[論文レビュー] Compensation-Free High-Capacity Free-Space Optical Communication Using Turbulence-Resilient Vector Beams

Ziyi Zhu, Molly Janasik+8 more|arXiv (Cornell University)|Oct 11, 2019

Orbital Angular Momentum in Optics被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、空間偏光微分位相シフトキーイング（SPDPSK）を用いて、乱流に強く、補償不要の高容量自由空間光通信システムを提案する。直交する空間的偏光状態に高次元の情報を符号化することで、中程度の乱流（閃光指数＞1）下でも4.84ビット/パルスの通信が実現され、4.3％の誤り率を示し、適応光学やリアルタイムビーム補正を必要としない堅牢な性能を発揮する。

ABSTRACT

Free-space optical communication is a promising means to establish versatile, secure and high-bandwidth communication for many critical point-to-point applications. While the spatial modes of light offer an additional degree of freedom to increase the information capacity of an optical link, atmospheric turbulence can introduce severe distortion to the spatial modes and lead to data degradation. Here, we propose and demonstrate a vector-beam-based, turbulence-resilient communication protocol, namely spatial polarization differential phase shift keying (SPDPSK), that can encode a large number of information levels using orthogonal spatial polarization states of light. We show experimentally that the spatial polarization profiles of the vector modes are resilient to atmospheric turbulence, and therefore can reliably transmit high-dimensional information through a turbid channel without the need of any adaptive optics for beam compensation. We construct a proof-of-principle experiment with a controllable turbulence cell. Using 34 vector modes, we have measured a channel capacity of 4.84 bits per pulse (corresponding to a data error rate of 4.3\\%) through a turbulent channel with a scintillation index larger than 1. Our SPDPSK protocol can also effectively transmit 4.02 bits of information per pulse using 18 vector modes through even stronger turbulence with a scintillation index of 1.54. Our study provides direct experimental evidence on how the spatial polarization profiles of vector beams are resilient to atmospheric turbulence and paves the way towards practical, high-capacity, free-space communication solutions with robust performance under harsh turbulent environments.

研究の動機と目的

• 従来の空間モードベースの光通信が、大気乱流による横方向位相および振幅分布の歪みにより通信容量が低下するという限界を克服すること。
• 特に直交する空間的偏光状態を有するベクトルビーム（特にベクトル渦状ビーム）が大気乱流下でも整合性を保てるかどうかを検証し、乱流に強い高容量通信への道筋を示すこと。
• 適応光学や複雑な信号処理を不要とする、新しい変調方式「空間的偏光微分位相シフトキーイング（SPDPSK）」の開発および実験的検証。
• ベクトルビームの空間的偏光プロファイルが本質的に乱流に強く、過酷な大気環境下でも信頼性の高い高帯域通信を可能にすること。
• ベクトルビームの偏光多重空間構造を活用することで、ビーム補償を不要としつつも強い乱流下でも高スペクトル効率を達成すること。

提案手法

• 2段階の空間光変調器（SLM）を用いてベクトル渦状ビームを生成：最初のSLMがラゲール・ガウス（LG）モードを生成し、2番目のSLMがスパイラル位相プロファイルを印加することで、相対位相（0またはπ）を制御した直交するオブリガトリー位相（OAM）状態を形成する。
• 全波長板を用いて線形偏光のH/V成分を左回りおよび右回りの円偏光に変換し、直交する空間的偏光状態を有する所望のベクトル渦状ビームを形成する。
• 制御可能なホットプレート式乱流セルを通じてビームを伝送し、ホットプレートの温度を調整することで乱流強度を制御する。
• 受信側では、スパイラル位相プロファイルが $\Delta\phi_n = 2n\theta$ であるデコード用SLMを用い、入射ビームを $n$-番目のデコードチャネルに投影し、その後に偏光ビームスプリッタと2つの光検出器を介して偏光状態を検出する。
• フルスケール構成では1対Nのビームスプリッタを用いて、N個の同一の信号コピーを生成し、N個のベクトルモードを同時にデコード可能にするが、性能評価のため一時的に1チャネルずつ測定している。
• 画像伝送には、32個のベクトルモード（m = ±1 から ±8）を用い、5ビットのグレースケール画素値を符号化し、各モードを特定のグレースケールにマッピングするルックアップテーブルを活用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ベクトル渦状ビームの空間的偏光プロファイルは、大気乱流下でも安定しており、直交性が保たれ、ビーム補償なしで信頼性のあるモード識別が可能か？
• RQ2 ビーム補償を不要とする、ベクトルビームの空間的偏光状態に基づく高次元変調方式は、乱流下の自由空間チャネルにおいてどの程度のデータ整合性を維持できるか？
• RQ3 閃光指数で定量化される中程度～強い乱流下における、ベクトルビームベースの通信システムの実現可能なチャネル容量と誤り率は何か？
• RQ4 SPDPSKプロトコルの性能は、従来のOAMベースのシステムと比較して、乱流に対する耐性および必要な信号処理の複雑さの面で優れているか？
• RQ5 実世界の大気乱流環境下で、適応光学や機械学習ベースの回復手法を用いずに、高スペクトル効率（例：1パルスあたり4ビット以上）を達成できるか？

主な発見

• ベクトル渦状ビームの空間的偏光プロファイルは大気乱流に対して本質的に耐性を示し、直交性が保たれ、ビーム補償なしで信頼性の高い検出が可能である。
• 34個のベクトルモードを用いた結果、閃光指数が1より大きい乱流チャネルを通じて、1パルスあたり4.84ビットのチャネル容量を達成し、誤り率は4.3％であった。
• より強い乱流（閃光指数 = 1.54）下でも、18個のベクトルモードを用いて1パルスあたり4.02ビットのデータレートを維持し、厳しい条件下でも堅牢性を示した。
• 実験結果から、直交する空間的偏光状態を有するベクトルビームは、クロストークやモード歪みを生じやすい従来のOAMモードと比較して、本質的に乱流に対してより強い耐性を示すことが確認された。
• 32レベルのSPDPSKを用いた画像伝送により、誤り率が測定された検出整合性と整合する5ビットグレースケール画像が正常に再構成され、プロトコルの高容量データ転送への実用性が検証された。
• 数値シミュレーションにより、実験における単一チャネル検出の妥当性が裏付けられ、複数のデコードチャネル間のフラクチュエーションは相関がなく、簡略化された構成がフルスケール性能を代表していることが示された。