Войти
Орбитальный угловой момент (OAM ) мультиплексирование - это физический уровень способ мультиплексирования сигналов, переносимых электромагнитными волнами, с использованием орбитального углового момента электромагнитных волн для различения различных ортогональных сигналов.
Орбитальный угловой момент - это одна из двух форм углового момента света. OAM отличается от углового момента вращения света и не следует путать с ним. Спиновый угловой момент света предлагает только два ортогональных квантовых состояния, соответствующих двум состояниям круговой поляризации, и может быть продемонстрирован как эквивалентный комбинации поляризационное мультиплексирование и сдвиг фазы. OAM, с другой стороны, полагается на расширенный луч света и более высокие квантовые степени свободы, которые приходят с расширением. Таким образом, мультиплексирование OAM может получить доступ к потенциально неограниченному набору состояний и, как таковое, предлагает гораздо большее количество каналов, при условии только ограничений реальной оптики.
По состоянию на 2013 год, хотя мультиплексирование OAM обещает очень важные улучшения в полосе пропускания при использовании совместно с другими существующими схемами модуляции и мультиплексирования, это все еще экспериментальный метод, который до сих пор демонстрировался только в лаборатории. Вслед за ранним заявлением о том, что OAM использует новый квантовый режим распространения информации, этот метод стал неоднозначным: многочисленные исследования показывают, что его можно смоделировать как чисто классический феномен, рассматривая его как особую форму строго модулированной стратегии мультиплексирования MIMO, подчиняющейся классической теоретико-информационные границы.
По состоянию на 2020 год новые данные наблюдений с помощью радиотелескопа предполагают, что радиочастотный орбитальный угловой момент мог наблюдаться в природных явлениях в астрономических масштабах, и это явление все еще исследуется.
Мультиплексирование OAM было продемонстрировано с использованием световых лучей в свободном пространстве еще в 2004 году. С тех пор исследования OAM продолжались в двух направлениях. области: радиочастота и оптическая передача.
Эксперимент 2011 года продемонстрировал OAM-мультиплексирование двух некогерентных радиосигналов на расстоянии 442 м. Было заявлено, что OAM не улучшает то, что может быть достигнуто с помощью обычных радиочастотных систем, основанных на линейном импульсе, которые уже используют MIMO, поскольку теоретическая работа предполагает, что на радиочастотах традиционные методы MIMO могут дублировать многие из свойств линейного импульса радиолуча, несущего OAM, практически не оставляют дополнительного прироста производительности.
В ноябре 2012 года поступали сообщения о разногласиях относительно основной теоретической концепции мультиплексирования OAM на радиочастотах между исследовательские группы Тамбурини и Тиде, а также множество различных лагерей инженеров по коммуникациям и физиков, при этом некоторые заявили, что они верят, что мультиплексирование OAM было всего лишь реализацией MIMO, а другие придерживаются своего утверждения, что мультиплексирование OAM - это особый, экспериментально подтвержденное явление.
В 2014 году группа исследователей описала реализацию канала связи по 8 каналам миллиметрового диапазона, мультиплексированных с использованием комбинации Использование OAM и мультиплексирования в поляризационном режиме для достижения совокупной пропускной способности 32 Гбит / с на расстоянии 2,5 метра. Эти результаты хорошо согласуются с прогнозами о сильно ограниченных расстояниях, сделанными Эдфорсом и др.
Промышленный интерес к мультиплексированию OAM с использованием сверхвысоких частот, похоже, снижается с 2015 года, когда некоторые из первоначальных промоторов OAM на основе связь на радиочастотах (включая Siae Microelettronica ) опубликовала теоретическое исследование, показывающее, что нет никакого реального выигрыша, кроме традиционного пространственного мультиплексирования с точки зрения емкости и общей занятости антенны.
В 2019 году письмо, опубликованное в Ежемесячных уведомлениях Королевского астрономического общества, представило доказательства того, что радиосигналы OAM были получены из окрестностей M87 * черная дыра на расстоянии более 50 миллионов световых лет, что свидетельствует о том, что информация об оптическом угловом моменте может распространяться на астрономические расстояния.
Мультиплексирование OAM было испытано в оптической области. В 2012 году исследователи продемонстрировали скорость оптической передачи с мультиплексированием OAM до 2,5 Тбит / с с использованием 8 отдельных каналов OAM в одном луче света, но только на очень коротком пути в свободном пространстве примерно в один метр.. Продолжается работа по применению методов OAM к практическим каналам оптической связи в свободном пространстве на большие расстояния.
Мультиплексирование OAM не может быть реализовано в существующих волоконно-оптических системах большой протяженности, поскольку эти системы основаны на одномодовых волокнах , которые по своей природе не поддерживают состояния света OAM. Вместо этого необходимо использовать многомодовые или многомодовые волокна. Дополнительная проблема для реализации мультиплексирования OAM вызвана связью мод, которая присутствует в обычных волокнах, которая вызывает изменения спинового углового момента мод при нормальных условиях и изменения орбитального углового момента при изгибе или напряжении волокон.. Из-за нестабильности этого режима мультиплексирование OAM с прямым обнаружением еще не реализовано в дальней связи. В 2012 году исследователи из Бостонского университета продемонстрировали передачу состояний OAM с чистотой 97% через 20 метров по специальным волокнам. Более поздние эксперименты показали стабильное распространение этих мод на расстояние до 50 метров, и дальнейшее улучшение этого расстояния является предметом текущей работы. Другие текущие исследования по использованию мультиплексирования OAM в будущих волоконно-оптических системах передачи включают возможность использования методов, аналогичных тем, которые используются для компенсации вращения мод в оптическом поляризационном мультиплексировании.
Альтернатива прямому обнаружению Мультиплексирование OAM - это вычислительно сложное когерентное обнаружение с (MIMO ) подходом цифровой обработки сигналов (DSP), которое можно использовать для обеспечения связи на большие расстояния, где предлагается сильная связь мод быть выгодным для систем на основе когерентного обнаружения.
Вначале люди достигают мультиплексирования OAM, используя несколько фазовых пластин или пространственных модуляторов света. Мультиплексор OAM на кристалле тогда был предметом исследования. В 2012 году статья Tiehui Su и соавт. продемонстрировал интегрированный мультиплексор OAM. Различные решения для интегрированного мультиплексора OAM были продемонстрированы, например, Xinlun Cai в его статье в 2012 году. В 2019 году Ян Маркус Бауманн и др. разработала микросхему для мультиплексирования OAM.
В статье Bozinovic et al. опубликованная в Science в 2013 году, утверждает, что успешная демонстрация оптоволоконной системы передачи с мультиплексированием OAM на испытательном тракте протяженностью 1,1 км. Испытательная система была способна использовать до 4 различных каналов OAM одновременно с использованием волокна с «вихревым» профилем показателя преломления. Они также продемонстрировали объединение OAM и WDM с использованием одного и того же устройства, но с использованием только двух режимов OAM.
В статье Kasper Ingerslev et al. опубликованная в Optics Express в 2018 году, демонстрирует передачу без MIMO 12 мод орбитального углового момента (OAM) по оптоволокну с воздушной сердцевиной длиной 1,2 км. Совместимость системы с WDM демонстрируется с использованием разнесенных каналов WDM 60, 25 ГГц с сигналами QPSK 10 Гбод.
В 2014 году статьи G. Milione et al. и H. Huang et al. заявили о первой успешной демонстрации волоконно-оптической системы передачи с мультиплексированием OAM на 5 км обычного оптического волокна, то есть оптического волокна с круглой сердцевиной и градиентным профилем показателя преломления. В отличие от работы Bozinovic et al., В которой использовалось специальное оптическое волокно с «вихревым» профилем показателя преломления, работа G. Milione et al. и H. Huang et al. показали, что мультиплексирование OAM можно использовать в коммерчески доступных оптических волокнах с помощью цифровой MIMO постобработки для корректировки смешивания мод в волокне. Этот метод чувствителен к изменениям в системе, которые изменяют смешивание мод во время распространения, таким как изменения в изгибе волокна, и требует значительных вычислительных ресурсов для масштабирования до большего числа независимых мод, но имеет большие перспективы.
В 2018 году Цзэнцзи Юэ, Хаоран Рен, Шибяо Вэй, Цзяо Линь и Мин Гу из Королевского технологического института Мельбурна уменьшили эту технологию в миниатюре, уменьшив ее размер с большого обеденного стола до размера небольшой чип, который можно интегрировать в сети связи. По их прогнозам, этот чип может увеличить пропускную способность оптоволоконных кабелей как минимум в 100 раз и, вероятно, выше, по мере дальнейшего развития технологии.
