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Ein Hybridsystem aus elektronischer Kodierung und diffraktiver optischer Dekodierung überträgt optische Informationen durch zufällige, unbekannte Diffusoren mit hoher Wiedergabetreue

SPIE – Internationale Gesellschaft für Optik und Photonik

Bild: Optische Informationsübertragung durch zufällige unbekannte Diffusoren mittels elektronischer Kodierung und diffraktiver Dekodierung. (a) Der Arbeitsablauf des hybriden elektronisch-optischen Modells: Das elektronische neuronale Netzwerk codiert die Eingabeobjekte in 2D-Phasenmuster und das rein optische diffraktive neuronale Netzwerk decodiert die Informationen, die durch zufällige, unbekannte Phasendiffusoren übertragen werden. (b) Foto des 3D-gedruckten diffraktiven Decoders, der im THz-Teil des Spektrums arbeitet. (c) Experimentelle Ergebnisse der optischen Informationsübertragung durch einen unbekannten Zufallsphasendiffusor unter Verwendung des 3D-gedruckten diffraktiven Decoders mit elektronischer Kodierung.mehr sehen

Bildnachweis: Li et al., doi 10.1117/1.AP.5.4.046009.

Die Übertragung optischer Informationen im freien Raum mit großer Bandbreite und hoher Übertragungskapazität hat in verschiedenen Anwendungen wie der Fernerkundung, Unterwasserkommunikation und medizinischen Geräten große Bedeutung erlangt. Dennoch stellen unvorhersehbare, unbekannte Phasenstörungen oder zufällige Diffusoren im optischen Pfad große Herausforderungen dar und schränken die hochauflösende Übertragung optischer Daten im freien Raum ein. Adaptive Optik stellt eine mögliche Lösung dar, die zufällige Verzerrungen dynamisch korrigieren kann; Allerdings erhöhen räumliche Lichtmodulatoren und iterative Feedback-Algorithmen zwangsläufig sowohl die Kosten als auch die Komplexität.

Ein Forscherteam unter der Leitung von Professor Aydogan Ozcan vom Fachbereich Elektro- und Computertechnik der University of California, Los Angeles (UCLA), stellte eine neue Lösung vor, die kürzlich in Advanced Photonics veröffentlicht wurde. Dieser neue Ansatz nutzt elektronische Kodierung und diffraktive optische Dekodierung, um optische Informationen mit hoher Wiedergabetreue durch zufällige, unbekannte Diffusoren zu übertragen. Dieses durch überwachtes Lernen trainierte Hybridmodell umfasst einen auf einem Faltungs-Neuronalen Netzwerk (CNN) basierenden elektronischen Encoder sowie kooptimierte transmissive passive diffraktive Schichten, die physisch hergestellt werden. Nach diesem einmaligen gemeinsamen Trainingsprozess kann das resultierende Hybridmodell die interessierenden optischen Informationen selbst bei Vorhandensein unbekannter Phasendiffusoren präzise übertragen und dabei erfolgreich verallgemeinern, um Informationen durch unsichtbare Zufallsdiffusoren weiterzuleiten. Dieser neue Ansatz übertrifft Systeme deutlich, die entweder nur ein diffraktives optisches Netzwerk oder ein elektronisches neuronales Netzwerk für die optische Informationsübertragung durch diffusive Zufallsmedien nutzen, und unterstreicht die Bedeutung der Zusammenarbeit sowohl eines elektronischen Encoders als auch eines diffraktiven Decoders.

Der experimentelle Machbarkeitsnachweis und die Machbarkeit dieses hybriden elektronisch-optischen Modells wurden mithilfe eines 3D-gedruckten diffraktiven Netzwerks validiert, das im Terahertz-Teil des elektromagnetischen Spektrums arbeitet. Der optische Decoder des Hybridmodells kann physisch skaliert – entweder erweitert oder verkleinert – werden, um in verschiedenen Teilen des elektromagnetischen Spektrums zu funktionieren, wodurch die Notwendigkeit einer Neuschulung seiner Beugungseigenschaften entfällt.

Das UCLA-Forschungsteam ist davon überzeugt, dass dieses Framework eine stromsparende und kompakte Alternative für verschiedene Anwendungen darstellen würde, beispielsweise die Übertragung biomedizinischer Sensor- und Bilddaten in implantierbaren Systemen, die optische Unterwasserkommunikation und die Datenübertragung unter turbulenten atmosphärischen Bedingungen.

Einzelheiten zu diesem Fortschritt finden Sie im Gold Open Access-Artikel von Li et al., „Optical information transfer through random unlimited diffusers using electronic binding and diffractive decoding“, Adv. Photon.4(4) 046009 (2023), zwei 10.1117/1.AP.5.4.046009.

Fortgeschrittene Photonik

10.1117/1.AP.5.4.046009

Optische Informationsübertragung durch zufällige unbekannte Diffusoren mittels elektronischer Kodierung und diffraktiver Dekodierung

28.08.2023

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