This thesis presents a novel $2\times2$ switching characteristics obtained from the multimode interference (MMI) patterns in a thick waveguide structure. The interference patterns vary according to the length as well as the width of the thick waveguide structure that may be in turn also controlled by change of refractive index. In other words, the self-imaging points formed in the constructive interference pattern of modes might be moved by the refractive index change. Finally, the signal path in the $2\times2$ optical switch could be the bar- or the cross-state according to the movement of the self-imaging points
The mode propagation theory based beam propagation method (BPM) is used in the analysis of the MMI waveguide structure. Each mode in the MMI waveguide has not only different propagation constants but also different effective widths caused by Gooth - H?nchen shifts. The effective width differences among the modes become larger as the refractive index difference between core and cladding becomes smaller. Since the greater change in the interference pattern occurs in the lower index difference, the switching operation is available only in the very low-contrast MMI. In addition, it should be noted that these properties can not be analyzed by mode propagation analysis (MPA) but BPM because the same effective widths for all modes are assumed in MPA.
In the simulation of the MMI waveguide structure with the width of 17.5$\mum$ and the length of 2045$\mum$, the initial bar-state gives the insertion loss of -0.542 dB and the crosstalk of -14.939 dB, while the cross-state gives the insertion loss of -1.118 dB and the crosstalk of -12.281 dB. The extinction ratio for the cross-state shows the value higher than 11.74dB, but the ratio becomes slightly better for the bar-state. Even though these outcomes do not show good performance, the MMI structure has big potential to overcome these results which might be further enhanced by modifying the structure. As a promising candidate for the future optical communication systems, the MMI gives simple structure, the wavelength-insensitiveness and very low index change for switching which is found to be as small as 0.0053 in this simulation.
이 논문에서는 폭이 넓은 도파로에서의 다중 모드 간섭 패턴으로부터 얻어지는 새로운 $2\times2$ 스위칭 특성을 제안하였다. 이러한 간섭 패턴은 도파로의 폭 뿐만 아니라 길이에 따라 변화하는데 이러한 효과는 도파로의 굴절률을 변화시킴으로서도 얻을 수 있다. 즉, 모든 모드들의 보강 간섭에 의한 자가 상 형성 (self-imaging) 위치는 도파로의 굴절률 변화에 의해 바뀔 수 있다. 마지막으로 이러한 자가 상 형성 위치의 변화는 따른 $2\times2$광 스위치의 출력 신호의 변화는 광 스위치의 바 (bar-) 상태와 크로스 (cross-) 상태에 적용될 수 있다.
다중모드 간섭 도파로의 전산 모사에는 모드 전파 이론을 기초로 하고 광 도파 방법을 사용하였다. 다중모드 간섭 도파로 내의 각각의 모드들은 서로 다른 전파 상수를 가지고, 또한 서로 다른 구스-한센 천이 (Gooth - H?nchen shifts) 를 나타내는데 이로 인해 각각의 모드들은 서로 다른 유효 도파폭을 가지게 된다. 각각의 모드들의 유효 도파폭 차는 도파로의 코어와 클래딩의 굴절률 차가 작을수록 커지고 이에 따라 간섭 패턴의 변화가 생긴다. 굴절률 차가 작은 도파로에서 더 큰 간섭 패턴의 변화가 생기므로 스위칭 동작은 매우 낮은 굴절률 차를 갖는 다중모드 간섭 도파로에서만 가능하다. 이러한 특성은 모드 전파 해석법에서는 나타나지 않고 광 도파 해석법에서 나타나는데, 그 이유는 모드 전파 해석법에서는 모든 모드들이 같은 유효 도파폭을 가진다고 가정하기 때문이다.
폭이 17.5$\mum$, 길이가 2045$\mum$인 다중 모드 간섭 도파로의 전산모사 결과, 초기 상태인 바 상태에서는, -0.542 dB 의 초과 손실과 -14.939 dB 의 누화를 얻었고, 스위칭 후인 크로스 상태에서는 -1.118 dB 의 초과 손실과 -12.281 dB 의 누화가 나타났다. 또한 이러한 구조에서 크로스 상태의 소멸비는 11.74dB 보다 큰 값을 나타내는데 이것은 바 상태에서보다 약간 열화된 결과이다. 이러한 결과들이 그다지 좋은 성능을 보이지는 못하지만, 다중모드 도파로는 그 구조를 변형함으로써 앞의 결과들을 개선할 수 있는 여지가 매우 크다. 앞으로의 광통신 시스템에서의 유망 소자인 다중모드 도파로는 구조가 간단하고 파장에 민감하지 않으며, 0.0053의 매우 작은 굴절률 변화로 스위칭을 일으킬 수 있는 특성을 가진다.
