A study of the potential advantages of light beams in weak and strong turbulent atmospheres to satisfy robust free space communication channels with longer link distances

Abstract

Bu çalışmada, ilk olarak, topolojik yükün çoklu-değerlerinde düzlemdeki faz dağıtım kaynakları ve alıcıları değerlendirilmiştir. Bu değerlendirme bilgisayar ortamında uygulanmıştır. Bulgularımızın, Gaussian vortex, Eliptik Gaussian vortex ve Laguerre-Gaussian vortex ışınlarının kullanılmasıyla ilgili optik bağlantılarda yararlı olması beklenmektedir. Vorteks ışınlarının faz dağılımlarının bilgisayar modellemesi, serbest uzay boyunca yayılımının sayısal simülasyonu ile incelenmiştir. Bu işlem, topolojik yükün sayılarının faz dağılımı alıcısında değişiminin bilinmesine ve bu alıcıların mesajlarının fotodetektör cihazında tahmin edilmesine yardımcı oldu, ki bu çalışmanın ilk kısmıydı. İkinci olarak, alanın genelleştirilmiş ışın formülasyonuna bağlı olarak dalgalı bir atmosferde yayılma uzunluğu üzerindeki Gaussian ışını için bir sintilasyon indeksi formülasyonu gerçekleştirilmiştir. Sintilasyon indeks yöntemleri, fenomeni en iyi nasıl tanımlayacağımızı seçmek için karşılaştırıldı. üç tip sintilasyon indeksi yöntemi incelendi: Rytov, Huygens-Fresnel ve Rastgele Faz Ekranı. Grafiksel çıktılarımızdan, Rastgele Faz Ekranının kabul edilebilir bir sintilasyon indeksi değeri sergilediği gözlemlenmiştir. Üçüncü olarak, sonuçlar, SI değerleri üzerinde, LGVB'nin topolojik yükünün (m) polinom derecesine (n) göre daha büyük bir etkiye sahip olduğu ve topolojik yükün (m) değiştiği ve polinom derecesinin (n) sabitlendiği durumlarda, SI'nın daha düşük değerlere sahip olduğunu göstermektedir. Bu nedenle, iyi bir iletim durumu için, polinom derecesinin n = 1'e eşit olması ve topolojik yük sayısının gibi, 0, 1, 2, 3, 4, 5 ve 6'ya eşit olması önerilmektedir. Dördüncüsü, Gauss, Eliptik, Laguerre ve Bessel Vorteks Işınları seçildi ve SI'nın ölçümleri, n ve m parametrelerinin farklı değerlerindeki ışınları için hesaplandı. Daha sonra, topolojik yükü (m)'in 7 ve 3'e eşit olan Eliptik ışınının en iyisi olduğu bulunmuştur. Beşinci olarak, Gauss Işını ve Gaussian vortex Işınları seçilmiş ve Sintilasyon indeks ölçümleri GVB'nin (n) ve (m) parametrelerinin farklı değerleri için hesaplanmıştır. Daha sonra, polinom derecesi ve topolojik yükü eşitleme değerleri , and , olan GVB'nin, GB'den daha iyi olduğu gösterilmiştir. Her ne kadar artan bir yayılma mesafesi olsa da, GVB'nin SI değerleri 0.04 ile 0.14 arasında kalmıştır ve bu yayılma mesafesi GB'deki SI değerlerine kıyasla artmaktadır. Altıncı olarak, serbest uzaydaki LGVB için alıcı yoğunlukları, Laguerre ışınının polinom parametrelerindeki değişikliklerden etkilenmektedir. (n) ve (m) parametrelerinin aynı olduğu durumlarda, LGVB'lerin alıcı yoğunluklarının daha ayrık olduğu ve bunun da düşük Sembol Hata Oranı değerine neden olacağı açıktır. Son olarak, 8 Mary için türbülans yapı sabiti 'ye karşı Laguerr Gaussian vortex ışınları için Sembol Hata Oranı hesaplanmaktadır ve türbülans yapı sabiti parametresinin artırılmasıyla Sembol Hata Oranı arttığı açıkça görülmektedir. Bu çalışmanın önemi, dağıtım kaynakları ve alıcıları optik kanallar için daha faydalı ve RPS yönteminin, bilgisayarlı Sintilasyon indeks hesaplama için kabul edilebilir bir yöntem, Gaussian vorteks ışınının Gaussian ışınından daha iyi olduğunun ve sintilasyon değerlerinin düşürülmesi için Gaussian ışınındaki veya diğer ışınlardaki topoloji parametresi (m) ve polinom derecesi (n) değerlerinde değişiklik yapabileceğimizin ve son olarak sembol hata oranı, türbülans yapı sabiti 'nin artışı ile artabileceğinin gösterilmesindedir.

Firstly, plane phase distribution sources and receivers with multi-values of topological charge were evaluated in this study. This evaluation was implemented in a computer environment. It is expected that our results will be beneficial to optical links incorporating the use of the Gaussian vortex, Elliptical Gaussian vortex, and Laguerre-Gaussian vortex beams. Computer modeling of the phase distributions of vortex beams was investigated by numerical simulation of propagation through free space. This work will help to know the phase distribution receiver by changing the numbers of the topological charge and to estimate those receivers' messages in the photodetector device. Secondly, a scintillation index (SI) formulation was carried out for the Gaussian beam on the propagation length in a turbulent atmosphere depending on the generalized beam formulation of the field. The scintillation methods were compared in order to determine the best method that describes the phenomenon. Three types of scintillation methods were examined: the Rytov, Huygens-Fresnel and Random Phase Screen. From our graphical outputs, it was observed that the Random Phase Screen exhibits an acceptable scintillation index value. Thirdly, the results indicate that the topological charge of the Laguerre-Gaussian beam has a greater effect than the degree of the polynomial on the SI values. Moreover, if the polynomial degree is fixed, the SI has lower values in cases of a topological charge increase. Therefore, for a good state of transmission, it is recommended that the degree of the polynomial be made equal to 1 and the topological charge numbers equal to 0, 1, 2, 3, 4, 5 and 6. Fourthly, the Gaussian, Elliptical, Laguerre and Bessel vortex beams were selected and measurements of the SI were computed for different values of the n and m parameters for their beams. Then, it was found that the Elliptical beam with topological charges equaling 7 and 3 was best. Fifthly, the Gaussian beam and Gaussian vortex beams were chosen and measurements of the scintillation index were computed for the different values of the parameters of the Gaussian vortex beams. Then, it was shown that the Gaussian vortex beams with the degree of the polynomial and the topological charge equaling values of n = 6, m = 3 and n = 5, m = 6 were better than the Gaussian beam. Despite the increasing propagation distance, the SI values of the Gaussian vortex beam remained between 0.04 and 0.14 with an increase in this propagation distance compared with the Gaussian beam, the value of whose scintillation index will increase with an increase in the propagation distance. Sixthly, receiver intensities for the Laguerre-Gaussian beam in free space are affected by changes in the polynomial parameters of the Laguerre beam. It becomes evident that when the degree of the polynomial and the topological charge parameters are the same, the receiver intensities of the Laguerre-Gaussian beam become more separate. Finally, we compute the Symbol Error Rate for the Gaussian vortex beam for 8 Mary against a structure constant, and it appears that the Symbol Error Rate increases with an increasing structure constant parameter. The prime idea of this study is that distribution sources and receivers are more beneficial to optical channels, and the Random Phase Screen method is an acceptable method for computing the scintillation; then the Gaussian vortex beam is better than the Gaussian beam, and we can change the values of the topology parameter and polynomial degree of the Laguerre-Gaussian beam or other beams, such as the Gaussian vortex beam, to decrease the value of the scintillation index. In the end, the symbol error rate is increased by increasing the structure constant of turbulence.