Перспективы использования орбитальных угловых моментов фотонов в высокоскоростных оптических линиях связи

PROSPECTS OF USING THE ORBITAL ANGULAR MOMENTS OF PHOTONS IN HIGH-SPEED OPTICAL COMMUNICATION LINES

Boris Kuzyakov

Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor, Russian Technological University MIREA, Russia, Moscow

Аннотация. В работе рассматриваются вопросы перспективного использования вихревых лазерных пучков в высокоскоростных оптических линиях связи на примере одного из вариантов блок-схемы. Для создания вихревых пучков могут применяться: спиральные фазовые пластины, пространственные модуляторы света и q - пластины. Показаны примеры распределения интенсивности излучения в вихревых пучках с разными модовыми индексами. Приведены данные по значительному снижению среднеквадратичных ошибок приёмных сигналов, в условиях турбулентной атмосферы, при использовании вихревых пучков. Перечислены преимущества  использования  векторных вихревой пучков в оптических линиях телекоммуникации.

Abstract. The paper deals with the prospective use of vortex laser beams in high-speed optical communication lines on the example of one of the variants of the block diagram. To create vortex beams, the following methods can be used: spiral phase plates, spatial light modulators, and q-plates. Examples of the distribution of the radiation intensity in vortex beams with different mode indices are shown. The data on a significant reduction in the root-mean-square errors of the receiving signals in the conditions of a turbulent atmosphere, when using vortex beams, are presented. The advantages of using vector vortex beams in optical telecommunications lines are listed.

Ключевые слова: оптические линии связи; вихревые лазерные пучки; приёмные сигналы; среднеквадратичные ошибки; спиральные фазовые пластины; пространственные модуляторы света; q – пластины; распределения интенсивности излучения; преимущества  использования. 

Keywords: optical communication lines; vortex laser beams; receiving signals;  root-mean-square errors; spiral phase plates; spatial light modulators; q-plates, radiation intensity distributions; advantages of use.

В наше время, интенсивно исследуются вопросы перспективного использования вихревых лазерных пучков в высокоскоростных оптических линиях связи.  Пример одного из вариантов блок-схемы линии связи, приведен на рисунке 1.

Рисунок 1. Перспективный вариант блок-схемы оптических комбинированных телекоммуникационных систем: 1- информационный сигнал; 2 – сегмент ВОЛС; 3 – модуль передатчика сегмента АОЛС; 4 –сегмент атмосферной трассы; 5 - модуль приемника системы АОЛС; 6 – система обработки сигнала; 7 – выходной сигнал; 8 - оптический телескоп

Векторные вихревые пучки (ВВБ), обладающие состояниями, в которых поляризация и орбитальный угловой момент (ОАМ) связаны, привлекают все больше внимания в науке и технике, благодаря уникальной природе светового поля. Однако искажение атмосферной передачи является постоянной проблемой, несколько препятствующей практическому применению, например, в связи и визуализации [1]. Здесь рассматривается адаптивная оптическая система для компенсации турбулентных аберраций векторной вихревой моды с учетом фазового распределения и чистоты моды. Хорошо разработана модель сверточной нейронной сети  с коррекцией турбулентных аберраций (TACCNN), которая позволяет изучить взаимосвязь отображения профиля интенсивности искаженных векторных вихревых мод и фазы турбулентности, генерируемой первыми 20 модами Цернике. После подробного учёта многочисленных экспериментальных данных модель TACCNN быстро и точно компенсирует аберрацию турбулентности для ВВБ (см. рисунок 2). На рисунке 2 приведен вариант эффективной компенсации аберраций турбулентности (пунктирная кривая) для ВВБ, в сравнении с вариантом без компенсации (сплошная линия) для случая D/r0 = 5.28. На этом рисунке, видно, что в варианте без компенсации, величины средней квадратичной ошибки (СКО) в максимумах, достигают значительных величин: 53; 32; 20 В варианте с эффективной компенсацией аберраций турбулентности, все величины СКО – менее 5, во всем диапазоне реализаций турбулентности (1-10). Нужно отметить, что в варианте без компенсации, для D/r0 =3,74, величины СКО, в максимумах достигают значений: 27; 29; 14 В таком же варианте, для D/r0 =6,90, величины СКО, в максимумах достигают значений: 48; 26; 22.  При введении компенсаций, для D/r0 = 3,74 и 6,90, все величины СКО – так же менее 5, во всем диапазоне реализаций турбулентности (1-10), хотя виды зависимостей немного отличаются от зависимости, приведенной на рисунок 2 (пунктирная линия).

Рисунок 2. Варианты эффективной компенсации аберраций турбулентности для ВВБ

По вертикальной оси – величины СКО между измеряемой величиной и коэффициентами Цернике с компенсацией и без нее при различной силе турбулентности по данным испытаний. Пунктирная слошная линия представляет СКО до компенсации, а пунктирная линии представляет СКО после компенсации. Приведены оценки при различных силах турбулентности, а различные реализация турбулентности означают различные случайные комплек-сные матрицы при вычислении маски турбулентности [1 -3].

Впервые полученные экспериментальные результаты показывают, что благодаря коррекции чистота моды искаженного ВВБ повышается с 19% до 70% , при силе турбулентности D/r0 = 5.28 со временем коррекции до 100 мс, без итераций, по сравнению с традиционными алгоритмами. Кроме того, как пространственные моды, так и распределение интенсивности света могут быть хорошо компенсированы в различных атмосферных турбулентностях. Данная схема показывает, что представленные результаты, объединяющие методы глубокого обучения и адаптивной оптики, будут очень полезны для коррекции структуры пучка, столь необходимой в областях связи и визуализации. Наряду с этим, в ряде наших работ [2, 4 - 5], показано, что использование ОАМ, приводит к повышению эффективности АОЛС, включая снижение флуктуаций интенсивности лазерных пучков в турбулентной атмосфере. Для наглядности, далее, приведена  иллюстрация состояний ОАМ (рисунок 3).

Рисунок 3. Примеры вариации состояний ОАМ с разным номером моды (слева – направо): 4; 24; 40

Таким образом, в данной работе, показано, что использование ОАМ, приводит к повышению эффективности АОЛС, включая снижение флуктуаций интенсивности лазерных пучков в турбулентной атмосфере.