Способ параллельной передачи оптической информации через многомодовое волокно

Способ параллельной передачи оптической информации через многомодовое волокно

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Использование: оптические линии связи . Сущность изобретения: излучения первого лазера делят на два пучка. Первый пучок направляют через волокно на кристалл , затем повторно через волокно на второй кристалл. Второй пучок модулируют изображением и направляют на первый кристалл. Опорное излучение направляют на оба кристалла. Выходное излучение фильтруют и восстанавливают исходное изображение.

союз советских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5l)5

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (54) СПОСОБ ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ ПЕРЕДАЧИ

ОПТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ ЧЕРЕЗ

МНОГОМОДОВОЕ ВОЛОКНО (57) Использование: оптические линии связи. Сущность изобретения: излучения первого лазера делят на два пучка. Первый пучок направляют через волокно на кристалл, затем повторно через волокно на второй кристалл. Второй пучок модулируют изображением и направляют на первый кристалл. Опорное излучение направляют на оба кристалла. Выходное излучение фильтруют и восстанавливают исходное изображение, голограммы. Затем на кристалл направляют считывающий пучок второго лазерного источника навстречу второму пучку излучения, первый пучок повторно пропускают через волокно и проецируют на второй кристалл, Излучение опорного пучка когерентное пучку выходного излучения, направляют на второй кристалл, где формируется вторая динамическая голограмма, при восстановлении которой изображение транспаранта выделяют фильтром. Когда ближнее поле выходного торца волокна проецируется на нелинейной фоторефрактивный кристалл, одновременно на этот кристалл в плоскость проекции поля Е> направляются два поля лазерной накачки на частоте поля пробного пучка в0 . опорное Е0> и считывающее Е« поля. В одной иэ полей Ес, или Е0п вводится амплитудный, фазовый или амплитудно-фазовый транспарант t(r, p, д ), где г — радиус

О

О

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) (21)4918052/25 (22) 11.03.91 (46) 07.03.93. Бюл. М 9 (71) Симферопольский государственный университет им. М.В.Фрунзе (72) А.B.Âîëÿð, С.Н.Лапаева, Н.S.Êóxòàðåâ, С.Г.Одулов и А.В.Гнатовский (56) 1. Мировицкий Д.И., Будагян И.Ф., Дубровин В.Ф. Микроволноводная оптика и голография. — М.: Наука, 1983. — с. 103-106, 2. Yariv А. On transmission and recovery

of three — dimensional image information in

optical wavequides//J.Opt. Soc. Amer. 1976.

V. 66, М4. P. 301 — 303.

Изобретение относится к области нелинейной и интегральной оптики и может быть использовано для параллельной передачи оптической информации через слабопоглощающие, сильно диспергирующие среды.

Заявляемый способ включает введение лазерного излучения, промодулированного изображением амплитудного, фазового или амплитудно-фазового транспаранта, в волокно, затем на кристалл, на котором осуществляют обращение волнового фронта, воздействие на кристалл излучением накачки и формирование на выходе изображения транспаранта. Лазерное излучение предварительно разделяют на два пучка, один из которых вводят в многомодовое волокно, затем смешивают со вторым пучком, прошедшим через транспарант и на первый кристалл проецируют оба пучка, где происходит формирование первой динамической

- Ж 1800441 А1

1800441

„(— х -компонента em-моды;

А — площадь сечения волокна (3) (5) ды где Е )(— х-компонента лазерного поля; вектора, р — азимутальный угол, д — фазовая задержка.

Опорное Еоп поле направлено навстречу считывающему Е«полю. Это объясняет- На выходном торце волокна в плоскости сЯ тем, что в РезУльтате выРожденного z d none áóäåòèìåòü вид:

5 четырехпучкового взаимодействия на фоторефрактивном кристалле возникает волна с м обращенным волновым фронтом (ОВФ), Ee = Х Cern@em e промодулированная транспарантом Е *х где Дп) — постоянная распространения em, П и об атном распространении "0 эта волна на выходном торце волокна возБлижнее поле Е> измерения в плоскост о ма ию о т анспаранте и шумовое поле

z= d посредством микрообъектива 4 проециперекрестных мод. После полного обратнона поле ОВФ собственных "5 руется в плоскость фоторефрактивного криго прохода волокна поле со ственных

5. В е область посредством и ет мо ов ю сталла . эту ж ию и оявляясь как сигнальное Гс оптИческой системы и ц

И, 6 прое ируется поле

Eo()() опорной волны, промодулированное поле, а поле ОВФ перекрестно возбужденных мод дисперсию скомпенсирует только р Р т анспарантом частично и проявится как шумовое =ш поле.

N) (1) (1). (4)

Далее совокупность Ес и )= .ш проециру- ф, p): Еоп = Еоп

Е . Третье считывающее ильт а, кото ый разделяет поля, когерентное полю . Ре ь

Е„лазерное поле направлено навстречу азность фаз которых относительно входно- сч лазе рн го то р 2 (= 0,1,2...), — 25 опорному полю Еоп, Поля Ее и Еоп на го торц го то а волокна кратна л n n = — фоторефрактивном кристалле записывают

Ec lLpY

Е с гими полями, — Еш по направленидинамическую голограмму. Считывающее ям. В результате в плоскости наблюдения с помощью оптической системы формируется по сч, д фр ру ле E иф аги я на этой голограмме, сигнальное поле Ес, несущее оптическую об аз ет волну ОВФ:

Р У информацию о транспаранте т(г, (/), ). д) 30

Энергетическая эффективность способа повышается, когда в качестве передаюн Е (1) Е

Поляризация волн Еоп, сч и орищей среды выбирается среда с квадратным мления и ли- ентация оси кристалла о еспечива т ной z = 2 zt n/q, (и = 1,2,3...), где q — поляризационное . Ри о распространении промодулированное попе ечной неоднородности ны волокна. О ВФ ля Е* на выходном торце в плоскополя в1 н сердцевины вол сти г = d.âoçá дит два типа полей. Поскольку

Изоб етение поясняется чертежами стиг= .во у

Изобр т каждая мода поля Е 1 уже не является соб(фи . ). иг.1 и 2). ле ю им об- 40 ственной модой волокна, то, согласно выраСпособ осуществляют следующим оразом. Пробный когерентный световой пу- И), жению (3), в существенно многомодовом чок от лазерного источника 1 посредством волокне возбудится 1 = со ственных ва 2 в плоскости z = 0 входного мод с индексами и постоянными распростанения Д(п и N собственных мод с близкиторца волокна 3 возбуждает спектр собст- ранения Д(п и

45 ми индексами е, m (е de е, m e m ) и венных мод волокна: постоя н н ыми распространен ия. Полезная м - информация (1) о транспаранте будет за(") шифрована коэффициентами возбуждения е,m

Сеп) (см.выражение (2)). Число разрешающих элементов изображения определяется где М вЂ” число мод; величиной М . Совокупность полей с постоMo BoiloKHa янными распространения )Веп) при обратном распространении через волокно

Cem — коэффициент возбуждения )т)е-мо55 персию и в плоскости выходного торца г = 0 образуют поле полезного сигнала

iE™ твв) d в) A9 d (2) сс E (ã, ут). Оствпвнвв совокупность модо

А А постоянными распространения Д m npu обратном прохождении волокна не полно1800441

Е

Х Cemgym е" е m (е Фе, m Фв) (6) 10 пс = 1.48: по = 1-47.

40

Ee = Zetnexp(Pп z} (8) n=0

55 стью скомпенсирует модовую дисперсию и в плоскости z = О образуют шумовое поле:

ГдЕ feme m =Pem Pe m (7)

Далее поле Ел* = Мс+Гш посредством микрообъектива 2 делительной призмы 8 проецируется в плоскость динамической голограммы 9. На эту же голограмму направляется под углом О опорный гауссов (г)

* пучок Eon(), когерентный пучку En . Динамическая голограмма может быть записана на фоторефрактивном кристалле в оеальном масштабе времени пучками Е« и E> .

На голографической решетке поле Е испытывает дифракцию, причем максимум дифракционной интенсивности в направлении опорной Еоп(волны будет максимален для (г) тех волн, чьи фазы окажутся кратными 2л и (n = 0,1,2...) относительно плоскости торца

z = 0 и опорной волны E«*. Очевидно, что этому условию отвечает поле Ес сигнала, Проходя через поляризационный фильтр

10, который отсекает поле опорной волны

Еоп поле Ес сигнала посредством линзы (г

11 сформирует в плоскости наблюдения 12 изображение транспаранта.

Пример 1. Рассмотрим передачу изображения транспаранта, задаваемого функцией амплитудного пропускания t(r p) (фиг.2). Для простоты выберем волокно со ступенчатым показателем преломления и волноводным параметром ч = 5,1, радиусом сердцевины p= 1, мкм. В таком волокне в общем случае могут реализоваться примерно N = — -13 мод. Пусть передний торец

2 волокна возбуждается линейно-поляризованным гауссовым пучком света (1), т.е. поляризованным вдоль оси х. При таком способе возбуждения в волокне в плоскости

z = О возникнут следующие четные модовые комбинации (LP-моды) и собственные моды

НЕ», НЕ12, ТМо1 + НЕ21, НЕз1 + HE». Подберем условия возбуждения волокна таким образом, чтобы все коэффициенты возбуждения Се были почти одинаковы. Это можно достичь, если при возбуждении использовать 20" микрообъектив, так что шейка гауссова пучка совпадает с плоскостью z = О, а ось пучка и волокна имеют относительное смешение Ь rl 0,2 при относительной угловой несоосности Uc/Ue — 0,05 (где 0а— апертурный угол волокна, 0с- угол, который составляет ось гауссова пучка и ось волокна).

Для мод НЕ» и НЕ12 второй индекс "р" функции Гор (р = 1,2) означает, что параметр (4 является первым и вторым нулем функции бесселя Т(0р) соответственно;

Pe= — (— -и }; Л=

1 ч 2 Пе по

Ь пс

В табл,1 сведены поля собственных мод и волноводных характеристик волокна: постоянной распространения Ре и поперечного волнового числа сердцевины Ue. При распространении вдоль волокна первоначальное гауссовое пятно в плоскости z = О расплывается за счет модовой дисперсии, так что на выходе волокна при прохождении длины z = d каждая из мод приобретает множитель ухр(j9n z} (и = 0,1,2,3,4,5). Считаем, что на волокно не действуют сильные внешние параметрические поля и в волокне нет значительных неоднородностей вдоль оси z (это вполне отвечает современным требованиям к оптическим волокнам), Тогда энергетический межмодовый обмен будет мал и им на небольших длинах волокон можно пренебречь. В эксперименте выбиралось волокно длиной d = 8,2 м для согласования с пиком функции когерентности лазера ЛГ70 поля на входе и выходе волокна, Мощность электрического поля после волокна составляла P = 1 мВТ, Электрическое поле на выходе волокна представлялось суперпозицией полей мод:

Это поле (8) посредством 20" микрообъектива L2 проецировалось в плоскость фоторефрактивного кристалла РС1 (ЫИЬОз;

Fe 0,06), На этот же кристалл направлялось поле опорной волны таким образом. что вначале оно проходило через амплитудный транспарант t(r, p), а затем системой линз L5, Le плоскость транспаранта проецировалась на плоскость кристалла PC1, B качестве транспаранта выбирался фотослайд с функцией пропускания t(r, p) = cos p(9).

Так что на кристалле опорный пучок имел вид Eon() = Eont(r р) (10). Считывающий пучок от лазера LS2 (Л = 0,63 мкм, P = 2 м ВТ формировался посредством il /4 пластины и поляризатора Р1. В результате четырехпуч1800441 кового смешения на фоторефрактивном кристалле РС1 возникала волна с ОВФ: между ними, были когерентны и могли формировать голографическую решетку, На динамической голограмме PCz поле

Ев* ЕсчЕо " t(r, (/))Ев* (11) Ев*т(г, еэ) эффективно дифрвгироввво в нв5 правлении опорного Еоп для волн, фазы

Фото ефрактивный кристалл чувствителен которых были кратны 2 x n относительно кполяризации полей Есч, Е (и Ев,атакже плоскости торца волокна (z = О). Линейно к когерентности полей Еоп() и Ев. Когерент- поляризованное опорное поле отсекалось ность полей Ео()(и Ев достигалась тем, что поляризатором Р2, ось которого ориентироэти пучки были образованы от одного источ- 10 валась вдоль оси х. Система линз К1, Ы, 1 з в ника LS, а разность хода между ними под- плоскости наблюдения (Э) формировала биралась кратной двум длинам резонатора изображение торца волокна (z = О) и, следолазера LS1, Полное поляризационное обра- вательно, поле сигнальной Е(волны, щение достигалось следующим образом. Учитывая, что дифракционная эффекПосредством (,/4пластиныи поляризатора 15 тивность удинамических голограмм РС1 и

Рз поляризация опорного пучка ориентиро- РС2 на кристалле LiNbOa:Fe 0,06 составивалась под углом 45 к плоскости схождения ла 35 — 40, эффективность ввода излучения

Eonè Е«пучков. Посредством il/4-.пласти- в волокно ОВФ волны м= 90% и общая ны и поляризатора Р1поляризация считыва- мощность, переносимая полезным сигнающего пучка Йсч ориентировалась под углом 20 лом, 79, то полная энергетическая эффек-45 к плоскости схождения Еоб и Еоп пуч- тивность рассмотренной системы составит о ков. Также оптическая ось кристалла с ори- 8,7-11,4 . ентировалась под углом 90 к этой Рассмотрим передачу изображения топлоскости. Тогда выполнялось преобраэо- го же транспаранта через волокно с квадравание; 25 тичным распределением показателя преломления. Диаметр волокна а = 50 мкм, Еоб Ев е (г, у"") = Et*, (12) параметр р = 58, длина волны А= 0,63 10 м. На длине L = 5 м. Максимальное число где (*) обозначает комплексное сопряже- разрешаемых элементов составляет ние, М рвв = 512, а общее число направляемых мод

При обратном проходе пучок Et* прохо- Моь = 1016, т.е. изображение переносится о ому же оптическому пути, что и пу- примерно 50 от общего числа разрешаеы 50 чок Гд и посредством микрообьектива Lz мых элементов. Остальные моды (- ) проецировался в плоскость выходного тор- испытываютнаэтойдлинемодовуюдиспера волокна z = d. В этой плоскости имело 35 сию и размывают изображение. ца волокн место перевозбуждение мод волокна полем Для того, чтобы увеличить как число р азЕ(*, которое уже не состоит из чисто собст- решаемых элементов изображения, так и венных мод волокна. Поэтому искажение общую энергетическую эффективность, помоды поля Е * возбуждали как поля одно- местим это волокно в установку,.изобраименных мод, так и поля остальных мод. 40 женную на фиг.2 и рассмотрим процесс

Первая группа мод несла закодированный передачи изображения, аналогично располезный сигнал Ес, а вторая группа обра- смотренному на примере 1. зовывала шумовое поле Е.ш. ОВФ моды, промодулированные транспарантом t, в основном возбуждают сами

Фильтрация сигнального Ес поля и шу- 45 себя и моды с ближайшими индексами. Тогмового Еш поля осуществлялась на динами- да приближенно можно считать, что мощческой голограмме РС2 (в реальном ность, переносимая полезным сигналом, ремени) выполненной на основе кристал- как и в примере 1 равна 0,79, 3+ ла 1лМЬОз:Fe 0,06, следующим образом.

На фоторефрактивный кристалл РС2 íà- 50 Тогда из общего числа мод с ОВФ, проправлялись два пучка: восстановленный пу- модулированных транспарантом t(r, ()()), не

E * предварительно прошедший возбудит других мод и пройдет без дисперВФ поляризатор с осью пропускания вдоль оси сии Моб =512 мод, остальные моды с О х; опорный ЕоР пучок, образованный от числом М((=504 возбудят как сами, себя, так лазера LSz делительной призмой SPz и про- 55 и соседние моды, и они перенесут только шедший А /2 пластину, которая развернула 70% от общей мощности М, мод. Тогда обего плоскость поляризации на 90 вдоль оси щее число разделенных элементов будет у. Поля Еоп() и Евт(г, p) исходили от одного N = Мо + Мн = 1016, т.е. возрастет почти источника света LSz с учетом разности хода вдвое. С другой стороны, энергетическая

1800441 (ЭЭ)1= ц иР " +

Мо+Мн

+ 0,4. 0,9 0,5 =13

Поля мод оптического волокна с волноводным параметром ч = 5,1 т, и,R

Те (Ос ) P где p — радиус сердцевины волокна; r — текущий радиус; е — азимутальный индекс е-й моды;

Те(х) — функция Бесселя первого рода е-го порядка.

П р и м е ч а н и е. эффективность передачи изображения определится как

rP Р— 0,42 0,9 0,79 0,5 +

Мо

Мо+Мн

В случае, если бы имела место полная расшифровка мод — Мн = Мм; Mo = О,то энергетическая эффективность составила (Э.Э)2 = 10 .

Для выбранного кристалла ОЙЬОз:Fe достаточно низкая дифракционная эффективность (эти кристаллы использовались в эксперименте) и поэтому такая небольшая разница между величинами (Э.Э)1 и (Э,Э)2.

B случае кристаллов ВбТ Оз, для которых величина у=95, (Э.Э)1 = 72, а (Э.Э)2 =

64%. Поэтому использование в данном способе волокон с квадратичным распределением показателя преломления не только увеличивает число разрешаемых элементов, но и энергетическую эффективность способа.

Формула изобретения

Способ параллельной передачи оптической информации через многомодовое волокно, включающий введение лазерного излучения, промодулированного изображением амплитудного, фазового или амплитудно-фазового транспаранта в волокно, затем на кристалл, на котором осуществляют обращение волнового фронта, воздействие на кристалл излучением накачки и формирование на выходе изображения

5 транспаранта, отличающийся тем,что, с целью уменьшения помех при передаче информации путем снижения модовой дисперсии, лазерное излучение предварительно разделяют на два пучка, один из которых

10 вводят в многомодовое волокно, смешивают со вторым пучком, прошедшим через транспарант, и оба пучка проецируют на первый кристалл, где происходит формирование первой динамической голограммы, 15 направляют на кристалл считывающий пучок второго лазерного источника, причем считывающее излучение направляют навстречу второму пучку излучения, а первый пучок повторно пропускают через волокно и

20 проецируют на второй кристалл, на который дополнительно направляют излучение опорного пучка когерентного пучку выходного излучения для формирования на втором кристалле второй динамической

25 голограммы, при восстановлении которой выделяют фильтром изображение транспаранта, 2. Способ по и 1, отличающийся тем, что, с целью повышения энергетиче30 ской эффективности способа, в качестве передающей среды выбирается среда с квадратным профилем показателя преломления и длиной г = 2 zc и/q (n = 1,2,3...), где р — постоянная поперечной неоднородно2

35 сти сердцевины волокна.

1800441

1800441

Составитель А. Воляр

Техред М. Моргентал

Корректор Н. Король

Редактор С. Кулакова

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 1165 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб,. 4/5