La multiplexación de momento angular orbital ( OAM ) es un método de capa física para multiplexar señales transportadas en ondas electromagnéticas utilizando el momento angular orbital de las ondas electromagnéticas para distinguir entre las diferentes señales ortogonales. [1]
El momento angular orbital es una de las dos formas de momento angular de la luz . OAM es distinto y no debe confundirse con el momento angular de giro ligero . El momento angular de espín de la luz ofrece solo dos estados cuánticos ortogonales correspondientes a los dos estados de polarización circular , y se puede demostrar que es equivalente a una combinación de multiplexación de polarización y desplazamiento de fase.. OAM, por otro lado, se basa en un haz de luz extendido y los grados cuánticos de libertad más altos que vienen con la extensión. La multiplexación OAM puede acceder a un conjunto de estados potencialmente ilimitado y, como tal, ofrecer un número mucho mayor de canales, sujeto únicamente a las limitaciones de la óptica del mundo real. [ cita requerida ]
A partir de 2013 [actualizar], aunque la multiplexación OAM promete mejoras muy significativas en el ancho de banda cuando se usa en conjunto con otros esquemas de modulación y multiplexación existentes, todavía es una técnica experimental y hasta ahora solo se ha demostrado en el laboratorio. Tras la afirmación inicial de que OAM explota un nuevo modo cuántico de propagación de información, la técnica se ha vuelto controvertida, con numerosos estudios que sugieren que puede modelarse como un fenómeno puramente clásico al considerarla como una forma particular de estrategia de multiplexación MIMO estrechamente modulada, que obedece a la estrategia clásica. límites teóricos de la información.
A partir de 2020 [actualizar], nueva evidencia de observaciones de radiotelescopios sugiere que el momento angular orbital de radiofrecuencia puede haberse observado en fenómenos naturales a escalas astronómicas, un fenómeno que aún se está investigando. [2]
Historia
La multiplexación OAM se demostró utilizando haces de luz en el espacio libre ya en 2004. [3] Desde entonces, la investigación sobre OAM ha avanzado en dos áreas: radiofrecuencia y transmisión óptica.
Frecuencia de radio
Experimentos terrestres
Un experimento en 2011 demostró la multiplexación OAM de dos señales de radio incoherentes a una distancia de 442 m. [4] Se ha afirmado que OAM no mejora lo que se puede lograr con los sistemas de RF convencionales basados en momento lineal que ya usan MIMO , ya que el trabajo teórico sugiere que, en radiofrecuencias, se puede demostrar que las técnicas MIMO convencionales duplican muchas de las propiedades de momento lineal del haz de radio portador de OAM, lo que deja poca o ninguna ganancia de rendimiento adicional. [5]
En noviembre de 2012, hubo informes de desacuerdo sobre el concepto teórico básico de multiplexación OAM en frecuencias de radio entre los grupos de investigación de Tamburini y Thide, y muchos campos diferentes de ingenieros de comunicaciones y físicos, y algunos declararon su creencia de que la multiplexación OAM era solo una implementación de MIMO , y otros que sostienen su afirmación de que la multiplexación OAM es un fenómeno distinto, confirmado experimentalmente. [6] [7] [8]
En 2014, un grupo de investigadores describió la implementación de un enlace de comunicación sobre canales de ondas de 8 milímetros multiplexados utilizando una combinación de multiplexación en modo de polarización y OAM para lograr un ancho de banda agregado de 32 Gbit / s en una distancia de 2,5 metros. [9] Estos resultados concuerdan bien con las predicciones sobre distancias severamente limitadas hechas por Edfors et al. [5]
El interés industrial por la multiplexación OAM de microondas a larga distancia parece haber disminuido desde 2015, cuando algunos de los promotores originales de la comunicación basada en OAM en radiofrecuencias (incluida Siae Microelettronica ) publicaron una investigación teórica [10] que muestra que no existe ganancia real más allá de la multiplexación espacial tradicional en términos de capacidad y ocupación general de la antena.
Astronomía radial
En 2019, una carta publicada en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society presentó evidencia de que se habían recibido señales de radio OAM desde las proximidades del agujero negro M87 * , a más de 50 millones de años luz de distancia, lo que sugiere que la información del momento angular óptico puede propagarse a través de astronómicas. distancias. [2]
Óptico
La multiplexación OAM se ha probado en el dominio óptico. En 2012, los investigadores demostraron velocidades de transmisión óptica multiplexadas por OAM de hasta 2,5 Tbits / s utilizando 8 canales OAM distintos en un solo haz de luz, pero solo en una trayectoria de espacio libre muy corta de aproximadamente un metro. [1] [11] Se está trabajando en la aplicación de técnicas OAM a enlaces de comunicación ópticos prácticos de largo alcance en espacio libre . [12]
La multiplexación OAM no se puede implementar en los sistemas de fibra óptica de largo alcance existentes, ya que estos sistemas se basan en fibras monomodo , que inherentemente no admiten estados de luz OAM. En su lugar, es necesario utilizar fibras de pocos modos o multimodo. Un problema adicional para la implementación de multiplexación OAM es causado por el acoplamiento de modo que está presente en las fibras convencionales, [13] que causa cambios en el momento angular de giro de los modos en condiciones normales y cambios en el momento angular orbital cuando las fibras se doblan o tensan. Debido a esta inestabilidad de modo, la multiplexación OAM de detección directa aún no se ha realizado en comunicaciones de larga distancia . En 2012, investigadores de la Universidad de Boston demostraron la transmisión de estados de OAM con un 97% de pureza después de 20 metros sobre fibras especiales. [14] Experimentos posteriores han demostrado una propagación estable de estos modos a distancias de 50 metros, [15] y las mejoras adicionales de esta distancia son objeto de trabajo en curso. Otra investigación en curso sobre cómo hacer que la multiplexación OAM funcione en futuros sistemas de transmisión de fibra óptica incluye la posibilidad de utilizar técnicas similares a las utilizadas para compensar la rotación de modo en la multiplexación de polarización óptica . [ cita requerida ]
Una alternativa a la multiplexación OAM de detección directa es un enfoque computacionalmente complejo de detección coherente con ( MIMO ) de procesamiento de señales digitales (DSP), que se puede utilizar para lograr una comunicación de largo alcance, [16] donde se sugiere que el acoplamiento de modo fuerte es beneficioso para sistemas basados en detección coherente. [17]
Al principio, las personas logran la multiplexación OAM empleando varias placas de fase o moduladores de luz espaciales. Un multiplexor OAM en chip fue entonces un tema de interés para la investigación. En 2012, un artículo de Tiehui Su y et al. demostró un multiplexor OAM integrado. [18] Se demostraron diferentes soluciones para multiplexores OAM integrados como Xinlun Cai con su artículo en 2012. [19] En 2019, Jan Markus Baumann y et al. diseñó un chip para multiplexación OAM. [20]
Demostración práctica en sistema de fibra óptica.
Un artículo de Bozinovic et al. publicado en Science en 2013 afirma la demostración exitosa de un sistema de transmisión de fibra óptica multiplexado por OAM en una ruta de prueba de 1,1 km. [21] [22] El sistema de prueba fue capaz de utilizar hasta 4 canales OAM diferentes simultáneamente, utilizando una fibra con un perfil de índice de refracción "vórtice". También demostraron OAM y WDM combinados usando el mismo aparato, pero usando solo dos modos OAM. [22]
Un artículo de Kasper Ingerslev et al. publicado en Optics Express en 2018 demuestra una transmisión sin MIMO de 12 modos de momento angular orbital (OAM) sobre una fibra de núcleo de aire de 1,2 km. [23] La compatibilidad WDM del sistema se muestra mediante el uso de canales WDM espaciados de 60, 25 GHz con señales QPSK de 10 GBaudios.
Demostración práctica en sistemas convencionales de fibra óptica
En 2014, artículos de G. Milione et al. y H. Huang et al. reclamó la primera demostración exitosa de un sistema de transmisión de fibra óptica multiplexado por OAM sobre 5 km de fibra óptica convencional, [24] [25] [26] es decir, una fibra óptica que tiene un núcleo circular y un perfil de índice graduado. En contraste con el trabajo de Bozinovic et al., Que utilizó una fibra óptica personalizada que tenía un perfil de índice de refracción en "vórtice", el trabajo de G. Milione et al. y H. Huang et al. mostró que la multiplexación OAM podría usarse en fibras ópticas disponibles comercialmente mediante el posprocesamiento digital MIMO para corregir la mezcla de modos dentro de la fibra. Este método es sensible a los cambios en el sistema que cambian la mezcla de los modos durante la propagación, como cambios en la flexión de la fibra, y requiere recursos de cálculo sustanciales para escalar a un mayor número de modos independientes, pero es muy prometedor.
En 2018, Zengji Yue, Haoran Ren, Shibiao Wei, Jiao Lin & Min Gu [27] del Royal Melbourne Institute of Technology miniaturizaron esta tecnología, reduciéndola del tamaño de una gran mesa a un pequeño chip que podría integrarse en las redes de comunicaciones. . Este chip podría, predicen, aumentar la capacidad de los cables de fibra óptica al menos 100 veces y probablemente más a medida que se desarrolle la tecnología.
Ver también
- Momento angular de la luz
- Vórtice óptico
- Multiplexación por división de polarización
- Vorticidad
- Multiplexación por División de Longitud de Onda
Referencias
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enlaces externos
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