[論文レビュー] All-fiber polarization-manageable directional couplers

Liang Fang, Jian Wang|arXiv (Cornell University)|Dec 2, 2019

Optical Network Technologies参考文献 30被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、ベクトルモード分離型コアを埋め込むことで、光ファイバ内の光の偏光状態を柔軟に制御できる、新規の全ファイバ型三コアディレクショナルカプラ構造を提案する。カップルドモード理論と数値シミュレーションを用いて、偏光状態の精密な制御を実証し、偏光分離、回転、交換を達成した。これは、高性能で、光通信およびセンシング分野への応用が期待される、ファイバベースシステムにおけるモード偏光管理の新たな自由度をもたらす。

ABSTRACT

Flexible management of light polarization is necessary to develop the technologies of optical fiber communications. However, it is still a great challenge to manipulate optical polarization in all-fiberbased devices. Here we present a novel structural design of three-core fiber couplers to create arbitrary polarization management by embedding a vector mode segregated core within the conventional fiber couplers. We take advantages of these coupling structures to achieve polarization split, rotation, and exchange, as three essential polarization managements for fiber-guided modes. We study these couplers based on coupled-mode theory and numerically simulations. The obtained results show that they manifest favorable operation performance on management of the fiber modal polarization states. Compared to previous couplers used for management of power, wavelengths and modal forms, this kind of fiber couplers introduces a new manageable degree of freedom for modal polarization. It is expected that the presented all-fiber polarization-manageable directional couplers might find potential applications in fiber optical communications and sensing systems.

研究の動機と目的

• 次世代光ファイバ通信における全ファイバデバイスにおける光の偏光を管理する課題に対処すること。
• ガイドモードの偏光状態に対して柔軟で動的な制御が可能な、ファイバ統合型ソリューションを開発すること。
• 従来のディレクショナルカプラの機能を、パワー、波長、モード制御を超えて、偏光を制御可能な自由度として拡張すること。
• 偏光操作を可能にするベクトルモード分離型コアを有する三コアファイバカプラを設計・解析すること。
• 理論的モデリングと数値シミュレーションを用いて、提案されたカプラの実現可能性と性能を検証すること。

提案手法

• 偏光依存性結合を可能にするベクトルモードを支持するように設計された中央コアを有する三コアファイバカプラを設計すること。
• カップルドモード理論を用いて、三つのコア間の相互作用と、それらがモード偏光状態に与える影響をモデル化すること。
• さまざまな入射偏光状態における結合ダイナミクスを分析するために、数値シミュレーションを実装すること。
• 偏光分離、回転、交換のための選択的結合を達成するために、屈折率プロファイルとコア間隔を最適化すること。
• 偏光制御効率を最大化し、クロストークを最小限に抑えるために、カプラの幾何形状および材料パラメータを最適化すること。
• 異なる入力設定における出力偏光状態のシミュレーションを通じて、設計の妥当性を検証すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ベクトルモード分離型コアを有する三コアファイバカプラは、全ファイバ構成において任意の偏光管理を可能にするか？
• RQ2 提案されたカプラは、偏光分離、回転、交換をどの程度効果的に実行できるか？
• RQ3 外部部品を用いずに、偏光依存性結合を可能にするベクトルモードコアの役割は何か？
• RQ4 コア間隔や屈折率対比などの幾何的・材料的パラメータが、カプラの性能にどのように影響するか？
• RQ5 偏光操作タスクにおいて、カプラはどの程度高い消光比と低いクロストークを維持できるか？

主な発見

• 提案された三コアファイバカプラは、入射偏光状態の分離、回転、交換を含め、任意の偏光管理を効果的に実現した。
• 数値シミュレーションにより、カプラが高い消光比と低いクロストークを達成しており、有効な偏光制御が可能であることが確認された。
• ベクトルモード分離型コアにより、入射偏光状態に敏感な選択的結合が可能となり、モード制御における新たな自由度が導入された。
• カプラは、さまざまな入射偏光状態においても安定的かつ予測可能な出力特性を示し、良好な動作性能を示した。
• 既存の全ファイバシステムと互換性を保ち、光通信およびセンシングネットワークへの統合を可能とした。
• 結果から、コアの幾何形状および屈折率プロファイルを特徴的に設計することで、特定の偏光管理タスクに最適化できることが示された。