This thesis investigates a waveguide-based optical microswitch for integrated optical transceiver applications. The microswitch is composed of rib-type silicon waveguides, gold-coated silicon micromirrors and an electrostatic curved electrode microactuators, all fabricated on an SOI wafer using ICP RIE process.
The rib-type silicon wavguide supports single mode propagation. The half-field widths in the waveguide are measured as $w_x=2.76±0.01㎛$ and $w_y=1.90±0.01 ㎛$, respectively.
To improve the surface roughenss of the micromirrors, we oxidize the etched side-wall and remove the silicon oxide. The micromirror loss is measured as 4.18±0.25dB. The major portion of the micromirror loss comes from the limited mirror height and the misalignment between the waveguide and the micromirror. On this basis, we present design guidelines for a low loss micromirror.
We also propose and electrostatic beam microactuator for low voltage micromirror switching. The microactuator reduces inter-electrode gaps using the beam electrodes insulated by silicon nitride film. Thus the direct electrode contact of the present microactuator reduces the driving voltage to 22.6±3.2% of that of the uninsulated separated electrode design. The switching voltage can be reduced to 10 volts for a reduced residual stress of 30 MPa in the silicon nitride film.
본 논문에서는 광송수신 모듈에 집적화 하기 위한 새로운 미소 광 스위치를 제안하고 성능시험을 수행하였다. 이 스위치는 실리콘 광도파로와 금 도금된 실리콘 미소거울, 그리고 곡면 전극을 이용한 미소거울 구동용 정전형 미소 구동기로 구성되어 있고, 이 모든 요소들은 동일한 SOI 웨이퍼 상에 제작 되었다.
먼저, ICP RIE 기술을 이용하여 실리콘 광도파로를 제작하였고 그 성능 시험을 하였다. 제작된 광도파로에서 1차 모드의 광신호가 도파되는 것을 확인하였으며, 도파되는 모드의 크기는 x축 방향으로 2.76±0.01㎛, y축 방향으로 2.76±0.01㎛로 각각 측정되었다.
실리콘 미소거울 역시 ICP RIE 기술을 이용하여 제작하였고, 추가적인 산화막 형성 및 제거 공정을 통해 거울면의 표면경도를 개선하였다. 제작된 미소거울에서의 손실은 4.18±0.25 dB로 측정되었으며, 거울에서 생기는 손실의 주된 원인은 광도파로에서 방사되는 모드 크기에 비해 미소거울의 크기가 충분하지 못하였고, 광도파로와 마소거울 제작시 정렬이 완벽하게 이루어지지 못했기 때문으로 분석 되었다. 이러한 손실을 줄이기 위한 미소거울의 성계방법을 논의하였다.
또한, 낮은 전압으로 미소거울을 구동하기 위하여 곡면전극을 사용하였으며, 전극 표면을 실리콘 질화막으로 절연하여 두 전극이 서로 접촉할 수 있도록 고안된 새로운 구동기를 설계, 제작하고 그 성능을 시험 하였다. 새롭게 제안된 구동기의 구동 전압은 분리전극을 사용한 경우의 22.6±3.2%로 측정되었다. 광 스위치용 구동기의 절연막으로 사용되는 실리콘 질화막의 잔류응력을 30 MPa 이하로 떨어뜨릴 경우, 본 구동기는 10 volt 이하에서 구동기 가능할 것으로 예측된다.
