Ukrainian Journal of Physical Optics


2026 Volume 27, Issue 5


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

INTERFERENCE-BASED MODAL SELECTION IN A FINITE MULTILAYER RING-CORE WAVEGUIDE

Strynadko, M., Zenkova, C. and Zhang, X.

Author Information
Strynadko, M. ORCID logo, Zenkova, C. ORCID logo, Zhang, X. ORCID logo
1Yuriy Fedkovych Chernivtsi National University, 2 Kotsiubynskoho St., Chernivtsi 58002, Ukraine
2The MOE Key Laboratory of Weak-Light Nonlinear Photonics and International Sino-Slovenian Joint Research Center on Liquid Crystal Photonics, TEDA Institute of Applied Physics and School of Physics, Nankai University, 94, Weijin Road, Tianjin, 300071, China
* Corresponding author: m.strinadko@chnu.edu.ua

ABSTRACT

Selective transmission of a prescribed orbital angular momentum (OAM)-compatible guided family in a ring-core fiber is complicated by neighboring vector modes with comparable propagation characteristics. We consider a finite, longitudinally uniform multilayer ring-core segment in which the radial refractive-index profile controls phase accumulation and subsequent recombination of guided modal components. The structure is described using a full-vector cylindrical Maxwell model combined with interface mode matching and an open-guided treatment of radiative components. For the optimized five-layer segment at =1550 nm, the selected HE21-based OAM-com¬patible guided family reaches a same-mode guided output transmission of Tt≈0.83, whereas the largest transmission among the competing HE11, TE01, and TM01 modes is Tworst≈0.01. This corresponds to a modal extinction ratio (MER) of 19.28 dB. The calculated waveguide/modal selectivity interval is approximately 1548.254–1554.432 nm under fixed refractive indices, while fabrication-induced detuning can be partly compensated by adjusting the segment length. These results demonstrate that a finite-length radially multilayered ring-core fiber section can provide interference-based selective transmission of a prescribed guided modal family

Keywords: ring-core fiber, orbital angular momentum, multilayer waveguide, modal interference, mode selectivity

UDC: 681.7.068

    1. 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, Opt Express, 29(2), 916-928.
      doi:10.1364/OE.411118
    2. Ramachandran, S., Kristensen, P., & Yan, M. F. (2013). Optical vortices in fiber. Nanophotonics, 2, 455-474.
      doi:10.1515/nanoph-2013-0047
    3. Bozinovic, N., Yue, Y., Ren, Y., Tur, M., Kristensen, P., Huang, H., Willner, A. E., & Ramachandran, S. (2013). Terabit-scale orbital angular momentum mode division multiplexing in fibers. Science, 340, 1545-1548.
      doi:10.1126/science.1237861
    4. Brunet, C., Ung, B., Wang, L., Messaddeq, Y., LaRochelle, S., & Rusch, L. A. (2015). Design of a family of ring-core fibers for OAM transmission studies. Optics Express, 23, 10553-10563.
      doi:10.1364/OE.23.010553
    5. Zhu, G., Hu, Z., Wu, X., Du, C., Luo, W., Chen, Y., Cai, X., Liu, J., Zhu, J., & Yu, S. (2018). Scalable mode division multiplexed transmission over a 10-km ring-core fiber using high-order orbital angular momentum modes. Optics Express, 26, 594-604.
      doi:10.1364/OE.26.000594
    6. Feng, F., Jin, X., O'Brien, D., Payne, F., Jung, Y., Kang, Q., Barua, P., Sahu, J. K., Alam, S.-U., Richardson, D. J., & Wilkinson, T. D. (2017). All-optical mode-group multiplexed transmission over a graded-index ring-core fiber with single radial mode. Optics Express, 25, 13773-13781.
      doi:10.1364/OE.25.013773
    7. Tu, J., Lu, Q., Wang, Z., Gao, S., Liu, W., Yu, C., Li, Z., & Lu, C. (2021). Mode analysis of orbital angular momentum modes carrying multi-mode ring-core fibers. Optics Communications, 499, 127314.
      doi:10.1016/j.optcom.2021.127314
    8. Lu, Q., Tu, J., Wang, Z., Gao, S., Zhou, J., Xiao, Q., Shen, L., Lan, X., Liu, W., & Li, Z. (2022). Spin-orbit coupling suppressed high-capacity dual-step-index ring-core OAM fiber. Optics Letters, 47, 1141-1144.
      doi:10.1364/OL.451683
    9. Liu, Y., Wang, Y., Geng, W., Zhao, W., Zhang, H., Zhang, W., Pan, Z., & Yue, Y. (2023). Parabolic-index ring-core fiber supporting high-purity orbital angular momentum modes. Sensors, 23, 3641.
      doi:10.3390/s23073641
    10. Bai, X., Chen, H., Zhuang, Y., & Cao, H. (2020). A new type Bragg fiber for supporting 50 orbital angular momentum modes. Optik, 219, 165153.
      doi:10.1016/j.ijleo.2020.165153
    11. Sayed, R., Khaleque, A., Shaha, K. S. R., Kabir, M. A., & Aoni, R. A. (2025). Dual step-index ring core antiresonant fiber for broadband transmission of numerous OAM modes with high purity and quality. Optical Materials Express, 15, 379-394.
      doi:10.1364/OME.551361
    12. Zhou, J. (2015). OAM states generation/detection based on the multimode interference effect in a ring core fiber. Optics Express, 23(8), 10247-10258.
      doi:10.1364/OE.23.010247
    13. Wu, G., Wu, X., Gao, S., Tu, J., Zhou, J., Sui, Q., Liu, W., & Li, Z. (2022). Multi-channel higher-order OAM generation and switching based on a mode selective interferometer. Optics Express, 30(14), 25093-25102.
      doi:10.1364/OE.463398
    14. Tsao, C. Y. H., Payne, D. N., & Gambling, W. A. (1989). Modal characteristics of three-layered optical fiber waveguides: A modified approach. Journal of the Optical Society of America A, 6, 555-563.
      doi:10.1364/JOSAA.6.000555
    15. Brunet, C., Ung, B., Bélanger, P.-A., Messaddeq, Y., LaRochelle, S., & Rusch, L. A. (2014). Vector mode analysis of ring-core fibers: Design tools for spatial division multiplexing. Journal of Lightwave Technology, 32, 4046-4057.
      doi:10.1109/JLT.2014.2361432
    16. Brunet, C., Bélanger, P.-A., & Rusch, L. A. (2016). Exact expressions for vector mode cutoff in three-layer step-index fibers. Journal of Lightwave Technology, 34, 3094-3102.
      doi:10.1109/JLT.2016.2561975
    17. Snyder, A. W., & Love, J. D. (1983). Optical Waveguide Theory. Chapman and Hall, London.
    18. Strynadko, M. (2026). Vector modes of a ring-core optical fiber: A Maxwell-based tutorial derivation with physical interpretation. Preprints.
      doi:10.20944/preprints202607.0949.v1

    Запропоновано скінченний поздовжньо однорідний багатошаровий кільцево-серцевинний сегмент для пасивної селекції заданого сімейства спрямований мод. Фізичний механізм селекції ґрунтується на розкладанні вхідної моди за власними модами багатошарової ділянки, накопиченні ними різних фаз на скінченній довжині та когерентній рекомбінації на вихідній межі. Для аналізу використано повновекторну модель на основі рівнянь Максвелла, узгодження мод на межах та врахування радіаційних компонент у моделі відкритого хвилеводу. Для оптимізованої п’ятишарової структури H–L–H–L–H при довжині хвилі 1550 нм отримано потужність цільового HE21-сумісного з орбітальним моментом імпульсу сімейства близько 0,83, тоді як передавання конкурентних HE11, TE01 і TM01 мод становить близько 0,01 або менше. Відповідне модове відношення екстинкції становить приблизно 19 дБ. Розрахований інтервал хвилеводно-модової селективності охоплює приблизно 1548,25–1554,43 нм за фіксованих показників заломлення. Аналіз технологічних відхилень показує високу фазову чутливість структури, однак повторне підстроювання довжини сегмента частково відновлює модову селективність. Отримані результати показують, що радіальне багатошарове структурування може використовуватися як інтерференційний ступінь свободи для селекції спрямований мод у скінченних волоконних сегментах.

    Ключові слова: кільцево-серцевинне оптоволокно, орбітальний момент імпульсу, багатошаровий хвилевід, модова інтерференція, модова селекція

Free download this article Download Supplementary_Materials 

This work is licensed under CC BY 4.0