There is no doubt that adaptive optics (AO) is the most promising method to compensate wavefront disturbance in free space optics communication (FSO). In order to improve the performance of the AO system described by discrete-time linear system model with time-delay and implicit phase turbulent model, new controllers based on a Kalman filter and its extensions are proposed. Based on the standard Kalman filter, we propose a fading memory filter to deal with the ruleless strong interference; sequential and U-D filters are applied to reduce implementation complexity for the embedded controllers. Theoretical analysis and the numerical simulations show that the proposed fading memory filter can upgrade the performance for AO systems in consideration of the unforeseen strong pulse interference, and the sequential and U-D filters perform well compared with a Kalman filter.
In a free-space coherent optical communication system, wavefront distortion is frequently beyond the correction range of the adaptive-optics system after the laser has propagated through the atmospheric turbulence. A method of residual wavefront correction is proposed, to improve the quality of coherent optical communication in free space. The relationship between the wavefront phase expanded by Zernike polynomials and the mixing efficiency is derived analytically. The influence of Zernike-polynomial distortion on the bit-error rate (BER) of a phase-modulation system is analyzed. From the theoretical analysis, the BER of the system changes periodically, due to the periodic extension of wavefront distortion. Experimental results show that the BER after correction is reduced from 10-1 to 10-4; however, when the closed-loop control algorithm with residual correction is used, the experimental results show that the BER is reduced from 10-1 to 10-7.
Adaptive Optics (AO) was first studied in the field of astronomy, and its applications have been extended to the field of laser, microscopy, bio, medical, and free space laser communication. AO modelling and simulation are required throughout the system development process. It is necessary not only for proper design but also for performance verification after the final system is built. In KASI, we are trying to develop the AO Python Package for AO modelling and simulation. It includes modelling classes of atmosphere, telescope, Shack-Hartmann wavefront sensor, deformable mirror, which are the components for an AO system. It also includes the ability to simulate the entire AO system over time. It is being developed in the Super Eye Bridge project to develop a segmented mirror, an adaptive optics, and an emersion grating spectrograph, which are future telescope technologies. And it is planned to be used as a performance analysis system for several telescope projects in Korea.
In wave-front-sensor-less adaptive optics (WFS-less AO) systems, the Jacopo Antonello (JA) method belongs to the model-based class and requires few iterations to achieve acceptable distortion correction. However, this method needs a lot of measurements, especially when it deals with moderate or severe aberration, which is undesired in free-space optical communication (FSOC). On the contrary, the stochastic parallel gradient descent (SPGD) algorithm only requires three time measurements in each iteration, and is widely applied in WFS-less AO systems, even though plenty of iterations are necessary. For better and faster compensation, we propose a WFS-less hybrid approach, borrowing from the JA method to compensate for low-order wave front and from the SPGD algorithm to compensate for residual low-order wave front and high-order wave front. The correction results for this proposed method are provided by simulations to show its superior performance, through comparison of both the Strehl ratio and the convergence speed of the WFS-less hybrid approach to those of the JA method and SPGD algorithm.
This paper investigates the performance of a hybrid single input multiple output radio frequency/free-space optics (SIMO-RF/FSO) communication system. Each SIMO-RF link is modeled as an independent and identically distributed (i.i.d.) Rayleigh distribution, while the FSO link follows a generalized $M{\acute{a}}laga$ (M) distribution. Considering the fixed gain amplify-and-forward (AF) relay and misalignment errors, novel expressions for the outage probability (OP), average bit error rate (ABER) and average capacity are derived. Numerical results show that atmospheric turbulence and misalignment errors can seriously impair the system performance, and the hybrid RF/FSO communication system using SIMO-RF links can greatly improve system performance. We also analyze system performance under different types of modulation schemes. Numerical results are verified by Monte Carlo simulations.
To handle the servo delay in a real-time adaptive optics system, a linear subspace system identification algorithm was employed to model the system, and the accuracy of the system identification was verified by numerical calculation. Experimental verification was conducted in a real test bed system. Through analysis and comparison of the experimental results, the convergence can be achieved only 200 times with prediction and 300 times without prediction. After the wavefront peak-to-valley value converges, its mean values are 0.27, 4.27, and 10.14 ㎛ when the communication distances are 1.2, 4.5, and 10.2 km, respectively. The prediction algorithm can effectively improve the convergence speed of the peak-to-valley value and improve the free-space optical communication performance.
We derived the average bit error rate (BER) of coherent free-space optical (FSO) systems with digital binary phase shift keying (BPSK) modulations over atmospheric turbulence channels with a gamma-gamma distribution. To obtain a generalized derivation in a closed-form expression, we used special integrals and transformations of the Meijer G function. Furthermore, we numerically analyzed and simulated the average BER behavior according to the average SNR for different turbulence strengths. Simulation results are demonstrated to confirm the analytical results.
Degradation of bit-error-rate (BER), caused by atmospheric turbulence, seriously hinders the performance of coherent Free Space Optical (FSO) communication systems. An adaptive optics system proves to be effective in suppressing the atmospheric turbulence. The holographic modal wavefront sensor (HMWFS) proposed in our previous work, noted for its fast detecting rates and insensitivity to beam scintillation, is applied to the coherent FSO communication systems. In this paper, based on our previous work, we first introduce the principle of the HMWFS in brief and give the BER of the coherent FSO with homodyne detection in theory, and then analyze the improvement of BER for a coherent FSO system based on our previous simulation works. The results show that the wavefront sensor we propose is better for weak atmospheric turbulence. The most obvious advantages of HMWFS are fast detecting rates and insensitivity to beam scintillation.
Journal of Electrical Engineering and information Science
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v.3
no.2
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pp.151-157
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1998
Free-space optical interconnection networks can be classified into two types, space variant and space invariant, according to the degree of space variance. In terms of physical implementations, the degree of space variance can be interpreted as the degree of sharing beam steering optics among the nodes of a given network. This implies that all nodes in a totally space-invariant network can share a single beam steering optics to realize the given network topology, whereas, in a totally space variant network, each node requires a distinct beam steering optics. However, space invariant networks require mechanisms for distinguishing the origins of incoming signals detected at the node since several signals may arrive at the same time if the node degree of the network is greater than one. This paper presents a signal source encoding scheme for distinguishing incoming signals efficiently, in terms of the number of detectors at each node or the number of unique wavelengths. The proposed scheme is solved by developing a new parallel genetic algorithm called distributed asynchronous genetic algorithm (DAGA). Using the DAGA, we solved signal distinction schemes for various network sizes of several topologies such as hypercube, the mesh, and the de Brujin.
The Journal of Korean Institute of Communications and Information Sciences
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v.16
no.4
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pp.326-334
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1991
We propose an optical Asynchronous Transfer Mode(ATM) switching system using free-space optics and an output buffer memory. The distributor system in the switching fabric was analyzed using the Huygens-Fresnel principle and lens transformation. For monochromatic illumination, a pattern similar to the Fourier transform of the input distribution was observed across the output plane. A spatially broadened intensity distribution across the the output plane can be expected when the system is illminated with a partially coherent, quasimonochromatic beam. Spatially coherent pulses as short as 100fs can propagate through the distributor without severe spatial broadening.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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