KR100357629B1 - 다분기 열광학 스위치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 하나의 입력 광도파로와 상기 입력 광도파로로부터 분기되는 다수의 출력 광도파로로 구성되는 광도파로와, 상기 광도파로의 상부에 상기 다수의 출력 광도파로를 따라 신장되게 형성되며 전압 인가시 열을 발산하는 다수의 발열 전극을 포함하여 구성되는 다분기 열광학 스위치에 있어서, 상기 다수의 발열 전극 중 외측에 위치한 발열 전극의 폭이 내측에 위치한 발열 전극의 폭보다 넓게 형성된다.

Description

다분기 열광학 스위치{MULTI-BRANCH THERMO-OPTIC SWITCH}
본 발명은 다분기 광스위치(multi-branch optical switch)에 관한 것으로서, 특히 다분기 열광학 스위치(multi-branch thermo-optic switch)에 관한 것이다.
다분기 열광학 스위치는 통상적으로 하나의 입력 광도파로, 다수의 출력 광도파로 및 다수의 발열 전극을 포함하여 구성된다. 스위칭을 원하는 출력 광도파로를 제외한 나머지 출력 광도파로에 열을 가하여 상기 나머지 출력 광도파로의 유효 굴절률을 감소시킨다. 이에 따라, 입력된 광신호는 상대적으로 유효 굴절률이 큰 출력 광도파로로 스위칭되며, 이러한 현상을 모드 진화(mode evolution) 현상이라고 칭한다. 통상적인 다분기 열광학 스위치의 종류로는 단일 모드 3분기 및 4분기 열광학 스위치를 들 수가 있다. K. Propstra 등에 의해 1997년, 스웨덴 스톡홀롬, ECIO'97에 발표된 논문(명칭: FIRST THERMO-OPTIC 1×3 DIGITAL OPTICAL SWITCH)에서는 3분기 열광학 스위치를 개시하고 있다.
도 1은 상기 3분기 열광학 스위치의 구조를 나타내는 도면이다. 하나의 입력 광도파로(12)와 제1, 제2 및 제3 출력 광도파로(13, 14 및 15)로 구성된 광도파로(11)와 상기 광도파로(11)의 상부에 형성된 제1, 제2, 제3 및 제4 발열 전극(16, 17, 18 및 19)이 도시되어 있다. 상기 각 발열 전극(16, 17, 18 또는 19)의 폭, W1은 실질적으로 단일 값을 갖는다. 이때, 상기 광도파로(11)는 점선으로, 상기 제1, 제2, 제3 및 제4 발열 전극(16, 17, 18 및 19)은 실선으로 도시되어 있다. 또한, 이하의 설명에 있어서, 상기 제2 출력 광도파로(14)로 광신호를스위칭(switching)하는 것을 [010] 스위칭 상태, 상기 제3 출력 광도파로(13)로 광신호를 스위칭하는 것을 [001] 스위칭 상태라는 방식으로 표현하기로 한다. 상기 발열 전극들(16, 17, 18 및 19) 중 각각의 스위칭 상태에 따라 그 중 2 개만이 구동된다. 예로, [010] 스위칭 상태에서는 상기 제1 및 제4 발열 전극(16 및 19), [001] 스위칭 상태에서는 제1 및 제2 발열 전극(16 및 17)이 구동된다.
그러나, 상기 3분기 열광학 스위치(10)는 충분한 스위칭을 위해 요구되는 구동 전력이 스위칭 상태에 따라 다르다. [010] 스위칭 상태에서는 370 ㎽, [100] 및 [001] 스위칭 상태에서는 각각 75 ㎽의 구동 전력이 필요하다. 즉, 스위칭 상태에 따라 필요한 구동 전력이 약 5배 정도의 차이가 난다. 더욱이, 상기 구동 전력차에 대응하는 구동 전압차는 2배 이상이다. 따라서, 상기 3분기 열광학 스위치(10)를 단위 소자로 하여 매트릭스(matrix) 열광학 스위치를 구성하게 되면, 스위칭을 위한 구동 회로가 복잡해지는 문제점이 있다.
도 2a 및 도 2b는 도 1에 도시된 3분기 열광학 스위치(10)에 대하여 스위칭 상태에 따른 온도 분포를 나타내는 도면이다. 도 2a 및 도 2b에는 각각의 발열 전극(16, 17, 18 또는 19)에 의한 온도 분포는 점선으로, 전체적인 온도 분포는 실선으로 도시하였다.
도 2a는 [100] 스위칭 상태에 대하여 상기 3분기 열광학 스위치(10) 단면 상에서의 온도 분포를 나타내고 있다. 이때, 구동되는 상기 제3 및 제4 발열전극(18 및 19)이 서로 인접하고 있어서, 상기 각각의 발열전극(18 또는 19)에서 발생한 열로 인하여 형성된 온도 분포들이 서로 중첩된다. 따라서, 상기 하나의 발열전극(18 또는 19)으로 얻을 수 있는 온도 분포보다 더 큰 온도 분포를 이루게 된다. 도 2b는 [010] 스위칭 상태에 대하여 상기 3분기 열광학 스위치(10) 단면 상에서의 온도 분포를 나타내고 있다. 이때, 상기 제1 및 제4 발열 전극(16 및 19) 각각에서 발생된 열이 x축 방향으로 퍼지게 되어, 상기 제2 출력 광도파로(14)가 상기 제1 및 제3 출력 광도파로(13 또는 15) 각각과 이루는 온도차, △T12및 △T32은 감소하게 된다. 이때, 상기 △T12에서 아래 첨자 "1"은 제1 출력 광도파로, "2"는 제2 출력 광도파로를 의미한다. 따라서, △T12는 상기 제1 출력 광도파로(13)와 제2 출력 광도파로(14) 사이의 온도차를 나타낸다. 동일한 구동 전력을 공급하더라도 [100] 상태에서보다 [010] 스위칭 상태에서의 △T12나 △T23가 훨씬 작다. 스위칭을 위한 충분한 유효 굴절률 차이를 얻기 위해서는 충분한 크기의 온도차를 얻어야 하기 때문에, 상대적으로 작은 온도차를 얻는 [010] 스위칭 상태에서는 [100] 또는 [001] 스위칭 상태에 비하여 더 큰 구동 전압이 필요하게 된다.
H.C.Song 등에 의해 Electron Lett. Vol. 35, no.18, pp.1546-1548에 발표된 논문(명칭: 1×4 THERMO-OPTIC SWITCH BASED ON FOUR-BRANCH WAVEGUIDE)은 4분기 열광학 스위치를 개시하고 있다.
도 3은 상기 4분기 열광학 스위치의 구조를 나타내는 도면이다. 광도파로(21)는 입력 광도파로(22)와 제1, 제2, 제3 및 제4 출력 광도파로(23, 24, 25 및 26)로 구성된다. 상기 광도파로(21)의 상부에는 제1, 제2, 제3 및 제4 발열 전극(27, 28, 29 및 30)이 구비되어 있다. 상기 각 발열 전극(27, 28, 29 또는 30)의 폭, W2는단일 값을 갖는다. 상기 발열 전극들(27, 28, 29 및 30) 중 3 개만이 각각의 스위칭 상태에 대해 구동된다. 즉, [1000] 스위칭 상태에서는 상기 제2, 제3 및 제4 발열 전극(28, 29 및 30), [0100] 스위칭 상태에서는 상기 제1, 제3 및 제4 발열 전극(27, 29 및 30)이 구동된다. 상기 4분기 열광학 스위치(20)의 경우에도 도 1에 도시된 3분기 열광학 스위치(10)의 경우와 마찬가지로, 스위칭 상태에 따라 구동 전력의 차이가 크다. [1000] 및 [0001] 스위칭 상태에서는 500㎽의 구동 전력이 필요하지만, [0100] 및 [0010] 스위칭 상태에서는 1200㎽ 이상의 구동 전력이 필요하다. 즉, 스위칭 상태에 따라 2배 이상의 구동 전력차가 발생하는 것이다.
도 4a 및 도 4b는 도 3에 도시된 4분기 열광학 스위치(20)에 대하여 스위칭 상태에 따른 온도 분포를 나타내는 도면이다. 도 4a는 [1000] 스위칭 상태에 대하여 상기 4분기 열광학 스위치(20) 단면 상에서의 온도 분포를 나타내고 있다. 이때, 상기 제2, 제3 및 제4 발열 전극(28, 29 및 30)이 구동되는데, 상기 발열 전극들(28, 29 및 30)은 서로 인접해 있어서 상기 각각의 발열 전극(28, 29 또는 30)에서 발생한 열로 인하여 형성된 온도 분포들이 서로 중첩되어 상기 하나의 발열 전극(28, 29 또는 30)에서 얻을 수 있는 온도 분포보다 더 큰 온도 분포를 얻을 수 있다. 따라서, 상기 제1 출력 광도파로(23)가 상기 제2, 제3 및 제4 출력 광도파로(24, 25 및 26) 각각과 이루는 온도차, △T21, △T31및 △T41는 도시된 바와 같이 매우 커지게 된다.
도 4b는 [0100] 스위칭 상태에 대하여 상기 4분기 열광학 스위치(20) 단면상에서의 온도 분포를 나타내고 있다. 이때, 상기 제1, 제3 및 제4 발열 전극(27, 29 및 30)이 구동되는데, 상기 제3 및 제4 발열 전극(29 및 30)은 서로 인접하여 있지만 상기 제1 발열 전극(27)은 떨어져 있어서, x축 방향으로 상기 각각의 발열 전극(27, 29 및 30)에서 발생한 열이 퍼지게 된다. 이로 인하여, 상기 제2 출력 광도파로(24)가 상기 제1, 제3 및 제4 출력 광도파로(23, 25 및 26) 각각과 이루는 온도차, △T12, △T32및 △T42는 [1000] 스위칭 상태에 비하여 상당히 작아지게 된다. 이는 [0100] 및 [0010] 스위칭 상태에서의 누화 특성이 [1000] 및 [0001] 스위칭 상태에서의 누화 특성에 비해 나빠지는 원인이 된다. 특히, [0100] 스위칭 상태에서의 상기 제1 출력 광도파로(23)와 제2 출력 광도파로(24) 사이의 누화와, [0010] 스위칭 상태에서의 상기 제3 출력 광도파로(25)와 제4 출력 광도파로(26) 사이의 누화가 저하되는 결과로 나타난다.
상술한 바와 같이, 종래의 다분기 열광학 스위치는 스위칭 상태에 따라 요구되는 발열 전극의 구동 전압차가 크다. 이에 따라, 상기 다분기 열광학 스위치를 단위 소자로 하여 매트릭스 열광학 스위치를 구성하게 되면, 스위칭 상태에 따라 각각 다른 구동 전압을 인가해야 하므로 충분한 스위칭을 위한 구동 회로가 복잡해지는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 스위칭 상태에 따라 요구되는 발열 전극의 구동 전압차가 작은 다분기 열광학 스위치를 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 하나의 입력 광도파로와 상기 입력 광도파로로부터 분기되는 다수의 출력 광도파로로 구성되는 광도파로와, 상기 광도파로의 상부에 상기 다수의 출력 광도파로를 따라 신장되게 형성되며 전압 인가시 열을 발산하는 다수의 발열 전극을 포함하여 구성되는 다분기 열광학 스위치에 있어서,
상기 다수의 발열 전극 중 외측에 위치한 발열 전극의 폭이 내측에 위치한 발열 전극의 폭보다 넓게 형성된다.
도 1은 종래의 3분기 열광학 스위치의 구조를 나타내는 도면,
도 2a 및 도 2b는 도 1에 도시된 3분기 열광학 스위치에 대하여 스위칭 상태에 따른 온도 분포를 나타내는 도면,
도 3은 종래의 4분기 열광학 스위치의 구조를 나타내는 도면,
도 4a 및 도 4b는 도 3에 도시된 4분기 열광학 스위치에 대하여 스위칭 상태에 따른 온도 분포를 나타내는 도면,
도 5는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 3분기 열광학 스위치의 구조를 나타내는 도면,
도 6은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 4분기 열광학 스위치의 구조를 나타내는 도면,
도 7a 및 도 7b는 도 6에 도시된 4분기 열광학 스위치에 대하여 스위칭 상태에 따른 온도 분포를 나타내는 도면.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 5는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 3분기 열광학 스위치의 구조를 나타내는 도면이다. 광도파로(51)는 입력 광도파로(52)와 제1, 제2 및 제3 출력 광도파로(53, 54 및 55)로 구성된다. 상기 광도파로(51)의 상부에는 제1, 제2, 제3 및 제4 발열 전극(56, 57, 58 및 59)이 형성되어 있다. 이때, 상기 제2 및 제3 발열 전극(57 및 58)의 폭, W4는 상기 제1 및 제4 발열 전극(56 및 59)의 폭, W3에 비하여 작다. 즉, 상기 발열 전극들(56, 57, 58 및 59) 중 외측 발열 전극(56 및 59)의 폭이 내측 발열 전극(57 및 58)의 폭보다 크다는 것이다. 따라서, 상기 발열 전극들(56, 57, 58 및 59)에 동일한 전압을 인가하더라도 외측 발열 전극(56 및 59)에 내측 발열 전극(57 및 58)보다 더 많은 전력이 공급된다. 결과적으로, 상기 외측 발열 전극(56 및 59)은 상기 내측 발열 전극(57 및 58)보다 더 많은 열을 발산하게 된다. 이를 도 1에 도시된 종래의 3분기 열광학 스위치(10)와 비교하여 기술하자면, 종래에는 외측 발열 전극(16 및 19)이 내측 발열 전극(17 및 18)보다 더 많은 열을 발산해야하므로, 상기 내측 발열 전극(17 및 18)에 인가되는 구동 전압보다 더 큰 구동 전압을 필요로 했었다.
그러나, 도 5에 도시된 3분기 열광학 스위치(50)에서는, 외측 발열 전극(56 및 59)의 폭, W3이 내측 발열 전극(57 및 58)의 폭, W4보다 크므로, 상기 내측 발열 전극(57 및 58)에 인가되는 구동 전압과 동일한 구동 전압을 상기 외측 발열 전극(56 및 59)에 인가하더라도 발생되는 열량은 더 높은 것이다. 또한, 상기 발열 전극들(56, 57, 58 및 59)의 폭들, W3및 W4와 상대적인 위치들은 상기 열광학 스위치(50)의 단면 구조에 대한 열해석 등을 통하여 적절하게 조정할 수가 있다. 즉, 유한 요소법을 이용하여 상기 열광학 스위치(50) 단면에 대한 열해석을 통하여, 상기 발열 전극들(56, 57, 58 및 59)의 폭들, W3및 W4와 위치들에 따른 상기 열광학 스위치(50) 단면의 온도 분포를 계산한다. 또한, 상기 온도 분포와 상기 3분기 열광학 스위치(50)로 입력된 광신호의 모드 분포들간의 중첩적분을 통하여 상기 광신호가 느끼는 실질적인 유효 온도를 계산한다. 상기 계산된 유효 온도로부터 상기 출력 광도파로들(53, 54 및 55) 간의 유효 온도차를 크게 하면서, 각 스위칭 상태에 따라 얻어지는 유효 온도차의 편차를 줄일 수 있는 방향으로 상기 발열 전극들(56, 57, 58 및 59)의 폭들, W3및 W4와 위치들을 조절해야 한다. 상기 광도파로(51)는 열광학적 특성을 가지는 LiNbO3또는 LiTaO3와 같은 강유전체, 폴리머 또는 실리카 등의 재질로 형성한다.
도 6은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 4분기 열광학 스위치의 구조를 나타내는 도면이다. 광도파로(61)는 입력 광도파로(62)와 제1, 제2, 제3 및 제4 출력 광도파로(63, 64, 65 및 66)로 구성된다. 상기 광도파로(61)의 상부에는 제1, 제2, 제3 및 제4 발열 전극(67, 68, 69 및 70)이 형성되어 있다. 상기 광도파로(61)는 열광학적 특성을 가지는 LiNbO3또는 LiTaO3와 같은 강유전체, 폴리머 또는 실리카 등의 재질로 형성한다.
도 7a 및 도 7b는 도 6에 도시된 4분기 열광학 스위치(60)에 대하여 스위칭 상태에 따른 온도 분포를 나타내는 도면이다. 도 7a는 [1000] 스위칭 상태에 대한 온도 분포를 나타내고 있으며, 이때, 상기 제1 및 제4 발열 전극(67 및 70)의 폭, W5는 상기 제2 및 제3 발열 전극(68 및 69)의 폭, W6보다 넓으며, 스위칭을 위해 상기 제2, 제3 및 제4 발열 전극(68, 69 및 70)이 구동되고 있다.
또한, 상기 제1 발열 전극(67) 및 제1 출력 광도파로(63) 중심축 또는 상기제4 발열 전극(70) 및 제4 출력 광도파로(66) 중심축은 서로 일치하지 않고 시프트(shift)되어 있는 반면에, 상기 제2 발열 전극(68) 및 제2 출력 광도파로(64) 중심축 또는 상기 제3 발열 전극(69) 및 제3 출력 광도파로(65) 중심축은 서로 일치한다. 상기 시프트 값, Gg는 상기 제3 및 제4 출력 광도파로(65 및 66) 중심축간의 거리 또는 제1 및 제2 출력 광도파로(63 및 64) 중심축간의 거리, Gw에 따라 온도 분포를 계산하여 상기 출력 광도파로들(63, 64, 65 및 66) 간의 유효 온도차의 편차가 최소가 되는 값으로 결정된다. 도시된 바와 같이, W5가 W6의1,1.5, 2 배로 점점 커짐에 따라, △T21는 거의 변화가 없지만, △T31및 △T41는 이에 따라 점점 커지는 것을 알 수 있다.
도 7b는 [0100] 스위칭 상태에 따른 온도 분포를 나타내는 도면이다. 스위칭을 위해 상기 제1, 제3 및 제4 발열 전극(67, 69 및 70)이 구동되고 있다. 이때, W5가 W6의 1,1.5, 2 배로 점점 커짐에 따라, △T32는 변화가 거의 없지만, △T12및 △T42는 이에 따라 점점 커진다. 특히, 작은 온도차를 갖는 △T12의 값이 상당히 커지는 것을 알 수 있다. 이러한 증가는 [0100] 스위칭 상태에서 상기 제1 및 제2 출력 광도파로들(63 및 64) 간의 좋지 못한 누화를 개선시키고, 상기 4분기 열광학 스위치(60)의 스위칭 상태에 따른 구동 전압의 편차를 줄일 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 다분기 열광학 스위치는 외측 발열 전극의 폭보다 내측 발열 전극의 폭을 작게 형성함으로써, 동일한 구동 전압이 인가되더라도 상기 외측 발열 전극에서 발생되는 열량이 상대적으로 커짐으로 인하여 스위칭 상태에 따른 구동 전압차를 줄일 수 있다는 이점이 있다.

Claims (6)

  1. 하나의 입력 광도파로와 상기 입력 광도파로로부터 분기되는 다수의 출력 광도파로로 구성되는 광도파로와, 상기 광도파로의 상부에 상기 다수의 출력 광도파로를 따라 신장되게 형성되며 전압 인가시 열을 발산하는 다수의 발열 전극을 포함하여 구성되는 다분기 열광학 스위치에 있어서,
    상기 다수의 발열 전극 중 외측에 위치한 발열 전극의 폭이 내측에 위치한 발열 전극의 폭보다 넓게 형성된 것을 특징으로 하는 다분기 열광학 스위치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 다분기 열광학 스위치는 3분기 또는 4분기 열광학 스위치임을 특징으로 하는 다분기 열광학 스위치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
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