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Um sistema híbrido de codificação eletrônica e decodificação óptica difrativa transmite informações ópticas através de difusores aleatórios e desconhecidos com alta fidelidade

SPIE – Sociedade Internacional de Óptica e Fotônica

imagem: Transferência de informação óptica através de difusores aleatórios desconhecidos usando codificação eletrônica e decodificação difrativa. (a) O fluxo de trabalho do modelo híbrido eletrônico-óptico: a rede neural eletrônica codifica os objetos de entrada em padrões de fase 2D e a rede neural difrativa totalmente óptica decodifica as informações transmitidas através de difusores de fase aleatórios e desconhecidos. (b) Fotografia do decodificador difrativo impresso em 3D operando na parte THz do espectro. (c) Resultados experimentais de transferência de informação óptica através de um difusor de fase aleatória desconhecido usando o decodificador difrativo impresso em 3D com codificação eletrônica.Veja mais

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

A transferência de informações ópticas em espaço livre com grande largura de banda e alta capacidade de transmissão ganhou atenção significativa em diversas aplicações, como sensoriamento remoto, comunicação subaquática e dispositivos médicos. No entanto, perturbações de fase desconhecidas e imprevisíveis ou difusores aleatórios dentro do caminho óptico representam grandes desafios, limitando a transmissão de alta fidelidade de dados ópticos no espaço livre. A óptica adaptativa apresenta uma solução potencial que pode corrigir dinamicamente distorções aleatórias; no entanto, moduladores de luz espacial e algoritmos de feedback iterativo empregados inevitavelmente aumentam o custo e a complexidade.

Uma equipe de pesquisadores liderada pelo professor Aydogan Ozcan, do Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação da Universidade da Califórnia, Los Angeles (UCLA), apresentou uma nova solução publicada recentemente na Advanced Photonics. Esta nova abordagem utiliza codificação eletrônica e decodificação óptica difrativa para transmitir informações ópticas através de difusores aleatórios e desconhecidos com alta fidelidade. Treinado por meio de aprendizado supervisionado, este modelo híbrido incorpora um codificador eletrônico baseado em rede neural convolucional (CNN), juntamente com camadas difrativas passivas transmissivas co-otimizadas que são fabricadas fisicamente. Após esse processo único de treinamento conjunto, o modelo híbrido resultante pode transferir com precisão informações ópticas de interesse, mesmo na presença de difusores de fase desconhecidos, generalizando com sucesso para passar informações através de difusores aleatórios invisíveis. Esta nova abordagem supera significativamente os sistemas que utilizam apenas uma rede óptica difrativa ou uma rede neural eletrônica para transferência óptica de informações através de meios aleatórios difusivos, destacando a importância de ter um codificador eletrônico e um decodificador difrativo que trabalhem juntos.

A prova experimental de conceito e a viabilidade deste modelo híbrido eletrônico-óptico foram validadas usando uma rede difrativa impressa em 3D operando na parte terahertz do espectro eletromagnético. O decodificador óptico do modelo híbrido pode ser dimensionado fisicamente – expandido ou reduzido – para operar em diferentes partes do espectro eletromagnético, eliminando a necessidade de retreinar suas características difrativas.

A equipe de pesquisa da UCLA acredita que esta estrutura forneceria uma alternativa compacta e de baixo consumo de energia para diversas aplicações, como a transmissão de dados de detecção e imagem biomédica em sistemas implantáveis, comunicação óptica subaquática e transmissão de dados em condições atmosféricas turbulentas.

Para obter detalhes sobre esse avanço, leia o artigo Gold Open Access de Li et al., “Optical information transfer through random desconhecido difusores usando codificação eletrônica e decodificação difrativa”, Adv. Fóton.4(4) 046009 (2023), dois 10.1117/1.AP.5.4.046009.

Fotônica Avançada

10.1117/1.AP.5.4.046009

Transferência óptica de informações através de difusores aleatórios desconhecidos usando codificação eletrônica e decodificação difrativa