KR101154346B1 - 광 결정 구조에 의한 다중 모드 간섭 기반의 전광 논리 소자 - Google Patents

광 결정 구조에 의한 다중 모드 간섭 기반의 전광 논리 소자 Download PDF

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Abstract

광 결정 구조에 의한 다중 모드 간섭 기반의 전광 논리 소자가 개시된다. 본 발명에 따른 전광 논리 소자는 입력 광신호에 대해 다중 모드 간섭이 일어나도록 하여 생성된 출력 광신호를 출력하는 다중 모드 간섭기를 구비하고, 다중 모드 간섭기에는 굴절률이 주기적으로 변하는 광 결정 구조의 굴절률의 주기성이 입력 광신호가 입력되는 일단으로부터 출력 광신호가 출력되는 타단에 걸쳐 사전에 설정된 너비만큼 제거된 결함으로 이루어진 다중 모드 도파로가 형성된다. 본 발명에 따르면, 광 결정 구조로 형성된 다중 모드 간섭기를 구비함으로써 소자의 크기를 기존의 전광 논리 소자에 비해 10배 이상 축소하여 집적화가 용이하도록 하는 한편 광신호의 진행거리가 짧아져 신호처리의 속도를 현저하게 향상시킬 수 있다. 또한 복수의 입력 광신호 중에서 적어도 하나의 위상이 변조되어 다중 모드 도파로로 입력되도록 함으로써 출력 광신호의 형태가 달라지게 할 수 있으며, 하나의 소자로서 다양한 논리 게이트로 동작하도록 할 수 있다.
전광 논리 소자, 다중 모드 간섭기, 광 결정 구조, 위상 변조

Description

광 결정 구조에 의한 다중 모드 간섭 기반의 전광 논리 소자{All optical logic device based on multimode interference by photonic crystal structure}
본 발명은 광 결정 구조에 의한 다중 모드 간섭 기반의 전광 논리 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 광 결정 구조에 의해 광 도파로를 형성하여 입력된 광신호의 다중 모드 간섭에 의해 출력이 결정되는 전광 논리 소자에 관한 것이다.
최근 초고속 광 네트워크에 대한 연구가 활발히 진행됨에 따라 종래보다 고속의 광신호처리가 가능한 소자가 필요하게 되었다. 그런데 기존의 전기소자는 그 처리속도가 광신호에 비해 매우 느리므로 광신호를 충분히 처리하지 못하였다. 그 결과, 전기신호를 사용하지 않고 모든 신호를 광으로 처리할 수 있는 광소자(optical device)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그 중에서도 트랜지스터 기반의 시스템과 같이 광 기반의 광통신 시스템을 구현하기 위해서는 크기가 작고 집적화가 가능하며, 제조가 용이하고 저손실에 신뢰성이 있는 광 논리 소자(optical logic device)의 개발이 필수적이다.
현재 진행되고 있는 광 논리 소자에 대한 연구는 대부분 큰 사이즈 및 매우 적은 수의 기능과 같이 기본적인 한계를 가지고 있다. 이들은 집적광학을 기반으로 하는 데 있어 크게 두 가지로 나뉘어 연구되고 있는데, 그 중 하나는 비선형 광학을 이용하는 것이다. 이 방법은 진폭 변조(amplitude modulation)가 가능하며, 서로 다른 파장 사이에서 논리회로의 기능을 수행하고, 신호의 위상을 고려하지 않아도 된다는 장점을 가진다. 그러나 비선형 광학을 이용하기 위해 사용되는 물질이 비싸며, 집적화 시스템에서 광회로 및 광칩 등에 적용하기 어렵다는 단점이 있다.
광 논리 소자에 관한 연구 중 다른 하나는 다중 모드 간섭기를 이용하는 것이다. 이 경우에는 일반적인 반도체 물질에 의해 다중 모드 간섭기를 설계하므로 비용이 절감되며, 그 구조가 매우 간단하고, 여러 개의 소자를 다단으로 구성하여 원하는 논리회로를 설계할 수 있다. 그러나 현재까지 연구된 다중 모드 간섭기를 사용한 광 논리 소자는 그 크기가 1mm 내외로, 집적화에 있어 그 장점을 충분히 살리지 못한다는 단점을 가진다. 논리 소자의 소형화에 한계가 있으므로 그에 따라 빛이 진행하는 영역의 길이가 길어져 신호처리의 속도가 지연된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 광 논리 소자가 집적화되어 다양한 응용기기에 적용되고, 처리속도가 향상될 수 있도록 그 크기가 최소화된 광 논리 소자의 개발 필요성이 증대되고 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 최소화된 크기를 가져 집적화가 용이하고 향상된 신호처리 속도를 가지며, 다양한 논리 게이트로 동작할 수 있는 광 결정 구조에 의한 다중 모드 간섭 기반의 전광 논리 소자를 제공하는 데 있다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명에 따른 광 결정 구조에 의한 다중 모드 간섭 기반의 전광 논리 소자는, 입력 광신호에 대해 다중 모드 간섭이 일어나도록 하여 생성된 출력 광신호를 출력하는 다중 모드 간섭기를 구비하며, 상기 다중 모드 간섭기에는 굴절률이 주기적으로 변하는 광 결정 구조의 굴절률의 주기성이 상기 입력 광신호가 입력되는 일단으로부터 상기 출력 광신호가 출력되는 타단에 걸쳐 사전에 설정된 너비만큼 제거된 결함으로 이루어진 다중 모드 도파로가 형성된다.
본 발명에 따른 광 결정 구조에 의한 다중 모드 간섭 기반의 전광 논리 소자에 의하면, 광 결정 구조로 형성된 다중 모드 간섭기를 구비함으로써 소자의 크기를 기존의 전광 논리 소자에 비해 10배 이상 축소하여 집적화가 용이하도록 하는 한편 광신호의 진행거리가 짧아져 신호처리의 속도를 현저하게 향상시킬 수 있다. 또한 복수의 입력 광신호 중에서 적어도 하나의 위상이 변조되어 다중 모드 도파로로 입력되도록 함으로써 출력 광신호의 형태가 달라지게 할 수 있으며, 하나의 소 자로서 다양한 논리 게이트로 동작하도록 할 수 있다.
이하에서 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 광 결정 구조에 의한 다중 모드 간섭 기반의 전광 논리 소자의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 광 결정 구조에 의한 다중 모드 간섭 기반의 전광 논리 소자에 대한 바람직한 실시예의 구성을 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 전광 논리 소자는 다중 모드 간섭기(100), 다중 모드 간섭기(100)로 입력 광신호를 입력하는 입력부(200) 및 다중 모드 간섭기(100)에 의해 생성된 출력 광신호를 입력받아 외부로 출력하는 출력부(300)를 구비한다.
입력부(200)는 입력 광신호가 복수인 경우에 이들 복수의 입력 광신호가 각각 다중 모드 간섭기(100)로 입력되는 통로인 복수의 입력 도파로(210-1, 210-2, 210-3, 이하 210)를 구비하며, 출력부(300)는 출력 광신호가 복수일 경우에 이들이 다중 모드 간섭기(100)로부터 각각 출력되는 통로인 복수의 출력 도파로(310-1, 310-2, 310-3, 이하 310)를 구비한다. 이하에서는 도 1에 도시된 것과 같이 입력 도파로(210)가 세 개이며, 출력 도파로(310) 역시 세 개가 되는 경우를 대표적인 실시예로 하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
또한 입력 광신호 및 출력 광신호의 형태는 1 또는 0을 사용하여 표현한다. 예를 들면, 입력 광신호가 (1,1,0)으로 표현되었다면, 세 개의 입력 도파로(210) 중에서 A 및 B에 해당하는 입력 도파로(210-1, 210-2)에 각각 입력 광신호가 입력되며, C에 해당하는 입력 도파로(210-3)에는 입력 광신호가 입력되지 않는다는 것을 의미한다. 이는 출력 광신호에 대하여도 동일하게 적용된다.
다중 모드 간섭기(100)는 입력 광신호에 대해 다중 모드 간섭이 일어나도록 하여 생성된 적어도 하나의 출력 광신호를 출력부(300)로 출력한다. 또한 다중 모드 간섭기(100)에는 굴절률이 주기적으로 변하는 광 결정 구조의 굴절률의 주기성이 입력 광신호가 입력되는 일단으로부터 출력 광신호가 출력되는 타단에 걸쳐 사전에 설정된 너비만큼 제거된 결함으로 이루어진 다중 모드 도파로(110)가 형성된다.
광 결정(Photonic crystal)이란 유전체를 주기적으로 배열한 물질을 말한다. 본 발명에서 다중 모드 간섭기(100)를 형성하는 광 결정 구조는 굴절률이 서로 다른 두 가지의 유전체가 주기적으로 배열되어 이루어질 수 있으며, 도 1에 도시된 바와 같이 기판에 주기적으로 공기홀(air hole)이 형성된 구조일 수도 있다. 일반적으로 결정 구조를 가지는 물질들은 그 물질을 구성하는 원자나 분자들의 규칙적인 배열에 의해 주기적인 포텐셜(potential)이 생겨 전자들의 움직임(propagation)에 영향을 미치게 된다. 이로 인하여 발생하는 중요한 현상이 밴드갭(bandgap)의 형성이며, 이러한 밴드갭을 이용한 것이 반도체 소자이다.
이러한 개념은 광자(photon)에 대하여도 마찬가지로 적용되는데, 이때는 유전체가 광자에 대한 포텐셜의 역할을 한다. 광자의 경우에도 포텐셜로 작용하는 유전체를 주기적으로 배열하면 전자와 마찬가지로 밴드갭이 형성되는데, 이를 전자 밴드갭(electric bandgap)과 구별하여 광자 밴드갭(photonic bandgap)이라 한다.
도 2a는 실리콘(Si) 내에 직사각형 격자구조를 가지도록 형성된 공기홀 어레이에 의해 형성된 대표적인 2차원 광 결정 구조를 도시한 도면이고, 도 2b는 도 2a의 광 결정 구조에 대해 평면파 전개방법을 수행하여 얻어진 밴드갭 다이어그램이다.
도 2b를 참조하면, 0.245 내지 0.265의 정규화된 주파수(정규화된 주파수는 a/λ, 여기서 a는 광 결정의 격자상수이고 λ는 파장) 범위 내에서 상대적으로 큰 광자 밴드갭이 존재하는 것을 확인할 수 있다. 적은 전파 손실에 적합하도록 파장을 1.55μm로 설정하면 a의 값은 0.4μm으로 결정된다. 그에 따라 광 결정을 구성하는 공기홀의 반경은 0.15μm의 값을 가지게 된다.
이러한 광자 밴드갭에 속하는 주파수를 가지는 광신호가 광 결정으로 입사하면, 입사 방향에 관계없이 매질 내로 전파되지 못하고 전반사하게 된다. 이때 광자결정에서 주기성을 깨뜨리는 국소적인 선 결함(defect)을 인위적으로 만들면, 선 결함으로 입사된 광신호가 광자 밴드갭에 의해 파장보다 작은 공간으로 도파되는 광 도파로를 만들 수 있다. 이것이 도 1에 도시된 다중 모드 간섭기(100)의 다중 모드 도파로(110)이다.
이하에서는 광 도파로에서 일어나는 다중 모드 간섭에 관하여 설명한다. 다중 모드 간섭기(100)는 다양한 간섭 모드(일반적으로 세 가지 이상)를 지원하도록 설계된 도파로이다. 다중 모드 간섭기(100)의 다중 모드 도파로(110)에 광신호를 입사시키고, 다중 모드 도파로(110)로부터 출력되는 광신호를 획득하기 위해서는 다중 모드 도파로(110)의 양단에 통로 역할의 도파로가 배치되어야 한다. 이러한 장치들은 N×M 다중 모드 간섭 커플러(coupler)로 정의된다. 여기서 N과 M은 각각 입력 및 출력 도파로의 개수이다.
다중 모드 간섭 영역에서, 광 필드(light field) Ψ(x,y,z)는 다음 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112009081513180-pat00001
여기서, z는 광신호의 전파 방향, x 및 y는 각각 세로 및 수직 방향, Cv는 필드 시뮬레이션 계수, Ψv(x,y)는 모드 필드 함수, n(x,y)는 굴절률, βv는 모드 전파 상수, 그리고 v=0,1,2,…,m-1은 다중 모드 도파로(110)가 지원하는 간섭 모드의 번호이다.
두 개의 가장 낮은 간섭 모드의 비트 길이(beat length)는 다음의 수학식 2와 같이 표현된다.
Figure 112009081513180-pat00002
여기서, Lπ는 비트 길이, λ는 파장, We는 측방향 확산 깊이(lateral penetration depth), WM은 다중 모드 간섭의 너비이고, 일반적으로 We≒WM이다.
이론적 분석에 의하면, Ψ(x,y,z+L)은 z+L 위치에서의 Ψ(x,y,z) 형식의 이미지에 해당하며, Cv 및 모드 위상 인자(mode phase factor)에 의존한다. 따라서 L의 값이 다음 수학식 3의 단일 이미지 조건을 만족할 때 광 필드는 반복된다.
Figure 112009081513180-pat00003
3×3 다중 모드 간섭에서, 크로스 포트(cross port)로부터 방사되는 비대칭적인 입력 광신호는 위상이 각각 5π/6, 2π/3 및 π이며, 세 개의 자가 이미지(self image)를 생성한다. 따라서 이러한 자가 이미지가 발생하는 다중 모드 간섭의 간격 내에서 선택된 몇 개의 지점에서의 위상 변조는 출력 이미지를 변화시킬 수 있다.
최종적으로, 커플러 길이 L, 즉 다중 모드 도파로(110)의 길이는 다음의 수학식 4와 같이 주어질 수 있다.
Figure 112009081513180-pat00004
여기서, N은 입력 필드의 이미지이다.
도 1에 도시된 본 발명에 따른 전광 논리 소자는 최대 세 개의 입력 광신호 및 최대 세 개의 출력 광신호를 통과시킬 수 있다. 따라서 다중 모드 간섭기(100) 는 3×3 다중 모드 간섭을 일으킬 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 광 결정 구조에서 주기성이 제거된 결함에 의해 형성된 다중 모드 도파로(110)를 구비하는 다중 모드 간섭기(100)를 사용함으로써 본 발명에 따른 전광 논리 소자의 크기를 현저하게 최소화시킬 수 있다. 구체적으로, 현재까지 연구된 다중 모드 간섭기를 이용한 전광 논리 소자는 그 크기가 1mm 내외로 설계되어 집적화에 있어서 바람직하지 않다. 그러나 본 발명에 따른 광 결정 구조의 다중 모드 간섭기(100)를 구비한 전광 논리 소자는 그 크기를 1/10에서 최대 1/40까지 소형화시킬 수 있으므로 집적화에 용이하다. 나아가 소자의 크기 축소로 인해 광신호의 진행 거리가 감소하므로 광신호의 처리 속도에 있어서도 현저한 향상을 보이게 된다. 본 발명에 따른 전광 논리 소자의 대표적인 실시예에 있어서 각 부의 구체적인 크기에 관하여는 뒤에 상세하게 설명한다.
도 1에 도시된 전광 논리 소자의 다중 모드 간섭기(100)로 입력되는 최대 세 개의 입력 광신호 및 다중 모드 간섭기(100)로부터 출력되는 최대 세 개의 출력 광신호들은 다중 모드 도파로(110)의 일단 및 타단에 각각 결합된 광 도파로 형태의 장치에 의해 다중 모드 간섭기(100)로 입력되거나 다중 모드 간섭기(100)로부터 출력될 수 있다. 이때 복수의 입력 광신호 중에서 적어도 하나의 위상은 나머지 입력 광신호와 상이하도록 설정될 수 있다.
앞에서 설명한 것과 같이 입력 광신호의 위상 변조는 출력 광신호를 변화시킨다. 복수의 입력 광신호에 대해 다중 모드 간섭기(100)에서 일어나는 다중 모드 간섭에 의해 출력 광신호의 형태가 결정되는데, 복수의 입력 광신호 중에서 적어도 하나의 위상이 다른 입력 광신호와 달라지면 간섭 패턴이 일반적인 경우와 달라진다.
복수의 입력 광신호 중에서 적어도 하나의 위상이 달라지도록 하기 위해서는 다중 모드 도파로(110) 또는 복수의 입력 도파로(210)로 입력되는 입력 광신호의 위상을 처음부터 다르게 하여 입력할 수도 있다. 그러나 복수의 입력 도파로(210)의 입구에 파장, 위상 및 편광이 모두 동일한 복수의 입력 광신호를 각각 입력하고, 입력 도파로(210)의 길이를 조절함으로써 결과적으로 다중 모드 도파로(110)에 입력되는 입력 광신호의 위상이 달라지도록 할 수 있다.
한편, 입력부(200) 및 출력부(300)는 다중 모드 간섭기(100)와 같이 광 결정 구조로 형성되어 다중 모드 간섭기(100)에 일체로 결합된 형태를 가질 수 있다. 즉, 도 1에 도시된 바와 같이 다중 모드 간섭기(100)의 일단에 결합된 입력부(200)에는 광 결정 구조의 굴절률의 주기성이 다중 모드 간섭기(100)의 길이 방향과 동일한 방향으로 제거된 결함으로 이루어진 복수의 입력 도파로(210)가 형성되며, 다중 모드 간섭기(100)의 타단에 결합된 출력부(300)에도 마찬가지로 광 결정 구조의 굴절률의 주기성이 다중 모드 간섭기(100)의 길이 방향과 동일한 방향으로 제거된 결함으로 이루어진 복수의 출력 도파로(310)가 형성되어 있다. 이와 같이 입력부(200)와 출력부(300)도 다중 모드 간섭기(100)와 같이 광 결정 구조를 가지도록 형성함에 따라 전광 논리 소자의 크기를 최소화시킬 수 있다.
이때 입력 도파로(210) 및 출력 도파로(310)의 너비는 광 결정 구조의 굴절률의 주기성이 1열만큼 제거된 것과 동일한 너비로 설정될 수 있으며, 이웃한 입력 도파로(210) 또는 출력 도파로(310) 사이의 간격은 광 결정 구조의 최소 3열에 해당하는 너비로 설정될 수 있다. 그에 따라 다중 모드 도파로(110)의 너비 역시 복수의 입력 도파로(210) 또는 출력 도파로(310)가 모두 다중 모드 도파로(110)와 연결될 수 있도록 설정된다.
입력부(200)가 이와 같이 광 결정 구조로 형성되었을 때 복수의 입력 도파로(210)의 길이는 광 결정 구조에서의 주기의 개수를 조절함으로써 결정될 수 있다. 예를 들면, 도 1에서 입력 도파로 C(210-3)는 입력 도파로 A 및 B(210-1, 210-2)에 비해 한 주기만큼 더 길게 형성되어 있는데, 이러한 입력 도파로(210)의 길이의 차이가 입력 광신호의 위상을 변조시키며, 출력 광신호를 변화시키게 된다. 또한 복수의 입력 도파로(210) 사이의 길이 차이는 원하는 출력 광신호의 형태에 따라 적절하게 설정할 수 있다.
도 3은 입력 광신호의 위상 변조 전후의 출력 신호의 형태 변화를 비교하여 나타낸 도면이다. 도 3을 참조하면, 입력 광신호의 위상을 변조시키기 위해 세 개의 입력 도파로(210) 중에서 하나의 길이가 나머지 두 개의 입력 도파로(210)의 길이보다 길게 설계된다. 그에 따라 (1,0,1)과 같이 입력되는 세 개의 입력 광신호의 위상이 모두 동일한 경우에는 출력 광신호가 (0,1,0)과 같이 얻어지지만, 하나의 입력 도파로(210)로 입력되는 입력 광신호의 위상을 변조시킴으로써 (1,1,0)과 같은 출력 광신호가 얻어지게 된다. 이와 같이 본 발명에서는 원하는 출력 광신호가 얻어지도록 입력 광신호의 위상을 조절할 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 전광 논리 소자에서 다양한 입력 광신호의 형태에 따 른 출력 광신호의 형태를 알아보기 위해 수행한 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
시뮬레이션을 위한 전광 논리 소자는 1.55μm 파장의 광신호를 통과시키도록 설계되었으며, 공기홀의 반경은 150nm, 격자 상수는 400nm, 실리콘의 굴절률은 3.478, 그리고 공기홀의 굴절률은 1.0으로 각각 설정되었다. 굴절률의 주기성이 제거되어 형성된 도파로의 전파 손실은 1.6dB/mm이다. 또한 다중 모드 도파로(110)의 너비는 4.8μm, 길이는 64μm로 설계되었으며, 두 개의 이웃한 입력 도파로(210) 또는 출력 도파로(310) 사이의 간격은 1.2μm이다. 전광 논리 소자 전체로는 3.2μm의 입력 길이를 포함하여 70μm의 길이를 가지게 된다.
이는 종래의 전광 논리 소자가 700μm 이상의 크기를 가지던 것과 비교하면 1/10 이상 소형화된 크기에 해당한다. 나아가 전광 논리 소자의 두께 역시 수 μm 이내, 바람직하게는 1μm까지 최소화시키는 것이 가능하다. 이와 같이 소자의 크기를 최소화할 수 있는 것은 다중 모드 간섭기(100)를 광 결정 구조에 의해 구현함으로써 일반적인 도파로에 비해 작은 크기를 가지기 때문이다. 따라서 다중 모드 간섭기(100) 뿐만 아니라 입력부(200)와 출력부(300)도 광 결정 구조에 의해 구현하는 것이 소자 크기의 최소화를 위해 바람직하다.
전술한 전광 논리 소자의 각 부 크기는 소자를 최대로 소형화시켰을 때 가질 수 있는 값이며, 원하는 출력 광신호의 형태에 따라 각 부의 크기를 변화시켜 설게할 수 있다.
도 4의 (a) 내지 (g)에 도시된 패턴은 좌측의 입력 도파로(210)로부터 입력 된 입력 광신호들 사이에 다중 모드 간섭이 일어나 우측의 출력 도파로(310)를 통해 출력되는 경로를 나타낸다. 먼저 도 4의 (a) 내지 (c)를 참조하면, 하나의 입력 광신호만 입력되는 경우에는 세 개의 출력 도파로(310) 모두를 통해 출력 광신호가 출력된다. 다음으로 도 4의 (d) 내지 (f)를 참조하면 두 개의 입력 광신호가 입력되는 경우에는 두 개의 출력 광신호가 생성되며, 도 4의 (g)에 도시된 바와 같이 세 개의 입력 도파로(210) 모두를 통해 입력 광신호가 입력되면 출력 도파로 Ⅱ(310-2)에서만 출력 광신호가 얻어진다.
이와 같이 본 발명에 따른 전광 논리 소자에서는 복수의 입력 광신호가 입력될 때 적어도 하나의 위상을 변조시킴으로써 기존의 출력 광신호와 다른 형태의 출력이 얻어지도록 할 수 있으며, 그에 따라 하나의 소자로서 다양한 논리 게이트의 기능을 하도록 할 수 있다.
다음의 표 1은 본 발명에 따른 전광 논리 소자가 OR 논리 게이트의 기능을 수행할 때 입?출력 광신호의 형태를 나타낸 것이다.
입력
광신호
 A 0 0 0 1 0 1 1 1
B 0 0 1 0 1 0 1 1
C 0 1 0 0 1 1 0 1
출력 광신호(Ⅱ) 0 1 1 1 1 1 1 1
표 1을 참조하면, A, B 및 C 입력 도파로(210)를 통해 입력되는 입력 광신호가 하나도 없을 때를 제외하고는 모든 경우에 대해 출력 도파로 Ⅱ(310-2)를 통해 출력 광신호가 얻어지게 된다. 따라서 출력 도파로 Ⅱ(310-2)를 출력 포트로 지정하였을 때 본 발명에 따른 전광 논리 소자는 OR 논리 게이트에 해당한다.
다음으로 입력 도파로 B(210-2)로 입력되는 입력 광신호를 제어 광신호로 지정하고 출력 도파로 Ⅰ(310-1) 또는 Ⅲ(310-3)을 출력 포트로 지정하는 경우, 본 발명에 따른 전광 논리 소자는 입력 도파로 A(210-1) 또는 C(210-3)로 입력되는 입력 광신호에 대해 NOT 논리 게이트로 동작할 수 있다. 아래의 표 2 및 표 3에 그 결과를 나타내었다.
입력 광신호 A 0 1
제어 광신호 B 1 1
출력 광신호(Ⅰ) 1 0
입력 광신호 C 0 1
제어 광신호 B 1 1
출력 광신호(Ⅲ) 1 0
마찬가지로, 입력 도파로 A(210-1)로 입력되는 입력 광신호를 제어 광신호로 지정하고 출력 도파로 Ⅰ(310-1) 또는 Ⅲ(310-3)을 출력 포트로 지정하는 경우, 본 발명에 따른 전광 논리 소자는 입력 도파로 B(210-2) 또는 C(210-3)로 입력되는 입력 광신호에 대해 NOT 논리 게이트로 동작할 수 있다. 아래의 표 4 및 표 5에 그 결과를 나타내었다.
입력 광신호 B 0 1
제어 광신호 A 1 1
출력 광신호(Ⅰ) 1 0
입력 광신호 C 0 1
제어 광신호 A 1 1
출력 광신호(Ⅲ) 1 0
한편, 입력 도파로 C(210-3)로 입력되는 입력 광신호를 제어 광신호로 지정하고 출력 도파로 Ⅰ(310-1)을 출력 포트로 지정하면 본 발명에 따른 전광 논리 소자는 NAND 논리 게이트로도 동작할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 전광 논리 소자가 NAND 논리 게이트로 동작할 때 입력 광신호에 따른 출력 광신호는 다음의 표 6과 같다.
제어 광신호 C 1 1 1 1
입력
광신호		 B 0 1 0 1
A 0 0 1 1
출력 광신호(Ⅰ) 1 1 1 0
마지막으로 입력 도파로 C(210-3)로 입력되는 입력 광신호를 제어 광신호로 지정하고 출력 도파로 Ⅲ(310-3)을 출력 포트로 지정하면 본 발명에 따른 전광 논리 소자는 NOR 논리 게이트로 동작하게 된다. 이는 앞에서 설명한 NAND 논리 게이트와 제어 광신호는 동일하며 출력 포트로 지정된 출력 도파로(310)만 상이한 것이다. NOR 논리 게이트로의 동작은 다음의 표 7과 같다.
제어 광신호 C 1 1 1 1
입력
광신호		 B 0 1 0 1
A 0 0 1 1
출력 광신호(Ⅲ) 1 0 0 0
이상에서 설명한 바와 같이 복수의 입력 도파로(210) 중에서 어느 하나로 입력되는 입력 광신호를 제어 광신호로 지정하고 복수의 출력 도파로(310) 중에서 어느 하나를 논리 게이트의 출력 포트로 지정함으로써, 본 발명에 따른 전광 논리 소자가 원하는 논리 게이트로 동작하도록 하는 것이 가능하다. 또한 앞에서 설명한 다양한 논리 게이트로의 동작은 본 발명에 따른 전광 논리 소자에 대한 하나의 실시예에 따른 것일 뿐이며, 각 부의 크기 조절 및 제어 신호와 출력 포트의 지정 변경 등을 통해 다른 논리 게이트로 동작하게 할 수도 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 전광 논리 소자는 실리콘을 기반으로 한 광 결정 구조의 다중 모드 간섭기(100)를 구비함에 따라 그 크기가 기존의 전광 논리 소자에 비해 현저하게 축소되어 집적화 및 저비용으로의 대량 생산이 가능하다. 또한 소자의 크기 최소화에 따라 광신호의 진행 거리 역시 짧아지게 되어 신호처리 속도에서도 현저한 향상을 가져올 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 광 결정 구조에 의한 다중 모드 간섭 기반의 전광 논리 소자에 대한 바람직한 실시예의 구성을 도시한 도면,
도 2a 및 도 2b는 각각 대표적인 2차원 광 결정 구조를 도시한 도면 및 평면파 전개방법에 의해 얻어진 밴드갭 다이어그램,
도 3은 입력 광신호의 위상 변조 전후의 출력 신호의 형태 변화를 비교하여 나타낸 도면, 그리고,
도 4는 본 발명에 따른 전광 논리 소자에서 다양한 입력 광신호의 형태에 따른 출력 광신호의 형태를 알아보기 위해 수행한 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.

Claims (6)

  1. 입력 광신호에 대해 다중 모드 간섭이 일어나도록 하여 생성된 출력 광신호를 출력하며, 굴절률이 주기적으로 변하는 광 결정 구조의 굴절률의 주기성이 상기 입력 광신호가 입력되는 일단으로부터 상기 출력 광신호가 출력되는 타단에 걸쳐 사전에 설정된 너비만큼 제거된 결함으로 이루어진 다중 모드 도파로가 형성된 다중 모드 간섭기;
    광 결정 구조의 굴절률의 주기성이 상기 다중 모드 간섭기의 길이 방향과 동일한 방향으로 제거된 결함으로 이루어진 복수의 입력 도파로가 형성되며, 상기 다중 모드 간섭기의 일단에 일체로 결합되어 상기 다중 모드 도파로로 상기 입력 광신호가 입력되도록 하고, 상기 복수의 입력 도파로 중에서 적어도 하나의 길이가 나머지 입력 도파로의 길이와 상이하게 형성되어 상기 다중 모드 도파로로 입력되는 입력 광신호의 위상을 변조시키는 입력부; 및
    광 결정 구조의 굴절률의 주기성이 상기 다중 모드 간섭기의 길이 방향과 동일한 방향으로 제거된 결함으로 이루어진 복수의 출력 도파로가 형성되며, 상기 입력부가 결합된 일단과 마주보는 상기 다중 모드 간섭기의 타단에 일체로 결합된 출력부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전광 논리 소자.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 광 결정 구조는 복수의 공기홀(air hole)이 규칙적으로 배열된 구조인 것을 특징으로 하는 전광 논리 소자.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 입력 광신호의 입력 패턴에 따라 OR, NOT, NAND 및 NOR 논리 게이트 중에서 어느 하나의 논리 게이트로 동작하는 것을 특징으로 하는 전광 논리 소자.
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