光フィールドの垂直方向の寸法はチャネルの拡大とアップグレードに役立ちます

1.

研究の背景

自由空間光通信は、情報媒体としてレーザーを使用する一種の無線通信技術であり、大容量、高速、安全性が高いという利点があります。高速宇宙通信の発展に不可欠なツールであり、パッシブ光リモートセンシング、LiDAR、マイクロ波光子レーダーなど、さまざまな通信システムで広く利用されています。

近年、光場の振幅、周波数、時間、偏波、その他の次元の発展に伴い、光通信は再び容量危機という課題に直面しています。したがって、ますます深刻になる容量ボトルネックの問題を解決するために、ライトフィールドの空間構造（モード）が徐々に開発されています。

光場の水平制御によって得られる空間モードは、古典通信および量子通信における実現可能性を十分に証明しているが、光場のもう一つの重要な空間次元である光場の縦方向の次元は、これまで情報の符号化および復号化のプロセスには適用されていない。

2.

革新的な研究

上記の問題を解決するために、ノースウェスタン工科大学物理科学技術学部のJianlin Zhao教授とPeng Li教授のチームは、軌道角運動量（OAM）モードの重ね合わせ状態の縦方向制御と、光場モードの縦方向制御を実現するメタ面に基づくコーデック手法を提案した。 4原子構造の幾何学的位相と透過位相設計に基づいて、メタ表面はスピン依存の透過場の複雑な振幅制御を実現し、0〜15次のOAMモード重ね合わせ状態を生成し、「凍結波」法によって重ね合わせ状態の垂直変化を実現できます。垂直変化の水平モードを情報コーデックに適用すると、モード容量 163 の情報コーデックが単一チャネルで実現され、チャネルのモード容量を指数関数的に増加できることがわかります。

光フィールドの縦方向の次元で情報を符号化および復号化する原理を図 1 に示します。送信側のボブによって発信された情報は、複数の OAM モードの重ね合わせ状態に ASCII コードにコンパイルされ、トポロジカルチャージがそれぞれ l1 および l2 である 2 つの OAM モードによって重ね合わされます。光点は | の形を示します。 L1-L2 |。これらの OAM 重ね合わせ状態は、光凍結波の原理を使用した自由空間伝送用の縦モード変化を備えたビーム アレイにロードされます。アリスが受信側で情報を取得すると、z1、z2、z3 などのさまざまな伝送面のアレイ光フィールド モードを測定し、正しい復号シーケンス操作を通じて情報を取得できます。

この特別なライトフィールドの縦次元コーディング能力を証明するために、実験で使用されたエンコーディング情報は「ノースウェスタン工科大学」であり、ASCII 16 進コード要素を使用して単語内の各文字と単語間のスペースがエンコードされます。各文字は 2 つの 16 進数に対応するため、ビーム角度次数とエンコードされた情報の間で 1 対 1 の対応を完了するには 74 のモードが必要です。

実験では5×5アレイビームを採用し、各冷凍波の縦変調範囲Lは0〜0.4mm、>0.4〜0.8mm、>0.8〜1.2mmに対応する3つのセグメントに分割されました。単一のフローズン ウェーブ チャネルでは、3 つのセグメントで縦変調が行われるため、単一チャネルでコードを送信できるモードの合計容量は 163 であり、各セグメントには 16 の使用可能なモードがあります。 25 番目のビーム フリーズ波の 3 番目のセグメントは削除され、残りのフリーズ波は対応する情報のエンコードを完了するために使用されます。

z1= 0.1mm、z2= 0.5mm、z3= 0.9mm でのシミュレーション結果を図 2(a) に示します。ここで、m は行数を表し、n は列数を表し、光照射野強度図の左上隅の数字は角度次数の情報を表します。実験結果を図 2(b)に示します。z1= 0.1mm、z2= 0.5mm、z3= 0.9mm の平面で測定されたライトフィールドの強度分布が示されています。

図2に示すように、実験による測定結果は数値シミュレーション結果と一致しており、アレイビームはすべて、オンデマンドで変化するOAMモードの重ね合わせ状態を示しています。 z1 の最初の行から開始して、2 つの 16 進数が Z 字型の順序でグループにデコードされ、「Northwestern Polytechnical University」というメッセージが取得されます。

実験におけるライトフィールドの縦モード変化の数はわずか3回であり、この論文で提案された方法はより高い垂直制御を達成できるため、チャネル容量増加の指数係数をさらに改善できることに注意してください。

デコード効率を向上させるために、分割面イメージングの方法を使用して、複数の縦方向の面のライトフィールド分布を一度に取得することもできます。光波の伝播特性によれば、ライトフィールドの複素振幅情報が単一面で測定されれば、他の面の複素振幅分布も数値計算によって取得でき、複数の縦面のライトフィールドモードを取得できます。また、深層学習手法の導入により、一度の計測から縦方向に符号化された情報が得られることも期待されています。

3.

まとめる

本論文では,偏光状態と複素振幅を独立に制御するメタサーフェスに基づいて,フローズンウェーブアレイの長手方向次元におけるOAMモード重畳の柔軟な制御を実現した。モードの縦方向変化のライトフィールドを使用することにより、チャネルモードのパワーの指数関数的拡大が実験的に実現され、チャネル内のモード容量が効果的に増加します。