Том 33, номер 05, статья № 4

Аннотация:

Выполнено численное моделирование функционирования оптической системы передачи данных по открытому атмосферному каналу, с кодированием информации величиной орбитального углового момента (ОУМ), нормированного на мощность пучка. Рассмотрено два метода регистрации ОУМ, основанных на разложении комплексной амплитуды поля лазерного пучка, прошедшего через слой турбулентной атмосферы, по вихревым азимутальным модам (оптическим вихрям). Выполнен статистический анализ зависимости частоты приема ошибочно зарегистрированных значений ОУМ от параметров турбулентности. Анализ проводился для выборки из 5000 случайных реализаций комплексной амплитуды поля при распространении излучения на атмосферной трассе при фиксированных турбулентных параметрах. Обсуждаются варианты и потенциальные возможности аппаратной реализации методов. Проведено сравнение предложенных методов.

Ключевые слова:

орбитальный угловой момент, оптический вихрь, статистические характеристики, турбулентная атмосфера, оптическая связь, лагерр-гауссов пучок, азимутальные моды

Список литературы:

1. Gibson G., Courtial J., Padgett M.J., Vasnetsov M., Pasko V., Barnett S.M., Franke-Arnold S. Free-space information transfer using light beams carrying orbital angular momentum // Opt. Express. 2004. V. 12. P. 5448–5456.
2. Willner A.E., Huang H., Yan Y., Ren Y., Ahmed N., Xie G., Bao C., Li L., Cao Y., Zhao Z., Wang J., Lavery M.P.J., Tur M., Ramachandran S., Molisch A.F., Ashrafi N., Ashrafi S. Optical communications using orbital angular momentum beams // Adv. Opt. Photon. 2015. V. 7. P. 66–106.
3. Alperin S.N., Niederriter R.D., Gopinath J.T., Siemens M.E. Quantitative measurement of the orbital angular momentum of light with a single, stationary lens // Opt. Lett. 2016. V. 41, iss. 21. P. 5019–5022.
4. Volyar A., Bretsko M., Akimova Ya., Egorov Yu. Measurement of the vortex spectrum in a vortex-beam array without cuts and gluing of the wavefront // Opt. Lett. 2018. V. 43. P. 5635–5638.
5. Kotlyar V.V., Kovalev A.A., Porfirev A.P. Calculation of fractional orbital angular momentum of superpositions of optical vortices by intensity moments // Opt. Express. 2019. V. 27. P. 11236–11251.
6. Dudley A., Litvin I. A., Forbes A. Quantitative measurement of the orbital angular momentum density of light // Appl. Opt. 2012. V. 51. P. 823–833.
7. Charnotskii M.I., Brennan T.J. Shack–Hartmann measurements of the transverse linear and orbital angular momenta after propagation through turbulence // Proc. SPIE. 2017. V. 10408. P. 104080L.
8. Kotlyar V.V., Khonina S.N., Soifer V.A. Light field decomposition in angular harmonics by means of diffractive optics // J. Mod. Opt. 1998. V. 45, N 7. P. 1495–1506.
9. Khonina S.N., Kotlyar V.V., Soifer V.A., Pääkkönen P., Simonen J., Turunen J. An analysis of the angular momentum of a light field in terms of angular harmonics // J. Mod. Opt. 2001. V. 48, N 10. P. 1543–1557.
10. Aksenov V.P., Kolosov V.V., Pogutsa C.E. The influence of the vortex phase on the random wandering of a Laguerre–Gaussian beam propagating in a turbulent atmosphere: A numerical experiment // J. Opt. 2013. V. 15. P. 044007.
11. Yao A.M., Padgett M.J. Orbital angular momentum: Origins, behavior and applications // Adv. Opt. Photon. 2011. V. 3. P. 161–204.
12. Shen Y., Wang X., Xie Z., Min C., Fu X. Liu Q., Gong M., Yuan X. Optical vortices 30 years on: OAM manipulation from topological charge to multiple singularities // Light Sci. Appl. 2019. V. 8, N 90. DOI: 10.1038/s41377-019-0194-2.
13. Zhu L., Wang J. A review of multiple optical vortices generation: Methods and applications // Front. Optoelectron. 2019. V. 12. P. 52–68.
14. Chen M.L.M., Jiang L.J., Sha W.E.I. Orbital angular momentum generation and detection by geometric-phase based metasurfaces // Appl. Sci. 2018. V. 8, N 3. Р. 362.
15. Aksenov V.P., Dudorov V.V., Filimonov G.A., Kolosov V.V., Venediktov V.Yu. Vortex beams with zero orbital angular momentum and non-zero topological charge // Opt. Laser Technol. 2018. V. 104. P. 159–163.
16. Molina-Terriza G., Torres J.P., Torner L. Management of the angular momentum of light: Preparation of photons in multidimensional vector states of angular momentum // Phys. Rev. Lett. 2002. V. 88, N 1. P. 013601.
17. Paterson C. Atmospheric turbulence and orbital angular momentum of single photons for optical communication // Phys. Rev. Lett. 2005. V. 94. P. 153901.
18. Fleck J.A., Morris J.R., Feit M.D. Time-dependent propagation of high energy laser beams through the atmosphere // Appl. Phys. 1976. V. 10. P. 129–160.
19. Konyaev P.A., Lukin V.P. Thermal distortions of focused laser beams in the atmosphere // Appl. Opt. 1985. V. 24, N 4. P. 415–421.
20. Andrews L., Phillips R. Laser Beam Propagation through Random Media. Belingham, WA: SPIE Opt. Eng. Press, 2005. 820 p.
21. Aksenov V.P. Fluctuations of orbital angular momentum of vortex laser-beam in turbulent atmosphere // Proc. SPIE. 2005. V. 5892, N 58921Y.
22. Aksenov V.P., Kolosov V.V., Filimonov G.A., Pogutsa C.E. Orbital angular momentum of a laser beam in a turbulent medium: preservation of the average value and variance of fluctuations // J. Opt. 2016. V. 18. 6 pp.
23. Kendall M.G., Stuart A. The Advanced Theory of Statistics, Volume 2: Inference and Relationship. New York: Hafner Publishing Company, 1961. 676 p.
24. Корн Г., Корн Т. Табл. 18.7-2(2.b), 18.7-3(2.b) // Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1973. 832 с.