Free-space optical communications (FSOCs) have long been considered as a promising technology to deliver high-capacity wireless signals over atmospheric channel. It combines the wireless communication with optical transmission technology. Thus, high-speed (e.g., >10 Gb/s) data can be carried over free-space channel without exhausting RF resources, nor deploying fiber-optic cables.
Major obstacle to wide spread use of this attractive technology is that the performance of FSOC systems is severely affected by weather conditions. Light signal is attenuated significantly when passing through fog, cloud, or heavy rain. Even in the clear day, the atmospheric turbulence gives rise to adverse effects, such as scintillation, beam wandering, fluctuation of angle-of-arrival, and beam spreading. Scintillation produces random fluctuations of light intensity at the receiver, which in turn, deteriorates the bit-error rate performance.
Several techniques have been proposed to reduce the scintillation effect including aperture averaging, adaptive optics, diversity, and partially coherent beam (PCB). Aperture averaging employs a large aperture to average out the intensity fluctuations of the spatially distributed light signal. This technique becomes less effective as atmospheric turbulence gets stronger. Also, it requires a large beam-collecting optics, which increases the size and weight of the receiver. Adaptive optics and diversity (for example MIMO technique) are both considered the most powerful way to combat atmospheric turbulence effect; however, the cost of these techniques is prohibitively high. For example, expensive wavefront sensors and deformable mirror is needed to implement the adaptive optics. Multiple transmitters and receivers are required for the diversity technique. PCB can be employed to reduce the scintillation effect since scintillation can be understood as intensity fluctuations caused by multi-path interference. PCB can be realized in two independent dimensions; space and time. Most of previous works on PCB focus on the spatial PCB using coherent light.
In this thesis, I propose to use incoherent light to mitigate the effect of turbulence. PCB implemented by using optical frequency comb has been proposed and demonstrated. However, this scheme requires long fiber and high-power optical amplifier to facilitate the fiber nonlinearities. Spectrum-sliced incoherent light (SSIL) has been employed to generate multiple-wavelength light sources for wavelength-division-multiplexed (WDM) passive optical networks. This WDM light source can be implemented by using an optical amplifier and arrayed waveguide grating (AWG). Thus, multiple-wavelength signals can be generated simultaneously in a cost-effective manner. I propose to use this SSIL source for FSOC systems. Fully incoherent nature of light in time helps to mitigate the scintillation effect especially when the scintillation is strong. Multiple-wavelength generation would be used to increase the capacity of FSOC systems though WDM.
To evaluate the proposed scheme, I develop a computer simulation program for the FSOC system. I model the atmospheric channel by using a series of phase screens and solve the stochastic wave equation through the split-step Fourier method. The distance between phase screens are optimized for the computation time and accuracy. The coupling efficiency of distorted optical beam to single-mode fiber at the receiver is also estimated accurately. The verification method of the simulation is given in each part to validate the developed simulation program.
I first evaluate the performance of the proposed scheme using the scintillation index (SI). The comparison of SI between SSIL and fully coherent beam is given in several turbulence conditions. From SI measurement, it is confirmed that the SI reduction of the proposed scheme is more effective when the atmospheric turbulence is strong. For example, when ${\sigma_R}^2$ =7.095, SSIL source has SI of 2.01 for $B_o$/$B_e$=30 GHz/1 GHz (optical bandwidth/ electrical bandwidth). However, the coherent source exhibits the SI of 2.4 for the same channel condition. In addition, I also compare the bit-error ratio (BER) performance between the two light sources for 1-Gb/s OOK signal over 2-km free-space link. In a weak turbulence condition, the fully coherent light source has better performance than SSIL source. This is because of the relative intensity noise inherent in SSIL. However, as the turbulence gets stronger (e.g., turbulence strength of ${C_n}^2$=$10^{-13}$ $m^P{-2/3}$) , the SSIL source outperforms the fully coherent light. For example, we achieve a sensitivity improvement of 0.81 dB when ${C_n}^2$ is as strong as $10^{-13}$ $m^P{-2/3}$. These results indicate that SSIL source could be used for cost-effective implementation of WDM FSOC systems in the presence of atmospheric turbulence.
FSOC (Free-space Optical Communications)는 오랫동안 대기 채널을 통해 대용량 무선 신호를 전달하는 유망한 기술로 간주되어 왔습니다. 무선 통신과 광 전송 기술을 결합합니다. 따라서 RF 리소스를 소모하거나 광섬유 케이블을 배치하지 않고도 자유 공간 채널을 통해 고속 (예 :> 10Gb / s) 데이터를 전송할 수 있습니다.
이 매력적인 기술의 광범위한 사용에있어 주요 장애물은 FSOC 시스템의 성능이 기상 조건에 크게 영향을 받는다는 것입니다. 안개, 구름 또는 폭우를 통과 할 때 광 신호가 크게 감쇠됩니다. 맑은 날에도 대기 난류는 신틸레이션, 빔 방랑, 도착 각도 변동 및 빔 확산과 같은 부작용을 일으 킵니다. 섬광은 수신기에서 임의의 광 세기 변동을 일으켜 비트 오류율 성능을 저하시킨다.
개구 평균화, 적응 광학, 다양성 및 부분 간섭 성 빔 (PCB)을 포함하는 섬광 효과를 감소시키기위한 몇 가지 기술이 제안되었다. 조리개 평균화는 공간적으로 분포 된 광 신호의 강도 변동을 평균화하기 위해 큰 조리개를 사용합니다. 이 기술은 대기 난류가 강해짐에 따라 효과가 떨어집니다. 또한 수신기의 크기와 무게를 증가시키는 큰 빔 수집 광학 장치가 필요합니다. 적응 광학 및 다양성 (예 : MIMO 기술)은 모두 대기 난류 효과를 방지하는 가장 강력한 방법으로 간주됩니다. 그러나 이러한 기술의 비용은 엄청나게 높습니다. 예를 들어, 적응 형 광학 장치를 구현하려면 고가의 파면 센서 및 변형 가능한 거울이 필요합니다. 다이버 시티 기술에는 여러 개의 송신기와 수신기가 필요합니다. 섬광은 다중 경로 간섭으로 인한 강도 변동으로 이해 될 수 있기 때문에 섬광 효과를 줄이기 위해 PCB를 사용할 수 있습니다. PCB는 두 가지 독립적 인 차원으로 실현 될 수 있습니다. 공간과 시간. PCB에 대한 이전 연구의 대부분은 코 히어 런트 라이트를 사용하여 공간 PCB에 중점을 둡니다.
이 논문에서는 난류 효과를 완화하기 위해 불일치 한 빛을 사용할 것을 제안합니다. 광 주파수 빗을 사용하여 구현 된 PCB가 제안되고 시연되었습니다. 그러나,이 방식은 섬유 비선형 성을 용이하게하기 위해 긴 섬유 및 고출력 광 증폭기를 필요로한다. 스펙트럼 분할 비 간섭 광 (SSIL)은 파장 분할 다중화 (WDM) 수동 광 네트워크를위한 다중 파장 광원을 생성하기 위해 사용되어왔다. 이 WDM 광원은 광 증폭기 및 배열 도파관 격자 (AWG)를 사용하여 구현할 수 있습니다. 따라서, 다중 파장 신호가 비용 효과적인 방식으로 동시에 생성 될 수있다. 이 SSIL 소스를 FSOC 시스템에 사용할 것을 제안합니다. 시간이 지남에 따라 빛이 완전히 일치하지 않으면 특히 섬광이 강한 경우 섬광 효과를 완화하는 데 도움이됩니다. 다중 파장 생성은 WDM을 통한 FSOC 시스템의 용량을 증가시키는 데 사용됩니다.
제안 된 계획을 평가하기 위해 FSOC 시스템을위한 컴퓨터 시뮬레이션 프로그램을 개발합니다. 일련의 위상 스크린을 사용하여 대기 채널을 모델링하고 분할 단계 푸리에 방법을 통해 확률 파 방정식을 해결합니다. 위상 화면 사이의 거리는 계산 시간과 정확도에 최적화되어 있습니다. 수신기에서 왜곡 된 광 빔의 단일 모드 광섬유로의 결합 효율도 정확하게 추정된다. 시뮬레이션 검증 방법은 개발 된 시뮬레이션 프로그램을 검증하기 위해 각 부분에 제공됩니다.
먼저 scintillation index (SI)를 사용하여 제안 된 계획의 성능을 평가합니다. SSIL과 완전 응집 빔 간의 SI 비교는 여러 난류 조건에서 제공됩니다. SI 측정으로부터, 대기 난류가 강할 때 제안 된 방식의 SI 감소가 더 효과적이라는 것이 확인되었다. 예를 들어, ${\sigma_R}^2$ = 7.095 인 경우 SSIL 소스의 SI는 $B_o$ / $B_e$ = 30 GHz / 1 GHz (광 대역폭 / 전기 대역폭)에 대해 2.01입니다. 그러나, 코 히어 런트 소스는 동일한 채널 조건에서 2.4의 SI를 나타낸다. 또한 2km 자유 공간 링크를 통한 1Gb / s OOK 신호에 대한 두 광원 간의 비트 오류율 (BER) 성능도 비교합니다. 난류 상태가 약한 경우 완전 결속 광원은 SSIL 소스보다 성능이 뛰어납니다. 이는 SSIL 고유의 상대 강도 노이즈 때문입니다. 그러나 난류가 강해지면 (예 : 난류 강도 $10^{-13}$ $m^P{-2/3}$) SSIL 소스가 완전 간섭 광보다 성능이 우수합니다. 예를 들어, ${C_n}^2$가 $10^{-13}$ $m^P{-2/3}$만큼 강할 때 0.81 dB의 감도 향상을 달성합니다. 이러한 결과는 SSIL 소스가 대기 난류가있을 때 WDM FSOC 시스템의 비용 효율적인 구현에 사용될 수 있음을 나타냅니다.
