Free space optical systems simulator for turbulent propagation regime

Free Space Optical (FSO) communication is a powerful method for high-speed data transmission . This work focuses on the adverse effects of atmospheric turbulence in FSO systems. To address these issues, we introduce a comprehensive simulation tool capable of accurately representing the propagation of beams of any shape and size over any distance. A novel feature of this simulator is the innovative downscaling option, which allows for the simulation of an outdoor scenario's effect on a smaller beam over a shortened propagation distance. We also implement optical functions for beam tilting and lensing, within the simulator and for Spatial Light Modulator (SLM) programming. This effort reveals the SLM as a versatile tool within our laboratory setting, adept at replicating desired effects of tilting, lensing, and turbulence, and serving as a crucial component of our downscaling process. Further, we have designed functions for creating phase masks for SLMs to transition light from the fundamental mode to higher-order Gaussian modes, along the needed diffraction gratings. Through this synthesis of computational Fourier optics and the practical applications of telecommunication engineering, our work offers innovative solutions and methodologies to the challenges faced in FSO communication.

Questa ricerca affronta le sfide della comunicazione ottica nello spazio libero (FSO), uno strumento potente per la trasmissione di dati senza connessione fisica, con particolare enfasi sugli effetti negativi della turbolenza atmosferica. Per affrontare questi problemi è stato sivluppato uno strumento di simulazione in grado di rappresentare accuratamente la propagazione di fasci di ogni forma o dimensione a qualsiasi distanza. Il simulatore è dotato di un sofisticato modello di turbolenza che è stato regolato per indurre l'effetto previsto su un fascio. Una caratteristica innovativa introdotta è l'opzione di ridimensionamento di uno scenario esterno a lunga distanza, ottenendo lo stesso effetto sul fascio di luce in una distanza di propagazione minore. Sono implementate anche funzioni ottiche per l'inclinazione e la messa a fuoco dei fasci, sia all'interno del simulatore sia come programmazione di un modulatore di fase della luce (SLM). Tramite simulazioni si mostra anche come l'SLM sia componente fondamentale nel processo di ridimensionamento. Sono inoltre progettate funzioni per la creazione di maschere di fase per gli SLM, con annessi eventuali reticoli, con lo scopo di trasformare la luce dal modo fondamentale ai modi Gaussiani di ordine superiore. Attraverso questa sintesi di ottica computazionale di Fourier e le applicazioni pratiche dell'ingegneria delle telecomunicazioni, questo lavoro offre soluzioni e metodologie innovative per le sfide affrontate nella comunicazione ottica in spazio libero.