Real-time estimation of the transmission matrix of an atmospheric channel

Licht dat door de open lucht reist, is een fragiel ding. Hoewel we de hemel vaak beschouwen als een lege ruimte, is het in werkelijkheid een kolkende vloeistof van lucht, die voortdurend verandert in temperatuur en druk. Deze kleine, onzichtbare fluctuaties werken als een enorme, bewegende lens die lichtgolven buigt en door elkaar haalt terwijl ze reizen. Voor wetenschappers en ingenieurs die proberen data, afbeeldingen of zelfs kwantuminformatie via lasers door de lucht te sturen, vormt deze turbulentie een grote hindernis. Het zorgt ervoor dat de straal flikkert, uitwaaiert en van vorm verandert, wat leidt tot wegvallende signalen en wazige beelden. Decennialang was de standaardmanier om dit op te lossen het gebruik van adaptieve optica, een systeem dat de vervorming meet en een spiegel kantelt om deze te compenseren. Deze traditionele methode corrigeert echter voornamelijk voor het buigen van de lichtgolven, en slaagt er niet in om de manier waarop de helderheid van het licht wild fluctueert te herstellen, wat een cruciaal probleem is wanneer de lucht zeer turbulent is.

Een team van onderzoekers heeft nu een andere aanpak gedemonstreerd die de atmosfeer niet alleen behandelt als een probleem dat gecorrigeerd moet worden, maar als een complexe filter die in realtime in kaart gebracht en omgekeerd kan worden. Ze richtten zich op een concept genaamd de transmissiematrix, wat in essentie een volledige wiskundige beschrijving is van hoe een specifiek stuk lucht elk lichtpatroon dat erdoorheen gaat, transformeert. Als je deze kaart kent, kun je je lichtstraal vooraf zo vormen dat de chaos van de atmosfeer de straal precies in de perfecte vorm herrangschikt op het moment dat deze de andere kant bereikt. De uitdaging waar dit nieuwe werk een antwoord op biedt, is dat de atmosfeer zo snel verandert — vaak in slechts enkele milliseconden — dat de lucht alweer bewogen is tegen de tijd dat de kaart gemeten is. De onderzoekers zetten zich in om te zien of ze deze veranderende kaart snel genoeg konden inschatten om de wind bij te houden, met behulp van een methode die leert van de afgelopen momenten en zichzelf constant bijwerkt.

Om dit idee te testen, bouwde het team een laboratoriumopstelling die het gedrag van een echte atmosferische verbinding nabootst. Ze gebruikten een laserstraal en een apparaat genaamd een ruimtelijke lichtmodulator, die fungeert als een programmeerbaar venster dat de vorm en fase van het licht kan veranderen. Aan de ene kant genereerden ze een reeks specifieke, bekende lichtpatronen, vergelijkbaar met hoe een muzikant een toonladder speelt om een instrument af te stemmen. Deze patronen werden door een gesimuleerde turbulente kanaal gestuurd, gecreëerd door een tweede apparaat dat willekeurige verstoringen aan het licht oplegde, net zoals de echte atmosfeer dat zou doen. Aan de andere kant mat een camera exact hoe het licht eruitzag nadat het was door elkaar gehusseld. De kern van hun innovatie was een computeralgoritme dat deze metingen gebruikte om ter plekke een schatting van de transmissiematrix op te bouwen. In plaats van te wachten tot de hele kaart perfect gemeten was, gebruikte het algoritme een recursief proces, wat betekent dat het de nieuwste gegevens combineerde met de recente geschiedenis van metingen en voortdurend zijn gok van wat de atmosfeer aan het doen was, verfijnde.

De resultaten van dit experiment waren opmerkelijk. Wanneer het team deze realtime geschatte kaart gebruikte om de binnenkomende lichtstraal te vormen, nam de hoeveelheid licht die succesvol een kleine glasvezelkabel bij de ontvanger binnenkwam, drastisch toe. In hun tests, die omstandigheden simuleerden variërend van milde tot zeer sterke turbulentie, verbeterde de nieuwe methode de efficiëntie van de verbinding met ongeveer veertig procent vergeleken met het verzenden van een standaard, ongevormde straal. Belangrijker nog, het systeem maakte de verbinding veel betrouwbaarder. In de sterkste turbulentie, waarbij een normale straal vaak volledig zou falen en een signaalverlies zou veroorzaken, behield de gevormde straal een stabiele verbinding. De onderzoekers ontdekten dat het aantal keren dat het signaal onder een bruikbaar niveau zakte, met ongeveer zeventig procent werd verminderd, en wanneer er dalingen optraden, waren deze veel korter van duur. Dit suggereert dat het systeem niet alleen de gemiddelde prestaties verbetert, maar ook actief de totale communicatieverlies voorkomt die de huidige vrije-ruimte optische verbindingen teistert.

Om te garanderen dat deze bevindingen stand zouden houden in de echte wereld, voerde het team ook uitgebreide computersimulaties uit van een atmosferische verbinding van één kilometer lang. Deze simulaties bevestigden dat de methode werkt, zelfs wanneer de turbulentie heftig is en de wind hard waait. De studie toonde aan dat de aanpak robuust genoeg is om de snelle veranderingen van een echte omgeving aan te kunnen, mits de hardware die wordt gebruikt om het licht te meten en te vormen snel genoeg is. Hoewel de huidige experimenten een tafelmodel-simulator gebruikten, werden de parameters gekozen om overeen te komen met de mogelijkheden van de moderne, hogesnelheidssensoren en spiegels die vandaag de dag beschikbaar zijn. De onderzoekers merkten op dat hun methode bijzonder effectief is omdat het zich richt op de belangrijkste delen van het lichtpatroon en de minder kritieke details negeert die de berekening zouden vertragen. Hierdoor kan het systeem zijn begrip van de atmosfeer snel genoeg bijwerken om de wind voor te blijven.

De implicaties van dit werk reiken verder dan alleen het sneller verzenden van data. Door te bewijzen dat een transmissiematrix in realtime ingeschat en gebruikt kan worden, zelfs onder zeer turbulente omstandigheden, hebben de onderzoekers een pad geopend naar stabielere vrije-ruimte optische communicatie. Deze technologie kan essentieel zijn voor het verbinden van afgelegen gebieden waar het leggen van glasvezelkabels te duur of te moeilijk is, en voor het koppelen van satellieten aan de grond waar de atmosfeer een constante barrière vormt. De studie laat zien dat door de atmosfeer te behandelen als een dynamisch, leerbaar systeem in plaats van een statisch obstakel, we de helderheid en betrouwbaarheid van lichtgebaseerde communicatie aanzienlijk kunnen verbeteren. Het werk van het team suggereert dat met de juiste algoritmen de chaotische dans van de lucht getemd kan worden, waardoor een bron van fouten wordt omgezet in een beheersbare variabele die licht verder en helderder laat reizen dan ooit tevoren.