[论文解读] Multi-Plane Light Conversion: A Practical Tutorial

Yuanhang Zhang, Fontaine, Nicolas K.|arXiv (Cornell University)|Apr 22, 2023

Optical Network Technologies被引用 10

一句话总结

关于多平面光转换（MPLC）的实用教程，详细阐述用于光通信的 MPLC 模式（去）多路复用器的设计、仿真、制造和表征。

ABSTRACT

Multi-plane light conversion (MPLC) has recently been developed as a versatile tool for manipulating spatial distributions of the optical field through repeated phase modulations. An MPLC Device consists of a series of phase masks separated by free-space propagation. It can convert one orthogonal set of beams into another orthogonal set through unitary transformation, which is useful for a number of applications. In telecommunication, for example, mode-division multiplexing (MDM) is a promising technology that will enable continued scaling of capacity by employing spatial modes of a single fiber. MPLC has shown great potential in MDM devices with ultra-wide bandwidth, low insertion loss (IL), low mode-dependent loss (MDL), and low crosstalk. The fundamentals of design, simulation, fabrication, and characterization of practical MPLC mode (de)multiplexers will be discussed in this tutorial.

研究动机与目标

• 解释MPLC的基础原理及其在空间模式操控方面的历史发展。
• 描述面向电信的基于 MPLC 的模式（去）分复用器的设计原则。
• 详细说明仿真、制造和实验表征工作流程。
• 突出性能指标（IL、MDL、串音）及器件实现的实际考量。

提出的方法

• 回顾MPLC理论及使用相位掩模与自由空间传输的单位变换框架。
• 讨论相位掩模优化方法，如改进波前匹配以及带正则化的梯度下降/反向传播。
• 解释用于平滑相位掩模的宽带设计策略和多波长优化。
• 针对ASM 基传播的广域采样和衍射考量，包括倾斜和近轴近似。
• 通过多步二值光刻实现的制造以及相位级别如何映射到蚀刻深度的描述。
• 包括回波/反射对准、用于表征的偏轴数字全息成像以及多模光束准直的实验设置大纲。

Figure 1: Basic structure of multi-plane light conversion. Input modes are orthogonal because they are spatially separated. Output modes are spatially overlapped but still orthogonal due to the inherent symmetries of these modes.

实验结果

研究问题

• RQ1 MPLC 如何实现针对多空间模式的高效、低串音的模式（去）多路复用？
• RQ2 实现高性能 MPLCs 需要哪些实际的设计约束（掩模数量、间距、像素大小）？
• RQ3 宽带与多波长优化如何影响相位掩模的光滑度和器件公差？
• RQ4 哪些制造策略能够实现可扩展的高模态数量 MPLCs？
• RQ5 如何以插入损耗、模态相关损耗和串音来量化 MPLC 的性能？

主要发现

• 在合适的映射与设计下，MPLC 能实现少平面、高模态的多路复用器，且具有低 IL、MDL 与串音。
• 宽带与多波长优化可产生更平滑的相位掩模并提高对错位的容忍度。
• 实验演示包括45模 MPLC，具14个相位掩模，以及用于更高模的设备可达14个相位掩模。
• 偏轴数字全息成像使在MPLC测量中能够完整提取模式传输矩阵和MDL。
• 一种实用的制造方法采用多步二值光刻，以通过多次蚀刻实现0–2π相移。
• 折叠腔中的反射式 MPLC 简化了实际器件的对准与封装。

Figure 2: Degrees of freedom for capacity scaling in optical fiber communication systems.