The characteristics of a nonlinear lightwave propagation in a birefringent fiber and their influences on the nonlinear switching device using the Sagnac type loop mirror are discussed. The polarization dynamics and nonlinear phase evolutions of the lightwave are studied by numerical method using the coupled nonlinear Schrödinger equations. The nonlinear phase evolution properties become important when studying the interferometric nonlinear switching devices although they are not so important when studying propagation dynamics only. It is newly found that a lightwave experiences different nonlinear phase accumulation depending on its input polarization state. As a dramatic example, a linearly polarized lightwave experiences 3/2 times more nonlinear phase accumulation than a circularly polarized one in an isotropic fiber. Nonlinear polarization dynamics both in the continuous wave(CW) and solitonlike pulse regimes, polarization mode delay(PMD) effect induced pulse splitting, and trapping by nonlinear effects are also discussed because they influence on the characteristics of the nonlinear switching devices.
The birefringence effects on the self-switching devices using the nonlinear birefringent loop mirror are discussed. As a preliminary work, the birefringent loop mirror in the linear regime is discussed focusing on the total reflection and transmission conditions which are essential for high switching contrast of the nonlinear switching devices and on the PMD effect. Exploiting the PMD effect in the linear birefringent loop mirror, a new polarization independent optical differentiation is devised. In the nonlinear regime, a new scheme of the self-switching device using the nonlinear birefringence effect on the optical loop mirror is proposed. The switching principles of the schemes proposed by us and by Kuzin et al. are explained and compared. The switching characteristics of the proposed nonlinear birefringent loop mirrors(NBLM's) for the CW and solitonlike pulses are investigated for various values of birefringence, which are related with the design parameters. The PMD effect on the NBLM's is found to be detrimental in the switching action of the NBLM and thus should be avoided. On the contrary, the nonlinear differential filtering using the PMD effect on the NBLM is proposed to be used in the noiselike pulse generation in a fiber laser. Due to the pulse breaking-up and spiking effect of this device, it can be used to promote generation of noiselike pulses.
The noiselike pulse generation in a fiber laser using the proposed nonlinear filtering with NBLM exploiting the PMD effect is demonstrated experimentally. In case of long cavity(~200 m), it is observed that the laser using the NBLM preferred generating noiselike pulses to solitonlike pulses. The observation that output spectral width is broadened by changing the total cavity dispersion from negative value to slightly positive value is addressed.
본 논문에서는 비선형 복굴절 광섬유에서의 빛의 전파 특성 및 이들이 Sagnac 형태의 비선형 소자에 끼치는 영향을 다루고 있다. 비선형 빛의 편광 전파 및 비선형 위상 전파특성을 비선형 슈뢰딩거 방정식을 이용한 전산 시늉을 통하여 연구하였다. 빛의 전파 특성만을 연구할 때는 비선형 위상 전파 특성은 중요하지 않지만, 비선형 스위칭 소자들은 연구할 때는 이 소자들이 주로 간섭계형이어서 비선형 위상 전파 특성도 중요해진다. 본 연구를 통하여 비선형 위상은 입력된 빛의 편광 상태에 따라서 다르게 형성된다는 것을 알아내었다. 예를 들어, 완전 등방형 광섬유의 경우, 선형 편광 된 빛은 원형 편광된 빛에 비하여 3/2 배 더 많은 비선형 위상을 경험하였다. 비선형 스위칭 소자에 영향을 미칠 수 있는 요소로서 연속된 빛 및 펄스 형태의 빛이 경험하는 비선형 편광 전파 특성, 편광 모우드 지연에 의한 펄스의 흩어짐, 그리고 비선형 효과에 의한 펄스 모임 현상들을 다루었다.
광섬유의 복굴절 효과가 비선형 루우프 거울 소자의 스위칭 특성에 미치는 영향을 조사하였다. 먼저 선형영역에서, 비선형 스위칭 소자의 높은 스위칭 콘트라스트를 위하여 필수적인 전반사 및 전투과 조건과 편광 모우드 지연 효과에 중점을 두어 복굴절 루우프형 거울의 특성을 조사하였다. 선형 복굴절 루우프형 거울에 편광 모우드 지연효과를 이용하면 입력 편광 상태에 무관한 광학적 미분기를 구성할 수 있음을 알아내었다. 비선형 영역에서는 비선형 복굴절 루우프형 거울을 이용한 새로운 형태의 스위칭 소자를 제안하였다. 본 저자와 Kuzin 등에 의하여 독립적으로 발표된 두 가지 스위칭 원리에 대하여 비교 설명하였다. 본 저자의 방법은 루우프에서 서로 반대로 진행하는 빛의 편광을 한 쪽은 선형 편광, 다른 한 쪽은 원형 편광을 입력하여 서로 다른 비선형 위상을 경험하게 함으로써 스위칭을 일으켰다. 반면 Kuzin등의 방법은 서로 수직이며 루우프의 고유 축에 45˚ 기울어진 상태로 빛이 루우프를 진행할 때, 빛의 세기에 따른 비선형 편광 회전 현상을 이용하여 스위칭을 일으켰다. 비선형 스위칭 소자의 디자인 변수인 광섬유의 여러 가지 복굴절 상태에 따라 이 두 방법의 스위칭 특성을 연속된 빛 및 솔리톤 형태의 빛에 대하여 조사하였다. 스위칭 파워를 비교한 결과 본 저자의 방법이 더 낮은 장점이 있었다. 입력되는 솔리톤의 펄스폭에 따른 소자의 설계 조건을 본 저자의 방법에 대하여 구하였다. 편광 모우드 지연 효과는 비선형 복굴절 루우프형 거울 소자에서는 치명적일 수 있음을 보였다. 그러나 비선형 루우프형 거울에서 이 편광 모우드 지연 효과를 일부러 이용하면 잡음 특성 펄스를 발생시킬 수 있는 비선형 미분형 필터를 꾸밀 수 있다. 이러한 비선형 미분형 필터의 특성을 조사하였다.
실험적으로 비선형 복굴절 루우프형 거울의 비선형 미분형 필터 특성을 이용하여 수동형 모우드 록킹 광섬유 레이저에서 잡음 특성 펄스를 관찰하였다. 비교적 긴 길이(~200 m)의 루우프를 사용한 레이저에서 솔리톤 펄스보다는 잡음 특성 펄스가 발진하려는 특성을 관찰하였다. 출력 펄스의 특성을 배경이 없는 2차 조화 자기 상관 간섭계를 이용하여 조사한 결과 펄스가 잡음 특성을 가짐을 알아내었다. 발생된 잡음 특성 펄스의 선폭은 공진기의 총 분산 값에 따라 변하였는데, 이 분산값이 약간 양의 값을 가질 때가 음의 값을 가질 때보다 넓은 선폭을 보였다.
마지막으로 본 논문에서 제안된 입력 편광에 무관한 광학적 미분기와 비선형 복굴절 루우프형 거울을 이용한 비선형 세기 필터는 실험적인 검증이 곧 이어지기를 바란다.
