KR20140131975A - 모드 분할 다중화를 이용하는 광학 데이터 송신 방법 - Google Patents

Abstract

광학 데이터 송신을 위한 방법 및 디바이스가 제안된다. 각각의 인입 도파로 모드들을 갖는 인입 광학 신호들은 승법 패턴들이 각각의 인입 또는 송출 도파로 모드들의 각각의 전계 패턴들에 대응하는, 광학 공간 변조기들을 이용하여, 각각의 송출 도파로 모드들을 갖는 송출 광학 신호들로 매핑된다. 제로인 방위각 차수로 이루어진 각각의 인입 도파로 모드를 갖는 인입 광학 신호는 제로인 방위각 차수로 이루어진 각각의 송출 도파로 모드를 갖는 송출 광학 신호를 초래한다. 또한, 동일한 방위각 차수가 제로보다 크고, 방사 차수가 동일하고, 서로 직교하는 각각의 제 2 인입 도파로 모드들을 갖는 2개의 인입 광학 신호들은 동일한 방위각 차수가 제로보다 크고, 방사 차수가 동일하고, 서로 직교하는 각각의 제 2 송출 도파로 모드들을 갖는 각각의 송출 신호들을 초래한다.

Description

모드 분할 다중화를 이용하는 광학 데이터 송신 방법{METHOD OF OPTICAL DATA TRANSMISSION USING MODE DIVISION MULTIPLEXING}

본 발명은 모드 분할 다중화를 이용하는 데이터 송신을 위한 방법 및 광학 디바이스에 대한 것이다.

광학 데이터 송신에서, 데이터는 바람직하게는 반송파 파장이라 불리는 특정 파장을 갖는 광학 신호를 이용하여 광학 도파로를 통해 송신될 수 있다. 광학 신호는 송신되는 데이터를 나타내도록 변조될 수 있는데, 여기서, 변조는 송신되어야 하는 데이터에 따라 진폭-변조 및/또는 위상-변조로 수행될 수 있다. 유명한 위상-변조 방법은, 예를 들면, 직교 위상-편이 변조(QPSK)이다. 진폭-변조 및 위상-변조를 이용하는 또 다른 유명한 변조 방법은 예를 들면, 16-직교 진폭 변조(16-QAM)이다.

데이터 속도를 높이기 위해서, 특정 파장의 단지 하나의 광학 데이터 신호만이 송신될 수 있을 뿐만 아니라, 하나 이상의 광학 데이터 신호가 소위 다중화 기술로 송신될 수 있다.

파장 분할 다중화(WDM)의 다중화 기술에서, 서로 상이한 각각의 파장들을 갖는 다수의 광학 데이터 신호들이 동일한 파장을 통해 송신된다. 각 신호는 각각의 신호를 통해 송신될 데이터에 따라 개별적으로 변조된다.

또 다른 다중화 기술은 편광 분할 다중화(PDM)이다. PDM에서, 동일한 파장을 갖지만 각각의 편광 상태들이 서로 직교하는 2개의 광학 신호들은 동일한 도파로를 통해 송신된다. 또한 PDM에서, 각 신호는 각각의 신호를 통해 송신될 데이터에 따라 개별적으로 변조된다. PDM의 기술은 데이터 속도를 더욱 높이기 위해 WDM과 조합될 수 있다.

단일 파장의 광학 신호는 단일 파장을 갖는 전자기파로 설명될 수 있으며, 여기서, 전계와 자계는 서로 직교한다.

광학 단일 모드 광섬유(SMF)를 통해 전파되는 특정 파장을 갖는 광학 신호는 수평 전자기(TEM) 모드로 설명될 수 있는 것으로 종종 설명되는데, 여기서, 전자기파는 전파 방향으로 필드 구성요소를 갖지 않는 전계 및 자계를 갖고, 소위 모드 패턴은 전파 방향에 수직한 면 내의 공간 내에서의 전계의 분포를 나타낸다. SMF 내에서는, 기초 모드를 갖는 광학 신호의 전파만이 가능하다.

소위 광학 다중 모드 광섬유(MMF)는 특정 파장의 단지 하나의 광학 신호만이 기초 모드로서의 TEM 모드로서 전파될 뿐만 아니라, 다수의 광학 신호들이 동일한 특정 파장의 상이한 TEM 모드들로서 광섬유 내에서 전파될 수 있는 광섬유이다. 상이한 TEM 모드들은 그들 각각의 전계들의 그들 각각의 모드 패턴들이 상이하다.

모드는 그것의 방위각 주기 및 그것의 방사 함수 내의 제로 크로싱(zero crossing)들의 수에 의해 고유하게 식별될 수 있다. 따라서, 모드 및 그것 각각의 모드 패턴은 소위 방위각 차수(order) 및 소위 방사 차수에 의해 분류된다. 이것은 영(0) 및 파이(pi)의 위상 레벨들과 등가인, 복소 전계를 위한 양 및 음의 부호를 갖는 존(zone)들로 이루어진 고유한 패턴을 이끌어낸다. 색인 l를 갖는 방위각 차수는, 모드 패턴의 원점 주변의 원형 궤도를 따라 지날 때, 모드 패턴이 갖는 주기들의 수를 나타낸다. 색인 m을 갖는 방사 차수는, 모드 패턴의 원점을 지나는 반경을 따라 모드 패턴이 갖는 극 값들의 수를 나타낸다. l=0의 방위각 차수의 모드들에 대하여, 방사 차수 m은 2m+1개의 극 값들의 수를 나타낸다. l>0의 방위각 차수의 모드들에 대하여, 방사 차수 m은 2m개의 극 값들의 수를 나타낸다. 소위 보다 높은 차수의 모드는 제로(0)보다 큰 방위각 차수를 갖는 1이다. 따라서, 보다 높은 방위각 차수는 l>0의 색인을 갖는 1이다.

방위각 차수가 제로인 모드는 회전적으로 변하지 않는 모드 패턴을 갖는다. 이것은 방사 차수가 1인 기초 모드 또는 방사 차수가 1 보다 큰 보다 높은 모드일 수 있다.

방위각 차수가 1이거나 1 보다 크고 임의의 방사 차수가 주어진 모드에 대하여, 동일한 방위각 차수 및 동일한 방사 차수의 또 다른 모드가 또한 존재하는데, 여기서, 2개의 모드들의 모드 패턴들은 서로 직교하고, 예를 들면, 모드 패턴들의 적(product)의 표면 적분은 제로이다.

모드 분할 다중화(MDM) 기술은 MMF에서 이용될 수 있는데, 여기서, 동일한 파장의 상이한 TEM 모드들로서의 상이한 광학 신호들은 MMF 내의 각각의 개별적인 데이터를 송신할 수 있다.

모드 분할 다중화를 이용하는 광학 데이터 송신 방법이 제안된다.

본 방법은 상이한 단계들을 포함한다.

각각의 인입 도파로 모드들을 갖는 복수의 인입 광학 신호들은 인입 광학 다중-모드 광섬유로부터 반드시 기초 도파로 모드를 갖는 각각의 중간 광학 신호들로 역다중화된다. 역다중화하는 단계는, 승법 패턴(multiplicative pattern)들이 인입 도파로 모드들의 전계 패턴들에 대응하는, 각각의 제 1 광학 공간 변조기들을 이용하여 수행된다.

중간 광학 신호들은 송출 광학 다중-모드 광섬유 내의 각각의 송출 도파로 모드들을 갖는 각각의 송출 광학 신호들로 다중화된다. 다중화하는 단계는, 승법 패턴들이 송출 도파로 모드들의 전계 패턴들에 대응하는, 각각의 제 2 광학 공간 변조기들을 이용하여 수행된다.

역다중화하는 및 다중화하는 단계들은, 각각의 제 1 인입 도파로 모드의 방위각 차수가 제로인 제 1 인입 광학 신호가, 각각의 제 1 송출 도파로 모드의 방위각 차수가 제로인 제 1 송출 광학 신호를 반드시 초래하도록, 수행된다.

또한, 역다중화하는 및 다중화하는 단계들은 각각의 제 2 인입 도파로 모드들이

- 동일한 방위각 차수가 제로보다 크고,

- 방사 차수가 동일하고,

- 서로 직교하는 2개의 제 2 인입 광학 신호들은, 각각의 제 2 송출 도파도 모드들이

- 동일한 방위각 차수가 제로보다 크고,

- 방사 차수가 동일하고,

- 서로 직교하는,

각각의 제 2 송출 신호들을 반드시 초래하도록 수행된다.

이들 인입 도파로 모드들 및 송출 도파로 모드들은 적어도 그들의 방위각 차수 또는 그들의 방사 차수가 상이한 것이 바람직하다.

제안된 방법의 이점들을 파악하기 위해서, 상이한 양태들이 고려되야 한다.

상이한 모드들은 종종 차등 모드 그룹 지연(DMGD)이라 불리는 동일한 광학 MMF 내에서의 상이한 전파 지연들을 가질 수 있다. 따라서, 상이한 모드들의 2개의 광학 신호들은 상이한 시점에 수신 디바이스에 도착한다. 이러한 지연차를 보상하기 위해, 수신 디바이스에서 알고리즘들이 이용될 수 있는데, 여기서는, 이러한 알고리즘이 보상할 수 있는 최대 지연차를 초과할 수 없다. 따라서, 인입 광학 MMF 내의 각각의 인입 도파로 모드들을 갖는 인입 광학 신호들을 송출 광섬유 내의 상이한 도파로 모드들의 송출 광학 신호들로 매핑함으로써, 상이한 신호들에 대한 DMGD들의 평균화가 달성되는데, 그 평균화는 송출 광섬유의 다른 종단에 위치한 수신 디바이스에서 상이한 광학 신호들 간의 지연차를 최대 지연차 이하로 유지하도록 도울 수 있다.

또한, 광학 MMF들의 비선형성 때문에, 보다 높은 방위각 및 방사 차수의 TEM 모드 패턴의 방향이 MMF를 따른 모든 지점에서 일정하지 않고, MMF를 따라 회전할 것임이 고려되야 한다. 심지어 또한, 이 방향은 시간이 지남에 따라 변할 수 있다. 따라서, 인입 TEM 도파로 모드를 갖는 이러한 인입 광학 신호를 수신하고, 그것을 패턴이 인입 도파로 모드의 전계 패턴에 대응하는 광학 공간 변조기를 이용하여 기초 TEM 도파로 모드를 갖는 중간 광학 신호로 역다중화할 때, 인입 도파로 모드의 모드 패턴의 방향이 공간 변조기의 모드 패턴의 방향에 맞춰 정렬될지 여부가 중요한 양태이다. 인입 도파로 모드 신호의 모드 패턴과 공간 변조기의 모드 패턴 간의 방향의 오정렬(misalignment)은 조정된 신호 구성요소들을 갖는 중간 신호를 이끌어낼 수 있다. 따라서, 인입 모드 패턴에 대한 방향을 오정렬할 수 있는 원인은 역다중화를 위해 이용되는 광학 공간 변조기들에 의해 제공된다.

이들 문제들은 다음과 같은 방식으로 제안된 방법들에 의해 해결된다: 동일한 보다 높은 방위각 차수로 이루어지고, 동일한 방사 차수로 이루어지며, 서로 직교하는 각각의 인입 도파로 모드들을 갖는 2개의 인입 광학 신호들이, 동일한 보다 높은 방위각 차수로 이루어지고, 동일한 방사 차수로 이루어지며 또한 서로 직교하는 송출 도파로 모드들을 갖는 2개의 송출 신호들을 초래하도록, 역다중화 및 다중화가 수행된다.

앞서 설명된 바와 같이, 특정 방위각 및 특정 방사 차수의 제 1 인입 광학 모드 신호를 각각의 제 1 중간 신호로 역다중화할 때, 이 제 1 인입 광학 모드 신호의 역다중화를 위해 마스킹되고 이용되는 배수사의 회전 오정렬은 이 제 1 인입 광학 모드 신호의 모든 신호 구성요소들이 각각의 제 1 중간 신호로 올바르게 변형되는 것은 아니라는 영향을 갖는다. 남아있는 신호 구성요소들은 특정 방위각 및 특정 방사 차수는 동일하지만 모드 패턴이 제 1 인입 광학 모드 신호의 모드 패턴에 직교하는 또 다른 제 2 인입 광학 모드 신호를 역다중화함으로써 생성되는 또 다른 제 2 중간 신호에 기여할 것이다.

동일한 것이 특정 방위각 및 특정 방사 차수의 제 2 인입 광학 모드 신호에 적용된다: 각각의 제 2 중간 신호가 생성될 때, 이 제 2 인입 광학 모드 신호의 역다중화를 위해 마스킹되고 이용되는 배수사의 회전 오정렬은 이 제 2 인입 광학 모드 신호의 모든 신호 구성요소들이 각각의 제 2 중간 신호로 올바르게 변형되는 것은 아니라는 영향을 갖는다. 남아있는 신호 구성요소들은 제 1 인입 광학 모드 신호를 역다중화함으로써 생성되는 제 1 중간 신호에 기여할 것이다.

역다중화에서의 인입 도파로 모드들 및 다중화에서의 송출 도파로 모드들에 대한 제안된 선택의 영향은 다음과 같다: 동일한 보다 높은 방위각 및 동일한 방사 차수의 2개의 인입 신호들은 하나의 조합된 인입 광학 신호로 고려될 수 있고, 반면, 동일한 보다 높은 방위각 및 동일한 방사 차수의 2개의 송출 광학 신호들은 하나의 조합된 송출 광학 신호로 고려될 수 있다. 공간 변조기들은 승법 구성요소들로서 동작하는 모드 패턴들을 가지므로, 인입 도파로 모드들에 대해 동일한 인입 방위각 및 동일한 인입 방사 차수를, 및 또한 송출 도파로 모드들에 대해 동일한 송출 방위각 및 동일한 송출 방사 차수를 선택함으로써, 조합된 인입 광학 신호의 모든 신호 구성요소들의 조합된 송출 광학 신호로의 선형 변형이 보장된다. 즉, 2개의 인입 신호들의 모든 신호 구성요소들은 2개의 송출 신호들로 올바르게 변형된다.

동일한 방위각 차수 및 동일한 방사 차수의 2개의 인입 모드 신호들의 신호 구성요소들이 역다중화 및 다중화에 의해 전체가 동일한 방위각 차수 및 동일한 방사 차수의 2개의 인입 모드 신호들로 변형되는 것이 보증되는 한, 송출 모드들의 모든 회전은 수신 디바이스에서 디지털 신호 처리를 이용하여 보상될 수 있다.

따라서, 역다중화 및 또한 다중화에 대한 방위각 및 방사 차수들의 제안된 선택은, 역다중화하는 단계에 대한 2개의 인입 도파로 모드 신호들의 정확한 방향을 모르면서 2개의 인입 도파로 모드 신호들을 2개의 송출 도파로 모드 신호들로 매핑할 수 있게 한다.

도 1은 상이한 송신 상태들에서 서로 상이한 모드 분할 다중화 신호들을 갖는 송신기 및 수신기를 나타내는 도면.
도 2는 다중모드 광섬유에서 가능한 모드들의 상이한 모드 패턴들의 표를 나타내는 도면.
도 3은 서로 인입 및 송출 모드 신호들을 갖는 제안된 디바이스를 나타내는 도면.
도 4a 및 도 4b는 서로 인입 및 송출 모드 신호들을 갖는 제안된 디바이스를 나타내는 도면들.
도 5는 수신 디바이스를 나타내는 도면.
도 6은 수신기 내에서 수행되는 신호 처리 단계들의 블록도.
도 7은 제안된 디바이스를 보다 상세하게 나타내는 도면.
도 8은 주파수 도메인에서 모드 신호를 수정하기 위한 방식을 나타내는 도면.
도 9a는 모드 변환(mode conversion)을 위한 디바이스를 나타내는 도면.
도 9b는 편광 다중화의 경우의 모드 변환을 위한 디바이스를 나타내는 도면.
도 10은 프로그래밍가능한 광학 공간 변조기들의 일 실시예를 나타내는 도면.
도 11은 광학 신호들의 각각의 모드 패턴들에 대한 위상 패턴들을 나타내는 도면.
도 12는 제안된 디바이스의 추가적인 실시예를 나타내는 도면.

도 1은 송신 디바이스(TX)로부터 수신 디바이스(RX)로의 상이한 광학 송신 상태에서의 상이한 단일 모드 신호들 및 다중-모드 신호들을 나타낸다.

송신기(TX)와 수신기(RX) 사이의 광학 송신 라인(OLT)은 송신기(TX)와 모드 인버터(mode invertor; MI)를 접속시키는 인입 다중-모드 광섬유(IMMF) 뿐만 아니라, 모드 인버터(MI)와 수신 디바이스(RX)를 접속시키는 송출 다중-모드 광섬유(OMMF)를 적어도 포함한다.

다수의 단일 모드 신호들(SMS)이 송신기(TX)에 존재한다. 단일 모드 신호들(SMS) 모두가 단일 모드 광섬유 내의 기초 모드에 대응하는, 모드 패턴(MP01)을 갖는 모드(MP0)를 갖도록, 이들 단일 모드 신호들은 각각의 단일 모드 광섬유들 내에 존재하는 것이 바람직하다. 송신기(TX)는 단일 모드 신호들(SMS)을 각각의 다중-모드 신호들(MMS1)로 변환하는 모드 다중화기(MM)를 추가로 포함한다. 그렇게 함으로써, 모드 다중화기(MM)는 하나 이상의 단일 모드 신호들(SMS)을 보다 높은 차수 모드들의 모드 패턴들인 각각의 모드 패턴들(MP1)을 갖는 각각의 다중-모드 신호들(MMS1)로 변환시킨다.

도 2는 상이한 차수들의 상이한 모드들에 대한, 대응하는 차등 모드 그룹 지연 및 모드 신호의 전계의 대응하는 모드 패턴을 나타낸 표 T1을 나타낸다.

각 모드에 대하여, 방위각 차수(AO) 및 또한 방사 차수(RO)를 나타내는 대응하는 색인이 주어진다. 앞서 개략적으로 설명한 바와 같이, 모드의 모드 패턴은 전파 방향에 직교하는, 다중-모드 광섬유의 그 면 내의 복소 전계의 진폭을 정의하는, 양 및 음의 신호를 갖는 존들로 이루어진다. 방위각 차수는, 모드 패턴의 원점 주변의 원형 궤도를 따라 지날 때 모드 패턴이 갖는 주기들의 수를 정의한다. 방사 차수는 모드 패턴의 원점에서부터 반경을 따라 밖으로 지날 때 모드 패턴이 갖는 주기들의 수를 정의한다. 모드(LP01)에 대하여, 모드 대응 패턴(MP01)은 회전적으로 변하지 않고 방위각 방향으로의 주기를 갖지 않는 패턴이다. 또한, 모드(LP02)에 대하여, 대응하는 모드 패턴(MP02)은 회전적으로 변하지 않고 방사 방향의 주기가 차수 2인 모드 패턴이다.

차수(LP11)의 모드에 대하여, 단지 하나의 단일 모드만이 가능할 뿐만 아니라, 대응하는 모드 패턴(MP11a)을 갖는 제 1 모드(LP11a) 및 또한 대응하는 모드 패턴(MP11b)을 갖는 제 2 모드 신호(LP11b)가 존재한다. 모드 패턴들(MP11a 및 MP11b)은 서로 직교한데, 즉, 이들 2개의 모드 패턴들(MP11a 및 MP11b)의 적의 표면 적분은 0이다.

동일한 것이 모드(LP21a 및 LP21b)의 모드 패턴들(MP21b 및 MP21a)에도 적용된다.

표 T1으로부터 명백히 알 수 있는 바로서, 상이한 모드들은 기초 모드(LP01)에 관련하여 상이한 값들의 차등 모드 그룹 지연(DMGD)을 갖는데, 한편, 표 T1에서, 주어진 값들은 킬로미터 당 나노-초들의 값들을 나타낸다.

앞서 계략적으로 설명한 바와 같이, 상이한 모드들은 상이한 차등 모드 그룹 지연들(DMGD)을 갖는다는 사실 때문에, 상이한 모드 신호들은 수신 디바이스에 상이한 지연들로 도착할 수 있다. 이러한 지연들은 수신 디바이스에서 신호 처리 알고리즘들에 의해 보상될 수 있는데, 여기서, 이러한 신호 처리 알고리즘들은 요즘 그들이 상이한 모드 신호들 간의 최대 지연만을 보상할 수 있다는 문제점을 갖는다. 따라서, 광학 송신 라인을 따라 상이한 모드 신호들을 송신할 때, 이 광학 송신 라인의 거리는 수신기가 실제로 보상할 수 있는, 상이한 모드 신호들 간의 최대 지연으로 인해 수신기 내의 신호 처리 알고리즘의 성능에 의해 제한될 수 있다.

도 1로 되돌아가서, 여기서 모드 인버터라 불리는 모드 인버젼(MI)을 위한 디바이스가 제안된다. 모드 인버터(MI)는 각각의 도파로 모드들(MP1)을 갖는 인입 광학 신호들(MMS1)을 각각의 다른 송출 도파로 모드들(MP2)을 갖는 송출 광학 신호들(MMS2)로 매핑한다. 이 유형의 모드 인버전은, 광학 신호들이 제 1 거리(L-x)에 대해서는 인입 다중-모드 광섬유(IMMF) 내의 광학 송신 라인(OLT)을 따라서 여행하고 그 후 다른 모드를 갖는 거리(x)에 대해서는 송출 다중-모드 광섬유(OMMF)를 따라서 여행한다는 이점을 갖는다. 이는 광학 송신 라인(OTL)의 전체 길이(L)를 따른 인입 광학 신호 및 송출 광학 신호에 대한 평균화된 차등 모드 그룹 지연을 이끌어낸다. 따라서, 이 인입 광학 신호 및 이 송출 광학 신호를 이용하여 송신기(TX)로부터 수신기(RX)로 데이터를 송신할 때, 광학 송신 라인(OTL)을 따른 데이터 송신에 대한 전체 차등 모드 그룹 지연은 상이한 광학 신호들의 차등 모드 그룹 지연들의 평균화로 인해, 수신기(RX)가 보상할 수 있는 최대 지연 밑으로 유지될 수 있다.

수신기(RX)에서, 모드 역다중화기(MD)는 그들 각각의 모드 패턴들(MP2)을 갖는 송출 광학 신호들(MMS2)을 기초 모드(LP01)의 모드 패턴(MP01)인 모드 패턴(MP3)을 갖는 각각의 단일 모드 신호들(SMS) 상으로 역다중화한다.

도 3은 제안된 모드 인버터(MI)를 보다 상세하게 나타낸다. 각각의 모드 패턴들(MP1)을 함께 갖는 인입 광학 신호들(MMS1)이 인입 다중-모드 광섬유(IMMF)로부터 모드 인버터(MI)의 모드 역다중화기(MD')를 통해 수신된다. 모드 역다중화기(MD')는 인입 광학 신호들(MMS1)을 각각의 중간 광학 신호들(IS)로 역다중화한다. 도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 중간 광학 신호들(IS)은 기초 도파로 모드를 갖는다. 중간 광학 신호들(IS)은 그 후 모드 다중화기(MM')에 의해 각각의 송출 도파로 모드들(MP2)을 갖는 각각의 송출 광학 신호들(MMS2) 상으로, 송출 다중-모드 광섬유(OMMF)로 다중화된다.

역다중화 및 다중화는, 승법 패턴들이 각각의 인입 및 송출 도파로 모드의 전계 패턴들에 대응하는, 광학 공간 변조기들을 이용하여 수행된다. 이것은 도 9a, 도 9b, 도 10 및 도 11에 관련하여 보다 상세하게 설명될 것이다.

도 4a는 각각의 도파로 모드의 방위각 차수가 제로인 인입 광학 신호에 대한 모드 인버터(MI)의 제안된 구성을 나타낸다. 도 4a의 예에서, 인입 광학 신호는 도파로 모드(LP01)이다. 모드 역다중화기(MD')는 인입 도파로 모드(LP01)의 전계 패턴에 대응하는 승법 패턴(MP01)을 갖는 광학 공간 변조기를 이용한다. 결과의 중간 광학 신호는 기초 모드인 도파로 모드(LP01')를 갖는다. 모드 다중화기(MM')는 중간 광학 신호를 송출 다중-모드 광섬유(OMMF) 내의 송출 광학 신호로 다중화하는데, 여기서, 이 송출 광학 신호는 방위각 차수가 또한 제로인 송출 도파로 모드(LP02)를 갖는다.

도 4a는 회전적으로 변하지 않는 모드(LP01)의 인입 광학 신호가 또 다른 회전적으로 변하지 않는 모드(LP02)의 송출 광학 신호를 초래한다. 예를 들면, 모드(LP02)인 회전적으로 변하지 않는 모드의 또 다른 인입 광학 신호는, 예를 들면, 모드(LP01)인 회전적으로 변하지 않는 모드의 또 다른 송출 광학 신호를 초래하도록 역다중화 및 다중화될 수 있다.

도 4b는 0 보다 큰 방위각 차수의 모드를 갖는 인입 광학 신호들을 각각의 모드들을 갖는 각각의 송출 광학 신호들로 매핑하기 위한 모드 인버터(MI)의 제안된 구성을 나타낸다. 디바이스(MI)는, 동일한 방위각 차수가 0 보다 크고 방사 차수가 동일하고 서로 직교하는 각각의 인입 도파로 모드들(LP11a 및 LP11b)을 갖는 2개의 인입 광학 신호들이, 도파로 모드들(LP21a 및 LP21b)이 또한 동일한 방위각 차수가 제로보다 크고, 방사 차수가 동일할 뿐만 아니라, 서로 직교하는 각각의 송출 광학 신호들을 초래하도록 구성된다. 이것은, 승법 패턴이 모드(LP11a)의 전계 패턴(MP11a)에 대응하는 공간 변조기를 이용하여, 모드(LP11a)를 갖는 신호를 필터링함으로써 수행된다. 이 필터링은 중간 광학 신호(LP011)를 초래한다.

또한, 모드(LP11b)의 인입 광학 신호는 필터링되고, 인입 모드 신호(LP11b)의 전계 패턴(MP11b)에 대응하는 승법 패턴을 갖는 공간 변조기를 이용하여 모드(LP11b)의 인입 신호로 변환되고, 그 결과 기초 모드(LP01²)를 갖는 중간 신호가 생성된다. 모드들(LP01¹ 및 LPO1²)의 중간 신호들은 그 후 모드들(LP21a 및 LP21b)의 모드 패턴들(MP21a 및 MP21b)에 대응하는 각각의 승법 패턴들을 갖는 각각의 공간 변조기들을 이용하여, 각각의 모드들(LP21a 및 LP21b)을 갖는 각각의 송출 신호들로 다중화된다.

모드들(LP11a 및 LP11b)을 갖는 인입 신호들을 모드들(LP21a 및 LP21b)을 갖는 송출 신호들로 변형하는 것은 2개의 인입 신호들을 포함하는 조합된 인입 신호를 2개의 송출 신호들의 조합된 송출 신호로 선형 변형하는 것으로 보여질 수 있다. 이것은, 공간 변조기들이 승법 패턴들을 이용하기 때문에, 선형 변형이다.

앞서 설명된 바와 같이, 모드의 방향은 광섬유를 따라 일정하지 않고 회전될 수 있다. 모드 패턴들(LP11a 및 LP11b)을 갖는 인입 신호들을 수신하는 대신, 인입 신호들이, 이 예들에서, LP11a' 및 LP11 b'로 나타낸 회전된 모드 패턴들을 갖고 모드 인버터(MI)에 도착할 수 있다. 모드 인버터(MI)의 주어진 구성으로, 이것은 모드들(LP21a 및 LP21b)에 관련하여 회전된 모드들(LP21a' 및 LP21b')을 갖는 송출 신호들을 이끌어낸다. 공간 변조기들이 역다중화 및 다중화를 위해 승법 패턴들을 이용한다는 사실로 인해, 모드들(LP11a' 및 LP11b')의 인입 신호들을 포함하는 조합된 인입 신호가 모드들(LP21a' 및 LP21b')을 갖는 2개의 송출 신호들을 포함하는 조합된 송출 신호로 선형 변환되는 것이 보장된다. 따라서, 동일한 방위각 차수가 0 보다 크고 방사 차수가 동일하고 직교 모드 패턴들인 모드들의 인입 신호들을, 모드들이 동일한 방위각 차수가 0 보다 크고 방사 차수가 동일하고 직교 모드 패턴들인 송출 신호들로 매핑함으로써, 조합된 인입 신호의 모든 신호 구성요소들이 조합된 송출 신호로 변형되는 것이 보증된다. 모드 패턴들이 회전된 각각의 모드(LP21a' 및 LP21b')를 갖는 2개의 송출 신호들은 그 후 수신 디바이스에서 신호 처리를 이용하여 탐지될 수 있다. 동일한 방위각 차수가 0 보다 크고 방사 차수가 같은 이러한 모드들을 갖는 광학 신호들의 회전된 모드 패턴들을 재정렬하기 위해, 세브 제이. 세이보리(Seb J. Savory)의 발표 '코히어런트 광학 수신기들용 디지털 필터들'(옵틱스 익스프레스, 볼륨. 16, 2번, 804-817쪽, 2008년)에 제공된 것과 같은, 유명한 신호 처리 알고리즘이 존재한다.

도 5는 다중-모드 광섬유(MMF)로부터 오는 상이한 모드 신호들을 역다중화하고 또한 수신된 모드 신호들의 모드 패턴들의 회전 변동(variation)을 보상하기 위해 이용될 수 있는 전형적인 수신기(RX')를 나타낸다. 수신기(RX')는 상이한 모드들의 신호들을 기초 모드의 각각의 중간 신호들(IS')로 역다중화하는 모드 역다중화기(MD)를 포함한다. 이들 중간 신호들(IS')은 차등 모드 그룹 지연(DMGD)을 보상하기 위해 각각의 지연 라인들(DL)을 이용하여 시간적으로 더욱 많이 지연될 수 있다.

각 중간 신호들(IS')에 대하여, 2개의 직교 편광 면들을 따라 광학 신호를 샘플링하는 각각의 수신기(RX1, ..., RX4)가 존재하고, 이에 따라, 각 편광 면에 대하여 각각의 동 위상(in-phase) 신호 및 각각의 직교 신호가 생성된다. 이들 동 위상 및 직교 신호들은 그 후 신호 처리 디바이스(DSP)로 전달된다.

신호 처리 디바이스(DSP)가 도 6에 보다 상세하게 나타나있다. 단지 이 예에서, 처리 디바이스(DSP)는 수신기들(RX1 및 RX2)로부터 들어오는 각각의 신호들과 함께 나타나있다. 신호 처리 디바이스(DSP)는 도 5에서 앞서 설명된 추가의 수신기들의 추가의 신호들을 수신 및 처리할 수 있다.

처리 디바이스(DSP)에는, 제 1 편광 면을 따라 제 1 중간 광학 신호의 광학 신호를 샘플링함으로써, 수신기(RX1)에 의해 생성된, 동 위상 신호(IP1) 및 직교 신호(QP1)가 제공된다. 또한, 처리기(DSP)에는 제 2 직교 편광 면을 따라 동일한 제 1 중간 광학 신호를 그것의 광학 필드에서 샘플링함으로써, 수신기(RX1)에 의해 생성된, 동 위상 신호(IP2) 및 직교 신호(QP2)가 제공된다.

각각의 동 위상 및 직교 신호들은 제 2 중간 광학 신호를 샘플링함으로써, 수신기(RX2)에 의해 또는 수신기(RX2)로부터 처리기(DSP)에 제공된다.

이제, 수신기(RX1)가 도 4b에 나타낸 모드(LP21a)의 다중-모드 광섬유 내의 신호로부터 생성된 중간 신호를 나타내는 신호들을 제공하고, 수신기(RX2)가 도 4b에 나타낸 모드(LP21b)의 모드 광섬유(MMF) 내의 모드 신호로부터 생성된 중간 신호를 나타내는 신호들을 제공한다고 가정하면, 처리 디바이스(DSP)는 이들 모드 패턴들의 축들의 가능한 회전이 보상되는 모드 역다중화(MPR) 단계를 포함한다. 이러한 모드 패턴들의 회전은, 이 예에서는, 모드들(LP21a' 및 LP21b')의 모드 패턴들에 대하여, 도 4b에서 앞서 설명되었다. 모드 역다중화 및 등화(MPR)의 단계가, 여기서는 수신기들(RX1 및 RX2)에 의해 제공되는, 동일한 방위각 차수 및 동일한 방사 차수의 모든 신호들을 함께 처리한다는 사실 때문에, 도 4b에 나타낸 모드 인버터(MI)에서, 동일한 방위각 차수가 제로보다 크고 방사 차수가 동일한 2개의 신호들이, 또 다른 동일한 방위각 차수가 0 보다 크고 또 다른 방사 차수가 동일한 2개의 송출 신호들을 생성하도록 매핑되는 것만이 보증되어야 한다. 이것이 도 4b에 나타낸 모드 인버터(MI)의 구성에 의해 보증되기 때문에, 앞서 설명된 공지된 신호 처리 알고리즘들을 이용하는 도 5 및 도 6에 나타낸 것과 같은 수신기들은 도 6에 나타낸 각각의 데이터 신호들(DS1 및 DS2)을 도출하기 위해, 모드들(LP21a' 및 LP21b')의 송출 신호를 적절하게 탐지 및 처리할 수 있다.

데이터 신호들(DS1 및 DS2)은 QAM 및 QPSK와 같은 위상 및/또는 진폭 변조 측정 방법들을 이용하여 각각의 모드 신호들을 개별적으로 변조함으로써 생성될 수 있다.

도 7은 선호되는 실시예에 따른 제안된 모드 인버터(MI1)를 나타낸다. 인입 다중-모드 광섬유(IMMF)로부터 수신된 인입 광학 신호들의 세트는 도 3, 도 4a 및 도 4b에 관련하여 앞서 나타내고 설명된 모드 역다중화기들(MD')과 유사한 방식으로 동작하는 역다중화기(MD1)에 제공된다. 모드 역다중화기(MD1)에서, 신호들의 세트는 분할기들(BS) 및 미러들(M)을 이용하여 분할되어 모드 변환기들(M1,..., M4)의 세트에 제공된다. 모드 인버터(M1,..., M4)는, 승법 필드 패턴이 각각의 모드 변환기(M1,..., M4)가 IMMF로부터 수신한 신호들의 세트를 필터링하는, 그 인입 도파로 모드 신호의 전계 패턴에 대응하는, 광학 공간 변조기를 적어도 포함한다. 모드 인버터(M1,..., M4)는 따라서 특정 인입 도파로 모드의 인입 광학 신호를 필터링하고 이 인입 광학 신호를 각각의 단일 모드 광섬유(SMF1 ,..., SMF4) 내의 각각의 중간 광학 신호로 변환한다. 중간 광학 신호는 각각의 단일 모드 광섬유(SMF1 ,..., SMF4) 내에 기초 도파로 모드를 갖는다. 모드 변환기들(M1,..., M4)은 도 9a 및 도 9b에 관련하여 보다 상세하게 설명될 것이다.

모드 다중화기(MM1)는 중간 광학 신호들을 수신하고, 그것을 송출 다중-모드 광섬유(OMMF) 내의 각각의 송출 도파로 모드들의 각각의 송출 광학 신호들로 변환시킨다. 이를 위하여, 모드 다중화기(MM1)는 각각의 모드 변환기들(M5,..., M8)을 포함하는데, 이들 모드 변환기들(M5,..., M8)은 도 9a 및 도 9b에 관련하여 이후에 설명될 것이다. 그 후 모드 변환기들(M5,..., M8)에 의해 제공된 송출 광학 신호들은 그들을 송출 다중-모드 광섬유(OMMF)에 제공하기 위해, 미러들(M) 및 빔 조합기들(BC)을 이용하여 조합된다.

도 7에 나타낸 모드 변환기들(M5,..., M8)은 광학 공간 변조기들로서 위상 마스크들에 응답하는 모드 변환기들인 것이 바람직하다.

승법 위상 마스크를 이용하는 원리가 도 8에 계략적으로 나타나있다. 입력 광섬유(IF)로부터 수신된 신호들은 입력 광섬유(IF)로부터 렌즈(L)로 제공되는데, 여기서, 입력 광섬유와 렌즈(L) 사이의 거리는 f로 주어진다. 그 후 렌즈는 수신한 광학 신호들을 승법 마스크에 제공하고, 그 후 광학 신호를 출력 광섬유(OF)에 제공하는 추가의 렌즈(L)에 더욱 제공한다. 입력 광섬유(IF)의 끝부분, 렌즈, 승법 마스크, 및 출력 광섬유(OF)의 시작부분은 서로로부터 거리(f)만큼 이격되어 있다. 이것은 조셉 더블유. 굿맨(Joseph W. Goodman)의 발표 '퓨리에 광에 대한 소개'(제2판, 맥그로우-힐, 1996년)로부터 알려진 바와 같은 4f 상관기로 불린다.

이러한 4f 상관기는 승법 마스크에서 입력 광섬유(IF)를 통해 수신된 광학 신호들의 퓨리에 변형을 생성한다. 모드(LP01)로부터의 입력 신호를 모드(LP11)의 출력 신호로 변화시키기 위해, 승법 마스크는 모드(LP11)의 모드 패턴의 진폭 속성들에 대응하는 퓨리에 차원의 위상 속성들을 가져야한다. 이러한 모드 패턴은 예를 들면, 도 11에 대해서 모드(LP11a)에 대한 모드 패턴(MP)으로서 제공된다. 따라서, 승법 위상 마스크의 모드 패턴의 하나의 영역은 0의 위상 변이(phase shift)를 일으키는 영역을 가져야하고, 한편, 다른 영역은 π의 위상 변이를 일으킨다.

4f 상관기 내에서 각각의 승법 위상 마스크들을 이용하여, 도 8에 나타낸 모드(LP11)와 같은 대응하는 특정 출력 모드들이 생성될 수 있다.

도 9a는 모드 인버터(MI)의 일 실시예를 나타낸다. 인입 광학 신호(INS)는 렌즈(L)에 제공되고, 렌즈(L)에서부터 프로그래밍가능한 위상 마스크(PM)으로 제공되는데, 프로그래밍가능한 위상 마스크(PM)는 또한 우측에 확대되어 나타나있다. 도 8 및 도 11에 관련하여 앞서 계략적으로 설명한 바와 같이, 위상 마스크(PM)는 적절한 위상 편이들을 일으키면서 인입 신호(INS)를 반영한다. 결과의 신호는 렌즈(L)를 지나 송출 신호(OS)로서 모드 변환기(M1)를 떠난다. 입력 광섬유를 렌즈(L)에 대해 거리(f) 만큼 이격시키는 것은 도 9a에는 명시적으로 나타내지는 않다. 바람직하게, 단지 패턴 모드들(LP01, LP11 및 LP21)만이 이용되는 경우에, 이 이격은 f로부터 가변되고, 이러한 경우, 제안된 방법 및 디바이스는 여전히 충분한 방식으로 수행된다. 이들 모드들(LP01, LP11 및 LP21)은 방사 주기를 갖지 않으며, 따라서, 거리(f)의 방향의 축들을 따른 마스크의 오정렬에 의해 도입될 수 있는 위상 마스크의 크기 변화들에 무관하다.

따라서, 프로그래밍가능한 위상 마스크(PM)를 이용함으로서, 도 11에 나타낸 각각의 모드 패턴들(MP)이 각각의 모드들의 각각의 인입 광학 신호들을 필터링하기 위해 생성될 수 있다.

보다 높은 차수 모드의 인입 광학 신호(INS)를 기초 모드의 중간 신호(IS)로 역다중화하기 위해, 위상 마스크들(PM)은 보다 높은 차수 모드의 위상 패턴에 대응하는 위상 패턴을 취한다.

즉, 모드 패턴은 퓨리에 차원에서 위상 레벨들 0 및 파이와 등가인, 복소 전계에 대해 양 및 음의 부호를 갖는 존들로 이루어진다. 상이한 부호를 가진 존들의 수 및 차수는 그들의 상대적인 크기는 변할 수 있더라도 2차원 퓨리에-변형 후에도 변함없이 일정하게 남아있다. 따라서, 하나의 모드에서 다른 모드로 변환하는 것은 입력 모드로의 위상 변이들을 수행하는 마스크에 의해 잘 근사화될 수 있고, 이에 따라 인입 "위상-존들"은 바람직한 송출 "위상-존들"로 매핑된다. 인입 모드(LP01)의 특정 경우에, 인입 모드는 단지 단일 위상-존으로 이루어지므로, 변환 마스크는 바람직한 출력 모드의 위상-존-패턴에 바로 대응한다. 역다중화할 때, 모드의 위상-패턴들의 고유성은 선택되는 모드의 위상-패턴만이 바람직하게 통상 모드(LP01)인 출력 모드의 위상-패턴으로 매핑되는 것을 보장한다. 따라서, 모든 다른 모드들은 이후에 단일 모드 광섬유와 같은 디바이스에 의해 필터링될 수 있다.

도 9a에 나타낸 모드 변환기(M1)는 보다 높은 차수 모드의 인입 신호(INS)를 기초 모드의 중간 신호(IS)로 변환하도록 동작할 수 있다. 중간 신호를 송출 신호로 변환하기 위한 도 7에 나타낸 모드 변환기들(M5, ..., M8)은 도 9a에 나타낸 모드 변환기(M1)와 구조적으로 유사한데, 여기서, 도 7에 나타낸 이러한 모드 변환기들(M5, ..., M8)은 각각의 송출 광학 신호의 모드 패턴에 대응하는 위상 패턴들을 갖는 위상 마스크를 갖는다. 도 7에 나타낸 모드 인버터(MI1)의 구성을 설정하기 위해, 명시적으로 나타내지는 않았지만, 제어 유닛이 이용될 수 있다. 이러한 제어 유닛은 서로 상호작용하는 하나 그 이상의 제어 유닛들로 제공되는 것이 바람직한데, 여기서, 제어 유닛 또는 제어 유닛들은 제어단 또는 관리 면(management plane)과 상호작용하도록 동작할 수 있는 하나 그 이상의 인터페이스들을 갖는다.

도 9a는 편광 분할 다중화가 이용되지 않는 경우의 모드 변환기(M1)를 나타낸다. 인입 모드 신호가 위상 마스크(PM)에 의해 선호되는 편광 방향으로 정렬되지 않은 편광 방향을 갖는, 바람직하게 실리콘 액정 표시 장치(LCOS)인 위상 마스크(PM)에 도달한 경우, 송신되는 신호 전력은 감소된다.

도 9b는 편광 분할 다중화가 이용되는 경우의 추가의 해결책에 따르는 도 9a의 제안된 모드 변환기를 나타낸다.

인입 광학 신호(INS)는 편광 빔 분할기(PBS)에 의해 2개의 직교 편광 구성요소들로 분할되는데, 여기서, 하나의 구성요소는 도 9a에 관련하여 앞서 설명된 바와 같이 바로 렌즈(L)에 그 후 위상 마스크(PM)에 제공된다. 다른 구성요소는 반파장판(HWP)을 이용하여 그것의 편광 상태에서 회전되고, 그 후 렌즈(L)에 그리고 더욱 위상 마스크(PM)에 제공된다. 이 다른 구성요소는 렌즈(L)를 한번 더 지나고 그 후 반파장판(HWP)을 이용하여 그것의 편광 상태에서 한번 더 회전된다. 제 1 구성요소 및 제 2 구성요소는 편광 빔 분할기(PBS)에서 중간 신호(IS)로 재조합된다.

도 9b에 나타낸 위상 마스크들(PM)은 도 9a에 관련하여 앞서 나타내고 설명한 위상 마스크(PM)와 구조 및 기능적으로 유사하다.

도 9b의 구성에서, 빔 분할기(PBS)의 편광 축들의 인입 신호의 편광 축들로의 오정렬은 양쪽 마스크들(PM) 상으로의 인입 신호의 하나의 편광 상태의 신호 분배를 유발한다. 다른 편광 상태는 그 후 양쪽 마스크들(PM) 상으로의 인입 신호의 신호 분배를 유발한다. 이 분배는 이후에 제안된 디바이스에 의해 재조합된다.

도 9a 및 도 9b에 나타낸 제안된 위상 마스크들(PM)은 모드 인버터(MI) 내의 LCOS 마스크들인 것이 바람직한데, 여기서, 이들 위상 마스크들(PM)은 반사형 마스크들이다.

대안적인 해결책에 따라, 모드 인버터는, 하나의 측으로부터 모드 인버터로 전파되는 인입 광학 신호가 투명한 위상 마스크에 제공되어 인입 광학 신호가 이 투명한 위상 마스크를 지난 후 더욱 전파되어 다른 측 상에서 모드 인버터를 떠나도록 구성될 수 있다. 이러한 투명한 위상 마스크는 바람직하게 유리로 제작된 고정의 모드 선택적 위상 마스크들이다. 편광 다중화의 경우에, 인입 광학 신호들은 도 9b에 나타낸 미러들(M) 및 빔 분할기들(PBS)을 이용하여 분할 및 제조합될 수 있다. 유리로 제조된 모드 선택적 위상 마스크들을 이용하는 경우에, 역다중화기와 다중화기 간의 구성이 도 12에 관련하여 아래에 더욱 설명된 바와 같이 허용되어야 할 것이다.

도 11은 대응하는 모드들에 대한 위상 마스크들의 각각의 모드 패턴들(MP)을 나타낸다.

도 10은 하나의 실리콘 디바이스 상에 다수의 위상 마스크들(PM)을 포함하는 조합된 위상 마스크(CPM)의 일 실시예를 나타내는데, 여기서, 상이한 위상 마스크들(PM)은 각각의 모드 변환기들(M1,..., M4)에 대한 위상 마스크들로서 이용된다. 이 예에서, 각각의 모드 변환기들(M1,..., M4)은 편광 분할 다중화의 경우에 모드 변환을 허용하기 위한 2개의 위상 마스크들(PM)을 포함한다.

위상 마스크들(PM)은 바람직하게 조합된 표면 상의 실리콘 액정 표시 장치들이다. 조합된 위상 마스크들(CPM) 및 그것의 위상 마스크들(PM)은 바람직하게 제어 유닛(CTRL)에 의해 구성가능하고 프로그래밍가능하다. 이것은 앞서 상세하게 설명되었다.

제어 유닛(CTRL)은 모드 인버터에서 수신되는 제어 신호에 따라 위상 마스크들(PM)의 모드 패턴들을 설정한다.

도 7로 되돌아가서, 중간 신호들은 단일 모드 광섬유들을 이용하여 역다중화 디바이스(MD1)에서부터 다중화 디바이스(MM1)로 전달된다는 것이 앞서 설명되었다. 대안적으로, 중간 신호들은 각각의 광학 자유 공간 경로들 또는 집적 디바이스들의 각각의 도파로들 내에서 전달될 수 있다.

도 8, 도 9a, 도 9b, 도 10 및 도 11에 관련하여 앞서 개략적으로 설명된 바와 같이, 공간 변조기들은 퓨리에 또는 주파수 변형을 수행하는 4f 상관기들 내의 위상 마스크들로서 주어질 수 있다. 공간 변조기들의 위상 패턴들은 각각의 모드 신호들의 모드 패턴들에 대응한다. 대안적으로, 도 7에 나타낸 모드 변환기들(M1, ..., M8)은 주파수 또는 퓨리에 변형을 위한 4f 상관기들에 의존하지 않고, 주파수 값들이 각각의 모드 신호들의 모드 패턴들의 주파수 값들에 대응하는 주파수 마스크들에 의해 직접 공간 변조를 수행한다.

즉, 모드 변환은 진폭 마스크를 이용하여 바람직한 모드의 주파수 분배를 강조함으로써 수행될 수 있다. 예를 들면, 방위각 차수가 0 보다 큰 모드들을 방위각 차수가 제로인 모드들보다 강력하게 하기 위해, 모드의 중심에 감쇠가 적용될 수 있는데, 이는 방위각 차수가 제로인 모드들은 이 중심 영역에서 최대 진폭을 갖는 반면, 모든 다른 모드들은 이 중간 영역에서 0의 진폭을 갖기 때문이다.

도 4b에 관련하여 앞서 개략적으로 설명된 바와 같이, 모드 인버터(MI)는, 동일한 방위각 차수가 0 보다 크고 방사 차수가 동일하고 직교 모드 패턴들인, 예를 들면, 인입 모드 신호들(LP11a' 및 LP11b')의 특정 모드 패턴들의 2개의 인입 광학 신호들이, 모드 패턴들(예를 들면, LP21a' 및 LP21b')이 또한 동일한 방위각의 차수가 0 보다 크고 방사 차수가 동일하고 또한 서로 직교하는 이러한 송출 광학 신호들을 초래하도록, 역다중화 및 다중화를 수행한다. 역다중화 및 다중화의 단계들에 의해 유발되는 인입 신호들의 신호 구성요소들 간의 추가적인 지연들이 최소화되는 것을 보장하기 위해, 도 7에 나타낸 인입 다중-모드 광섬유(IMMF)로부터 도 7에 나타낸 송출 다중-모드 광섬유(OMMF)까지의 전체 광학 거리는 각각의 중간 신호 및 각각의 송출 신호를 갖는 인입 광학 신호(LP11a')에 대하여 중간 신호 및 각각의 송출 신호를 갖는 인입 신호(LP11b')에 대한 전체 광학 거리와 같다.

도 12는 모드 인버터(MI3)에 대한 대안적인 실시예를 나타낸다. 모드 인버터(MI3)는 도 7에 나타낸 모드 역다중화기(MD1)와 구성 및 기능적으로 유사한 다중화기(MD2)를 포함한다. 또한, 모드 인버터(MI3)는 도 7에 나타낸 모드 다중화기(MM1)와 구성 및 기능적으로 유사한 모드 다중화기(MM2)를 포함한다.

도 12의 모드 인버터(MI3)는 도 7의 모드 인버터(MI1)와는 두가지 중요한 양태가 상이하다. 첫째, 역다중화기(MD2)와 다중화기(MM1)는 단일 모드 광섬유들(SMFa 및 SMFb)에 의해 접속되는데, 이는 후에 N x N개의 스위칭 성능을 갖는 스위치(S)에 의해 상호접속된다. 수 N은 단인 모드 광섬유들(SMFa, SMFb)의 수와 같다. 둘째, 역다중화기(MD2)와 다중화기(MM2)는 각각의 모드 변환기들이 프로그래밍가능한 위상 마스크들을 포함하지는 않지만 그대신 고정의 모드 선택적 위상 마스크들을 포함한다는 점에서, 도 7의 역다중화기(MD1) 및 다중화기(MM1)와 상이하다. 모드 인버터(MI3)의 구성 성능은 스위치(S)를 구성하는 제어 유닛(CTRL2)에 의해 주어진다. 바람직하게, 역다중화기(MD2) 및 다중화기(MM2) 내에서 이용되는 마스크들은 유리로 제작된 고정의 모드 선택적 위상 마스크들이다.

도 9a 및 도 9b에 관련하여 설명된 제어 유닛 뿐만 아니라, 도 10에 나타낸 제어 유닛들(CTRL) 및 도 12에 나타낸 제어 유닛(CTRL2)은 바람직하게 수신된 모드 신호들 중 하나를 통해 제어 신호들을 수신한다. 바람직하게, 제어 신호들의 송신을 위해 이용되는 모드 신호는 기초 모드(LP01)의 신호이다.

Claims (14)

1. 모드 분할 다중화를 이용하는 광학 데이터 송신 방법에 있어서,
   인입 광학 다중-모드 광섬유(IMMF)로부터의, 각각의 인입 도파로 모드들(MP1)을 갖는 복수의 인입 광학 신호들(MMS1)을 반드시 기초 도파로 모드를 갖는 각각의 중간 광학 신호들(IS)로 역다중화하는 단계; 및
   상기 중간 광학 신호들(IS)을 송출 광학 다중-모드 광섬유(OMMF) 내의 각각의 송출 도파로 모드들(MP2)을 갖는 각각의 송출 광학 신호들(MMS2)로 다중화하는 단계를 포함하고,
   상기 역다중화하는 단계는 상기 인입 도파로 모드들(MP1)의 전계 패턴들에 대응하는 승법 패턴(multiplicative pattern)들(MP01, MP11a, MP11b)을 갖는 각각의 제 1 광학 공간 변조기들(PM)을 이용하여 수행되고,
   상기 다중화하는 단계는 상기 송출 도파로 모드들(MP2)의 전계 패턴들에 대응하는 승법 패턴들(MP02, MP21a, MP21b)을 갖는 각각의 제 2 광학 공간 변조기들(PM)을 이용하여 수행되고,
   상기 역다중화하는 단계 및 상기 다중화하는 단계는,
   - 제로인 방위각 차수로 이루어진 각각의 제 1 인입 도파로 모드(LP01)를 갖는 제 1 인입 광학 신호가, 제로인 방위각 차수로 이루어진 각각의 제 1 송출 도파로 모드(LP02)를 갖는 제 1 송출 광학 신호를 반드시 초래하도록, 그리고,
   ○ 동일한 방위각 차수가 제로보다 크고,
   ○ 방사 차수가 동일하고,
   ○ 서로 직교하는,
   각각의 제 2 인입 도파로 모드들(LP11a, LP11b)을 갖는 2개의 제 2 인입 광학 신호들이,
   ○ 동일한 방위각 차수가 제로보다 크고,
   ○ 방사 차수가 동일하고,
   ○ 서로 직교하는,
   각각의 제 2 송출 도파로 모드들(LP21a, LP21b)을 갖는 각각의 제 2 송출 신호들을 반드시 초래하도록 수행되고,
   상기 제 2 인입 도파로 모드들(MP1)의 상기 동일한 방위각 차수는 상기 제 2 송출 도파로 모드들(MP2)의 상기 동일한 방위각 차수와 상이하고,
   상기 제 1 인입 도파로 모드(LP01)는 상기 제 1 송출 도파로 모드(LP02)의 방사 차수와 상이한 방사 차수를 갖는, 광학 데이터 송신 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 광학 공간 변조기들(PM)은 위상-마스크들 및/또는 진폭-마스크들인, 광학 데이터 송신 방법.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 역다중화하는 단계 및 상기 다중화하는 단계는 4f-상관기들을 이용하여 수행되고,
   상기 광학 공간 변조기들(PM)은 상기 인입 도파로 모드 및 상기 송출 도파로 모드(MP1, MP2)의 전계 패턴들에 대응하는 승법 위상 패턴들을 갖는 위상-마스크들인, 광학 데이터 송신 방법.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 위상-마스크들은 프로그래밍가능한 실리콘 액정 표시 장치들인, 광학 데이터 송신 방법.
5. 제 3 항에 있어서,
   상기 위상-마스크들은 고정 모드-선택적 위상 마스크들인, 광학 데이터 송신 방법.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 중간 광학 신호들(IS)은 각각의 단일-모드 광섬유들(SMF) 내에서, 각각의 광학 자유-공간 경로들 내에서 또는 집적 디바이스들의 각각의 도파로들 내에서 송신되는, 광학 데이터 송신 방법.
7. 제 1 항에 있어서,
   - 상기 2개의 제 2 인입 광학 신호들, 상기 2개의 제 2 인입 광학 신호들 각각의 중간 광학 신호 및 상기 2개의 제 2 인입 광학 신호들의 결과의 각각의 송출 광학 신호 중 하나에 대한 상기 인입 다중-모드 광섬유(IMMF)로부터 상기 송출 다중-모드 광섬유(OMMF)까지의 전체 광학 거리는,
   - 상기 2개의 제 2 인입 광학 신호들, 상기 2개의 제 2 인입 광학 신호들 각각의 중간 광학 신호 및 상기 2개의 제 2 인입 광학 신호들의 결과의 각각의 송출 광학 신호 중 다른 것에 대한 상기 인입 다중-모드 광섬유로부터 상기 송출 다중-모드 광섬유까지의 전체 광학 거리와 같은, 광학 데이터 송신 방법.
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 1 인입 도파로 모드(LP01)는 상기 각각의 제 1 송출 도파로 모드(LP02)의 방사 차수와 상이한 방사 차수이고,
   상기 방법은 적어도 하나의 제어 신호를 수신하는 단계를 추가로 포함하고,
   - 상기 각각의 제 1 송출 도파로 모드(LP02)의 상기 방사 차수, 및
   - 상기 각각의 제 2 송출 신호들의 상기 동일한 방위각 차수 및 상기 동일한 방사 차수는,
   상기 제어 신호에 따라 선택되는, 광학 데이터 송신 방법.
9. 제 1 항에 있어서,
   - 상기 제 2 인입 광학 신호들의 상기 동일한 방위각 차수는 상기 제 2 송출 광학 신호들의 상기 동일한 방위각 차수와 상이하고/상이하거나,
   - 상기 제 2 인입 광학 신호들의 상기 동일한 방사 차수는 상기 제 2 송출 광학 신호들의 상기 동일한 방사 차수와 상이한, 광학 데이터 송신 방법.
10. 모드 분할 다중화를 위한 광학 데이터 송신 디바이스에 있어서,
    - 인입 광학 다중-모드 광섬유(IMMF)로부터의 각각의 인입 도파로 모드들(MP1)을 갖는 복수의 인입 광학 신호들(MMS1)을 반드시 기초 도파로 모드를 갖는 각각의 중간 광학 신호들(IS)로 역다중화하도록 동작가능한 광학 모드 역다중화기(MD'); 및
    - 상기 중간 광학 신호들(IS)을 송출 광학 다중-모드 광섬유(OMMF) 내의 각각의 송출 도파로 모드들(MP2)을 갖는 각각의 송출 광학 신호들(MMS2)로 다중화하도록 동작가능한 광학 모드 다중화기(MM')를 포함하고,
    상기 광학 모드 역다중화기(MD')는 상기 인입 도파로 모드들(MP1)의 전계 패턴들에 대응하도록 동작가능한 승법 패턴들을 갖는 각각의 제 1 광학 공간 변조기들(PM)을 포함하고,
    상기 광학 모드 다중화기(MM')는 상기 송출 도파로 모드들(MP2)의 전계 패턴들에 대응하도록 동작가능한 승법 패턴들을 갖는 각각의 제 2 광학 공간 변조기들(PM)을 포함하고,
    상기 광학 모드 역다중화기(MD') 및 상기 광학 모드 다중화기(MM')는,
    - 제로인 방위각 차수로 이루어진 각각의 제 1 인입 도파로 모드(LP01)를 갖는 제 1 인입 광학 신호가, 제로인 방위각 차수로 이루어진 각각의 제 1 송출 도파로 모드(LP02)를 갖는 제 1 송출 광학 신호를 반드시 초래하도록, 그리고,
    ○ 동일한 방위각 차수가 제로보다 크고,
    ○ 방사 차수가 동일하고,
    ○ 서로 직교하는,
    각각의 제 2 인입 도파로 모드들(LP11a, LP11b)을 갖는 2개의 제 2 인입 광학 신호들이,
    ○ 동일한 방위각 차수가 제로보다 크고,
    ○ 방사 차수가 동일하고,
    ○ 서로 직교하는,
    각각의 제 2 송출 도파로 모드들(LP21a, LP21b)을 갖는 각각의 제 2 송출 신호들을 반드시 초래하도록 동작가능하고,
    상기 제 2 인입 도파로 모드들(MP1)의 상기 동일한 방위각 차수는 상기 제 2 송출 도파로 모드들(MP2)의 상기 동일한 방위각 차수와 상이하고,
    상기 제 1 인입 도파로 모드(LP01)는 상기 제 1 송출 도파로 모드(LP02)의 방사 차수와 상이한 방사 차수를 갖는, 광학 데이터 송신 디바이스.
11. 제 10 항에 있어서,
    상기 광학 공간 변조기들(PM)은 위상-마스크들 및/또는 진폭-마스크들인, 광학 데이터 송신 디바이스.
12. 제 11 항에 있어서,
    상기 광학 모드 다중화기(MM') 및 상기 광학 모드 역다중화기(MD')는 각각의 4f-상관기들을 포함하고,
    상기 광학 공간 변조기들(PM)은 상기 인입 도파로 모드 및 상기 송출 도파로 모드(MP1, MP2)의 전계 패턴들에 대응하도록 동작가능한 승법 위상 패턴들을 갖는 위상-마스크들인, 광학 데이터 송신 디바이스.
13. 제 12 항에 있어서,
    상기 위상-마스크들은 프로그래밍가능한 실리콘 액정 표시 장치들인, 광학 데이터 송신 디바이스.
14. 제 13 항에 있어서,
    상기 위상-마스크들은 고정 모드-선택적 위상 마스크들인, 광학 데이터 송신 디바이스.

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