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光通信
2016/10/27 13:18

数据传输受限 解决宽带危机的新型光束整形技术

实验帮  

随着数据需求的不断增长,科学家们预测,除非是在传输数据的新技术得到发展,要么如今的电信网络达到其容量极限只是一个时间问题。一种新的技术可以帮助避免这种带宽的紧缩,通过基于光的光网络相比目前技术进行超过一百倍以上的数据传输,是可能实现的。

激光光束有许多不同的形状,或空间分布模式。然而,今天的光网络只使用一个空间模式进行信息的传输,这限制了一次传输的数据总量。以南非金山大学的Andrew Forbes教授为首的研究人员,开发出一种技术被称为空间复用技术,将激光束分成许多空间模式,都可以进行信息的传输。

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在波士顿召开的OSA激光会议上提交的一篇论文中,研究人员展示光通信超过100空间模式的新的空间复用的方法,结合波分复用(WDM),它使用不同波长的光都可以携带的信息。

“我们创造了35种空间模式在三个不同的波长编码,从而产生105的总模式,” Carmelo Rosales-Guzmán说明,他是这项研究的研究员且是研究论文的第一作者。“我们的新方法可能作为未来通信技术的基础。”

研究人员表明,在实验室的自由空间光网络中,他们的技术可以传输数据且具有98%的效率,即使用这种光束在空气中传输信息。科学家们说,该方法在光纤中也可以得到应用,而光纤是光通信的基础。

随着光模式增加带宽

这种新技术使用的是一个轨道角动量,这使它有一个扭曲的或螺旋形的形状。不同的空间模式可以通过改变曲折的数量即被称为方位角自由度来进行创建。而其他科学家已增加带宽的方位进行自由度设置的探索,近年来的研究发现,尽管在理论上,具有轨道角动量的模式集合是无限的,在实践中没有足够的可用的模式做出重大改进。

Forbes的团队利用自由度加另一个变量称为径向自由度的角度解决了这个问题。在理论上,每一个方位角的自由度都具有一个无限量的径向自由度,但在实际中是有限制的,限制这个数字。因为所有的模式都是相互正交的,信号不会被混淆,因为他们传输中,并可以分离后到达他们的目的地。研究人员说,这是第一次两个空间自由度已被用于光学编码信息。

这种新方法的关键是一个被称为空间光调制器的光学装置。研究人员使用一个空间光调制器来塑造激光到各种模式,并且在接收端有一个逆转的过程。

“我们方法的优点之一是,我们只需要一个单一的检测出所有的空间模式来恢复所有的信息,” Rosales-Guzmán说,“这是其它增加带宽并需要多个探测器的方法更快。”

按像素发送图片

为了测试这种新技术,研究人员用它来编码一个灰度和彩色图像。每个图像被发送到一个通信链路的像素的像素,然后每个像素被恢复到重建的图像中。对于灰度图像,每个灰度级被链接到一个单独的空间模式,允许传输的105个灰度级。

“在这个演示中,发送一个10000像素的图像以5到7分钟,” Rosales-Guzmán说,“但是我们可以在同一时间或采用多波长发送两或四像素以提高传输速度。”

现实世界的自由空间光网络可以在建筑物之间传输信息,但也有许多挑战是在实验室里目前还没有发现的,研究者与自由空间通信专家合作,适应他们的实际应用技术。

“我们已经在南非已经进行了实验,使这种设备具有适应自由通信中不同空间模式的工作能力,” Rosales-Guzmán 说“我们在努力提高他们的设备的四倍多,可现在的带宽感兴趣。”

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