There has been increased interests and an increasing demand in recent years from optical communication systems for optical fibers which combine low transmission loss (<0.5 dB/km), wide bandwidth (~ THz), small size, light weight, cross talk immunity to field interference, electronic isolation, signal security, abundant of raw material, and very cheap. Especially wavelength- or subwavelength-scale dimensions tapered optical fibers can generate easily evanescent fields with short decay distance which offer tapered optical fibers promising candidates as the basis of coupling devices for micro-/nano-structures, optical sensors, and optical communication components.
This thesis presents a fabrication method for low-loss tapered optical fibers (0.014 dB/mm) and twisted fiber-optic couplers (0.34 dB excess loss) using a two-step wet-etching method with hydrofluoric acid-based droplets and surface tension driven flows. The droplet-based wet etching technique allows simple and cost-effective fabrication of tapered fibers as well as 2x2 fiber couplers. It is observed that the power split ratio of the optical couplers can be monitored in real time by monitoring the transmitted optical powers with respect to the etching time. The optical fiber couplers based on two tapered optical fibers show wavelength- and polarization-independent power split ratios in the wavelength range of 1525~1555 nm (optical communication C-band) due to the twisted geometric shape. In addition, the coupling length of the two twisted tapered optical fibers, which form a directional coupler device, can be affected by surrounding refractive index. Thus, the coupler can measure the water droplet volume by detecting the refractive index changes of the surrounding medium around the etched fiber core region.
지난 수 년간 광통신 시스템이 계속해서 발전하였고, 특히 광섬유에 대한 관심과 수요가 크게 증가해왔다. 광섬유는 전송 손실이 작고, 대역폭이 크고, 사이즈가 작으며 가볍고, 필드 간섭에 대한 내성이 있고, 전기적 신호에 대한 간섭이 적고, 빛이 가이딩 되는 이유로 인해 보안에 매우 유용하고 유리 광섬유의 원료가 되는 실리콘의 경우엔 지구에 매우 많은 양이 매장되어 있어 값이 싸다는 이로운 점이 있다. 특히, 파장 단위의 크기를 갖는 테이퍼드 형태의 광섬유는 매우 강한 강도의 에바네센트 파를 형성할 수 있고 감쇠 손실이 작다는 점에서 마이크로/나노 크기의 구조물에 광 커플링을 하거나, 센서 및 광통신 부품에 핵심적인 역할을 할 수 있다.
본 학위논문에서는 손실이 작은 한 가닥의 테이퍼드 형태의 광섬유와 두 광섬유를 꼬아 플루오린화수소산 방울과 표면 장력을 이용하여 방향성 결합기를 제작하는 방법을 소개할 것이다. 소개하는 광섬유 응용의 제작은 간편하고 비용적인 측면에서 큰 장점이 있다. 제작 과정 중에 실시간으로 두 광섬유 사이에서 광 출력을 모니터링하며 두 광섬유 사이에서의 광 분기 비율을 적절히 조절할 수 있고 제작된 광섬유형 방향성 결합기는 구조적 특성때문에 광통신에 쓰이는 C-밴드 영역(약 1525~1555 nm 파장)에서 편광 및 파장 의존성이 낮아 광통신 시스템에서 유망한 역할을 할 수 있다. 추가적으로, 광섬유형 방향성 결합기의 광 커플링 비율이 주변 환경의 영향을 받는다는 점에 비추어 보아 제작 결과물이 습도와 같은 주변 환경을 잘 감지할 수 있다고 예상할 수 있으며, 광 커플러의 꼬인 두 광섬유 영역의 주변부의 액체를 감지할 수 있다는 것을 이론 및 실험적으로 검증하였다.
