Optical mode demultiplexing based on fiber-twist induced image rotation

Recently, our increasingly information-driven society and economy compelled the optical community to seriously take into consideration the hypothesis of mode-division multiplexing (MDM) using multimode fibers (MMF). Many studies tackled the issues rising from the coupling mechanisms and the crosstalk between different spatially-overlapping modes propagating along the same fiber. In many applications, multiple-input multiple-output (MIMO) digital signal processing (DSP) is adopted to compensate the effects of modal impairments. In other applications, more sensitive to latency, delay and power consumption issues, new approaches of all-optical multiplexing/demultiplexing systems have to be considered in order to avoid MIMO processing. In the present thesis work, different types of such electronics-free MDM systems are investigated. Our implementation profits from the orthogonality between modes carrying a precise value of orbital angular momentum (OAM): such modes are usually referred to as Laguerre-Gaussian (LG) modes and the OAM is denoted by the azimuthal parameter l. Both free space systems and fiber-equipped systems exploiting the fiber-twist induced image rotation on OAM modes have been tested. The image rotation, indeed, induces a phase shift on the complex envelope of the field proportional to the OAM value (denoted by l) carried by the mode itself. A first attempt of realization of an all-optical mode demultiplexer system, carried out during this work, is a free-space implementation of the system able to separate LG modes with odd and even orbital components. It is performed on LG00 and LG01 modes by using Keplerian and Galilean beam expanders, exploiting the property of the former to induce image inversion. Recently, a very innovative way to induce image rotation has been found to be twisting the fiber. The main purpose of the present work is, indeed, to exploit the twist-induced effect on OAM modes to implement a proper all-optical mode demultiplexing system. The experimental verifications show the feasibility of such innovative system.

Oggigiorno, la sempre crescente richiesta di capacità di informazione della rete costringe il settore delle comunicazioni ottiche ad un ulteriore sforzo. L'attenzione è quindi ricaduta sulla multiplazione di modo tramite l'utilizzo di fibre multimodo. Recenti studi hanno dunque cercato di individuare le soluzioni per contrastare i meccanismi di accoppiamento e di diafonia tra i diversi modi sovrapposti. In alcune applicazioni, l'effetto dell'accoppiamento tra i modi può essere compensato da un'elaborazione numerica dei segnali di tipo entrate multiple e uscite multiple. In altro tipo di applicazioni, dove le problematiche di latenza, ritardo e consumo di potenza diventano cruciali, è necessaria invece un'implementazione tutto-ottica del sistema di multiplazione. L'obiettivo principale del presente lavoro di tesi è infatti quello di studiare la realizzabilità di tali sistemi, proponendone infine un'originale soluzione in fibra ottica. I sistemi investigati sfruttano l'ortogonalità tra specifici modi di propagazione della luce, generalmente identificati come modi di Laguerre-Gauss (LG), in grado di trasportare un ben preciso valore di momento angolare orbitale, individuato dal parametro azimutale l. Tali sistemi sfruttano infatti la dipendenza dall'indice l della variazione di fase del campo complesso indotta da una rotazione del fascio. Una prima realizzazione in spazio libero consiste in un sistema ottico di demultiplazione in grado di separare modi con l pari e dispari. L'esperimento è condotto sui modi LG00 ed LG01 tramite l'utilizzo di espansori di fascio Kepleriani e Galileiani, data la capacità dei primi di indurre inversione di immagine. Ancora più promettente è invece la rotazione d'immagine ottenibile tramite torsione della fibra. Il risultato principale ottenuto in questo lavoro di tesi consiste infatti nell'aver realizzato un sistema tutto-ottico in grado di demultiplare modi aventi diverso indice l sfruttando l'effetto indotto dalla torsione della fibra sulla fase del campo. Le verifiche sperimentali ne mostrano l'effettiva realizzabilità.