Adaptive optics corrections in improving the beam spread in underwater turbulent medium

Abstract

Optik sistemlerin düşük gecikme ile yüksek veri hızlarında iletim sağlama avantajına sahip olması nedeniyle, su altı kablosuz optik iletişiminin popülaritesi son zamanlarda artmıştır. Bununla birlikte, UWOC sert çevre koşulları nedeniyle zorludur ve okyanus ortamındaki ana etkilerden biri türbülanstır. Türbülans, ışın yayılımında artışa neden olur ve UWOC'nin performansını düşürür. Bu tezde, okyanus türbülansında Gauss ışınları için uyarlanabilir optik düzeltmenin etkinliği incelenmiştir. Uyarlanabilir optik yöntemi ile ışın boyutu ve ışın yayılımı incelenmiştir. Işın boyutundaki ve ışın yayılımındaki azalmalar, uyarlanabilir optik düzeltmenin türbülansın neden olduğu sinyal bozulmalarını azaltmak için çok etkili bir yöntem olduğunu göstermektedir. Sualtı türbülansının etkisi araştırılırken, okyanustaki güç spektrumunun homojen ve izotropik olduğu varsayılır. Işık şiddeti yoğunluğu, genişletilmiş Huygens-Fresnel ilkesi uygulanarak elde edildi. Işın boyutu ve ışın yayılımı, Carter'ın tanımı kullanılarak gözlemlendi. Uyarlanabilir optik düzeltmelerinin piston, eğim, odak ve astigmatizma bileşenleri, türbülanslı okyanus ortamında ışın boyutuna ve ışın yayılımına uygulandı. Işın boyutundaki ve ışın yayılmasındaki azalma, sıcaklığın tuzluluğa oranının kırılma indisi spektrumuna katkılarına, ortalama kare sıcaklığın dağılma hızına, sıvının birim kütlesi başına kinetik enerjinin dağılma hızına, iç ölçeğe, alıcı açıklık çapına, bağlantı uzunluğuna, kaynak boyutuna ve dalga boyuna karşı değerlendirildi. Bu azalma adaptive optik metodu kullanılarak ve kullanılmayarak mukayese edildi. MATLAB programı kullanılarak grafikler sunulmuş ve hesaplamalar yapılmıştır. Bu tezde, sualtı türbülanslı ortamda ışın yayılımı için en uygun koşulların sağlanması ve UWOC performansının artırılması amaçlanmıştır.

The popularity of the underwater wireless optical communication has increased recently because optical systems have the advantage of providing transmission at high data rates with low latency. However, UWOC is challenging due to harsh environmental conditions and one of the main effects of in oceanic medium is the turbulence. Turbulence causes increase in the beam spread which reduces the performance of the UWOC. In this thesis, the effectiveness of adaptive optics correction for Gaussian beams in oceanic turbulence is studied. The beam size and beam spread were examined with adaptive optics method. The reductions in beam size and beam spread indicate that the adaptive optics correction is a very effective method for reducing the turbulence-caused signal degradations. When investigating the effect of underwater turbulence, the power spectrum in the oceanic medium is supposed to be isotropic and homogeneous. Using the extended Huygens Fresnel principle, average intensity is found. The beam size and beam spread were observed utilizing Carter's definition. Piston, focus, tilt and astigmatism components of adaptive optics corrections were utilized to find the beam size and the beam spread in turbulent oceanic medium. The reduction in the beam size and beam spread was investigated against the ratio of temperature to salinity contributions to the refractive index spectrum, rate of dissipation of mean squared temperature, rate of dissipation of kinetic energy per unit mass of fluid, inner scale, receiver aperture diameter, link length, source size and the wavelength. This reduction was compared with and without the adaptive optics method. Using the MATLAB program, graphs were presented and calculations were performed. In this thesis, it is aimed to provide the most suitable conditions for beam propagation in underwater turbulent environment and to increase the UWOC performance.