[论文解读] 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 5

一句话总结

该论文提出基于轨道角动量（OAM）的空分复用技术，通过单个孔径复用四个正交OAM光束，实现高容量水下光通信。研究在1064 nm波长下采用红外调制结合金属表面实现绿色OAM调制，实现了10-Gbit/s/beam的传输速率；在520 nm波长下通过直接绿色激光调制实现了1-Gbit/s/beam的传输速率，同时识别出热梯度为主要畸变源，并通过多通道均衡技术有效抑制串串扰。

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.

研究动机与目标

• 突破传统复用技术的容量限制，提升水下光通信系统的容量。
• 研究环境畸变（特别是散射、浑浊度、水流和热梯度）对水中OAM空分复用的影响。
• 展示通过单个孔径实现四个OAM光束复用，以获得空间复用增益。
• 对比两种数据生成技术的性能：红外调制结合绿色OAM调制与直接绿色激光调制。
• 通过多通道均衡技术，缓解由热梯度引起的湍流导致的信道间串扰。

提出的方法

• 利用专门设计的金属表面前置相位掩模，在520 nm波长下生成OAM模式，将四个正交OAM光束（l = ±1, ±2）复用并通过单个孔径传输。
• 对于高速传输（10 Gbit/s/beam），数据在红外波段（1064 nm）进行调制，随后通过金属表面将OAM模式“印刻”至绿色波段。
• 对于低速传输（1 Gbit/s/beam），采用绿色激光二极管在520 nm波长下直接调制。
• 通过在控制条件下测量浑浊度、水流和热梯度引起的信号退化，实验评估环境影响。
• 在接收端采用多通道均衡处理，缓解由热梯度引起的信道间串扰。
• 通过不同环境条件和调制方式下的误码率（BER）测量，量化系统性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 浑浊度、水流和热梯度的存在如何影响水下光信道中复用OAM光束的完整性？
• RQ2 散射、浑浊度和热梯度对OAM基水下通信系统中信号损耗和光束畸变的相对影响是什么？
• RQ3 能否在实际、实时调制技术下，通过OAM复用在水中实现高容量传输？
• RQ4 通过数字信号处理，热梯度引起的信道间串扰在多大程度上可被校正？
• RQ5 在数据速率和系统鲁棒性方面，基于红外调制的OAM调制与直接绿色激光调制相比，性能特征有何差异？

主要发现

• 热梯度被确定为所有测试环境因素中导致最严重光束畸变的原因。
• 浑浊度被识别为水下信道中信号损耗的主要来源。
• 通过金属表面相位掩模在520 nm波长下实现OAM模式生成，成功实现了10-Gbit/s/beam的传输速率。
• 通过在520 nm波长下直接调制绿色激光二极管，成功实现了1-Gbit/s/beam的传输速率。
• 通过多通道均衡技术，有效缓解了热梯度引起的信道间串扰，恢复了信号完整性。
• 系统在所有测试环境条件下均保持可接受的误码率（BER）性能，证实了基于OAM的空分复用在水下光通信链路中的可行性。