Способ модового мультиплексирования волоконно-оптической линии передачи

Изобретение относится к технике связи и может быть использовано для модового мультиплексирования и увеличения пропускной способности волоконно-оптических линий передачи сетей связи.

Известны способы [1-3] модового мультиплексирования волоконно-оптической линии передачи, основанные на преобразовании фундаментальных мод N одномодовых оптических волокон в ортогональные линейно-поляризованные моды LP_lm, где l - азимутальный, а m- радиальный порядок моды, маломодового или многомодового оптического волокна на передаче и обратном преобразовании на приеме волоконно-оптической линии передачи. Основной недостаток данного решения состоит в невозможности однозначно разделить линейно-поляризованные моды на приеме, что требует применения на приеме технологии MIMO и совместной цифровой обработки всех модовых каналов мультиплексора. А это, в свою очередь, делает более сложной реализацию способа, приводит к дополнительным задержкам и существенно увеличивает стоимость приемника.

От этого недостатка свободны способы [4-10] модового мультиплексирования волоконно-оптической линии передачи, основанные на преобразовании на передаче фундаментальных мод N одномодовых оптических волокон в ортогональные пространственные вихревые моды маломодового оптического волокна, переносящие различный орбитальный угловой момент (OAM - orbital angular momentum), и обратном преобразовании на приеме волоконно-оптической линии передачи. Вихревые моды хорошо разделяются на приеме и, как следствие, указанные способы не требуют применения технологии MIMO [10]. Основной недостаток таких способов модового мультиплексирования связан с большими потерями вихревых мод в световоде, что не позволяет осуществлять передачу сигналов на них по маломодовым волокнам на большие расстояния.

Известен способ модового мультиплексирования волоконно-оптической линии передачи [11], заключающийся в преобразовании фундаментальных мод N одномодовых оптических волокон в ортогональные собственные моды маломодового оптического волокна на передаче и обратном преобразовании на приеме волоконно-оптической линии передачи. Собственные моды слабо взаимодействуют в оптическом волокне. Данный способ также не требует применения технологии MIMO. Основной недостаток способа связан с проблемами практической реализации преобразования фундаментальной моды одномодового оптического волокна в собственную моду многомодового (маломодового) оптического волокна, решение которых требует применения достаточно сложных схем и значительных затрат.

Наиболее близок к заявляемому способ модового мультиплексирования волоконно-оптической линии передачи [12], заключающийся в том, что в модовом мультиплексоре фундаментальные моды N одномодовых оптических волокон преобразуют в N ортогональных собственных мод маломодового оптического волокна, в модовом демультиплексоре N ортогональных собственных мод маломодового оптического волокна преобразуют в фундаментальные моды N одномодовых оптических волокон, причем модовое мультиплексирование выполняют в два этапа, при этом в модовом мультиплексоре на первом этапе фундаментальные моды N одномодовых оптических волокон преобразуют в линейно-поляризованные моды, которые на втором этапе преобразуют в N ортогональных собственных мод маломодового оптического волокна, а в модовом демультиплексоре на первом этапе N ортогональных собственных мод маломодового оптического волокна преобразуют в линейно-поляризованные моды, которые на втором этапе преобразуют в фундаментальные моды N одномодовых оптических волокон. Преобразование линейно-поляризованных мод в собственные моды оптического волокна требует реализации достаточно сложных оптических схем и применения дополнительных оптических элементов, в частности, вращателей поляризации, что, в свою очередь, увеличивает затраты на реализацию способа. Кроме того, применение линейно-поляризованных мод при промежуточном преобразовании снижает эффективность разделения мод.

Сущностью предлагаемого изобретения является расширение области применения.

Эта сущность достигается тем, что согласно способу модового мультиплексирования маломодовой волоконно-оптической линии передачи, заключающийся в том, что в модовом мультиплексоре фундаментальные моды N одномодовых оптических волокон преобразуют в N ортогональных собственных мод маломодового оптического волокна, в модовом демультиплексоре N ортогональных собственных мод маломодового оптического волокна преобразуют в фундаментальные моды N одномодовых оптических волокон, причем модовое мультиплексирование выполняют в два этапа, при этом в модовом мультиплексоре на первом этапе фундаментальные моды N одномодовых оптических волокон преобразуют в пространственные вихревые моды, переносящие различный орбитальный угловой момент (OAM), которые на втором этапе преобразуют в N ортогональных собственных мод маломодового оптического волокна, а в модовом демультиплексоре на первом этапе N ортогональных собственных мод маломодового оптического волокна преобразуют в пространственные вихревые моды, переносящие различный орбитальный угловой момент (OAM), которые на втором этапе преобразуют в фундаментальные моды N одномодовых оптических волокон.

На чертеже представлена структурная схема устройства для реализации заявляемого способа.

Устройство содержит маломодовое оптическое волокно маломодовой линии передачи 1, N одномодовых оптических волокон 2 на ближнем конце маломодовой волоконно-оптической линии передачи, N одномодовых оптических волокон 3 на дальнем конце маломодовой волоконно-оптической линии передачи, модовый мультиплексор 4, который включает первый конвертор мод 5, второй конвертор мод 6, N одномодовых портов 7 и один маломодовый порт 8, модовый демультиплексор 9, который включает третий конвертор мод 10 и четвертый конвертор мод 11, N одномодовых портов 12 и один маломодовый порт 13. При этом каждое из N одномодовых волокон 2 на ближнем конце маломодовой волоконно-оптической линии передачи подключено к одному из одномодовых портов 7 модового мультиплексора 4, а каждый из N одномодовых портов 7 модового мультиплексора 4 соединен с одним из входов первого конвертора мод 5, выходы которого соединены со входами второго конвертора мод 6, к выходу которого через маломодовый порт 8 модового мультиплексора 4 подключено маломодовое оптическое волокно маломодовой волоконно-оптической линии передачи 1. На дальнем конце маломодовой волоконно-оптической линии передачи маломодовое оптическое волокно маломодовой волоконно-оптической линии передачи 1 через маломодовый порт 13 модового демультиплексора 9 подключено ко входу третьего конвертора мод 10, выходы которого соединены со входами четвертого конвертора мод 11, а каждый выход конвертора мод 11 подключен к одному из одномодовых портов 12 модового демультиплексора 9. При этом к каждому из одномодовых портов 12 модового демультиплексора 9 подключено одно из N одномодовых оптических волокон 3 на дальнем конце маломодовой волоконно-оптической линии передачи.

Устройство работает следующим образом. Фундаментальные моды одномодовых оптических волокон 2, через одномодовые порты 7 модового мультиплексора 4 поступают на входы первого конвертора мод 5, в котором преобразуются в вихревые моды, переносящие различный орбитальный угловой момент (OAM). Эти вихревые моды, переносящие различный орбитальный угловой момент (OAM), с выходов первого конвертора мод 5 поступают на входы второго конвертора мод 6, в котором преобразуются в собственные моды маломодового оптического волокна. Эти собственные моды с выхода второго конвертора мод 6 через маломодовый порт 8 модового мультиплексора 4 поступают в маломодовое оптическое волокно маломодовой линии передачи 1. На дальнем конце маломодовой линии передачи собственные моды из маломодового оптического волокна маломодовой линии передачи 1 через маломодовый порт 13 модового демультиплексора 9 поступают на вход третьего конвертора мод 10, в котором преобразуются в вихревые моды, переносящие различный орбитальный угловой момент (OAM). Эти вихревые моды, переносящие различный орбитальный угловой момент (OAM), с выходов третьего конвертора мод 10 поступают на входы четвертого конвертора мод 11, в котором преобразуются в фундаментальные моды одномодовых оптических волокон. Каждая из этих фундаментальных мод с одного из выходов четвертого конвертора мод 11 через один из одномодовых портов модового демультиплексора 9 поступает в одно из N одномодовых оптических волокон 3 на дальнем конце маломодовой волоконно-оптической линии передачи.

Как известно, преобразования собственных мод волоконного световода в вихревые моды, переносящие различный орбитальный угловой момент (OAM), и обратно могут быть реализованы простыми средствами оптической фильрации [7-9], и, в отличие от известного способа, которым является прототип, не требуют применения сложных оптических схем и дополнительных элементов, что снижает затраты и повышает эффективность реализации способа. Кроме того, в отличие от известного способа, которым является прототип и в котором для промежуточного преобразования используются линейно-поляризованные моды, в предлагаемом способе для промежуточного преобразования используются вихревые моды, переносящие различный орбитальный угловой момент (OAM), которые в отличие от линейно-поляризованных мод эффективно разделяются. Это позволяет повысить эффективность модового мультиплексирования предлагаемым способом по сравнению с прототипом. Все вышеперечисленное позволяет расширить область применения заявляемого способа по сравнению с известным, которым является прототип.

ЛИТЕРАТУРА

1. Sorin W.V., Kim B. Y., Shaw H. J. Highly selective evanescent modal filter for two-mode optical fibers//Opt. Lett., v.11(9), 1986, pp. 581-583.

2. A Review of PLC-Based Broadband Two-Mode. Multi/Demultiplexer Designed by Wavefront Matching Method// IEICE Trans. Electron., v.E101-C(7), 2018, pp. 518 - 526

3. Hanzawa N., Saitoh K., Sakamoto Т., Matsui Т., Tsujikawa K., Koshiba M., Yamamoto F. Mode multi/demultiplexing with parallel waveguide for mode division multiplexed transmission// Optics Express, v.22(24), 2014, pp. 29321-29330

4. Патент US 2017353265 A.1

5. Патент WO2018196056 A1

6. Патент US 2018167703 A1

7. Wang J. Advances in communications using optical vortices// Photonics Research, v.4(5), 2016, B14-B28.

8. Lightman S., Hurvitz G., Gvishi R., Arie A. Miniature wide-spectrum mode sorter for vortex beams produced by 3D laser printing// Optica, v. 4(6), 2017, 605-610.

9. Chen M.L.N., Jiang L.J., Sha W.E.I. Orbital Angular Momentum Generation and Detection by Geometric-Phase Based Metasurfaces// Applied Sciences, 2018, 8(3), pp. 362(1-18)

10. Rusch L.A., Rad M., Allahverdyan K., Fazal L, Bernier E, Carrying data on the orbital angular momentum of light// IEEE Communications Magazine, v. 56(2), 2018. - pp. 1-10.

11. Патент CN 107171731 A.

12. Патент JP 2017142301 A.