Angular Momentum-Driven Optical Wireless Communication for 6G : Coaxial OAM Multiplexing and Polarization- Modulated ISAC = 6G 통신을 위한 각운동량 기반 무선 광통신 기법: 동축 OAM 다중화와 편광 변조 통합 센싱 및 통신

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

As next-generation wireless networks face explosive data demands and radio frequency (RF) spectrum congestion, optical wireless communication (OWC) has emerged as a promising solution due to its vast unlicensed spectrum and immunity to electromagnetic interference. This study investigates the utilization of the physical angular momentum of light—specifically orbital angular momentum (OAM) and spin angular momentum (SAM)—to enhance transmission capacity and realize functional integration in OWC systems.
First, to overcome the limitations of spatial division multiplexing (SDM), this paper proposes a concentric intensity-based demultiplexing scheme for OAM modes. Unlike conventional zero-order conversion techniques which suffer from crosstalk and inefficient phase flattening, the proposed method improves spatial selectivity by aligning the ring-shaped intensity profiles of specific OAM modes with the active area of the detector. Experimental results demonstrate that this approach significantly enhances detection efficiency, achieving error-free data transmission at rates up to 120 Mbps, thereby validating its potential for high-capacity spatial multiplexing.
Second, this study presents a polarization-modulating optical integrated sensing and communication (O-ISAC) system that leverages SAM based various polarization states to perform simultaneous indoor positioning and data transmission. The system utilizes a single light source with a rotating polarizer and a receiver composed of quadrant-type organic photodiodes (OPDs) operating under zero-bias conditions. By analyzing the modulation of the state-of-polarization (SOP), the system achieves centimeter-level positioning accuracy and precise orientation angle detection. Furthermore, a signal recovery algorithm is implemented to mitigate the SOP-induced distortion in orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) signals, successfully restoring communication reliability to meet forward error correction (FEC) thresholds.
In conclusion, by synergizing OAM-based multiplexing with polarization-based ISAC, this research provides a comprehensive framework for realizing high-capacity, energy-efficient, and multifunctional next-generation optical wireless networks.

국문 초록 (Abstract)

최근 무선 네트워크 환경에서는 폭발적인 데이터 수요 증가와 RF 스펙트럼의 혼잡 문제가 대두됨에 따라, 무선 광통신(Optical Wireless Communication)이 이를 해결할 핵심 기술로 주목받고 있다. 본 논문은 빛의 물리적 특성인 각운동량(Angular Momentum), 즉 궤도 각운동량(Orbital Angular Momentum, OAM)과 스핀 각운동량(Spin Angular Momentum, SAM)을 차세대 이동통신 자원으로 활용하여 통신 용량을 증대시키고 기능적 통합을 실현하는 두 가지 핵심 접근법을 제안한다.
첫째, 통신 용량 증대를 위해 OAM 모드를 활용한 공간 분할 다중화(SDM) 기법을 연구하였다. 본 연구에서는 기존의 0차 모드 변환 방식이 갖는 낮은 광 효율과 인접 모드 간 간섭 문제를 해결하기 위해, '동심원 강도 기반(Concentric intensity-based)'의 OAM 모드 분리 기법을 새롭게 제안하였다. 제안된 방식은 수신부에서 특정 OAM 모드의 링(ring) 형태 강도 분포를 APD의 활성 영역에 정밀하게 일치시킴으로써 공간 선택성을 극대화하였다. 실험 결과, 해당 방식은 기존 방식 대비 월등한 에러 검출 성능을 보였으며, 최대 120 Mbps의 전송 속도에서도 오류 없는 데이터 전송이 가능함을 입증하였다.
둘째, SAM의 선형 조합으로 표현할 수 있는 다양한 편광(Polarization) 특성을 활용하여 실내 측위와 데이터 통신을 동시에 수행하는 광학적 통합 센싱 및 통신(O-ISAC) 시스템을 제안하였다. 본 시스템은 회전 편광기와 4채널 유기 포토다이오드(OPD)를 기반으로 하여, 단일 광원만으로 수신기의 위치 좌표와 지향 각도를 동시에 탐지하는 저전력·저복잡도 구조를 갖는다. 실험을 통해 cm 단위의 위치 정밀도와 약 1%의 각도 탐지 오차율을 달성하였으며, 편광 변조로 인해 왜곡된 OFDM 통신 신호를 역산하여 복구하는 알고리즘을 통해 안정적인 무선 통신 성능(FEC 임계치 이하의 BER)을 확보하였다.
결론적으로, 본 논문은 빛의 각운동량을 활용한 고효율 다중화 통신 기술과 편광 기반의 통합 센싱·통신 시스템을 실험적으로 검증함으로써, 차세대 고용량 및 고신뢰성 광 무선 통신 네트워크 구축을 위한 실질적인 기술적 토대를 마련하였다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract iv
• Table of Contents vi
• List of Figures vii
• Introduction 1
• Chapter 1. Orbital Angular Momentum based Spatial Division Multiplexing 7
• 1.1. Proposed Scheme and System Architecture 7
• 1.1.1. Orbital Angular Momentum 7
• 1.1.2. Concentric Intensity based Mode Detection 11
• 1.1.3. System Architecture 13
• 1.2. Results 16
• 1.2.1. OAM mode configuration 16
• 1.2.2. Communication Performances 18
• Chapter 2. Polarization Modulating-Optical Integrated Sensing and Communication 23
• 2.1. Proposed Scheme and System Architecture 23
• 2.1.1. Optical Indoor Sensing 23
• 2.1.2. Integrated Communications 25
• 2.1.3. System Description and Experimental Setup 27
• 2.2. Results 31
• 2.2.1. Sensing Performances 31
• 2.2.2. Communication Performances 38
• Conclusion 41
• Reference 45
• 국문 초록 51
• Acknowledgement 53