[論文レビュー] All-fiber photonic lantern multimode optical receiver with coherent adaptive optics beam combining

Bo Zhang, Jianfeng Sun+5 more|arXiv (Cornell University)|May 20, 2021

Optical Network Technologies参考文献 14被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、単一モード光ファイバーにおけるコherentなアダプティブオプティクスビームコンビニング（CBC）を用いて、従来のデジタルコherent結合（DCC）と比較して高い信号対雑音比（SNR）を達成する、全ファイバー型フォトニックランタンマルチモード光受信機を提案する。信号を複数のフォトダイオードに分割するのを避けるために、アクティブ位相ロックと3-dBファイバー結合器を用いて光的に信号をコherentに結合することで、SNRの低下を回避し、乱流がない状態で62%、大気乱流のシミュレーション下で64%のコherent合成効率を実証した。

ABSTRACT

A multimode optical receiver for free space optical communications (FSOC) based on a photonic lantern and adaptive optics coherent beam combining (CBC) of the lantern's single-mode outputs is proposed and demonstrated for the first time. The use of optical coherent combining in fiber serves to increase the signal to noise ratio compared to similar receivers based on electrically combined signals, and represents an all-fiber approach to low-order adaptive optics. This optical receiver is demonstrated using a photonic lantern with three outputs, fibre couplers and active phase locking, and further investigated under atmospheric conditions with and without turbulence.

研究の動機と目的

• デジタルコherent結合（DCC）受信機におけるマルチモード信号の複数フォトダイオードへの分割が引き起こすSNR劣化を是正すること。
• 光ファイバー内での位相ロックとファイバー結合器を用いた全ファイバー型、ファイバー内コherentビームコンビニングソリューションを構築し、高いSNRを維持すること。
• 自由空間光通信（FSOC）におけるマルチモード光受信機におけるファイバー内光学結合の実現可能性を実証すること。
• 単一モード出力間の非一様なパワー分布がコherent結合効率およびSNR性能に与える影響を調査すること。

提案手法

• マルチモード入力を3つの単一モード信号に変換するため、3出力の単一モードファイバーを持つフォトニックランタンを用いる。
• フォトダイオードからのフィードバックループを介して位相制御素子にフィードバックを供給することで、単一モード出力間の相対位相を安定化させるアクティブ位相ロックを採用する。
• 電子的ではなく、光ドメインで3つの単一モード出力を3-dBファイバー結合器を用いてコherentに結合する。
• 大気乱流を模擬するための位相スクリーンを適用し、現実的な条件下での性能を評価する。
• 結合信号を検出するためにコherent干渉計と1つのバランスドフォトダイオードを用い、SNRを保持する。
• 出力間のパワー分布に基づく理論的モデルを用いてSNR性能を分析し、方程式（10）および（11）でDCCとCBCのSNR差を定量的に評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光ドメインでのコherentビームコンビニングは、マルチモード光受信機における信号分割に起因するSNR劣化を軽減できるか？
• RQ2 フォトニックランタン出力間の非一様なパワー分布は、デジタル結合と光学的結合の両方の性能にどのように影響を与えるか？
• RQ3 理想的および大気乱流下の両条件下で、全ファイバー型CBCシステムの達成可能なコherent合成効率はどの程度か？
• RQ4 アクティブ位相ロックは、マルチモード受信機におけるファイバー内ビームコンビニングの安定性と効率をどの程度向上させるか？
• RQ5 動的な大気乱流下において、提案されたCBCベースの受信機は従来のDCCと比較してSNRでどの程度優れているか？

主な発見

• 提案されたコherentビームコンビニング（CBC）受信機は、乱流のない条件下で62%のコherent合成効率を達成した。
• 位相スクリーンを用いた大気乱流のシミュレーション下でも、コherent合成効率は64%の高水準を維持した。
• 7×1フォトニックランタンを用いた理論的モデリングでは、CBCはパワーの不均衡に関わらず一定のSNRを維持するが、DCCのSNRは顕著に低下する—例えば、パワーが2つの出力に集中する場合、CBCの40%まで低下する。
• 装置損失が無視できるほど小さい理想的な状況では、乱流の有無に関わらず、コherent合成効率は最大99%に達する可能性がある。
• 非一様なパワー分布のあらゆる状況において、CBCのSNRはDCCを常に上回り、パワーの不均衡が大きくなるほどその優位性が顕著になる。
• 本システムは、自由空間光通信（FSOC）およびLIDARアプリケーションにおけるマルチモード光受信機に適した、アクティブ位相ロックとファイバー結合器を用いた全ファイバー型、ファイバー内アダプティブオプティクスの実現可能性を示した。