Zwielokrotnienie orbitalnego momentu pędu - Orbital angular momentum multiplexing

Multipleksowanie
Schemat multipleksowania.svg
Modulacja analogowa
powiązane tematy

Multipleksowanie orbitalnego momentu pędu ( OAM ) to metoda warstwy fizycznej służąca do multipleksowania sygnałów przenoszonych przez fale elektromagnetyczne przy użyciu orbitalnego momentu pędu fal elektromagnetycznych w celu rozróżnienia różnych sygnałów ortogonalnych.

Orbitalny moment pędu jest jedną z dwóch form momentu pędu światła . OAM różni się i nie należy go mylić z momentem pędu światła spinowego . Spinowy moment pędu światła oferuje tylko dwa ortogonalne stany kwantowe odpowiadające dwóm stanom polaryzacji kołowej i można wykazać, że jest równoważny kombinacji multipleksowania polaryzacji i przesunięcia fazowego . Z drugiej strony OAM opiera się na rozszerzonej wiązce światła i wyższych kwantowych stopniach swobody, które są związane z rozszerzeniem. Multipleksowanie OAM może w ten sposób uzyskać dostęp do potencjalnie nieograniczonego zestawu stanów i jako takie oferuje znacznie większą liczbę kanałów, z zastrzeżeniem ograniczeń optyki w świecie rzeczywistym.

Od 2013 r., chociaż multipleksowanie OAM obiecuje znaczną poprawę szerokości pasma, gdy jest stosowane w połączeniu z innymi istniejącymi schematami modulacji i multipleksowania, nadal jest to technika eksperymentalna i do tej pory została zademonstrowana tylko w laboratorium. Po wczesnym twierdzeniu, że OAM wykorzystuje nowy kwantowy tryb propagacji informacji, technika ta stała się kontrowersyjna, a liczne badania sugerują, że można ją modelować jako czysto klasyczne zjawisko, traktując ją jako szczególną formę ściśle modulowanej strategii multipleksowania MIMO, zgodnej z klasyczną teoretyczne granice informacji.

Od 2020 r. nowe dowody z obserwacji przez radioteleskop sugerują, że orbitalny moment pędu o częstotliwości radiowej mógł być obserwowany w naturalnych zjawiskach w skali astronomicznej, zjawisko to jest nadal badane.

Historia

Multipleksowanie OAM zostało zademonstrowane przy użyciu wiązek światła w wolnej przestrzeni już w 2004 roku. Od tego czasu badania nad OAM prowadzono w dwóch obszarach: częstotliwości radiowej i transmisji optycznej.

Częstotliwość radiowa

Eksperymenty naziemne

Eksperyment z 2011 r. zademonstrował zwielokrotnienie OAM dwóch niespójnych sygnałów radiowych na odległość 442 m. Twierdzono, że OAM nie poprawia tego, co można osiągnąć za pomocą konwencjonalnych systemów RF opartych na pędzie liniowym, które już wykorzystują MIMO , ponieważ prace teoretyczne sugerują, że przy częstotliwościach radiowych konwencjonalne techniki MIMO mogą powielać wiele z pędu liniowego. właściwości wiązki radiowej przenoszącej OAM, pozostawiając niewielki lub żaden dodatkowy wzrost wydajności.

W listopadzie 2012 r. pojawiły się doniesienia o rozbieżności co do podstawowej teoretycznej koncepcji multipleksowania OAM na częstotliwościach radiowych między grupami badawczymi Tamburini i Thide oraz wieloma różnymi obozami inżynierów łączności i fizyków, przy czym niektórzy twierdzili, że multipleksowanie OAM jest tylko implementacja MIMO , a inni utrzymują, że multipleksowanie OAM jest odrębnym, potwierdzonym eksperymentalnie zjawiskiem.

W 2014 roku grupa badaczy opisała implementację łącza komunikacyjnego w kanałach o fali 8 milimetrów zmultipleksowanych przy użyciu kombinacji OAM i multipleksacji w trybie polaryzacji, aby osiągnąć łączną przepustowość 32 Gbit/s na odległość 2,5 metra. Wyniki te dobrze zgadzają się z przewidywaniami dotyczącymi poważnie ograniczonych odległości, dokonanymi przez Edforsa i in.

Zainteresowanie przemysłu dalekosiężnym mikrofalowym multipleksowaniem OAM wydaje się maleć od 2015 r., kiedy niektórzy pierwotni promotorzy komunikacji opartej na OAM na częstotliwościach radiowych (w tym Siae Microelettronica ) opublikowali teoretyczne badania wykazujące, że nie ma żadnych realnych korzyści poza tradycyjne multipleksowanie przestrzenne pod względem pojemności i całkowitego zajętości anteny.

Radioastronomia

W 2019 roku w liście opublikowanym w Monthly Notices of the Royal Astronomical Society przedstawiono dowody na to, że sygnały radiowe OAM zostały odebrane z sąsiedztwa czarnej dziury M87* , odległej o ponad 50 milionów lat świetlnych, co sugeruje, że informacje o optycznym momencie pędu mogą się rozprzestrzeniać. na odległościach astronomicznych.

Optyczny

Multipleksowanie OAM zostało przetestowane w domenie optycznej. W 2012 roku naukowcy zademonstrowali prędkość transmisji optycznej zmultipleksowanej OAM do 2,5  Tbit/s przy użyciu 8 różnych kanałów OAM w pojedynczej wiązce światła, ale tylko na bardzo krótkiej ścieżce w wolnej przestrzeni wynoszącej około jednego metra. Trwają prace nad zastosowaniem technik OAM do praktycznych optycznych łączy komunikacyjnych dalekiego zasięgu w wolnej przestrzeni .

Multipleksowania OAM nie można zaimplementować w istniejących długodystansowych systemach światłowodowych, ponieważ systemy te są oparte na światłowodach jednomodowych , które z natury nie obsługują stanów światła OAM. Zamiast tego należy zastosować światłowody kilkumodowe lub wielomodowe. Dodatkowym problemem w implementacji multipleksowania OAM jest sprzężenie modów obecne w konwencjonalnych włóknach, które powoduje zmiany spinowego momentu pędu modów w normalnych warunkach oraz zmiany orbitalnego momentu pędu podczas zginania lub naprężania włókien. Z powodu niestabilności tego trybu, multipleksowanie OAM z bezpośrednim wykrywaniem nie zostało jeszcze zrealizowane w komunikacji długodystansowej . W 2012 roku transmisję stanów OAM o czystości 97% po 20 metrach nad specjalnymi włóknami zademonstrowali naukowcy z Boston University. Późniejsze eksperymenty wykazały stabilną propagację tych modów na odległości 50 metrów, a dalsze udoskonalenia tej odległości są przedmiotem ciągłych prac. Inne trwające badania nad zwielokrotnianiem OAM nad przyszłymi światłowodowymi systemami transmisji obejmują możliwość wykorzystania technik podobnych do tych, które są wykorzystywane do kompensacji rotacji modów w zwielokrotnianiu polaryzacji optycznej .

Alternatywą dla multipleksowania OAM z detekcją bezpośrednią jest obliczeniowo złożona detekcja koherentna z podejściem ( MIMO ) cyfrowego przetwarzania sygnałów (DSP), która może być wykorzystana do osiągnięcia komunikacji długodystansowej, w której silne sprzężenie modów jest korzystne dla koherentnego wykrywania systemy oparte.

Na początku ludzie osiągają multipleksację OAM, stosując kilka płytek fazowych lub przestrzennych modulatorów światła. Przedmiotem badań był wówczas multiplekser on-chip OAM. W 2012 roku artykuł autorstwa Tiehui Su i in. zademonstrował zintegrowany multiplekser OAM. Zademonstrowano różne rozwiązania dla zintegrowanego multipleksera OAM, jak Xinlun Cai w swoim artykule w 2012 r. W 2019 r. Jan Markus Baumann i in. zaprojektował chip do multipleksowania OAM.

Praktyczna demonstracja w systemie światłowodowym

Artykuł Bozinovica i in. opublikowany w Science w 2013 r., potwierdza udaną demonstrację systemu transmisji światłowodowej zmultipleksowanego OAM na ścieżce testowej o długości 1,1 km. System testowy był w stanie wykorzystać jednocześnie do 4 różnych kanałów OAM, wykorzystując światłowód z profilem współczynnika załamania „Vortex”. Zademonstrowali również połączenie OAM i WDM przy użyciu tego samego aparatu, ale przy użyciu tylko dwóch trybów OAM.

Artykuł Kaspera Ingersleva i in. opublikowany w Optics Express w 2018 r. demonstruje wolną od MIMO transmisję 12 modów orbitalnego momentu pędu (OAM) przez włókno o długości 1,2 km z rdzeniem powietrznym. Kompatybilność WDM systemu jest pokazana przy użyciu kanałów WDM oddalonych od siebie o 60, 25 GHz z sygnałami QPSK o szybkości 10 Gbodów.

Praktyczna demonstracja w konwencjonalnych systemach światłowodowych

W 2014 r. artykuły G. Milione i in. oraz H. Huang i in. zgłosił pierwszą udaną demonstrację światłowodowego systemu transmisji zmultipleksowanego OAM na 5 km konwencjonalnego światłowodu, tj. światłowodu z okrągłym rdzeniem i stopniowanym profilem indeksu. W przeciwieństwie do pracy Bozinovica et al., w której wykorzystano niestandardowe światłowód o profilu współczynnika załamania „wiru”, praca G. Milione et al. oraz H. Huang i in. wykazali, że multipleksowanie OAM może być stosowane w dostępnych na rynku światłowodach za pomocą cyfrowego przetwarzania końcowego MIMO w celu skorygowania mieszania modów w światłowodzie. Ta metoda jest wrażliwa na zmiany w systemie, które zmieniają mieszanie modów podczas propagacji, takie jak zmiany zgięcia światłowodu, i wymaga znacznych zasobów obliczeniowych w celu skalowania do większej liczby niezależnych modów, ale jest bardzo obiecująca.

W 2018 r. Zengji Yue, Haoran Ren, Shibiao Wei, Jiao Lin i Min Gu z Royal Melbourne Institute of Technology zminiaturyzowali tę technologię, zmniejszając ją z rozmiaru dużego stołu do małego chipa, który można zintegrować z sieciami komunikacyjnymi. Przewidują, że chip ten mógłby zwiększyć wydajność kabli światłowodowych co najmniej 100-krotnie, a prawdopodobnie nawet więcej, w miarę dalszego rozwoju technologii.

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki