Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Мультиплексирование
Multiplexing diagram.svg
Аналоговая модуляция
похожие темы

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. [1]

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. [ необходима цитата ]

По состоянию на 2013 год , 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, который пока был продемонстрирован только в лаборатории. Вслед за ранним заявлением о том, что OAM использует новый квантовый режим распространения информации, этот метод стал неоднозначным: многочисленные исследования показывают, что его можно смоделировать как чисто классический феномен, рассматривая его как особую форму строго модулированной стратегии мультиплексирования MIMO, подчиняющейся классической теоретико-информационные границы.

По состоянию на 2020 год новые данные наблюдений с помощью радиотелескопа позволяют предположить, что радиочастотный орбитальный угловой момент мог наблюдаться в природных явлениях в астрономических масштабах, и это явление все еще исследуется. [2]

История [ править ]

Мультиплексирование OAM было продемонстрировано с использованием световых лучей в свободном пространстве еще в 2004 году. [3] С тех пор исследования OAM продолжались в двух областях: радиочастота и оптическая передача.

Радиочастота [ править ]

Земные эксперименты [ править ]

Эксперимент 2011 года продемонстрировал OAM-мультиплексирование двух некогерентных радиосигналов на расстоянии 442 м. [4] Было заявлено, что OAM не улучшает то, что может быть достигнуто с помощью традиционных радиочастотных систем на основе линейного импульса, которые уже используют MIMO , поскольку теоретические работы предполагают, что на радиочастотах традиционные методы MIMO могут дублировать многие из линейно-импульсные свойства радиолуча, несущего OAM, что практически не дает дополнительного прироста производительности. [5]

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 верят, что мультиплексирование OAM было просто реализация MIMO и другие, придерживающиеся своего утверждения, что мультиплексирование OAM - это отдельное, экспериментально подтвержденное явление. [6] [7] [8]

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. [9] Эти результаты хорошо согласуются с предсказаниями о сильно ограниченных расстояниях, сделанными Эдфорсом и др. [5]

Промышленный интерес к микроволновому мультиплексированию OAM на больших расстояниях, кажется, снижается с 2015 года, когда некоторые из первых сторонников связи на основе OAM на радиочастотах (включая Siae Microelettronica ) опубликовали теоретическое исследование [10], показывающее, что нет реальный выигрыш по сравнению с традиционным пространственным мультиплексированием с точки зрения емкости и общей занятости антенны.

Радиоастрономия [ править ]

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 в астрономических пределах. расстояния. [2]

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] [11] Продолжается работа по применению методов OAM к практическим оптическим линиям связи в свободном пространстве на большие расстояния . [12]

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 [13], 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 сетях дальней связи.. В 2012 году исследователи из Бостонского университета продемонстрировали передачу состояний OAM с чистотой 97% через 20 метров по специальным волокнам. [14] Более поздние эксперименты показали стабильное распространение этих мод на расстояния до 50 метров, [15] и дальнейшее улучшение этого расстояния является предметом текущей 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 при оптическом мультиплексировании поляризации . [ необходима цитата ]

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 [16], где предполагается, что сильная связь мод будет полезна для системы на основе когерентного обнаружения. [17]

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 др. продемонстрировал интегрированный мультиплексор OAM. [18] Различные решения для интегрированного мультиплексора OAM были продемонстрированы, например, Xinlun Cai в его статье в 2012 году. [19] В 2019 году Ян Маркус Бауманн и др. разработал микросхему для мультиплексирования OAM. [20]

Практическая демонстрация оптоволоконной системы [ править ]

Статья Божиновича и др. опубликованная в журнале Science в 2013 году, утверждает, что успешно продемонстрирована волоконно-оптическая система передачи с мультиплексированием OAM на испытательном тракте протяженностью 1,1 км. [21] [22] Тестовая система была способна использовать до 4 разных 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. [22]

Статья 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. [23] Совместимость системы с WDM продемонстрирована с использованием разнесенных каналов WDM 60, 25 ГГц с сигналами QPSK 10 Гбод.

Практическая демонстрация в обычных волоконно-оптических системах [ править ]

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 [24] [25] [26], 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 может использоваться в коммерчески доступных оптических волокнах с использованием цифрового MIMOпостобработка для корректировки смешивания мод в волокне. Этот метод чувствителен к изменениям в системе, которые изменяют смешивание 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 [27] из Королевского Мельбурнского технологического института уменьшили эту технологию в миниатюре, 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.

См. Также [ править ]

  • Угловой момент света
  • Оптический вихрь
  • Мультиплексирование с поляризационным разделением
  • Завихренность
  • Мультиплексирование с разделением по длине волны

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b Себастьян Энтони (25.06.2012). «Беспроводные вихревые лучи бесконечной емкости передают 2,5 терабит в секунду» . Extremetech . Проверено 25 июня 2012 .
  2. ^ a b Tamburini, F .; Thidé, B .; Делла Валле, М. (ноябрь 2019 г.). «Измерение вращения черной дыры M87 по наблюдаемому искривленному свету» . Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества: письма . Vol. 492 нет. 1. стр. L22 – L27. DOI : 10.1093 / mnrasl / slz176 .
  3. ^ Гибсон, G .; Courtial, J .; Пэджетт, MJ; Васнецов, М .; Pas'Ko, V .; Барнетт, С.М.; Франке-Арнольд, С. (2004). «Передача информации в свободном пространстве с помощью световых лучей, несущих орбитальный угловой момент» . Оптика Экспресс . 12 (22): 5448–5456. Bibcode : 2004OExpr..12.5448G . DOI : 10.1364 / OPEX.12.005448 . PMID 19484105 . 
  4. ^ Tamburini, F .; Mari, E .; Sponselli, A .; Thidé, B .; Bianchini, A .; Романато, Ф. (2012). «Кодирование множества каналов на одной и той же частоте с помощью завихренности радиоволн: первое экспериментальное испытание». Новый журнал физики . 14 (3): 033001. arXiv : 1107.2348 . Bibcode : 2012NJPh ... 14c3001T . DOI : 10.1088 / 1367-2630 / 14/3/033001 . S2CID 3570230 . 
  5. ^ а б Эдфорс, О .; Йоханссон, AJ (2012). "Является ли радиосвязь на основе орбитального углового момента (OAM) неизведанной областью?" . Транзакции IEEE по антеннам и распространению . 60 (2): 1126. Bibcode : 2012ITAP ... 60.1126E . DOI : 10.1109 / TAP.2011.2173142 . S2CID 446298 . 
  6. ↑ Джейсон Палмер (8 ноября 2012 г.). « Идея увеличения объема данных с помощью « витого света »вызывает жаркие споры» . BBC News . Проверено 8 ноября 2012 года .
  7. ^ Tamagnone, M .; Craeye, C .; Перрюассо-Каррье, Дж. (2012). «Прокомментируйте« Кодирование многих каналов на одной и той же частоте с помощью завихренности радио: первое экспериментальное испытание » ». Новый журнал физики . 14 (11): 118001. arXiv : 1210.5365 . Bibcode : 2012NJPh ... 14k8001T . DOI : 10.1088 / 1367-2630 / 14/11/118001 . S2CID 46656508 . 
  8. ^ Tamburini, F .; Thidé, B .; Mari, E .; Sponselli, A .; Bianchini, A .; Романато, Ф. (2012). «Ответ на комментарий к записи« Кодирование многих каналов на одной и той же частоте с помощью завихренности радио: первый экспериментальный тест » » . Новый журнал физики . 14 (11): 118002. Bibcode : 2012NJPh ... 14k8002T . DOI : 10.1088 / 1367-2630 / 14/11/118002 .
  9. ^ Ян, Y .; Xie, G .; Лавери, MPJ; Huang, H .; Ahmed, N .; Bao, C .; Ren, Y .; Cao, Y .; Li, L .; Zhao, Z .; Молиш, А.Ф .; Тур, М .; Пэджетт, MJ; Виллнер, AE (2014). «Высокопроизводительная связь миллиметрового диапазона с мультиплексированием орбитального углового момента» . Nature Communications . 5 : 4876. Bibcode : 2014NatCo ... 5.4876Y . DOI : 10.1038 / ncomms5876 . PMC 4175588 . PMID 25224763 .  
  10. ^ Олдони, Маттео; Спинелло, Фабио; Мари, Элеттра; Паризи, Джузеппе; Someda, Карло Джакомо; Тамбурини, Фабрицио; Романато, Филиппо; Раванелли, Роберто Антонио; Коассини, Пьеро; Тайд, Бо (2015). «Демультиплексирование с пространственным разделением в системах MIMO на основе орбитального углового момента». Транзакции IEEE по антеннам и распространению . 63 (10): 4582. Bibcode : 2015ITAP ... 63.4582O . DOI : 10.1109 / TAP.2015.2456953 . S2CID 44003803 . 
  11. ^ « « Скрученный свет »передает 2,5 терабит данных в секунду» . Новости BBC. 2012-06-25 . Проверено 25 июня 2012 .
  12. ^ Джорджевич, И.Б .; Арабач, М. (2010). "Модуляция орбитального углового момента (OAM) с кодированием LDPC для оптической связи в свободном пространстве" . Оптика Экспресс . 18 (24): 24722–24728. Bibcode : 2010OExpr..1824722D . DOI : 10,1364 / OE.18.024722 . PMID 21164819 . 
  13. ^ McGloin, D .; Симпсон, Н.Б .; Пэджетт, MJ (1998). «Передача орбитального углового момента от напряженного волоконно-оптического волновода к световому пучку». Прикладная оптика . 37 (3): 469–472. Bibcode : 1998ApOpt..37..469M . DOI : 10,1364 / AO.37.000469 . PMID 18268608 . 
  14. ^ Божинович, Ненад; Стивен Голович; Пол Кристенсен; Сиддхарт Рамачандран (июль 2012 г.). «Управление орбитальным угловым моментом света с помощью оптических волокон». Письма об оптике . 37 (13): 2451–2453. Bibcode : 2012OptL ... 37.2451B . DOI : 10.1364 / ol.37.002451 . PMID 22743418 . 
  15. ^ Грегг, Патрик; Пол Кристенсен; Сиддхарт Рамачандран (январь 2015 г.). «Сохранение орбитального углового момента в световодах с воздушной сердцевиной». Optica . 2 (3): 267–270. arXiv : 1412.1397 . Bibcode : 2015 Оптический ... 2..267G . DOI : 10.1364 / optica.2.000267 . S2CID 119238835 . 
  16. ^ Риф, Роланд; Randel, S .; Gnauck, AH; Bolle, C .; Sierra, A .; Mumtaz, S .; Esmaeelpour, M .; Берроуз, ЕС; Essiambre, R .; Winzer, PJ; Пекхэм, DW; McCurdy, AH; Лингл, Р. (февраль 2012 г.). «Мультиплексирование с разделением режимов на 96 км по многомодовому волокну с использованием когерентной обработки MIMO 6 × 6». Журнал световых технологий . 30 (4): 521–531. Bibcode : 2012JLwT ... 30..521R . DOI : 10,1109 / JLT.2011.2174336 . S2CID 6895310 . 
  17. ^ Кан, JM; К.-П. Хо; М.Б. Шемирани (март 2012 г.). «Эффекты связи мод в многомодовых волокнах» (PDF) . Proc. Оптического волокна коммуник. Конф. : OW3D.3. DOI : 10.1364 / OFC.2012.OW3D.3 . ISBN  978-1-55752-938-1. S2CID  11736404 .
  18. ^ Су, Tiehui; Скотт, Райан П .; Джорджевич, Стеван С .; Fontaine, Nicolas K .; Гейслер, Дэвид Дж .; Цай, Синьрань; Ю, SJB (23 апреля 2012 г.). «Демонстрация когерентной оптической связи в свободном пространстве с использованием интегрированных кремниевых устройств измерения орбитального орбитального момента» . Оптика Экспресс . 20 (9): 9396–9402. Bibcode : 2012OExpr..20.9396S . DOI : 10,1364 / OE.20.009396 . ISSN 1094-4087 . PMID 22535028 .  
  19. ^ Цай, Синьлунь; Ван, Цзяньвэй; Штамм, Майкл Дж .; Джонсон-Моррис, Бенджамин; Чжу, Цзянбо; Сорель, Марк; О'Брайен, Джереми Л .; Томпсон, Марк Дж .; Ю, Сиюань (2012-10-19). «Интегрированные компактные оптические вихревые излучатели пучка» . Наука . 338 (6105): 363–366. Bibcode : 2012Sci ... 338..363C . DOI : 10.1126 / science.1226528 . ISSN 0036-8075 . PMID 23087243 . S2CID 206543391 .   
  20. ^ Бауманн, Ян Маркус; Ингерслев, Каспер; Дин, Юньхун; Франдсен, Ларс Хагедорн; Оксенлёве, Лейф Кацуо; Мориока, Тошио (2019). «Кремниевый фотонный дизайн для мультиплексора с разделением мод по орбитальному угловому моменту между кристаллами и волокном» . Европейская конференция по лазерам и электрооптике 2019 . IEEE: Paper pd_1_9. DOI : 10,1109 / cleoe-eqec.2019.8872253 . ISBN 978-1-7281-0469-0. S2CID  204822462 .
  21. ↑ Джейсон Палмер (28 июня 2013 г.). « Идея « витого света »обеспечивает терабитную скорость в оптоволокне» . Новости BBC.
  22. ^ a b Божинович, Н .; Yue, Y .; Ren, Y .; Тур, М .; Kristensen, P .; Huang, H .; Виллнер, AE; Рамачандран, С. (2013). "Терабитное мультиплексирование с разделением мод орбитального углового момента в волокнах". Наука . 340 (6140): 1545–8. Bibcode : 2013Sci ... 340.1545B . DOI : 10.1126 / science.1237861 . PMID 23812709 . S2CID 206548907 .  
  23. ^ Ингерслев, Каспер; Грегг, Патрик; Галили, Михаил; Рос, Франческо Да; Ху, Хао; Бао, Фангди; Кастанеда, Марио А. Усуга; Кристенсен, Пол; Рубано, Андреа; Марруччи, Лоренцо; Ротвитт, Карстен (6 августа 2018 г.). «Режим 12, WDM, передача орбитального углового момента без MIMO» . Оптика Экспресс . 26 (16): 20225–20232. Bibcode : 2018OExpr..2620225I . DOI : 10,1364 / OE.26.020225 . ISSN 1094-4087 . PMID 30119335 .  
  24. ^ Ричард Chirgwin (19 октября 2015). «Скрученное просветление Боффинса зарождает волокно» . Реестр.
  25. ^ Milione, G .; и другие. (2014). "Мультиплексор в режиме орбитально-углового момента (де): один оптический элемент для многомодовых волоконно-оптических систем на основе MIMO и без MIMO". Мультиплексор в режиме орбитально-углового момента (де): один оптический элемент для многомодовых волоконно-оптических систем на основе MIMO и без него . Конференция по оптическому волокну 2014 . С. M3K.6. DOI : 10.1364 / OFC.2014.M3K.6 . ISBN 978-1-55752-993-0. S2CID  2055103 .
  26. ^ Хуанг, H .; Milione, G .; и другие. (2015). «Мультиплексирование с разделением мод с использованием модового сортировщика орбитального углового момента и MIMO-DSP по маломодовому оптическому волокну с градиентным показателем преломления» . Научные отчеты . 5 : 14931. Bibcode : 2015NatSR ... 514931H . DOI : 10.1038 / srep14931 . PMC 4598738 . PMID 26450398 .  
  27. ^ Гу, Мин; Линь, Цзяо; Вэй, Шибяо; Рен, Хаоран; Юэ, Цзэнцзи (2018-10-24). «Нанометрия углового момента в ультратонкой плазмонной топологической пленке изолятора» . Nature Communications . 9 (1): 4413. Bibcode : 2018NatCo ... 9.4413Y . DOI : 10.1038 / s41467-018-06952-1 . ISSN 2041-1723 . PMID 30356063 .  

Внешние ссылки [ править ]

  • * Патент Siae Microelettronica