This thesis is concerned with wavelength-tunable erbium-doped fiber lasers and fiber-optic components applicable to the fiber lasers.
Firstly, a novel wavelength-tunable single-frequency erbium-doped fiber ring laser incorporating an all-fiber acousto-optic tunable bandpass filter and a saturable absorption grating is successfully demonstrated and characterized. Mode-hopping-free stable single-longitudinal-mode operation was achieved over the wavelength tuning range of 48 nm with the sidemode suppression ratio higher than 50 dB and the output power up to 2 mW. The laser wavelength tuning characteristics, the electrical spectral characteristics of the laser output, and the laser dynamics in wavelength switching and sweeping are investigated, based on the theoretical analysis of the saturable absorption grating and the characteristics of the used acousto-optic tunable bandpass filter.
Secondly, methods to suppress the polarization dependence in the interrogation of birefringent fiber Bragg gratings are proposed and successfully demonstrated. A wavelength-swept erbium-doped fiber laser with polarized output is used as the light source. Two polarization-averaging methods, a depolarization scheme and a polarization scrambling scheme, were investigated and compared. The proposed techniques successfully stabilize the reflection spectrum of a birefringent grating regardless of the polarization state of the source laser and birefringence of the lead fiber. The experimental results eliminate one of the major practical difficulties in the current fiber Bragg grating interrogation based on the wavelength-swept fiber laser.
Finally, a novel acousto-optic tunable bandpass filter based on intermodal coupling in a two-mode fiber is proposed and successfully demonstrated. The double-pass scheme enables zero frequency shift, and accompanies reduction of bandwidth and enhancement of extinction ratio. A 3-dB bandwidth of 2.0 nm, insertion loss of 5.6 dB, and sidelobe suppression ratio of 14 dB were achieved. The wavelength tuning range was greater than 90 nm for the transmission dynamic range larger than 20 dB. Multi-wavelength operation of a single device is simply achieved by applying a multi-frequency electrical signal. Unwanted intensity modulation of the multi-wavelength filter is also investigated.
본 논문에서는 파장가변 어븀첨가 광섬유 레이저와 이에 응용될 수 있는 광섬유 소자들에 관한 연구를 수행하였다.
전광섬유 음향광학 파장가변 대역투과필터와 포화흡수격자를 사용하는 새로운 구조의 파장가변 단일주파수 어븀첨가 광섬유 레이저를 성공적으로 구현하고 그 출력 특성을 자세히 분석하였다. 48 nm (1533 ~ 1581 nm)의 파장가변영역에서 모드 호핑 없이 하나의 레이저 종모드만을 안정적으로 발진시킬 수 있었고, 50 dB 이상의 인접모드 억제율을 유지하면서 2 mW의 출력을 얻을 수 있었다. 레이저의 선폭은 1.3 kHz 미만이었고, 발진파장을 전환하는데 걸리는 시간은 400 μsec 이상이었다. 포화흡수체에서 형성되는 포화흡수격자에 대한 이론적인 분석과 사용된 음향광학 파장가변 대역투과필터의 특성 분석을 바탕으로, 레이저 발진파장의 가변 특성, 대역투과필터의 투과변조가 레이저의 출력에 미치는 영향, 포화흡수체에 존재하는 복굴절과 높은 세기의 레이저 발진이 단일 레이저 종모드 발진의 안정성에 미치는 영향 등을 자세히 분석하였다. 본 연구에서 제시된 분석들은 향후 관련 연구에 중요한 지침이 되리라 예상한다.
파장이 쓸리는 광섬유 레이저로 광섬유 브래그 격자 센서를 조사할 때 발생하는 편광 의존성을 억제하는 방법을 제안하고 성공적으로 구현하였다. 광섬유 브래그 격자에는 일반적으로 원하지 않는 복굴절이 존재할 뿐만 아니라, 여러 물리량을 동시에 측정하기 위해 복굴절이 큰 광섬유 브래그 격자를 사용하기도 한다. 이러한 복굴절이 있는 광섬유 브래그 격자를 파장이 쓸리는 광섬유 레이저로 조사하면, 레이저의 출력이 편광되어 있기 때문에 측정되는 반사 스펙트럼이 도입 광섬유의 복굴절 변화에 크게 민감하게 되어 격자의 반사 파장을 정확하고 안정적으로 측정하기가 힘들어진다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 레이저 출력의 편광을 소멸시키는 방식과 편광을 뒤섞는 방식을 적용하고 비교하였다. 제안된 방법들을 이용하여 복굴절이 있는 광섬유 브래그 격자의 반사 스펙트럼을 광원의 편광이나 도입 광섬유의 복굴절과 무관하게 안정적으로 측정할 수 있었다. 본 연구의 결과는 파장이 쓸리는 광섬유 레이저로 광섬유 브래그 격자 센서를 조사하는 시스템의 현존하는 큰 문제점 중의 하나를 해결한 것이다.
파장가변 광섬유 레이저에 응용될 수 있는 새로운 구조의 음향광학 파장가변 대역투과필터를 제안하고 성공적으로 구현하였다. 코어 모드 감쇄기를 사용한 기존의 음향광학 파장가변 대역투과필터는 좋은 성능의 코어 모드 감쇄기를 제작하기가 매우 힘들고, 사용할 수 있는 파장영역이 여러 클래딩 모드가 동시에 모드 결합에 참여함으로써 제한된다는 문제점들을 갖는다. 본 연구에서는 이러한 문제점들을 해결하기 위해 이중모드 광섬유에서의 모드 결합을 이용하는 음향광학 파장가변 대역투과필터를 제안하였다. 광신호가 음향광학 모드변환기를 한 번 왕복하는 구조로써 주파수 변환이 없는 대역투과필터를 구현할 수 있었고, 이와 동시에 선폭이 줄어들고 소광율이 향상되는 효과도 함께 얻을 수 있었다. 제작된 대역투과필터는 선폭이 2.0 nm, 삽입손실이 5.6 dB, 인접로브 억제율이 14 dB였고, 20 dB 이상의 투과동적영역을 갖는 투과파장의 가변영역은 90 nm 이상이었다. 여러 주파수 성분을 갖는 전기신호를 가함으로써 여러 파장의 광신호가 동시에 투과될 수 있도록 동작시킬 수 있었다. 그러나 이 경우 투과 변조가 발생하는 것을 고려해야 한다. 광신호가 음향광학 모드변환기를 두 번 통과하면서 이러한 투과 변조가 증가하는 것을 관측하였다.
