[论文解读] 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 4

一句话总结

本文研究了使用轨道角动量（OAM）复用的自由空间光通信，分析了在对准误差（横向位移、角度误差）下的系统性能。结果表明，更大的光束尺寸和接收孔径可提高对横向位移的容忍度，但会增加角度误差的敏感性；而更大的OAM模式间隔可降低串扰，但会增加路径损耗。性能权衡取决于主导误差类型，从而决定了最优设计。

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.

研究动机与目标

• 分析OAM复用自由空间光通信链路的性能指标与设计参数。
• 评估系统对发射端-接收端对准误差的容忍度，包括横向位移和角度误差。
• 量化在不同设计参数下，系统路径损耗、串扰与功率代价之间的权衡。
• 通过分析光束尺寸、接收孔径和OAM模式间隔对链路鲁棒性的影响，指导最优系统设计。

提出的方法

• 使用光束扩展和衍射理论建模OAM光束的自由空间传播。
• 分析路径损耗随链路距离、发射光束尺寸和接收孔径尺寸的变化关系。
• 评估横向位移和角度对准误差下的信道串扰与功率代价。
• 通过模拟不同模式间隔（OAM量子数）和孔径尺寸下的系统性能。
• 通过实验验证支持仿真结果。
• 采用权衡分析方法，将系统参数与主导误差源（如对准误差与串扰）相关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 横向位移如何影响OAM复用自由空间链路的系统路径损耗与串扰？
• RQ2 接收端角度误差如何影响系统性能，其与横向位移之间存在何种相互作用？
• RQ3 在对准误差条件下，OAM模式间隔对系统路径损耗与串扰有何影响？
• RQ4 接收孔径尺寸与发射光束尺寸如何影响系统对横向位移与角度误差的容忍度？
• RQ5 在OAM基自由空间通信中，最小化路径损耗与串扰之间存在哪些设计权衡？

主要发现

• 更大的发射光束尺寸和接收孔径可提高对横向位移的容忍度，但会降低对角度失配的容忍度。
• 更大的OAM模式间隔可降低串扰，但因光束扩展更大而增加系统路径损耗。
• 小模式间隔系统在路径损耗占主导时（如小失配）具有更低的功率代价；而大模式间隔在串扰占主导时（如大失配）可降低代价。
• 横向位移与角度误差的联合影响并非独立；发射端指向误差会显著降低系统性能。
• 仿真与实验结果均表明，最优系统设计取决于在选择光束与模式参数前，先识别主导误差源——对准误差或串扰。