KR100245393B1 - 편광 변조 표면방출 레이저를 이용한 광스위칭 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 2개의 입력-2개의 출력을 갖는 광신호 스위칭 장치에서 광경로의 선택을 위해 서로 직교하는 편광을 발진하는 표면방출 레이저와 편광-빔-분리 회절판을 이용하여 광신호의 광 경로를 변경시키는 스위칭 모듈의 구조에 관한 것이다.

Description

편광 변조 표면방출 레이저를 이용한 광스위칭 장치
본 발명은 광신호의 스위칭에서 광경로의 선택을 위해 편광 스위칭 표면방출 레이저와 편광분리 회절판을 이용하여 광신호를 스위칭하는 편광 변조 표면방출 레이저를 이용한 광스위칭 장치에 관한 것이다.
본 발명에서는 2개의 경로로부터 들어온 광신호를 2개의 경로로 스위칭 해주는 2x2 스위칭 단위 노드의 기능을 두 가지 서로 다른 방향의 편광을 발진하는 레이저와, 편광을 분리하는 회절판으로 구성된 모듈로 실현시켜주는 것이다. 이 단위 모듈을 이차원적으로 어레이(array) 배열하고, 이 어레이를 다단계 적층시킴으로써 하나의 비동기식(ATM: asynchronous transfer mode) 광교환 시스템을 구성할 수 있다.
광교환 시스템은 광신호의 경로를 변경시켜주는 단위 노드의 반복적인 집합으로 이루어 진다. 광교환을 위한 단위 노드의 기능을 갖는 모듈은 크게 다음 몇 가지 방식으로 나눌 수 있다.
1) SEED(self electrooptic effect device)를 이용한 완전 광에 의한 자유공간 광교환 방식 [참고자료: Lentine et al., Optical and Quantum Electronics, vol. 24, p.S443, 1992].
2) 광도파로를 이용한 광교환 방식 [참고자료: Renaud et al., IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol.2, no.2, p.277, 1996].
3) 광검출 어레이, 표면방출 레이저 어레이와 전자회로를 이용한 광교환 방식 [참고자료: McCallum et al., OSA (Optical Society of America) topical meeting on optics in computing, Technical Digest series volume 8, p.266, 1997].
SEED를 이용한 광교환 방식에는 SEED의 창문에 광신호 제어 빔, 광신호 빔, 광펌핑용 빔의 세가지 광빔을 투사하여 스위칭 기능을 얻고 있다. 이 방법에는 광교환 기능이 완전히 빛에 의해 조절되는 장점이 있으나, 세가지 종류의 빔이 투사됨으로써 많은 스위칭 단위 모듈을 구성하기 위해 많은 종류의 광원, 광경로 조절 수동부품들이 들어가게 되어 교환 시스템의 규모가 매우 커지게 된다.
또한, 광도파로를 이용하는 방식에는 평면 위에 선형의 광도파로를 배치하고, 이 광도파로에 전기적 신호를 가하여 광신호를 접속시킨다. 이 방식에는 우선 선형의 광도파로가 많은 공간을 차지하여 집적에 불리한 단점이 있다. 또한, 광도파로에 흐르는 광신호에서 어드레스(address) 신호를 추출하여 광도파로 개폐를 조절하는 전기적 제어장치를 만들기 어려운 문제점이 있다. [참고자료: Renaud et al., IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol.2, no.2, p.277, 1996].
광검출기 어레이, 표면방출 레이저 어레이와 전자회로를 이용한 광교환 방식은 집적면에서 가장 유리하다. 기존의 방식에서 사용된 표면방출 레이저 광원은 편광을 구별하지 않고 빛의 세기만 다른 두 가지의 신호를 보낸다. 그리고 광원과 광검출기를 1:1 대응으로 정렬시켜 놓고, 전기적 신호처리에 의해 광경로를 결정한다.[참고자료: Park et al., ＆quot;Parallel optical logic operator,＆quot; US patent 출원 신청 (1996); 박효훈 외 4인, 국내특허출원 제 47435 호 (1995), 제 51484 호 (1995)].
한편, 두 가지 편광을 이용한 2x2 스위칭 방식은 Kato et al.[US patent 5532855, 1996]이 제안한 바 있다. 여기서는 직교하는 두 가지 편광을 갖는 입력 광신호를 편광-빔-분리 회절판로 분리하여 광경로를 스위칭하는 소자구조가 제안되어 있다. 이 스위칭 소자 구조에서는 액정(liquid crystal)에 전기장을 가하여 편광을 변조시키고 있다. 액정을 사용하면 구조는 간단해지나, 변조 속도가 1 Mega bps 수준 이하로 매우 낮은 문제가 있다. 또한 스위칭 노드를 여러 단계로 적층할 경우 각 단계를 거칠 때마다 빛의 세기가 떨어지는 문제가 있다.
따라서, 본 발명은 광검출기, 두가지 편광을 스위칭 할 수 있는 레이저와 편광-빔-분리 회절판을 사용함으로써, 집적성이 크고, 다단계 공간 스위칭으로 연속적인 신호처리 기능을 제공할 있는 편광 변조 표면방출 레이저를 이용한 광스위칭 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 두 가지의 다른 경로를 통해 입사되는 입력광을 전기신호로 바꾸는 하나 이상의 광검출기와, 상기 전기신호를 받아 출력광의 편광상태를 결정하고 레이저 소자에 출력신호를 보내는 신호처리기와, 전장의 인가로 두 가지 편광 방향으로 변조할 수 있는 표면방출 레이저와, 출력광의 편광방향에 따라 다음 노드로 빛이 연결되는 경로를 결정해주는 편광-빔-분리 회절판을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 두 가지의 다른 경로를 통해 입사되는 입력광을 전기신호를 바꾸는 하나 이상의 광검출기와, 상기 전기신호를 받아 출력광의 편광상태를 결정하고 레이저 소자에 출력신호를 보내는 신호처리기와, 편광방향이 다른 빛을 각각 방출하는 한쌍의 표면방출 레이저와, 출력광의 편광방향에 따라 다음 노드로 빛이 연결되는 경로를 결정해주는 편광-빔-분리 회절판으로 구성된 것을 특징으로 한다.
본 발명은 광검출기 어레이, 표면방출 레이저 어레이와 전자회로를 이용한 방식을 따르되, 표면방출 레이저 광원이 서로 직교하는 두 가지 편광 상태를 스위칭하여 그 편광에 의해 광경로가 자동으로 바꿔지게 만든다. 광경로 조절은 레이저 앞에 입력광의 편광 상태에 따라 진행경로를 분리해 주는 회절판을 두어 회절효과에 의해 편광이 진행하는 방향이 달라지게 만든다. 이와 같은 편광을 이용하는 스위칭 구조에 의하면, 광경로 변경을 위한 회절판의 회절 패턴을 단순화 시킬 수 있고, 2x2 노드에서 하나의 광검출기에 두개의 광신호가 모여질 때 빛의 간섭을 줄일 수 있는 장점이 있다. 또한, 하나의 레이저에서 두개의 편광을 스위칭하는 광원을 사용하면, 2x2 노드에서 사용되는 광원의 수를 2개에서 1개로 줄일 수 있기 때문에 시스템의 집적에 매우 유리한 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 편광 스위칭 표면방출 레이저를 사용하는 광교환 모듈의 구조도.
도 2는 입출력 광패킷 신호의 파형도.
도 3은 편광을 이용한 2x2 광교환 모듈의 구조도.
도 4는 편광을 이용한 2x2 광교환 노드에 의한 다단계 스위칭 망의 구조도.
도 5는 편광방향이 다른 한 쌍의 레이저를 사용하는 광교환 모듈의 구조도.
＆lt;도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명＆gt;
1: 광검출기 2: 신호처리기
3: 편광 스위칭 표면방출 레이저 4: 레이저 구동기
5: 편광-빔-분리 회절판 6: P2 편광 상태의 입력빔
7: P1 편광 상태의 입력빔
8: 편광 스위칭 표면방출 레이저에서 나온 빔
9: P1 상태의 편광 출력빔
10: P2 상태의 편광 출력빔
11, 12: 광검출기-신호처리기 간 전기적 연결 배선
13: 편광조절을 위해 레이저에 전압을 인가하는 배선
14, 15: 레이저 구동기-레이저 간 전기적 연결 배선
16: 광입출력 신호에서 어드레스 코드
17: 광입출력 신호에서 데이타 코드
18: 편광을 이용한 단위 스위칭 모듈
21, 22: 레이저 구동기
23: P1 편광발진 표면방출 레이저
24: P2 편광발진 표면방출 레이저
25: P1 편광 상태의 출력빔
26: P2 편광 상태의 출력빔
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 편광스위칭 레이저를 이용하는 본 발명의 2x2 노드의 단위 모듈의 구조를 나타낸다. 여기서, 2x2 노드는 2개의 경로에서 들어오는 광신호를 받아 2개의 다른 경로로 교환해주는 기본 스위칭 단위를 의미한다.
단위 모듈(18)은 광검출기(1), 광신호처리기(2), 편광 스위칭 레이저(3), 레이저 구동기(4) 및 편광-빔-분리 회절판(5)으로 구성된다. 편광 스위칭 레이저(3)는 레이저 구동에 필요한 p, n 두개의 전극과 편광조절을 위해 전압을 인가하는 전극을 갖는 3단자 레이저[참고자료: chu et al., ＆quot;structures and fabrication method of polarization switching surface-emitting lasers,＆quot; US patent 출원신청, (1997); 유병수, 박효훈, 국내특허출원 제 23651 호 (1994)]를 이용한다.
편광-빔-분리 회절판(5)에는 투과되는 빛의 편광 방향에 따라 빛을 다른 방향으로 회절시키는 회절격자를 평면판 위에 형성해 놓는다. 편광-빔-분리 회절판(5)은 다양한 구조들이 나와 있으며, 예로써, [참고자료:Kostuk et al., Applied Optics, vol.29, no. 26, p.3848, 1990]을 들 수 있다. 광검출기(1)는 1개 또는 2개의 수광창문을 갖는다. 두 가지 경로로 입력되는 광신호를 하나의 창문으로 받거나, 또는 두개의 창문에서 각각 따로 받게 할 수 있다.
도 2는 본 발명의 2x2 스위칭 모듈의 기능을 보여주기 위해 예로 든 일반적인 ATM 용 광패킷 신호를 보여주고 있다. 하나의 광패킷 신호는 어드레스(16) 코드와 데이타 코드(17)로 구성되어 있다. 어드레스 코드는 데이타를 받으려는 곳의 주소를 나타낸다.
서로 직교하는 두 가지 편광방향을 각각 P1, P2로 칭한다면, 임의의 노드에 입출력되는 광 패킷 신호는 P1 또는 P2 편광 상태 중 한 가지 편광 상태로 통일된다.
도 1에서 이전의 노드에서 나온 P1 또는 P2 상태의 신호가 광검출기(1)로 입력되면, 광신호가 전기적 신호로 전환되어 배선(11,12)를 통해 신호처리기(2)에 전달된다. 신호처리기(2)에서는 어드레스에서 해당 스위칭 노드의 코드를 읽는다. 예로서, 2번째 스위칭 노드라면, 어드레스에서 a2의 코드를 읽는다. 그리고, 예로서, 전기적 신호의 세기가 높은 것을 1, 낮은 것을 0으로 구분하고, 코드가 1이면 편광 P1으로 전환하고, 코드가 0이면 편광 P2로 전환한다고 가정하면, a2의 코드가 0일 경우 출력할 광의 편광상태를 P2로 결정한다.
출력할 신호의 편광상태가 결정되면, 편광 스위칭 표면방출 레이저(3)에 전압을 인가하는 배선(13)과 배선(14) 사이의 전압 Vp를 조절하여 레이저에서 해당 편광이 발진되게 한다. 예로서 위의 a2 코드가 0일 경우 P2의 편광이 나올 수 있는 전압을 Vp에 인가한다.
다음, 레이저 구동회로(4)를 작동시켜 해당 편광의 레이저를 발진시킨다. 전기신호로 전환된 패킷 신호(16, 17)를 배선(14, 15)를 통해 신호처리기(2)에서 구동회로(4)와 레이저(3)로 전달하여 빛의 신호로 전환해 출력빔(8)으로 방출한다. 출력빔(8)은 광패킷 신호(16, 17)로 구성된 한 묶음의 광패킷 신호 전체가 P1 또는 P2의 편광 상태로 발진된다.
출력빔(8)은 편광-빔-분리 회절판(5)을 통과하며 편광방향에 따라 빛이 진행하는 방향이 달라지게 된다. 예로서, P1의 편광이면 출력빔(9)의 방향으로 나가고, P2이면 출력빔(10)의 방향으로 나가게 한다.
이와 같이, 각 모듈은 자체 내에서 해당 주소를 읽고 다음 노드로 연결할 수 있는 신호를 발진시킬 수 있는 독립적인 스위칭 체계를 갖게 된다.
도 3은 도 1의 구조를 갖는 단위 스위칭 모듈(18)을 하나의 블록으로 간단히 나타내어 2x2 노드의 기능을 보여주고 있다. P2 또는 P1의 편광 상태를 갖는 광패킷 신호가 이 모듈로 들어오면, 이 모듈에서 다시 P1 또는 P2의 광패킷 신호로 전환하여 다음 모듈로 스위칭해 준다. 도 3과 같은 단위 노드를 이차원적인 어레이로 배열하고, 이들 어레이들 다시 다단계로 적층하여 대용량 처리용 ATM 광 스위칭에 필요한 자기 경로설정(self-routing) 스위칭의 병렬처리 기능을 실현할 수 있다. 2x2 노드 어레이의 다단계 적층에 의한 병렬 스위칭 구도의 예로써 [Kato et al.[US patent 5532855, 1996]의 공간 스위치 구조를 들 수 있다. 이 구조에서는 일반적인 스위칭 기능만 언급되어 있을 뿐 자기 경로설정 ATM 동작 기능은 명시되어 있지 않았으므로, 도 4에서 자기 경로설정 스위칭의 실시 예를 설명한다.
도 4는 단위 노드간의 신호 스위칭 기능을 설명하기 위해서 여러 개의 노드를 다단계 연결한 하나의 일반적인 예를 보여 주고 있다.
예로써, b1, b2, b3 ..... bm의 노드를 병렬로 배열하고 이러한 배열을 a1, a2, a3, ....an 으로 다단계로 연결한 시스템을 가상해 볼 수 있다. 이 가상 연결 시스템으로 스위칭 기능을 설명하면 다음과 같다.
임의의 광패킷 신호는 P1 또는 P2의 편광을 갖고 {ax,by} (1＆lt;x＆lt;n, 1＆lt;y＆lt;m)으로 입력된다. 이 노드에서 광패킷 신호의 어드레스 코드(16)의 ax의 신호를 읽어 P1 또는 P2 편광을 갖는 패킷 신호로 전환하여 출력한다. 출력된 패킷 신호는 이 신호의 편광상태에 따라 연결된 {ax+1,by'} (1＆lt;y'＆lt;n) 노드로 전달된다. 다시 이 노드에서 ax+1의 신호를 읽고 P1 또는 P2의 편광으로 패킷 신호를 전환한다. 그리고 다음 단계의 {ax+2,by''} (1＆lt;y''＆lt;n) 노드로 전달한다. 이와 같은 방법으로 연결하면, 각 단계마다 여러 개의 광패킷 신호들이 입력되어도 병렬처리로 광패킷 신호를 스위칭 할 수 있다.
도 4의 예와 같이 본 발명의 노드를 다단계 병렬 연결을 하면 대용량 처리용 ATM 광 스위칭에 필요한 자기 경로설정 스위칭의 병렬처리 기능을 실현할 수 있다. 도 4에서 노드간 연결에서 임의의 노드에 입력되는 두 가지의 신호가 각각 다른 편광 상태의 패킷 신호가 입력되도록 연결하면, 하나의 노드에 입력되는 신호간의 간섭을 줄일 수 있다.
한편, 도 1에서 하나의 레이저에서 P1 또는 P2의 두 가지 편광을 발진하는 레이저 대신에, 각각 서로 다른 편광을 발진하는 한 쌍의 레이저를 2x2 스위칭 모듈에 사용할 수도 있다. 예로써, 서로 직교하는 편광을 각각 발진하는 레이저 두개를 쌍으로 하는 레이저 어레이를 사용할 수 있다[Park et. al., ＆quot;Fabrication method of polarization controlled surface emitting laser arrays,＆quot; US patent 출원신청, (1997); 추혜용 외 2인, 국내특허출원 제 35935 호 (1996)].
도 5에서 한 쌍의 레이저를 사용하여 광패킷 신호를 스위칭하는 모듈의 구조를 나타낸다. 예로써 P1 편광은 레이저(23)에서 발진시키고, P2 편광은 레이저(24)에서 발진시킨다. 신호처리기(20)에서 해당 어드레스 코드를 읽고 P1 또는 P2의 편광을 결정하여 이 편광을 발진하는 레이저(23 및 24)의 구동기(21 및 22)를 작동시켜 P1 또는 P2의 편광 상태를 갖는 광패킷 신호(25 및 26)를 출력시킨다. 레이저(23 및 24) 앞에 편광-빔-분리 회절판을 배치하여 출력빔(25 및 26)의 편광 방향에 따라 다음 노드로 연결되는 빔(9 및 10)의 경로로 보내준다.
상술한 바와 같은 본 발명의 편광 변조 표면방출 레이저를 이용한 광스위칭 장치는 다음의 효과를 얻을 수 있다.
첫째, 편광 구분 없는 빛을 사용하여 자유공간으로 2x2 스위칭을 할 경우, 두 개의 출력 빔을 각각 다른 경로를 연결하기 위해서는 각 출력빔에 대해 촛점위치가 다른 렌즈나 회절패턴이 있는 스위칭 부품을 사용해야 한다. 이에 비해, 빛의 경로를 분리하는 편광을 이용하면 회절패턴이 간단해 스위칭 부품의 제작이 용이해 질 수 있다.
둘째, 도 4에서 설명한 바와 같이, 2x2 단위 노드에 입력되는 두 신호를 각각 다른 편광방향을 갖도록 노드들을 배열하면, 두개의 광신호가 모여질 때 빛의 간섭을 줄일 수 있는 장점이 있다.
셋째, 도 1과 같이, 하나의 레이저에서 두개의 편광을 스위칭 하는 광원을 사용하면, 2x2 노드에서 사용되는 광원의 수를 2개에서 1개로 줄일 수 있기 때문에 시스템의 집적에 매우 유리한 장점이 있다.
넷째, 도 1 및 도 5와 같이, 스위칭 단위 모듈마다 편광 변조 레이저를 사용하면, 액정에 의한 편광 변조 방식에 비해, 빠른 스위칭 속도를 얻을 수 있고, 각 스위칭 단계를 지날 때 빛의 세기가 감소를 문제를 해결할 수 있다. 표면방출 레이저는 기가(Giga) bps 이상의 광신호 발진 속도를 제공할 수 있다. 이 모듈에서 스위칭 속도는 전기적 신호처리기의 속도에 의해 지배될 수 있으나, 이 신호처리기도 현재 일반적으로 사용하는 실리콘(Si) CMOS를 사용할 경우 수백 메가(Mega) bps를 얻을 수 있고, 갈륨비소(GaAs)계 프로세서를 사용할 경우 1 기가(Giga) bps의 속도를 얻을 수 있다. 따라서 본 발명의 스위칭 속도는 액정을 사용하는 데 비해 수백배 이상의 속도를 얻을 수 있는 장점이 있다.

Claims (6)

  1. 두 가지의 다른 경로를 통해 입사되는 입력광을 전기신호로 바꾸는 하나 이상의 광검출기와,
    상기 전기신호를 받아 출력광의 편광상태를 결정하고 레이저 소자에 출력신호를 보내는 신호처리기와,
    전장의 인가로 두 가지 편광 방향으로 변조할 수 있는 표면방출 레이저와,
    출력광의 편광방향에 따라 다음 노드로 빛이 연결되는 경로를 결정해주는 편광-빔-분리 회절판을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 편광 변조 표면방출 레이저를 이용한 광스위칭 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광스위칭 장치는 서로 직교하는 P1, P2의 두 가지 편광방향을 이용하고, 임의의 P1 또는 P2 편광을 갖는 입력 광패킷 신호를 받아, 광패킷 신호의 어드레스에서 0 또는 1의 코드에 따라 표면방출 레이저에서 P1 또는 P2의 편광방향을 갖는 광패킷 신호로 발진시켜 출력하는 2x2 광스위칭 노드로 구성된 것을 특징으로 하는 편광 변조 표면방출 레이저를 이용한 광스위칭 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 2x2 광스위칭 노드는 하나의 편광 변조 표면방출 레이저를 포함하는 2x2 스위칭 노드를 평면상에 어레이로 배열하고 이 어레이를 다단계로 적층하여, 광패킷 신호의 어드레스에 0 또는 1의 이진법으로 구성된 a1, a2, a3, ..ax...an 개의 코드가 ax 째 단계의 임의의 노드에 입력될 때, 이 노드에서는 ax 째의 어드레스 코드를 읽어 0 또는 1에 따라 P1 또는 P2의 편광상태를 갖는 광패킷 신호를 출력하여 P1 또는 P2의 상태에 따라 경로가 결정된 ax+1 째 단계의 해당 노드로 신호를 연결시켜주는 자기 경로설정 비동기식 병렬처리 다단계 광스위칭 시스템으로 구성된 것을 특징으로 하는 편광 변조 표면방출 레이저를 이용한 광스위칭 장치.
  4. 두 가지의 다른 경로를 통해 입사되는 입력광을 전기신호를 바꾸는 하나 이상의 광검출기와,
    상기 전기신호를 받아 출력광의 편광상태를 결정하고 레이저 소자에 출력신호를 보내는 신호처리기와,
    편광방향이 다른 빛을 각각 방출하는 한쌍의 표면방출 레이저와,
    출력광의 편광방향에 따라 다음 노드로 빛이 연결되는 경로를 결정해주는 편광-빔-분리 회절판으로 구성된 것을 특징으로 하는 편광 변조 표면방출 레이저를 이용한 광스위칭 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 광스위칭 장치는 서로 직교하는 P1, P2의 두 가지 편광방향을 이용하고, 임의의 P1 또는 P2 편광을 갖는 입력 광패킷 신호를 받아, 광패킷 신호의 어드레스에서 0 또는 1의 코드에 따라 해당 편광을 발진하는 표면방출 레이저에서 P1 또는 P2의 편광방향을 갖는 광패킷 신호로 발진시켜 출력하는 2x2 광스위칭 노드로 구성된 것을 특징으로 하는 편광 변조 표면방출 레이저를 이용한 광스위칭 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 2x2 광스위칭 노드는 서로 직교하는 편광을 발진하는 한쌍의 표면방출 레이저를 포함하는 2x2 스위칭 노드를 평면상에 어레이로 배열하고 이 어레이를 다단계로 적층하여, 광패킷 신호의 어드레스에 0 또는 1의 이진법으로 구성된 a1, a2, a3, ..ax...an 개의 코드가 ax 째 단계의 임의의 노드에 입력될 때, 이 노드에서는 ax 째의 어드레스 코드를 읽어 0 또는 1에 따라 P1 또는 P2의 편광상태를 갖는 광패킷 신호를 출력하여 P1 또는 P2의 상태에 따라 경로가 결정된 ax+1 째 단계의 해당 노드로 신호를 연결시켜주는 자기 경로설정 비동기식 병렬처리 다단계 광스위칭 시스템으로 구성된 것을 특징으로 하는 편광 변조 표면방출 레이저를 이용한 광스위칭 장치.
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