A polymer-silica hybrid optical waveguide may have more functionality in some cases than a conventional waveguide made of polymer only. In this dissertation, a new polymer-silica hybrid 1ⅹ2 thermooptic switch with significantly low crosstalk is demonstrated. The top cladding and the core layers are composed of polymer, while the bottom cladding layer is composed of silica. Since polymer and silica have algebraic signs of their thermooptic coefficients that are opposite to each other, the refractive index of the core changes in the opposite direction to that of the bottom cladding as the temperature is increased. Thus switching operation is initially done through adiabatic mode evolution in the Y-branch, and then a heated waveguide arm in the Y-branch can enter into the optical cut-off region if the temperature is sufficiently high. Using this phenomenon, low crosstalk performance is achieved. For both TE and TM modes, the proposed device has a crosstalk of -35dB, while most integrated-optic switches with a single stage have a relatively high crosstalk in the region of -20dB. The switching power of the proposed device is about 70mW.
In the appendix, a new high-resolution temperature sensor based on the polymer-silica hybrid optical waveguide is proposed and demonstrated experimentally. Since the refractive indexes of polymer layers and silica layer vary in the opposite direction to each other with temperature, the polymer-silica hybrid optical waveguide falls into the optical cut-off region gradually as ambient temperature rises. Therefore, monitoring the output optical power at the given temperature enables us to detect fine temperature variation easily using a cheap photo detector instead of expensive components such as a broadband light source and an optical filter or a spectrum analyzer. The fabricated temperature sensor has very high temperature resolution of about 0.01℃ from 18℃ to 38℃.
이종 물질로 구성된 광도파로는 일반적으로 사용되는 단일 물질로 만들어진 광도파로가 얻기 힘든 큰 기능성을 가질 수 있다. 본 논문에서는 열이라는 특정 외부 요인에 대해 폴리머와 실리카의 서로 반대인 성질을 이용하여 광도파로가 차단 영역에 진입하게 하였다. 단일 물질로만 이루어진 광도파로에서는 구현하기 힘든 이러한 기능성을 응용하여 기존의 광소자들의 성능을 향상시키고 개선하였다.
폴리머와 실리카의 이종 물질로 구성된 광도파로를 이용한 저누화 1×2 열광학 스위치를 제안하고 실험적으로 증명하였다. 상부 클래딩과 코어는 폴리머로 이루어져 있고 하부 클래딩은 실리카로 만들어져 있다. 폴리머와 실리카의 열광학 계수들이 서로 반대 부호이므로 전극을 통해 열을 가하면 상부 클래딩과 코어의 굴절률은 감소하지만 하부 클래딩의 굴절률은 오히려 증가한다. 그러므로 전극을 통해 충분히 열이 가해진 분기 광도파로는 차단 영역에 진입하게 된다. 이를 이용하여 광스위치의 누화를 상당히 줄일 수 있다. 제작된 이종 물질로 구성된 열광학 스위치는 70mW의 스위칭 파워에서 -35dB의 매우 낮은 누화 특성을 보였다.
온도에 따른 중심파장의 이동을 측정하여 온도 변화를 감지하는 기존의 온도센서를 대신해 높은 온도분해능을 얻기 위해 새로운 개념의 온도센서를 제안하고 실험적으로 보였다. 제안한 온도센서는 상부 클래딩과 코어는 폴리머로, 하부 클래딩은 실리카로 이루어져있는 단일 모드 립 구조의 직선 광도파로이다. 이 폴리머와 실리카의 이종 물질로 구성된 광도파로는 주변 온도의 상승에 따라 상부클래딩과 코어의 굴절률은 감소하고 하부 클래딩은 굴절률이 오히려 증가하면서 자발적으로 차단 영역에 진입해간다. 그리하여 광대역 광원과 OSA 등과 같은 고가의 측정장비가 필수적인 기존의 온도센서 시스템에 비해 비교적 저가의 광검출기만으로도 주변 온도에 따른 광도파로의 출력 광파워를 모니터링하여 수월하게 온도 변화를 감지할 수 있으며 보다 높은 온도분해능을 달성할 수 있다. 또 복잡한 광파워 결합 구조가 아닌 단순한 직선 광도파로 구조이므로 기존 온도센서에 비해 소자의 삽입 손실을 줄이고 제작공정이 간단하며 제작단가를 낮출 수 있다. 나아가 광도파로를 구성하는 각 층의 굴절률 차이를 약간 조정하거나 크기가 다른 열광학 계수를 가진 폴리머를 사용하면 온도측정범위와 온도분해능 등을 조절할 수도 있다. 제작된 온도센서는 18℃에서 38℃까지의 온도구간에서 적어도 0.01℃의 높은 온도분해능을 가지는 것으로 측정되었다.
