Vettori ottici a fascio multi-bit

Vettori ottici multi-bit

Le comunicazioni ottiche, la spina dorsale di Internet, utilizzano laser modulati per trasmettere oltre 100 canali di diversi colori (utilizzando la multiplexing per divisione di lunghezza d’onda), ciascuno che sposta dati a 100 gigabit al secondo. Le modalità di codifica a più bit, invece di solo 1 e 0, sono state dimostrate in laboratorio per aumentare ulteriormente la velocità di trasmissione, ma tutte soffrono di errori introdotti dal rumore nei canali, specialmente su canali a spazio libero come quelli che collegano satelliti, sottomarini o persino cellule viventi, secondo i ricercatori dell’Università del Witwatersrand in Sudafrica (Wits).

Ora i ricercatori di Wits hanno dimostrato uno schema di multiplexing per divisione di modalità (MDM) utilizzando una misura quantitativa per la purezza di un fascio vettoriale (polarizzato), il suo fattore di qualità vettoriale (tecnicamente, la sua separabilità di polarizzazione) come portatore di informazioni che può codificare non solo 1 e 0, ma innumerevoli modalità di luce vettoriale praticamente non influenzate dal rumore del canale.

Alan Willner, esperto di comunicazioni ottiche, professore distinto nel dipartimento di ingegneria elettrica e informatica dell’Università del Southern California (USC), ha osservato: “Il gruppo di Wits ha dato un contributo significativo al campo delle comunicazioni ottiche. Mostrano agli studiosi di tutto il mondo come trasmettere informazioni digitali multilivello utilizzando un fascio codificato con una distribuzione di polarizzazione appositamente progettata, i cui dati sono relativamente non influenzati dalla turbolenza”. Willner ha affermato che questo sviluppo “ha il potenziale per influenzare profondamente molti tipi diversi di collegamenti ottici, specialmente quelli degradati dalla turbolenza, che la comunità di ricerca e sviluppo è interessata a risolvere”.

Dopo la propagazione attraverso un canale rumoroso (inclusi fibre a lunga distanza, turbolenza atmosferica, turbolenza sottomarina o persino materiale cellulare trasparente), i profili di intensità e polarizzazione dei fasci vettoriali sono distorti, mentre il fattore di qualità vettoriale rimane invariato, secondo i ricercatori di Wits.

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La tecnica funziona modulando il fattore di qualità vettoriale anziché l’ampiezza di un laser, utilizzando componenti ottici tra cui lenti, piastre semionde, prismatici di Wollaston, polarizzatori lineari, microspecchi digitali e fotodiodi, tutti integrabili sullo stesso chip del laser, secondo Willner.

I risultati, secondo i ricercatori, non sono afflitti dal rumore nel canale poiché, a differenza di altri schemi di codifica MDM, il fattore di qualità vettoriale è invariante, non soffre di crosstalk significativo, può essere utilizzato con i sistemi di multiplexing per divisione di lunghezza d’onda esistenti e la sua capacità di informazione multibit, determinata dal numero di livelli tra 0 e 1 che possono essere rilevati fedelmente, è limitata solo dalla sensibilità (floor di rumore) del rilevatore del ricevitore.

“I nostri risultati suggeriscono che è possibile dividere il range da 0 a 1 in quanti livelli si desidera, limitati solo dalla sensibilità del rilevatore che si utilizza. Abbiamo utilizzato rilevatori molto economici per i test di prova concettuale, quindi abbiamo codificato un alfabeto di 50 livelli, invece di solo 1 e 0, ma l’alfabeto può codificare migliaia di livelli con la tecnologia di rilevatore corretta”, ha affermato Andrew Forbes dell’Università del Witwatersrand.

L’insaziabile appetito per comunicazioni ottiche ad alta velocità ha spinto molti altri gruppi di ricerca a esplorare alternative multibit alle sole codifiche 1 e 0, tra cui molti schemi alternativi di multiplexing per divisione di modalità. Ad esempio, i ricercatori francesi hanno dimostrato la multiplexing per divisione di modalità in fibre ottiche fin dal 1982, ma solo in laboratorio a distanze di 10 metri. Recenti miglioramenti fino a oltre un chilometro sono stati dimostrati dai ricercatori cinesi. Tuttavia, secondo Forbes et al., anche queste tecniche di multiplexing per divisione di modalità di successo sono limitate dal rumore nel canale che distorce i modelli di modalità trasmessi, introducendo quindi errori nella loro rilevazione. Al contrario, estrarre invece la misura invariante di ispirazione quantistica, il suo fattore di qualità vettoriale come portatore di informazioni, rende la sua trasmissione impermeabile al rumore del canale. Infatti, secondo i ricercatori, il loro fattore di qualità vettoriale invariante può aumentare il numero di modalità tra 0 e 1 fino al floor di rumore del rilevatore utilizzato, indipendentemente dal rumore del canale.

“L’idea è utilizzare la non-separabilità della luce vettoriale, che può variare da 0 (completamente separabile) a 1 (completamente non-separabile) – una misura ‘quantistica'”, ha detto Forbes. “Il rivelatore di cui abbiamo bisogno per misurare questa proprietà invariante è semplicemente un fotodiodo. Questo è un enorme vantaggio perché significa che non è necessaria una complicata opto-elettronica per riconoscere i modelli modali codificati, solo il loro fattore di qualità vettoriale.”

Secondo Forbes, le approccio al multiplexing a divisione di modalità concorrenti devono riconoscere i modelli modali come parte integrante del loro schema di rilevazione, richiedendo quindi un imager più sofisticato e algoritmi di riconoscimento di modelli associati che sono soggetti a errori sia nelle fibre che nei canali a spazio libero.

“Il problema è che i ‘modelli’ si deformano nei sistemi non-ideali, il che è un grave problema per la comunicazione; invii una ‘A’ ma il rivelatore di modelli pensa che sia una ‘B'”, ha detto Forbes. “Nel nostro approccio, possiamo sfruttare i molti modelli senza doverli riconoscere. Il nostro è un approccio modale senza il penalità di dover riconoscere le modalità, solo il loro fattore di qualità vettoriale. Ciò che ci dà il vantaggio è che la nostra tecnologia richiede un piede sia nella comunicazione classica che nella fisica quantistica, e siamo uno dei pochi gruppi al mondo che fanno entrambi.”

Nel calcolo quantistico, la concorrenza è uno stato invariante che indica l’entanglement, che è stato successivamente generalizzato a stati a variabili continue che indicano la separabilità. Il gruppo di Wits ha applicato questa metrica quantistica al suo fattore di qualità vettoriale continuo come un vantaggio per i ricercatori delle comunicazioni ottiche che cercano di aumentare la capacità di informazione con codifiche multi-bit che sono immune al rumore del canale.

R. Colin Johnson è un Kyoto Prize Fellow che ha lavorato come giornalista tecnologico per due decenni.