As comunicações óticas no espaço livre surgiram como uma tecnologia sem fios promissora devido à sua flexibilidade, velocidade e segurança. Ao contrário dos sistemas de fibra ótica, as comunicações no espaço livre utilizam feixes de luz para a transmissão de dados, o que facilita a sua implementação. Embora os sistemas óticos de espaço livre tenham demonstrado elevadas taxas de transmissão e uma integração perfeita, é necessário desenvolver técnicas para atenuar efeitos como a turbulência atmosférica e erros de apontamento. Isto pode ser conseguido através de técnicas digitais e óticas, juntamente com sistemas de aquisição, monitoramento e apontamento. Uma vez implementadas estas medidas, pode tornar-se uma tecnologia verdadeiramente viável. Esta dissertação de mestrado tem como objetivo estudar e mitigar o impacto da perturbação induzida pela turbulência em sistemas de comunicações FSO utilizando emuladores de turbulência atmosférica. Duas abordagens diferentes, utilizando um túnel de vento ou uma câmara atmosférica, foram caracterizadas e comparadas quanto à sua capacidade de emular a turbulência de forma controlada. Este estudo também analisará o impacto do acoplamento de fibras óticas nos canais de turbulência, considerando diferentes tipos de fibras. Além disso, o desempenho de diferentes soluções de pré-amplificação para mitigação da turbulência atmosférica é também avaliado considerando o acoplamento de fibras em fibras monomodo padrão. Por último, foi efetuada a avaliação do desempenho em tempo real de um sistema de comunicações a 10 Gbps que utiliza as técnicas de mitigação acima mencionadas e, a 4.5 Gbps, uma abordagem otimizada de acoplamento de fibras para diferentes condições de turbulência.

Free-space optical (FSO) communications have emerged as a promising wireless technology due to their flexibility, speed, and security. Unlike fiber optic systems, free-space communications use light beams for data transmission, making them easier to implement. Although free-space optics systems have demonstrated high transmission rates and seamless integration with fiber optic systems, techniques need to be developed to mitigate effects like atmospheric turbulence and pointing errors. This can be accomplished through digital and optical techniques together with accurate acquisition, tracking, and pointing systems. Once these measures are implemented, it can become a truly viable technology. This master’s thesis aims to investigate and mitigate the impact of turbulence-induced impairment in FSO communications systems using atmospheric turbulence emulators. Two different approaches, using a wind tunnel or an atmospheric chamber, were characterized and compared for their ability to emulate turbulence in a controlled way. This study will also look into the impact of optical fiber coupling on turbulence channels, considering different types of fibers. Furthermore, the performance of different pre-amplification solutions for atmospheric turbulence mitigation is also evaluated considering fiber coupling in standard single-mode fiber. Lastly, the realtime performance assessment of a communication system at 10 Gbps, employing the aforementioned mitigation techniques and, at 4.5 Gbps, using an optimized fiber-coupling approach was carried out for different turbulent conditions.

Mestrado em Engenharia Eletrónica e Telecomunicações