Сотрудник Аризонского университета (США) Иван Джорджевич (Ivan Djordjevic) предложил нестандартный способ модуляции сигнала для передачи в космосе.

Дальняя оптическая связь в космосе часто реализуется на основе временнóй импульсной модуляции. Здесь некий промежуток времени разбивается на несколько отдельных участков, а данные кодируются путём отправки импульса в одном из этих «окон». Легко понять, что сокращение ширины «окон» позволяет увеличить скорость передачи, но это требует более совершенной и сложной электронной аппаратуры и отражается на стоимости системы и расходе энергии.

Г-н Джорджевич рассматривает другой метод повышения скорости, основанный на использовании вихревых пучков, несущих ненулевой орбитальный угловой момент. Выделить основную особенность такого пучка несложно: достаточно отметить поверхности постоянной фазы (точки пространства, в которых волна находится в одинаковой фазе колебания), как это сделано на рисунке ниже. У обычной плоской волны поверхности постоянной фазы напоминают отстоящие друг от друга листы, а у «вихря» поверхность закручивается и приобретает винтовую структуру. Когда некий микрообъект, к примеру, поглощает такую волну, её момент импульса передаётся ему, и он может начать вращение.

Если представить себе, что «вихрь» рассекается плоскостью, перпендикулярной оси его распространения, то разные точки на этой плоскости будут соответствовать разным фазам волны. При обходе вокруг центральной точки на плоскости фаза будет постоянно расти и на полном обороте изменится на 2π. Для нас важно, что «закрутить» волну можно и сильнее, задав произвольное изменение фазы за полный обход по азимуту, кратное 2π.

Рис. 1. Разные типы структуры волновых фронтов (иллюстрация из «Соросовского образовательного журнала»).

В схеме, спроектированной американским физиком, дополнительная модуляция по орбитальному угловому моменту поднимает скорость передачи, а надёжность обеспечивает давно известный код с малой плотностью проверок на чётность. По словам автора, результаты вычислений полностью подтверждают работоспособность схемы при распространении излучения в смоделированной атмосфере Земли, которая искажает исходный сигнал за счёт турбулентности.

Относительно простые методики формирования вихревых лазерных пучков с помощью специальных голограмм учёные уже разработали. Трудности, скорее всего, возникнут на этапе приёма и расшифровки модулированного по орбитальному угловому моменту сигнала, но дать обоснованную оценку того, насколько эти проблемы серьёзны, пока не может ни сам Иван Джорджевич, ни его коллеги, критикующие идею.

Полная версия отчёта опубликована в статье:

Ivan B. Djordjevic Deep-space and near-Earth optical communications by coded orbital angular momentum (OAM) modulation. – Optics Express. – 18 July 2011. – V. 19. – No. 15. статья.