IT201600087226A1 - Sistema di comunicazione ottico a multiplazione a divisione di modo - Google Patents
Sistema di comunicazione ottico a multiplazione a divisione di modoInfo
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Classifications
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Description
“Sistema di comunicazione ottico a multiplazione a divisione di modo”
Campo tecnico dell’invenzione
La presente invenzione riguarda in generale il settore delle comunicazioni ottiche.
Più in particolare, la presente invenzione riguarda un sistema di comunicazione ottico a multiplazione a divisione di modo.
Tecnica nota
La capacità di trasportare dati nelle fibre ottiche è aumentata negli ultimi decenni per mezzo dell’utilizzo delle tecniche di multiplazione a divisione di lunghezza d’onda (WDM= Wavelength Division Multiplexing) e di polarizzazione della luce (PDM= Polarization Division Multiplexing); questo però non è sufficiente per soddisfare il notevole incremento della quantità di dati richiesti.
Si è cercato quindi di incrementare ulteriormente la capacità di trasportare dati prima per mezzo della multiplazione a divisione spaziale (SDM= Spatial Division Multiplexing), in base alla quale sono state sviluppate fibre ottiche multi-core, allo scopo di trasmettere segnali ottici diversi per ciascuno dei core della fibra ottica multi-core.
Successivamente, è stata utilizzata la tecnica della multiplazione a divisione di modo (MDM= Mode Division Multiplexing), in base alla quale è possibile trasportare sulla fibra ottica multi-modale con un singolo core una pluralità di modi spaziali che sono fra di loro ortogonali.
La multiplazione a divisione di modo può essere quindi considerata un sottoinsieme della multiplazione a divisione spaziale.
Fra i modi spaziali che possono essere trasportati in una fibra ottica multi-modale, sono stati considerati i modi con momento angolare orbitale, noti anche come modi OAM (OAM= Orbital Angular Momentum): in questo caso si parla quindi di multiplazione di modo di tipo OAM (abbreviato con MDM-OAM).
Il momento angolare totale di un fotone può essere considerato come la somma di un momento angolare orbitale (OAM) e di un momento angolare di spin (SAM= Spin Angular Momentum), in cui quest’ultimo assume solo due valori s= ±1.
Il momento angolare di spin (comunemente indicato solo con “spin”) è indicativo dello stato di polarizzazione di un fascio di fotoni.
I modi OAM possono propagarsi sia in spazio libero, che in una fibra ottica: in quest’ultimo caso verrà utilizzato in seguito il termine “modi OAM guidati” per indicare che si propagano sulla fibra ottica, per distinguerli dai modi OAM che si propagano in spazio libero.
Più in particolare, i modi OAM guidati sono caratterizzati dal fatto di avere una componente spaziale trasversale del campo elettrico Et (e magnetico Ht) con stato di polarizzazione uniforme di tipo circolare (destro o sinistro) e dal fatto che la superficie del fronte d’onda della componente spaziale trasversale del campo elettrico Et (e magnetico Ht) ha un andamento elicoidale, destro-giro (ovvero il verso dell’elica è in senso orario) o levo-giro (ovvero il verso dell’elica è in senso anti-orario): per questo motivo i modi OAM guidati sono comunemente indicati anche con “vortici ottici circolari” o “modi elicoidali”.
Il passo dell’elica (della superficie del fronte d’onda della componente spaziale trasversale del campo elettrico Et e magnetico Ht) è la minima distanza fra due punti distinti dell’elica aventi le stesse coordinate nel piano (x, y) perpendicolare alla direzione di propagazione z (ovvero il passo dell’elica è uguale alla lunghezza d’onda ).
I modi OAM guidati sono identificati dai seguenti parametri:
- un indice radiale “p” avente valori interi maggiori di zero (p= 1, 2, 3, …), che definisce l’andamento dell’ampiezza della componente spaziale trasversale del campo elettrico Et (e magnetico Ht) al variare della distanza radiale dall’asse di propagazione z dei modi OAM guidati, che coincide con l’asse della fibra ottica (pertanto l’ampiezza del campo elettrico Et presenta (p-1) nodi radiali);
- un indice angolare “l” (comunemente indicato anche con “carica topologica”) avente valori interi (l= 0, ±1, ±2, ±3, …), in cui per l>0 il fronte d’onda è costituito da l eliche intrecciate;
- il verso dell’elica, che può essere destro-giro o levo-giro, in funzione del valore positivo o negativo dell’indice angolare l;
- lo stato di polarizzazione circolare, ovvero destro-giro o levo-giro.
L’intensità luminosa dei modi OAM guidati (ovvero dei vortici ottici circolari) su di un piano perpendicolare alla direzione di propagazione (comunemente indicato anche con “spot luminoso”) ha una forma sostanzialmente circolare e si distribuisce in p anelli concentrici (in cui p è l’indice radiale), per l maggiore o uguale a 1. In particolare, l’intensità luminosa è nulla sull’asse di propagazione del modo OAM considerato, in corrispondenza di un luogo di punti di singolarità nei quali la fase non è definita.
I modi OAM guidati sono una pluralità di modi spaziali che sono fra di loro ortogonali, ovvero si propagano in modo indipendente nel caso in cui si propaghino su una fibra ottica che mantiene invariata la simmetria circolare e che non sia soggetta a perturbazioni esterne che deformino la fibra ottica: in questa ipotesi lo scambio di energia fra diversi modi trasportati sulla fibra ottica multi-modale è teoricamente nullo; in caso di propagazione nel vuoto, la condizione di ortogonalità dei modi OAM è sempre soddisfatta.
I modi OAM guidati sono una combinazione lineare di modi vettoriali HE o EH degeneri che si propagano in una fibra ottica multimodale.
L’insieme dei modi vettoriali HE/EH degeneri o quasi-degeneri (ovvero aventi valori della costante di propagazione che differiscono di poco) costituisce un gruppo di modi.
Ciascun gruppo di modi contiene più modi OAM guidati degeneri o quasi-degeneri.
E’ noto il problema del cross-talk di canale fra diversi modi guidati che appartengono ad un gruppo di modi guidati quasi-degeneri.
In particolare, all’ingresso di una fibra ottica multimodale viene iniettato il segnale ottico su un modo guidato di un determinato gruppo di modi e durante la propagazione del segnale ottico lungo la fibra ottica vengono eccitati (a causa del cross-talk di canale) non solo il modo guidato d’ingresso, ma anche gli altri modi guidati che appartengono allo stesso gruppo di modi: si verifica pertanto un accoppiamento fra modi guidati che causa il trasferimento indesiderato di energia del segnale ottico trasportato dal modo guidato d’ingresso al segnale ottico trasportato dagli altri modi guidati appartenenti allo stesso gruppo di modi, con la conseguenza che viene peggiorato il rapporto segnale/rumore del segnale ottico ricevuto all’uscita della fibra ottica.
Una tecnica nota per risolvere il problema del cross-talk di canale è quella comunemente indicata con MIMO (Multiple Input, Multiple Output), che prevede di effettuare una elaborazione digitale del segnale ricevuto a livello elettronico, ovvero dopo aver effettuato al ricevitore la conversione del segnale da ottico ad elettrico.
La Richiedente ha osservato che la tecnica MIMO ha i seguenti svantaggi:
- richiede una elaborazione digitale del segnale ricevuto a livello elettronico che ha un costo computazionale elevato;
- richiede la presenza di componenti elettronici per effettuare detta elaborazione digitale del segnale, aumentando di conseguenza il consumo di energia;
- il tasso d’errore dei bit del segnale ricevuto non è sempre sufficientemente piccolo.
La Richiedente ha inoltre osservato che la connessione tra fibra ottica e sistema di trasmissione del segnale ottico e tra fibra ottica e sistema di ricezione del segnale otttico richiedono sistemi complessi e costosi di realizzazione delle lenti rifrattive e del loro allineamento con la fibra.
Questo problema viene amplificato nel caso di un sistema complesso di tipiche necessarie alla realizzazione di un apparato di ricetrasmissione ottico basato sulla divisione di modo.
Pertanto un sistema di ricetrasmissione ottico basato sulla divisione di modi OAM necessita di un sistema economico di realizzazione e allineamento delle ottiche.
Breve sommario dell’invenzione
La presente invenzione riguarda un sistema di comunicazione ottico di demultiplazione a divisione di modo come definito nella annessa rivendicazione 1 e da sue forme di realizzazione preferite descritte nelle rivendicazioni dipendenti da 2 a 14.
Il sistema di comunicazione ottico utilizza una demultiplazione puramente ottica basata su modi OAM.
La Richiedente ha percepito che il sistema di comunicazione ottico in accordo con la presente invenzione è in grado di recuperare direttamente a livello ottico (ovvero una integrazione ottica) la maggior parte del segnale ottico trasportato da un modo OAM guidato su una fibra ottica multimodale disponibile sul mercato (per esempio, di tipo step-index o graded-index), in cui detto segnale ottico si è disperso all’interno di un gruppo di modi guidati quasi-degeneri a causa del cross-talk di canale: in questo modo è possibile evitare l’utilizzo di tecniche MIMO, pertanto viene ridotto notevolmente il costo computazionale ed energetico dell’elaborazione a livello elettronico del segnale ricevuto ed inoltre viene ridotto il tasso d’errore di bit del segnale ricevuto.
Il sistema ottico è integrabile con altri metodi di multiplazione, in particolare la multiplazione a divisione di lunghezza d’onda (WDM) e la multiplazione a divisione di polarizzazione (PDM).
Forma oggetto della presente invenzione anche un sistema di comunicazione ottico di multiplazione a divisione di modo come definito nella annessa rivendicazione 15.
Il sistema di comunicazione ottico utilizza una multiplazione puramente ottica basata su modi OAM.
Le ottiche che costituiscono i sistemi di comunicazione ottici sono realizzabili secondo tecniche di micro e fabbricazione come specificato nella rivendicazione 16.
Dette tecniche permettono il loro allineamento e realizzazione in modo preciso ed economico.
Forma oggetto della presente invenzione anche un sistema di ricetrasmissione ottico come definito nella annessa rivendicazione 17.
Il sistema di ricetrasmissione ottico consente di effettuare multiplazione, inserimento in fibra ottica, trasmissione in fibra ottica e demultiplazione di segnali ottici nelle frequenze di trasmissione delle reti di telecomunicazioni.
Il sistema di ricetrasmissione ottico utilizza una multiplazione e demultiplazione puramente ottica basata su modi OAM.
Breve descrizione dei disegni
Ulteriori caratteristiche ed i vantaggi dell’invenzione risulteranno dalla descrizione che segue di una forma di realizzazione preferita e di sue varianti fornita a titolo esemplificativo con riferimento ai disegni allegati, in cui:
- le Figure 1A-1B mostrano schematicamente un sistema di comunicazione ottico a multiplazione a divisione di modo per effettuare la demultiplazione di modi guidati con diverso momento angolare orbitale secondo una prima forma di realizzazione dell’invenzione;
- la Figura 2 mostra schematicamente un sistema di comunicazione ottico a multiplazione a divisione di modo e di polarizzazione per effettuare la demultiplazione di modi guidati con diverso momento angolare orbitale e diverso stato di polarizzazione in base ad una seconda forma di realizzazione dell’invenzione;
- le Figure 3A-3B mostrano schematicamente una realizzazione degli elementi ottici di Figura 2 mediante litografia su membrane in silicio o in nitruro di silicio;
- la Figura 3C mostra schematicamente una forma di realizzazione di una sequenza di elementi ottici allineati e litografati su membrane in silicio o in nitruro di silicio;
- le Figure 4A-4B mostrano più in dettaglio due possibili forme di realizzazione di un dispositivo ottico all’interno del sistema di comunicazione ottico delle Figure 1A-1B e 2;
- la Figura 5A mostra più in dettaglio una vista dall’alto di un elemento ottico all’interno dei dispositivi ottici delle Figure 4A-4B;
- la Figura 5B mostra più in dettaglio una vista dall’alto dell’elemento ottico all’interno dei dispositivi ottici delle Figure 4A-4B, per effettuare anche una demultiplazione a divisione di lunghezza d’onda;
- la Figura 5C mostra più in dettaglio una vista dall’alto dell’elemento ottico in figura 5A realizzato su membrane in silicio o in nitruro di silicio;
- la Figura 6 mostra schematicamente un sistema di comunicazione ottico a multiplazione a divisione di modo per effettuare la multiplazione di modi guidati con diverso momento angolare orbitale secondo l’invenzione;
- la Figura 7 mostra schematicamente un sistema di ricetrasmissione ottico per la multiplazione e demultiplazione di modi con diverso momento angolare orbitale secondo l’invenzione.
Descrizione dettagliata dell’invenzione
Si osservi che nella descrizione seguente blocchi, componenti o moduli identici o analoghi sono indicati nelle figure con gli stessi riferimenti numerici, anche se sono mostrati in differenti forme di realizzazione dell’invenzione.
Come indicato in precedenza, i modi OAM guidati sono una combinazione lineare dei modi vettoriali HE/EH quasi-degeneri (ovvero con valori della costante di propagazione che differiscono di poco) che si propagano in una fibra ottica multi-modale.
L’insieme dei modi vettoriali HE/EH quasi-degeneri che compongono un determinato modo OAM guidato costituisce un gruppo di modi.
Si utilizzerà in seguito la notazione OAM±l,pper indicare un modo OAM guidato avente indice angolare ±l ed indice radiale p.
Più in particolare, si utilizzerano in seguito le seguenti notazioni: - OAM-l,p<sinistra>: indica un modo OAM guidato avente indice angolare l negativo (e quindi andamento elicoidale levo-giro) e stato di polarizzazione circolare levo-giro;
- OAM-l,p<destra>: indica un modo OAM guidato avente indice angolare l negativo (e quindi andamento elicoidale levo-giro) e stato di polarizzazione circolare destro-giro;
- OAM+l,p<sinistra>: indica un modo OAM guidato avente indice angolare l positivo (e quindi andamento elicoidale destro-giro) e stato di polarizzazione circolare levo-giro;
- OAM+l,p<destra>: indica un modo OAM guidato avente indice angolare l negativo positivo (e quindi andamento elicoidale destro-giro) e stato di polarizzazione circolare destro-giro.
Se si considera l’approssimazione di guida debole in cui si trascura la differenza fra l’indice di rifrazione del nucleo (core) della fibra ottica e l’indice di rifrazione del mantello (cladding) della fibra ottica, i modi OAM guidati appartenenti allo stesso gruppo di modi risultano degeneri (ovvero hanno stesso valore della costante di propagazione) e la combinazione lineare di due o più modi OAM guidati degeneri genera i modi polarizzati linearmente LPm,n.
In particolare, la Richiedente ha scoperto che se si considera la propagazione dei modi OAM guidati in una fibra ottica multimodale di tipo step-index, si possono definire ad esempio i seguenti gruppi di modi guidati:
- gruppo 0: il modo guidato LP0,1 è la combinazione di lineare di due modi OAM guidati che sono OAM0,1<sinistra>, OAM0,1<destra>, aventi indice angolare nullo e stati di polarizzazione opposti (oppure, alternativamente, il modo guidato LP0,1 è la combinazione dei due modi vettoriali che sono HE11<dispari>e HE11<pari>);
- gruppo 1: il modo guidato LP1,1 è la combinazione lineare di due modi OAM guidati che sono OAM-1,1<sinistra>, OAM+1,1<destra>e di due modi vettoriali che sono TE01 e TM01 (oppure, alternativamente, il modo guidato LP1,1 è la combinazione lineare di quattro modi vettoriali che sono TE01, HE21<pari>, HE21<dispari>, TM01);
- gruppo 2: il modo guidato LP2,1 è la combinazione lineare di quattro modi OAM guidati che sono OAM+2,1<sinistra>, OAM-2,1<destra>, OAM-2,1<sinistra>, OAM+2,1<destra>(oppure, alternativamente, il modo guidato LP2,1 è la combinazione lineare di quattro modi vettoriali che sono EH11<pari>, EH11<dispari>, HE31<pari>, HE31<dispari>);
- gruppo 3: il modo guidato LP3,1 è la combinazione lineare di quattro modi OAM guidati che sono OAM+3,1<sinistra>, OAM-3,1<destra>, OAM-3,1<sinistra>, OAM+3,1<destra>(oppure, alternativamente, il modo guidato LP3,1 è la combinazione lineare di quattro modi vettoriali che sono EH21<pari>, EH21<dispari>, HE41<pari>, HE41<dispari>);
- gruppo 4: il modo guidato LP1,2 è la combinazione lineare di due modi OAM guidati che sono OAM-1,2<sinistra>, OAM+1,2<destra>e di due modi vettoriali che sono TE02 e TM02 (oppure, alternativamente, il modo guidato LP1,2 è la combinazione lineare di quattro modi vettoriali che sono TE02, HE22<pari>, HE22<dispari>, TM02);
- gruppo 5: il modo guidato LP4,1 è la combinazione lineare di quattro modi OAM guidati che sono OAM+4,1<sinistra>, OAM-4,1<destra>, OAM-4,1<sinistra>, OAM+4,1<destra>, oppure, alternativamente, il modo guidato LP4,1 è la combinazione lineare di quattro modi vettoriali che sono EH31<pari>, EH31<dispari>, HE51<pari>, HE51<dispari>;
- gruppo 6: il modo guidato LP5,1 è la combinazione lineare di quattro modi OAM guidati che sono OAM+5,1<sinistra>, OAM-5,1<destra>, OAM-5,1<sinistra>, OAM+5,1<destra>, oppure, alternativamente, il modo guidato LP5,1 è la combinazione lineare di quattro modi vettoriali che sono EH41<pari>, EH41<dispari>, HE61<pari>, HE61<dispari>;
- gruppo 7: il modo guidato LP1,3 è la combinazione lineare di due modi OAM guidati che sono OAM-1,3<sinistra>, OAM+1,3<destra>e di due modi vettoriali che sono TE03 e TM03 (oppure, alternativamente, il modo guidato LP1,3 è la combinazione lineare di quattro modi vettoriali che sono TE03, HE23<pari>, HE23<dispari>, TM03);
- gruppo 8: il modo guidato LP6,1 è la combinazione lineare di quattro modi OAM guidati che sono OAM+6,1<sinistra>, OAM-6,1<destra>, OAM-6,1<sinistra>, OAM+6,1<destra>, oppure, alternativamente, il modo guidato LP6,1 è la combinazione lineare di quattro modi vettoriali che sono EH51<pari>, EH51<dispari>, HE71<pari>, HE71<dispari>.
Si osservi che anche il gruppo 1 può essere alternativamente considerato composto solo da modi OAM degeneri o quasi-degeneri, in quanto anche i modi guidati TE01 e TM01 possono essere considerati una combinazione di modi OAM guidati; in particolare, i modi guidati TE01, TM01 sono la combinazione lineare dei modi OAM guidati di tipo OAM+1,1<sinistra>e OAM-1,1<destra>.
Le considerazioni relative al gruppo 1 sono applicabili in modo analogo anche ai gruppi 4 e 7, che possono essere considerati composti solo da modi OAM degeneri o quasi-degeneri.
La seguente Tabella 1 riassume l’associazione fra gruppi- modi guidati LP e i modi vettoriali guidati – modi OAM guidati per una fibra multimodale di tipo step-index, in cui detta associazione viene rappresentata in ordine crescente del valore dell’indice angolare l dei modi OAM guidati:
Numero di Modi Modi Modi OAM Indice modi guidati LP guidati guidati angolare guidati del vettoriali
gruppo
2 LP0,1 HE11<dispari>, OAM0,1<sinistra>, 0 HE11<pari>OAM0,1<destra>
4 LP1,1 TE01, 0 HE21<pari>, OAM-1,1<sinistra>, ±1 HE21<dispari>, OAM+1,1<destra>
TM01 0 4 LP2,1 EH11<pari>, OAM+2,1<sinistra>,
EH11<dispari>, OAM-2,1<destra>,
HE31<pari>, OAM<sinistra>±2-2,1,
HE31<dispari>OAM+2,1<destra>
4 LP3,1 EH21<pari>, OAM+3,1<sinistra>,
EH21<dispari>, OAM-3,1<destra>,
±3 HE41<pari>, OAM-3,1<sinistra>,
HE41<dispari>OAM+3,1<destra>
4 LP1,2 TE02, 0 HE22<pari>, OAM-1,2<sinistra>, ±1 HE22<dispari>, OAM+1,2<destra>
TM02 0 4 LP4,1 EH31<pari>, OAM+4,1<sinistra>,
EH31<dispari>, OAM-4,1<destra>,
HE51<pari>, OAM<sinistra>±4-4,1,
HE51<dispari>OAM+4,1<destra>
4 LP5,1 EH41<pari>, OAM+5,1<sinistra>,
EH41<dispari>, OAM-5,1<destra>,
±5 HE61<pari>, OAM-5,1<sinistra>,
HE61<dispari>OAM+5,1<destra>
4 LP1,3 TE03 0 HE23<pari>, OAM-1,3<sinistra>, ±1 HE23<dispari>, OAM+1,3<destra>
TM03 0 4 LP6,1 EH51<pari>, OAM+6,1<sinistra>,
EH51<dispari>, OAM-6,1<destra>±6 ,
HE71<pari>, OAM-6,1<sinistra>,
HE71<dispari>OAM+6,1<destra>
Tabella 1
Pertanto nel caso di propagazione del segnale ottico su una fibra multimodale di tipo step-index, un modo lineare guidato LPm,n definisce un rispettivo gruppo di modi guidati, in cui ciascun gruppo di modi comprende una pluralità di modi OAM guidati degeneri o quasi-degeneri che subiscono un accoppiamento modale a causa del cross-talk di canale che si verifica durante la propagazione del segnale ottico dall’ingresso all’uscita della fibra ottica multimodale step-index; diversamente, modi OAM guidati appartenenti a gruppi di modi diversi non subiscono un accoppiamento modale durante la propagazione del segnale ottico dall’ingresso all’uscita della fibra ottica multimodale step-index.
Il cross-talk tra i modi guidati all’interno di un singolo gruppo è responsabile della distribuzione dell’intensità del campo elettromagnetico del segnale ottico inizialmente iniettato sui modi guidati appartenenti al gruppo considerato; il processo di distribuzione dipende in modo complesso, e non preventivamente determinabile, dalle inevitabili imperfezioni con le quali vengono realizzate le fibre ottiche e dal loro grado di curvatura o di deformazione durante il loro utilizzo.
I gruppi di modi guidati sono però separati tra di loro; infatti un primo segnale ottico che viene trasmesso da un gruppo di modi, interagisce molto debolmente con un secondo segnale ottico trasmesso da un secondo gruppo di modi.
Pertanto il cross-talk è trascurabile tra gruppi di modi guidati diversi e questo permette di utilizzarli come canali distinti per la trasmissione indipendente di singoli segnali ottici.
Il sistema ottico dell’invenzione è in grado di distribuire diversi segnali ottici dotati di diverso momento angolare, uno per ciascuno dei gruppi di modi guidati, e di trasmettere indipendentemente questi segnali ottici per mezzo di questi gruppi indipendenti di modi guidati.
Il segnale ottico iniettato all’ingresso della fibra ottica in uno dei modi di un gruppo può disperdere la sua intensità sui modi di quel gruppo, ma non su quelli di altri gruppi (o comunque il cross-talk fra gruppi diversi è molto limitato).
L’invenzione consente, dopo la trasmissione dei segnali ottici, di recuperare l’intensità di un segnale ottico distribuita sui modi del gruppo che lo trasmettono e, contemporaneamente, di separare segnali ottici trasmessi da gruppi diversi.
In particolare, nel caso della fibra ottica multimodale step-index, è possibile osservare che se inietto all’ingresso della fibra ottica il segnale ottico in un modo OAM guidato di tipo OAM-1,1<sinistra>che appartiene al primo gruppo di modi definito dal modo lineare LP1,1, all’uscita della fibra ottica riceverò (a causa del cross-talk fra i modi OAM guidati appartenenti allo stesso gruppo) lo stesso segnale (a meno dell’attenuazione lungo la fibra ottica) trasmesso nel modo OAM guidato di tipo OAM-1,1<sinistra>(ovvero con indice angolare l= -1), ma trasmesso in parte anche nel modo OAM guidato di tipo OAM+1,1<destra>(ovvero con indice angolare l= 1 avente stesso valore e segno opposto) che appartiene al primo gruppo di modi definito dallo stesso modo lineare LP1,1 e trasmesso in parte anche nei modi vettoriali TE01, TM01 che appartengono anch’essi al primo gruppo di modi.
Alternativamente, se inietto all’ingresso della fibra ottica il segnale ottico in un modo OAM guidato di tipo OAM+1,1<destra>del primo gruppo di modi guidati, all’uscita della fibra ottica riceverò (a causa del cross-talk fra i modi OAM guidati appartenenti allo stesso gruppo) lo stesso segnale (a meno dell’attenuazione lungo la fibra ottica) trasmesso sia nel modo OAM guidato di tipo OAM+1,1<destra>(ovvero con indice angolare l= 1), ma trasmesso in parte anche nel modo OAM guidato di tipo OAM-1,1<sinistra>(ovvero con indice angolare l= -1 avente stesso valore e segno opposto) dello stesso primo gruppo di modi guidati e trasmesso in parte anche nei modi vettoriali TE01, TM01 che appartengono anch’essi al primo gruppo di modi.
Analoghe considerazioni possono essere fatte per i modi OAM guidati degli altri gruppi di modi definiti dai modi lineari LPm,n della Tabella 1.
Per esempio, se inietto all’ingresso della fibra ottica il segnale ottico nel modo OAM guidato di tipo OAM+2,1<sinistra>che appartiene al secondo gruppo di modi definito dal modo lineare LP2,1, all’uscita della fibra ottica riceverò (a causa del cross-talk fra i modi OAM guidati appartenenti allo stesso gruppo) lo stesso segnale (a meno dell’attenuazione lungo la fibra ottica) trasmesso in parte nel modo OAM guidato di tipo OAM+2,1<sinistra>(ovvero con indice angolare l= 2), ma trasmesso in parte anche nei modi OAM guidati di tipo OAM+2,1<destra>(con indice angolare l= 2 avente stesso valore e stesso segno) e di tipo OAM-2,1<destra>, OAM-2,1<sinistra>(entrambi con indice angolare l= -2 avente stesso valore ma segno opposto), i quali appartengono anch’essi al secondo gruppo di modi definito dallo stesso modo lineare LP2,1.
Diversamente, se inietto all’ingresso della fibra ottica multi-modale sia un primo segnale ottico nel modo guidato OAM-1,1<sinistra>del primo gruppo di modi LP1,1, sia un secondo segnale ottico nel modo guidato OAM+2,1<sinistra>del secondo gruppo di modi LP2,1, all’uscita della fibra ottica riceverò il primo segnale ottico nel primo gruppo di modi LP1,1 separato dal secondo segnale ottico nel secondo gruppo di modi LP2,1.
Si osservi che i gruppi di modi indicati nella Tabella 1 per una fibra ottica step-index sono identificati (per l>1 e p=1) da un solo valore diverso dell’indice angolare l che può essere positivo o negativo, ovvero:
- il gruppo 2 di modi LP2,1 è composto da modi OAM guidati aventi indice angolare l=±2;
- il gruppo 3 di modi LP3,1 è composto da modi OAM guidati aventi indice angolare l=±3;
- il gruppo 5 di modi LP4,1 è composto da modi OAM guidati aventi indice angolare l=±4;
- il gruppo 6 di modi LP5,1 è composto da modi OAM guidati aventi indice angolare l=±5;
- il gruppo 8 di modi LP6,1 è composto da modi OAM guidati aventi indice angolare l=±6;
- e così via.
Si osservi inoltre che i gruppi di modi indicati in Tabella 1 non sono esaustivi, ovvero sono solo un esempio e possono essere individuati altri gruppi di modi.
In particolare, si noti la sequenza di gruppi del tipo LPl,1 nelle fibre step-index, in cui l e’ il numero del momento angolare che identifica il gruppo.
Il gruppo è identificato da modi del tipo OAM+l,1<sinistra>, OAM-l,1<destra>, OAM-l,1<sinistra>, OAM+l,1<destra>.
Le precedenti considerazioni relative ai gruppi di modi guidati in una fibra ottica multimodo di tipo step-index possono essere applicati in modo analogo ad una fibra ottica multimodo di tipo “graded-index”, ottenendo così i gruppi di modi in base alla seguente Tabella 2:
Numero di Modi Modi guidati Modi OAM Indice modi guidati vettoriali guidati angolare guidati del LP
gruppo
LP0,1HE11<pari>, HE11<dispari OAM>+0,1<,>2
OAM<tra>0-0<des>,1
LP1,1 TE01, 0 HE21<pari>OAM-1,1<sinistra>, ±1 4
HE21<dispari>, OAM+1,1<destra>
TM01 0 6 LP2,1 EH11<pari>, EH11<dispari>, OAM+2,1<sinistra>, ±2 HE31<pari>, HE31<dispari>OAM-2,1<destra>,
OAM-2,1<sinistra>, OAM+2,1<destra>LP0,2HE12<pari>, HE12<dispari OAM>+0,2<destra,>OAM<sinistra>0-0,2, LP3,1 EH21<pari>, EH21<dispari>, OAM+3,1<sinistra>,
HE41<pari>, HE41<dispari>OAM-3,1<destra>,
OAM-3,1<sinistra>±3
, OAM+3,1<destra>
8
LP1,2 TE02, 0
HE22<pari>, OAM-1,2<sinistra>, ±1 HE22<dispari>, OAM+1,2<destra>TM02 0 LP4,1 EH31<pari>, EH31<dispari>, OAM+4,1<sinistra>,
HE51<pari>, HE51<dispari>OAM-4,1<destra>,
OAM<sinistra>±4-4,1, OAM+4,1<destra>LP2,2 EH12<pari>, EH12<dispari>, OAM+2,2<sinistra>,
10
HE32<pari>, HE32<dispari>OAM-2,2<destra>,
±2 OAM-2,2<sinistra>, OAM+2,2<destra>LP0,3 HE13<pari>, HE13<dispari>OAM+0,3<destra>, OAM<sinistra>0-0,3
LP5,1 EH41<pari>, EH41<dispari>, OAM+5,1<sinistra>,
HE61<pari>, HE61<dispari>OAM-5,1<destra>,
±5 OAM-5,1<sinistra>,
12 OAM+5,1<destra>LP3,2 EH22<pari>, EH22<dispari>, OAM+3,2<sinistra>,
HE42<pari>, HE42<dispari>OAM-3,2<destra>, ±3
OAM-3,2<sinistra>,
OAM+3,2<destra>
LP1,3 TE03 0
HE23<pari>, OAM-1,3<sinistra>, ±1
HE23<dispari>OAM+1,3<destra>
TM03, 0
LP6,1 EH51<pari>, EH51<dispari>, OAM+6,1<sinistra>,
HE71<pari>, HE71<dispari>OAM-6,1<destra>,
±6
OAM-6,1<sinistra>,
OAM+6,1<destra>
LP4,2 EH32<pari>, EH32<dispari>, OAM+4,2<sinistra>,
HE52<pari>, HE52<dispari>OAM-4,2<destra>,
±4
OAM-4,2<sinistra>,
14
OAM+4,2<destra>
LP2,3 EH13<pari>, EH13<dispari>, OAM+2,3<sinistra>,
HE33<pari>, HE33<dispari>OAM-2,3<destra>,
OAM<sinistra>±2
-2,3,
OAM+2,3<destra>
LP0,4 HE14<pari>, HE14<dispari>OAM+0,4<destra>,
OAM-0,4<sinistra>0
Tabella 2
Pertanto nel caso di propagazione del segnale ottico su una fibra ottica multimodale di tipo graded-index, un gruppo di modi può essere definito da un solo gruppo di modi lineari guidati LPm,n, oppure può essere definito da due o più gruppi di modi lineari guidati LPm,n.
In particolare:
- il gruppo 1 è definito da un gruppo di modi lineari guidati LP0,1 ed è composto da 2 modi vettoriali guidati;
- il gruppo 2 è definito da un gruppo di modi lineari guidati LP1,1 ed è composto da 4 modi vettoriali guidati;
- il gruppo 3 è definito da due gruppi di modi lineari guidati LP2,1, LP0,2 ed è composto da 6 modi vettoriali guidati;
- il gruppo 4 è definito da due gruppi di modi lineari guidati LP3,1, LP1,2 ed è composto da 8 modi vettoriali guidati;
- il gruppo 5 è definito da tre gruppi di modi lineari guidati LP4,1, LP2,2, LP0,3 ed è composto da 10 modi vettoriali guidati;
- il gruppo 6 è definito da tre gruppi di modi lineari guidati LP5,1, LP3,2, LP1,3 ed è composto da 12 modi vettoriali guidati;
- il gruppo 7 è definito da quattro gruppi di modi lineari guidati LP6,1, LP4,2, LP2,3, LP0,4 ed è composto da 14 modi vettoriali guidati.
Si osservi che (diversamente dalla Tabella 1) un gruppo di modi della Tabella 2 per una fibra graded-index può essere identificato da un solo valore positivo/negativo dell’indice angolare l (gruppo 1 avente l=0, gruppo 2 avente l=±1), oppure un gruppo di modi per la fibra graded-index può essere identificato da due o più valori positivi/negativi dell’indice angolare l (gruppo 3 avente l=±2, 0; gruppo 4 avente l=±3, ±1; gruppo 5 avente l=±4, ±2, 0; gruppo 6 avente l=±5, ±3, ±1; gruppo 7 avente l=±6, ±4, ±2, 0).
Si osservi che i gruppi di modi indicati in Tabella 2 non sono esaustivi, ovvero sono solo un esempio e possono essere individuati altri gruppi di modi.
Con riferimento alle Figure 1A-1B, viene mostrato schematicamente un sistema di comunicazione ottico 1 di demultiplazione a divisione di modo secondo una prima forma di realizzazione dell’invenzione, la quale consente di trasmettere in fibra e ricevere segnali ottici per mezzo di gruppi di modi guidati.
Più in particolare, il sistema di comunicazione ottico 1 ha la funzione di effettuare una demultiplazione di modi OAM guidati con diverso momento angolare orbitale; successivamente verrà mostrata anche la configurazione del sistema per effettuare la multiplazione di modi OAM guidati con diverso momento angolare orbitale.
Ai fini della spiegazione dell’invenzione si è considerato per semplicità di mostrare nella Figura 1A il caso di un primo segnale ottico che viene iniettato nella fibra ottica multimodale 4 e che viene trasportato da un modo OAM guidato appartenente ad un solo gruppo di modi; in particolare, nella Figura 1A viene iniettato il segnale ottico nel modo OAM-
1,1<sinistra>appartenente al gruppo 1 della Tabella 1.
Inoltre nella Figura 1B viene mostrato che viene iniettato ulteriormente nella fibra ottica multimodale 4 un secondo segnale ottico in un modo OAM guidato di tipo OAM+2,1<sinistra>appartenente al gruppo 2 della Tabella 1, ovvero nella forma di realizzazione della Figura 1B viene iniettato nella fibra ottica multimodale 4 sia il primo segnale ottico nel modo OAM-1,1<sinistra>, sia un secondo segnale ottico nel modo OAM+2,1<sinistra>appartenente al gruppo 2 della Tabella 1: in questo modo viene realizzata una multiplazione di modo di tipo OAM con i due modi OAM guidati di tipo OAM-1,1<sinistra>e OAM+2,1<sinistra>appartenenti a gruppi di modi distinti.
Pertanto nella Figura 1A la fibra ottica 4 è tale da trasportare al suo ingresso l’informazione su di un primo canale associato al modo guidato OAM-1,1<sinistra>, mentre nella Figura 1B la fibra ottica 4 è tale da trasportare ulteriormente al suo ingresso l’informazione su un secondo canale associato al modo guidato OAM+2,1<sinistra>.
Più in generale, l’invenzione è applicabile al caso in cui nella fibra ottica multimodale 4 sono iniettati insieme due o più segnali ottici trasmessi su due o più rispettivi modi OAM guidati che appartengono a differenti gruppi di modi; in questo caso la fibra ottica 4 è tale da trasportare al suo ingresso l’informazione su due o più canali associati a due o più rispettivi modi OAM guidati che appartengono a differenti gruppi di modi, realizzando così una multiplazione a divisione di modo di tipo OAM.
Per esempio, nella fibra ottica multimodale 4 sono iniettati insieme sei segnali ottici in sei rispettivi modi guidati OAM-1,1<sinistra>, OAM+2,1<sinistra>, OAM+3,1<sinistra>, OAM+4,1<sinistra>, OAM+5,1<sinistra>, OAM+6,1<sinistra>; in questo caso la fibra ottica 4 è tale da trasportare al suo ingresso l’informazione su sei canali associati rispettivamente ai sei modi guidati OAM-1,1<sinistra>, OAM+2,1<sinistra>, OAM+3,1<sinistra>, OAM+4,1<sinistra>, OAM+5,1<sinistra>, OAM+6,1<sinistra>appartenenti a gruppi separati di modi guidati, come indicato nelle Tabelle 1 e 2.
Con riferimento alla Figura 1A, il sistema di comunicazione ottico 1 di demultiplazione a divisione di modo comprende una fibra ottica multimodale 4 ed un dispositivo ottico 10 di demultiplazione di modi OAM guidati.
Il dispositivo ottico 10 ha sia la funzione di effettuare la demultiplazione di modi OAM guidati con diverso momento angolare orbitale (ovvero con diversi valori l1, l2, l3 dell’indice angolare l), sia la funzione di recuperare per ciascun gruppo di modi la maggior parte dell’energia del segnale ottico che è stata distribuita sui diversi modi OAM guidati del rispettivo gruppo a cui appartiene il modo OAM guidato considerato.
La fibra ottica multimodale 4 è in grado di trasportare due o più modi guidati, in particolare modi OAM guidati, ovvero modi guidati con diverso momento angolare orbitale.
La fibra ottica 4 è disponibile sul mercato, ad esempio di tipo stepindex o graded-index, ed è tale da causare il cross-talk di canale fra modi guidati che appartengono allo stesso gruppo di modi.
In particolare, la fibra ottica 4 è configurata per trasmettere dall’ingresso verso l’uscita un primo segnale ottico d’ingresso trasportato da un modo OAM guidato M1_g avente indice angolare l=-1, indice radiale p=1 e stato di polarizzazione circolare levo-giro: questo modo OAM guidato verrà indicato in seguito con OAM-1,1<sinistra>ed appartiene al gruppo 1 di modi definito dal modo lineare guidato LP1,1.
Durante la propagazione del modo OAM guidato OAM-1,1<sinistra>dall’ingresso all’uscita della fibra ottica 4, quest’ultima è tale da eccitare anche l’ulteriore modo OAM guidato OAM+1,1<destra>avente indice angolare l=+1, indice radiale p=1 e stato di polarizzazione circolare destro-giro, in quanto quest’ultimo appartiene anch’esso al gruppo 1 di modi definito dal modo lineare guidato LP1,1: in questo modo una parte dell’energia (per esempio, minore del 60 %) del segnale ottico d’ingresso trasportato dal modo OAM guidato OAM-1,1<sinistra>viene trasferita sul modo OAM guidato OAM+1,1<destra>.
Inoltre durante la propagazione del modo OAM guidato OAM-
1,1<sinistra>dall’ingresso all’uscita della fibra ottica 4, quest’ultima è tale da eccitare anche gli ulteriori due modi guidati TE01 e TM01, in quanto anch’essi appartengono al gruppo 1 di modi definito dal modo lineare guidato LP1,1: pertanto una parte dell’energia del segnale ottico d’ingresso trasportato dal modo OAM guidato OAM-1,1<sinistra>viene trasferita anche sui due modi guidati TE01 e TM01.
Ai fini della spiegazione dell’invenzione si suppone per semplicità di trascurare l’attenuazione del segnale ottico durante la propagazione dall’ingresso all’uscita della fibra ottica 4 e che quindi l’energia del segnale ottico iniettato all’ingresso della fibra venga conservata quando distribuita sui diversi modi guidati appartenenti allo stesso gruppo.
Pertanto la fibra ottica 4 è configurata per propagare dall’ingresso all’uscita il primo segnale ottico d’ingresso in un primo gruppo di modi GM1_g che è composto dal modo OAM guidato OAM-1,1<sinistra>, dall’ulteriore modo OAM guidato OAM+1,1<destra>e dagli ulteriori modi guidati TE01 e TM01; nell’ipotesi di approssimazione a guida debole, il primo gruppo di modi guidati GM1_g è il modo lineare guidato LP1,1.
Il dispositivo ottico di demultiplazione 10 comprende un dispositivo ottico di demultiplazione 2 ed un elemento ottico 6 di tipo diffrattivo.
Si consideri che il dispositivo ottico di demultiplazione 10 sia posizionato in uno spazio definito da un sistema di riferimento cartesiano (x, y, z), in cui l’asse z corrisponde alla direzione di propagazione dei fasci ottici e rappresenta quindi l’asse del dispositivo ottico di demultiplazione 10, mentre il piano (x, y) è perpendicolare all’asse z (e quindi è perpendicolare all’asse del dispositivo ottico di demultiplazione 10).
Il dispositivo ottico di demultiplazione 2 ha la funzione di effettuare la demultiplazione di una sovrapposizione di modi OAM guidati con diverso momento angolare orbitale (ovvero con diversi valori l1, l2, l3, … dell’indice angolare l), ovvero di separare spazialmente il fascio ottico in spazio libero incidente sul dispositivo ottico di demultiplazione 2 in una pluralità di fasci ottici in spazio libero associati alla pluralità di diversi modi OAM guidati; questo è ottenuto per mezzo della generazione di una pluralità di fasci ottici in spazio libero orientati in differenti direzioni dello spazio che dipendono dal valore e segno dell’indice angolare l del modo OAM guidato all’uscita dalla fibra ottica 4.
Con il termine “direzione nello spazio” si intende la direzione identificata da un punto di riferimento sul dispositivo ottico di demultiplazione 2 ed un punto esterno ad esso avente tre coordinate (x, y, z) nel caso si consideri un sistema di riferimento cartesiano; alternativamente, la direzione è identificata dal punto di riferimento ed un punto esterno avente tre coordinate ( , , z) nel caso si consideri un sistema di riferimento con coordinate cilindriche.
Considerando l’esempio della Figura 1A, la fibra ottica 4 genera in uscita un fascio ottico in spazio libero FO1_SL che è generato dal segnale ottico del primo gruppo di modi guidati GM1_g all’uscita della fibra ottica 4; pertanto il fascio ottico in spazio libero FO1_SL contiene l’informazione associata ai due valori di momento angolare orbitale l= -1, l= 1 rispettivamente dei due modi OAM guidati OAM-1,1<sinistra>, OAM+1,1<destra>e contiene l’informazione associata ai due modi guidati TE01 e TM01 (si ricorda che i modi guidati TE01, TM01 sono la combinazione lineare dei modi OAM guidati di tipo OAM+1,1<sinistra>e OAM-1,1<destra>).
Successivamente, il dispositivo ottico di demultiplazione 2 genera in uscita due fasci ottici in spazio libero FO3.1_SL, FO3.2_SL, in cui:
- il fascio ottico in spazio libero FO3.1_SL ha una prima direzione nello spazio che dipende dal valore assoluto (1) e segno (positivo) dell’indice angolare l= 1 del modo OAM guidato di tipo OAM+1,1<destra>e del modo OAM guidato di tipo OAM+1,1<sinistra>(quest’ultimo essendo il contributo dei modi guidati TE01, TM01), come mostrato schematicamente in Figura 1A;
- l’ulteriore fascio ottico in spazio libero FO3.2_SL ha una seconda direzione nello spazio (diversa dalla prima) che dipende dal valore assoluto (1) e segno (negativo) dell’indice angolare l= -1 del modo OAM guidato di tipo OAM-1,1<sinistra>e del modo OAM guidato di tipo OAM-1,1<destra>(quest’ultimo essendo il contributo dei modi guidati TE01, TM01), come mostrato schematicamente in Figura 1A.
L’elemento ottico diffrattivo 6 ha la funzione di raccogliere la maggior parte dell’energia del segnale ottico che è stata distribuita (durante la propagazione nelle fibra ottica 4) sui diversi modi OAM guidati del rispettivo gruppo a cui appartiene il modo OAM guidato considerato; inoltre l’elemento ottico diffrattivo 6 ha la funzione di collimare il segnale ottico associato a ciascun gruppo di modi in un rispettivo punto nello spazio che si trova sulla superficie di rilevazione di un foto-rilevatore 5.
Il foto-rilevatore 5 (ad esempio, uno schermo CCD) è posizionato alla distanza di far-field dall’elemento ottico diffrattivo 6 ed effettua una conversione del segnale ottico ricevuto associato a ciascun gruppo di modi in un rispettivo segnale elettrico.
Inoltre l’elemento ottico diffrattivo 6 ha la funzione di ridimensionare opportunamente il fascio ottico incidente su di esso, in modo da creare un punto luminoso sul foto-rilevatore 5 con una opportuna distribuzione dell’intensità luminosa.
Considerando nuovamente in particolare l’esempio della Figura 1A, l’elemento ottico diffrattivo 6 è configurato per ricevere in ingresso su una prima zona 6-1 il fascio ottico in spazio libero FO3.1_SL avente una prima direzione nello spazio ed è configurato per generare, in funzione del fascio ottico in spazio libero FO3.1_SL, un fascio ottico in spazio libero collimato FO4.1_CL di tipo far-field che converge in un punto P1 dello spazio generando un punto luminoso, che viene rilevato dal foto-rilevatore 5.
Inoltre l’elemento ottico diffrattivo 6 è configurato per ricevere in ingresso su una seconda zona 6-2 (diversa dalla prima 6-1) l’ulteriore fascio ottico in spazio libero FO3.2_SL avente una seconda direzione nello spazio (diversa dalla prima) ed è configurato per generare, in funzione dell’ulteriore fascio ottico in spazio libero FO3.2_SL, un ulteriore fascio ottico in spazio libero collimato FO4.2 _CL di tipo far-field che converge nello stesso punto P1 dello spazio generando un punto luminoso, che viene rilevato dal foto-rilevatore 5.
Il foto-rilevatore 5 rileva così nel punto P1 sia il punto luminoso associato al modo OAM guidato OAM+1,1<destra>che è stato effettivamente iniettato nella fibra ottica 4, sia rileva nello stesso punto P1 i punti luminosi associati ai modi OAM guidati di tipo OAM-1,1<sinistra>, OAM+1,1<sinistra>, OAM-
1,1<destra>(questi ultimi due che formano i modi guidati TE01, TM01) appartenenti anch’essi allo stesso gruppo di modi (e che sono stati eccitati nella fibra ottica 4 a causa del cross-talk di canale).
Preferibilmente, dispositivo ottico di demultiplazione 10 comprende ulteriormente una lente 3 interposta fra l’uscita della fibra ottica e l’ingresso del dispositivo ottico di demultiplazione 2.
La lente 3 è di tipo convergente ed ha la funzione di collimare il fascio ottico in spazio libero (ad esempio, FO1_SL e FO2_SL) generato dai segnali ottici dei gruppi di modi guidati all’uscita della fibra ottica 4.
Preferibilmente, il dispositivo ottico di demultiplazione 10 comprende ulteriormente una lente 2-4 interposta fra l’uscita del dispositivo ottico di demultiplazione 2 e l’ingresso dell’elemento ottico diffrattivo 6.
La lente 2-4 è di tipo convergente ed ha la funzione di collimare i due fasci ottici in spazio libero FO3.1_SL, FO3.2_SL uscenti dal dispositivo ottico di demultiplazione 2 nelle due rispettive zone 6-1, 6-2 dell’elemento ottico diffrattivo 6.
Preferibilmente, il dispositivo ottico di demultiplazione 10 comprende ulteriormente una lente 2-5 interposta fra l’uscita dell’elemento ottico diffrattivo 6 e il foto-rilevatore 5.
La lente 2-5 è di tipo convergente ed ha la funzione di collimare i due fasci ottici in spazio libero FO4.1_CL, FO4.2_CL uscenti dalle due rispettive zone 6-1, 6-2 dell’elemento ottico diffrattivo 6.
Le precedenti considerazioni relative alla Figura 1A sono applicabili in modo analogo alla Figura 1B, con le seguenti differenze:
- nella fibra ottica 4 viene iniettato ulteriormente un secondo segnale ottico nel modo OAM guidato M2_g avente indice angolare l=2, indice radiale p=1 e stato di polarizzazione circolare levo-giro, che verrà indicato in seguito con OAM+2,1<sinistra>, il quale appartiene al gruppo 2 di modi definito dal modo lineare guidato LP2,1 (si veda la Tabella 1);
- durante la propagazione del modo OAM guidato OAM+2,1<sinistra>dall’ingresso all’uscita della fibra ottica 4, quest’ultima è tale da eccitare ulteriormente anche gli ulteriori tre modi OAM guidati del gruppo 2 che sono OAM-2,1<destra>, OAM-2,1<sinistra>, OAM+2,1<destra>;
- all’uscita della fibra ottica si è propagato sia il primo segnale ottico sul gruppo di modi GM1_g come illustrato in precedenza relativamente alla descrizione della Figura 1A, sia il secondo segnale ottico sul gruppo di modi GM2_g che è composto dal modo OAM guidato OAM+2,1<sinistra>e dagli altri tre modi OAM guidati che sono OAM-2,1<destra>, OAM-2,1<sinistra>, OAM+2,1<destra>, in cui nell’ipotesi di approssimazione a guida debole il secondo gruppo di modi guidati GM2_g è ad esempio il modo lineare guidato LP2,1;
- la fibra ottica 4 genera in uscita il fascio ottico FO5_SL che è generato dalla sovrapposizione del segnale ottico del primo gruppo di modi guidati GM1_g e del segnale ottico del secondo gruppo di modi guidati GM2_g;
- il dispositivo ottico di demultiplazione 2 genera ulteriormente in uscita due fasci ottici in spazio libero FO7.1_SL, FO7.2_SL aventi rispettivamente una terza ed una quarta direzione nello spazio diverse dalla prima e seconda direzione nello spazio dei fasci ottici FO3.1_SL, FO3.2_SL, in cui la terza e la quarta direzione nello spazio dei fasci ottici FO7.1_SL, FO7.2_SL dipendono dal valore assoluto e segno degli indici angolari l dei modi OAM guidati OAM+2,1<sinistra>, OAM-2,1<destra>, OAM-2,1<sinistra>, OAM+2,1<destra>, in cui il fascio ottico in spazio libero FO7.1_SL trasporta l’informazione associata ai due modi guidati OAM+2,1<sinistra>, OAM+2,1<destra>aventi stesso valore assoluto (2) e stesso segno positivo dell’indice angolare (cioè l= 2) ed aventi diverso stato di polarizzazione, mentre il fascio ottico in spazio libero FO7.2_SL trasporta l’informazione associata ai due modi guidati OAM-2,1<sinistra>, OAM-2,1<destra>aventi stesso valore assoluto (2) e segno negativo dell’indice angolare (cioè l= -2) ed aventi diverso stato di polarizzazione (oppure, viceversa, il fascio ottico in spazio libero FO7.2_SL trasporta l’informazione associata ai due modi guidati OAM+2,1<sinistra>, OAM+2,1<destra>aventi indice angolare l= 2 e diverso stato di polarizzazione, mentre il fascio ottico in spazio libero FO7.1_SL trasporta l’informazione associata ai due modi guidati OAM-2,1<sinistra>, OAM-2,1<destra>aventi indice angolare l= -2 e diverso stato di polarizzazione);
- l’elemento ottico diffrattivo 6 riceve in ingresso sulla zona 6-3 (diversa dalle zone 6-1, 6-2) il fascio ottico in spazio libero FO7.1_SL avente la terza direzione nello spazio e genera in uscita, in funzione del fascio ottico in spazio libero FO7.1_SL, un terzo fascio ottico in spazio libero collimato FO8.1_CL alla distanza di far-field, il quale converge nel punto P2 (diverso da P1) dello spazio generando un punto luminoso, che viene rilevato dal foto-rilevatore 5;
- l’elemento ottico diffrattivo 6 riceve in ingresso sulla zona 6-4 (diversa dalle zone 6-1, 6-2, 6-3) il fascio ottico in spazio libero FO7.2_SL avente la quarta direzione nello spazio e genera in uscita, in funzione del fascio ottico in spazio libero FO7.2_SL, un quarto fascio ottico in spazio libero collimato FO8.2_CL alla distanza di far-field, il quale converge anch’esso nel punto P2 dello spazio generando un punto luminoso, che viene rilevato dal foto-rilevatore 5.
Pertanto il foto-rilevatore 5 rileva ulteriormente nel punto P2 sia il punto luminoso associato al modo OAM guidato OAM+2,1<sinistra>che è stato effettivamente iniettato nella fibra ottica 4, sia rileva nello stesso punto P2 i punti luminosi associati ai tre modi OAM guidati (OAM+2,1<destra>, OAM-
2,1<destra>, OAM-2,1<sinistra>) appartenenti anch’essi allo stesso gruppo 2 di modi (e che sono stati eccitati nella fibra ottica 4 a causa del cross-talk di canale).
Si osservi che la precedente descrizione della Figura 1B relativa al caso di modi OAM guidati con indice angolare l= 2 delle fibre step-index, LP2,1, puo’ essere ripetuta analogamente per qualsiasi altro gruppo di modi OAM guidati LPl,1 avente un altro valore dell’indice angolare l in modo da generare un corrispondente punto luminoso Pl sul foto-rivelatore 5.
Pertanto ogni segnale ottico che viene trasmesso da un gruppo di modi viene raccolto dal foto-rivelatore 5 in punti diversi e la demultiplazione sopra illustrata puo’ essere svolta dal sistema ottico contemporaneante per diversi segnali ottici.
In altre parole, le precedenti considerazioni della Figura 1B relative a due segnali ottici trasportati da due gruppi di modi OAM guidati M1_g, M2_g sono applicabili più in generale ad una pluralità di segnali ottici trasportati da una rispettiva pluralità di gruppi di modi OAM guidati.
In questo caso la fibra ottica 4 è tale da trasportare contemporaneamente una pluralità di segnali ottici su una rispettiva pluralità di gruppi di modi OAM guidati M1_g, M2_g, M3_g, ...
Inoltre la fibra ottica 4 è tale da generare in uscita il fascio ottico FO5_SL che è generato dalla sovrapposizione dei segnali ottici della pluralità di gruppi di modi OAM guidati M1_g, M2_g, M3_g, ...
Infine il dispositivo ottico di demultiplazione 2 è tale da ricevere dalla fibra ottica 4 il fascio ottico FO5_SL ed è tale da generare, in funzione di esso, una pluralità di fasci ottici in spazio libero collimati che convergono sul foto-rilevatore 5 in una rispettiva pluralità di differenti punti P1, P2, P3, ...
Vantaggiosamente, l’elemento ottico diffrattivo 6 è realizzato con un reticolo di diffrazione con periodo variabile spazialmente.
Detto reticolo di diffrazione è configurato per ricevere in ingresso su zone diverse una pluralità di fasci ottici in spazio libero (che sono FO3.1_SL, FO3.2_SL in Figura 1A, oppure sono FO7.1_SL, FO7.2_SL in Figura 1B) associati a modi guidati degeneri o quasi-degeneri appartenenti ad uno stesso gruppo di modi ed è disegnato in modo da trasmettere detta pluralità di fasci ottici in spazio libero in ingresso verso rispettive direzioni che convergono in uno stesso punto dello spazio, ovvero il punto P1 in Figura 1A nel caso considerato di un singolo gruppo di modi ed i punti P1, P2 in Figura 1B nel caso considerato di due gruppi di modi, e più in generale su una pluralità di punti P1, P2, P3, ... nel caso generico di una pluralità di modi OAM guidati con valori diversi del momento angolare l.
Alternativamente, detto reticolo di diffrazione è progettato in modo da riflettere (invece che trasmettere) detta pluralità di fasci ottici in spazio libero in ingresso (associati a modi guidati degeneri o quasi-degeneri appartenenti ad uno stesso gruppo di modi) verso rispettive direzioni che convergono in uno stesso punto dello spazio.
Vantaggiosamente, l’elemento ottico diffrattivo 6 include un termine di curvatura anisotropo, differente su due direzioni ortogonali, che ha la funzione di focalizzare il segnale ottico trasportato dalla pluralità di fasci ottici in spazio libero in ingresso dello stesso gruppo di modi in uno stesso punto nello spazio ed inoltre ha la funzione di dimensionare opportunamente il profilo dei punti luminosi generati dalla pluralità di fasci ottici focalizzati nello stesso punto dello spazio.
Preferibilmente, la funzione di fase dell’elemento ottico diffrattivo 6 realizzato con il reticolo di diffrazione con periodo che varia spazialmente è la seguente:
l<max>x − x
( x , y ) = rect l y − y
φ rect l γ l y
l =− l max ∆ x ∆ y
in cui la funzione rect() è così definita:
rect(t)=1, per -1/2<t<1/2,
rect(t)=0 |t|>1/2,
ed in cui:
- k=2 / è il vettore d’onda,
- xl e yl sono le coordinate del centro del punto luminoso incidente relativo al valore l,
- x e y sono parametri di disegno che definiscono le dimensioni laterali delle aree a periodo costante e hanno dimensioni tale da contenere il punto luminoso incidente,
-lè un parametro che regola la deviazione dei fasci trasmessi dalla zona relativa al valore l.
Lo scopo della forma di realizzazione descritta è quello di raccogliere in uno stesso punto in campo lontano fasci che illuminano aree relative a valori di l opposto, quindi:
γl= γ− l
Vantaggiosamente, una lente convergente 2-5 è interposta tra l’elemento ottico diffrattivo 6 ed il foto-rilevatore 5 ed ha la funzione di convergere fasci relativi a valori di l opposto nello stesso punto avente γ f
coordinata sl=<l 3>lungo l’array lineare di punti, in cui f3 è la distanza k
focale della lente 2-5.
Alternativamente, la lente 2-5 può essere integrata nell’elemento ottico diffrattivo 6, avente la seguente funzione di fase che comprende ulteriormente un termine di focalizzazione:
l<max>x − x y − y x 2 y 2
<φ>( x , y ) = rect l rect l
<γ>l y k
l =− l max ∆x∆y2f3
Più in generale, il termine di focalizzazione della funzione di fase dell’elemento ottico diffrattivo 6 può essere anisotropo, in particolare quando è necessario ridimensionare il fascio mediante termini di curvatura differenti nelle due direzioni x-y:
l<max>x − x y − y 2 2
<φ>( , y ) = rect l rect l y x
x<γ>l y k k
l =− l max ∆x∆y2f3 2f4 Alternativamente, ad esempio nel caso di fibre graded-index in cui modi OAM con modulo del valore l diverso appartengono allo stesso gruppo di modi quasi-degeneri, è possibile associare lo stesso valore del parametro a valori di l diversi, così da collimare i fasci relativi allo stesso gruppo su un medesimo punto del foto-rilevatore 5.
Preferibilmente, il dispositivo ottico di demultiplazione 2 della prima forma di realizzazione dell’invenzione è realizzato con un primo elemento ottico diffrattivo 2-1 ed un secondo elemento ottico diffrattivo 2-2.
Con riferimento in particolare all’esempio di Figura 1A, il primo elemento ottico diffrattivo 2-1 è configurato per ricevere in ingresso il fascio ottico in spazio libero FO1_SL trasmesso in uscita dalla fibra ottica 4 (ed opportunamente collimato e dimensionato) ed è configurato per generare in uscita, in funzione del fascio ottico in spazio libero incidente FO1_SL, un fascio ottico in spazio libero interno FO2_SL avente una direzione di propagazione sostanzialmente uguale a quella del fascio ottico in spazio libero FO1_SL incidente, in cui la direzione di propagazione dei fasci ottici in spazio libero FO1_SL, FO2_SL coincide con la direzione dell’asse z del dispositivo ottico di demultiplazione 10; successivamente, il secondo elemento ottico diffrattivo 2-2 è configurato per ricevere in ingresso il fascio ottico in spazio libero interno FO2_SL ed è configurato per generare in uscita, in funzione del fascio ottico in spazio libero interno incidente FO2_SL, i due fasci ottici in spazio libero FO3.1_SL, FO3.2_SL aventi due diverse direzioni nello spazio, come spiegato in precedenza.
Analogamente, con riferimento in particolare all’esempio di Figura 1B, il primo elemento ottico diffrattivo 2-1 è configurato per ricevere in ingresso il fascio ottico in spazio libero FO5_SL trasmesso in uscita dalla fibra ottica 4 opportunamente collimato e dimensionato ed è configurato per generare in uscita, in funzione del fascio ottico in spazio libero incidente FO5_SL, un fascio ottico in spazio libero interno FO6_SL avente una direzione di propagazione sostanzialmente uguale a quella del fascio ottico in spazio libero FO5_SL incidente, in cui la direzione di propagazione dei fasci ottici in spazio libero FO5_SL, FO6_SL coincide con la direzione dell’asse z del dispositivo ottico di demultiplazione 10; successivamente, il secondo elemento ottico diffrattivo 2-2 è configurato per ricevere in ingresso il fascio ottico in spazio libero interno FO6_SL ed è configurato per generare in uscita, in funzione del fascio ottico in spazio libero interno incidente FO6_SL, i due fasci ottici in spazio libero FO7.1_SL, FO7.2_SL aventi due diverse direzioni nello spazio, come spiegato in precedenza.
Preferibilmente, una lente 2-3 è interposta fra il primo elemento ottico diffrattivo 2-1 ed il secondo elemento ottico diffrattivo 2-2.
Vantaggiosamente, secondo una prima variante della prima forma di realizzazione dell’invenzione, l’insieme del primo elemento ottico diffrattivo 2-1 e del secondo elemento ottico diffrattivo 2-2 realizza una trasformazione ottica geometrica di tipo log-pol, come definita nel documento di G.C.G. Berkhout, M.P.J. Lavery, J.Courtial, M.W.Beijersbergen, M.J, Padgett, “Efficient sorting of orbital angular momentum states of lights”, Phys. Rev. Lett.105, 153601-1-4 (2010).
Il primo elemento ottico diffrattivo 2-1 (indicato anche con “unwrapper”) ha la funzione di effettuare una mappatura conforme da una distribuzione circolare ad una distribuzione lineare dell’intensità luminosa, come mostrato schematicamente in Figura 1A.
Il secondo elemento ottico diffrattivo 2-2 (indicato anche con “phase-corrector”) ha la funzione di effettuare una correzione di fase.
In particolare, il primo elemento ottico diffrattivo 2-1 effettua un cambio di coordinate da coordinate polari (r, ) nel piano di input a coordinate rettangolari (x, y) nel piano di output tramite la seguente mappatura:
r
x = − a ln
b
y = a mod( ϕ ,2 π )
in cui a, b sono parametri geometrici che possono essere definiti indipendentemente.
Detta trasformazione ottica geometrica di tipo log-pol ha la funzione di mappare la distribuzione di intensità con simmetria azimutale tipica dei modi OAM in una distribuzione di intensità lineare, che viene quindi focalizzata in una distanza di far-field proporzionale al contenuto di momento angolare orbitale l.
La funzione di fase del primo elemento ottico diffrattivo 2-1 è la seguente:
La funzione di fase del secondo elemento ottico diffrattivo 2-2 è la seguente:
in cui f1 è la distanza focale dei due elementi ottici diffrattivi 2-1, 2-2.
Se dopo il secondo elemento ottico diffrattivo 2-2 si posiziona una lente 2-4 avente distanza focale f2, il risultato sulla superficie sensibile del foto-rilevatore 5 posizionato alla distanza di far-field è il seguente.
Fissata la lunghezza d’onda del fascio ottico incidente sul primo elemento ottico diffrattivo 2-1, la posizione ylalla distanza di far-field del punto luminoso è direttamente proporzionale al valore dell’indice angolare l secondo la seguente formula:
yλ<f>2l<l>=
2 π a
Si osservi nella precedente formula che la proporzionalità diretta della posizione del punto luminoso permette di ottenere la funzione di demultiplazione di un insieme di fasci ottici sovrapposti che hanno valori diversi di momento angolare.
L’elemento ottico diffrattivo 6 utilizzato nella prima variante della prima forma di realizzazione dell’invenzione (ovvero utilizzando la trasformazione ottica geometrica di tipo log-pol) ha la funzione di ridimensionare opportunamente il fascio ottico incidente su di esso avente una distribuzione allungata dell’intensità luminosa, in modo da creare un punto luminoso sul foto-rilevatore 5 con simmetria circolare della distribuzione dell’intensità luminosa.
Preferibilmente, in base ad una seconda variante della prima forma di realizzazione dell’invenzione, il primo elemento ottico diffrattivo 2-1 ed il secondo elemento ottico diffrattivo 2-2 della prima variante (ovvero che utilizzano la trasformazione ottica geometrica di tipo log-pol) sono realizzati con una rispettiva maschera olografica avente valori continui della fase compresi fra 0 e 2 ( è la costante PI greco uguale a 3,1415), detta anche lente kinoform.
Alternativamente, secondo una terza variante della prima forma di realizzazione dell’invenzione, il primo elemento ottico diffrattivo 2-1 ed il secondo elemento ottico diffrattivo 2-2 della prima variante (ovvero che utilizzano la trasformazione ottica geometrica di tipo log-pol) sono realizzati con una rispettiva maschera olografica avente la struttura di una superficie multilivello, ovvero composta da una pluralità di pixel (cioè una matrice di pixel), ciascun pixel avente valori discreti di fase e/o ampiezza.
In base ad una seconda forma di realizzazione dell’invenzione mostrata nella Figura 2, il sistema di comunicazione ottico 101 (in particolare, il dispositivo ottico 110) ha non solo la funzione di effettuare la demultiplazione di modi OAM guidati con diverso momento angolare orbitale, ma ha anche la funzione di effettuare una demultiplazione a divisione di polarizzazione (PDM= Polarization Division Multiplexing).
In particolare, il dispositivo ottico 110 della seconda forma di realizzazione ha una funzione simile a quella del dispositivo ottico 10 della prima forma di realizzazione, con la differenza che ha la funzione di effettuare la demultiplazione di modi OAM guidati con diverso momento angolare orbitale e diverso stato di polarizzazione, recuperando allo stesso tempo per ciascun gruppo di modi guidati la maggior parte dell’energia del segnale ottico che è stata distribuita sui diversi modi OAM guidati del rispettivo gruppo di modi degeneri o quasi-degeneri a cui appartiene il modo OAM guidato considerato.
Analogamente, il dispositivo ottico di demultiplazione 102 della seconda forma di realizzazione ha una funzione simile a quella del dispositivo ottico di demultiplazione 2 della prima forma di realizzazione, con la differenza che il dispositivo ottico di demultiplazione 102 è in grado di distinguere fra due modi OAM guidati aventi stesso valore dell’indice angolare l e diverso stato di polarizzazione; pertanto il dispositivo ottico di demultiplazione 102 è in grado di effettuare la demultiplazione di una sovrapposizione di modi OAM guidati con diverso momento angolare orbitale e diverso stato di polarizzazione.
Inoltre l’elemento ottico diffrattivo 106 della seconda forma di realizzazione ha una funzione simile a quella dell’elemento ottico diffrattivo 4 della prima forma di realizzazione, con la differenza che comprende almeno quattro zone 106-1a, 106-1b, 106-2a, 106-2b organizzate in due coppie disposte in colonna, in cui la prima coppia di zone 106-1a, 106-1b è configurata per ricevere rispettivamente i due fasci ottici in spazio libero FO107.1_SL, FO107.2_SL aventi stesso stato di polarizzazione (ad esempio, sinistra), mentre la seconda coppia di zone 106-2a, 106-2b è configurata per ricevere rispettivamente i due fasci ottici in spazio libero FO107.3_SL, FO107.4_SL aventi diverso stato di polarizzazione (nell’esempio considerato, destra) rispetto ai due fasci ottici in spazio libero FO107.1_SL, FO107.2.
Con riferimento in particolare all’esempio mostrato in Figura 2, si consideri una fibra ottica multimodale 4 in grado di mantenere sostanzialmente invariato lo stato di polarizzazione dei modi guidati durante la propagazione lungo la fibra ottica 4, ovvero in grado di ridurre significativamente il cross-talk tra modi degeneri o quasi-degeneri appartenenti allo stesso gruppo di modi ma aventi stati ortogonali di polarizzazione.
Si consideri inoltre il gruppo 2 di modi guidati della Tabella 1, in cui è possibile individuare i seguenti due sotto-gruppi aventi diverso stato di polarizzazione:
- un primo sotto-gruppo è composto dai modi OAM guidati di tipo OAM+2,1<sinistra>e OAM-2,1<sinistra>, ovvero aventi stesso stato di polarizzazione circolare levo-giro ed aventi indice angolare con uguale valore assoluto (2) e segno opposto (±2);
- un secondo sotto-gruppo è composto dai modi OAM guidati di tipo OAM+2,1<destra>e OAM-2,1<destra>, ovvero aventi stesso stato di polarizzazione circolare destro-giro ed aventi indice angolare con uguale valore assoluto (2) e segno opposto (±2).
Nella fibra ottica 4 viene iniettato un primo segnale ottico nel modo guidato OAM+2,1<sinistra>avente indice angolare l=+2, indice radiale p=1 e stato di polarizzazione circolare levo-giro ed appartenente al primo sottogruppo del gruppo 2 della Tabella 1; inoltre nella fibra ottica 4 viene iniettato un secondo segnale ottico nel modo guidato OAM+2,1<destra>avente indice angolare l=+2, indice radiale p=1 e stato di polarizzazione circolare destro-giro ed appartenente al secondo sotto-gruppo del gruppo 2.
In questo caso, quindi, la fibra ottica 4 è tale da trasportare all’ingresso l’informazione su due canali associati rispettivamente ai modi guidati OAM+2,1<sinistra>e OAM+2,1<destra>aventi stesso valore dell’indice angolare l= 2 e polarizzazione circolare opposta.
Durante la propagazione nella fibra ottica 4 del modo OAM guidato di tipo OAM+2,1<sinistra>viene eccitato anche il modo OAM guidato di tipo OAM-2,1<sinistra>appartenente anch’esso a al primo sotto-gruppo del gruppo 2 di modi guidati; inoltre durante la propagazione nella fibra ottica 4 del modo OAM guidato di tipo OAM+2,1<destra>viene eccitato anche il modo OAM guidato di tipo OAM-2,1<destra>appartenente anch’esso al secondo sottogruppo del gruppo 2 di modi guidati.
Il dispositivo ottico 110 effettua la demultiplazione dei modi OAM guidati OAM+2,1<sinistra>e OAM+2,1<destra>ed inoltre recupera la maggior parte dell’energia del primo segnale ottico che è stata distribuita anche nel modo guidato OAM-2,1<sinistra>appartenente al primo sotto-gruppo del gruppo 2 e recupera la maggior parte dell’energia del secondo segnale ottico che è stata distribuita anche nel modo guidato OAM-2,1<destra>appartenente al secondo sotto-gruppo del gruppo 2.
In particolare, il dispositivo ottico di demultiplazione 102 genera in uscita quattro fasci ottici in spazio libero FO107.1_SL, FO107.2_SL, FO107.3_SL, FO107.4_SL aventi rispettivamente una prima, seconda, terza, quarta direzione nello spazio che dipende rispettivamente dal valore e segno degli indici angolari l e dallo stato di polarizzazione dei modi OAM guidati OAM+2,1<sinistra>, OAM-2,1<destra>, OAM-2,1<sinistra>, OAM+2,1<destra>, in cui:
- il fascio ottico in spazio libero FO107.1_SL ha una prima direzione nello spazio che dipende dal valore e segno dell’indice angolare l= 2 e dallo stato di polarizzazione circolare levo-giro del modo OAM guidato di tipo OAM+2,1<sinistra>;
- il fascio ottico in spazio libero FO107.2_SL ha una seconda direzione nello spazio (diversa dalla prima direzione) che dipende dal valore e segno dell’indice angolare l= -2 e dallo stato di polarizzazione circolare levo-giro del modo OAM guidato di tipo OAM-2,1<sinistra>;
- il fascio ottico in spazio libero FO107.3_SL ha una terza direzione nello spazio (diversa dalla prima e seconda direzione) che dipende dal valore e segno dell’indice angolare l= -2 e dallo stato di polarizzazione circolare destro-giro del modo OAM guidato di tipo OAM-2,1<destra>;
- il fascio ottico in spazio libero FO107.4_SL ha una quarta direzione nello spazio che dipende dal valore e segno dell’indice angolare l= 2 e dallo stato di polarizzazione circolare destro-giro del modo OAM guidato di tipo OAM+2,1<destra>.
Inoltre l’elemento ottico diffrattivo 106 è configurato per:
- ricevere in ingresso su una prima zona 106-1a il fascio ottico in spazio libero FO107.1_SL avente una prima direzione nello spazio e generare in uscita, in funzione del fascio ottico in spazio libero incidente FO107.1_SL, un fascio ottico in spazio libero collimato FO108.1_CL di tipo far-field che converge in un punto P2 dello spazio generando un punto luminoso, che viene rilevato dal foto-rilevatore 5;
- ricevere in ingresso su una seconda zona 106-1b il fascio ottico in spazio libero FO107.2_SL avente una seconda direzione nello spazio (diversa dalla prima direzione) e generare in uscita, in funzione del fascio ottico in spazio libero FO107.2_SL, un fascio ottico in spazio libero collimato FO108.2_CL di tipo far-field che converge anch’esso nel punto P2 dello spazio generando un punto luminoso, che viene rilevato dal fotorilevatore 5;
- ricevere in ingresso su una terza zona 106-2a il fascio ottico in spazio libero FO107.3_SL avente una terza direzione nello spazio (diversa dalla prima e seconda direzione) e generare in uscita, in funzione del fascio ottico in spazio libero FO107.3_SL, un fascio ottico in spazio libero collimato FO108.3_CL di tipo far-field che converge in un punto P3 (diverso da P2) dello spazio generando un punto luminoso, che viene rilevato dal foto-rilevatore 5;
- ricevere in ingresso su una quarta zona 106-2b il fascio ottico in spazio libero FO107.4_SL avente una quarta direzione nello spazio (diversa dalla prima, seconda e terza direzione) e generare in uscita, in funzione del fascio ottico in spazio libero FO107.4_SL, un fascio ottico in spazio libero collimato FO108.4_CL di tipo far-field che converge anch’esso nel punto P3 dello spazio generando un punto luminoso, che viene rilevato dal foto-rilevatore 5.
Pertanto nel punto P2 viene rilevato il primo segnale ottico che è stato iniettato nel modo guidato OAM+2,1<sinistra>avente indice angolare l=+2 e polarizzazione circolare levo-gira, mentre nel punto P3 viene rilevato il secondo segnale ottico che è stato iniettato nel modo guidato OAM+2,1<destra>avente stesso valore di indice angolare l=+2 ma diversa polarizzazione circolare destro-gira.
Preferibilmente, il dispositivo ottico di demultiplazione 102 è realizzato con due elementi ottici 102-1, 102-2 analoghi rispettivamente agli elementi ottici 2-1, 2-2.
In questo caso il primo elemento ottico diffrattivo 102-1 è configurato per ricevere in ingresso il fascio ottico in spazio libero FO105_SL trasmesso in uscita dalla fibra ottica 4 ed è configurato per generare in uscita, in funzione del fascio ottico in spazio libero incidente FO105_SL, un primo ed un secondo fascio ottico in spazio libero interno FO106.1_SL e FO106.2_SL, in cui:
- il primo fascio ottico in spazio libero interno FO106.1_SL ha una prima direzione di propagazione che dipende dal valore assoluto (2) dell’indice angolare l e dal suo stato di polarizzazione (per esempio, sinistro) ed è quindi diretta verso una prima area del secondo elemento ottico diffrattivo 102-2 (come mostrato schematicamente in Figura 2);
- il secondo fascio ottico in spazio libero interno FO106.2_SL ha una seconda direzione di propagazione che dipende dal valore assoluto (2) dell’indice angolare l e dal suo stato di polarizzazione diverso rispetto a quello del primo fascio ottico in spazio libero interno FO106.1_SL (nell’esempio, destro) ed è quindi diretta verso una seconda area (diversa dalla prima) del secondo elemento ottico diffrattivo 102-2 (come mostrato schematicamente in Figura 2).
Successivamente, il secondo elemento ottico diffrattivo 102-2 è configurato per ricevere in ingresso il primo fascio ottico in spazio libero interno FO106.1_SL ed è configurato per generare da questo in uscita i due fasci ottici in spazio libero FO107.1_SL, FO107.2_SL aventi due diverse direzioni nello spazio che dipendono dai due valori diversi dell’indice angolare l= ±2 e dallo stesso stato di polarizzazione (nell’esempio considerato, sinistro), come spiegato in precedenza; inoltre il secondo elemento ottico diffrattivo 102-2 è configurato per ricevere in ingresso il secondo fascio ottico in spazio libero interno FO106.2_SL ed è configurato per generare da questo in uscita i due fasci ottici in spazio libero FO107.3_SL, FO107.4_SL aventi due diverse direzioni nello spazio che dipendono dai due valori diversi dell’indice angolare l= ±2 e dallo stesso stato di polarizzazione (nell’esempio considerato, destro) diverso da quello dei due fasci ottici in spazio libero FO107.1_SL, FO107.2_SL, come spiegato in precedenza.
Vantaggiosamente, il dispositivo ottico di demultiplazione 110 effettua la demultiplazione di polarizzazione utilizzando il primo elemento ottico diffrattivo 102-1 ed il secondo elemento ottico diffrattivo 102-2 analogamente a quanto indicato per il primo elemento ottico diffrattivo 2-1 e per il secondo elemento ottico diffrattivo 2-2 della prima, seconda o terza variante della prima forma di realizzazione, ovvero utilizzando la trasformazione ottica geometrica di tipo log-pol e realizzandola con una pluralità di pixel; inoltre il primo elemento ottico diffrattivo 102-1 ed il secondo elemento ottico diffrattivo 102-2 sono realizzati con elementi ottici di Pancharatnam-Berry.
Più in particolare, il singolo pixel è realizzato nella forma di un reticolo digitale con periodo inferiore alla lunghezza d’onda e orientazione proporzionale alla fase; in questo modo il termine di fase non è dovuto al cammino ottico dell’onda all’interno del materiale, ma è dovuto alla manipolazione locale dello stato di polarizzazione dell’onda incidente ed è legato alla fase spaziale di Pancharatnam-Berry.
I reticoli hanno una loro orientazione e l’effetto sull’onda elettromagnetica incidente dipende dall’angolo formato dal reticolo rispetto al piano di polarizzazione.
Sia dato un insieme di pixel di dimensione laterale L<2>> *d e tale che ogni pixel sia formato da un reticolo di periodo << , e che abbia un’orientazione definita dall’angolo , in cui l’ottica viene realizzata nella forma di un matrice di pixel.
La funzione di trasmissione T dell’ottica è una funzione che dipende dalle coordinate cartesiane del singolo pixel:
<T>(<x, y>)<= R>(<x , y>)<τ>(<x , y>)<R −1>(<x , y>)
in cui
cos θ
R ( x , y ) =<(>x , y<)>− sin θ<(>x , y<)>
sin θ(x , y)cos θ(x , y)
è la matrice di rotazione locale e
e − i δ /2 0
τ =
0 e iδ/2
è la matrice di Jones del singolo pixel.
Questa matrice descrive un effetto di birifrangenza il cui ritardo di fase è determinato dalla geometria del reticolo, in funzione del periodo del reticolo e del rapporto tra larghezza di riga e di spazio, ed inoltre dipende dall'indice di rifrazione del materiale del substrato.
L’angolo rappresenta l'orientamento del reticolo di ogni pixel.
Supponendo che periodo e ampiezza siano costanti per ogni pixel e che cambi solo l’orientazione dell’angolo , la matrice risulta spazialmente dipende solo dall’orientazione dei pixel.
La matrice T è quindi la seguente:
e − i δ /2 cos 2 θ e i δ /2 sin 2 θ − i sin ( 2 θ ) sin ( δ / 2 )
T =
− i sin i δ /2
( 2 θ ) sin ( δ / 2 ) e cos 2 θ e − i δ /2 sin 2 θ
Per polarizzazioni circolari destro-gira R e levo-gira L, la matrice T opera come segue:
T [ R ] = cos ( δ / 2 ) R − i sin ( δ / 2 2 i θ
) e L
T [ L ] = cos ( δ / 2 ) L − i sin ( δ / 2 θ
) e − 2 i R
L'onda risultante è costituita da due componenti: l'ordine zero e l'ordine diffratto.
L'ordine zero ha la stessa polarizzazione dell’onda incidente e non subisce alcuna modifica fase.
L'ordine di diffrazione ha polarizzazione ortogonale a quella dell’onda in ingresso, e la sua fase in ogni punto è proporzionale al doppio dell'angolo di rotazione locale del reticolo.
Nel caso in cui = , il reticolo fornisce modulazione di fase pura e conversione totale della polarizzazione, con la fase dell’onda propagante uguale a due volte l'angolo di rotazione.
L’effetto è quindi il seguente:
T [ R ] = HL
T [ L ] = − H * R
in cui H è la funzione di trasmissione risultante dell’elemento ottico, H* il complesso coniugato.
Pertanto la modulazione di fase desiderata può essere ottenuta semplicemente variando l'orientamento del reticolo di ciascun pixel, e si può ottenere una modulazione di fase utilizzando un semplice reticolo binario, eliminando la necessità di complicati reticoli a passo multiplo oppure maschere di fase continue o multilivello.
In altre parole, il primo elemento ottico diffrattivo 102-1 ed il secondo elemento ottico diffrattivo 102-2 sono realizzati con elementi ottici di Pancharatnam-Berry che consentono di effettuare sia una demultiplazione a divisione di modo, sia una demultiplazione a divisione di polarizzazione (nota con PDM= Polarization Division Multiplexing).
Gli elementi ottici 102-1, 102-2 della seconda forma di realizzazione realizzati con pixel di reticoli digitali con periodo inferiore alla lunghezza d’onda sono intrinsecamente sensibili allo stato di polarizzazione circolare destro-giro o levo-giro del fascio ottico incidente.
In particolare, nel caso di stato di polarizzazione circolare destrogiro , il primo elemento ottico diffrattivo 102-1 ed il secondo elemento ottico diffrattivo 102-2 della seconda forma di realizzazione impartiscono uno sfasamento al fascio ottico incidente su di essi in base rispettivamente alle seguenti funzioni di fase:
2
<2 πa y x>+ 2
<y>
<φ>1(x , y )=y arctan−x ln+x
λ f1x b
(x , y ) = −<2 πab>
<φ>2 exp −<x>sgn x cos<y>+<α>x<β>y
λ f1a a
in cui sgn(x)=1 per x>0, sgn(x)= =-1 per x 0, ed in cui i parametri ( , ) controllano la posizione dell’array di punti luminosi generati sul fotorilevatore 5.
Nel caso di stato di polarizzazione circolare levo-giro -, il primo elemento ottico diffrattivo 102-1 ed il secondo elemento ottico diffrattivo 102-2 impartiscono uno sfasamento al fascio ottico incidente su di essi in base rispettivamente alle seguenti funzioni di fase:
2 2
2 πa arctan y x ln x+y
<φ>1(x , y ) = − y − x
λ f1x b
φ 2(x , y ) =<2 πab>exp −<x>sgn x cos<y>− α x − β y
λf1a a
Se dopo il secondo elemento ottico diffrattivo 102-2 si posiziona una lente 2-4 avente distanza focale f2, il risultato sulla superficie sensibile del foto-rilevatore 5 posizionato alla distanza di far-field è il seguente.
Fissata la lunghezza d’onda del fascio ottico incidente sul primo elemento ottico diffrattivo 102-1, la posizione alla distanza di far-field del punto luminoso generato sul foto-rilevatore 5 dipende dal valore dell’indice angolare l secondo le seguenti coordinate (yl, xl):
y±
l = ±<λ f>2β
2 π a
± λ f
x = ± 2
l α
2 π
in cui il segno “+” si riferisce allo stato di polarizzazione circolare destrogiro ed il segno “-” allo stato di polarizzazione circolare levo-giro.
Secondo l’approssimazione del mezzo efficace, l'indice di rifrazione di un'onda linearmente polarizzata il cui campo elettrico sia parallelo o perpendicolare alla vettore reticolo è dato rispettivamente da:
n 2
|| = qn 2
1 ( 1 − q ) n 2
2
n<−>2<−>2 2
⊥= qn 1 ( 1 − q ) n<−>
2
in cui q=s/ è il rapporto tra la larghezza di linea s e il periodo ed in cui n1 e n2 sono l'indice di rifrazione dell'aria e del materiale che costituiscono il reticolo alla lunghezza d'onda considerata.
Il ritardo di fase è il seguente:
δ =<2π>d(n||− n)
λ ⊥
Di conseguenza, la profondità d del reticolo per ottenere un ritardo di fase uguale a è la seguente:
λ
<d>=
2 ( n||−n⊥)
Le stime di n|| e n valgono per reticoli il cui periodo sia sufficientemente inferiore alla lunghezza d'onda incidente, almeno < /10. In caso contrario, il loro valore può essere calcolato con metodi numerici più rigorosi quando il passo del reticolo sia paragonabile alla lunghezza d'onda.
La scelta del materiale del substrato è strettamente correlata alla lunghezza d'onda di lavoro: maggiore è l'indice di rifrazione, minore è l'ampiezza del reticolo necessario per fornire un ritardo di fase uguale a ed ottenere una fase pura con elementi ottici di Pancharatnam-Berry.
Nella seguente Tabella 3 sono riportati i valori dello spessore richiesto per i diversi materiali alla lunghezza d’onda di lavoro nel campo del visibile = 633 nm.
=633 nm, N d (µm) Rapporto Larghezza di linea di forma s=60 nm
Vetro BK7 1.52 3.011 50
PMMA 1.49 3.357 56
ITO 1.87 1.244 21
ZnSe 2.60 0.487 8.5
ZnS 2.34 0.634 10.6
Tabella 3
Considerando un reticolo di periodo<[>uguale a circa 60 nm, è opportuno notare come il rapporto di forma del reticolo (definito come il rapporto tra la profondità e la larghezza della riga) sarebbe uguale a 50 nel caso del vetro (Vetro BK7): un valore così elevato potrebbe generare un problema di fabbricazione estremamente difficile da realizzare.
D’altra parte, i materiali trasparenti con elevato indice di rifrazione possono ridurre il rapporto di forma, fornendo condizioni di fabbricazione più accessibili. ZnSe e ZnS in particolare sono indicati per ridurre il rapporto di forma a valori intorno a 10.
Nel caso della radiazione tipica usata per trasmissioni in reti di telecomunicazioni nel vicino infrarosso, il silicio diventa un materiale trasparente e presenta un alto indice di rifrazione; in questo caso lo spessore richiesto d del reticolo è uguale a circa 500 nm, che corrisponde ad un rapporto di forma di solo 3-4, come mostrato nella seguente Tabella 4.
Nel caso del nitruro di silicio il rapporto di forma è di circa 10-15.
Silicio, d (µm) Rapporto di
Larghezza di linea forma
s=150 nm
=1310 nm 0.530 3.5
=1550 nm 0.647 4.3
Nitruro di silicio, s=150
nm
=1310 nm (n=1.994) 2.091 13.9
=1550 nm (n=1.989) 2.495 16.6
Tabella 4
Durante il processo di fabbricazione, può essere utile avere una mappa delle configurazioni ottimali dei parametri (d, q) che forniscono ritardo di fase = per la data lunghezza d'onda.
Assumendo n1= n e n2= 1 (aria), si ottiene:
λ
d<q>+ (1 −
=<q>) 2
<n>
q 2 n 2 q − q q − q ) n 4 (1 − q ) 2<2>(1 ) (1 n 2 − n
In questo modo si ottengono delle mappe di configurazioni ottimali utili per individuare le migliori finestre di processo per la realizzazione dei pixel di reticoli.
La realizzazione degli elementi ottici può essere realizzata con tecniche di nanofabbricazione ad alta risoluzione usando combinazione di tecniche di litografia elettronica, litografia a luce ultravioletta ad alta risoluzione per la produzione industriale, scavi con sistemi di attacco chimico-fisico come Reactive Ion Etching, litografia di stampo (imprinting), processi di evaporazione e loro combinazione.
Le Figure 3A e 3B mostrano una possibile realizzazione 302 mediante una membrana di silicio auto-sostenente 302-2.A partire da un substrato di silicio cristallino 302-6 con orientazione preferenziale [001], si realizza un doppio strato costituito da ossido di silicio (SiO2) 302-5, sopra il quale viene deposto uno spessore di silicio 302-4.
Questa struttura viene usualmente usata nei processi di fabbricazione e viene denominata SOI (silicon on insulator).
Lo spessore del silicio deve essere superiore alla profondità dello scavo da realizzare e preferibilmente deve essere di spessore tra 2 m e 5 m.
Preferibilmente, sulla superficie del SOI vengono realizzati dei sistemi di riferimento (marker) 302-3 che servono per allineare il disegno dell’elemento ottico con lo scavo del substrato e successivamente degli elementi ottici tra di loro.
Lo scavo del substrato del silicio e del SiO2 avviene con attacco chimico (wet-etching) dal retro secondo procedure note in corrispondenza della zona dove verranno realizzati i reticoli che costituiscono l’elemento ottico considerato 302-1.
Preferibilmente, lo scavo del substrato in corrispondenza della membrana 302-2 avviene prima della realizzazione del reticolo sulla superficie del silicio.
Uno o più reticoli di Panchanratnam–Berry possono essere realizzati sulla superficie del silicio utilizzando litografie ad alta risoluzione di resist e, preferibilmente, con processi di scavo definiti secondo arte nota come lift-off, che prevedono evaporazione di metalli (esempio cromo spessore preferibilmente 3-10 nm), scavo della zona profonda del reticolo con tecniche RIE e rimozione dei metalli e resist. Fondamentale è che lo scavo sia inferiore allo spessore del substrato in modo da garantire una sufficiente stabilità meccanica che permetta alla membrana di autosostenersi.
Alternativamente, gli elementi ottici di Pancharatnam-Berry possono essere realizzati su membrane di nitruro di silicio che presentano struttura e metodi di litografia analoghi a quelli descritti nel caso di membrane in ossido di silicio.
Tecniche note di fabbricazione permettono di allineare substrati diversi tra di loro.
E’ sufficiente il disegno di marker di riferimento durante la realizzazione dei singoli elementi ottici.
Questo metodo permette di realizzare i dispositivi ottici evitando sia la fabbricazione di ottiche rifrattive di elevato costo e soprattutto di poter allineare i diversi componenti ottici tra di loro.
Questi marker possono essere individuati e allineati tra di loro in modo da realizzare la sovrapposizione di più elementi ottici che siano tra di loro allineati e che quindi garantiscano la realizzazione del disegno ottico descritto.
Durante la fabbricazione viene sfruttata la capacità di trasparenza del silicio o del nitruro di silicio nell’infrarosso per poter traguardare i contrassegni (marker) di allineamento di membrane diverse.
La Figura 3C mostra una sequenza 303 di elementi ottici allineati 302a, 302b, 302c e realizzati su membrane in silicio o in nitruro di silicio.
Gli spessori dei substrati in silicio 303-1a, 303-1b possono essere controllati e definiti in modo tale da rispettare il progetto del disegno ottico.
Alternativamente, il dispositivo ottico di demultiplazione 2 della prima forma di realizzazione o il dispositivo ottico di demultiplazione 102 della seconda forma di realizzazione sono realizzati:
- con un singolo elemento ottico diffrattivo 2-12 e con un elemento ottico riflettente 2-6 (ad esempio, uno specchio), come mostrato nella Figura 4A; oppure
- con un singolo elemento ottico diffrattivo 2-13 e con l’elemento ottico riflettente 2-6, come mostrato nella Figura 4B.
Questo è possibile utilizzando dei particolari fasci OAM denominati “vortici perfetti”, nei quali la geometria del vortice ottico, in termini di raggio e larghezza dell’anello di intensità, è indipendente dal suo valore di momento angolare orbitale l; in soluzioni solitamente utilizzate invece, le dimensioni del fascio OAM crescono all’aumentare dell’indice angolare l.
L’applicazione di vortici ottici per l’eccitazione e propagazione di modi OAM guidati nella fibra ottica ha rivelato la necessità di controllare la geometria del fascio indipendentemente dal valore di OAM trasportato; inoltre, la miniaturizzazione ed integrazione delle ottiche impone il confinamento dei fasci in geometrie limitate e ben definite.
L’utilizzo di fasci OAM di tipo “vortici perfetti” riduce significativamente l’area utile sulla quale l’elemento diffrattivo agisce sul campo incidente; questo permette, nel caso in esame, di sostituire l’area interna, non illuminata dal fascio in ingresso, del primo elemento ottico diffrattivo 2-1 con il pattern di fase del secondo elemento ottico 2-2, ottenendo così un singolo elemento ottico diffrattivo 2-12 (Figura 4A) o 2-13 (Figura 4B).
Questo semplifica notevolmente l’architettura, aumentandone la compattezza ed il grado di miniaturizzazione e semplificando enormemente le procedure di allineamento, in quanto i due elementi ottici risultano ora complanari ed allineati per costruzione.
Inoltre la sostituzione di due elementi ottici complessi con uno solo riduce il tempo di fabbricazione e di conseguenza i costi di realizzazione di tali ottiche.
Con riferimento in particolare alle Figure 4A-4B e 5A, ciascuno degli elementi ottici diffrattivi 2-12 e 2-13 comprende:
- una zona interna circolare 2-1a di tipo trasmittente (Figura 4A) oppure, alternativamente, una zona interna circolare 2-1b di tipo riflettente (Figura 4B), definite da un raggio interno r1;
- una zona esterna 2-2a di tipo trasmittente, avente la forma di una corona circolare concentrica alla zona interna circolare 2-1a ed essendo definita dal raggio interno r1 e da un raggio esterno r2 maggiore di r1.
Con il termine “corona circolare” si intende un’area delimitata da due circonferenze concentriche complanari distinte.
Con riferimento in particolare alla prima forma di realizzazione della Figura 1A, il fascio ottico in spazio libero FO1_SL (trasmesso in uscita dalla fibra ottica 4 ed opportunamente collimato e dimensionato) incide sulla zona esterna 2-2a dell’elemento ottico diffrattivo 2-12 (si veda la lettera a) in Figura 4A), quindi l’elemento ottico diffrattivo 2-12 trasmette in uscita dalla zona esterna 2-2a un fascio ottico in spazio libero FO1.1_SL (si veda la lettera b) in Figura 4A).
Successivamente, il fascio ottico in spazio libero FO1.1_SL incide sull’elemento ottico riflettente 2-6 e viene riflesso, generando un fascio ottico in spazio libero riflesso FO1.2_SL avente una direzione di propagazione diretta verso l’elemento ottico diffrattivo 2-12 (si veda la lettera c) in Figura 4A).
Successivamente, il fascio ottico in spazio libero riflesso FO1.2_SL incide sulla zona interna 2-1a dell’elemento ottico diffrattivo 2-12, quindi l’elemento ottico diffrattivo 2-12 trasmette in uscita dalla zona interna 2-1a il fascio ottico in spazio libero FO3.1_SL avente la prima direzione nello spazio ed il fascio ottico in spazio libero FO3.2_SL avente la seconda direzione nello spazio (si veda la lettera d) in Figura 4A), come spiegato in precedenza.
L’elemento ottico diffrattivo 2-13 mostrato in Figura 4B ha un funzionamento simile a quello dell’elemento ottico diffrattivo 2-12, con la differenza che la zona interna 2-1b è di tipo riflettente.
Pertanto il fascio ottico in spazio libero riflesso FO1.2_SL incide sulla zona interna 2-1b dell’elemento ottico diffrattivo 2-13, quindi l’elemento ottico diffrattivo 2-12 riflette dalla zona interna 2-1b il fascio ottico in spazio libero FO3.1_SL avente la prima direzione nello spazio ed il fascio ottico in spazio libero FO3.2_SL avente la seconda direzione nello spazio (si veda la lettera d’) in Figura 4B).
In particolare, la funzione di fase dell’elemento ottico diffrattivo 2-12 e 2-13 è la seguente:
φ(x , y )= φ1Θ(r − r<*>)+ φ2Θ(r<*>− r)
in cui:
<2>
<2 π>a y<x y 2>x2 2y
<φ>1(<x>,<y>)=<y>arctan−<x>ln+<x>+
λ f1x b2a
x y x 2 y 2
φ<2 π>ab
2(<x>,<y>)= −exp−cos+<2 π>
λ f1a a λ2f2
in cui:
- Θ è la funzione di Heaviside così definita;
• Θ(x)= 0 per x<0;
• Θ(x)= 1 per x>0;
- r* è il raggio di separazione tra la zona esterna 2-2a e la zona interna 2-1a (ovvero r*= r1);
- f1è la distanza focale degli elementi ottici diffrattivi 2-12 e 2-13; - f2è la distanza focale della lente 2-4 interposta fra il dispositivo ottico di demultiplazione 2 e l’elemento ottico diffrattivo 6 della prima realizzazione (oppure interposta fra il dispositivo ottico di demultiplazione 102 e l’elemento ottico diffrattivo 106 della seconda realizzazione).
Preferibilmente, l’elemento ottico diffrattivo 2-12 (oppure 2-13) è realizzato con una rispettiva maschera olografica avente la struttura di una superficie avente valori continui della fase compresi fra 0 e 2 .
Alternativamente, l’elemento ottico diffrattivo 2-12 (oppure 2-13) è realizzato con una rispettiva maschera olografica avente la struttura di una superficie multilivello, ovvero composta da una pluralità di pixel (cioè una matrice di pixel), ciascun pixel avente valori discreti di fase e/o ampiezza.
Alternativamente, l’elemento ottico diffrattivo 2-12 (oppure 2-13) è realizzato per via diffrattiva mediante pixel costituiti da reticoli digitali con periodo inferiore alla lunghezza d’onda e orientazione proporzionale alla fase; in questo modo il termine di fase non è dovuto al cammino ottico dell’onda all’interno del materiale, ma è dovuto alla manipolazione locale dello stato di polarizzazione dell’onda incidente ed è legato alla fase spaziale di Pancharatnam-Berry.
L’ampiezza del reticolo è tale da determinare uno sfasamento di 180° tra un’onda polarizzata parallelamente al reticolo ed un’onda polarizzata perpendicolarmente ad esso, e dipenderà dal tipo di materiale e dal duty-cycle del reticolo.
In questo modo l’elemento ottico diffrattivo 2-12 (oppure 2-13) è sensibile allo stato di polarizzazione circolare della luce incidente.
In particolare, nel caso di stato di polarizzazione circolare destrogiro , la fase impartita dall’elemento ottico diffrattivo 2-12 (oppure 2-13) al fascio ottico incidente su di esso sarà la seguente:
φ<+>(x , y ) = φ1Θ(r − r<*>)+ φ<*>
2Θ(r − r)
in cui:
<2>
<2 πa>φ1(x , y ) = y ta<y>ln<x>+<y 2>
arc n − x x Θ ( r − r<*>
)λ f1x b
φ x , y ) = −<2 πab>exp −<x>sgn x cos<y>+ α x β y Θ ( r<*>
2( − r )λ f1a a
in cui sgn(x)=1 per x>0, sgn(x)= =-1 per x 0, ed in cui i parametri ( , ) controllano la posizione dell’array di punti luminosi generati sul fotorilevatore 5.
Nel caso di stato di polarizzazione circolare levo-giro -, la fase impartita dall’elemento ottico diffrattivo 2-12 (oppure 2-13) al fascio ottico incidente su di esso sarà la seguente:
<φ−(x , y ) = − φ>1<Θ>(<r − r*>)<− φ>2<Θ>(<r * − r>)
Se dopo l’elemento ottico diffrattivo 2-12 (o 2-13) si posiziona una lente 2-4 avente distanza focale f2, il risultato sulla superficie sensibile del foto-rilevatore 5 posizionato alla distanza di far-field è il seguente.
Fissata la lunghezza d’onda del fascio ottico incidente sull’elemento ottico diffrattivo 2-12 (o 2-13), la posizione alla distanza di far-field del punto luminoso generato sul foto-rilevatore 5 dipende dal valore dell’indice angolare l secondo le seguenti coordinate (y<±>l, x<±>l):
<λ f>y±
l = ± 2β
2 π a
x ± λ f
l = ± 2 α
2 π
in cui il segno “+” si riferisce allo stato di polarizzazione circolare destrogiro ed il segno “-” allo stato di polarizzazione circolare levo-giro.
Preferibilmente, in questa forma di realizzazione l’elemento ottico riflettente 2-6 è uno specchio concavo con raggio di curvatura uguale a 2*f1.
Secondo una terza forma di realizzazione dell’invenzione, il sistema di comunicazione ottico (in particolare, il dispositivo ottico 10) ha non solo la funzione di effettuare la demultiplazione di modi OAM guidati con diverso momento angolare orbitale come illustrato nella prima forma di realizzazione (o, alternativamente, la demultiplazione di modi OAM guidati con diverso momento angolare orbitale e diverso stato di polarizzazione come illustrato nella seconda forma di realizzazione), ma ha anche la funzione di effettuare una demultiplazione a divisione di lunghezza d’onda (WDM= Wavelength Division Multiplexing).
Con riferimento nuovamente al singolo elemento ottico diffrattivo 2-12 realizzato come illustrato in precedenza nella Figura 5A, questo consente sia di effettuare sia la demultiplazione di modi OAM guidati con diverso momento angolare orbitale (o, alternativamente, la demultiplazione di modi OAM guidati con diverso momento angolare orbitale e diverso stato di polarizzazione), sia la demultiplazione di diverse lunghezze d’onda di tipo DWDM (Dense WDM, ovvero WDM “densi”, in cui i canali sono centrati sul valore della lunghezza d'onda uguale a 1550 nm e sono separati di 0,7 nm o meno, che corrisponde ad una banda di 100 Ghz).
Vantaggiosamente, lo stesso elemento ottico diffrattivo 2-12 è utilizzato per effettuare la demultiplazione di lunghezze d’onda differenti separate di un valore inferiore a 5 nm, come nel caso della tecnologia LAN-WDM, che utilizza gruppi di 4 lunghezze d’onda separati di circa 5 nm a partire dal limite superiore di 1310 nm.
Vantaggiosamente, le configurazioni nelle figure 5A e 5B possono essere integrate in ottiche costituite da membrane di silicio realizzando lenti con valori continui della fase o alternativamente con matrici di pixel di reticoli con periodo inferiore alla lunghezza d’onda (elementi ottici di Pancharatnam-Berry).
In figura 5C è rappresentato l’elemento ottico 403 nel quale la configurazione 2-12 è realizzata sulla membrana di silicio 403-1.
Le dimensioni non sono in scala e diverse configurazioni possono essere integrate.
La funzione della superficie riflettente può essere realizzata mediante una deposizione di metalli riflettenti, depositati in forma di film sottile, e gli elementi sono conformati secondo le realizzazioni nelle figure 4A e 4B.
Film di cromo o di nickel possono essere avere una superficie di superficie con rugosità tale da riflettere la luce del fascio conservando la struttura spaziale dei modi OAM.
La corona circolare può riflettere la luce sia sulla superficie superiore che inferiore della membrana. Appositi marker 403-3 sono posti sull’elemento 403 al fine di facilitarne l’allineamento con gli altri componenti del dispositivo.
Con riferimento alla Figura 5B, viene mostrato più in dettaglio una possibile realizzazione dell’elemento ottico diffrattivo 2-12 della Figura 4A, che consente di effettuare sia la demultiplazione di modi OAM guidati con diverso momento angolare orbitale (o, alternativamente, la demultiplazione di modi OAM guidati con diverso momento angolare orbitale e diverso stato di polarizzazione), sia la demultiplazione di diverse lunghezze d’onda di tipo CWDM (Coarse WDM, ovvero WDM "grezzi", i quali sono separati di almeno 20 nm a partire dal limite superiore di 1610 nm).
In questo caso il dispositivo ottico di demultiplazione 10 comprende ulteriormente un elemento ottico diffrattivo/dispersivo interposto fra l’uscita della fibra ottica 4 e l’ingresso del dispositivo ottico di demultiplazione 2 (o, se presente la lente 3, interposto fra l’uscita della lente 3 e l’ingresso del dispositivo ottico di demultiplazione 2),
L’elemento ottico diffrattivo/dispersivo ha la funzione di effettuare la dispersione cromatica del fascio ottico incidente multiplato, impartendo raggi di curvatura diversi ai fronti d’onda dei fasci ottici uscente (ovvero fronti d’onda con divergenza diversa), in cui i valori dei raggi di curvatura (ovvero della divergenza) associati ai diversi canali in uscita da detto elemento ottico diffrattivo/dispersivo dipendono dal valore della lunghezza d’onda .
L’elemento ottico diffrattivo/dispersivo può essere realizzato con una lente di Fresnel oppure con un axicon, come spiegato relativamente all’elemento ottico diffrattivo 1-1 descritto nella domanda di brevetto Italiano n. 102015000041388 depositata il 4 agosto 2015 a nome dello stesso Richiedente.
Nel caso in cui l’elemento ottico diffrattivo/dispersivo sia realizzato con una lente di Fresnel, questa è composta da una pluralità di corone circolari concentriche, in cui detta pluralità di corone circolari hanno spessori radiali differenti che diminuiscono in funzione del valore crescente del raggio: questo consente di effettuare la dispersione cromatica in un intervallo di valori della lunghezza d’onda in cui il materiale (di cui è composto l’elemento ottico diffrattivo/dispersivo) è trasparente rispetto ai fasci ottici incidenti.
Nel caso in cui l’elemento ottico diffrattivo/dispersivo sia realizzato con un axicon, questo è una lente composta da una superficie piana e da una superficie conica, quest’ultima rivolta verso il dispositivo ottico di demultiplazione 2.
In questo caso l’axicon funziona come un prisma a simmetria circolare effettuando la dispersione delle diverse lunghezze d’onda 1, 2,
3, … e mantenendo al tempo stesso la simmetria circolare della distribuzione dell’intensità luminosa del fascio ottico incidente multiplato: in questo modo viene conservato il suo contenuto degli indici angolari l1, l2, l3, … dei modi OAM guidati trasportati dal fascio ottico incidente multiplato.
Con riferimento in particolare all’elemento ottico diffrattivo 2-12, la zona esterna 2-2a comprende una pluralità di zone, ciascuna associata ad una rispettiva lunghezza d’onda; analogamente, la zona interna 2-1a dell’elemento ottico diffrattivo 2-12 comprende una pluralità di zone, ciascuna associata ad una rispettiva lunghezza d’onda.
Nella Figura 5B per semplicità si considerano tre lunghezze d’onda 1, 2, 3 di tipo CWDM.
In questo caso la zona esterna 2-2a è suddivisa in tre corone circolari concentriche 2-2.1, 2-2.2, 2-2.3, una per ciascuna delle lunghezza d’onda 1, 2, 3, in cui:
- la corona circolare interna 2-2.1 è compresa fra i raggi r1 ed r3 ed è associata alla lunghezza d’onda 1;
- la corona circolare intermedia 2-2.2 è compresa fra i raggi r3 ed r4 ed è associata alla lunghezza d’onda 2;
- la corona circolare esterna 2-2.3 è compresa fra i raggi r4 ed r2 ed è associata alla lunghezza d’onda 3.
Analogamente, anche la zona interna 2-1a comprende tre zone 2-1a.1, 2-1a.2, 2-1a.3, una per ciascuna delle lunghezze d’onda 1, 2, 3, in cui:
- la zona 2-1a.1 è associata alla lunghezza d’onda 1;
- la zona 2-1a.2 è associata alla lunghezza d’onda 2;
- la zona 2-1a.3 è associata alla lunghezza d’onda 3.
Le considerazioni precedenti relative alla realizzazione dell’elemento ottico diffrattivo 2-12 della Figura 5B sono applicabili in modo analogo all’elemento ottico diffrattivo 2-13 della Figura 4B, ovvero anche l’elemento ottico diffrattivo 2-13 consente di effettuare sia la demultiplazione di modi OAM guidati con diverso momento angolare orbitale (o, alternativamente, la demultiplazione di modi OAM guidati con diverso momento angolare orbitale e diverso stato di polarizzazione), sia la demultiplazione di diverse lunghezze d’onda.
Vantaggiosamente, la configurazione della Figura 5B può essere integrata in ottiche costituite da membrane di silicio realizzando lenti con valori continui della fase oppure con matrici di pixel di Pancharatnam-Berry.
Vantaggiosamente, il singolo pixel è realizzato nella forma di un reticolo digitale con periodo inferiore alla lunghezza d’onda e orientazione proporzionale alla fase; in questo modo il termine di fase non è dovuto al cammino ottico dell’onda all’interno del materiale, ma è dovuto alla manipolazione locale dello stato di polarizzazione dell’onda incidente ed è legato alla fase spaziale di Pancharatnam-Berry.
Con riferimento alla Figura 6, viene mostrato schematicamente un sistema di comunicazione ottico 201 di multiplazione a divisione di modo secondo l’invenzione.
Più in particolare, il sistema di comunicazione ottico 201 ha la funzione di effettuare una multiplazione di modi OAM guidati con diverso momento angolare orbitale.
Il sistema di comunicazione ottico 201 di multiplazione è analogo al sistema di comunicazione ottico 1 di demultiplazione in quanto prevede un percorso inverso dei fasci ottici in base all’invarianza temporale delle equazioni di Maxwell; le minime differenze si individuano nella diversa architettura di generazione del segnale ottico rispetto a quella di ricezione del segnale ottico.
In altre parole, il sistema di multiplazione dei segnali ed inserimento in fibra viene descritto in analogia al sistema di demultiplazione, considerando la reciprocità per simmetria legata all’invarianza per inversione temporale tra processi di demultiplazione e multiplazione.
Il sistema di comunicazione ottico 201 di multiplazione a divisione di modo comprende un dispositivo ottico 210 di multiplazione di modi OAM guidati e la fibra ottica multimodale 4 illustrata nella precedenti forme di realizzazione.
Il dispositivo ottico di multiplazione 210 ha la funzione di effettuare la multiplazione di modi OAM guidati con diverso momento angolare orbitale (ovvero con diversi valori l1, l2, l3dell’indice angolare l).
Il dispositivo ottico di multiplazione 210 comprende un elemento ottico 206 di tipo diffrattivo, un dispositivo ottico di multiplazione 202 e, preferibilmente, una lente 203 interposta fra il dispositivo ottico di multiplazione 202 e la fibra ottica 4.
L’elemento ottico diffrattivo 206 ha una funzione complementare rispetto a quella degli elementi ottici diffrattivi 6, 106 della prima e seconda forma di realizzazione.
Più in particolare, l’elemento ottico diffrattivo 206 è configurato per ricevere in ingresso una prima pluralità di fasci ottici in spazio libero F1.1_i, F1.2_i, F1.3_i generati da una rispettiva pluralità di sorgenti di luce coerente 205-1, 205-2, 205-3 (ad esempio, di tipo laser) ed è configurato per generare da questi in uscita una rispettiva seconda pluralità di fasci ottici in spazio libero F1.1_SL, F1.2_SL, F1.3_SL orientati in differenti direzioni dello spazio che dipendono dalla pluralità di diversi valori dell’indice angolare l1, l2, l3 dei modi OAM guidati che verranno iniettati successivamente nella fibra ottica 4.
Si osservi che in Figura 6 sono stati mostrate per semplicità tre sorgenti di luce coerente, ma più in generale possono essere presenti due o più sorgenti di luce coerente e quindi l’elemento ottico diffrattivo 206 è tale da generare due o più fasci ottici in spazio libero orientati in due o più rispettive direzioni nello spazio.
Il dispositivo ottico di multiplazione 202 ha una funzione complementare rispetto a quella del dispositivo ottico di demultiplazione 2, 102 della prima e seconda forma di realizzazione delle Figure 1A-1B e 2.
Più in particolare, il dispositivo ottico di multiplazione 202 è configurato per ricevere in ingresso la seconda pluralità di fasci ottici in spazio libero orientati in differenti direzioni dello spazio ed è configurato per generare da questi in uscita un vortice ottico circolare in spazio libero multiplato F1.8_SL che trasporta una sovrapposizione della seconda pluralità di fasci ottici in spazio libero d’ingresso.
La fibra ottica 4 è configurata per ricevere in ingresso il vortice ottico circolare in spazio libero multiplato F1.8_SL che trasporta una sovrapposizione della seconda pluralità di fasci ottici in spazio libero ed è configurata per eccitare da questa una rispettiva pluralità di segnali ottici trasportati da una rispettiva pluralità di modi OAM guidati aventi rispettivi valori dell’indice angolare l ed appartenenti a gruppi diversi di modi guidati degeneri o quasi-degeneri, analogamente a quanto spiegato in precedenza per la fibra ottica 4 della prima e seconda forma di realizzazione delle Figure 1A-1B e 2.
Durante la propagazione della pluralità di segnali ottici dall’ingresso ad una uscita della fibra ottica 4, almeno una parte dell’energia di ciascun segnale ottico della pluralità di segnali ottici viene distribuita in un altro modo guidato appartenente al rispettivo gruppo di modi guidati, analogamente a quanto spiegato in precedenza per i gruppi di modi GM1_g, GM2_g della prima forma di realizzazione delle Figure 1A-1B e per il gruppo di modi GM2_g della seconda forma di realizzazione della Figura 2.
La sorgente di luce coerente 205-1 genera un primo fascio ottico monocromatico F1.1_i, opportunamente polarizzato circolarmente, che illumina l’elemento ottico diffrattivo 206 su una prima zona 206-1.
L’elemento ottico diffrattivo 206 è configurato per ricevere in ingresso, sulla prima zona 206-1, il primo fascio ottico F1.1_i ed è configurato per dimensionare opportunamente in uscita il primo fascio ottico F1.1_SL in modo da conferirgli una prima specifica direzione di propagazione nello spazio che dipende dalla prima zona di illuminazione 206-1 ed è associata ad un determinato primo valore l1 del momento angolare orbitale l.
Preferibilmente, il dispositivo ottico di multiplazione 210 comprende ulteriormente una lente 207 interposta fra l’elemento ottico diffrattivo 206 ed il dispositivo ottico di multiplazione 202.
La lente 207 è di tipo convergente ed ha la funzione di collimare il fascio ottico in spazio libero F1.1_SL.
L’elemento ottico diffrattivo 206 genera quindi in uscita il fascio ottico in spazio libero F1.1_SL, il quale illumina il dispositivo ottico di multiplazione 202.
Al variare della direzione di incidenza del fascio in spazio libero F1.1_SL, il dispositivo ottico di multiplazione 202 genera in uscita un vortice ottico circolare in spazio libero F1.8_SL avente uno specifico valore del momento angolare orbitale, il quale è associato ad uno specifico valore dell’indice angolare l del modo OAM guidato che verrà trasmesso nella fibra ottica 4.
La lente 203 ha la funzione di collimare e dimensionare opportunamente il vortice ottico circolare in spazio libero F1.8_SL in modo da consentire l’ingresso nella fibra ottica 4, generando un vortice ottico circolare collimato in spazio libero F1.9_SL.
La fibra ottica 4 riceve al suo ingresso il vortice ottico circolare collimato in spazio libero F1.8_SL, il quale eccita uno specifico modo OAM guidato, come ad esempio il modo OAM guidato M1_g della prima realizzazione oppure il modo OAM guidato M2_g della seconda realizzazione.
Le precedenti considerazioni relative alla sorgente di luce 205-1 sono applicabili in modo analogo alle sorgenti di luce coerente 205-2, 202-3, ovvero:
- l’elemento ottico diffrattivo 206 è configurato per ricevere in ingresso, su una seconda zona 206-2, un secondo fascio ottico F1.2_i ed è configurato per dimensionare opportunamente in uscita il secondo fascio ottico F1.2_SL in modo da conferirgli una seconda specifica direzione di propagazione nello spazio che dipende dalla seconda zona di illuminazione 206-2 ed è associata ad un determinato secondo valore l2 del momento angolare orbitale l;
- l’elemento ottico diffrattivo 206 è configurato per ricevere in ingresso, su una terza zona 206-3, un terzo fascio ottico F1.3_i ed è configurato per dimensionare opportunamente in uscita il terzo fascio ottico F1.3_SL in modo da conferirgli una terza specifica direzione di propagazione nello spazio che dipende dalla terza zona di illuminazione 206-3 ed è associata ad un determinato terzo valore l3 del momento angolare orbitale l.
Per esempio, una sorgente di luce coerente 205-1 genera il fascio ottico F1.1_i opportunamente collimato e polarizzato con stato di polarizzazione circolare levo-gira, quindi il fascio ottico F1.1_i illumina la prima zona 206-1 dell’elemento ottico diffrattivo 206 associata all’indice angolare avente valore l=-1 e viene generato il fascio ottico in spazio libero F1.4_SL incidente sul dispositivo ottico di multiplazione 202 con uno specifico angolo di incidenza.
Il dispositivo ottico di multiplazione 202 genera in uscita il vortice ottico circolare F1.8_SL che trasporta un contenuto di momento angolare orbitale l=-1, quindi viene opportunamente collimato e dimensionato illumina la testa della fibra ottica 4 ed infine eccita il modo OAM guidato di tipo OAM-1,1<sinistra>.
Preferibilmente, il dispositivo ottico di multiplazione 202 comprende due elementi ottici diffrattivi 202-1, 202-2 che realizzano una trasformazione ottica geometrica di tipo log-pol inversa, ovvero realizzano la conversione di una distribuzione di intensità lineare in una distribuzione di intensità con simmetria azimutale tipica dei modi OAM.
La funzione di fase del primo elemento ottico diffrattivo 202-1 è analoga a quella del secondo elemento ottico diffrattivo 2-2 della prima realizzazione di Figura 1A-1B o a quella del secondo elemento ottico diffrattivo 102-2 della seconda realizzazione di Figura 2.
La funzione di fase del secondo elemento ottico diffrattivo 202-2 è analoga a quella del primo elemento ottico diffrattivo 2-1 della prima realizzazione di Figura 1A-1B o a quella del primo elemento ottico diffrattivo 102-1 della seconda realizzazione di Figura 2.
Preferibilmente, il dispositivo ottico di multiplazione 202 comprende ulteriormente una lente 202-3 interposta fra l’uscita del primo elemento ottico diffrattivo 202-1 e l’ingresso del secondo elemento ottico diffrattivo 202-2.
La lente 202-3 è di tipo convergente ed ha la funzione di collimare il fascio ottico in spazio libero F1.2_SL uscente dal primo elemento ottico diffrattivo 202-1 e incidente sul secondo elemento diffrattivo 202-2.
Con riferimento alla Figura 7, viene mostrato schematicamente un sistema di ricetrasmissione ottico 300 per effettuare la multiplazione e demultiplazione a divisione di modo secondo l’invenzione.
Il sistema di ricetrasmissione ottico 300 ha sia la funzione di effettuare una multiplazione di modi OAM guidati con diverso momento angolare orbitale, sia la funzione di effettuare una demultiplazione di modi OAM guidati con diverso momento angolare orbitale.
Più in particolare, il sistema di ricetrasmissione ottico 300 comprende il dispositivo ottico di multiplazione 210, la fibra ottica multimodale 4 ed il dispositivo ottico di demultiplazione 10 secondo la prima, seconda o terza forma di realizzazione e relative varianti, come illustrato in precedenza.
Forma oggetto della presente invenzione anche un metodo di fabbricazione di elementi ottici con tecniche di micro e nano-fabbricazione.
In particolare, detto metodo può essere utilizzato per fabbricare elementi ottici nella forma di pixel di reticoli digitali e pertanto può essere utilizzato per fabbricare:
- il dispositivo ottico di demultiplazione 2 della prima realizzazione, sia nel caso in cui sia realizzato con due elementi ottici diffrattivi 2-1 e 2-2, sia nel caso in cui sia realizzato con un singolo elemento ottico diffrattivo 2-12 o 2-13;
- il dispositivo ottico di demultiplazione 102 della seconda realizzazione, sia nel caso in cui sia realizzato con due elementi ottici diffrattivi 102-1 e 102-2, sia nel caso in cui sia realizzato con un singolo elemento ottico diffrattivo 2-12 o 2-13;
- l’elemento ottico diffrattivo 6 della prima forma di realizzazione; - l’elemento ottico diffrattivo 106 della seconda forma di realizzazione;
- il dispostivo ottico di multiplazione 202, sia nel caso in cui sia realizzato con due elementi ottici diffrattivi 202-1 e 202-2, sia nel caso in cui sia realizzato con un singolo elemento ottico diffrattivo.
Forma oggetto della presente invenzione anche un ulteriore sistema di comunicazione ottico di demultiplazione a divisione di modo.
L’ulteriore sistema di comunicazione ottico comprende una fibra ottica multi-modale, un dispositivo ottico di demultiplazione di modi ed un elemento ottico diffrattivo.
La fibra ottica multi-modale è configurata per:
• ricevere in ingresso un primo segnale ottico trasportato da un primo modo guidato, in cui il primo modo guidato appartiene ad un primo gruppo di modi guidati comprendente una prima pluralità di modi guidati degeneri o quasi-degeneri;
• distribuire, durante la propagazione del primo segnale ottico dall’ingresso ad una uscita della fibra ottica, almeno una parte dell’energia del primo segnale ottico del primo modo guidato nella prima pluralità di modi guidati del primo gruppo di modi;
• generare in uscita il primo segnale ottico trasportato nel primo gruppo di modi guidati.
Il dispositivo ottico di demultiplazione di modi è configurato per: • ricevere in ingresso un fascio ottico in spazio libero generato dal primo segnale ottico d’uscita del primo gruppo di modi;
• generare in uscita, in funzione di detto fascio ottico d’ingresso, una prima pluralità di fasci ottici in spazio libero aventi una rispettiva prima pluralità di diverse direzioni nello spazio.
L’elemento ottico diffrattivo è configurato per ricevere in ingresso, su una prima pluralità di zone, la prima pluralità di fasci ottici in spazio libero e per generare da questa in uscita una rispettiva prima pluralità di fasci ottici collimati alla distanza di far-field;
• convergere la prima pluralità dei fasci ottici collimati in uno stesso primo punto dello spazio.
Preferibilmente, la fibra ottica dell’ulteriore sistema di comunicazione ottico è ulteriormente configurata per:
• ricevere ulteriormente in ingresso un secondo segnale ottico trasportato da un secondo modo guidato, in cui il secondo modo guidato appartiene ad un secondo gruppo di modi guidati comprendente una seconda pluralità di modi guidati degeneri o quasi-degeneri;
• distribuire, durante la propagazione del secondo segnale ottico dall’ingresso all’uscita della fibra ottica, almeno una parte dell’energia del secondo segnale ottico del secondo modo guidato nella seconda pluralità di modi guidati del secondo gruppo di modi;
• generare in uscita il secondo segnale ottico trasportato nel secondo gruppo di modi guidati.
Il dispositivo ottico di demultiplazione di modi dell’ulteriore sistema di comunicazione ottico è ulteriormente configurato per:
• ricevere in ingresso detto fascio ottico in spazio libero generato dal primo e dal secondo segnale ottico d’uscita rispettivamente del primo e del secondo gruppo di modi;
• generare ulteriormente in uscita, in funzione di detto fascio ottico d’ingresso, una seconda pluralità di fasci ottici in spazio libero aventi una rispettiva seconda pluralità di diverse direzioni nello spazio.
L’elemento ottico diffrattivo dell’ulteriore sistema di comunicazione ottico è configurato per:
• ricevere ulteriormente in ingresso, su una seconda pluralità di zone, la seconda pluralità di fasci ottici in spazio libero e per generare da questa in uscita una rispettiva seconda pluralità di fasci ottici collimati alla distanza di far-field;
• convergere la seconda pluralità dei fasci ottici collimati in uno stesso secondo punto dello spazio.
Preferibilmente, il primo ed il secondo modo guidato sono modi OAM guidati ed il primo e secondo gruppo di modi guidati comprendono almeno una rispettiva coppia di modi OAM guidati aventi uguale valore assoluto e segno opposto del rispettivo indice angolare.
Claims (17)
- RIVENDICAZIONI 1. Sistema (1) di comunicazione ottico di demultiplazione a divisione di modo, il sistema comprendente: - una fibra ottica (4) multi-modale configurata per: • ricevere in ingresso un primo segnale ottico trasportato da un primo modo guidato (M1_g, OAM-1,1<sinistra>) avente un momento angolare orbitale identificato da un primo indice angolare (l= -1), in cui il primo modo guidato appartiene ad un primo gruppo (LP11) di modi guidati degeneri o quasi-degeneri, detto primo gruppo comprendente una prima coppia di modi guidati (OAM- 1,1<sinistra>, OAM+1,1<destra>) aventi uguale valore assoluto e segno opposto del primo indice angolare; • distribuire, durante la propagazione del primo segnale ottico dall’ingresso ad una uscita della fibra ottica, almeno una parte dell’energia del primo segnale ottico del primo modo guidato nell’altro modo guidato appartenente alla prima coppia ed avente uguale valore assoluto e segno opposto del primo indice angolare (l= 1); • generare in uscita il primo segnale ottico trasportato nel primo gruppo di modi guidati; - un dispositivo ottico (2) di demultiplazione di modi con diverso momento angolare orbitale, il dispositivo ottico di demultiplazione essendo configurato per: • ricevere in ingresso un fascio ottico in spazio libero (FO1_SL) generato dal primo segnale ottico d’uscita del primo gruppo di modi; • generare in uscita, in funzione di detto fascio ottico d’ingresso (FO1_SL), una prima coppia di fasci ottici in spazio libero (FO3.1_SL, FO3.2_SL) aventi una prima ed una seconda direzione nello spazio che dipendono dal valore assoluto e segno del primo indice angolare; - un elemento ottico diffrattivo (6) configurato per: • ricevere in ingresso, su una prima coppia di zone (6-1, 6-2; 6-3, 6-4), la prima coppia di fasci ottici in spazio libero e generare da questa in uscita una prima coppia di fasci ottici collimati (FO4.1_CL, FO4.2_CL) alla distanza di far-field; • convergere la prima coppia dei fasci ottici collimati in uno stesso primo punto (P1) dello spazio.
- 2. Sistema di comunicazione ottico secondo la rivendicazione 1, in cui la fibra ottica (4) è ulteriormente configurata per: • ricevere ulteriormente in ingresso un secondo segnale ottico trasportato da un secondo modo guidato (M2_g, OAM+2,1<sinistra>) avente un momento angolare orbitale identificato da un secondo indice angolare (l= 2), in cui il secondo modo guidato appartiene ad un secondo gruppo (LP21) di modi guidati degeneri o quasi-degeneri, detto secondo gruppo comprendente una seconda coppia di modi guidati (OAM+2,1<sinistra>, OAM-2,1<sinistra>) aventi uguale valore assoluto e segno opposto del secondo indice angolare; • distribuire, durante la propagazione del secondo segnale ottico dall’ingresso all’uscita della fibra ottica, almeno una parte dell’energia del secondo segnale ottico del secondo modo guidato nell’altro modo guidato appartenente alla seconda coppia ed avente uguale valore assoluto e segno opposto del secondo indice angolare (l= -2); • generare in uscita il secondo segnale ottico trasportato nel secondo gruppo di modi guidati; in cui il dispositivo ottico (2) di demultiplazione è ulteriormente configurato per: • ricevere in ingresso detto fascio ottico in spazio libero (FO5_SL) generato dal primo e dal secondo segnale ottico d’uscita rispettivamente del primo e del secondo gruppo di modi; • generare ulteriormente in uscita, in funzione di detto fascio ottico d’ingresso, una seconda coppia di fasci ottici in spazio libero (FO7.1_SL, FO7.2_SL) aventi una terza ed una quarta direzione nello spazio che dipendono dal valore assoluto e segno del secondo indice angolare; ed in cui l’elemento ottico diffrattivo è ulteriormente configurato per: • ricevere ulteriormente in ingresso, su una seconda coppia di zone (6-3, 6-4), la seconda coppia di fasci ottici in spazio libero e generare da questa in uscita una seconda coppia di fasci ottici collimati (FO8.1_CL, FO8.2_CL) alla distanza di far-field; • convergere la seconda coppia dei fasci ottici collimati in uno stesso secondo punto (P2) dello spazio.
- 3. Sistema di comunicazione ottico secondo la rivendicazione 2, in cui il secondo gruppo di modi comprende una ulteriore seconda coppia di modi guidati (OAM-2,1<destra>, OAM+2,1<destra>) aventi uguale valore assoluto e segno opposto del secondo indice angolare ed in cui lo stato di polarizzazione dell’ulteriore seconda coppia di modi guidati è diverso dallo stato di polarizzazione della seconda coppia di modi guidati, in cui la fibra ottica (4) è ulteriormente configurata per: • distribuire ulteriormente, durante la propagazione del secondo segnale ottico dall’ingresso all’uscita della fibra ottica, almeno una parte dell’energia di detto secondo segnale ottico nell’altro modo guidato appartenente alla ulteriore seconda coppia; • generare in uscita il secondo segnale ottico trasportato nel secondo gruppo di modi guidati; ed in cui il dispositivo ottico (2) di demultiplazione è ulteriormente configurato per: • ricevere in ingresso detto fascio ottico in spazio libero (FO5_SL) generato dal primo e dal secondo segnale ottico d’uscita rispettivamente del primo e del secondo gruppo di modi; • generare in uscita, in funzione di detto fascio ottico d’ingresso, la seconda coppia di fasci ottici in spazio libero (FO7.1_SL, FO7.2_SL) aventi la terza e la quarta direzione nello spazio che dipendono dal valore assoluto e segno del secondo indice angolare; ed in cui l’elemento ottico diffrattivo è ulteriormente configurato per: • ricevere in ingresso, sulla prima coppia di zone (6-1, 6-2), la prima coppia di fasci ottici in spazio libero e generare da questa in uscita la prima coppia di fasci ottici collimati (FO4.1_CL, FO4.2_CL) alla distanza di far-field; • ricevere in ingresso, sulla seconda coppia di zone (6-3, 6-4), la seconda coppia di fasci ottici in spazio libero e generare da questa in uscita la seconda coppia di fasci ottici collimati (FO8.1_CL, FO8.2_CL) alla distanza di far-field; • convergere la prima coppia dei fasci ottici collimati nel primo punto (P1) dello spazio; • convergere la seconda coppia dei fasci ottici collimati nel secondo punto (P2) dello spazio.
- 4. Sistema di comunicazione ottico secondo una qualunque delle precedenti rivendicazioni, in cui la fibra ottica è ulteriormente configurata per ricevere in ingresso una pluralità di segnali ottici trasportati da una rispettiva pluralità di modi guidati aventi diversi indici angolari, in cui i modi guidati della pluralità di modi guidati appartengono a gruppi diversi di modi guidati degeneri o quasi-degeneri, ed in cui l’elemento ottico diffrattivo (6) è ulteriormente configurato per generare in uscita una pluralità di fasci ottici in spazio libero collimati associati alla pluralità di segnali ottici e convergenti in una rispettiva pluralità di differenti punti di numero uguale alla pluralità di segnali ottici.
- 5. Sistema di comunicazione ottico secondo una qualunque delle precedenti rivendicazioni, in cui l’elemento ottico diffrattivo (6) è realizzato con un reticolo di diffrazione con periodo variabile spazialmente, in cui il reticolo di diffrazione è configurato per: - ricevere in ingresso la prima coppia di fasci ottici in spazio libero (FO3.1_SL, FO3.2_SL) e/o la seconda seconda coppia di fasci ottici in spazio libero (FO7.1_SL, FO7.2_SL) rispettivamente sulla prima e seconda coppia di zone; - trasmettere o riflettere in uscita la prima e/o seconda coppia dei fasci ottici collimati convergenti rispettivamente nel primo e secondo punto dello spazio.
- 6. Sistema di comunicazione ottico secondo la rivendicazione 5, in cui il reticolo di diffrazione include un termine di curvatura anisotropo, differente su due direzioni ortogonali, configurato per: - focalizzare la prima e/o seconda coppia dei fasci ottici collimati rispettivamente nel primo e nel secondo punto dello spazio; - dimensionare il profilo dei rispettivi punti luminosi generati dalla prima e/o seconda coppia dei fasci ottici focalizzati.
- 7. Sistema di comunicazione ottico secondo una qualunque delle rivendicazioni da 3 a 6, in cui - il dispositivo ottico di demultiplazione (102) è ulteriormente configurato per effettuare una demultiplazione a divisione di polarizzazione; - il secondo gruppo di modi comprende la seconda coppia di modi guidati (OAM+2,1<sinistra>, OAM-2,1<sinistra>) aventi uguale valore assoluto e segno opposto del secondo indice angolare ed aventi stesso stato di polarizzazione; - il secondo gruppo di modi comprende detta ulteriore seconda coppia di modi guidati (OAM-2,1<destra>, OAM+2,1<destra>) aventi uguale valore assoluto e segno opposto del secondo indice angolare ed aventi stesso stato di polarizzazione, in cui lo stato di polarizzazione della seconda coppia di modi guidati è diverso dallo stato di polarizzazione dell’ulteriore seconda coppia di modi guidati; in cui il dispositivo ottico (102) di demultiplazione è configurato per: • ricevere in ingresso detto fascio ottico in spazio libero (FO105_SL) generato dal secondo segnale ottico d’uscita del secondo gruppo di modi; • generare in uscita, in funzione di detto fascio ottico d’ingresso, la seconda coppia di fasci ottici in spazio libero (FO107.1_SL, FO107.2_SL) aventi la prima e la seconda direzione nello spazio che dipendono dal valore assoluto e segno del secondo indice angolare e dipendono dallo stato di polarizzazione; • generare in uscita, in funzione di detto fascio ottico d’ingresso, una ulteriore seconda coppia di fasci ottici in spazio libero (FO107.3_SL, FO107.4_SL) aventi la terza e la quarta direzione nello spazio che dipendono dal valore assoluto e segno del secondo indice angolare e dipendono dallo stato di polarizzazione; ed in cui l’elemento ottico diffrattivo è ulteriormente configurato per: • ricevere in ingresso, sulla prima coppia di zone (106-1a, 106-1b), la seconda coppia di fasci ottici in spazio libero e generare da questa in uscita una seconda coppia di fasci ottici collimati (FO108.1_CL, FO108.2_CL) alla distanza di far-field; • ricevere in ingresso, sulla seconda coppia di zone (106-2a, 106-2b), l’ulteriore seconda coppia di fasci ottici in spazio libero e generare da questa in uscita una ulteriore seconda coppia di fasci ottici collimati (FO108.3_CL, FO108.4_CL) alla distanza di far-field; • convergere la seconda coppia dei fasci ottici collimati nello stesso secondo punto (P2) dello spazio; • convergere l’ulteriore seconda coppia dei fasci ottici collimati in uno stesso terzo punto (P3) dello spazio.
- 8. Sistema di comunicazione ottico secondo una qualunque delle precedenti rivendicazioni, in cui il dispositivo ottico di demultiplazione (2, 102) comprende un primo (2-1; 102-1) ed un secondo (2-2; 102-2) elemento ottico diffrattivo configurati per realizzare una trasformazione ottica geometrica di tipo log-pol, in cui: • il primo elemento ottico diffrattivo (2-1, 102-1) è configurato per realizzare una trasformazione geometrica conforme dei fasci ottici in spazio libero (F01_SL, F05_SL, F0105_SL) in uscita dalla fibra ottica da una distribuzione di intensità con simmetria azimutale ad una distribuzione di intensità lineare; • il secondo elemento ottico (2-2, 102-2) è configurato per realizzare una correzione di fase.
- 9. Sistema di comunicazione ottico secondo le rivendicazioni 7 o 8, in cui il primo ed il secondo elemento ottico diffrattivo sono realizzati con elementi ottici di Pancharatnam-Berry configurati per controllare i ritardi di fase per mezzo della manipolazione locale dello stato di polarizzazione del fascio ottico incidente.
- 10. Sistema di comunicazione ottico secondo una qualunque delle rivendicazioni da 1 a 7, in cui il dispositivo ottico di demultiplazione (2, 102) comprende un singolo elemento ottico diffrattivo (2-12, 2-13) configurato per realizzare una trasformazione ottica geometrica di tipo logpol, in cui il singolo elemento ottico diffrattivo comprende: una zona esterna (2-2a) configurata per mappare la distribuzione di intensità con simmetria azimutale dei fasci ottici in spazio libero (FO1_SL, FO5_SL, FO105_SL) in uscita dalla fibra ottica in una distribuzione di intensità lineare; una zona interna (2-1a, 2-1b) configurata per effettuare una correzione di fase; in cui il dispositivo ottico di demultiplazione comprende ulteriormente un elemento ottico riflettente (2-6), ed in cui: - la zona esterna del singolo elemento ottico diffrattivo è configurata per ricevere il fascio ottico in uscita dalla fibra ottica (FO1_SL, FO5_SL, FO105_SL) e generare da questo un fascio ottico trasmesso (FO1.1_SL); - l’elemento ottico riflettente è configurato per ricevere il fascio ottico trasmesso e rifletterlo come un fascio ottico riflesso (FO1.2_SL) verso il singolo elemento ottico diffrattivo; - la zona interna del singolo elemento ottico diffrattivo (2-12, 2-13) è configurata per ricevere il primo fascio ottico riflesso e, alternativamente, trasmetterlo come fascio ottico trasmesso o rifletterlo come ulteriore fascio ottico trasmesso verso l’elemento ottico diffrattivo (6).
- 11. Sistema di comunicazione ottico secondo la rivendicazione 10, in cui la zona esterna e la zona interna del primo elemento ottico diffrattivo sono realizzati con elementi ottici di Pancharatnam-Berry configurati per controllare i ritardi di fase per mezzo della manipolazione locale dello stato di polarizzazione del fascio ottico incidente.
- 12. Sistema di comunicazione ottico secondo una qualunque delle rivendicazioni da 8 a 11, in cui il primo e secondo elemento ottico diffrattivo o il singolo elemento ottico diffrattivo sono realizzati mediante pixel di reticoli binari con periodo inferiore alla lunghezza d’onda.
- 13. Sistema di comunicazione ottico secondo una qualunque delle rivendicazioni da 10 a 12, in cui: - il dispositivo ottico di demultiplazione (102) è ulteriormente configurato per effettuare una demultiplazione a divisione di lunghezza d’onda di una pluralità di lunghezze d’onda; - il sistema di comunicazione ottico comprende ulteriormente un elemento ottico diffrattivo/dispersivo interposto fra l’uscita della fibra ottica e l’ingresso del dispositivo ottico di demultiplazione e configurato per effettuare la dispersione cromatica del fascio ottico uscente dalla fibra ottica; - la zona esterna del singolo elemento ottico diffrattivo comprende una pluralità di corone circolari concentriche (2-2.1, 2-2.2, 2-2.3), una per ciascuna lunghezza d’onda; - la zona interna del singolo elemento ottico diffrattivo comprende una pluralità di zone (2-1a.1, 2-1a.2, 2-1a.3), una per ciascuna lunghezza d’onda.
- 14. Sistema di comunicazione ottico secondo una qualunque delle precedenti rivendicazioni, comprendente ulteriormente un foto-rilevatore (5) per effettuare una conversione ottico-elettrica, in cui il primo e/o secondo punto dello spazio sono posizionati sulla superficie di rilevazione del foto-rilevatore.
- 15. Sistema di comunicazione ottico di multiplazione a divisione di modo (210), il sistema comprendente un elemento ottico diffrattivo (206), un dispositivo ottico (202) di multiplazione di modi con diverso momento angolare orbitale ed una fibra ottica multimodale (4), in cui: - l’elemento ottico diffrattivo è configurato per: • ricevere in ingresso, su una rispettiva pluralità di zone differenti (206-1, 206-2, 206-3), una prima pluralità di fasci ottici in spazio libero (F1.1_i, F1.2_i, F1.3_i) generati da una rispettiva prima pluralità di sorgenti di luce coerente (205-1, 205-2, 205-3); • generare in uscita, in funzione della prima pluralità di fasci ottici in spazio libero d’ingresso, una rispettiva seconda pluralità di fasci ottici in spazio libero orientati in differenti direzioni dello spazio che dipendono da una pluralità di diversi valori dell’indice angolare di modi guidati della fibra ottica; - il dispositivo ottico di multiplazione (202) è configurato per: • ricevere in ingresso la seconda pluralità di fasci ottici in spazio libero orientati in differenti direzioni dello spazio; • generare in uscita, in funzione della seconda pluralità di fasci ottici in spazio libero d’ingresso, un vortice ottico circolare in spazio libero multiplato (F1.8_SL) che trasporta una sovrapposizione della seconda pluralità di fasci ottici in spazio libero d’ingresso; - la fibra ottica multimodale (4) è configurata per: • ricevere in ingresso il vortice ottico circolare in spazio libero multiplato (F1.8_SL) ed eccitare da questo una pluralità di segnali ottici trasportati da una rispettiva pluralità di modi guidati aventi rispettivi valori dell’indice angolare ed appartenenti a gruppi diversi di modi guidati degeneri o quasidegeneri; • distribuire, durante la propagazione della pluralità di segnali ottici dall’ingresso ad una uscita della fibra ottica, almeno una parte dell’energia di ciascun segnale ottico della pluralità di segnali ottici in un altro modo guidato appartenente al rispettivo gruppo di modi guidati.
- 16. Sistema di comunicazione ottico secondo una qualunque delle precedenti rivendicazioni, in cui gli elementi ottici diffrattivi sono realizzati mediante tecniche di micro litografia su membrane in silicio o in nitruro di silicio che sono sovrapposte e allineate (303).
- 17. Sistema di ricetrasmissione ottico (300) comprendente un sistema di comunicazione ottico di multiplazione a divisione di modo (201) secondo la rivendicazione 15 ed un sistema di comunicazione ottico di demultiplazione a divisione di modo (1, 101) secondo una qualunque delle rivendicazioni da 1 a 14.
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