TW202026684A - 用於實現直接核心對核心耦合的包括多核心光纖的光學系統 - Google Patents

用於實現直接核心對核心耦合的包括多核心光纖的光學系統 Download PDF

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Abstract

多核心光纖包括複數個置於包層的核心。複數個核心包括第一核心和第二核心。第一核心具有第一傳播常數β 1 ，第二核心具有第二傳播常數β 2 ，包層具有包層傳播常數β 0 ，且

Description

用於實現直接核心對核心耦合的包括多核心光纖的光學系統
交互參照之相關申請案：本申請案根據專利法法規主張西元2018年11月21日申請的美國臨時專利申請案第62/770,249號的優先權權益，本申請案依賴該臨時申請案全文內容且該臨時申請案全文內容以引用方式併入本文中。
本發明係關於包含多核心光纖的光學系統。更特定言之，本發明係關於包含多核心光纖的光學系統且多核心光纖有至少二核心具不同傳播常數，此結合長週期光纖光柵有助於直接核心對核心耦合。
本案旨在解決先前技術中存在的缺點或提供勝於先前技術的改良。
根據本發明的標的，多核心光纖包括複數個置於包層的核心。複數個核心包括第一核心和第二核心。第一核心具有第一傳播常數β 1 ，第二核心具有第二傳播常數β 2 ，包層具有包層傳播常數β 0 ，且
Figure 02_image001
。
根據本發明的一實施例，多核心光纖包括複數個置於包層的核心。複數個核心包括第一核心、第二核心和第三核心。第一核心具有第一傳播常數β 1 ，第二核心具有第二傳播常數β 2 ，第三核心具有第二傳播常數β 3 ，包層具有包層傳播常數β 0 ，且
Figure 02_image001
。第一核心和第二核心亦具有模態失配M 12 ，
Figure 02_image003
，其中C 12 係用於耦合第一核心與第二核心的耦合係數，M 12 大於10。
根據本發明的另一實施例，將光從多核心光纖的第一核心耦合到多核心光纖的第二核心的方法包括將光子產生器產生的複數個光子引導至複數個核心的第一核心，光子產生器光學耦合多核心光纖的輸入端，多核心光纖包含複數個置於包層的核心。複數個核心包括第一核心和第二核心。第一核心具有第一傳播常數β 1 ，第二核心具有第二傳播常數β 2 ，包層具有包層傳播常數β 0 ，且
Figure 02_image001
。方法亦包括使多核心光纖與調變器嚙合，以在多核心光纖中產生具光柵週期Ω的長週期光纖光柵，其中(2π)/(|β 1 -β 2 |)=Ω，使第一核心耦合第二核心。
儘管本文主要參照量子通信來描述發明概念，然此概念當可應用到任何光通信方法。
於具許多空間模態（例如數千個空間模態）的光學網路控制光耦合在光學切換網路、光學計算和量子通信（例如量子隨機漫步）方面具有重要應用。在量子應用中，控制具低傳播損失與低退相干性光耦合對於開發及實行量子演算和量子模擬至關重要。目前控制光耦合的介質包括矽光子電路和玻璃波導。然該等介質面臨重大問題，例如製造時增加表面粗糙度引起高傳播損失及介質折射率與輸入和輸出路徑（例如光纖）折射率失配造成高耦合損失。多核心光纖係具低傳播損失和可略耦合損失的替代介質。然在先前實施方式中，多核心光纖當作介質太過剛硬，以致難以控制不同核心耦合。故期有用於控制耦合的改良多核心光纖和光學系統。
現將詳細參照包含多核心光纖的光學系統實施例，多核心光纖具有複數個置於包層的核心。多核心光纖配置以協助複數個核心中的兩個核心直接及選擇性核心對核心耦合。光學系統進一步包含調變器並配置以在多核心光纖中產生長週期光纖光柵。長週期光纖光柵包含多核心光纖的多個截面的折射率週期變化，以助於選擇性核心對核心耦合。例如，複數個核心包含具第一傳播常數的第一核心、具第二傳播常數的第二核心（在一些實施例中，附加核心包含第一傳播常數、第二傳播常數、其他傳播常數和上述組合物）及具包層傳播常數的包層。第一傳播常數、第二傳播常數和包層傳播常數配置使在無長週期光纖光柵下，第一核心與第二核心間有最小直接核心對核心耦合，當在多核心光纖中產生具特定週期的長週期光纖光柵時，則併存直接核心對核心耦合和最小直接核心對包層耦合。
不擬受理論限制，由於相位失配，在無長週期光纖光柵下，第一與第二傳播常數差異會隔離第一與第二核心。此將減少環境擾動影響（例如核心直徑波動和沿光纖長度的核心相對位置），及容許核心在多核心光纖內緊密堆疊，且在核心間或核心與包層間無不當耦合。再者，在多核心光纖中產生長週期光纖光柵，例如依需求使用調變器，有助於在如第一核心與第二核心間選擇性直接核心對核心耦合。總體而言，所述光學系統提供用於各種應用的光學平台，例如具最小損失的光學切換網路、光學計算和量子隨機漫步，同時達成任意光學耦合（即切換）。
現參照第1圖，所示光學系統100包含具複數個核心120的多核心光纖110（第2A圖）、光子產生器180、光子偵測器190和調變器150。多核心光纖110包含光學耦合光子產生器180的輸入端112和光學耦合光子偵測器190的輸出端114。操作時，光子產生器180選擇性將光子引導至複數個核心120中的任一個別核心。例如，光子產生器180、多核心光纖110的輸入端112或二者可耦合至移動架臺，例如自動化3軸架臺，架臺配置以對準光子產生器180和複數個核心120中的任一個別核心。例如，光子產生器180可對準第一核心120a（第2A圖），及將複數個光子引導至第一核心120a內。多核心光纖110亦包含外表面116，調變器150與多核心光纖110嚙合，例如與多核心光纖110的外表面116嚙合。如下文所詳述，調變器150與多核心光纖110嚙合可在多核心光纖110中產生一或更多長週期光纖光柵130（第2B圖）。
現參照第2A圖，第2A圖圖示多核心光纖110沿第1圖斷面A-A截切的X-Y截面，多核心光纖110包含複數個置於包層125的核心120。複數個核心120中的每一核心包含單模光纖，例如單模階變折射率光纖。此外，複數個核心120中的每一核心包含傳播常數。不擬受理論限制，核心（或其他波導）的傳播常數決定給定頻率光在核心中沿傳播方向傳播的振幅和相位變化情形。傳播常數取決於一些因子，例如核心折射率與核心直徑和在核心傳播的光波長。在第2A圖所示實施例中，每一核心120包含不同傳播常數β ，例如第一核心120a包含第一傳播常數β 1 ，第二核心120b包含第二傳播常數β 2 ，第三核心120c包含第三傳播常數β 3 ，第四核心120d包含第四傳播常數β 4 ，第五核心120e包含第五傳播常數β 5 ，第六核心120f包含第六傳播常數β 6 ，第七核心120g包含第七傳播常數β 7 。
雖然第2A圖所示實施例包含七個核心（即核心120a-120g），但多核心光纖110可包含任意多個核心，其中至少二核心具有不同傳播常數。再者，儘管第2A圖所示核心120a-120g各自包含不同傳播常數，然應理解多核心光纖110的至少二核心具有相同傳播常數、是以複數個核心120包括三或更多核心的實施例當可預期。例如，第6A圖至第6D圖圖示各種核心排列，包括一或更多第一核心120a（即包含第一傳播常數的核心）、一或更多第二核心120b（即包含第二傳播常數的核心），在一些實施例中尚有一或更多第三核心120c（即包含第三傳播常數的核心）。
繼續參照第2A圖，現將詳述包層125和複數個核心120的各種性質。一些性質係參照「個別核心」論述，並適用複數個核心120中的任一個別核心（例如核120a-120g）。所述其他性質描繪至少二核心的關係特徵。為便於解釋及理解，敘述使用第一核心120a和第二核心120b。然應理解所述性質當適用複數個核心120中的任二個核心。
不擬受理論限制，複數個核心120中的個別核心與多核心光纖110的包層125間的折射率對比Δ為
Figure 02_image005
，其中ncore 係個別核心的折射率，nclad 係包層125的折射率。個別核心的正規化頻率參數V 定義為
Figure 02_image007
，其中ρ係個別核心的半徑，k 0 係個別核心的波數。每一個別核心亦包含無因次模態參數U 和W ，此與正規化頻率參數V 的關係為函數
Figure 02_image009
，其中
Figure 02_image011
，
Figure 02_image013
，β 係個別核心的傳播常數並可從函數
Figure 02_image009
推導。再者，個別核心的HE11模態（例如基模）方程式為
Figure 02_image015
，其中J 0 係零階Bessel J-函數，J 1 係一階Bessel J-函數，K 0 係零階Bessel K-函數，K 1 係一階Bessel K-函數。
以正規化頻率參數V 和無因次模態參數U 、W 數學表示，包含不同折射率、不同直徑或二者的二核心可包含不同傳播常數β 。例如，第一核心120a包含第一直徑與第一折射率，第二核心120b包含第二直徑與第二折射率。為達成不同傳播常數β （即第一傳播常數β 1 和第二傳播常數β 2 ），第一直徑可不同於第二直徑，第一折射率可不同於第二折射率，或第一核心120和第二核心120b的直徑與折射率均不同。此外，包層125包含包層傳播常數β 0 ，其中
Figure 02_image017
，λ係在多核心光纖110傳播的光的自由空間波長。
儘管仍不擬受理論限制，然符合某些條件時，在多核心光纖110傳播的波場（例如光波）可耦合，例如選擇性耦合。例如，多核心光纖110的複數個核心120可以用於耦合個別核心（例如第一核心120a）與另一個別核心（例如第二核心120b）的複數個耦合係數（即不同耦合係數）特性化。雖然不擬受理論限制，但耦合係數可測量複數個核心120中二核心間（例如第一核心120a和第二核心120b）的模場重疊量。核心的模場取決於各種參數，例如核心半徑、核心折射率、核心材料、包層材料和操作波長（λ）（即在核心傳播的光波長）。
例如，利用耦合模態方程式並假設所有波場都集中在二核心（例如第一核心120a和第二核心120b）的基模內，將符合以下條件：
Figure 02_image019
，其中E(x,y,z )係多核心光纖110的正切E場，b 1 係在第一核心120a傳播的光束振幅且隨光束傳播方向的光束位置(z)變化，b 2 係在第二核心120b傳播的光束振幅且隨光束傳播方向的光束位置(z)變化，e 1 係第一核心120a的特徵模態，e 2 係第二核心120b的特徵模態，N 1 係第一核心120a的正規化，N 2 係第二核心120b的正規化。多核心光纖110的個別核心的正規化N i 定義為
Figure 02_image021
，其中n co 係個別核心的折射率，ε0 係真空介電係數，μ 0 係真空磁導率，ei 係個別核心的特徵模態，A 係多核心光纖110的面積。另外，不擬受理論限制，在一些實施例中，特徵模態e 1 、e 2 分別為第一核心120和第二核心120b的正切特徵模態。
再者，按照擾動理論，
Figure 02_image023
，其中
Figure 02_image025
係第一核心120a的自耦合係數，
Figure 02_image027
係用於將光從第一核心120a耦合到第二核心120b的耦合係數（有時稱作「互耦合係數」），及
Figure 02_image029
，其中
Figure 02_image031
係第二核心120b的自耦合係數，
Figure 02_image033
係用於將光從第二核心120b耦合到第一核心120a的耦合係數。相較於互耦合係數
Figure 02_image027
、
Figure 02_image033
，自耦合係數
Figure 02_image025
、
Figure 02_image031
可忽略。另外，用於耦合個別核心與另一個別核心的耦合係數為
Figure 02_image035
，
Figure 02_image037
，
Figure 02_image039
。
對於幾乎相同的核心（例如具相同傳播常數的核心），
Figure 02_image041
。再者，當符合條件
Figure 02_image041
時，從一核心轉移到另一核心（例如從第一核心120a到第二核心120b）的最大功率為
Figure 02_image043
，其中F 2 係從一核心轉移到另一核心的最大功率。應理解未在多核心光纖110中產生長週期光纖光柵130時，上述耦合係數C ij 適用多核心光纖110中的任二個核心。例如，在無長週期光纖光柵130下，用於將光從第一核心120a耦合到第二核心120b的耦合係數
Figure 02_image027
為
Figure 02_image045
。
現參照第1圖至第2B圖，光學系統100的調變器150與多核心光纖110嚙合而在多核心光纖110中產生長週期光纖光柵130，以助於核心間直接核心對核心耦合，例如第一核心120a和第二核心120b。不擬受理論限制，「長週期光纖光柵」係指光纖折射率的週期截面擾動，例如多核心光纖110。在習知單模光纖中，長週期光纖光柵耦合個別核心的核心模態與包層的包層模態，以助於直接核心對包層耦合。本文所用「直接核心對包層耦合」係指透過折射率擾動，包層模態與核心模態直接耦合。然在所述實施例中，多核心光纖110和調變器150配置使在多核心光纖110中產生的長週期光纖光柵130協助具不同傳播常數的二核心直接核心對核心耦合。本文所用「直接核心對核心耦合」係指透過折射率擾動，一核心的核心模態與另一核心的核心模態直接耦合。
如上所述，複數個核心120中的至少二核心（例如第一核心120a和第二核心120b）包含不同傳播常數β ，且因相位失配而隔離核心，與傳統多核心光纖相比，可減小環境擾動影響（例如核心直徑波動、核心相對位置）。此外，不同傳播常數β 容許複數個核心120緊密堆疊在包層125內（即從個別核心中心到最近相鄰核心的間隔距離很小，例如約30微米（μm）或以下、25 μm或以下、20 μm或以下、15 μm或以下、10 μm或以下、5 μm或以下，例如1 μm至30 μm、1 μm至20 μm、5μm至15 μm等），又無不利耦合。
另外，二核心間（例如第一核心120a和第二核心120b）的模態失配M 定義為
Figure 02_image003
，應理解此方程式適用複數個核心120中的任二個核心。二核心間的模態失配M 越大，在無長週期光纖光柵130下，二核心間越少直接核心對核心耦合。在一些實施例中，多核心光纖110的複數個核心120中的至少二核心間（例如第一核心120a和第二核心120b）的模態失配M 為大於5（例如，M >5）。例如，在一些實施例中，M >5、M >8、M >10、M >12、M >15、M >20、M >50等。
繼續參照第1圖至第2B圖，調變器150與多核心光纖110嚙合產生長週期光纖光柵130。長週期光纖光柵130包含複數個折射率變化區132和光柵週期Ω。複數個折射率變化區132係多核心光纖110的截面區域，其中複數個核心120的折射率和包層125的折射率有所變化。另外，雖然第2B圖所示每一光柵週期Ω為涵蓋鄰接折射率無改變區的折射率變化區132，但在一些實施例中，每一光柵週期Ω可涵蓋二相鄰折射率變化區，其中一折射率變化區包含折射率增量，另一折射率變化區包含折射率減量，其中折射率增量具有和折射率減量一樣的絕對值。此實施例一例繪示於下面第7圖至第9圖。操作時，當
Figure 02_image047
時，包含傳播常數βi 的個別核心經由直接核心對核心耦合與包含傳播常數βj 的個別核心耦合。例如，當
Figure 02_image049
時，第一核心120a與第二核心120b耦合（即經由直接核心對核心耦合）。在一些實施例中，光柵週期Ω係個別折射率變化區132，其中多核心光纖的核心120和包層125的折射率。
舉例來說，第2B圖係多核心光纖110沿第2A圖斷面B-B截切的Y-Z截面，並圖示第一長週期光纖光柵130a和第二長週期光纖光柵130b。第一長週期光纖光柵130a包含複數個第一折射率變化區132a和第一光柵週期Ω a ，第二長週期光纖光柵130b包含複數個第二折射率變化區132b和第二光柵週期Ω b 。第一長週期光纖光柵130a配置以經由直接核心對核心耦合來耦合第一核心120a與第二核心120b。特別地，第一光柵週期
Figure 02_image051
。另外，第二長週期光纖光柵130b配置以經由直接核心對核心耦合來耦合第二核心120b與第三核心120c。特別地，第二光柵週期
Figure 02_image053
。應理解長週期光纖光柵130可利用調變器150選擇性配置以產生光柵週期Ω，使複數個核心120中的任一個別核心與複數個核心120中的任一其他個別核心耦合（經由直接核心對核心耦合）。
在一些實施例中，多核心光纖110配置以最小化直接核心對包層耦合。當具傳播常數βi 的個別核心、具傳播常數βj 的個別核心和多核心光纖110的包層125（即β 0 ）的傳播常數關係
Figure 02_image055
呈最小時，在多核心光纖110中產生長週期光纖光柵130時，直接核心對包層耦合可減至最少。在一些實施例中，複數個核心120中的至少二核心和包層125（具傳播常數βi 的個別核心、具傳播常數βj 的個別核心和多核心光纖110的包層125（即β 0 ））可符合下列關係：
Figure 02_image057
、
Figure 02_image059
、
Figure 02_image061
、
Figure 02_image063
、
Figure 02_image065
、
Figure 02_image067
等。例如，第一核心120a和第二核心120b可符合下列關係：
Figure 02_image069
、
Figure 02_image071
、
Figure 02_image073
、
Figure 02_image075
、
Figure 02_image077
、
Figure 02_image079
等。又例如，第二核心120b和第三核心120c可符合下列關係：
Figure 02_image081
、
Figure 02_image083
、
Figure 02_image085
、
Figure 02_image087
、
Figure 02_image089
、
Figure 02_image091
等。再例如，第一核心120a和第三核心120c可符合下列關係：
Figure 02_image093
、
Figure 02_image095
、
Figure 02_image097
、
Figure 02_image099
、
Figure 02_image101
、
Figure 02_image103
等。
另外，多核心光纖110中具有與不具長週期光纖光柵130的核心間的光功率轉移差異可用消光比特性化。本文所用「消光比」係指當長週期光纖光柵130存於（即產生）多核心光纖110及長週期光纖光柵130不存於多核心光纖110時，在二核心間（例如第一核心120a和第二核心120b）轉移的光功率比。在一些實施例中，消光比可包含約10 dB或以上，例如15 dB或以上、20 dB以上、25 dB或以上、30 dB或以上等。當M >10且
Figure 02_image061
時，二核心（例如具傳播常數βi 的個別核心、具傳播常數βj 的個別核心）的消光比為20 dB或以上。例如，當M 12 >10且
Figure 02_image073
時，第一核心120a和第二核心120b的消光比為20 dB或以上。
不擬受理論限制，當二核心（例如第一核心120a和第二核心120b）高度失配時（例如當二核心包含大於10的模態失配M 時），可符合下列條件：
Figure 02_image105
，
Figure 02_image107
，
Figure 02_image109
，其中e 1 係第一核心120a的特徵模態，e 2 係第二核心120b的特徵模態，eA 係主要集中在第一核心120a的特徵模態e 1 與e 2 疊加，eB 係主要集中在第二核心120b的特徵模態e 1 與e 2 疊加。疊加eA 、eB 有時稱作「超模態」。假設任意週期擾動，則長週期光纖光柵130引發折射率變化可定義為
Figure 02_image111
。另外，按照擾動理論操作並使用超模態eA 、eB 做為基模時，
Figure 02_image113
，
Figure 02_image115
，其中超模態間的耦合強度由耦合係數CAB 定義，其中
Figure 02_image117
，
Figure 02_image119
，α=A,B 。按照旋波近似法，假設bA (0)=1，bB (0)=0，則符合下列條件：
Figure 02_image121
，
Figure 02_image123
，其中
Figure 02_image125
係複數個核心120的平均傳播常數，
Figure 02_image127
，
Figure 02_image129
為失調，ΩR 係Rabi振盪頻率，
Figure 02_image131
，
Figure 02_image133
。此外，從核心A轉移到核心B的最大功率為
Figure 02_image135
，
Figure 02_image137
。
此外，多核心光纖110的二核心（即核心「A」與核心「B」）可描繪整體裝置尺寸L 的特徵。本文所用「整體裝置尺寸」係指光柵耦合區總長。整體裝置尺寸數學定義為
Figure 02_image139
。例如藉由提高耦合係數CAB 以縮減整體裝置尺寸時，若無長週期光纖光柵130，可最小化直接核心對核心耦合，當存有長週期光纖光柵130時，可最小化直接核心對包層耦合。例如，整體裝置尺寸L 可小於50公分（cm）、小於40 cm、小於30 cm、小於20 cm、小於10 cm等。例如，整體裝置尺寸L 可為約1 cm至約50 cm、約1 cm至約40 cm、約1 cm至約30 cm等。
現參照第3圖，在一些實施例中，調變器150包含機械調變器152，機械調變器可與多核心光纖110物理嚙合。機械調變器152結構上配置以施加機械壓力至多核心光纖110（即多核心光纖110的外表面116），以在多核心光纖110中臨時產生折射率週期變化。關於「臨時」應理解為當機械壓力施加至多核心光纖110的外表面116時，折射率變化發生，當機械壓力自多核心光纖110的外表面116移除時，便去除折射率變化。
在一些實施例中，例如第3圖所示實施例，機械調變器152包含第一板部154和第二板部156。第一板部154、第二板部156或二者可包含一或更多週期間隔鉸齒155，當鉸齒155與多核心光纖110的外表面116嚙合時，鉸齒155將施加機械壓力至多核心光纖110及於多核心光纖110的週期間隔位置產生臨時折射率變化。在一些實施例中，第一板部154、第二板部156或二者可朝彼此平移，以施加壓力至多核心光纖110的外表面116。在一些實施例中，鉸齒155獨立於第一板部154、第二板部156或二者作動平移而接觸及遠離多核心光纖110的外表面116。在一示例性實施例中，機械調變器152包含垂直齒條並配置以施加週期力至多核心光纖110。在一些實施例中，第一板部154、第二板部156和鉸齒155為垂直齒條的部件。垂直齒條作動（例如作動而接觸及遠離多核心光纖110）可由線性電動架臺控制。再者，機械調變器152可進一步包含一或更多荷重計，用於測量機械調變器152施加至多核心光纖110的力。
儘管不擬受理論限制，施加機械壓力產生臨時折射率變化係因多核心光纖110的玻璃光彈響應所致。例如，機械調變器152的鉸齒155在多核心光纖110中造成微曲和週期壓力點，從而調節複數個核心120中一或更多核心的折射率。在一些實施例中，鉸齒155包含方形接觸表面，在一些實施例中，鉸齒155包含圓形接觸表面。然應理解鉸齒155當可包含任何形狀。再者，雖然第3圖機械調變器152的第一板部154和第二板部156各自包含鉸齒155，但應理解機械調變器152可包含配置以依週期方式對多核心光纖110施予機械應力的任何機械組件。
現參照第4圖，在一些實施例中，調變器150包含聲光調變器160。聲光調變器160包含壓電轉換器162和吸收器164。應理解雖然第4圖圖示壓電轉換器162與吸收器164，但一些實施例可包含壓電轉換器162、而無吸收器164。如第4圖所示，聲光調變器160耦合多核心光纖110，使壓電轉換器162和吸收器164均與多核心光纖110的外表面118耦合。操作時，壓電轉換器162配置以振動而於多核心光纖110的材料中產生聲波。不擬受理論限制，光纖（例如多核心光纖110）中的聲波速度為約3.5公里/秒（km/s），故調變頻率為約3兆赫。另外，在包含吸收器164的實施例中，聲波橫越多核心光纖110的截面後，吸收器164吸收壓電轉換器162產生聲波，以限制可能導致不當折射率變化的反射。
不擬受理論限制，聲光調變器160可基於聲光效應在多核心光纖110中產生長週期光纖光柵130，聲光調變器160（例如聲光調變器160的壓電轉換器162）產生的聲波施加振盪機械壓力，進而改變透明材料（例如多核心光纖110的材料）的折射率。儘管仍不擬受理論限制，聲光調變器160產生聲波依移動膨脹與壓縮週期平面操作，以臨時改變多核心光纖110的折射率。另外，聲光調變器160可調諧以調整聲光調變器160在多核心光纖110中產生的聲波振幅和頻率，此可調整在多核心光纖110中產生的長週期光纖光柵130，例如長週期光纖光柵130的光柵週期Ω、聲波極化（即振動方向）等。此可調性容許使用者控制及改變欲耦合核心120。
現參照第5A圖至第5C 圖，所示光學系統100’包含多核心光纖110’，多核心光纖110’具有固定於多核心光纖110’的固定長週期光纖光柵130’。在上述第1圖至第4圖實施例中，長週期光纖光柵130係由調變器150選擇性可移除產生的臨時長週期光纖光柵。反之，多核心光纖110’的固定長週期光纖光柵130’固定於多核心光纖110’。例如，固定長週期光纖光柵130’可以任何已知或尚未開發的光纖光柵製造技術形成，例如化學蝕刻、雷射照射（例如UV雷射照射）等，以選擇性改變多核心光纖110’的折射率及在多核心光纖110’中形成固定長週期光纖光柵130’。第5B圖圖示多核心光纖110’沿第5A圖斷面C-C截切的X-Y截面，並包含複數個置於包層125的核心120a-120f，此類似第1圖至第4圖的多核心光纖110。
現參照第5C圖，其圖示多核心光纖110’沿第5B圖斷面D-D截切的Y-Z截面。第5C圖包括第一固定長週期光纖光柵130a’和第二固定長週期光纖光柵130b’。第一固定長週期光纖光柵130a’包含複數個第一固定折射率變化區132a’和第一光柵週期Ω a ，第二固定長週期光纖光柵130b’包含複數個第二固定折射率變化區132b’和第二光柵週期Ω b 。第一固定長週期光纖光柵130a’配置以經由直接核心對核心耦合來耦合第一核心120a與第二核心120b。特別地，第一光柵週期
Figure 02_image051
。另外，第二固定長週期光纖光柵130b’配置以經由直接核心對核心耦合來耦合第二核心120b與第三核心120c。特別地，第二光柵週期
Figure 02_image053
。應理解固定長週期光纖光柵130’可配置以具有任何光柵週期Ω，使複數個核心120中的任一個別核心與複數個核心120中的任一其他個別核心耦合（經由直接核心對核心耦合）。
現參照第6A圖至第6D圖，所示多核心光纖220包含外表面216和置於核心陣列221的包層225的複數個核心220。第6A圖至第6D圖圖示不同的示例性核心陣列221，並具有各自包含第一傳播常數β 1 的一或更多第一核心220a、各自包含第二傳播常數β 2 的一或更多第二核心220b，及在一些實施例中（第6B圖至第6D圖）具有各自包含第三傳播常數β 3 的一或更多第三核心220c。每一核心陣列221包含至少三個核心220。另外，各核心陣列221的核心220排列在多核心光纖210的包層225內，使每一個別核心的最近相鄰核心包含不同於個別核心的傳播常數。在個別核心包含多個最近相鄰核心的實施例中（即最近相鄰核心與個別核心相隔相同間隔距離），多個最近相鄰核心各自包含不同於個別核心的傳播常數。
第6A圖圖示具有一或更多第一核心220a和一或更多第二核心220b的第一核心陣列221a。第一核心陣列221a包含複數列222的核心220和複數行223的核心220。第一核心陣列221a的每一列222在個別第一核心220a與個別第二核心220b間交替。第一核心陣列221a的每一行223在個別第一核心220a與個別第二核心220b間交替。另外，第一核心陣列221a中每一列222的核心220沿X軸對準，第一核心陣列221a中每一行223的核心220沿Y軸對準。不擬受理論限制，第一核心陣列221a有助於控制所有核心及同時直接核心對核心耦合（例如，每一第一核心220a可耦合到至少一第二核心220，及/或每一第二核心220b可耦合到至少一第一核心220a），且可用於實行控制二維量子漫步。
第6B圖圖示具有一或更多第一核心220a、一或更多第二核心220b和一或更多第三核心220c的第二核心陣列221b。第一核心陣列221a包含複數列222，每一列側向偏離相鄰列（即沿X方向）。另外，每一列222的核心220在第一核心220a、第二核心220b與第三核心220c間交替，使任一個別列的至少二核心位於具相同傳播常數的核心之間。不擬受理論限制，第二核心陣列221b有助於模擬二維三角晶格和石墨烯晶格。
第6C 圖圖示具有一或更多第一核心220a、一或更多第二核心220b和一或更多第三核心220c的第三核心陣列221c。第三核心陣列221c包含複數列222，每一列側向偏離相鄰列（即沿X方向）。另外，第三核心陣列221c包含中心核心226和複數個環224的核心220，各環從中心核心226往外同心設置。第三核心陣列221c中每一環224的核心220包含相同傳播常數，同心鄰接環224的核心220包含不同傳播常數。例如，每一環224的核心220在第一核心220a、第二核心220b與第三核心220c間交替，就任一個別環224而言，至少二環224同心設置在具相同傳播常數的核心220的環224之間。不擬受理論限制，第三核心陣列221c有助於控制徑向方向的直接核心對核心耦合及協助能隙光纖模擬。
第6D圖圖示具一或更多第一核心220a、一或更多第二核心220b和一或更多第三核心220c置於單一環224的第四核心陣列221d。第四核心陣列221d包含一個環224的核心220。第四核心陣列221d的環224的核心220在第一核心220a、第二核心220b與第三核心220c間交替，使至少二核心位於具相同傳播常數的核心之間。不擬受理論限制，第四核心陣列221d有助於以環形方式模擬一維核心陣列的單向直接核心對核心耦合。
再次參照第1圖至第6D圖，操作時，所述光學系統100、100’可用於耦合多核心光纖110的核心間的光。例如，將光從多核心光纖110的第一核心120a耦合到多核心光纖110的第二核心120a的方法包含將光子產生器180產生的複數個光子引導至多核心光纖110的輸入端112，例如至多核心光纖110的輸入端112的第一核心120a內。方法亦包含使多核心光纖110與調變器150嚙合，以在多核心光纖110中產生長週期光纖光柵130。長週期光纖光柵130包含光柵週期Ω，且(2π)/(|β 1 -β 2 |)=Ω，使第一核心120a耦合第二核心120a。故當在第一核心120a傳播的複數個光子抵達長週期光纖光柵130時，複數個光子中的至少一些光子會從第一核心120a轉移到第二核心120b及從多核心光纖110的輸出端114離開第二核心120b。其次，方法包含以光子偵測器190接收複數個光子，及用光子偵測器190測量複數個光子。另外，調變器150產生的長週期光纖光柵130可調整以助於複數個核心120中的任二個核心耦合，例如調整長週期光纖光柵130的光柵週期Ω。在一示例性操作中，測量複數個核心120中二核心的耦合強度。測定耦合強度時，光子產生器180可包含窄頻雷射或超發光二極體，光子偵測器190可包含光譜分析儀。在另一示例性操作中，可進行量子漫步及用於量子演算與量子模擬開發。實例
現參照第7圖至第9圖，在一實例中，特徵模態展開技術用於數值描繪示例性多核心光纖310中具不同傳播常數的二個別核心間（第一核心320a和第二核心320b）的耦合特徵。在此實例中，第一核心320a包含傳播常數β 1 =5.88968微米-1 （μm-1 ），第二核心320b包含傳播常數β 2 =5.88742 μm-1 ，第一核心320與第二核心320b的中心間隔距離為20 μm。在此實例中，第一核心320a與第二核心320b橫越1278.263 μm的光柵週期
Figure 02_image141
後將引發折射率變化±δn 。如第7圖所示，光柵週期
Figure 02_image141
等半對分成正折射率變化+δn 和負折射率變化-δn 。特徵模態展開法可用於找尋第一核心320a和第二核心320b的各折射率截面（即光柵週期
Figure 02_image141
的±δn 截面）的導模和非導模。特別地，特徵模態展開法使用第一核心320a和第二核心320b的各折射率截面的正切E與H場連續性來測定在光柵週期
Figure 02_image141
內（即單一光柵週期內）引發的反射係數和傳輸係數，及測定光柵週期
Figure 02_image141
的散射矩陣。一旦取得單一週期的散射矩陣，便可測定多個光柵週期的反射係數與傳輸係數和散射矩陣（例如多次重複光柵週期
Figure 02_image141
）。
第8圖圖示在第一核心320a與第二核心320b間傳輸的曲線圖50。曲線圖50的線52繪示從第二核心320b傳輸到第一核心320a，曲線圖50的線54繪示從第一核心320a傳輸到第二核心320b。特別地，曲線圖50圖示當包含波長1550奈米（nm）的複數個光子（即光）引導到第一核心320a時，光傳播通過156個光柵週期
Figure 02_image141
後，可達成從第一核心320a到第二核心320b的最大功率耦合，此如線55所示。在此實例中，156個週期的長度相當於耦合長度約20公分（cm）。耦合長度和光柵幾何形狀在此實例為設計供波長1550 nm的光運作。
第9圖圖示沿1540 nm至1560 nm波長範圍以156個光柵週期
Figure 02_image141
耦合的波長響應曲線圖60。曲線圖60的線62繪示沿1540 nm至1560 nm波長範圍以156個光柵週期
Figure 02_image141
從第二核心320b傳輸到第一核心320a並依0.5 nm增量測量。曲線圖60的線64繪示沿1540 nm至1560 nm波長範圍以156個光柵週期
Figure 02_image141
從第一核心320a傳輸到第二核心320b並依0.5 nm增量測量。另外，曲線圖60的線65顯示最大耦合在1550 nm處達成，此與第8圖曲線圖50所示測量和耦合模態方程式預測一致。
為描述及定義本發明技術，應注意本文提及變數係參數或另一變數的「函數」並非意指該變數僅為所列參數或變數的函數。而是所謂變數乃所列參數的函數擬具開放性，使該變數得為單一參數或複數個參數的函數。
亦應注意本文列舉「至少一」部件、元件等不應用來推斷替代使用冠詞「一」應限於單一部件、元件等。
注意本文提及本發明部件以特定方式「配置」以體現特定性質或以特定方式發揮功能屬結構敘述、而非擬定用途敘述。更特定言之，本文提及部件的「配置」方式表示部件的現有物理條件，故應視為明確敘述部件結構特徵。
為描述及定義本發明技術，應注意術語「實質」和「約」在此表示任何定量比較、數值、測量或其他表述引起的固有不確定程度。術語「實質」和「約」在此亦表示定量表述可偏離指定參考值、又不致改變論述主題標的的基本功能的程度。
本發明標的已參照特定實施例詳細說明，應注意本文所述各種細節不應視為暗示該等細節與所述各種實施例的必要部件的元件有關，即使說明書的每一附圖皆圖示特定元件的情形亦然。另外，顯然可在不脫離本發明範圍下進行潤飾及修改，包括、但不限於後附申請專利範圍定義的實施例。更特定言之，儘管本文認為本發明的一些態樣為較佳或特別有利，然當明白本發明不必然限於該等態樣。
注意一或更多下列請求項採用術語「其中」做為轉折用語。為定義本發明技術，注意此術語用於請求項當作開放式轉折用語來引述一連串結構特徵，且應以類似更常用的開放式前置術語「包含」的方式解釋。
50,60:曲線圖 52,54,55,62,64,65:線 100,100’:光學系統 110,110’:多核心光纖 112:輸入端 114:輸出端 116,118:外表面 120,120a~120g:核心 125:包層 130,130a,130b,130’,130a’,130b’:長週期光纖光柵 132,132a,132b,132a’,132b’:折射率變化區 150:調變器 152:機械調變器 154,156:板部 155:鉸齒 160:聲光調變器 162:壓電轉換器 164:吸收器 180:光子產生器 190:光子偵測器 210:多核心光纖 216:外表面 220,220a~220c:核心 221,221a~221d:核心陣列 222:列 223:行 224:環 225:包層 226:中心核心 310:多核心光纖 320a,320b:核心
本發明在配合參閱附圖後將可更清楚理解以下特定實施例詳細說明，其中相同的結構以相同的元件符號表示，其中：
第1圖圖示根據所示及所述一或更多實施例的光學系統，包括光子產生器、多核心光纖、調變器和光子偵測器；
第2A圖圖示根據所示及所述一或更多實施例，第1圖多核心光纖沿斷面A-A截切的X-Y截面；
第2B圖圖示根據所示及所述一或更多實施例，第1圖多核心光纖沿斷面B-B截切的Y-Z截面，具有具第一光柵週期的第一長週期光纖光柵和具第二光柵週期的第二長週期光纖光柵；
第3圖圖示根據所示及所述一或更多實施例的第1圖調變器實施例，包含機械調變器；
第4圖圖示根據所示及所述一或更多實施例的第1圖調變器實施例，包含聲光調變器；
第5A圖圖示根據所示及所述一或更多實施例的光學系統，包括光子產生器、具一或更多固定長週期光纖光柵的多核心光纖和光子偵測器；
第5B圖圖示根據所示及所述一或更多實施例，第5A圖多核心光纖沿斷面C-C截切的X-Y截面；
第5C圖圖示根據所示及所述一或更多實施例，第5A圖多核心光纖沿斷面D-D截切的Y-Z截面，具有具第一光柵週期的第一固定長週期光纖光柵和具第二光柵週期的第二固定長週期光纖光柵；
第6A圖圖示根據所示及所述一或更多實施例，包含第一核心陣列的多核心光纖的X-Y截面；
第6B圖圖示根據所示及所述一或更多實施例，包含第二核心陣列的多核心光纖的X-Y截面；
第6C圖圖示根據所示及所述一或更多實施例，包含第三核心陣列的多核心光纖的X-Y截面；
第6D圖圖示根據所示及所述一或更多實施例，包含第四核心陣列的多核心光纖的X-Y截面；
第7圖圖示根據所示及所述一或更多實施例，具有第一核心和第二核心的示例性多核心光纖；
第8圖圖示根據所示及所述一或更多實施例，就單一波長，第7圖多核心光纖的核心間沿一些光柵週期傳輸；及
第9圖圖示根據所示及所述一或更多實施例，就單一光柵週期，第7圖多核心光纖的核心間沿一波長範圍傳輸。
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100:光學系統
110:多核心光纖
112:輸入端
114:輸出端
116:外表面
150:調變器
180:光子產生器
190:光子偵測器

Claims (23)

  1. 一種多核心光纖，包含： 複數個核心，置於一包層，其中：該複數個核心包含一第一核心和一第二核心；及該第一核心包含一第一傳播常數β 1 ，該第二核心包含一第二傳播常數β 2 ，該包層包含一包層傳播常數β 0 ，且
    Figure 03_image001
    。
  2. 如請求項1所述之多核心光纖，其中： 該第一核心和該第二核心包含一模態失配M 12 ；
    Figure 03_image003
    ，其中C 12 係用於耦合該第一核心與該第二核心的一耦合係數；及M 12 大於10。
  3. 如請求項1或2所述之多核心光纖，其中該複數個核心的每一核心係一單模核心。
  4. 如請求項1或2所述之多核心光纖，其中該複數個核心的每一核心包含一不同傳播常數。
  5. 一種光學系統，包含： 如請求項1或2之該多核心光纖；及一調變器，與該多核心光纖嚙合，其中：該調變器與該多核心光纖嚙合而在該多核心光纖中產生包含一光柵週期Ω的一長週期光纖光柵；及當(2π)/(|β 1 -β 2 |)=Ω時，該第一核心耦合該第二核心。
  6. 如請求項5所述之光學系統，其中該調變器包含一機械調變器，與該多核心光纖物理嚙合以施加壓力至該多核心光纖的一外表面。
  7. 如請求項6所述之光學系統，其中： 該機械調變器包含一第一板部和一第二板部；該第一板部、該第二板部或二者包含複數個週期間隔鉸齒；該第一板部、該第二板部或二者可朝彼此平移；及該多核心光纖與該機械調變器嚙合包含利用該第一板部和該第二板部，施加物理壓力至該多核心光纖。
  8. 如請求項5所述之光學系統，其中： 該調變器包含一聲光調變器；該聲光調變器包含一壓電轉換器；及該多核心光纖與該聲光調變器嚙合包含利用該壓電轉換器，在該多核心光纖中產生一聲波。
  9. 如請求項5所述之光學系統，進一步包含光學耦合該多核心光纖的一輸入端的一光子產生器和光學耦合該多核心光纖的一輸出端的一光子偵測器。
  10. 如請求項1或2所述之多核心光纖，進一步包含包含一光柵週期Ω的一長週期光纖光柵，其中(2π)/(|β 1 -β 2 |)=Ω。
  11. 如請求項1或2所述之多核心光纖，其中該第一核心與該第二核心間的一消光比為20 dB或以上。
  12. 如請求項1或2所述之多核心光纖，其中該多核心光纖的一整體裝置尺寸小於30 cm。
  13. 如請求項1所述之多核心光纖，其中： 該複數個核心包含至少三個核心；及該至少三個核心包括各具該第一傳播常數β 1 的一或更多第一核心和各具該第二傳播常數β 2 的一或更多第二核心。
  14. 如請求項13所述之多核心光纖，其中： 該至少三個核心包括各具一第三傳播常數β 3 的一或更多第三核心；及該第三傳播常數β 3 不同於該第一傳播常數β 1 與該第二傳播常數β 2 。
  15. 如請求項13或14所述之多核心光纖，其中該至少三個核心排列在該多核心光纖的該包層內，使每一個別核心的一最近相鄰核心包含不同於該個別核心的一傳播常數。
  16. 一種多核心光纖，包含： 複數個核心，置於一包層，其中：該複數個核心包含一第一核心、一第二核心和一第三核心；該第一核心包含一第一傳播常數β 1 ，該第二核心包含一第二傳播常數β 2 ，該第三核心包含一第三傳播常數β 3 ，該包層包含一包層傳播常數β 0 ，且
    Figure 03_image001
    ；該第一核心和該第二核心包含一模態失配M 12 ；
    Figure 03_image003
    ，其中C 12 係用於耦合該第一核心與該第二核心的一耦合係數；及M 12 大於10。
  17. 如請求項16所述之多核心光纖，其中：
    Figure 03_image143
    ；
    Figure 03_image145
    ；該第一核心和該第三核心包含一模態失配M 13 ；
    Figure 03_image147
    ，其中C 13 係用於耦合該第一核心與該第三核心的一耦合係數；該第二核心和該第三核心包含一模態失配M 23 ；
    Figure 03_image149
    ，其中C 23 係用於耦合該第二核心與該第三核心的一耦合係數；及M 13 與M 23 均大於10。
  18. 如請求項16或17所述之多核心光纖，其中該複數個核心的每一核心係一單模核心。
  19. 一種將光從一多核心光纖的一第一核心耦合到該多核心光纖的一第二核心的方法，該方法包含以下步驟： 將一光子產生器產生的複數個光子引導至複數個核心的該第一核心，該光子產生器光學耦合該多核心光纖的一輸入端，該多核心光纖包含置於一包層的該複數個核心，其中：該複數個核心包含該第一核心和該第二核心；及該第一核心包含一第一傳播常數β 1 ，該第二核心包含一第二傳播常數β 2 ，該包層包含一包層傳播常數β 0 ，且
    Figure 03_image001
    ；及使該多核心光纖與一調變器嚙合，以在該多核心光纖中產生包含一光柵週期Ω的一長週期光纖光柵，其中(2π)/(|β 1 -β 2 |)=Ω，使該第一核心耦合該第二核心。
  20. 如請求項19所述之方法，其中： 該第一核心和該第二核心包含一模態失配M 12 ；
    Figure 03_image003
    ，其中C 12 係用於耦合該第一核心與該第二核心的一耦合係數；及M 12 大於10。
  21. 如請求項19或20所述之方法，其中該調變器包含一機械調變器，使該多核心光纖與該機械調變器嚙合之步驟包含以下步驟：利用該機械調變器，施加物理壓力至該多核心光纖的一外表面。
  22. 如請求項19或20所述之方法，其中該調變器包含一聲光調變器，該聲光調變器包含一壓電轉換器，使該多核心光纖與該聲光調變器嚙合之步驟包含以下步驟：利用該壓電轉換器，在該多核心光纖中產生一聲波。
  23. 如請求項19或20所述之方法，其中： 該複數個核心包含至少三個核心；該至少三個核心包括各具該第一傳播常數β 1 的一或更多第一核心、各具該第二傳播常數β 2 的一或更多第二核心和各具一第三傳播常數β 3 的一或更多第三核心；該第三傳播常數β 3 不同於該第一傳播常數β 1 與該第二傳播常數β 2 ；及該至少三個核心排列在該多核心光纖的該包層內，使每一個別核心的一最近相鄰核心包含不同於該個別核心的一傳播常數。
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