DE102022001806B4

DE102022001806B4 - Optical multiplexer for optical data transmission using optical signals via a multimode fiber connected to the multiplexer in conjunction with a demodulator

Info

Publication number: DE102022001806B4
Application number: DE102022001806.3A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Büttner; Steffen Weissmantel
Original assignee: Hochschule Mittweida FH
Current assignee: Hochschule Mittweida FH
Priority date: 2022-05-14
Filing date: 2022-05-14
Publication date: 2024-10-31
Anticipated expiration: 2042-05-15
Also published as: DE102022001806A1

Abstract

Optischer Multiplexer zur optischen Datenübertragung mittels optischer Signale über eine mit dem Multiplexer verbundene Multimodefaser (6),
- wobei in einem Gehäuse (1) Laserdioden (3) und in den Ausbreitungsrichtungen der elektromagnetischen Strahlungen (7) der Laserdioden (3) nacheinander und beabstandet zueinander Linsen (4) zur Kollimation der elektromagnetischen Strahlungen (7) der Laserdioden (3), gabelförmige Gitter (5) zur Modulation der Bahndrehimpulse der elektromagnetischen Strahlungen (7) und ein Ende der Multimodefaser (6) angeordnet sind, so dass die Anzahl und die Positionen der Laserdioden (3), der Linsen (4) und der gabelförmigen Gitter (5) gleich sind,
- wobei die Linsen (4) und die gabelförmigen Gitter (5) so ausgebildet sind, dass die elektromagnetischen Strahlungen (7) der Laserdioden (3) auf das Ende der Multimodefaser (6) gelangen, welche ein Übertragungskanal der modulierten elektromagnetischen Strahlungen (7) der Laserdioden (3) ist, und
- wobei der optische Multiplexer zur optischen Datenübertragung über die Multimodefaser (6) mit einem Demodulator verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Demodulator nach dem Ende der Multimodefaser (6) im Strahlengang der elektromagnetischen Strahlung (7) ein Separationsgitter oder einen abbildenden Integrator mit ersten Linsen und zweiten Linsen zur Ausbildung von Teilstrahlen (7a, 7b) besitzt und dass in den Strahlengängen der Teilstrahlen (7a, 7b) jeweils ein Gitter (8) und Photodioden (9) angeordnet sind.

Optical multiplexer for optical data transmission by means of optical signals via a multimode fiber (6) connected to the multiplexer,
- wherein laser diodes (3) are arranged in a housing (1) and lenses (4) for collimating the electromagnetic radiation (7) of the laser diodes (3), fork-shaped gratings (5) for modulating the orbital angular momentum of the electromagnetic radiation (7) and one end of the multimode fiber (6) are arranged one after the other and at a distance from one another in the propagation directions of the electromagnetic radiation (7) of the laser diodes (3), so that the number and positions of the laser diodes (3), the lenses (4) and the fork-shaped gratings (5) are the same,
- wherein the lenses (4) and the forked gratings (5) are designed such that the electromagnetic radiation (7) of the laser diodes (3) reaches the end of the multimode fiber (6), which is a transmission channel of the modulated electromagnetic radiation (7) of the laser diodes (3), and
- wherein the optical multiplexer is connected to a demodulator for optical data transmission via the multimode fiber (6), characterized in that the demodulator has a separation grating or an imaging integrator with first lenses and second lenses for forming partial beams (7a, 7b) after the end of the multimode fiber (6) in the beam path of the electromagnetic radiation (7), and that a grating (8) and photodiodes (9) are arranged in each of the beam paths of the partial beams (7a, 7b).

Description

Die Erfindung betrifft optische Multiplexer zur optischen Datenübertragung mittels optischer Signale über eine mit dem Multiplexer verbundene Multimodefaser in Verbindung mit einem Demodulator .The invention relates to optical multiplexers for optical data transmission by means of optical signals via a multimode fiber connected to the multiplexer in conjunction with a demodulator.

Durch die Druckschrift sind quantenmechanische Grundlagen für eine Wechselwirkung von OAM mit Materie und Anwendungen in Festkörpern, Biowissenschaften und Quantencomputern bekannt, wobei ein System mit räumlichen Lichtmodulatoren verwendet wird, um ebene Eingangswellen in Moden unterschiedlicher Ordnung umzuwandeln, wobei jede Mode einen unabhängigen Datenkanal trägt. Die Modi werden unter Verwendung eines Multiplexers über eine Freiraumverbindung übertragen. Mittels Demultiplexer werden die Modi empfangen. Multiplexer und Demultiplexer an sich sind nicht offenbart.The publication discloses quantum mechanical principles for an interaction of OAM with matter and applications in solid states, life sciences and quantum computers, where a system with spatial light modulators is used to convert plane input waves into modes of different orders, where each mode carries an independent data channel. The modes are transmitted over a free-space connection using a multiplexer. The modes are received using a demultiplexer. Multiplexers and demultiplexers per se are not disclosed.

Die Druckschrift US 2020 / 0 356 890 A1 bezieht sich auf eine auf dem Bahndrehimpuls basierenden Kommunikation und insbesondere auf das engere Fokussierung eines Strahls, der unter Verwendung von Bahndrehimpulssignalen verarbeitet wurde. Dazu wird ein optischer Multiplexer zur optischen Datenübertragung mittels optischer Signale über eine mit dem Multiplexer verbundene Multimodefaser verwendet. Dazu sind nacheinander ein Laser und mehrere Faserkollimatoren angeordnet. Zur Erzeugung der datenfähigen Bahndrehimpulse und somit zu deren Modulation können Spiralphasenplatten oder kann ein gabelförmiges Gitter eingesetzt werden. Das Licht des Lasers wird per Splitter auf die Datenkanäle aufgeteilt. Ein in Gegenrichtung als Multiplexer verwendbarer Demultiplexer weist eine Linse und zwei Korrektoren zum Multiplexen der Signale auf.The publication US 2020 / 0 356 890 A1 refers to communication based on orbital angular momentum and in particular to the closer focusing of a beam that has been processed using orbital angular momentum signals. For this purpose, an optical multiplexer is used for optical data transmission using optical signals via a multimode fiber connected to the multiplexer. For this purpose, a laser and several fiber collimators are arranged one after the other. Spiral phase plates or a forked grating can be used to generate the data-capable orbital angular momentum and thus to modulate it. The light from the laser is split into the data channels using a splitter. A demultiplexer that can be used in the opposite direction as a multiplexer has a lens and two correctors for multiplexing the signals.

Die Druckschrift US 2016 / 0 161 685 A1 offenbart einen mehrkanaligen Transceiver mit einem Laserarray und einer integrierten photonischen Schaltung. Ein Linsenarray fokussiert die optischen Signale eines Arrays mit Laserdioden. Dadurch können Laserdioden mit geringerer Leistung eingesetzt werden.The publication US 2016 / 0 161 685 A1 discloses a multi-channel transceiver with a laser array and an integrated photonic circuit. A lens array focuses the optical signals of an array of laser diodes. This allows the use of laser diodes with lower power.

Durch die Druckschrift US 2021 / 0 142 205 A1 ist ein Quantencomputersystem, welches einen Eingangsport zum Empfangen eines modulierten Datenstroms umfasst. Zur Erzeugung der datenfähigen Bahndrehimpulse und somit zu deren Modulation können gabelförmige Gitter eingesetzt werden, welche als integriertes Array ausgebildet sein können. Das betrifft auch die Linsen zur Kollimation, welche als ein plattenförmiges Linsenarray ausgebildet sein können.Through the print US 2021 / 0 142 205 A1 is a quantum computer system that includes an input port for receiving a modulated data stream. Fork-shaped gratings can be used to generate the data-capable orbital angular momenta and thus to modulate them. These gratings can be designed as an integrated array. This also applies to the lenses for collimation, which can be designed as a plate-shaped lens array.

Die Druckschrift BÜTTNER, Sebastian; PFEIFER, Michael; WEIßMANTEL, Steffen: Herstellung von Mikrostrukturen zur Beeinflussung des Bahndrehimpulses elektromagnetischer Strahlung. In: Scientific Reports, 12. Mittweidaer Lasertagung, Vol. 3, 2021, S. 27-29. - ISSN 1437-7624 beinhaltet Methoden zur Erzeugung von Spiralphasenplatten (SPPs) und Fork-Gitter (FGs), welche durch ihre spezielle Geometrie die Phase und damit auch den Bahndrehimpuls in ganz bestimmter Weise beeinflussen. Dadurch sind diese zur Modulation des Bahndrehimpulses elektromagnetischer Strahlung nutzbar.The publication BÜTTNER, Sebastian; PFEIFER, Michael; WEIßMANTEL, Steffen: Production of microstructures to influence the orbital angular momentum of electromagnetic radiation. In: Scientific Reports, 12th Mittweida Laser Conference, Vol. 3, 2021, pp. 27-29. - ISSN 1437-7624 includes methods for generating spiral phase plates (SPPs) and fork gratings (FGs), which, due to their special geometry, influence the phase and thus also the orbital angular momentum in a very specific way. This makes them usable for modulating the orbital angular momentum of electromagnetic radiation.

Die Druckschrift BÜTTNER, S.; PFEIFER, M.; WEIßMANTEL, S.: Mikrooptiken für die Datenübertragung, In: Lasermagazin, Vol. 4, 2020, S. 30-31 beinhaltet Verfahren zur Herstellung von Mikro-Fresnel-Linsen, Spiralphasenplatten und Gitterstrukturen als Komponenten zur optischen Datenübertragung.The publication BÜTTNER, S.; PFEIFER, M.; WEIßMANTEL, S.: Micro-optics for data transmission, In: Lasermagazin, Vol. 4, 2020, pp. 30-31 includes processes for the production of micro-Fresnel lenses, spiral phase plates and grating structures as components for optical data transmission.

Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kapazität optischer Übertragungskanäle zu erhöhen.The invention specified in claim 1 is based on the object of increasing the capacity of optical transmission channels.

Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.This object is achieved with the features listed in patent claim 1.

Die optischen Multiplexer zur optischen Datenübertragung mittels optischer Signale über eine mit dem Multiplexer verbundene Multimodefaser in Verbindung mit einem Demodulator zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass die Kapazität optischer Übertragungskanäle erhöht ist.The optical multiplexers for optical data transmission by means of optical signals via a multimode fiber connected to the multiplexer in conjunction with a demodulator are characterized in particular by the fact that the capacity of optical transmission channels is increased.

Dazu sind in einem Gehäuse des optischen Multiplexers Laserdioden und in den Ausbreitungsrichtungen der elektromagnetischen Strahlungen der Laserdioden nacheinander und beabstandet zueinander Linsen zur Kollimation der elektromagnetischen Strahlungen der Laserdioden, gabelförmige Gitter zur Modulation der Bahndrehimpulse der elektromagnetischen Strahlungen und ein Ende der Multimodefaser angeordnet. Dabei sind die Anzahl und die Positionen der Laserdioden, der Linsen und der gabelförmigen Gitter gleich. Weiterhin sind die Linsen und die gabelförmigen Gitter so ausgebildet, dass die elektromagnetischen Strahlungen der Laserdioden auf das Ende der Multimodefaser als Übertragungskanal der modulierten elektromagnetischen Strahlungen der Laserdioden gelangen. Der optische Multiplexer ist zur optischen Datenübertragung über die Multimodefaser mit dem Demodulator verbunden. Der Demodulator besitzt nach dem Ende der Multimodefaser im Strahlengang der elektromagnetischen Strahlung ein Separationsgitter oder einen abbildenden Integrator mit ersten Linsen und zweiten Linsen zur Ausbildung von Teilstrahlen. Weiterhin sind in den Strahlengängen der Teilstrahlen jeweils ein Gitter und Photodioden angeordnet.For this purpose, laser diodes are arranged in a housing of the optical multiplexer and, in the propagation directions of the electromagnetic radiation of the laser diodes, lenses for collimating the electromagnetic radiation of the laser diodes, fork-shaped gratings for modulating the orbital angular momentum of the electromagnetic radiation and one end of the multimode fiber are arranged one after the other and at a distance from one another. The number and positions of the laser diodes, the lenses and the fork-shaped gratings are the same. Furthermore, the lenses and the fork-shaped gratings are designed in such a way that the electromagnetic radiation of the laser diodes reaches the end of the multimode fiber as a transmission channel for the modulated electromagnetic radiation of the laser diodes. The optical multiplexer is connected to the demodulator for optical data transmission via the multimode fiber. After the end of the multimode fiber in the beam path of the electromagnetic radiation, the demodulator has a separation grating or an imaging integrator with first lenses and second lenses for forming partial beams. Furthermore, A grating and photodiodes are arranged in the beam paths of the partial beams.

Der optische Multiplexer eignet sich vorteilhafterweise für die Modulation des Bahndrehimpulses elektromagnetischer Strahlung und der Kopplung der modulierten Signale in einen Übertragungskanal. Der Multiplexer wird durch die Anordnung der den Bahndrehimpuls modulierenden Mikrooptiken bestimmt.The optical multiplexer is advantageously suitable for modulating the orbital angular momentum of electromagnetic radiation and coupling the modulated signals into a transmission channel. The multiplexer is determined by the arrangement of the micro-optics that modulate the orbital angular momentum.

Die Entwicklung der optischen Datenübertragung ist die Bewältigung der steigenden anfallenden Datenmengen und die immer höheren Datenraten charakterisiert. Dafür werden Eigenschaften elektromagnetischer Strahlung genutzt, um Kommunikationskanäle zu separieren. Dennoch ist die Kapazität optischer Übertragungskanäle begrenzt. Ein Ansatz um die Kapazität zu erhöhen, stellt die Nutzung des Bahndrehimpulses dar. Bei dem OAM- (Orbital Angular Momentum) Multiplexing wird einem elektromagnetischen Feld durch eine gezielte Phasenmodulation ein orbitaler Drehimpuls aufgeprägt. Diese Eigenschaft ist eindeutig und kann zur Separation einzelner Kanäle genutzt werden. Der Bahndrehimpuls kann als ein weiterer Freiheitsgrad bei der Kodierung von Signalen und somit als Ergänzung zum Wellenlängen- und Polarisations-Multiplexing betrachtet werden und vervielfacht die Bandbreite eines Kanals.The development of optical data transmission is characterized by the ability to cope with the increasing amounts of data and the ever higher data rates. For this purpose, properties of electromagnetic radiation are used to separate communication channels. Nevertheless, the capacity of optical transmission channels is limited. One approach to increasing capacity is the use of orbital angular momentum. In OAM (Orbital Angular Momentum) multiplexing, an orbital angular momentum is imposed on an electromagnetic field by targeted phase modulation. This property is unique and can be used to separate individual channels. Orbital angular momentum can be viewed as a further degree of freedom in the coding of signals and thus as a supplement to wavelength and polarization multiplexing, and multiplies the bandwidth of a channel.

Eine helikale Phasenverteilung und damit die Möglichkeit die Phase zu modulieren, bieten gabelförmige Gitter auch Fork-Gitter genannt. Dieser spezielle Typ optischer Gitter weist eine Phasensingularität auf, welche durch eine periodische Modulation der Summe einer helikalen Phase und einer Keilphase entsteht. Mittels der gabelförmigen Gitter entstehen im Beugungsbild die für ein Gitter typischen Beugungsordnungen in zwei Richtungen. Dass aus der Beugung einer ebenen elektromagnetischen Welle an einem derartig geformten Gitter eine Welle mit helikaler Phasenverteilung resultiert, kann auch anschaulicher mit der Änderung der lokalen Gitterperiode erklärt werden. In der Regel entstehen bei der Beugung am Gitter mehrere Beugungsordnungen. Neben der Abstrahlrichtung verhält sich weiterhin auch der Bahndrehimpuls der jeweiligen Beugungsordnung entgegengesetzt. Dies kann auf den allgemein gültigen Impulserhaltungssatz zurückgeführt werden. Darüber hinaus weisen höhere Beugungsordnungen auch höhere Bahndrehimpulse auf.Fork-shaped gratings, also known as fork gratings, offer a helical phase distribution and thus the possibility of modulating the phase. This special type of optical grating has a phase singularity, which is created by a periodic modulation of the sum of a helical phase and a wedge phase. The fork-shaped gratings create the diffraction orders typical for a grating in two directions in the diffraction pattern. The fact that the diffraction of a plane electromagnetic wave on a grating shaped in this way results in a wave with a helical phase distribution can also be explained more clearly by the change in the local grating period. As a rule, several diffraction orders arise when diffraction occurs on a grating. In addition to the direction of radiation, the orbital angular momentum also behaves in the opposite direction to the respective diffraction order. This can be attributed to the generally valid law of conservation of momentum. In addition, higher diffraction orders also have higher orbital angular momenta.

Für die Nutzung von gabelförmigen Gittern ist es erforderlich, dass in derartigen Modulen sogenannte Bazed-Fork-Gitter zum Einsatz kommen. Damit wird nahezu die gesamte Intensität in eine Ordnung gebeugt. Das verhindert ein Übersprechen auf andere Kanäle, was nicht auszuschließen ist, insbesondere wenn die Anordnung der gabelförmigen Gitter linear ist. Anders als in Reflexion ist in Transmission keine Abschattungseffekte zu erwarten, wodurch mit einer hohen Beugungseffizienz zu rechnen ist. Dennoch muss von einer Beugungseffizienz von kleiner 100 % ausgegangen werden, da sich minimale Formabweichungen der Strukturen auf diese auswirken und derartig perfekte optische Elemente nicht herstellbar sind. Die einfachste Anordnung für einen 2x-Multiplexer besteht aus zwei gabelförmigen Gittern gleicher topologischer Ladung und Ausrichtung aber entgegengesetzter Keilphase. Letztere bestimmt, in welche Richtung die Hauptordnung entsteht. Dies führt zur Überlagerung der +1. und der -1. Beugungsordnung der beiden Gitter. Die Beugungsordnungen weisen aufgrund der gleichen Ausrichtung der Gitter entgegengesetzte Bahndrehimpulse auf, wodurch die Signale schlussendlich voneinander unterscheidbar sind.In order to use forked gratings, it is necessary that so-called Bazed-Fork gratings are used in such modules. This means that almost all of the intensity is diffracted into one order. This prevents crosstalk to other channels, which cannot be ruled out, especially if the arrangement of the forked gratings is linear. Unlike in reflection, no shadowing effects are to be expected in transmission, which means that a high diffraction efficiency can be expected. Nevertheless, a diffraction efficiency of less than 100% must be assumed, since minimal deviations in the shape of the structures affect them and such perfect optical elements cannot be manufactured. The simplest arrangement for a 2x multiplexer consists of two forked gratings with the same topological charge and orientation but opposite wedge phases. The latter determines in which direction the main order arises. This leads to the superposition of the +1st and -1st diffraction orders of the two gratings. Due to the same orientation of the gratings, the diffraction orders have opposite orbital angular momenta, which ultimately makes the signals distinguishable from each other.

Die Bestimmung der Gitter selbst hängt maßgeblich von den Faktoren Wellenlänge, Gitterperiode und lateraler Abstand vom Überlagerungsort oder von der optischen Achse des transmittierenden Systems ab. Mit dessen Berücksichtigung sind mehrere Größen bestimmt, was die Größe und die Anordnung der Strukturen limitiert. Ausgehend vom einem faserbasiertem Übertragungssystem, kann angenommen werden, dass nur Strahlung mit einem Akzeptanzwinkel in die Multimodefaser eingekoppelt wird und in dieser geleitet werden kann. Der Akzeptanzwinkel, welcher sich aus den unterschiedlichen Brechzahlen von Kern und dem Mantel der Multimodefaser bestimmt, limitiert damit den maximalen Beugungswinkel, mit dem Strahlung über ein Gitter in die Multimodefaser eingekoppelt werden kann. Der erforderliche Beugungswinkel der gabelförmigen Gitter hängt außerdem vom Abstand des Modulationsortes und des Überlagerungsortes ab. Mit diesen Größen kann die Anordnung der gabelförmigen Gitter ermittelt werden. Möglich sind dabei lineare Anordnungen, kreisförmige Anordnungen oder Kombinationen dieser Anordnungen.The determination of the gratings themselves depends largely on the factors of wavelength, grating period and lateral distance from the superposition location or from the optical axis of the transmitting system. Taking this into account, several variables are determined, which limits the size and arrangement of the structures. Based on a fiber-based transmission system, it can be assumed that only radiation with an acceptance angle is coupled into the multimode fiber and can be guided in it. The acceptance angle, which is determined by the different refractive indices of the core and the cladding of the multimode fiber, thus limits the maximum diffraction angle with which radiation can be coupled into the multimode fiber via a grating. The required diffraction angle of the forked gratings also depends on the distance between the modulation location and the superposition location. These variables can be used to determine the arrangement of the forked gratings. Linear arrangements, circular arrangements or combinations of these arrangements are possible.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den folgenden Weiterbildungen und Ausführungsformen aufgeführt. Diese können die optischen Multiplexer zur optischen Datenübertragung mittels optischer Signale über eine mit dem Multiplexer verbundene Multimodefaser einzeln oder in einer Kombination fortbilden.Advantageous embodiments of the invention are set out in the following developments and embodiments. These can develop the optical multiplexers for optical data transmission using optical signals via a multimode fiber connected to the multiplexer individually or in combination.

Die Laserdioden befinden sich in einer Ausführungsform auf einem Träger mit Leiterbahnen. Mittels der Leiterbahnen sind die Laserdioden mit Daten liefernden Einrichtungen verbindbar. Dazu können Bereiche der Leiterbahnen gleichzeitig elektrische Kontakte sein. Der Träger kann sich im Gehäuse befinden oder ein Bestandteil des Gehäuses sein.In one embodiment, the laser diodes are located on a carrier with conductor tracks. The laser diodes can be connected to data-supplying devices using the conductor tracks. For this purpose, areas of the conductor tracks can also be electrical contacts. The carrier can be located in the housing or be a component of the housing.

Die gabelförmigen Gitter sind in einer Ausführungsform in Reihe, in einem Rechteck, in einem Kreis oder in konzentrischen Kreisen angeordnet.In one embodiment, the forked grids are arranged in a row, in a rectangle, in a circle or in concentric circles.

Die gabelförmigen Gitter sind in einer Ausführungsform als eine Platte ausgebildet. Das können insbesondere mikrostrukturierte Platten mit diesen gabelförmigen Gitter sein.In one embodiment, the fork-shaped grids are designed as a plate. These can in particular be microstructured plates with these fork-shaped grids.

Die Linsen zur Kollimation sind in einer Ausführungsform als ein plattenförmiges Linsenarray ausgebildet. Das können insbesondere mikrostrukturierte Platten mit diesen Linsen als Linsenarray sein.In one embodiment, the lenses for collimation are designed as a plate-shaped lens array. In particular, these can be microstructured plates with these lenses as a lens array.

Der Demodulator nach dem Ende der Multimodefaser im Strahlengang der elektromagnetischen Strahlung besitzt das Separationsgitter oder den abbildenden Integrator mit ersten Linsen und zweiten Linsen zur Ausbildung von Teilstrahlen. Weiterhin sind dabei in den Strahlengängen der Teilstrahlen jeweils das Gitter und Photodioden angeordnet. Das Separationsgitter kann insbesondere ein Kreuzgitter sein.The demodulator after the end of the multimode fiber in the beam path of the electromagnetic radiation has the separation grating or the imaging integrator with first lenses and second lenses for forming partial beams. Furthermore, the grating and photodiodes are arranged in the beam paths of the partial beams. The separation grating can in particular be a cross grating.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen jeweils prinzipiell dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.An embodiment of the invention is shown in principle in the drawings and is described in more detail below.

Es zeigen:

1 ein optischer Multiplexer zur optischen Datenübertragung mittels optischer Signale über eine mit dem Multiplexer verbundene Multimodefaser,
2 gabelförmige Gitter zur Modulation der Bahndrehimpulse der elektromagnetischen Strahlungen,
3 eine 16x Multiplexing-Anordnung mit einer quadratischen Anordnung von gabelförmigen Gittern,
4 eine 8x Multiplexing-Anordnung mit einer kreisförmigen Anordnung von gabelförmigen Gittern,
5 eine Anordnung zur Signaldemodulation mittels binärer gabelförmiger Gitter und
6 eine Anordnung zur Signaldemodulation mittels Strahlteiler und binären gabelförmigen Gittern.

They show:

1 an optical multiplexer for optical data transmission using optical signals via a multimode fiber connected to the multiplexer,
2 fork-shaped gratings for modulating the orbital angular momentum of electromagnetic radiation,
3 a 16x multiplexing arrangement with a square arrangement of forked grids,
4 an 8x multiplexing arrangement with a circular arrangement of forked grids,
5 an arrangement for signal demodulation using binary forked gratings and
6 an arrangement for signal demodulation using beam splitters and binary forked gratings.

Ein optischer Multiplexer zur optischen Datenübertragung mittels optischer Signale über eine mit dem Multiplexer verbundene Multimodefaser 6 besteht im Wesentlichen aus einem Gehäuse 1, Laserdioden 3, Linsen 4 zur Kollimation, gabelförmigen Gittern 5 zur Modulation und der Multimodefaser 6.An optical multiplexer for optical data transmission by means of optical signals via a multimode fiber 6 connected to the multiplexer essentially consists of a housing 1, laser diodes 3, lenses 4 for collimation, fork-shaped gratings 5 for modulation and the multimode fiber 6.

Die 1 zeigt einen optischen Multiplexer zur optischen Datenübertragung mittels optischer Signale über eine mit dem Multiplexer verbundene Multimodefaser 6 in einer prinzipiellen Darstellung.The 1 shows an optical multiplexer for optical data transmission by means of optical signals via a multimode fiber 6 connected to the multiplexer in a basic representation.

Die Laserdioden 3 sind auf einem Träger 2 mit Leiterbahnen angeordnet. Der Träger 2 kann gleichzeitig ein Bestandteil des Gehäuses 1 sein. Im Gehäuse sind in den Ausbreitungsrichtungen der elektromagnetischen Strahlungen 7 der Laserdioden 3 nacheinander und beabstandet zueinander die Linsen 4 zur Kollimation der elektromagnetischen Strahlungen 7 der Laserdioden 3, die gabelförmigen Gitter 5 zur Modulation der Bahndrehimpulse der elektromagnetischen Strahlungen 7 und ein Ende der Multimodefaser 6 angeordnet. Die Linsen 4 zur Kollimation sind dazu als ein plattenförmiges Linsenarray 4 insbesondere in Form eines Mikrolinsenarrays ausgebildet. Die Anzahl und die Positionen der Laserdioden 3, der Linsen 4 und der gabelförmigen Gitter 5 sind gleich. Weiterhin sind die Linsen 4 und die gabelförmigen Gitter 5 so ausgebildet, dass die elektromagnetischen Strahlungen 7 der Laserdioden 3 auf das Ende der Multimodefaser 6 als Übertragungskanal der modulierten elektromagnetischen Strahlungen 7 der Laserdioden 3 gelangen.The laser diodes 3 are arranged on a carrier 2 with conductor tracks. The carrier 2 can simultaneously be a component of the housing 1. In the housing, the lenses 4 for collimating the electromagnetic radiation 7 of the laser diodes 3, the fork-shaped gratings 5 for modulating the orbital angular momentum of the electromagnetic radiation 7 and one end of the multimode fiber 6 are arranged one after the other and spaced apart from one another in the propagation directions of the electromagnetic radiation 7 of the laser diodes 3. The lenses 4 for collimation are designed as a plate-shaped lens array 4, in particular in the form of a microlens array. The number and positions of the laser diodes 3, the lenses 4 and the fork-shaped gratings 5 are the same. Furthermore, the lenses 4 and the fork-shaped gratings 5 are designed such that the electromagnetic radiation 7 of the laser diodes 3 reaches the end of the multimode fiber 6 as a transmission channel for the modulated electromagnetic radiation 7 of the laser diodes 3.

Die 2 zeigt zwei nebeneinander angeordnete gabelförmige Gitter 5 zur Modulation der Bahndrehimpulse der elektromagnetischen Strahlungen 7 in einer prinzipiellen Darstellung.The 2 shows two fork-shaped gratings 5 arranged next to each other for modulating the orbital angular momenta of the electromagnetic radiation 7 in a basic representation.

Die gabelförmigen Gitter 5 sind als Bazed-Fork-Gitter 5 ausgebildet, so dass nahezu die gesamte Intensität in eine Ordnung gebeugt wird. Damit wird ein Übersprechen auf andere Kanäle verhindert. Die 2 zeigt die einfachste Anordnung für ein 2x Multiplexer, welcher aus zwei gabelförmigen Gittern 5 gleicher topologischer Ladung und Ausrichtung aber entgegengesetzter Keilphase. Letztere bestimmt in welche Richtung die Hauptordnung entsteht. Dies führt zur Überlagerung der +1. und der -1. The fork-shaped gratings 5 are designed as Bazed-Fork gratings 5, so that almost the entire intensity is diffracted into one order. This prevents crosstalk to other channels. The 2 shows the simplest arrangement for a 2x multiplexer, which consists of two forked grids 5 with the same topological charge and orientation but opposite wedge phase. The latter determines in which direction the main order arises. This leads to the superposition of the +1st and the -1st.

Beugungsordnung der beiden gabelförmigen Gitter 5. Die Beugungsordnungen weisen aufgrund der gleichen Ausrichtung der gabelförmigen Gitter entgegengesetzte Bahndrehimpulse auf, wodurch die Signale voneinander unterscheidbar sind.Diffraction order of the two forked gratings 5. Due to the identical orientation of the forked gratings, the diffraction orders have opposite orbital angular momenta, which makes the signals distinguishable from each other.

Die 3 zeigt eine 16x Multiplexing-Anordnung mit einer quadratischen Anordnung von gabelförmigen Gittern 5 in einer prinzipiellen Darstellung.The 3 shows a 16x multiplexing arrangement with a square arrangement of forked grids 5 in a basic representation.

Die 4 zeigt eine 8x Multiplexing-Anordnung mit einer kreisförmigen Anordnung von gabelförmigen Gittern 5 in einer prinzipiellen Darstellung.The 4 shows an 8x multiplexing arrangement with a circular arrangement of forked gratings 5 in a basic representation.

Die gabelförmigen Gitter 5 können so in Reihe, in einem Rechteck, in einem Kreis oder in konzentrischen Kreisen angeordnet sein. Weiterhin sind diese als eine Platte ausgebildet.The forked grids 5 can be arranged in a row, in a rectangle, in a circle or in concentric circles. Furthermore, these are designed as a plate.

Der optische Multiplexer zur optischen Datenübertragung ist über die Multimodefaser 6 mit einem Demodulator verbindbar und damit verbunden.The optical multiplexer for optical data transmission can be connected to a demodulator via the multimode fiber 6.

Die 5 zeigt eine Anordnung zur Signaldemodulation mittels binärer gabelförmiger Gitter 8 in einer prinzipiellen Darstellung.The 5 shows an arrangement for signal demodulation by means of binary fork-shaped gratings 8 in a basic representation.

In einer Ausführung kann der Demodulator nach dem Ende der Multimodefaser 6 im Strahlengang der elektromagnetischen Strahlung 7 ein gabelförmiges Gitter 8 und Photodioden 9 aufweisen. Für beispielsweise bis zu 8 Signalen könnte die Demodulation mit einem binären gabelförmigen Gitter 8 einer topologische Ladung von 1 erfolgen. Sind die Eingangssignale mit I = ± 1,2,3 moduliert, entstehen in den entsprechenden Beugungsordnungen des analysierenden Gitters gaußverteilte Beugungsordnungen -3, -2, -1, +1, +2, +3. Diese Ordnungen können mit Photodioden 9 unter den entsprechenden Beugungswinkeln detektiert werden.In one embodiment, the demodulator can have a fork-shaped grating 8 and photodiodes 9 after the end of the multimode fiber 6 in the beam path of the electromagnetic radiation 7. For example, for up to 8 signals, the demodulation could be carried out with a binary fork-shaped grating 8 with a topological charge of 1. If the input signals are modulated with I = ± 1,2,3, Gaussian-distributed diffraction orders -3, -2, -1, +1, +2, +3 arise in the corresponding diffraction orders of the analyzing grating. These orders can be detected with photodiodes 9 at the corresponding diffraction angles.

Die 6 zeigt eine Anordnung zur Signaldemodulation mittels Strahlteiler 10 und binären gabelförmigen Gittern 8 in einer prinzipiellen Darstellung.The 6 shows an arrangement for signal demodulation by means of beam splitters 10 and binary fork-shaped gratings 8 in a basic representation.

In einer weiteren Ausführung kann der Demodulator nach dem Ende der Multimodefaser 6 im Strahlengang der elektromagnetischen Strahlung 7 einen Strahlteiler 10 zur Ausbildung zweier Teilstrahlen 7a, 7b besitzen. In den Strahlengängen der Teilstrahlen 7a, 7b können jeweils ein gabelförmiges Gitter 8 und Photodioden 9 angeordnet sein.In a further embodiment, the demodulator can have a beam splitter 10 for forming two partial beams 7a, 7b after the end of the multimode fiber 6 in the beam path of the electromagnetic radiation 7. A fork-shaped grating 8 and photodiodes 9 can be arranged in the beam paths of the partial beams 7a, 7b.

In einer Ausführungsform kann an Stelle des Strahlteilers 10 ein Separationsgitter, beispielsweise eine Kreuzgitteranordnung oder ein abbildender Integrator mit ersten und zweiten Linsen, angeordnet sein. Mittels der Kreuzgitteranordnung kann die elektromagnetische Strahlung 7 in Unterordnungen aufgeteilt werden. Jede dieser Unterordnungen kann im Anschluss mittels eines Analysegitters demoduliert werden. Dies hat den Vorteil, dass für jeden Bahndrehimpuls ein separates Gitter verwendet wird. Ist dieses als Blaze-Gitter ausgeführt, wird die Beugungsordnung nur dann sichtbar, wenn ein entsprechend moduliertes Signal in der Summe vorhanden ist.In one embodiment, a separation grating, for example a cross grating arrangement or an imaging integrator with first and second lenses, can be arranged instead of the beam splitter 10. The cross grating arrangement can be used to divide the electromagnetic radiation 7 into suborders. Each of these suborders can then be demodulated using an analysis grating. This has the advantage that a separate grating is used for each orbital angular momentum. If this is designed as a blaze grating, the diffraction order is only visible if a correspondingly modulated signal is present in the sum.

Der Einsatz von Q-Plates an Stelle des gabelförmigen Gitters 8 ist in einer weiteren Ausführungsform eine weitere Möglichkeit, summierte Signale zu demodulieren. Mit Hilfe dieser Komponenten kann der Eigendrehimpuls, Spin und/oder Polarisation, in Bahndrehimpulse gewandelt werden. Auf Grundlage des Impulserhaltungssatzes kann davon ausgegangen werden, dass diese Wandlung reversibel ist. Damit würden bestimmte Bahndrehimpulszustände in bestimmte Eigendrehimpulszustände gewandelt. Werden die Eingangssignale in ihrem Bahndrehimpuls so moduliert, dass die Summe des Bahndrehimpulses immer einen eindeutigen Wert annimmt, so könnte durch eine Q-Plate ein eindeutiger Polarisationszustand erzeugt werden und dieser wiederum mit einer geeigneten Polarisator-Anordnung auf eine definierte Intensität zurückgeführt werden. Werden in der Summe einzelne Signale mit unterschiedlichen Bahndrehimpulsen geschalten, ändert dies den Gesamtdrehimpuls und die zu messende Intensität des Signals.The use of Q-plates instead of the fork-shaped grating 8 is another embodiment of another way of demodulating summed signals. With the help of these components, the intrinsic angular momentum, spin and/or polarization, can be converted into orbital angular momentum. Based on the law of conservation of momentum, it can be assumed that this conversion is reversible. This would convert certain orbital angular momentum states into certain intrinsic angular momentum states. If the input signals are modulated in their orbital angular momentum so that the sum of the orbital angular momentum always assumes a unique value, a unique polarization state could be generated by a Q-plate and this in turn could be returned to a defined intensity using a suitable polarizer arrangement. If individual signals with different orbital angular momentums are switched in the sum, this changes the total angular momentum and the intensity of the signal to be measured.

Claims

Optical multiplexer for optical data transmission by means of optical signals via a multimode fiber (6) connected to the multiplexer, - wherein laser diodes (3) are arranged in a housing (1) and, in the propagation directions of the electromagnetic radiation (7) of the laser diodes (3), lenses (4) for collimating the electromagnetic radiation (7) of the laser diodes (3), fork-shaped gratings (5) for modulating the orbital angular momentum of the electromagnetic radiation (7) and one end of the multimode fiber (6) are arranged one after the other and at a distance from one another, so that the number and positions of the laser diodes (3), the lenses (4) and the fork-shaped gratings (5) are the same, - wherein the lenses (4) and the fork-shaped gratings (5) are designed such that the electromagnetic radiation (7) of the laser diodes (3) reaches the end of the multimode fiber (6), which is a transmission channel for the modulated electromagnetic radiation (7) of the laser diodes (3), and - wherein the optical multiplexer for optical data transmission via the multimode fiber (6) is connected to a demodulator, characterized in that the demodulator has a separation grating or an imaging integrator with first lenses and second lenses for forming partial beams (7a, 7b) after the end of the multimode fiber (6) in the beam path of the electromagnetic radiation (7), and that a grating (8) and photodiodes (9) are arranged in each of the beam paths of the partial beams (7a, 7b).

Optical multiplexer according to patent claim 1 , characterized in that the laser diodes (3) are located on a carrier (2) with conductor tracks.

Optical multiplexer according to patent claim 1 , characterized in that the fork-shaped grids (5) are arranged in a row, in a rectangle, in a circle or in concentric circles.

Optical multiplexer according to patent claim 1 , characterized in that the fork-shaped grids (5) are designed as a plate.