Kích thước dọc của trường quang giúp mở rộng và nâng cấp kênh

1.

Bối cảnh nghiên cứu

Truyền thông quang học không gian tự do là một loại công nghệ truyền thông không dây với tia laser là vật mang thông tin, có ưu điểm là công suất lớn, tốc độ cao và độ an toàn tốt. Nó là một công cụ không thể thiếu để phát triển thông tin liên lạc không gian tốc độ cao và đã được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống thông tin liên lạc khác nhau, như viễn thám quang học thụ động, LiDAR, radar photon vi sóng, v.v.

Trong những năm gần đây, với sự phát triển của biên độ, tần số, thời gian, độ phân cực và các chiều khác của trường quang, truyền thông quang học một lần nữa phải đối mặt với thách thức khủng hoảng công suất. Do đó, cấu trúc không gian (chế độ) của trường ánh sáng đang dần được phát triển để giải quyết vấn đề tắc nghẽn công suất ngày càng nghiêm trọng.

Mặc dù các chế độ không gian thu được bằng cách điều khiển theo chiều ngang của trường quang đã chứng minh đầy đủ tính khả thi của chúng trong truyền thông cổ điển và lượng tử, nhưng chiều dọc của trường quang, một chiều không gian quan trọng khác của trường quang, cho đến nay vẫn chưa được áp dụng trong quá trình mã hóa và giải mã thông tin.

2.

Nghiên cứu đổi mới

Để giải quyết các vấn đề trên, nhóm của Giáo sư Jianlin Zhao và Giáo sư Peng Li của Trường Khoa học Vật lý và Công nghệ thuộc Đại học Bách khoa Tây Bắc đã đề xuất một phương pháp codec dựa trên sự điều khiển theo chiều dọc của trạng thái chồng chất chế độ động lượng góc quỹ đạo (OAM) và một siêu bề mặt để thực hiện việc điều khiển theo chiều dọc của chế độ trường quang. Dựa trên thiết kế pha hình học và pha truyền của cấu trúc bốn nguyên tử, metasurface có thể thực hiện điều khiển biên độ phức tạp của trường truyền phụ thuộc vào spin, sau đó tạo ra trạng thái chồng chất chế độ OAM bậc 0-15 và nhận ra sự thay đổi theo chiều dọc của trạng thái chồng chất bằng phương pháp "sóng đóng băng". Sau khi chế độ thay đổi theo chiều dọc được áp dụng cho codec thông tin, codec thông tin có dung lượng phương thức 163 được hiện thực hóa trong một kênh duy nhất, điều này cho thấy rằng nó có thể tăng dung lượng phương thức của kênh theo cấp số nhân.

Nguyên lý mã hóa và giải mã thông tin theo chiều dọc của trường quang được thể hiện trên Hình 1. Thông tin do Bob phát ra ở đầu phát được biên dịch thành mã ASCII thành nhiều trạng thái chồng chất của chế độ OAM, được chồng lên bởi hai chế độ OAM có điện tích tôpô lần lượt là l1 và l2. Điểm sáng có hình dạng | L1-L2 |. Các trạng thái chồng chất OAM này được tải vào một mảng chùm tia với sự thay đổi chế độ theo chiều dọc để truyền trong không gian tự do bằng cách sử dụng nguyên lý sóng đóng băng quang học. Khi Alice thu được thông tin ở đầu nhận, nó có thể đo các chế độ trường quang mảng của các mặt phẳng truyền khác nhau như z1, z2, z3 và thu được thông tin thông qua thao tác trình tự giải mã chính xác.

Để chứng minh khả năng mã hóa theo chiều dọc của trường ánh sáng đặc biệt này, thông tin mã hóa được sử dụng trong thí nghiệm là "Đại học Bách khoa Tây Bắc" và phần tử mã thập lục phân ASCII được sử dụng để mã hóa từng chữ cái trong từ và khoảng trắng giữa các từ. Mỗi chữ cái tương ứng với hai chữ số thập lục phân, do đó cần có 74 chế độ để hoàn thành sự tương ứng một-một giữa thứ tự góc chùm tia và thông tin được mã hóa.

Thí nghiệm sử dụng chùm tia 5 × 5 và phạm vi điều chế dọc L của mỗi sóng cố định được chia thành ba đoạn, tương ứng với 0 ~ 0,4mm, >0,4 ~ 0,8mm, >0,8 ~ 1,2mm. Trong một kênh sóng đông lạnh, tổng công suất các mode có thể truyền mã trong một kênh là 163 do điều chế dọc thành 3 đoạn, mỗi đoạn có sẵn 16 mode. Đoạn thứ ba của sóng đóng băng chùm tia thứ 25 bị loại bỏ và sóng đóng băng còn lại được sử dụng để hoàn thành việc mã hóa thông tin tương ứng.

Kết quả mô phỏng tại z1= 0,1mm, z2= 0,5mm và z3= 0,9mm được thể hiện trên Hình 2(a), trong đó m là số hàng, n là số cột và số ở góc trên bên trái của biểu đồ cường độ trường ánh sáng thể hiện thông tin về thứ tự góc. Kết quả thực nghiệm được thể hiện trên hình 2(b), cho biết phân bố cường độ trường ánh sáng đo trong mặt phẳng z1= 0,1mm, z2= 0,5mm, z3= 0,9mm.

Như được hiển thị trong Hình 2, kết quả đo thực nghiệm phù hợp với kết quả mô phỏng số và các chùm mảng đều thể hiện trạng thái chồng chất của chế độ OAM với những thay đổi theo yêu cầu. Bắt đầu từ dòng đầu tiên tại z1, hai chữ số thập lục phân được giải mã thành một nhóm theo thứ tự chữ Z để thu được thông báo “Đại học Bách khoa Tây Bắc”.

Cần lưu ý rằng số lần thay đổi chế độ theo chiều dọc của trường ánh sáng trong thử nghiệm chỉ là 3 và phương pháp đề xuất trong bài viết này có thể đạt được mức điều chỉnh theo chiều dọc cao hơn, do đó hệ số tăng trưởng công suất kênh có thể được cải thiện hơn nữa.

Để nâng cao hiệu quả giải mã, phương pháp chụp ảnh mặt phẳng phân chia cũng có thể được sử dụng để thu được sự phân bố trường ánh sáng của nhiều mặt phẳng dọc cùng một lúc. Theo đặc tính lan truyền của sóng ánh sáng, nếu thông tin biên độ phức tạp của trường ánh sáng được đo trong một mặt phẳng, thì phân bố biên độ phức tạp của các mặt phẳng khác cũng có thể thu được bằng tính toán số, và sau đó có thể thu được chế độ trường ánh sáng của nhiều mặt phẳng dọc. Ngoài ra, bằng cách giới thiệu các phương pháp học sâu, người ta cũng kỳ vọng rằng thông tin được mã hóa theo chiều dọc có thể thu được từ một phép đo duy nhất.

3.

Tổng hợp

Dựa trên metasurface với sự kiểm soát độc lập trạng thái phân cực và biên độ phức tạp, việc điều khiển linh hoạt sự chồng chất chế độ OAM theo chiều dọc của mảng sóng đông lạnh được thực hiện trong bài báo này. Bằng cách sử dụng trường ánh sáng của những thay đổi theo chiều dọc của các chế độ, việc mở rộng công suất theo cấp số nhân của các chế độ kênh được thực hiện bằng thực nghiệm và công suất phương thức trong kênh được tăng lên một cách hiệu quả.