Мультиплексирование орбитального углового момента
Мультиплексирование |
---|
Аналоговая модуляция |
Связанные темы |
Мультиплексирование орбитального углового момента - это метод физического уровня для мультиплексирования сигналов, переносимых электромагнитными волнами, с использованием орбитального углового момента (ОАМ) электромагнитных волн для различения различных ортогональных сигналов. [1]
ОАМ — одна из двух форм углового момента света ; он отличается от углового момента вращения света и его не следует путать с ним . Последний предлагает только два ортогональных квантовых состояния , соответствующих двум состояниям круговой поляризации , и может быть продемонстрировано, что он эквивалентен комбинации поляризационного мультиплексирования и фазового сдвига . ОАМ, с другой стороны, опирается на расширенный луч света и более высокие квантовые степени свободы, которые сопровождают расширение. Таким образом, мультиплексирование OAM может получить доступ к потенциально неограниченному набору состояний и, как таковое, предложить гораздо большее количество каналов, подчиняющихся только ограничениям реальной оптики. Ограничение было разъяснено с точки зрения независимых каналов рассеяния или степеней свободы рассеянных полей посредством углово-спектрального анализа в сочетании со строгим методом функции Грина. [2] Предел степеней свободы является универсальным для произвольного мультиплексирования в пространственном режиме, которое запускается планарным электромагнитным устройством, таким как антенна, метаповерхность и т. д., с заранее заданной физической апертурой.
По состоянию на 2013 год [update]Хотя мультиплексирование OAM обещает очень значительные улучшения в полосе пропускания при использовании совместно с другими существующими схемами модуляции и мультиплексирования, это все еще экспериментальный метод, и до сих пор он был продемонстрирован только в лаборатории. После первых заявлений о том, что OAM использует новый квантовый режим распространения информации, этот метод стал спорным, поскольку многочисленные исследования показали, что его можно смоделировать как чисто классический феномен, рассматривая его как особую форму жестко модулированной стратегии мультиплексирования MIMO, подчиняющейся классической стратегии мультиплексирования MIMO. теоретические границы информации.
По состоянию на 2020 год [update]Новые данные наблюдений радиотелескопа позволяют предположить, что радиочастотный орбитальный угловой момент мог наблюдаться в природных явлениях в астрономических масштабах, и это явление все еще исследуется. [3]
История [ править ]
Мультиплексирование OAM было продемонстрировано с использованием световых лучей в свободном пространстве еще в 2004 году. [4] С тех пор исследования ОАМ продолжались в двух областях: радиочастотная и оптическая передача.
Радиочастота [ править ]
Земные эксперименты [ править ]
Эксперимент 2011 года продемонстрировал мультиплексирование OAM двух некогерентных радиосигналов на расстоянии 442 м. [5] Утверждалось, что OAM не улучшает того, чего можно достичь с помощью обычных радиочастотных систем на основе линейного импульса, которые уже используют MIMO , поскольку теоретические исследования показывают, что на радиочастотах традиционные методы MIMO могут дублировать многие из линейных методов. Импульсные свойства радиолуча, несущего OAM, практически не оставляя дополнительного прироста производительности. [6]
В ноябре 2012 года появились сообщения о разногласиях по поводу базовой теоретической концепции мультиплексирования OAM на радиочастотах между исследовательскими группами Тамбурини и Тиде, а также многими различными лагерями инженеров связи и физиков, при этом некоторые заявляли, что считают мультиплексирование OAM всего лишь внедрение MIMO , а другие придерживаются своего утверждения, что мультиплексирование OAM является отдельным, экспериментально подтвержденным явлением. [7] [8] [9]
В 2014 году группа исследователей описала реализацию линии связи по 8 каналам миллиметрового диапазона , мультиплексированную с использованием комбинации OAM и мультиплексирования в поляризационном режиме для достижения совокупной пропускной способности 32 Гбит / с на расстоянии 2,5 метра. [10] Эти результаты хорошо согласуются с предсказаниями Эдфорса и др. о сильно ограниченных расстояниях. [6]
Промышленный интерес к микроволновому мультиплексированию OAM на большие расстояния, по-видимому, снижается с 2015 года, когда некоторые из первоначальных сторонников связи на основе OAM на радиочастотах (включая Siae Microelettronica ) опубликовали теоретическое исследование. [11] показывая, что нет никакого реального выигрыша за пределами традиционного пространственного мультиплексирования с точки зрения пропускной способности и общей занятости антенны.
Радиоастрономия [ править ]
В 2019 году в письме, опубликованном в « Ежемесячных уведомлениях Королевского астрономического общества», были представлены доказательства того, что радиосигналы OAM были получены из окрестностей черной дыры M87 * , находящейся на расстоянии более 50 миллионов световых лет , что позволяет предположить, что информация об орбитальном угловом моменте может распространяться. на астрономические расстояния. [3]
Оптический [ править ]
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. [1] [12] Продолжается работа по применению методов OAM для практических линий оптической связи большого радиуса действия в свободном пространстве . [13]
Мультиплексирование OAM не может быть реализовано в существующих волоконно-оптических системах дальней связи, поскольку эти системы основаны на одномодовых волокнах , которые по своей сути не поддерживают состояния света OAM. Вместо этого необходимо использовать маломодовые или многомодовые волокна. Дополнительная проблема при реализации мультиплексирования OAM вызвана связью мод , которая присутствует в обычных волокнах. [14] которые вызывают изменения спинового углового момента мод в нормальных условиях и изменения орбитального углового момента при изгибе или напряжении волокон. Из-за нестабильности этого режима мультиплексирование OAM с прямым обнаружением еще не реализовано в системах дальней связи . В 2012 году исследователи из Бостонского университета продемонстрировали передачу состояний ОАМ с чистотой 97% на расстояние 20 метров по специальным волокнам. [15] Более поздние эксперименты показали стабильное распространение этих мод на расстояния до 50 метров. [16] и дальнейшее улучшение этого расстояния является предметом постоянной работы. Другие текущие исследования по использованию мультиплексирования OAM в будущих волоконно-оптических системах передачи включают возможность использования методов, аналогичных тем, которые используются для компенсации вращения мод в мультиплексировании оптической поляризации . [ нужна ссылка ]
Альтернативой мультиплексированию OAM с прямым обнаружением является вычислительно сложный подход когерентного обнаружения с ( MIMO ) цифровой обработкой сигналов (DSP), который можно использовать для достижения дальней связи. [17] где предполагается, что сильная связь мод будет полезна для систем, основанных на когерентном обнаружении. [18]
Вначале люди достигают мультиплексирования OAM, используя несколько фазовых пластин или пространственных модуляторов света. В то время предметом исследований был встроенный мультиплексор OAM. В 2012 году в статье Тиехуэй Су и др. продемонстрировал интегрированный мультиплексор OAM. [19] Различные решения для интегрированного мультиплексора OAM были продемонстрированы, например, Синьлунь Цай с его статьей в 2012 году. [20] В 2019 году Ян Маркус Бауманн и др. разработал чип для мультиплексирования OAM. [21]
оптоволоконной системы демонстрация Практическая
Статья Бозиновича и др. В публикации в журнале Science в 2013 году говорится об успешной демонстрации оптоволоконной системы передачи данных с мультиплексированием OAM на испытательном пути длиной 1,1 км. [22] [23] Тестовая система была способна использовать до 4 различных каналов OAM одновременно, используя волокно с «вихревым» профилем показателя преломления. Они также продемонстрировали комбинированное OAM и WDM с использованием того же устройства, но с использованием только двух режимов OAM. [23]
Статья Каспера Ингерслева и др. опубликованная в Optics Express в 2018 году, демонстрирует передачу 12 мод орбитального углового момента (OAM) без MIMO по волокну с воздушным сердечником длиной 1,2 км. [24] Совместимость системы с WDM демонстрируется использованием разнесенных каналов WDM 60, 25 ГГц с сигналами QPSK 10 ГБод.
оптоволоконных системах в обычных демонстрация Практическая
В 2014 г. статьи Дж. Милиона и др. и Х. Хуанг и др. заявил о первой успешной демонстрации оптоволоконной системы передачи с мультиплексированием OAM на 5 км обычного оптоволокна, [25] [26] [27] т.е. оптическое волокно, имеющее круглую сердцевину и градиентный профиль преломления. В отличие от работы Бозиновича и др., в которых использовалось специальное оптическое волокно с «вихревым» профилем показателя преломления, работа Дж. Милиона и др. и Х. Хуанг и др. показали, что мультиплексирование OAM можно использовать в коммерчески доступных оптических волокнах за счет использования цифровой MIMO постобработки для коррекции смешивания мод внутри волокна. Этот метод чувствителен к изменениям в системе, которые меняют смешивание мод во время распространения, например, к изменениям изгиба волокна, и требует значительных вычислительных ресурсов для масштабирования до большего числа независимых мод, но показывает большие перспективы.
В 2018 году Цзэнцзи Юэ, Хаоран Рен, Шибяо Вэй, Цзяо Линь и Мин Гу. [28] в Королевском Мельбурнском технологическом институте миниатюризировали эту технологию, сократив ее размер с большого обеденного стола до небольшого чипа, который можно было интегрировать в сети связи. По их прогнозам, этот чип может увеличить пропускную способность оптоволоконных кабелей как минимум в 100 раз, а, вероятно, и выше по мере дальнейшего развития технологии.
См. также [ править ]
- Угловой момент света
- Оптический вихрь
- Мультиплексирование с поляризационным разделением
- завихренность
- Мультиплексирование с разделением по длине волны
Ссылки [ править ]
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Себастьян Энтони (25 июня 2012 г.). «Беспроводные вихревые лучи бесконечной мощности передают скорость 2,5 терабит в секунду» . Экстримтек . Проверено 25 июня 2012 г.
- ^ Юань, Шуай С.А.; Чэнь, Мэнлинь Л.Н.; Чжан, Лян; Хуан, Чжэнь; Чжэн, Цзян, Лицзюнь; фундаментальному пределу мультиплексирования орбитального углового момента посредством голограммной метаповерхности». 2021 г.). «Приближение к 16 ( 6): 064042. arXiv : 2106.15120 . Bibcode : 2021PhRvP..16f4042Y . 03 (16 декабря / PhysRevApplied.16.064042 . S2CID 245269914 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Тамбурини, Ф.; Тиде, Б.; Делла Валле, М. (ноябрь 2019 г.). «Измерение вращения черной дыры M87 по наблюдаемому ею искривленному свету» . Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества: письма . Том. 492, нет. 1. стр. L22–L27. дои : 10.1093/mnrasl/slz176 .
- ^ Гибсон, Г.; Кортиал, Дж.; Пэджетт, MJ; Васнецов М.; Пасько, В.; Барнетт, С.М.; Франке-Арнольд, С. (2004). «Передача информации в свободном пространстве с использованием световых лучей, несущих орбитальный угловой момент» . Оптика Экспресс . 12 (22): 5448–5456. Бибкод : 2004OExpr..12.5448G . дои : 10.1364/OPEX.12.005448 . ПМИД 19484105 .
- ^ Тамбурини, Ф.; Мари, Э.; Спонселли, А.; Тиде, Б.; Бьянкини, А.; Романато, Ф. (2012). «Кодирование многих каналов на одной и той же частоте с помощью радиозавихренности: первое экспериментальное испытание». Новый журнал физики . 14 (3): 033001. arXiv : 1107.2348 . Бибкод : 2012NJPh...14c3001T . дои : 10.1088/1367-2630/14/3/033001 . S2CID 3570230 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Эдфорс, О.; Йоханссон, AJ (2012). «Является ли радиосвязь на основе орбитального углового момента (OAM) неисследованной областью?» . Транзакции IEEE по антеннам и распространению . 60 (2): 1126. Бибкод : 2012ITAP...60.1126E . дои : 10.1109/TAP.2011.2173142 . S2CID 446298 .
- ^ Джейсон Палмер (8 ноября 2012 г.). « Идея «искривленного света» по увеличению объема данных вызывает горячие споры» . Новости Би-би-си . Проверено 8 ноября 2012 г.
- ^ Таманьоне, М.; Крей, К.; Перрюиссо-Кэррье, Ж. (2012). «Комментарий к статье «Кодирование множества каналов на одной частоте с помощью радиозавихренности: первое экспериментальное испытание» ». Новый журнал физики . 14 (11): 118001. arXiv : 1210.5365 . Бибкод : 2012NJPh...14k8001T . дои : 10.1088/1367-2630/14/11/118001 . S2CID 46656508 .
- ^ Тамбурини, Ф.; Тиде, Б.; Мари, Э.; Спонселли, А.; Бьянкини, А.; Романато, Ф. (2012). «Ответ на комментарий к статье «Кодирование множества каналов на одной частоте с помощью радиозавихренности: первое экспериментальное испытание » . Новый журнал физики . 14 (11): 118002. Бибкод : 2012NJPh...14k8002T . дои : 10.1088/1367-2630/14/11/118002 .
- ^ Ян, Ю.; Се, Г.; Лавери, MPJ; Хуанг, Х.; Ахмед, Н.; Бао, К.; Рен, Ю.; Цао, Ю.; Ли, Л.; Чжао, З.; Молиш, А.Ф.; Тур, М.; Пэджетт, MJ; Уиллнер, А.Е. (2014). «Связь миллиметрового диапазона волн высокой пропускной способности с мультиплексированием орбитального углового момента» . Природные коммуникации . 5 : 4876. Бибкод : 2014NatCo...5.4876Y . дои : 10.1038/ncomms5876 . ПМЦ 4175588 . ПМИД 25224763 .
- ^ Олдони, Маттео; Спинелло, Фабио; Мари, Электра; Паризи, Джузеппе; Сомеда, Карло Джакомо; Тамбурини, Фабрицио; Романато, Филиппо; Раванелли, Роберто Антонио; Коассини, Пьеро; Тайде, Бо (2015). «Демультиплексирование с пространственным разделением в радиосистемах MIMO на основе орбитального углового момента». Транзакции IEEE по антеннам и распространению . 63 (10): 4582. Бибкод : 2015ITAP...63.4582O . дои : 10.1109/TAP.2015.2456953 . S2CID 44003803 .
- ^ « «Витой свет» передает 2,5 терабита данных в секунду» . Новости Би-би-си. 25 июня 2012 г. Проверено 25 июня 2012 г.
- ^ Джорджевич, ИБ; Арабачи, М. (2010). «Модуляция орбитального углового момента (OAM) с кодированием LDPC для оптической связи в свободном пространстве» . Оптика Экспресс . 18 (24): 24722–24728. Бибкод : 2010OExpr..1824722D . дои : 10.1364/OE.18.024722 . ПМИД 21164819 .
- ^ МакГлойн, Д.; Симпсон, Северная Каролина; Пэджетт, MJ (1998). «Передача орбитального углового момента от напряженного оптоволоконного волновода к световому лучу». Прикладная оптика . 37 (3): 469–472. Бибкод : 1998ApOpt..37..469M . дои : 10.1364/AO.37.000469 . ПМИД 18268608 .
- ^ Божинович, Ненад; Стивен Голович; Пол Кристенсен; Сиддхартх Рамачандран (июль 2012 г.). «Управление орбитальным угловым моментом света с помощью оптических волокон». Оптические письма . 37 (13): 2451–2453. Бибкод : 2012OptL...37.2451B . дои : 10.1364/ол.37.002451 . ПМИД 22743418 .
- ^ Грегг, Патрик; Пол Кристенсен; Сиддхартх Рамачандран (январь 2015 г.). «Сохранение орбитального углового момента в оптических волокнах с воздушной сердцевиной». Оптика . 2 (3): 267–270. arXiv : 1412.1397 . Бибкод : 2015Оптика...2..267G . дои : 10.1364/optica.2.000267 . S2CID 119238835 .
- ^ Риф, Роланд; Рэндел, С.; Гнаук, А.Х.; Болле, К.; Сьерра, А.; Мумтаз, С.; Эсмаилпур, М.; Берроуз, ЕС; Эссьямбре, Р.; Винзер, П.Дж.; Пекхэм, Д.В.; Маккарди, АХ; Лингл, Р. (февраль 2012 г.). «Мультиплексирование с модовым разделением каналов на протяжении 96 км маломодового волокна с использованием когерентной обработки MIMO 6 × 6». Журнал световых технологий . 30 (4): 521–531. Бибкод : 2012JLwT...30..521R . дои : 10.1109/JLT.2011.2174336 . S2CID 6895310 .
- ^ Кан, Дж. М.; К.-П. Хо; М.Б. Шемирани (март 2012 г.). «Эффекты связи мод в многомодовых волокнах» (PDF) . Учеб. оптического волокна коммун. Конф. : OW3D.3. дои : 10.1364/OFC.2012.OW3D.3 . ISBN 978-1-55752-938-1 . S2CID 11736404 .
- ^ Су, Техуэй; Скотт, Райан П.; Джорджевич, Стеван С.; Фонтейн, Николас К.; Гейслер, Дэвид Дж.; Цай, Синьрань; Ю, SJB (23 апреля 2012 г.). «Демонстрация когерентной оптической связи в свободном пространстве с использованием интегрированных кремниевых фотонных устройств орбитального момента» . Оптика Экспресс . 20 (9): 9396–9402. Бибкод : 2012OExpr..20.9396S . дои : 10.1364/OE.20.009396 . ISSN 1094-4087 . ПМИД 22535028 .
- ^ Цай, Синьлунь; Ван, Цзяньвэй; Стрейн, Майкл Дж.; Джонсон-Моррис, Бенджамин; Чжу, Цзянбо; Сорель, Марк; О'Брайен, Джереми Л.; Томпсон, Марк Г.; Ю, Сиюань (19 октября 2012 г.). «Интегрированные компактные оптические вихревые излучатели» . Наука . 338 (6105): 363–366. Бибкод : 2012Sci...338..363C . дои : 10.1126/science.1226528 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 23087243 . S2CID 206543391 .
- ^ Бауманн, Ян Маркус; Ингерслев, Каспер; Дин, Юнхун; Франдсен, Ларс Хагедорн; Оксенлёве, Лейф Кацуо; Мориока, Тошио (2019). «Концепция кремниево-фотонного дизайна для мультиплексора с модовым разделением каналов с орбитальным угловым моментом» . Европейская конференция по лазерам и электрооптике 2019 года и Европейская конференция по квантовой электронике (CLEO/Europe-EQEC) (PDF) . IEEE. стр. Бумага пд_1_9. дои : 10.1109/cleoe-eqec.2019.8872253 . ISBN 978-1-7281-0469-0 . S2CID 204822462 .
- ^ Джейсон Палмер (28 июня 2013 г.). « Идея «перекрученного света» обеспечивает терабитные скорости передачи данных по оптоволокну» . Новости Би-би-си.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Бозинович, Н.; Юэ, Ю.; Рен, Ю.; Тур, М.; Кристенсен, П.; Хуанг, Х.; Уиллнер, А.Е.; Рамачандран, С. (2013). «Мультиплексирование с разделением по орбитальному угловому моменту в терабитном масштабе в волокнах». Наука . 340 (6140): 1545–8. Бибкод : 2013Sci...340.1545B . дои : 10.1126/science.1237861 . ПМИД 23812709 . S2CID 206548907 .
- ^ Ингерслев, Каспер; Грегг, Патрик; Галили, Майкл; Рос, Франческо Да; Ху, Хао; Бао, Фангди; Кастанеда, Марио А. Усуга; Кристенсен, Пол; Рубано, Андреа; Марруччи, Лоренцо; Ротвитт, Карстен (06 августа 2018 г.). «12 режимов, WDM, передача орбитального углового момента без MIMO» . Оптика Экспресс . 26 (16): 20225–20232. Бибкод : 2018OExpr..2620225I . дои : 10.1364/OE.26.020225 . ISSN 1094-4087 . ПМИД 30119335 .
- ^ Ричард Чиргвин (19 октября 2015 г.). «Извилистое волокно просвещения Боффина» . Регистр.
- ^ Милион, Г.; и др. (2014). «Мультиплексор в режиме орбитального углового момента (De): единый оптический элемент для многомодовых волоконно-оптических систем на основе MIMO и без MIMO». Мультиплексор в режиме орбитального углового момента (De): единый оптический элемент для многомодовых волоконно-оптических систем на основе MIMO и без нее . стр. М3К.6. дои : 10.1364/OFC.2014.M3K.6 . ISBN 978-1-55752-993-0 . S2CID 2055103 .
{{cite book}}
:|journal=
игнорируется ( помогите ) - ^ Хуанг, Х.; Милион, Г.; и др. (2015). «Мультиплексирование с разделением мод с использованием сортировщика мод по орбитальному угловому моменту и MIMO-DSP по градиентному маломодовому оптическому волокну» . Научные отчеты . 5 : 14931. Бибкод : 2015NatSR...514931H . дои : 10.1038/srep14931 . ПМЦ 4598738 . ПМИД 26450398 .
- ^ Гу, Мин; Линь, Цзяо; Вэй, Шибяо; Рен, Хаоран; Юэ, Цзэнцзи (24 октября 2018 г.). «Нанометрология углового момента в ультратонкой плазмонной топологической изоляционной пленке» . Природные коммуникации . 9 (1): 4413. Бибкод : 2018NatCo...9.4413Y . дои : 10.1038/s41467-018-06952-1 . ISSN 2041-1723 . ПМК 6200795 . ПМИД 30356063 .