[논문 리뷰] All-fiber photonic lantern multimode optical receiver with coherent adaptive optics beam combining

Bo Zhang, Jianfeng Sun외 5명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 20.

Optical Network Technologies참고 문헌 14인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 다중모드 광신호를 수신하기 위해 일체형 섬유 광학 램프(all-fiber photonic lantern)를 사용하고, 단일모드 섬유에서의 간섭형 적응 광학 빔 결합(coherent adaptive optics beam combining, CBC)을 적용하여 기존의 디지털 간섭형 결합(digital coherent combination, DCC)보다 높은 신호대잡음비(SNR)를 달성하는 일체형 섬유 광학 램프 다중모드 광수신기를 제안한다. 활성 위상 잠금과 3-dB 섬유 커플러를 이용해 광적으로 신호를 간섭형으로 결합함으로써, 다수의 광다이오드로 신호를 분할하는 것에서 발생하는 SNR 열화를 방지하였으며, 난류 없이도 62%의 간섭형 합성 효율을, 대기 난류 시뮬레이션 조건에서는 64%의 높은 효율을 달성하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 디지털 간섭형 결합(DCC) 수신기에서 다중모드 신호를 여러 광다이오드로 분할함으로써 발생하는 신호대잡음비(SNR) 열화 문제를 해결한다.
• 광학 램프 출력에서의 전력 분포가 변동하는 난류 대기 조건에서 DCC의 한계를 극복한다.
• 활성 위상 잠금과 섬유 커플러를 활용한 일체형, 섬유 내부 간섭형 빔 결합 솔루션을 개발하여 높은 SNR를 유지한다.
• 자유공간 광통신(FSOC)에서 다중모드 광수신기의 섬유 내 광학적 결합 가능성을 입증한다.
• 단일모드 출력에서의 비균일한 전력 분포가 간섭형 결합 효율과 SNR 성능에 미치는 영향을 조사한다.

제안 방법

• 다중모드 입력을 다수의 단일모드 신호로 변환하기 위해 세 개의 단일모드 출력을 갖는 광학 램프를 사용한다.
• 검출기에서의 피드백 루프를 통해 위상 제어 요소에 대한 활성 위상 잠금을 적용하여 단일모드 출력 간 상대 위상을 안정화한다.
• 전자적 방식이 아닌 광영역에서 3-dB 섬유 커플러를 사용해 세 개의 단일모드 출력을 간섭형으로 결합한다.
• 대기 난류를 시뮬레이션하기 위해 단계 스크린(phase screen)을 적용하고, 실제 조건에서의 성능을 평가한다.
• 결합된 신호를 감지하기 위해 간섭계측 기반의 일체형 밸런스 광다이오드를 사용하여 SNR를 유지한다.
• 식 (10)과 (11)을 통해 출력에서의 전력 분포 기반 이론적 모델을 분석하여 DCC와 CBC 간의 SNR 차이를 정량화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 광영역 간섭형 빔 결합이 다중모드 광수신기에서 신호 분할로 인한 SNR 열화를 완화할 수 있는가?
• RQ2 광학 램프 출력에서의 비균일한 전력 분포가 디지털 대비 광학 간섭형 결합의 성능에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ3 이상적 조건과 난류 조건 하에서 일체형 섬유 CBC 시스템의 도달 가능한 간섭형 합성 효율은 얼마인가?
• RQ4 활성 위상 잠금이 다중모드 수신기에서 섬유 내부 빔 결합의 안정성과 효율을 얼마나 향상시키는가?
• RQ5 동적 대기 난류 조건 하에서 제안된 CBC 기반 수신기는 기존 DCC 대비 SNR 측면에서 얼마나 우수한가?

주요 결과

• 제안된 간섭형 빔 결합(CBC) 수신기는 난류가 없는 조건에서 62%의 간섭형 합성 효율을 달성하였다.
• 단계 스크린을 사용해 대기 난류를 시뮬레이션한 조건에서는 간섭형 합성 효율이 64%로 여전히 높았다.
• 7×1 광학 램프에 대한 이론적 모델링 결과, CBC는 전력 불균형이 있을 경우에도 일정한 SNR를 유지하지만, DCC의 SNR는 크게 감소한다—예를 들어 전력이 두 출력에 집중될 경우 CBC 대비 40% 수준으로 떨어진다.
• 기기 손실이 무시할 만큼 낮은 이상적 조건에서는 난류 유무에 관계없이 간섭형 합성 효율이 최대 99%에 이를 수 있다.
• 모든 비균일한 전력 분포 상황에서 CBC의 SNR는 DCC보다 뛰어나며, 전력 불균형이 클수록 그 우월성이 더욱 두드러진다.
• 이 시스템은 자유공간 광통신(FSOC) 및 라이다(LIDAR) 응용 분야에서 다중모드 광수신기의 일체형, 섬유 내부 적응 광학 기술의 실현 가능성을 입증하였다.