Multi-channel thermo-optic polymer digital optical switch (DOS) and variable optical attenuator (VOA) arrays for a 40-channel planar lightwave circuit (PLC) reconfigurable optical add/drop multiplexing (ROADM) switch have been studied by taking advantage of exceptional benefits of a polymer PLC technology. For both cost-effective and high-productive polymer based array modules, we focus on two main concepts as follows: each optical component for the ROADM switch is separated discretely, and it is partially grouped as 10 channels instead of fully integrating 40 channels. Ultimately, the purpose of this study is to realize highly competitive pol-ymer based array devices in terms of functionality, compactness, performance, and reliability for commercialization. Multi-channel polymer optical array devices showing excellent optical properties are designed, fabricated, and characterized, and we propose new types of DOSs using the total-internal reflection (TIR) effect. The optimization of the polymer array devices are accomplished using the well-known finite difference method (FDM) and beam propagation method (BPM).
For the improvement of fabrication tolerances of conventional 1×2 polymer Y-branch DOSs, a single channel crosstalk-enhanced Y-branch DOS with a low power consumption is proposed, which uses modified radiation-type attenuators. The fabricated DOS shows a good switching property with an optical crosstalk of below -45 dB at a switching power of 60 mW, which is far less power consumption compared to the convention-al DOS. Using this basic structure, the proposed DOS is expanded to a 10-channel polymer DOS array. To sup-press stray light, i.e., attenuated or radiated lights by heater operation, and to secure an optical crosstalk level of below -45 dB in the DOS array with a narrow channel pitch, we introduce a quartz substrate on which grid pat-terns are formed to disperse the stray light. As a result, we fabricate 10-channel polymer DOS array showing a low crosstalk of less than -45 dB at a low electrical power of 50 mW. Using the same substrate, we also fabricate the 10-channel polymer multimode filtering VOA array, which shows excellent optical characteristics such as an attenuation of less than -41 dB at a low power consumption of 17 mW, a low PDL of below 0.5 dB at 20-dB attenuation, and an adjacent channel crosstalk of -40 dB. To reduce overall size and packaging cost of the ROADM switch, the multimode filtering VOA array and the Y-branch DOS array are monolithically integrated into one polymer PLC chip to realize the 10-channel DOS/VOA array module. Even after this monolithic inte-gration, it exhibits good optical characteristics similar to those of each 10-channel DOS and VOA array. The high productivity and fabrication tolerances of the DOS and VOA arrays can lead to successful monolithic inte-gration.
To reduce the number of control heaters of the 1×2 Y-branch DOS, a novel 1×2 DOS using the TIR effect is proposed. The 1×2 TIR-DOS is created by connecting a reflection port to the conventional multimode filtering VOA. The fabricated TIR-DOS shows a low power consumption of 18 mW for an on-off extinction ratio of above 35 dB, and a switching isolation during a turned-off state is around 39 dB. As a multi-channel expansion of the TIR-DOS, a 2×2 TIR-DOS is proposed, and it has a cross cascaded configuration of four 1×2 TIR-DOSs, with a thermo-optic reflector located at each node of the branched multimode waveguides. The DOS has a distinctive feature of bend-free waveguides, which allows a very compact integration in the 2×2 DOS. The switching isolations during the turned-off (bar) and turned-on (cross) states are even higher than 50 dB. The 2×2 DOS shows a low insertion loss of about 1.4 dB and a PDL of below 0.1 dB, for both the bar and cross states within the whole C-band wavelength range. Its wavelength-insensitivity opens a possibility for application of the 2×2 DOS to the O-band wavelength range without any design modifications. Furthermore, the new types of 1×2 and 2×2 TIR-DOSs can be expanded to a multi-channel array structure for use in add/drop switching of the ROADM switch, and the 2×2 DOS is well suited for use in protection switching in optical networks.
Owing to the simplicity of the switching structure using the TIR, the 1×2 TIR-DOS is easily scaled up to very compact 4×4 and 8×8 optical matrix switches, which are realized using the 1×2 TIR-DOS as a unit switch-ing element. The matrix switches distinguishingly consist of a plurality of the crossed multimode waveguides, the offset heater electrodes in the switching nodes, and the single-mode and tapered waveguides in only the in-put/output region. From the optimization of the waveguide dimension, cross angle, heater angle, and heater off-set, excellent optical characteristics can be achieved in terms of the insertion loss, switching isolation, PDL, and power consumption. For large scale matrix switches of more than four channels, a compact electrode configura-tion is also developed using a two-layer wiring structure. The TIR matrix switches have such a simple structure as to be sufficiently used for the cost-effective and high performance optical switching systems.
In terms of reliability for the polymer based array devices, basic performance of the 10-channel polymer DOS/VOA array are examined, exhibiting dependences on wavelength, polarization, and temperature. From the result, a thermo-electric cooler (TEC) is used to reduce the temperature dependence of the devices. We first per-form a short-term temperature cycling test of the 10-channel polymer DOS/VOA array, and then a certified reli-ability test of the 10-channel VOA array, based on the Telcordia requirements, is accomplished. Satisfactory results fully meeting the Telcordia requirements can be obtained, and they prove that the thermo-optic polymer array devices can be well employed for the PLC ROADM switch.
As one application of the polymer optical array devices, a 40-channel PLC ROADM switch is successful-ly realized using four 10-channel polymer DOS/VOA array modules including two C-band 40-channel thermal AWG-WDMs. By employing 5% tap-photodiodes, optical power monitoring of each channel is performed. Con-troller and firmware with functions of the DOS/VOA control, optical power monitoring, TEC and AWG tem-perature control, and data communication interfaces are also developed. As expected, the total low power con-sumption of 10.6 W can be obtained by using the unique 10-channel DOS/VOA array modules showing low power consumption. It is demonstrated that the 10-channel polymer DOS/VOA array with both low optical crosstalk and low power consumption is well applicable to the ROADM systems. In addition, the thermo-optic polymer array devices and their resulting ROADM switch using them could be commercialized in the near fu-ture, and they would lead to a competitive edge for relevant optical devices.
본 논문에서는 40채널 평면광회로(PLC) ROADM 스위치에 사용될 수 있는 다채널 열광학 폴리머 디지털 광스위치(DOS) 및 가변광감쇄기(VOA) 어레이에 대한 연구 결과를 소개하였다. 저 가격 및 높은 생산 수율을 갖는 폴리머 기반의 어레이 모듈을 구현하기 위하여 주로 두 가지 개념을 적용하였다. 먼저, ROADM 스위치에 사용되는 각 광 부품들을 기능별로 나누었으며, 또한 동일한 기판에 40채널로 단일 집적하지 않고 10채널로 분리하였다. 본 연구의 궁극적인 목적은 광 모듈의 기능성, 크기, 성능, 그리고 신뢰성 측면에서 상용화를 위하여 높은 경쟁력을 갖는 폴리머 기반의 어레이 광소자를 구현하는 것이다. 우수한 광 특성을 갖는 다채널 폴리머 광어레이 소자를 설계, 제작, 및 측정하였으며 전반사 효과를 이용한 새로운 형태의 디지털 광스위치를 제안하였다.
기존의 폴리머 Y-분기 디지털 광스위치가 갖는 낮은 공정 수율을 극복하기 위하여 높은 광누화 및 저소모 전력을 갖는 단일 채널 Y-분기 디지털 광스위치를 제안하였다. 제작된 광스위치는 60mW의 소모전력에서 -45dB 이하의 양호한 스위칭 특성을 보였는데, 이는 기존의 디지털 광스위치 보다 훨신 낮은 소모전력에 해당한다. 이러한 제안 구조를 이용하여, 10채널 폴리머 광스위치 에레이를 제작하였다. 채널 간격이 좁은 광스위치 어레이 구조에서 잡광(stray light)을 억제함과 동시에 -45dB 이하의 광누화를 확보하기 위하여 광 산란용 격자가 형성된 유리 기판을 도입하였다. 결과적으로, 50mW의 낮은 소모전력에서 -45dB 이하의 광누화를 보이는 10채널 폴리머 디지털 광스위치 어레이를 제작할 수 있었다. 동일한 기판을 사용하여 10채널 폴리머 다중모드 필터형 가변광감쇄기를 제작하였으며, 제작된 가변 광감쇄기는17mW에서 -41dB의 낮은 광누화 및 20dB 광 감쇄시 0.5dB 이하의 편광의존 손실을 보였다. ROADM 스위치의 전체 크기 및 패키징 비용을 줄이기 위하여, 가변 광감쇄기 어레이 및 디지털 광스위치 어레이를 폴리머 평면광회로 칩에 단일 집적하여 10 채널 광스위치/ 가변광감쇄기(DOS/VOA) 어레이 모듈을 구현하였다. 단일 집적된 모듈은 10채널 광스위치 및 10채널 가변광감쇄기에서 보였던 것과 유사한 특성을 보였다. 본 연구에서 사용된 디지털 광스위치 및 가변광감쇄기의 높은 수율로 인하여 광스위칭 및 광출력 조정의 두 가지 기능을 동시에 수행할 수 있는 광소자를 성공적으로 단일 집적화 할 수 있었다.
Y-분기 광스위치 제어에 사용되는 히터 수를 줄이기 위하여 전반사 기반의 새로운 1×2 광스위치를 제안하였다. 제안된1×2 광스위치는 기존의 다중모드 필터형 가변광감쇄기에 반사포트를 연결함으로써 쉽게 구현될 수 있었다. 제작된 새로운 구조의1×2 광스위치는 18mW 소모전력에서 35dB의 소멸비를 보였으며, 스위치가 동작하지 않을 때에도 39dB 근처의 스위칭 아이솔레이션을 보였다. 1×2 광스위치를 다채널로 확장시킨 2×2 전반사형 광스위치를 제안하였는데, 제안된 2×2 광스위치는 다중모드 광도파로가 분기되는 부분에 열광학 히터를 갖는4개의 1×2 전반사형 광스위치들을 상호 교차시켜서 구성된다. 본 광스위치는 곡선 도파로가 없는 독특한 구조로 인하여 매우 작은 2×2 광스위치로 집적될 수 있었으며, 광스위치의 OFF/ON 상태에서 50dB 를 상회하는 스위칭 아이솔레이션을 보였다. 특히, 제작된 2×2 광스위치는 매우 낮은 파장의존성을 보였는데 이러한 특성은 본 광스위치가 C-밴드 파장 대역뿐 아니라 O-밴드 파장 대역에서 사용될 수 있음을 의미한다. 또한, 새로운 형태의 1×2 및 2×2 전반사형 광스위치는 다채널 어레이 구조로의 확장을 통하여 40채널 ROADM 스위치의 삽입/추출 스위칭에 사용될 수 있으며, 특히 2×2 광스위치는 광네트워크에서 보호 용도의 스위칭에도 사용될 수 있는 적합한 특성을 보였다.
전반사를 이용하는 단순한 스위치 구조로 인하여, 1×2 광스위치는 쉽게 4×4 및8×8 광 매트릭스 스위치로 확장될 수 있었다. 본 광 매트릭스 스위치는 다수의 교차된 다중모드 도파로 및 각 스위치 노드에 위치가 이동된 히터가 형성되어 있으며, 특히 광섬유가 연결되는 광 입출력 부분에만 단일모드 광도파로 및 테이퍼형 광도파로가 배치되어 있다. 도파로의 치수, 교차각도, 히터각도, 및 히터옵셋을 최적화함으로써 삽입손실, 스위칭 아이솔레이션, 편광의존손실, 및 소모전력 측면에서 매우 우수한 소자 특성을 얻을 수 있었다. 또한, 4채널 이상의 채널 수를 갖는 광 매트릭스 스위치에 적용할 수 있도록 이중 배선 구조의 단순한 전극 형태를 개발하였다. 본 연구에서 개발된 전반사형 광 매트릭스 스위치는 구조가 매우 간단하여 저가 및 고성능 광스위칭 시스템에 충분히 사용될 수 있을 것이다.
폴리머 기반 광소자의 기본적인 신뢰성을 확인하기 위하여, 단일 집적된10채널 폴리머 광스위치/가변광감쇄기 모듈의 파장의존성, 편광의존성, 및 온도의존성을 시험하였다. 시험 결과에서 확인된 폴리머 소자의 온도의존성을 줄이기 위하여 열전냉각소자를 광모듈 안에 함께 집적하였다. 먼저, 10채널 광스위치/가변광감쇄기 어레이 모듈에 대한 온도 주기시험을 단기간 동안 수행하였으며, 다음으로 10채널 가변광감쇄기 모듈에 대하여 Telcordia 요구조건을 근거로 한 공인 신뢰성시험을 수행하였다. 본 신뢰성 시험결과는 Telcordia 요구조건을 완벽하게 만족하였으며, 이러한 결과는 열광학 폴리머 어레이 광소자를 평면광회로 ROADM 스위치에 충분히 사용할 수 있음을 증명한다.
폴리머 광어레이 소자를 적용한 응용 예로써, 4개의 10채널 폴리머 광스위치/가변광감쇄 기 어레이 모듈과 2개의 C-밴드용 40채널 배열격자도파로 파장다중화화기(AWG-WDM)를 사용하여 40채널 평면광회로 ROADM 스위치를 구현하였다. 5% 탭 광다이오드를 이용하여 각 채널들의 광출력을 모니터링하였다. 저소모 전력 특성을 갖는 독특한 10 채널 광스위치/가변광감쇄기 어레이를 사용함으로써 ROADM 스위치의 총 소모전력을 10.6W로 낮출 수 있었다. 결론적으로, 본 연구에서 개발된 열광학 폴리머 광어레이 소자들 및 이를 이용하여 구현된 ROADM 스위치는 곧 상용화 될 것으로 예상되며, 또한 관련된 평면광회로 기반의 광소자들과 견주어 충분한 경쟁력을 보일 것이다.
