KR20180023585A

KR20180023585A - 수중 조명, 조사, 및 무선 광 통신을 위한 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR20180023585A
Application number: KR1020160109162A
Authority: KR
Inventors: 에스. 우이 분; 쉬엔 차오; 엠. 오우베이 하산; 잔주아 빌랄; 크히 응 티엔
Original assignee: 킹 압둘라 유니버시티 오브 사이언스 앤드 테크놀로지
Priority date: 2016-08-26
Filing date: 2016-08-26
Publication date: 2018-03-07
Also published as: KR102500054B1

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.

Description

수중 조명, 조사, 및 무선 광 통신을 위한 시스템 및 방법{SYSTEMS AND METHODS FOR UNDERWATER ILLUMINATION, SURVEY, AND WIRELESS OPTICAL COMMUNICATIONS}

본 개시의 실시예는 수중 광 통신 및 조명 시스템을 개시한다.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

하나 이상의 실시예의 세부 사항은 아래의 설명에 명시된다. 다른 특징, 목적 및 이점은 아래의 설명으로부터 그리고 청구항으로부터 명백할 것이다.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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/Hz^½의 잡음 등가 전력(noise equivalent power, NEP)을 갖는 광검출기(14)(Menlo Systems APD210)에 의해 수신된다.

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) 2^10-1 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Claims

수중 조명원 및 데이터 통신 시스템을 제공하는 방법으로서, 상기 방법은,
수중 활동 동안 관심의 수중 영역을 조명하기 위해 충분한 강도와 지속 기간의 조명 영역을 제공하기 위한 하나 이상의 레이저 다이오드를 구동하는 신호를 생성하는 단계; 및
관심의 수중 영역 내에 또는 이로부터 멀리 정보를 전달하기 위해 광통신 시스템 내에서 상기 하나 이상의 레이저 다이오드를 이용하는 단계를 포함하고, 상기 이용 단계는,
원격 수중 위치를 향해 상기 하나 이상의 레이저 다이오드로부터 광의 적어도 일부를 광학적으로 전달하는 단계; 및
상기 원격 수중 위치에서 상기 광학적으로 전달된 광의 적어도 일부를 수신하고 및 상기 수중 활동 동안 광학적으로 전달되는 데이터 스트림을 생성하기 위해 수신된 광을 정보 신호로 더 처리하는 단계를 포함하는 방법.
제1항에서,
상기 관심의 조명 영역은 수중 이동체, 잠수부, 해저 또는 해양 구조물을 포함하는 방법.
제2항에서,
상기 광학적으로 전달하는 단계는 광 빔을 집속하는 단계 및 원격 수중 위치를 향해 집속된 광 빔을 전달하는 단계를 포함하는 방법.
제3항에서,
상기 집속된 광 빔은 다수의 평행한 빔을 의미하는 방법.
제4항에서,
상기 수신 단계는 실리콘 기반 애벌란시 포토다이오드(silicon-based avalanche photodiode) 상에 광 빔을 전달하는 단계를 포함하는 방법.
제1항에서,
상기 광통신 시스템은 스펙트럼 효율적인 변조 방식을 포함하는 방법.
제6항에서,
상기 변조 방식은 QAM-OFDM을 포함하는 방법.
제1항에서,
상기 하나 이상의 레이저 다이오드는 다수의 자색광 또는 청색광 레이저를 포함하고, 상기 다수의 자색광 또는 청색광 레이저로부터의 광을 백색광으로 색 변환하기 위해 인광 물질(phosphor material)이 사용되는 방법.
수중 광 시스템으로서, 상기 광 시스템은,
데이터 스트림을 수신하고 광원을 제어하여 광 신호를 제공하는 송신 모듈;
원격 수중 위치를 향해 상기 광 신호를 집속하고 전달하기 위한 수신 렌즈; 및
상기 광원에 근접해서 수중 활동을 수행하기 위해 충분한 강도와 지속 시간의 광으로 관심의 영역을 상기 광원이 동시에 조명하는 동안 데이터 스트림을 생성하도록 광 신호를 수신하고 처리하기 위한 원격 위치에서의 수신 모듈을 포함하는 광 시스템.
제9항에서,
상기 수신 모듈은 실리콘 애벌란시 포토다이오드를 향해 광 신호를 집속하기 위한 수신 렌즈를 포함하는 광 시스템.
제9항에서,
상기 광원은 수중 이동체 또는 구조물 또는 잠수부 상에 수용되는 광 시스템.
제9항에서,
상기 광원은 다수의 자색광 내지 청색광 레이저를 포함하는 광 시스템.
제9항에서,
상기 송신 모듈은 데이터 전달 속도를 높이기 위해 스펙트럼 효율적인 변조 방식으로 데이터 스트림을 처리하는 광 시스템.