CN113260888B - 用于实现直接芯到芯耦合的包括多芯光纤的光学*** - Google Patents

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Abstract

一种多芯光纤，包括设置在包层中的多个芯。该多个芯包括第一芯和第二芯。该第一芯包括第一传播常数β1，该第二芯包括第二传播常数β2，该包层包括包层传播常数β0，并且

Description

用于实现直接芯到芯耦合的包括多芯光纤的光学***
相关申请的交叉引用
本申请根据35U.S.C.§119要求于2018年11月21日提交的美国临时申请序列No.62/770,249的优先权，本申请基于该临时申请的内容并且该临时申请的内容通过引用整体并入本文。
背景技术
本公开涉及包括多芯光纤的光学***。更具体地，本公开涉及包括具有至少两个芯的多芯光纤的光学***，该至少两个芯具有不同的传播常数，该多芯光纤与长周期光纤光栅相结合有助于直接芯到芯(core to core)耦合。
发明内容
根据本公开的主题，一种多芯光纤包括设置在包层中的多个芯。该多个芯包括第一芯和第二芯。该第一芯包括第一传播常数β1，该第二芯包括第二传播常数β2，该包层具有包层传播常数β0，并且
根据本公开的一个实施例，一种多芯光纤包括设置在包层中的多个芯。所述多个芯包括第一芯、第二芯和第三芯。所述第一芯具有第一传播常数β1，所述第二芯具有第二传播常数β2，所述第三芯具有第三传播常数β3，所述包层具有包层传播常数β0，并且该第一芯和该第二芯还具有模态失配M12，并且/>其中C12是从所述第一芯到所述第二芯耦合的耦合系数；并且M12大于10。
根据本公开的另一个实施例，一种用于将光从多芯光纤的第一芯耦合到所述多芯光纤的第二芯的方法，所述方法包括将由光学地耦合到所述多芯光纤的输入端的光子发生器生成的多个光子引导到多个芯的所述第一芯中，所述多芯光纤包括设置在包层中的多个芯。该多个芯包括第一芯和第二芯。该第一芯具有第一传播常数β1，该第二芯具有第二传播常数β2，该包层具有包层传播常数β0，并且该方法还包括将所述多芯光纤与调制器接合，从而在所述多芯光纤中生成具有光栅周期Ω的长周期光纤光栅，其中(2π)/(|β1-β2|)＝Ω使得所述第一芯与所述第二芯耦合。
尽管本文主要参考量子通信来描述本公开的概念，但是可以构想这些概念将适用于光通信的任何方法。
附图说明
本公开的特定实施例的以下具体实施方式能够结合以下附图阅读时被最好地理解，在附图中相同的结构使用相同的附图标记来指示，而且在附图中：
图1示意性地描绘了根据本文所示出和所描述的一个或多个实施例的包括光子发生器、多芯光纤、调制器和光子检测器的光学***；
图2A示意性地描绘了根据本文所示出和所描述的一个或多个实施例的图1的多芯光纤沿着截面A-A的X-Y横截面；
图2B示意性地描绘了根据本文所示出和所描述的一个或多个实施例的图1的多芯光纤沿着截面B-B的具有第一长周期光纤光栅和第二长周期光纤光栅的Y-Z横截面，该第一长周期光纤光栅具有第一光栅周期，该第二长周期光纤光栅具有第二光栅周期；
图3示意性地描绘了根据本文所示出和所描述的一个或多个实施例的包括机械调制器的图1的调制器的实施例；
图4示意性地描绘了根据本文所示出和所描述的一个或多个实施例的包括声光调制器的图1的调制器的实施例；
图5A示意性地描绘了根据本文所示出和所描述的一个或多个实施例的包括光子发生器、具有一个或多个固定长周期光纤光栅的多芯光纤和光子检测器的光学***；
图5B示意性地描绘了根据本文所示出和所描述的一个或多个实施例的图5A的多芯光纤沿着截面C-C的X-Y横截面；
图5C示意性地描绘了根据本文所示出和所描述的一个或多个实施例的图5A的多芯光纤沿着截面D-D的具有第一固定长周期光纤光栅和第二固定长周期光纤光栅的Y-Z横截面，该第一固定长周期光纤光栅具有第一光栅周期，该第二固定长周期光纤光栅具有第二光栅周期；
图6A示意性地描绘了根据本文所示出和所描述的一个或多个实施例的包括第一芯阵列的多芯光纤的X-Y横截面；
图6B示意性地描绘了根据本文所示出和所描述的一个或多个实施例的包括第二芯阵列的多芯光纤的X-Y横截面；
图6C示意性地描绘了根据本文所示出和所描述的一个或多个实施例的包括第三芯阵列的多芯光纤的X-Y横截面；
图6D示意性地描绘了根据本文所示出和所描述的一个或多个实施例的包括第四芯阵列的多芯光纤的X-Y横截面；
图7示意性地描绘了根据本文所示出和所描述的一个或多个实施例的具有第一芯和第二芯的示例多芯光纤；
图8图形地描绘了根据本文所示出和所描述的一个或多个实施例的图7的多芯光纤针对单个波长、沿着多个光栅周期的芯之间的透射率；以及
图9图形地描绘了根据本文所示出和所描述的一个或多个实施例的图7的多芯光纤针对单个光栅周期、沿着一波长范围的芯之间的透射率。
具体实施方式
光在具有许多空间模式(例如，数千个空间模式)的光网络中的受控耦合在光交换网络、光计算和量子通信(例如，量子随机游走)中具有重要的应用。在量子应用中，具有低传播损耗和低退相干性的光的受控耦合对于量子算法和量子模拟的发展和实现方式至关重要。目前用于光的受控耦合的介质包括硅光子电路和玻璃波导。然而，这些介质面临着重大问题，诸如由于在制造过程中所增加的表面粗糙度而导致的高传播损耗，以及由于介质的折射率与输入和输出路径(例如，光纤)的折射率不匹配而导致的高耦合损耗。多芯光纤是一种传播损耗低、耦合损耗可忽略的替代介质。然而，在以前的实现方式中，多芯光纤是一种过于刚性的介质，使得不同芯之间的受控耦合变得困难。因此，期望改进的用于受控耦合的多芯光纤和光学***。
现在将详细地参考包括多芯光纤的光学***的实施例，该多芯光纤具有设置在包层中的多个芯。多芯光纤被配置为便于多个芯中的两个之间的直接和选择性芯到芯耦合。该光学***可以进一步包括调制器，该调制器被配置为在多芯光纤中生成长周期光纤光栅。长周期光纤光栅包括多芯光纤的多个横截面的折射率的周期性改变，以促进选择性芯到芯耦合。例如，多个芯包括具有第一传播常数的第一芯、具有第二传播常数的第二芯(以及在一些实施例中，可以包括第一传播常数、第二传播常数、其他传播常数及其组合的附加芯)、以及具有包层传播常数的包层。第一传播常数、第二传播常数以及包层传播常数被配置为使得在不存在长周期光纤光栅的情况下，在第一芯和第二芯之间发生最小的直接芯到芯耦合，并且当在多芯光纤中生成具有特定周期的长周期光纤光栅时，发生直接芯到芯耦合和最小的直接芯到包层耦合两者。
在不受理论限制的情况下，由于相位失配，在不存在长周期光纤光栅的情况下，第一传播常数和第二传播常数之间的差使第一芯和第二芯隔离。这减少了环境微扰的影响(诸如芯直径波动和沿着光纤长度的芯相对位置)，并允许在多芯光纤中紧密封装芯，而没有在芯之间或芯与包层之间产生不期望的耦合。此外，在多芯光纤中生成长周期光纤光栅(例如，按需使用调制器)有助于例如，在第一芯和第二芯之间的选择性直接芯到芯耦合。总体来说，本文所描述的光学***为各种应用提供了光学平台，诸如光交换网络、光计算和量子随机游走，该光学***损耗最小，同时实现任意的光耦合(即，交换)。
现在参考图1，示意性地描绘了光学***100，该光学***100包括具有多个芯120的多芯光纤110(图2A)、光子发生器180、光子检测器190和调制器150。多芯光纤110包括光学地耦合到光子发生器180的输入端112和光学地耦合到光子检测器190的输出端114。在操作中，光子发生器180可以选择性地将光子引导到多个芯120中的任意个体芯中。例如，光子发生器180、多芯光纤110的输入端112、或两者耦合到可平移台(诸如自动3轴台)，该可平移台被配置为将光子发生器180与多个芯120中的任意单个芯对准。例如，光子发生器180可以与第一芯120a(图2A)对准，并且可以将多个光子引导到第一芯120a中。多芯光纤110还包括外表面116，并且调制器150可与多芯光纤110接合，例如，与多芯光纤110的外表面116接合。如下文更详细地描述的，将调制器150与多芯光纤110接合在多芯光纤110中生成一个或多个长周期光纤光栅130(图2B)。
现在参考图2A，其描绘了图1的多芯光纤110沿着截面A-A的X-Y横截面，该多芯光纤110包括设置在包层125中的多个芯120。多个芯120中的每一个芯包括单模光纤，例如，单模阶跃折射率光纤。另外，多个芯120中每一个芯包括传播常数。在不受理论限制的情况下，芯(或其他波导)的传播常数确定了以给定频率在芯中传播的光的振幅和相位沿着传播方向是如何变化的。传播常数取决于许多因素，诸如芯的折射率和芯的直径，以及在芯中传播的光的波长。在图2A中描绘的实施例中，每一个芯120包括不同的传播常数β，例如，第一芯120a包括第一传播常数β1，第二芯120b包括第二传播常数β2，第三芯120c包括第三传播常数β3，第四芯120d包括第四传播常数β4，第五芯120e包括第五传播常数β5，第六芯120f包括第六传播常数β6，以及第七芯120g包括第七传播常数β7。
尽管在图2A中描绘的实施例包括七个芯(即，芯120a-120g)，多芯光纤110可以包括其中至少两个芯具有不同的传播常数的任意多个芯。此外，尽管图2A中描绘的每一个芯120a-120g包括不同的传播常数，但是应当理解，构想了具有至少两个芯的多芯光纤110的实施例，该至少两个芯具有相同的传播常数，使得多个芯120包括三个或更多个芯。例如，图6A-图6D描绘了芯的各种布置，这些布置包括一个或多个第一芯120a(即，包括第一传播常数的芯)、一个或多个第二芯120b(即，包括第二传播常数的芯)以及在一些实施例中，一个或多个第三芯120c(即，包括第三传播常数的芯)。
仍然参考图2A，将会更详细地描述包层125和多个芯120的各种特性。一些特性参考“个体芯”来讨论，并且适用于多个芯120中的任意个体芯(例如，芯120a-120g)。所讨论的其他特性表征了至少两个芯之间的关系。为了便于解释和理解，在这些描述中使用第一芯120a和第二芯120b。然而，应当理解，这些特性可以适用于多个芯120的任意两个芯。
在不受理论限制的情况下，多个芯120中的个体芯与多芯光纤110的包层125之间的折射率对比度Δ为其中n芯是个体芯的折射率，n包层是包层125的折射率。个体芯的归一化频率参数V被定义为/>其中ρ是个体芯的半径，k0是个体芯的波数。每一个个体芯还包括无量纲模态参数U和W，它们通过函数U2+W2＝V2与归一化频率参数V相关，其中/>并且，β是可以由函数U2+W2＝V2导出的个体芯的传播常数。此外，针对个体芯的HE11模(例如，基本模)方程为其中J0是零阶贝塞尔J函数，J1是一阶贝塞尔J函数，K0是零阶贝塞尔K函数，K1是一阶贝塞尔K函数。
如归一化频率参数V和无量纲模态参数U和W在数学上所示出的，包括不同的折射率、不同的直径或两者的两个芯都包括不同的传播常数β。例如，第一芯120a包括第一直径和第一折射率，第二芯120b包括第二直径和第二折射率。为获得不同的传播常数β(即，第一传播常数β1和第二传播常数β2)，第一直径可以不同于第二直径，第一折射率可以不同于第二折射率，或者第一芯120和第二芯120b的直径和折射率两者可以都不同。另外，包层125包括包层传播常数β0，其中β0＝n包层*2π/λ，并且λ是在多芯光纤110中传播的光的自由空间波长。
尽管仍不受理论限制，但当满足某些条件时，在多芯光纤110中传播的波(例如，光波)的场可以耦合，例如选择性地耦合。例如，多芯光纤110的多个芯120可以由多个耦合系数(即，用于从一个个体芯(例如，第一芯120a)耦合到另一个个体芯(例如，第二芯120b)的各种耦合系数)来表征。尽管不受理论限制，耦合系数测量多个芯120的两个芯(诸如第一芯120a和第二芯120b)的模态场之间的叠加量。芯的模态场取决于各种参数，诸如芯的半径、芯的折射率、芯的材料、包层的材料和操作波长(λ)(即，在芯中传播的光的波长)。
例如，使用耦合模方程并假设所有波场集中在两个芯(例如，第一芯120a和第二芯120b)的基本模内，满足以下条件：其中E(x，y，z)是多芯光纤110的切向E场，b1是作为光束在光束传播方向上的位置(z)的函数的在第一芯120a中传播的光束的振幅，b2是作为光束在光束传播方向上的位置(z)的函数的在第二芯120b中传播的光束的振幅，e1是第一芯120a的本征模，e2是第二芯120b的本征模，N1是第一芯120a的归一化，以及N2是第二芯120b的归一化。多模光纤110的个体芯的归一化Ni被定义为/>其中nco是个体芯的折射率，ε0是真空介电常数，μ0是真空磁导率，ei是个体芯的本征模，A是多芯光纤110的面积。此外，在不受理论限制的情况下，在一些实施例中，本征模e1和e2分别是第一芯120和第二芯120b的切向本征模。
此外，在微扰理论下，其中/>是第一芯120a的自耦合系数，/>是用于将来自第一芯120a的光耦合到第二芯120b的耦合系数(有时称为“交叉耦合系数”)，并且/>其中/>是第二芯120b的自耦合系数，是用于将来自第二芯120b的光耦合到第一芯120a的耦合系数。自耦合系数/>和/>与交叉耦合系数/>和/>相比可忽略不计-。用于将个体芯与另一个个体芯耦合在一起的耦合系数为/>
以及
对于几乎相同的芯(诸如具有相同的传播常数的芯)，C12≈C21≡C。此外，当条件C12≈C21≡C时，从一个芯传输到另一个芯(例如，从第一芯120a到第二芯120b)的最大功率满足其中F2是从一个芯传输到另一个芯的最大功率。应当理解，当在多芯光纤110中不生成长周期光纤光栅130时，耦合系数Cij的上述描述适用于多芯光纤110的任意两个芯。例如，在没有长周期光纤光栅130的情况下，用于将来自第一芯120a耦合到第二芯120b的耦合系数/>为/>
现在参考图1-图2B，光学***100的调制器150可与多芯光纤110接合，以在多芯光纤110中生成长周期光纤光栅130，以促进芯(诸如第一芯120a和第二芯120b)之间的直接芯到芯耦合。在不受理论限制的情况下，“长周期光纤光栅”是指光纤(诸如多芯光纤110)的折射率的周期性横截面微扰。在常规的单模光纤中，长周期光纤光栅将个体芯的芯模耦合到包层的包层模，从而促进了直接芯到包层耦合。如本文所使用的，“直接芯到包层耦合”是指通过折射率的微扰的包层模到芯模的直接耦合。然而，在本文所描述的实施例中，多芯光纤110和调制器150被配置为使得在多芯光纤110中生成的长周期光纤光栅130促进具有不同的传播常数的两个芯的直接芯到芯耦合。如本文所使用的，“直接芯到芯耦合”是指通过折射率的微扰的一个芯的芯模到另一个芯的芯模的直接耦合。
如上文所描述的，多个芯120中的至少两个(诸如第一芯120a和第二芯120b)包括不同的传播常数β,与传统的多芯光纤相比，它由于相位失配而隔离了芯，从而减少了环境微扰(诸如芯直径波动、芯相对位置等)的影响。另外，不同的传播常数β允许多个芯120紧密地包装在包层125内(即，从个体芯的中心到最近的相邻芯的间隔距离小，例如，约30μm或更小、25μm或更小、20μm或更小、15μm或更小、10μm或更小、5μm或更小，诸如从1μm到30μm、从1μm到20μm、从5μm到15μm等)而没有有害的耦合。
此外，两个芯(例如，第一芯120a和第二芯120b)之间的模态失配M被定义为并且应当理解，该等式适用于多个芯120中的任意两个芯。在不存在长周期光纤光栅130的情况下，两个芯之间的模态失配M越大，这些芯之间发生的直接芯到芯耦合越少。在一些实施例中，多芯光纤110的多个芯120中的至少两个芯(例如，第一芯120a和第二芯120b)之间的模态失配M可以大于5(例如，M>5)。例如，在一些实施例中，M>5、M>8、M>10、M>12、M>15、M>20、M>50等。
仍然参考图1-图2B，将调制器150与多芯光纤110接合生成长周期光纤光栅130。长周期光纤光栅130包括多个改变的折射率区域132和光栅周期Ω。多个改变的折射率区域132是多芯光纤110的横截面区域，其中多个芯120的折射率和包层125的折射率改变。此外，尽管在图2B中每一个光栅周期Ω被描绘为在折射率不改变的情况下涵盖与区域相邻的变化折射率区域132，但在一些实施例中，每一个光栅周期Ω可以涵盖两个相邻的变化折射率区域，其中一个变化折射率区域包括折射率增大并且另一个变化折射率区域包括折射率减小，其中折射率增大具有与折射率减小相同的绝对值。下面参考图7-图9描述本实施例的示例。在操作中，当(2π)/(|βi-βj|)＝Ω时，包括传播常数βi的个体芯经由直接芯到芯耦合而耦合到包括传播常数βj的个体芯。例如，当(2π)/(|β1-β2|)＝Ω时，第一芯120a与第二芯120b耦合(即，仅由直接芯到芯耦合)。在一些实施例中，光栅周期Ω单独变化折射率区域132，其中多芯光纤的芯120和包层125的折射率。
作为说明性示例，图2B是多芯光纤110沿着图2A的截面B-B的Y-Z横截面，并且示意性地描绘了第一长周期光纤光栅130a和第二长周期光纤光栅130b。第一长周期光纤光栅130a包括多个第一变化折射率区域132a和第一光栅周期Ωa，第二长周期光纤光栅130b包括多个第二变化折射率区域132b和第二光栅周期Ωb。第一长周期光纤光栅130a被配置为经由直接芯到芯耦合将第一芯120a耦合到第二芯120b。特别地，第一光栅周期Ωa＝(2π)/(|β1-β2|)。此外，第二长周期光纤光栅130b被配置为经由直接芯到芯耦合将第二芯120b耦合到第三芯120c。特别地，第二光栅周期Ωb＝(2π)/(|β2-β3|)。应当理解，长周期光纤光栅130可以使用调制器150选择性地配置以生成光栅周期Ω，以将多个芯120中的任意一个个体芯与多个芯120的任何一个其他个体芯耦合(经由直接芯到芯耦合)在一起。
在一些实施例中，多芯光纤110被配置为将直接芯到包层耦合最小化。当多芯光纤110的具有传播常数βi的个体芯、具有传播常数βj的个体芯和具有传播常数β0的包层的传播常数之间的关系被最小化时，在多芯光纤110中生成长周期光纤光栅130时，直接芯到包层耦合被最小化。在一些实施例中，多个芯120的至少两个芯(具有传播常数βi的个体芯，具有传播常数βj的个体芯)和包层125可以满足关系 等。作为一个示例，第一芯120a和第二芯120b可以满足关系 等。作为另一个示例，第二芯120b和第三芯120c可以满足关系 等。仍作为另一个示例，第一芯120a和第三芯120c可以满足关系等。
此外，具有和不具有长周期光纤光栅130的多芯光纤110的芯之间的光功率传输的差异可以通过消光比来表征。如本文所使用的，“消光比”是指当多芯光纤110中存在长周期光纤光栅130时和当多芯光纤110中不存在长周期光纤光栅130时，在两个芯(诸如第一芯120a和第二芯120b)之间传输的光功率的比率。在一些实施例中，消光比可以包括约10dB或更大，例如15dB或更大、20dB或更大、25dB或更大、30dB或更大等。当M>10并且时，两个芯(例如，具有传播常数βi的单个芯和具有传播常数βj的个体芯)的消光比为20dB。例如，当M12>10并且/>时，第一芯120a和第二芯120b的消光比为20dB或更大。
在不受理论限制的情况下，当两个芯(例如，第一芯120a和第二芯120b)高度失配时(例如，当两个芯包括大于10的模态失配M时)，满足以下条件：以及其中e1是第一芯120a的本征模，e2是第二芯120b的本征模，eA是主要集中在第一芯120a中的本征模e1和e2的叠加，eB是主要集中在第二芯120b中的本征模e1和e2的叠加。这些叠加的eA和eB有时被称为“超模(supermode)”。假设任意周期性微扰，由长周期光纤光栅130引起的折射率改变可以定义为在微扰理论下，以超模eA和eB为基模，和/>其中，超模之间的耦合强度由耦合系数CAB定义，其中/>并且/>其中α＝A,B。在旋转波近似下，假设bA(0)＝1，bB(0)＝0，满足下列条件：并且/>其中/>是多个芯120的平均传播常数并且/>并且Δω＝βA-βB-Ω为失谐量，ΩR是拉比(Rabi)振荡频率并且/>以及/>另外，从芯A到芯B的最大功率传输为F2＝cos2θ,其中/>
另外，多芯光纤110的两个芯(即，芯“A”和芯“B”)可以被表征为整体设备尺寸L。如本文所使用的，“整体设备尺寸”是指光栅耦合区域的总长度。整体设备尺寸在数学上定义为例如，通过增加耦合系数CAB来减小整体设备尺寸，可以在长周期光纤光栅130不存在时将直接芯到芯的耦合最小化，并且可以在长周期光纤光栅130存在时将直接芯到包层的耦合最小化。例如，整体设备尺寸L可以小于50cm、小于40cm、小于30cm、小于20cm、小于10cm等。例如，整体设备尺寸L可以为从约1cm到约50cm、从约1cm至约40cm、从约1cm到约30cm等。
现在参考图3，在一些实施例中，调制器150包括可与多芯光纤110物理地接合的机械调制器152。机械调制器152在结构上被配置为向多芯光纤110(即，向多芯光纤110的外表面116)施加机械压力以在多芯光纤110中临时产生周期性折射率改变。关于“临时”应当理解，当向多芯光纤110的外表面116施加机械压力时折射率发生改变，并且当从多芯光纤110的外表面116移除机械压力时折射率改变被移除。
在一些实施例中(例如，在图3中所描绘的实施例中)，机械调制器152包括第一板部分154和第二板部分156。第一板部分154、第二板部分156或两者可以包括周期性间隔的一个或多个齿155，使得当齿155与多芯光纤110的外表面116接合时，齿155向多芯光纤110施加机械压力，并在多芯光纤110中的这些周期性间隔的位置处生成临时折射率改变。在一些实施例中，第一板部分154、第二板部分156或两者可朝内朝向彼此平移以向多芯光纤110的外表面116施加压力。在一些实施例中，齿155可平移进入或平移离开与多芯光纤110的外表面116的接触，这与第一板部分154、第二板部分156或两者的运动无关。在一个示例中，机械调制器152包括垂直齿轮架，该垂直齿轮架被配置为向多芯光纤110施加周期性的力。在一些实施例中，第一板部分154、第二板部分156和齿155是垂直齿轮架的部件。垂直齿轮架的运动(例如，进入和离开与多芯光纤110的接触的运动)可由线性机动台控制。此外，机械调制器152可以进一步包括用于测量由机械调制器152施加到多芯光纤110上的力的一个或多个负载单元。
尽管不受到理论的限制，但是由所施加的机械压力生成的临时折射率改变是由于多芯光纤110的玻璃的光弹性(photo-elastic)响应引起的。例如，机械调制器152的齿155在多芯光纤110中引起微弯和周期性压力点，该微弯和周期性压力点调制多个芯120中的一个或多个的折射率。在一些实施例中，齿155包括方形接触表面，在一些实施例中，齿155包括圆形接触表面。然而，应当理解，可以构想齿155包括任何形状。此外，尽管图3的机械调制器152的第一板部分154和第二板部分156各自包括齿155，但是应当理解，机械调制器152可以包括被配置为以周期性方式对多芯光纤110进行机械应力的任何机械组件。
现在参考图4，在一些实施例中，调制器150包括声光调制器160。声光调制器160包括压电换能器162和吸收器164。应当理解，虽然在图4中描绘压电换能器162和吸收器164两者，但是一些实施例可以包括压电换能器162而不具有吸收器164。如图4所描绘的，声光调制器160可以耦合到多芯光纤110，使得压电换能器162和吸收器164两者都耦合到多芯光纤110的外表面118。在操作中，压电换能器162被配置为振动，该振动在多芯光纤110的材料中产生声波。在不受理论限制的情况下，光纤(诸如多芯光纤110)中的声波速度为约3.5km/s，因此调制频率为约3MHz。此外，在包括吸收器164的实施例中，吸收器164吸收在声波穿过多芯光纤110的横截面之后由压电换能器162生成的声波，从而限制可能导致不期望的折射率改变的反射。
虽然不受到理论限制，但声光调制器160可以基于声光效应在多芯光纤110中生成长周期光纤光栅130，该声光效应是由于由声光调制器160(例如，声光调制器160的压电换能器162)生成的声波施加到透明材料上的振荡机械压力而引起的透明材料(诸如多芯光纤110的材料)的折射率的改变。尽管仍不受到理论的限制，但是由声光调制器160生成的声波作为临时改变多芯光纤110的折射率的膨胀和压缩的移动周期平面来操作。此外，声光调制器160是可调谐的，使得可以调整由声光调制器160在多芯光纤110中生成的声波的振幅和频率，该声光调制器160可以调整在多芯光纤110中生成的长周期光纤光栅130，例如在长周期光纤光栅130中的光栅周期Ω，声波的偏振(即，振动方向)等。这种可调整性允许用户控制和改变哪一个芯120被耦合。
现在参考图5A-图5C，描绘了包括多芯光纤110'的光学***100'，该多芯光纤110'具有固定在多芯光纤110'中的固定长周期光纤光栅130'。在上文关于图1-图4所描述的实施例中，长周期光纤光栅130是由调制器150选择性地和可移除地生成的临时长周期光纤光栅。相反，多芯光纤110'的固定长周期光纤光栅130'固定在多芯光纤110'中。例如，固定长周期光纤光栅130'可以由任何已知的或尚未开发的光纤光栅制造技术(诸如化学蚀刻、激光辐照(例如，紫外激光辐照等)形成，选择性地改变多芯光纤110'的折射率，并在多芯光纤110'中形成固定长周期光纤光栅130'。图5B描绘了图5A的多芯光纤110'沿着截面C-C的X-Y横截面，该多芯光纤110'包括设置在包层125中的多个芯120a-120f，类似于图1-图4的多芯光纤110。
现在参考图5C，示意性地描绘了图5B的多芯光纤110'沿着截面D-D的Y-Z横截面。图5C包括第一固定长周期光纤光栅130a'和第二固定长周期光纤光栅130b'。第一固定长周期光纤光栅130a'包括多个第一固定变化折射率区域132a'和第一光栅周期Ωa，第二长周期光纤光栅130b'包括多个第二变化折射率区域132b'和第二光栅周期Ωb。第一固定长周期光纤光栅130a'被配置为经由直接芯到芯耦合将第一芯120a耦合到第二芯120b。特别地，第一光栅周期Ωa＝(2π)/(|β1-β2|)。此外，第二固定长周期光纤光栅130b'被配置为经由直接芯到芯耦合将第二芯120b耦合到第三芯120c。特别地，第二光栅Ωb＝(2π)/(|β2-β3|)。应当理解，固定长周期光纤光栅130'可以被配置为具有任何光栅周期Ω以(经由直接芯到芯耦合)将多个芯120的任何一个个体芯与多个芯120的任何一个其他个体芯耦合在一起。
现在参考图6A-图6D，示意性地描绘了多芯光纤220，该多芯光纤220包括外表面216和设置在芯阵列221的包层225中的多个芯220。图6A-图6D中的每一个描绘了不同示例芯阵列221，该示例芯阵列221具有一个或多个第一芯220a(每一个第一芯220a包括第一传播常数β1)、一个或多个第二芯220b(每一个第二芯220b包括第二传播常数β2)，以及在一些实施例中(图6B-图6D)，一个或多个第三芯220c(每一个第三芯220c包括第三传播常数β3)。每一个芯阵列221包括至少三个芯220。此外，每一个芯阵列221的芯220被布置在多芯光纤210的包层225内，使得每一个个体芯的最近的相邻芯包括不同于该个体芯的传播常数。在其中个体芯包括多个最近的相邻芯的实施例中(即，最近的相邻芯与该个体芯间隔相同的间隔距离)，多个最近的相邻芯中的每一个包括不同于该个体芯的传播常数。
图6A描绘了具有一个或多个第一芯220a和一个或多个第二芯220b的第一芯阵列221a。第一芯阵列221a包括芯220的多个行222和芯220的多个列223。第一芯阵列221a的每一行222在个体第一芯220a和个体第二芯220b之间交替。第一芯阵列221a的每一列223在个体第一芯220a和个体第二芯220b之间交替。此外，第一芯阵列221a的每一行222的芯220沿着X轴对准，并且第一芯阵列221a的每一列223的芯220沿着Y轴对准。在不受理论限制的情况下，第一芯阵列221a可以促进所有芯的受控且同时的直接芯到芯耦合(例如，每一个第一芯220a可以耦合到至少一个第二芯220和/或每一个第二芯220b可以耦合到至少一个第一芯220a)，并且可以用于实现受控二维量子游走。
图6B描绘了具有一个或多个第一芯220a、一个或多个第二芯220b和一个或多个第三芯220c的第二芯阵列221b。第一芯阵列221a包括多个行222，并且每一行从其相邻的行横向(即，在X方向上)偏移。此外，每一行222的芯220在第一芯220a、第二芯220b和第三芯220c之间交替，使得在任意单独行中，至少两个芯位于具有相同的传播常数的芯之间。在不受理论限制的情况下，第二芯阵列221b促进二维三角形晶格和石墨烯晶格的模拟。
图6C描绘了具有一个或多个第一芯220a、一个或多个第二芯220b和一个或多个第三芯220c的第三芯阵列221c。第三芯阵列221c包括多个行222，并且每一行从其相邻的行横向(即，在X方向上)偏移。此外，第三芯阵列221c包括中心芯226和从中心芯226朝外同心地设置的芯220的多个环224。第三芯阵列221c中的每一个环224的芯220包括相同的传播常数，芯220的同心相邻环224包括不同的传播常数。例如，每一个环224的芯220在第一芯220a、第二芯220b和第三芯220c之间交替，使得对于任意个体环224，至少两个环224同心地位于具有相同的传播常数的芯220的环224之间。在不受理论限制的情况下，第三芯阵列221c促进在径向上受控的直接芯到芯耦合，并且促进带隙光纤的模拟。
图6D描绘了具有设置在单个环224中的一个或多个第一芯220a、一个或多个第二芯220b和一个或多个第三芯220c的第四芯阵列221d。第四芯阵列221d包括芯220的环224。第四芯阵列221d的环224的芯220在第一芯220a、第二芯220b和第三芯220c之间交替，使得至少两个芯位于具有相同的传播常数的芯之间。在不受理论限制的情况下，第四芯阵列221d促进以圆形方式模拟一维芯阵列的单向直接芯对芯耦合。
再次参考图1-图6D，在操作中，本文所描述的光学***100、100'可以用于在多芯光纤110的芯之间耦合光。例如，一种将多芯光纤110的第一芯120a的光耦合到多芯光纤110的第二芯120b的方法包括将由光子发生器180生成的多个光子引导到多芯光纤110的输入端112中，例如，到多芯光纤110的输入端112处的第一芯120a中。该方法还包括将多芯光纤110与调制器150接合，从而在多芯光纤110中生成长周期光纤光栅130。长周期光纤光栅130包括光栅周期Ω并且(2π)/(|β1-β2|)＝Ω，使得第一芯120a与第二芯120b耦合。因此，当在第一芯120a中传播的多个光子到达长周期光纤光栅130时，多个光子中的至少一些光子从第一芯120a传输到第二芯120b，并在多芯光纤110的输出端114处离开第二芯120b。接下来，该方法包括在光子检测器190处接收多个光子并且使用光子检测器190测量该多个光子。此外，由调制器150生成的长周期光纤光栅130可调整，以例如，通过调整长周期光纤光栅130的光栅周期Ω来促进多个芯120的任意两个芯的耦合。在一个示例操作中，可以测量多个芯120中的两个芯的耦合强度。当确定耦合强度时，光子发生器180可以包括窄带激光器或超发光二极管，光子检测器190可以包括光谱分析器。在另一个示例操作中，可以执行量子游走，并且可以在量子算法和量子模拟的开发中使用。
示例
现在参考图7-图9，在一个示例中，本征模展开技术用于对示例多芯光纤310的具有不同的传播常数的两个个体芯(第一芯320a和第二芯320a)之间的耦合进行数学表征。在该示例中，第一芯320a包括传播常数β1，5.88968μm-1，第二芯320b包括传播常数β2，5.88472μm-1，并且第一芯320的中心与第二芯320b的中心之间的间隔距离为20μm。在该示例中，在第一芯320a和第二芯320b中跨1278.263μm的光栅周期Ωex诱导±δn的折射率改变。如图7中所描绘的，光栅周期Ωex被分成两等分的正折射率改变+δn和负折射率改变-δn。本征模展开方法可以用于为第一芯320a和第二芯320b的每一个折射率横截面(即，光栅周期Ωex的±δn截面)找到导模和非导模两者。特别地，本征模展开方法使用第一芯320a和第二芯320b的每一个折射率横截面中切向E和H场的连续性来确定在光栅周期Ωex内(即，在单个光栅周期内)诱导的反射系数和透射系数，并确定光栅周期Ωex的散射矩阵。一旦获取了单个周期的散射矩阵，就可以确定多个光栅周期(例如，光栅周期Ωex的多次迭代)的反射系数、透射系数以及散射矩阵。
图8描绘了图形50，图形50示出了第一芯320a与第二芯320b之间的透射。图形50的线52描绘了从第二芯320b到第一芯320a的透射，图形50的线54描绘了从第一芯320a到第二芯320b的透射。特别地，图形50示出了当包括1550nm波长的多个光子(即，光)被引导到第一芯320a中时，在光传播通过156个光栅周期Ωex之后，实现从第一芯320a到第二芯320b的功率的最大耦合，如线55所示。在该示例中，156个周期的长度对应于约20cm的耦合长度。该示例中的耦合长度和光栅几何结构设计为以波长为1550nm的光进行工作。
图9描绘了图形60，图形60示出了在156个光栅周期Ωex处沿着1540nm和1560nm的波长范围内的耦合的波长响应。图形60的线62描绘了在156个光栅周期Ωex处沿着1540nm和1560nm的波长范围内(以0.5nm的增量进行测量)的从第二芯320b到第一芯320a的透射。图形60的线64描绘了在156个光栅周期Ωex处沿着1540nm和1560nm的波长范围内(以0.5nm的增量进行测量)的从第一芯320a到第二芯320b的透射。此外，图形60的线65示出了在1550nm处实现最大耦合，这与图8的图形50中所描绘的测量和耦合模式方程的预测一致。
为了描述和限定本发明技术，注意本文中引用的作为参数或另一个变量的“函数”的变量并不旨在表示该变量仅是所列举的参数或变量的函数。而是，在本文中引用作为所列举的参数的“函数”的变量旨在是开放式的，使得该变量可以是单个参数或多个参数的函数。
还应当注意，本文中对“至少一个”部件、元件等的记载不应当用于推断，冠词“一”或“一个”的替代使用应当限于单个部件、元件等。
注意，本文中对本公开的部件以特定方法“配置”以使特定特性具体化、或以特定方式起作用的叙述都是结构性的叙述，与预期用途的叙述相反。更具体地，本文提到部件“配置”的方式是指该部件的存在的物理条件，并且同样地被作为该部件的结构特性的明确叙述。
出于描述和限定本发明技术的目的，注意在本文中采用术语“基本上”和“约”来表示可以归因于任何定量比较、数值、测量、或其他表示的固有不确定度。本文还使用术语“基本上”和“约”来表示量化表示可以与所述参考不同而不会导致所讨论主题的基本功能的改变的程度。
在已经详细描述本公开主题并参考其特定实施例的情况下，还应当注意本文所公开的各种细节不应当被用于暗示这些细节涉及作为本文中所描述的各种实施例的基本部件的元件，即使在本说明书的附图的每一幅图中示出了特定元件的情况下也是如此。此外，显而易见的是，修改和变化而不脱离包括但不限于所附权利要求书所限定的实施例的本公开的范围是可能的。更具体地，虽然本公开的一些方面在本文中被标识为优选的或特别有优势的，但可以构想本公开不一定限于这些方面。
注意，所附权利要求中的一项或多项使用术语“其特征在于/其中”作为过渡短语。出于限定本发明技术的目的，应当注意该术语是作为开放式的过渡短语而被引入所附权利要求中的，该开放式的过渡短语用于引入对所述结构的一系列特性的记载，且应当按照与更常用的开放式前序术语“包括”相似的方式进行解释。

Claims (20)

1.一种多芯光纤，包括：
多个芯，所述多个芯设置在包层中，其中：
所述多个芯包括第一芯和第二芯，其中每一个个体芯的最近的相邻芯包括不同于所述个体芯的传播常数；并且
所述第一芯包括第一传播常数β1，所述第二芯包括第二传播常数β2，所述包层包括包层传播常数β0，其中β1≠β2，并且
2.如权利要求1所述的多芯光纤，其特征在于：
所述第一芯和所述第二芯包括模态失配M12；
其中C12是从所述第一芯到所述第二芯耦合的耦合系数；并且
M12大于10。
3.如权利要求1或2所述的多芯光纤，其特征在于，所述多个芯中的每一个芯是单模芯。
4.如权利要求1或2所述的多芯光纤，其特征在于，所述多个芯中的每一个芯包括不同的传播常数。
5.如权利要求1所述的多芯光纤，进一步包括长周期光纤光栅，所述长周期光纤光栅包括光栅周期Ω，其中(2π)/(|β1-β2|)＝Ω。
6.如权利要求1所述的多芯光纤，其特征在于：
所述第一芯和所述第二芯之间的消光比为20dB或更大；以及
所述多芯光纤的整体设备尺寸小于30cm。
7.如权利要求1所述的多芯光纤，其特征在于：
所述多个芯包括至少三个芯；并且
所述至少三个芯包括各自具有所述第一传播常数β1的一个或多个第一芯和各自具有所述第二传播常数β2的一个或多个第二芯。
8.如权利要求7所述的多芯光纤，其特征在于：
所述至少三个芯包括各自具有第三传播常数β3的一个或多个第三芯；并且
所述第三传播常数β3不同于所述第一传播常数β1和所述第二传播常数β2两者。
9.如权利要求7所述的多芯光纤，其特征在于，所述至少三个芯被布置在所述多芯光纤的所述包层内，使得每一个个体芯的最近的相邻芯包括不同于所述个体芯的传播常数。
10.一种光学***，包括：
如权利要求1所述的多芯光纤；以及
调制器，所述调制器可与所述多芯光纤接合，其中：
将所述调制器与所述多芯光纤接合在包括光栅周期Ω的所述多芯光纤中生成长周期光纤光栅；并且
当(2π)/(|β1-β2|)＝Ω时，所述第一芯与所述第二芯耦合。
11.如权利要求10所述的光学***，其特征在于，所述调制器包括机械调制器，所述机械调制器可与所述多芯光纤物理地接合以将压力施加到所述多芯光纤的外表面。
12.如权利要求11所述的光学***，其特征在于：
所述机械调制器包括第一板部分和第二板部分；
所述第一板部分、所述第二板部分、或两者包括多个周期性间隔的齿；
所述第一板部分、所述第二板部分、或两者可朝向彼此平移；并且
将所述多芯光纤与所述机械调制器接合包括使用所述第一板部分和所述第二板部分将物理压力施加到所述多芯光纤。
13.如权利要求10所述的光学***，其特征在于：
所述调制器包括声光调制器；
所述声光调制器包括压电换能器；并且
将所述多芯光纤与所述声光调制器接合包括使用所述压电换能器在所述多芯光纤中生成声波。
14.一种多芯光纤，包括：
多个芯，所述多个芯设置在包层中，其中：
所述多个芯包括第一芯、第二芯和第三芯，其中每一个个体芯的最近的相邻芯包括不同于所述个体芯的传播常数；
所述第一芯包括第一传播常数β1，所述第二芯包括第二传播常数β2，所述第三芯包括第三传播常数β3，所述包层包括包层传播常数β0，其中β1、β2和β3彼此不同，并且
所述第一芯和所述第二芯包括模态失配M12；
其中C12是从所述第一芯到所述第二芯耦合的耦合系数；并且
M12大于10。
15.如权利要求14所述的多芯光纤，其特征在于：
所述第一芯和所述第三芯包括模态失配M13；
其中C13是从所述第一芯到所述第三芯耦合的耦合系数；
所述第二芯和所述第三芯包括模态失配M23；
其中C23是从所述第二芯到所述第三芯耦合的耦合系数；以及
M13和M23两者大于10。
16.一种用于将光从多芯光纤的第一芯耦合到所述多芯光纤的第二芯的方法，所述方法包括：
将由光学地耦合到所述多芯光纤的输入端的光子发生器生成的多个光子引导到多个芯的所述第一芯中，所述多芯光纤包括设置在包层中的所述多个芯，其中：
所述多个芯包括所述第一芯和所述第二芯，其中每一个个体芯的最近的相邻芯包括不同于所述个体芯的传播常数；并且
所述第一芯包括第一传播常数β1，所述第二芯包括第二传播常数β2，
所述包层包括包层传播常数β0，其中β1≠β2，并且以及
将所述多芯光纤与调制器接合，从而在所述多芯光纤中生成包括光栅周期Ω的长周期光纤光栅，其中(2π)/(|β1-β2|)＝Ω使得所述第一芯与所述第二芯耦合。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于：
所述第一芯和所述第二芯包括模态失配M12；
其中C12是从所述第一芯到所述第二芯耦合的耦合系数；并且
M12大于10。
18.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述调制器包括机械调制器，并且将所述多芯光纤与所述机械调制器接合包括利用所述机械调制器将物理压力施加到所述多芯光纤的外表面。
19.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述调制器包括声光调制器，所述声光调制器包括压电换能器，并且将所述多芯光纤与所述声光调制器接合包括使用所述压电换能器在所述多芯光纤中生成声波。
20.如权利要求16所述的方法，其特征在于：
所述多个芯包括至少三个芯；
所述至少三个芯包括各自具有所述第一传播常数β1的一个或多个第一芯，各自具有所述第二传播常数β2的一个或多个第二芯，以及各自具有第三传播常数β3的一个或多个第三芯；
所述第三传播常数β3不同于所述第一传播常数β1和所述第二传播常数β2两者；并且
所述至少三个芯被布置在所述多芯光纤的所述包层内，使得每一个个体芯的最近的相邻芯包括不同于所述个体芯的传播常数。
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