Il multiplexing del momento angolare orbitale ( OAM ) è un metodo di livello fisico per segnali di multiplexing trasportati su onde elettromagnetiche che utilizzano il momento angolare orbitale delle onde elettromagnetiche per distinguere tra i diversi segnali ortogonali. [1]

Il momento angolare orbitale è una delle due forme di momento angolare della luce . OAM è distinto da, e non dovrebbe essere confuso con, momento angolare di rotazione leggera . Il momento angolare di spin di luce offre solo due stati quantici ortogonali corrispondenti ai due stati di polarizzazione circolare e può essere dimostrato equivalente a una combinazione di multiplexing di polarizzazione e sfasamento . Il multiplexing OAM può (almeno in teoria) accedere a un insieme potenzialmente illimitato di stati quantici di OAM, e quindi offrire un numero molto maggiore di canali, soggetto solo ai vincoli dell’ottica del mondo reale.

A partire dal 2013 , anche se il multiplexing OAM promette miglioramenti molto significativi nella larghezza di banda quando usato in concerto con altri schemi di modulazione e multiplexing esistenti, è ancora una tecnica sperimentale, e finora è stato dimostrato solo in laboratorio.

Storia

Il multiplexing OAM è stato dimostrato utilizzando fasci di luce nello spazio libero già nel 2004. [2] Da allora, la ricerca su OAM ha proceduto in due aree: la radiofrequenza e la trasmissione ottica.

Frequenza radio

Un esperimento del 2011 ha dimostrato il multiplexing OAM di due segnali radio incoerenti su una distanza di 442 m. [3] È stato affermato che OAM non migliora ciò che può essere ottenuto con i sistemi RF convenzionali basati sul momento lineare che già utilizzano il MIMO , poiché il lavoro teorico suggerisce che, alle radiofrequenze, è possibile dimostrare che le tecniche MIMO convenzionali duplicano molti dei le proprietà del momento lineare del raggio radio che trasporta OAM, lasciando poco o nessun guadagno extra in termini di prestazioni. [4]

Nel novembre 2012, ci sono state segnalazioni di disaccordo sul concetto teorico di base del multiplexing OAM alle frequenze radio tra i gruppi di ricerca di Tamburini e Thide, e molti campi diversi di ingegneri e fisici della comunicazione, con alcuni che credono che il multiplexing OAM fosse solo un implementazione del MIMO , e altri che sostengono la loro affermazione che il multiplexing OAM è un fenomeno distinto, sperimentalmente confermato. [5] [6] [7]

Nel 2014, un gruppo di ricercatori ha descritto l’implementazione di un collegamento di comunicazione su canali di onde millimetriche multiplexati utilizzando una combinazione di OAM e multiplexing in modalità di polarizzazione per ottenere una larghezza di banda aggregata di 32 Gbit / s su una distanza di 2,5 metri. [8] Questi risultati concordano bene con le previsioni sulle distanze severamente limitate fatte da Edfors et al. [4]

L’interesse industriale per il multiplexing delle microonde a lunga distanza sembra essere diminuito dal 2015, quando alcuni dei promotori originali della comunicazione basata su OAM a frequenze radio (compresa la Siae Microelettronica ) hanno pubblicato un’indagine teorica [9] che mostra che non esiste guadagno reale oltre il multiplexing spaziale tradizionale in termini di capacità e occupazione generale dell’antenna.

Ottico

Il multiplexing OAM è utilizzato nel dominio ottico. Nel 2012, i ricercatori hanno dimostrato velocità di trasmissione ottica multiplexate OAM fino a 2,5 Tbits / s utilizzando 8 canali OAM distinti in un singolo raggio di luce, ma solo su un percorso molto breve di spazio libero di circa un metro. [1] [10] È in corso il lavoro sull’applicazione delle tecniche OAM ai collegamenti di comunicazione ottica a spazio libero pratici a lungo raggio . [11]

Il multiplexing OAM non può essere implementato nei sistemi esistenti a fibra ottica a lungo raggio, poiché questi sistemi sono basati su fibre a modalità singola , che intrinsecamente non supportano gli stati di luce OAM. Invece, è necessario utilizzare fibre a modalità ridotta o multimodale. Un ulteriore problema per l’implementazione del multiplexing OAM è causato dall’accoppiamento di modalità presente nelle fibre convenzionali [12], che causa cambiamenti nel momento angolare di spin delle modalità in condizioni normali e cambiamenti nel momento angolare orbitale quando le fibre sono piegate o sollecitate. A causa di questa instabilità di modalità, il multiplexing OAM a rilevamento diretto non è stato ancora realizzato nelle comunicazioni a lungo raggio. Nel 2012, la trasmissione degli stati OAM con purezza del 97% dopo 20 metri su fibre speciali è stata dimostrata dai ricercatori dell’Università di Boston. [13]Esperimenti successivi hanno mostrato una propagazione stabile di queste modalità su distanze di 50 metri [14] e ulteriori miglioramenti di questa distanza sono oggetto di lavori in corso. Altre ricerche in corso sulla creazione di multiplexing OAM su futuri sistemi di trasmissione a fibre ottiche includono la possibilità di utilizzare tecniche simili a quelle utilizzate per compensare la rotazione di modo nel multiplexing di polarizzazione ottica . citazione necessaria ]

Alternativa al rilevamento diretto Il multiplexing OAM è un rilevamento coerente computazionalmente complesso con l’approccio ( MIMO ) dell’elaborazione del segnale digitale (DSP), che può essere utilizzato per ottenere comunicazioni a lungo raggio, [15] dove si suggerisce che l’accoppiamento in modalità forte sia utile per sistemi basati sulla rilevazione coerente. [16]

Dimostrazione pratica nel sistema a fibre ottiche

Un lavoro di Bozinovic et al. pubblicato su Science nel 2013 sostiene la dimostrazione di successo di un sistema di trasmissione a fibre ottiche multiplexato OAM su un percorso di prova di 1,1 km. [17] [18] Il sistema di test era in grado di utilizzare fino a 4 diversi canali OAM contemporaneamente, utilizzando una fibra con un profilo di indice di rifrazione “a vortice”. Hanno anche dimostrato di combinare OAM e WDM usando lo stesso apparato, ma usando solo due modalità OAM. [18]

Dimostrazione pratica nei sistemi convenzionali a fibre ottiche

Nel 2014, articoli di G. Milione et al. e H. Huang et al. ha sostenuto la prima dimostrazione di successo di un sistema di trasmissione a fibre ottiche multiplexato OAM su un 5 km di fibra ottica convenzionale, [19] [20] [21] cioè una fibra ottica con un nucleo circolare e un profilo di indice graduato. In contrasto con il lavoro di Bozinovic et al., Che utilizzava una fibra ottica personalizzata che aveva un profilo di indice di rifrazione “a vortice”, il lavoro di G. Milione et al. e H. Huang et al. ha dimostrato che il multiplexing OAM potrebbe essere utilizzato nelle fibre ottiche disponibili in commercio usando il MIMO digitalepost-elaborazione per correggere la modalità di miscelazione all’interno della fibra. Questo metodo è sensibile ai cambiamenti nel sistema che modificano la miscelazione delle modalità durante la propagazione, come i cambiamenti nella piegatura della fibra, e richiede notevoli risorse di calcolo per scalare un numero maggiore di modalità indipendenti, ma mostra grandi promesse.

Vedi anche

  • Momento angolare di luce
  • Vortice ottico
  • Polarizzazione-divisione multiplexing
  • Vorticità
  • Multiplexing a lunghezza d’onda
  • Brevetto Siae Microelettronica

Riferimenti

  1. ^ Salta su:b Sebastian Anthony (2012-06-25). “I vortici wireless a capacità infinita trasportano 2,5 terabit al secondo” . Extremetech . Estratto il 2012-06-25 .
  2. Salta su^ Gibson, G .; Courtial, J .; Padgett, MJ; Vasnetsov, M .; Pas’Ko, V .; Barnett, SM; Franke-Arnold, S. (2004). “Trasferimento di informazioni nello spazio libero mediante fasci di luce che trasportano il momento angolare orbitale”. Ottica Express . 12 (22): 5448-5456. Bibcode :2004OExpr..12.5448G . doi : 10.1364 / OPEX.12.005448 . PMID  19484105 .
  3. Salta su^ Tamburini, F .; Mari, E .; Sponselli, A .; Thidé, B .; Bianchini, A .; Romanato, F. (2012). “Codifica di molti canali sulla stessa frequenza tramite radio vorticity: primo test sperimentale”. Nuovo Journal of Physics14 (3): 033001. arXiv : 1107.2348  . Bibcode : 2012NJPh … 14c3001T. doi : 10.1088 / 1367-2630 / 14/3/033001 .
  4. ^ Salta su:b Edfors, O .; Johansson, AJ (2012). “La comunicazione radio basata su Orbital Angular Momentum (OAM) è un’area non sfruttata?”. Transazioni IEEE su antenne e propagazione . 60 (2): 1126. Bibcode : 2012ITAP … 60.1126E . doi : 10.1109 / TAP.2011.2173142 .
  5. Salta^ Jason Palmer (8 novembre 2012). ” L’ idea di amplificare i dati ‘accesa di luce’ accende accesi dibattiti” . BBC News . Estratto l’ 8 novembre2012 .
  6. Salta su^ Tamagnone, M .; Craeye, C .; Perruisseau-Carrier, J. (2012). “Commenta” Codifica di molti canali sulla stessa frequenza tramite radio vorticity: primo test sperimentale ” “. Nuovo Journal of Physics . 14 (11): 118001. arXiv : 1210.5365  . Bibcode : 2012NJPh … 14k8001T . doi :10.1088 / 1367-2630 / 14/11/118001 .
  7. Salta su^ Tamburini, F .; Thidé, B .; Mari, E .; Sponselli, A .; Bianchini, A .; Romanato, F. (2012). “Rispondi ai commenti su” Codifica di molti canali sulla stessa frequenza tramite radio vorticity: primo test sperimentale ” “. Nuovo Journal of Physics . 14 (11): 118002. Bibcode : 2012NJPh … 14k8002T . doi : 10.1088 / 1367-2630 / 14/11/118002 .
  8. Salta su^ Yan, Y .; Xie, G .; Lavery, MPJ; Huang, H .; Ahmed, N .; Bao, C .; Ren, Y .; Cao, Y .; Li, L .; Zhao, Z .; Molisch, AF; Tur, M .; Padgett, MJ; Willner, AE (2014). “Comunicazioni ad onde millimetriche ad alta capacità con multiplexing del momento angolare orbitale” . Comunicazioni della natura . 5 : 4876. Bibcode : 2014NatCo … 5E4876Y . doi : 10.1038 / ncomms5876 . PMC  4175588  . PMID  25224763 .
  9. Salta^ Oldoni, Matteo; Spinello, Fabio; Mari, Elettra; Parisi, Giuseppe; Someda, Carlo Giacomo; Tamburini, Fabrizio; Romanato, Filippo; Ravanelli, Roberto Antonio; Coassini, Piero; Thide, Bo (2015). “Demultiplexing della divisione spaziale nei sistemi radio MIMO basati su momenti orbitali e angolari”. Transazioni IEEE su antenne e propagazione63 (10): 4582. Bibcode : 2015ITAP … 63.4582O . doi : 10.1109 / TAP.2015.2456953 .
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  12. Salta su^ McGloin, D .; Simpson, NB; Padgett, MJ (1998). “Trasferimento del momento angolare orbitale da una guida d’onda a fibre ottiche sollecitata a un raggio di luce”. Ottica applicata . 37 (3): 469-472. Bibcode :1998ApOpt..37..469M . doi : 10.1364 / AO.37.000469 . PMID  18268608 .
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  21. Salta in alto^ Huang, H .; Milione, G .; et al. (2015). “Multiplexing di divisione in modalità utilizzando un sorter in modalità momento angolare orbitale e MIMO-DSP su fibra ottica a pochi gradi con indice graduato” . Rapporti scientifici . 5 : 14931. Bibcode : 2015NatSR … 514931H . doi : 10.1038 / srep14931 . PMC  4598738  . PMID  26450398 .

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