[論文レビュー] Performance Metrics and Design Parameters for a Free-space Communication Link Based on Multiplexing of Multiple Orbital-Angular-Momentum Beams

Guodong Xie, Long Li+11 more|arXiv (Cornell University)|Aug 28, 2014

Orbital Angular Momentum in Optics参考文献 27被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、軌道的角運動量（OAM）多重を用いた自由空間光通信を調査し、ずれ誤差（横方向のずれ、角度誤差）下でのシステム性能を分析している。大きなビームサイズと受信器アパーチャーは横方向のずれに対する耐性を高めるが、角度誤差に対する感受性を悪化させる。一方、OAMモード間隔を広くすると串撹りを低減できるが、路損失が増加する。性能の最適化には、支配的な誤差タイプに応じたトレードオフが重要であることが示された。

ABSTRACT

We study the design parameters for an orbital angular momentum (OAM) multiplexed free-space data link. Power loss, channel crosstalk and power penalty of the link are analyzed in the case of misalignment between the transmitter and receiver (lateral displacement, receiver angular error, or transmitter pointing error). The relationship among the system power loss and link distance, transmitted beam size and receiver aperture size are discussed based on the beam divergence due to free space propagation. We also describe the trade-offs for different receiver aperture sizes and mode spacing of the transmitted OAM beams under given lateral displacements or receiver angular errors. Through simulations and some experiments, we show that (1) a system with a larger transmitted beam size and a larger receiver aperture is more tolerant to the lateral displacement but less tolerant to the receiver angular error; (2) a system with a larger mode spacing, which uses larger OAM charges, suffers more system power loss but less channel crosstalk; thus, a system with a small mode spacing shows lower system power penalty when system power loss dominates (e.g., small lateral displacement or receiver angular error) while that with a larger mode spacing shows lower power penalty when channel crosstalk dominates (e.g., larger lateral displacement or receiver angular error); (3) the effects of lateral displacement and receiver angular error are not necessarily independent; as an example of them combined, the effects of the transmitter pointing error on the system are also investigated.

研究の動機と目的

• OAM多重自由空間光通信リンクの性能指標および設計パラメータを分析すること。
• 送信機・受信機のずれ（横方向のずれ、角度誤差）に対するシステムの耐性を評価すること。
• 設計パラメータの変動に伴う、システムのパワー損失、串撹り、パワーペナルティのトレードオフを定量化すること。
• ビームサイズ、受信アパーチャー、OAMモード間隔の影響を特定することで、最適なシステム設計を導くこと。

提案手法

• ビームの発散および回折理論を用いて、OAMビームの自由空間伝搬をモデル化する。
• リンク距離、送信ビームサイズ、受信アパーチャーのサイズを関数としてパワー損失を分析する。
• 横方向のずれおよび角度ずれ下でのチャネルの串撹りとパワーペナルティを評価する。
• さまざまなモード間隔（OAMチャージ）およびアパーチャーのサイズでシステム性能をシミュレーションする。
• シミュレーション結果を裏付けるために実験的検証を実施する。
• トレードオフ分析を用いて、システムパラメータと支配的な誤差要因（例：ずれ vs 串撹り）との相関関係を特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 横方向のずれは、OAM多重自由空間リンクにおけるシステムのパワー損失および串撹りにどのように影響するか？
• RQ2 受信機の角度誤差はシステム性能にどのように影響し、横方向のずれとどのように相互作用するか？
• RQ3 ずれ下で、OAMモード間隔の影響はシステムのパワー損失および串撹りにどのように現れるか？
• RQ4 受信アパーチャーのサイズおよび送信ビームサイズは、横方向のずれおよび角度誤差に対する耐性にどのように影響するか？
• RQ5 OAMベースの自由空間通信において、パワー損失と串撹りを最小限に抑えるために存在する設計上のトレードオフは何か？

主な発見

• 送信ビームサイズと受信アパーチャーを大きくすると、横方向のずれに対する耐性が向上するが、角度ずれに対する耐性は低下する。
• OAMモード間隔を広くすると、串撹りが低減されるが、ビーム発散が大きくなるためシステムパワー損失が増加する。
• モード間隔が小さいシステムでは、パワー損失が支配的である場合（例：小さなずれ）に低いパワーペナルティを示すが、モード間隔が大きいシステムでは、串撹りが支配的である場合（例：大きなずれ）にペナルティが低減する。
• 横方向のずれと角度誤差の併存効果は独立ではない。送信機のポイント誤差はシステム性能を顕著に劣化させる。
• シミュレーションと実験の両方で、最適なシステム設計は、まず支配的な誤差要因（ずれか串撹り）を特定することに依存することが確認された。