This thesis investigates photonic crystal fiber devices based on acousto-optic effect.
Firstly, We report an all-fiber acousto-optic tunable filter based on a two-mode photonic crystal fiber. The properties of photonic crystal fiber allow us to demonstrate a single notch-filter tunable from below 700 to 1700 nm with a single acoustic transducer. The dynamic tuning range is over 5 times larger than conventional fiber. In addition, the 3-dB bandwidth of the resonant notch changed from 5 to 6 nm for whole optical wavelength. The extreme dynamic range coupled with small insertion loss and fast response time $(~100 \mu s)$ makes this device promising for ultra-wideband optical systems. Furthermore, band-pass filter using chirped and appodized static long period grating after acousto-optic region is proposed.
Secondly, we theoretically and experimentally analyze the structural irregularities in the highly birefringent photonic crystal fiber. Numerical simulation shows that small deviation in the symmetry of air-hole structure can cause non-negligible birefringence non-uniformity in the highly photonic crystal fiber. Form birefringence change caused by small structural irregularities are measured by acousto-optic coupling between two orthogonal polarization modes propagating along the fiber using torsional acoustic wave. Because the torsional acoustic wave has no dispersion in the fiber whose diameter is much smaller than acoustic wavelengths, the birefringence non-uniformity measured via the acousto optic coupling is purely originated from the structural irregularities in the air-hole structure.
Finally, We proposed and simulated the broad-band and narrow-band directional coupler using finite element method(FEM). The calculation is based on the 'normal mode theory' and we analysis the energy transference as a function of wavelength using the coupling length deviation. Broad-directional coupler can be achieved using material dispersion between effective index of fundamental core mode in half-coupler and higher index oil (n=1.460 at 633nm) in the gap of the half-couplers. In contrast, narrow-band directional coupler can be fabricated using two different guiding mechanism of PCF half coupler. In addition, we proposed anti-symmetric hybrid photonic crystal fiber using side polishing technique that confines and guides light in a solid core by both of index guiding(TIR) and bandgap guiding(ARROW) mechanisms simultaneously.
본 논문에서는 광자 결정 광섬유를 이용한 여러 가지 광섬유 소자에 관한 연구를 수행하였다.
먼저 이중 모드 광자 결정 광섬유 (TM PCF)를 이용한 음향 광학 파장 가변 필터(AOTF)를 제안 하였다. 먼저 음향 광학 파장 가변 필터의 원리와 특성을 파악하고, 이중 모드 광자 결정 광섬유의 모드 결합 특징을 이론적, 실험적으로 분석하였다. 또한 이 이중 모드 광자 결정 광섬유를 음향 광학 파장 가변 필터로 제작하였을 때, 넓은 파장($\gt1000 nm$)에서 작동이 가능하다는 것을 실험적으로 증명하였다. 1000nm 이상의 영역에서 작동 가능한 음향 광학 파장 가변 필터는 안정적으로 한 개 notch가 유지되었으며, 이러한 이유는 이중 모드의 모드 결합 특성에 의한 것임을 알 수 있었다. 또한 넓은 영역에서 안정적으로 작동하기 위해서는 일정한 반치폭(3dB bandwidth)이 유지 되어야 하는데, 위의 소자의 경우 5~6nm의 일정한 반치폭을 유지하는 것을 이론적, 실험적으로 분석 하였다. 더 나아가 이중 모드 광자 결정 광섬유를 이용해 음향 광학 파장 가변 대역 투과 필터의 제작을 시도하였다.
또한 비틀림 음파를 이용한 전 복굴절 광자 결정 광섬유 음향 파장 가변 필터를 사용하여 복굴절 광자 결정 광섬유 (HB PCF)의 불균일성에 대한 특성에 관한 이론적, 실험적 분석을 하였다. 이론적인 분석은 전산모사(numerical simulation) 방법을 이용하였으며, 그 결과 수 나노미터 또는 0.65 퍼센트 이하의 큰 두 개의 공기 구멍의 크기 또는 거리 변화 만으로도 광자 결정 광섬유의 복굴절에는 1.4~2.6퍼센트 그리고 코어모드의 편광 beatelegth에는 1.4~2.5 퍼센트의 영향을 미치는 것을 분석하였다. 또한 비틀림 음파를 이용한 전 복굴절 광자 결정 광섬유 음향 파장 가변 필터를 두 개의 다른 위치의 복굴절 광자 결정 광섬유 표본에 인가하여 길이에 따른 복굴절 변화율을 실험적을 측정하였다. 각 길이는 60cm이며 첫 번째 표본에서의 복굴절 변화율은 길이에 따라 2차 형식의 증가하는 변화를 갖고 최대치가 $4 \times 10^{-6}$ 이며 이는 이론적인 분석과 비교 하였을 때 8~12 나노미터의 큰 두 개의 공기구멍의 지름 또는 거리의 변화의 영향임을 추정할 수 있다. 또한 두 번째 표본에서는 복굴절 변화율이 2차 형식의 감소하고 최대치가 $1\times 10^{-5}$ 이며 이는 20~30나노미터의 큰 두 개의 공기구멍의 변화의 영향임을 확인하였다.
마지막으로 광자 결정 광섬유를 이용한 두 가지 연마형 방향성 모드 결합 소자를 제안하였다. 파장에 따른 광자 결정 광섬유의 유효 굴절률과 index matching oil의 굴절률 변화를 FEM을 토대로 계산하였으며, 이를 통해 기존의 연마형 방향성 모드 결합 소자(700 ~ 1600nm의 파장에서 coupling length의 변화 35000~ 650 mm)보다 넓은 파장에서 작동할 수 있다는 장점(700 ~ 1550nm의 파장에서 coupling length의 변화 0.75 ~ 0.47 mm)을 제시하였다. 또한 계단형 굴절률로 빛을 유도하는 광자 결정광섬유와 밴드갭(band-gap)효과로 빛을 유도하는 두 가지 다른 광자 결정 광섬유로 방향성 모드 결합 소자를 제작하였을 때 좁은 선폭의 모드 결합기를 만들 수 있는 방법을 제시하였다.더 나아가 방향성 모드 결합기 제작과정에서 연마에 정도를 조절해주면 광자 결정 광섬유에 구성된 공기구멍의 열이 차례 차례로 노출되고 이에 클래딩의 굴절율 보다 높은 복굴절을 갖는 액체를 넣어주면 굴절율(TIR) 와 밴드갭(bandgap)효과에 의한 빛이 유도인 두 가지 다른 빛의 유도특성을 동시에 갖는 하이브리드 광자 결정 광섬유(Hybrid PCF)의 특징이 유도된다는 것을 이론적으로 확인 하였다.
