KR100627871B1 - 고속 순광학적 논리곱 구현 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 다수의 준안정 상태들과 기저 상태를 가지는 박테리아로돕신재질의 박막을 구비한 순광학 소자를 이용하여 논리곱을 구현하는 방법은, 상기 순광학 소자에 소정 파장의 펌핑광 펄스를 입사시킴에 따라서 상기 박테리아로돕신을 K 상태로 여기시키는 과정과; 상기 K 상태의 박테리아로돕신이 가지는 흡수 파장 대역의 신호광을 상기 순광학 소자에 입사시키는 과정과; 상기 박테리아로돕신의 여기 및 기저 상태 복귀에 따른 투과도 변화를 이용하여 상기 순광학 소자가 상기 신호광을 '1'의 논리값에 해당하는 세기로 투과시키는 과정을 포함한다.

순광학, 논리곱, 박테리아로돕신

Description

고속 순광학적 논리곱 구현 방법{IMPLEMENTATION METHOD OF FAST ALL-OPTICAL AND LOGIC GATE}

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고속 순광학적 논리곱을 구현하기위한 장치를 개략적으로 나타내는 도면,

도 2는 박테리아로돕신의 광순환 과정을 설명하기 위한 도면,

도 3은 전자적인 논리곱 소자를 나타내는 도면,

도 4는 펌핑광 입사에 따른 박테리아로돕신층의 투과도 변화량을 나타내는 도면,

도 5는 도 1에 도시된 장치의 논리곱 구현 과정을 설명하기 위하여 해당 구성 요소들의 출력 파형들을 개략적으로 나타낸 도면,

도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고속 순광학적 논리곱 구현 방법을 나타내는 흐름도.

본 발명은 순광학 소자에 관한 것으로서, 특히 상기 순광학 소자를 이용한 논리곱 구현 방법에 관한 것이다.

순광학적 스위치(switch)와 논리 소자(logic gate)는 초고속 네트웍과 컴퓨터를 위한 차세대의 기술로 부각되고 있다. 현재 사용되고 있는 전자적인 스위칭, 라우팅(routing), 신호 처리들은 대용량 고속화에 그 한계를 나타내고 있다. 미래에 요구되는 초고속 광 네트웍의 계획은 광학 스위치와 광 변조 장치가 필요하다는 것을 지적하고 있다. 최근에 전자나 광전자적으로 가능한 것 이상으로 미래에 요구되는 terabits/sec에 접근할 수 있는 고속 연산과 신호 처리가 가능한 스위칭에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 속도를 위해 엄청난 잠재적 유용성을 가진 순광학적 스위치와 변조기는 광섬유, 채널, 그리고 도파관에 의해 구현된다. 최근에, 광학적 장치에 사용하기 위해 다양한 광학적 성질을 가지고 있는 새로운 광학 물질을 발견하는데 많은 관심이 집중되고 있다. 이러한 광학 장치는 광신호 송수신, 광학 컴퓨터, 그리고 광신호 처리와 같은 상업적 응용을 위해 매우 중요하다.

상술한 바와 같이, 종래의 전자적으로 논리합, 논리곱과 같은 논리 연산을 구현하는 방법은 대용량 고속화에 그 한계를 나타내고 있으나, 이를 순광학적으로 구현하는 방법은 아직까지 뚜렷하게 제시되고 있지 않다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점들을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 순광학적으로 고속의 논리곱을 구현할 수 있는 방법을 제공함에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 다수의 준안정 상태들과 기 저 상태를 가지는 박테리아로돕신 재질의 박막을 구비한 순광학 소자를 이용하여 논리곱을 구현하는 방법은,

상기 순광학 소자에 소정 파장의 펌핑광 펄스를 입사시킴에 따라서 상기 박테리아로돕신을 K 상태로 여기시키는 과정과;

상기 K 상태의 박테리아로돕신이 가지는 흡수 파장 대역의 신호광을 상기 순광학 소자에 입사시키는 과정과;

상기 박테리아로돕신의 여기 및 기저 상태 복귀에 따른 투과도 변화를 이용하여 상기 순광학 소자가 상기 신호광을 '1'의 논리값에 해당하는 세기로 투과시키는 과정을 포함한다.

이하에서는 첨부도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능, 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고속 순광학적 논리곱을 구현하기위한 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 1에는 헬륨-네온 연속 파형레이저(He-Ne CW laser, 110)와, Nd:YAG 펄스 레이저(pulse laser, 120)와, 순광학소자(130)와, 협대역 필터(210)와, 제1 및 제2 광검출부(140 및 150)와, 제1 내지 제3 반사경(180, 190 및 200)과, 제1 및 제2 빔 스플리터(beam splitter, 160 및 170)와, 제어부(220)가 도시되어 있다.

상기 순광학 소자(130)는 유리 기판과 같은 투명 기판(132)과, 상기 투명 기 판(132) 상에 적층된 박테리아로돕신층(bacteriorhodopsin layer, 134)으로 구성된다. 박테리아로돕신은 호염성(好鹽性) 미생물의 자막(紫隆, purple membrane)에 존재하는 색소 또는 광변환 단백질이며, 광호변성 망막(photochromic retinal) 단백질을 포함하고 있는 박테리아로돕신은 할로박테리엄 샐러너리언(Halobacterium Salinarian)의 세포막에서 발견된다. 박테리아로돕신은 가시광 스펙트럼의 넓은 영역에서 강한 흡수를 나타내며, 자막 내부에 고정되어 있는 망막 크로모포어(retinal chromophore)에 의해 광 에너지가 흡수되면 분광학적으로 구분되는 몇 가지의 중간 단계들로 구성된 복잡한 광순환 과정을 수반하게 된다.

도 2는 박테리아로돕신의 광순환과정을 설명하기 위한 도면이다. 도시된 바와같이, K(320), L, M(330), N, O, P 및 Q는 박테리아로돕신의 순환적 여기상태들을 나타내는데, 각 단계의 여기상태의 수명은 μsec로부터 msec정도 까지 매우 길어 원자적 수준의 여기상태 수명에 비해 준안정상태라고 할 수 있으나, 그 중에서 M상태가 가장 긴 수명을 가지므로 여기서는 M상태를 준안정적 여기상태로 고려하며, bR은 박테리아로돕신의 기저상태(310)를 나타낸다. 여기서, 413nm의 파장에서 흡수가 최대가 되며, K상태(320)에서는 picosecond 정도의 짧은 수명을 가지며, 최대 흡수파장은 600nm가 된다.

다시 도 1을 참조하면, 상기 헬륨-네온 연속 파형 레이저(110)에서 출사된 6328 Å의 파장을 가지는 신호광(112)은 상기 제1 반사경(180)으로 입사되며, 상기 제1 반사경(180)은 상기 신호광(112)을 반사하여 상기 제1 빔 스플리터(160) 쪽으로 편향시킨다. 상기 제1 빔 스플리터(160)는 입사된 상기 신호광(112)을 반사하여 상기 순광학 소자(130)로 편향시킨다.

상기 Nd:YAG 펄스 레이저(120)는 입력된 트리거 신호(trigger signal, 222) 에 따라 4 ns의 지속시간과 532 nm의 파장을 가지는 펌핑광(122)을 출사한다. 상기 펌핑광(122)은 상기 제2 및 제3 반사경(190 및 200)에 의해 차례로 반사되며, 상기 제3 반사경(200)에 의해 편향된 상기 펌핑광(122)은 상기 제2 빔 스플리터(170)로 입사된다. 상기 제2 빔 스플리터(170)는 상기 펌핑광(122)의 일부를 반사하여 상기 제2 광검출부(150) 쪽으로 편향시키며, 상기 펌핑광(122)의 나머지는 그대로 투과시킨다. 상기 투과된 펌핑광(122)은 상기 제1 빔 스플리터(160)로 입사되며, 상기 제1 빔스플리터(160)는 상기 펌핑광(122)을 그대로 투과시키며, 상기 제1 빔 스플리터(160)를 투과한 펌핑광(122)은 상기 순광학 소자(130)로 입사된다.

상기 순광학 소자(130)는 논리곱을 수행하는 소자이며, 상기 펌핑광(122)과 신호광(112)이 동시에 입사된 경우에만 '1'의 논리값에 해당하는 세기의 신호광(112)을 투과시키며, 이외의 경우에는 '0'의 논리값에 해당하는 세기의 신호광(112)을 투과시키거나 신호광(112)을 투과시키지 않는다.

도 3은 전자적인 논리곱 소자를 나타내는 도면이다. 도시된 바와 같이, 상기 논리곱 소자(410)는 제1 및 제2 입력단(412 및 414)과 출력단(416)을 가지며, 상기 논리곱 소자(410)의 논리곱 수행 과정은 하기 ＜표 1＞에 정리되어 있다.

상기 ＜표 1＞에 나타낸 바와 같이, 제1 및 제2 입력단으로 동시에 '1'의 논 리 값에 해당하는 세기의 전기 신호(A 및 B)가 입력된 경우에만 상기 논리곱 소자는 출력단을 통하여 '1'의 논리값에 해당하는 전기 신호(C)를 출력함을 알 수 있다.

다시 도 1을 참조하면, 상기 순광학 소자(130)는 상술한 전자적인 논리곱 소자(410)의 경우와 유사하게 논리곱을 수행하며, 상기 순광학 소자(130)의 논리곱 수행 과정은 하기 ＜표 2＞에 정리되어 있다.

상기 ＜표 2＞에 나타낸 바와 같이, 상기 순광학 소자(130)로 '1'의 논리값에 해당하는 세기의 펌핑광(122) 및 신호광(112)이 동시에 입사된 경우에만 상기 순광학 소자(130)가 '1'의 논리값에 해당하는 세기의 신호광(112)을 투과시킴을 알 수 있다. 상기 ＜표 2＞에 표시된 논리값들 중 입사된 신호광(112)에 관련된 논리값들은 상기 헬륨-네온 연속 파형 레이저(110)를 작동시킨 경우에 '1'의 값을 나타내며, 상기 헬륨-네온 연속 파형 레이저(110)를 작동시키지 않은 경우에 '0'의 값을 나타낸다.

상기 ＜표 2＞에 표시된 논리값들 중 입사된 펌핑광(122)에 관련된 논리값들은 상기 제2 광검출부(150)가 소정 레벨 이상의 전압값을 갖는 제2 감지 신호(152)를 출력한 경우, 즉 상기 제2 빔 스플리터(170)에서 반사되어 상기 제2 광검출부(150)로 입사되는 펌핑광(122)이 존재하는 경우에 '1'의 값을 나타내며, 상기 제2 빔 스플리터(170)에서 반사되어 상기 제2 광검출부(150)로 입사되는 펌핑광(122)이 존재하지 않는 경우에 '0'의 값을 나타낸다.

상기 ＜표 2＞에 표시된 논리값들 중 투과된 신호광에 관련된 논리값들은 상기 제1 광검출부(140)가 소정 레벨 이상의 전압값을 갖는 제1 감지 신호(142)를 출력한 경우, 즉 상기 순광학 소자(130) 및 협대역 필터(210)를 통과하여 상기 제1 광검출부(140)로 입사되는 신호광(112)이 존재하는 경우에 '1'의 값을 나타내며, 상기 순광학 소자(130) 및 협대역 필터(210)를 통과하여 상기 제1 광검출부(140)로 입사되는 신호광(112)이 존재하지 않는 경우에 '0'의 값을 나타낸다. 이 때, 상기 협대역 필터(210)는 그 투과 파장 대역이 상기 신호광(112)의 파장, 즉 6328 nm을 중심으로 한 좁은 파장 대역으로 한정되므로, 상기 신호광(112) 이외의 노이즈(noise)를 제거하는 기능을 수행한다.

상기 제어부(220)는 상기 Nd:YAG 펄스 레이저(120)로 트리거 신호(222)를 출력하며, 상기 제1 및 제2 광검출부(140 및 150)로부터 제1 및 제2 감지 신호(142및 152)를 입력받으며, 상기 제1 및 제2 감지 신호(142 및 152)의 전압 레벨들을 기설정된 전압 레벨과 비교하여 펌핑광(122) 및 출사된 신호광(112)의 유무를 각각 판별한다.

상기 순광학 소자(130)의 논리곱 수행 기능은 상기 순광학 소자(130)를 구성하는 박테리아로돕신층(134)의 투과도 특성에 기반하며, 상기 박테리아로돕신층(134)은 상기 펌핑광(122)이 입사되자마자 상기 신호광(112)에 대 한 급격한 투과도 변화를 나타낸다. 이는, 도 2에 나타낸 바와 같이 기저상태(310)와 K 상태(320) 간의 가역적 순환 과정이 picosecond 차수로 발생하기 때문이며, 이러한 가역적 순환 과정에 수반하여 상기한 바와 같은 박테리오돕신층(134)의 급격한 투과도 변화가 발생한다.

도 4는 펌핑광 입사에 따른 박테리아로돕신층(134)의 투과도 변화량을 나타내는 도면이다. 도시된 그래프의 시간측에서 0 ㎛은 상기 펌핑광(122)이 상기 박테리아로돕신층(134)에 입사되는 시점을 나타내며, 투과도 변화량은 상기 신호광(112)에 대한 투과도 변화량을 나타낸다. 즉, 상기 펌핑광(122)이 상기 박테리아로돕신층(134)에 입사되자마자 상기 신호광(112)에 대한 투과도는 급격히 상승하며, 또한 수 ㎛의 시간에 걸쳐서 급격히 감쇠한다.

도 5는 도 1에 도시된 장치의 논리곱 구현 과정을 설명하기 위하여 해당 구성 요소들의 출력 파형들을 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 5의 (a)는 상기 헬륨-네온 연속 파형 레이저(110)에서 출사되는 신호광(112)의 출력을 시간축에 대하여 나타내고 있다.

도 5의 (b)는 상기 Nd:YAG 펄스 레이저(120)가 상기 제어부(220)로부터의 트리거 신호(222) 입력에 따라서 4 ns의 지속 시간동안 출사되는 펌핑광(122)의 출력을 시간축에 대하여 나타내고 있다.

도 5의 (c)는 상기 순광학 소자(130)에 상기 펌핑광(122)이 입력됨에 따라 변화되는 상기 순광학 소자(130)의 투과도 변화량을 시간축에 대하여 나타내고 있다. 이 때, 상기 투과도 변화량은 상기 신호광(112)의 파장에 대하여 나타낸 것이 다.

도 5의 (d)는 상기 제1 광검출부(140)로부터 출력되는 제1 감지신호(142)의 파워를 시간축에 대하여 나타내고 있다.

도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고속 순광학적 논리곱 구현 방법을 나타내는 흐름도이다. 상기 고속 순광학적 논리곱 구현 방법은 펌핑광 입사 과정(510)과, 신호광 입사 과정(520)과, 신호광 투과 과정(530)과, 필터링 과정(540)으로 구성된다. 이하, 도 1 및 도 6을 참조하여 설명하기로 한다.

상기 펌핑광 입사 과정(510)은 도 1에 도시된 바와 같이 박테리아로돕신층(134)을 구비한 순광학 소자(130)에 소정 파장의 펌핑광(122)을 입사시킴에 따라서 상기 박테리아로돕신을 K 상태로 여기시키는 과정이다. 도 1에서는 4 ns의 지속시간과 532 nm의 파장을 갖는 펌핑광(122)을 출사하는 Nd:YAG 펄스 레이저(120)를 이용한다.

상기 신호광 입사 과정(520)은 도 1에 도시된 바와 같이 상기 K 상태의 박테리아로돕신이 가지는 흡수 파장 대역의 신호광(112)을 상기 순광학 소자(130)에 입사시키는 과정이다. 도 1에서는 6328 Å의 파장을 갖는 신호광(112)을 출사하는 헬륨-네온 연속 파형 레이저(110)를 이용한다.

상기 신호광 투과 과정(530)은 도 1에 도시된 바와 같이 상기 박테리아로돕신의 K 상태(320)로의 여기 및 기저 상태(310)로의 복귀에 따른 투과도 변화를 이용하여 상기 순광학 소자(130)가 상기 신호광(112)을 '1'의 논리값에 해당하는 세기로 투과시키는 과정이다. 도 4에는 상기 순광학 소자(130)에 펌핑광(122)을 입사 하는 것에 따른 박테리아로돕신층(134)의 투과도 변화량이 도시되어 있다.

상기 필터링 과정(540)은 도 1에 도시된 바와 같이 상기 순광학 소자(130)를 투과한 신호광(112)에서 노이즈를 필터링하는 과정이다. 이러한 필터링을 위하여 도 1에서는 6328 Å의 파장에서 최대 투과도를 나타내는 협대역 필터(210)를 이용한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 고속 순광학적 논리곱 구현 방법은 박테리아로돕신의 광순환 과정 중에서 기저 상태와 K 상태의 가역적 순환 과정을 이용함으로써 순광학적으로 고속의 논리곱을 구현할 수 있다는 이점이 있다.

Claims (2)

1. 다수의 준안정 상태들과 기저 상태를 가지는 박테리아로돕신 재질의 박막을 구비한 순광학 소자를 이용하여 논리곱을 구현하는 방법에 있어서,

   상기 순광학 소자에 소정 파장의 펌핑광 펄스를 입사시킴에 따라서 상기 박테리아로돕신을 K 상태로 여기시키는 과정과;

   상기 K 상태의 박테리아로돕신이 가지는 흡수 파장 대역의 신호광을 상기 순광학 소자에 입사시키는 과정과;

   상기 박테리아로돕신의 여기 및 기저 상태 복귀에 따른 투과도 변화를 이용하여 상기 순광학 소자가 상기 신호광을 '1'의 논리값에 해당하는 세기로 투과시키는 과정을 포함함을 특징으로 하는 고속 순광학적 논리곱 구현 방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 순광학 소자를 투과한 신호광에서 노이즈를 필터링하는 과정을 더 포함함을 특징으로 하는 고속 순광학적 논리곱 구현 방법.

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