Novel polymer-based variable optical attenuators (VOA) and digital optical switches (DOS) are proposed for the highly integrated circuit including add-drop multiplexer (ADM) and optical crossconnects (OXC). Two types of VOAs are Introduced based on mode filtering and radiation, respectively, and two basic ideas are presented for the performance enhancement of the conventional DOS: one is the crosstalk improvement of conventional 1 $\times$ 2 DOS by VOA attachment, which attenuates residual optical powers in the off-state arm of the DOS; and the other Is the definition of a zero voltage state in 2 $\times$ 2 DOS using asymmetric Y-branches. The optimizations of the proposed VOA's and DOS's are carried out using the finite element method (FEM) and beam propagation method (BPM); the optimized devices are then fabricated using fluorinated UV-curable polymers through the conventional 4-inch silicon wafer process. The VOA based on mode filtering shows a low operating power of less than 30mW due to the superior thermo-optic effect of polymer material. Less than 1.0 dB of the device insertion loss is achieved at 1550 nm. Device characteristics with a closed-loop feedback control circuit are investigated in order to minimize wavelength dependent loss and the temperature dependence of attenuation level. The fabricated 1 $\times$ 2 DOS with VOA based on mode filtering (Type 1) shows an enhanced crosstalk of < -40 dB and a loss of 1.5 dB at 1550 nm when the applied power consumption is 80 mW. The 1 $\times$ 2 DOS with VOA based on radiation (Type 2) is proposed for lower loss. Since the VOA based on radiation uses two waveguide arms of the Y-branch in the DOS, Type 2 has the same waveguide structure as the conventional 1 $\times$ 2 DOS. The fabricated device shows a very low crosstalk of < -70 dB, and a low insertion loss of < 1.1 dB at 1550 nm when the power consumption is 200 mW. Type 2 shows lower loss and lower crosstalk than Type 1. However, Type 1 shows lower power consumption, which is another important property of optical components, since the radiation-based VOA needs more power consumption than the mode filtering-based VOA for achieving the same attenuation. The 1 $\times$ 2 switch can be used for a basic unit composing 1 $\times$ N DOS and N $\times$ N DOS; whereas 1 $\times$ N DOS needs VOA's for the crosstalk enhancement, N $\times$ N DOS shows a low crosstalk of < -40 dB without VOA. Although the symmetric 2$\times$2 DOS shows good switching characteristics, the optical power is split into two output ports without electrical power. Therefore, a 2 $\times$ 2 DOS using four asymmetric 1 $\times$ 2 DOS's is proposed for the protection switch, which has a switching state without electrical power. The switch shows a crosstalk of < -40 dB and the loss of 1.7 dB at both switching states, which is comparable with the symmetric 2 $\times$ 2 DOS. The proposed devices can be selected properly for various purposes in optical communication systems.
광 집적 회로에 사용될 수 있는 새로운 형태의 가변 광 감쇠기와 Y 분기 광스위치를 제안하고 자외선 경화형 불소계 광 폴리머를 이용하여 제작 및 특성 분석을 하였다. 먼저 두 가지 형태의 가변 광 감쇠기가 소개되는데 모드 필터링 효과를 이용한 것과 radiation 효과를 이용한 것이다. 모드 필터링을 이용한 가변 광 감쇠기는 본 논문에서 새롭게 제안된 형태로 전형적인 4-inch 실리콘 웨이퍼 공정을 통하여 제작되었다. 제작된 소자는 폴리머의 큰 열광학 계수 때문에 30 mW 의 전력으로 30 dB 이상의 감쇠를 얻을 수 있었다. 삽입 손실은 1 dB 이하이고, 파장 의존성, 온도 의존성 등이 측정되었다. 또한 실제 광 통신 시스템에 적용을 위해 피드백 회로를 이용하여 가변 광 감쇠기의 특성을 측정 하였다. Radiation을 이용한 가변 광 감쇠기는 뒤에서 소개될 switch 에 집적하기 위해 최적화 되었다. 다음으로는 기존의 광 스위치의 문제점을 해결하기 위하여 세가지 형태의 Y 분기 광 스위치를 제안하였다. 앞의 두 종류는 기존의 Y 분기 광 스위치의 누화 특성을 향상시키기 위하여 Y 분기 양쪽 팔에 앞에서 소개한 두 가지 형태의 가변 광 감쇠기를 집적한 형태이다. 모드 필터링 가변 광 감쇠기를 집적한 광 스위치(Type 1)는 80 mW의 전력에서 1.5 dB의 삽입 손실과 - 40 dB 이하의 누화 특성을 보였다. Radiation 가변 광 감쇠기를 집적한 광 스위치 (Type 2)는 더 낮은 삽입 손실을 위해 제안되었는데 부가적인 도파로 없이 Y 분기의 두 팔을 이용하여 감쇄를 시키기 때문에 Type 1에 비해 소자 길이가 짧고 따라서 낮은 삽입 손실을 보인다. 제작된 소자의 삽입 손실은 1.1 dB 이하이고, 200 mW 의 전력에서 - 70 dB 이하의 누화 특성을 보였다 Type 2 스위치가 손실과 누화에서는 더 좋은 특성을 보인 반면, 구동 전력은 Type 1의 경우가 더 낮았다. 세 번째로 제안된 광 스위치는 4 개의 비대칭 Y 분기 1 $\times$ 2 광 스위치를 이용하여 구동 전력 없이 스위칭 상태가 유지되는 2 $\times$ 2 광 스위치이다. 대칭형 Y 분기 2 $\times$ 2 광 스위치는 좋은 특성을 보이지만 전력 공급이 끊기면 광 출력 파워가 분기가 되어 광 네트워크에 필요한 protection switching에는 적합하지 않았다. 제작된 비 대칭형 2 $\times$ 2 광 스위치는 구동 전력이 없을 때에도 약 1.7 dB 의 삽입 손실 특성을 보이고 - 40 dB 이하의 누화 특성을 보였다.
