궤도 각운동량 다중화

Orbital angular momentum multiplexing
멀티플렉싱
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궤도각운동량(OAM) 다중화는 전자파의 궤도각운동량을 사용하여 전자파에 전달되는 신호를 다중화하는 물리층 방법이다.[1]

궤도 각운동량은 빛의 두 가지 각운동량 중 하나이다.OAM은 빛의 스핀 각 운동량과 구별되며 혼동해서는 안 된다.빛의 스핀 각운동량은 원형 편광의 두 상태에 해당하는 두 개의 직교 양자 상태만을 제공하며 편광 다중화와 위상 이동의 조합과 동등하다는 것을 증명할 수 있다.반면 OAM은 확장된 광선과 그 확장에 따른 높은 양자 자유도에 의존합니다.따라서 OAM 멀티플렉싱은 잠재적으로 무제한인 일련의 상태에 액세스할 수 있으며, 따라서 실제 광학의 제약을 받는 훨씬 더 많은 수의 채널을 제공합니다.구속조건은 엄격한 녹색 함수 방법과 함께 각도 스펙트럼 분석을 통해 독립 산란 채널 또는 산란장의 자유도 측면에서 명확해졌다.[2] 자유도는 안테나, 메타서페이스 등의 평면 전자기장치에 의해 개시되는 임의의 공간 모드 멀티플렉싱에 대해 사전 정의된 물리적 개구부입니다.

2013년 현재 OAM 멀티플렉싱은 다른 기존 변조 및 멀티플렉싱 체계와 함께 사용할 경우 대역폭에서 상당한 향상을 약속하지만, 이는 여전히 실험적인 기술이며 지금까지 실험실에서만 입증되었습니다.OAM이 정보 전파의 새로운 양자 모드를 이용한다는 초기 주장에 따라, 수많은 연구들이 OAM을 고전적인 정보 이론 경계를 따르는 엄밀하게 변조된 MIMO 다중화 전략의 특정 형태로 간주함으로써 순수 고전적인 현상으로 모델링할 수 있다고 제안하면서, 이 기술은 논란이 되고 있다.

2020년 현재, 전파 망원경 관측의 새로운 증거에 따르면, 전파 주파수 궤도 각운동량이 천문학적 규모로 자연현상에서 관측되었을 수 있으며, 이 현상은 아직 [3]연구 중에 있다.

역사

OAM 멀티플렉싱은 2004년부터 [4]빈 공간에서 광선을 사용하여 시연되었습니다.이후 OAM에 대한 연구는 무선 주파수와 광전송 두 가지 영역에서 진행되어 왔다.

무선 주파수

지구 실험

2011년 한 실험에서 442m의 [5]거리에 걸쳐 두 개의 비일관 무선 신호의 OAM 다중화가 입증되었습니다.이론적인 연구는 기존의 MIMO 기법이 무선 주파수에서 OAM 반송 무선 빔의 많은 선형 모멘텀 특성을 거의 또는 전혀 남기지 않고 복제할 수 있다는 것을 보여줄 수 있기 때문에 OAM은 이미 MIMO를 사용하는 기존의 선형 모멘텀 기반 RF 시스템으로 무엇을 달성할 수 있는지 개선하지 않는다고 주장되어 왔다.실적의 [6]향상

2012년 11월, 탐부리니와 티데의 연구 그룹과 많은 통신 엔지니어 및 물리학자 진영 사이에 무선 주파수에서 OAM 다중화의 기본 이론적 개념에 대한 의견 불일치가 보고되었으며, 일부는 OAM 다중화가 MIMO의 구현에 불과하다고 주장했다.rs는 OAM 다중화가 실험적으로 확인된 별개의 [7][8][9]현상이라는 주장을 고수하고 있다.

2014년, 연구자 그룹은 2.5미터 [10]거리에서 총 32기가비트/초의 대역폭을 달성하기 위해 OAM과 편파 모드 다중화의 조합을 사용하여 다중화된 8밀리미터파 채널을 통한 통신 링크의 구현에 대해 설명했습니다.이러한 결과는 Edfors [6]등의 심각하게 제한된 거리에 대한 예측과 잘 일치한다.

장거리 전자 레인지의 유지 보수 멀티 플렉싱을 위한 산업 관심을 2015년 이후 감소하고 있는 것으로 보이는 일부OAM-based 통신의 라디오 주파수에서(Siae Microelettronica 포함)이 전통 공간 multiplexin의 실제 증가는 모습을 보여 주는 이론적 investigation[11]을 발간했다 원래의 프로모터 중g에용량 조건 및 전체 안테나 점유율.

전파 천문학

2019년 왕립천문학회 월간 공지에 발표된 서한은 OAM 전파 신호가 5000만 광년 이상 떨어진 M87* 블랙홀 근처에서 수신되었다는 증거를 제시했으며, 이는 광학 각운동량 정보가 천문학적 거리에 [3]전파될 수 있음을 시사한다.

옵티컬

OAM 멀티플렉싱은 광학 도메인에서 테스트되었습니다.2012년에 연구자들은 단일 광빔에서 8개의 다른 OAM 채널을 사용하여 최대 2.5 Tbits/s의 OAM 다중 광 전송 속도를 입증했지만, 약 1m의 [1][12]매우 짧은 자유 공간 경로에서만 입증했다.장거리 실용 자유 공간 광통신 [13]링크에 OAM 기술을 적용하는 작업이 진행 중입니다.

OAM 멀티플렉싱은 기존의 장거리 광섬유시스템에서는 구현할 수 없습니다.이는 OAM 멀티플렉싱이 본질적으로 OAM 광상태를 지원하지 않는 싱글모드 파이버를 기반으로 하기 때문입니다.대신 소수의 모드 또는 멀티 모드파이버를 사용해야 합니다.OAM 멀티플렉싱 구현의 추가 문제는 기존 [14]파이버에 존재하는 모드 커플링으로 인해 발생합니다.이 때문에 정상적인 조건에서는 모드의 스핀 각운동량이 변화하고 파이버가 구부러지거나 응력이 가해졌을 때 궤도 각운동량이 변화합니다.이 모드가 불안정하기 때문에 장거리 통신에서는 아직 직접 검출 OAM 멀티플렉싱이 실현되지 않았습니다.2012년 보스턴대 [15]연구진은 특수섬유 20m 후 순도 97%의 OAM 상태가 전달되는 것을 입증했다.이후 실험에서 50m 거리에 걸쳐 이러한 모드의 [16]안정적인 전파가 확인되었으며, 이 거리의 추가 개선이 진행 중인 작업의 대상이다.OAM 멀티플렉싱을 미래의 광섬유 전송 시스템에서 작동시키기 위한 다른 진행 중인 연구에는 광편파 [citation needed]멀티플렉싱에서 모드 회전을 보상하기 위해 사용되는 것과 유사한 기술을 사용할 수 있는 가능성이 포함됩니다.

직접 검출 OAM 멀티플렉싱의 대안은 장거리 통신을 실현하기 위해 사용할 수 있는 계산적으로 복잡한 [17]Digital Signal Processing(MIMO; 디지털 신호 처리) 접근방식입니다.이 접근방식은 강력한 모드 커플링이 코히런트 검출 기반 [18]시스템에 도움이 되는 것으로 제안됩니다.

처음에는 여러 개의 위상판이나 공간광변조기를 사용하여 OAM 다중화를 실현합니다.온칩 OAM 멀티플렉서는 당시 연구의 관심사였습니다.2012년, Tiehui Su 등의 논문에서 통합 OAM 멀티플렉서가 [19]시연되었습니다.통합 OAM 멀티플렉서를 위한 다양한 솔루션이 2012년 [20]그의 논문에서 Xinlun Cai와 같이 시연되었습니다.2019년에는 Jan Markus Baumann 등이 [21]OAM 멀티플렉싱을 위한 칩을 설계했다.

광섬유 시스템의 실증

2013년 사이언스에 발표된 Bozinovic et al.의 논문은 1.1km 테스트 [22][23]경로에 걸쳐 OAM 다중 광섬유 전송 시스템을 성공적으로 시연했다고 주장한다.테스트 시스템은 최대 4개의 다른 OAM 채널을 동시에 사용할 수 있었고, "vortex" 굴절률 프로파일을 가진 파이버를 사용할 수 있었습니다.또, OAM과 WDM의 조합에 대해서도, 같은 장치를 사용하고 있습니다만, 2개의 OAM [23]모드만을 사용하고 있습니다.

2018년 Optics Express에 발표된 Kasper Ingerslev 등의 논문은 1.2km의 공심 [24]파이버를 통해 12개의 궤도 각운동량(OAM) 모드를 MIMO 없이 전송하는 것을 보여줍니다.시스템의 WDM 호환성은 10GBaud QPSK 신호와 함께 60, 25GHz 간격의 WDM 채널을 사용하여 확인할 수 있습니다.

기존 광섬유 시스템에서의 실증

2014년 G. Milione 등 및 H의 기사.Huang 등은 OAM 다중 광섬유 전송 시스템을 5km의 기존 [25][26][27]광섬유(즉, 원형 코어 및 등급별 지수 프로파일을 가진 광섬유)에서 최초로 성공적으로 시연했다고 주장했다."보텍스" 굴절률 프로파일을 가진 맞춤형 광섬유를 사용한 Bozinovic 등의 연구와는 대조적으로, G. Milione 등의 연구 및 H.의 연구이다.Huang 등은 OAM 멀티플렉싱을 디지털 MIMO 후처리를 사용하여 파이버 내의 모드 혼합을 보정함으로써 상용 광섬유에서 사용할 수 있음을 보여주었습니다.이 방법은 파이버의 굽힘 변화 등 전파 중에 모드의 혼합을 변경하는 시스템의 변화에 민감하며, 더 많은 수의 독립 모드까지 확장하기 위해 상당한 계산 리소스가 필요하지만 큰 가능성을 보여줍니다.

2018년 Royal Melbourne Institute의 Zengji Yue, Haoran Ren, Shibiao Wei, Jiao Lin & Min[28] Gu는 이 기술을 소형화하여 대형 식탁 크기에서 통신 네트워크에 통합 가능한 소형 칩으로 축소했습니다.그들은 이 칩이 광섬유 케이블의 용량을 최소 100배 이상 증가시킬 수 있으며 기술이 더욱 발전함에 따라 더 커질 것으로 예측하고 있다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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