Мультиплексирование орбитального углового момента - Orbital angular momentum multiplexing

Мультиплексирование орбитального углового момента ( OAM ) - это метод физического уровня для мультиплексирования сигналов, переносимых электромагнитными волнами, с использованием орбитального углового момента электромагнитных волн для различения различных ортогональных сигналов.

Орбитальный угловой момент - это одна из двух форм углового момента света . OAM отличается от спинового углового момента света , и его не следует путать с ним . Спиновый угловой момент света предлагает только два ортогональных квантовых состояния, соответствующих двум состояниям круговой поляризации , и может быть продемонстрирован как эквивалентный комбинации поляризационного мультиплексирования и фазового сдвига . 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.

По состоянию на 2013 год, хотя 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 до сих пор демонстрировался только в лаборатории. Вслед за ранним заявлением о том, что OAM использует новый квантовый режим распространения информации, этот метод стал спорным: многочисленные исследования предполагают, что его можно смоделировать как чисто классический феномен, рассматривая его как особую форму строго модулированной стратегии мультиплексирования MIMO, подчиняющейся классической схеме. теоретико-информационные границы.

По состоянию на 2020 год новые данные наблюдений с помощью радиотелескопа предполагают, что радиочастотный орбитальный угловой момент мог наблюдаться в природных явлениях в астрономических масштабах, и это явление все еще изучается.

История

Мультиплексирование OAM было продемонстрировано с использованием световых лучей в свободном пространстве еще в 2004 году. 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. Утверждалось, что OAM не улучшает то, что может быть достигнуто с помощью обычных радиочастотных систем на основе линейного импульса, которые уже используют MIMO , поскольку теоретические работы предполагают, что на радиочастотах традиционные методы MIMO могут дублировать многие из линейных импульсов. свойства радиолуча, несущего OAM, не оставляя почти никакого дополнительного прироста производительности.

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 уверены, что мультиплексирование OAM было просто реализация MIMO и другие, придерживающиеся своего утверждения, что мультиплексирование OAM является отдельным, экспериментально подтвержденным явлением.

В 2014 году группа исследователей описала реализацию канала связи по 8 каналам миллиметрового диапазона, мультиплексированных с использованием комбинации OAM и мультиплексирования в поляризационном режиме для достижения совокупной пропускной способности 32 Гбит / с на расстоянии 2,5 метра. Эти результаты хорошо согласуются с предсказаниями о сильно ограниченных расстояниях, сделанными Эдфорсом и др.

Промышленный интерес к сверхвысокочастотному мультиплексированию OAM на больших расстояниях, похоже, снижается с 2015 года, когда некоторые из первых сторонников связи на основе OAM на радиочастотах (включая Siae Microelettronica ) опубликовали теоретическое исследование, показывающее, что кроме традиционное пространственное мультиплексирование с точки зрения емкости и общей занятости антенны.

Радиоастрономия

В 2019 году письмо, опубликованное в Ежемесячных уведомлениях Королевского астрономического общества, представило доказательства того, что радиосигналы OAM были получены из окрестностей черной дыры M87 *, находящейся на расстоянии более 50 миллионов световых лет , что свидетельствует о том, что информация об оптическом угловом моменте может распространяться. на астрономические расстояния.

Оптический

Мультиплексирование OAM было опробовано в оптической области. В 2012 году исследователи продемонстрировали скорость оптической передачи с мультиплексированием OAM до 2,5 Тбит / с с использованием 8 отдельных каналов OAM в одном луче света, но только на очень коротком пути в свободном пространстве примерно в один метр. Продолжается работа по применению методов OAM к практическим оптическим линиям связи в свободном пространстве на большие расстояния .

Мультиплексирование OAM не может быть реализовано в существующих системах оптического волокна большой протяженности, поскольку эти системы основаны на одномодовых волокнах , которые по своей сути не поддерживают состояния света OAM. Вместо этого необходимо использовать многомодовые или многомодовые волокна. Дополнительная проблема для реализации мультиплексирования OAM вызвана связью мод, которая присутствует в обычных волокнах, которая вызывает изменения спинового углового момента мод при нормальных условиях и изменения орбитального углового момента, когда волокна изгибаются или подвергаются напряжению. Из-за нестабильности этого режима мультиплексирование OAM с прямым обнаружением еще не реализовано в связи на большие расстояния . В 2012 году исследователи из Бостонского университета продемонстрировали передачу состояний OAM с чистотой 97% через 20 метров по специальным волокнам. Более поздние эксперименты показали стабильное распространение этих мод на расстояния до 50 метров, и дальнейшее улучшение этого расстояния является предметом текущей работы. Другие текущие исследования по обеспечению работы мультиплексирования OAM над будущими волоконно-оптическими системами передачи включают возможность использования техник, аналогичных тем, которые используются для компенсации вращения мод при оптическом поляризационном мультиплексировании .

Альтернативой мультиплексированию OAM с прямым обнаружением является вычислительно сложный метод когерентного обнаружения с ( MIMO ) цифровой обработкой сигналов (DSP), который может использоваться для обеспечения связи на больших расстояниях, где сильная связь мод считается полезной для когерентного обнаружения. -системы.

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 соавт. продемонстрировал интегрированный мультиплексор OAM. Различные решения для интегрированного мультиплексора OAM были продемонстрированы, например, Xinlun Cai в его статье в 2012 году. В 2019 году Ян Маркус Бауманн и др. разработал микросхему для мультиплексирования OAM.

Практическая демонстрация в волоконно-оптической системе

В статье Божиновича и др. опубликованная в журнале Science в 2013 году, утверждает, что успешная демонстрация оптоволоконной системы передачи с мультиплексированием OAM на испытательном тракте протяженностью 1,1 км. Испытательная система была способна использовать до 4 различных каналов OAM одновременно, используя волокно 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.

В статье 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. 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, т. е. оптического волокна с круглой сердцевиной и градиентным профилем 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 можно использовать в коммерчески доступных оптических волокнах с помощью цифровой постобработки MIMO для корректировки смешивания мод в волокне. Этот метод чувствителен к изменениям в системе, которые изменяют смешение 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 из Королевского технологического института Мельбурна уменьшили эту технологию, уменьшив ее размер с 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

использованная литература

внешние ссылки

* Патент Siae Microelettronica

Languages

In other projects