дж. (2012). "Комментарий к" Кодирование многих каналов на одной и той же частоте за счет завихренности радиоволн: первый экспериментальный тест'". Новый журнал физики. 14 (11): 118001. arXiv:1210.5365. Bibcode:2012NJPh ... 14k8001T. Дои:10.1088/1367-2630/14/11/118001. S2CID  46656508.
  8. ^ Tamburini, F .; Thidé, B .; Mari, E .; Sponselli, A .; Bianchini, A .; Романато, Ф. (2012). «Ответить на комментарий к записи» Кодирование множества каналов на одной и той же частоте с помощью завихренности радиоволн: первый экспериментальный тест'". Новый журнал физики. 14 (11): 118002. Bibcode:2012NJPh ... 14k8002T. Дои:10.1088/1367-2630/14/11/118002.
  9. ^ Ян, Ю .; Xie, G .; Лавери, М. П. Дж .; Huang, H .; Ахмед, Н .; Bao, C .; Ren, Y .; Cao, Y .; Li, L .; Zhao, Z .; Molisch, A. F .; Тур, М .; Padgett, M. J .; Виллнер, А. Э. (2014). «Высокопроизводительная связь миллиметрового диапазона с мультиплексированием орбитального углового момента». Nature Communications. 5: 4876. Bibcode:2014 НатКо ... 5.4876Y. Дои:10.1038 / ncomms5876. ЧВК  4175588. PMID  25224763.
  10. ^ Олдони, Маттео; Спинелло, Фабио; Мари, Элеттра; Паризи, Джузеппе; Someda, Карло Джакомо; Тамбурини, Фабрицио; Романато, Филиппо; Раванелли, Роберто Антонио; Коассини, Пьеро; Тайд, Бо (2015). «Демультиплексирование с пространственным разделением в системах MIMO на основе орбитального углового момента». Транзакции IEEE по антеннам и распространению. 63 (10): 4582. Bibcode:2015ITAP ... 63.4582O. Дои:10.1109 / TAP.2015.2456953. S2CID  44003803.
  11. ^ "'Twisted Light "передает 2,5 терабит данных в секунду". Новости BBC. 2012-06-25. Получено 2012-06-25.
  12. ^ Джорджевич, И. Б .; Арабач, М. (2010). "Модуляция орбитального углового момента (OAM) с кодированием LDPC для оптической связи в свободном пространстве". Оптика Экспресс. 18 (24): 24722–24728. Bibcode:2010OExpr..1824722D. Дои:10.1364 / OE.18.024722. PMID  21164819.
  13. ^ McGloin, D .; Симпсон, Н. Б .; Пэджетт, М. Дж. (1998). «Передача орбитального углового момента от напряженного волоконно-оптического волновода к световому пучку». Прикладная оптика. 37 (3): 469–472. Bibcode:1998ApOpt..37..469M. Дои:10.1364 / AO.37.000469. PMID  18268608.
  14. ^ Божинович, Ненад; Стивен Голович; Пол Кристенсен; Сиддхарт Рамачандран (июль 2012 г.). «Управление орбитальным угловым моментом света с помощью оптических волокон». Письма об оптике. 37 (13): 2451–2453. Bibcode:2012OptL ... 37.2451B. Дои:10.1364 / ol.37.002451. PMID  22743418.
  15. ^ Грегг, Патрик; Пол Кристенсен; Сиддхарт Рамачандран (январь 2015 г.). «Сохранение орбитального углового момента в световодах с воздушной сердцевиной». Optica. 2 (3): 267–270. arXiv:1412.1397. Bibcode:2015 Оптический ... 2..267G. Дои:10.1364 / optica.2.000267. S2CID  119238835.
  16. ^ Риф, Роланд; Randel, S .; Gnauck, A.H .; Bolle, C .; Sierra, A .; Mumtaz, S .; Esmaeelpour, M .; Берроуз, E.C .; Essiambre, R .; Winzer, P.J .; Peckham, D.W .; McCurdy, A.H .; Лингл, Р. (февраль 2012 г.). «Мультиплексирование с разделением мод на 96 км по многомодовому волокну с использованием когерентной обработки MIMO 6 × 6». Журнал технологии световых волн. 30 (4): 521–531. Bibcode:2012JLwT ... 30..521R. Дои:10.1109 / JLT.2011.2174336. S2CID  6895310.
  17. ^ Kahn, J.M .; К.-П. Хо; М. Б. Шемирани (март 2012 г.). «Эффекты связи мод в многомодовых волокнах» (PDF). Proc. Оптического волокна коммуник. Конф.: OW3D.3. Дои:10.1364 / OFC.2012.OW3D.3. ISBN  978-1-55752-938-1. S2CID  11736404.
  18. ^ Су, Тихуэй; Скотт, Райан П .; Джорджевич, Стеван С .; Fontaine, Nicolas K .; Гейслер, Дэвид Дж .; Цай, Синьрань; Ю, С. Дж. Б. (2012-04-23). «Демонстрация когерентной оптической связи в свободном пространстве с использованием интегрированных кремниевых устройств фотонного орбитального углового момента». Оптика Экспресс. 20 (9): 9396–9402. Bibcode:2012OExpr..20.9396S. Дои:10.1364 / OE.20.009396. ISSN  1094-4087. PMID  22535028.
  19. ^ Цай, Синьлунь; Ван, Цзяньвэй; Штамм, Майкл Дж .; Джонсон-Моррис, Бенджамин; Чжу, Цзянбо; Сорель, Марк; О’Брайен, Джереми Л .; Томпсон, Марк Дж .; Ю, Сиюань (2012-10-19). «Интегрированные компактные оптические вихревые излучатели пучка». Наука. 338 (6105): 363–366. Bibcode:2012Наука ... 338..363C. Дои:10.1126 / science.1226528. ISSN  0036-8075. PMID  23087243. S2CID  206543391.
  20. ^ Бауманн, Ян Маркус; Ингерслев, Каспер; Дин, Юньхун; Франдсен, Ларс Хагедорн; Оксенлёве, Лейф Кацуо; Мориока, Тошио (2019). «Кремниевый фотонный дизайн для мультиплексора с разделением мод по орбитальному угловому моменту между кристаллами и волокном». Европейская конференция по лазерам и электрооптике 2019. IEEE: Paper pd_1_9. Дои:10.1109 / cleoe-eqec.2019.8872253. ISBN  978-1-7281-0469-0. S2CID  204822462.
  21. ^ Джейсон Палмер (28 июня 2013 г.). "'Идея витого света позволяет использовать оптоволокно со скоростью терабит ". Новости BBC.
  22. ^ а б Божинович, Н .; Yue, Y .; Ren, Y .; Тур, М .; Kristensen, P .; Huang, H .; Виллнер, А. Э .; Рамачандран, С. (2013). "Терабитное мультиплексирование с разделением мод орбитального углового момента в волокнах". Наука. 340 (6140): 1545–8. Bibcode:2013Научный ... 340.1545B. Дои:10.1126 / science.1237861. PMID  23812709. S2CID  206548907.
  23. ^ Ингерслев, Каспер; Грегг, Патрик; Галили, Михаил; Рос, Франческо Да; Ху, Хао; Бао, Фангди; Кастанеда, Марио А. Усуга; Кристенсен, Пол; Рубано, Андреа; Марруччи, Лоренцо; Ротвитт, Карстен (6 августа 2018 г.). «Режим 12, WDM, передача орбитального углового момента без MIMO». Оптика Экспресс. 26 (16): 20225–20232. Bibcode:2018OExpr..2620225I. Дои:10.1364 / OE.26.020225. ISSN  1094-4087. PMID  30119335.
  24. ^ Ричард Чиргвин (19 октября 2015 г.). "Скрученное просветление Боффинса дает начало волокну". Реестр.
  25. ^ Milione, G .; и другие. (2014). "Мультиплексор в режиме орбитально-углового момента (де): один оптический элемент для многомодовых волоконно-оптических систем на основе MIMO и без MIMO". Мультиплексор в режиме орбитально-углового момента (де): один оптический элемент для многомодовых волоконно-оптических систем на основе MIMO и без него. Конференция по оптическому волокну 2014 г.. С. M3K.6. Дои:10.1364 / OFC.2014.M3K.6. ISBN  978-1-55752-993-0. S2CID  2055103.
  26. ^ Huang, H .; Milione, G .; и другие. (2015). «Мультиплексирование с разделением мод с использованием модового сортировщика орбитального углового момента и MIMO-DSP по маломодовому оптическому волокну с градиентным показателем преломления». Научные отчеты. 5: 14931. Bibcode:2015НатСР ... 514931H. Дои:10.1038 / srep14931. ЧВК  4598738. PMID  26450398.
  27. ^ Гу, Мин; Линь, Цзяо; Вэй, Шибяо; Рен, Хаорань; Юэ, Цзэнцзи (2018-10-24). «Нанометрия углового момента в ультратонкой плазмонной топологической пленке изолятора». Nature Communications. 9 (1): 4413. Bibcode:2018НатКо ... 9.4413Y. Дои:10.1038 / s41467-018-06952-1. ISSN  2041-1723. PMID  30356063.

внешняя ссылка