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다중 모드 광섬유에서의 공간 모드 결합기와 굽힘 제어를 이용한 궤도 각운동량 빔 생성 및 출력 특성 제어 연구

Generation and Output Control of Orbital Angular Momentum Beam Using Spatial Mode Coupler and Bending Control in Multimode Fiber

  • 최동원 (Choi Dongwon, 아주대학교 일반대학원)

초록/요약

궤도 각운동량(Orbital Angular momentum, OAM) 빔은 독특한 공간적 위상 및 편광 특성으로 인해 레이저 가공을 이용한 나노구조물 생성, 고해상도 바이오 이미징, 광대역 광통신 및 양자통신 등 다양한 분야에서 주목받고 있다. 자유공간 기반의 OAM 생성은 복잡한 정렬, 높은 손실, 정렬 민감도 등의 한계를 가지고 있다. 이에 전 광섬유 기반의 손실이 작고, 안정적인 OAM 빔 생성 기술에 대한 연구가 요구되고 있으며, 특히 모드 선택 결합기(Mode- Selective Coupler, MSC)를 활용한 𝐿𝑃01 에서 𝐿𝑃11 모드로의 전환과 광섬유 굽힘(Bending)을 통한 위상 제어 방식은 별도의 위상판 없이도 OAM 빔 생성을 가능하게 하는 유망한 접근 방식으로 주목받고 있다. 기존 광섬유에서의 twist 또는 pressure 방식의 OAM 생성 기술은 고차모드 간 결합(Coupling)이나 모드 간 위상차 정밀 제어의 어려움, 위상 변화량 불안정성 등의 한계를 갖고 있으며, 본 연구에서는 bending 반경을 정밀하게 조절하여 위상차를 제어하는 방식으로 해결하고자 한다. 이를 통해 고차 모드 억제 효과와 함께, 높은 안정성을 가지는 OAM 생성 기반 기술을 제안하고자 한다. 실험에서 사용한 모드 선택 결합기는 표준 광섬유의 단일 모드(𝐿𝑃01 모드)를 다중모드 광섬유의 𝐿𝑃11 모드로 효율적으로 결합하는 역할을 수행한다. 모드 선택 결합기에서 출력된 빛을 광섬유 편광 조절기와 광섬유 굽힘을 통해 OAM 을 생성하였다. OAM 빔의 형성 여부는 Gaussian 빔과의 간섭 패턴 측정을 통해 확인되었으며, topological charge(TC)의 부호 및 위상 회전 방향이 굽힘 조건에 따라 제어 가능한 것을 실험적으로 입증하였다. 또한, FEM 기반 계산을 통해 굽힘 반경에 따른 위상차를 계산하고, MATLAB 을 통해 OAM 생성을 계산함으로써 실험 결과와 이론적 분석 간의 상관성을 검토하였다. 향후 고출력 레이저에서의 고차모드 억제 기술, 초정밀 광섬유 센서, OAM 을 이용한 다중채널 광통신 기술 등 다양한 고급 응용 분야로의 확장 가능성을 제시하며, 특히 OAM 기반 통신 및 양자광학 소자와의 통합에 중요한 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다.

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목차

제 1 장 서론 1
제 2 장 기초이론 2
제 1 절 광섬유 모드 및 OAM 생성 이론 2
1. 광섬유 모드 이론 3
2. LP 및 벡터 모드와 OAM 의 관계 15
제 2 절 MSC(Mode Selective Coupler) 및 Bending 이론 19
1. MSC 이론 및 동작 원리 19
2. Bending 이론 21
제 3 장 시뮬레이션 기반 최적화 연구 26
제 1 절 광섬유 모델링 및 Bending 조건 설정 26
1. FEM 기반 광섬유 구조 설계 26
2. Bending 조건에 따른 Phase difference 계산 30
제 2 절 OAM 생성 시뮬레이션 및 Bending최적화 31
1. OAM 생성 시뮬레이션 31
제 4 장 실험 구성 및 측정 방법 32
제 1 절 OAM beam 생성 및 측정 시스템 32
제 2 절 위상 확인을 위한 가우시안 빔과 OAM beam 의 간섭패턴 측정 37
제 5장 결과 분석 및 고찰 38
제 1 절 OAM 생성 여부 검증 (간섭분석) 39
제 6장 결론 41
참고문헌 42
영문요약 45

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