[论文解读] 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 6

一句话总结

本文提出一种无需补偿的高容量自由空间光通信系统，采用抗湍流矢量涡旋光束，通过空间偏振差分相移键控（SPDPSK）实现。通过在正交空间偏振态上编码高维信息，系统在中等湍流条件下（强度闪烁指数 >1）实现每脉冲4.84比特、误码率为4.3%的性能，证明了无需自适应光学或实时波束校正的鲁棒性。

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.

研究动机与目标

• 为克服传统基于空间模式的光通信在湍流大气中受限的问题，其中大气湍流会扭曲横向相位和振幅分布，导致系统容量下降。
• 研究矢量光束（特别是具有正交空间偏振态的矢量涡旋光束）是否能在大气湍流中保持完整性，为实现抗湍流高容量通信提供路径。
• 开发并实验验证一种新型调制方案——空间偏振差分相移键控（SPDPSK），可在无需自适应光学或复杂信号处理的情况下编码高维信息。
• 证明矢量光束的空间偏振分布本身对湍流具有内在鲁棒性，从而实现在恶劣大气条件下可靠的大带宽通信。
• 通过利用矢量光束的偏振复用空间结构，在强湍流条件下实现自由空间光链路的高谱效率，避免波束补偿需求。

提出的方法

• 系统采用两级空间光调制器（SLM）结构生成矢量涡旋光束：第一级SLM生成拉盖尔-高斯（LG）模式，第二级SLM施加螺旋相位分布，以生成具有受控相对相位（0或π）的正交轨道角动量（OAM）态。
• 四分之一波片将线性偏振的H/V分量转换为左旋和右旋圆偏振态，形成具有正交空间偏振态的所需矢量涡旋光束。
• 矢量光束通过可调控的热板式湍流模拟腔传播，湍流强度通过调节热板温度进行控制。
• 在接收端，使用具有螺旋相位分布 $\Delta\phi_n = 2n\theta$ 的解码SLM，将入射光束投影到第 $n$ 个解码通道，随后通过偏振分束器和两个光电探测器检测偏振态。
• 在全尺寸系统中使用1对N光束分割器，生成N个信号的相同副本，以实现对N个矢量模式的并行解码，但实验中每次仅测量一个通道以验证性能。
• 在图像传输中，使用32个矢量模式（m = ±1 至 ±8）对5比特灰度像素值进行编码，通过查找表将每个模式映射到特定灰度级。

实验结果

研究问题

• RQ1 矢量涡旋光束的空间偏振分布是否能在大气湍流中保持稳定，维持正交性并实现可靠的模式判别？
• RQ2 基于矢量光束空间偏振态的高维调制方案在无波束补偿的湍流自由空间信道中，其数据保真度能维持到何种程度？
• RQ3 在中等至强湍流条件下，基于矢量光束的通信系统的可实现信道容量和误码率如何，其量化指标为强度闪烁指数？
• RQ4 与传统基于OAM的系统相比，所提出的SPDPSK协议在抗湍流能力及所需信号处理复杂度方面表现如何？
• RQ5 该系统是否能在真实湍流环境中实现高谱效率（例如每脉冲 >4比特），而无需自适应光学或基于机器学习的恢复方法？

主要发现

• 矢量涡旋光束的空间偏振分布对大气湍流具有强鲁棒性，保持正交性并实现无需波束补偿的可靠检测。
• 使用34个矢量模式，系统在强度闪烁指数大于1的湍流信道中实现每脉冲4.84比特的信道容量，误码率为4.3%。
• 在更强湍流条件下（闪烁指数 = 1.54），系统使用18个矢量模式仍保持每脉冲4.02比特的数据速率，证明其在严苛条件下的鲁棒性。
• 实验结果证实，具有正交空间偏振态的矢量光束比传统OAM模式对湍流更具内在鲁棒性，后者易受串串扰和模式失真影响。
• 使用32级SPDPSK的图像传输成功重建了5比特灰度图像，误码率与测量到的检测保真度一致，验证了该协议在高容量数据传输中的实用性。
• 数值仿真支持实验中单通道检测的有效性，因为多个解码通道间的波动相互不相关，表明简化系统能代表全尺寸性能。