This dissertation presents study on acousto-optic mode coupling based on polarization modes and spatial modes. Torsional and flexural acoustic waves are used for modulating directly the light propagating in the fiber. We describe the principle of acousto-optic mode coupling, and analysis of spectral properties and performances of newly developed
acousto-optic devices. We have demonstrated and analyzed an acousto-optic tunable polarization filter using a metal coated highly birefringent fiber for improving stability and mechanical reliability. In addition, the novel acousto-optic tunable polarization filter using a single polarization fiber for simpler configuration is also implemented for applications in optical communication and sensor system. Moreover, we confirmed and validated that a highly efficient acousto-optic mode converter for versatile mode controlling can be implemented; and we applied to analysis of modal characterization of multi-mode fiber.
First, torsional mode acousto-optic tunable filter (AOTF) is demonstrated using a metal-coated birefringent optical fiber for an improved robustness. The changes in acoustic and optical properties of a metalcoated birefringent optical fiber induced by the thin metal coating were analyzed experimentally and theoretically. The filter wavelength shift is successfully explained as a result of combined effect of acoustic wavelength change and optical birefringence change. We also demonstrated a small form-factor configuration by
coiling the fiber with 6 cm diameter without performance degradation. The center
wavelength of the filter can be tuned >35 nm by changing the applied frequency, and the coupling efficiency is higher than 92% with <5 nm 3-dB bandwidth.
Second, novel band-rejection filtering scheme based on lossy torsional acousto-optic (AO) coupling in a single polarization fiber is demonstrated. Simulation results show that the polarization insensitive notch depth of -30dB is achievable for a 2-m-long fiber in the state-of-the art fiber manufacturing technology. More efficient band-rejection in excess of -44dB could be also feasible in practical fiber length. Good agreement between our numerical simulations and proof-of-principle experiments is obtained in optical communication C-band. The measured notch depth is -29.4dB for a low loss polarization mode after propagating an AO interaction length of 49.8 cm. The filtered wavelength could be tuned linearly by the variable acoustic transducer frequency with the slope of 0.61nm/kHz, and the polarization dependence of notch depth was measured to 0.8dB in our setup. Our experiments confirm the validity and practicality of the approach, and illustrate the infiber torsional AO band-rejection filter with simpler device configuration is achievable.
Third, a highly efficient acousto-optic mode converter is demonstrated for selective excitation of the higher-order modes in a four-mode fiber which guides the LP01, LP11, LP21, and LP02 modes at telecommunication wavelengths. The coupling efficiency and the mode extinction ratio are measured by analyzing the output far-field patterns. The acoustic resonance frequencies and the operating bandwidths are compared with the theoretical results, by which the modal characteristics, the core diameter, and the core-cladding index difference are estimated.
본 논문에서는 비틀림 음파와 굴곡 음파를 이용하여 편광 모드와 공간모드를 기반으로 한 음향
광학 모드 결합에 대해 연구하였다. 음향 광학 모드 결합의 원리와 새롭게 제안된 음향 광학
소자의 성능 및 스펙트럼의 특징을 분석하였다. 비틀림 음파를 이용한 음향 광학 편광 필터의
경우 광통신 시스템이나 광 센서분야에서 필터의 실용화를 위하여 견고하고 안정성이 높은
소자를 개발하고자 금속 코팅된 광섬유를 사용한 소형화 필터를 구현하였고, 편광 광섬유를
이용하여 기존의 필터에 비해 여분의 편광기나 음파 감쇠기 사용 없이 간단한 구성으로 제작하여
필터의 특성을 분석하고, 기존의 필터의 스펙트럼 특징을 비교하였다. 또한, 이 음향 광학 모드
결합 원리 기반으로 음향 광학 모드 변환기를 제작하여 다중 모드 광섬유 내에 고차 모드 발생을
측정하고, 이 측정을 토대로 다중 모드 광섬유의 특성을 분석하였다.
첫번째로 소자의 견고성을 향상시키기 위하여 고 복굴절 금속 코팅 광섬유를 이용하여 비틀림
모드 음향 광학 가변 편광 필터를 제작하였다. 금속 코팅에 의해 유도된 금속 코팅된 고 복굴절
광섬유의 음향 및 광학 특성의 변화를 이론 및 실험적으로 분석하였다. 음파의 파장 및 광섬유
복굴절 변화의 복합적인 효과로 인한 필터의 파장 이동을 분석하였다. 또한, 금속 코팅된
광섬유를 지름 6 cm 으로 감아서 소형화한 필터를 구현하였다. 가해주는 음파의 진동수를
바꾸면서 필터의 중심 파장은 35 nm 이상 가변 가능하며, 결합 효율은 92% 이며, 3dB bandwidth 는 5 nm 이하이다. 이 소형크기로 만든 소자는 견고하고, 안정성이 높으므로 광통신 및 광센서 분야에 응용 가능성이 충분하고, 이것은 상업적으로도 이용가능 하다.
두번째로 편광 광섬유 내에서 비틀림 음향 광학 결합을 기반으로 한 새로운 형태의 밴드 제거
필터를 구현하였다. 시뮬레이션을 통해서 현재 제작 기술로 사용되고 있는 편광 광섬유 2 m 에
대해서 투과 스펙트럼의 넛치 깊이는 -30dB 를 얻었다. 또한, 실험을 통하여 편광 광섬유의 음향
광학 길이 49.8 cm 를 진행 한 후, 측정된 투과 스펙트럼의 넛치 깊이는 -29.4dB 이다. 음파
발생기의 진동수를 변화 시켰을 때, 필터의 중심 공명 파장은 걸어주는 진동수에 선형 비례하며,
그 기울기는 0.61 nm/kHz 이다. 투과 스펙트럼에서 너치 깊이의 편광 의존성은 0.8dB 이다.
또한 새롭게 제작된 편광 광섬유를 이용한 필터의 스펙트럼을 기존의 편광 유지 광섬유를 이용한
필터 스펙트럼과 비교 분석하였다. 비틀림 음파를 이용한 음향 광학 편광 필터의 셋업을 간단한
형태로 제작하므로써 시뮬레이션 결과와 이를 증명하는 실험 결과가 일치함을 확인 하였다.
마지막으로 광통신 파장대역의 다중 모드 광섬유(4 모드 광섬유) 내에 진행하는 모드들에 대하여
고 효율의 음향 광학 고차 모드 변환기가 구현되었다. Far filed pattern 을 측정 및 이론과 비교
분석하므로써 고차 모드의 모드 소거율을 측정하고, LP01 투과 스펙트럼을 측정하여 각 고차
모드의 음향 광학 결합 효율을 얻고, 이론적인 fitting 으로 group index 차이를 구했다. 또한,
실험적으로 각 모드별 위상 굴절률 차이를 이용해서 모드의 주요 파라미터에 해당하는 코어
지름과 코어 클래딩의 굴절률 차이 값을 이론적으로 예측하였다.
