軌道角運動量: エンジニア向けの真面目なガイド-
という用語がわかりますね軌道角運動量光学および無線ペーパー全般にわたります。抽象的に見えますが、データとより厳密なビーム制御のために追加のレーンにマッピングされます。このガイドは、適合性、予算、スケジュールを判断できるように実用的なものにしています。
軌道角運動量の基礎
1分間の軌道角運動量が意味するもの
光と電波は次のように角運動量を運びます。スピン（偏光）と軌道（螺旋位相のねじれ）。ツイストは整数でタグ付けされますℓ。異なる ℓ 値は完全な中心開口部にわたって直交するため、チャネルがモード純度を維持している場合は、各 ℓ で独立したストリームを送信できます。
軌道角運動量ビームの外観と動作
OAM モードは、「ドーナツ」の強度と、徐々に曲がりくねった位相を示します。ℓ·2π中心あたり。 |ℓ| 高いより速く拡散し、中心のずれや乱流の影響を受けやすくなります。- ℓ±1 へのモード結合は、屋外および曲げファイバにおける主な障害です。
軌道角運動量を生み出すハードウェア
一般的なオプションは次のとおりですスパイラル位相板, q-プレート, 空間光変調器 (SLM), メタサーフェス、RFでは、円形フェーズドアレイ。検出ミラーの生成: 逆位相を適用し、対数-極性アンラッパー、またはコヒーレントマッチドフィルター。
軌道角運動量、ステップバイステップ
ステップ 1 - チャンネルを調査する
乱流 (Cn²)、ポインティングエラー、プラットフォームの動き、および利用可能な開口部を測定します。次のようなスターターセットを選択してくださいℓ = {0, ±1}より高いモードを追求する前に。
ステップ 2 - 光学系と絞りを選択します
パイロットの場合、選択してください位相板（ℓ固定、低損失）。敏捷性を重視するなら、SLMまたはメタサーフェス。開口部のサイズからD/R目標 |ℓ|したがって、直交性は範囲内で保持されます。
ステップ 3 - クロストークを伴うリンク バジェットを実行します
モデルのバルク損失、モード-に依存する損失、隣接するℓへの漏れ。目指す10～20dB受信機でモード間を分離し、FEC マージンを追加します。
ステップ 4 - フィールド内のループを閉じます
追加チップ/チルトトラッキング自動センタリング用。-適応等化のために各ℓにパイロットを挿入します。温度、風、時間にわたるモード混合行列を記録します。-
ステップ 5 - 検証してからモードをスケールする
昼夜を問わず浸漬テストを実行します。分離と BER が維持されている場合は、次のように拡張します。ℓ = {0, ±1, ±2}。フォールバックを維持するℓ = 0視力が悪いから。
軌道角運動量と他の多重化
軌道角運動量が WDM や MIMO の代替にならない理由
OAMは別の直交軸。パスがモード純度を維持する場合は、波長と偏波の横に使用します。道が険しい場合は、まず WDM と空間 MIMO に投資してください。
OAM、WDM、MIMO の概要
リソース：OAM は使用しますℓ, WDM は波長グリッドを使用し、MIMO は空間モードと偏波を使用します。
リミッタ：OAM は発散と乱気流に遭遇します。 WDM はフィルター数と非線形性に影響します。 MIMO はパス相関にヒットします。
ベストフィット:短-～-FSO およびリング-コア ファイバ用の OAM。地下鉄/長距離用の WDM。-セルラー、Wi-Fi、コヒーレント SDM 用の MIMO。
軌道角運動量が勝つとき
きれいな見通しの良い屋上、安定した機構を備えたテストベッド、緩やかな屈曲を備えた特殊ファイバーは、OAM の有力な候補です。スペクトルを購入したり、ファイバーを掘ったりすることなく、容量を追加できます。
展開できる軌道角運動量の応用
屋上間の空きスペース光バックホール-
使用2 ～ 4 つの OAM モード1つの波長で1～3kmと10～20cm絞りとトラッキング。ハードウェア数を低く抑えながら、スループットが向上します。
キャンパス内の特殊リング-コア ファイバー
いくつかの安定した OAM モードに加えて低次 MIMO DSP短いスパンでのリフト能力。ルートをまっすぐに保ち、ストレスを管理し、モードに依存する損失を監視します。-
軌道角運動量を利用した量子、イメージング、センシング
OAM の高次元アルファベットにより、フォトンあたりのシンボル スペースが増大し、コンパクトな自由空間リンクとラボ規模のネットワークが可能になります。{{1}{0}
軌道角運動量を左右するデザインの詳細
位置合わせとセンタリング
センタリングが数パーセントずれると、アイソレーションが 2 桁 dB 低下する可能性があります。{0}{1}自動センタリングと参照ビーコンを早期に追加します。{3}
乱流と動き
ランダム位相スクリーンは、ℓを隣接するスクリーンに結合します。で緩和する補償光学、より大きなビーム、より短いホップ、そして強力な FEC。
DSPとキャリブレーション
受信者を小さなMIMOモードに依存する損失があるシステム-。パイロットによるイコライゼーションと定期的な再キャリブレーションにより、BER を安定に保ちます。{2}
軌道角運動量のコスト、スケジュール、リスク
パイロットの費用と内容
2 つのモードのベンチ-位相板、マウント、カメラは通常、-数千ドル前半範囲。SLMさらに数千を追加します。耐候性ハウジングとティルト/チルトプラットフォームにより、屋外でのリンクを強化します。
セットアップにかかる時間
プラン1～2日-2 つのモードを使用した初めてのベンチと、屋上のマウントとループの調整にさらに半日かかります。保存されたアライメント「レシピ」により、将来の交換が迅速化されます。
計画すべき主なリスク
より高い |ℓ| での発散、乱流による結合、開口部の汚染、および熱ドリフト。{0}}それぞれに、光学系の大型化、AO、洗浄と密閉、温度制御など、明確な緩和策があります。
軌道角運動量の意思決定を支援するツール
リンクプランニング早見表
0.5 ～ 1 km、口径 5 ～ 10 cm: ℓ = {0, +1}
1 ～ 3 km、10 ～ 20 cm の開口部: ℓ = {0, ±1}
3〜5 km、20〜30+ cmの口径:ℓ={0, ±1, ±2} (AO あり)
屋内リング-コア ファイバー:ℓ={0, ±1} (MIMO DSP あり)
乱気流緩和メニュー
ビームワンダー:チップ/チルトを追加し、ビームを拡大します。
シンチレーション:アパーチャ平均化と強力な FEC を使用します。
モード結合:|ℓ| を削除し、センタリングを改善し、AO を追加します。
熱ドリフト:温度ループを閉じて再調整してください。-
構築と購入のチェックリスト
今すぐ OAM を使用します。屋上 LoS 大きな開口部で 3 km 以下。リング-コアのデモパス。
OAM を延期する:限られた力学による激しい乱気流。追跡なしの厳しい予算。
プロジェクトを軌道に乗せるためのフィールドレッスン
容量のスケーリングは条件付きです
実際のスループットは、条件番号何ℓのレーンを試行するかだけでなく、モード-ミキシングマトリクスの重要性も考慮します。
ラジアルインデックスによりレーン数が拡張されます
を追加すると、動径指数 pより多くの直交チャネルが開きますが、アライメント許容値が厳しくなり、DSP の労力が増加します。
統合された OAM コンポーネントは成熟しつつあります
コンパクトアンラッパー, ルーター、 そしてメタサーフェスフォトニック ファブリックでのより小型の受信機とマルチキャスト パスを可能にします。
軌道角運動量に関するFAQ
軌道角運動量は偏波多重化とどう違うのですか?
偏光はスピンを使用し、2 つのレーンを与えます。軌道角運動量はツイスト インデックス ℓ を使用し、チャネルがモードをクリーンに保つ場合、同じ波長でさらに多くのレーンを追加できます。
軌道角運動量に関して現実的な屋外範囲はどれですか?
と10～20cm絞り、リジッドマウント、トラッキング、1～3kmのために働く2 ～ 4 つのモード。より長いスパンにはより大きな光学系が必要になり、多くの場合、補償光学.
軌道角運動量はファイバーにどれだけの容量を追加できるでしょうか?
でリングコア-またはカスタマイズされたファイバー、いくつかの OAM モードと波長と偏波により、制御されたルートの短距離から中距離のスパンでマルチテラビット レートに達します。{0}
最初のパイロットの費用はいくらですか?
期待する-数千ドル前半位相板パイロット用-。数千を追加するとSLM。屋外の強化と追跡によりコストは増加しますが、稼働時間は向上します。
アライメントにはどのくらい時間がかかりますか?
プラン1日から2日最初のセットアップでは 2 つのモードを使用し、その後はアライメント マークと制御ファイルを再利用することで繰り返しを高速化します。
軌道角運動量は WDM や MIMO に取って代わることができますか?
いいえ。OAM をボーナスレーンWDM と MIMO の横にあります。パスがモードの純度を維持する場合に使用します。それ以外の場合は、成熟した軸に最初に投資します。
軌道角運動量は標準ファイバーでも実現可能ですか?
標準的なファイバーは、長距離にわたって OAM を十分に保持できません。リングコア-そして段階的-インデックスデザインは低次と組み合わせると役立ちます。-MIMO DSP.
OAM トライアルを正当化する傾向の数字はどこで見つけられますか?
モバイル トラフィックとユーザーベースのレポートを使用して、需要の増加とバックホールのニーズを枠組みし、ローカル パスの状況に合わせて OAM パイロットのサイズを設定します。{0}
まとめ: 軌道角運動量に賭けるべきとき
使用軌道角運動量チャンネルが安定しているときは、アライメントが制御されており、開口部が十分に開いています。から始めるℓ = {0, ±1}を閉じます追跡ループ、予算モード分離MIMOシステムのようなものです。結果が天候や時間を問わず維持される場合は、モードをスケールします。 WDM と偏光を適切な位置に保ち、軌道角運動量を次のように扱います。追加レーン条件が許せば有効にします。