This thesis investigates acousto-optic properties of novel all-fiber wavelength filters based on intermodal coupling in an elliptical core two-mode fiber and a photonic crystal two-mode fiber.
Firstly, a novel apodization technique for an elliptical core two-mode fiber acousto-optic tunable filter by twisting the fiber and adjusting the acoustic polarization is proposed and demonstrated. The magnitude of the maximal sidelobes in the filter spectrum is reduced from -9.7 to -15.5dB at 1300 nm for an acoustic frequency of 3.4 MHz, which improves serious performance deterioration such as inter-channel crosstalk when this filter is used in wavelength division multiplexing systems. The influence of acoustic birefringence on filter output spectrum as a function of a twisting angle is successfully explained. Both theoretical and experimental results are in good agreement. Further apodization using an AOTF with a double-pass scheme is also suggested to accomplish the side mode suppression ratio of below -30dB.
Secondly, an ultra-widely tunable acousto-optic filter employing a photonic crystal two-mode fiber is proposed and demonstrated. A photonic crystal two-mode fiber in our experiment is designed to have two core modes in the optical wavelength region below 3400 nm. Experimental output spectra show that a single notch coupled to $LP_{11}$ core mode is continuously tuned from 700 to 1600 nm for acoustic frequencies from 0.86 to 3.1MHz. The tuning range of 900 nm is a few times larger than that of acousto-optic filters with a conventional step-index fiber. This demonstration will allow extremely broadband devices to be developed. Other cladding mode couplings whose notch depths are negligible (lower than 0.2dB) are also observed. For apodization of photonic crystal two-mode fiber acousto-optic filters and stale lobe orientation of the $LP_{11}$ core mode, a proper design of a photonic crystal two-mode fiber with two larger holes of both sides of the core is proposed. In this case, we can theoretically expect that the sidelobe suppression ratio will be reduced from -9.7dB to -17.5dB, which will be doubled when a double-pass configuration is adopted instead of a single-pass configuration. In this case, stable lobe orientation through the interaction length is also expected.
본 논문에서는 타원코어와 광자결정 이중모드 광섬유를 이용한 파장가변 필터의 음향광학 특성에 대해서 조사하였다.
먼저 타원코어 이중모드 광섬유를 이용한 음향광학 필터에서 광섬유를 비트는 방식으로 필터의 apodization을 구현하였다. 1300 nm 파장의 빛에서 3.4 MHz의 음파를 인가했을 때 최대 측대역 억제비를 기존의 -9.7 dB에서 -15.5 dB로 줄일 수 있었다. 이렇게 apodization된 필터를 파장분할 다중화 방식의 시스템에서 사용할 경우 기존의 전광섬유 음향광학 필터가 갖는 채널간 누화 등과 같은 성능의 저하를 개선할 수 있을 것이라 예상한다. 또한 광섬유 외경이 완전히 원형이 아니라 타원형으로 찌그러져 있기 때문에 발생하는 음향 복굴절이 필터의 출력 스펙트럼에 어떠한 영향을 미치는지 분석했다. 그 결과 비틀림 각에 따라 출력 스펙트럼에서 최대 측대역 억제비가 변하는 경향을 잘 설명할 수 있었다. 한편, 최대 측대역 억제비를 더욱 줄일 수 있는 한가지 방법으로 음향광학 필터를 두 번 통과하는 구조를 제안했다. 이 경우 측대역 억제비를 두 배로 향상시킬 수 있어 대부분의 분야에서 응용 가능한 수치인 -30 dB 이하로 낮출 수 있을 것으로 예상한다.
또한 광자결정 이중모드 광섬유를 이용하여 음향광학 필터의 파장가변 영역을 확장하는 연구를 수행하였다. 기존의 이중모드 광섬유를 이용할 경우 이중모드로 동작하는 파장의 영역이 유한하기 때문에 필터의 파장가변 범위가 200 nm 정도의 영역에 한정되었다. 하지만 광자결정 이중모드 광섬유에서는 이중모드로 동작하는 영역이 두 번째 모드 cutoff 파장 이상에서 무한하게 나타난다. 따라서 이러한 광자결정 이중모드 광섬유로 음향광학 필터를 구성하면 파장가변 범위를 대폭 늘릴 수 있다. 실험적으로 음향광학 필터를 구현하고 실험했을 때 약 900 nm(700 - 600 nm) 정도의 파장가변 범위를 얻었다. 이 범위는 광섬유 기반의 광통신이나 광센서 등의 응용 분야에서 사용되는 빛의 파장 범위(400 - 1800 nm)를 대부분 포함하고 있다. 한편 모드 결합의 특성을 개선하고 apodization 효과를 얻기 위해 음향광학 필터에 사용되는 광섬유로 실리카 코어에 두 개의 큰 공기구멍을 삽입한 편광유지 이중모드 광자결정 광섬유를 제안하고 이론적인 계산을 통해 음향광학 필터로 응용하기에 적절한 단면 구조를 찾았다. 이러한 편광유지 이중모드 광자결정 광섬유를 이용하여 음향광학 필터를 제작하면 1000 nm(600 - 1600nm)정도의 파장가변 범위를 얻을 수 있으며 동시에 광섬유를 비트는 방식을 적용하여 출력 스펙트럼의 모양도 개선할 수 있을 것으로 예상한다.
