This dissertation describes principles, fabrications and characterizations of novel all-fiber wavelength filters based on intermodal coupling in two-mode optical fibers. Two types of devices are demonstrated, which utilize a tilted fiber Bragg grating and a fiber acousto-optic tunable filter, respectively. Their all-fiber configuration consisting of fiber gratings and mode-selective couplers results in the lower loss operation compared to the conventional devices.
A technique is demonstrated to measure the phase velocities of the guided modes in various fibers. Mode-selective couplers, key components for the devices based on two-mode fibers, are fabricated using the measured phase velocities. Their operation principle, the fabrication methods, and the characteristics are described.
A novel all-fiber add-drop multiplexer is demonstrated by using a tilted Bragg grating written on a two-modefiber and the mode-selective coupler. The effects of the tilt of the fiber Bragg grating are described. And it is shown that an efficient mode conversion is possible by adjusting the tile angle without unwanted mode coupling which causes a loss and an interchannel crosstalk. The device can be made potentially with low loss and low cost, useful for add/drop of a small number of channels in wavelength division multiplexing communication systems.
A novel all-fiber wavelength-tunable acousto-optic switch is demonstrated utilizing a fiber acousto-optic tunable filter in the two-mode fiber and a mode-selective coupler. The fiber design parameters are presented to control the wavelength filtering characteristics of the device. The fabricated device has the wide operating bandwidth of > 50 nm thanks to the broad bandwidth of the mode selective coupler. The switching time is several tens of microseconds, and the crosstalk is - 20 dB. The 3 dB bandwidth of the switched signal is varied from 2.5 nm to > 35 nm by using various types of two-mode fibers. A novel all-fiber dynamic optical add-drop multiplexer is also demonstrated using two all-fiber switches in series. The all-fiber configuration of the proposed device results in the low throughput loss that is more important when a large number of devices are employed in optical networks.
본 논문은 파장분할 다중화 방식의 광통신 네트워크 시스템에서 유용하게 응용될 수 있는 몇 가지 새로운 전광섬유 파장 선택 소자의 원리, 제작 방법 및 특성을 다루었다.
광섬유 격자들을 이용해서 크게 두 가지 형태의 파장 필터가 구현되었는데, 하나는 기울어진 브래그 격자를 이용한 수동형 소자이며, 나머지는 광섬유 음향광학 소자를 이용한 능동형 소자이다. 제안된 소자들은 모두 이중모드 광섬유 내의 모드 결합을 활용함으로써, 광 신호가 입력과 출력 사이에서 광섬유 밖으로 빠져 나오지 않도록 하는 전광섬유 구조라는 공통점을 가진다. 이로써, 기존의 소자들에 비해 적은 삽입 손실 및 제작의 용이성을 얻을 수 있는 장점을 가진다.
여러 광섬유들의 모드 전파 특성을 파악하기 위해서 광섬유의 코어를 전파하는 각 모드들의 위상 속도를 측정하는 방법을 도시하였다. 본 연구의 핵심 소자 중 하나인 모드분할 방향성 결합기는 단일모드 광섬유의 기본 모드와 이중모드 광섬유의 고차 모드를 상호 전환시키는 소자인데, 위의 방법으로 측정된 광섬유의 모드 전파 특성을 활용하여 제작된다. 결합률 60% 이상, 모드 소거율 20 dB 이상인 연마형 및 용융형 모드분할 방향성 결합기가 구현되었다.
이중모드 광섬유에 새겨진 기울어진 브래그 격자와 위의 모드분할 방향성 결합기를 이용하여 새로운 전광섬유 수동형 파장가감기가 제안 및 구현되었다. 브래그 격자를 이중모드 광섬유 내에서 적당한 각도로 기울여서, 입력광이 원치 않는 모드로 반사되는 것을 효과적으로 억제할 수 있음을 이론 및 실험적으로 확인하였다. 이러한 점을 활용하여 적은 삽입손실 및 적은 채널간 누화 등의 장점을 갖는 소자를 구현하였다. 또한 소자의 손실을 줄이기 위해 브래그 격자의 기울임 각도 정렬 방법을 제안하였고, 높은 NA를 가지는 적절히 설계된 이중모드 광섬유가 유용함을 이론 및 실험으로 확인하였다.
이중모드 광섬유 음향광학 소자와 모드분할 방향성 결합기를 결합하여 새로운 전광섬유 파장가변 광 스위치를 구현하였다. 또한 소자의 파장 선택 특성을 조절하기 위해 필요한 광섬유 설계 파라미터들을 제시하였다. 모드분할 방향성 결합기가 매우 넓은 동작 선폭을 갖는 소자이기 때문에, 본 광 스위치 역시 50 nm 이상의 넓은 동작 선폭을 갖는다. 음향광학 소자에 인가하는 전기 신호의 주파수를 조절해서 파장을 선택할 수 있으며, 스위칭 시간은 수십 마이크로 초로써 여러 스위치 기술들 중 빠른 편이고, 또 채널간 누화는 약 20 dB 이다. 사용된 이중모드 광섬유에 따라 2.5 nm에서 35 nm 이상까지의 스위칭 파장 선폭을 갖는 소자들이 제작되었다. 두 개의 광 스위치를 연결하여 새로운 전광섬유 동적 파장가감기가 또한 구현되었다. 제안된 광 스위치 또는 파장가감기는 스위칭 되지 않고 지나가는 나머지 파장 영역의 투과 손실이 여타 기술에 비해 매우 적다는 장점이 있는데, 이는 많은 수의 소자를 필요로 하는 광 네트웍에의 응용에 특히 유용한 점이다.
