يساعد البعد الرأسي للمجال البصري على توسيع القناة وترقيتها

1.

خلفية البحث

يعد الاتصال البصري في الفضاء الحر نوعًا من تكنولوجيا الاتصالات اللاسلكية باستخدام الليزر كحامل للمعلومات، والذي يتميز بمزايا السعة الكبيرة والسرعة العالية والسلامة الجيدة. إنها أداة لا غنى عنها لتطوير الاتصالات الفضائية عالية السرعة، وقد تم استخدامها على نطاق واسع في أنظمة الاتصالات المختلفة، مثل الاستشعار البصري السلبي عن بعد، وLiDAR، ورادار فوتون الموجات الدقيقة، وما إلى ذلك.

في السنوات الأخيرة، مع تطور سعة المجال البصري والتردد والوقت والاستقطاب والأبعاد الأخرى، تواجه الاتصالات البصرية مرة أخرى تحدي أزمة القدرة. لذلك، تم تطوير البنية المكانية (الوضع) لحقل الضوء تدريجيًا لحل مشكلة اختناق القدرة المتزايدة الخطورة.

على الرغم من أن الأوضاع المكانية التي تم الحصول عليها عن طريق التحكم الأفقي في المجال البصري قد أثبتت جدواها تمامًا في الاتصالات الكلاسيكية والكمومية، إلا أن البعد الطولي للمجال البصري، وهو بُعد مكاني مهم آخر للمجال البصري، لم يتم تطبيقه في عملية تشفير المعلومات وفك تشفيرها حتى الآن.

2.

البحوث المبتكرة

من أجل حل المشاكل المذكورة أعلاه، اقترح فريق البروفيسور جيانلين تشاو والبروفيسور بينج لي من كلية العلوم الفيزيائية والتكنولوجيا بجامعة نورث وسترن للفنون التطبيقية طريقة ترميز تعتمد على التحكم الطولي في حالة تراكب وضع الزخم الزاوي المداري (OAM) وسطح فوقي لتحقيق التحكم الطولي في وضع المجال البصري. استنادًا إلى تصميم الطور الهندسي ومرحلة النقل للهيكل المكون من أربع ذرات، يمكن للسطح السطحي تحقيق التحكم المعقد في السعة لمجال النقل المعتمد على الدوران، ثم إنشاء حالة تراكب وضع OAM من 0 إلى 15 ترتيبًا، وتحقيق التغيير الرأسي لحالة التراكب عن طريق طريقة "موجة التجميد". بعد تطبيق الوضع الأفقي للتغيير الرأسي على برنامج ترميز المعلومات، يتم تحقيق برنامج ترميز المعلومات بسعة نمطية تبلغ 163 في قناة واحدة، مما يوضح أنه يمكنه زيادة سعة الوسائط للقناة بشكل كبير.

يظهر في الشكل 1. مبدأ تشفير المعلومات وفك تشفيرها في الأبعاد الطولية للمجال البصري. يتم تجميع المعلومات المنبعثة من Bob في نهاية الإرسال في كود ASCII في حالة تراكب وضع OAM متعددة، والتي يتم تركيبها بواسطة وضعين OAM تكون شحنتهما الطوبولوجية l1 وl2 على التوالي. بقعة الضوء تمثل شكل | L1-L2 |. يتم تحميل حالات تراكب OAM هذه في مصفوفة شعاع مع اختلاف الوضع الطولي لنقل المساحة الحرة باستخدام مبدأ موجة التجميد البصري. عندما تحصل أليس على معلومات عند الطرف المتلقي، يمكنها قياس أوضاع المجال البصري لمستويات الإرسال المختلفة مثل z1 وz2 وz3 والحصول على المعلومات من خلال عملية تسلسل فك التشفير الصحيحة.

من أجل إثبات قدرة تشفير البعد الطولي لهذا المجال الضوئي الخاص، فإن معلومات التشفير المستخدمة في التجربة هي "جامعة نورث وسترن بوليتكنيكال"، ويتم استخدام عنصر الكود الست عشري ASCII لتشفير كل حرف في الكلمة والمسافة بين الكلمات. يتوافق كل حرف مع رقمين سداسي عشري، لذلك هناك حاجة إلى 74 وضعًا لإكمال المراسلات الفردية بين الترتيب الزاوي للحزمة والمعلومات المشفرة.

تعتمد التجربة شعاع صفيف 5 × 5، وينقسم نطاق التعديل الطولي L لكل موجة مجمدة إلى ثلاثة أجزاء، تتوافق مع 0 ~ 0.4 مم، > 0.4 ~ 0.8 مم، > 0.8 ~ 1.2 مم. في قناة موجة متجمدة واحدة تكون السعة الإجمالية للأنماط التي يمكنها نقل الكود في قناة واحدة هي 163 بسبب التشكيل الطولي في 3 مقاطع، كل مقطع لديه 16 وضع متاح. يتم التخلص من الجزء الثالث من موجة تجميد الشعاع الخامس والعشرين، ويتم استخدام موجة التجميد المتبقية لإكمال تشفير المعلومات المقابلة.

تظهر نتائج المحاكاة عند z1 = 0.1 مم، وz2 = 0.5 مم، وz3 = 0.9 مم في الشكل 2 (أ)، حيث يمثل m عدد الصفوف، ويمثل n عدد الأعمدة، ويمثل الرقم الموجود في الزاوية اليسرى العليا من مخطط شدة مجال الضوء معلومات الترتيب الزاوي. وتظهر النتائج التجريبية في الشكل 2 (ب)، ويتم إعطاء توزيع كثافة مجال الضوء المقاس في المستوى z1 = 0.1 مم، z2 = 0.5 مم، z3 = 0.9 مم.

كما هو مبين في الشكل 2، تتوافق نتائج القياس التجريبي مع نتائج المحاكاة العددية، وتظهر جميع حزم الصفيف حالة تراكب لوضع OAM مع تغييرات حسب الطلب. بدءًا من السطر الأول عند z1، يتم فك تشفير رقمين سداسي عشري في مجموعة بترتيب على شكل Z للحصول على الرسالة "جامعة نورث وسترن بوليتكنيكال".

تجدر الإشارة إلى أن عدد تغييرات الوضع الطولي لحقل الضوء في التجربة هو 3 فقط، والطريقة المقترحة في هذه الورقة يمكن أن تحقق تنظيمًا رأسيًا أعلى، لذلك يمكن تحسين العامل الأسي لنمو سعة القناة بشكل أكبر.

من أجل تحسين كفاءة فك التشفير، يمكن أيضًا استخدام طريقة التصوير المنقسم للحصول على توزيع مجال الضوء لمستويات طولية متعددة في وقت واحد. وفقًا لخصائص انتشار موجات الضوء، إذا تم قياس معلومات السعة المعقدة لحقل الضوء في مستوى واحد، فيمكن أيضًا الحصول على توزيع السعة المعقدة للطائرات الأخرى عن طريق الحساب الرقمي، ومن ثم يمكن الحصول على وضع مجال الضوء للمستويات الطولية المتعددة. بالإضافة إلى ذلك، من خلال إدخال أساليب التعلم العميق، من المتوقع أيضًا أن يتم الحصول على المعلومات المشفرة طوليًا من قياس واحد.

3.

تلخيص

استنادًا إلى السطح العلوي مع التحكم المستقل في حالة الاستقطاب والسعة المعقدة، تم تحقيق التحكم المرن في تراكب وضع OAM في البعد الطولي لمجموعة الموجات المجمدة في هذه الورقة. باستخدام الحقول الضوئية للتغيرات الطولية للأوضاع، يتم تحقيق التوسع الأسي للطاقة لأوضاع القناة بشكل تجريبي، وتزداد سعة الوسائط في القناة بشكل فعال.