[论文解读] 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 6

一句话总结

本文提出了一种新颖的全光纤三芯定向耦合器设计，通过嵌入矢量模分离的芯区，实现了对光纤中光的灵活偏振管理。利用耦合模理论和数值仿真，作者展示了对偏振态的精确控制，实现了偏振分裂、旋转和交换，为基于光纤的系统引入了模态偏振管理的新自由度，具有高性能和在光通信与传感领域应用的潜力。

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.

研究动机与目标

• 为解决下一代光纤通信中全光纤器件中光学偏振管理的挑战。
• 开发一种光纤集成解决方案，实现对导波模态偏振态的灵活、动态控制。
• 通过增加偏振作为可控制的自由度，将传统定向耦合器的功能从功率、波长和模式控制扩展至更高层次。
• 设计并分析一种具有矢量模分离芯区的三芯光纤耦合器，以实现偏振调控。
• 通过理论建模和数值仿真验证所提出耦合器的可行性和性能。

提出的方法

• 设计一种中心芯区经工程化处理以支持矢量模、从而实现偏振依赖耦合的三芯光纤耦合器。
• 利用耦合模理论建模三芯之间的相互作用及其对模态偏振态的影响。
• 通过数值仿真分析不同输入偏振态下的耦合动力学行为。
• 通过设计折射率分布和芯间距，实现对偏振分裂、旋转和交换的选通耦合。
• 优化耦合器的几何结构和材料参数，以最大化偏振控制效率并最小化串扰。
• 通过模拟不同输入配置下的输出偏振态来验证设计。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有矢量模分离芯区的三芯光纤耦合器是否能在全光纤配置中实现任意偏振管理？
• RQ2 所提出的耦合器在偏振分裂、旋转和交换方面表现如何？
• RQ3 矢量模芯区在实现无外部元件的偏振依赖耦合中起到什么作用？
• RQ4 耦合器的性能如何依赖于几何和材料参数（如芯间距和折射率对比度）？
• RQ5 该耦合器在偏振调控任务中在多大程度上能保持高消光比和低串扰？

主要发现

• 所提出的三芯光纤耦合器成功实现了任意偏振管理，包括输入偏振态的分裂、旋转和交换。
• 数值仿真结果证实，该耦合器实现了高消光比和低串扰，表明其具备高效的偏振控制能力。
• 矢量模分离芯区实现了对输入偏振态敏感的选择性耦合，为模态控制引入了新的自由度。
• 该耦合器在多种输入偏振态下表现出优异的运行性能，输出特性稳定且可预测。
• 该设计与现有全光纤系统兼容，支持集成到光通信和传感网络中。
• 结果表明，通过定制化的芯区几何形状和折射率分布，可对耦合器进行优化以实现特定的偏振管理任务。