Том 38, номер 08, статья № 1

Аннотация:

Модовые представления волновых полей используются во многих оптических приложениях, в частности, для создания информационных каналов, несущих независимые потоки данных. В настоящей работе на основе модового представления волновых полей разработаны теоретические основы нового метода оптической беспроводной побайтовой передачи цифрового сигнала, мультиплексированного по величине орбитального углового момента (ОУМ) электромагнитной волны, и предложена аппаратная реализация этого метода. Передатчик представляет собой круговой массив когерентных лазерных пучков, формируемых за счет деления исходного узкополосного лазерного излучения на восемь каналов. Формирование каналов передачи данных, отличающихся значением ОУМ, происходит при интерференционном сложении в дальней зоне дифракции восьми когерентных лазерных пучков, амплитуда и фаза которых изменяется пропорционально величине Фурье-образов информационных сигналов, поступающих от программируемого контролера на амплитудные и фазовые модуляторы. Распространяющееся в пространстве волновое поле поступает на вход приемного телескопа, а далее на сортировщик ОУМ-мод, после которого в результате сложения на компараторе восьми лазерных пучков воспроизводится полная структура излученного цифрового сигнала. Рассмотрена концептуальная схема экспериментальной установки, осуществляющей проверку данного метода в лабораторных условиях. С помощью численного моделирования показана возможность ее практической реализации. Предложен ряд технических приемов, способствующих повышению эффективности метода, описаны его преимущества.

Ключевые слова:

орбитальный угловой момент, мультиплексирование, уплотнение каналов связи, байт, когерентное сложение

Иллюстрации:

Список литературы:

1. Rubinsztein-Dunlop H., Forbes A., Berry M.V., Dennis M.R., Andrews D.L., Mansuripur M., Denz C., Alpmann C., Banzer P., Bauer T., Karimi E., Marrucci L., Padgett M., Ritsch-Marte M., Litchinitser N.M., Bigelow N.P., Rosales-Guzmán C., Belmonte A., Torres J.P., Neely T.W., Baker M., Gordon R., Stilgoe A.B., Romero J., White A.G., Fickler R., Willner A.E., Xie G., McMorran B., Weiner A.M. Roadmap on structured light // J. Opt. 2017. V. 19, N 1. P. 013001-1–013001-51. DOI: 10.1088/2040-8978/19/1/013001.
2. Noor S.K., Yasin M.N.M., Ismail A.M., Osman M.N., Soh P.J., Ramli N. A review of orbital angular momentum vortex waves for the next generation wireless communications // IEEE Access. 2022. V. 10. P. 89465–89484. DOI: 10.1109/access.2022.3197653.
3. Willner A.E., Su X., Zhou H., Minoofar A., Zhao Z., Zhang R., Tur M., Molisch A.F., Lee D., Almaiman A. High capacity terahertz communication systems based on multiple orbital-angular-momentum beams // J. Opt. 2022. V. 24. P. 124002-1–124002-19. DOI: 10.1088/2040-8986/ac9c16.
4. Аксенов В.П., Дудоров В.В., Колосов В.В., Погуца Ч.Е., Абрамова Е.С. Регистрация орбитального углового момента лазерного пучка через его разложение по оптическим вихрям и его использование в системе связи в турбулентной атмосфере // Оптика атмосф. и океана. 2020. Т. 33, № 5. С. 347–357. DOI: 10.15372/AOO20200504.
5. Aksenov V.P., Dudorov V.V., Kolosov V.V., Pogutsa C.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.
6. Aksenov V.P., Dudorov V.V., Kolosov V.V., Pogutsa C.E. Optical communication in a turbulent atmosphere via the orbital angular momentum of a laser beam. II. Symbol error rate in a data line // Appl. Opt. 2024. V. 63, N 28. P. 7485–7490. DOI: 10.1364/AO.530548.
7. Aksenov V.P., Dudorov V.V., Filimonov G.A., Kolosov V.V., Venediktov V.Y. Vortex beams with zero orbital angular momentum and non-zero topological charge // Opt. Laser Technol. 2018. V. 104. P. 159–163. DOI: 10.1016/j.optlastec.2018.02.022.
8. Aksenov V.P., Dudorov V.V., Kolosov V.V., Levitsky M.E. Synthesized vortex beams in the turbulent atmosphere // Front. Phys. 2020. V. 8. P. 143-1–143-13. DOI: 10.3389/fphy.2020.00143.
9. Long J., Jin K., Chen Q., Chang H., Chang Q., Ma Y., Wu J., Su R., Ma P., Zhou P. Generating the 1.5 kW mode-tunable fractional vortex beam by a coherent beam combining system // Opt. Lett. 2023. V. 48, N 19. P. 5021–5024. DOI: 10.1364/OL.502321.
10. Shu B., Zhang Y., Chang H., Tang S., Leng J., Zhou P. Integrated coherent beam combining system for orbital-angular-momentum shift-keying-based free-space optical links // Adv. Photon. Nexus. 2024. V. 3, N 3. P. 036003-1–036003-11. DOI: 10.1117/1.APN.3.3.036003.
11. Billault V., Leveque S., Maho A., Welch M., Bourderionnet J., Lallier E., Sotom M., Kernec A.Le., Brignon A. Optical coherent combining of high-power optical amplifiers for free-space optical communications // Opt. Lett. 2023. V. 48, N 19. P. 3649–3652. DOI: 10.1364/OL.494908.
12. Rouzé B., Pichon P., Gay M., Bramerie L., Lombard L., Durécu A. Experimental study of the impact of carrying a telecom signal on LOCSET-based coherent beam combining // Opt. Express. 2023. V. 31, N 16. P. 26552–26564. DOI: 10.1364/OE.497156.
13. Thidé B., Then H., Sjöholm J., Palmer K., Bergman J., Carozzi T.D., Istomin Ya.N., Ibragimov N.H., Khamitova R. Utilization of photon orbital angular momentum in the low-frequency radio domain // Phys. Rev. Lett. 2007. V. 99. P. 087701-1–087701-4. DOI: 10.1103/PhysRevLett.99.087701.
14. Mohammadi S.M., Daldor L.K.S., Forozesh K., Thidé B., Bergman J.E.S., Isham B., Karlsson R., Carozzi T.D. Orbital angular momentum in radio: Measurement methods // Radio Sci. 2010. V. 45. P. RS4007-1–RS4007-14. DOI: 10.1029/2009RS004299.
15. Li Z., Qu F., Wei Y., Yang G., Xu W., Xu J. The limits of effective degrees of freedom in UCA based orbital angular momentum multiplexed communications // Sci. Rep. 2020. V. 10. P. 5216-1–5216-11. DOI: 10.1038/s41598-020-61329-z.
16. Papathanasopoulos A., Rahmat-Samii Y. Fundamentals of orbital angular momentum beams: Concepts, antenna analogies, and applications // Electromagnetic Vortices: Wave Phenomena and Engineering Applications. Hoboken: Wiley. Book Editors: Zhi Hao Jiang, Douglas H. Werner. 2022. P. 3–32. DOI: 10.1002/9781119662945.ch1.
17. Sasaki H., Yagi Y., Kudo R., Lee D. 1.58 Tbps OAM multiplexing wireless transmission with wideband Butler matrix for sub-THz band // IEEE J. Sel. Areas Commun. 2024. V. 42, N 6. P. 1613–1625. DOI: 10.1109/jsac.2024.3389125.
18. Padgett M.J., Miatto F.M., Lavery M.P.J., Zeilinger A., Boyd R.W. Divergence of an orbital-angular-momentum-carrying beam upon propagation // New J. Phys. 2015. V. 17, N 2. P. 023011-1–023011-5. DOI: 10.1088/1367-2630/17/2/023011.
19. Yagi Y., Sasaki H., Lee D. Prototyping of 40 GHz band orbital angular momentum multiplexing system and evaluation of field wireless transmission experiments // IEEE Access. 2022. V. 10. P. 130040–130047. DOI: 10.1109/ACCESS.2022.3228545.
20. Chen R., Zhou J., Long W.-X., Zhang W. Hybrid circular array and Luneberg lens for long-distance OAM wireless communications // IEEE Trans. Commun. 2023. V. 71, N 1. P. 485–497. DOI: 10.1109/TVT.2023.3309034.
21. Khan M.I.W., Woo J., Yi X., Ibrahim M.I., Yazicigil R.T., Chandrakasan A.P. A 0.31-THz orbital-angular-momentum (OAM) wave transceiver in CMOS with bits-to-OAM mode mapping // IEEE J. Sol.-State Circ. 2022. V. 57, N 5. P. 1344–1357. DOI: 10.1109/jssc.2022.3141366.
22. Zheng S., Hui X., Zhu J., Chi H., Jin X., Yu S., Zhang X. Orbital angular momentum mode-demultiplexing scheme with partial angular receiving aperture // Opt. Express. 2015. V. 23, N 9. P. 12251–12257. DOI: 10.1364/OE.23.012251.
23. Zhang C., Ma L. Detecting the orbital angular momentum of electro-magnetic waves using virtual rotational antenna // Sci. Rep. 2017. V. 7. P. 4585-1–4585-8. DOI: 10.1038/s41598-017-04313-4.
24. Chen X., Xue W. OAM Communications in multipath environments // Electromagnetic Vortices: Wave Phenomena and Engineering Applications. Hoboken: Wiley, 2022. P. 321–356. DOI: 10.1002/9781119662945.ch11.
25. Kazinski P.O., Korolev P.S., Lazarenko G.Yu., Ryakin V.A. Multiplexing signals with twisted photons by a circular arc phased array // Annals Phys. 2024. V. 462. P. 16961-1–16961-14. DOI: 10.1016/j.aop.2024.169610.
26. Виноградов М.Е., Руденко О.В., Сухоруков А.П. Теория волн. М.: Наука, 1990. 432 с.
27. Kurti R.S., Halterman K., Shori R.K., Wardlaw M.J. Discrete cylindrical vector beam generation from an array of optical fibers // Opt. Express. 2009. V. 17, N 16. P. 13982–13988. DOI: 10.1364/OE.17.013982.
28. Adamov E.V., Aksenov V.P., Dudorov V.V., Kolosov V.V., Levitskii M.E. Controlling the spatial structure of vector beams synthesized by a fiber laser array // Opt. Laser Technol. 2022. V. 154. P. 108351. DOI: 10.1016/j.optlastec.2022.108351.
29. Бейтмен Г., Эрдейи А. Высшие трансцендентные функции. Т. 2. М.: Наука. 1974. 296 с.
30. Fleck J.A., Morris J.R., Feit M.D. Time-dependent propagation of high energy laser beams through the atmosphere // Appl. Phys. A. 1976. V. 10, N 2. P. 129–160.
31. Голуб М.А., Карпеев С.В., Казанский Н.Л., Мирзов А.В., Сисакян И.Н., Сойфер В.А., Уваров Г.В. Фазовые пространственные фильтры, согласованные с поперечными модами // Квант. электрон. 1988. Т. 15, № 3. С. 617–618.
32. Воляр А.В., Брецько М.В., Акимова Я.Е., Егоров Ю.А. Сортировка пучков Лагерра-Гаусса по радиальному числу посредством моментов интенсивности // Компьютерная оптика. 2020. Т. 44, № 2. С. 155–166.
33. Berkhout G.C.G., Lavery M.P.J., Courtial J., Beijersbergen M.W., Padgett M.J. Efficient sorting of orbital angular momentum states of light // Phys. Rev. Lett. 2010. V. 105, N 15. P. 153601. DOI: 10.1103/PhysRevLett.105.153601.
34. Mirhosseini M., Malik M., Shi Z., Boyd R.W. Efficient separation of the orbital angular momentum eigenstates of light // Nat. Commun. 2013. V. 4, N 1. P. 2781. DOI: 10.1038/ncomms3781.
35. 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. DOI: 10.1364/AOP.7.000066.
36. Li C., Zhao S. Efficient separating orbital angular momentum with radial varying phase // Photon. Res. 2017. V. 5, N 4. P. 267–270. DOI: 10.1364/PRJ.5.000267.
37. Wang B., Wen Y., Zhu J., Chen Y., Yu S. Sorting full angular momentum states with Pancharatnam-Berry metasurfaces based on spiral transformation // Opt. Express. 2020. V. 28, N 11. P. 16342–16351. DOI: 10.1364 /OE.393859.
38. Anguita J.A., Neifeld M.A., Vasic B.V. Turbulence-induced channel crosstalk in an orbital angular momentum-multiplexed free-space optical link // Appl. Opt. 2008. V. 47, N 13. P. 2414–2429. DOI: 10.1364/AO.47.002414.