Generalized modeling and turbulence resistance evaluation for higher-order Laguerre-Gaussian beam

光学 拉盖尔多项式 湍流 物理 梁(结构) 高斯光束 高斯分布 光束 大气湍流 折射率 统计物理学 气象学 量子力学
作者
Wenqi Ma,Xiuquan Li,Yi Qin,Cheri X. Deng,Guijun Hu
出处
期刊:Optics Express [Optica Publishing Group]
卷期号:33 (18): 38941-38941
标识
DOI:10.1364/oe.574261
摘要

In current free-space optical (FSO) communication systems, the fundamental Gaussian beam is typically used as the signal carrier. However, its simple spatial structure makes it highly susceptible to atmospheric turbulence, significantly degrading system performance. This study addresses the issue by employing higher-order Laguerre-Gaussian (LG) beams as signal carriers. A universal transmission model based on the modified von Kármán turbulence spectrum is developed using confluent hypergeometric functions. The model reproduces Huygens-Fresnel diffraction integration within 0.9% power error and accelerates computation by more than tenfold. Combined simulations and a 40 Gbps QPSK FSO experiment show that higher-order LG beams exhibit reduced beam spreading, lower power loss, and mitigated scintillation compared to the fundamental Gaussian mode. For a target BER of 1 × 10 −4 , the LG 01 mode beam reduces the transmitted power budget by 1–1.5 dB, while LG 10 and LG 02 beams reduce it by 2–4 dB compared to fundamental Gaussian beam. Incorporating the experimentally measured mixing efficiency penalty into the predictions leaves the mode ranking and performance trends unchanged, further validating the reliability and practical applicability of the proposed intensity model.
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