CN104205693A - 使用模分复用的光数据传输的方法 - Google Patents
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Abstract
提议了一种用于光数据传输的方法和设备。使用其乘法图案对应于相应传入或传出波导模式的相应电场图案的空间光调制器，具有相应传入波导模式的传入光信号被映射到具有相应传出波导模式的传出光信号中。传入光信号导致传出光信号，该传入光信号的相应传入波导模式具有等于零的方位阶数，该传出光信号的相应传出波导模具有等于零的方位阶数。此外，两个传入光信号导致相应传出信号，这两个传入光信号的相应第二传入波导模式具有大于零的相同方位阶数、具有相同径向阶数、并且彼此正交，这些相应传出信号的相应传出波导模式具有大于零的相同方位阶数、具有相同径向阶数、并且彼此正交。
Description
技术领域
本发明涉及一种使用模分复用的用于数据传输的方法和光设备。
背景技术
在光数据传输中，数据可以借助于具有具体波长(优选称为载波波长)的光信号而经由光波导来传输。光信号可以被调制以用于指示所传输的数据，其中该调制可以实现为依赖于将被传输的数据的幅度调制和/或相位调制。一种突出的相位调制方法是，例如，正交相移键控(QPSK)。采用幅度调制和相位调制的另一种突出的调制方法是，例如，16-正交幅度调制(16-QAM)。
为了提高数据速率，不仅具体波长的一个光数据信号可以被传输，而且多于一个光数据信号可以以所谓的复用技术而被传输。
在波分复用(WDM)的复用技术中，具有彼此不同的相应波长的多个光数据信号经由相同的波导而被传输。依赖于将经由相应信号而被传输的数据，每个信号个别地被调制。
另一种复用技术是偏分复用(PDM)的复用技术。在PDM中，两个光信号(它们具有相同的波长但是具有彼此正交的相应偏振态)经由相同的波导而被传输。同样在PDM中，依赖于将经由相应信号而被传输的数据，每个信号个别地被调制。PDM的技术可以与WDM的技术组合，以便进一步提高数据速率。
单一波长的光信号能够被描述为一种电磁波，其具有该单一波长，并且其中电场和磁场是相互正交的。
通过光单模光纤(SMF)传播的具有具体波长的光信号，经常如能够被描述为横电磁(TEM)模式地被描述，其中电磁波具有在传播方向中没有场分量的电场和磁场，并且其中所谓的模式图案描述了在垂直于传播方向的平面内的空间中的电场分布。在SMF内，只有具有基本模式的光信号的传播是可能的。
所谓的多模光纤(MMF)是一种光纤，在该光纤中不仅具体波长的一个光信号可以作为基本模式以TEM模式来传播，而且多个光信号可以以该相同具体波长的不同TEM模式而在该光纤内传播。不同的TEM模式在它们相应电场的它们相应模式图案中不同。
模式能够通过其方位周期并且通过在其径向函数中过零的数目而被唯一地识别。因此，模式及其相应的模式图案通过所谓的方位阶数和所谓的径向阶数而被分类。这导致了一种唯一图案，该唯一图案包括具有用于复数电场的正号和负号的区域，等价于0和pi的相位级别。具有指数l的方位阶数指示了：当沿着围绕模式图案的原点的圆轨道而经过时，该模式图案具有的周期数。具有指数m的径向阶数指示了：沿着行进通过模式图案的原点的半径，该模式图案具有的极值的数目。对于l＝0的方位阶数的模式，径向阶数m指示2m+1数目的极值。对于l>0的方位阶数的模式，径向阶数m指示2m数目的极值。所谓的高阶的模式是一种具有大于零的方位阶数的模式。因此，更高的方位阶数是具有指数l>0的一种模式。
等于零的方位阶数的模式具有旋转不变的模式图案。这可以是对于其径向阶数等于一的基本模式，或者对于其径向阶数高于一的更高模式。
对于等于或大于一的方位阶数和给定的径向阶数的一种模式，还存在着相同方位阶数和相同径向阶数的另一种模式，对于这种情形，这两种模式的模式图案是相互正交的，例如，这些模式图案的乘积的面积分等于零。
可以在MMF内采用模分复用(MDM)的技术，其中作为相同波长的不同TEM模式的不同光信号可以在该MMF内传输相应的个别数据。
发明内容
所提议的是一种使用模分复用的光数据传输的方法。该方法包括不同的步骤。
具有相应传入波导模式的多个传入光信号从传入多模光纤被解复用到本质上具有基本波导模式的相应中间光信号中。使用相应的第一光空间调制器来执行解复用的步骤，这些第一光空间调制器的乘法图案对应于这些传入波导模式的电场图案。
这些中间光信号被复用到传出多模光纤内的具有相应传出波导模式的相应传出光信号中。使用相应的第二空间光调制器来执行复用的步骤，这些第二空间光调制器的乘法图案对应于这些传出波导模式的电场图案。
解复用的步骤和复用的步骤被执行，使得第一传入光信号本质上导致第一传出光信号，该第一传入光信号的相应第一传入波导模式具有等于零的方位阶数，该第一传出光信号的相应第一传出波导模式具有等于零的方位阶数。
此外，解复用的步骤和复用的步骤被执行，使得两个第二传入光信号本质上导致相应第二传出信号，这两个第二传入光信号的相应第二传入波导模式
-具有大于零的相同方位阶数，
-具有相同径向阶数，并且
-彼此正交
该第二传出信号的相应第二传出波导模式
-具有大于零的相同方位阶数，
-具有相同径向阶数，并且
-彼此正交。
这些传入波导模式和传出波导模式优选地至少在它们的方位阶数或它们的径向阶数上不同。
为了意识到所提议的方法的优点，不同方面必须纳入考虑。
不同的模式在相同光MMF内可能具有不同的传播延迟，通常被称为差模群延迟(DMGD)。因此，不同模式的两个光信号在不同时间点处到达接收设备。为了补偿这样的延迟差，可以在该接收设备处采用算法，其中这样的算法能够补偿的最大延迟差不可能被超过。因此，通过将传入光MMF内的具有相应传入波导模式的传入光信号映射到传出光纤内的不同波导模式的传出光信号上，实现了对于不同信号的DMGD的平均，这进而可以帮助在位于传出光纤的另一端的接收设备处保持不同光信号之间的延迟差低于最大延迟差。
此外，必须纳入考虑的是，由于光MM的非线性，更高方位阶数和径向阶数的TEM模式图案的取向在沿着MMF的每一点处将不是恒定的，而是沿着MMF旋转。甚至还有，这个取向可能在时间上变化。因此，当接收到这种具有传入TEM波导模式的传入光信号并且借助于光空间调制器(它的图案对应于该传入波导模式的电场图案)将它解复用到具有基本TEM波导模式的中间光信号中时，传入波导模式的模式图案的取向是否与该空间调制器的模式图案的取向对准是至关重要的方面。传入波导模式信号的模式图案与该空间调制器的模式图案之间的取向的未对准，可能导致具有经修改的信号分量的中间信号。因此，对于传入模式图案的取向的未对准的可能来源由被用于解复用的光空间调制器给出。
通过所提议的方法以下列方式来抵消这些问题：解复用和复用被执行，使得两个传入光信号导致两个传出信号，这两个传入光信号的相应传入波导模式具有相同的更高方位阶数、具有相同的径向阶数并且还彼此正交，这两个传出信号的传出波导模式具有相同的更高方位阶数、相同的径向阶数并且还彼此正交。
如先前所提到的，当将具体方位阶数和具体径向阶数的第一传入光模式信号解复用到相应的第一中间信号中时，这个第一传入光模式信号与被用于解复用的乘法掩蔽的旋转未对准具有如下的效果：这个第一传入光模式信号的并非所有信号分量都适当地变换为相应的第一中间信号。剩余的信号分量将有助于通过解复用相同具体方位阶数和相同具体径向阶数的另一个第二传入光模式信号而产生的另一个第二中间信号，但是其模式图案正交于该第一传入光模式信号的模式图案。
相同情况适用于该具体方位阶数和该具体径向阶数的第二传入光模式信号：当产生相应的第二中间信号时，这个第二传入光模式信号与被用于解复用的乘法掩蔽的旋转未对准具有如下的效果：这个第二传入光模式信号的并非所有信号分量都适当地变换为相应的第二中间信号。剩余的信号分量将有助于通过解复用该第一传入光模式信号所产生的该第一中间信号。
对于在解复用处的传入波导模式和在复用处的传出波导模式的所提议的选择的效果如下：相同更高方位阶数和相同径向阶数的两个传入信号能够被考虑为是一个组合传入光信号，而相同更高方位阶数和相同径向阶数的两个传出光信号能够被考虑为是一个组合传出光信号。由于空间调制器具有充当乘法分量的模式图案，所以通过为传入波导模式选择相同的传入方位阶数和相同的传入径向阶数并且也为传出波导模式选择相同的传出方位阶数和相同的传出径向阶数，来确保该组合传入光信号的所有信号分量到该组合传出光信号的线性变换。换句话说，这两个传入信号的所有信号分量都适当地被变换为这两个传出信号。
能够使用数字信号处理在接收设备处补偿传出模式的总旋转，只要确保相同方位阶数和相同径向阶数的两个传入模式信号的信号分量通过解复用和复用作为整体被变换为相同方位阶数和相同径向阶数的两个传入模式信号。
因此，用于解复用以及还有复用的方位阶数和径向阶数的所提议的选择，使得有可能将这两个传入波导模式信号映射到这两个传出波导模式信号中，而不是必须知道用于解复用的步骤的这两个传入波导模式信号的确切取向。
附图说明
图1示出了发射机和接收机以及在该传输的不同阶段处的不同的模分复用信号。
图2示出了不同模式图案的表格，这些不同模式图案针对多模光纤内可能的模式。
图3示出了提议的设备以及传入模式信号和传出模式信号。
图4a和4b示出了所提议的设备以及传入模式信号和传出模式信号。
图5示出了接收设备。
图6示出了在接收机内所执行的信号处理步骤的框图。
图7更详细地示出了所提议的设备。
图8示出了一种在频域中用于修改模式信号的布置。
图9a示出了用于模式转换的设备。
图9b示出了在偏振复用的情况中的用于模式转换的设备。
图10示出了可编程光空间调制器的实施例。
图11示出了针对光信号的相应模式图案的相位图案。
图12示出了所提议的设备的进一步的实施例。
具体实施方式
图1示出了从发射设备TX到接收设备RX的光传输的不同阶段处的不同单模信号以及多模信号。
发射机TX与接收机RX之间的光传输线路OLT至少包含：连接该发射机TX和模式逆变器MI的传入多模光纤IMMF，以及连接该模式逆变器MI和该接收设备RX的传出多模光纤OMMF。
多个单模信号SMS出现在发射机TX处。这些单模信号优选地出现在相应的单模光纤内，使得这些单模信号SMS全部具有模式MP0，模式MP0具有模式图案MP01，模式图案MP01对应于单模光纤内的基本模式。发射机TX此外包含模式复用器MM，模式复用器MM将这些单模信号SMS转换为相应的多模信号MMSl。通过这样做，该模式复用器MM将这些单模信号SMS中的一个或多个单模信号转换为具有相应模式图案MP1的相应多模信号MMS1，这些模式图案MP1是更高阶数模式的模式图案。
图2示出了表格T1，在表格T1中，对于不同阶数的不同模式，对应的差模群延迟和模式信号的电场的对应模式图案被示出。
对于每种模式，给出了指示方位阶数AO并且还有径向阶数RO的对应指数。如先前所概述的，模式的模式图案包括具有正号和负号的区域，这些区域定义了多模光纤的正交于传播方向的那个平面内的复电场的幅度。方位阶数定义了：当沿着围绕模式图案的原点的圆轨道而经过时，该模式图案具有的周期数。径向阶数定义了：当从该节点图案的原点沿着半径向外经过时，该模式图案具有的周期数。对于模式LP01，对应的模式图案MP01是如下的图案，该图案是旋转不变的并且该图案在方位方向上没有周期性。此外，对于模式LP02，对应的模式图案MP02是如下的模式图案，该模式图案是旋转不变的，而在径向方向上的周期性具有阶数2。
对于阶数LP11的模式，不仅存在一种单一模式可能，而且存在具有对应模式图案MP11a的第一模式LP11a并且还有具有对应模式图案MP11b的第二模式信号LP11b。模式图案MP11a和MP11b是彼此正交的，因为这两种模式图案MP11a和MP11b的乘积的面积分等于零。
同样的情况适用于模式LP21a和LP21b的模式图案MP21b和MP21a。
如其能够清楚地从表格T1看出的，不同的模式具有关于基本模式LP01的差模群延迟DMGD的不同值，而在表格T1中给定的数值指示纳秒每公里的值。
如先前所概述的，由于不同的模式具有不同的差模群延迟DMGD的事实，不同的模式信号可能以不同的延迟到达接收设备。这种延迟可以通过信号处理算法而在接收设备处被补偿，其中这样的信号处理算法目前具有如下的问题：它们可能仅补偿不同的模式信号之间的最大延迟。因此当沿着光传输线路传输不同的模式信号时，归因于接收机实际能够补偿的这些不同的模式信号之间的最大延迟，这个光传输线路的距离可能被该接收机内的信号处理算法的能力所限制。
回到图1，提议了一种用于模式逆变MI的设备(这里称为模式逆变器)。该模式逆变器MI将具有相应波导模式MP1的传入光信号MMS1映射到具有相应其他传出波导模式MP2的传出光信号MMS2中。这种类型的模式逆变具有如下的优点：光信号沿着传入多模光纤IMMF内的光传输线路OLT而行进第一距离L-x，并且然后以另一种模式沿着传出多模光纤OMMF而行进距离x。这进而导致了，沿着光传输线路OTL的整个长度L的对于传入光信号和传出光信号的经平均的差模群延迟。因此，当借助于这个传入光信号和这个传出光信号从发射机TX向接收机RX传输数据时，归因于不同光信号的差模群延迟的平均，沿着光传输线路OTL的对于数据传输的总差模群延迟可以被保持在该接收机RX能够补偿的最大延迟之下。
在该接收机RX处，模式解复用器MD将具有它们的相应模式图案MP2的传出光信号MMS2解复用至相应的单模信号SMS上，这些相应的单模信号SMS具有模式图案MP3，该模式图案MP3是基本模式LP01的模式图案MP01。
图3更详细地示出了所提议的模式逆变器。从传入多模光纤IMMF经由模式逆变器MI的模式解复用器MD’而接收传入光信号MMS1以及相应的模式图案MP1。该模式解复用器MD’将传入光信号MMS1解复用到相应的中间光信号IS中。如其能够在图3中看出的，间断的光信号IS具有基本波导模式。中间光信号IS然后由模式复用器MM’复用到具有相应传出波导模式MP2的相应传出光信号MMS2上，而进入传出多模光纤OMMF。
使用如下的光空间调制器来执行解复用和复用，这些光空间调制器的乘法模式对应于相应的传入波导模式和传出波导模式的电场图案。这将更详细地关于图9a、9b、10和11来解释。
图4a示出了对于传入光信号的模式逆变器MI的提议的配置，该传入光信号的相应波导模式具有等于0的方位阶数。在图4a的示例中，传入光信号具有波导模式LP01。模式解复用器MD’使用具有如下的乘法图案MP01的光空间调制器，该乘法图案MP01对应于该传入波导模式LP01的电场图案。产生的中间光信号具有波导模式LP01’，该波导模式LP01’是基本模式。模式复用器MM’将该中间光信号复用到传出多模光纤OMMF内的传出光信号中，其中这个传出光信号具有传出波导模式LP02，该传出波导模式LP02的方位阶数也等于0。
图4a示出了一种配置，在该配置中旋转不变模式LP01的传入光信号导致了另一个旋转不变模式LP02的传出光信号。旋转不变模式的另一个传入光信号(例如模式LP02)可以被解复用和复用，使得它导致旋转不变模式的另一个传出光信号(例如模式LP01)。
图4b示出了用于将具有方位阶数大于0的模式的传入光信号映射到具有相应模式的相应传出光信号中的模式逆变器MI的提议的配置。设备MI被配置，使得具有相应传入波导模式LP11a和LP11b(它们具有大于0的相同方位阶数和相同径向阶数并且彼此正交)的两个传入光信号导致相应的传出光信号，传出光信号的波导模式LP21a和LP21b也具有大于0的相同方位阶数、相同径向阶数，并且彼此正交。使用其乘法模式与模式LP11a的电场图案MP11a相对应的空间调制器，通过滤出具有模式LP11a的信号来执行这一点。这种过滤导致中间光信号LP011。
此外，使用具有乘法图案的空间调制器，模式LP11b的传入光信号被滤出并且转换为模式LP11b的传入信号，该乘法图案对应于传入模式信号LP11b的电场图案MP11b，该电场图案MP11b导致具有基本模式LP012的中间信号。使用具有与模式LP21a和LP21b的模式图案MP21a和MP21b相对应的相应乘法图案的相应空间调制器，模式LP011和LP012的中间信号然后复用到具有相应模式LP21a和LP21b的相应传出信号中。
具有模式LP11a和LP11b的传入信号到具有模式LP21a和LP21b的传出信号的变换，能够视为包含这两个传入信号的组合传入到这两个传出信号的组合传出信号的线性变换。这是一种线性变换，因为这些空间调制器使用乘法图案。
如先前其已经被提到的，模式的取向可能不是恒定沿着光纤，而是可能旋转。在这样的情况中，替代接收到具有模式图案LP11a和LP11b的传入信号，可能是如下的情况：具有在这个示例中示出为LP11a’和LP11b’的旋转模式图案的传入信号到达模式逆变器MI。利用模式逆变器MI的给定配置，这导致具有模式LP21a’和LP21b’的传出信号，模式LP21a’和LP21b’关于该模式LP21a和LP21b被旋转。由于这些空间调制器使用乘法图案用于解复用和复用的事实，确保了包含模式LP11a’和LP11b’的传入信号的组合传入信号到包含具有模式LP21a’和LP21b’的两个传出信号的组合传出信号的线性变换。因此，通过将大于0的相同方位阶数、相同径向阶数并且正交的模式图案的模式的传入信号映射到其模式具有大于0的相同方位阶数、相同径向阶数并且正交的模式图案的这种传出信号中，确保了该组合传入信号的所有信号分量都变换到组合传出信号中。具有相应模式LP21a’和LP21b’(它们的模式图案被旋转)的两个传出信号，然后可以借助于在接收设备处的信号处理而被检测。为了重新对准具有这样的模式(这些模式的相同方位阶数大于0并且这些模式的径向阶数相等)的光信号的旋转模式图案，存在突出的信号处理算法，诸如在出版物“Seb J.Savory,‘Digital filters for coherent optical receivers’,OpticsExpress,vol.16,No.2,pp.804-817,2008”中所提供的。
图5示出了一个典型的接收机RX’，其可以被用于解复用来自多模光纤MMF的不同模式信号，并且还用于补偿所接收的模式信号的旋转变化。该接收机RX’包含模式解复用器MD，该模式解复用器MD将不同模式的信号解复用到基本模式的相应中间信号IS’中。使用相应的延迟线DL，这些中间信号IS’甚至可以此外在时间上被延迟，用于补偿差模群延迟DMGD。
对于中间信号IS’中的每个中间信号，存在相应的接收机RX1、…RX4，它们沿着两个正交偏振面来对光信号采样，并且因此为每个偏振面生成相应的同相信号和相应的正交信号。这些同相信号和正交信号然后被传递到信号处理设备DSP上。
该信号处理设备DSP更详细地示出在图6中。该处理设备DSP与来自仅在这个示例中的接收机RX1和RX2的相应信号一起被示出。该信号处理设备DSP可以接收和处理先前在图5中所示出的进一步的接收机的进一步的信号。
该处理设备DSP被提供具有同相信号IP1和正交信号QP1，由接收机RX1通过沿着第一偏振面来对第一中间光信号的光信号采样而生成该同相信号IP1和正交信号QP1。此外，该处理器DSP被提供具有同相信号IP2和正交信号QP2，由接收机RX1通过沿着第二正交偏振面来对在其光场中的相同第一中间光信号采样而生成该同相信号IP2和正交信号QP2。
通过对第二中间光信号采样，相应的同相信号和正交信号由接收机RX2或者从接收机RX2提供给该处理器DSP。
现在假定接收机RX1提供如下的信号，这些信号将表示从图4b中所示出的模式LP21a的多模光纤内的信号产生的中间信号，并且假定接收机RX2提供如下的信号，这些信号表示从图4b中所示出的模式LP21b的多模光纤MMF内的模式信号产生的中间信号，则该处理设备DSP包含模式解复用MPR的步骤，在该步骤中这些模式图案的轴的可能的旋转被补偿。这些模式图案的这种旋转先前已经示出在图4b中，在这个示例中用于模式LP21a’和第二LP21b’的模式图案。归因于事实：模式解复用和均衡MPR的步骤一起处理了相同方位阶数和相同径向阶数的所有信号(这里由接收机RX1和RX2提供)，所以只有在图4b中所示出的模式逆变器MI处必须确保大于0的相同方位阶数和相同径向阶数的两个信号被映射，才使得它们导致大于0的另一个相同方位阶数和另一个相同径向阶数的两个传出信号。因为这通过图4b中所示出的模式逆变器MI的配置来确保，所以诸如图5和6中所示出的使用先前所提到的已知信号处理算法的接收机，能够适当地检测和处理模式LP21a’和LP21b’的传出信号，用于导出图6中所示出的相应数据信号DS1和DS2。
通过使用诸如QAM或QPSK的相位和/或幅度调制测量方法来个别地调制相应的模式信号，数据信号DS1和DS2可能已经被生成。
图7示出了根据一个优选实施例的提议的模式逆变器MI1。从传入多模光纤IMMF接收的传入光信号的集合被提供给解复用器MD1，解复用器MD1以类似于先前关于图3、4a和4b所示出和描述的模式解复用器MD’的方式起作用。在模式解复用器MD1内，借助于分束器BS和镜M，信号的该集合被拆分并且提供给模式转换器MI、…、M4的集合。模式逆变器MI、…、M4至少包含光空间调制器，该光空间调制器的乘法场图案对应于如下的传入波导模式信号的电场图案，相应的模式转换器MI、…、M4从接收自IMMF的信号的集合中滤出该传入波导模式信号。模式逆变器MI、…、M4因此滤出具体传入波导模式的传入光信号，并且在相应的单模光纤SMF1、…SMF4内将这个传入光信号转换为相应的中间光信号。中间光信号具有相应单模光纤SMF1、…SMF4内的基本波导模式。将关于图9a和9b来更详细地描述这些模式转换器M1、…、M4。
模式复用器MM1接收这些中间光信号并且将它们转换成传出多模光纤OMMF内的相应传出波导模式的相应传出光信号。对于这一点，该模式复用器MM1包含相应的模式转换器M5、…、M8，它们稍后将关于图9a和9b详细地被描述。由模式转换器M5、…、M8提供的传出光信号然后借助于镜M和光束组合器BC而被组合，以便将它们提供给传出多模光纤OMMF。
图7中所示出的模式转换器MI、…、M8优选为依赖于作为光空间调制器的相位掩模的模式转换器。
使用乘法相位掩模的原理概述在图8中。从输入光纤IF接收的信号从输入光纤IF被提供到透镜L，其中输入光纤与透镜L之间的距离给定为f。该透镜然后将所接收的光信号提供到乘法掩模，并且然后进一步到进一步的透镜L上，该进一步的透镜L将光信号提供到输出光纤OF。输入光纤IF的端部、这些透镜、该乘法掩模和输出光纤OF的起点每个都相互隔开距离f。这被称为4f相关器，如它从出版物“Joseph W.Goodman,‘Introduction to Fourier Optics’,2nd edition,McGraw-Hill,1996”而已知。
这种4f相关器在乘法掩模处生成经由输入光纤IF接收的光信号的傅里叶变换。为了将输入信号从模式LP01转变为模式LP1的输出信号，该乘法掩模必须具有与模式LP11的模式图案的幅度性质相对应的在傅里叶域中的相位性质。这种模式图案例如在图11中作为用于模式LP11a的模式图案MP而被给出。该乘法相位掩模的模式图案的一个区带因此必须具有引起0相移的片区，而其他片区引起相移π。
在4f相关器内使用相应的乘法相位掩模，诸如在图8中所示出的模式LP11的对应具体输出模式能够被生成。
图9a示出了模式逆变器M1的实施例。传入光信号INS被提供到透镜L并且从那里提供到可编程相位掩模PM，可编程相位掩模PM还放大示出在右手边。相位掩模PM反射传入信号INS，同时引起适当的相移，如先前关于图8和11所概述的。产生的信号通过透镜L并且作为传出信号OS而离开模式转换器M1。输入光纤到透镜L的距离f的间距没有明确地示出在图9a中。优选地，在只有图案LP01、LP11和LP21的模式被使用的情况中，这个间距具有从f变化的距离，在该情况中所提议的方法和设备仍然以足够的方式执行。这些模式LP01、LP11和LP21没有径向周期性，并且因此对相位掩模的大小改变不敏感，掩模沿着距离f的方向上的轴的未对准将会引起相位掩模的大小改变。
因此，通过使用该可编程相位掩模PM，图11中所示出的相应模式图案MP能够被生成以用于滤出相应模式的相应传入光信号。
为了将更高阶数模式的传入光信号INS解复用到基本模式的中间信号IS中，这些相位掩模PM采取与该更高阶数模式的相位图案相对应的相位图案。
换句话说，模式图案包括具有用于复电场的正号和负号的区域，正号和负号等价于傅里叶域中的0和pi的相位级别。具有不同符号的区域的数目和阶数在2维傅里叶变换之后保持恒定，即便它们的相对大小能够改变。因此，将一种模式转换成另一种能够通过如下的掩模良好地近似，该掩模对输入模式执行相移，从而传入“相位区域”被映射到所期望的传出“相位区域”上。在传入LP01模式的特殊情况中，该传入模式仅包括单个相位区域，并且所以转换掩模直接对应于所期望的输出模式的相位区域图案。当解复用时，这些模式的相位图案的唯一性保证了仅有将被选择的模式的相位图案被映射到输出模式的相位图案上，优选地该模式通常是LP01。因此，所有其他模式之后能够由诸如单模光纤的设备滤出。
图9a中所示出的模式转换器M1可操作为，将更高阶数模式的传入信号INS转换成基本模式的中间信号IS。图7中所示出的用于将中间信号转换成传出信号的模式转换器M5、…、M8在结构上与图9a中所示出的模式转换器MI相类似，其中图7中所示出的这样的模式转换器M5、…、M8具有相位掩模，该相位掩模具有相位图案，这些相位图案对应于相应传出光信号的模式图案。为了设置图7中所示出的模式逆变器MI1的配置，未明确示出的控制单元可以被使用。这样的控制单元优选地被给定为彼此交互的一个或多个控制单元，其中该控制单元或多个控制单元具有可操作为与控制终端或管理平面交互的一个或多个接口。
图9a示出了在没有使用偏分复用的情况中的模式转换器M1。在传入模式信号到达如下的相位掩模PM(其优选地是硅基液晶(LCOS))的情况中，该相位掩模PM具有不与由该相位掩模PM所优选的偏振取向对准的偏振取向，所传输的信号功率被降低。
图9b示出了在使用偏分复用的情况中根据进一步的解决方案的图9a的所提议的模式转换器。
传入光信号INS由偏分束器PBS拆分成两个正交偏振分量，其中一个分量被直接提供到透镜L然后到相位掩模PM，如先前关于图9a所描述的。使用半波片HWP，另一个分量在其偏振态中被旋转，并且然后被提供到透镜L并且此外提供到相位掩模PM。这个另一个分量再一次经过透镜L，并且然后再一次使用半波片HWP在其偏振态中被旋转。第一分量和第二分量在偏振分束器PBS处被重新组合为中间信号IS。
图9b中所示出的相位掩模PM在结构和功能上与先前关于图9a所示出和描述的相位掩模PM相类似。
在图9b中的配置中，分束器的PBS偏振轴对传入信号的偏振轴的未对准，引起了传入信号的一个偏振态到两个掩模PM上的信号贡献。另一个偏振态然后还引起传入信号到两个掩模PM上的信号贡献。这些贡献稍后由所提议的设备重新组合。
图9a和9b中所示出的所提议的相位掩模PM优选是模式逆变器M1内的LCOS掩模，其中这些相位掩模PM是反射掩模。
根据一种备选的解决方案，模式逆变器可以被布置，以使得从一侧传播到该模式逆变器中的传入光信号被提供到透明相位掩模，使得该传入光信号经过这个透明相位掩模并且然后进一步传播，在另一侧离开该模式逆变器。这种透明相位掩模优选是玻璃制造的固定模式选择性相位掩模。在偏振复用的情况中，使用图9b中所示出的镜M和分束器PBS，传入光信号可以被拆分并且重新组合。在使用玻璃制造的模式选择性相位掩模的情况中，解复用器与复用器之间的配置将必须被允许，如下面关于图12进一步描述的。
图11示出了用于对应模式的相位掩模的相应模式图案MP。
图10示出了组合相位掩模CPM的实施例，其包含位于一个硅器件上的多个相位掩模PM，其中这些不同的相位掩模PM被使用作为用于相应模式转换器M1、…、M4的相位掩模。在这个示例中，每个模式转换器M1、…、M4包含偏分复用的情况中用于允许模式转换的两个相位掩模PM。
这些相位掩模PM优选是在组合表面上的硅基液晶。这些组合相位掩模CPM及其相位掩模PM优选是由控制单元CTRL可配置和可编程的。这先前已经详细地描述了。
控制单元CTRL依赖于在该模式逆变器处所接收的控制信号来设置这些相位掩模PM的模式图案。
回到图7，先前描述了，中间信号借助于单模光纤从解复用设备MD1被传递到复用设备MM1。备选地，这些中间信号可以在相应的光自由空间路径或者在集成设备的相应波导内被传递。
如先前关于图8、9a、9b、10和11所概述的，空间调制器可以被给定为执行傅里叶变换或频率变换的4f相关器内的相位掩模。这些空间调制器的相位图案对应于相应模式信号的模式图案。备选地，图7中所示出的模式转换器M1、…、M8不依赖于用于频率变换或傅里叶变换的4f相关器，而是通过使用幅度掩模直接执行空间调制，这些幅度掩模的幅度值对应于相应模式信号的模式图案的幅度值。
换句话说，通过使用幅度掩模来强化所期望模式的幅度分布，可以执行模式转换。例如，为了相对于具有等于零0的方位阶数的模式而加强具有大于0的方位阶数的模式，衰减能够被应用到模式的中心，因为具有等于零0的方位阶数的模式在这个中心片区中具有最大幅度，而所有其他模式在这个中心片区具有0幅度。
如先前关于图4b所概述的，模式逆变器MI执行解复用和复用，使得大于0的相同方位阶数、相同径向阶数并且正交的模式图案的具体模式图案(例如传入模式信号LP11a’和LP11b’)的两个传入光信号，导致这样的传出光信号，这些传出光信号的模式图案(例如LP21a’和LP21b’)也具有大于0的相同方位阶数、相同径向阶数并且还彼此正交。为了确保由解复用和复用步骤所引起的传入信号的信号分量之间的附加延迟被最小化，必须确保与用于传入信号LP11b’以及它的相应中间信号和它的相应传出信号的总光程相等的、从图7中所示出的传入多模光纤IMMF上至图7中所示出的传出多模光纤OMMF的总光程用于传入光信号LP11a’以及它的相应中间信号和它的相应传出信号。
图12示出了用于模式逆变器MI3的备选实施例。模式逆变器MI3包含复用器MD2，复用器MD2在结构和功能上与图7中所示出的模式解复用器MD1相类似。此外，模式逆变器MI3包含模式复用器MM2，模式复用器MM2在结构和功能上总体地类似于图7中所示出的模式复用器MM1。
图12的模式逆变器MI3在两个主要方面不同于图7的模式逆变器MI1。第一，解复用器MD2和复用器MM1通过单模光纤SMFa和SMFb连接，单模光纤SMFa和SMFb进而通过具有N×N开关能力的开关S互连。数目N等于单模光纤SMFa、SMFb的数目。第二，解复用器MD2和复用器MM2不同于图7的解复用器MD1和复用器MM1，因为相应的模式转换器不包含可编程相位掩模，而是替代地包含固定模式选择性相位掩模。模式逆变器MI3的配置能力由控制单元CTRL2给定，控制单元CTRL2对开关S进行配置。优选地，解复用器MD2和复用器MM2内所使用的掩模是玻璃制造的固定模式选择性相位掩模。
图10中所示出的控制单元CTRL和图12中所示出的CTRL2以及关于图9a和9b所提到的控制单元，优选地经由所接收的模式信号之一来接收控制信号。优选地，被用于控制信号的传输的模式信号是基本模式LP01的模式信号。
Claims (14)
1.一种使用模分复用的光数据传输的方法，包括将来自传入多模光纤(IMMF)的具有相应传入波导模式(MP1)的多个传入光信号(MMS1)解复用到本质上具有基本波导模式的相应中间光信号(IS)中，在传出多模光纤(OMMF)内将所述中间光信号(IS)复用到具有相应传出波导模式(MP2)的相应传出光信号(MMS)中，
其中使用相应第一光空间调制器(PM)来执行解复用的所述步骤，所述第一光空间调制器的乘法图案(MP01、MP11a、MP11b)对应于所述传入波导模式(MP1)的电场图案，
并且其中使用相应第二光空间调制器(PM)来执行复用的所述步骤，所述第二光空间调制器的乘法图案(MP02、MP21a、MP21b)对应于所述传出波导模式(MP2)的电场图案，
其中执行解复用的所述步骤和复用的所述步骤，
-使得第一传入光信号本质上导致第一传出光信号，所述第一传入光信号的相应第一传入波导模式(LP01)具有等于零的方位阶数的第一传入光信号，所述第一传出光信号的相应第一传出波导模式(LP02)具有等于零的方位阶数，
-并且使得两个第二传入光信号本质上导致相应第二传出信号，所述两个第二传入光信号的相应第二传入波导模式(LP11a、LP11b)
○具有大于零的相同方位阶数，
○具有相同径向阶数，并且
○彼此正交，
所述第二传出信号的相应第二传出波导模式(LP21a、LP21b)
○具有大于零的相同方位阶数，
○具有相同径向阶数，并且
○彼此正交，
其中所述第二传入波导模式(MP1)的所述相同方位阶数不同于所述第二传出波导模式(MP2)的所述相同方位阶数，
并且其中所述第一传入波导模式(LP01)具有与所述第一传出波导模式(LP02)的径向阶数不同的径向阶数。
2.根据权利要求1所述的方法，
其中所述光空间调制器(PM)是相位掩模和/或幅度掩模。
3.根据权利要求2所述的方法，
其中使用4f相关器来执行解复用的所述步骤和复用的所述步骤，并且其中所述光空间调制器(PM)是具有乘法相位图案的相位掩模，所述乘法相位图案对应于所述传入波导模式和所述传出波导模式(MP1、MP2)的所述电场图案。
4.根据权利要求3所述的方法，
其中所述相位掩模是可编程硅基液晶。
5.根据权利要求3所述的方法，
其中所述相位掩模是固定模式选择性相位掩模。
6.根据权利要求1所述的方法，
其中所述中间光信号(IS)在相应单模光纤(SMF)内、在相应光自由空间路径内、或者在集成设备的相应波导内被传输。
7.根据权利要求1所述的方法，
其中
-对于所述两个第二传入光信号中的一个第二传入光信号、所述一个第二传入光信号的相应中间光信号以及所述一个第二传入光信号的产生的相应传出光信号的从所述传入多模光纤(IMMF)到所述传出多模光纤(OMMF)的总光程
等于
-对于所述两个第二传入光信号中的另一个第二传入光信号、所述另一个第二传入光信号的相应中间光信号和所述另一个第二传入光信号的产生的相应传出光信号的从所述传入多模光纤到所述传出多模光纤的总光程。
8.根据权利要求1所述的方法，
其中所述第一传入波导模式(LP01)具有与所述相应第一传出波导模式(LP02)的径向阶数不同的径向阶数，
所述方法还包括接收至少一个控制信号，
其中
-所述相应第一传出波导模式(LP02)的所述径向阶数
-以及所述相应第二传出信号的所述相同方位阶数和所述相同径向阶数
依赖于所述控制信号而被选择。
9.根据权利要求1所述的方法，
其中
-所述第二传入光信号的所述相同方位阶数不同于所述第二传出光信号的所述相同方位阶数，并且/或者
-所述第二传入光信号的所述相同径向阶数不同于所述第二传出光信号的所述相同径向阶数。
10.一种用于模分复用的光数据传输设备，包括：
-光模式解复用器(MD’)，可操作为将来自传入多模光纤(IMMF)的具有相应传入波导模式(MP1)的多个传入光信号(MMS1)解复用到本质上具有基本波导模式的相应中间光信号(IS)中，
-光模式复用器(MM’)，可操作为在传出多模光纤(OMMF)内将所述中间光信号(IS)复用到具有相应传出波导模式(MP2)的相应传出光信号(MMS2)中，
其中所述光模式解复用器(MD’)包括相应第一光空间调制器(PM)，所述第一光空间调制器的乘法图案可操作为对应于所述传入波导模式(MP1)的电场图案，
并且其中所述光模式复用器(MM’)包括相应第二光空间调制器(PM)，所述第二光空间调制器的乘法图案可操作为对应于所述传出波导模式(MP2)的电场图案，
其中所述光模式解复用器(MD’)和所述光模式复用器(MM’)可操作为，
-使得第一传入光信号本质上导致第一传出光信号，所述第一传入光信号的相应第一传入波导模式(LP01)具有等于零的方位阶数，所述第一传出光信号的相应第一传出波导模式(LP02)具有等于零的方位阶数，
-并且使得两个第二传入光信号本质上导致相应第二传出信号，所述两个第二传入光信号的相应第二传入波导模式(LP11a、LP11b)
○具有大于零的相同方位阶数，
○具有相同径向阶数，并且
○彼此正交，
所述第二传出信号的相应第二传出波导模式(LP21a、LP21b)
○具有大于零的相同方位阶数，
○具有相同径向阶数，并且
○彼此正交，
其中所述第二传入波导模式(MP1)的所述相同方位阶数不同于所述第二传出波导模式(MP2)的所述相同方位阶数，
并且其中所述第一传入波导模式(LP01)具有与所述第一传出波导模式(LP02)的径向阶数不同的径向阶数。
11.根据权利要求10所述的光数据传输设备，
其中所述光空间调制器(PM)是相位掩模和/或幅度掩模。
12.根据权利要求11所述的光数据传输设备，
其中光模式复用器(MM’)和所述光模式解复用器(MD’)包括相应4f相关器，
并且其中所述光空间调制器(PM)是如下的相位掩模，所述相位掩模的乘法相位图案可操作为对应于所述传入波导模式和所述传出波导模式(MP1、MP2)的所述电场图案。
13.根据权利要求12所述的光数据传输设备，
其中所述相位掩模是可编程硅基液晶。
14.根据权利要求13所述的光数据传输设备，
其中所述相位掩模是固定模式选择性相位掩模。
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