Silicon photonics switches have garnered attention to be one of the most promising technology that may replace electronic switches. Since Silicon photonics is a powerful platform that can fabricate a photonic integrated circuit on a single chip, studies about various silicon photonic switching engines such as Mach-Zehnder interferometer (MZI) switching engine, micro-ring resonator (MRR) switching engine, and recently, micro-electro-mechanical-system (MEMS) switching engine have been conducted. However, various factors such as large size, large power loss, and costly fabrication process limit the overall performance of large-scale array obtained through mass production.
In this thesis, adiabatic coupler based broadband MEMS actuated optical switch is designed and fabricated based on the standard fabrication process. Both electro-mechanical simulation and optical simulation were conducted to design the parameters and predict the properties of the switch. Etched result was identified through SEM images, and the electro-mechanical response was observed. Optical measurement is in progress, but the results of optical simulation indicate that an enhancement of optical switching performance may be achieved through an optimization of the design. Such design’s optical loss is expected to be 0.48 dB or lower, with its extinction ratio being 25 dB or higher in 1300 nm to 1550 nm wide wavelength range.
실리콘 포토닉스 스위치는 광통신에 유리한 포토닉스 소자들을 낮은 가격에 집적화 할 수 있다는 장점을 바탕으로, 장기적으로 전기적 스위치를 대체할 수 있는 기술로 주목받았다. 이에 마하-젠더 간섭계 기반, 링-공진기 기반, MEMS 기반 실리콘 포토닉스 스위치 등 실리콘 포토닉스를 기반으로 한 광 스위칭 소자 연구들이 활발하게 이어지고 있으나, 소자의 크기나 전력 소모가 크고, 다층 구조 공정과 같이 복잡하거나 높은 가격이 요구되는 공정을 요구하는 경우가 많다는 제약들이 존재한다.
본 연구에서는 adiabatic 커플링에 기반하여 광대역에서 동작하는 MEMS 기반의 광 스위칭 소자를 디자인하고 제작하였다. 전기적-기계적 특성과 광학적 특성을 예측하고 수치들을 결정함에 있어 시뮬레이션을 사용하였다. 해당 소자는 MEMS 전용 공정이 아닌 일반적인 실리콘 포토닉스 공정을 통해 제작되었으며, 추가적으로 구조물을 띄우는 공정을 수행하였다. 식각 결과는 SEM을 통해서 확인하였고, 전기적-기계적 특성이 확인되었지만 공정 조건의 확립으로 인해 광학적 특성은 시뮬레이션으로 대체하였다. 이로부터 광 손실을 발생시키는 원인들을 분석하였으며, 1300 nm 부터 1550 nm 파장대에서 0.48 dB 이하의 광 손실과 25 dB 이상의 소광비를 가질 것으로 예측되는 구조를 디자인하였다.