This thesis is concerned with all-fiber acousto-optic tunable filters (AOTFs) using a solid-core two-mode (TM) photonic crystal fiber (PCF).
Firstly, the origin of multiple resonance peaks observed in an all-fiber acousto-optic tunable filter built with a TM PCF having structural imperfections is investigated in detail. Small disorder in the six-inner air holes around the core can break the mode symmetry of the PCF. For this reason, first higher-order modes of the PCF are classified into the even and the odd LP11 modes resembling those of an elliptical-core (e-core) two-mode fiber (TMF). The PCF has also non-circularity in outer cladding shape, which causes to the acoustic birefringence of the fiber. A model for the acousto-optic mode coupling in the PCF is formulated for the systematic analysis on the origin of the distorted spectral peaks. Numerical calculations and simulations based on the coupling model were performed, and the results are in good agreement with the experimental observations.
Nextly, the resonance peak splitting in the output spectrum of a TM PCF-based AOTF under the fiber twist of up to multiple turns is described. The PCF guides the even and the odd $LP_{11}$-like modes in the core as a first higher-order mode. For the twist rate of our interest, lobe orientations of the $LP_{11}$-like modes follow the fiber twist, whereas the initial acoustic vibration direction is maintained along the fiber. Accordingly, the acoustic amplitude contributing to the mode coupling of the $LP_{01}$ mode to the $LP_{11}$ modes is sinusoidally modulated along the fiber. This is substantially the same to amplitude beating between two acoustic waves with difference propagation constant. Therefore, the fiber twist leads to the two phase-matching conditions that result in two notches in the transmission spectrum. Theoretical calculations based on the coupled-mode theory provide an accurate explanation of the resonance peak splitting. The peak separation is almost linearly proportional to the twist angle with the slope of 0.29 nm/(rad/cm).
Finally, a practical application of ultra-short pulse laser ablation technique in fabrication of core mode blocker (CMB) is proposed, and it is characterized in terms of the performance of an all-fiber acousto-optic tunable bandpass filter (AOTBF). The novel method simply creates a micron-size air bubble in the core without need of pretreatments. The size of the CMB that maximizes the extinction ratio of the device was calculated to be about $12 \mu m$. Core mode loss by the CMB is larger than 24dB over the wavelength range of 1520 - 1620 nm. The AOTBF based on the CMB exhibits insertion loss of 1.8dB, non-resonance wavelength suppression of 23dB, and 3-dB bandwidth of 1.42 nm for the given interaction length of 32 cm. The maximal cladding mode loss by the CMB is estimated about 0.44dB. The pulse laser ablation technique can be also applied to the CMB fabrication in PCF. Ultra-widely tunable AOBF using endless TM PCF based on the core mode blocker is also proposed. The dynamic range of the device is expected to be over 1000 nm. Theoretical calculations and simulations for the characterization of the device performance were carried out.
본 논문에서는 이중모드 광자결정 광섬유 음향광학 필터 특성에 관한 연구를 수행하였다.
첫 번째로, 불완전한 구조를 갖는 광자결정 광섬유를 이용한 전광섬유 음향광학 파장가변 필터의 복잡한 투과 스펙트럼의 원인을 면밀히 조사하였다. 연구에 사용한 광자결정 광섬유는 공기구멍의 불균일성으로 인하여 첫 번째 고차모드를 일반 타원코어 광섬유의 첫 번째 고차모드 형태로 진행시킨다. 또한, 이 광자결정 광섬유는 클래딩 외경의 타원율로부터 음파에 대한 선형 복굴절을 갖는다. 이 같은 광자결정 광섬유에서 음향광학 모드결합에 대한 적합한 모델을 세우고 이를 이론적으로 계산함으로부터 실험에서 관측한 복잡한 투과 스펙트럼의 원인을 규명하였다.
두 번째로, 이 광자결정 광섬유의 음향광학 모드결합에 비틀림 교란이 주는 영향을 조사하였다. 음파의 편광모드 사이의 맥놀이 주기 이상의 그리고 광학모드 사이의 맥놀이 주기 이하의 적절한 비틀림을 이 광섬유에 인가하면 음향의 선형 복굴절은 무시되어 음파는 초기 진동방향을 유지하며 진행하나 광학 모드의 로브는 광섬유의 비틀림을 따라 회전한다. 음향광학 모드결합은 음파의 진동과 광학모드의 로브가 일치하는 방향에서 최대로 일어나기 때문에 비틀림 교란이 가해진 광자결정 광섬유에서 음향광학 모드결합의 세기는 광섬유를 따라 사인 함수의 형태로 변조된다. 이 사실을 바탕으로 계산된 투과 스펙트럼은 실험에서 관측한 픽의 분리 현상을 잘 설명하다. 픽이 분리되는 정도는 비틀림 크기에 거의 비례하며 그 크기는 약 0.29 nm/(rad/cm) 이다.
세 번째로, 펄스 레이저 미세가공 기술을 코어 모드 차단기 제작 방법으로 제안하고 이를 성공적으로 구현하였다. 또한, 제안한 코어모드 차단기를 이용하여 전 광섬유 음향광학 대역투과 필터를 단일모드 광섬유를 이용하여 제작하였다. 소광율을 최대가 되게 하는 크기인 $12 \mu m$ 로 코어 모드 차단기를 제작하였으며, 이는 1520-1620 nm 의 전 동작영역에서 24dB 이하의 코어 모드 손실을 보여 준다. 코어모드 차단기에 의한 최대 클래딩모드 손실은 약 0.44dB 이며 이는 삽입손실과 불완전한 모드결합에서 오는 손실의 차이로부터 추정되었다. 이 코어모드 차단기를 적용하여 제작된 대역투과 필터는 삽입손실이 1.8dB, 비공명 파장의 억제율이 14dB, 선폭이 1.42 nm 이다. 레이저 미세가공 기술은 광자결정 광섬유에도 코어모드 차단기의 제작을 가능하게 한다. 무한 이중모드 광자결정 광섬유에 코어모드 차단기를 제작하여 1000 nm 이상의 동작 영역을 갖는 음향광학 대역투과 필터를 제안하였다.
