KR100440765B1 - Waveguide type all optical logic device using multimode interference - Google Patents
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Abstract
본 발명은 다중모드간섭을 이용한 도파로형 전광 논리 소자에 관한 것으로, 도파로형 다중모드 간섭을 이용하여 소자를 구현하고, 전기신호를 사용하지 않고 광으로만 논리 소자의 특성을 조절함으로써, 광손실을 저하시킬 수 있고, 제조가 용이하여 대량생산을 할 수 있으며 동작속도가 빠르고, 안정된 성능을 구현할 수 있는 효과가 발생한다.The present invention relates to a waveguide-type all-optical logic device using multimode interference, and implements the device using waveguide-type multimode interference, and adjusts the characteristics of the logic device only with light without using an electrical signal, thereby reducing optical loss. It can be reduced, easy to manufacture, mass production, fast operation speed, and stable performance can be achieved.
Description
본 발명은 다중모드간섭을 이용한 도파로형 전광 논리 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 도파로형 다중모드 간섭을 이용하여 소자를 구현하고, 전기신호를 사용하지 않고 광으로만 논리 소자의 특성을 조절함으로써, 광손실을 저하시킬 수 있고, 제조가 용이하여 대량생산을 할 수 있으며 동작속도가 빠르고, 안정된 성능을 구현할 수 있는 다중모드간섭을 이용한 도파로형 전광 논리 소자에 관한 것이다.The present invention relates to a waveguide-type all-optical logic device using multimode interference, and more particularly, to implement a device using waveguide-type multimode interference, and to adjust the characteristics of the logic device only by light without using an electric signal. The present invention relates to a waveguide type all-optical logic device using multi-mode interference, which can reduce optical loss, can be easily manufactured, can be mass-produced, and can realize stable performance.
최근, 광통신용 기술의 연구방향은 인터넷과 멀티미디어의 기하급수적인 발달로 인해 광통신 시스템의 고속화와 대용량화에 대한 요구를 충족시키기 위한 방향으로 진행되어 가고 있다.Recently, the research direction of the optical communication technology is progressing toward meeting the demand for high speed and high capacity of the optical communication system due to the exponential development of the Internet and multimedia.
그 결과, 전기신호를 사용하지 않고 모든 신호를 광으로 처리할 수 있는 전광소자(All Optical Device)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.As a result, researches on all-optical devices capable of processing all signals as light without using electric signals have been actively conducted.
그 중에서도 트랜지스터 기반의 시스템과 같이, 광(Optic) 기반의 광통신 시스템을 구현하기 위해서는 크기가 작고(Compact), 집적화(Integration)가 가능하며, 제조하기가 용이하고 저 손실(Low loss)에 신뢰성(High reliability)이 있는 전광 논리소자(All Optical Logic Device)의 개발이 필수적이다.Among them, like the transistor-based system, in order to implement an optical-based optical communication system, compact, integrated, easy to manufacture, low loss and reliable ( It is essential to develop an all optical logic device with high reliability.
지금까지 제안된 광 논리소자(Optical Logic Device)는 전극에 전압을 인가하여 전계(Electric Field)를 발생시키고, 발생된 전계에 의해서 광도파로(Waveguide)의 굴절률(Refractive Index)을 변형시킨다.The optical logic device proposed so far generates an electric field by applying a voltage to the electrode, and modifies the refractive index of the waveguide by the generated electric field.
그 결과, 도파로를 지나가는 광의 위상차가 변화됨으로써 나타나는 간섭현상, 즉 보강간섭과 상쇄간섭을 이용한다.As a result, interference phenomena, namely constructive and destructive interference, which are caused by a change in the phase difference of light passing through the waveguide, are used.
그 외에도, MZI(Mach-Zehnder Interferometer)와 SOA(Semiconductor Optical Amplifier)의 비선형 특성을 사용하여, XPM(Cross Phase Modulation)을 발생시켜, 광의 위상 변화를 이용한 방법도 연구되고 있다.In addition, a method using cross phase modulation of light by generating cross phase modulation (XPM) using nonlinear characteristics of a machine-machined interferometer (MZI) and a semiconductor optical amplifier (SOA) has been studied.
또 다른 방식으로 파장(Wavelength)과 편광(Polarization)에 따라 구분된 광신호를 이용한 방법도 최근에 연구되고 있다.As another method, a method of using an optical signal divided according to wavelength and polarization has been recently studied.
한편, 광통신을 응용한 제품 수요가 급증하고, 이에 따른 생산업체가 증가함에 따라, 최근, 원가 경쟁력을 높이기 위한 패키징 기술에 대한 투자 및 연구가 지속적으로 이루어지고 있다.On the other hand, as the demand for products using optical communication has increased and the number of producers has increased, recently, investment and research on packaging technology to increase cost competitiveness have been continuously made.
도 1은 종래 기술에 따른 광 논리 소자의 평면 구성도로써, 이 광 논리 소자는 미국특허 US 4,128,300호에 개시되었으며, 기판(10)의 일측 상부에 상호 평행하게 이격되어 형성된 제 1과 2 광전도 패스(Photoconductive path)(18,19)와; 상기 제 1과 2 광전도 패스(18,19)의 사이에는 입력 광도파로(Optical waveguide)(11)로부터 연장되어서 분기되어 공간(30)을 형성하고, 다중 모드 광도파로(14)에서 결합되어 연장되는 제 1과 2 단일 모드 광도파로 브랜지(Single mode optical waveguide branch)(12,13)와; 상기 다중 모드 광도파로(14)에서 분기되는 제 1 내지 3 출력 광도파로(15,16,17)와; 상기 제 1과 2 광전도 패스(18,19)의 외측에 각각 형성된 제 1과 4 전극(23,24)과; 상기 제 1과 2 광전도 패스(18,19)와 상기 제 1과 2 단일 모드 광도파로 브랜지(12,13) 사이에 형성된 제 2와 3전극(21,20)과; 상기 공간(30)에 형성된 그라운드 전극(22)과; 상기 제 1과 4 전극(23,24)에 전기적으로 연결된 DC전원(25)으로 구성된다.1 is a planar configuration diagram of an optical logic device according to the prior art, which is disclosed in US Pat. No. 4,128,300, and includes first and second photoconductors spaced apart from each other in parallel on an upper portion of a substrate 10. Photoconductive paths 18 and 19; Between the first and second photoconductive paths 18, 19 extend from an optical waveguide 11 and branch to form a space 30, and are combined and extended in a multi-mode optical waveguide 14. First and second single mode optical waveguide branches 12 and 13; First to third output optical waveguides (15, 16, 17) branched from the multi-mode optical waveguide (14); First and fourth electrodes 23 and 24 formed outside the first and second photoconductive paths 18 and 19, respectively; Second and third electrodes (21,20) formed between the first and second photoconductive paths (18,19) and the first and second single mode optical waveguide branches (12,13); A ground electrode 22 formed in the space 30; It is composed of a DC power source 25 electrically connected to the first and fourth electrodes 23 and 24.
이렇게 구성된 종래의 광 논리 소자에서, 상기 제 1과 2 광전도 패스(18,19)를 A와 B라 칭하고, 상기 제 1 내지 3 출력 광도파로(15,16,17)를 C,D,E라 정의하고,In the conventional optical logic device configured as described above, the first and second photoconductive paths 18 and 19 are referred to as A and B, and the first to third output optical waveguides 15, 16 and 17 are referred to as C, D, and E. Define it,
1) 종래의 광 논리 소자가 NOR 게이트 역할을 수행할 때를 설명하면,1) When a conventional optical logic device serves as a NOR gate,
상기 제 1 출력 광도파로(15)는 광 에너지가 최저 차수 모드(Lowest order mode)에 해당하는 광을 출력하고, 상기 제 2 출력 광도파로(16)는 제 1 차수 모드(First order mode)에 해당하는 광을 출력하며, 상기 제 3 출력 광도파로(17)는 제 2 차수 모드(Second order mode)에 해당하는 광을 출력한다.The first output optical waveguide 15 outputs light whose optical energy corresponds to a lowest order mode, and the second output optical waveguide 16 corresponds to a first order mode. And the third output optical waveguide 17 outputs light corresponding to the second order mode.
이 때, 상기 제 1과 2 광전도 패스(18,19)로 입사되는 광이 없고(A와 B는'0'), 입력 광도파로(11)에만 입사되는 광이 있으면, 최저 차수 모드만 통과시키는 제 1 출력 광도파로(15)로 출력된다.(C는 '1')At this time, if there is no light incident on the first and second photoconductive paths 18 and 19 (A and B is '0') and there is light incident only on the input optical waveguide 11, only the lowest order mode passes. Is output to the first output optical waveguide 15 (C is '1').
그러므로, 제 1 출력 광도파로(15)는 NOR 게이트의 역할을 수행한다.Therefore, the first output optical waveguide 15 serves as a NOR gate.
2) 그리고, XOR 게이트 역할을 수행할 때를 설명하면,2) And when explaining the role of XOR gate,
A와 B 둘 중에 하나에 입사되는 광이 있으면(A와 B 중 어느 하나 '1'), 입력 광도파로(11)로 입사되는 광과 제 1 차수 모드로 생성되므로, 제 2 출력 광도파로(16)로 출력되므로(D는 '1'), 제 2 출력 광도파로(16)는 XOR 게이트의 역할을 수행한다.If there is light incident on either of A and B (either '1' of A and B), the light incident on the input optical waveguide 11 is generated in the first order mode and the second output optical waveguide 16. (D is '1'), the second output optical waveguide 16 serves as an XOR gate.
3) 게다가, AND 게이트 역할을 수행하는 것은,3) In addition, serving as an AND gate,
A와 B에 모두 입사되는 광이 있으면(A와 B가 모두 '1'), 입력 광도파로(11)로 입사되는 광과 제 2 차수 모드로 생성되므로, 제 3 출력 광도파로(17)로 출력되므로(E는 '1'), 제 3 출력 광도파로(17)는 AND 게이트의 역할을 수행한다.If light is incident on both A and B (both A and B are '1'), the light is incident on the input optical waveguide 11 and is generated in the second order mode, so that it is output to the third output optical waveguide 17. (E is '1'), the third output optical waveguide 17 serves as an AND gate.
더불어, NAND와 OR 게이트의 기능은 전술된 논리를 조합하여 구현할 수 있다.In addition, the functions of the NAND and OR gates can be implemented by combining the above-described logic.
그리고, 미국특허 US 5,999,283호에 게시된 광 논리소자는 단일 모드 도파로를 통해 들어온 입력 신호가 다수의 Y-분기를 거쳐 하나의 출력 신호를 생성한다.In addition, in the optical logic device disclosed in US Pat. No. 5,999,283, an input signal coming through a single mode waveguide generates one output signal through multiple Y-branches.
이 때, 지정된 전극의 전압인가 여부에 따라 특정한 논리소자의 성질을 나타내게 된다.At this time, the characteristics of a specific logic element are exhibited depending on whether or not the voltage of a specified electrode is applied.
이런 광 논리소자는 여러 단을 만들어 구현하기 때문에, 소자의 크기가 커질 수밖에 없고, 소자 제작시 허용 오차가 용납되지 않는 문제점이 있다.Since the optical logic device is implemented by making a plurality of stages, the size of the device is inevitably increased, and there is a problem in that tolerances are not tolerated when the device is manufactured.
또한, 미국특허 US 5,999,283호에 게시된 광 논리소자는 MZI(Mach Zehnder Interferometer)에 SOA(Semiconductor Optical Amplifer)의 비선형특성을 이용하여 XPM(Cross Phase Modulation)을 발생 광의 위상차를 조절함으로써, 광 논리소자를 구현하였다.In addition, the optical logic device disclosed in US Pat. No. 5,999,283 uses optical non-linear characteristics of a semiconductor optical amplifer (SOA) in a machine zehnder interferometer (MZI) to adjust the phase difference of the light generating XPM (cross phase modulation). Implemented
이 광 논리소자는 MZI의 두 아암(Arm)에 SOA가 형성되어, 입력신호가 서로 반대방향으로 진행하여 광의 간섭조건을 결정하게 된다.In this optical logic element, SOA is formed on two arms of MZI, and the input signal travels in opposite directions to determine the interference condition of light.
이런 광 논리소자는 SOA에 의해 제작비용이 커질 수밖에 없는 문제점이 있었다.Such an optical logic device has a problem that the manufacturing cost is inevitably increased by SOA.
종래의 또 다른 광 논리소자는 US 6,151,428호에 게시되어 있으며, 이 광 논리소자는 MZI와 편광분리기(Polarization splitter)와 파장분리기(Wavelength splitter)를 이용하여 파장과 편광에 따라 서로 다른 신호를 생성하고 조합하여 광 논리소자를 구현하였다.Another conventional optical logic device is published in US Pat. No. 6,151,428, which uses MZI, a polarization splitter, and a wavelength splitter to generate different signals according to wavelength and polarization. In combination, the optical logic device was implemented.
이 광 논리소자는 여러 소자를 사용하게 되어, 구조가 복잡하게 되고 제작이 어려우며, 제작비용이 커지는 단점이 있었다.This optical logic device has a disadvantage of using a plurality of devices, the structure is complicated, difficult to manufacture, and the manufacturing cost is high.
이에 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 도파로형 다중모드 간섭을 이용하여 소자를 구현하고, 전기신호를 사용하지 않고 광으로만 논리 소자의 특성을 조절함으로써, 광손실을 저하시킬 수 있고, 제조가 용이하여 대량생산을 할 수 있으며 동작속도가 빠르고, 안정된 성능을 구현할 수 있는 다중모드간섭을 이용한 도파로형 전광 논리 소자를 제공하는 데 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention has been made to solve the problems described above, by implementing a device using the waveguide-type multi-mode interference, by adjusting the characteristics of the logic device only with light, without using an electrical signal, The purpose of the present invention is to provide a waveguide type all-optical logic device using multi-mode interference, which can be reduced, can be easily manufactured, can be mass-produced, has a fast operation speed, and can achieve stable performance.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 바람직한 양태(樣態)는, 기판과;A preferred aspect for achieving the above object of the present invention is a substrate;
상기 기판의 상부에 형성된 하부클래드층과;A lower clad layer formed on the substrate;
상기 하부클래드층의 상부에 형성된 상부클래드층과;An upper clad layer formed on the lower clad layer;
상기 하부클래드층과 인접되어 상기 상부클래드층 내부에 형성된 광도파로로 구성되며,An optical waveguide formed adjacent to the lower cladding layer and formed inside the upper cladding layer;
상기 광도파로는 두 쌍의 단일모드 입력 도파로에 각각 연결된 광분리 다중모드 도파로와, 상기 광분리 다중모드 도파로에 단일모드 도파로에 의해서 연결되고, 두 쌍의 단일모드 출력 도파로에 연결된 광결합 다중모드 도파로로 이루어진 것을 특징으로 하는 다중모드간섭을 이용한 도파로형 전광 논리 소자가 제공된다.The optical waveguide is an optically separated multimode waveguide connected to two pairs of single mode input waveguides, and an optically coupled multimode waveguide connected to the optical separation multimode waveguide by a single mode waveguide and connected to two pairs of single mode output waveguides. There is provided a waveguide type all-optical logic device using multi-mode interference, characterized in that consisting of.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 바람직한 다른 양태(樣態)는, 상호 각각 이격된 제 1 내지 4 단일모드 입력 도파로와;Another preferred aspect for achieving the above object of the present invention is the first to fourth single mode input waveguides, each spaced apart from each other;
상기 제 1과 2 단일모드 입력 도파로에 일측이 연결되는 제 1 광 분리 다중모드 도파로와;A first optical separation multimode waveguide having one side connected to the first and second single mode input waveguides;
상기 제 3과 4 단일모드 입력 도파로에 일측이 연결되는 제 2 광 분리 다중모드 도파로와;A second optical separation multimode waveguide having one side connected to the third and fourth single mode input waveguides;
상기 제 1과 2 광 분리 다중모드 도파로 타측의 일부에 각각 연결되는 제 1과 2 단일모드 도파로와;First and second single mode waveguides connected to portions of the other side of the first and second optical separation multimode waveguides, respectively;
상기 제 1과 2 단일모드 도파로 타측의 다른 일부에 제 1과 2 팔(Arm)이 각각 분리되어 연결되며, 제 3과 4 팔을 갖는 X형 단일모드 도파로와;An X-type single mode waveguide having first and second arms separated from each other and connected to the other part of the first and second single mode waveguides, respectively;
상기 X형 단일모드 도파로의 제 3 팔과 상기 제 1 단일모드 도파로가 일측에 연결되는 제 1 광 결합 다중모드 도파로와;A first optically coupled multimode waveguide having a third arm of the X-type single mode waveguide and the first single mode waveguide connected to one side;
상기 X형 단일모드 도파로의 제 4 팔과 상기 제 2 단일모드 도파로가 일측에 연결되는 제 2 광 결합 다중모드 도파로와;A second optically coupled multimode waveguide having a fourth arm of the X-type single mode waveguide and the second single mode waveguide connected to one side;
상기 제 1과 2 광 결합 다중모드 도파로의 타측에 순차적으로 2개씩 분리되어 연결된 제 1 내지 4 단일모드 출력 도파로로 이루어진 것을 특징으로 하는 다중모드간섭을 이용한 도파로형 전광 논리 소자가 제공된다.Provided is a waveguide type all-optical logic device using multimode interference, comprising first to fourth single mode output waveguides, which are sequentially separated from each other on the other side of the first and second optically coupled multimode waveguides.
도 1은 종래 기술에 따른 광 논리 소자의 평면 구성도이다.1 is a plan view of an optical logic device according to the prior art.
도 2는 본 발명에 따른 다중모드간섭을 이용한 도파로형 전광 논리 소자에 적용되는 광도파로의 구성도이다.2 is a configuration diagram of an optical waveguide applied to a waveguide type all-optical logic device using multi-mode interference according to the present invention.
도 3은 본 발명에 따른 전광논리소자의 측면도이다.3 is a side view of the all-optical logic device according to the present invention.
도 4a와 4b는 본 발명에 따른 전광논리소자를 시뮬레이션한 제 1 결과도이다.4A and 4B are first results of simulation of the all-optical logic device according to the present invention.
도 5a와 5b는 본 발명에 따른 전광논리소자를 시뮬레이션한 제 2 결과도이다.5A and 5B are second results of simulation of the all-optical logic device according to the present invention.
도 6a와 6b는 본 발명에 따른 전광논리소자를 시뮬레이션한 제 3 결과도이다.6A and 6B are third results of simulation of the all-optical logic device according to the present invention.
도 7은 본 발명에 따른 전광논리소자를 시뮬레이션한 결과에 의하여 입력에 따른 출력 논리 조합표이다.7 is an output logic combination table according to an input based on a simulation result of the all-optical logic device according to the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
10 : 기판 11,15,16,17 : 광도파로10: substrate 11,15,16,17: optical waveguide
12,13 : 단일모드 광도파로 브랜치 14 : 다중모드 광도파로12,13: single mode optical waveguide branch 14: multimode optical waveguide
131,132 : 단일모드 광도파로 20,23,24 : 전극131,132: single mode optical waveguide 20,23,24: electrode
22 : 그라운드 전극 25 : DC 전원22: ground electrode 25: DC power
111,112,113,114 : 단일모드 입력도파로111,112,113,114: single mode input waveguide
121,122 : 광분리 다중모드 도파로 141,142 : 광결합 다중모드 도파로121,122: optical separation multimode waveguide 141,142: optical coupling multimode waveguide
151,152,153,154 : 단일모드 출력 도파로151,152,153,154: single mode output waveguide
160 : X형 단일모드 도파로 161,162,163,164 : 팔(Arm)160: X-type single mode waveguide 161,162,163,164: Arm
170 : 광도파로 200 : 실리콘 기판170: optical waveguide 200: silicon substrate
210 : 하부 클래드층 220 : 상부 클래드층210: lower clad layer 220: upper clad layer
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
도 2는 본 발명에 따른 다중모드간섭을 이용한 도파로형 전광 논리 소자에 적용되는 광도파로의 구성도로써, 상호 각각 이격된 제 1 내지 4 단일모드 입력 도파로(111,112,113,114)와; 상기 제 1과 2 단일모드 입력 도파로(111,112)에 일측이 연결되는 제 1 광 분리 다중모드 도파로(121)와; 상기 제 3과 4 단일모드 입력 도파로(113,114)에 일측이 연결되는 제 2 광 분리 다중모드 도파로(122)와; 상기 제 1과 2 광 분리 다중모드 도파로(121,122) 타측의 일부에 각각 연결되는 제 1과 2 단일모드 도파로(131,132)와; 상기 제 1과 2 단일모드 도파로(131,132) 타측의 다른 일부에 제 1과 2 팔(Arm)(161,162)이 각각 분리되어 연결되며, 제 3과 4 팔(163,164)을 갖는 X형 단일모드 도파로(160)와; 상기 X형 단일모드 도파로(160)의 제 3 팔(163)과 상기 제 1 단일모드 도파로(131)가 일측에 연결되는 제 1 광 결합 다중모드 도파로(141)와; 상기 X형 단일모드 도파로(160)의 제 4 팔(164)과 상기 제 2 단일모드 도파로(132)가 일측에 연결되는 제 2 광 결합 다중모드 도파로(142)와; 상기 제 1과 2 광 결합 다중모드 도파로(141,142)의 타측에 순차적으로 2개씩 분리되어 연결된 제 1 내지 4 단일모드 출력 도파로(151,152,153,154)로 구성된다.2 is a configuration diagram of an optical waveguide applied to a waveguide type all-optical logic device using multi-mode interference according to the present invention, and includes first to fourth single mode input waveguides 111, 112, 113, and 114 spaced apart from each other; A first optical separation multimode waveguide (121) having one side connected to the first and second single mode input waveguides (111, 112); A second optical separation multimode waveguide 122 having one side connected to the third and fourth single mode input waveguides 113 and 114; First and second single mode waveguides (131, 132) connected to portions of the first and second optical separation multimode waveguides (121, 122), respectively; The first and second arm (161, 162) is separated and connected to the other part of the other side of the first and second single mode waveguides (131, 132), respectively, and the X-type single mode waveguide having the third and fourth arms (163, 164) 160); A first optically coupled multimode waveguide (141) having a third arm (163) of the X-type single mode waveguide (160) and the first single mode waveguide (131) connected to one side; A second optical coupling multimode waveguide 142 having a fourth arm 164 of the X-type single mode waveguide 160 and the second single mode waveguide 132 connected to one side thereof; The first and second single-mode output waveguides 151, 152, 153 and 154 are sequentially separated and connected to each other on the other side of the first and second optically coupled multimode waveguides 141 and 142.
이렇게 구성된 본 발명의 전광 논리 소자는 제 1과 2 단일모드 도파로(111,112)와 제 3과 4 단일모드 도파로(113,114)로 입사되는 광은 제 1과 2 광분리 다중모드 도파로(121,122)에서 각각 특정한 위상차를 갖으며 각각 분리된다.In the all-optical logic device of the present invention configured as described above, light incident to the first and second single mode waveguides 111 and 112 and the third and fourth single mode waveguides 113 and 114 are respectively specified in the first and second optical separation multimode waveguides 121 and 122, respectively. They have a phase difference and are separated from each other.
그리고, 상기 제 1과 2 광분리 다중모드 도파로(121,122)에서 분리된 광은 각각 제 1과 2 단일모드 도파로(131,132)를 통하여 제 1과 2 광결합 다중모드 도파로(141,142)로 입사되고, 상기 제 1 광분리 다중모드 도파로(121)에서 분리된 다른 광은 X형 단일모드 도파로(160)의 제 1과 4 팔(161,164)을 통하여 제 2 광결합 다중모드 도파로(142)로 입사되고, 상기 제 2 광분리 다중모드 도파로(122)에서 분리된 다른 광은 X형 단일모드 도파로(160)의 제 2와 3 팔(162,163)을 통하여 제 1 광결합 다중모드 도파로(142)로 입사된다.The light separated by the first and second optical separation multimode waveguides 121 and 122 is incident to the first and second optical coupling multimode waveguides 141 and 142 through the first and second single mode waveguides 131 and 132, respectively. The other light separated from the first optical separation multimode waveguide 121 is incident to the second optical coupling multimode waveguide 142 through the first and fourth arms 161 and 164 of the X-type single mode waveguide 160. The other light separated from the second optical separation multimode waveguide 122 is incident to the first optical coupling multimode waveguide 142 through the second and third arms 162 and 163 of the X-type single mode waveguide 160.
상기 제 1과 2 광분리 다중모드 도파로(121,122)에서 분리되어 제 1과 2 광결합 다중모드 도파로(141,142)로 전파된 광들은 서로의 상대 위상차에 의해 간섭현상을 일으켜, 제 1 내지 4 단일모드 출력 도파로(151,152,153,154)에서 출력된다.The lights separated from the first and second optical separation multimode waveguides 121 and 122 and propagated to the first and second optical coupling multimode waveguides 141 and 142 cause interference by the relative phase difference of each other. Output waveguides 151, 152, 153, and 154 are output.
이 때, 제 1 내지 4 단일모드 출력 도파로(151,152,153,154)에서 출력되는 광은 제 1 내지 4 단일모드 입력 도파로(111,112,113,114)로 입사된 광의 조합에 따라, 논리 조합을 갖는다.In this case, the light output from the first to fourth single mode output waveguides 151, 152, 153, and 154 has a logical combination according to the combination of the light incident on the first to fourth single mode input waveguides 111, 112, 113, and 114.
도 3은 본 발명에 따른 전광논리소자의 측면도로써, 실리콘 기판(200)과; 상기 실리콘 기판(200)의 상부에 형성된 하부클래드층(210)과; 상기 하부클래드층(210)의 상부에 형성된 상부클래드층(220)과; 상기 하부클래드층(210)과 인접되어 상기 상부클래드층(220) 내부에 형성된 광도파로(170)로 구성된다.3 is a side view of an all-optical logic device according to the present invention, including a silicon substrate 200; A lower clad layer 210 formed on the silicon substrate 200; An upper cladding layer 220 formed on the lower cladding layer 210; Adjacent to the lower cladding layer 210 is composed of an optical waveguide 170 formed in the upper cladding layer 220.
상기 광도파로(170)는 전술된 도 2와 같이, 두 쌍의 단일모드 입력 도파로에 각각 연결된 광분리 다중모드 도파로와; 상기 광분리 다중모드 도파로에 단일모드 입력 도파로에 의해서 연결되고, 두 쌍의 단일모드 출력 도파로에 연결된 광결합 다중모드 도파로 구성된다.The optical waveguide 170 includes an optical separation multimode waveguide connected to two pairs of single mode input waveguides, as shown in FIG. The optical separation multimode waveguide is connected by a single mode input waveguide and consists of an optical coupling multimode waveguide connected to two pairs of single mode output waveguides.
여기서, 광도파로 물질은 Ⅲ-Ⅴ족 반도체, 실리카(Silica), 폴리머(Polymer)와 LiNbO3중 선택된 어느 하나의 물질로 형성할 수 있다.Here, the optical waveguide material may be formed of any one material selected from group III-V semiconductors, silica, polymers, and LiNbO 3 .
도 4a와 4b는 본 발명에 따른 전광논리소자를 시뮬레이션한 제 1 결과도로써, 이 시뮬레이션은 Optiwave社의 BPM-CAD(광소자 시뮬레이션용 프로그램의 일종)를 이용하였다.4A and 4B are first results of simulation of the all-optical logic device according to the present invention, and this simulation used BPM-CAD (a kind of optical device simulation program) of Optiwave.
16개의 입력값에 대하여 임의로 3개의 결과를 추출하여 도 4a와 4b, 도 5a와 5b, 도 6a와 6b에 도시하였고, 전체적으로 입력에 따른 출력 논리 조합표는 도 7에 도시한다.Three results of 16 input values are arbitrarily extracted and shown in FIGS. 4A and 4B, 5A and 5B, and 6A and 6B, and the output logic combination table according to the input is shown in FIG.
도 2를 참조하여, 제 1 내지 4 단일모드 입력 도파로(111,112,113,114)를 지칭하는 ABCD에 '1000'의 데이터를 입력시키면(도 4a), 제 1 내지 4 단일모드 출력 도파로(151,152,153,154)를 지칭하는 EFGH에서는 도 4b에 도시된바와 같이, 전기장이 형성된다.Referring to FIG. 2, when data of '1000' is input to ABCD, which refers to the first to fourth single mode input waveguides 111, 112, 113, and 114 (FIG. 4A), EFGH refers to the first to fourth single mode output waveguides 151, 152, 153, and 154. In FIG. 4B, an electric field is formed.
EF에서는 전기장이 0.4이상의 피크(Peak)값이 형성되므로, '11'의 논리값이 구현되고, GH에서는 전기장이 0.4이하의 피크값이므로 '00'의 논리값이 구현된다.In EF, since a peak value of 0.4 or more is formed in the electric field, a logic value of '11' is implemented, and in GH, a logic value of '00' is implemented in the GH, since the electric field is a peak value of 0.4 or less.
그러므로, 본 발명의 전광논리소자의 입력단에 '1000'의 데이터를 입력하면, '1100'의 논리값을 얻을 수 있다.Therefore, when '1000' data is input to the input terminal of the all-optical logic device of the present invention, a logic value of '1100' can be obtained.
도 5a와 5b는 본 발명에 따른 전광논리소자를 시뮬레이션한 제 2 결과도로써, 여기서는 ABCD에 '1110'의 데이터를 입력시키면(도 5a), 도 5b에 도시된바와 같이, E와 G에서는 전기장이 0.4이상의 피크(Peak)값이 형성되므로, '11'의 논리값이 구현되고, F와 H에서는 전기장이 0.4 이하의 피크값이므로 '00'의 논리값이 구현된다.5A and 5B are second results of the simulation of the all-optical logic device according to the present invention. In this case, when data of '1110' is input to ABCD (FIG. 5A), as shown in FIG. Since a peak value of 0.4 or more is formed, a logic value of '11' is realized, and a logic value of '00' is realized in F and H because the electric field is a peak value of 0.4 or less.
그러므로, 본 발명의 전광논리소자의 입력단에 '1110'의 데이터를 입력하면, '1010'의 논리값을 얻을 수 있다.Therefore, when data of '1110' is input to the input terminal of the all-optical logic device of the present invention, a logic value of '1010' can be obtained.
도 6a와 6b는 본 발명에 따른 전광논리소자를 시뮬레이션한 제 3 결과도로써, ABCD에 '0001'의 데이터를 입력시키면(도 6a), 도 6b와 같이, G와 H에서는 전기장이 0.4이상의 피크(Peak)값이 출력되고, E와 F에서는 전기장이 0.4 이하의 피크값이 출력된다.6A and 6B are third results of simulation of the all-optical logic device according to the present invention. When data of '0001' is input to ABCD (FIG. 6A), as shown in FIG. (Peak) value is output, and the peak value of 0.4 or less of electric field is output in E and F.
따라서, 입력단에 '0001'의 데이터를 입력하면, '0011'의 논리값을 얻을 수있다.Therefore, when the data of '0001' is input to the input terminal, a logical value of '0011' can be obtained.
도 7은 본 발명에 따른 전광논리소자를 시뮬레이션한 결과에 의하여 입력에 따른 출력 논리 조합표로써, 전술된 Optiwave社의 BPM CAD를 이용하여 'ABCD' 입력단의 입력신호에 대하여 'EFGH'출력단의 출력신호는 도 7과 같이 논리조합된다.7 is an output logic combination table according to the input according to the simulation result of the all-optical logic device according to the present invention. The output of the 'EFGH' output stage for the input signal of the 'ABCD' input stage using BPM CAD of Optiwave Co., Ltd. described above. The signals are logically combined as shown in FIG.
여기서, OR게이트와 XOR게이트는 도 7을 참조하여 하기의 표 1에 의해 구현된다. 즉, ABCD에 인가된 (0000),(1000),(0100),(1100)의 입력신호에 대하여 E에서는 (0111)을 얻을 수 있으므로, OR게이트가 구현되고, F에서는 (0110)을 얻을 수 있어, XOR게이트가 구현된다.Here, the OR gate and the XOR gate are implemented by Table 1 below with reference to FIG. 7. That is, since (0111) can be obtained at E with respect to the input signals of (0000), (1000), (0100), and (1100) applied to ABCD, the OR gate is implemented, and (0110) can be obtained at F. The XOR gate is implemented.
또한, AND게이트는 하기의 표 2에서 구현된다.In addition, the AND gate is implemented in Table 2 below.
ABCD에 인가된 (0010),(1010),(0110),(1110)의 입력신호에 대하여 E에서는 (0001)을 얻을 수 있으므로, AND게이트가 구현된다.An E gate is implemented since (0001) can be obtained at E with respect to the input signals of (0010), (1010), (0110), and (1110) applied to ABCD.
더불어, NOR게이트는 하기의 표 3에서 구현된다.In addition, the NOR gate is implemented in Table 3 below.
ABCD에 인가된 (0001),(1001),(0101),(1101)의 입력신호에 대하여 G에서는(1000)을 얻을 수 있으므로, NOR게이트가 구현된다.Since G can obtain 1000 for the input signals (0001), (1001), (0101), and (1101) applied to ABCD, a NOR gate is implemented.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 도파로형 다중모드 간섭을 이용하여 소자를 형성함으로써, 방향성 결합기(Directional Coupler)나 Y-분기로 형성된 소자에 비해 광손실을 저하시킬 수 있고, 제조가 용이하여 대량생산을 할 수 있는 효과가 있다.As described in detail above, the present invention forms a device using a waveguide-type multimode interference, thereby reducing optical loss as compared to a device formed by a directional coupler or a Y-branch, and is easy to manufacture, resulting in large quantities. It is effective to produce.
더불어, 전기신호를 사용하지 않고 광으로만 논리 소자의 특성을 조절할 수 있으므로, 전기를 광으로 변환시키는 부수적인 공정이 필요하지 않아, 동작속도가 빠르고, 안정된 성능을 구현할 수 있는 효과가 있다.In addition, since the characteristics of the logic element can be adjusted only with light without using an electric signal, an additional process for converting electricity into light is not required, and thus, an operation speed is high and stable performance can be realized.
본 발명은 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.Although the invention has been described in detail only with respect to specific examples, it will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations are possible within the spirit of the invention, and such modifications and variations belong to the appended claims.
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