KR102500054B1 - Systems and methods for underwater illumination, survey, and wireless optical communications - Google Patents

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킹 압둘라 유니버시티 오브 사이언스 앤드 테크놀로지
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Abstract

본 발명의 실시형태는 스펙트럼 효율적인 직교 진폭 변조-직교 주파수 분할 다중화(QAM-OFDM) 데이터로 직접 인코딩되는 청색광 레이저 다이오드를 이용하는 수중 광통신 및 조명 시스템을 개시한다. 관심의 수중 영역 및 관심의 영역으로부터 먼 수중 광통신 모두에 조명을 제공하기 위해 광대역 광원이 이용될 수 있다.Embodiments of the present invention disclose an underwater optical communication and illumination system using blue light laser diodes that are directly encoded with spectral efficient Quadrature Amplitude Modulation-Quadrature Frequency Division Multiplexing (QAM-OFDM) data. A broadband light source may be used to provide illumination for both underwater regions of interest and underwater optical communications remote from the region of interest.

Description

수중 조명, 조사, 및 무선 광 통신을 위한 시스템 및 방법{SYSTEMS AND METHODS FOR UNDERWATER ILLUMINATION, SURVEY, AND WIRELESS OPTICAL COMMUNICATIONS}Systems and methods for underwater lighting, irradiation, and wireless optical communication

본 개시의 실시예는 수중 광 통신 및 조명 시스템을 개시한다.An embodiment of the present disclosure discloses an underwater optical communication and lighting system.

해양학 연구, 해양 석유 탐사, 해저 조사 및 환경 감시와 같은 수중의 인간 활동이 상당히 증가하고 있다. 그 결과, 신뢰할 만한 조명 및 고속 수중 무선 통신(underwater wireless communication, UWOC) 시스템에 대한 필요성이 증가하고 있다. 전통적으로, 가시 광원은 수중 통신 시스템과는 관련이 없었다. 예를 들어, 백열 광원 및 LED 광원을 포함하는 다양한 조명 장치가 공지되어 있다. 음향 통신 시스템 역시 잘 알려져 있다. 그러나, 수중 음향 채널의 대역폭은 해수 중에서의 소리의 강한 주파수 의존 감쇠로 인해 수백 kHz로 제한된다. 음파의 느린 전파는 음향 통신 시스템에서 큰 시간 지연을 일으킨다. 또한, 무선 주파수(RF) 통신은 무선 주파수에서의 해수의 전도율로 인해 심하게 제한된다.Underwater human activities such as oceanography research, offshore oil exploration, seabed surveying and environmental monitoring are increasing considerably. As a result, there is a growing need for reliable lighting and high-speed underwater wireless communication (UWOC) systems. Traditionally, visible light sources have not been associated with underwater communication systems. Various lighting devices are known including, for example, incandescent light sources and LED light sources. Acoustic communication systems are also well known. However, the bandwidth of underwater acoustic channels is limited to hundreds of kHz due to the strong frequency dependent attenuation of sound in seawater. The slow propagation of sound waves causes large time delays in acoustic communication systems. Additionally, radio frequency (RF) communications are severely limited due to the conductivity of ocean water at radio frequencies.

본 개시의 실시예는 스펙트럼 효율적인 직교 진폭 변조-직교 주파수 분할 다중화(QAM-OFDM) 데이터로 직접 인코딩되는 청색광 레이저 다이오드를 이용하는 수중 광통신 및 조명 시스템을 개시한다.Embodiments of the present disclosure disclose an underwater optical communication and illumination system using blue light laser diodes encoded directly with spectral efficient Quadrature Amplitude Modulation-Quadrature Frequency Division Multiplexing (QAM-OFDM) data.

광학 기반 UWOC 시스템은 군사 및 학술 연구 단체로부터 관심을 받고 있으며 중단거리(100 m 이내)에서의 음향 및 RF 수중 통신 링크에 대한 대안적인 또는 보완적인 솔루션으로 제안되었다. 가시광 발광기, 수신기, 디지털 통신 및 신호 처리에서의 기술적 발전은 현재 전자기 스펙트럼의 가시광 창(window)의 청록(400-550 nm) 영역에서 해수의 낮은 흡수를 이용한다. 광학 기반 UWOC 시스템의 목적은 수중 오일 파이프 검사, 원격 조종 무인 잠수정(remotely operated vehicle, ROV) 및 센서 네트워크와 같은 다목적 응용에 대해 대용량 데이터를 전송하는 높은 데이터율을 제공하는 것이다.Optical-based UWOC systems are attracting interest from military and academic research groups and have been proposed as alternative or complementary solutions to acoustic and RF underwater communication links at short to medium distances (less than 100 m). Technological advances in visible light emitters, receivers, digital communications and signal processing currently take advantage of the low absorption of seawater in the cyan (400-550 nm) region of the visible light window of the electromagnetic spectrum. The purpose of optical-based UWOC systems is to provide high data rates to transmit large amounts of data for multi-purpose applications such as underwater oil pipe inspection, remotely operated vehicle (ROV) and sensor networks.

빛의 수중 전파는 흡수와 산란 메커니즘의 결합 효과인 감쇠에 의해 좌우된다. 수생 환경은 광학적으로 매우 도전적이기 때문에, 특히 혼탁한 연안 해역에서의 다중 산란의 영향은 온-오프 키잉(on-off keying, OOK) 기반 고속 UWOC 시스템의 비트 오류율(bit error rate, BER) 성능을 크게 저하시킨다.The underwater propagation of light is governed by attenuation, a combined effect of absorption and scattering mechanisms. Since the aquatic environment is very optically challenging, the effect of multiple scattering, especially in turbid coastal waters, can degrade the bit error rate (BER) performance of high-speed UWOC systems based on on-off keying (OOK). greatly decrease

일반적으로, 본 발명의 실시형태는 장거리(5 내지 20 미터 이상)에서의 초당 기가 비트의 데이터율에 대해 GaN계 광원을 이용하는 수중 비전(vision, 조명) 및 무선 광통신 시스템을 개시한다. 일부 실시형태에서, 광대역 광은 백색광 조명 및 통신을 위해 여러 파장의 레이저로 구성된다. 본 발명의 다른 실시형태에서, 백색광을 생성하기 위해 송신 모듈에서 인광 물질(phosphor material)과 결합되는 자색 또는 청색 레이저를 이용하는 UWOC 시스템은 수중 비전과 통신 모두를 위해 사용될 수 있다. 백색광 생성을 위해 사용되는 인광 물질은 자색 또는 청색 레이저에 의해 여기되어 청색, 녹색, 황색 또는 적색을 생성할 수 있는 일종의 색 변환 물질을 말한다. 이들 색을 혼합함으로써, 다양한 연색 지수(color rendering index) 및 색 온도를 갖는 백색광을 얻을 수 있다.In general, embodiments of the present invention disclose underwater vision (illumination) and wireless optical communication systems using GaN-based light sources for data rates of gigabits per second over long distances (5 to 20 meters and beyond). In some embodiments, the broadband light consists of multiple wavelengths of lasers for white light illumination and communication. In another embodiment of the present invention, a UWOC system using a purple or blue laser coupled with a phosphor material in a transmit module to generate white light may be used for both underwater vision and communications. Phosphor materials used for generating white light refer to a kind of color conversion material that can produce blue, green, yellow or red when excited by a purple or blue laser. By mixing these colors, white light having various color rendering indices and color temperatures can be obtained.

본 발명의 실시형태는 주파수 분할 다중화를 포함하는 직교 주파수 분할 다중화 및 스펙트럼 다중화 기술과 같은 다양한 스펙트럼 효율적인 기술뿐만 아니라 장거리 수중 통신을 위한 저조도(low light) 검출 방법을 개시한다.Embodiments of the present invention disclose low light detection methods for long-distance underwater communication as well as various spectral efficient techniques such as orthogonal frequency division multiplexing and spectrum multiplexing including frequency division multiplexing.

본 발명의 실시형태는 점대점(point-to-point) 수중 데이터 통신을 제공하고 또한, 예를 들어, 수중 탐사 또는 그 밖의 활동을 수행하는데 유용한 가시광을 제공함으로써 수중 환경을 조명하기 위해 별도의 광학계(optics)와 함께 사용되는 광원을 포함한다.Embodiments of the present invention provide point-to-point underwater data communication and also separate optics to illuminate the underwater environment by providing visible light useful for conducting underwater exploration or other activities, for example. Includes light sources used with optics.

하나 이상의 실시예의 세부 사항은 아래의 설명에 명시된다. 다른 특징, 목적 및 이점은 아래의 설명으로부터 그리고 청구항으로부터 명백할 것이다.The details of one or more embodiments are set forth in the description below. Other features, objects and advantages will be apparent from the description below and from the claims.

광학 기반 UWOC 시스템은 군사 및 학술 연구 단체로부터 관심을 받고 있으며 중단거리(100 m 이내)에서의 음향 및 RF 수중 통신 링크에 대한 대안적인 또는 보완적인 솔루션으로 제안되었다. 가시광 발광기, 수신기, 디지털 통신 및 신호 처리에서의 기술적 발전은 현재 전자기 스펙트럼의 가시광 창(window)의 청록(400-550 nm) 영역에서 해수의 낮은 흡수를 이용한다. 광학 기반 UWOC 시스템의 목적은 수중 오일 파이프 검사, 원격 조종 무인 잠수정(remotely operated vehicle, ROV) 및 센서 네트워크와 같은 다목적 응용에 대해 대용량 데이터를 전송하는 높은 데이터율을 제공하는 것이다.Optical-based UWOC systems are attracting interest from military and academic research groups and have been proposed as alternative or complementary solutions to acoustic and RF underwater communication links at short to medium distances (less than 100 m). Technological advances in visible light emitters, receivers, digital communications and signal processing currently take advantage of the low absorption of seawater in the cyan (400-550 nm) region of the visible light window of the electromagnetic spectrum. The purpose of optical-based UWOC systems is to provide high data rates to transmit large amounts of data for multi-purpose applications such as underwater oil pipe inspection, remotely operated vehicle (ROV) and sensor networks.

본 서면 개시는 비제한적이고 완전하지 않은 예시적이고 실시형태를 설명한다. 반드시 일정한 비례로 도시되지 않은 도면에서, 여러 도면에 걸쳐 유사한 참조번호는 실질적으로 유사한 구성요소를 나타낸다. 다른 문자 접미사를 갖는 유사한 참조번호는 실질적으로 유사한 구성요소의 다양한 예를 나타낸다. 도면은 일반적으로 본 문서에서 논의되는 다양한 실시형태를 제한하기 위해서가 아니라 예로서 설명한다.
도면에 도시된 예시적인 실시형태에 대해 설명한다, 도면에서:
도 1은 본 발명의 하나 이상의 실시형태에 따른 레이저 다이오드(laser diode, LD) 기반 UWOC 시스템의 개략도를 도시한다.
도 2는 도 1의 실시형태와 함께 사용하기에 적절한 16-QAM-OFDM 데이터 생성 및 수중 전송 시스템의 개념적인 블록도를 도시한다.
도 3은 다양한 전송 데이터율 하에서 심볼 길이, 부반송파 주파수 및 부반송파 주파수 간격을 포함하는 TO-9 패키지 청색 LD에 의해 전달되는 16-QAM-OFDM 데이터 스트림의 관련 파라미터를 요약한 표이다.
도 4는 DC 바이어스 전류에 의한 오프셋 이후 TO-9 패키지 청색 LD 상에 직접 인코딩되는 16-QAM-OFDM 데이터의 동작을 도시한다.
도 5의 (a)는 TO-9 패키지 LD의 광-전류-전압(light-current-voltage, LIV) 특성의 그래프를 도시한다.
도 5의 (b)는 다양한 바이어스 전류 하에 250C에서의 레이징 스펙트럼(lasing spectra) 대 파장의 그래프를 도시한다.
도 6은 청색 레이저 다이오드의 다양한 바이어스 전류에서의 소신호(small-signal) 변조 응답을 도시한다.
도 7의 (a)는 측정된 BER 대 레이저 바이어스 전류의 그래프를 도시한다.
도 7의 (b)는 70 mA에서의 성상도(constellation diagram)의 그래프를 도시한다.
도 8의 (a)는 16-QAM-OFDM 데이터의 측정된 BER 대 변조 대역폭의 그래프를 도시한다.
도 8의 (b)는 부반송파 인덱스의 함수로서 수신된 16-QAM-OFDM 데이터의 측정된 전기 신호 대 잡음비(SNR)의 그래프를 도시한다.
도 8의 (c)는 5.4 m 수중 채널을 통해 전송된 1.2 GHz 16-QAM-OFDM 신호의 성상도의 그래프를 도시한다.
도 9는 1.2 GHz 16-QAM-OFDM 신호에 대해 측정된 BER 대 링크 거리의 그래프를 도시한다.
도 10은 본 발명의 하나 이상의 실시형태에 따른 소형의 통합된 수중 조명, 조사 및 광통신 시스템을 도시한다.
This written disclosure describes exemplary, non-limiting and non-exhaustive embodiments. In the drawings, which are not necessarily drawn to scale, like reference numbers throughout the views indicate substantially similar elements. Like reference numbers with different letter suffixes indicate various instances of substantially similar elements. The drawings generally describe the various embodiments discussed herein by way of example and not as limitations.
An exemplary embodiment shown in the drawings is described, in which:
1 shows a schematic diagram of a laser diode (LD) based UWOC system in accordance with one or more embodiments of the present invention.
FIG. 2 shows a conceptual block diagram of a 16-QAM-OFDM data generation and underwater transmission system suitable for use with the embodiment of FIG. 1 .
3 is a table summarizing the relevant parameters of a 16-QAM-OFDM data stream carried by a TO-9 package blue LD including symbol length, subcarrier frequency and subcarrier frequency spacing under various transmission data rates.
Figure 4 shows the behavior of 16-QAM-OFDM data encoded directly onto a TO-9 package blue LD after offset by DC bias current.
5(a) shows a graph of light-current-voltage (LIV) characteristics of a TO-9 package LD.
Figure 5(b) shows a graph of lasing spectra versus wavelength at 250 C under various bias currents.
6 shows the small-signal modulation response of a blue laser diode at various bias currents.
Figure 7(a) shows a graph of measured BER versus laser bias current.
Figure 7(b) shows a graph of a constellation diagram at 70 mA.
Figure 8(a) shows a graph of measured BER versus modulation bandwidth of 16-QAM-OFDM data.
8B shows a graph of the measured electrical signal-to-noise ratio (SNR) of received 16-QAM-OFDM data as a function of subcarrier index.
8(c) shows a graph of a constellation of a 1.2 GHz 16-QAM-OFDM signal transmitted through a 5.4 m underwater channel.
9 shows a graph of measured BER versus link distance for a 1.2 GHz 16-QAM-OFDM signal.
10 illustrates a compact integrated underwater lighting, irradiation and optical communication system in accordance with one or more embodiments of the present invention.

본 발명은 레이저 다이오드 기반 수중 조명 및 무선 광통신(LD-UWOC) 시스템에 관한 것이다. 일 실시형태에서, LD-UWOC 시스템은 간단한 비-제로-복귀 온-오프 키잉(non-return-to-zero on-off-keying, NRZ-OOK) 변조 방식을 기반으로 20 미터 수중 채널을 통해 1.5 Gbps의 데이터율을 제공한다. 또 다른 실시형태에서, 16-직교 진폭 변조-직교 주파수 분할 다중화(quadrature amplitude modulation-orthogonal frequency division multiplexed, QAM-OFDM) 기반 LD-UWOC 시스템은 5.4 m 전송 거리에서 4.8 Gbit/s의 데이터율을 제공한다. NRZ-OOK 기반 LD-UWOC 시스템에 대해, 고속 UWOC 링크는 12 미터의 거리에 걸쳐 최대 2 Gbps의 데이터율 및 기록된 20 미터 거리의 수중 채널을 통해 1.5 Gbps의 데이터율을 제공하였다. 측정된 비트 오류율(BER)은 각각 2.8×10-5 및 3.0×10-3이며, 이는 순방향 오류 정정(forward error correction, FEC) 기준을 충족한다. 16-QAM-OFDM 기반 LD-UWOC시스템에 대해, 각각 16.5% 및 15.63 dB의 오류 벡터 크기(error vector magnitude, EVM)와 신호 대 잡음비(SNR)가 측정되었고, 해당 BER는 2.6×10- 3이었다. 실험 결과는 또한 산란이 맑은 물에서 최대 5.4 m의 링크 거리에 걸쳐 전송된 1.2 GHz 16-QAM-OFDM 신호의 BER 성능에 최소한의 영향을 주는 것을 보여준다. 따라서, 간단하게 레이저 다이오드의 출력을 증가시킴으로써 더욱 긴 수중 전송이 가능하다.The present invention relates to a laser diode based underwater lighting and wireless optical communication (LD-UWOC) system. In one embodiment, the LD-UWOC system is based on a simple non-return-to-zero on-off-keying (NRZ-OOK) modulation scheme over a 20-meter underwater channel for 1.5 Provides a data rate of Gbps. In another embodiment, a 16-quadrature amplitude modulation-orthogonal frequency division multiplexed (QAM-OFDM) based LD-UWOC system provides a data rate of 4.8 Gbit/s at a transmission distance of 5.4 m. do. For the NRZ-OOK based LD-UWOC system, the high-speed UWOC link provided a data rate of up to 2 Gbps over a distance of 12 meters and a data rate of 1.5 Gbps over a recorded 20-meter underwater channel. The measured bit error rates (BER) are 2.8×10 -5 and 3.0×10 -3 , respectively, which meet the forward error correction (FEC) criterion. For the 16 -QAM-OFDM based LD-UWOC system, error vector magnitude (EVM) and signal-to-noise ratio (SNR) of 16.5% and 15.63 dB, respectively, were measured, and the corresponding BER was 2.6×10 -3 . . Experimental results also show that scattering has minimal effect on the BER performance of a 1.2 GHz 16-QAM-OFDM signal transmitted over a link distance of up to 5.4 m in clear water. Thus, longer underwater transmissions are possible simply by increasing the power of the laser diode.

본 발명의 실시형태에서, 청색광 레이저 다이오드가 조명원(illumination source)으로 사용되었고 실리콘(Si) 애벌란시 포토다이오드(avalanche photodiode)가 산란기(diffuser)의 필요 없이 별도의 광학계와 함께 사용되었다. 비용 효율적인 변조 기법, 즉, 비-제로-복귀 온-오프 키잉(non-return-to-zero on-off-keying, NRZ-OOK) 변조, 및 스펙트럼 효율적인 변조 기법, 즉, 수중에서의 고속 점대점 데이터 통신을 위한 직교 주파수 분할 다중화 직교 진폭 변조(QAM-OFDM)를 사용하여 데이터를 인코딩하였다.In an embodiment of the present invention, a blue light laser diode is used as an illumination source and a silicon (Si) avalanche photodiode is used with a separate optical system without the need for a diffuser. Cost-effective modulation techniques, i.e., non-return-to-zero on-off-keying (NRZ-OOK) modulation, and spectrally efficient modulation techniques, i.e., high-speed point-to-point in water Data was encoded using orthogonal frequency division multiplexed quadrature amplitude modulation (QAM-OFDM) for data communication.

직교 주파수 분할 다중화(OFDM)는 다수의 반송파 주파수 상에서 디지털 데이터를 인코딩하는 방법이다. OFDM은 디지털 다중 반송파 변조 방식으로 사용되는 주파수 분할 다중화 방식이다. 많은 수의 근접하게 이격된 직교 부반송파 신호가 여러 개의 병렬 데이터 스트림 또는 채널에서 데이터를 전송하는데 사용된다. 각각의 부반송파는 낮은 심볼 레이트(symbol rate)에서 종래의 변조 방식(예를 들어, 직교 진폭 변조 또는 위상 편이 변조)으로 변조되어, 동일한 대역폭에서 종래의 단일 반송파 변조 방식과 유사한 총 데이터율을 유지한다.Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) is a method of encoding digital data on multiple carrier frequencies. OFDM is a frequency division multiplexing scheme used as a digital multicarrier modulation scheme. A large number of closely spaced orthogonal subcarrier signals are used to transmit data in multiple parallel data streams or channels. Each subcarrier is modulated with a conventional modulation scheme (e.g. quadrature amplitude modulation or phase shift modulation) at a low symbol rate to maintain an aggregate data rate similar to conventional single carrier modulation schemes at the same bandwidth. .

본 발명의 실시형태는 온-오프 키잉(OOK) 또는 직교 주파수 분할 다중화(OFDM) 기법과 같은 그 밖의 스펙트럼 효율적인 변조 기법을 이용하는 GaN계 레이저 다이오드(LD)의 직접 변조를 기반으로 하는 수중 조명 및 무선 광통신 시스템을 더 개시한다. 실시형태는 또한 집속(점대점) 고속 통신 링크를 개시한다.Embodiments of the present invention are directed to underwater lighting and radio based direct modulation of GaN-based laser diodes (LDs) using on-off keying (OOK) or other spectrally efficient modulation techniques such as orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) techniques. An optical communication system is further disclosed. Embodiments also disclose converged (point-to-point) high-speed communication links.

본 발명의 실시형태에서, 고출력 광원 및 고속 수중 데이터 통신으로서 GaN계 자색-청색 레이저 다이오드(LD)가 사용된다. UWOC 시스템에서 인광 물질을 결합함으로써, 백색광이 생성될 수 있고 이는 동시에 비전 응용을 위한 광원의 역할을 한다.In an embodiment of the present invention, a GaN-based violet-blue laser diode (LD) is used as a high-power light source and high-speed underwater data communication. By combining phosphors in the UWOC system, white light can be generated, which simultaneously serves as a light source for vision applications.

도 1은 송신 모듈(12)에서 450 nm 레이저 다이오드(10) 및 수신 모듈(16)에서 실리콘(Si) 애벌란시 포토다이오드(14)를 이용하는 레이저 다이오드(LD) 기반 UWOC 시스템에 대한 본 발명의 하나 이상의 실시형태의 개략도이다. 데이터 스트림은 레이저 다이오드(10)를 구동하는 DC 전원 장치(22)에 의해 제공되는 DC 바이어스와 바이어스 티(bias-tee)를 결합하기 전에 증폭기(18)에 의해 증폭된다(Thorlabs LP450-SF15, 137 mA에서 바이어스하는 15 mW의 출력). 송신 모듈(12)과 수신 모듈(16) 모두에서 한 쌍의 평 볼록 렌즈(plano-convex lens)(24, 26)가 사용된다. 렌즈(24, 26)(Thorlabs LA1951-a)는 평행 자유 공간 빔을 생성하기 위해 25.4 mm의 직경과 25.4 mm의 초점 거리를 갖는다. 레이저 빔은 수중 채널(30)을 통과하고, 0.5 mm의 활성 직경, 450 nm에서 5 A/W의 반응도 및 0.4 pW/Hz½의 잡음 등가 전력(noise equivalent power, NEP)을 갖는 광검출기(14)(Menlo Systems APD210)에 의해 수신된다.1 is one inventive aspect of a laser diode (LD) based UWOC system using a 450 nm laser diode (10) in a transmit module (12) and a silicon (Si) avalanche photodiode (14) in a receive module (16). It is a schematic diagram of the above embodiment. The data stream is amplified by amplifier 18 before combining a bias-tee with the DC bias provided by DC power supply 22 driving laser diode 10 (Thorlabs LP450-SF15, 137 Output of 15 mW biasing in mA). A pair of plano-convex lenses 24, 26 are used in both the transmit module 12 and the receive module 16. Lenses 24 and 26 (Thorlabs LA1951-a) have a diameter of 25.4 mm and a focal length of 25.4 mm to produce a collimated free space beam. The laser beam passes through an underwater channel (30) and a photodetector (14) with an active diameter of 0.5 mm, a responsivity of 5 A/W at 450 nm and a noise equivalent power (NEP) of 0.4 pW/Hz ½ . ) (Menlo Systems APD210).

본 발명의 일 실시형태는 12 미터 길이에 걸쳐 최대 2 Gbps의 데이터율을 제공하는 고속 UWOC 링크를 개시하며, 기록된 20 미터 길이의 수중 채널을 통해 1.5 Gbps가 달성되었다. OOK 변조 방식을 기반으로 UWOC 시스템을 입증하기 위해, 패턴 생성기(pattern generator)가 사용되어 송신 모듈(12) 내에서 의사 랜덤 이진열(pseudo random binary sequence, PRBS) 210-1 데이터 스트림을 생성하였고, 데이터 스트림은 15 GHz 광대역 바이어스 티와 연결되기 전에 28 dB 드라이버 증폭기에 의해 증폭된다. 9 m 수중 채널을 통해 2 Gbps에서, 12 m 수중 채널을 통해 2 Gbps에서, 그리고 20 m 수중 채널을 통해 1.5 Gbps에서의 UWOC 시스템에 대한 비트 오류율(BER)은 각각 1.2×10-6, 2.8×10-5, 및 3.0×10-3으로 측정되었으며, 이들 모두는 순방향 오류 정정(FEC) 한계를 통과한다. 최대 2 Gbps의 데이터율에 대해 열린 아이 다이어그램(eye diagram) 및 측정된 FEC 준수 BER이 9 미터뿐만 아니라 12 미터 UWOC 링크에 대해 성공적으로 달성되었다.One embodiment of the present invention discloses a high-speed UWOC link that provides data rates of up to 2 Gbps over a 12 meter length, with 1.5 Gbps achieved over a recorded 20 meter long underwater channel. To demonstrate the UWOC system based on the OOK modulation scheme, a pattern generator was used to generate a pseudo random binary sequence (PRBS) 2 10-1 data stream within the transmission module 12, The data stream is amplified by a 28 dB driver amplifier before being coupled to a 15 GHz wideband bias tee. The bit error rates (BER) for the UWOC system at 2 Gbps through a 9 m underwater channel, 2 Gbps through a 12 m underwater channel, and 1.5 Gbps through a 20 m underwater channel are 1.2×10 −6 and 2.8×, respectively. 10 −5 , and 3.0×10 −3 , all of which pass the forward error correction (FEC) limit. Open eye diagrams and measured FEC-compliant BER for data rates up to 2 Gbps have been successfully achieved for 9-meter as well as 12-meter UWOC links.

본 발명의 또 다른 실시형태는 매우 스펙트럼 효율적인 16-QAM-OFDM 변조 방식을 사용하는 5.4 m 링크에 걸친 4.8 Gbit/s에서의 수중 무선 광 전송을 개시한다. 매우 스펙트럼 효율적인 16-QAM-OFDM 변조 방식을 사용하는 수중 무선 광 전송 시스템을 테스트하기 위해, 임의 파형 발생기(arbitrary waveform generator, AWG)가 신호 생성을 위해 사용되었고, 수신된 신호를 분석하기 위해 디지털 직렬 분석기(digital serial analyzer, DSA)가 사용되었다. 대응하는 부반송파를 갖는 16-QAM-OFDM 신호가 오프라인 MATLAB 프로그램에 의해 생성되었고, 24 GSa/s의 샘플링 레이트로 임의 파형 발생기에 의해 샘플링되었다.Another embodiment of the present invention discloses underwater wireless optical transmission at 4.8 Gbit/s over a 5.4 m link using a highly spectrally efficient 16-QAM-OFDM modulation scheme. To test an underwater wireless optical transmission system using a highly spectrally efficient 16-QAM-OFDM modulation scheme, an arbitrary waveform generator (AWG) was used for signal generation and a digital serial signal generator was used to analyze the received signal. A digital serial analyzer (DSA) was used. A 16-QAM-OFDM signal with corresponding subcarriers was generated by an offline MATLAB program and sampled by an arbitrary waveform generator at a sampling rate of 24 GSa/s.

16-QAM-OFDM 데이터 생성 및 수중 전송 시스템의 개념적인 블록도가 도 2에 도시되어 있다. 이진 비트열(40)은 직렬-병렬 모듈(42)을 통해 병렬 저속 데이터 블록으로 분할되고 심볼 매핑 모듈(44)을 통해 QAM 심볼로 매핑된다. 역 고속 푸리에 변환(inverse fast Fourier transform, IFFT) 모듈(46)은 QAM 심볼을 512의 FET 크기를 갖는 일시적인 OFDM 신호로 변환하고 병렬-직렬 모듈(48)로 병렬 신호를 제공한다. 전송 링크 내의 심볼간 간섭(inter-symbol interference, ISI)을 완화시키기 위해 1/32의 순환 전치(cyclic prefix, CP)가 순환 전치 모듈(50)을 통해 부가된다. 도 3은 다양한 전송 데이터율 하에서 심볼 길이, 부반송파 주파수 및 부반송파 주파수 간격을 포함하는 TO-9 패키지 청색 LD에 의해 전달되는 16-QAM-OFDM 데이터 스트림의 관련 파라미터를 요약한 표이다.A conceptual block diagram of a 16-QAM-OFDM data generation and underwater transmission system is shown in FIG. The binary bitstream 40 is divided into parallel low-speed data blocks via serial-parallel module 42 and mapped to QAM symbols via symbol mapping module 44. An inverse fast Fourier transform (IFFT) module 46 converts the QAM symbols to a transient OFDM signal with a FET size of 512 and provides the parallel signal to parallel-serial module 48. In order to mitigate inter-symbol interference (ISI) in a transmission link, a cyclic prefix (CP) of 1/32 is added through the cyclic prefix module 50. 3 is a table summarizing the relevant parameters of a 16-QAM-OFDM data stream carried by a TO-9 package blue LD including symbol length, subcarrier frequency and subcarrier frequency spacing under various transmission data rates.

모듈(52)에서의 디지털-아날로그 변환(digital-to-analog conversion, DAC) 이후, QAM-OFDM 신호는 전기적으로 사전 증폭되고 TO-9 패키지 청색 LD를 직접 인코딩한다. 일 실시형태에서, QAM-OFDM 신호는 26-dB 광대역 증폭기(Picosecond Pulse Labs, 5865)로 사전 증폭되었고, 이후 다이오드 마운트(Thorlabs LDM9lP) 내의 내장형 바이어스 티의 RF 커넥터를 사용하여 DC 바이어스 전류 상에 중첩되었으며, 이는 TO-9 패키지 청색 LD를 직접 인코딩한다. TO-9 패키지 청색 LD의 DC 바이어스 점(bias point)은 변조된 QAM-OFDM 데이터 스트림의 가장 큰 피크 대 평균 전력비(peak-to-average power ratio, PAPR)를 달성하기 위해 최적화되었다. 청색 LED의 전력 대 전류 응답에 따라 전-광 영역 변환(electrical-to-optical domain conversion)이 수행되었고, 최대/최소 전류 레벨에 의해 결정된 이의 최대/최소 전력 레벨을 갖는 광 16-QAM-OFDM 데이터 스트림을 생성하였다. 도 4는 DC 바이어스 전류에 의한 오프셋 이후 TO-9 패키지 청색 LD 상에 직접 인코딩되는 16-QAM-OFDM 데이터의 동작을 도시하고 있다.After digital-to-analog conversion (DAC) in module 52, the QAM-OFDM signal is electrically pre-amplified and directly encoded into the TO-9 package blue LD. In one embodiment, the QAM-OFDM signal was pre-amplified with a 26-dB wideband amplifier (Picosecond Pulse Labs, 5865) and then superimposed onto the DC bias current using the RF connector of the built-in bias tee in the diode mount (Thorlabs LDM9LP). , which directly encodes the TO-9 package blue LD. The DC bias point of the TO-9 package blue LD was optimized to achieve the largest peak-to-average power ratio (PAPR) of the modulated QAM-OFDM data stream. Electrical-to-optical domain conversion was performed according to the power versus current response of the blue LED, and optical 16-QAM-OFDM data with its maximum/minimum power levels determined by the maximum/minimum current levels. stream was created. Figure 4 shows the behavior of 16-QAM-OFDM data encoded directly on a TO-9 package blue LD after offset by a DC bias current.

이후, 맑은 해수 형태와 유사한 신선한 수돗물로 채워진 수중 채널(60)을 통해 5.6°의 추정 발산각을 갖는 평행한 레이저 빔이 전달된다. 15 mW(11.8 dBm) 출력의 LD(54)는 맑은 해수에서의 감쇠를 극복하기에 충분할 것이다. 0.6 m×0.3 m ×0.3 m의 치수를 갖는 물 탱크가 유리로 제조된다. 실제 광 전파 거리는 탱크의 양단에 설치된 반사 거울을 사용하여 5.4 m까지 연장되었다. 50 mm 초점 거리 렌즈를 사용함으로써, 수중 채널로부터의 출력 신호는 0.5 mm의 활성 직경과 450 nm에서 ~5 A/W의 반응도를 갖는 고감도 APD 62로 집속되었다. 전송된 레이저 광의 출력 레벨은 중성 농도 필터(neutral density filter)를 통해 제어되었다.Then, a collimated laser beam with an estimated divergence angle of 5.6° is delivered through an underwater channel 60 filled with fresh tap water similar to the shape of clear sea water. An LD 54 of 15 mW (11.8 dBm) output would be sufficient to overcome the attenuation in clear sea water. A water tank having dimensions of 0.6 m x 0.3 m x 0.3 m is made of glass. The actual light propagation distance was extended to 5.4 m using reflective mirrors installed at both ends of the tank. By using a 50 mm focal length lens, the output signal from the underwater channel was focused into a highly sensitive APD 62 with an active diameter of 0.5 mm and a responsivity of ~5 A/W at 450 nm. The output level of the transmitted laser light was controlled through a neutral density filter.

광-전 변환 이후, 수신된 아날로그 파형은 100 Gsa/s의 샘플링 레이트를 갖는 디지털 직렬 분석기(65)에 의해 캡처되고 디지털 신호로 변환된다. 모듈(66)에서의 순환 전치의 제거 및 직렬-병렬 모듈(68)에 의한 추가적인 처리 이후, 수신된 OFDM 신호는 FFT 모듈(70)로 전달되어, 주파수 영역 부반송파로 변환되고 심볼 디매핑 모듈(72)을 통해 QAM 심볼로 다시 매핑된다. 마지막으로, QAM 심볼을 직렬 온-오프 키잉 데이터(76)로 변환하기 위해 병렬-직렬 모듈(74)이 이용된다. 성상도, 오류 벡터 크기(EVM), 신호 대 잡음비(SNR) 및 비트 오류율(BER)이 측정되었고, 본 수중 무선 광통신 시스템의 성능을 평가하기 위해 사용되었다. 모든 측정은 일반 실내 조명 하에서 수행되었고, 환경 광을 억제하기 위해 광간섭 필터는 사용하지 않았다.After optical-to-electrical conversion, the received analog waveform is captured and converted to a digital signal by a digital serial analyzer 65 with a sampling rate of 100 GSa/s. After removal of the cyclic prefix in module 66 and further processing by serial-parallel module 68, the received OFDM signal is passed to FFT module 70 where it is transformed to frequency domain subcarriers and symbol demapping module 72 ) through which it is mapped back to the QAM symbol. Finally, a parallel-to-serial module 74 is used to convert the QAM symbols to serial on-off keying data 76. Constellation, error vector magnitude (EVM), signal-to-noise ratio (SNR) and bit error rate (BER) were measured and used to evaluate the performance of the present underwater wireless optical communication system. All measurements were performed under normal room lighting, and an optical interference filter was not used to suppress ambient light.

TO-9 패키지 및 섬유 피그테일(fiber-pigtailed) 청색 LD의 광-전류-전압(light-current-voltage, LIV) 특성이 도 5의 (a)에 도시되어 있다. 임계 전류와 미분 양자 효율은 각각 3 mmA와 0.27 W/A이었다. 도 5의 (b)는 다양한 바이어스 전류 하에 250C에서의 레이징 스펙트럼 대 파장의 그래프를 도시하고 있다. 바이어스 전류는 Ocean Optics HR4000 분광계를 사용하여 측정하였다. 청색 LD의 공칭 스펙트럼 폭은 0.9 nm이었다. 최대 발광 파장은 40 mA에서 바이어스되는 청색 LD로 448.4 nm 근처에서 관찰되었으며 바이어스 전류가 증가함에 따라 약간 적색 편이되었다. 수중 광 링크에서의 최적의 동작 파장은 지리적 위치 사이에서 크게 변화하는 물의 탁도에 따라 달라진다.The light-current-voltage (LIV) characteristics of the TO-9 package and fiber-pigtailed blue LD are shown in FIG. 5(a). The critical current and differential quantum efficiency were 3 mmA and 0.27 W/A, respectively. Figure 5(b) shows a graph of lasing spectrum versus wavelength at 250 C under various bias currents. Bias current was measured using an Ocean Optics HR4000 spectrometer. The nominal spectral width of the blue LD was 0.9 nm. The maximum emission wavelength was observed near 448.4 nm with the blue LD biased at 40 mA and slightly red-shifted with increasing bias current. The optimal operating wavelength in an underwater optical link depends on the turbidity of the water, which varies greatly between geographic locations.

OFDM 신호를 인코딩하기 위한 최대 허용 가능한 변조 대역폭을 결정하기 위해 레이저 드라이버(54), 수중 채널(60) 및 APD(62)를 포함하는 시스템의 전체 주파수 응답을 평가하였다. 도 6은 벡터 네트워크 분석기를 사용하여 측정된, 청색 레이저 다이오드(54)의 다양한 바이어스 전류에서의 소신호(small-signal) 변조 응답을 도시하고 있다. 바이어스 전류가 증가할 때, LD 드라이버(54)의 결합된 대역폭 한계와 APD(62)의 1-GHz 차단 주파수로 인해 LD 변조 대역폭에서 상당한 확장이 관찰되지 않는다. 고주파수 영역에서의 감소된 처리량 강도는 또한 대역폭 제한으로 인한 것이다. 그 결과, 이를 제한은 허용 가능한 OFDM 대역폭에 상한을 설정한다. 도면에서 쇄선으로 나타낸 바와 같이 1.1 GHz 근처에서 최대 -3 dB 대역폭이 발생했다.The overall frequency response of the system including laser driver 54, underwater channel 60 and APD 62 was evaluated to determine the maximum allowable modulation bandwidth for encoding an OFDM signal. 6 shows the small-signal modulation response of blue laser diode 54 at various bias currents, measured using a vector network analyzer. When the bias current is increased, no significant expansion is observed in the LD modulation bandwidth due to the combined bandwidth limitation of the LD driver 54 and the 1-GHz cut-off frequency of the APD 62. The reduced throughput intensity in the high frequency region is also due to bandwidth limitations. As a result, limiting this sets an upper limit on the allowable OFDM bandwidth. As indicated by the dashed line in the figure, the maximum -3 dB bandwidth occurred around 1.1 GHz.

다양한 바이어스 전류에서 1-GHz 16-QAM-OFDM 데이터를 갖는 청색 LD(54)의 성능을 처음에 자유 공간에서 평가하였다. 최적의 동작 조건을 평가하기 위해 레이저 바이어스 전류와 변조되는 신호의 진폭 모두를 조정하였다. 낮은 바이어스 동작에서, 변조되는 신호의 클리핑은 인코딩된 16-QAM-OFDM 데이터의 BER를 저하시킨다. 또한, 청색 LD의 과도한 구동은 처리량 응답을 감소시키고 결국 16-QAM-OFDM 데이터의 고주파 부반송파의 전력을 저하시키고, 이는 전송 BER의 증가를 유발한다. 청색 LD의 바이어스 전류와 변조되는 신호의 피크 투 피크 전압이 각각 Vbias = 5.01 V(Ibias = 70 mA) 및 Vpp = 0.4 V로 설정되었을 때 가장 높은 데이터율이 달성되었다.The performance of the blue LD 54 with 1-GHz 16-QAM-OFDM data at various bias currents was first evaluated in free space. Both the laser bias current and the amplitude of the modulated signal were adjusted to evaluate the optimal operating conditions. In low bias operation, clipping of the modulated signal degrades the BER of the encoded 16-QAM-OFDM data. In addition, excessive driving of the blue LD reduces the throughput response and eventually lowers the power of the high-frequency subcarrier of 16-QAM-OFDM data, which causes an increase in transmission BER. The highest data rate was achieved when the bias current of the blue LD and the peak-to-peak voltage of the modulated signal were set to Vbias = 5.01 V (Ibias = 70 mA) and Vpp = 0.4 V, respectively.

도 7의 (a) 및 도 7의 (b)는 레이저 바이어스 전류의 함수로서 청색 LD(54)가 전달한 1-GHz 16-QAM-OFDM 데이터의 BER 성능 및 70 mA에서의 성상도(constellation diagram)를 도시하고 있다. 도 7의 (a)는 측정된 BER 대 레이저 다이오드 전류를 도시하고 있다. 도 7의 (b)는 70 mA에서의 성상도를 도시하고 있다.7(a) and 7(b) show BER performance of 1-GHz 16-QAM-OFDM data delivered by blue LD 54 as a function of laser bias current and constellation diagram at 70 mA. is showing Figure 7(a) shows the measured BER versus laser diode current. Fig. 7(b) shows a constellation diagram at 70 mA.

수중 16-QAM-OFDM 전송을 구현하기 위해, 청색 LD(54)의 바이어스 전류는 70 mA의 최적의 동작 조건에서 유지되었다. 5.4 m 수중 통신 채널 상에서의 전체 16-QAM-OFDM 전송 성능을 평가하기 위해, 측정된 BER, SNR 및 성상도를 도 8의 (a), 도 8의 (b) 및 도 8의 (c)에 나타내었다.To implement the underwater 16-QAM-OFDM transmission, the bias current of the blue LD 54 was maintained at an optimal operating condition of 70 mA. In order to evaluate the overall 16-QAM-OFDM transmission performance on a 5.4 m underwater communication channel, the measured BER, SNR and constellation are shown in FIGS. 8(a), 8(b) and 8(c). showed up

도 8의 (a)는 16-QAM-OFDM 데이터의 측정된 BER 대 변조 대역폭을 도시하고 있다. 도시된 바와 같이, 데이터 대역폭을 0.8 GHz에서 1.2 GHz로 증가시킴으로써 6.8×10-4에서 2.6×10-3으로의 BER의 저하를 무릅쓰고 TO-9 패키지 및 섬유 피그테일 청색 LD의 전송 용량을 3.2 Gbit/s에서 4.8 Gbit/s로 확장하였다. 데이터 대역폭을 1.3 GHz로 더 증가시킴으로써 BER을 4.8×10-3으로 증가시켰고, 이는 3.8×10-3의 FEC 요구 BER보다 약간 높았다. 따라서, FEC 기준을 충족시키기 위해, 전달된 16-QAM-OFDM의 허용 대역폭은 1.2 GHz이었고, 해당 데이터율을 4.8 Gbit/s이었다.Figure 8(a) shows the measured BER vs. modulation bandwidth of 16-QAM-OFDM data. As shown, by increasing the data bandwidth from 0.8 GHz to 1.2 GHz , the transmission capacity of the TO-9 package and fiber pigtail blue LD is increased to 3.2 Gbit/s to 4.8 Gbit/s. Increasing the data bandwidth further to 1.3 GHz increased the BER to 4.8 × 10 -3 , which was slightly higher than the FEC required BER of 3.8 × 10 -3 . Therefore, to meet the FEC criteria, the allowed bandwidth of the delivered 16-QAM-OFDM was 1.2 GHz and the corresponding data rate was 4.8 Gbit/s.

도 8의 (b)는 부반송파 인덱스의 함수로서 수신된 16-QAM-OFDM 데이터의 측정된 전기 신호 대 잡음비(SNR)를 도시하고 있다. 측정된 SNR 프로파일은 음의 기울기를 나타내었고 도 3에 도시된 전체 주파수 응답을 따랐다. SNR은 작은 부반송파 인덱스(저주파수)에서 높은 값을 유지하였고 부반송파 인덱스에 반비례했다. 70 mA에서의 평균 SNR은 15.6 dB 근처였고, 이는 FEC 디코딩이 요구하는 15.19 dB의 평균 SNR보다 높았다.Figure 8(b) shows the measured electrical signal-to-noise ratio (SNR) of received 16-QAM-OFDM data as a function of subcarrier index. The measured SNR profile exhibited a negative slope and followed the overall frequency response shown in FIG. 3 . The SNR remained high at small subcarrier indexes (low frequencies) and was inversely proportional to the subcarrier index. The average SNR at 70 mA was around 15.6 dB, which is higher than the average SNR of 15.19 dB required by FEC decoding.

도 8의 (c)는 5.4 m 수중 채널을 통해 전송된 1.2 GHz 16-QAM-OFDM 신호의 성상도를 도시하고 있다. 도면에 도시된 바와 같이, 분명한 성상도를 얻을 수 있다.8(c) shows a constellation diagram of a 1.2 GHz 16-QAM-OFDM signal transmitted through a 5.4 m underwater channel. As shown in the figure, a clear constellation can be obtained.

전체 시스템 성능과 관련하여 일시적인 펄스 확산(심볼간 간섭)과 같은 산란 효과를 또한 평가하였다. 도 9는 1.2 GHz 16-QAM-OFDM 신호에 대해 측정된 BER 대 링크 거리를 도시하고 있다. 이러한 평가의 목적은 링크 거리의 함수로서 BER 성능이 열화하는지를 평가하기 위한 것이다. 링크 거리가 0.6 m에서 5.4 m로 증가함에 따라, 수신되는 광 출력이 가변 감쇠기를 사용하여 일정하게 유지되었다는 것에 주목해야 한다. 도 9에 도시된 바와 같이, 비교적 평탄한 BER이 관측되었다.Scattering effects such as temporal pulse spread (inter-symbol interference) were also evaluated in relation to the overall system performance. 9 shows the measured BER versus link distance for a 1.2 GHz 16-QAM-OFDM signal. The purpose of this evaluation is to evaluate whether the BER performance degrades as a function of link distance. It should be noted that as the link distance increased from 0.6 m to 5.4 m, the received optical power was kept constant using the variable attenuator. As shown in Figure 9, a relatively flat BER was observed.

송신기 빔이 매우 작은 직경으로 평행화되기 때문에, UWOC 시스템의 이러한 예는 송신기와 수신기 간에 양호한 지향 정밀도(pointing accuracy)를 필요로 했다. 지향 정밀도 요건을 줄이기 위해 송신기 빔을 확장하는 것은 수신기에서의 약한 빔을 초래하며 이는 더욱 긴 범위에서 성능을 감소시킬 것이다. 더욱 탁한 물에서, 유기 및 무기 미립자의 높은 농도로 인해 산란이 증가하며 상당한 일시적 분산을 유발할 수 있는데, 이는 빔이 확산되어 낮은 SNR 및 열악한 BER을 유발하기 때문에 지향 정확도를 감소시키는 심볼간 간섭의 형태로 생각될 수 있다. 그러나, 5.4 m의 맑은 물에서의 통신 링크 동안 산란은 1.2-GHz 16-QAM-OFDM 신호의 BER 성능에 영향을 주지 않는다는 것을 실험 결과는 보여준다. 4.8 Gbit/s UWOC 시스템에 대해, 16.5 %의 측정된 EVM 및 2.6×10-3의 BER 모두는 FEC 기준을 통과한다.Because the transmitter beam is collimated to a very small diameter, this example of a UWOC system required good pointing accuracy between transmitter and receiver. Expanding the transmitter beam to reduce the directive accuracy requirements results in a weaker beam at the receiver, which will reduce performance at longer ranges. In more turbid waters, high concentrations of organic and inorganic particulates increase scattering and can cause significant temporal dispersion, which is a form of inter-symbol interference that reduces orientation accuracy as the beam spreads, resulting in low SNR and poor BER. can be thought of as However, experimental results show that scattering during the communication link in 5.4 m clear water does not affect the BER performance of the 1.2-GHz 16-QAM-OFDM signal. For a 4.8 Gbit/s UWOC system, a measured EVM of 16.5 % and a BER of 2.6×10 -3 both pass the FEC criteria.

도 10은 본 발명의 소형의 통합된 수중 조명, 조사 및 광통신 시스템을 도시하고 있다. 전원 장치(70), 제어 회로(72), 레이저 다이오드 모듈(74), 및 집속 광학계(76)는 방수 하우징(78)에 내장될 수 있다. 레이저 다이오드 모듈(74)은 비전용 통합 수신기 유닛 및 거리 범위 측정을 가질 수 있다. 제어 회로(72)는 레이저 다이오드 모듈(74)을 구동하기 위해 전력 안정화, 신호 증폭 및 바이어스 티 조합의 기능을 통합한다. 백색광 생성을 위해 인광 물질이 집속 광학계 내에 결합될 수 있다. 10 shows a compact integrated underwater lighting, irradiation and optical communication system of the present invention. The power supply 70 , control circuit 72 , laser diode module 74 , and focusing optics 76 may be housed in a waterproof housing 78 . The laser diode module 74 may have a non-dedicated integrated receiver unit and distance range measurement. Control circuit 72 integrates the functions of power stabilization, signal amplification and bias tee combination to drive laser diode module 74. Phosphors can be incorporated into the focusing optics to produce white light.

본 발명의 다른 실시형태에서, 송신 모듈은 단면 발광 레이저(edge-emitting laser), 수직-공동 표면 발광 레이저(vertical-cavity surface emitting laser), 및 초발광 다이오드(superluminescent diode)와 같이 다른 간섭도(degree of coherency)일 수 있다. 송신 모듈은 광 출력을 증가시키기 위해 독립적인 형태 또는 배열의 형태일 수 있다. 본 발명의 실시형태에서, 단일 노드 450 nm 레이더 다이오드는 다중 노드 405 nm 자색 레이저에 비해 양호한 성능을 가졌다.In another embodiment of the present invention, the transmission module may be configured to have different interference degrees (such as edge-emitting lasers, vertical-cavity surface emitting lasers, and superluminescent diodes). degree of coherency). Transmitting modules can be independent or in an array to increase light output. In an embodiment of the invention, a single node 450 nm radar diode had better performance compared to a multi node 405 nm violet laser.

전송 매체는, 이에 제한되지는 않지만, 물, 기름, 및 그 밖의 다른 유기 액체를 포함한다. 레이저 파장은 전송 매체의 구체적인 낮은 흡수 및 산란 특정에 맞는 광범위한 파장을 커버할 수 있다.Transmission media include, but are not limited to, water, oil, and other organic liquids. Laser wavelengths can cover a wide range of wavelengths tailored to the specific low absorption and scattering characteristics of the transmission medium.

다른 실시형태에서, 광검출기는 증폭된 바이어스 광검출기, 또는 바이어스 광검출기, 또는 UV-강화 바이어스 광검출기일 수 있다. 광검출기는, 이에 제한되지는 않지만, Si, 또는 GaAs, 또는 GaN 또는 그 밖의 III/V 물질을 기반으로 할 수 있다. In other embodiments, the photodetector can be an amplified bias photodetector, or a bias photodetector, or a UV-enhanced bias photodetector. The photodetector may be based on, but not limited to, Si, or GaAs, or GaN, or other III/V materials.

본 발명의 일부 실시형태에서, 수신 모듈은 하나 또는 다수의 광검출기를 포함할 수 있다. 송신 모듈에서 다수의 레이저 다이오드 및/또는 수신 모듈에서 다수의 광검출기를 이용하는 경우, UWOC 시스템은 광 다중입력 다중출력(multi-input multi-output) 기술을 사용할 때 더욱 높은 데이터율(5 Gbit/s 이상)과 더욱 긴 전송 거리(20 미터 이상)을 달성할 수 있다. 송신 모듈에서 다수의 레이저 다이오드 및/또는 수신 모듈에서 다수의 광검출기를 이용하는 경우, UWOC 시스템은 파장 분할 다중화(wavelength division multiplexing, WDM) 기술을 사용하여 더욱 높은 데이터율(5 Gbit/s 이상)을 달성할 수 있다.In some embodiments of the invention, the receiving module may include one or multiple photodetectors. When using multiple laser diodes in the transmit module and/or multiple photodetectors in the receive module, UWOC systems can achieve higher data rates (5 Gbit/s) when using optical multi-input multi-output technology. or longer) and longer transmission distances (more than 20 meters) can be achieved. When using multiple laser diodes in the transmitting module and/or multiple photodetectors in the receiving module, the UWOC system uses wavelength division multiplexing (WDM) technology to achieve higher data rates (5 Gbit/s or greater). can be achieved

본 발명의 다른 실시형태에서, 적어도 두 개의 자색, 청색, 녹색, 황색 또는 적색 발광 레이저 다이오드를 포함하는 다수의 레이저 다이오드를 이용하는 UWOC 시스템은 수중에서의 비전 및 통신 모두를 위해 백색광을 생성할 수 있다.In another embodiment of the present invention, a UWOC system utilizing multiple laser diodes including at least two purple, blue, green, yellow or red emitting laser diodes can produce white light for both underwater vision and communication. .

본 발명의 또 다른 실시형태에서, 백색광을 생성하기 위해 송신 모듈에서 인광 물질과 함께 자색 또는 청색 레이저를 이용하는 UWOC 시스템은 수중 비전 및 통신 모두를 위해 사용될 수 있다. 백색광 생성을 위해 사용되는 인광 물질은 자색 또는 청색 레이저에 의해 여기되어 청색, 녹색, 황색 또는 적색을 생성할 수 있는 일종의 색 변환 물질을 말한다. 이들 색을 혼합함으로써, 다양한 연색 지수 및 색 온도를 갖는 백색광을 얻을 수 있다.In another embodiment of the present invention, a UWOC system using a purple or blue laser in conjunction with a phosphor in a transmit module to generate white light may be used for both underwater vision and communications. Phosphor materials used for generating white light refer to a kind of color conversion material that can produce blue, green, yellow or red when excited by a purple or blue laser. By mixing these colors, white light having various color rendering indexes and color temperatures can be obtained.

Claims (20)

수중 조명원 및 데이터 통신 시스템을 제공하는 방법으로서, 상기 방법은:
수중 활동 동안 관심의 수중 영역을 조명하기에 충분한 강도와 지속 기간의 백색광 조명 영역을 제공하기 위해 송신 모듈에서 다수의 레이저 다이오드들을 구동하는 신호를 생성하는 단계로서, 상기 레이저 다이오드들은 전원 장치, 제어 회로 및 집속 광학계와 함께 방수 하우징에 내장되고, 상기 다수의 레이저 다이오드들은 수중 비전 응용을 위한 수중 구조물을 조명하기 위한 백색 광원으로서 작용하는, 상기 신호를 생성하는 단계; 및
광통신 시스템 내에서 상기 다수의 레이저 다이오드들, 제어 회로 및 집속 광학계를 이용하여 상기 관심의 수중 영역으로부터 멀리 정보를 또한 전달하는 동시에 백색광으로 상기 관심의 수중 영역을 계속 조명하는 단계를 포함하고,
상기 다수의 레이저 다이오드들, 제어 회로 및 집속 광학계를 이용하는 것은:
상기 집속 광학계에 의해, 상기 방수 하우징으로부터 멀리 그리고 원격 수중 위치를 향해 상기 다수의 레이저 다이오드들로부터의 광의 적어도 일부를 광학적으로 전달하는 단계;
상기 원격 수중 위치에서, 상기 광학적으로 전달된 광의 상기 적어도 일부를 수신하고, 그리고 상기 수중 활동 동안 광학적으로 전달된 데이터 스트림을 생성하기 위해 수신된 광을 정보 신호로 추가 처리하는 단계; 및
상기 방수 하우징 내에 내장된 수신 모듈에서, 상기 수신 모듈 내의 복수의 광검출기들을 사용하여 이중 통신을 수행하기 위해 상기 원격 수중 위치로부터의 광을 수신하는 단계를 포함하는, 방법.
A method of providing an underwater light source and data communication system, the method comprising:
generating a signal to drive a plurality of laser diodes in a transmission module to provide a white light illuminated area of sufficient intensity and duration to illuminate an underwater area of interest during aquatic activity, the laser diodes comprising a power supply, control circuitry and a focusing optic, the plurality of laser diodes serving as a white light source for illuminating an underwater structure for underwater vision applications; and
using the plurality of laser diodes, control circuitry and focusing optics within an optical communication system to continuously illuminate the underwater area of interest with white light while also conveying information away from the underwater area of interest;
Using the plurality of laser diodes, control circuitry and focusing optics:
optically directing, by the focusing optics, at least a portion of the light from the plurality of laser diodes away from the watertight housing and towards a remote underwater location;
at the remote underwater location, receiving at least a portion of the optically transmitted light and further processing the received light into an information signal to generate an optically transmitted data stream during the underwater activity; and
receiving, at a receiving module embedded within the watertight housing, light from the remote underwater location to perform duplex communication using a plurality of photodetectors within the receiving module.
제1항에 있어서,
상기 관심의 수중 영역은 수중 이동체, 잠수부, 또는 해저를 포함하는, 방법.
According to claim 1,
wherein the underwater area of interest comprises an underwater vehicle, a diver, or the seabed.
제2항에 있어서,
상기 광학적으로 전달하는 단계는 광 빔을 집속하는 단계, 및 상기 원격 수중 위치를 향해 집속된 광 빔을 전달하는 단계를 포함하는, 방법.
According to claim 2,
The method of claim 1 , wherein optically directing includes focusing a light beam and directing the focused light beam towards the remote underwater location.
제3항에 있어서,
상기 집속된 광 빔은 복수의 평행한 빔들을 정의하는, 방법.
According to claim 3,
wherein the focused light beam defines a plurality of parallel beams.
제4항에 있어서,
상기 원격 수중 위치에서의 상기 수신은 실리콘 기반 애벌란시 포토다이오드(silicon-based avalanche photodiode) 상에 상기 광 빔을 전달하는 것을 포함하는, 방법.
According to claim 4,
wherein the receiving at the remote underwater location comprises directing the light beam onto a silicon-based avalanche photodiode.
제1항에 있어서,
상기 광통신 시스템은 스펙트럼 효율적인 변조 방식을 포함하는, 방법.
According to claim 1,
The method of claim 1 , wherein the optical communication system includes a spectral efficient modulation scheme.
제6항에 있어서,
상기 변조 방식은 QAM-OFDM을 포함하는, 방법.
According to claim 6,
Wherein the modulation scheme comprises QAM-OFDM.
제1항에 있어서,
상기 다수의 레이저 다이오드들은 복수의 자색광 또는 청색광 레이저들을 포함하고, 상기 복수의 자색광 또는 청색광 레이저들로부터의 광을 백색광으로 색 변환하기 위해 인광 물질(phosphor material)이 사용되는, 방법.
According to claim 1,
wherein the plurality of laser diodes include a plurality of purple or blue light lasers, and a phosphor material is used to color convert light from the plurality of purple or blue light lasers to white light.
제1항에 있어서,
상기 다수의 레이저 다이오드들은 적색, 녹색 및 청색 레이저들을 포함하는, 방법.
According to claim 1,
wherein the plurality of laser diodes include red, green and blue lasers.
제1항에 있어서,
상기 다수의 레이저 다이오드들은 자외선 레이저를 포함하는, 방법.
According to claim 1,
wherein the plurality of laser diodes comprises an ultraviolet laser.
수중 광 시스템으로서, 상기 광 시스템은:
전원 장치 및 제어 회로를 포함하는 방수 하우징;
상기 방수 하우징에 내장되는 송신 모듈로서, 상기 송신 모듈은 데이터 스트림을 수신하고 레이저 다이오드 광원을 제어하여 광 신호를 제공하고, 동시에 수중 비전 응용을 위한 백색 광원으로서 작용하는 조명을 제공하며, 상기 수중 비전 응용은 수중 구조물을 원격으로 보는(viewing), 상기 송신 모듈;
원격 수중 위치를 향해 상기 광 신호를 집속하고 전달하기 위한, 상기 하우징 내의 송신 렌즈;
상기 레이저 다이오드 광원에 근접해서 원격 수중 비전을 수행하기 위해 상기 수중 구조물을 상기 레이저 다이오드 광원이 동시에 조명하는 동안 상기 데이터 스트림을 생성하도록 상기 광 신호를 수신하고 처리하기 위한 상기 원격 수중 위치에서의 제1 수신 모듈; 및
상기 원격 수중 위치와의 통신을 수행하기 위해 상기 원격 수중 위치로부터 광을 수신하는 복수의 광검출기들을 포함하는 상기 방수 하우징 내의 제2 수신 모듈을 포함하는, 광 시스템.
As an underwater light system, the light system comprises:
a watertight housing containing a power unit and control circuit;
A transmission module embedded in the waterproof housing, wherein the transmission module receives a data stream and controls a laser diode light source to provide an optical signal, and at the same time provide illumination that serves as a white light source for underwater vision applications, wherein the underwater vision Applications include the transmission module for remote viewing of underwater structures;
a transmission lens within the housing for focusing and directing the optical signal towards a remote underwater location;
A first at the remote underwater location for receiving and processing the light signal to generate the data stream while the laser diode light source simultaneously illuminates the underwater structure to perform remote underwater vision in proximity to the laser diode light source. receiving module; and
and a second receiving module within the watertight housing comprising a plurality of photodetectors for receiving light from the remote underwater location to perform communication with the remote underwater location.
제11항에 있어서,
상기 제1 수신 모듈은 실리콘 애벌란시 포토다이오드를 향해 상기 광 신호를 집속하기 위한 수신 렌즈를 포함하는, 광 시스템.
According to claim 11,
wherein the first receiving module includes a receiving lens for focusing the optical signal towards a silicon avalanche photodiode.
제11항에 있어서,
상기 레이저 다이오드 광원은 수중 이동체 또는 구조물 또는 잠수부 상에 수용되는(housed), 광 시스템.
According to claim 11,
wherein the laser diode light source is housed on an underwater vehicle or structure or a diver.
제11항에 있어서,
상기 레이저 다이오드 광원은 복수의 자색광 내지 청색광 레이저들을 포함하는, 광 시스템.
According to claim 11,
The optical system of claim 1 , wherein the laser diode light source includes a plurality of violet to blue light lasers.
제11항에 있어서,
상기 송신 모듈은 데이터 전달 속도를 높이기 위해 스펙트럼 효율적인 변조 방식으로 상기 데이터 스트림을 처리하는, 광 시스템.
According to claim 11,
wherein the transmission module processes the data stream in a spectrally efficient modulation scheme to speed data transfer.
제11항에 있어서,
상기 레이저 다이오드 광원은 적색, 녹색 및 청색 레이저들을 포함하는, 광 시스템.
According to claim 11,
wherein the laser diode light source includes red, green and blue lasers.
제11항에 있어서,
상기 레이저 다이오드 광원은 자외선 레이저를 포함하는, 광 시스템.
According to claim 11,
The optical system of claim 1, wherein the laser diode light source comprises an ultraviolet laser.
수중 광 시스템으로서,
전원 장치 및 제어 회로와 함께 방수 하우징에 내장된 송신기로서, 데이터 스트림을 수신하고 레이저 다이오드 백색 광원을 제어하여 광 신호를 제공하는 상기 송신기;
원격 수중 위치를 향해 상기 광 신호를 집속하고 전달하기 위한, 상기 방수 하우징 내의 렌즈;
원격 수중 비전 장치를 사용하여 상기 광원에 근접해서 원격 수중 관찰을 수행하기 위해 충분한 강도와 지속 시간의 백색광으로 관심의 영역을 상기 백색 광원이 동시에 조명하는 동안 상기 데이터 스트림을 생성하도록 상기 광 신호를 수신하고 처리하기 위한 상기 원격 수중 위치에서의 제1 수신기; 및
상기 원격 수중 위치와의 통신을 수행하기 위해 상기 원격 수중 위치로부터 광을 수신하는 복수의 광검출기들을 포함하는 상기 방수 하우징 내의 제2 수신기를 포함하는, 수중 광 시스템.
As an underwater light system,
a transmitter housed in a watertight housing together with a power supply and control circuitry, said transmitter receiving a data stream and controlling a laser diode white light source to provide an optical signal;
a lens within the watertight housing for focusing and directing the optical signal toward a remote underwater location;
Receive the light signal to generate the data stream while the white light source simultaneously illuminates an area of interest with white light of sufficient intensity and duration to perform remote underwater observation in close proximity to the light source using a remote underwater vision device. a first receiver at the remote underwater location for processing and processing; and
and a second receiver within the watertight housing comprising a plurality of photodetectors for receiving light from the remote underwater location to perform communication with the remote underwater location.
제18항에 있어서,
포토다이오드를 향해 상기 광 신호를 집속하고 전달하기 위한 수신 렌즈를 더 포함하는 수중 광 시스템.
According to claim 18,
An underwater optical system further comprising a receiving lens for focusing and transmitting the optical signal towards a photodiode.
제18항에 있어서,
상기 광원은 적색, 녹색 및 청색 레이저들을 포함하거나, 또는 자외선 레이저를 포함하는, 수중 광 시스템.
According to claim 18,
wherein the light source comprises red, green and blue lasers, or comprises an ultraviolet laser.
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