Space division multiplexing is the key of the new paradigm that overcoming the maximum capacitance of the wavelength division multiplexing system using a single strand of optical fiber. Multi core fiber and few mode fiber approaches for the space division multiplexing rise for a considerable increasing the optical transmission capacitance.
In this dissertation, we have studied the higher order mode coupling in the few mode fiber using mode selective couplers. Mode selective coupler is directional coupler which provide mode coupling between fundamental mode in a single mode fiber and higher order mode in a few mode fiber. In order to convert between the $LP_{01}$ mode and the higher order mode in a pair of optical fibers, effective refractive index of the guided mode in single mode fiber matches that of a mode in few mode fiber. The few mode fiber we used in this experiment has 4.5 of V value and this optical fiber guides $LP_{01}$, $LP_{11}$, $LP_{21}$ and $LP_{02}$ modes. Effective refractive index of radiated modes in the few mode fiber and the pair of proper single mode fiber is measured using prism output coupling method.
In order to satisfy the phase matching condition for the $LP_{01}$ mode in single mode fiber and target mode in few mode fiber, one of the pair of optical fiber which has higher effective refractive index of the particular mode should be tapered, since tapering progress reduces the effective refractive index as optical fiber diameter decreases. Optimum taper diameter is obtained by numerical calculation and after experimental fine tuning.
In this experiment, we use side-polished type mode selective coupler. Unlike the fused type mode selective coupler, side-polished type is easy to fabricate especially in a cascade structure for the mode division multiplexing systems. Tapered optical fiber with optimum diameter and the pair of optical fibers are attached to the quartz blocks and polished until cladding remains few microns. These polished coupler halves are mated for achieving the mode coupling between the two modes by evanescent field coupling.
In this study, we compare the performance of the higher order mode coupling between from the standard single mode fiber and from the effective refractive matched single mode fibers. The few mode fiber with highly Ge-doped in a core was used for the experiment since effective refractive index of the guided modes are well separated. Due to the high N.A. value of the few mode fiber, wavelength dependence of the effective refractive index ( $dn_{eff}/d\lambda$ ) of higher order modes have bigger value than that of single mode fiber. From the phase mismatch condition over the wide wavelength range, higher order mode coupling using standard single mode fiber shows big degradation of the performances. On the other hand, higher order mode coupling for the broadband operations achieved when we use the highly Ge-doped single mode fiber, since wavelength dependence of the effective refractive index of high N.A. single mode fiber has almost same value with that of a higher order mode in few mode fiber. Further, we have demonstrated the mode division multiplexing system using one strand of few mode fiber based on cascaded mode selective couplers. We confirmed that this mode division multiplexer covers wide operation wavelength range with high coupling efficiencies.
다중 모드 광섬유 내에 모든 고차 모드를 결합할 수 있는 방법으로 모드 분할 방향성 결합기를 제안하였다. 고차 모드 광섬유 안에 존재하는 공간 모드의 종류 및 개수는 광섬유의 코어 지름 및 불순물 농도에 의하여 결정되게 된다. $LP_{01}$ 공간 모드만 진행할 수 있는 일반적인 단일 모드 광섬유와 달리 다중 모드 광섬유의 경우, $LP_{11}$ , $LP_{21}$ , $LP_{02}$ 등의 공간 모드가 존재할 수 있다. 본 연구에서는 V 값이 4.5인 다중 모드 광섬유를 이용하여 실험을 진행하였으며, 이 광섬유의 경우 $LP_{01}$, $LP_{11}$, $LP_{21}$, $LP_{02}$ 모드가 존재할 수 있다. 실험에서 사용한 광섬유의 유효 굴절률을 측정하기 위하여 프리즘을 통하여 에바네슨트 파의 굴절된 각도를 측정하는 방법을 이용하였다.
다중 모드 광섬유를 지나는 공간 모드의 결합하기 위하여 광섬유의 유효굴절률을 맞추기 위하여 광섬유를 테이퍼 하였다. 테이퍼된 광섬유는 광섬유의 지름이 작아짐에 따라 유효 굴절률도 낮아지게 되며, 수치 전산모사를 토대로 광섬유의 지름을 예측 및 테이퍼 하였다. 테이퍼된 광섬유는 프리즘을 이용하여 그 유효굴절률을 측정하여 테이퍼 지름의 크기를 최적화 하였다.
본 실험에서 사용한 모드 분할 방향성 결합기는 연마형 소자이다. 연마형 소자의 경우 기존에 사용되었던 용융형 소자에 비해 제작이 용이하며, 여러 고차 모드 결합을 위한 장비를 만들기에 적합하다. 테이퍼 된 광섬유를 가늘게 홈을 낸 석영 블록에 고정시켜 광섬유의 한 단면을 연마하였다. 연마된 광섬유 쌍을 붙여 고차 모드로의 결합을 이루었다.
본 연구에서는 일반 단일 모드 광섬유와 코어에 게르마늄이 많이 첨가된 단일 모드 광섬유를 이용한 다중 모드 광섬유로의 고차 모드 결합을 비교하였다. 본 실험에서 사용된 다중 모드 광섬유의 경우 고차 모드 유효굴절률의 파장의존성이 일반 단일 모드 광섬유에 비해 크기 때문에 광대역 파장영역에서 결합 효율이 일정하지 않다. 따라서 광대역 파장영역에서 동작 가능한 소자를 제작하기 위해서는 다중 모드 광섬유의 고차 모드에 대한 유효굴절률의 파장의존성과 같은 값을 가지는 단일 모드 광섬유를 사용하여야 하며, 본 실험에서 사용한 고첨가 단일 모드 광섬유의 유효굴절률을 테이퍼하여 그 값을 조정함으로 인해 넒은 파장 범위 (1515 nm - 1590 nm)에서 모드 결합이 효율적으로 이루어 지는 것을 확인하였다.
모드 분할 다중화 시스템에 접목시킬 수 있는 소자에 대한 실험을 진행하였다. 모드 분할 방향성 결합기를 일렬로 연결하여 다중 모드 광섬유 내에 존재할 수 있는 모든 공간 모드로의 결합효율을 측정하였다.
