Multiplexação de momento angular orbital - Orbital angular momentum multiplexing
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A multiplexação de momento angular orbital ( OAM ) é um método de camada física para sinais de multiplexação transportados em ondas eletromagnéticas usando o momento angular orbital das ondas eletromagnéticas para distinguir entre os diferentes sinais ortogonais.
O momento angular orbital é uma das duas formas de momento angular da luz . OAM é distinto e não deve ser confundido com o momento angular de rotação da luz . O momento angular de spin da luz oferece apenas dois estados quânticos ortogonais correspondentes aos dois estados de polarização circular e pode ser demonstrado ser equivalente a uma combinação de multiplexação de polarização e deslocamento de fase . O OAM, por outro lado, depende de um feixe de luz estendido e dos graus quânticos mais elevados de liberdade que vêm com a extensão. A multiplexação OAM pode, portanto, acessar um conjunto potencialmente ilimitado de estados e, como tal, oferecer um número muito maior de canais, sujeito apenas às restrições da óptica do mundo real.
Em 2013, embora a multiplexação OAM prometa melhorias muito significativas na largura de banda quando usada em conjunto com outros esquemas de modulação e multiplexação existentes, ainda é uma técnica experimental e até agora só foi demonstrada em laboratório. Seguindo a afirmação inicial de que o OAM explora um novo modo quântico de propagação de informação, a técnica tornou-se controversa, com vários estudos sugerindo que ela pode ser modelada como um fenômeno puramente clássico, considerando-o como uma forma particular de estratégia de multiplexação MIMO fortemente modulada, obedecendo a limites teóricos da informação.
Em 2020, novas evidências de observações de radiotelescópio sugerem que o momento angular orbital de radiofrequência pode ter sido observado em fenômenos naturais em escalas astronômicas, um fenômeno que ainda está sob investigação.
História
A multiplexação OAM foi demonstrada usando feixes de luz no espaço livre já em 2004. Desde então, a pesquisa em OAM prosseguiu em duas áreas: radiofrequência e transmissão óptica.
Frequência de rádio
Experimentos terrestres
Um experimento em 2011 demonstrou a multiplexação OAM de dois sinais de rádio incoerentes a uma distância de 442 m. Tem sido afirmado que o OAM não melhora o que pode ser alcançado com sistemas convencionais de RF baseados em momento linear que já usam MIMO , uma vez que o trabalho teórico sugere que, em frequências de rádio, técnicas convencionais de MIMO podem ser mostradas para duplicar muitos do momento linear propriedades do feixe de rádio portador de OAM, deixando pouco ou nenhum ganho de desempenho extra.
Em novembro de 2012, houve relatos de desacordo sobre o conceito teórico básico de multiplexação OAM em radiofrequências entre os grupos de pesquisa de Tamburini e Thide, e muitos campos diferentes de engenheiros de comunicações e físicos, com alguns declarando sua crença de que a multiplexação OAM era apenas um implementação de MIMO , e outros que sustentam sua afirmação de que a multiplexação OAM é um fenômeno distinto, confirmado experimentalmente.
Em 2014, um grupo de pesquisadores descreveu uma implementação de um link de comunicação em canais de ondas de 8 milímetros multiplexados usando uma combinação de OAM e multiplexação de modo de polarização para atingir uma largura de banda agregada de 32 Gbit / s a uma distância de 2,5 metros. Esses resultados concordam bem com as previsões sobre distâncias severamente limitadas feitas por Edfors et al.
O interesse industrial pela multiplexação OAM por microondas de longa distância parece ter diminuído desde 2015, quando alguns dos promotores originais da comunicação baseada em OAM em radiofrequências (incluindo Siae Microelettronica ) publicaram uma investigação teórica mostrando que não há ganho real além multiplexação espacial tradicional em termos de capacidade e ocupação geral da antena.
Radioastronomia
Em 2019, uma carta publicada nos Avisos Mensais da Royal Astronomical Society apresentou evidências de que os sinais de rádio OAM foram recebidos das proximidades do buraco negro M87 * , a mais de 50 milhões de anos-luz de distância, sugerindo que a informação do momento angular óptico pode se propagar em distâncias astronômicas.
Ótico
A multiplexação OAM foi testada no domínio óptico. Em 2012, os pesquisadores demonstraram velocidades de transmissão óptica multiplexada por OAM de até 2,5 Tbits / s usando 8 canais OAM distintos em um único feixe de luz, mas apenas em um caminho de espaço livre muito curto de aproximadamente um metro. O trabalho está em andamento na aplicação de técnicas OAM para links de comunicação óptica de espaço livre prático de longo alcance .
A multiplexação OAM não pode ser implementada nos sistemas de fibra ótica de longa distância existentes, uma vez que esses sistemas são baseados em fibras monomodo , que inerentemente não suportam estados de luz OAM. Em vez disso, poucas fibras ou multimodo precisam ser usadas. Problema adicional para a implementação de multiplexação OAM é causado pelo acoplamento de modo que está presente nas fibras convencionais, que causa mudanças no momento angular de rotação dos modos em condições normais e mudanças no momento angular orbital quando as fibras são dobradas ou tensionadas. Por causa dessa instabilidade de modo, a multiplexação OAM de detecção direta ainda não foi realizada em comunicações de longa distância . Em 2012, a transmissão de estados OAM com pureza de 97% após 20 metros sobre fibras especiais foi demonstrada por pesquisadores da Universidade de Boston. Experimentos posteriores mostraram propagação estável desses modos em distâncias de 50 metros, e melhorias adicionais dessa distância são assunto de trabalho contínuo. Outra pesquisa em andamento para fazer a multiplexação OAM funcionar em futuros sistemas de transmissão de fibra óptica inclui a possibilidade de usar técnicas semelhantes àquelas usadas para compensar a rotação de modo na multiplexação de polarização óptica .
Alternativa para a multiplexação OAM de detecção direta é uma abordagem de detecção coerente com ( MIMO ) processamento de sinal digital (DSP) complexa computacionalmente , que pode ser usada para alcançar comunicação de longa distância, onde o acoplamento de modo forte é sugerido como benéfico para a detecção coerente sistemas baseados em
No início, as pessoas alcançam a multiplexação OAM empregando várias placas de fase ou moduladores de luz espaciais. Um multiplexador OAM on-chip era então um interesse de pesquisa. Em 2012, um artigo de Tiehui Su e et al. demonstrou um multiplexador OAM integrado. Diferentes soluções para multiplexador OAM integrado foram demonstradas como Xinlun Cai com seu artigo em 2012. Em 2019, Jan Markus Baumann e et al. projetou um chip para multiplexação OAM.
Demonstração prática em sistema de fibra ótica
Um artigo de Bozinovic et al. publicado na Science em 2013 afirma a demonstração bem-sucedida de um sistema de transmissão de fibra óptica multiplexado por OAM em um caminho de teste de 1,1 km. O sistema de teste foi capaz de usar até 4 canais OAM diferentes simultaneamente, usando uma fibra com um perfil de índice de refração "vórtice". Eles também demonstraram OAM e WDM combinados usando o mesmo aparelho, mas usando apenas dois modos OAM.
Um artigo de Kasper Ingerslev et al. publicado no Optics Express em 2018 demonstra uma transmissão livre de MIMO de 12 modos de momento angular orbital (OAM) em uma fibra de núcleo de ar de 1,2 km. A compatibilidade WDM do sistema é mostrada usando canais WDM espaçados de 60, 25 GHz com sinais QPSK de 10 GBaud.
Demonstração prática em sistemas convencionais de fibra óptica
Em 2014, artigos de G. Milione et al. e H. Huang et al. reivindicou a primeira demonstração bem-sucedida de um sistema de transmissão de fibra ótica multiplexado OAM ao longo de 5 km de fibra ótica convencional, ou seja, uma fibra ótica com um núcleo circular e um perfil de índice graduado. Em contraste com o trabalho de Bozinovic et al., Que usou uma fibra óptica customizada que tinha um perfil de índice de refração "vórtice", o trabalho de G. Milione et al. e H. Huang et al. mostraram que a multiplexação OAM poderia ser usada em fibras ópticas comercialmente disponíveis usando pós-processamento MIMO digital para corrigir a mistura de modo dentro da fibra. Este método é sensível a mudanças no sistema que mudam a mistura dos modos durante a propagação, como mudanças na curvatura da fibra, e requer recursos de computação substanciais para escalar para um número maior de modos independentes, mas mostra uma grande promessa.
Em 2018, Zengji Yue, Haoran Ren, Shibiao Wei, Jiao Lin e Min Gu no Royal Melbourne Institute of Technology miniaturizaram essa tecnologia, reduzindo-a do tamanho de uma grande mesa de jantar a um pequeno chip que poderia ser integrado em redes de comunicação. Esse chip poderia, eles prevêem, aumentar a capacidade dos cabos de fibra óptica em pelo menos 100 vezes e provavelmente mais à medida que a tecnologia for desenvolvida.
Veja também
- Momento angular de luz
- Vórtice óptico
- Multiplexação por divisão de polarização
- Vorticidade
- Wavelength Division Multiplexing