KR100231126B1 - 광학 크로스바 스위치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광학 회로망(optical network)에서 스위칭 장치로서 이용될 수 있는 도파관 구조물 상에 장착된 초소형 기계식 스위치(micro-mechanical switch)에 관한 것이다. 본 장치는 도파관(6) 내의 갭(10) 상부에 매달려 있는 개별적으로 편향 가능한 소자(2)를 포함하고 있다. 이 개별적으로 편향 가능한 소자는 그 소자의 이동에 의해 상승 또는 하강될 수 있는 수직 금속 셔터(4)가 부착되어 있다. 셔터의 상승 또는 하강은 도파관을 통하여 전파되는 광을 제어하는데 이용된다.

Description

광학 크로스바 스위치

제1a도 및 제1b도는 금속 셔터 구조물을 도시한 도면.

제1c도는 크로싱 도파관 구조를 도시한 도면.

제2c도는 크로싱 도파관 구조의 2개 상태를 도시한 도면.

제3a도 및 제 3b도는 크로스 포인트 스위치의 변형을 도시한 도면.

제4도는 스위칭 회로망의 일례를 도시한 도면.

제5a도 내지 제5d도는 Y분기 스위치(Y-branching switch)를 도시한 도면.

제6도는 1대4 스플리터를 도시한 도면.

제7도는 스위칭 회로망의 다른 예를 도시한 도면.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

2 : 금속 소자 4 : 셔터 구조물

6 : 도파관 8a, 8b : 지지대

9a, 9b : 경첩(hinge) 10 : 도파관 갭

12, 16 : 입력 포트 14, 18 : 출력 포트

본 발명은 광학 크로스바 스위치(optical crossbar switch)에 관한 것으로, 특히 크로스바 스위치로서 사용되는 변형 가능한 미러 장치(deformable mirror device)와 유사한 구조물에 관한 것이다.

고속 병렬 계산이 필요해짐에 따라 정보의 흐름을 제어하는 고속의 재구성 가능한 스위칭 회로망(high-speed reconfigurable switching network)이 필요하게 되었다.

광 전송(optical transimission)은 병렬 프로세서의 성능을 충분히 이용하는 데 필요한 빠른 속도를 제공한다. 재구성 가능한 스위칭 회로망은 프로그램 가능한 크로스바 스위칭(programmable crossbar switching)에 의해 달성될 수 있다.

크로스바 스위치는 N개의 입력 중의 어느 한 입력이 M개의 출력 중의 어느 한 출력에 접속되도록 해준다. 이것은 여러 가지 서로 다른 방법으로 달성될 수 있는데, 그 중 하나는 하나의 경로에서 또 하나의 경로로 광을 반사하는 변형 가능한 미러장치와 같은 공간 광 변조기(spatial light modulator)를 사용하는 것이다. 광은 하나의 포트로 들어가서, 만약 변조되지 않으면, 또 하나의 포트로 빠져나갈 것이다. 만약 변형 가능한 미러 장치가 편향되면, 광은 입력 포트를 다시 반사되거나 출력으로서 또 다른 포트로 스위치된다.

함께 접속된 그러한 스위치의 수는 입력 대 출력 접속의 가능한 조합이 얼마나 많이 생길 수 있는지를 결정된다. 여기에는 각 스위치와 함께 거기에 필요한 빔 스플리터(beam splitter), 빔 콤바이너(beam combiner) 및 공간 광 변조기가 수반된다. 최종적인 회로망은 다소 복잡하게 된다. 게다가, 생산 세팅에서 그러한 회로망을 제조하는 일은 어렵고 비용이 많이 든다.

본 발명의 목적과 장점은 자명하고 이하의 설명에서 부분적으로 나타나 있을 것이며 광학 크로스바 스위칭을 위한 구조를 제공하는 본 발명에 의해 달성될 것이다.

이 구조는 도파관들의 회로망으로 이루어지는데, 이 도파관들 내의 접합부들 상부에는 수직 금속 구조물이 부착된 금속 소자들이 매달려 있다. 접합부들 내에는 에칭된 갭들이 있다. 도파관 구조물 내부 또는 하부에는, 전기적으로 어드레스되면, 경첩에 매달려 있는 금속 소자를 정전기적으로 끌어당기는 전극이 배치되어 있다. 금속 소자는 그것의 경첩에 의지해 전극 쪽으로 편향되어 수직 금속 구조물을 도파관 갭 내로 하강시킨다. 도파관 내부 광은 그렇게 금속 구조물들에 의해 가이드되거나 스플리트 될 수 있다.

현재 입수할 수 있는 변형 가능한 미러 장치들은 이전에 없었던 크로스바 스위칭의 가능성을 제공한다. 전극의 하부에 배치되고, 하부에 전극이 있는 에어 갭(air gap) 상부에 하나 이상의 지지대(support post)에 매달려 있는 금속 소자로 구성된 변형 가능한 미러 장치(이하 DMD라고도 함)는 광 스위칭 장치로서 사용될 수 있다. 전극이 전기적으로 어드레스되면, 전극을 향하여 하방으로 편항되는 금속 소자가 그 하부 측면에 수직 구조물을 가지도록 제조 공정이 변경될 수 있다. 그 결과, 금속 구조물은 빠르고 쉽게 상승 및 하강되어 광의 전송을 허용하거나 저지하도록 수직 셔터를 배치할 수 있다.

제1a도에는 이러한 구조물들 중의 하나가 도시되어 있다. 금속 소자(2)는 도파관(6) 상부의 지지대(8a, 8b)에 걸려 있다. 금속 소자에 부착된 셔터 구조물(4)은 에어갭(10) 상부에 매달려 있는 것으로 도시되어 있다. 2개의 지지대에 의해 금속 소자가 지지되어 있는 변형 가능한 미러 장치의 이러한 실시예는 비틀림 빔(torsion beam)으로 불리워진다. 다르게는, 1개의 측면에서 지지되는 DMD 즉, 캔틸레버 빔(cantilever beam), 또는 4개의 측면에서 지지되는 DMD 즉, 휨 빔(flexure beam)에 셔터가 부착될 수 있다. 이러한 모든 실시예는 동일한 방식으로 동작한다.

제1b도에는 셔터의 동작이 설명되어 있다. 비틀림 빔 DMD에는, 전형적으로 2개의 어드레싱 전극이 있는데, 이들은 일반적으로 에어 갭에 인접하게 배치된다. 이들 전극의 몇 개의 가능한 배치가 위치들(11a 내지 118)에 도시되어 있다. 전극들 중의 하나가 어드레스되면, 금속 소자는 전극 쪽으로 기울어져서 경첩들(9a, 9b)에 의해 형성된 빔 주위로 비틀어진다. 이에 따라 금속 셔터(4)는 도파관 갭(10) 내로 기울어져서 광의 전송을 저지하게 된다. 다르게는, 어드레스되지 않은 상태에서 셔터가 갭 내에 있도록 제조될 수 있으며, 다른 쪽의 전극이 어드레스되어 금속 소자가 갭으로부터 멀어지게 기울면, 셔터는 갭으로부터 제거되어 광의 전송을 허용한다. 설명을 위해, 셔터는 어드레스되지 않은 상태 즉, 오프 상태에서 갭 외부에 있는 것으로 가정한다.

제1c도에는 광학 스위칭에서의 이러한 구조물의 응용이 도시되어 있다. 크로싱 구조물은 2개의 입력 포트(12, 16), 셔터 갭(10) 및 2개의 출력 포트(14, 18)로 구성된다.최대 전력 출력(maximum power throughput)을 위해 각도(20)가 계산될 수 있고, 셔터 갭(10)의 두께도 계산될 수 있다. 다음의 모든 실시예에서는, 셔터 갭만이 기술되었지만, 이러한 갭은 상술된 바와 같은 장치에 채워질 것으로 이해된다.

제2도에는 크로싱 구조의 2개의 상태가 도시되어 있다. 이 도면에는, 2개의 도파관만이 도시되어 있다. 2개 이상의 도파관을 갖는 것도 가능하다. 광이 포트(12)를 통하여 구조물로 들어가면 화살표(22)의 방향으로 전파된다. 만약 셔터 갭(10)이 어드레스되지 않으면, 즉 오프 상태이면, 광은 화살표(24, 26)를 따라 포트(14)에서 스위칭 구조물을 빠져나간다. 이러한 것이 크로스 상태(cross state)이다. 셔터 갭(10) 하부의 전극이 어드레스되면, 셔터는 하강하며 그에 따라 화살표(22)의 방향으로 전파되고 있던 광이 갭(10) 내의 셔터로부터 반사되어 화살표(28, 30)를 따라 포트(18)에서 스위칭 구조물을 빠져나간다. 이러한 것이 바 상태(bar state)이다.

제3a도 및 제3b도에는 이러한 크로스 포인트 스위칭의 변형이 도시되어 있다. 이 실시예에는, 단지 1개의 입력 포트와 2개의 출력 포트가 있다. 셔터 갭(32)이 개방되면, 광은 포트(34)를 통하여 스위치를 들어가서 화살표(36) 방향으로 전파되고 화살표(38) 방향으로 계속 전파되어 포트(40)로 빠져나간다. 제3a도에는 이러한 상태가 도시되어 있다. 제3b도에서는, 셔터 갭(32)이 차단된다. 광이 포트(34)로 들어가면, 광은 갭(32)내의 셔터로부터 반사되어 화살표(42)의 방향으로 진행하여 포트(44)로 빠져나간다. 다른 방법은 가령 어드레싱 전극에 낮은 전압을 사용함으로써 셔터를 일부만 하강시켜, 가변 비율 스플리터(variable ratio splitter)를 형성함으로써, 포트들(40, 44)로 진행하는 전력량이 셔터에 의해 빔이 편향되는 양에 의존하게 하는 것이다.

제2도, 제3a도 및 제3b도에 도시된 구조들을 함께 접속하여 제4도에 있는 4대4 크로스바(four-by-four crossbar)와 같은 스위칭 회로망을 형성할 수 있다. 여기서는 상기 2개의 구조의 조합이 사용되었다. 포트(46), 셔터 갭(54) 및 경로(47a, 49a)로 구성된 구조는 제3a도 및 제3b도로부터의 1 입력 포트 및 2 출력 포트 구조이다. 셔터(43) 및 경로 (49a, 45a, 45b, 45c)로 구성된 구조는 제2도로부터의 크로싱 도파관 구조이다. 이러한 구성에서, 포트(46, 48, 50 또는 52) 중의 어느 한 포트로 들어가는 광은 포트(58, 64, 70 또는 72)중의 어느 한 포트로 빠져나갈 수 있다.

상승 및 하강된 셔터의 여러 조합이 이것을 달성할 수 있다. 예를 들면, 포트(46)로 들어가는 광은 다음과 같이 포트(58)로 나갈 수 있다. 셔터 갭(54)이 개방되면, 광은 경로(47a)를 따라 진행할 것이다. 그 후, 광은 경로(47a)에서 경로(47b)를 경유하여 경로(47c)로 진행할 것이다. 셔터 갭(53)은 개방된 상태에 있으면, 광은 차단된 셔터 갭(56)에 도달하기까지 경로(47c)의 방향으로 진행한다. 그 후, 광은 경로(47d)를 따라 경로(47e, 47f)로 진행하게 된다. 셔터 갭(53b)가 개방된 상태에 있으면, 광은 포트(58)로 빠져나간다.

포트(46)에서 포트(64)까지의 광의 전송은 유사하게 달성될 수 있다. 이 경우, 셔터 갭(54)이 차단되면, 포트(46)로 들어간 광은 경로(49a)를 따라 가이드된다. 광은 역시 차단된 셔터 갭(60)에 도달하기까지 경로(49a)의 방향을 따라 직선으로 진행하게 된다. 그 후, 광은 경로(49b)의 방향으로 가이드되어, 셔터 갭(62)에 도달하기까지 그 방향으로 계속 진행한다. 차단된 모드의 셔터 갭(62)은 경로(49c)와 출력 포트(64)를 따라 광을 편향시킬 것이다.

포트(64)로 광을 전송하는 것과 같은 식으로, 광은 포트(70)로 지향될 수 있다. 이 경우, 광은 경로(49a)를 따라 가이드된 후, 막 개방된 셔터 갭(60)을 통과하여, 차단된 셔터 갭(68)으로 입사되며, 거기에서 경로(51a)를 따라 변향되어 차단된 셔터 갭(68)에 이르며, 거기에서 광은 경로(51b)를 따라 포트(70)로 편향된다. 마지막으로, 광을 제4포트(72)의 외부로 지향시키기 위해, 차단된 셔터 갭(54)는 광을 경로(49a)를 따라 편향시킬 것이다. 어떠한 셔터 갭도 차단되지 않아, 광은 포트(72) 외부로 바로 빠져나가게 된다.

제5a도 내지 재5d도에는 또 다른 1 입력, 2 출력 구조가 도시되어 있다. 제5a도에는 기본적인 구조가 도시되어 있다. 출력 포트들 중의 하나가 입력 포트와 일직선상에 있는 대신에, 둘 다 입력 포트의 축을 따라 각도(20)만큼 오프셋된다. 이러한 구조는 2개의 셔터 갭을 가져서, 광의 진행 방향에 대한 보다 많은 선택을 제공한다. 제5a도에서, 광은 포트(74)로 들어가서 화살표(76)의 방향으로 전파된다. 셔터 갭들(78a, 78b)이 개방되면, 광은 스프리트되어 화살표들(80a, 80b)의 방향으로 진행하여 각각 포트들(82, 84)로 빠져나간다. 2개의 포트로 빠져나가는 광의 비율은 상술한 바와 같이 셔터가 하강되는 거리가 제어되도록 하는 전압을 변경시킴으로써 제어될 수 있다.

제5b도에서는, 셔터 갭(78a)은 차단되고, 셔터 갭(78b)은 개방된다. 광은 포드(74)로 들어가서 차단된 셔터 갭(78a)에 접촉할 때까지 화살표(76)의 방향으로 전파된다. 접촉하는 순간, 광은 개방된 셔터 갭(78b)을 통과하여 화살표(86)의 방향을 따라 출력 포트(84)로 가이드된다. 재차 실제로 빠져나가는 광량은 셔터 갭(78b)의 차단량에 의해 제어될 수 있다. 제5c도에는 정반대의 셔터 구조가 도시되어 있다. 셔터 갭(78a)은 개방되고, 셔터 갭(78b)는 차단된다. 이 경우, 광은 포트(74)로 들어가서 경로(88)을 따라 출력 포트(82)로 지향된다. 마지막으로, 2개의 셔터 갭이 차단되면, 포트(74)로 들어가는 소정의 광은 반사되어 어떤 광도 포트(82 또는 84)로 빠져나가지 못할 것이다.

제6도에는, 2개의 부가적인 Y 구조가 또 하나의 Y 구조의 출력 포트에 접속되어 있다. 광은 4개의 포트 중 1개의 포트로 전부 빠져나가도록 지향되거나, 또는 1대빔 스플리터를 형성하는 4개의 포트 사이에서 스플리트될 수 있다. 포트(74)로 들어간 광은 셔터 갭(78a, 78b)를 통하여 스플리트되어 2개의 경로(79a, 81a)를 따라 각각 경로(79b, 81b)로 진행할 수 있다. 만약 상부 경로(79b) 상의 2개의 셔터 갭(90a, 90b)이 개방되면, 광은 다시 스플리트되어 경로들(79c, 79d)을 따라 출력 포트들(94, 96)로 빠져나갈 것이다. 또한, 만약 하부 경로(81b)상의 2개의 셔터 갭(92a, 92b)이 개방되면, 광은 다시 스플리트되어 경로들(81d, 81d)을 따라 출력 포트들(98, 100)로 빠져나갈 것이다. 또한, 광은 어느 한 포트로 전부 지향되거나, 또는 하강될 셔터들의 적절한 선택에 의해 2개 또는 3개의 포트 사이에서 스플리트될 수도 있다.

제7도에는, 제5a도 내지 제5d도로부터의 Y 구조가 제2도로부터의 크로싱 구조와 함께 하나의 회로망으로 접속되어 있다. 다시 말하지만, 많은 가능한 조합들 중의 하나의 조합으로 셔터를 적절히 선택함으로써, 포트들(102, 104, 106 또는 108) 중의 어느 한 포트로 들어간 광은 어떠 포트(116, 122, 128 또는 132)로도 지향될 수 있다. 또한, 광은 2개, 3개 또는 4개의 모든 포트 사이에서 스플리트될 수 있다. 예를 들면, 포트(102)로 들어간 광은 셔터 갭(110a)은 차단하도록 선택하고, 셔터 갭(110b)은 개방된 상태로 남김으로써, 경로(109a)를 따라 가이드될 수 있다. 그 후, 광은 다음의 차단된 셔터 갭(112)에 접촉할 때까지 경로(109a) 동일한 방향으로 전파되며, 이에 따라 광은 경로(109b)에 따라 진행될 것이다. 광은 하강된 차단 셔터 갭(114a)에 입사될 때까지 경로(109b)의 방향을 유지하여 개방 셔터 갭(114b)를 통하여 출력 포트(116)로 진행한다.

유사하게, 상기 논의의 처음 부분이 셔터 갭(112)까지 계속되면, 광은 출력 포트(122)로 지향될 수 있다. 셔터 갭(112)이 개방되면 광은 경로(109a)의 방향으로 차단된 셔터 갭(124)에 접촉할 때까지 계속 진행되고, 거기서 광은 경로(111)을 따라 지향된다. 그 후, 광은 차단된 셔터 갭(120a)까지 진행되고, 개방된 셔터 갭(120b)을 통하여 출력포트로 편향된다. 광을 출력 포트(128)로 지향기키기 위해서는, 셔터 갭(118)은 개방된 상태로 있고, 셔터 갭(124)이 선택될 것이다. 이에 따라 광은 경로(113)을 따라 지향되어 차단된 셔터 갭(126a)까지 진행하여, 개방된 셔터 갭(126b)와 출력 포트(128)을 통하여 진행할 것이다. 마지막으로, 광은 셔터 갭(110a)과 셔터 갭(130b) 사이의 모든 셔터 갭을 개방된 위치로 남겨 놓음으로써 출력 포트(132)로 지향될 수 있다. 셔터 갭(130b)를 차단시키면, 광은 출력 포트(132)로 지향될 것이다. 다시 말하지만, 같은 효과를 달성하기 위해 많은 서로 다른 경로들을 따라 광을 지향시킬 수 있지만, 상술된 설명은 회로망의 적응성을 설명하기 위한 것이다. 또한, 갭은 모든 포트의 개별적인 제어를 허용하기 위해 유입되는 도파관 포트에 직접 배치될 수 있다.

이런 형태의 장치들은 많은 장점을 가진다. 상술된 바와 같이, 이런 장치들은 광 방향에 대한 많은 서로 다른 가능성을 허용하며, 하나로 집적되게(monolithically) 제조된다. 전극들이 기판 상에 선정된 위치들에 형성된다. 그 후, 도파관 외장과 코어가 전극 위에 형성된다. 그 후, 유기 스페이서의 층이 도파관 구조물의 상부에 코팅되고 패터닝된다. 그 후, 금속 소자, 경첩 및 셔터를 형성하는 금속이 배치되고, 패터닝되고, 에칭 처리된다. 마지막으로, 금속 소자가 자유로이 이동할 수 있게 유기 스페이서가 제거된다. 최종적인 구조물은 도파관 내에 형서된 갭 상부에 배치된 금속 셔터들을 가지며, 금속 소자 밑에는 그것이 어드레스될 수 있도록 전극이 배치된다.

상기 방법에 따라 제조된 장치는 이전의 광학 스위치들보다 비용이 적게 들고, 크기가 작으며, 속도가 더 빠르다. 미러들을 편향시키는 스위칭 시간은 대략 10μsec이다. 이에 따라 재구성을 위한 시간이 매우 짧아진다. 또한, 비교적 쉬운 제조 방법으로 인해 수율이 향상되고, 자원이 덜 소비된다.

따라서, 비록 이때까지 스위칭 장치에 대한 특정 실시예가 기술되었지만, 그러한 특정한 실시예는 다음의 특허 청구의 범위에 제시된 한도를 제외하면 본 발명의 범위를 한정하는 것으로 간주된지 않는다.

Claims (8)

1. (a) 기판; (b) 적어도 1개의 입력 포트와 1개의 출력 포트를 포함하는 상기 기판 상의 도파관 구조물(waveguide structure)을 포함하되, 상기 도파관 구조물은 상기 입력 포트와 출력 포트 사이에 배치된 상기 도파관 내에 적어도 1개의 갭(gap)을 가지며; (c) 적어도 1개의 경첩(hinge)에 매달려 상기 갭 상부에 배치된 금속 소자를 포함하되, 상기 금속 소자는 상기 금속 소자의 하부 측면(underside)에 부착된 수직 금속 구조물을 더 포함하며; (d) 상기 갭에 인접하게 배치되고, 전기적으로 어드레스되어 상기 금속 소자와 수직 금속 구조물의 편향을 초래하도록 동작하는 적어도 1개의 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 장치.
2. 제1항에 있어서, 2개의 입력 포트와 2 개의 출력 포트가 있는 구조로서, 상기 수직 금속 구조물의 위치가 상기 입력 포트들 중 어느 한쪽을 통하여 들어오는 광이 어떤 출력 포트로 빠져나가는지를 결정하는 것을 특징으로 하는 스위칭 장치.
3. 제1항에 있어서, 1개의 입력 포트와 2개의 출력 포트가 있는 구조로서, 상기 출력 포트들 중 1개의 출력 포트가 상기 입력 포트와 동일한 축 상에 있는 것을 특징으로 하는 스위칭 장치.
4. 제1항에 있어서, 1개의 입력 포트와 2개의 출력 포트가 있는 구조로서, 상기 출력 포트들 모두가 상기 입력 포트의 축으로부터 소정의 각만큼 오프셋되어 있는 것을 특징으로 하는 스위칭 장치.
5. (a) 기판; (b) 적어도 1개의 입력 포트와 1개의 출력 포트를 포함하는 상기 기판 상의 도파관 구조물을 포함하되, 상기 도파관 구조물은 상기 입력 포트와 상기 출력 포트 사이에 배치된 상기 도파관 애에 적어도 1개의 갭을 가지며; (c) 적어도 1개의 경첩에 부착되어 상기 갭에 인접하게 배치된 정전기적으로 흡인 가능한 소자(electrostatically attractable element)를 포함하되, 상기 정전기적으로 흡인 가능한 소자는 상기 정전기적으로 흡인 가능한 소자에 부착된 반사성 구조물(reflective structure)을 더 포함하며; (d) 상기 갭에 인접하게 배치되고, 전기적으로 어드레스되어 상기 정전기적으로 흡인 가능한 소자와 상기 반사성 구조물의 편향을 초래하도록 동작하는 적어도 1개의 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 장치.
6. 제5항에 있어서, 상기 반사성 구조물은 상기의 정전기적으로 흡인 가능한 소자의 하부 측면에 부착되는 것을 특징으로 하는 스위칭 장치.
7. 제5항에 있어서, 상기 반사성 구조물은 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 장치.
8. 제5항에 있어서, 상기 정전기적으로 흡인 가능한 소자는 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 장치.