[논문 리뷰] All-fiber polarization-manageable directional couplers

Liang Fang, Jian Wang|arXiv (Cornell University)|2019. 12. 02.

Optical Network Technologies참고 문헌 30인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 벡터 모드로 분리된 코어를 내장한 방식으로 광섬유 내에서 빛의 편광을 탄력적으로 관리할 수 있는 새로운 일체형 세코어 방향 결합기 설계를 제안한다. 복합 모드 이론과 수치 시뮬레이션을 통해 저자들은 편광 상태에 대한 정밀한 제어를 입증하였으며, 편광 분할, 회전, 교환을 실현하였다. 이는 고성능을 갖추고 있으며 광통신 및 센서 분야에 응용 가능성이 있는 섬유 기반 시스템에서 모드 편광 관리의 새로운 자유도를 도입한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 차세대 광섬유 통신을 위한 일체형 광섬유 장치에서 광 편광을 관리하는 데 도전하는 문제를 해결하기 위해.
• 가장도 모드의 편광 상태를 탄력적이고 동적으로 제어할 수 있는 섬유 통합 솔루션을 개발하기 위해.
• 기존의 방향 결합기의 功能을 전력, 파장, 모드 제어를 넘어서 편광을 제어 가능한 자유도로 확장하기 위해.
• 편광 조작을 위한 벡터 모드로 분리된 코어를 갖춘 세코어 섬유 결합기의 설계 및 분석을 위해.
• 이론적 모델링과 수치 시뮬레이션을 통해 제안된 결합기의 실현 가능성과 성능을 검증하기 위해.

제안 방법

• 편광에 따라 결합이 일어나는 벡터 모드를 지원하도록 설계된 중심 코어를 갖춘 세코어 섬유 결합기 설계를 위해.
• 세 코어 간의 상호작용과 모드 편광 상태에 미치는 영향을 모델링하기 위해 복합 모드 이론을 활용하기 위해.
• 다양한 입력 편광 상태에서의 결합 동역학을 분석하기 위해 수치 시뮬레이션을 구현하기 위해.
• 편광 분할, 회전, 교환을 위한 선택적 결합을 달성하기 위해 굴절률 프로파일과 코어 간격을 설계하기 위해.
• 편광 제어 효율을 극대화하고 교차 채널 간섭을 최소화하기 위해 결합기 기하학적 구조와 재료 파rameter를 최적화하기 위해.
• 다양한 입력 구성에서의 출력 편광 상태를 시뮬레이션하여 설계를 검증하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 벡터 모드로 분리된 코어를 갖춘 세코어 섬유 결합기는 일체형 구성에서 임의의 편광 관리가 가능할 수 있는가?
• RQ2 제안된 결합기는 편광 분할, 회전, 교환 기능을 얼마나 효과적으로 수행할 수 있는가?
• RQ3 외부 구성 요소 없이도 편광에 따라 다른 결합을 가능하게 하는 벡터 모드 코어의 역할은 무엇인가?
• RQ4 코어 간격과 굴절률 대비와 같은 기하학적 및 재료적 파rameter는 결합기 성능에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 편광 조작 작업에서 높은 고립도 비율과 낮은 교차 채널 간섭을 얼마나 잘 유지하는가?

주요 결과

• 제안된 세코어 섬유 결합기는 입력 편광 상태의 분할, 회전, 교환을 포함한 임의의 편광 관리 기능을 성공적으로 실현하였다.
• 수치 시뮬레이션을 통해 결합기가 높은 고립도 비율과 낮은 교차 채널 간섭을 달성하여 효과적인 편광 제어가 가능하다는 것이 확인되었다.
• 벡터 모드로 분리된 코어는 입력 편광 상태에 민감한 선택적 결합을 가능하게 하여 모드 제어의 새로운 자유도를 제공한다.
• 결합기는 다양한 입력 편광 상태에서 안정적이고 예측 가능한 출력 특성을 보이며 우수한 작동 성능를 나타낸다.
• 기존 일체형 섬유 시스템과의 호환성을 유지하여 광통신 및 센서 네트워크에 통합 가능하다.
• 결합기는 맞춤형 코어 기하학적 구조와 굴절률 프로파일을 통해 특정 편광 관리 작업에 최적화될 수 있음을 시사한다.