Способ параллельной передачи оптической информации через многомодовое волокно Советский патент 1993 года по МПК G03H1/00 G02B6/00 H04B10/00 

чи

Ј

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.

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

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 кристалл в плоскость проекции поля Ев направляются два поля лазерной накачки на частоте поля пробного пучка (OQ : опорное считывающее ЕСч поля. В одной из полей ЕСч или Еоп вводится амплитудный, фазовый или амплитудно-фазовый транспарант t(r, р, д), где г - радиус

00

о о

4 4

вектора, (р- азимутальный угол, д - фазовая задержка.

Опорное Еоп поле направлено навстречу считывающему Есч полю. Это объясняется тем, что в результате вырожденного четырехпучкового взаимодействия на фото- рефрактивном кристалле возникает волна с обращенным волновым фронтом (ОВФ), промодулированная транспарантом Ев х х t(r, p,6). При обратном распространении эта волна на выходном торце волокна возбудит поле собственных мод, несущих информацию о транспаранте и шумовое поле перекрестных мод. После полного обратного прохода волокна поле ОВФ собственных мод полностью скомпенсирует модовую дисперсию, проявляясь как сигнальное Ее поле, а поле ОВФ перекрестно возбужденных мод дисперсию скомпенсирует только частично и проявится как шумовое Јш поле.

Далее совокупность Ес и проецируется в плоскость фазового голографическо- го фильтра, который разделяет поля, разность фаз которых относительно входного торца волокна кратна 2 я п (п 0,1,2...), - Ее с другими полями, - Ёш по направлениям. В результате в плоскости наблюдения с помощью оптической системы формируется сигнальное поле Ес, несущее оптическую информацию о транспаранте t(r, p, д).

Энергетическая эффективность способа повышается, когда в качестве передающей среды выбирается среда с квадратным профилем показателя преломления и длиной z 2 п n/q2, (п 1,2,3...), где q - постоянная поперечной неоднородности сердцевины волокна.

Изобретение поясняется чертежами (фиг.1 и 2).

Способ осуществляют следующим образом. Пробный когерентный световой пучок от лазерного источника 1 посредством микробъектива 2 в плоскости г 0 входного торца волокна 3 возбуждает спектр собственных мод волокна:

- v

Ел - 2 е, m

где М - число мод;

tyem - поля собственных мод волокна; Сет - коэффициент возбуждения те-моды:

Сет / Еет V® d A// I 1$ I2 d A, (2) АА

где Елх х-компонента лазерного поля;

х-компонента em-моды; А - площадь сечения волокна,

На выходном торце волокна в плоскости г d поле будет иметь вид:

ь-8

в - 2 Сетует е

(3)

е, m

где постоянная распространения em- моды.

Ближнее поле Ев измерения в плоскости z d посредством микрообъектива 4 проецируется в плоскость фоторефрактивного кристалла 5. В эту же область посредством оптической системы 6 проецируется поле Eon опорной волны, промодулированное транспарантом

t(r, p): Е

JD-

- Еоп(1Ч

(4)

когерентное полю Ев. Третье считывающее Есч лазерное поле направлено навстречу опорному полю Еоп . Поля Ев и Еоп на фоторефрактивном кристалле записывают динамическую голограмму. Считывающее поле Есч, дифрагируя на этой голограмме, образует волну ОВФ:

ГВ1

:оп

(%счЁвЧг, р.

(5)

45

50

55

35

40

)

Поляризация волн EonUJ, Есч и ориентация оси кристалла обеспечивает поляризационное ОВФ. При обратном распространении промодулированное ОВФ поля на выходном торце в плоскости возбудит два типа полей. Поскольку каждая мода поля Е В1 уже не является собственной модой волокна, то, согласно выражению (3), в существенно многомодовом волокне возбудится MI М собственных мод с индексами и постоянными распространения и N собственных мод с близкими индексами е1, m (e d е , m m ) и постоянными распространения. Полезная информация 1 о транспаранте будет зашифрована коэффициентами возбуждения Сет (см.выражение (2)). Число разрешающих элементов изображения определяется величиной М . Совокупность полей с постоянными распространения /Зет при обратном распространении через волокно полностью скомпенсируют модовую дисперсию и в плоскости выходного торца z 0 образуют поле полезного сигнала ЕС Ел(г, р). Остальная совокупность мод с постоянными распространения /Зе-т- при обратном прохождении волокна не полностью скомпенсирует модовую дисперсию и в плоскости z 0 образуют шумовое поле:

tui 2 CemVenV

е m

(е е, m m)

где Дэте т fiem Pe rr -(7)

Далее поле Ел ЕС +Еш посредством микрообъектива 2 делительной призмы 8 проецируется в плоскость динамической голограммы 9. На эту же голограмму направляется под углом ©опорный гауссов пучок Еоп , когерентный пучку Ел. Динамическая голограмма может быть записана на фоторефрактивном кристалле в реальном масштабе времени пучками Е0п и Ел. На голографической решетке поле Е испытывает дифракцию, причем максимум дифракционной интенсивности в направлении Опорной Еогг2 волны будет максимален для тех волн, чьи фазы окажутся кратными 2л: n (n 0,1,2...) относительно плоскости торца z 0 и опорной волны ЕОП . Очевидно, что этому условию отвечает поле Ее сигнала. Проходя через поляризационный фильтр 10, который отсекает поле опорной волны Еоп , поле ЕС сигнала посредством линзы 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 волн сводным параметром v 5,1, радиусом сердцевины / 1, мкм. В таком волокне в общем случае могут реализоваться пример2но N -г--13 мод. Пусть передний торец

волокна возбуждается линейно-поляризованным гауссовым пучком света (1), т.е. поляризованным вдоль оси х. При таком способе возбуждения в волокне в плоскости z 0 возникнут следующие четные модовые комбинации (LP-моды) и собственные моды НЕц, HEi2, TMoi + НЕ21, НЕз1 + НЕц. Подберем условия возбуждения волокна таким образом, чтобы все коэффициенты возбуждения Се были почти одинаковы. Это можно достичь, если при возбуждении использовать 20х микрообъектив, так что шейка гауссова пучка совпадает с плоскостью z 0, а ось пучка и волокна имеют относительное смешение Д г//э 0,2 при относительной угловой несоосности Uc/Ua - 0,05 (где 1)а - апертурныйугол волокна, Uc-угол, который

составляет ось гауссова пучка и ось волокна).

Для мод НЕц и HEi2 второй индекс р функции Fop (р 1,2) означает, что параметр Ue является первым и вторым нулем функции Бесселя T(Up) соответственно:

10

:

.48;

по 1-47.

В табл.1 сведены поля собственных мод и волноводных характеристик волокна: по- стоянной распространения 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 yxp{/Jn z} (n 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 ЛГ- 70 поля на входе и выходе волокна. Мощность электрического поля после волокна составляла Р 1 мВТ,

Электрическое поле на выходе волокна представлялось суперпозицией полей мод:

-, s Ев 2etnexp{/ nz}

n 0

(8)

Это поле (8) посредством 20х микрообъек- тива L.2 проецировалось в плоскость фо- торефрактивного кристалла РСч (LiNbOs; Fe 0,06). На этот же кристалл направлялось поле опорной волны таким образом, что вначале оно проходило через амплитуд- ный транспарант t(r, p), а затем системой линз Ls, Le плоскость транспаранта проецировалась на плоскость кристалла PCi. В качестве транспаранта выбирался фотослайд с функцией пропускания t(r, p cos2 p(ty. Так что на кристалле опорный пучок имел вид Eon Eont(r, ф) (10). Считывающий пучок от лазера LS2 (,63 мкм, Р 2 мВТ формировался посредством Я/4 пластины и поляризатора PL В результате четырехпучкового смешения на фоторефрактивном кристалле PCi возникала волна с ОВФ:

Ec4Eon(1V. $Ев

(11)

Фоторефрактивный кристалл чувствителен к поляризации полей Есч, EDIT EB, а также к когерентности полей Е0п и Ев. Когерентность полей Еог/ и Ев достигалась тем, что эти пучки были образованы от одного источника LSi, а разность хода между ними подбиралась кратной двум длинам резонатора лазера LSi. Полное поляризационное обращение достигалось следующим образом. Посредством Я/4 пластины и поляризатора Рз поляризация опорного пучка ориентиро- валас под углом 45° к плоскости схождения Еоб и Еоп пучков. Посредством Я /4 г пластины и поляризатора Pi поляризация считывающего пучка Есч ориентировалась под углом -45° к плоскости схождения Еоб и Е0д г1уч- ков. Также оптическая ось кристалла с ориентировалась под углом 90° к этой плоскости. Тогда выполнялось преобразование:

:об

ЕеY(r, p) (12)

где () обозначает комплексное сопряжение.

При обратном проходе пучок Et проходил по тому же оптическому пути, что и пучок Еоб и посредством микрообъектива L.2 проецировался в плоскость выходного торца волокна z d. В этой плоскости имело место перевозбуждение мод волокна полем Et, которое уже не состоит из чисто собственных мод волокна. Поэтому искажение моды поля Et возбуждали как. поля одноименных мод, так и поля остальных мод. Первая группа MOJJ несла закодированный полезный сигнал Ёс, а вторая группа образовывала шумовое .

Фильтрация сигнального Ес поля и шумового Еш поля осуществлялась на динамической голограмме РС2 (в реальном времени), выполненной на основе кристалла LiNbOaiFe3 1 0,06, следующим образом. На фоторефрактивный кристалл РС2 направлялись два пучка: восстановленный пучок Ев, предварительно прошедший поляризатор с осью пропускания вдоль оси х; опорный Еоп пучок, образованный от лазера LS2 делительной призмой SP2 и прошедший Я/2 пластину, которая развернула его плоскость поляризации на 90° вдоль оси у. Поля Еоп и EBt(r, p) исходили от одного источника света LS2 с учетом разности хода

между ними, были когерентны и могли формировать голографическую решетку.

На динамической голограмме РС2 поле Ев t(r, p) эффективно дифрагировало в направлении опорного Еоп для волн, фазы которых были кратны 2 л п относительно плоскости торца волокна (z 0). Линейно поляризованное опорное поле отсекалось поляризатором Р ось которого ориентировалась вдоль оси х. Система линз Ki, Le, La в плоскости наблюдения (Э) формировала изображение торца волокна 0) и, следовательно, поле сигнальной EL волны,

Учитывая, что дифракционная эффективность г динамических голограмм PCi и РС2 на кристалле 1 ЫЬОз:Ре3+ 0,06 составила 35-40%, эффективность ввода излучения в волокно ОВФ волны v 90% и общая мощность, переносимая полезным сигналом, 79%, то полная энергетическая эффективность рассмотренной системы составит 8,7-11,4%.

Рассмотрим передачу изображения того же транспаранта через волокно с квадратичным распределением показателя преломления. Диаметр волокна а 50 мкм, параметр q 58, длина волны Я 0, м. На длине L 5 м. Максимальное число разрешаемых элементов составляет

Мраз -512, а общее число направляемых мод Моб 1016, т.е. изображение переносится примерно 50% от общего числа разрешаемых элементов. Остальные моды ( 50%) испытывают на этой длине модовую дисперсию и размывают изображение.

Для того, чтобы увеличить как число разрешаемых элементов изображения, так и общую энергетическую эффективность, поместим это волокно в установку, -изображенную на фиг.2 и рассмотрим процесс передачи изображения, аналогично рассмотренному на примере 1.

ОВФ моды, промодулированные транспарантом t, в основном возбуждают сами

себя и моды с ближайшими индексами. Тогда приближенно можно считать, что мощность, переносимая полезным сигналом, как и в примере 1 равна 0,79.

Тогда из общего числа мод с ОВФ, про- модулиробанных транспарантом t(r, #), не возбудит других мод и пройдет без дисперсии Моб мод, остальные моды с ОВФ числом Мн 504 возбудят как сами,себя, так

и соседние моды, и они перенесут только 70% от общей мощности Мн мод. Тогда общее число разделенных элементов будет N М0 + Мн 1016, т.е. возрастет почти вдвое. С другой стороны, энергетическая

эффективность передачи изображения определится как

(33)i rfvP

Mh

Мо+Мн

+

мс

Л2.,

Мо+Мн

0,4Z-0,9-0,790,5 +

Л2.

3+

+ 0,,9-0,5 «13%

В случае, если бы имела место полная расшифровка мод - Мн М0б; М0 0,то энергетическая эффективность составила (Э.Э)2 «10%.

Для выбранного кристалла 1 1МЬОз:Ре достаточно низкая дифракционная эффективность (эти кристаллы использовались в эксперименте) и поэтому такая небольшая разница между величинами (3.3)i и (3,3)2. В случае кристаллов ВаТЮз, для которых величина т/«95%, (3.3)i 72%, а (Э.Э)а 64%. Поэтому использование в данном способе волокон с квадратичным распределением показателя преломления не только увеличивает число разрешаемых элементов, но и энергетическую эффективность способа.

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я

Способ параллельной передачи оптической информации через многомодовое волокно, включающий введение лазерного излучения, промодулированного изображением амплитудного, фазового или амплитудно-фазового транспаранта в волокно,

Поля мод оптического волокна с волноводным параметром v 5,1

Примечание.

Те ( Ue R )

R- Г

е Te(Uc)

где р- радиус сердцевины волокна; г-текущий радиус;

е - азимутальный индекс е-й моды;

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

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.

R- Г

Редактор С. Кулакова

Составитель А. Воляр Техред М. Моргентал

Корректор Н. Король

/