inet (inet) wrote,
inet
inet

Category:

Оптическая связь. Лучевой канал.


Беспроводная оптика, известная как FSO технологии, использует волны оптического диапазона - попросту свет, в различных сре́дах. Работа в этой области, подсказала мне несколько интересных мыслей. Напр, что тролль, питающейся тьмой невежества,
здесь не выживет, ибо статья про свет.

Следующая мысль о том, что энергия волны перераспределяется в пространстве по пути следования не только благодаря интерференции и
свойствам среды, но и вложенной инфе. И здесь, уважаемый читатель, чтобы добраться до сути, предлагаю рассмотреть несколько явлений.

Распространяющийся в свободном пространстве лазерный луч, как правило, имеет относительно плоский фазовый фронт, снижающий интенсивность по мере удаления от оси луча, что говорит о зависимости волновых функций от радиального расстояния. Прежде, чем заглянуть в корень - центр луча, где условия для передачи инфы наиболее эффективны, немного истории. В 1990-х определили, что некоторые лучи обладают замечательным свойством - орбитальным моментом импульса - OAM (orbital angular momentum). OAM скручивает фазовый фронт световой волны вдоль направления ее распространения. Результат – формирование в профиле интенсивности, т.е. в торце луча - тороида. Подобный луч способен кодироваться инфой, для передачи которой до 2,56 Тбит /с
использовали радио канал.

Однако, современные достижения только выиграют, если прикладная физика примет во внимание, что OAM является компонентом
импульса луча, зависящим больше от среды прохождения и направления внешних полей, чем от поляризации. Впрочем, данное замечание, скорее заинтересует военные ведомства. Добавлю лишь, что по теореме Нётер - закон сохранения момента импульса соблюдается для изотропного пространства, следовательно, его состояние влияет на вращение и отклонение луча на произвольный угол. В принципе, всякий момент импульса возможно определить относительно любого начала отсчета или относительно оси луча, но это, повторюсь, задача прикладной физики, а моя – дать ей импульс в виде данной статьи.

OAM можно разделить на внутренний и внешний. Внутренний ОАМ зависим от вихревой формы
волнового фронта, формирующего полость в луче аналогично воронке, формируемой водой. Срез такого луча напоминает торец полой трубы, тогда как внешний ОАМ может быть представлен, как векторное произведение луча и его общего импульса. Наложение волн можно организовать так, чтоб их внутренний OAM - поток энергии луча, закручивался относительно его оси в ту или иную сторону, формируя форму, диаметр канала и его поток. Вот картинка, которая это примерно иллюстрирует:

Поверхность постоянной фазы в «закрученной» волне. Рис. из статьи Science, 296 (2002) 2316.

Такая поверхность однородного колебания, формирует закрученное пространство и позволяет уточнить анатомию луча, направление которого определяют перпендикулярные этой поверхности «винтовые векторные стрелки», изображенные на рисунке. Оговорюсь, что математикам «винтовые векторные стрелки» будут не по вкусу, но ведь и матрица не задаст конкретного вращения тела. Ибо одну и ту же матрицу поворота можно получить, вращая тело вокруг оси на 180, и на 180 + 360 или 180 - 360. И поск-ку статья написана для популяризации света, как луча в царстве LJ, позволю себе не вдаваясь в тонкости, использовать вполне понятную каждому терминологию: «винтовые векторные стрелки», изображенные на рисунке.
Понятно, для двухмерной волны постоянная фаза построит плоскость, а векторные стрелы сориентируются параллельно друг другу.

Касаемо нашей поверхности луча, она закручивается, следуя комплексным траекториям волн фотонов вокруг оси, формирующим направление транслируемой энергии и плотность ее потока. В таком случае, к нашему лучу примени́м
вектор Пойнтинга, как компонент тензора энергии-импульса. И здесь хочется уточнить особенности луча, побудившие меня написать статью. Одна из них - обвивающие ось луча фотонные волны, придающее ему вращение. Такие закрученные волны организовать нетрудно - лазерные лучи, с OAM, были реализованы еще в 1992 году. Закрученный свет получают, выделяя и складывая возбужденные поперечные моды лазерного луча, «..а можно и просто пропустить обычный луч через фазовую пластинку или специальную голограмму. Сейчас такой «закрученный свет» уже рутинно используется в атомной физике, в физике поверхности, им также очень интересуются люди из квантовой теории информации». Волны света с разными периодами циркуляции и спи́нами, могут распространяться в отдельном луче без взаимных помех, что можно использовать для создания отдельных информационных каналов в одном луче.

Благодаря вышесказанному, мы теперь можем представить вращение луча, конечно, не как вращение твердого тела, но как эффект комплексного взаимодействия волн, и как реальное вращение в пространстве. Луч заряжен моментом импульса. Следовательно, тело его поглотившее, также начнет вращаться, что известно давно.

На рис. Зависимость вращения от light spin angular momentum (SAM) and light orbital angular momentum (OAM).

Волновые процессы, в зависимости от среды, характеристик фотонов и их мод, формируют канал луча различного сечения и формы, и дают нам право говорить об использовании такого лучевого канала для неограниченной в объеме сверхскоростной передачи инфы. И коль закручивание лазерных лучей ускоряет передачу инфы, теоретическое открытие лучевого канала  – прецедент для прикладной физики и современных технологий. Ведь на сегодня, те же беспроводные оптические системы используют в качестве передатчика инфы принцип луча, имеющий такие существенные недостатки, как низкий объем и скорости – от 5-10 Мбит/с, до 1 Гбит/с, и то лишь на 2 км.
Сравните с закрученным лучем: четыре световых пучка с разными OAM кодируются по 42,8 × 4 Гбит/сек. Пучки могут быть объединены, позволяя передавать 2,56 Тбит/с на расстояния, ограниченные только условиями сред.

Резюме. Если закрученные лучи повышают объем передачи и степень свободы для дальней, напр, космической связи, то каналы таких лучей пока остаются свободными. Незадействованными, как и многие дары Природы. Дары, находящиеся порой совсем рядом. Не надо далеко ходить - тот же мозг до сих пор остаётся загадкой для своего хозяина, предлагая бездну возможностей - от состояния примитивного тролля, карябающего стены в подъездах и коменты, до культурного пользователя, повышающего свои знания.
Право выбора за вами, уважаемый читатель.

Tags: Наука
Subscribe
promo inet june 28, 09:00 7
Buy for 10 tokens
Он кинул в костер еще немного топлива. Она прижалась к нему и стало теплее. Перед ними разгоралась звезда по имени Солнце. Подождав устойчивой реакции для дозаправки, они взяли курс на край расширяющейся Вселенной. Смотри две кометы рядом! Это не кометы, это зажигатели звёзд вернулись. Вечно ты…
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 11 comments