Die Lichtmuster sind vielversprechend für ein großes Kodierungsalphabet in der optischen Kommunikation, doch der Fortschritt wird durch ihre Anfälligkeit für Verzerrungen, beispielsweise durch atmosphärische Turbulenzen oder in gebogenen optischen Fasern, behindert.
Jetzt haben Forscher der University of the Witwatersrand (Wits) ein neues optisches Kommunikationsprotokoll entworfen, das räumliche Lichtmuster für die mehrdimensionale Kodierung auf eine Weise nutzt, die keine Erkennung der Muster erfordert, und so die bisherige Beschränkung der modalen Verzerrung überwindet in verrauschten Kanälen. Das Ergebnis ist eine neue hochmoderne Codierung von über 50 vektoriellen Lichtmustern, die praktisch rauschfrei durch eine turbulente Atmosphäre gesendet werden und einen neuen Ansatz für die optische Kommunikation mit hoher Bitrate eröffnen.
Veröffentlicht in Bewertungen zu Laser und PhotonikDas Wits-Team vom Structured Light Laboratory der Wits School of Physics nutzte eine neue invariante Eigenschaft des vektoriellen Lichts, um Informationen zu kodieren. Diese Größe, die das Team „Vektorität“ nennt, skaliert von 0 bis 1 und bleibt beim Durchgang durch einen verrauschten Kanal unverändert.
Im Gegensatz zur herkömmlichen Amplitudenmodulation, die 0 oder 1 ist (nur ein Alphabet mit zwei Buchstaben), nutzte das Team die Invarianz, um den Vektoritätsbereich von 0 bis 1 in mehr als 50 Teile (0, 0,02, 0,04 usw. bis 1) zu unterteilen ein 50-Buchstaben-Alphabet. Da der Kanal, über den die Informationen gesendet werden, die Vektorität nicht verzerrt, sind sich Sender und Empfänger immer über den Wert einig, was zu einer rauschfreien Informationsübertragung führt.
Die entscheidende Hürde, die das Team überwunden hat, besteht darin, Lichtmuster so zu nutzen, dass sie nicht „erkannt“ werden müssen, sodass die natürliche Verzerrung verrauschter Kanäle ignoriert werden kann. Stattdessen „addiert“ die invariante Größe das Licht in speziellen Messungen einfach und offenbart eine Größe, die die Verzerrung überhaupt nicht erkennt.
„Das ist ein sehr aufregender Fortschritt, weil wir endlich die vielen Lichtmuster als Kodierungsalphabet nutzen können, ohne uns Gedanken über das Rauschen des Kanals machen zu müssen“, sagt Professor Andrew Forbes von der Wits School of Physics. „Tatsächlich besteht die einzige Grenze dafür, wie groß das Alphabet sein kann, darin, wie gut die Detektoren sind und überhaupt nicht durch das Rauschen des Kanals beeinflusst werden.“
Hauptautor und Ph.D. Kandidat Keshaan Singh fügt hinzu: „Um die Vektoritätsmodulation zu erzeugen und zu erkennen, ist lediglich herkömmliche Kommunikationstechnologie erforderlich, sodass unser modales (musterbasiertes) Protokoll sofort in realen Umgebungen eingesetzt werden kann.“
Das Team hat bereits mit Demonstrationen im Glasfaserbereich und bei schnellen Verbindungen im freien Raum begonnen und glaubt, dass der Ansatz auch in anderen verrauschten Kanälen, einschließlich unter Wasser, funktionieren kann.
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Keshaan Singh et al, Eine robuste Grundlage für die optische Multibit-Kommunikation mit vektoriellem Licht, Bewertungen zu Laser und Photonik (2023). DOI: 10.1002/lpor.202200844