KR100699870B1 - 광논리소자 - Google Patents

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김주엽
한상국
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삼성전자주식회사
연세대학교 산학협력단
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Abstract

광논리소자가 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 광논리소자는, 역방향-전파(counter-propagation) 방식의 간섭계를 이용하여 광신호들 간의 논리 연산을 수행하며, 제 1 간섭계 및 제 2 간섭계를 구비한다. 제 1 간섭계는 제 1 광신호 및 제 2 광신호에 응답하여 연속광신호를 변조하여 제 1 변조신호를 출력한다. 제 2 간섭계는 상기 제 1 및 제 2 광신호의 합신호에 응답하여 상기 연속광신호를 변조하여 제 2 변조신호를 출력한다. 상기 제 1 변조신호, 제 2 변조신호, 및 상기 제 1 변조신호와 상기 제 2 변조신호의 합신호 각각은 상기 제 1 광신호와 상기 제 2 광신호에 대한 소정의 논리 연산 결과이다. 본 발명의 실시예에 따른 광논리소자는 전광 반전 논리합 회로 또는 전광 반전 논리곱 회로를 구현함으로써 광논리 회로를 용이하게 구현할 수 있으며, 광논리소자 내에서의 최적의 동작조건을 유도함으로써 소광비를 최대로 하고, 비트 에러율을 최소화할 수 있는 장점이 있다.
광논리소자, 마흐-젠더 간섭계, 배타적 논리합

Description

광논리소자{Optical logic element}
본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.
도 1은 반도체 광증폭기-마흐-젠더 간섭계를 이용하여 구현된 배타적 논리합 회로를 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1의 반도체 광증폭기의 특성을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 광논리소자를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광논리소자를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광논리소자를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광논리소자를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 광논리소자의 성능을 실험한 결과를 나타내는 그래프이다.
본 발명은 광논리소자에 관한 것으로, 간섭계, 특히 반도체 광증폭기(Semiconductor Optical Amplifier: SOA)를 이용하여 구현되는 마흐-젠더 간섭계 (Mach-Zehnder Interferometer: MZI)를 이용한 광논리소자에 관한 것이다.
초고속 광통신 네트워크를 구성하는 경우, 스위칭, 신호 재발생, 어드레싱, 헤더 인식, 데이터 인코딩 및 암호화, 그리고 패턴 매칭 등의 네트워킹 기능들을 구현하는 것이 중요하다. 그리고, 광통신 네트워킹 기능들을 구현하기 위해서는 광논리소자, 즉 전광논리게이트가 필수적으로 요구된다.
광통신에서 사용되는 전광논리게이트들을 구현하는 방법으로는 SOA를 이용하는 방법이 널리 사용되고 있다. SOA 내에서는 상호이득변조(Cross Gain Modulation: XGM), 상호위상변조(Cross Phase Modulation: XPM), 상호편광변조(Cross Polarization Modulation: XPolM), 4방향 믹싱(Four Wave Mixing: FWM) 등의 비선형 광학현상이 일어나며, 전광논리게이트들은 SOA 내에서 일어나는 비선형 광학현상을 이용하여 구현된다.
SOA-MZI 구조는 비선형 광학현상 중에서 특히 상호위상변조를 이용한다. 또한, SOA-MZI 구조는 전력소모가 적고, 구조가 간단하고, 집적이 용이하고, 안정하며, 소광비가 낮고, 고속으로 신호재생을 할 수 있기 때문에 전광논리게이트를 구현하는데 있어서 매우 유용하다. 그러나, SOA-MZI 구조만을 이용하는 경우 배타적 논리합(exclusive or: XOR) 회로만 구현되는 단점이 있다.
한편, SOA의 상호이득변조를 이용하여 배타적 논리합 회로를 구현하는 방법이 제안되어 있으나, 이러한 방법은 상호이득변조의 특성에 의해 소광비가 낮아지고 신호품질이 저하되어 고속동작에 적절하지 못한 단점이 있다.
또한, 일반적으로 모든 논리회로는 반전 논리합 회로(NOR 회로) 또는 반전 논리곱 회로(NAND 회로)를 이용하여 구현될 수 있다. 따라서, 효율적인 광통신 네트워킹을 구현하기 위해서 전광 반전 논리합 회로 또는 반전 논리곱 회로를 구현할 필요가 있다.
본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는 반도체 광증폭기(Semiconductor Optical Amplifier: SOA)를 이용하여 구현되는 마흐-젠더 간섭계(Mach-Zehnder Interferometer: MZI)를 이용한 광논리소자를 제공하는데 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 광논리소자는, 역방향-전파(counter-propagation) 방식의 간섭계를 이용하여 광신호들 간의 논리 연산을 수행하며, 제 1 간섭계 및 제 2 간섭계를 구비한다. 제 1 간섭계는 제 1 광신호 및 제 2 광신호에 응답하여 연속광신호를 변조하여 제 1 변조신호를 출력한다. 제 2 간섭계는 상기 제 1 및 제 2 광신호의 합신호에 응답하여 상기 연속광신호를 변조하여 제 2 변조신호를 출력한다. 상기 제 1 변조신호, 제 2 변조신호, 및 상기 제 1 변조신호와 상기 제 2 변조신호의 합신호 각각은 상기 제 1 광신호와 상기 제 2 광신호에 대한 소정의 논리 연산 결과이다.
상기 제 1 간섭계는 제 1 변조부 및 제 2 변조부를 구비한다. 제 1 변조부는 상기 제 1 광신호에 응답하여 상기 연속광신호를 위상변조하여 출력한다. 제 2 변조부는 상기 제 2 광신호에 응답하여 상기 연속광신호를 위상변조하여 출력한다. 상기 제 1 변조신호는 상기 제 1 변조부의 출력과 상기 제 2 변조부의 출력이 서로 합해지고 간섭된 신호이다.
상기 제 1 변조부는 상기 제 1 광신호에 응답하여 상기 연속광신호를 상호위상변조하는 제 1 광증폭부와 상기 제 1 광증폭부의 출력의 위상을 소정의 값 만큼 천이시키는 제 1 위상천이부를 구비하며, 상기 제 2 변조부는 상기 제 2 광신호에 응답하여 상기 연속광신호를 상호위상변조하는 제 2 광증폭부를 구비한다.
상기 제 1 및 제 2 광증폭부는 입력되는 신호의 파워가 소정의 레벨보다 작으면 상기 입력되는 신호의 위상을 지연시키지 않고 출력하고, 입력되는 신호의 파워가 상기 소정의 레벨보다 크면 상기 입력되는 신호의 위상을 소정의 값 만큼 지연시켜 출력한다.
상기 제 1 광증폭부는 상기 제 1 광신호의 파워가 하이레벨이면 상기 연속광신호의 위상을 π 만큼 지연시키고, 상기 제 1 광신호의 파워가 로우레벨이면 상기 연속광신호의 위상을 지연시키지 않고, 상기 제 2 광증폭부는 상기 제 2 광신호의 파워가 하이레벨이면 상기 연속광신호의 위상을 π 만큼 지연시키고, 상기 제 2 광신호의 파워가 로우레벨이면 상기 연속광신호의 위상을 지연시키지 않으며, 상기 제 1 위상천이부는 상기 제 1 광증폭부의 출력의 위상을 (2n+1)π(여기서, n은 정수) 만큼 천이시킨다. 이 때, 상기 제 1 변조신호는 상기 제 1 광신호와 상기 제 2 광신호에 대한 배타적 논리합 연산 결과이다.
상기 제 1 위상천이부는 상기 제 1 광증폭부의 출력에 응답하여 상기 제 1 광증폭부의 출력을 자기위상변조하는 제 3 광증폭부를 구비한다.
상기 제 2 간섭계는 제 3 변조부 및 제 4 변조부를 구비한다. 제 3 변조부는 상기 제 1 광신호와 제 2 광신호의 합신호에 응답하여 상기 연속광신호를 위상변조하여 출력한다. 제 4 변조부는 상기 연속광신호를 증폭하여 출력한다. 상기 제 2 변조신호는 상기 제 3 변조부의 출력과 상기 제 4 변조부의 출력이 서로 합해지고 간섭된 신호이다.
상기 제 3 변조부는 상기 제 1 광신호와 제 2 광신호의 합신호에 응답하여 상기 연속광신호를 상호위상변조하는 제 4 광증폭부와 상기 제 4 광증폭부의 출력의 위상을 소정의 값 만큼 천이시키는 제 2 위상천이부를 구비하고, 상기 제 4 변조부는 상기 연속광신호를 소정의 이득만큼 증폭하여 출력하는 제 5 광증폭부를 구비한다.
상기 제 4 광증폭부는 입력되는 신호의 파워가 소정의 레벨보다 작으면 상기 입력되는 신호의 위상을 지연시키지 않고 출력하고, 입력되는 신호의 파워가 상기 소정의 레벨보다 크면 상기 입력되는 신호의 위상을 소정의 값 만큼 지연시켜 출력한다.
상기 제 4 광증폭부는 상기 제 1 광신호와 상기 제 2 광신호의 합신호의 파워가 하이레벨이면 상기 연속광신호의 위상을 π 만큼 지연시키고, 상기 제 1 광신호와 상기 제 2 광신호의 합신호의 파워가 로우레벨이면 상기 연속광신호의 위상을 지연시키지 않으며, 상기 제 1 위상천이부는 상기 제 1 광증폭부의 출력의 위상을 (2n)π(여기서, n은 정수) 만큼 천이시킨다. 이 때, 상기 제 2 변조신호는 상기 제 1 광신호와 상기 제 2 광신호에 대한 반전 논리합 연산 결과이며, 상기 제 1 변조신호와 상기 제 2 변조신호의 합신호는 상기 제 1 광신호와 상기 제 2 광신호의 반 전 논리곱 연산 결과이다.
한편, 상기 제 4 광증폭부는 상기 제 1 광신호와 상기 제 2 광신호의 합신호의 파워가 하이레벨이면 상기 연속광신호의 위상을 π 만큼 지연시키고, 상기 제 1 광신호와 상기 제 2 광신호의 합신호의 파워가 로우레벨이면 상기 연속광신호의 위상을 지연시키지 않으며, 상기 제 1 위상천이부는 상기 제 1 광증폭부의 출력의 위상을 (2n+1)π(여기서, n은 정수) 만큼 천이시킬 수도 있다. 이 때, 상기 제 2 변조신호는 상기 제 1 광신호와 상기 제 2 광신호에 대한 논리합 연산 결과이다.
상기 제 2 위상천이부는 상기 제 4 광증폭부의 출력에 응답하여 상기 제 4 광증폭부의 출력을 자기위상변조하는 제 6 광증폭부를 구비한다.
한편, 상기 제 1 및 제 2 간섭계는 마흐-젠더 간섭계(Mach-Zehnder Interferometer)일 수 있다.
또한, 상기 제 1 및 제 2 간섭계는 미켈슨 간섭계(Michelson Interferometer)일 수도 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 광논리소자는, 동일방향-전파(co-propagation) 방식의 간섭계를 이용하여 광신호들 간의 논리 연산을 수행하며, 제 1 간섭계, 제 2 간섭계, 제 1 대역통과필터, 및 제 2 대역통과필터를 구비한다. 제 1 간섭계는 제 1 광신호 및 제 2 광신호에 응답하여 연속광신호를 변조하여 제 1 변조신호를 출력한다. 제 2 간섭계는 상기 제 1 광신호와 상기 제 2 광신호의 합신호에 응답하여 상기 연속광신호를 변조하여 제 2 변조신호를 출력한다. 제 1 대역통과필터는 상기 제 1 간섭계의 출력 중 상기 제 1 광신호 성분을 필터링하여 제 1 변조신호를 출력한다. 제 2 대역통과필터는 상기 제 2 간섭계의 출력에서 상기 제 1 광신호와 상기 제 2 광신호의 합신호 성분을 필터링하여 제 2 변조신호를 출력한다. 상기 제 1 변조신호, 제 2 변조신호, 또는 상기 제 1 변조신호와 상기 제 2 변조신호의 합신호 각각은 상기 제 1 광신호와 상기 제 2 광신호에 대한 소정의 논리 연산 결과이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 도면에 기재된 내용을 참조하여야 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 반도체 광증폭기-마흐-젠더 간섭계(Semiconductor Optical Amplifier-Mach-Zehnder Interferometer: SOA-MZI)를 이용하여 구현된 배타적 논리합(exclusive or: XOR) 회로를 나타내는 도면이다.
배타적 논리합 회로(100)는 제 1 광증폭기(110), 위상천이기(130), 및 제 2 광증폭기(150)를 구비한다. 제 1 광증폭기(110)는 제 1 광신호(A)에 응답하여 프로브 신호(PI)를 변조한다. 위상천이기(130)는 제 1 광증폭기(110)의 출력신호의 위상을 소정의 값 만큼 천이시킨다. 제 2 광증폭기(150)는 제 2 광신호(B)에 응답하여 프로브 신호(PI)를 변조한다.
한편, 제 1 및 제 2 광증폭기(110, 150)의 광이득과 위상(즉, 광위상) 변화 는 입력신호의 파워에 응답하여 비선형적으로 변하는 특성을 갖는다. 제 1 및 제 2 광증폭기(110, 150)는 이러한 특성에 따라 입력신호를 상호위상변조 또는 이득변조한다.
도 2의 (a)는 입력파워에 따른 도 1의 제 1 광증폭기(110)의 비선형 특성과 이에 따라 마흐-젠더 간섭계의 위쪽 암에서 발생하는 위상변이를 나타내는 그래프이다. 한편, 도 2의 (b)는 입력파워에 따른 도 1의 제 2 광증폭기(150)의 비선형 특성과 이에 따라 마흐-젠더 간섭계의 아래쪽 암에서 발생하는 위상변이를 나타내는 그래프이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 입력신호(즉, 제 1 광신호(A) 또는 제 2 광신호(B))의 파워(입력파워)가 소정의 값보다 작으면 제 1 및 제 2 광증폭기(110, 150)의 이득은 일정한 값을 유지한다. 그러나, 입력파워가 소정의 값보다 크면 제 1 및 제 2 광증폭기(110, 150)의 이득은 감소한다.
한편, 입력파워가 소정의 값보다 작으면 제 1 및 제 2 광증폭기(110, 150) 각각은 입력신호의 위상(즉, 광위상)을 지연시키지 않으므로, 마흐-젠더 간섭기의 위쪽 암에서의 위상변이는 π이고 아래쪽 암에서의 위상변이는 0이다. 그러나, 입력파워가 소정의 값보다 크면 제 1 및 제 2 광증폭기(110, 150) 각각은 입력신호의 위상(즉, 광위상)을 π 만큼 지연시키므로, 마흐-젠더 간섭기의 위쪽 암에서의 위상변이는 2π 즉, 0 이고 아래쪽 암에서의 위상변이는 π 이다.
이하에서는 도 1과 도 2를 참조하여 배타적 논리합 회로(100)의 동작에 대해 좀 더 상세히 설명한다.
배타적 논리합 회로(100)는 제 1 및 제 2 광신호(A, B) 각각에 응답하여 연속광신호(PI)를 각각 변조하고, 변조된 신호들을 합하고 간섭시킴으로써 제 1 광신호(A)와 제 2 광신호(B)에 대해 배타적 논리합 연산을 수행한다.
여기서, 연속광신호(PI)는 연속파(Continuous Wave: CW) 형태의 프로브신호이며, 연속광신호(PI)의 파장은 제 1 파장(λ1)이다. 또한 제 1 및 제 2 광신호(A, B)는 연속광신호(PI)를 변조시키기 위해 펄스 형태로 변조된 펌프신호들로서, 제 1 및 제 2 광신호(A, B)의 파장은 제 2 파장(λ2)이다.
설명의 편의를 위해 이하에서는 제 1 광신호(A)와 제 2 광신호가 각각 "LLHH"와 "LHLH"의 레벨로 변조되는 것으로 가정한다. 여기서, "L"은 논리 로우(low) 레벨이고, "H"는 논리 하이(high) 레벨이다.
한편, 배타적 논리합 회로(100)는 역방향-전파(counter-propagation)방식의 SOA-MZI를 이용한다. 따라서, 제 1 광신호(A)와 제 2 광신호(B)는 연속광신호(PI)가 입력되는 방향과 반대방향으로 입력된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 배타적 논리합 회로(100)는 제 1 광증폭기(110)와 위상천이기(130)로 구성되는 위쪽 암(arm)과 제 2 광증폭기(150)로 구성되는 아래쪽 암으로 구성된다.
도 1의 배타적 논리합 회로에서 위상천이기(130)는 제 1 광증폭기(110)의 출력신호의 위상을 (2n+1)π, 바람직하게는 π 만큼 천이시킨다. 따라서, 아래쪽 암과 위쪽 암 간의 위상차는 π이다. 이는 펌프신호의 레벨이 낮은 경우 제 1 노드(N1)과 제 2 노드(N2) 간의 위상차를 π 설정하여 소광비를 높이기 위함이다.
한편, 연속광신호(PI)의 파장(λ1)은 제 1 및 제 2 광신호(A, B)의 파장(λ2)과 다르다. 따라서, 제 1 및 제 2 광증폭기(110, 150)를 제외한 영역에서는 연속광신호(PI)와 제 1 및 제 2 광신호(A, B)는 서로 영향을 미치지 않고 독립적으로 진행한다.
제 1 및 제 2 광신호(A, B)의 구체적인 논리조합에 따른 배타적 논리합 회로(100)의 동작은 다음과 같다.
위쪽 암에서는 제 1 광신호(A)에 의해 연속광신호(PI)가 변조된다. 즉, 제 1 광신호(A)가 로우 레벨인 경우, 제 1 광증폭기(110)의 상호위상변조에 의한 위상지연은 존재하지 않는다. 따라서, 연속광신호(PI)는 위상천이기(130)에 의해 위상천이만을 겪게되며, 따라서 제 1 노드(N1)에는 π만큼 위상천이된 연속광신호가 나타난다.
제 1 광신호(A)가 하이 레벨인 경우, 제 1 광증폭기(110)의 상호위상변조에 의해 π 만큼의 위상지연이 발생한다. 따라서, 연속광신호(PI)는 제 1 광증폭기(110)에 의한 위상지연과 위상천이기(130)에 의해 위상천이를 겪게되며, 따라서 제 1 노드(N1)에는 2π만큼 위상천이된 연속광신호, 즉 위상변화를 겪지 않은 연속광신호가 나타난다.
한편, 아래쪽 암에서는 제 2 광신호(B)에 의해 연속광신호(PI)가 변조된다. 즉, 제 2 광신호(B)가 로우 레벨인 경우, 제 2 광증폭기(150)의 상호위상변조에 의한 위상지연은 존재하지 않는다. 따라서, 제 2 노드(N2)에는 위상변화를 겪지 않은 연속광신호가 나타난다.
제 2 광신호(B)가 하이 레벨인 경우, 제 2 광증폭기(150)의 상호위상변조에 의해 π 만큼의 위상지연이 발생한다. 따라서, 연속광신호(PI)는 제 2 광증폭기(150)에 의한 위상지연을 겪게되며, 따라서 제 2 노드(N2)에는 π만큼 위상천이된 연속광신호가 나타난다.
결국, 위쪽 암과 아래쪽 암은 제 1 및 제 2 광신호(A, B)의 논리조합에 따라 서로 다른 위상천이를 겪은 연속광신호들이 나타나고, 위쪽 암과 아래쪽 암에서의 광신호들이 서로 합해지고 간섭되어 결국 제 1 광신호(A)와 제 2 광신호(B)가 논리연산된 결과가 출력된다.
구체적으로, 제 1 광신호(A)와 제 2 광신호(B)가 모두 로우 레벨인 경우, 위쪽 암의 제 1 노드(N1)에는 π만큼 위상천이된 연속광신호가 나타나고, 아래쪽 암의 제 2 노드(N2)에는 위상변화를 겪지 않은 연속광신호가 나타난다. 따라서, 위쪽 암과 아래쪽 암의 연속광신호는 π 만큼의 위상차를 갖게되어 서로 소멸간섭되므로, 출력신호(PO)는 로우 레벨이다.
제 1 광신호(A)가 로우 레벨이고 제 2 광신호(B)가 하이 레벨인 경우, 위쪽 암의 제 1 노드(N1)에는 π만큼 위상천이된 연속광신호가 나타나고, 아래쪽 암의 제 2 노드(N2)에도 π만큼 위상천이된 연속광신호가 나타난다. 따라서, 위쪽 암과 아래쪽 암의 연속광신호는 서로 위상차가 없어 보강간섭되므로, 출력신호(PO)는 하이레벨이다.
제 1 광신호(A)가 하이 레벨이고 제 2 광신호(B)가 로우 레벨인 경우, 위쪽 암의 제 1 노드(N1)에는 2π만큼 위상천이된 연속광신호, 즉 위상변화를 겪지 않은 연속광신호가 나타나고, 아래쪽 암의 제 2 노드(N2)에는 위상변화를 겪지 않은 연속광신호가 나타난다. 따라서, 위쪽 암과 아래쪽 암의 연속광신호는 서로 위상차가 없어 보강간섭되므로, 출력신호(PO)는 하이레벨이다.
제 1 광신호(A)와 제 2 광신호(B)가 모두 하이 레벨인 경우, 위쪽 암의 제 1 노드(N1)에는 2π만큼 위상천이된 연속광신호, 즉 위상변화를 겪지 않은 연속광신호가 나타나고, 아래쪽 암의 제 2 노드에는 π만큼 위상천이된 연속광신호가 나타난다. 따라서, 위쪽 암과 아래쪽 암의 연속광신호는 π 만큼의 위상차를 갖게되어 서로 소멸간섭되므로, 출력신호(PO)는 로우 레벨이다.
상술한 바와 같이, 도 1에 도시된 회로는 제 1 및 제 2 광신호(A, B)의 논리 조합에 대응하는 배타적 논리합 연산 결과를 출력한다.
이하에서는 도 1의 배타적 논리합 회로(100)에서의 설명을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 광논리소자에 대해 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 광논리소자를 나타내는 도면이다.
광논리소자(300)는 역방향-전파(counter-propagation) 방식의 제 1 간섭계(310)와 제 2 간섭계(330)를 구비한다. 따라서, 연속광신호(PI)의 입력방향과 제 1 광신호(A), 제 2 광신호(B), 그리고 제 1 광신호(A)와 제 2 광신호(B)의 합신호(C)의 입력방향은 서로 반대이다.
또한, 연속광신호(PI)의 파장(λ1)은 제 1 광신호(A)와 제 2 광신호(B)의 파장(λ2)과 다르다. 또한, 연속광신호(PI)의 파장은 제 1 광신호(A)와 제 2 광신호(B)의 합신호(C)의 파장(λ3)과도 다르다. 다만, 도 3에는 제 1 광신호(A) 및 제 2 광신호(B)의 파장(λ2)과 합신호(C)의 파장(λ3)이 다른 것으로 도시되어 있으나, 파장(λ2)과 파장(λ3)이 동일해도 본 발명의 동작에 영향을 미치지 않는다.
제 1 간섭계(310)는 제 1 광신호(A) 및 제 2 광신호(B)에 응답하여 연속광신호(PI)를 변조함으로써 제 1 변조신호(M1)를 출력한다. 제 2 간섭계(330)는 제 1 광신호(A)와 제 2 광신호(B)의 합신호(C)에 응답하여 연속광신호를 변조함으로써 제 2 변조신호(M2)를 출력한다.
이 때, 제 1 변조신호, 제 2 변조신호, 그리고 제 1 변조신호와 제 2 변조신호의 합신호(MS) 각각은 제 1 광신호(A)와 상기 제 2 광신호(B)에 대한 소정의 논리 연산 결과가 될 수 있다. 즉, 제 1 간섭계(310)는 도 1의 배타적 논리합 회로(100)와 구성이 동일하므로, 제 1 간섭계(310)의 출력인 제 1 변조신호(M1)는 제 1 광신호(A)와 제 2 광신호(B)의 배타적 논리합(exclusive or: XOR) 연산 결과일 수 있다(즉, M1 = A XOR B).
제 1 간섭계(310)는 제 1 변조부(315) 및 제 2 변조부(325)를 구비한다. 제 1 변조부(315)는 제 1 광신호(A)에 응답하여 연속광신호(PI)를 위상변조하여 출력한다. 제 2 변조부(325)는 제 2 광신호(B)에 응답하여 연속광신호(PI)를 위상변조하여 출력한다.
즉, 제 1 변조부(315)의 출력신호는 소정의 값 만큼 위상이 천이된 연속광신호(PI)로서 제 1 노드(N1)로 출력된다. 제 2 변조부(325)의 출력신호 또한 소정의 값 만큼 위상이 천이된 연속광신호로서 제 2 노드(N2)로 출력된다.
한편, 도 3에 도시된 바와 같이, 제 1 변조부(315)의 출력신호와 제 2 변조 부(325)의 출력신호가 서로 합해져서 제 1 변조신호(M1)가 되는데, 위상이 천이된 정도에 따라 제 1 변조부(315)의 출력신호와 제 2 변조부(325)의 출력신호는 서로 간섭된다.
또한, 제 1 변조부(315)는 제 1 간섭계(310)의 위쪽 암(arm)을 구성하고, 제 2 변조부(325)는 제 1 간섭계의 아래쪽 암을 구성한다. 제 1 변조부(315)의 출력신호와 제 2 변조부(325)의 출력신호의 위상 천이에 대해서는 도 1의 배타적 논리합 회로(100)를 설명할 때 상세히 설명되었다.
한편, 상기 제 1 변조부(315)는 제 1 광증폭부(311) 및 제 1 위상천이부(313)를 구비한다. 제 1 광증폭부(311)는 제 1 광신호(A)에 응답하여 연속광신호(PI)를 상호위상변조한다. 제 1 위상천이부(313)는 제 1 광증폭부(311)의 출력의 위상을 소정의 값 만큼 천이시킨다.
한편, 제 2 변조부(325)는 광증폭기일 수 있으며, 따라서 제 2 변조부(325)는 제 2 광신호(B)에 응답하여 연속광신호(PI)를 상호위상변조하는 제 2 광증폭부를 구비한다.
본 발명의 실시예에서, 제 1 및 제 2 광증폭부(311, 325)는 도 2에 도시된 특성을 갖는다. 즉, 제 1 및 제 2 광증폭부(311, 325)는 입력되는 신호의 파워(이하, 입력파워라 함)가 소정의 레벨보다 작으면 입력되는 신호의 위상(즉, 광위상)을 지연시키지 않고 출력한다. 한편, 제 1 및 제 2 광증폭부(311, 325)는 입력되는 신호의 파워가 소정의 레벨보다 크면 입력되는 신호의 위상(즉, 광위상)을 소정의 값 만큼 지연시켜 출력하며, 본 발명의 실시예에서 소정의 값은 바람직하게는 π이 다.
따라서, 제 1 광증폭부(311)는 제 1 광신호(A)의 파워가 하이레벨이면 연속광신호(PI)의 위상(즉, 광위상)을 π 만큼 지연시키고, 제 1 광신호(A)의 파워가 로우레벨이면 연속광신호(PI)의 위상(즉, 광위상)을 지연시키지 않는다.
제 1 간섭계(310)의 아래쪽 암에서도 동일하게, 제 2 광증폭부(325)는 제 2 광신호(B)의 파워가 하이레벨이면 연속광신호(PI)의 위상(즉, 광위상)을 π 만큼 지연시키고, 제 2 광신호(B)의 파워가 로우레벨이면 연속광신호(PI)의 위상(즉, 광위상)을 지연시키지 않는다. 이 때, 제 1 위상천이부(313)는 제 1 광증폭부(311)의 출력신호의 위상을 (2n+1)π(여기서, n은 정수) 만큼 천이시킨다.
이러한 조건 하에서 본 발명의 실시예의 제 1 간섭부(310)는 도 1의 배타적 논리합 회로(100)와 동일하게 동작하며, 따라서 제 1 변조신호(M1)는 제 1 광신호(A)와 제 2 광신호(B)에 대한 배타적 논리합 연산 결과이다.
상술한 바와 같이, 제 1 간섭부(310)는 도 1의 배타적 논리합 회로와 구성이 동일하므로, 제 1 간섭부(310)의 구체적인 동작에 대한 설명은 생략한다.
제 2 간섭계(330)는 제 3 변조부(335) 및 제 4 변조부(345)를 구비한다. 제 3 변조부(335)는 제 1 광신호(A)와 제 2 광신호(B)의 합신호(C)에 응답하여 연속광신호(PI)를 위상변조하여 출력한다. 즉, 제 3 변조부(335)의 출력신호는 소정의 값 만큼 위상이 천이된 연속광신호(PI)로서 제 3 노드(N3)로 출력된다. 제 4 변조부(345)는 연속광신호(PI)를 소정의 이득 만큼 증폭하여 출력한다.
한편, 도 3에 도시된 바와 같이, 제 3 변조부(335)의 출력신호와 제 4 변조부(345)의 출력신호가 서로 합해져서 제 2 변조신호(M2)가 되는데, 위상이 천이된 정도에 따라 제 3 변조부(335)의 출력신호와 제 4 변조부(345)의 출력신호는 서로 간섭된다. 또한, 제 3 변조부(335)는 제 2 간섭계(330)의 위쪽 암(arm)을 구성하고, 제 4 변조부(345)는 제 2 간섭계의 아래쪽 암을 구성한다. 제 3 변조부(335)의 출력신호와 제 4 변조부(345)의 출력신호의 위상 천이에 대해서는 관련되는 부분에서 상세히 설명한다.
제 3 변조부(335)는 제 3 광증폭부(331) 및 제 2 위상천이부(333)를 구비한다. 제 3 광증폭부(331)는 합신호(C)에 응답하여 연속광신호(PI)를 상호위상변조한다. 제 2 위상천이부(333)는 제 3 광증폭부(331)의 출력신호의 위상을 소정의 값 만큼 천이시킨다.
본 발명의 실시예에서는 제 2 위상천이부(333)에서의 위상 천이 값에 따라 제 2 간섭계(330)가 서로 다른 논리 연산을 수행할 수 있으며, 이에 대해서는 관련되는 부분에서 상세히 설명한다.
제 4 변조부(345)는 광증폭기일 수 있으며, 따라서 제 4 변조부(345)는 연속광신호(PI)를 소정의 이득 만큼 증폭하여 출력하는 제 4 광증폭부(345)를 구비한다. 또한, 제 4 광증폭부(345)는 연속광신호(PI)를 자기위상변조할 수 있는데, 본 발명의 실시예에서 제 4 광증폭부(345)는 연속광신호(PI)의 위상을 천이시키지 않는다.
도 1의 배타적 논리합 회로(100)의 설명에서 상술한 바와 같이, 제 1 광신호(A)와 제 2 광신호(B)는 각각 "LLHH"와 "LHLH"로 변조된 광펄스신호이다. 따라서, 제 1 광신호(A)와 제 2 광신호(B)의 논리조합에 따라 합신호(C)는 로우레벨(즉, AB="LL"), 제 1 하이레벨(AB="LH" 또는 AB="HL"), 그리고 제 2 하이레벨(즉, AB="HH")의 세 가지 레벨을 갖는다(이 때, 제 1 하이레벨 < 제 2 하이레벨 이다).
또한 본 발명의 실시예에서, 제 3 광증폭부(331)는 도 2에 도시된 특성을 갖는다. 즉, 제 3 광증폭부(331)는 입력되는 신호의 파워(이하, 입력파워라 함)가 소정의 레벨보다 작으면 입력되는 신호의 위상(즉, 광위상)을 지연시키지 않고 출력한다. 한편, 제 3 광증폭부(331)는 입력되는 신호의 파워가 소정의 레벨보다 크면 입력되는 신호의 위상(즉, 광위상)을 소정의 값 만큼 지연시켜 출력하며, 본 발명의 실시예에서 소정의 값은 바람직하게는 π이다.
따라서, 제 3 광증폭부(331)는 합신호(C)의 파워가 로우레벨이면 연속광신호(PI)의 위상(즉, 광위상)을 지연시키지 않고, 합신호(C)의 파워가 제 1 또는 제 2 하이레벨이면 연속광신호(PI)의 위상(즉, 광위상)을 π 만큼 지연시킨다.
광논리소자(300)는 제 2 위상천이부(333)의 위상 천이 값에 따라 다른 논리 연산을 수행한다. 즉, 제 2 위상천이부(333)가 제 3 광증폭부(331)의 출력신호의 위상을 π 만큼 천이시키면 제 2 간섭부(330)는 논리합(OR) 연산을 수행한다. 한편, 제 2 위상천이부(333)가 제 3 광증폭부(331)의 출력신호의 위상을 천이시키지 않으면 제 2 간섭부(330)는 반전 논리합(NOR) 연산을 수행한다. 이하에서, 광논리소자(300)가 다른 논리 연산을 수행하는 동작에 대해 설명한다.
제 1 광신호(A)와 제 2 광신호(B)가 모두 로우레벨이면 제 3 광증폭부(331) 연속광신호(PI)의 위상(즉, 광위상)을 지연시키지 않는다. 그러나, 제 1 광신호(A) 또는 제 2 광신호(B)가 하이레벨이면 제 3 광증폭부(331)는 연속광신호(PI)의 위상 (즉, 광위상)을 π 만큼 지연시킨다.
한편, 제 4 광증폭부(345)는 제 1 광신호(B)와 제 2 광신호(B)의 레벨에 관계 없이 연속광신호(PI)를 소정의 이득 만큼 증폭하여 출력하며, 연속광신호(PI)의 위상(즉, 광위상)을 지연시키지는 않는다.
먼저, 제 2 위상천이부(333)가 제 3 광증폭부(331)의 출력의 위상을 (2n)π(여기서, n은 정수) 만큼 천이시키는 경우(바람직하게는 천이시키지 않는 경우), 광논리소자(300)의 동작을 설명한다.
제 1 광신호(A)와 제 2 광신호(B)가 모두 로우레벨이면 제 3 노드(N3)로 위상변화를 겪지 않은 연속광신호가 출력된다. 따라서, 제 2 간섭계(330)의 위쪽 암과 아래쪽 암의 연속광신호는 서로 위상차가 없어 보강간섭되므로, 제 2 변조신호(M2)는 하이레벨이다.
제 1 광신호(A) 및/또는 제 2 광신호(B)가 하이레벨이면 제 3 노드(N3)로 π 만큼 위상변화를 겪은 연속광신호가 출력된다. 제 2 간섭계(330)의 위쪽 암과 아래쪽 암의 연속광신호는 π 만큼의 위상차를 갖게되어 서로 소멸간섭되므로, 제 2 변조신호(M2)는 로우 레벨이다.
제 2 위상천이부(333)가 제 3 광증폭부(331)의 출력의 위상을 (2n)π(여기서, n은 정수) 만큼 천이시키는 경우, 제 2 변조신호(M2)는 제 1 광신호(A)와 제 2 광신호(B)에 대한 반전 논리합 연산 결과이다.
또한, 반전 논리합 연산 결과와 배타적 논리합 연산 결과를 서로 더하면 반전 논리곱(NAND) 연산 결과를 얻을 수 있으므로, 제 1 변조신호(M1)와 제 2 변조신호(M2)의 합신호(MS)는 반전 논리곱 연산 결과인 것을 알 수 있다.
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즉, 제 2 위상천이부(333)가 제 3 광증폭부(331)의 출력의 위상을 (2n)π(여기서, n은 정수) 만큼 천이시키는 경우, 본 발명의 실시예에 따른 광논리소자(300)는 제 1 광신호(A)와 제 2 광신호(B)에 대해 배타적 논리합 연산(제 1 변조신호(M1)), 반전 논리합 연산(제 2 변조신호(M2)), 그리고 반전 논리곱 연산(제 1 변조신호와 제 2 변조신호의 합신호(MS))을 수행한다.
다음으로, 제 2 위상천이부(333)가 제 4 광증폭부(345)의 출력의 위상을 (2n+1)π(여기서, n은 정수) 만큼(바람직하게는 π 만큼) 천이시키는 경우, 광논리소자(300)의 동작을 설명한다.
제 1 광신호(A)와 제 2 광신호(B)가 모두 로우레벨이면 제 3 노드(N3)로 π 만큼 위상변화를 겪은 연속광신호가 출력된다. 따라서, 제 2 간섭계(330)의 위쪽 암과 아래쪽 암의 연속광신호는 π 만큼의 위상차를 갖게되어 서로 소멸간섭되므로, 제 2 변조신호(M2)는 로우 레벨이다.
제 1 광신호(A) 및/또는 제 2 광신호(B)가 하이레벨이면 제 3 노드(N3)로 위상변화를 겪지 않은 연속광신호가 출력된다. 따라서, 제 2 간섭계(330)의 위쪽 암과 아래쪽 암의 연속광신호는 서로 위상차가 없어 보강간섭되므로, 제 2 변조신호(M2)는 하이레벨이다.
제 2 위상천이부(333)가 제 3 광증폭부(331)의 출력의 위상을 (2n)π(여기서, n은 정수) 만큼 천이시키는 경우, 제 2 변조신호(M2)는 제 1 광신호(A)와 제 2 광신호(B)에 대한 논리합 연산 결과이다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 광논리소자 (300)는 제 1 광신호(A)와 제 2 광신호(B)에 대해 배타적 논리합 연산(제 1 변조신호(M1)), 그리고 논리합 연산(제 2 변조신호(M2))을 수행한다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광논리소자를 나타내는 도면이다. 광논리소자(400)는 제 1 위상천이부(413)와 제 2 위상천이부(433)가 광증폭기로 구현되는 것을 제외하고는 도 3의 광논리소자(300)와 구성이 동일하다.
즉, 제 1 위상천이부(413)는 제 1 광증폭부(411)의 출력신호에 응답하여 제 1 광증폭부(411)의 출력신호를 자기위상변조하는 제 3 광증폭부를 구비한다. 또한, 제 2 위상천이부(433)는 제 4 광증폭부(431)의 출력에 응답하여 제 4 광증폭부(431)의 출력을 자기위상변조하는 제 6 광증폭부를 구비한다.
본 발명의 실시예에서, 제 3 광증폭부(413)는 제 1 증폭부(411)의 출력신호의 위상(즉, 광위상)을 소정의 값 만큼, 바람직하게는 (2n+1)π 만큼, 더욱 바람직하게는 π 만큼 지연시킨다.
또한, 제 6 광증폭부(433)는 제 4 광증폭부(431)의 출력신호의 위상(즉, 광위상)을 소정의 값 만큼, 바람직하게는 (2n+1)π 또는 (2n)π 만큼, 더욱 바람직하게는 π 또는 0 만큼 지연시킨다.
제 1 위상천이부와 제 2 위상천이부(313, 333)가 제 3 광증폭부(413)와 제 6 광증폭부(433)로 대체된 것을 제외하고 도 4의 광논리소자(400)의 구조 및 동작은 도 3의 광논리소자(300)의 구조 및 동작과 동일하므로, 광논리소자(400)의 구조 및 구체적인 동작에 대한 설명은 생략한다.
한편, 제 3 광증폭부(413)와 제 6 광증폭부(433)에서 발생할 수 있는 제 1 광신호(A), 제 2 광신호(B), 그리고 제 1 광신호(A)와 제 2 광신호(B)의 합신호(C)의 비선형 왜곡을 방지하기 위하여, 도 4의 광논리소자(400)에서 제 1 광신호(A)는 제 1 광증폭부(311)로, 제 2 광신호(B)는 제 2 광증폭부(425)로, 그리고 제 1 광신호(A)와 제 2 광신호(B)의 합신호(C)는 제 3 광증폭부(431)로 직접 입력될 수도 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광논리소자를 나타내는 도면이다.
제 1 광증폭부(311)와 제 1 위상천이부(313), 그리고 제 3 광증폭부(331)와 제 2 위상천이부(333)가 각각 하나의 광증폭기로 결합되어 있는 점을 제외하고, 도 5의 광논리소자(500)는 도 3의 광논리소자(300)와 동일한 구성을 갖는다.
즉, 광논리소자(500)의 제 1 간섭계(510)는 광증폭기로 구성될 수 있는 제 1 변조부(515)와 제 2 변조부(525)를 구비하고, 제 2 간섭계(530)는 광증폭기로 구성될 수 있는 제 3 변조부(535)와 제 4 변조부를 구비한다. 따라서, 제 1 변조부(515)는 제 1 광증폭부를 구비하며, 제 3 변조부(535)는 제 3 광증폭부를 구비한다.
제 1 광증폭부(515)는 제 1 광신호(A)에 응답하여 연속광신호(PI)를 상호위상변조하는 동시에 상호위상변조된 연속광신호의 위상(즉, 광위상)을 소정의 값 만큼 지연시킨다. 제 3 광증폭부(535)는 제 1 광신호(A)와 제 2 광신호(B)의 합신호(C)에 응답하여 연속광신호(PI)를 상호위상변조하는 동시에 상호위상변조된 연속광신호의 위상(즉, 광위상) 소정의 값 만큼 지연시킨다.
상호위상변조 동작과 위상 천이 동작이 하나의 광증폭기(즉, 제 1 광증폭부(515)와 제 3 광증폭부(535))에서 수행되는 점을 제외하고 광논리소자(500)의 동작 은 도 3의 광논리소자(300)의 동작과 동일하므로, 광논리소자(500)의 구체적인 동작에 대한 설명은 생략한다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광논리소자를 나타내는 도면이다. 도 3 내지 도 5의 광논리소자(300, 400, 및 500)가 역방향-전파 방식의 간섭계를 이용하는데 반해, 광논리소자(600)는 동일방향-전파(co-propagation) 방식의 간섭계를 이용한다.
즉, 도 6에 도시된 바와 같이, 제 1 광신호(A), 제 2 광신호(B), 그리고 제 1 광신호(A)와 제 2 광신호(B)의 합신호(C)와 연속광신호(PI)가 동일한 방향으로 입력된다.
한편, 광논리소자(600)에서는 제 1 변조부(615)와 제 2 변조부(625)에서 변조된 연속광신호가 서로 간섭되고, 제 3 변조부(635)와 제 4 변조부(645)에서 변조된 연속광신호가 서로 간섭되어 제 1 및 제 2 변조신호(M1, M2)가 발생되므로, 광논리소자(600)는 제 1 광신호(A), 제 2 광신호(B), 그리고 제 1 광신호(A)와 제 2 광신호(B)의 합신호(C)를 필터링할 필요가 있다.
따라서, 도 3 내지 도 5의 광논리소자(300, 400, 및 500)와 달리, 광논리소자(600)는 제 1 대역통과필터(650)와 제 2 대역통과필터(670)를 더 구비한다. 그리고, 제 1 대역통과필터(650)는 제 1 간섭계(610)의 출력 중 제 1 광신호(A)와 제 2 광신호(B) 성분을 필터링하여 제 1 변조신호(M1)를 출력한다. 또한, 제 2 대역통과필터(670)는 제 2 간섭계(630)의 출력 중 제 1 광신호(A)와 제 2 광신호(B)의 합신호(C) 성분을 필터링하여 제 2 변조신호(M2)를 출력한다.
제 1 및 제 2 대역통과필터(650, 670)를 더 구비하는 것을 제외하고, 광논리소자(600)의 구조 및 동작은 도 3의 광논리소자(300)의 동작과 유사하므로, 광논리소자의 구체적인 동작에 대한 설명은 생략한다.
한편, 이상의 설명에서는 본 발명의 실시예에 따른 광논리소자가 마흐-젠더 간섭계(Mach-Zehnder Interferometer)를 이용하는 것으로 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 미켈슨 간섭계(Michelson Interferometer) 등과 같은 동일한 특성을 갖는 다른 간섭계를 이용하여 본 발명의 실시예를 구현할 수도 있을 것이다.
이하에서는, 도 3의 광논리소자(300)를 중심으로, 본 발명의 실시예에 따른 광논리소자가 최적으로 동작하기 위한 조건에 대해 설명한다. 이하의 설명은 본 발명의 실시예에 따른 광논리소자의 최적동작조건에 관련된 것으로, 본 발명의 실시예에 따른 광논리소자의 동작이 이하의 동작조건에 의해 제한되는 것은 아니다.
제 1 간섭계(310)에서, 연속광신호(PI)의 파워를 PIN, 제 1 광신호(A)의 하이레벨과 로우레벨 파워를 각각 PAL과 PAH, 그리고 제 2 광신호(B)의 하이레벨과 로우레벨 파워를 각각 PBL과 PBH로 정의한다. 또한, 제 1 광신호(A)와 연속광신호(PI)(즉, PIN+PAL 과 PIN+PAH)가 제 1 광증폭부(311)에서 경험하는 광이득을 각각 G1L과 G1H, 제 2 광신호(B)와 연속광신호(PI)(즉, PIN+PBL 과 PIN+PBH)가 제 1 광증폭부(311)에서 경험하는 광이득을 각각 G2L과 G2H로 정의한다.
따라서, 제 1 변조신호(M1)는 PING1L와 PING1H의 레벨 신호들 각각이 PING2L와 PING2H 레벨 신호들 각각과 서로 조합되어 합하여져 간섭된 신호이다. 한편, 각 각의 광증폭부에서의 상호위상변조는 하이레벨의 입력에 대해 주로 발생하므로, 제 1 변조신호(M1)의 파워(PO1-AB)는 다음 식 (1)과 같이 유도될 수 있다.
Figure 112005059939183-pat00001
식 (1)
여기서, φ1은 제 1 간섭계(310)의 위쪽과 아래쪽 암 사이의 위상차, 즉 제 1 위상천이기(313)에 의한 위상차이고, ΔφXPM은 위쪽과 아래쪽 암 사이에서 상호위상변조에 의한 위상 편이, 즉 제 1 광증폭부(311)에서의 상호위상변조에 의한 위상 편이(ΔφXPM1)와 제 2 광증폭부(325)에서의 상호위상변조에 의한 위상 편이(ΔφXPM2)의 차이다. 또한, G1A, G2B는 각각 제 1 광증폭부(311)와 제 2 광증폭부(325)에서의 광이득이다.
AB="LL"인 경우, G1L과 G2L은 모두 큰 값을 가지고 ΔφXPM은 0에 가까운 값을 가질 것이다. 그리고 AB="LH" 또는 "HL"인 경우, G1A와 G2B 중에 하나는 큰 값을 가지지만 나머지는 작은 값을 가지고 ΔφXPM은 π에 가까운 값을 가질 수 있을 것이다. 마지막으로 AB="HH"인 경우에, G1H와 G2H은 모두 작은 값을 가지고 ΔφXPM은 0에 가까운 값을 가질 것이다.
한편, φ1=0에서는 네 개의 레벨이 존재하는데, 네 개의 레벨 각각은 φ1에 대한 PO1-LL(즉 AB="LL"인 경우)의 곡선에서 0에 가까운 ΔφXPM에 의해 최대 값을 가지는 PO1-LL(φ1=0) 레벨, φ1에 대한 PO1-LH(즉 AB="LH"인 경우)의 곡선 내의 PO1-LH(φ1=0) 레벨, φ1에 대한 PO1-HL(즉 AB="HL"인 경우)의 곡선 내의 PO1-HL(φ1=0) 레벨, 그리고 φ1에 대한 PO1-HH(즉 AB="HH"인 경우)의 곡선 내의 PO1-HH( φ1=0) 레벨이다.
또한, φ1=π에서도 네 개의 레벨이 존재하는데, 네 개의 레벨 각각은, φ1에 대한 PO1-LL의 곡선에서 0에 가까운 ΔφXPM에 의해 최소 값을 가지는 PO1-LL(φ1=π) 레벨, φ1에 대한 PO1-LH의 곡선 내의 PO1-LH(φ1=π) 레벨, φ1에 대한 PO1-HL의 곡선 내의 PO1-HL(φ1=π) 레벨, 그리고 φ1에 대한 PO1-HH의 곡선 내의 PO1-HH(φ1=π) 레벨이다.
여기서, PO1-AB(φ1=0)와 PO1-AB(φ1=π) 곡선 내의 PO1-LL(φ1=0), PO1-LL(φ1=π), PO1-LH(φ1=0), PO1-LH(φ1=π), PO1-HL(φ1=0), 그리고 PO1-HL(φ1=π)의 여섯 개의 레벨들의 값을 알 수 있다면, 이들을 식(1)에 대입하여 PING1L, PING2L, PING1H, PING2H, ΔφXPM1,그리고 ΔφXPM2의 값들을 얻을 수 있으며, 이들은 아래의 식 (2) 내지 식 (5) 로 표현될 수 있다.
Figure 112005059939183-pat00002
식 (2)
Figure 112005059939183-pat00003
식 (3)
Figure 112005059939183-pat00004
식 (4)
Figure 112005059939183-pat00005
식 (5)
식(2) 내지 식(5)를 이용하여 제 1 간섭계(310)의 최적의 동작을 위한 최적의 광 이득 및 위상 차를 구할 수 있으며, 그 결과는 이하의 표 1과 표 2에 정리되어 있다.
제 2 간섭계(330)에서, 제 1 광신호(A)와 연속광신호(PI)(즉, PIN+PAL+PBL, PIN+PAL+PBH 또는 PIN+PAH+PBL, 그리고 PIN+PAH+PBH)가 제 3 광증폭부(331)에서 경험하는 광이득을 각각 G3LL, G3LH 또는 G3HL, 그리고 G3HH, 연속광신호(PI)(즉, PIN)가 제 4 광증폭부(345)에서 경험하는 광이득을 G4로 정의한다.
따라서, 제 2 변조신호(M2)는 PING3LL, PING3LH 또는 PING3HL, 그리고 PING3HH의 레벨 신호들 각각이 PING4 레벨 신호와 각각과 서로 조합되어 합하여져 간섭된 신호이다. 한편, 제 3 광증폭부(311)에서의 상호위상변조는 각각의 레벨에 따라 다르게 되므로, 제 2 변조신호(M2)의 파워(PO2-AB)는 다음 식 (6)과 같이 유도될 수 있다.
Figure 112005059939183-pat00006
식 (6)
여기서, φ2는 제 2 간섭계(330)의 위쪽과 아래쪽 암 사이의 위상차, 즉 제 2 위상천이기(333)에 의한 위상차이고, ΔφXPM은 위쪽과 아래쪽 암 사이에서 상호위상변조에 의한 위상 편이, 즉 제 3 광증폭부(331)에서의 상호위상변조에 의한 위상 편이(ΔφXPM3)와 제 4 광증폭부(345)에서의 위상변조에 의한 위상 편이(ΔφXPM4)의 차이다. 또한, G3AB, G4는 각각 제 3 광증폭부(331)와 제 4 광증폭부(345)에서의 광이득이다. 상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에서 ΔφXPM4=0이고, 특 히 G4는 제 3 광증폭부(311)와 제 4 광증폭부(345) 사이의 이득차를 제어할 수 있도록 조절되어진다.
AB="LL"인 경우, G3LL(이하, G3L)은 큰 값을 가지고 ΔφXPM은 0에 가까운 값을 가질 것이다. 그리고 AB="LH" 또는"HL"인 경우, G3LH와 G3HL은 작은 값의 G3H로 표현될 수 있고 ΔφXPM은 π에 가까운 값을 가질 것이다. 마지막으로, AB="HH"인 경우, G3HH는 매우 작은 값을 가지고 ΔφXPM은 π에 가까운 값을 가질 것이다.
φ2=0에서 네 개의 레벨이 존재하는데, 네 개의 레벨 각각은 φ2에 대한 PO2-LL의 곡선에서 0에 가까운 ΔφXPM에 의해 최대 값을 가지는 PO2-LL(φ2=0) 레벨, φ2에 대한 PO2-LH의 곡선 내의 PO2-LH(φ2=0) 레벨, φ2에 대한 PO2-HL의 곡선 내의 PO2-HL(φ2=0) 레벨, 그리고 φ2에 대한 PO2-HH의 곡선 내의 PO2-HH(φ2=0) 레벨이다.
또한, φ2=π에서도 네 개의 레벨이 존재하는데, 네 개의 레벨 각각은, φ2에 대한 PO2-LL의 곡선에서 0에 가까운 ΔφXPM에 의해 최소 값을 가지는 PO2-LL(φ2=π) 레벨, φ2에 대한 PO2-LH의 곡선 내의 PO2-LH(φ2=π) 레벨, φ2에 대한 PO2-HL의 곡선 내의 PO2-HL(φ2=π) 레벨, 그리고 φ2에 대한 PO2-HH의 곡선 내의 PO2-HH(φ2=π) 레벨이다.
여기서, PO2-AB(φ2=0)와 PO2-AB(φ2=π) 두 곡선 내의 PO2-LL(φ2=0), PO2-LL(φ2=π), PO2-LH(φ2=0) 혹은 PO2-HL(φ2=0), PO2-LH(φ2=π) 혹은 PO2-HL(φ2=π), PO2-HH(φ2=0), 그리고 PO2-HH(φ2=π)의 여섯 개의 레벨들의 값을 알 수 있다면, 이들을 식(6)에 대입하여 PING3L, PING3H, PING3HH, PING4, ΔφXPM3H,그리 고 ΔφXPM3HH의 값들을 얻을 수 있으며, 이들은 아래의 식 (7) 내지 식 (10) 으로 표현될 수 있다.
Figure 112005059939183-pat00007
식 (7)
Figure 112005059939183-pat00008
식 (8)
Figure 112005059939183-pat00009
식 (9)
Figure 112005059939183-pat00010
식 (10)
식(7) 내지 식(10)를 이용하여 제 2 간섭계(330)의 최적의 동작을 위한 최적의 광 이득 및 위상 차를 구할 수 있으며, 그 결과는 이하의 표 1과 2에 정리되어 있다.
표 1.
Figure 112005059939183-pat00011
표 2.
Figure 112005059939183-pat00012
여기서, 설명의 편의를 위해 PING1L=PING2L=a, PING1H=PING2H=b, PING3L=c, PING3H=d, PING3HH=e, 그리고 PING4=f와 같이 정의한다. 또한, 상호위상변조에 의한 위상 편이는 하이레벨에서 π, 그리고 로우레벨에서 0이라고 가정한다.
본 발명의 실시예에서는 제 1 및 제 2 간섭계의 위쪽과 아래쪽 암들 사이의 이득과 위상 차를 조정함으로써, 광논리소자를 최적의 상태로 동작하도록 할 수 있다.
즉, 표 2에 나타난 바와 같이, 이득과 위상 차를 최적화시킴으로써 배타적 논리합, 반전 논리합, 논리합, 그리고 반전 논리곱 연산을 수행할 수 있는 광논리소자를 구현할 수 있다.
또한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 광증폭부들의 바이어스 전류들과 위상천이부들의 제어 전압을 조정함으로써 이득과 위상차를 용이하게 조정할 수 있을 것이다.
또한, 소광비(ER)는 일반식으로 아래의 식 (11)과 같이 표현된다.
Figure 112005059939183-pat00013
식 (11)
본 발명의 실시예에서는 다음과 같은 과정을 거쳐 최대의 소광비를 얻을 수 있다.
먼저, 최대치를 벗어나지 않는 범위 내에서 제 1 내지 제 4 광증폭부(331, 325, 331, 및 345)의 바이어스 전류에 대한 조합들을 적절한 해상도(resolution)로 미리 설정한다.
다음으로, 제 1 간섭계(310)의 제 1 및 제 2 광증폭부(311, 325)에 대해 바이어스 전류들의 모든 조합들을 인가시키면서 PO1-LL(φ1=0), PO1-LL(φ1=π), PO1-LH(φ1=0), PO1-LH(φ1=π), PO1-HL(φ1=0), 그리고 PO1-HL(φ1=π)의 여섯 개의 레벨들의 값을 측정한다. 그리고, 제 2 간섭계(330)의 제 3 광증폭부(331)와 제 4 광증폭부(345)들에 대해 바이어스 전류들의 모든 조합들을 인가시키면서 PO2-LL(φ2=0), PO2-LL(φ2=π), PO2-LH(φ2=0) 혹은 PO2-HL(φ2=0), PO2-LH(φ2=π) 혹은 PO2-HL(φ2=π), PO2-HH(φ2=0), 그리고 PO2-HH(φ2=π)의 여섯 개의 레벨들의 값을 측정한다.
다음으로, 제 1 간섭계(310)에 대해서 PING1L, PING2L, PING1H, PING2H, ΔφXPM1, 및 ΔφXPM2의 값들을 계산하고, PING1L = PING2L = PING3L과 PING1H = PING2H = PING3H의 이득 조건들을 만족하는 최적의 바이어스 전류의 조합을 얻는다. 그리고, 제 2 간섭계(310)에 대해서도 PING3L, PING3H, PING3HH, PING4, ΔφXPM3H, 및 ΔφXPM3HH의 값들을 계산하고 반전 논리합 연산과 논리합 연산 각각에 대해 PING3H = PING4 ≒ PING3HH의 조건과 PING3L = PING4와 PING3H ≒ PING3HH의 조건들을 만족하는 최적의 바이어스 전류의 조합을 얻는다.
이렇게 최적의 바이어스 전류 조합을 얻음으로써, 최적의 소광비를 얻을 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 광논리소자에 대한 실험결과를 나타낸 도면으로, 제 1 및 제 2 광신호(도 7의 (a)와 (b))에 따른 배타적 논리합 연산(도 7의 (c)), 반전 논리합 연산(도 7의 (d)), 논리합 연산(도 7의 (e)), 그리고 반전 논리곱 연산(도 7의 (f))의 결과를 나타낸다.
실험에서는, 1549.79nm의 파장의 광원(튜너블 레이저 다이오드(tunable LD))를 이용하여 연속광신호(PI)를 발생시켰다. 그리고, 제 1 간섭계로 입력되는 제 1 및 제 2 광신호(A, B)를 발생시키기 위해서 1551.47nm의 파장의 광원(DFB LD1)이 사용되었으며, 제 1 및 제 2 광신호의 합신호(C)를 발생시키기 위해서 1553.79nm의 파장의 광원(DFB LD2)이 사용되었다.
본 실험에서, 제 1 및 제 2 광신호(A, B), 그리고 합신호(C)는 펄스 패턴 발생기(pulse pattern generator: PPG)를 이용하여 2.5 Gbps의 속도로 00001111의 반복패턴으로 프로그램되어 직접 광원들(DFB LD1, DFB LD2)을 변조하여 발생하였다.
제 1 간섭계에서, 제 1 광신호와 제 2 광신호의 조합을 발생시키기 위해서, 광분배기를 사용하여 반복패턴으로 변조된 광신호를 두 개의 신호로 나누고, 그 중 한 신호를 전체 신호 패턴의 반주기에 해당하는 시간 지연 라인(time delay line)을 통과하게 하여 제 1 및 제 2 광신호(A, B)의 논리조합이 "LL", "LH", "HL", "HH"를 반복하도록 하였다.
제 2 간섭계에서, 광원(DFB LD2)의 출력이 별도의 마흐-젠더 간섭계를 통과 하도록 하고, 마흐-젠더 간섭계의 한 쪽 암의 중간에 전체 신호 패턴의 반주기에 해당하는 시간 지연 라인을 삽입함으로써 결과적으로 "LL", "LH", "HL", "HH"의 논리 조합을 가진 제 1 및 제 2 광신호가 합해진 신호가 출력되도록 하였다.
도 7의 (c)에 도시된 바와 같이, 제 1 위상천이기에서의 위상 천이 값이 π일 때, 제 1 간섭계의 출력은 제 1 및 제 2 광신호에 대한 배타적 논리합 연산임을 알 수 있다.
도 7의 (d)에 도시된 바와 같이, 제 2 위상천이기에서의 위상 천이 값이 0일 때, 제 2 간섭계의 출력은 제 1 및 제 2 광신호에 대한 반전 논리합 연산임을 알 수 있다.
도 7의 (e)에 도시된 바와 같이, 제 2 위상천이기에서의 위상 천이 값이 π일 때, 제 2 간섭계의 출력은 제 1 및 제 2 광신호에 대한 논리합 연산임을 알 수 있다.
도 7의 (f)에 도시된 바와 같이, 제 1 위상천이기에서의 위상 천이 값이 π이고 제 2 위상천이기에서의 위상 천이 값이 0일 때, 제 1 간섭계의 출력과 제 2 간섭계의 출력은 제 1 및 제 2 광신호에 대한 반전 논리곱 연산임을 알 수 있다.
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 광논리소자는 전광 배타적 논리합 회로 뿐만 아니라 전광 반전 논리합 회로, 전광 논리합 회로, 그리고 전광 반전 논리곱 회로를 구현할 수 있으며, 전광 반전 논리합 회로 또는 전광 반전 논리곱 회로를 구현함으로써 광논리 회로를 용이하게 구현할 수 있는 장점이 있다.
또한, 광논리소자 내에서의 최적의 동작조건을 유도함으로써 소광비를 최대로 할 수 있으며, 비트 에러율을 최소화할 수 있는 장점이 있다.

Claims (22)

  1. 역방향-전파(counter-propagation) 방식의 간섭계를 이용하여 광신호들 간의 논리 연산을 수행하는 소자에 있어서,
    제 1 광신호 및 제 2 광신호에 응답하여 연속광신호를 변조하여 제 1 변조신호를 출력하는 제 1 간섭계;
    상기 제 1 및 제 2 광신호의 합신호에 응답하여 상기 연속광신호를 변조하여 제 2 변조신호를 출력하는 제 2 간섭계를 구비하며,
    상기 제 1 변조신호는 상기 제 1 광신호와 상기 제 2 광신호에 대한 배타적 논리합 연산 결과이고, 상기 제 2 변조신호는 상기 제 1 광신호와 상기 제 2 광신호에 대한 반전 논리합 연산 결과이며, 상기 제 1 변조신호와 상기 제 2 변조신호의 합신호는 상기 제 1 광신호와 상기 제 2 광신호의 반전 논리곱 연산 결과인 것을 특징으로 하는 광논리소자.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 간섭계는,
    상기 제 1 광신호에 응답하여 상기 연속광신호를 위상변조하여 출력하는 제 1 변조부; 및
    상기 제 2 광신호에 응답하여 상기 연속광신호를 위상변조하여 출력하는 제 2 변조부를 구비하며,
    상기 제 1 변조신호는 상기 제 1 변조부의 출력과 상기 제 2 변조부의 출력이 서로 합해지고 간섭된 신호인 것을 특징으로 하는 광논리소자.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 변조부는,
    상기 제 1 광신호에 응답하여 상기 연속광신호를 상호위상변조하는 제 1 광증폭부; 및
    상기 제 1 광증폭부의 출력의 위상을 소정의 값 만큼 천이시키는 제 1 위상천이부를 구비하며,
    상기 제 2 변조부는,
    상기 제 2 광신호에 응답하여 상기 연속광신호를 상호위상변조하는 제 2 광증폭부를 구비하는 것을 특징으로 하는 광논리소자.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 광증폭부는 입력되는 신호의 파워가 소정의 레벨보다 작으면 상기 입력되는 신호의 위상을 지연시키지 않고 출력하고, 입력되는 신호의 파워가 상기 소정의 레벨보다 크면 상기 입력되는 신호의 위상을 소정의 값 만큼 지연시켜 출력하는 것을 특징으로 하는 광논리소자.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 광증폭부는 상기 제 1 광신호의 파워가 하이레벨이면 상기 연속광신호의 위상을 π 만큼 지연시키고, 상기 제 1 광신호의 파워가 로우레벨이면 상기 연속광신호의 위상을 지연시키지 않고,
    상기 제 2 광증폭부는 상기 제 2 광신호의 파워가 하이레벨이면 상기 연속광 신호의 위상을 π 만큼 지연시키고, 상기 제 2 광신호의 파워가 로우레벨이면 상기 연속광신호의 위상을 지연시키지 않고,
    상기 제 1 위상천이부는 상기 제 1 광증폭부의 출력의 위상을 (2n+1)π(여기서, n은 정수) 만큼 천이시키고, 그리고
    상기 제 1 광증폭부의 하이레벨 이득과 상기 제 2 광증폭부의 하이레벨 이득은 동일하고, 상기 제 1 광증폭부의 로우레벨 이득과 상기 제 2 광증폭부의 로우레벨 이득은 동일한 것을 특징으로 하는 광논리소자.
  6. 삭제
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 위상천이부는 상기 제 1 광증폭부의 출력에 응답하여 상기 제 1 광증폭부의 출력을 자기위상변조하는 제 3 광증폭부를 구비하는 것을 특징으로 하는 광논리소자.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 광신호는 상기 제 1 광증폭부로 직접 입력되는 것을 특징으로 하는 광논리소자.
  9. 제 2 항에 있어서, 상기 제 2 간섭계는,
    상기 제 1 광신호와 제 2 광신호의 합신호에 응답하여 상기 연속광신호를 위상변조하여 출력하는 제 3 변조부; 및
    상기 연속광신호를 증폭하여 출력하는 제 4 변조부를 구비하며,
    상기 제 2 변조신호는 상기 제 3 변조부의 출력과 상기 제 4 변조부의 출력이 서로 합해지고 간섭된 신호인 것을 특징으로 하는 광논리소자.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 3 변조부는,
    상기 제 1 광신호와 제 2 광신호의 합신호에 응답하여 상기 연속광신호를 상호위상변조하는 제 4 광증폭부; 및
    상기 제 4 광증폭부의 출력의 위상을 소정의 값 만큼 천이시키는 제 2 위상천이부를 구비하고,
    상기 제 4 변조부는,
    상기 연속광신호를 소정의 이득만큼 증폭하여 출력하는 제 5 광증폭부를 구비하는 것을 특징으로 하는 광논리소자.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 4 광증폭부는 입력되는 신호의 파워가 소정의 레벨보다 작으면 상기 입력되는 신호의 위상을 변화시키지 않고 출력하고, 입력되는 신호의 파워가 상기 소정의 레벨보다 크면 상기 입력되는 신호의 위상을 소정의 값 만큼 변화시켜 출력하는 것을 특징으로 하는 광논리소자.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 4 광증폭부는 상기 제 1 광신호와 상기 제 2 광신호의 합신호의 파워가 하이레벨이면 상기 연속광신호의 위상을 π 만큼 지연시키고, 상기 제 1 광신호와 상기 제 2 광신호의 합신호의 파워가 로우레벨이면 상기 연속광신호의 위상을 지연시키지 않고,
    상기 제 2 위상천이부는 상기 제 4 광증폭부의 출력의 위상을 (2n)π(여기서, n은 정수) 만큼 천이시키고, 그리고
    상기 제 1 광증폭부의 하이레벨 이득, 상기 제 2 광증폭부의 하이레벨 이득, 상기 제 3 증폭부의 하이레벨 이득, 및 상기 제 4 광증폭부의 이득은 서로 동일하고, 상기 제 1 광증폭부의 로우레벨 이득, 상기 제 2 광증폭부의 로우레벨 이득, 및 상기 제 3 증폭부의 로우레벨 이득은 서로 동일한 것을 특징으로 하는 광논리소자.
  13. 삭제
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 4 광증폭부는 상기 제 1 광신호와 상기 제 2 광신호의 합신호의 파워가 하이레벨이면 상기 연속광신호의 위상을 π 만큼 지연시키고, 상기 제 1 광신호와 상기 제 2 광신호의 합신호의 파워가 로우레벨이면 상기 연속광신호의 위상을 지연시키지 않고,
    상기 제 2 위상천이부는 상기 제 4 광증폭부의 출력의 위상을 (2n+1)π(여기서, n은 정수) 만큼 천이시키고, 그리고
    상기 제 1 광증폭부의 하이레벨 이득, 상기 제 2 광증폭부의 하이레벨 이득, 및 상기 제 3 증폭부의 하이레벨 이득은 서로 동일하고, 상기 제 1 광증폭부의 로우레벨 이득, 상기 제 2 광증폭부의 로우레벨 이득, 상기 제 3 증폭부의 로우레벨, 및 상기 제 4 광증폭부의 이득은 서로 동일한 것을 특징으로 하는 광논리소자.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 제 2 변조신호는 상기 제 1 광신호와 상기 제 2 광신호에 대한 논리합 연산 결과인 것을 특징으로 하는 광논리소자.
  16. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 2 위상천이부는 상기 제 4 광증폭부의 출력에 응답하여 상기 제 4 광증폭부의 출력을 자기위상변조하는 제 6 광증폭부를 구비하는 것을 특징으로 하는 광논리소자.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 제 1 광신호와 상기 제 2 광신호의 합은 상기 제 4 광증폭부로 직접 입력되는 것을 특징으로 하는 광논리소자.
  18. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 변조부는 상기 제 1 광신호에 응답하여 상기 연속광신호를 상호위상변조한 후 위상변조된 연속광신호의 위상을 소정의 값 만큼 지연시켜 출력하는 제 1 광증폭부를 구비하는 것을 특징으로 하는 광논리소자.
  19. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 3 변조부는 상기 제 1 광신호와 제 2 광신호의 합신호에 응답하여 상기 연속광신호를 상호위상변조한 후 위상변조된 연속광신호의 위상을 소정의 값 만큼 지연시켜 출력하는 제 3 광증폭부를 구비하는 것을 특징으로 하는 광논리소자.
  20. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 간섭계는 마흐-젠더 간섭계(Mach-Zehnder Interferometer)인 것을 특징으로 하는 광논리소자.
  21. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 간섭계는 미켈슨 간섭계(Michelson Interferometer)인 것을 특징으로 하는 광논리소자.
  22. 동일방향-전파(co-propagation) 방식의 간섭계를 이용하여 광신호들 간의 논리 연산을 수행하는 소자에 있어서,
    제 1 광신호 및 제 2 광신호에 응답하여 연속광신호를 변조하여 제 1 변조신호를 출력하는 제 1 간섭계;
    상기 제 1 광신호와 상기 제 2 광신호의 합신호에 응답하여 상기 연속광신호를 변조하여 제 2 변조신호를 출력하는 제 2 간섭계;
    상기 제 1 간섭계의 출력 중 상기 제 1 광신호 성분을 필터링하여 제 1 변조신호를 출력하는 제 1 대역통과필터; 및
    상기 제 2 간섭계의 출력에서 상기 제 1 광신호와 상기 제 2 광신호의 합신호 성분을 필터링하여 제 2 변조신호를 출력하는 제 2 대역통과필터를 구비하며,
    상기 제 1 변조신호, 제 2 변조신호, 또는 상기 제 1 변조신호와 상기 제 2 변조신호의 합신호 각각은 상기 제 1 광신호와 상기 제 2 광신호에 대한 소정의 논 리 연산 결과인 것을 특징으로 하는 광논리소자.
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