[논문 리뷰] Orbital Angular Momentum-based Space Division Multiplexing for High-capacity Underwater Optical Communications

Yongxiong Ren, Long Li외 15명|arXiv (Cornell University)|2016. 04. 23.

Orbital Angular Momentum in Optics참고 문헌 37인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 단일 개구를 통해 네 개의 수직적인 OAM 모드를 다중화하여 고용량 수중 광통신을 달성하기 위해 궤도 각운동량(OAM) 기반의 공간 다중화를 제안한다. 적외선 조종 방식을 사용해 1064 nm에서 10-Gbit/s/beam 전송을 실현하였고, 메타표면을 통한 녹색 OAM 인코딩 방식을 활용하였으며, 직접 녹색 레이저 조종 방식을 통해 520 nm에서 1-Gbit/s/beam 전송도 성공적으로 구현하였다. 열 기울기 현상이 주요 왜곡 원인임을 규명하고, 다중 채널 균형 조정을 통해 다중간섭류를 완화함으로써 성능 향상을 입증하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기존 다중화 기술의 한계를 초월해 수중 광통신 시스템의 용량을 증가시키기 위해.
• 수중 환경에서의 왜곡 요인—특히 산산이 흩어지는 현상, 탁도, 수류, 열 기울기—가 OAM 기반 공간 다중화에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 공간 다중화 이득을 위해 단일 개구를 통해 네 개의 OAM 모드를 실용적으로 다중화하는 것을 보여주기 위해.
• IR 조종 방식을 통한 OAM 인코딩과 직접 녹색 레이저 조종 방식을 비교하기 위해.
• 열 기울기로 인한 난류로 인한 채널 간 간섭을 다중 채널 균형 조정을 통해 완화하기 위해.

제안 방법

• 520 nm에서 메타표면 단위 위상 마스크를 특수 설계하여 OAM 모드 생성을 수행하고, 네 개의 수직적인 OAM 모드(l = ±1, ±2)를 단일 개구로 다중화 및 전송한다.
• 고속 전송(10 Gbit/s/beam)을 위해 데이터는 적외선(1064 nm)에서 조종되고, 이후 메타표면을 통해 녹색 대역의 OAM 모드로 인코딩된다.
• 저속 전송(1 Gbit/s/beam)을 위해 녹색 레이저 다이오드가 520 nm에서 직접 조종된다.
• 환경적 영향는 탁도, 수류, 열 기울기 조건을 통제한 상태에서 신호 저하를 측정하여 실험적으로 평가된다.
• 수신기에서 다중 채널 균형 조정 처리를 통해 열 기울기로 인한 채널 간 간섭을 완화한다.
• 다양한 환경 조건과 조종 방식에서 비트 오류율(BER) 측정을 통해 시스템 성능을 정량화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 탁도, 수류, 열 기울기가 수중 광채널에서 다중화된 OAM 모드의 무결성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 산산이 흩어지는 현상, 탁도, 열 기울기가 OAM 기반 수중 통신 시스템의 신호 손실과 모드 왜곡에 미치는 상대적 영향은 무엇인가?
• RQ3 실용적이고 실시간 조종 기술을 사용해 수중에서 OAM 다중화를 통한 고용량 전송을 달성할 수 있는가?
• RQ4 열 기울기로 인한 다중간섭류는 디지털 신호 처리를 통해 어느 정도 보정될 수 있는가?
• RQ5 IR 기반 조종 방식을 통한 OAM 인코딩과 직접 녹색 레이저 조건 방식 간의 데이터 전송 속도 및 시스템 내구성 측면에서 성능 특성의 차이는 무엇인가?

주요 결과

• 시험한 모든 환경 요소 중에서 열 기울기가 가장 심각한 모드 왜곡을 유발하는 것으로 밝혀졌다.
• 탁도는 수중 채널에서 주요 신호 손실 원인으로 규명되었다.
• 메타표면 위상 마스크를 사용해 520 nm에서 OAM 모드 생성을 수행한 IR 조종 방식을 통해 10-Gbit/s/beam 전송 속도를 달성하였다.
• 직접 녹색 레이저 다이오드 조종 방식을 통해 520 nm에서 1-Gbit/s/beam 전송 속도를 성공적으로 구현하였다.
• 다중 채널 균형 조정을 통해 열 기울기로 인한 채널 간 간섭을 효과적으로 완화하여 신호의 무결성을 복원하였다.
• 모든 시험 환경 조건에서 수용 가능한 비트 오류율(BER) 성능을 유지하여 OAM 기반 SDM이 수중 광링크에서 실현 가능함을 확인하였다.