AN ANALYTICAL AND EXPERIMENTAL STUDY OF MULTIMODE INTERFERENCE EFFECT FOR SILICA-BASED OPTICAL DEVICES

Abstract

본 논문에서는 다중모드간섭(MMI: Multimode interference) 이론에 대한 보다 명확한 해석을 위하여, 이질적 자기상 맺힘(Ex_SI: Extraneous self-imaging) 현상이라고 명명한, 정의되지 않은 자기상 맺힘(SI: Self-imaging) 현상에 대하여 이론적, 실험적 증명을 통하여 소개하고자 한다. Ex-SI 현상에 대한 생성원리가 논의되었으며, 수치해석적 방법(Numerical method)을 통해 얻어진 결과를, 본 논문에서 제시하고자 하는 도식적인 방법(Graphical form)과 해석적인 방법(Analytical form)에 의해 얻어진 결과와 비교해 보았다. 또한, 실리카(Silica) 기반의 광 도파로를 적용한 특정 조건에 대하여, Ex-SI 현상의 생성원리를 해석해 보고자, 수치해석적인 결과들과 해석적인 결과들을 비교, 분석해 보았다. 더욱이, Ex-SI 현상에 대한 해석을 위한 조건과 같은 조건 하에서 실험적으로 연구되었으며, 해석적인 결과와 실험적인 결과를 비교해 보았다. Ex-SI 현상의 적용 가능성을 확인하기 위하여, MMI 이론에서 소개된 SI현상과 함께 Ex-SI현상을 수치해석적 방법과 실험적 방법을 통하여 비교, 분석해 보았다. 그 결과로부터, Ex-SI 현상도, SI 현상과 마찬가지로, 이미지 형성에 대한 주기성을 갖는 것을 확인 하였으며, Ex-SI 현상의 초과 손실(Excess Loss)과 소멸비(Extinction Ratio)의 이미지 주기에 따른 변화가 SI 현상의 것들보다 더욱 개선됨을 알 수 있었다. 광소자에 Ec-SI 현상의 적용 가능성을 소개하기 위하여, 본 논문에서는 Ex-SI 현상을 파장 여과기(Wavelength multiplexer)에 적용해 보았다. 앞서 소개한 Ex-SI 현상에 대한 실험 데이터를 이용하여, 1310nm와 1550nm 파장을 여과하는 1×2 파장 여과기를 개발하였다. 또한, 1310 nm, 1490 nm, 그리고 1550 nm 파장을 다루는 새로운 구조의 1×3파장 여과기를 소개하였다.; This dissertation introduces an undefined self-imaging (SI) phenomenon, called here the extraneous self-imaging (Ex_SI) phenomenon, with theoretical and experimental verifications to analyze the multimode interference (MMI) theory in more detail. The evolution principle of the Ex_SI phenomenon is discussed, and the results from the numerical method are compared with the graphical and analytical forms. Under specific configuration using silica-based optical waveguides, the numerical results and the analytical results are compared to analyze the evolution of the Ex_SI phenomenon. Moreover, the Ex_SI phenomenon is experimentally studied under the same configuration as the analyzed model to compare the results of each other. In order to estimate the applicability of the Ex_SI, the characteristics of both the SI phenomenon, which is defined in the MMI theory, and the Ex_SI phenomenon are compared and analyzed through simulation and experiment. The results show that the Ex_SI phenomenon has an imaging period that is the same as the SI phenomenon and that the trends for the excess losses and the extinction ratios of the Ex_SIs are improved more than that of the 0-dB SIs, as the imaging period increases. To introduce applications for the Ex_SI phenomenon, this dissertation intorduces the novel wavelength multiplexers (MUX) using the Ex_SI phenomenon. With the experimental data for the Ex_SI phenomenon, the 1 x 2 wavelength MUX for the wavelengths of 1310 nm and 1550 nm is developed. Also, the novel structure of 1 x 3 wavelength MUX for the wavelengths of 1310 nm, 1490 nm, and 1550 nm is introduced.