ITMO
en/ en

ISSN: 1023-5086

en/

ISSN: 1023-5086

Научно-технический

Оптический журнал

Полнотекстовый перевод журнала на английский язык издаётся Optica Publishing Group (ранее OSA) под названием “Journal of Optical Technology“

Подача статьи Подать статью
Больше информации Назад

DOI: 10.17586/1023-5086-2023-90-10-13-23

УДК: 621.391.64

Использование голографических методов передачи изображений по многомодовому оптическому волокну для повышения пропускной способности волоконно-оптических линий связи

Ссылка для цитирования:

Тимофеев А.Л., Султанов А.Х., Мешков И.К., Гизатулин А.Р. Использование голографических методов передачи изображений по многомодовому оптическому волокну для повышения пропускной способности волоконно­-оптических линий связи // Оптический журнал. 2023. Т. 90. № 10. С. 13–23. http://doi.org/10.17586/1023­-5086­-2023­-90­-10-­13­-23

 

Ссылка на англоязычную версию:
-
Аннотация:

Предмет исследования. Исследовалась возможность передачи цифровой информации в виде голограммы по многомодовому волокну. Цель работы. Повышение скорости передачи по многомодовому волокну цифровой информации в виде изображений путём обеспечения более высокой устойчивости к модовой дисперсии. Метод. Для передачи цифровой информации по многомодовому волокну передаваемому цифровому блоку ставится в соответствие цифровая голограмма, для построения которой используется представление входного цифрового блока координатами светящейся точки на плоскости. Голограмма такого объекта — зонная пластинка Френеля с координатами центра, определяемыми входным блоком данных. Изображение голограммы передаётся в многомодовом режиме. Для восстановления значения исходного массива на приёмной стороне голограмму, полученную на выходе волокна, необходимо подвергнуть обратному преобразованию. Это можно сделать оптическим способом, создавая интерференционную картину в плоскости фотоприёмной матрицы и определяя координаты наиболее яркой точки. Цифровой способ восстановления исходного блока данных — путём обработки фиксируемого фотоприёмной матрицей изображения принятой голограммы. Основные результаты. Показано, что методы передачи изображений по многомодовому волокну могут быть использованы для передачи произвольной цифровой информации. Проблема модовой дисперсии и других видов искажений, возникающих при передаче по волокну, решается путём использования голограммы вместо изображения. Практическая значимость. При передаче информации в виде голограммы размером 32х32 за один такт передаётся от 10 до 40 бит. Это означает увеличение скорости передачи информации по многомодовому волокну в 10–40 раз по сравнению с одномодовой передачей.

Ключевые слова:

передача изображений, многомодовое волокно, цифровая голография, модовая дисперсия

Коды OCIS: 060.0060, 090.0090, 060.2330

Список источников:
  1. Lidia Galdino L., Edwards A., Yi W., Sillekens E., Wakayama Y., Gerard T., Pelouch W.S., Barnes S., Tsuritani T., Killey R.I., Lavery D., Bayvel P. Optical fibre capacity optimisation via continuous bandwidth amplification and geometric shaping // IEEE Photonics Technology Letters. 2020. V. 32. № 17. P. 1021–1024. https://doi.org/ 10.1109/LPT.2020.3007591
  2. Григорьева Е.Е., Семенов А.Т. Волноводная передача изображений в когерентном свете (обзор) // Квантовая электроника. 1978. Т. 5. № 9. С. 1877–1895.
  3. Richardson D.J., Fini J.M., Nelson L.E. Space­division multiplexing in optical fibres // Nature Photonics. 2013. V. 7. № 5. P. 354–362. https://doi.org/ 10.1038/nphoton.2013.94
  4. Wright L.G., Christodoulides D.N., Wise F.W. Controllable spatiotemporal nonlinear effects in multimode fibres // Nature Photonics. 2015. V. 9. P. 306–310. https://doi.org/ 10.1038/nphoton.2015.61
  5. Cizmar T., Dholakia K. Exploiting multimode waveguides for pure fiber­based imaging // Nature Communication. 2012. V. 3. P. 1027. https://doi.org/10.1038/ncomms2024
  6. Choi Y., Yoon C., Kim M., Yang T.D., Fang­Yen C., Dasari R.R., Lee K.J., Choi W. Scanner­free and wide­field endoscopic imaging by using a single multimode optical fiber // Physical Review Letters. 2012. V. 109. № 20. P. 37–51. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.109.203901
  7. Turtaev S., Leite I.T., Altwegg­Boussac T., Pakan J.M., Rochefort N.L., Cizmar T. High­fidelity multimode fibre­based endoscopy for deep brain in vivo imaging // Light: Science and Applications. 2018. V. 7. № 1. P. 7–92. https://doi.org/ 10.1038/s41377­018­0094­x
  8. Resisi S., Popoff S. M., Bromberg Y. Image transmission through a dynamically perturbed multimode fiber by deep learning // Laser & Photonics Reviews. 2021. № 10. https://doi.org/10.48550/arXiv.2011.05144
  9. Lucesoli A., Rozzi T. Image transmission by multimode optical fiber for microendoscopy // Proc. of SPIE­OSA Biomedical Optics. 2007. SPIE V. 6631. 663117. P. 245–253. https://doi.org/ 10.1117/12.728092
  10. Caramazza P., Moran O., Murray­Smith R., Faccio D. Transmission of natural scene images through a multimode fibre // Nature Communications. 2019. V. 10. № 2029. P. 373–379. https://doi.org/10.1038/s41467­019­10057­8
  11. Fertman A., Yelin D. Image transmission through an optical fiber using real­time modal phase restoration // Journal of the Optical Society of America B. 2013. V. 30. № 1. P. 149–157. https://doi.org/10.1364/JOSAB.30.000149
  12. Bailey D., Wright E. Practical fiber optics. Oxford: Elsevier. IDC Technologies, 2003. 245 p.
  13. Ho K., Kahn J. Mode coupling and its impact on spatially multiplexed systems. Optical Fiber Telecommunications VIB: Systems and Networks: Sixth Edition. Oxford: Elsevier, 2013. P. 491–568. https://doi.org/10.1016/B978­0­12­396960­6.00011­0
  14. Barankov R., Mertz J. High­throughput imaging of self­luminous objects through a single optical fibre // Nature Communications. 2014. V. 5. № 5581. P. 73–88. https://doi.org/10.1038/ncomms6581
  15. Фещенко В.С., Рогожникова О.А. Оптическая изображающая система с волноводом // Оптика и спектроскопия. 2004. Т. 97. № 3. С. 498–501.
  16. Бахарев М.А., Котляр В.В., Павельев В.С., Сойфер В.А., Хонина С.Н. Эффективное возбуждение пакетов мод идеального градиентного волновода с заданными фазовыми скоростями // Компьютерная оптика. 1997. № 17. С. 21–25.
  17. Liu C., Deng L., Liu D., Su L. Modeling of a single multimode fiber imaging system // arXiv:1607.07905 [physics.optics]. https://doi.org/10.48550/arXiv.1607.07905
  18. Kakkava E., Rahmanib B., Borhania N., Tegina U., Loterieb D., Konstantinoub G., Moserb C., Psaltis D. Imaging through multimode fibers using deep learning: The effects of intensity versus holographic recording of the speckle pattern // Optical Fiber Technology. 2019. V. 52101985. P. 117–129. https://doi.org/10.1016/j.yofte.2019.101985
  19. Borhani N., Kakkava E., Moser C., Psaltis D. Learning to see through multimode fibers // Optica. 2019 V. 5. № 8. P. 960–966. https://doi.org/10.1364/OPTICA.5.000960
  20. Fan P., Zhao T., Su L. Deep learning the high variability and randomness inside multimode fibres // arXiv:1807.09351 [physics.optics]. https://doi.org/10.48550/arXiv.1807.09351
  21. Rahmani B., Loterie D., Konstantinou G., Psaltis D., Moser C. Multimode optical fiber transmission with a deep learning network // Nature. Light Appl. 2018. V. 7. № 69. P. 171–182. https://doi.org/10.1038/s41377­018­0074­1
  22. Takagi R., Horisaki R., Tanida J. Object recognition through a multi­mode fiber // Opt Rev. 2017. № 24. P. 117–120. https://doi.org/10.1007/s10043­017­0303­5
  23. Pauwels, J., Van der Sande G., Verschaffelt G. Space division multiplexing in standard multi­mode optical fibers based on speckle pattern classification // Sci Rep. 2019. V. 9. P. 17597. https://doi.org/10.1038/s41598­019­53530­6
  24. Lei Y., Li J., Fan Y., Yu D., Fu S., Yin F., Dai Y., Xu K. Space­division­multiplexed transmission of 3ґ3 multiple­input multiple­output wireless signals over conventional graded­index multimode fiber // Opt. Express. 2016. № 24. P. 28372–28382. https://doi.org/10.1364/OE.24.028372
  25. Mohapatra H., Hosain S. Intermodal dispersion free few­mode (quadruple mode) fiber: A theoretical modelling // Opt. Commun. 2013. № 30. P. 267–270. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2013.05.018
  26. Kubota H., Morioka T. Few­mode optical fiber for mode­division multiplexing // Opt. Fiber Technol. 2011. V. 17. P. 490–494. https://doi.org/10.1016/j.yofte.2011.06.011
  27. Timofeev A.L., Sultanov A.Kh. Holographic method of error­correcting coding // Proc. SPIE 11146. Optical Technologies for Telecommunications. 2019. V. 111461A. P. 171–182. https://doi.org/10.1117/12.2526922
  28. Timofeev A.L., Sultanov A.Kh., Filatov P.E. Holographic method for storage of digital information // Proc. SPIE 11516. Optical Technologies for Telecommunications. 2020. V. 1151604. https://doi:10.1117/12.2566329
  29. Тимофеев А.Л., Султанов А.Х. Построение помехоустойчивого кода на базе голографического представления произвольной цифровой информации // Компьютерная оптика. 2020. Т. 44. № 6. С. 978–984. https://doi.org/10.18287/2412­6179­CO­739
  30. Тимофеев А.Л., Султанов А.Х., Мешков И.К., Гизатулин А.Р. Увеличение дальности атмосферных оптических линий связи с помощью позиционного кодирования // Оптический журнал. 2022. Т. 89. № 9. С. 75–85. https://doi.org/10.17586/1023­5086­2022­89­09­75­85
  31. Leonardo R.D., Bianchi S. Hologram transmission through multi­mode optical fibers // Opt. Express. 2011. № 19. P. 247–254. https://doi:10.1364/OE.19.000247
  32. Paurisse M., Hanna M., Droun F., Georges P., Bellanger C., Brignon A., Huignard J.P. Phase and amplitude control of a multimode fiber beam by use of digital holography // Opt. Express. 2009. № 17. P. 13000–13008. https://doi.org/10.1364/OE.17.013000
  33. Leonardo R.D., Ianni F., Ruocco G. Computer generation of optimal holograms for optical trap arrays // Opt. Express. 2007. № 15. P. 1913–1922. https://doi.org/10.1364/OE.15.001913
  34. Grier D.G. A revolution in optical manipulation // Nature. 2003. № 424. P. 810–816. https://doi.org/10.1038/nature01935
  35. Spalding G.C., Courtial J., Leonardo R.D. Holographic optical tweezers // Structured Light Its Applications. Academic Press. 2008. P. 139–168. https://doi.org/10.1016/B978­0­12­374027­4.00006­2
  36. Reicherter M., Haist T., Wagemann E.U., Tiziani H.J. Optical particle trapping with computer­generated holograms written on a liquid­crystal display // Opt. Lett. 1999. № 24. P. 608–610. https://doi.org/10.1364/OL.24.000608