The wavelength division multiplexing (WDM) optical communication system has been considered as one of solutions for the next generation optical network due to the wide band-width, high security, and expandability. However, the cost of implementation and maintenance is so high. In WDM optical communication system, there are many optical devices such as opti-cal transceiver, light source, optical switch, optical splitter. Among optical devices in WDM opti-cal communication system, the optical transceiver is one of key component. Therefore, to over-come the disadvantages of WDM optical communication system, it is important to realize com-pact and low-cost optical transceiver.
Polymers have the unique features for optical devices such as refractive index tunability, easy fabrication, structural diversity, flexibility, large thermo-optic coefficient and low thermal conductivity. These special features of polymer have been exploited for the demonstration of various functional optical waveguide devices such as optical switch, tunable wavelength filter, optical sensor and polarization splitter.
Photonic integrated circuit technology enables manipulation of light signal on a small footprint substrate, and produces sophisticated optical devices by integrating various functional building blocks. The Photonic IC has the advantage of the small footprint, cost-reduction and system reliability. If the optical transceiver can be implemented as photonic integrated circuit by using polymer material, it can be realized the low-cost and compact optical transceiver.
In this dissertation, we proposed the optical polymer waveguide devices to realize the low-cost and compact otpical transceiver. The proposed devices are designed by effective index method, beam propagation method. First, to integrating the free-space planar optics in the polymer waveguide, a large core single mode waveguide is incorporated to produce a collimat-ed light with small diffraction. The dimension of the large core waveguide was 25 × 25 μm2. By using such a large-sized guided mode, diffraction loss through the FPR could be greatly re-duced to be 0.8 dB through a 400 μm FPR. Second, a tunable wavelength filters as essential component for the optical transceiver has been demonstrated, which is based on polymer waveguide Bragg reflectors. For an ordinary Bragg reflector, the filtered signal is reflected to-ward the input waveguide. Thus an external circulator is required to separate the filtered signal from the input port, though it increases the total footprint and cost. For this purpose, we em-ployed dual Bragg reflectors and a mode sorting asymmetric X-junction. To control the relative phase difference, we incorporated the phase control electrode. The Bragg reflector exhibited a maximum reflectivity of 94% for a 6-mm long grating, a 3-dB bandwidth of 0.39 nm and a 20-dB bandwidth of 2.6 nm. The mode sorting crosstalk in asymmetric X-junction was less than -20 dB, and linear wavelength tuning was achieved over 10 nm at the applied thermal power of 377 mW. We also employed a directional coupler with Bragg grating or asymmetric Y-branch with tilted Bragg grating. We checked the the possibility to separate the filtered signal to an-other oupput port by using proposed structure.
The proposed waveguide collimator and tunable wavelength filter will be useful in realiz-ing compact and low-cost tunable optical transceiver for WDM communication system.
WDM 광통신 시스템은 넓은 대역폭, 높은 보안성 및 쉬운 확장성으로 인해 차세대 광네트워크 기술로 주목받으며 많은 연구가 진행되고 있다. 하지만 설치 및 유지 보수 비용이 크다는 단점이 있다. WDM 광통신 시스템에는 광트랜시버,광 분배기, 광스위치와 같은 다양한 광소자들이 사용되고 있으며 광트랜시버는 이러한 광소자들 중에서 핵심적인 광소자이다. 그러므로 WDM 광통신 시스템의 가격적인 단점을 극복하기 위해서는 광트랜시버를 소형화, 저가화 하는 것이 중요하다.
폴리머는 쉬운 굴절률 변화와 다양한 형태의 단면 구조를 제작할 수 있다. 또한 간단한 제작공정과 높은 열광학 계수를 가지는 장점이 있다. 이러한 특성을 이용하여 광 스위치, 파장 가변 필터, 광센서와 같은 다양한 폴리머 기반의 광소자들이 구현되었다.
집적광학 기술은 하나의 기판에 다양한 기능성의 광소자들을 집적하여 정교한 기능의 광학적 소자를 제작할 수 있는 기술이다. 이러한 집적광학 기술은 광소자의 크기를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 저가의 광소자를 제작 가능하도록 하며 시스템의 신뢰성을 향상시킨다. 그러므로 광트랜시버를 폴리머 물질을 이용하여 집적 광학 소자 형태로 제작할 경우 소형, 저가의 광트랜시버를 구현할 수 있다.
본 학위논문에서는 소형, 저가의 광트랜시버를 구현하기 위해 폴리머 광도파로 소자를 제안한다. 폴리머 광도파로 소자는 유효굴절률법과 빔 전파방법을 이용하여 설계하였다. 먼저 광트랜시버에 사용되는 자유공간 광부품형태의 collimating lens를 광도파로 소자로 구현하기 위한 연구를 진행하였다. 제작된 대형코어 광도파로 크기는 25 μm × 25 μm 이며 모드 크기의 증가로 인해 회절에 의한 손실을 감소시켰다. 400 μm 의 자유공간을 형성함에 따라 발생하는 추가적인 손실은 0.8 dB 이다.
다음으로는 광통신 시스템 뿐만 아니라 광센서, 의료분야에 사용되는 파장 가변 필터에 대한 연구를 진행하였다. 일반적인 브래그 격자 기반의 파장 필터의 경우 입력 포트와 출력 포트가 동일하다. 그러므로 입력과 출력 포트를 분리하기 위해서는 외부 서큘레이터가 반드시 필요하다. 이러한 서큘레이터 사용은 소자의 크기와 가격을 증가 시키는 요인이 된다. 본 연구에서는 외부 서큘레이터를 사용하지 않고 입력과 출력 포트를 분리하기 위해 비대칭 X-분기와 두개의 브래그 리플렉터를 이용한 파장 가변 필터 구조를 제안하고 구현하였다. 제작된 브래그 격자는 6 mm 의 격자 길이에서 94% 의 반사율을 가지며 3-dB 와 20-dB 대역폭은 각각 0.39 nm 와 2.7 nm 이다. 비대칭 X-분기의 모드 분리 효율은 -20 dB 이상의 crosstalk을 가짐을 확인하였다. 제작된 파장 가변 필터의 파장 가변 범위는 10 nm 이상이며 이 때 가한 thermal power는 337 mW 이다. 또한 파장 가변 필터를 구현하기 위해 동방향 결합기와 브래그 격자를 결합한 구조와 비대칭 Y-분기 구조와 기울어진 브래그 격자를 이용한 파장 가변 필터 구조에 대해 살펴보았다.
본 학위논문에서 제안한 광도파로 콜리메이터와 파장 가변 필터는 WDM 광통신 시스템에 사용되는 소형 저가의 광트랜시버를 구현하기 위해 유용할 것이다.
