KR20130086207A

KR20130086207A - 자유 공간 광통신의 다중 입력 방법 및 장치

Info

Publication number: KR20130086207A
Application number: KR1020137002948A
Authority: KR
Inventors: 영-카이 첸; 노리아키 가네다; 알렉스 피드웨르베트스카이
Original assignee: 알까뗄 루슨트; 엘지에스 이노베이션즈 엘엘씨
Priority date: 2010-07-07
Filing date: 2011-06-30
Publication date: 2013-07-31
Also published as: EP2591565A1; US20150349888A1; SG186925A1; US9048950B2; CN103155451A; US9564968B2; JP5602302B2; US20120008961A1; WO2012006209A1; JP2013535871A

Abstract

대기 신틸레이션에 의해 특징지워지는 환경을 통해 전파되는 자유 공간 광학(FSO) 신호들의 페이딩을 보상하기 위해 다이버시티를 이용하는 방안이 제공된다. 일 실시예는 적어도 하나의 FSO 빔을 수집하고, 빔을 파장에 의해 적어도 2개의 서브 빔들로 역다중화하고, 각각의 서브 빔을 검출하여 그것으로부터 전기 출력을 생성하고, 전기 출력들 중 적어도 2개로부터의 상보적 정보를 이용하여 신호를 복원하는 것을 포함한다. 다른 실시예는 FSO 빔을 공간적으로 분리된 서브어퍼쳐들의 어레이 상으로 수집하고, 각각의 서브어퍼쳐로 진입하는 광을 검출하여 그것으로부터 전기 출력을 생성하고, 전기 출력들 중 적어도 2개로부터의 상보적 정보를 이용하여 신호를 복원하는 것을 포함한다. 이러한 제2 실시예는 서브어퍼쳐들에 걸쳐 코히어런트하게 통합하기 위한 전자 적응적 처리 및 다수의 송신 어퍼쳐들의 경우의 자유 공간 광학 MIMO(Multiple Input Multiple Output) 시스템 둘다를 가능하게 한다.

Description

자유 공간 광통신의 다중 입력 방법 및 장치{MULTIPLE-INPUT METHOD AND APPARATUS OF FREE-SPACE OPTICAL COMMUNICATION}

본 발명은 자유 공간 광통신에 관한 것이다.

높은 대역폭 및 높은 신호 지향성과 같은, 자유 공간 광통신(free-space optical communication; FSO)의 이점들이 오랫동안 알려져 왔다. FSO의 알려진 단점들 중 하나는 신텔레이션(scintillation)에 대한 민감성이다. 즉, 난기류(turbulence) 및 열 현상들은 대기 굴절률(atmospheric refractive index)에서의 국부화된 변동(fluctuation)들을 생성한다. 그러한 변동들을 통과하는 신호 운반(signal-carrying) FSO 빔은 광학적 굴절로 인해 전체적으로 또는 부분적으로 변위될 수 있다. 하나의 결과로서, 빔이 이미지 스폿(image spot) 상으로 포커싱되는 수신 단부에서, 이미지 스폿은 이미지 평면에서 위치가 변동(wander)될 수 있다.

더욱이, FSO 빔들은 전형적으로 코히어런트(coherent) 레이저 빔들로서 생성된다. 코히어런트 빔은 처음에 균일한 파면(wavefront)을 갖는데, 즉, 빔의 리딩 면(leading face) 위의 방사 위치로 천천히 변하는 위상을 갖는다. 균일한 파면을 갖는 빔은, 검출기에서 그것이 비교적 작은 파괴적 자기 간섭(self-interference)을 겪을 것이기 때문에, 바람직하다. 그러나, 대기에서의 굴절률 변동의 제2 영향은 FSO 빔의 파면을 왜곡시킨다는 것이다. 왜곡들은 검출기에서 빔의 시간 의존적인, 파괴적 자기 간섭을 초래하며, 그것은 수신된 신호의 페이딩(fading)을 초래한다.

대기 신틸레이션과 관련된 문제들에 대한 알려진 해결책들 중 일부는 기계적인 미러들 및 적응적 광학(adaptive optics)을 이용하여 위치가 변동되는 빔을 추적하고, 왜곡된 파면을 교정(correct)한다. 그러나, 그러한 해결책들은 부피가 큰 하드웨어 구성요소들을 필요로 한다. 또한, 그러한 해결책들 중 일부는 그들의 성능을 제한하는 감지 및 기계적 액츄에이션의 폐쇄된, 반복 제어 루프를 이용한다. 이러한 단점들은, 그것의 수신이, 수신된 신호의 진폭 및 위상의 신뢰도에 비교적 민감한 FSO 빔에 대한 QAM 및 다른 진보된 변조 방법들의 경우에 특히 심각하다.

상이한 파장들은, 일반적으로, 대기 신틸레이션에 의해 특징지워지는 전파 환경에서의 상이한 페이딩 특성들을 나타낼 것이라는 사실을 이용하는 새로운 해결책을 제공한다. 다른 해결책은 오직 고속 전자장치에서 행해질 수 있는 개방 루프 적응적 처리의 가능성을 제공한다. 이것은 파면에 걸친 코히어런트 처리를 허용하며, 대기에 의해 생성된 다중경로 전파를 이용함으로써 광학 MIMO를 가능하게 한다.

소정의 실시예에서, 본원에서의 해결책은 적어도 하나의 FSO 빔을 수집하고, 파장에 의해 빔을 적어도 2개의 서브 빔(sub-beam)으로 역다중화하고, 각각의 서브 빔을 검출하여 그것으로부터 전기 출력을 생성하고, 전기 출력들 중 적어도 2개로부터 상보적 정보(complementary information)를 이용하여 신호를 복원하는 것을 포함한다.

도 1은 소정의 실시예에서의 본 발명에 따른 송신기의 간략화된 부분적 개략도이다.
도 2는 소정의 실시예에서의 본 발명에 따른 수신기의 간략화된 부분적 개략도이다.
도 3은 일 실시예에서의 수신기의 광학부의 상세를 도시하는 간략화된 부분적 개략도이다. 표현의 간략성을 위해, 광학적 하이브리드가 도 3의 도시로부터 생략된다. 하이브리드는 전형적으로 위상 다이버시티를 달성하는데 이용된다.
도 4는 대기 난기류에 의해 특징지워지는 전파 환경을 통해 송신하는 FSO 송신 시스템의 간략화된 부분적 개략도이다.
도 5는 다수의 수신 어퍼쳐(aperture)를 갖는 예시적인 FSO 수신기의 간략화된 부분적 개략도이다.

도 1을 참조하면, 예시적인 FSO 송신기는 둘 이상의 다이오드 레이저(30)의 광학 출력을 변조하기 위해 증폭 단(20) 이후에 인가되는 코딩된 전기 신호들을 생성하기 위한 데이터 인코더(10)를 포함한다. 도면에서 볼 수 있듯이, 파장 다중화기 및 망원경(telescope)의 기능들을 결합하는 광학 시스템(40)이 레이저들로부터의 광학 출력들을, 공간을 통해, 전형적으로는 대기를 통해, 수신기 쪽으로 투영되는 빔(50)으로 결합한다.

비록, 표현의 간략성을 위해 단지 하나의 투영된, 파장 다중화된 출력 빔(50)만이 도시되지만, 다수의 파장 다중화된 출력 빔들이 생성되는 구성들을 통해 공간적 다이버시티의 몇몇 이점들이 달성될 수 있음을 이해할 것이다. 이것은 예를 들면, 다수의 송신 어퍼쳐를 이용함으로써 수행될 수 있다.

도 1에 개념적으로 도시된 시스템의 다양한 대안적인 구현들이, 데이터 인코딩을 위한 알려진 기술들, 광학 신호 생성, 변조 및 증폭을 위한 알려진 기술들, 및 파장 다중화 및 하나 이상의 FSO 빔을 공간으로 투영하기 위한 망원경 배열들을 위한 알려진 구성들을 이용하는 본 기술 분야의 당업자에게 명백할 것이다. 예를 들어, AWG(arrayed waveguide) 및 MMI(multi-mode interference) 디바이스들과 같은 평면 도파관 기술을 이용하는 광학 다중화기들이 적어도 일부의 경우에 있어서 유용할 수 있다. 마찬가지로, EDFA(erbium-doped fiber amplifier)들과 같은 광 섬유 증폭기들이 적어도 일부의 경우에 있어서 유용할 수 있다.

10 Gbps 이상의 광학 송신 레이트를 위한 데이터 인코딩의 바람직한 방법들은 PSK, QAM 및 OFDM을 포함한다. 또한, 적어도 일부의 경우에 있어서, 코딩된 콘스텔레이션 심볼들(constellation symbols)이 공간-시간 매트릭스들(space-time matrices) 또는 파장-시간 매트릭스들에서, 또는 공간, 시간 및 파장에서 확장되는 매트릭스들 위에 배열되는 공간-시간 블록 코드 등을 이용하는 것이 바람직할 수 있다. (공간-시간 매트릭스는 다수의 출력 서브-어퍼쳐들 및 다수의 심볼 간격들에 걸쳐 신호를 분배한다. 파장-시간 매트릭스는 다수의 파장 서브채널들 및 다수의 심볼 간격들에 걸쳐 신호를 분배한다.)

도 2를 참조하면, 송신기로부터 입력되는 빔(60)에 대한 예시적인 FSO 수신기는 망원경 수집 시스템(70), 파장 역다중화기(80), 다이오드 광검출기들(diode photodetectors)(90), ADC(analog-to-digital converter)들(100) 및 DSP(digital signal processor)(110)를 포함한다. 도면에서 볼 수 있듯이, 역다중화기(80)는 입력되는 빔을, 상이한 파장 대역들을 점유하는 둘 이상의 서브 빔으로 분리한다. 각각의 서브 빔은 광검출기들(90) 중 하나에 의해 전기 신호로 변환된다. ADC들(100)에서, 코딩된 콘스텔레이션 심볼들이 복원되고, 이진 시퀀스들로 디맵핑(de-mapped)되며, 그러한 이진 시퀀스들은 DSP(110)에서 처리되어 출력 데이터 스트림(120)을 생성한다.

도 2에 개념적으로 도시된 시스템의 다양한 대안적인 구현들이, 데이터 디코딩을 위한 알려진 기술들, 광학 신호 검출 및 복조를 위한 알려진 기술들, 및 파장 역다중화 및 하나 이상의 FSO 빔을 수집하기 위한 망원경 배열들을 위한 알려진 구성들을 이용하는 본 기술 분야의 당업자에게 명백할 것이다. 예를 들어, 전술한 광학 다중화기들에 대응하는, 평면 도파관 기술을 이용하는 광학 역다중화기들이 적어도 일부의 경우에 있어서 유용할 수 있다.

도면에서 볼 수 있듯이, DSP는 다수의 입력 스트림들을 가지며, 각각의 입력 스트림은 각각의 서브 빔으로 역다중화되는 파장 채널들 중 하나에 대응한다. DSP는 이들 파장 채널들 중 적어도 2개, 그리고 바람직하게는 전부로부터의 상보적 정보를 이용하여, 출력 데이터 스트림(120)을 계산한다.

예를 들어, 중복 정보가 둘 이상의 파장 채널들 각각 상에서 송신될 수 있다. 그러한 경우, DSP는 소정의 기간에 대해 가장 강한 파장 채널 (또는 파장 채널들의 서브셋)을 선택할 수 있다. "가장 강한" 이라는 것은, 수신의 정확성이 가장 큰 확률을 제공하는 것을 의미한다. 세기는 신호대 잡음비, 적절한 파장 채널 상에서 송신된 파일럿 신호들로부터 결정된 에러 확률, 또는 다른 잘 알려진 수단에 의해 측정될 수 있다. 특정 채널 선택이 계속되는 기간은, 예를 들면, 일부 경우에 수 밀리초일 수 있는 전파 환경의 코히어런스 시간의 측정에 의해 결정될 수 있다. 그러한 방안에 따르면, 상이한 파장 채널들에서의 정보는, 하나의 채널에서 약하게 수신되는 동일한 정보는 다른 채널에서는 보다 강하게 수신될 수 있다는 의미에서 "상보적" 이다.

상이한 파장 채널들에서의 정보는, 상이한 채널들은 별개의 데이터 스트림들을 운반하기 때문에 또한 "상보적" 일 수 있다. 즉, 도 1의 데이터 인코더(10)는 데이터 스트림의 상이한 부분들을 상이한 파장 채널들에 할당하도록 동작할 수 있다. 그와 같이 할당된 부분들은 완전히 별개의 것일 수 있으며, 또는 중복 코딩에 의해, 부분적으로 중첩되는 데이터를 포함할 수 있다.

적어도 일부 경우에 있어서, DSP(110)가 다이버시티 수신기를 구현하는 것이 바람직할 것이다. 다이버시티 수신기에서, DSP로 입력되는 각각의 데이터 스트림들(130.1, ..., 130.n)에 상이한 가중치들(weights)이 할당된다. 가중치들의 세트는 송신기로부터 수신된 파일럿 신호들에 기초하여, 에러 확률을 최소화하도록 계산된다. 그러한 경우, 상이한 주파수 채널들 상의 정보는, 그것의 할당된 가중치에 따라 DSP에서 결합될 때, 각각의 채널이 최적화된 수신 신호에 기여하기 때문에, "상보적" 이다.

적어도 일부의 경우에 있어서, DSP(110)가 공간-시간 매트릭스들, 주파수-시간 매트릭스들 등으로부터의 신호를 복원하도록 MIMO 기술들을 구현하는 것이 바람직할 것이다. 이하에 후술되는 바와 같이, 그러한 처리는 예를 들면, 송신기로부터 수신된 파일럿 신호들을 이용하여 행해진 측정들로부터 얻어진 전파 계수들을 이용하는 것을 포함할 수 있다. 분리된 파일럿 신호들이 상이한 파장 채널들 상에서 뿐만 아니라 상이한 송신기 서브어퍼쳐들(sub-apertures) 상에서 송신될 수 있다. 마찬가지로, 파일럿 신호들은 상이한 수신기 서브어퍼쳐들에서 수신될 수 있다. 따라서, 전파 계수들의 매트릭스가 각각의 파장 채널에 대해 결정될 수 있다. 각각의 그러한 매트릭스 내에서, 주어진 계수는 주어진 송신기 서브어퍼쳐와 주어진 수신기 서브어퍼쳐 사이의 위상 지연 및 감쇠를 나타낸다. 그러한 매트릭스 정보의 이용에 대해서는 이하에 더 기술될 것이다.

도 3을 참조하면, 도 2의 수신기 배열의 세부사항은 코히어런트 검출을 가능하게 하도록 위상 정보를 광검출기(90)에 제공하는 국부 발진기(140)를 포함한다. 코히어런트 검출은 수신된 광학 신호의 위상이 수신기에서 고려되는 경우에 필요하다. 이것은 PSK, QAM, 및 다른 진보된 변조 포맷들 뿐만 아니라, 이하에 후술되는 전파 계수들을 고려하는 MIMO 처리에 대해 중요한 것이다. (본 기술 분야의 당업자라면 코히어런트 검출의 경우, 광학 하이브리드가 광검출기(90) 직전의 수신기 배열에 전형적으로 포함됨을 이해할 것이다. 표현의 간략성을 위해, 광학 하이브리드는 도면으로부터 생략되었다.)

도 3은 역다중화기(80)로부터의 광을 복수의 개별적인 섬유 끝면(endface)들 내로 수집하고, 그것을 광검출기(90)에 대한 입력을 위해 단일 출력 섬유로 집속시키는 (실제 축적으로 도시되지 않은) 테이퍼형 섬유 다발(tapered fiber bundle)(150)을 또한 도시한다. 이것은 비교적 큰 광학 어퍼쳐가 광학 신호를 수집하기 위해 제공됨을 의미한다. 따라서, 예를 들면, 효과적인 검출을 위해, 수집된 광을 단일 모드 출력 섬유로 효율적으로 연결하기 위해 단열 테이퍼(adiabatic taper)를 이용하는 알려진 테이퍼형 섬유 다발들이 존재한다. 이러한 기술에 의해 제공되는 큰 어퍼쳐의 한 가지 이점은, 빔 위치 변동에 대한 보다 큰 허용오차를 제공한다는 것이다.

다른 실시예들에서, 테이퍼형 섬유 다발은 (광학 망원경의 초점에서의) 큰 코어(core)로부터 작은 코어로 점점 가늘어지는 단일 섬유에 의해 대체됨으로써, 광을 단일 모드 (작은 코어) 출력 섬유로 단열적으로 유도할 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같은 요소들의 배열은 개념적으로, 그리고 여러 가지의 가능한 대안적 구현들을 나타내는 것으로서 이해되어야 한다.

넓은 의미에서, 도 3이 나타내고자 하는 원리들 중 하나는, 빔 위치 변동의 해로운 영향들을 완화시키는데 있어 테이퍼형 섬유가 유용하다는 것이다. 즉, 빔 위치 변동은(그리고 어느 정도까지는 파면 왜곡 또한) 광학 시스템의 초점 스폿(focal spot)을 희미하게 하는(smear out) 경향이 있다. 만약, 광학 시스템의 초점 평면들 중 하나에서, 수집된 광이 테이퍼형 섬유 또는 테이퍼형 섬유 다발의 넓은 어퍼쳐 내로 주입된다면, 광은 집속된 스폿으로 단열적으로 리턴될 수 있다. 이하에 후술되는 도 4에 도시된 바와 같이, 그러한 테이퍼는 파장 역다중화기로부터 수집될 개별적인 파장 채널들 각각에 대해 복제될 수 있다.

따라서, 테이퍼형 섬유 또는 섬유 다발의 진입 단부(entrance end)에 대해, 큰 유효 코어를 갖는 것이 바람직하고, 섬유 다발은 구성 섬유들의 코어들의 유효 합산인 전체 코어를 이용하여 이것을 달성하고, 대안은 (처음에) 비교적 큰 코어를 갖는 테이퍼형 단일 섬유를 이용하는 것임을 이해할 것이다. 적어도 일부 경우에 있어서, 단일의 테이퍼형 섬유를 이용하는 방안이 가장 바람직할 수 있는데, 그 이유는, 단일의 섬유가 어퍼쳐의 클래딩 커버링 부분(cladding covering part)으로 인한 광학적 손실을 덜 겪기 때문이다. 또한, 단일 섬유 테이퍼는 다발을 구성하는 섬유들 사이의 간섭을 완화시키기 위해 테이퍼형 섬유 다발 상에 도입될 필요가 있을 수 있는 까다로운 경로-길이 허용오차들이 없기 때문에 제조가 더 간단할 수 있다.

전술한 바와 같이, 빔 위치 변동 및 파면 왜곡 둘다 통신 시스템의 성능을 저하시키는 경향이 있는 바람직하지 못한 현상이다. 파면 왜곡은 데이터 레이트가 증가함에 따라 더욱 손상을 초래하게 되는데, 전파 파면에서의 결과적인 확산이 변조된 광 빔에서의 연속적인 펄스들 사이의 간격에 필적할만한 정도로 될 수 있기 때문이다.

파면 왜곡의 영향들을 효과적으로 완화시킬 수 있도록 하기 위해, 1 코히어런스 길이(coherence length)보다 작은 검출기를 위한 유효 광학 어퍼쳐를 이용하거나, 또는 전체 어퍼쳐를 각각 그 자신의 검출기 또는 검출기들을 갖는 서브어퍼쳐들로 세분하는 것이 바람직하다. 또한, 바람직하게 각각의 서브어퍼쳐는 개별적인 검출기 또는 검출기들 이전에 위치된 그 자신의 파장 역다중화기를 구비한다.

도 3은 테이퍼에 대한 (즉, 테이퍼형 섬유 또는 테이퍼형 섬유 다발에 대한) 입구가 파장 역다중화기(80)의 다운스트림에 위치하는 광학 시스템의 초점 포인트에 위치되는 배열을 도시하는 것을 볼 수 있다. (이와 관련하여, 자유 공간 광통신 디바이스들을 대표하는 복합 광학 시스템들은 일반적으로 다수의 초점들을 가짐으로써, 망원경의 초점 스폿이 다수회 리맵핑된다는 것을 주지해야 한다.)

대안적인 배열에서, 파장 역다중화기는 테이퍼의 다운스트림에 위치된다. 특히, 단일 섬유 테이퍼에 대한 입구를 망원경의 초점 평면에 위치시키고, 수집된 광을 테이퍼형 섬유를 통해 단일 모드 파장 역다중화기로 지향시키는 것이 바람직할 수 있다. 그러한 디바이스들은 컴팩트하고, 알려진 기술들을 이용하여 쉽게 제조될 수 있기 때문에 바람직하다. 단일 모드 섬유들은 파장 역다중화기로부터의 출력 신호들을 개별적인 광검출기들로 라우팅하는데 이용될 수 있다.

그러나, 그러한 배열은 단일의 큰 어퍼쳐가 테이퍼 내로 주입된 광을 수집하는데 있어 허용되도록, 파면 왜곡이 보다 덜 영향을 미칠 때에 가장 적절할 수 있다.

보다 큰 파면 왜곡의 경우들은 망원경의 초점 평면에서 (예를 들면, 섬유 테이퍼 다발을 이용함으로써) 다수의 섬유 테이퍼를 이용하는 것에 의해 처리될 수 있다. 그러한 경우들에 있어서, 다수의 섬유 테이퍼는 초점 스폿을, 각각 단일 섬유 테이퍼의 경우와 동일한 방식으로 처리될 수 있는 코히어런트 서브 패치들(coherent sub-patches)의 세트로 효과적으로 분할한다. 그 다음, 각각의 섬유 테이퍼 이후에 단일 모드 파장 역다중화기 및 개별적인 파장들에 대한 검출기들이 뒤따른다.

광학 신호들이 전기 신호들로 변환되면, 파면 왜곡이 서브 패치들에 걸쳐서 및 파장들에 걸쳐서 측정될 수 있고, 그것은 교정될 수 있다. 이것은 전자 영역(electronic domain)에서의 적응적 광학의 구현을 가능하게 한다. 더욱이, 그러한 전자 기반 적응적 광학은, 진폭 및 위상이 각각의 파장에 대해 독립적으로 제어되도록 허용하기 때문에, 종래의 적응적 광학보다 더 융통성이 있다. 이것은, 이번에는, 파면 왜곡들에 대한 보다 특정적인 보상을 가능하게 한다.

도 4는 FSO 빔을 수신기(170)로 투영하는 송신기(160)를 도시한다. (앞의 도면들에서 대응부분들을 갖는 도 4의 일부 요소들은 유사한 참조번호로 표시된다.) 빔의 2개의 파면들(180, 190)이 도 4에 도시된다. 파면은 일정한 위상의 표면이다. 도면에서 볼 수 있듯이, 파면들은 대기 난기류의 셀들(200)을 통해 통과함에 따라 왜곡된다. 위상 왜곡의 양은 파장에 의존하기 때문에, 상이한 파장 채널들에서의 신호들은 상이한 위상 왜곡들을 겪는다. 충분한 거리를 통해 전파한 후에, 각각의 파장 채널들에서의 위상 왜곡들은 상호 무상관(decorrelated)으로 된다. 그러한 무상관은 수신기에서의 소정의 이득들을 달성할 수 있도록 하며, 전술한 바와 같이, 그것은 둘 이상의 별개의 파장 채널들 상에서의 분리된 광검출을 수행한다.

도 5는 수집 렌즈(collection lens)(210)가 수집된 광을 다중모드 퓨즈드(multimode fused) 섬유 다발(220)의 큰 어퍼쳐 면 상으로 지향시키는 수신기의 세부사항을 도시한다. (앞의 도면들에서 대응부분들을 갖는 도 5의 일부 요소들은 유사한 참조번호로 표시된다.) 섬유 다발은 수집된 광을 복수의 단일 모드 섬유들로 분배하며, 단일 모드 섬유들 각각은, 예를 들면, EDFA인 전치증폭기(230) 및 코히어런트 광검출기(240)를 포함하는 개별적인 검출 체인에서 종료된다. 본 기술 분야의 당업자라면, 유사한 배열이 반대로 동작, 즉, 다수의 광검출기 상으로 지향된 광의 수신기 대신에 다수의 레이저 소스들에 의해 방사된 광의 송신기로서 동작할 수 있음을 이해할 것이다.

송신기로서 동작할 때, 그러한 배열은 다수의 공간 다이버스 서브 빔들(spatially diverse sub-beams)에서 운반된 신호들의 (다양한 것들 중에서의) 하나의 가능한 소스이다. 공간 다이버시티는 (송신 또는 수신시의) 개별적인 서브 빔들에 대한 유효 어퍼쳐들 사이의 분리가 적절한 코히어런스 길이와 비교할 만하거나 또는 그보다 클 때 가장 효과적이다. 예를 들어, 적절한 코히어런스 길이는 송신 또는 수신 망원경 각각의 객체 또는 이미지 평면에서의 왜곡된 파면의 코히어런스 길이일 수 있다.

코히어런스 길이들은, 이하에 기술되는 난기류 매체에서의 2-주파수 상호 코히어런스 기능들의 이론으로부터 쉽게 계산된다.

본 기술 분야의 당업자라면, 공간 다이버시티는, 예를 들면, 도 5의 배열에 따른 다수의 어퍼쳐들을 갖는 송신기 및 수신기가 짝을 이루도록 함으로써 송신 및 수신 둘다에서 달성될 수 있음을 더 이해할 것이다. 그러한 경우, 송신 어퍼쳐 i 및 수신 어퍼쳐 j로 구성되는 각 쌍에 대해 복소 전파 계수 h_ij가 존재할 것이다. 언급한 바와 같이, 각각의 전파 계수는 개별적인 상쇠 값 및 위상 지연을 나타낸다. 충분한 전파 거리들에 대해, 다양한 전파 계수들 h_ij가 상호 무상관될 것이다. NxM MIMO 구성으로서 N 송신 어퍼쳐들 및 M 수신 애퍼처들이 있는 구성을 참조한다.

전파 계수들은 무선주파수 MIMO 기술에 정통한 사람들에게 잘 알려진 방법들에 따른, 광학 파일럿 신호들의 코히어런트 검출을 이용하여 측정될 수 있다. 일반적으로, 전파 계수들은 대기 전파 채널의 코히어런스 시간에 대한 준정적(quasi-static)인 것으로서 처리될 수 있다.

MIMO의 분야에 잘 알려진 바와 같이, 심볼 간격 동안의 송신 어퍼쳐들의 광학 출력들은 벡터 x로서 기술될 수 있으며, 수신 어퍼쳐들에서의 광학 입력들은 벡터 y로서 기술될 수 있다. 그러한 표기법에서, 각각의 송신 어퍼쳐들과 각각의 수신 어퍼쳐들 사이의 연결은 매트릭스 H에 의해 기술될 수 있으며, 매트릭스 H의 엔트리들은 전파 계수들 h_ij이다. 따라서, 전술한 위상 왜곡들에 의해 초래된 광학 페이딩의 영향들을 포함하는, 주어진 수신 어퍼쳐에 도달하는 전체 광학 신호는 주어진 수신 어퍼쳐에 대응하는 H의 해당 열의 x배(x가 행 벡터로서 취해지는 경우)의 벡터곱으로서 표현될 수 있다. 동일한 사항이 다수의 수신 어퍼쳐의 각각에서도 일반적으로 해당된다.

한 가지 결과는, H가 효과적으로 반전될 수 있는 경우, (각각의 공간 서브 빔에 대해 평균된) 대기 난기류에 의해 초래된 왜곡들이 수치 처리를 통해 교정될 수 있으며, 사실상, 왜곡되지 않은 파면들이 복원될 수 있다. 페이딩으로 인한 신호 손실은 적어도 부분적으로 역으로 될 수 있으며, 보다 강한 신호가 복원될 수 있다.

일례에서, 단일 송신 스트림이 송신된다. 그것은 단일 송신 어퍼쳐로부터 또는 다수의 송신 어퍼쳐로부터 송신될 수 있다. 단일 송신 스트림의 경우, 매트릭스 H는 단일 행으로 감소되고, 수신된 신호의 적절한 처리는 개별적인 수신 어퍼쳐들 또는 서브어퍼쳐들로부터 수신된 신호의 다양한 버젼들의 코히어런트 조합과 동등하다. 이론적으로, 이것은 적응적 광학을 이용하여 찾아지는 결과에 대응한다. 그러나, 본원에서의 방안은 제어 루프를 이용하지 않고서 이러한 결과를 달성할 수 있으며, 그것은 수신된 신호들의 진폭 및 위상 둘다를 조절할 수 있다.

더욱이, 본원에서의 방안은 전파로 인한 시간 지연이 심볼 지속기간에 비하여 큰 경우들에 적용될 수 있다. 그러한 경우들은, 일반적으로, 적응적 광학의 전통적인 방법들에 의해 적절하게 처리되지 않는다.

H의 효과적인 반전을 달성하기 위한 다수의 기법들이 무선주파수 MIMO의 분야에서 잘 알려져 있으며, 그들은 또한 본 명세서에서 기술된 바와 같은 광학 MIMO에 적용될 수 있다.

본 명세서에서 기술된 광학 MIMO 기법들은 단일 파장 채널에, 또는 임의의 수의 파장 서브채널들에 적용될 수 있다.

전술한 바와 같이, 난기류 매체에서의 2-주파수 상호 코히어런스 기능들의 이론은 코히어런스 길이들을 계산하기 위한 프레임워크를 제공한다. 또한, 동일한 이론이 (상관 또는 무상관 대역폭 이라고도 지칭되는) 코히어런스 대역폭을 계산하기 위한 프레임워크를 제공한다. 예를 들어, 강한 신틸레이션의 경우에 대한 코히어런스 대역폭의 이론적인 계산은, A. Ishimaru, Wave Propagation and Scattering in Random Media , Volume 2 (1978) 424-426에 제공되어 있다. 약한 신틸레이션의 경우에 대한 이론적인 계산은, L. Andrews 및 R.L. Phillips, Laser Beam Propagation through Random Media (1998) 150-152에 제공되어 있다.

본 기술 분야의 당업자라면, 효과적인 동작을 위해, 다양한 서브 빔들에 할당된 개별적인 파장 대역들 사이의 간격은 적어도 코히어런스 대역폭이 되어, 서브 빔들 사이의 파장 기반 무상관이 발생될 수 있어야 함을 이해할 것이다. 또한, 본 기술 분야의 당업자라면 서브 빔들에 의해 확장된 전체 대역폭은 수신기의 증폭 대역폭 내에 놓여야 함을 이해할 것이다. 따라서, 증폭 대역폭은 파장 간격에 대해 상한을 부과한다.

또한, 코히어런스 대역폭은 평균 파장, 범위(즉, 송신 거리), 및 송신 경로에서의 난기류의 레벨에 의존함을 이해할 것이다. 따라서, 주어진 범위 및 난기류 레벨에 대해, 위에서 기술된 제약들이 적절한 광학 증폭기들을 이용하여 만족될 수 있도록 평균 파장을 선택하는 것이 바람직하다.

Claims

적어도 하나의 자유 공간 광학 빔을 수집하는 단계와,
상기 빔을 파장에 의해 둘 이상의 서브 빔(sub-beam)으로 역다중화(demultiplexing)하는 단계와,
전기 출력을 생성하기 위하여 상기 서브 빔 각각을 검출하는 단계와,
상기 출력 중 적어도 2개로부터의 상보적 정보(complementary information)를 이용하여 신호를 복원하는 단계를 포함하는
방법.
제1항에 있어서,
상기 서브 빔의 각각 상에서 파일럿 신호를 수신하는 단계를 더 포함하고, 상기 복원하는 단계는 상기 수신된 파일럿 신호를 이용하여 실행되는
방법.
제1항에 있어서,
상기 역다중화하는 단계 이후에, 상기 서브 빔 각각을 둘 이상의 공간적으로 분리된 서브어퍼쳐(two or more spatially separated subapertures)의 어레이 상으로 지향시키는 단계를 더 포함하고, 상기 검출하는 단계는 상기 서브어퍼쳐 각각에서 수집된 광을 개별적으로 검출함으로써, 각각의 파장 역다중화된 서브 빔에 대해, 적어도 2개의 상기 서브어퍼쳐 각각에 대해 하나의 구성요소를 갖는 다중 구성요소 전기 출력을 생성하는 것을 포함하는
방법.
광학 망원경과,
상기 망원경에 의해 선택된 광을, 상이한 파장 대역들을 점유하는 서브 빔으로 분리하도록 배열된 파장 역다중화기와,
각각의 서브 빔을 전기 출력으로 변환하도록 배열된 검출기 단과,
상기 서브 빔의 출력 각각에 대해 수신 관계에 있으며, 적어도 2개의 상기 서브 빔의 출력으로부터의 상보적 정보를 이용하여 신호를 복원하도록 구성된 수신기를 포함하는
장치.
각각의 서브어퍼쳐에 대해 하나의 서브 빔이 정의되도록 적어도 하나의 자유 공간 광학 빔을 둘 이상의 공간적으로 분리된 서브어퍼쳐의 어레이 상으로 수집하는 단계와,
전기 출력을 생성하기 위하여 상기 서브 빔 각각을 검출하는 단계와,
상기 출력 중 적어도 2개로부터의 상보적 정보를 이용하여 신호를 복원하는 단계를 포함하는
방법.
제5항에 있어서,
상기 서브 빔 각각 상의 파일럿 신호를 수신하는 단계를 더 포함하고, 상기 복원하는 단계는 상기 수신된 파일럿 신호를 이용하여 실행되는
방법.
제6항에 있어서,
상기 복원하는 단계는, 복수의 시간 간격의 각 시간 간격 동안, 상기 서브 빔의 출력을 상기 수신된 파일럿 신호로부터 도출된 개별적인 가중치로 가중화하는(weighting) 것을 포함하는
방법.
제7항에 있어서,
상기 수신된 파일럿 신호로부터 전파 계수가 계산되고, 상기 가중치는 전파 계수의 매트릭스를 효과적으로 반전시키는(invert) 절차를 이용하여 도출되는
방법.
제5항에 있어서,
상기 수집하는 단계는 둘 이상의 자유 공간 광학 빔을 상기 서브어퍼쳐의 어레이 상으로 수집하는 것을 포함하고, 상기 수집된 빔 각각은 원격적으로 위치된 광학 송신기의 둘 이상의 출구 서브어퍼쳐(two or more exit subapertures) 중 하나를 나타내는
방법.
광학 망원경과,
둘 이상의 공간적으로 분리된 입구 서브어퍼쳐(two or more spatially separated subapertures)의 어레이 - 서브어퍼쳐 각각은 개별적인 서브 빔을 정의함 - 와,
각각의 서브 빔을 전기 출력으로 변환하도록 배열된 검출기 단과,
상기 서브 빔의 출력 각각에 대해 수신 관계에 있으며, 적어도 2개의 상기 서브 빔 출력으로부터의 상보적 정보를 이용하여 신호를 복원하도록 구성된 수신기를 포함하는
장치.