Метод определения принципиальных мод маломодового оптического волокна на основе применения многоканального ДОЭ
Любопытов В.С., Кутлуяров Р.В., Багманов В.Х., Султанов А.Х.

Уфимский государственный авиационный технический университет

Аннотация:
В статье предлагается новый метод, предназначенный для определения матрицы распространения оптического волокна (ОВ) в маломодовом режиме и расчёта соответствующих принципиальных мод. В основе предлагаемого метода лежит идея расширения на базис пространственных мод подхода, известного как Jones Matrix Eigenanalysis (JME), позволяющего определять матрицу распространения и принципиальные состояния поляризации одномодового волокна. В качестве корреляционного фильтра предполагается использование многоканального дифракционного оптического элемента, реализуемого на базе пространственного модулятора света (SLM). Эффективность предложенного метода подтверждается результатами численного моделирования, полученными для маломодового ОВ со ступенчатым профилем показателя преломления в режиме сильного смешения мод.

Ключевые слова :
смешение мод, межмодовая дисперсия, дифракционный оптический элемент, мультиплексирование с модовым разделением каналов, принципиальные моды.

Литература:

  1. Ellis, A.D. The nonlinear Shannon limit and the need for new fibres / A.D. Ellis // Proceedings of SPIE. – 2012. – Vol. 8434, Nonlinear Optics and Applications VI. – P. 84340H.
  2. Sorokina, M.A. Regeneration limit of classical Shannon capacity / M.A. Sorokina, S.K. Turitsyn // Nature Communications. – 2014. – Vol. 5:3861.
  3. Berdague, S. Mode division multiplexing in optical fibers / S. Berdague, P. Facq // Applied Optics. – 1982. – Vol. 21. – P. 1950-1955.
  4. Soifer, V.A. Laser beam mode selection by computer-gene­rated holograms / V.A. Soifer, M.A. Golub. – London: CRC Press, 1994. – 224 p.
  5. Khonina, S.N. Optical Vortices in a Fiber: Mode Division Multiplexing and Multimode Self-Imaging / S.N. Khonina, N.L. Kazanskiy and V.A. Soifer //Recent Progress in Optical Fiber Research; ed. by Dr Moh. Yasin. – InTech, 2012.
  6. Wang, J. Multimode Communications Using Orbital Angular Momentum / J. Wang, M.J. Padgett, S. Ramachandran, M.P.J. Lavery, H. Huang, Y. Yue, Y. Yan, N. Bozinovic, S.E. Golowich and A.E. Willner // Optical Fiber Telecommunications VIB: Systems and
  7. Networks / I.P. Kaminow, T. Li and A.E. Willner, Eds. – Elsevier, 2013.
  8. Garitchev, V.P. Experimental investigation of mode coupling in a multimode graded-index fiber, caused by periodic microbends using computer-generated spatial filters / V.P. Garitchev, M.A. Golub, S.V. Karpeev, S.G. Krivoshly­kov, N.I. Petrov, I.N. Sissakian, V.A. Soifer, W. Hauben­reisser, J.U. Jahn, R. Willsch // Optics Communication, 1985. – Vol. 55, Issue 6. – P. 403-405.
  9. Marcuse, D. Theory of Dielectric Optical Waveguides / D. Marcuse. – Academic Press, 1991. – 380 p.
  10. Ho, K.-P. Mode Coupling and its Impact on Spatially Multiplexed Systems / K.-P. Ho and J.M. Kahn // Optical Fiber Telecommunications VIB: Systems and Networks / I.P. Ka­minow, T. Li and A.E. Willner, Eds. – Elsevier, 2013.
  11. Fan, Sh. Principal modes in multimode waveguides / Sh. Fan and J.M. Kahn // Optics Letters. – 2005. – Vol. 30(2). – P. 135-137.
  12. Poole, C.D. Phenomenological Approach to Polarisation Dispersion in Long Single-mode Fibres / C.D. Poole, R.E. Wagner // Electronics Letters. – 1986. – Vol. 22(19). – P. 1029-1030.
  13. Gordon, J.P. PMD fundamentals: Polarization mode dispersion in optical fibers / J.P. Gordon and H. Kogelnik // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. – 2000. – Vol. 97(9). – P. 4541-4550.
  14. Kogelnik, H. Polarization-Mode Dispersion / H. Kogelnik, R.M. Jopson, L.E. Nelson // Optical Fiber Telecommunications IVB: Systems and Impairments. – Elsevier, 2002.
  15. Franz, B. Experimental evaluation of principal mode groups as high-speed transmission channels in spatial multiplex systems / B. Franz, H. Bülow // IEEE Photonics Technology Letters. – 2012. –Vol. 24(16). – P. 1363-1365.
  16. Juarez, A.A. Perspectives of principal mode transmission in mode-division-multiplex operation / A.A. Juarez, C.A. Bun­ge, S. Warm, and K. Petermann // Optics Express. – 2012. – V. 20(13). – P. 13810-13823.
  17. Antonelly, C. Stokes-space analysis of modal dispersion in fibers with multiple mode transmission / C. Antonelly, A. Mecozzi, M. Shtaif, and P.J. Winzer // Optics Express. – 2012. – Vol. 20(11). – P. 11718-11733.
    Heffner, B.L. Automated measurement of polarization mode dispersion using Jones matrix eigenanalysis / B.L. Heffner // IEEE Photonics Technology Letters. – 1992. – Vol. 4(9). – P. 1066-1069.
  18. Ryf, R. Mode-Division Multiplexing Over 96 km of Few-Mode Fiber Using Coherent 6×6 MIMO Processing / R. Ryf, S. Randel, A.H. Gnauck, C. Bolle, A. Sierra, S. Mum­taz, M. Esmaeelpour, E.C. Burrows, R.J. Essiambre, P.J. Winzer, D.W. Peckham, A.H. McCurdy, and R. Ling­le, Jr. // Journal of Lightwave Technology. – 2012. – Vol. 30(4). – P. 521-531.
  19. Sillard, P. Few-Mode Fiber for Uncoupled Mode-Division Multiplexing Transmissions / P. Sillard, M. Bigot-Astruc, D. Boivin, H. Maerten, L. Provost // 37th European Conference and Exposition on Optical Communications, OSA Technical Digest, 2011.
  20. Carpenter, J. 1×11 few-mode fiber wavelength selective switch using photonic lanterns / J. Carpenter, S.G. Leon-Saval, J.R. Salazar-Gil, J. Bland-Hawthorn, G. Baxter, L. Stewart, S. Frisken, M.A.F. Roelens, B.J. Eggleton, and J. Schröder // Optics Express. – 2014. – Vol. 22(3). – P. 2216-2221.
  21. Gloge, D. Weakly Guiding Fibers / D. Gloge // Applied Optics. – 1971. – Vol. 10(10). – P. 2252-2258.
  22. Khonina, S.N. An analysis of the angular momentum of a light field in terms of angular harmonics / S.N. Khonina, V.V. Kotlyar, V.A. Soifer, P. Pääkkönen, J. Simonen, and J. Turunen // Journal of Modern Optics. – 2001. – Vol. 48(10). – P. 1543-1557.
  23. Хонина, С.Н. Возбуждение и обнаружение угловых гармоник в волоконном световоде при помощи ДОЭ / С.Н. Хонина, С.В. Карпеев // Компьютерная оптика. – 2004. – Вып. 26. – С. 16-26. (Khonina, S.N. Excitation and detecting angular harmonics in fiber waveguide using DOE / S.N. Khonina, S.V. Karpeev // Computer Optics. – 2004. – Vol. 26 – P. 16-26. – (In Russian).)
  24. Gell-Mann, M. The Eightfold Way: A Theory of Strong Interaction Symmetry / M. Gell-Mann. – California Institute of Technology, 1961. – 47 p.
  25. Голуб, М.А. Экспериментальное исследование распределения мощности по поперечным модам в волоконном световоде с помощью пространственных фильтров / М.А. Го­луб, С.В. Карпеев, С.Г. Кривошлыков, А.М. Про­хоров, И.Н. Си­сакян, В.А. Сойфер // Квантовая электроника. – 1984. – Т. 11, № 9. – С. 1869-1871. (Golub, M.A. Spatial filter investigation of the distribution of power between transverse modes in a fiber waveguide / M.A. Golub, S.V. Karpeev, S.G. Kri­voshlykov, A.M. Prokhorov, I.N. Si­sakyan and V.A. Soifer // Soviet Journal of Quantum Electronics. – 1984. – Vol. 11(9). – P. 1869-1871.)
  26. Karpeev, S.V. DOE-aided analysis and generation of transverse coherent light modes in a stepped-index optical fiber / S.V. Karpeyev, V.S. Pavelyev, M. Duparré, B. Luedge, C. Rockstuhl, S. Schröter // Optical Memory and Neural Networks (Information Optics). – 2003. – Vol. 12(1). – P. 27-34.
  27. Khonina, S.N. Phase diffractive filter to analyze an output step-index fiber beam / S.N. Khonina, R.V. Skidanov, V.V. Kotlyar, K. Jefimovs, J. Turunen // Optical Memory and Neural Networks (Allerton Press). – 2003. – Vol. 12(4). – P. 317-324.
  28. Kaiser, T. Complete modal decomposition for optical fibers using CGH-based correlation filters / T. Kaiser, D. Flamm, S. Schröter and M. Duparré // Optics Express. – 2009. – Vol. 17(11). – P. 9347-9356.
  29. Soifer, V.A. Computer design of diffractive optics / V.A. Soifer [et al.]; – ed. by V.A. Soifer. – London: Woodhead Publishing ltd., 2012. – 896 p.
  30. Schulze, C. Wavefront reconstruction by modal decomposition / C. Schulze, D. Naidoo, D. Flamm, O.A. Schmidt, A. Forbes and M. Duparré // Optics Express. – 2012. – V. 20(18). – P. 19714-19725.
  31. Khonina, S.N. Phase reconstruction using a Zernike decomposition filter / S.N. Khonina, V.V. Kotlyar, Y. Wang, D. Zhao // Computer Optics. – 1998. – Vol. 18. – P. 52-56. – (In Russian).
  32. Любопытов, В.С. Математическая модель детектирования параметров распространения мод в оптическом волокне при маломодовом режиме для адаптивной оптической компенсации смешения мод / В.С. Лю­бопытов, А.З. Тлявлин, А.Х. Султанов, В.Х. Багманов, С.Н. Хони­на, С.В. Карпеев, Н.Л. Казанский // Компьютерная оптика. – 2013. – Т. 37, № 3. – С. 352-359. (Lyubopytov, V.S. Mathematical model of detection of mode propagation parameters in an optical fiber with few-mode operation for adaptive optical compensation of mode coupling / V.S. Lyu­bopytov, A.Z. Tlyavlin, A.Kh. Sultanov, V.Kh. Bag­manov, S.N. Khonina, S.V. Karpeev, N.L. Ka­zan­skiy // Computer Optics. – 2013. – Vol. 37(3). – P. 352-359. – (In Russian).)
  33. Arrizón, V. Pixelated phase computer holograms for the ac-curate encoding of scalar complex fields / V. Arrizón, U. Ruiz, R. Carrada, and L.A. González // Journal of the Optical Society of America A. – 2007. – Vol. 24(11). – P. 3500-3507.
  34. Flamm, D. Mode analysis with a spatial light modulator as a correlation filter / D. Flamm, D. Naidoo, C. Schulze, A. Forbes and M. Duparré // Optics Letters. – 2012. – Vol. 37(13). – P. 2478-2480.
  35. Kotlyar, V.V. An algorithm for calculating multichannel formers of Gaussian modes / V.V. Kotlyar, I.V. Nikolsky, V.A. Soifer // Optik. – 1994. – Vol. 98(1). – P. 26-30.
  36. Lyubopytov, V.S. Adaptive SLM-based compensation of intermodal interference in few-mode optical fibers / V.S. Lyu­bopytov, V.Kh. Bagmanov, A.Kh. Sultanov // Proceedings of SPIE. – 2014. – 9216, Optics and Photonics for Information Processing VIII. – P. 92160I.

© 2009, IPSI RAS
Institution of Russian Academy of Sciences, Image Processing Systems Institute of RAS, Russia, 443001, Samara, Molodogvardeyskaya Street 151; E-mail: ko@smr.ru; Phones: +7 (846) 332-56-22, Fax: +7 (846) 332-56-20