KR101408471B1 - 광 기반 상호접속부 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전자 모자이크들 사이에 전자기 신호로 인코딩된 데이터를 전송하는 광 기반 상호접속부에 관한 것이다. 본 발명의 일실시예에서, 광(photonic) 기반의 상호접속부는 도파관을 통해 제 2 광 노드에 결합된 제 1 광 노드를 포함한다. 제 1 광 노드(1202)는 제 1 전자 모자이크(1208)에 결합되며, 제 1 전자 모자이크(1208)에 의해 생성된 데이터를 인코딩하는 전자기 신호를 제 2 전자 모자이크(1210)로 송신하고 제 2 전자 모자이크(1210)에 의해 생성된 데이터를 인코딩하는 전자기 신호를 수신하도록 구성된다. 제 2 광 노드(1204)는 제 2 전자 모자이크(1210)에 결합되며, 제 2 전자 모자이크에 의해 생성된 데이터를 인코딩하는 전자기 신호를 제 1 전자 모자이크로 송신하고 제 1 전자 모자이크에 의해 생성된 데이터를 인코딩하는 전자기 신호를 수신한다. 버스 도파관(1206)은 제 1 광 노드와 제 2 광 노드 사이에 전자기 신호를 전송하도록 구성된다.

Description

광 기반 상호접속부{PHOTONIC-BASED INTERCONNECTS FOR INTERCONNECTING MULTIPLE INTEGRATED CIRCUITS}
본 발명은 광(photonics) 기반의 상호접속부에 관한 것으로서, 특히 전자 모자이크들 사이에 전자기 신호로 인코딩된 데이터를 전송하는 광 기반 상호접속부에 관한 것이다.
1960년대 중반에, 집적 회로("칩") 상에 제조된 트랜지스터의 수는 대략 매 18개월마다 배가된 것으로 반도체 제조업자에 의해 관찰되었다. 이러한 경향은 지속되어 이제 "무어의 법칙"이라고 부른다. 트랜지스터의 수는 컴퓨터 처리 능력의 대략적인 측정치로 보이는데, 이는 데이터 처리 속도에 대응한다. 무어의 법칙의 다른 변형은 메모리 칩 내의 메모리 셀의 밀도 또는 메모리 용량과 관련이 있다. 무어의 법칙이 원래 관찰에 의해 이루어졌지만, 시간이 경과함에 따라 무어의 법칙은 컴퓨터 처리 능력 및 메모리 용량을 증가시키기 위한 목표로서 반도체 산업에 의해 널리 받아들여졌다. 그 결과, 반도체 제조업자는 칩 부품들의 크기를 마이크로스케일(microscale) 및 심지어는 나노스케일의 치수까지 축소하는 기술을 개발하 였다. 이들 칩은 통상 패키지에 삽입되며, 이 패키지는 회로 보드 상에 패터닝된 신호 와이어에 의해 다른 칩들 또는 전자 디바이스에 접속될 수 있다.
도 1a 내지 1c는 데이터를 다른 칩 및 디바이스에 전송하기 위한 회로 보드 상호접속부를 구비한 예시적인 칩 및 패키지를 도시한 것이다. 도 1a는 예시적인 칩(102) 및 패키지(104)의 평면도이다. 패키지(104)는 9개의 평행한 신호 와이어(106 내지 109)로 이루어진 4개의 개별 세트에 접속되고, 각각의 신호 와이어 세트를 "와이어 버스"라고 한다. 각각의 와이어 버스(106 내지 109)는 칩(102)과 동일 회로 보드 또는 상이한 회로 보드 상에 위치해 있는 다른 칩 또는 디바이스(도시되어 있지 않음) 사이에서 병렬로 데이터를 전송한다. 예를 들어, 와이어 버스(106)는 동일한 회로 보드(도시되어 있지 않음) 상에 위치하는 RAM(random access memory) 칩에 직접 접속될 수 있으며, 와이어 버스(108)는 상이한 회로 보드(도시되어 있지 않음) 상에 위치해 있는 센서에 접속될 수 있다.
도 1b는 도 1a에 도시된 칩(102) 및 패키지(104)의 확대도이다. 칩(102)은 접촉 패드(110)와 같은 칩(102)의 주변 가까이에 위치해 있는 복수의 접촉 패드를 포함하며, 패키지(104)는 핀(112)과 같은 패키지(104)의 주변에 위치해 있는 복수의 핀을 포함한다. 각각의 접촉 패드는 리드선을 통해 단일 핀에 접속되고, 각각의 핀은 와이어 버스 내의 와이어에 직접 접속된다. 예를 들어, 접촉 패드(110)는 리드선(114)을 통해 핀(112)에 접속되고, 핀(112)은 버스 와이어(116)에 접속된다. 칩(102)에 의해 송신 또는 수신된 각각의 전기 신호는 접촉 패드, 리드선, 핀 및 와이어 버스 내의 와이어들 중 하나에 의해 운반된다.
도 1c는 도 1b에 도시된 칩(102) 및 패키지(104)의 단면도이다. 도 1c에 도시된 바와 같이, 칩(102) 및 패키지(104)는 회로 보드(118)에 의해 지원된다. 칩(102)은 Si 트랜지스터층(120), 로컬 상호접속부(122) 및 글로벌 상호접속부(124)를 포함한다. Si 트랜지스터층(120)은 트랜지스터 부품, 전류 소스 및 드레인(도시되어 있지 않음)을 포함한다. 비아(126)와 같은 로컬 상호접속부(122) 내의 비아는 Si 트랜지스터층(120) 내의 디바이스들을 상호접속하고, 글로벌 상호접속부(124) 내의 비아는 Si 트랜지스터층(120)을 접촉 패드에 상호접속한다. 예를 들어, 비아(128)는 Si 트랜지스터층(120)을 접촉 패드(110)에 상호접속한다. 로컬 상호접속부(122)는 Si 트랜지스터층(120)의 부품들 사이에 신호를 분배함으로써 멀티플렉서 역할을 하며, 글로벌 상호접속부(124)는 Si 트랜지스터층(120) 내에서 생성된 신호를 다른 칩들 또는 디바이스들에게 분배함으로써 멀티플렉서 역할을 한다. 예를 들면, 비아(128)는 핀(112) 및 리드선(114)을 통해 와이어(116)에 결합되는 접촉 패드(110)에 신호를 전송한다.
데이터를 제 1 칩으로부터 제 2 칩으로 전송하기 위해, 제 1 칩은 데이터를 인코딩하는 하나 이상의 신호를 다중화한다. 신호들은 제 1 칩의 주변에 있는 글로벌 상호접속부에 의해 다중화되고, 와이어 버스를 통해 제 2 칩으로 전송된다. 와이어 버스 내의 각각의 와이어는 다중화된 신호들 중 한 신호를 운반한다. 제 2 칩의 글로벌 상호접속부는 제 2 칩이 데이터를 처리하는데 사용하는 하나 이상의 신호를 획득하기 위해 신호들을 역다중화한다. 도 1d는 예시적인 마이크로프로세싱(CPU) 칩(130) 및 예시적인 RAM 칩(132) 사이의 와이어 버스 상호접속부를 도시 한 것이다. CPU 칩(130)을 RAM 칩(132)에 접속하는 와이어 버스는 5개의 버스 와이어(134 내지 138)를 포함한다. CPU 칩(130)은 RAM 칩(132) 내에 일시적으로 저장되는 데이터를 생성한다고 가정한다. CPU 칩(130)은 접촉 패드(140)를 통해 신호를 분배함으로써 데이터에 대응하는 신호를 다중화한다. 분배된 신호는 버스 와이어(134 내지 138)를 통해 RAM 칩(132)의 접촉 패드로 전송된다. RAM 칩은 접촉 패드(142)에 의해 수신된 분배 신호를 RAM 칩(132)의 하나 이상의 메모리 셀 내에 데이터를 저장하는데 사용될 수 있는 보다 적은 수의 신호로 역다중화한다.
최근의 반도체 제조 방법은 칩 내의 트랜지스터 및 메모리 셀의 밀도를 증가시키는 것을 가능하게 하였지만, 이들 칩을 상호접속하는데 필요한 와이어의 수가 증가하였으며, 이는 보다 넓은 회로 보드 표면 영역 및 보다 긴 버스 와이어에 대한 요구를 증가시켰다. 그 결과, 칩 클록 사이클에서 측정된 칩들 사이에 데이터를 전송하는데 필요한 시간이 증가하였다. 반도체 제조업자들은 보다 많은 와이어가 보다 적은 표면적 내에 맞도록 와이어의 단면 크기를 축소하는 기술을 개발함으로써 대응하여 왔지만, 이들 단면 크기에는 한계가 있다. 예를 들면, 와이어 크기가 감소함에 따라 보다 많은 와이어가 보다 작은 표면적에 패킹되므로, 인접 와이어 상에서 전송된 신호들 사이의 간섭과 같은 간섭 효과의 수가 증가하고, 열적 효과의 수가 증가하는데, 이는 와이어 단면 크기가 감소함에 따라 와이어 저항이 증가하기 때문이다. 이들 물리적 한계는 반도체 제조업자들이 마이크로스케일 및 나노스케일의 반도체 제조 기술에 의해 제공된 소형화를 계속해서 이용할 수 있게 하지 못한다. 또한, 칩 경계에서 수행된 멀티프렉싱 및 디멀티플렉싱의 진성 캐패시 턴스는 칩의 캐패시턴스를 크게 초과할 수 있는데, 이는 칩들 사이의 신호 전송 속도를 감소시킨다. 제조업자, 설계자 및 컴퓨팅 디바이스의 사용자는 칩들과 다른 전자 디바이스들 사이에 고 대역폭 및 고속 글로벌 상호접속을 제공하는 상호접속부에 대한 필요성을 인식하였다. 또한,
본 발명의 다양한 실시예는 전자 모자이크들 사이의 전자기 신호에 인코딩된 데이터를 전송하는 광 기반 상호접속에 관한 것이다. 본 발명의 일실시예에서, 광(photonic) 기반의 상호접속은 도파관을 통해 제 2 광 노드에 결합된 제 1 광 노드를 포함한다. 제 1 광 노드는 제 1 전자 모자이크에 결합되며, 제 1 전자 모자이크에 의해 생성된 데이터를 인코딩하는 전자기 신호를 제 2 전자 모자이크로 송신하고 제 2 전자 모자이크에 의해 생성된 데이터를 인코딩하는 전자기 신호를 수신하도록 구성된다. 제 2 광 노드는 제 2 전자 모자이크에 결합되며, 제 2 전자 모자이크에 의해 생성된 데이터를 인코딩하는 전자기 신호를 제 1 전자 모자이크로 송신하고 제 1 전자 모자이크에 의해 생성된 데이터를 인코딩하는 전자기 신호를 수신한다. 버스 도파관은 제 1 광 노드와 제 2 광 노드 사이에 전자기 신호를 전송하도록 구성된다.
도 1a 내지 1d는 예시적인 칩 상호접속 부품을 도시한 도면.
도 2는 1차원 광결정(photonic crystal)의 일례를 도시한 도면.
도 3은 2차원 광결정의 일례를 도시한 도면.
도 4a 및 4b는 제 1 일차원 광결정 및 제 2 일차원 광결정에 대한 주파수대 웨이브 벡터 z 성분의 가상 함수.
도 5 내지 6은 2개의 2차원 광결정의 사시도.
도 7a 및 7b는 도 5에 도시된 2차원 광결정 내의 교차하는 전기장 및 자기장 모드의 전파를 도시한 도면.
도 8은 도 5에 도시된 2차원 광결정에서 전파하는 교차 전기장 및 자기장 모드의 광 밴드 구조를 도시한 도면.
도 9는 2개의 공진 공동(cavity) 및 도파관를 갖는 광결정의 일례를 도시한 도면.
도 10은 도 9에 도시된 광결정의 도파관에 대한 웨이브 벡터의 크기대 주파수의 가상 함수.
도 11a 내지 11e는 전자기 신호로 인코딩된 정보의 예를 도시한 도면.
도 12는 본 발명의 일실시예를 나타내는 2개의 전자 모자이크를 상호접속하는 제 1 광 기반의 상호접속부를 도시한 도면.
도 13은 본 발명의 일실시예를 나타내는 4개의 전자 모자이크를 상호접속하는 제 2 광 기반의 상호접속부를 도시한 도면.
도 14는 본 발명의 일실시예를 나타내는 도 13에 도시된 4개의 전자 모자이크를 상호접속하는 제 3 광 기반의 상호접속부를 도시한 도면.
도 15는 본 발명의 일실시예를 나타내는 전자 모자이크로부터 분리된 광 기반의 상호접속부의 사시도.
도 16은 본 발명의 일실시예를 나타내는 도 15에 도시된 광 기반의 상호접속부의 평면도.
도 17은 본 발명의 일실시예를 나타내는 제 1 광 노드를 도시한 도면.
도 18은 본 발명의 일실시예를 나타내는 제 2 광 노드를 도시한 도면.
도 19는 본 발명의 일실시예를 나타내는 도 18에 도시된 제 2 광 노드의 동작을 도시한 도면.
도 20a는 본 발명의 많은 실시예들 중 하나를 나타내는, 드롭(drop) 필터 또는 부가(add) 필터로 사용될 수 있는 공진 공동을 도시한 도면.
도 20b는 본 발명의 많은 실시예들 중 하나를 나타내는 검출기/변조기의 제 1 구성을 도시한 도면.
도 20c는 본 발명의 많은 실시예들 중 하나를 나타내는 검출기/변조기의 제 2 구성을 도시한 도면.
도 21은 광섬유-도파관 결합기를 도시한 도면.
도 22는 본 발명의 일실시예를 나타내는 광 기반의 상호접속부를 통해 상호접속된 4개의 칩을 포함하는 네트워크를 도시한 도면.
본 발명의 다양한 실시예는 전자 모자이크들의 서브시스템들 사이의 전자기 신호로 인코딩된 데이터를 전송하는 광 기반 상호접속에 관한 것이다. "서브시스템(subsystem)"이란 용어는 CPU, 메모리, 센서 또는 로직 셀과 같은 단일의 범용 집적 회로를 지칭하는데 사용된다. "전자 모자이크(electronic mosaic)"란 용어는 하나 이상의 상호접속된 서브시스템을 지칭하는데 사용된다. 예를 들어, "전자 모자이크"란 용어는 상호접속된 로직 셀들의 매트릭스를 특징으로 하는 FPGA(field programmable gate array) 또는 복수의 상이한 상호접속된 서브시스템을 특징으로 하는 ASIC(application specific integrated circuit)을 지칭하는데 사용될 수 있다. "광(photonic)"이라는 용어는 고전적인 전자기 신호 또는 전자기 스펙트럼에 걸쳐있는 양자화된 전자기 신호를 전달하는 데에 사용될 수 있는 디바이스를 지칭한다. 다시 말하면, 본 발명의 실시예를 기술하기 위해 사용된 "광"이라는 용어는 "광자(photons)"로도 지칭되는 전자기 신호의 단일 양자들을 전달하기 위한 디바이스에 한정되지 않는다.
본 발명의 광 기반 상호접속 실시예는 상이한 전자 모자이크의 일부분인 서브시스템을 상호접속하는데 사용된 와이어 기반의 글로벌 상호접속부를 대체하는데 사용될 수 있다. 광 기반의 상호접속을 이용하여 전자기 신호로 인코딩된 데이터를 전송하는 것은 와이어 기반의 상호접속을 통해 전기 신호로 인코딩된 데이터를 전송하는 것에 비해 복수의 이점을 갖는다. 예를 들어, 전기 신호는 Cu 및 Al 와이어를 통해 약 c/3로 전송될 수 있는데, 여기서 c는 자유 공간에서의 광의 속도(약 300,000k/s)를 나타낸다. 반면에, 광섬유 및 광결정 도파관과 같은 광 디바이스를 통해 전파되는 전자기 신호는 약 c/1.5로 전송되는데, 이 속도는 와이어 기반의 상호접속에 의해 허용된 속도의 약 2배이다. 또한, 광 디바이스에 의해 제공된 대역폭은 와이어 버스보다 훨씬 더 높다. 예를 들어, 와이어 버스 내의 각각의 와이어는 단일 전기 신호를 전송할 수 있다. 반면에, 단일 광섬유는 약 100개 또는 그 이상의 전자기 신호를 전송할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 대한 설명을 이해하는 것을 돕기 위해, 관련된 주제의 개요 소구분들을 제공하였다. 광결정(photonic crystal) 및 도파관의 개요를 첫번째 소구분에 제공하였다. 전자기 신호의 인코딩 데이터의 개요를 두 번째 소구분에 제공하였다. 마지막으로, 본 발명의 다양한 시스템 실시예를 세 번째 소구분에 기술하였다.
광결정, 도파관 및 공진 공동(resonant cavity)의 개요
본 발명의 실시예는 광결정, 돌출부 도파관(ridge waveguide) 및 그외의 광 디바이스에서의 개념을 사용한다. 2005년 Elseview Inc. 사에서 출간된 Katsunari Okamoto의 저서 Fundamentals of Optical Waveguides, 1983년 런던의 Chapman and Hall 사에서 출간된 Snyder와 Love의 저서 Optical Waveguide Theory 및 2005년 베를린의 Springer-Verlag 사에서 출간된 Jean_Michel Lourtioz의 저서 Photonic Crystals가 이 분야에서의 저명한 참고문헌이다. 이 소구분에서는, 본 발명의 실시예와 관련된 광결정에서의 주제를 기술한다. 돌출부 도파관과 그외의 광 디바이스에 관련된 추가적인 세부사항들은 전술된 참조 문헌, 또는 복수의 다른 문헌, 페이퍼 및 이 분야의 관련 간행물 기사로부터 획득될 수 있다.
광결정은, 일정한 패턴으로 결합되었을 때 전자기 복사("ER")의 전파 특성을 변경할 수 있는 유전체 성질을 갖는 두 개 이상의 서로 다른 재료들로 이루어진다. 도 2 및 3은 서로 다른 유전체 성질을 갖는 두 개의 서로 다른 재료들이 광결정을 형성하도록 결합될 수 있는 복수의 서로 다른 가능한 패턴들 중 두 가지를 도시한 것이다. 광결정은 전형적으로는 유전체 패턴이 주기적으로 나타나는 복수의 방향에 의해 식별된다. 예를 들어, 도 2는 1차원 광결정의 예를 도시한 것이다. 도 2에서, 광결정(200)은 z-방향에서 주기적으로 교차하는 7개 층의 두 개의 서로 다른 유전체들로 이루어진다. 빗금치지 않은 층(201-204)은 유전상수 ε1을 갖는 제 1 유전체로 구성되고, 빗금친 층(205-207)은 다른 유전상수 ε2를 갖는 제 2 유전체로 구성된다. 이 층들은 "격자 상수"라 지칭되는 반복적인 거리를 가지고 규칙적으로 배치되며, 도 2에 도시된 격자 상수의 경우, 격자 상수는 a이다. 도 3은 2차원 광결정의 예를 도시한 것이다. 2차원 광결정(300)은 두 개의 서로 다른 유전체가 교차하는 층들을 포함하며, 두 개의 격자 상수 a 및 b를 가지고 x-방향 및 y-방향 모두에서 주기적이다. 영역(301)과 같이 빗금치지 않은 영역은 유전상수 ε1을 갖는 제 1 유전체로 구성되고, 영역(302)과 같이 빗금친 영역은 다른 유전상수 ε2를 갖는 제 2 유전체로 구성된다. 광결정은 또한 3차원에서 반복되는 패턴으로 제조될 수 있다. 3차원 광결정은 구, 튜브, 또는 제 2 유전체를 포함하는 슬래브(slab) 내에 삽입된 제 1 유전체를 포함하는 그외의 고체 형태를 사용하여 제조될 수 있다.
유전체 내에서의 ER 전파는 진동하는 직교 전기장
Figure 112009029214696-pct00001
및 자기장
Figure 112009029214696-pct00002
을 포함하는 전자기파와 전파의 방향
Figure 112009029214696-pct00003
에 의해 특징지어질 수 있다. 전기장 및 자기장은 맥스웰 방정식에 의해 관련지어진다:
식 1:
Figure 112009029214696-pct00004
식 2:
Figure 112009029214696-pct00005
식 3:
Figure 112009029214696-pct00006
식 4:
Figure 112009029214696-pct00007
이때
Figure 112009029214696-pct00008
은 유전체 내의 전자기파의 공간 변위이고, t는 시간이며,
Figure 112009029214696-pct00009
는 유전상수이다.
일반적으로 유전체가 자유 전하 또는 자유 전류를 지원하지 않기 때문에, 식 1-4는 전하 밀도 항 또는 부피 전류 밀도 항을 포함하지 않는다. 컬 방정식(curl equation)인 식 3 및 4는 선형 미분 방정식이다. 두 방정식 모두에서, 좌항은 독립적인 공간 변위
Figure 112009029214696-pct00010
에 대한 장(field)의 의존도를 나타내고, 우항은 시간 t에 대한 장의 의존도를 나타낸다.
Figure 112009029214696-pct00011
에 대해 변화하는 미분 양(quantity)이 t에 대해 변화하는 양과 동일하게 유지되도록 하는 유일한 방법은, 미분 양을 동일한 상수 값과 동일하게 하는 것이다. 식 3 및 4의 좌항 및 우항 모두는 상수와 같으며, 다음을 구하기 위해 변수의 분리 방법이 적용될 수 있다:
Figure 112009029214696-pct00012
이때 ω는 유전체에서 전파하는 전자기파의 각주파수이다.
맥스웰의 컬 방정식 3 및 4는 식 4를 유전상수
Figure 112009029214696-pct00013
로 나누고, 컬 연산자를 적용하여 전기장의 컬 대신 식 4로 대체함으로써 디커플링될 수 있으며, 그에 따라 다음이 주어진다:
식 5:
Figure 112009029214696-pct00014
이때
Figure 112009029214696-pct00015
는 미분 연산자이다.
식 5는 고유값(eigenvalue) 방정식이며, 이때 고유값은 ω2이고, 고유함수는 상응하는 자기장
Figure 112009029214696-pct00016
이다. 자기장
Figure 112009029214696-pct00017
이 식 5에 따라 결정된 후,
Figure 112009029214696-pct00018
을 식 3으로 대체하고
Figure 112009029214696-pct00019
을 계산하여 전기장
Figure 112009029214696-pct00020
이 획득될 수 있다.
도 1 및 2에 도시된 광결정과 같은 유한 차원의 광결정에 있어서, 식 5의 고유값 및 고유함수가 양자화되어 다음이 주어진다:
Figure 112009029214696-pct00021
이때 j는 자기장
Figure 112009029214696-pct00022
의 조화 모드를 각주파수 증가 순서로 라벨링하는, "대역 인덱스(band index)"라 지칭되는 음수가 아닌 정수이다.
광결정의 병진 대칭 (translational symmertry)이 자기장
Figure 112009029214696-pct00023
의 함수 형태를 결정하는 데에 사용될 수 있다. 예를 들어, 광결정(200) 내에서 전파하는 자기장
Figure 112009029214696-pct00024
의 함수 형태는 아래와 같이 주어진다:
식 6:
Figure 112009029214696-pct00025
이때
Figure 112009029214696-pct00026
는 xy-평면 벡터이고,
Figure 112009029214696-pct00027
는 xy-평면 웨이브 벡터이고, kz는 z-방향 웨이브 벡터 성분이며,
Figure 112009029214696-pct00028
는 z-방향에서의 주기 함수이다. 식 6의 지수 항
Figure 112009029214696-pct00029
은 xy-평면 내의 유전층을 통해 전파하는 ER의 연속적인 병진 대칭으로부터 발생한다. 그러나, 식 6의 항
Figure 112009029214696-pct00030
은 다음에 의해 주어지는 Bloch 이론과 광결정(200)의 유전상수의 주기성에 의해 z-방향에서 노출되는 이산의 병진 대칭으로부터 발생한다:
Figure 112009029214696-pct00031
이때
Figure 112009029214696-pct00032
이고, a는 유전층의 일정한 패턴에 의해 결정되는 격자 상수이며, l은 정수이다.
자기장
Figure 112009029214696-pct00033
은 2π/a의 정수배에 대해 주기적이다. 결과적으로, 관련된 각주파수 역시 주기적이다:
식 7:
Figure 112009029214696-pct00034
광결정의 유전체 패턴에서의 차는 ER이 광결정 내에서 전파하는 것이 방지되는 "광 밴드갭(photonic bandgaps)"으로 지칭되는 하나 이상의 주파수의 범위 ω j 를 생성한다. 광 밴드갭은 또한 유전체들 간의 차가 ER 흡수 및 ER 전파를 방지하는 전자기 에너지 범위 및 파장의 범위 λ j 에 상응한다. 광결정을 통과해 전달되는 ER의 파장 λ j 은 각주파수 ω j 와 관련된다:
Figure 112009029214696-pct00035
이때 υ는 광결정 내에서의 ER의 속도이다. 고-주파수 조화 모드가 저 유전상수를 갖는 유전체 영역 내의 전자기 에너지에 집중하고자 하는 반면, 저-주파수 조화 모드는 고 유전상수를 갖는 유전체 영역의 전자기 에너지에 집중하고자 하기 때문에, 소정의 ER 주파수 범위는 광결정을 통과해 전달되지 않는다. 전자기 에너지 W는 다음과 같은 변분 원리(variational principle)로부터 결정될 수 있다:
Figure 112009029214696-pct00036
이때
Figure 112009029214696-pct00037
이고, "*"은 복소 공액을 나타낸다. 전자기 에너지는 저 유전상수를 갖는 광결정의 영역에서 전파하는 모드에서보다 고 유전상수를 갖는 영역에서 전파하는 조화 모드에서 더 낮다.
1차원 광결정의 광 밴드갭 내의 주파수 크기 및 범위는 광 결정을 포함하는 유전체들의 유전체 상수들 간의 상대적인 차에 의존한다. 광결정을 포함하는 재료들의 유전상수들 간의 보다 큰 상대적 차를 갖는 1차원 광결정이, 유전상수들 간의 보다 작은 상대적 차를 갖는 광결정보다 더 높은 주파수 범위에서 더 큰 광 밴드갭을 갖는다.
도 4a-4b는 각각 제 1 일차원 광결정 및 제 2 일차원 광결정에 대한 주파수 ωa/2πc 대 웨이브 벡터 z-성분인 kz의 가상 플롯이다. 도 4a-4b에서, 수평축(401)과 같은 수평축은 웨이브 벡터 z-성분 kz에 상응하고, 수직축(402)과 같은 수직축은 주파수에 상응한다. 식 7을 참고하여 설명한 바와 같이 주파수 ω j 가 주기적이기 때문에, 주파수 ω j a/2πc는 1, 2 및 3과 같은 각주파수 대역들 j에서 웨이브 벡터 z-성분 범위 -π/a 내지 π/a에 대하여 플롯되었다. 광 밴드갭은 어두운 영역(403, 404)에 의해 식별된다. 라인들(405, 406, 407)은 제 1, 제 2 및 제 3 각주파수 대역(j=1, 2, 및 3)에 상응한다. 도 4a에서 광 밴드갭(403)의 폭(410)은 도 4b의 광 밴드갭(404)의 폭(412)보다 작으며, 이는 제 1 광결정을 포함하는 재료들의 유전상수들 간의 상대적인 차가 제 2 광결정을 포함하는 재료들의 유전상수들 간의 상대적인 차보다 작기 때문이다. 또한, 광 밴드갭(403)은 광 밴드갭(404)에 의해 커버되는 주파수의 범위보다 낮은 주파수의 범위를 커버한다.
2차원 광결정은 유전체 슬래브 내에 형성된 원통형 홀의 규칙적인 격자로 이루어질 수 있다. 원통형 홀은 공기 홀이거나 또는 광 슬래브의 유전체 재료와는 다른 유전체 재료로 충진된 홀일 수 있다. 도 5는 2차원 광결정의 투영도이다. 도 5에서, 광결정(500)은 열(502)과 같이 내장된 원통형 홀의 규칙적인 격자를 갖는 유전체 슬래브(501)로 이루어진다. 원통형 홀은 원통형 홀(503)에 의해 표시된 바와 같이 슬래브(501)의 상단 표면으로부터 바닥 표면으로 연장하며, 공기 또는 슬래브(501)의 유전상수와는 다른 유전상수를 갖는 임의의 다른 재료로 충진되는 홀일 수 있다. 2차원 광결정은 기체 또는 액체에 의해 둘러싸인 원통형 열들의 규칙적인 격자 배치로 이루어질 수도 있다. 도 6은 원통형 열과는 다른 유전상수를 갖는 기체 또는 액체와 같은 유체에 의해 둘러싸인, 원통형 열(601)과 같은 고체 원통형 열의 규칙적인 정사각형 격자를 갖는 2차원 광결정(600)을 도시한 것이다.
2차원 광결정은 주기적 평면에서 전파하는 ER을 편광시키며(polarize), 전기장 및 자기장은 (1) 횡전기장(transverse electric-field)("TE") 모드, 및 (2) 횡자기장(transverse magnetic-field))("TM") 모드의 두 가지의 다른 편광으로 분류될 수 있다. TE는 광결정의 주기적 평면에 수직하는 방향의
Figure 112009029214696-pct00038
와 광결정의 주기적 평면 방향의
Figure 112009029214696-pct00039
을 가지고, TM은 광결정의 주기적 평면에 수직하는 방향의
Figure 112009029214696-pct00040
과 광결정의 주기적 평면 방향의
Figure 112009029214696-pct00041
을 갖는다. 도 7a-7b는 도 5에 도시된 2차원 광결정에서의 TE 및 TM 모드의 전파를 도시한 것이다. 광결정(500)의 주기적 평면은 xy-평면에 놓이고, 원통형 홀은 z-방향에 평행하며, ER은 y-방향으로 광결정(500)을 통과해 전파한다. 도 7a에서, 진동 곡선(701)은 xy-평면에 수직하는 방향의
Figure 112009029214696-pct00042
모드를 나타내고 진동 곡선(702)은 xy-평면 방향의 직교하는
Figure 112009029214696-pct00043
모드를 나타낸다. 도 7b에서, 진동 곡선(703)은 xy-평면에 수직인 방향의
Figure 112009029214696-pct00044
모드를 나타내고, 진동 곡선(704)은 xy-평면 방향의 직교하는
Figure 112009029214696-pct00045
모드를 나타낸다.
도 8은 도 5에 도시된 광결정 내에서 전파하는 ER의 TM 및 TE의 광 대역 구조를 도시한 것이다. 도 8에서, 수직축(801)은 광결정(500) 내에서 전파하는 ER의 각주파수를 나타내고, 수평축(802)은 도 5에 도시된 광결정(500)의 광결정 세그먼트(803) 내에 Γ, M 및 K로 표기된 격자 지점들 간의 ER 전파 경로를 나타낸다. 실선(804)과 같은 실선은 TM 모드를 나타내고, 점선(805)과 같은 점선은 TE 모드를 나타낸다. 어두운 영역(806)은 TE나 TM 모두가 광결정(500) 내에서 전파하는 것이 허용되지 않은 광 밴드갭을 나타낸다.
광 밴드갭(806)과 같이 2차원 광결정 슬래브 내의 광 밴드갭에 의해 커버되는 주파수 범위 및 폭은 격자 상수 a로 표시된 원통형 홀들의 주기적 간격과, 슬래브의 유전상수와 원통형 홀의 유전상수 간의 상대적인 차에 의존한다. 또한, 광 밴드갭(806)에 의해 커버되는 주파수 범위는 슬래브의 유전상수와 원통형 홀의 유전상수 간의 상대적 차가 보다 큰 경우에 보다 높은 주파수 범위로 이동할 수 있으며, 광 밴드갭(806)은 슬래브의 유전상수와 원통형 홀의 유전상수 간의 상대적 차가 보다 작은 경우에 보다 낮은 주파수 범위로 이동할 수 있다.
2차원 광결정은 특정화된 주파수 대역 내에서 ER을 반사시키도록 설계될 수 있다. 그 결과, 2차원 광결정은 광결정의 광 밴드갭 내의 주파수를 갖는 ER의 전파를 방지하도록 주파수-대역 정지 필터로서 설계 및 제조될 수 있다. 일반적으로, 원통형 홀의 크기 및 상대적인 간격은 ER의 어느 파장이 2차원 광결정 내에서 전파되는 것이 금지될지를 제어한다. 그러나, 특정한 국부화된 구성요소를 제조하기 위해 원통형 홀의 격자에 결함이 나타날 수 있다. 특히, ER의 주파수 또는 파장의 좁은 범위를 일시적으로 트랩하는(trap) 공진기를 제공하기 위해 "공진 공동"으로도 지칭되는 점 결함이 발생될 수 있다. "도파관(waveguide)"으로도 지칭되는 선 결함은 광 밴드갭의 주파수 범위 내에 존재하는 주파수 범위 또는 파장을 갖는 ER을 전달하기 위해 발생될 수 있다. 그 결과, 3차원 광결정 슬래브는 슬래브의 두께에 의존하는 굴절률 n을 갖는 2차원 결정으로 생각될 수 있다.
도 9는 2개의 공진 공동과 하나의 도파관을 갖는 광결정의 예를 도시한 것이 다. 공진 공동은 선택한 원통형 홀을 생략하거나, 그 크기를 증가 또는 감소시킴으로써 2차원 광결정 슬래브 내에 형성될 수 있다. 예를 들어, 공진 공동(901)은 점선 원에 의해 둘러싸인 빈 공간으로 표시된 바와 같이 원통형 홀을 생략함으로써 광결정(900) 내에 형성된다. 공진 공동(901, 905)은 광 밴드갭의 주파수 범위 내에서 ER을 일시적으로 트랩하는 반사벽에 의해 효과적으로 둘러싸인다. 공진 공동들은 좁은 주파수 대역 내의 ER을 광결정의 평면에 직교하는 방향으로 채널링할 수 있다. 예를 들어, 공진 공동(901)은 광 밴드갭의 좁은 주파수 대역 내의 국부화된 TM 모드 및 TE 모드를 트랩할 수 있다. 광결정(900)이 총 내부 반사를 형성하는 두 개의 반사판들 또는 유전체들 사이에 샌드위치되지 않는 한, 공진 공동(901) 내에서 공명하는 ER은 광결정(900)의 주기적 평면에 직교하는 방향으로 탈출할 수 있다. 각각의 공진 공동은 ER이 공진 공동을 둘러싸는 영역으로 새기 이전에 공동 내에서 몇번의 진동이 발생하였는지에 대한 측정을 제공하는 관련된 Q 팩터(quality factor)를 갖는다.
도파관은 광 밴드갭의 특정 주파수 범위 내의 ER을 광결정 내의 제 1 위치로부터 광결정 내의 제 2 위치로 이동시키는 데에 사용될 수 있는 광학적 이동 경로이다. 도파관은 원통형 홀들의 열 또는 행 내의 소정의 원통형 홀의 직경을 변경함으로써, 또는 원통형 홀의 행들을 생략함으로써 제조될 수 있다. 예를 들어, 광결정(900)에서 유전체 도파관(902)은 점선(903, 904) 사이의 빈 영역으로 표시된 바와 같이, 광결정(900)의 제조 중에 원통형 홀들의 행 하나를 완전히 생략함으로써 형성되었다. 유전체 도파관(902)은 단일 경로를 따라 파장 λ0 및 λ1을 갖는 ER을 전달한다. 브랜칭 도파관들의 네트워크가 광결정을 통과하는 복수의 서로 다른 경로들에서 ER를 전달하는 데에 사용될 수 있다. 도파관을 따라 전파되는 전자기 신호의 직경은 λ/3n만큼 작을 수 있으며, 이때 n은 도파관의 굴절률이고, 공진 공동의 조화 모드 부피는 2λ/3n만큼 작을 수 있다.
도파관 및 공진 공동은 ER이 도파관과 공진 공동을 인접하여 둘러싸는 영역으로 탈출하는 것을 방지하는 데에 100% 미만의 효율성을 가질 수 있다. 예를 들어, 도파관을 따라 전파하는 광 밴드갭 내의 주파수 범위 내의 ER 또한 도파관을 둘러싸는 영역으로 발산하고자 한다. 도파관 또는 공진 공동을 둘러싸는 영역으로 진입하는 ER은 진폭의 지수적 감소를 겪을 수 있으며, 이러한 프로세스는 "소실(evanescence)"이라 지칭된다. 그 결과, 공진 공동은 도파관으로부터 짧은 거리 내에 위치되어 도파관에 의해 전달되는 ER의 소정의 파장이 공진 공동에 의해 추출되도록 할 수 있다. 실제로, 공진 공동은 도파관 내에서 전파하는 ER의 소정의 파장의 일부를 추출하는 데에 사용될 수 있는 필터이다. 공진 공동 Q 팩터에 따라서, 추출된 ER은 공진 공동 내에 트랩된 채로 남아있을 수 있고, 주변으로 새거나 도파관으로 후방 산란되기 이전의 시간 동안 공명할 수 있다. 예를 들어, 도 9에서, 공진 공동(901)은 ER의 특정 파장을 갖는 모드를 추출하기에는 도파관(902)으로부터 너무 멀리 위치한다. 그러나, 공진 공동(905)은 도파관(902)을 따라 전파하는 파장 λ3을 갖는 ER의 일부를 추출할 수 있다. 따라서, 파장 λ3을 갖는 ER의 보다 작은 일부가 파장 λ1 및 λ2의 ER을 따라 도파관(902) 내에서 전파하도록 남겨질 수 있다.
도 10은 도 9에 주파수 대 도시된 광결정의 도파관에 대한 웨이브 벡터
Figure 112009029214696-pct00046
의 크기의 가정적 플롯이다. 도 10에서, 어두운 영역(1001, 1002)은 도 9에 도시된 도파관(902)의 부재시에 광결정(900)의 보호된 제 1 및 제 2 대역 구조를 나타낸다. 영역(1003)은 광결정(900)에 의해 생성된 광 밴드갭을 나타낸다. 라인(1004)은 도파관(902) 내에 전파하는 것이 허용된 주파수의 대역을 나타낸다. 도파관(902) 내에서 전파하는 것이 허용된 주파수 대역의 수는 도파관(902)의 크기를 증가시킴으로써 증가될 수 있다. 3차원 광결정에 있어서, 3차원 격자 파라미터, 유전상수들 간의 차 및 함유물의 크기가 광 밴드갭의 주파수 범위를 결정한다. 도파관 및 공진 공동은 소정의 함유물을 선택적으로 제거하거나 또는 그 크기를 변경함으로써 3차원 광결정 내에서도 제조될 수 있다.
전자기 복사 내의 인코딩 데이터의 개요
비트는 컴퓨터 시스템 내의 정보의 기본 단위이며 "예"와 "아니오", 또는 "온(on)"과 "오프(off)"와 같은 양자택일에서의 양자들(alternatives) 간의 선택권과 동등하다. 비트의 두 가지 상태는 전형적으로 숫자 1 또는 0으로 표현된다. 정보는 전자기파 진폭 주파수 또는 위상을 변조함으로써 전자기파로 인코딩될 수 있다. 변조된 전자기파는 광섬유, 도파관 또는 스루 프리 스페이스(through free space)를 통해 장거리에 걸쳐 전송될 수 있으며, 복조기에 의해 디코딩된다. 그러나, 자기장과 일반적인 물질과의 상호작용은 팩터 1/c에 의한 자기장의 상호작용보다 작기 때문에, 대부분의 전자기파는 자기장 성분보다는 전기장 성분으로부터 발생하는 물질과 상호작용하며, 이때 c는 광속을 나타낸다. 그 결과, 명확성을 위해, 전자기파는 다음과 같이 표현될 수 있다:
Figure 112009029214696-pct00047
이때 전기장은 z 방향으로 전파하고, ω는 각주파수이고, k는 웨이브 벡터 ω/c이며, t는 시간이고, E0는 진폭이다. 도 11a는 시간과 고정된 관찰 지점의 함수로서의 전자기파의 플롯이다. 도 11a에서, 수평선(1102)은 시간 축이고, 수직선(1104)은 진폭 E0이며, 곡선(1106)은 전기장 E(z,t)을 나타낸다. 주기 T는 전자기 신호가 사이클을 완성하는 데에 걸리는 시간이다. 각주파수 ω는 시간 단위당 전자기장이 사이클을 완성하는 횟수로, 2πν와 같으며, 이때 ν는 1/T와 같다.
진폭 변조는 전자기 신호의 세기 또는 진폭의 크기를 변경함으로써 정보를 인코딩하는 데에 사용된다. 도 11b는 비트 "0" 및 "1"의 진폭 변조된 전자기 신호 인코딩의 예를 도시한 것이다. 도 11b에서, 하나의 비트는 신호의 네 개의 연속적인 사이클에 해당하며, 이때 작은 진폭(1110)을 갖는 사이클(1108)은 비트 "0"에 상응하고, 상대적으로 큰 진폭(1114)을 갖는 사이클(1112)은 비트 "1"에 상응한다. 주파수 변조는 전자기 신호의 주파수를 변화시킴으로써 정보를 인코딩하는 데에 사용된다. 도 11c는 비트 "0" 및 "1"의 주파수 변조된 전자기 신호 인코딩의 예를 도시한 것이다. 도 11c에서, 네 개의 연속적인 사이클(1116)은 비트 "1"에 해당하고, 두 개의 연속적인 사이클(1118)은 비트 "0"에 해당한다. 위상 변조는 다음과 같이 전자기 신호의 위상을 이동함으로써 정보를 인코딩하는 데에 사용된다:
Figure 112009029214696-pct00048
이때 φ가 위상 이동(shift)을 나타낸다. 위상 이동은 전자기 신호의 파형의 이동에 해당한다. 예를 들어, 도 11d는 곡선(1122)의 1/4 사이클 위상 이동을 포함하는 곡선(1120)을 도시한 것이다. 도 11e는 비트 "0" 및 "1"의 위상 변조된 전자기 신호 인코딩의 예를 도시한 것이다. 도 11e에서, 사이클(1124)는 비트 "1"에 해당하고, 사이클(1126)은 비트 "0"에 해당하는 1/2 사이클 위상 이동을 포함한다. 전자기 신호는 전기통신 신호에 대해 변조될 수도 있다. 예를 들어, 전자기 신호는 전기통신 신호 내의 "RZ"(return-to-zero) 또는 "NRZ"(non-return-to-zero) 라인 코드에 대해 변조될 수 있다.
본 발명의 실시예
도 12는 본 발명의 일실시예를 나타내는 2개의 전자 모자이크를 상호접속하는 제 1 광 기반 상호접속부를 도시한 것이다. 도 12에서, 광 기반 상호접속부는 제 1 광 노드(1202), 제 2 광 노드(1204), 도파관(1206)을 포함한다. 제 1 광 노드(1202)는 도파관(1206)을 통해 제 2 광 노드(1204)에 상호접속된다. 도파관(1206)은 광결정 도파관 또는 약 1 마이크론 내지 수십, 수백, 심지어 수천 킬로미터 범위의 길이를 갖는 광섬유일 수 있다. 도파관(1206)을 광 노드(1202, 1204) 에 상호점속하는 것은 도 21을 참조하여 후술한다. 제 1 광 노드(1202)는 제 1 전자 모자이크(1208)의 서브시스템에 결합될 수 있고, 제 2 광 노드(1204)는 제 2 전자 모자이크(1210)의 서브시스템에 결합될 수 있다. 제 1 및 제 2 전자 모자이크(1208, 1210)는 ASIC, FPGA 또는 CPU, 로직 셀, 메모리 및 센서와 같은 범용 집적 회로의 조합이다.
전자 모자이크(1208, 1210) 및 대응하는 결합된 광 노드(1202, 1204)는 도 12에서 제 1 칩(1212) 및 제 2 칩(1214)으로서 각각 식별된다. 칩(1212, 1214)은 동일한 전자 모자이크(1208, 1210)를 포함하는 종래의 칩과 기능적으로 동등하다. 도 1a 내지 1d를 참고하여 전술한 바와 같이, 종래의 칩은 회로 보드 상에 위치해 있는 와이어 버스에 접속된 패키지에 삽입될 수 있으며, 칩 경계부에서 멀티플렉싱 및 디멀티플렉싱을 수행한다. 그러나, 도 12에 도시된 광 기반의 상호접속부는 패키지 및 칩 경계부에서의 멀티플렉싱 및 디멀티플렉싱을 필요로 하지 않는다. 즉, 광 기반의 상호접속부는 종래의 칩 경계부에서의 멀티플렉싱 및 디멀티플렉싱으로 인한 시간 지연을 제거한다.
제 1 광 노드(1202) 및 제 2 광 노드(1204)는 모두 도파관(1206)에 의해 운반된 전자기 신호를 송신 및 수신하는 트랜시버로서 동작한다. 제 1 광 노드(1202)에 의해 수신되는 전자기 신호로 인코딩된 데이터는 전자기 신호 λ1로 인코딩되고, 제 2 광 노드(1204)에 의해 수신되는 전자기 신호로 인코딩된 데이터는 전자기 신호 λ2로 인코딩된다. 전자기 신호 λ1, λ2는 멀티 채널 레이저(도시되 어 있지 않음)에 의해 생성되어 도파관(1206)으로 유입될 수 있다. 예를 들어, 제 1 전자 모자이크(1208)에 의해 생성된 데이터가 처리를 위해 제 2 전자 모자이크(1210)로 송신된다고 가정한다. 제 1 전자 모자이크(1208)는 전기 신호 형태로 데이터를 생성한다. 제 1 광 노드(1202)는 전기 신호를 수신하고, 도파관(1206)으로부터 전자기 신호 λ2를 추출하며, 데이터를 전자기 신호 λ2로 인코딩하여 인코딩된 전자기 신호
Figure 112009029214696-pct00049
를 획득하며, 인코딩된 전자기 신호는 도파관(1206)으로 유입된다. 도파관(1206)은 인코딩된 전자기 신호
Figure 112009029214696-pct00050
를 제 2 광 노드(1204)로 전송하고, 제 2 광 노드(1204)는 도파관(1206)으로부터 인코딩된 전자기 신호
Figure 112009029214696-pct00051
를 추출하며 데이터를 전자 모자이크(1210)에 의해 처리될 수 있는 전기 신호로 인코딩한다.
광 노드에 대한 다양한 디바이스는 도 17 내지 18을 참고하여 후술하며, 광 노드에서의 전자기 신호의 추출 및 인코딩은 도 19를 참고하여 후술한다. 본 발명의 다른 실시예에서는, 광 노드(1202, 1204)가 각각 전자기 신호 λ1, λ2를 생성하는 멀티 채널 레이저를 포함할 수 있다. 광 노드(1202, 1204)와 같은 광 디바이스에 삽입될 수 있는 멀티 채널은 공지되어 있다. 예를 들어, 2006년 10월 2일 간행된 Optics Express 9203, 제 14권, A. W. Fang 등의 "Electrically pumped hybrid AlGaInAs-silicon evanescent laser"를 참고하라.
도 13은 본 발명의 일실시예를 나타내는 4 개의 전자 모자이크의 서브시스템을 상호접속하는 제 2 광 기반의 상호접속부를 도시한 것이다. 도 13에서, 광 기반의 상호접속부는 제 1 광 노드(1301), 제 2 광 노드(1302), 제 3 광 노드(1303), 제 4 광 노드(1304)를 포함한다. 광 노드(1301 내지 1304)는 단일 도파관(1306)에 각각 상호접속된다. 도파관(1306)은 광결정 도파관일 수도 있고 또는 약 1㎚ 내지 수천 ㎞ 범위의 길이를 갖는 광섬유일 수도 있다. 제 1 및 제 2 광 노드(1301, 1302)는 제 1 칩(1310)을 포함하는 전자 모자이크(1308, 1309)의 서브시스템에 각각 결합된다. 광 노드(1303, 1304)는 제 2 칩(1314)를 포함하는 전자 모자이크(1311, 1312)의 서브시스템에 각각 결합된다.
전자기 신호 λ1, λ2, λ3, λ4를 도파관(1306)에 유입하기 위해 하나 이상의 멀티 채널 레이저가 사용될 수 있고, 데이터가 광 노드(1301 내지 1304)에 의해 4개의 상이한 전자기 신호 λ1, λ2, λ3, λ4로 각각 인코딩될 수 있다. 예를 들어, 제 1 광 노드(1301)는 제 1 전자 모자이크(1308)의 서브시스템으로부터 제 2 전자 모자이크(1309)의 서브시스템으로 향하는 데이터를 인코딩하는 전기 신호를 수신할 수 있다. 제 1 광 노드(1301)는 도파관(1306)으로부터 전자기 신호 λ2를 추출하고, 데이터를 인코딩하여 인코딩된 전자기 신호
Figure 112009029214696-pct00052
를 획득하며, 인코딩된 전자기 신호
Figure 112009029214696-pct00053
를 도파관(1306)으로 유입한다. 제 2 광 노드(1302)는 인코딩된 전자기 신호
Figure 112009029214696-pct00054
를 추출하고 데이터를 제 2 전자 모자이크(1309)의 서브시스템으로 전송되는 전기 신호로 인코딩한다. 또는 제 1 칩(1310) 내의 전자 모자이크(1308, 1309)의 서브시스템은 데이터를 제 2 칩(1314) 내의 전자 모자이크(1311, 1312)의 서브시스템과 교환할 수 있다. 예를 들어, 제 1 광 노드(1301)는 제 4 전자 모자이크(1312)의 서브시스템으로 향하는 데이터를 인코딩하는 전기 신호를 수신할 수 있다. 제 1 광 노드(1301)는 도파관(1306)으로부터 전자기 신호 λ4를 추출하고, 데이터를 인코딩하여 인코딩된 전자기 신호
Figure 112009029214696-pct00055
를 획득한다. 제 4 광 노드(1304)는 도파관(1306)으로부터 인코딩된 전자기 신호
Figure 112009029214696-pct00056
를 추출하고, 데이터를 제 4 전자 모자이크(1312)의 서브시스템에 의해 처리되는 전기 신호로 인코딩한다.
도 14는 본 발명의 일실시예를 나타내는, 도 13에 도시된 4개의 전자 모자이크(1308, 1309, 1311, 1312)의 서브시스템을 상호접속하는 제 3 광 기반의 상호접속부를 도시한 것이다. 도 14에서, 광 기반의 상호접속부는 도파관(1306)에 상호접속되어 있는 제 1 광 노드(1401) 및 제 2 광 노드(1402)를 포함한다. 그러나, 도 13을 참고하여 전술한 제 2 광 기반의 상호접속부와 달리, 제 1 및 제 2 전자 모자이크(1308, 1309)의 서브시스템은 제 1 광 노드(1401)에 결합되고, 제 4 전자 모자이크(1311, 1312)는 제 2 광 노드(1402)에 결합된다. 제 1 광 노드(1401)는 제 1 및 제 2 전자 모자이크(1308, 1309) 사이에서 데이터를 전송하고 도 13을 참고하여 전술한 바와 같이, 데이터를 대응하는 전자기 신호 λ1, λ2, λ3, λ4로 인코딩함으로써 제 3 및 제 4 전자 모자이크(1311, 1312)에 대해 데이터를 수신 및 송신하도록 구성될 수 있다. 제 2 광 노드(1402)는 제 3 및 제 4 전자 모자이크(1311, 1312) 사이에서 데이터를 전송하고 데이터를 동일 전자기 신호 λ1, λ2, λ3, λ4 세트로 인코딩함으로써 제 1 및 제 2 전자 모자이크(1308, 1309)에 대해 데이터를 수신 및 송신하도록 구성될 수 있다.
도 15는 본 발명의 일실시예를 나타내는 전자 모자이크(1504)로부터 분리된 광 기반의 상호접속부(1502)의 사시도이다. 도 15에서, 광 기반의 상호접속부(1502)는 광 노드(1506)와 같은 18개의 광 노드를 포함하는 광결정일 수 있다. 광 노드는 광결정 도파관(도시되어 있지 않음)을 통해 광결정 내에서 상호접속될 수 있다. 광 기반 상호접속부(1502)는 서브시스템(1508, 1510)과 같은 복수의 서브시스템을 포함하는 전자 모자이크(1504)의 상부에 탑재될 수 있다. 전자 모자이크(1506)는 ASIC, FPGA, 또는 로직 셀들, 메모리 및 CPU의 임의의 조합이다. 광 기반의 상호접속부(1502)의 하나 이상의 광 노드는 전자 모자이크(1504)의 서브시스템에 결합될 수 있다. 예를 들어, 광 기반의 상호접속부(1502)가 전자 모자이크(1504)와 함께 마련되면, 양방향 화살표(1512)로 표시된 바와 같이 광 노드(1506)가 서브시스템(1508)에 결합되고, 양방향 화살표(1518)로 표시된 바와 같이 광 노드(1514, 1516)가 서브시스템(1510)에 결합된다.
도 16은 본 발명의 일실시예를 나타내는 광 기반의 상호접속부(1502)의 평면도이다. 광 기반의 상호접속부(1502)는 18개의 광 노드 및 도파관(1601 내지 1608)을 포함한다. 각각의 광 노드는 하나 또는 두 개의 도파관(1601 내지 1608)에 결합될 수 있다. 예를 들어, 광 노드(1506)는 도파관(1603, 1608) 중 어느 하나 또는 두 모두에 결합될 수 있다. 각각의 광 노드는 결합된 도파관에서 전송된 하나 이상의 전자기 신호를 추출하여 하나 이상의 인코딩된 전자기 신호를 결합된 도파관에 유입하도록 구성될 수 있다. 데이터를 인코딩하기 위해 광 노드에 의해 사용될 수 있는 전자기 신호를 유입하기 위해 하나 이상의 멀티 채널 레이저가 도파관에 결합될 수 있다. 예를 들어, 도 16에 도시된 바와 같이, 멀티 채널 레이 저(1610)는 전자기 신호 λ1 내지 λ3를 도파관(1608)으로 유입하고, 전자기 신호 λ4 내지 λ6를 도파관(1607)으로 유입하며, 전자기 신호 λ7 내지 λ9를 도파관(1606)으로 유입하고, 전자기 신호 λ10 내지 λ12를 도파관(1605)으로 유입한다. 광 노드(1506)는 전자기 신호 λ3을 추출하고, 도 15에 도시된 결합된 회로 부품(1508)에 의해 생성된 데이터를 인코딩하여 인코딩된 전자기 신호
Figure 112009029214696-pct00057
을 획득한다. 그 다음에 광 노드(1506)는 인코딩된 전자기 신호
Figure 112009029214696-pct00058
을 도파관(1603, 1608) 중 하나 또는 둘 모두에 유입하며, 이것은 광 기반의 상호접속부(1502) 내의 다른 광 노드에 의해 추출되거나 광 기반의 상호접속부(1502)에 결합된 광섬유로 전송될 수 있다. 광섬유를 광결정에 결합시키는 것은 도 21을 참고하여 후술한다. 도 15 및 16을 참조하여 전술한 광 기반의 상호접속부(1502)는 전자 모자이크(1504)의 각 부품들을 상호접속하는 글로벌 와이어 버스에 대한 필요성을 실질적으로 제거한다.
도 12 내지 16을 참고하여 전술한 광 노드와 같은 광 노드는 하나 이상의 광 디코더 및 하나 이상의 광 인코더를 포함할 수 있다. 광 디코더는 데이터로 인코딩된 특정 전자기 신호를 추출하고, 광 인코더는 특정 전자기 신호를 추출하여 데이터를 전자기 신호로 인코딩한다.
도 17은 본 발명의 일실시예를 나타내는, 버스 도파관(1702)에 인접하여 위치하는 광 인코더 및 광 디코더를 포함하는 제 1 광 노드(1700)를 도시한 것이다. 디코더(1704)는 소멸 커플링(evanescent coupling)을 통해 도파관(1702)으로부터 인코딩된 전자기 신호
Figure 112009029214696-pct00059
를 추출하는 공진 공동을 포함한다. 디코더(1704)는 전자기 신호
Figure 112009029214696-pct00060
의 전기장 성분으로 인코딩된 데이터에 대응하는 파동(fluctuation)을 결합된 서브시스템에 의해 처리될 수 있는 전기 신호로 변환함으로써 도 20a 내지 20c를 참고하여 후술하는 복조기로서 동작한다. 인코더(1706)는 소멸 커플링을 통해 도파관(1702)으로부터 인코딩되지 않은 전자기 신호 λb를 추출한다. 인코더(1706)는 도 20a-20c를 참고하여 후술하는 바와 같이 인코딩된 전자기 신호
Figure 112009029214696-pct00061
를 생성하기 위해 전자기 신호 λb의 전기장 성분을 변조한다. 인코딩된 전자기 신호
Figure 112009029214696-pct00062
는 그 다음에 소멸 커플링을 통해 도파관(1702)으로 유입된다.
도 18은 본 발명의 실시예를 나타내는 버스 도파관(1802) 옆에 위치한 단일 광 디코더 및 단일 광 인코더를 포함하는 제 2 광 노드(1800)를 도시한 것이다. 광 디코더는 드롭 필터(1804) 및 검출기(1806)를 포함한다. 광 인코더는 드롭 필터(1808), 로컬 도파관(1810), 변조기(1812) 및 부가 필터(1814)를 포함한다. 광 노드(1800)가 신호 대 노이즈 비율을 감소시키는 데에 사용될 수도 있다. 도파관(1802)은 도 21을 참고하여 후술하는 광섬유에 결합될 수 있다.
도 19는 본 발명의 일실시예를 나타내는, 가정적으로 인코딩된 전자기 신호
Figure 112009029214696-pct00063
및 가정적으로 인코딩되지 않은 전자기 신호 λb에 대한 제 2 광 노드(1800)의 동작을 도시한 것이다. 광 디코더는 아래와 같이 동작한다. 드롭 필터(1804)는 소멸 커플링을 통해 버스 도파관(1802)으로부터 인코딩된 전자기 신호
Figure 112009029214696-pct00064
를 추출하 도록 구성된 공진 공동이다. 인코딩된 전자기 신호
Figure 112009029214696-pct00065
는 드롭 필터(1804)로부터 소멸 커플링을 통해 복조기(1806)로 전송된다. 도 20a-20c를 통해 후술하는 복조기(1806)는 인코딩된 전자기 신호
Figure 112009029214696-pct00066
의 전기장 성분 내에서 인코딩된 데이터를 검출하는 광검출기를 포함하는 공진 공동이다. 광 인코더는 아래와 같이 동작한다. 드롭 필터(1808)는 소멸 커플링을 통해 버스 도파관(1802)으로부터 전자기 신호 λb를 추출하도록 구성된 공진 공동이다. 전자기 신호 λb는 소멸 커플링을 통해 로컬 도파관(1810) 및 변조기(1812)로 전송된다. 변조기(1812)는 커플링된 전자 모자이크(eletronic mosaic)에 의해 수신된 데이터에 따라 전자기 신호 λb를 변조함으로써 데이터 인코딩된 전자기 신호
Figure 112009029214696-pct00067
를 생성하는, 도 20a-20c를 참고하여 후술하는 공진 공동이다. 부가 필터(1814)는 소멸 커플링을 통해 변조기(1812)로부터 인코딩된 전자기 신호
Figure 112009029214696-pct00068
를 추출하고 인코딩된 전자기 신호
Figure 112009029214696-pct00069
를 버스 도파관(1802)으로 삽입하는 공진 공동이다.
일반적으로, 광 인코더 및 광 디코더의 드롭 필터 및 부가 필터는 도파관으로부터 방산하는 소멸장의 범위 내에 위치한다. 드롭 및 부가 필터의 직경과 도파관까지의 거리는 관련된 공진 공동이 도파관에 의해 운반된 전자기 신호의 특정 파장에 대한 공진기가 되도록 선택될 수 있다. 광결정 슬래브(slab)의 유전상수 및 각 공진기 공동을 둘러싸는 원통형 홀의 격자의 간격 및/또는 크기는 드롭 필터(1804, 1808)가 소정의 전자기 신호를 추출하기만 할 수 있도록 선택될 수 있다. 도파관과 드롭 및 부가 필터 사이의 강한 커플링을 제공하기 위해, 공진 공동은 약 1000 또는 그 이상의 Q 팩터와 같은, 높은 Q 팩터를 가지고 제조될 수 있다. 예를 들어, 도 18-19에 도시된 드롭 필터(1804, 1808)와 관련된 공진 공동은 버스 도파관(1802) 근처에 위치되고 디멘셔닝되어 각각 전자기 신호
Figure 112009029214696-pct00070
및 λb를 추출 및 한정하고, 부가 필터(1814)는 버스 도파관(1802) 근처에 위치되고 디멘셔닝되어 인코딩된 전자기 신호
Figure 112009029214696-pct00071
를 버스 도파관(1802)으로 삽입한다. 로컬 도파관(1810)은, 전자기 신호 λb의 큰 부분이 소멸 커플링을 통해 변조기(1812)의 공진 공동으로 전송될 수 있도록 변조기(1812) 근처에 위치된다. 변조기(1812)는 또한 부가 필터(1814)와의 강한 소멸 커플링을 형성하도록 위치되고 디멘셔닝된다.
드롭 필터 및 부가 필터는 광결정 내의 다양한 서로 다른 결함들을 사용하여 제조될 수 있다. 도 20a는 본 발명의 복수의 실시예들 중 하나를 나타내는, 드롭 필터, 부가 필터, 변조기 및 검출기에 대한 공진 공동으로서 사용될 수 있는 공진 공동을 도시한 것이다. 도 20a에서, 공진 공동(2002)은 광결정 슬래브(2004) 내의 원통형 홀의 규칙적인 삼각형 그리드 내의 원통형 홀을 생략함으로써 형성될 수 있다. 공진 공동(2002)의 직경과, 원통형 홀(2006)과 같은 공진 공동(2002)을 둘러싸는 원통형 홀의 패턴 및 직경은 공진 공동(2002)을 갖는 특정한 전자기 신호를 임시로 트랩하도록 선택될 수 있다. 공진 공동은 또한 원통형 홀 둘레의 직경과는 다른 직경을 갖는 원통형 홀을 사용하고/하거나 광결정의 유전체 재료와는 다른 유전체 재료로 원통형 재료를 충진하여 제조될 수도 있다. 광 결정 슬래브(2004)는 유리 기판(2008)의 상단 상에 위치되고 양으로 도핑된 반도체 층(2012) 및 음으로 도핑된 반도체 층(2014) 사이에 위치된 진성 층(2010)을 포함할 수 있다. 층(2010, 2012, 2014)은 "p-i-n" 층으로 지칭되는 단일 광결정 층을 포함한다. p-i-n 층의 도펀트 농도는 Si. SiO, SiO2, InGaAs, 또는 임의의 다른 적절한 도펀트들의 임의의 조합일 수 있다.
복조기 및 변조기는 다양한 서로 다른 재료들로부터 공진 공동에서 제조될 수 있다. 도 20b는 본 발명의 다양한 실시예들 중 하나를 나타내는 복조기/변조기의 제 1 구성을 도시한 것이다. 복조기/변조기(2016)는 두 개의 전극(2020, 2022) 사이에 샌드위치되어, 공진 공동(2002)과 같은 공진 공동을 사용하여 제조될 수 있다. 층(2004)는 도 20a를 참조하여 전술된 p-i-n 층으로 이루어질 수 있거나, 또는 리튬 니오베이트 LiNbO3의 단일 반도체 층과 같은 단일 층으로 이루어질 수 있다. 전극(2020)은 반도체 층(2012)과 접촉하고, 전극(2022)은 반도체 층(2014)과 접촉한다. 복조기/변조기(2016)가 복조기로서 동작하도록 하기 위해서, 전극(2020, 2022)은 공진 공동(2002) 내에서 공진하는 전자기 신호의 전기장 성분의 세기, 위상 및/또는 진폭에서의 변화에 의해 생성된 가변 전류를 수집한다. 가변 전류는 전극(2020, 2022)로부터 연결된 전자적 모자이크로 전송될 수 있는 데이터 스트림을 나타낸다. 반도체 층(2012, 2014)은 복조기/변조기(2016)가 전자기 신호 내의 인코딩 데이터에 대한 변조기로서 동작할 수 있도록 서로 다른 도펀트 농도 또는 도펀트 유형을 가질 수 있다. 공진 공동(2002) 내의 전압을 변화시킴으로써, 공진 공동(2002) 내에서 공진하는 전자기 신호의 전기장 성분의 주파수 또는 진폭이 데이터를 인코딩하도록 변화된다.
도 20c는 본 발명의 다양한 실시예들 중 하나를 나타내는 복조기/변조기의 제 2 구성을 도시한 것이다. 복조기/변조기(2026)는 공진 공동(2002)과 공진 공동(2002) 아래에 위치된 두 개의 전극(2028, 2030)을 포함한다. 층(2004)은 도 20a를 참조로 하여 전술된 p-i-n 층들로 이루어질 수 있거나, 또는 리튬 니오베이트 LiNbO3의 단일 반도체 층과 같은 단일 층으로 이루어질 수 있다. 복조기/변조기(2026)는 공진 공동(2002) 내에서 공진하는 전자기 신호의 전기장 성분의 세기, 위상 및/또는 진폭에 있어서의 전극(2028, 2030)에서의 변화를 검출함으로써 복조기로서 동작한다. 복조기/변조기(2026)는 전극(2028, 2030)에 인가된 전압을 변화시킴으로써 변조기로서 동작하며, 이것은 공진 공동(2002) 내의 유전체 재료의 유전상수를 변화시켜 공진 공동(2002) 내에서 공진하는 전자기 신호의 전기장 성분에서의 위상 및/또는 진폭 변화를 발생시킨다.
복조기 전극 검출기 내의 진성 커패시턴스는 종종 "존슨 노이즈(Johnson noise)"라 지칭되는 컨덕터 내의 전자들의 열적 동요에 의해 발생되는 노이즈로 인해 전류의 변동이 크지 않을 수 있도록 충분히 낮다. 그 결과, 전자기 신호 소스와 관련된 통계는 검출기로부터의 출력에 상응하는 직렬 디지털 신호에서 증가하는 비트 에러 레이트("BER")를 나타낸다. 예를 들어, 비트당 30개의 광자를 갖는 전자기 신호의 포아송(Poisson) 분포는 10-13 미만의 BER을 획득하기에 충분하다. 10 내지 100의 Q 팩터를 갖는 공진 공동으로 도핑된 영역을 결합시키는 것은 감소된 흡수에 대해 보상할 수 있다. 임피던스-매칭을 위한 Q 팩터의 적절한 선택으로, 검출기의 내부 흡수 손실에 대한 공동의 광학적 입력 손실이 검출 효율을 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 약 50%의 검출 효율이 획득될 수 있다.
유사한 고려사항이 전자-광학 또는 현재의 주입 기술을 사용하는 "RCE(resonant cavity enhanced)" 변조기의 설계에 적용될 수 있다. 50%만큼 높은 변조 깊이는 약 1000보다 큰 Q 팩터를 갖는 공진 공동에 대해 획득될 수 있다. 자유 캐리어 플라스마 인덱스에서의 변화와 같은 다른 물리적 효과가 사용될 수 있지만, 전자-광학 변조는 1kV/cm의 전기장을 생성하기 위해 약 300nm의 갭 양단에 인가된 약 30mV의 퍼텐셜 차를 가지고 사용될 수 있으며, 이것은 광범위한 선형 유전체 재료에서 0.001만큼의 굴절률 변화를 발생시키는 데에 충분하다.
도 21은 광섬유(2102)를 광결정 도파관(2104)에 연결하는 광섬유-도파관 커플러(2100)를 도시한 것이다. 광섬유-도파관 커플러(2100)는 광섬유(2102)의 단부 내에 삽입된 테이퍼된(tapered) 단부(2106)를 포함한다. 광섬유-도파관 커플러(2100)는 단일-모드 스트립 도파관(2108)으로 넓어지고, 다시 도파관(2104)에 인접한 버트(butt) 커플러(2110)로 넓어진다. 커플러(2100)는 광섬유(2102)의 굴절률보다 높은 굴절률을 갖는 재료로 이루어진다. 그 결과, 광섬유(2102) 내에서 전파되는 전자기 신호는 테이퍼형 단부(2106)에서 광섬유-도파관 커플러(2100)로 또는 그 밖으로 소멸적으로 연결될 수 있다. 섬유-도파관 커플러(2100)는 SiO2와 같 은 투명 재료에 의해 지지될 수 있다. 예로서 2003년 11월 3일자 Optics Express 2927, Vol.11, No. 22의 S. J. McNab 외 다수에 의한 "Ultra-low loss photonic integrated circuit with membrane-type photonic crystal waveguides"를 참고하라.
본 발명은 특정한 실시예에 대하여 기술되었지만, 본 발명이 이러한 실시예로 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 사상 내에서의 변경은 당업자에게 명백할 것이다. 본 발명의 다른 실시예에서, 당업자는 도 12 내지 16을 참고하여 전술한 다수 칩이 광 기반 상호접속부에 의해 전자 모자이크 상호접속부의 네트워크를 형성하도록 결합될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 도 22는 본 발명의 일실시예를 나타내는, 광 기반 상호접속부를 통해 상호접속된 4개의 칩(2201 내지 2204)을 포함하는 네트워크(2200)를 도시한 것이다. 칩(2201 내지 2204)의 서브시스템은 광결정 도파관 또는 광섬유와 같은 도파간에 의해 상호접속된다. 예를 들어, CPU(2206)는 광 노드(2208, 2210)에 결합된다. 광 노드(2208)는 RAM(2214)에 결합되어 있는 광 노드(2212)에 상호접속되고, 광 노드(2210)는 센서(2218)에 결합되어 있는 광 노드(2216)에 상호접속된다. 광 노드를 상호접속하는데 필요한 도파관의 수는 대응하는 결합된 서브시스템 사이에서 전자기 신호들을 전송하는 대역폭 요건에 기초한다는 점에 유의하라. 예를 들어, 광 노드(2208, 2212)를 상호접속하는데 4개의 도파관이 사용되고, 광 노드(2208)를 광 노드(2216)에 상호접속하는데 단일 도파관이 사용된다.
본 발명에 대한 철저한 이해를 제공하기 위해 전술한 설명에서는 특정한 명칭을 사용하였다. 그러나, 당업자는 특정한 세부사항은 본 발명을 실시하는 데에 필요하지 않다는 것을 알 수 있들 것이다. 본 발명의 특정 실시예들에 대한 전술한 설명은 단지 설명 및 해설을 위한 것이다. 이것은 본 발명을 개시된 형태 그대로 한정하기 위한 것이 아니다. 분명히, 전술한 내용에서 복수의 변경 및 수정이 가능하다. 실시예는 본 발명의 원리와 그 실질적 응용을 가장 잘 설명하고, 그에 따라 당업자가 본 발명을 가장 잘 활용할 수 있도록 하기 위해 도시되고 기술된 것이며, 복수의 변경을 갖는 다양한 실시예들이 고려되는 특정한 용도에 맞추어질 수 있다. 본 발명의 범위는 첨부한 특허청구범위 및 그 균등물에 의해 정의된다.

Claims (10)

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  6. 광 기반 상호접속부로서,
    복수의 전자기 신호를 송신하도록 구성된 복수의 도파관(1601 내지 1608) - 각각의 도파관은 복수의 상이한 전자기 신호(λ1 내지 λ12)를 수신하도록 구성됨 - 과,
    복수의 광 노드(1506)를 포함하되,
    각각의 광 노드는 상기 도파관 중 2개의 도파관 및 전자 모자이크에 연결되고,
    상기 각각의 광 노드는 상기 연결된 도파관에 송신된 상기 전자기 신호 중 하나 이상을 추출하고 상기 연결된 도파관에 하나 이상의 인코딩된 전자기 신호를 전달하도록 구성되며,
    상기 각각의 광 노드는,
    상기 연결된 도파관으로부터의 상기 복수의 전자기 신호 중 제 1 전자기 신호를 추출하고 상기 제 1 전자기 신호 내에 인코딩된 데이터를 처리를 위해 상기 전자 모자이크로 송신하도록 구성된 광 디코더(1704, 1804, 1806)와,
    상기 연결된 도파관으로부터의 상기 복수의 전자기 신호 중 제 2 전자기 신호를 추출하고 상기 전자 모자이크에 의해 생성된 데이터를 상기 제 2 전자기 신호 내에 인코딩하도록 구성된 광 인코더(1706, 1804, 1810, 1812, 1814)를 포함하고,
    상기 광 디코더(1704, 1804, 1806)는 상기 연결된 도파관으로부터 상기 제 1 전자기 신호를 추출하도록 구성되고,
    상기 광 인코더(1706, 1804, 1810, 1812, 1814)는 상기 광 기반 상호접속부 내의 다른 광 노드에 의한 추출을 위해 또는 상기 광 기반 상호접속부에 연결된 광섬유로의 송신을 위해, 상기 연결된 도파관 중 하나 또는 둘 다로 상기 인코딩된 제 2 전자기 신호를 전달하도록 구성되는
    광 기반 상호접속부.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 광 디코더 및 상기 광 인코더 모두는 하나 이상의 드롭 필터(1804) 및 하나 이상의 부가 필터(1814)를 더 포함하는
    광 기반 상호접속부.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 광 노드는 광결정을 더 포함하는
    광 기반 상호접속부.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 전자 모자이크는 중앙 처리 장치, 메모리, 로직 셀 및 센서 중 하나를 더 포함하는
    광 기반 상호접속부.
  10. 제 6 항에 있어서,
    하나 이상의 전자기 신호를 생성하도록 구성된 멀티 채널 레이저(1610)를 더 포함하는
    광 기반 상호접속부.
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