This thesis describes various single-mode fiber-optic filters based on core-cladding mode coupling including long period fiber gratings (LPFGs), acousto-optic tunable filters (AOTFs), and directional core-cladding mode couplers. These devices utilize mode coupling between LP01 core mode and LP1m cladding mode in a single-mode fiber (SMF). The operating principle, fabrication, characteristics, and applications of them are described.
The LPFG is based on periodic microbends created one by one using electric arcs. The LPFG has advantages of simple fabrication process and easy control of filter parameters over conventional LPFGs. The spectral responses of the LPFG according to external perturbations such as temperature, strain, twist, bend, and ambient index are characterized. The intrinsic polarization dependence of the LPFG is suppressed using a pair of LPFGs with orthogonal directions of microbends and resultant polarization dependent loss is less than 0.2dB. The spectral shape of the LPFG is changed using apodization and a gain-flattening filter of erbium doped fiber amplifier is demonstrated.
In an AOTF, the acoustic wave traveling along the fiber induces mode coupling. The filter parameters are controlled by changing the amplitude and the frequency of acoustic wave electrically. The polarization dependence observed in the LPFG and the AOTF is analyzed. The tunable bandpass filter with a UV-written LPFG in the middle of acousto-optic interaction region is demonstrated.
The directional core-cladding mode coupler is composed of a pair of SMFs and transfers the cladding mode induced by the LPFG or the AOTF into the core mode in another SMF. The phase-matching condition in the coupling region is achieved by pre-tapering one fiber sections. The experimentally demonstrated coupling efficiency is more than 60% over 70 nm wavelength range with less than 3% variation over 90°C temperature range. A band splitting filter concatenating the mode coupler with a rectangular-apodized LPFG and an add-drop multiplexer with an AOTF are demonstrated.
The fiber-optic devices demonstrated here can provide useful functions such as wavelength selection, routing, and power control in wavelength division multiplexing optical communication and sensor systems.
본 논문에서는 단일 모드 광섬유에서 코어 모드와 클래딩 모드 사이의 모드 결합을 이용하는 미세구부림 장주기 격자, 음향 광학 소자, 방향성 코어-클래딩 모드 결합기의 동작 원리, 제작, 특성에 대해서 살펴보았으며, 이를 이용한 여러 가지 파장 필터에 대해서 알아보았다.
미세구부림 장주기 격자는 광섬유에 전기 아크를 가하여 미세구부림을 형성하여 제작되며, 기존의 장주기 격자에 비해 제작이 간편하며 격자의 특성을 쉽게 조절할 수 있다는 장점을 가진다. 온도, 인장, 구부림, 비틀림, 굴절률과 같은 외부 환경 변화에 따른 장주기 격자의 스펙트럼 변화에 대해서 실험적으로 관찰하고 이론적으로 살펴보았다. 미세구부림 장주기 격자의 편광 의존성에 대해 알아보았고, 장주기 격자쌍을 이용하여 편광 의존성을 줄일 수 있음을 보였다. 또한, 미세구부림의 크기를 조절하여 side lobe가 작은 장주기 격자와 넓은 영역에서 모드 결합을 하는 사각형 모양의 장주기 격자를 제작하였으며, 장주기 격자의 응용으로 이득 평탄 필터를 구현하였다.
음향 광학 소자는 음파를 광섬유에 흘려주어 모드 결합을 유도한다. 음향 광학 소자는 음파의 크기와 주파수를 전기적으로 쉽게 제어할 수 있기 때문에 능동적으로 모드 결합 특성을 조절할 수 있다는 장점을 가진다. 긴 길이의 음향 광학 소자를 제작하여 LP1m 클래스 모드와의 모드 결합 특성에 대해서 알아보았고, 편광 의존성의 원인을 이해할 수 있었다. 음향 광학 소자의 한 가운데에 UV 장주기 격자를 두어 파장 가변 대역 투과 필터를 제작하였다.
방향성 코어-클래딩 모드 결합기는 클래딩에 있는 빛을 다른 광섬유의 코어로 이동시켜 클래딩에 있는 빛을 이용할 수 있도록 도와준다. 코어 모드와 클래딩 모드의 모드 결합을 위하여 한쪽 광섬유를 미리 테이퍼하여 모드 결합기를 제작하였다. 모드 결합기는 넓은 파장 영역에서 (> 70nm) 모드 결합을 (> 60%) 유도하며, 온도에 대하여 상당히 안정적인 특성을 보인다. 모드 결합기를 장주기격자와 연결하여 밴드 분할 필터를 제작하였으며, 음향 광학 소자와 연결하여 광가감기를 제작하였다.
본 논문에서 연구된 소자들은 널리 이용되는 단일 모드 광섬유를 그대로 이용하여 제작되며, 제작 방법이 비교적 간단하다는 장점을 가진다. 또한 소자들의 특성이 우수하기 때문에 많은 분야에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.
