This dissertation describes principles, fabrications, evaluations, and applications of all-fiber Acousto-Optic(AO) devices based on optical mode coupling by a flexural acoustic wave. Three different types of AO devices are described, which use a two-mode fiber(TMF), a fused tapered null coupler, and a single-mode fiber, respectively. Main emphasis is on their spectral characteristics and polarization properties and applications to fiber lasers.
Spectral bandwidths of a few nm and tuning ranges of a few tens nm are typically achieved. Polarization dependence of the TMF device using a slightly elliptical-core fiber is greatly reduced by canceling out the geometrical and the stress-induced birefringences by thermal treatment of the fiber. A double-pass configuration using the null-coupler AO device is employed to realize polarization-independent filtering without optical frequency shift. Using multiple cladding modes, a multi-frequency operation of the notch filter based on the single-mode fiber is introduced for electronically controllable designer spectral profiles.
Acousto-optic interaction in the TMF AO device is analyzed by using a coupled mode analysis and the acoustic waveguide equation. A new coaxial acoustic transducer is developed to improve the electrical-to-acoustic conversion efficiency and device's ruggedness required to make it practical.
Wavelength tunable modeless $Nd^{3+}$- and $Er^{3+}$-doped fiber lasers are de-monstrated by incorporating the AO devices in the cavity. Key factors governing the operation of wavelength-swept fiber lasers using swept AO filters are investigated both theoretically and experimentally, which shows that matching the filter sweep rate to the frequency shift per roundtrip gives a reduction in the instantaneous linewidth. It is also shown that a large amplified spontaneous emission noise suppresses the natural tendency of the frequency-shifted fiber lasers to pulsing associated with the nonlinear Kerr effect.
본 논문에서는 광통신 및 광센서 시스템에서 응용될 수 있는 광섬유 음향 광학 소자의 원리, 제작, 특성 및 응용 연구 결과를 기술하였다.
이 소자는 광섬유를 따라 진행하는 음파에 의해 발생하는 두 광 모드간의 결합을 이용한다. 광섬유를 진행하는 음파는 그 파장과 같은 주기로 굴절률변화(격자)를 유도한다. 모드결합은 격자의 주기와 광섬유를 지나는 두 빛-모드-의 맥놀이 길이가 같을때 가장 효율적으로 일어나는데, 맥놀이 길이는 광 파장의 함수이므로 파장마다 모드결합 효율이 다르게 된다. 따라서 이 소자는 파장필터의 역할을 할 수 있으며 음파 주파수에 따라 필터의 중심파장을 바꿀 수 있는 특성을 가진다. 또한 도플러 효과에 의해 모드결합이 일어날때 빛의 주파수가 바뀌므로 주파수 변환기로 사용 될 수 있다.
이중모드 광섬유를 이용하는 소자는 $LP_01,LP_11$ 모드의 결합을 이용한다. 광섬유에 효율적으로 음파를 전달하는 새로운 형태의 음파 발생기가 개발되었다. 제작된 소자들은 수 MHz영역의 음파 주파수에서 동작하며, 수 nm의 필터 폭을 갖고 수 십 nm영역에서 가변되었다. 광섬유의 모드 특성을 분석하며 음향광학 소자가 가지는 편광 의존성의 원인을 이해하였고, 광섬유를 열처리하여 광섬유 내부의 잔여 응력에 의한 효과와 코어 모양에 효과를 서로 상쇄시켜 편광 의존성을 줄일 수 있었다.
비대칭 광 결합기를 이용하는 소자에서는 서로 다른 광섬유가 녹여 붙여 늘려진 영역에 음파를 전달하여 모드결합이 일어나도록 한다. 결합된 두 개의 모드는 각각 다른 광섬유로 분리되어 전파되므로 이 소자는 2×2스위치로 사용될 수 있다. 새롭게 구성된 소자에 주파수 두 개를 인가하여 파장 의존성이 없고 주파수 변환이 없는 파장 필터를 구현하였다. 또, 두 편광의 주파수를 다르게 변환시켜서 출력 편광 상태가 시간에 따라 변하는 편광 변조기를 구성하였다.
단일모드 광섬유를 사용하는 소자는 $LP_01$모드와 클래딩모드 사이의 결합을 이용한다. 결합된 클래딩모드는 재킷에서 흡수되므로 이 소자는 특정 파장영역을 제거하는 필터로 사용될 수 있으며, 광 손살과 편광 의존성이 적은 장점이 있다. 이 소자에 여러 개의 주파수를 동시에 인가하여 다수의 클래딩 모드로 빛을 결합시켜서 필터 모양을 전기적으로 손쉽게 제어할 수 있는 방법을 제시하였다.
음향광학 소자를 이용한 광섬유 레이저가 구현되었다. 레이저 공진기 안에 주파수 변환기가 있는 경우 기존의 레이저와는 다른 출력 특성이 얻어진다. 시뮬레이션과 실험을 통해 동작조건에 따라 종모드가 없는 연속발진이 얻어지거나 또는 짧은 펄스가 얻어질 수 있음을 보였다. 특히 이득 매질의 자발 방출광이 큰 경우 높은 광 출력에서도 펄스 발생이 억제됨을 밝혔다. 파장가변 필터, 편광 변조기를 공진기 내에 이용하여 파장가변 레이저, 편광 변조레이저를 구현하였다. 또한, 좁은 선폭의 빛을 주파수 변환기가 있는 레이저 공진기에 주사하여 여러 주파수 성분을 갖는 출력을 얻었다.
레이저 공진기 안에 있는 파장필터의 중심 주파수를 변조시키면 연속적으로 파장이 변하는 출력이 얻어진다. 이 때 주파수 변환기를 이용해 공진기 내의 빛의 주파수를 필터의 중심 주파수의 변화에 맞추어서 변환시켜 주면 보다 좁은 순간선폭을 얻을 수 있다. 이 원리를 이용해서 선폭 0.2 nm 이하, 파장 변조영역 20 nm 이상, 변조시간 5 ms 이하를 갖는 광섬유 레이저를 구현하였다. 공진기에서 주파수 변환이 일어나므로 종모드 구조를 갖고 있지 않으며, 자발 방출광의 세기를 크게 하여 100 mW의 센광 출력을 가지면서도 연속발진하는 출력을 얻었다. 이런 레이저는 넓은 파장 영역을 이용하는 센서, 특히 광섬유 브래그 격자를 이용한 센서 등에 응용 가능하다.
