Ukrainian Journal of Physical Optics


2026 Volume 27, Issue 3


ISSN 1816-2002 (Online), ISSN 1609-1833 (Print)

STRUCTURALLY ADAPTIVE MULTILAYER RING-CORE OPTICAL FIBER FOR HYBRID OPTOELECTRONIC SENSING AND CONTROL

Angelsky, O. , Strynadko, M., Zenkova, C., Zaiats, R., Xinzheng, Zh., Jun, Zh. and Cai, J.

Author Information
1,3Angelsky, O.  ORCID logo SCOPUS logo, 1Strynadko, M. ORCID logo SCOPUS logo, 1Zenkova, C. ORCID logo SCOPUS logo, 1Zaiats, R. SCOPUS logo, 2Xinzheng, Zh., 3*Jun, Zh., 3Cai, J. SCOPUS logo,
1Yuriy Fedkovych Chernivtsi National University, Chernivtsi, Ukraine
2Nankai University, Tianjin, China
3Taizhou Institute of Zhejiang University, Taizhou, China
*Corresponding author: dbzj@netease.com

ABSTRACT

We propose a structurally adaptive multilayer ring-core optical fiber design for hybrid optoelectronic sensing and control in compact fiber-cable links. The architecture features a protected central single-mode channel for data transmission, an auxiliary ring channel for sensing, and a programmable ring channel whose optical transmission can be electrically tuned via an adjacent conductor structure coupled to an active material region. We create a modeling workflow to evaluate channel isolation, electrode placement, and the feasibility of electrically driven actuation in the telecom band, as well as to identify practical design settings for multifunctional operation. The numerical results show that selective control of the programmable ring channel is possible while maintaining the integrity of the data backbone and sensing channel, supporting the use of such fibers as integrated tethers for robotics and distributed sensing systems.

Keywords: structurally adaptive fiber, multilayer ring-core fiber, hybrid fiber-cable, phase-change materials, electrically actuated optical conditioning, channel isolation; integrated sensing and control, robotic tether

UDC: 681.7.068

    1. Ferreira, M. F., Rehan, M., Mishra, V., Varshney, S. K., Poletti, F., Phuoc Trung Hoa, N., ... & Reitzenstein, S. (2025). Roadmap on specialty optical fibers. Journal of Physics: Photonics, 7(1), 012501.
      doi:10.1088/2515-7647/ad6b19
    2. Schuster, K., Unger, S., Aichele, C., Lindner, F., Grimm, S., Litzkendorf, D., Kobelke, J., Bierlich, J., Wondraczek, K., & Bartelt, H. (2014). Material and technology trends in fiber optics. Advanced Optical Technologies, 3(4), 447-468.
      doi:10.1515/aot-2014-0010
    3. Li, S., & Wang, J. (2014). A compact trench-assisted multi-orbital-angular-momentum multi-ring fiber for ultrahigh-density space-division multiplexing (19 rings× 22 modes). Scientific reports, 4(1), 3853.
      doi:10.1038/srep03853
    4. Vigneswaran, D., Mani Rajan, M. S., Aly, M. H., & Rashed, A. N. Z. (2019). Few-mode ring core fiber characteristics: temperature impact. Photonic Network Communications, 37(1), 131-138.
      doi:10.1007/s11107-018-0804-6
    5. Wuttig, M., & Yamada, N. (2007). Phase-change materials for rewriteable data storage. Nature Materials, 6(11), 824-832.
      doi:10.1038/nmat2009
    6. Zhou, W., Farmakidis, N., Feldmann, J., Li, X., Tan, J., He, Y., Wright, C. D., Pernice, W. H. P., & Bhaskaran, H. (2022). Phase-change materials for energy-efficient photonic memory and computing. MRS Bulletin, 47(5), 502-510.
      doi:10.1557/s43577-022-00358-7
    7. Zhang, Y., Chou, J. B., Li, J., Li, H., Du, Q., Yadav, A., ... & Hu, J. (2019). Broadband transparent optical phase change materials for high-performance nonvolatile photonics. Nature communications, 10(1), 4279.
      doi:10.1038/s41467-019-12196-4
    8. Aryana, K., Kim, H. J., Islam, R., Hong, N., Popescu, C.-C., Makarem, S., Gu, T., Hu, J., Hopkins, P.E. (2023). Optical and thermal properties of Ge2Sb2Te5 thin films for photonic devices. Optical Materials Express, 13, 3277-3291.
      doi:10.1364/OME.503178
    9. Liu, Z., Li, X., Cheng, S., Li, Y., Jin, W., Zhang, Y., Li, S., Lotnyk, A., & Yuan, L. (2023). All-optical nonvolatile optical modulator for in-fiber operation. Nanophotonics, 12(15), 3179-3187.
      doi:10.1515/nanoph-2023-0212
    10. Sawant, R., Albanese, A., Rogemont, A., Gonzalez‐Cortes, G., Brûlé, Y., Karam, L., Jager J.-B., Malhouitre S., Charbonnier B., Coillet A., Noé P., & Cluzel, B. (2025). High‐Endurance and Energy‐Efficient All‐Optical Programming of Scalable Silicon Waveguides with Integrated Phase‐Change Material Patches. Advanced Optical Materials, 13(25), e00775.
      doi:10.1002/adom.202500775
    11. Lian, Z., Segura, M., Podoliak, N., Feng, X., White, N., Horak, P., & Loh, W. H. (2014, March). Electrical current-driven dual-core optical fiber with embedded metal electrodes. In Optical Fiber Communication Conference (pp. Tu3K-3). Optica Publishing Group.
      doi:10.1364/OFC.2014.Tu3K.3
    12. Lian, Z., Segura, M., Podoliak, N., Feng, X., White, N., & Horak, P. (2014). Nanomechanical optical fiber with embedded electrodes actuated by joule heating. Materials, 7(8), 5591-5602.
      doi:10.3390/ma7085591
    13. Angelsky, O. V., Bekshaev, A. Y., Zenkova, C. Y., Ivansky, D. I., & Zheng, J. (2022). Correlation optics, coherence and optical singularities: Basic concepts and practical applications. Frontiers in Physics, 10, 924508.
      doi:10.3389/fphy.2022.924508
    14. Angelsky, O. V., Bekshaev, A. Y., Vasnetsov, M. V., Zenkova, C. Y., Maksimyak, P. P., & Zheng, J. (2022). Optical phase singularities: Physical nature, manifestations and applications. Frontiers in Physics, 10, 1060787.
      doi:10.3389/fphy.2022.1060787
    15. Angelsky, O. V., Zenkova, C. Y., Hanson, S. G., Ivansky, D. I., Tkachuk, V. M., & Zheng, J. (2021). Random object optical field diagnostics by using carbon nanoparticles. Optics Express, 29(2), 916-928.
      doi:10.1364/OE.411118

    У роботі запропоновано концепцію структурно-адаптивного багатошарового оптичного волокна з кільцевими каналами для гібридних оптоелектронних задач сенсорики та керування у компактних волоконно-кабельних лініях. Архітектура поєднує захищений центральний одномодовий канал для передавання даних, допоміжний кільцевий канал для сенсорики та програмований кільцевий канал, оптичне пропускання якого можна електрично регулювати завдяки провідниковій структурі, розташованій поблизу цього кільця та поєднаній з активною областю матеріалу. Розроблено модельний підхід для оцінювання ізоляції каналів, чутливості до розміщення електродів і можливості електричного збудження в телекомунікаційному діапазоні, а також для визначення практичних конструкційних меж багатофункціональної роботи. Чисельні результати вказують на можливість селективного керування програмованим кільцевим каналом зі збереженням цілісності каналу передачі даних і сенсорного каналу, що обґрунтовує використання таких волокон, як інтегрованих тросів для робототехніки та розподілених сенсорних систем.

    Ключові слова: структурно-адаптивне волокно, багатошарове волокно з кільцевою серцевиною, гібридний волоконно-кабельний зв'язок, фазозмінні матеріали, електрично кероване оптичне кондиціювання, ізоляція каналів, інтегрована сенсорика та керування, робототехнічний трос

Free download this article 

This work is licensed under CC BY 4.0