Single-Shot Phase Diversity Wavefront Sensing in Deep Turbulence via Metasurface Optics

要約

自由空間光通信 (FSOC) システムは、最小限の資本コストで高帯域幅で安全な通信を提供します。
通常、大気チャネルの損失を減らすために、これらのシステムには補償光学 (AO) が追加されます。
ただし、従来の AO 波面センサーの性能は、長距離の深い乱流条件では低下します。
位相ダイバーシティを使用する代替の波面センサーは、深い乱気流の波面を正常に再構築できますが、現在の実装では、待ち時間が長く、大規模なセットアップが必要です。
この研究では、コンパクトなフォームファクターで低遅延の位相ダイバーシティ波面センシングを可能にするナノ構造複屈折メタサーフェス光学素子を採用しています。
私たちは、シミュレーションと実験によるデモンストレーションを通じて、中程度から高程度の乱気流 (Rytov 数 0.2 ～ 0.6) におけるこのアプローチの有効性を証明します。
どちらの場合も、補正されたビームからの信号は平均 16 倍増加します。
私たちのアプローチは、FSOC システムの範囲と精度を向上させる、コンパクトで堅牢な波面センシングへの道を開きます。

要約(オリジナル)

Free-space optical communication (FSOC) systems offer high-bandwidth and secure communication with minimal capital costs. Adaptive optics (AO) are typically added to these systems to decrease atmospheric channel losses; however, the performance of traditional AO wavefront sensors degrades in long-range, deep turbulence conditions. Alternative wavefront sensors using phase diversity can successfully reconstruct wavefronts in deep turbulence, but current implementations require bulky setups with high latency. In this work, we employ a nanostructured birefringent metasurface optic that enables low-latency phase diversity wavefront sensing in a compact form factor. We prove the effectiveness of this approach in mid-to-high turbulence (Rytov numbers from 0.2 to 0.6) through simulation and experimental demonstration. In both cases an average 16-fold increase in signal from the corrected beam is obtained. Our approach opens a pathway for compact, robust wavefront sensing that enhances range and accuracy of FSOC systems.

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