KR100198936B1 - 자체광전효과소자를 이용한 다단구조의 광 패킷 스위칭장치 - Google Patents

Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야

자체광전효과소자를 이용한 다단구조의 광 패킷 스위칭장치.

2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제

대칭형 자체광전효과소자 다수개를 이용하여 다단 구조로 형성함으로써, 입력된 광신호를 자기 복제 및 증폭한 후, 광 패킷의 헤더 부분에 대한 제어를 통해 자체 라우팅이 이루어지도록 하고자 함.

3. 발명의 해결방법의 요지

다수개의 대칭형 자체광전효과소자를 이용한 광 패킷 스위칭장치에 있어서,제1 및 제2 대칭형 자체광전효과소자를 상호 연결하여 전단부를 구성하고, 제3 및 제4 대칭형 자체광전효과소자를 상호 연결하여 후단부를 구성하며, 상기 전단부와 후단부를 포함하는 단위 스위칭모듈들을 상호 연결하여 1xN의 다단 구조로 형성하여 전단부는 자기복제 및 증폭을 수행하고, 후단부는 스위칭 동작을 수행하도록 함.

4. 발명의 중요한 용도

광 교환 분야에 이용됨.

Description

자체광전효과소자를 이용한 다단구조의 광 패킷 스위칭장치

본 발명은 자체광전효과소자(Self Electro-optic-Effect Device)를 이용한 다단구조의 광 패킷 스위칭장치에 관한 것으로, 자체광전효과소자를 이용하여 일정한 길이의 디지탈 신호 패킷의 광 신호를 자기 복제 및 증폭하여 원하는 목적지로 스위칭이 이루어지도록 한 다단 구조의 광 패킷 스위칭장치에 관한 것이다.

전자 소자에 기반을 둔 통신 기술은 눈부신 발전을 거듭하여 그 물리적 한계에 접근하고 있어 계속되는 새로운 통신 수요를 충족시키기 위한 방법으로 전자보다 물리적 한계가 훨씬 뛰어난 광자를 이용한 완전 광통신이 시도되고 있다.

꾸준히 개발되어온 광섬유를 중심으로 한 광 전송 분야는 이미 기존의 방식을 대체하고 있으나, 광 교환은 그 기술적인 어려움으로 발전이 더디게 이루어지고 있는 실정이다.

현재 광 교환을 위한 구도는 여러 가지가 제시되고 있는데, 교환을 위해서는 각 정보를 어떤 방법으로 목적지를 결정해 줄 것인가가 중요하다.

따라서, 광 도파로를 신호가 지나도록 하고 전기 신호를 이용하여 광 경로를 결정해주는 방법은 많이 연구되어 왔으며, 리튬니오베이트를 사용한 경우는 상용화도 되어 있고, 폴리머 등을 이용한 방법이 꾸준히 개발되고 있다.

그리고, 전기 신호로 광 신호의 경로를 제어하는 방법은 그 속도에 한계가 있으므로 물질의 광학적 비선형성을 이용하여 직접 광 신호로 광 신호의 경로를 결정해주는 방법도 꾸준히 연구되고 있다.

이를 위해 기존에 제시된 구도들은 일반적으로 물질의 3차 비선형 감수율 ()에 의존하지만, 이 경우 아직 일반적인 요구를 만족시켜주는 큰 감수율과 투명성을 동시에 가진 비선형 물질이 발견되지 않고 있기 때문에 현실적으로 스위칭 소자의 크기가 대단히 크거나 강력한 광신호를 사용하여야 하며, 또한 두 가지 이상의 파장의 빛을 사용하여야 한다.

따라서, 본 발명은 광 신호만을 사용하는 완전 광 교환 구도 중에서 대칭형 자체광전효과소자(SEED)를 이용하여 자기 복제 및 증폭한 후, 광 패킷의 헤더 부분에 대한 제어를 통해 원하는 목적지로 광 신호가 자체 라우팅(self-routing)되도록 한 다단구조의 광 패킷 스위칭장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1 은 본 발명에 적용되는 대칭형 자체광전효과소자의 구조도,

도 2 는 투과형 자체광전효과소자에서의 투과율과 흡수율 비를 나타낸 그래프,

도 3 은 단순 반사형 자체광전효과소자에서의 반사율과 흡수율 비를 나타낸 그래프,

도 4 는 비대칭 패브리-페로 공명 구조 자체광전효과소자에서의 반사율과 흡수율 비를 나타낸 그래프,

도 5 는 대칭형 자체광전효과소자를 이용하여 디지탈 광 신호의 자기복제 동작원리를 설명하기 위한 도면,

도 6 은 대칭형 자체광전효과소자를 이용하여 광 스위칭이 이루어지는 원리를 설명하기 위한 도면,

도 7 은 도 5 및 도 6 에 따른 신호 파형도,

도 8 은 본 발명에 따른 스위칭장치의 구성도,

도 9 는 본 발명에 따른 신호 파형도,

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 광 스위칭장치는, 다수개의 대칭형 자체광전효과소자를 이용한 광 패킷 스위칭장치에 있어서,제1 및 제2 대칭형 자체광전효과소자를 상호 연결하여 전단부를 구성하고, 제3 및 제4 대칭형 자체광전효과소자를 상호 연결하여 후단부를 구성하며, 상기 전단부와 후단부를 포함하는 단위 스위칭모듈들을 상호 연결하여 1xN의 다단 구조로 형성하되, 임의의 r번째 단의 단위 스위칭모듈 전단부는, 임의의 r-1번째 단위 스위칭모듈로부터 전송하고자 하는 입력광 신호를 입력받고, 외부로부터 일정한 세기의 바이어스 광신호와 상기 자체광전효과소자의 상태를 읽기 위한 광신호를 입력받아 바이어스 광신호와 입력광 신호의 각 비트에 있어서의 신호 세기 차이에 의해 자기 복제 및 증폭을 수행하고, 임의의 r번째 단의 단위 스위칭모듈 후단부는, 상기 전단부를 통해 자기 복제 및 증폭된 광신호들을 입력받아 외부로부터 입력된 출력될 목적지를 결정하기 위한 제어 광신호의 제어를 받아 상기 자기복제 및 증폭된 광신호들의 비트중 출력될 주소를 나타내는 비트의 신호 세기에 따라 반사율을 달리하여 출력하고, 상대적으로 낮은 반사율을 갖는 광신호를 수신한 임의의 r+1번째 단의 단위스위칭모듈은 자기복제 및 증폭을 통해 의미없는 광신호를 출력하고, 상대적으로 높은 반사율을 갖는 광신호를 수신한 임의의 r+1번째 단의 단위스위칭모듈은 자기복제 및 증폭을 통해 다음 단으로 전송하고자 하는 광 신호를 전달하도록 구성한 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예를 상세히 설명한다.

도 1 은 본 발명에 적용되는 대칭형 자체광전효과소자의 구조도를 나타낸다.

자체광전효과소자(SEED: Self Electro-optic-Effect Device)는 다중 양자 우물(MQWs: multiple quantum wells)에 높은 전기마당(electric field)을 걸어줄 수 있도록 위 아래에 각각 전극을 설치하여 p-i-n 다이오드 구조로 형성한다.

그리고, 대칭형 자체광전효과소자는 두개의 같은 형태의 자체광전효과소자(SEED₁, SEED₂)를 전기적으로 직렬 연결한 구조로 통상 외부로부터 역 전압을 걸어줄 수 있게 설계한 것이다.

상기 다중 양자 우물에 의해 생성되는 들뜸알(exciton) 흡수는 외부로부터 걸리는 전기마당 세기가 증가함에 따라 그 중심이 낮은 에너지(긴 파장) 쪽으로 이동하므로 외부로부터 전압이 걸리지 않을 때의 흡수 중심 파장에서의 흡수율은 전기마당 세기가 증가할 때 작아지게 된다.

따라서, 대칭형 자체광전효과소자(SEED)를 이루는 두 자체광전효과소자에 각각 세고 약한 광을 입사 시키면 센 쪽의 광전류(photocurrent)가 더 크고, 전체 전압은 일정하므로 약한 쪽에 상대적으로 큰 전압이 걸리게 되어 센 쪽의 흡수율이 더 커짐에 따라 빈익빈 부익부의 되먹임(positive feedback)이 나타나게 된다. 이로부터 입력광의 상대적 크기에 따른 광 쌍안정성(optical bistability)을 나타낸다.

이러한 자체광전효과소자의 모양은 크게 셋으로 나누어 볼 수 있다.

첫째는 투과형으로, 자체광전효과소자의 양면에 무 반사 처리를 하여 도 1 에 예시된 바와 같이 각 자체광전효과소자에 입력된 광 신호가 다중 양자 우물을 한번 지나면서 일부 흡수되고 나머지는 통과한다. 이러한 투과형을 사용한 때의 흡수 계수 변화에 따른 명암비와 흡수율 비를 도 2 에 나타내었다.

도 2 는 투과형 자체광전효과소자(SEED)에서의 흡수 계수 변화에 따른 투과율과 흡수율을 나타낸 그래프이다.

도면에서 21은 흡수 계수 16000/cm 에 대한 흡수 계수 10000/cm 일때의 투과율을 나타내고, 22는 흡수 계수 16000/cm 에 대한 흡수 계수 5000/cm 일때의 투과율을 나타낸다. 그리고, 23은 흡수 계수 16000/cm 에 대한 흡수 계수 10000/cm 일때의 흡수율을 나타내고, 24는 흡수 계수 16000/cm 에 대한 흡수 계수 5000/cm 일때의 흡수율을 나타낸다.

두번째는 단순 반사형으로, 자체광전효과소자의 한쪽 면에 무 반사 처리를 하며 반대쪽에는 거울을 붙인다. 이렇게 하면 입력되는 광신호는 다중 양자 우물을 통과한 빛이 한번 더 다중 양자 우물을 통과하게 되므로 투과형보다 상대적으로 효율이 커진다. 이에 대해 도 3 에서 거울 반사율이 0.95인 경우의 반사율과 흡수율에 대래 나타내었다.

도 3 에서 31은 흡수 계수 16000/cm 에 대한 흡수 계수 10000/cm 일때의 반사율을 나타내고, 32는 흡수 계수 16000/cm 에 대한 흡수 계수 5000/cm 일때의 반사율을 나타낸다. 그리고, 33은 흡수 계수 16000/cm 에 대한 흡수 계수 10000/cm 일때의 흡수율을 나타내고, 34는 흡수 계수 16000/cm 에 대한 흡수 계수 5000/cm 일때의 흡수율을 나타낸다.

세번째로 쓰이는 방법은 뒤면에 거울을 붙이며 앞면에도 어느 정도의 반사율이 있도록 함으로써 비대칭 패브리-페로 공명 구조를 만드는 것이다.

이렇게 하면 빛이 여러번 다중 양자 우물을 통과하므로 흡수가 많이 일어난다. 특히 앞면과 뒷면에서 각각 반사되는 광의 위상 차이를 두 거울 사이의 거리를 이용하여 조절할 수 있으므로 전체 반사율을 '0'으로 만들 수도 있다.

도 4 는 비대칭 패브리-페로 공명 구조 반사형 자체광전효과소자에서의 반사율과 흡수율을 나타낸 그래프이다.

도면에서 41은 흡수 계수 16000/cm 에 대한 흡수 계수 10000/cm 일때의 반사율을 나타내고, 42는 흡수 계수 16000/cm 에 대한 흡수 계수 5000/cm 일때의 반사율을 나타낸다. 그리고, 43은 흡수 계수 16000/cm 에 대한 흡수 계수 10000/cm 일때의 흡수율을 나타내고, 44는 흡수 계수 16000/cm 에 대한 흡수 계수 5000/cm 일때의 흡수율을 나타낸다.

도 4 는 도 2 및 도 3의 경우처럼 흡수 계수 변화에 따른 명암비와 흡수율 비를 양자 우물 두께와 갯수를 곱한 값의 함수로 나타낸 것으로, 여기에서 앞면의 거울 반사율은 따로 무 반사 처리를 하지 않았을 때의 값인 0.32를 사용하였으며, 뒷면 거울의 반사율은 0.95로 하였다.

그런데, 상기 대칭형 자체광전효과소자가 광 쌍안정성을 보이기 위해 반드시 외부 전압을 필요로 하는 것은 아니다. 매우 얇은 다중 양자 우물(extremely shallow MQWs)을 사용하면 외부 전압 없이 p-i-n 다이오드에 내재하는 전압으로만 광 쌍안정성을 보이게 할 수 있으며, 더우기 비대칭 패브리-페로 공명 구조를 덧붙인 반사형에서는 그 효율을 더 증대시킬 수 있다.

이제, 광 신호의 자기 복제와 증폭에 대하여 설명한다.

상기 대칭형 자체광전효과소자를 사용하여 디지탈 광 신호의 자기 복제 및 광 스위칭이 가능한데, 상기 디지탈 광 신호는 일정한 간격의 세기가 크거나 또는 약한 광 펄스들로 이루어지며, 이때 상대적으로 약하거나, 센 세기가 각각 논리 연산의 '0'과 '1'이다.

도 5 는 대칭형 자체광전효과소자를 이용하여 자기 복제 및 증폭을 수행하는 과정을 설명하기 위한 도면을 나타내고, 도 7 은 이에 대한 신호 파형도를 나타낸다.

먼저, 자기 복제를 위해서는 대칭형 자체광전효과소자 두개를 상호 연결하여 제1 대칭형 자체광전효과소자에는 약한 신호 P_L'(논리 '0')과 센 신호 P_H'(논리 '1')로 이루어진 광 신호 S'를 입사시키고, 제2 대칭형 자체광전효과소자에는 일정한 광 세기를 갖는 바이어스 광 신호를 입사시킨다.

이때, 대칭형 자체광전효과소자가 제대로 동작하기 위해서는 각 자체광전효과소자의 최대 최소 흡수율 A_max와 A_min에 대해 각 신호의 세기가 수학식1 및 수학식2의 두 관계를 만족하여야 하며, 또한 도 7 에 나타낸 한 펄스의 길이는 충분히 길어야 한다.

[수학식 1]

A_minP_H' A_maxP^bias

[수학식 2]

A_minP^biasA_maxP_L'

이러한 조건에서 입력 광신호 S'의 각 비트마다 바이어스 광 신호와 비교되어 도 5 의 대칭형 자체광전효과소자의 상태(두 자체광전효과소자 중의 어느쪽이 흡수율이 높고 어느쪽이 낮은가)가 결정된다. 이렇게 상태가 결정된 대칭형 자체광전효과소자의 두 광창문에 같은 세기의 광신호를 입력시키면 이들은 수학식 1의 조건을 만족시킬 수 없으므로 대칭형 자체광전효과소자의 상태에는 변화가 없으며 오히려 그 상태를 계속 유지시켜주는 역할을 한다.

이제, 도 5 및 도 7 에 나타낸 바와 같이 상기 대칭형 자체광전효과소자의 상태를 읽기 위해 같은 세기로 광 신호인을 대칭형 자체광전효과소자에 각각 입사시킨다. 이 신호가 투과형 자체광전효과소자에서는 투과되고, 반사형 자체광전효과소자에서는 반사되면서 각 자체광전효과소자의 흡수율의 차이를 반영하게 되어 결과적으로 각 대칭형 자체광전효과소자의 상태를 읽어내게 된다.

즉, 원래 정보를 가진 광신호 S'이 입사됐던 자체광전효과소자를 거쳐나온은 새 신호가 되고, 바이어스 광신호 P^Bias가 입사됐던 자체광전효과소자쪽을 거쳐나온은 S로 된다. 이 S는 상기 S'과 완전히 동일하며, 다만 도 7 에 나타난 바와 같이 반주기 정도 위상의 지연이 있을 뿐이다. 한편는 S와 보완(complement) 관계에 있어 한쪽이 논리 '1'이면 늘 다른 한쪽은 논리 '0'이 되는데 실질적으로 S'과 완전히 같은 정보를 갖는다.

또한, 도 5 및 도 7 에서 단순히 상태를 읽기 위한 광 신호의 세기를 크게 해줌으로써 S와의 신호 세기가 전체적으로 같은 비율로 커지는 것을 알 수 있다. 다시 말해서 도 5 의 구도로 하나의 대칭형 자체광전효과소자를 이용해 디지탈 광신호의 자기 복제와 증폭을 동시에 이룰 수 있다.

이제는 상기 광 디지탈 신호의 자기 복제와 증폭이 수행된 후, 광 스위칭의 과정을 살펴본다.

먼저, 입력되는 광 디지탈 신호는 비동기 전송 모드(ATM: Asynchronous Transfer Mode) 처럼 길이가 일정한 패킷의 형태로 되어 있다. 즉 패킷의 뒷부분에 사용자 정보가 실리고, 앞부분에는 이 정보의 목적지까지의 경로를 표시하는 주소가 쓰여진다. 실제로 주소와 정보는 같은 형태의 광신호를 사용한다.

이러한 경우 대칭형 자체광전효과소자를 사용하여 광 스위칭이 가능하다. 이때 주소는 이 패킷이 스스로 목적지를 찾아 가도록 하여 주며(self-routing) 이러한 주소를 작성하는 방법은 아래 설명에서 명확해진다.

도 6 은 대칭형 자체광전효과소자를 이용하여 광 스위칭을 수행하는 원리를 설명하기 위한 도면이다.

먼저, 광 스위칭을 위해서는 대칭형 자체광전효과소자 두개를 상호 연결하여 전단과 후단에 각각 배치하여 전단의 출력신호를 후단의 대칭형 자체광전효과소자들이 각각 입력받도록 구성한다.

그리하여, 전단의 대칭형 자체광전효과소자(61)에서는 자기 복제와 증폭이 이루어지고, 후단의 대칭형 자체광전효과소자(62)에서는 상기 전단의 자체광전효과소자(61)에서 복제되고 증폭된 광 신호를 스위칭하게 된다.

그리고, 위에서 설명한 대로 대칭형 자체광전효과소자가 상태를 바꾸려면 수학식 1이나 수학식 2와 같은 조건을 만족하여야 한다. 다시 말해서 도 6 과 도 7 에 나타낸 바와 같이 S와과 동시에 또 다른 조절 광신호를 입사 시키면 조절 광신호가 없을 때는 S와의 신호 쌍인과(이들은과에 비해 전체적으로 증폭되어있다)가 수학식 3을 만족하여 매 주기마다 입력 신호에 따라 대칭형 자체광전효과소자의 상태가 바뀌게 되나, 조절 광신호가 있을 때는 그 크기 조절 광신호신호 때문에 수학식 4의 관계가 되어 대칭형 자체광전효과소자의 상태가 바뀌지 않은 채 남아있도록(연결적 작동) 조절 광신호를 통해 조절할 수 있다. 이때 조절 광신호의 방향은 S와의 방향과 일치하지 않도록 하여 반사되거나 투과되어 나온 광이 다른 신호와 섞이어 잡음으로 작용하지 않도록 하여야 한다.

[수학식 3]

[수학식 4]

이제 도 7 에 도시된 바와 같이 조절 광신호이 어느 특정한 주기에 막히거나 꺼져서 두 신호 S와에 더해지지 않게 되면 그 순간의 S와의 광 신호 크기들에 의해 대칭형 자체광전효과소자의 상태가 정해진다. 이때, 한쪽의 흡수율은 높고 다른 쪽의 흡수율은 낮게 되는데 그 다음 주기부터 계속 조절 광신호이 더해지면 이러한 상태에 변화가 없으므로 S나중의 하나는 다른 하나보다 이 대칭형 자체광전효과소자의 명암비 만큼 전체적인 신호의 세기에 차이가 발생하게 된다.

이하, 설명에서는 반사형 자체광전효과소자를 예로들어 설명하기로 한다.

도 8 은 본 발명에 따른 다단 구조의 광 패킷 스위칭장치의 구조도를 나타내고, 도 9 는 본 발명에 따른 입출력 신호 파형도를 나타낸다.

여기에서는 일정한 길이를 가진 광 디지탈 패킷을 사용하는데, 한 패킷은 목적지의 주소를 나타내는 부분과 목적지에 전달될 사용자 데이타로 이루어져 있고, 각 패킷은 고정된 길이를 가지며, 주소와 데이타나 패킷과 패킷 사이의 구분은 필요 없이 모든 비트는 같은 파장과 세기(논리 '1'과 논리 '0')로 되어있고, 비트와 비트 사이의 간격은 일정하다. 주소를 나타내는 비트 수는 스위칭 노드 수와 같다. 즉, 한 비트의 주소가 한 스위칭 노드에서의 경로를 결정한다.

본 발명에 따른 다단 구조의 광패킷 스위칭 장치의 구성을 살펴보면, 다수개의 대칭형 자체광전효과소자를 이용하여 제1 및 제2 대칭형 자체광전효과소자를 상호 연결하여 전단부를 구성하고, 제3 및 제4 대칭형 자체광전효과소자 상호 연결하여 후단부를 구성한 후, 전단부의 제1 대칭형 자체광전효과소자에는 전송하고자 하는 입력광 신호와 상태를 읽기 위한 광신호를 입력받고, 전단부의 제2 대칭형 자체광전효과소자에는 일정한 세기의 바이어스 광신호와 상태를 읽기 위한 광신호를 입력받아 바이어스 광신호와 입력광 신호의 세기 차이에 의해 자기 복제 및 증폭을 수행하고, 후단부는 상기 전단부를 통해 자기 복제 및 증폭된 두개의 광신호를 입력받고, 출력될 목적지를 결정하기 위한 제어 광신호를 입력받아 자기복제 및 증폭된 광신호를 스위칭한다. 이와 같이 자기복제 및 증폭기능을 수행하는 전단부와 스위칭 기능을 수행하는 후단부를 포함시켜 하나의 단위 스위칭 모듈을 구성한다.

그리고, 이러한 단위 스위칭 모듈 다수개를 이용하여 앞단으로부터 스위칭된 출력 신호중 하나만을 입력받도록 다단으로 구성한다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 광스위칭장치의 동작을 살펴보면 다음과 같다.

임의의 r-1 번째의 스위칭모듈로부터 r번째의 스위칭모듈(81)로 자기 복제 및 증폭된 입력광 신호가 입사되고, 이 신호와 동기화 된 바이어스 신호가 입사된다. 그리고, 이 대칭형 자체광전효과소자의 상태를 결정하며 이들과 같은 주기에 위상이 늦은 광신호이 연이어 각각 입사되어 전단부는 이 상태를 읽어냄으로써의 정보를 그대로 가지며 게다가 그 절대 크기가 증폭된과의 한 쌍의 신호를 만들낸다.

전단부에서 생성된과은 연이어 다음의 스위칭을 위한 후단부에 입사되는데 도 8 과 도 9 에서 나타낸 바와 같이 이 대칭형 자체광전효과소자의 논리적 작동과 연결적 작동 여부를 결정해주기 위한 제어 광신호가 동시에 입사된다.

제어 광신호에는 각 광 패킷의 목적지 등의 정보가 담겨있지 않다. 다만 패킷의 길이는 미리 알려져 있으므로 패킷의 길이 만큼의 주기로 해당 스위칭 노드에서의 경로를 결정하는 주소 비트에 대해서만 이 조절 광은 도 9 에서와 같이 막히게(꺼지게) 된다.

따라서, 이 때에만 논리적 작동(logical operation)이 되어 이 패킷의 경로가 결정되며, 다음 스위칭 노드들을 위한 주소를 포함하는 이 패킷의 나머지 부분은 정해진 경로로 연결적 작동(relational operation)에 의해 이동한다.

도 8 과 같이 r번째 스위칭모듈(81)의 두 신호과은 스위칭이 이루어진 뒤에과으로 되어 각각 임의의 r+1번째의 서로 다른 스위칭모듈(82,83)로 입력된다.

이 때,의 각각의 패킷은 스스로의 r번째의 주소 비트에 따라 r번째 스위칭 대칭형 자체광전효과소자의 상태를 정해 놓으므로 각 패킷의 나머지 부분은 같은 반사율로 연결적 작동이 이루어지게 된다. 즉과에서 같은 정보를 가진 패킷이 하나는 높은 반사율()로 반사되고, 다른 하나는 낮은 반사율()로 반사되어과으로 된다.

이 때, 대칭형 자체광전효과소자와 대칭형 자체광전효과소자를 연결해주는 광 경로에서의 손실을 L이라고 하면과의 둘 중 하나는과의 두 가지 광 세기로 된 비트들로 이루어지게 된다.

그러나, 다른 하나는 이들보다 이 대칭형 자체광전효과소자의 명암비 ()만큼 작은과의 크기를 갖게 되므로,과의 사이에 논리 '1'과 논리 '0'을 구분 짓는 문턱()을 정하게 되면 한쪽으로는 정보가 계속 전달되나, 다른 한 쪽으로는 모든 비트들이 논리 '0'으로만 인식되어버려 더 이상 이 광 패킷에 있는 정보가 전달되지 않는다.

이제 수학식 1과 수학식 2로부터 수학식 5의 조건을 만족하도록를 정하면 실제로 스위칭이 이루어지게 된다.

[수학식 5]

예를 들어, 도 9 와 같이광신호가 막힌 때(즉, r번째 주소 비트),의 광 신호 비트가의 광 신호 비트보다 상대적으로 세다.

따라서, 도 8 의 r번째 자기 복제와 증폭을 위한 대칭형 자체광전효과소자의 제2(위쪽) 대칭형 자체광전효과소자에 더 센 신호광이 들어가 결과적으로 이 자체광전효과소자의 흡수율이 제1(아래쪽) 자체광전효과소자보다 커지므로 제2(위쪽) 자체광전효과소자의 반사율은, 제1(아래쪽) 자체광전효과소자의 반사율은가 된다.

이 광 패킷의 나머지 비트들에 대해서 이 대칭형 자체광전효과소자는광신호에 의해 연결적 작동만 하므로, r+1번째 스위칭 노드에 도달한의 경로로 간 광 패킷의 모든 비트는 수학식 5의보다 작아져에서는 모두 논리 '0'이 되며,에서는 모두 논리 '1'이 된다.

그리고,신호는 r+1번째의 다른 스위칭모듈(83)에서 임의의 r번째의 스위칭모듈(81)과 같이 다시 자기 복제 및 증폭된 후, 스위칭이 이루어지게 된다.

현실적으로 이 1 x N 스위칭 구도에서는 N개의 가능한 목적지들 모두 늘 연속적인 광 패킷을 수신하고 있으나 매번 어느 한 목적지만 원래 전달하고자 하는 정보를 받으며 나머지는 그 내용이 모두 논리 '0'이거나 논리 '1'인 의미 없는 패킷을 받으므로, 의미 있는 패킷의 내용이 모두 논리 '0'이거나 '1'이 되지 않도록 하여 간단히 의미 있는 패킷과 의미 없는 패킷을 나눌 수 있다.

한편으로 수학식 1과 수학식 2에서 각 반사율과 흡수율의 비의 관계식은 수학식 6과 같이 얻을 수 있다.

[수학식 6]

이는 필요 조건일 뿐 현실적으로 여러 광원들의 세기의 잡음에도 불구하고 늘 도 7 이나 도 9 의 광 펄스의 길이안에 스위칭이 일어나야 하므로 이들 사이의 크기의 차이는 클수록 좋다.

그리고, 도 2 내지 도 4에 열거한 세가지 자체광전효과소자들의 수학식 6을 만족하는 특성이 나와있다. 투과형이나 단순 반사형 자체광전효과소자들은 다중 양자 우물 층을 두껍게 할수록 수학식 6과 관련한 특성이 좋아진다.

그러나, 현실적으로 다중 양자 우물 층이 두꺼워질수록 성장 등의 문제점 뿐 아니라 특히 같은 세기의 전기 마당을 유지하기 위해서는 전압의 크기를 두께에 비례하여 늘려야 한다는 문제가 발생한다. 이러한 고전압은 회로에 여러 가지 문제를 파생하게 된다.

비대칭 패브리-페로 공명 구조는 이러한 문제점을 피해 갈 수 있게 해 준다. 도 4 는 다른 구조의 수분의 일의 다중 양자 우물 두께로 가장 우수하게 수학식 6을 만족시키는 비율이 얻어짐을 보여준다.

또한 AlxGa1-xAs/GaAs 다중 양자 우물에서 통상 많이 쓰이는 깊은 양자 우물 (x 0.25) 대신 얕은 양자 우물 (x 0.05)을 사용하면 아예 외부로부터의 전압의 공급이 없이 자체광전효과소자의 p-i-n 다이오드 구조에 내재된 전압 만으로도 위에 기술된 특성을 나타낼 수 있다.

이러한 얕은 양자 우물을 이용한 비대칭 패브리-페로 공명 구조 대칭형 자체광전효과소자를 이용하여 외부 전원이 필요하지 않게 되면 전체적으로 전력 공급을 위한 회로를 만들 필요가 없어 구조가 간단하여지며 각 대칭형 자체광전효과소자들이 전기적으로 독립되게 되어 어느 한 대칭형 자체광전효과소자의 성능 저하가 다른 대칭형 자체광전효과소자로 전파되지 않는 등의 이점들이 생긴다. 그리고, 무엇보다도 이 1 x N 광 패킷 스위칭장치가 동작하기 위해 오직 광 신호 만 필요하다는 점에서 완전 광 스위칭(all-optical switching)을 이룰 수 있다.

상기 설명된 구도를 실현하기 위해서는 각 대칭형 자체광전효과소자들을 고정시키며, 각 대칭형 자체광전효과소자 사이의 광 연결을 시켜줄 구도가 필요하다. 이의 효과적인 방식 중에 집적 평면 광학(integrated plannar optics) 방법이 있다. 일정한 두께의 유리판의 양면을 이용하여 대칭형 자체광전효과소자들과 기타의 필요한 광학 소자들을 배치하면 전체적으로 작은 부피를 가지며, 외부로부터 전기적 연결을 전혀 할 필요 없이 광 신호들 만으로 동작하는 1 x N 광 패킷 스위칭장치의 실현이 가능하다.

이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로, 전술한 실시예 및 도면에 한정되는 것이 아니다.

위에서 제시한 기술적 과제들을 이루기 위하여 본 발명에서는 대칭형 자체광전효과소자를 기본 소자로 사용하고 있다. 대칭형 자체광전효과소자의 장점은 이미 잘 알려져 있다. III-V족의 화합물 반도체를 사용하므로 제조 공정이 잘 확립되어 있어서 마이크로 미터 단위의 소자 행렬들을 간단히 만들 수 있다. 이를 이용하여 3차원 자유 공간 스위칭이 가능하므로 대용량 병렬 스위칭이 쉽게 실현될 수 있다. 대칭형 자체광전효과소자는 늘 두 광 신호의 상대적 크기를 비교하여 작동되므로 광원의 잡음에 대하여 강하며 크기에 따라 피코 주울 보다도 작은 에너지에서 스위칭이 이루어질 수 있다.

본 발명이 제시하는 구도는 길이가 일정한 광 디지탈 패킷을 전제하고 있다. 특히 패킷의 길이에 제한이 필요 없으므로 주어진 조건에 따라 신축성 있게 운용될 수 있다. 각 광 패킷은 스스로의 주소대로 목적지를 직접 찾아가므로 일체의 외부에서의 추가 연산이 필요하지 않다. 패킷의 주소 부분과 정보 부분이 같은 파장, 같은 세기의 광 신호를 사용하므로 전송에서 색 분산 등의 문제가 발생하지 않는다. 또한 모든 광 신호들이 같은 파장을 사용하므로 광원이 복잡해지지 않는다.

이 구도는 기본적으로 1 x 2m 스위칭을 전제로 하고 있지만 현실적으로 1 x N의 임의의 갯수 (N)로의 조작이 간단히 이루어진다. N개의 목적지를 위해서는를 만족하는 가장 작은 m 만큼의 스위칭 노드를 사용하면 된다. 그리고 이때 최종적으로 스위칭 된 패킷이 스위칭 전의 패킷에 대해 보완(complement)관계에 있는 것을 막기 위해서는 한 개의 스위칭 노드를 더해주면 된다.

기본적으로 본 발명의 구도는 투과형이나 단순 반사형의 자체광전효과소자를 사용하여서도 실현 가능하다. 그러나 이 경우에는 외부로부터 각 대칭형 자체광전효과소자에 일정한 직류 전압을 공급해주어야 한다. 얇은 다중 양자 우물과 비대칭 패브리-페로 공명 구조를 함께 사용하면 외부 전압이 필요 없으므로 외부로부터 순수하게 단일 파장의 광 신호들만 공급함으로써 스위칭이 이루어지게 된다.

이 구조를 집적 평면 광학 (integrated plannar optics)를 사용하여 구현하면 전체적으로 매우 작은 부피에 광 교환 구도를 실현시킬 수 있다. 특히 전원이 필요 없는 단순한 구조는 대량 생산과 설치 등이 간단히 이루어질 수 있다.

Claims (4)

1. 다수개의 단위 스위칭모듈을 다단으로 구성한 스위칭장치에 있어서,

   상기 단위 스위칭모듈은,

   전단의 단위 스위칭모듈로부터 전송하고자 하는 입력광 신호를 입력받고, 외부로부터 일정한 세기의 바이어스 광신호와 자체광전효과소자의 상태를 읽기 위한 광신호를 입력받아 바이어스 광신호와 입력광 신호의 각 비트에 있어서의 신호 세기 차이에 의해 자기 복제 및 증폭을 수행하는 적어도 두개의 대칭형 자체광전효과소자를 상호 연결한 자기복제 및 증폭수단과,

   상기 자기복제 및 증폭수단을 통해 자기 복제 및 증폭된 광신호들을 입력받아 외부로부터 입력된 출력될 목적지를 결정하기 위한 제어 광신호의 제어를 받아 상기 자기복제 및 증폭된 광신호들의 비트중 출력될 주소를 나타내는 비트의 신호 세기에 따라 반사율을 달리하여 출력하는 적어도 2개의 대칭형 자체광전효과소자를 상호 연결한 스위칭수단을 포함하며,

   후단의 상기 단위 스위칭모듈들 중 상대적으로 낮은 반사율을 갖는 광신호를 수신한 단위 스위칭모듈은 자기복제 및 증폭을 통해 의미없는 광신호를 출력하고, 상대적으로 높은 반사율을 갖는 광신호를 수신한 단위 스위칭모듈은 자기복제 및 증폭을 통해 다음 단으로 전송하고자 하는 광 신호를 전달하도록 구성된 것을 특징으로 하는 광 패킷 스위칭장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 자체광전효과소자는,

   입력된 광신호가 다중 양자 우물을 지나면서 일부는 흡수되고, 나머지는 통과시키는 투과형 자체광전효과소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 패킷 스위칭장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 자체광전효과소자는,

   한쪽면은 무반사 처리하고, 반대쪽은 거울을 붙여 입력된 광신호가 다중 양자 우물을 통과한 후, 한번 더 다중 양자 우물을 통과하도록 한 단순 반사형 자체광전효과소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 패킷 스위칭장치.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 자체광전효과소자는,

   얇은 다중 양자 우물과 뒷면에 거울을 붙이고, 앞면에도 소정의 반사율이 있도록 한 비대칭 패브리-페로 공명 구조를 함께 사용하여 형성된 것을 특징으로 하는 광 패킷 스위칭장치.