[論文レビュー] Orbital Angular Momentum-based Space Division Multiplexing for High-capacity Underwater Optical Communications

Yongxiong Ren, Long Li+15 more|arXiv (Cornell University)|Apr 23, 2016

Orbital Angular Momentum in Optics参考文献 37被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、1つの開口部を通じて4つの直交するOAMビームを多重化することにより、高容量な水中光通信を実現するOAMベースの空間多重通信（SDM）を提案している。赤外線（IR）変調を用いた520 nmの緑色OAMインプリントと、メタサーフェスを用いた方式により10 Gbit/s/ビームの伝送を実現。また、直接的な緑色レーザー変調により520 nmで1 Gbit/s/ビームの伝送を達成。熱勾配が主な歪み要因であることを特定し、マルチチャネルイコライゼーションによる串字干渉の低減を示した。

ABSTRACT

To increase system capacity of underwater optical communications, we employ the spatial domain to simultaneously transmit multiple orthogonal spatial beams, each carrying an independent data channel. In this paper, we multiplex and transmit four green orbital angular momentum (OAM) beams through a single aperture. Moreover, we investigate the degrading effects of scattering/turbidity, water current, and thermal gradient-induced turbulence, and we find that thermal gradients cause the most distortions and turbidity causes the most loss. We show systems results using two different data generation techniques, one at 1064 nm for 10-Gbit/s/beam and one at 520 nm for 1-Gbit/s/beam, we use both techniques since present data-modulation technologies are faster for infrared (IR) than for green. For the higher-rate link, data is modulated in the IR, and OAM imprinting is performed in the green using a specially-designed metasurface phase mask. For the lower rates, a green laser diode is directly modulated. Finally, we show that inter-channel crosstalk induced by thermal gradients can be mitigated using multi-channel equalisation processing.

研究の動機と目的

• 従来の多重化技術の限界を超えて、水中光通信システムの容量を向上させること。
• 散乱、濁度、水流、熱勾配といった環境要因が水中でのOAMベースの空間多重通信に与える影響を調査すること。
• 空間多重利得を実現するため、1つの開口部を用いて4つのOAMビームを実用的に多重化すること。
• 赤外線変調によるOAMインプリントと直接的な緑色レーザー変調の2つのデータ生成手法を比較すること。
• 熱勾配に起因する乱流が引き起こすチャネル間串字干渉をマルチチャネルイコライゼーションにより低減すること。

提案手法

• 520 nmで、特殊に設計されたメタサーフェス位相マスクを用いてOAMモードを生成し、4つの直交するOAMビーム（l = ±1, ±2）を1つの開口部を通じて多重化して送信する。
• 高速伝送（10 Gbit/s/ビーム）では、赤外線（1064 nm）でデータを変調し、その後メタサーフェスを用いて緑色帯域のOAMモードにインプリントする。
• 低速伝送（1 Gbit/s/ビーム）では、520 nmで緑色レーザー素子を直接変調する。
• 環境要因の影響は、濁度、水流、熱勾配の制御された条件下での信号劣化を測定することで実験的に評価する。
• 受信側でマルチチャネルイコライゼーション処理を用いて、熱勾配に起因するチャネル間串字干渉を低減する。
• さまざまな環境条件および変調方式におけるビット誤り率（BER）測定を通じて、システム性能を定量的に評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 濁度、水流、熱勾配の存在が、水中光チャネル内での多重化OAMビームの整合性にどのように影響するか？
• RQ2 散乱、濁度、熱勾配が、OAMベースの水中通信システムにおける信号損失およびビーム歪みに及ぼす相対的な影響は何か？
• RQ3 実用的でリアルタイムな変調技術を用いて、水中でのOAM多重化による高容量伝送が可能か？
• RQ4 熱勾配に起因するチャネル間串字干渉は、デジタル信号処理によりどの程度補正可能か？
• RQ5 赤外線ベースの変調と緑色レーザーの直接変調の両手法において、データレートおよびシステムの耐障害性という観点から、性能特性にどのような差が生じるか？

主な発見

• テストしたすべての環境要因の中で、熱勾配が最も顕著なビーム歪みを引き起こすことが判明した。
• 濁度が水中チャネルにおける信号損失の主な要因であると特定された。
• メタサーフェス位相マスクを用いた520 nmでのOAMモード生成と、赤外線変調を組み合わせることで、10 Gbit/s/ビームの伝送を達成した。
• 520 nmでの緑色レーザー素子の直接変調により、1 Gbit/s/ビームの伝送が成功裏に実証された。
• 熱勾配に起因するチャネル間串字干渉は、マルチチャネルイコライゼーションにより効果的に低減され、信号整合性が回復した。
• すべてのテスト環境条件下でも、受信ビット誤り率（BER）が許容範囲内を維持したため、水中光リンクにおけるOAMベースのSDMの実現可能性が確認された。