p A comunicação óptica de alta capacidade pode ser realizada pela multiplexação de vários canais de momento angular orbital portadores de luz (OAM). Contudo, em ambientes turbulentos, espalhamento óptico e 'padrões de manchas' ocorrem devido ao ambiente, micropartículas atmosféricas e diminuem significativamente a ortogonalidade entre os canais OAM, demultiplexar (extrair informações) e aumentar a diafonia durante a comunicação. Em um estudo recente agora publicado em Light:Ciência e Aplicações , Lei Gong e colegas de trabalho nos departamentos de ótica e engenharia ótica, Engenharia médica, engenharia elétrica e ciências físicas na China e nos EUA desenvolveram uma 'técnica de recuperação assistida por matriz de espalhamento' (SMART) para recuperar dados espalhados de canais OAM multiplexados de maneira eficiente. No estudo, eles usaram 24 canais OAM em paralelo, passando através de um meio de espalhamento para demultiplexar os canais dos campos ópticos espalhados e alcançar crosstalk experimental mínima de aproximadamente -13,8 dB. p Os cientistas decodificaram as informações de múltiplos feixes de luz retorcidos que passaram através da mídia dispersa contendo micropartículas atmosféricas (causando qualidade de imagem reduzida) e recuperaram dados de alta qualidade dos canais OAM multiplexados. A plataforma SMART permitiu a transmissão de imagens de alta fidelidade e reduziu a taxa de erro em 21 vezes em comparação com estudos anteriores. Gong et al. Imaginemos que a técnica otimizada facilitará a transferência de dados ópticos de alta qualidade em condições atmosféricas adversas ou debaixo d'água para aplicações práticas.

p Os cientistas implementaram a configuração experimental em um sistema de transmissão de dados auto-construído, empregando um dispositivo de microespelho digital (DMD) para codificar canais OAM. Eles forneceram simultaneamente alta tolerância ao desalinhamento na configuração por meio da calibração sem referência. Eles, então, demonstraram com sucesso a transmissão de alta fidelidade de imagens em cinza e coloridas sob condições de dispersão, a uma taxa de erro de <0,08 por cento. A técnica pode abrir caminho para comunicação óptica de alto desempenho em ambientes turbulentos.

p A luz é um portador de informações durante a comunicação e os cientistas tradicionalmente têm como objetivo aumentar sua capacidade de transporte de informações e eficiência espectral pela multiplexação do comprimento de onda, polarização e grau de liberdade espacial para comunicação de dados aprimorada. O OAM da luz, reconhecido por Les Allen em 1992, é considerado um grau de liberdade promissor para multiplexar dados no espaço livre e fibras ópticas em nanoescala. Um feixe de luz carregando um OAM é caracterizado por uma frente de onda helicoidal, é superior ao momento angular de rotação com dois estados, e oferece canais ilimitados para transmissão de dados. Como resultado de suas propriedades únicas, A multiplexação OAM é amplamente aplicada para alcançar comunicação de alta capacidade em espaço livre e fibras ópticas.

p Quando a luz se propaga através de meios de espalhamento ou sistemas multimodo, padrões de manchas bem conhecidos podem surgir da autointerferência de luz multiplamente embaralhada. Embora os padrões de manchas difiram da luz incidente, a informação codificada é retida nas manchas e nunca perdida. Na verdade, os padrões de manchas dependem das propriedades temporais e espaciais da luz incidente para extrair e usar informações dentro das manchas.

p No presente trabalho, Gong et al. propôs o sistema SMART para extrair com precisão os estados OAM codificados de luz espalhada múltipla. Os cientistas primeiro empregaram a técnica com uma matriz de espalhamento de correlação pontilhada para recuperar o campo óptico de um feixe de vórtice portador de dados. A luz continha estados de superposição OAM e o sistema SMART desmultiplexou cada canal OAM usando o método de decomposição de modo.

p Para testar a validade do sistema, os cientistas construíram um sistema óptico de transmissão de dados sem fio em um ambiente de espalhamento múltiplo. Notavelmente, o sistema SMART mostrou boa tolerância ao desalinhamento do sistema e permitiu conexão fora de linha de visão (NLOS) para uso em comunicação óptica. Depois de estar sujeito a dispersão múltipla, os dados que carregam o feixe de vórtice geraram um padrão aleatório de manchas, que foi gravado por uma câmera e então analisado usando o sistema SMART.

p Para validar experimentalmente o sistema, Gong et al. construiu um link de transmissão de dados ópticos com base em um dispositivo de microespelho digital (DMD). A configuração continha um laser He-Ne como fonte de luz e um expansor de feixe com uma ampliação especificada, para ajustar o tamanho do feixe de laser. Os cientistas instalaram a comutação de modo de alta velocidade no sistema para adquirir imagens de forma síncrona, que também foi usado para executar cálculos digitalizados na plataforma SMART.

p Os cientistas usaram um difusor óptico para simular um ambiente de dispersão óptica no experimento, que eles inseriram no caminho de transmissão. Gong et al. em seguida, introduziu uma técnica desenvolvida por meio de otimização de frente de onda paralela para calibração rápida sem referência dentro da mesma configuração.

p Depois de reduzir o potencial de diafonia na configuração experimental, os cientistas mediram o nível de diafonia em -13,8 dB no sistema, aceitável para aplicações práticas. A técnica mostrou boa tolerância e imunidade ao desalinhamento, indicando que a plataforma SMART era robusta para implementação prática e vantajosa para transferência de dados SMART.

p Para transferir dados ópticos sob dispersão, Gong et al. usou um método digital e codificou os dados binários transportados em estados OAM multiplexados em um único feixe de laser. Durante a transferência de dados, os cientistas permitiram a codificação de informações gerando diretamente um campo de luz que representava o estado de superposição OAM. Por exemplo, uma imagem em tons de cinza com 256 níveis de cinza foi representada com um byte digital binário com 8 bits; onde cada bit tem um valor de 0-1. Para codificar o byte, os cientistas usaram um estado de superposição OAM contendo 8 bases OAM, onde cada um correlacionado com um bit. Por exemplo, o nível de cinza de 111 tem o byte binário de '01101111' no espectro OAM.

p Usando critérios simples derivados do estudo, os cientistas mostraram que o espectro OAM recuperado com a plataforma SMART estava de acordo com o resultado teórico. Seguindo a estratégia experimental desenvolvida no trabalho, Gong et al. transferiu uma imagem cinza (cubo de Rubik) através de um meio de espalhamento. Experimentalmente, os cientistas receberam a imagem transferida com uma taxa de erro de zero; definido como a proporção de pixels incorretos na imagem decodificada para todos os pixels da imagem, indicando que todos os pixels da imagem foram transferidos perfeitamente. Os cientistas atribuíram o alto desempenho ao baixo erro de cada canal OAM no espectro recuperado.

p Para transferir uma imagem colorida, Gong et al. empregou um estado de superposição de 24 componentes OAM para codificar os dados. Os cientistas verificaram a transmissão experimental e teórica dos dados, enquanto indica que a plataforma se comportou bem para transmissão de dados. Com base nesses resultados, os cientistas transferiram uma imagem colorida do cubo de Rubik com uma taxa de erro de 0,08 por cento, maior do que antes, mas prometendo menor erro na transmissão de dados. Além da transferência de dados digitais binários, os cientistas mostraram que a plataforma SMART tinha grande potencial para análises espectrais complexas e medição de fase.

p Desta maneira, Gong et al. introduziu uma plataforma SMART para recuperação de dados, que, quando comparado com os sistemas desmultiplexados OAM anteriores, ofereceu duas vantagens principais por:

p 1. Empregar um método digital para identificar cada canal OAM.

p 2. Recuperar o estado de superposição OAM de manchas altamente dispersas e, em seguida, desmultiplexar cada canal OAM para recuperação de dados.

p Os limites do método incluíram a necessidade de pré-calibração e processamento de dados, que eram experimentalmente demorados. A transmissão de dados baseada em OAM operou em uma distância de 3 metros em um ambiente de laboratório, os cientistas realizaram análises de dados em um computador pessoal. Para transmissão de longa distância, eles propõem o uso de um laser de maior potência, uma lente de coleta de maior abertura e bom alinhamento no sistema óptico para melhorar a relação sinal-ruído (SNR).

p O protótipo SMART proposto pode ser otimizado antes das aplicações práticas. A técnica oferecerá oportunidades para comunicação sem fio óptica de alto desempenho sob condições de espalhamento, comunicação de fibra ótica multimodo e comunicação ótica subaquática severa. Os resultados também irão beneficiar a comunicação quântica baseada em OAM, distribuição de chaves quânticas de alta dimensão, criptografia quântica e memória quântica para transferência eficiente de dados em ambientes turbulentos. p © 2019 Science X Network