Light scattering in subwavelength-scaled photonic waveguides provides a unique mechanism to facilitate reconfigurable all-optical control. This thesis presents theoretical and experimental investigation of various nonlinear optical phenomena involving optoacoustic interactions, which offer intriguing optical manipulation techniques. Firstly, the extreme polarization-selective nonlinear interactions between two tones of optical signals are investigated in high aspect-ratio photonics waveguides. This polarization-selectiveness could be exploited for all-optical polarization control in a vast range of waveguide systems. Secondly, the genuinely all-optical vortex mode generation has been thoroughly investigated in subwavelength-hole photonic waveguides, where the optical excitation of acoustic vortex modes can take place, providing a unprecedented means for optical vortex mode conversion without the need of preparation of an initial vortex seed. Based on the full-vectorial analytical theory for all types of nonlinearities, the detailed assessment of the feasibility has been examined. Finally, gigahertz passive mode-locking stabilized by acoustic resonances has been experimentally demonstrated in an erbium-doped fiber laser by use of a high-quality silica microfiber. The pulse trains have been elucidated by dissipative four-wave mixing mode-locking by the optoacoustic interactions with the aid of the coupled nonlinear Schrödinger equations. Our proposed schemes could be applicable to various kinds of integrated waveguide systems for the next-generation ultrahigh-bandwidth optical communication and advanced signal processing.
파장보다 작은 크기의 광도파로에서의 빛 산란 현상은 전광 제어의 독특한 메커니즘을 제공한다. 본 논문에서는 이론적, 실험적 방법을 통해 광음향 효과를 활용한 비선형 현상이 흥미로운 전광 제어 기술을 견인할 수 있음을 보였다. 먼저, 종횡비가 매우 큰 광도파로를 설계하여 극단적인 편광 선택적 비선형 효과를 살펴보았다. 이러한 편광 선택성은 일반적인 광도파로 시스템에서 전광 편광 제어로 활용될 수 있을 것이다. 이어서, 파장보다 작은 구멍을 갖는 광도파로 내에서 음향 소용돌이 모드를 광학적으로 구동할 수 있고, 그렇게 만들어진 음향 소용돌이 모드와의 광음향학적 상호작용을 이용하여 소용돌이 종자 모드 없이 광 소용돌이 모드를 생성할 수 있음을 보였다. 모든 종류의 비선형 광학 효과를 포함한 전벡터 이론을 제시하여, 이러한 광 소용돌이 모드 생성이 얼마나 효율적인지 분석하였다. 마지막으로, 광섬유 모드 잠금 레이저에 실리카 마이크로 광섬유를 넣고 레이저를 구동하면, 음파에 의해 반복률이 안정화된 레이저 출력을 실험적으로 얻을 수 있었다. 이러한 펄스는 광음향 상호작용을 고려한 소산성 사광파 혼합으로 이해할 수 있고, 구체적으로 비선형 결합 슈뢰딩거 방정식을 이용해 이론적으로 해석할 수 있었다. 본 논문의 연구는 다양한 집적 광도파로 시스템에서 차세대 초광대역 광통신 및 고급 신호 처리에 활용될 수 있을 것으로 기대한다.
