Том 38, номер 04, статья № 1

Аннотация:

Увеличение пропускной способности каналов отпической связи с помощью амплитудной и фзовой модуляции практически достигло предела. Актуальной задачей является увеличение информационной емкости каналов передачи данных посредством использования орбитального углового момента (ОУМ) лазерных пучков для кодирования информации. Данный подход в атмосферно-оптических системах связи ограничен искажающим влиянием атмосферной турбулентности, затрудняющим декодирование и снижающим скорость передачи данных. Распределения интенсивности вихревых пучков с противоположными по знаку ОУМ в случае однородных сред являются тождественными, что ограничивает использование знака ОУМ для кодирования информации. Оцениваются принципиальные возможности применения нейронных сетей для распознавания противоположных по знаку ОУМ вихревых пучков в турбулентной атмосфере по картинам распределений интенсивности. Исследование выполнено на основе численного моделирования распространения пучков Лагерра-Гаусса в турбулентной атмосфере и использования полученных картин распределений интенсивности для обучения и тестирования нейронных сетей. Впервые показано, что применение нейронных сетей позволяет распознавать противоположные по знаку ОУМ по картинам распределений интенсивности в случае распространения пучков Лагерра–Гаусса в турбулентной атмосфере с точностью более 90%. Полученные результаты могут быть полезны разработчикам и исследователям атмосферно-оптических систем передачи информации, использующих ОУМ вихревых пучков.

Ключевые слова:

орбитальный угловой момент, топологический заряд, вихревые пучки, турбулентная атмосфера, оптические вихри, нейронные сети

Список литературы:

1. Agrell E., Karlsson M., Chraplyvy A.R., Richardson D.J., Krummrich P.M., Winzer P., Roberts K., Fischer J.K., Savory S.J., Eggleton B.J., Secondini M., Kschischang F.R., Lord A., Prat J., Tomkos I., Bowers J.E., Srinivasan S., Brandt-Pearce M., Gisin N. Roadmap of optical communications // J. Opt. UK. 2016. V. 18, N. 6. DOI: 10.1088/2040-8978/18/6/063002.
2. Wang J. Advances in communications using optical vortices // Photonics Res. 2016. V. 4, N 5. P. B14–B28. DOI: 10.1364/prj.4.000b14.
3. Liu Z., Huang Y., Liu H., Chen X. Non-line-of-sight optical communication based on orbital angular momentum // Opt. Lett. 2021. V. 46, N 20. P. 5112–5115. DOI: 10.1364/ol.441441.
4. Wang J., Yang J.Y., Fazal I.M., Ahmed N., Yan Y., Huang H., Ren Y., Yue Y., Dolinar S., Tur M., Willner A.E. Terabit free-space data transmission employing orbital angular momentum multiplexing // Nat. Photonics. V. 6, N 7. P. 488–496. DOI: 10.1038/nphoton.2012.138.
5. Krenn M., Fickler R., Fink M., Handsteiner J., Malik M., Scheidl T., Ursin R., Zeilinger A. Communication with spatially modulated light through turbulent air across Vienna // New J. Phys. 2014. V. 16. DOI: 10.1088/1367-2630/16/11/113028.
6. Adamov E.V., Aksenov V.P., Atuchin V.V., Dudorov V.V., Kolosov V.V., Levitsky M.E. Laser beam shaping based on amplitude-phase control of a fiber laser array // OSA Continuum. 2021. V. 4, N 1. P. 182–192. DOI: 10.1364/osac.413956.
7. Huang H., Xie G., Yan Y., Ahmed N., Ren Y., Yue Y., Rogawski D., Willner M.J., Erkmen B.I., Birnbaum K.M., Dolinar S.J., Lavery M.P.J., Padgett M.J., Tur M., Willner A.E. 100 Tbit/s free-space data link enabled by three-dimensional multiplexing of orbital angular momentum, polarization, and wavelength // Opt. Lett. 2014. V. 39, N 2. P. 197 –200. DOI: 10.1364/ol.39.000197.
8. Adamov E.V., Bogach E.A., Dudorov V.V., Kolosov V.V., Levitskii M.E. Controlling the polarization structure of vector beams synthesized by a fiber laser array // Opt. Commun. 2024. V. 559. DOI: 10.1016/j.optcom.2024.130399.
9. 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. Photonics. 2015. V. 7, N 1. P. 66–106. DOI: 10.1364/aop.7.000066.
10. Aksenov V.P., Dudorov V.V., Kolosov V.V., Pogutsa Ch.E. Optical communication in a turbulent atmosphere via the orbital angular momentum of a laser beam. I. Mode purity of OAM transmission // Appl. Opt. 2024. V. 63, N 28. P. 7475–7484. DOI: 10.1364/AO.530512.
11. Yan Y., Xie G., Lavery M.P.J., Huang H., Ahmed N., Bao C., Ren Y., Cao Y., Li L., Zhao Z., Molisch A.F., Tur M., Padgett M.J., Willner A.E. High‑capacity millimetre‑wave communications with orbital angular momentum multiplexing // Nat. Commun. 2014. V. 5. DOI: 10.1038/ncomms5876.
12. Ковалёв А.А., Котляр В.В., Калинкина Д.С. Орбитальный угловой момент и топологический заряд Гауссова пучка с несколькими оптическими вихрями // Компьютерная оптика. 2020. Т. 44, № 1. С. 34 –39. DOI: 10.18287/2412-6179-CO-632.
13. Allen L., Beijersbergen M.W., Spreeuw R.J.C., Woerdman J.P. Orbital angular momentum of light and the transformation of Laguerre–Gaussian laser modes // Phys. Rev. Lett. 1992. V 45, N 11. P. 8185– 8189. DOI: 10.1103/PhysRevA.45.8185.
14. Berkhout G.C.G., Beijersbergen M.W. Method for probing the oirbital angular momentum of optical vortices in electromagnetic waves from astronomical objects // Phys. Rev. Lett. 2008. V. 101, N 10. P. 100801-1–100801-4. DOI: 10.1103/PhysRevLett.101.100801.
15. Gavril’eva K.N., Mermoul A., Sevryugin A.A., Shubenkova E.V., Touil M., Tursunov I.M., Efremova E.A., Venediktov V.Y. Detection of optical vortices using cyclic, rotational and reversal shearing interferometers // Opt. Laser Technol. 2019. V. 113. P. 374–378. DOI: 10.1016/j.optlastec.2019.01.006.
16. Канев Ф.Ю., Аксенов В.П., Стариков Ф.А., Долгополов Ю.В., Копалкин А.В., Веретехин И.Д. Алгоритм определения топологических зарядов и числа оптических вихрей по ветвлению полос интерференционной картины // Оптика атмосф. и океана. 2019. Т. 32, № 8. С. 620‑627. DOI: 10.15372/AOO20190803.
17. Zhang N., Davis J.A., Moreno I., Lin J., Moh K.-J., Cottrell D.M., Yuan X. Analysis of fractional vortex beams using a vortex grating spectrum analyzer // Appl. Opt. 2010. V. 49, N 13. P. 2456–2462. DOI: 10.1364/AO.49.002456.
18. 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. DOI: 10.1080/09500340108231783.
19. Guo C.-S., Lu L.-L., Wang H.-T. Characterizing topological charge of optical vortices by using an annular aperture // Opt. Lett. 2009. V. 34, N 23. P. 3686–3688. DOI: 10.1364/OL.34.003686.
20. Ferreira Q.S., Jesus-Silva A.J., Fonseca E.J.S., Hickmann J.M. Fraunhofer diffraction of light with orbital angular momentum by a slit // Opt. Lett. 2011. V. 36, N 16. P. 3106–3108. DOI: 10.1364/ol.36.003106
21. Mirhosseini M., Malik M., Shi Z., Boyd R.W. Efficient separation of the orbital angular momentum eigenstates of light // Nat. Commun. 2013. V. 4. Article № 2781. DOI: 10.1038/ncomms3781.
22. Wen Y., Chremmos I., Chen Y., Zhu J., Zhang Y., Yu S. Spiral transformation for high-resolution and efficient sorting of optical vortex modes // Phys. Rev. Lett. 2018. V. 120, N 19. P. 193904-1–193904-6. DOI: 10.1103/PhysRevLett.120.193904.
23. 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. UK. 2013. V. 15, N 4. DOI: 10.1088/2040-8978/15/4/044007.
24. Andrews L., Phillips R. Laser Beam Propagation through Random Media. Belingham, WA: SPIE Opt. Eng. Press, 2005. 820 p. DOI: 10.1117/3.626196.
25. Аксенов В.П., Погуца Ч.Е. Влияние оптического вихря на случайные смещения Лагерра–Гауссова лазерного пучка, распространяющегося в турбулентной атмосфере // Оптика атмосф. и океана. 2012. Т. 25, № 7. С. 561‑565; Aksenov V.P., Pogutsa Ch.E. The effect of optical vortex on random Laguerre–Gauss shifts of a laser beam propagating in a turbulent atmosphere // Atmos. Ocean. Opt. 2013. V. 26, N 1. P. 13–17.
26. Коняев П.А., Лукин В.П. Адаптивная фазовая коррекция вихревых лазерных пучков в турбулентной атмосфере // Квант. Электрон. 2022.  Т. 52, № 12. С. 1146–1151.
27. Adamov E.V., Aksenov V.P., Bogach E.A., Dudorov V.V., Kolosov V.V., Levitskii M.E. Adaptive formation of the orbital angular momentum of synthesized beams in a turbulent atmosphere // Proc. SPIE. 2022. V. 12341. P. 1234114-1–1234114-7. DOI: 10.1117/12.2644915.
28. Ren Y., Xie G., Huang H., Bao C., Yan Y., Ahmed N., Lavery M.P.J., Erkmen B.I., Dolinar S., Tur M., Neifeld M.A., Padgett M.J., Boyd R.W., Shapiro J.H., Willner A.E. Adaptive optics compensation of multiple orbital angular momentum beams propagating through emulated atmospheric turbulence // Opt. Lett. 2014. V. 39, N 10. P. 2845–2848. DOI: 10.1364/ol.39. 002845.
29. Galaktionov I., Sheldakova J., Samarkin V., Toporovsky V., Kudryashov A. Atmospheric turbulence with Kolmogorov spectra: Software simulation, real-time reconstruction and compensation by means of adaptive optical system with bimorph and stacked-actuator deformable mirrors // Photonics. 2023. V. 10, N 10. P. 1147. DOI: 10.3390/photonics10101147.
30. Liu J., Wang P., Zhang X., He Y., Zhou X., Ye H., Li Y., Xu S., Chen S., Fan D. Deep learning based atmospheric turbulence compensation for orbital angular momentum beam distortion and communication // Opt. Express. 2019. V. 27, N 12. P. 16671–16688. DOI: 10.1364/oe.27.016671.
31. Guo J., Shi H., Yang T., Lv C., Qiao Z. Atmospheric turbulence compensation for OAM-carrying vortex waves based on convolutional neural network // Adv. Space Res. 2022. V. 69, N 5. P. 1949–1959. DOI: 10.1016/j.asr.2021.11.039.
32. Wang B., Zhang X., Shah S.A.A., Merabet B., Kovalev A.A., Stafeev S.S., Kozlova E.S., Kotlyar V.V., Guo Z. Top three intelligent algorithms for OAM mode recognitions in optical communications // Eng. Res. Express. 2024. V. 6, N 3. DOI: 10.1088/2631-8695/ad61bc.
33. Wang Z., Dedo M.I., Guo K., Zhou K., Shen F., Sun Y., Liu S., Guo Z. Efficient recognition of the propagated orbital angular momentum modes in turbulences with the convolutional neural network // IEEE Photonics J. 2019. V. 11, N 3. DOI: 10.1109/ JPHOT.2019.2916207.
34. Cox M.A., Celik T., Genga Y., Drozdov A.V. Interferometric orbital angular momentum mode detection in turbulence with deep learning // Appl. Opt. 2022. V. 61, N 7. P. D1–D6. DOI: 10.1364/ao.444954.
35. Jing G., Chen L., Wang P., Xiong W., Huang Z., Liu J., Chen Y., Li Y., Fan D., Chen S. Recognizing fractional orbital angular momentum using feed forward neural network // Results Phys. 2021. V. 28. DOI: 10.1016/j.rinp.2021.104619.
36. Hu J., Guo Z., Fu Y., Gan J.A., Chen P.F., Chen G., Min C., Yuan X., Feng F. How convolutional-neural-network detects optical vortex scattering fields // Opt. Laser Eng. 2023 V. 160. DOI: 10.1016/j.optlaseng.2022.107246.
37. 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. DOI: 10.1007/BF00896333.
38. 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. DOI: 10.1364/AO.24.000415.
39. Zhao X., Wang L., Zhang Y., Han X., Deveci M., Parmar M. A review of convolutional neural networks in computer vision // Artif. Intell. Rev. 2024. V. 57, N 99. DOI: 10.1007/s10462-024-10721-6.
40. Krizhevsky A., Sutskever I., Hinton G.E. ImageNet classification with deep convolutional neural networks // Commun. ACM. 2017. V. 60, N 6. P. 84–90. DOI: 10.1145/3065386.
41. Николенко С., Кадурин А., Архангельская Е. Глубокое обучение. СПб.: Питер, 2018. 480 с.