Иллюстрация: Asher Klug et al. / Advanced Photonics. Максимально быстрая передача данных посредством специальных лазерных лучей представляет собой перспективный метод связи для труднодоступных регионов. Однако явление атмосферной турбулентности препятствует ее повсеместному применению, приводя к серьезной потере информации и снижению скорости передачи. Группа южноафриканских физиков разработала алгоритм, позволяющий формировать конфигурации структурированного света, устойчивые к воздействию турбулентных потоков. Эти конфигурации могут быть использованы в качестве “алфавита” для обеспечения надежной передачи данных по воздуху. Ученые подтвердили эффективность нового метода посредством экспериментальных исследований, результаты которых опубликованы в журнале Advanced Photonics.
С древних времен люди использовали свет для передачи информации на большие расстояния – от сигнальных костров до современных лазерных систем связи.
Однако с наступлением цифровой эры передаче по воздуху предпочитают каналы связи на основе оптических волокон. Главная причина этого — искажения, которые возникают в воздушной среде из-за турбулентности или погодных явлений. С ростом скорости передачи они становятся слишком существенны, и информация теряется.
Физики и инженеры изобретают множество способов для борьбы с этим явлением. Например, качество связи можно улучшить с помощью активной системы наведения. Другим подходом стало формирование в атмосфере воздушного оптоволокна. Наконец, инженеры постоянно придумывают новые способы коррекции ошибок, искажений и аберраций.
Среди прочего ими было предложено использовать световые пучки со сложным пространственным профилем, закрученный (то есть несущий орбитальный момент) или векторный (то есть с переменной по профилю поляризацией) свет. Эти свойства света, как правило, рассматриваются в качестве дополнительного ресурса для мультиплексирования, однако ученые активно исследуют устойчивость структурированного света к атмосферным или иным помехам. Поиск ведется преимущественно феноменологически, и результаты, получаемые разными группами, пока противоречивы.
Группа из Витватерсрандского университета в Южной Африке под руководством Эндрю Форбса (Andrew Forbes) использовала другой подход. Авторы формализовали проблему распространения света в условиях турбулентности, описав ее с помощью математического оператора. Это позволило им вычислить оптические моды, устойчивые к искажениям на дальней дистанции, а также проверить свои догадки в эксперименте.
Оператором в математике называется правило (отображение), по которому сопоставляются друг другу элементы некоторого множества. Ими могут быть векторы некоторого пространства, функции и так далее. Важно, что могут существовать такие элементы, которые остаются неизменными после воздействия оператора — их называют собственными векторами (функциями) оператора. Зная полный набор собственных векторов оператора, его можно представить в виде суммы проекционных операторов, соответствующих каждой из компонент набора.
Применительно к задаче о распространении света в условии турбулентности, оператор можно отыскать, исследуя, как она меняет привычный базис. На языке квантовой механики такой подход называется «томографией канала». В своей работе физики использовали для этого пиксельный базис для вывода собственных мод, отталкиваясь от формы параксиальной функции Грина в свободном пространстве.
В частности, авторы опирались на моды Лагерра — Гаусса с орбитальным угловым моментом в диапазоне от 0 до 4. Для численной симуляции турбулентности, они разбивали путь света на множество коротких участков, на каждом их которых влияние воздушных потоков приводило к вариации показателя преломления. Чтобы учесть это физики численно решали стохастическое параксиальное уравнение Гельмгольца на каждом участке. При этом авторы могли менять силу турбулентности, характеризуя ее с помощью параметров Фрида и Рытова.
Результатом работы ученых стали матрицы перекрестных помех для каждой из турбулентных ситуаций, которые позволяли узнать собственные моды шумного канала. Для их проверки физики собирали установку, содержащую гелий-неоновый лазер, систему подготовки луча (объективы и пространственный модулятор), непосредственно турбулентную часть длиной один метр (фазовые экраны со случайным преобразованием) и цифровую камеру. Установка позволяла за счет процедуры френелевского масштабирования симулировать десятки метров турбулентности. Эксперимент подтвердил, что вычисленные собственные моды выдерживают влияние помех различной интенсивности.
Результаты искажений четырех вычисленных мод (a) и четырех мод Лагерра — Гаусса (b), полученных в эксперименте для трех разных условий турбулентности. Исходный сигнал изображен рядом с прошедшим через турбулентность в небольшом квадратном врезе. Asher Klug et al. / Advanced Photonics
Авторы подчеркивают, что на практике вычисленные моды будут устойчивыми только тогда, когда время их распространение меньше, чем время когерентности турбулентности. Они привели соображения, которые доказывают, что томографию канала и отправку сигнала можно успеть сделать за это время. Вместе с тем, метод подходит и для устойчивости сигнала, двигающегося в оптоволокне, под водой, в живых клетках или иных сильно аберрированных системах. Ранее мы рассказывали, как физики наладили 30-метровую линию квантовой связи в турбулентных потоках воды.
Автор: Марат Хамадеев
Источник: https://nplus1.ru/
