Recently, free-space optical (FSO) communications have attracted a great deal of attention as an alternative means to transport high-speed wireless signals without using radio-frequency resources. Due to several-hundred-of-THz carrier frequency, the performance of FSO communication systems is highly affected by weather events and atmospheric turbulence. In particular, atmospheric turbulence gives rise to spatio-temporal variations of the refractive indexes of air, which, in turn, causes a time-varying magnitude fluctuations of light intensity collected by the receiver. This scintillation makes the received optical power fall below the receiver sensitivity, and as a result, would induce communication disruptions. In this thesis, I study through experiment the mitigation of scintillation by using an incoherent light source.
Incoherent light sources are divided into temporally and spatially incoherent light sources. First, I study the mitigation of scintillation using temporally incoherent light source. Spectrum-sliced incoherent light (SSIL) was proposed to implement the wavelength-division multiplexed (WDM) passive optical networks in a cost-effective manner. Multiple wavelength-specific channels are generated simultaneously by using a broadband incoherent light source and an arrayed waveguide grating. However, large relative intensity noise (RIN) inherent in incoherent light degrades the receiver sensitivity of this light source. Gain-saturated reflective semiconductor optical amplifiers (RSOAs) can be used for both RIN suppression and data modulation. In this thesis, I apply this light source to FSO communications and show that this light source is effective in suppressing the scintillation, compared with coherent light sources.
The mitigation of scintillation could be further enhanced by adding spatial incoherence to the temporally incoherent light source. For this purpose, I insert a single-mode-fiber to multi-mode fiber offset launcher at the output of the RSOA-based SSIL source. I analyze the spatial incoherence characteristics and the scintillation mitigation effect as the offset distance varies, and confirm that the proposed spatio-temporally incoherent light source further mitigates the scintillation effect.
I believe that the proposed incoherent light source could be used to increase the capacity of FSO communication systems in a cost-effective manner due to its capability of mitigating the scintillation.
RF 무선 주파수 자원을 사용하지 않고 초고속 신호를 전송할 수 있는 무선 광통신 기술에 대한 연구가 최근 활발하다. 이는 지수적으로 꾸준히 증가하고 있는 무선 데이터 트래픽을 수용하기 위하여 무선 광통신 기술이 무선 접속 구간의 용량을 지속적으로 증가시킬 수 있는 경제적이며 효과적인 방안이 될 수 있기 때문이다. 그러나 무선 광통신 시스템은 수백 THz의 빛을 반송파로 사용하므로 날씨 및 대기 난류의 영향을 크게 받는다. 특히 대기 난류는 무선 채널의 굴절률을 시공간적으로 미세하게 변화시켜 수신기에서 검출되는 광신호의 크기를 시변하게 한다. 이러한 신틸레이션(scintillation) 현상으로 인하여 수신 광전력이 수신 감도 이하로 떨어지는 경우 통신 두절이 발생할 수 있다. 본 논문에서는 무선 광통신 시스템에서 신틸레이션에 강인하면서도 파장 분할 다중화(wavelength-division multiplexing: WDM) 방식을 경제적으로 구현할 수 있는 비가간섭성 광원을 제안하고, 실험을 통해 신틸레이션에 대한 강인성을 검증한다.
비가간섭 광원은 시간적 비가간섭 광원과 공간적 비가간섭 광원으로 나뉜다. 본 논문에서는 먼저 시간적 비가간섭 광원을 이용하여 신틸레이션을 완화할 수 있다는 사실을 실험으로 보인다. 스펙트럼 저미어진 비가간섭광(spectrum-sliced incoherent light: SSIL)은 파장 분할 다중화 방식 수동형 광통신망을 경제적으로 구현하기 위하여 개발되었다. 이 광원은 비가간섭 특성이 매우 크고, 광증폭기와 배열 도파관 격자 등을 활용하여 경제적으로 구현 가능하지만, 비가간섭 광원의 특성상 상대 세기 잡음(relative intensity noise: RIN)이 매우 크다는 단점이 있다. 이 잡음을 억제하기 위하여 이득 포화된 반사형 광증폭기(reflective semiconductor optical amplifier: RSOA)가 활용되어 RIN 잡음 억제 및 신호 변조 역할을 수행한다. 본 논문에서는 RSOA 기반 SSIL 광원을 무선 광통신 시스템에 적용할 경우 신틸레이션 효과를 완화시킬 수 있음을 실험으로 보인다.
시간적 비가간섭 광원에 공간적 비가간섭 특성을 더하면 신틸레이션 효과를 더욱 완화시킬 수 있을 것으로 예상된다. 이를 위하여 단일 모드 광섬유-다중 모드 광섬유 오프셋 인가 장치를RSOA 기반 SSIL 광원 출력에 삽입함으로써 시간적 비가간섭 광원에 공간적 비가간섭성을 더할 수 있다. 오프셋에 따른 공간적 비가간섭 특성과 신틸레이션 완화 효과를 분석하고 제안한 시공간적 비가간섭 광원이 신틸레이션 효과를 더욱 완화시키는 것을 실험으로 확인한 결과를 보고한다.
SSIL 광원은 경제적으로 파장 분할 다중화된 신호를 생성할 수 있으므로 이 광원을 활용하면 대기 채널에 의한 신틸레이션에 의한 성능 열화를 완화시키면서 점진적으로 또한 경제적으로 무선 광통신 시스템의 용량을 증대시킬 수 있을 것으로 기대된다.
