Yörünge açısal momentum çoğullaması - Orbital angular momentum multiplexing

Yörünge açısal momentum ( OAM ) çoğullama , farklı ortogonal sinyalleri ayırt etmek için elektromanyetik dalgaların yörünge açısal momentumunu kullanarak elektromanyetik dalgalar üzerinde taşınan sinyallerin çoğullanması için fiziksel bir katman yöntemidir .

Yörünge açısal momentum, ışığın açısal momentumunun iki biçiminden biridir . OAM, hafif dönüş açısal momentumundan farklıdır ve bununla karıştırılmamalıdır . Işığın dönüş açısal momentumu, dairesel polarizasyonun iki durumuna karşılık gelen yalnızca iki dik kuantum durumu sunar ve polarizasyon çoğullama ve faz kaymasının bir kombinasyonuna eşdeğer olduğu gösterilebilir . Öte yandan OAM, uzatılmış bir ışık huzmesine ve uzatma ile birlikte gelen daha yüksek kuantum serbestlik derecelerine dayanır. OAM çoğullama, potansiyel olarak sınırsız bir dizi duruma erişebilir ve bu nedenle, yalnızca gerçek dünya optiklerinin kısıtlamalarına tabi olarak çok daha fazla sayıda kanal sunar.

2013 itibariyle, OAM çoğullama, mevcut diğer modülasyon ve çoğullama şemaları ile birlikte kullanıldığında bant genişliğinde çok önemli gelişmeler vaat etse de, hala deneysel bir tekniktir ve şimdiye kadar yalnızca laboratuvarda gösterilmiştir. OAM'nin yeni bir kuantum bilgi yayılım modundan yararlandığı iddiasının ardından, teknik tartışmalı hale geldi ve çok sayıda çalışma, onu sıkı bir şekilde modüle edilmiş MIMO çoğullama stratejisinin belirli bir biçimi olarak kabul ederek tamamen klasik bir fenomen olarak modellenebileceğini öne sürdü. bilgi teorik sınırları.

2020 itibariyle, radyo teleskop gözlemlerinden elde edilen yeni kanıtlar, radyo frekansı yörünge açısal momentumunun astronomik ölçeklerde doğal olaylarda gözlemlenmiş olabileceğini, hala araştırılmakta olan bir fenomen olduğunu göstermektedir.

Tarih

OAM çoğullama, 2004 gibi erken bir tarihte boş uzayda ışık ışınları kullanılarak gösterildi. O zamandan beri, OAM araştırmaları iki alanda ilerledi: radyo frekansı ve optik iletim.

Radyo frekansı

karasal deneyler

2011'deki bir deney, 442 m'lik bir mesafe boyunca iki tutarsız radyo sinyalinin OAM çoğullamasını gösterdi. Teorik çalışma, radyo frekanslarında, geleneksel MIMO tekniklerinin doğrusal momentumun çoğunu kopyalayabildiğini gösterdiğinden, OAM'nin , halihazırda MIMO kullanan geleneksel doğrusal momentum tabanlı RF sistemleri ile elde edilebilecekleri iyileştirmediği iddia edilmiştir . OAM taşıyan radyo ışını özellikleri, çok az veya hiç ekstra performans kazancı bırakmaz.

Kasım 2012'de, Tamburini ve Thide araştırma grupları ve birçok farklı iletişim mühendisi ve fizikçi kampı arasında radyo frekanslarında OAM çoğullamanın temel teorik konsepti hakkında anlaşmazlık raporları vardı ve bazıları OAM çoğullamanın sadece bir MIMO'nun uygulanması ve diğerleri, OAM çoğullamanın farklı, deneysel olarak doğrulanmış bir fenomen olduğu iddiasını sürdürüyor.

2014 yılında, bir grup araştırmacı , 2,5 metrelik bir mesafede 32 Gbit/s'lik bir toplam bant genişliği elde etmek için OAM ve polarizasyon modu çoğullamanın bir kombinasyonu kullanılarak çoğullanmış 8 milimetre dalga kanalı üzerinden bir iletişim bağlantısı uygulamasını tanımladı . Bu sonuçlar, Edfors ve ark.

Uzun mesafeli mikrodalga OAM çoğullamasına yönelik endüstriyel ilgi, radyo frekanslarında ( Siae Microelettronica dahil ) OAM tabanlı iletişimin orijinal destekçilerinden bazılarının, ötesinde gerçek bir kazanç olmadığını gösteren teorik bir araştırma yayınladığında , 2015'ten bu yana azalıyor gibi görünüyor. kapasite ve genel anten kullanımı açısından geleneksel uzaysal çoğullama .

radyo astronomi

2019'da, Kraliyet Astronomi Topluluğunun Aylık Bildirimlerinde yayınlanan bir mektup , OAM radyo sinyallerinin , 50 milyon ışıkyılı uzaklıktaki M87* kara deliğinin çevresinden alındığına dair kanıtlar sunarak, optik açısal momentum bilgisinin yayılabileceğini düşündürdü. astronomik mesafelerde.

Optik

OAM çoğullama optik alanda denenmiştir. 2012'de araştırmacılar, tek bir ışık huzmesinde 8 farklı OAM kanalı kullanarak, ancak yalnızca kabaca bir metrelik çok kısa bir boş alan yolunda 2,5 Tbits/s'ye kadar OAM ile çoklanmış optik iletim hızlarını gösterdiler . Uzun menzilli pratik boş alan optik iletişim bağlantılarına OAM tekniklerinin uygulanmasına yönelik çalışmalar devam etmektedir .

OAM çoğullama, mevcut uzun mesafeli optik fiber sistemlerinde uygulanamaz, çünkü bu sistemler, doğal olarak OAM ışık durumlarını desteklemeyen tek modlu fiberlere dayanmaktadır . Bunun yerine, birkaç modlu veya çok modlu fiberlerin kullanılması gerekir. OAM çoğullama uygulaması için ek sorun, normal koşullar altında modların dönüş açısal momentumunda değişikliklere ve lifler büküldüğünde veya gerildiğinde yörünge açısal momentumunda değişikliklere neden olan geleneksel liflerde bulunan mod eşleşmesinden kaynaklanır . Bu mod kararsızlığı nedeniyle, uzun mesafeli iletişimlerde doğrudan algılamalı OAM çoğullaması henüz gerçekleştirilmemiştir . 2012 yılında, OAM durumlarının özel fiberler üzerinden 20 metreden sonra %97 saflıkta iletimi Boston Üniversitesi'ndeki araştırmacılar tarafından gösterildi. Daha sonraki deneyler, bu modların 50 metrelik mesafelerde istikrarlı bir şekilde yayıldığını göstermiştir ve bu mesafenin daha da geliştirilmesi, devam eden çalışmaların konusudur. OAM çoğullamanın gelecekteki fiber optik iletim sistemleri üzerinde çalışması üzerine devam eden diğer araştırmalar, optik polarizasyon çoğullamasında mod dönüşünü telafi etmek için kullanılanlara benzer tekniklerin kullanılması olasılığını içerir .

Doğrudan algılamaya alternatif OAM çoğullama, güçlü mod eşleşmesinin tutarlı algılama için faydalı olduğu önerilen uzun mesafeli iletişimi sağlamak için kullanılabilen ( MIMO ) dijital sinyal işleme (DSP) yaklaşımıyla hesaplama açısından karmaşık bir tutarlı algılamadır. tabanlı sistemler.

Başlangıçta, insanlar birkaç faz levhası veya uzaysal ışık modülatörleri kullanarak OAM çoğullamasına ulaşır. Çip üzerinde bir OAM çoklayıcı daha sonra bir araştırma konusuydu. 2012 yılında Tiehui Su ve ark. entegre bir OAM çoklayıcı gösterdi. Xinlun Cai'nin 2012'deki makalesi gibi entegre OAM çoklayıcı için farklı çözümler gösterildi. 2019'da Jan Markus Baumann ve ark. OAM çoğullama için bir çip tasarladı.

Fiber optik sistemde pratik gösteri

Bozinovic ve ark. 2013'te Science'da yayınlanan bir OAM çoğullamalı fiber optik iletim sisteminin 1,1 km'lik bir test yolu üzerinden başarılı bir şekilde gösterildiğini iddia ediyor. Test sistemi, "vorteks" kırılma indisi profiline sahip bir fiber kullanarak aynı anda 4 farklı OAM kanalını kullanabiliyordu. Aynı aparatı kullanarak, ancak sadece iki OAM modu kullanarak birleşik OAM ve WDM'yi de gösterdiler.

Kasper Ingerslev ve ark. 2018'de Optics Express'te yayınlanan, 1.2 km'lik bir hava çekirdekli fiber üzerinden 12 yörünge açısal momentum (OAM) modunun MIMO'suz iletimini göstermektedir. Sistemin WDM uyumluluğu, 10 GBaud QPSK sinyalleri ile 60, 25 GHz aralıklı WDM kanalları kullanılarak gösterilmiştir.

Geleneksel fiber optik sistemlerde pratik gösterim

2014 yılında G. Milione ve ark. ve H. Huang ve diğerleri. 5 km'lik geleneksel optik fiber, yani dairesel bir çekirdeğe ve kademeli bir indeks profiline sahip bir optik fiber üzerinden OAM ile çoklanmış fiber optik iletim sisteminin ilk başarılı gösterimini talep etti. "Vorteks" kırılma indisi profiline sahip özel bir optik fiber kullanan Bozinovic ve arkadaşlarının çalışmasının aksine, G. Milione ve arkadaşlarının çalışması. ve H. Huang ve diğerleri. OAM çoğullamanın , fiber içindeki mod karışımını düzeltmek için dijital MIMO son işleme kullanılarak ticari olarak mevcut optik fiberlerde kullanılabileceğini gösterdi . Bu yöntem, fiberin bükülmesindeki değişiklikler gibi, yayılma sırasında modların karışımını değiştiren sistemdeki değişikliklere karşı hassastır ve daha fazla sayıda bağımsız moda ölçeklendirmek için önemli hesaplama kaynakları gerektirir, ancak büyük umut vaat etmektedir.

2018'de Royal Melbourne Teknoloji Enstitüsü'nde Zengji Yue, Haoran Ren, Shibiao Wei, Jiao Lin & Min Gu bu teknolojiyi minyatürleştirdi ve büyük bir yemek masasının boyutundan iletişim ağlarına entegre edilebilecek küçük bir çipe küçülttü. Tahminlerine göre bu çip, fiber optik kabloların kapasitesini en az 100 kat ve teknoloji daha da geliştikçe muhtemelen daha da arttırabilir.

Ayrıca bakınız

Referanslar

Dış bağlantılar

* Siae Microelettronica patenti

Languages

In other projects