Способ параллельной передачи оптической информации через многомодовое волокно

(51)5 6 0 САНИЕ ИЗОБРЕТ СУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕДОМСТВО СССРОСПАТЕНТ СССР) К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Симферопольский государственный университет им. М.В.Фрунзе(56) 1. Мировицкий Д.И., Будагян И.Ф., Дубровин В.ф. Микроволноводная оптика и голография. - М.: Наука, 1983. - с. 103-106,2. Уагч А. Оп 1 гапзвззоп апб гесочегу от аггее - бвепзопа ва 9 е птогва 1 оп и орекса ааче(цбез//,3.0 рт. Яос, Авег. 1976. Ч. 66, М 4. Р. 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(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 во . опорное Еоп и считывающее Ес, поля, В одной иэ полей Ес, или Еоп вводится амплитудный, фазовый или амплитудно-фазовый транспарант 1(г, р, д), где г - радиус(5) ды где Елх - х-компонента лазерного поля; вектора, р - азимутальный угол, д - фазовая задержка.Опорное Еоп поле направлено навстречу считывающему Есч полю. Это объясняет- На выходном торце волокна в плоскостися тем, что в результате вырожденного л=б поле будетиметь вид:5четырехпучкового взаимодействия на фоторефрактивном кристалле возникает волна см -+обращен ны м вол новым фронтом (ОВ Ф), Ев = Х Севов епромодулированная транспарантом Евхх т(г, , д), При обра -" Р Р где р, - постоянная распространения еа, П и об атном распространении "0эта волна на выходном торце волокна возБыне мм Е измерения плоскостио ма ию о т анспаранте и шумовое полег= б посредством микрообъектива 4 проециперекрестных мод. После полного обратнона поле ОВФ собственных "5 руется в плоскость фоторефрактивного криго прохода волокна поле со ственных5. В е область посредствоми ет мо ов ю сталла . эту жию и оявляясь как сигнальное Гс оптической системы и цИ, 6 прое ируется полеЕоР опорной волны, промодулированноеполе, а поле ОВФ перекрестно возбужденных мод дисперсию скомпенсирует только Р Рт анспарантомчастично и проявится как шумовое Еш поле.20сО), (1) (1). (4)Далее совокупность Ес и )":.ш проециру- т(г, ф; Еоп = Еоп 1,Е . Третье считывающееильт а, кото ый разделяет поля, когерентное полю . Ре ьЕсч лазерное поле направлено навстречуазность фаз которых относительно входно- сч лазе рнго то р 2 ( = 0,1,2), - 25 опорному полю Еоп, Поля Ев и Еоп наго торцго то а волокна кратна л и и =- фоторефрактивном кристалле записываютЕс друЕ с гими полями, - Еш по направленидинамическую голограмму, Считывающееям. В результате в плоскости наблюдения спомощью оптической системы формируется по сч, д фр руле Е иф аги я на этой голограмме,сигнальное поле Е, несущее оптическую об аз ет волну ОВФ:Р Уинформацию о транспаранте т(г, р, ).Д) 30Энергетическая эффективность способа повышается, когда в качестве передаюЕ 1) Е ио иПоляризация волн Еоп, сч и орищей среды выбирается среда с квадратныммления и ли- ентация оси кристалла о еспечива тной г = 2 тг и/ц, (и = 1,2,3), где ц - поляризационное . Ри ораспространении промодулированное .попе ечной неоднородностины волокна, О ВФ ля Е на выходном торце в плоскополя в 1 нсердцевины волсти к = б.возб дит два типа полей, ПосколькуИзоб етение поясняется чертежами стих= .во уИзобр ткаждая мода поля Е ы уже не является соб(фи . ).иг.1 и 2).ле ю им об ственной модой волокна, то, согласно выраСпособ осуществляют следующим оразом. Пробный когерентный световой пу- И),жению (3), в существенно многомодовомчок от лазерного источника 1 посредством волокне возбудится 1 = со ственныхва 2 в плоскости= 0 входного мод с индексами и постоянными распростанения Л и й собственных мод с близкиторца волокна 3 возбуждает спектр собст- ранения Дев и45 ми индексами е, п)(е б е, и)а ) ивенных мод волокна:постоя н н ыми распространен ия. Полезнаям - информация 1) о транспаранте будет за(1) шифрована коэффициентами возбужденияе,вСев (см,выражение (2. Число разрешающих элементов изображения определяетсягде М - число мод;величиной М. Совокупность полей с постомо волокна янными Распространения фев при обрат - ном рас остСев - коэфф циентвозбужденияте-мо- ном Распр55 персию и в плоскости выходного торцаг = 0 образуют поле полезного сигналаСвм = ХЕамф 4 в) О А/У4 в)О А тт 2) Г, Ек(т, ут), Оствпвнвв совокупность модоА Апостоянными распространения рев приобратном прохождении волокна не полно(6) где февев =Дев - Рев (7) Далее поле Ел = Йс+Еш посредством микрообъектива 2 делительной призмы 8 проецируется в плоскость динамической голограммы 9, На эту же голограмму направляется под углом О опорный гауссов(г)пучок Еоп, когерентный пучку Ел . Динамическая голограмма может быть записана на фоторефрактивном кристалле в оеальном масштабе времени пучками Еоп и Ел . 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 2 л и (и = 0,1,2) относительно плоскости торца г = 0 и опорной волны Еоп. Очевидно, что этому условию отвечает поле Ес сигнала, Проходя через поляризационный фильтр 10, который отсекает поле опорной волны Еоп, поле Фс сигнала посредством линзы(г11 сформирует в плоскости наблюдения 12 изображение транспаранта.П р и м е р 1. Рассмотрим передачу изображения транспаранта, задаваемого функцией амплитудного пропускания т(г, р) (фиг.2). Для простоты выберем волокно со ступенчатым показателем преломления и волноводным параметром ч = 5,1, радиусом сердцевины р= 1, мкм. В таком волокне в общем случае могут реализоваться примерно й = - -13 мод, Пусть передний торец2волокна возбуждается линейно-поляризованным гауссовым пучком света (1), т.е. поляризованным вдоль оси х. При таком способе возбуждения в волокне в плоскости г = 0 возникнут следующие четные модовые комбинации .Р-моды) и собственные моды НЕ 11, НЕ 12 ТМо 1+ НЕ 21, НЕз 1+ НЕ 1 ь 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 г = О, а ось пучка и волокна имеют относительное смешение Ь гl/ 0,2 при относительной угловой несоосности Ос/Ое - 0,05 (где Ое - апертурный угол волокна, Ос- угол, который стью скомпенсирует модовую дисперсию ив плоскости г = 0 образуют шумовое поле:(8) п=о 45 50 55 15 20 25 30 35 составляет ось гауссова пучка и ось волокна).Для мод НЕ 11 и НЕ 12 второй индекс р" функции Гор (р = 1,2) означает, что параметр Ое является первым и вторым нулем функции бесселя Т(Ор) соответственно; фе= - ( - -и), Л= 1 ч г Пе - по Ьи,В табл,1 сведены поля собственных мод и волноводных характеристик волокна; постоянной распространения Ре и поперечного волнового числа сердцевины Ое. При распространении вдоль волокна первоначальное гауссовое пятно в плоскости г = 0 расплывается за счет модовой дисперсии, так что на выходе волокна при прохождении длины г = б каждая из мод приобретает множитель ухр(Зп г) (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 г (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 б =8,2 м для согласования с пиком функции когерентности лазера ЛГ поля на входе и выходе волокна, Мощность электрического поля после волокна составляла Р =1 мВТ,Электрическое поле на выходе волокнапредставлялось суперпозицией полей мод: Это поле (8) посредством 20" микрообъектива И проецировалось в плоскость фоторефрактивного кристалла РС 1 1 ИЬОз;+Ее 0,06), На этот же кристалл направлялось поле опорной волны таким образом, что вначале оно проходило через амплитудный транспарант 1(г, р), а затем системой линз Й 5,6 плоскость транспаранта проецировалась на плоскость кристалла РС 1, В качестве транспаранта выбирался фотослайд с функцией пропускания т(г, ср) = соз р(9), Так что на кристалле опорный пучок имел вид Еоп = Еопт(г, р) (10). Считывающий пучок от лазера Лг (Л = 0,63 мкм, Р = 2 м ВТ формировался посредством Л/4 пластины и поляризатора Р 1. В результате четырехпучкового смешения на фоторефрактивномкристалле РС 1 возникала волна с ОВФ: между ними, были когерентны и могли формировать голографическую решетку,На динамической голограмме РС 2 полеЕв гт ЕочЕо Ис(г, р)Ев П 1) Ев т(г, еэ) эффективно дифрвгироввво в нв 5 правлении опорного Еоп для волн, фазы Фото ефрактивный кристалл чувствителен которых были кратны 2и относительно к поляризации полей Есч, Еи Ев, а также плоскости торца волокна (г = О). Линейно к когерентности полей Еоп(и Ев. Когерент- поляризованное опорное поле отсекалось ность полей Еопи Ев достигалась тем, что поляризатором Р 2, ось которого ориентироэти пучки были образованы от одного источ валась вдоль оси х. Система линз К 1, Ы, 3 з в ника .31, а разность хода между ними под- плоскости наблюдения (Э) формировала биралась кратной двум длинам резонатора изображение торца волокна (г = О) и, следолазера31, Полное поляризационное обра- вательно, поле сигнальной Е) волны, щение достигалось следующим образом. Учитывая, что дифракционная эффекПосредством Л/4 пластины и поляризатора 15 тивность д динамических голограмм РС 1 и Рз поляризация опорного пучка ориентиро- РС 2 на кристалле ОИЬОз:Ее 0,06 составивалась под углом 45 к плоскости схождения ла 35 - 400 , эффективность ввода излучения Еоби Еоп пучков. Посредством Л/4-.пласти- в волокно ОВФ волны )т = 90% и общая ныи поляризатора Р 1 поляризациясчитыва- мощность, переносимая полезным сигнающего пучка Е.сч ориентировалась под углом 20 лом, 79, то полная энергетическая эффек- -45 к плоскости схожДениЯ Еоб и Еоп пУч- тивность РассмотРенной системы составитОков. Также оптическая ось кристалла с ори,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 показателяпреломления. Диаметр волокна а = 50 мкм,Е:об "ф Ев т (г, ф) = Е 1, (12) параметр р = 58, длина волны Л = 0,63 10 бм. На длине= 5 м. Максимальное число гдеобозначает комплексное сопряже- разрешаемых элементов составляет ние, 30 Мрвв = 512, а общее число направляемых модПри обратном проходе пучок Е прохо- Моб = 1016, т.е, изображение переноситсяо ому же оптическому пути, что и пу- примерно 50 оот общего числа разрешаеы 50 чок Гоб и посредством микрообьектива Ы мых элементов. Остальные моды ( -) проецировался в плоскость выходного тор- испытываютнаэтойдлинемодовуюдиспера волокна г = б, В этой плоскости имело З 5 сию и размывают изображение,ца волокнместо 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, по- моды поля Ег возбуждали как поля одно- местим это волокно в установкуизобраименных 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 1, в основном возбуждают самиФильтрация сигнального Ео поля и шу себя и моды с ближайшими индексами. Тогмового Еш поля осуществлялась на динами- да приближенно можно считать, что мощческой голограмме РС 2 (в реальном ность, переносимая полезным сигналом, ремени) выполненной на основе кристал- как и в примере 1 равна 0,79,3+ла ЫМЬОз:Ее 0,06, следующим образом.На фоторефрактивный кристалл РС 2 на Тогда из общего числа мод с ОВФ, проправлялисьдва пучка: восстановленный пу- модулированных транспарантом т(г, о), неЕпредварительно прошедший возбудит других мод и пройдет без дисперВФ поляризатор с осью пропускания вдоль оси сии Моб =512 мод, остальные моды с О х; опорный Еопр) пучок, образованный от числом Мн =504 возбудят как сами, себя, так лазера32 делительной призмой ЯР 2 и про и соседние моды, и они перенесут только шедший Л /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, р) исходили от одного М = Мо + Мн = 1016, т.е. возрастет почти источника света .Я 2 с учетом разности хода вдвое. С другой стороны, энергетическая+ 0,420,90,5 = 130Поля мод оптического волокна с волноводным параметром ч = 5,1 т,(О, В 1 гТе(Ос) фгде О - радиус сердцевины волокна; г - 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 ту 2 Р Р - 0,420,90,790,5 + Мо Мо+ Мн В случае, если бы имела место полная расшифровка мод - Мн = Моб; Мо = О,то энергетическая эффективность составила (Э.Э)2 = 10.Для выбранного кристалла Ой ЬОз: Ре достаточно низкая дифракционная эффективность (эти кристаллы использовались в эксперименте) и поэтому такая небольшая раэница мЕжду вЕличинами (Э.Э)1 и (Э,Э)2. В случае кристаллов ВбТОз, для которых величина у=95%, (Э.Э)1 = 720 , 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 иформирование на выходе изображения5 транспаранта, отличающийся тем,что,с целью уменьшения помех при передачеинформации путем снижения модовой дисперсии, лазерное излучение предварительно разделяют на два пучка, один из которых10 вводят в многомодовое волокно, смешивают со вторым пучком, прошедшим черезтранспарант, и оба пучка проецируют напервый кристалл, где происходит формирование первой динамической голограммы,15 направляют на кристалл считывающий пучок второго лазерного источника, причемсчитывающее излучение направляют навстречу второму пучку излучения, а первыйпучок повторно пропускают через волокно и20 проецируют на второй кристалл, на которыйдополнительно направляют излучениеопорного пучка когерентного пучку выходного излучения для формирования на втором кристалле второй динамической25 голограммы, при восстановлении которойвыделяют фильтром изображение транспаранта,2. Способ по и 1, о т л и ч а ю щи й с ятем, что, с целью повышения энергетиче 30 ской эффективности способа, в качестве передающей среды выбирается среда сквадратным профилем показателя преломления и длиной г = 2 л и/р (и = 1,2,3), гдер - постоянная поперечной неоднородно 235 сти сердцевины волокна,1800441 Е Составитель А. Воляредактор С. Кулакова Техред М. Моргентал Корректор Н. Король Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101 аз 1165ВНИИПИ Го Тираж Подписноественного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5