KR101465293B1 - 광전자 스위치 및 광전자 스위치 엘리먼트 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예는 광전자 네트워크 스위치에 관한 것이다. 일 실시예에서, 광전자 스위치는 거의 평행한 입력 도파관의 세트와, 입력 도파관에 거의 수직으로 배치된 거의 평행한 출력 도파관의 세트를 포함한다. 출력 도파관의 각각은 입력 도파관의 세트와 교차한다. 광전자 스위치는 하나 이상의 입력 도파관 상에 전송된 하나 이상의 광학 신호를 하나 이상의 교차하는 출력 도파관으로 스위칭하도록 구성된 적어도 하나의 스위치 엘리먼트를 포함한다.

Description

광전자 스위치 및 광전자 스위치 엘리먼트{OPTOELECTRONIC SWITCHES USING ON-CHIP OPTICAL WAVEGUIDES}
본 발명의 실시예는 광전자 장치에 관한 것으로, 특히, 광전자 스위치에 관한 것이다.
스위치 네트워크는 프로세서, 메모리, 회로 기판, 서버, 저장 서버, 외부 네트워크 접속 또는 임의의 다른 데이터 처리, 저장 또는 송신 장치를 포함하는 다양한 종류의 노드의 출력 포트로부터 입력 포트로 데이터를 라우팅하는 데 이용된다. 큰 스케일의 컴퓨터 시스템에서, 스케일링 가능한 패킷 스위치 네트워크는 포트를 접속하는 데 사용된다. 대다수의 포트로 스케일링할 수 있는 스위치 네트워크를 구성하기 위해, 기본 스위치 구성요소가 가능한 한 다수의 입력 및 출력으로서 구비되는 것이 바람직하다. 이는 스위치 네트워크가 모든 포트에 걸칠 수 있으며 보다 적은 단(stage)으로 구성될 수 있음을 의미한다. 클로스(Clos) 네트워크와 같은 Nlog(N) 증가 특성을 가진 스위치 네트워크에서, 큰 스위치 구성요소 크기가 네트워크 복잡도에서 대수 증가 항을 감소시키므로 이는 높은 기수 라우터(high radix router)로 지칭된다. 전자 장치가 스위칭에 사용되는 경우에, 각각의 스위치 구성요소의 전체 외부 대역폭은 시스템 설계자가 스위치 온 및 오프의 채널의 수와 채널의 대역폭 사이에서 타협하도록 강요되도록 제한된다. 예컨대, 동일한 실리콘 기술은 40Gbit/s에서 동작하는 각각의 채널을 가진 64×64 스위치 또는 160Gbit/s에서 동작하는 각각의 채널을 가진 16×16 스위치를 구현할 수 있다. 이 제약은 패키지에 대한 최대 수의 신호 접속부 및 신호 그 자체의 경우에 증가한다. 신호 데이터 레이트는 전력 및 신호 무결성 고려사항에 의해 결정된다.
스위치 네트워크는 흔히 환경을 컴퓨팅하는 데이터 처리 병목지역이 될 수 있다. 예컨대, 전형적인 스위치 네트워크는 다수의 스위치 네트워크가 "그날의 포트 레이트" 및 "그날의 포트 카운트"만을 수용하도록 제조되고 미래의 애플리케이션을 효율적으로 수용하도록 요구될 수 있는 큰 대역폭을 수용하도록 제조되므로, 다수의 애플리케이션의 항상 증가하는 데이터 처리 및 전송 요구를 처리하도록 컴퓨팅 환경의 능력의 범위를 제한할 수 있다. 특히, 데이터가 특정 포트들 사이에서 교환되는 양 및 주파수는 다른 포트보다 몇몇 포트의 경우에 클 수 있고, 대부분의 스위치 네트워크에 의해 이용되는 낮은 지연의 금속 신호 라인의 사용은 제한된 대역폭을 갖는다. 따라서, 포트들 사이에서 전송될 수 있는 데이터의 양은 각각의 시점에서 애플리케이션에 의해 이용된 포트들의 데이터 전송 요구와 잘 매칭되지 못할 수도 있으며, 이는 종종 데이터 처리 및/또는 전송 지연을 야기한다. 스위치 네트워크는 임의의 출력에 임의의 입력을 접속하라는 요구로부터 발생하는 다수의 긴 신호 라인 인트라 칩 접속부를 갖는다. 이들 긴 시간 라인은 전자 전송 손실을 극복하는 데 필요한 중계기에서 상당한 양의 전력을 소비한다.
신호 라인을 통해 전송된 전자 신호와 연관되는 다수의 이슈는 도파관을 통해 전송된 광의 특정 파장 또는 채널 내의 동일한 정보를 인코딩함으로써 현저히 감소할 수 있다. 첫째, 데이터 전송 레이트는 도파관에 의해 제공된 훨씬 큰 대역폭 때문에 현저히 증가할 수 있다. 둘째, 단위 길이 당 저하 또는 손실은 신호 라인을 통해 전송된 전자 신호보다 도파관을 통해 전송된 광의 경우에 훨씬 적다. 따라서, 전송된 비트 당 전력 소비는 신호 라인을 통해 전자 신호 내의 동일한 데이터를 전송하는 것 보다 도파관을 통해 전송된 광의 경우에 더 적다.
광학 스위치 구성요소는 마이크로 전자 기계 시스템과 같은 여러 상이한 기술 및 자기 광학 효과를 사용하여 구성되어 왔다. 그러나, 이들 스위치는 전부 회로 스위치이며, 그 스위치의 구성은 일반적으로 별개의 전자 제어 평면에 의해 수행된다. 패킷 스위치는 입력 데이터 스트림에 내장된 라우팅 정보에 따라 접속을 구성하는 능력에 의해 회로 스위치와 구별된다. 패킷 스위치는 전형적으로 요청된 출력이 사용중일 때 입력 데이터의 버퍼링을 허용한다. 다수의 전자 패킷 스위치가 구성되어 왔다. 그러나, 이들 네트워크 스위치는 더 높은 성능 프로세서의 요구을 충족하도록 스케일링하는 능력에서 제한된다. 2 개의 제한 요인이 있다. 첫째, 라우너 칩 온 및 오프의 대역폭은 입력/출력(I/O)의 수의 관점에서 제한되고, 패키징 기술 및 신호 무결성 고려사항에 의해 제한되는 IO 속도에 의해 제한된다. 둘째, 인터 칩 및 인트라 칩 접속부에 필요한 전력은 높은 IO 카운트와 높은 데이터 레이트로 현저히 증가한다.
엔지니어는 다양한 종류의 데이터 처리, 저장 또는 전송 장치 사이에서 대용량의 데이터를 전송하는 매체로서 데이터 인코딩 광을 수용할 수 있는 고속 네트워크 스위치에 대한 필요성을 인지해 왔다.
본 발명의 실시예는 광전자 네트워크 스위치에 관한 것이다. 일 실시예에서, 광전자 스위치는 거의 평행한 입력 도파관의 세트와, 입력 도파관에 거의 수직으로 배치된 거의 평행한 출력 도파관의 세트를 포함한다. 출력 도파관의 각각은 입력 도파관의 세트와 교차한다. 광전자 스위치는 하나 이상의 입력 도파관 상에 전송된 하나 이상의 광학 신호를 하나 이상의 교차하는 출력 도파관으로 스위칭하도록 구성된 적어도 하나의 스위치 엘리먼트를 포함한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따라 구성된 제 1 광전자 네트워크 스위치의 개략적 표현을 도시한다.
도 2a는 본 발명의 실시예에 따라 구성된 제 1 회로 스위치 엘리먼트의 개략적 표현 및 동작을 도시한다.
도 2b는 본 발명의 실시예에 따라 구성된 제 2 회로 스위치 엘리먼트의 개략적 표현 및 동작을 도시한다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예에 따라 구성된 패킷 스위치 엘리먼트의 개략적 표현 및 동작을 도시한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 구성된 제 2 광전자 네트워크 스위치의 개략적 표현을 표시한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 구성된 2×2 패킷 스위치 엘리먼트의 개략적 표현을 도시한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 4 개의 1×1 스위치 엘리먼트 및 단일 2×2 스위치 엘리먼트를 도시한다.
도 7a는 본 발명의 실시예에 따라 2 개의 개별 광학 층 내에 형성된 스위치 엘리먼트의 분해 등각투영도를 도시한다.
도 7b는 본 발명의 실시예에 따라 단일 광학 층 내에 형성된 스위치 엘리먼트의 등각투영도를 도시한다.
도 8a는 본 발명의 실시예에 따라 구성된 인접 돌출부 도파관의 일부 및 마이크로링 공진기의 등각투영도를 도시한다.
도 8b는 본 발명의 실시예에 따라 마이크로링에 대한 투과율 대 파장의 플롯을 도시한다.
도 9a는 본 발명의 실시예에 따라 광검출기로서 사용되는 마이크로링 공진기를 도시한다.
도 9b는 본 발명의 실시예에 따라 제 1 도파관으로부터의 광학 신호를 제 2 도파관으로 결합하는 데 사용되는 마이크로링 공진기를 도시한다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따라 마이크로링 및 돌출부 도파관을 둘러싸는 도핑 영역의 개략적 표현 및 정면도를 도시한다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따라 구성된 도파관 및 공진 공동을 가진 광자 결정의 정면도를 도시한다.
도 12a는 본 발명의 실시예에 따라 구성된 공진 공동의 등각투영도를 도시한다.
도 12b는 본 발명의 실시예에 따라 구성된 제 1 전자적으로 튜닝가능한 공진 공동의 단면도를 도시한다.
도 12c는 본 발명의 실시예에 따라 구성된 제 2 전자적으로 튜닝가능한 공진 공동의 단면도를 도시한다.
본 발명의 다양한 실시예는 광전자 네트워크 스위치에 관한 것이다. 이들 실시예는 높은 대역폭의 칩 대 칩 상호접속을 위한 전자 상호접속보다 전력을 덜 필요로 하는 직접 나노광 상호접속의 사용을 통해 입력 및 출력 대역폭을 크게 증가시킨다. 또한, 본 발명의 실시예는 장치에 다수의 광학 신호를 접속하는 데 조밀한 파장 분할 다중화("DWDM")를 이용한다. DWDM은 단일 도파관 상의 상이한 파장의 광학 신호를 다중화한다. 네트워크 스위치는 입력 도파관을 출력 도파관과 접속하고 다수의 포트에 광학 신호를 분배하는 스위치 엘리먼트를 포함한다. 본 발명의 실시예는 긴 내부 전자 접속을 필요로 하지 않도록 스위치를 통해 다수의 지점과 접속하는 광학 신호의 능력을 활용한다. 특정 거리 임계치를 넘으면, 주어진 거리 동안 광학 도파관의 낮은 전송 손실이 중계기에 대한 필요성을 제거하므로 광학 온칩 통신은 전자 통신보다 효율적이다.
본 발명의 실시예를 설명할 때, 용어 "광학 신호"는 데이터를 인코딩하도록 변조되거나 턴 "온" 및 "오프"되는 특정 파장의 전자기 방사를 지칭한다. 예컨대, 광학 신호의 고 및 저 진폭 부분은 각각 비트 "1" 및 "0"에 대응할 수 있고 또는 광학 신호의 "온" 및 "오프 부분"은 각각 비트 "1" 및 "0"에 대응할 수 있다. "광학 신호"는 전자기 스펙트럼의 가시 부분을 구획하는 파장으로 제한되지 않으며, 적외선 및 자외선 부분과 같은 가시 부분 외부의 파장을 가진 고전 및 양자 전자기 방사로도 지칭될 수 있다. 동일한 물질을 포함하는 구조적으로 유사한 다수의 구성요소는 동일한 참조 번호를 가지며, 간결성을 위해, 그 구조 및 기능의 설명은 반복되지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따라 구성된 광전자 네트워크 스위치(100)의 개략적 표현을 도시한다. 스위치(100)는 8 개의 수직 입력 도파관(102-109)의 세트, 8 개의 수평 출력 도파관(110-117)의 세트 및 출력 도파관(110-117)에 대거의 평행한 8 개의 수평 광 전력 도파관(118-125)의 세트를 포함한다. 전력 도파관(118-125)은 소스 도파관(126)에 광학적으로 결합되고, 차례로 광학 전력 소스(127)에 광학적으로 결합된다. 입력 도파관(102-109)은 출력 및 전력 도파관(110-125)에 거의 수직으로 지향되고, 각각의 입력 도파관은 출력 및 전력 도파관(110-125)과 교차하며 점선 박스에 의해 도 1에 표시된 스위치 엘리먼트(128)와 같은 스위치 엘리먼트를 통해 각각의 출력 도파관에 광학적으로 결합된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 스위치(100)는 8 × 8 어레이의 스위치 엘리먼트를 포함하며, 각각의 스위치 엘리먼트는 출력 도파관과 교차하는 입력 도파관을 포함한다. 예컨대, 스위치 엘리먼트(128)는 출력 도파관(113)을 교차하는 입력 도파관(107)을 포함한다. 스위치 엘리먼트 실시예는 도 2 및 도 3을 참조하여 보다 상세히 후술된다.
도파관(102-126)은 각각 DWDM을 사용하여 다수의 광학 신호를 전달할 수 있다. 광학 전력 소스(127)는 DWDM을 사용하여 소스 도파관(126)으로 다수의 연속파("CW")(즉, 변조되지 않거나 대략 일정한 진폭 및 파장) 광파를 출력하며, 각각의 광파는 상이한 파장을 갖는다. 각각의 광파의 일부는 전력 도파관(118-125)의 각각이 광학 전력 소스(127)로부터 동일한 세트의 광파 출력을 전달할 수 있도록 전력 도파관(118-125)의 각각으로 결합된다. 광파는 방향 화살표(129)에 의해 식별된 방향으로 전력 도파관(118-125)을 따라 전송된다. 입력 도파관(102-109)은 각각 입력 포트(132-139)에 개별적으로 결합되고, 출력 도파관(118-125)은 각각 출력 포트(140-147)에 개별적으로 결합된다. 입력 광학 신호는 대응하는 입력 포트(132-139)에 의해 입력 도파관(102-109) 상에 배치되고 방향 화살표(130)에 의해 식별된 방향으로 전송된다. 출력 광학 신호는 대응하는 스위치 엘리먼트에 의해 출력 도파관(110-117) 상에 배치되고 방향 화살표(131)에 의해 식별된 방향으로 전송된다. 입력 및 출력 광학 신호는 데이터 인코딩된(즉, 진폭 변조된) 광학 신호이다. 입력 및 출력 포트(132-147)는 프로세서, 메모리, 회로 기판, 서버, 저장 서, 외부 네트워크 접속부, 다른 스위치 또는 임의의 다른 데이터 처리, 저장 또는 송신 장치에 접속될 수 있다.
스위치(100)는 회로 스위치로서 작동될 수 있다. 스위치(100)가 입력 포트(137)로부터 출력 포트(143)로 데이터를 전송하도록 지향된다고 가정한다. 외부 스위치 제어(도시 생략)는 스위치 엘리먼트(128)를 활성화한다. 입력 포트(137)는 방향(130)으로 입력 도파관(107) 위에 데이터를 인코딩하는 입력 광학 신호를 배치한다. 스위치 엘리먼트(128)는 방향(129)으로 전력 도파관(121)을 따라 전송된 광파 및 입력 광학 신호를 추출한다. 스위치 엘리먼트(128)는 출력 도파관(113)에서 방향(131)으로 출력 포트(143)로 전송되는 출력 광학 신호를 생성하기 위해 광파를 턴"온" 및 "오프"하거나 변조함으로써 입력 광학 신호로 인코딩된 데이터를 추출된 광파로 인코딩한다.
광전자 네트워크 스위치 실시예는 정사각형 8×8 네트워크 스위치(100)로 제한되지 않는다. 다른 실시예에서, 스위치 엘리먼트의 행 및 열의 수는 필요에 따라 스케일 업 또는 스케일 다운될 수 있다. 일반적으로, 본 발명의 실시예는 N×N 네트워크 스위치를 포함하며, N은 스위치 엘리먼트의 동일한 행 및 열을 나타내는 양의 정수이다. 다른 네트워크 스위치 실시예에서, 행의 수는 열의 수와 다를 수 있다. 일반적으로, 네트워크 스위치 실시예는 M×N일 수 있으며, M과 N은 각각 스위치 엘리먼트의 행과 열의 수를 나타내는 양의 정수이다.
도 2a는 본 발명의 실시예에 따라 구성된 제 1 회로 스위치 엘리먼트(200)의 개략적 표현을 도시한다. 스위치 엘리먼트(200)는 입력 도파관(202), 출력 도파관(204) 및 전력 도파관(206)을 포함한다. 입력 도파관(202)은 6 개의 입력 공진기(207-212)에 광학적으로 결합되고, 전력 도파관(206)은 6 개의 출력 공진기(214-219)에 광학적으로 결합되며 출력 도파관(204)에도 광학적으로 결합된다. 6 개의 입력 공진기(207-212)는 수신기(220)에 전자적으로 결합되는 검출기에 광학적으로 결합된다. 예컨대, 검출기(222)는 입력 공진기(207)와 인접하고 이에 광학적으로 결합되며, 수신기(220)에 전자적으로 결합된다. 검출기는 입력 공진기(207-212)에서 트래핑된 입력 광학 신호를 흡수하고, 전자 상호접속부를 통해 송신기(226)로 전자 신호를 전송하는 수신기(220)로 전송되는 대응하는 데이터 인코딩 전자 신호를 생성한다. 직접 전기적 접속은 방향 화살표(224)와 같은 방향 화살표로 표시된다. 스위치 상태 제어기(228)는 스위치 엘리먼트에 대해 구성 데이터를 홀딩하고 어떤 입력이 어떤 출력에 접속되는지를 결정한다.
입력 공진기(207-212) 및 출력 공진기(214-219)는 각각 전자적으로 튜닝가능하고, 적합한 전압이 인가될 때 광학적으로 결합된 도파관을 따라 전파하는 광의 특정 파장과의 공진을 가지도록 구성된다. 이 경우에, 공진기가 턴 "온"된다고 한다. 각각의 턴 "온"된 공진기는 소멸 결합을 통해 도파관으로부터 광의 적어도 일부를 추출하고, 소정 시구간 동안 공진기 내에서 추출된 광을 트래핑한다. 전압기 턴 "오프"될 때, 공진기의 공진 파장은 광의 파장으로부터 멀리 시프트하고, 광은 공진기를 지나 광학적으로 결합된 도파관을 따라 영향을 받지 않으면서 전파한다. 이 경우에, 공진기가 턴 "오프"된다고 한다. 입력 공진기(207-212) 및 출력 공진기(214-219)의 구성 및 동작은 서브섹션 "Microring Resonators and Ridge Waveguides" 및 "Photonic Crystal and Resonant Cavities"에서 보다 상세히 후술된다.
이제 특정 예를 참조하여 스위치 엘리먼트(200)의 동작이 설명된다. 후속 설명에서, 특정 파장의 광파는 λ로 표현되고, 동일한 파장의 데이터 인코딩된 입력 또는 출력 광학 신호는
Figure 112013020917276-pct00001
로 표현된다. 또한, 모든 입력 광학 신호는 데이터를 전달하는 데 사용되며, 모든 전력 신호는 동일한 데이터를 인코딩하는 출력 광학 신호를 생성하는 데 사용된다. 입력 공진기(207-212) 및 출력 공진기(214-219)는 턴 "온"될 때 각각 6 개의 상이한 파장 λ1, λ2, λ3, λ4, λ5, 및 λ6을 가진 공진을 가지도록 구성된다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 전력 도파관(206)은 광학 전력 소스(도시 생략)로부터 출력된 6 개의 광파를 전달한다. 6 개의 공진기(207-212)는 턴 "온"되고 각각 도파관(202)으로부터의 6 개의 입력 광학 신호
Figure 112013020917276-pct00002
,
Figure 112013020917276-pct00003
,
Figure 112013020917276-pct00004
,
Figure 112013020917276-pct00005
,
Figure 112013020917276-pct00006
및
Figure 112013020917276-pct00007
를 소멸 결합한다. 6 개의 입력 광학 신호는 출력 도파관(204)에 접속된 출력 포트(도시 생략)로 예정된 데이터를 인코딩한다. 대응하는 검출기는 공진기(207-212)에서 공진하는 6 개의 입력 광학 신호를 직접 전기적 접속을 통해 송신기(226)로 전송되는 6 개의 전자 신호로 변환한다. 입력 신호가 입력 도파관(202)으로부터 추출될 때 상이한 위상을 가질 수 있으므로 리타이밍 로직(230)이 송신기에서 전자 신호의 도달을 동기화하는 데 사용된다. 송신기(226)는 6 개의 광파 λ1, λ2, λ3, λ4, λ5, 및 λ6 내의 데이터를 인코딩하여 출력 도파관(204)을 따라 전송되는 6 개의 출력 광학 신호
Figure 112013020917276-pct00008
,
Figure 112013020917276-pct00009
,
Figure 112013020917276-pct00010
,
Figure 112013020917276-pct00011
,
Figure 112013020917276-pct00012
및
Figure 112013020917276-pct00013
를 생성한다.
6 개의 광파 내의 데이터를 인코딩하는 것은 공진기(214-219)로 전송된 전자 신호의 "0" 및 "1" 비트에 따라 출력 공진기(214-219)를 턴 "온" 및 "오프"함으로써 달성될 수 있다. 예컨대, 출력 공진기(214)가 비트 "0"에 대응하는 시구간 동안 턴 "온"될 때, 출력 공진기(214)는 전력 도파관(206)으로부터의 광파 λ1의 적어도 일부를 출력 도파관(204)으로 소멸 결합한다. 출력 공진기(214)가 비트 "1"에 대응하는 시구간 동안 턴 "오프"될 때, 광파 λ1는 영향을 받지 않으면서 출력 공진기(214)를 통과한다. 그 결과(232)는 입력 광학 신호에 의해 전달된 데이터를 인코딩하는 진폭 변조되거나 "온" 및 "오프"의 출력 광학 신호
Figure 112010065547439-pct00014
이다.
특정 실시예에서, 입력 광학 신호의 파장이 출력 광학 신호의 파장에 대응할 수 있지만, 다른 실시예에서, 입력 광학 신호의 파장은 출력 광학 신호의 파장에 대응할 필요가 없음을 알아야 한다. 예컨대, 특정 실시예에서, 입력 광학 신호
Figure 112010065547439-pct00015
에 의해 전달된 데이터는 동일한 데이터를 전달하는 출력 신호
Figure 112010065547439-pct00016
를 생성하도록 광파 λ2에서 인코딩될 수 있지만, 다른 실시예에서, 입력 광학 신호
Figure 112010065547439-pct00017
는 동일한 데이터를 전달하는 출력 신호
Figure 112010065547439-pct00018
를 생성하도록 광파 λ4에서 인코딩될 수 있다.
도 2b는 본 발명의 실시예에 따라 구성된 제 2 회로 스위치 엘리먼트(250)의 개략적 표현을 도시한다. 스위치 엘리먼트(250)는 스위치 엘리먼트(250)가 수신기(220) 및 송신기(226)에 전자적으로 결합되는 전자 크로스바(252)를 포함하는 것을 제외하고 스위치 엘리먼트(200)와 거의 동일하다. 전자 크로스바(252)는 수신기(220)로부터 출력된 전자 신호를 송신기(226)로 라우팅하도록 스위치 상태 제어기(228)에 의해 제어된다.
스위치 엘리먼트(250)는 도 2a를 참조하여 전술된 바와 같이 6 개의 출력 신호 전부에서 인코딩된 데이터를 생성하기 위해 6 개의 입력 광학 신호 전부에서 인코딩된 데이터에 의해 생성된 전기적 신호를 라우팅하는 데 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 6 개의 입력 광학 신호 전부에서 데이터를 수신하고 모든 출력 광학 신호를 사용하는 것이 아니라, 스위치 엘리먼트(250)는 특정 수의 입력 광학 신호에서 인코딩된 데이터를 수신하고 상이한 수의 출력 광학 신호에서 데이터를 출력하는 데 사용될 수 있다. 예컨대, 입력 포트(도시 생략)는 입력 광학 신호
Figure 112013020917276-pct00019
및
Figure 112013020917276-pct00020
를 입력 도파관(202)으로 배치한다. 2 개의 입력 광학 신호
Figure 112013020917276-pct00021
및
Figure 112013020917276-pct00022
는 출력 도파관(204)에 결합된 출력 포트(도시 생략)로 의도되는 데이터로 인코딩된다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 공진기(208, 210)가 턴 "온"될 때, 입력 광학 신호
Figure 112013020917276-pct00023
및
Figure 112013020917276-pct00024
는 입력 도파관(202)으로부터 소멸 결합된다. 대응하는 검출기는 입력 광학 신호
Figure 112013020917276-pct00025
및
Figure 112013020917276-pct00026
를 동일한 데이터를 인코딩하는 전자 신호로 변환하고, 전자 신호를 수신기(220)로 전송한다. 전자 크로스바(224)는 수신기(220)로부터 전자 신호를 수신하고 전자 신호를 송신기(226)로 재라우팅한다. 입력 광학 신호 전송 시간이 동기화되지 않을 수 있으므로, 스위치 엘리먼트(200)는 전자 신호의 전송을 송신기(226)에 동기화하도록 리타이밍 로직(230)을 포함할 수 있다. 송신기(226)는 출력 도파관(204)을 따라 전송되는 출력 광학 신호
Figure 112013020917276-pct00027
,
Figure 112013020917276-pct00028
및
Figure 112013020917276-pct00029
를 생성하도록 3 개의 광파 λ1, λ3, 및 λ4 내의 데이터를 인코딩한다.
스위치 엘리먼트(200)의 직접 전자 상호접속부 및 스위치 엘리먼트(250)의 전자 크로스바가 수신기(220) 및 송신기(226)로부터 전기적 신호를 전송하는 데 사용될 수 있는 다수의 상이한 종류의 전자 상호접속부 중 2개일 뿐임을 알아야 한다.
일반적으로, 스위치 엘리먼트 실시예는 임의의 수의 입력 광학 신호에서 데이터를 수신하고 임의의 수의 출력 광학 신호에서 데이터를 출력하도록 구성될 수 있다. 도 2를 참조하여 전술된 예와 달리, 특정 실시예에서, 스위치 엘리먼트의 공진기는 한 세트의 파장을 가진 입력 광학 신호를 수신하고 상이한 세트의 파장을 가진 출력 광학 신호를 생성하도록 구성될 수 있다. 또한, 스위치 실시예는 6 개의 입력 및 6 개의 출력 공진기로 제한되지 않는다. 다른 실시예에서, 임의의 적합한 수의 입력 및 출력 공진기가 사용될 수 있고, 입력 공진기의 수는 출력 공진기의 수와 다를 수 있다.
스위치(100)는 각각의 스위치 엘리먼트를 데이터 패킷 버퍼와 구성함으로써 데이터 패킷 스위치로서도 작동될 수 있다. 다수의 입력 패킷 중 어떤 입력 패킷이 특정 출력 포트로 전송되는지를 선택하도록 조정이 사용될 수 있다. 도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예에 따라 데이터 패킷을 송신하도록 구성된 패킷 스위치 엘리먼트(300)의 개략적 표현을 도시한다. 스위치 엘리먼트(300)는 전자 상호접속부(252)가 결합된 전자 상호접속부와 패킷 버퍼(302)로 대체된다는 것을 제외하고 스위치 엘리먼트(250)와 거의 동일하다. 패킷 버퍼는 출력 포트로의 전송을 기다리는 패킷을 저장하기 위해 할당된 추가적인 메모리 공간일 수 있다. 제 1 단계에서, 도 3a에 도시된 바와 같이, 스위치 엘리먼트는 공진기(207)를 턴 "온"하도록 조정(304)에 의해 지시된다. 광학 신호 λ1'는 입력 도파관(202)으로부터 마이크로링(207)으로 소멸 결합되고, 스위치 엘리먼트(300)는 나머지 공진기(208-212)를 턴 "온"함으로써 입력 광학 신호를 수신하도록 준비한다. 제 2 단계에서, 도 3b에 도시된 바와 같이, 입력 광학 신호
Figure 112013020917276-pct00030
,
Figure 112013020917276-pct00031
,
Figure 112013020917276-pct00032
,
Figure 112013020917276-pct00033
,
Figure 112013020917276-pct00034
및
Figure 112013020917276-pct00035
는 공진기(207-212)로 소멸 결합되고, 스위치 엘리먼트(300)는 도 2a를 참조하여 전술된 바와 같이, 출력 광학 신호
Figure 112013020917276-pct00036
,
Figure 112013020917276-pct00037
,
Figure 112013020917276-pct00038
,
Figure 112013020917276-pct00039
,
Figure 112013020917276-pct00040
및
Figure 112013020917276-pct00041
내의 동일한 데이터 패킷을 출력한다. 다른 실시예에서, 도 2b를 참조하여 전술된 바와 같이, 데이터 패킷은 특정 입력 광학 신호를 사용하여 전송되고, 상이하거나 동일한 출력 광학 신호에서 출력될 수 있다.
특정 실시예에서, 출력 포트가 사용되고 있지 않으면, 패킷은 즉시 "컷-스루(cut-through)"로 불리는 기술로 출력 포트로 라우팅될 수 있다. 이와 달리, 출력 포트가 다른 입력 포트에 의해 사용되고 있으면, 패킷은 패킷 버퍼에 저장되고, 출력 포트가 이용가능해 질 때 전송된다. 패킷을 요청하는 가능한 스위치 엘리먼트 중 임의의 스위치 엘리먼트 중에서 선택하는 데 조정(304)이 사용된다.
도 1을 참조하면, 특정 스위치 실시예에서, 광학 전력 소비를 감소시키기 위해, 데이터가 2 단계로 전송될 수 있다. 제 1 단계에서, 스위치 엘리먼트의 각각은 상이한 공진기를 턴 "온"하고, 제 1 시간 간격 내에서 대응하는 광학 신호를 수신하기를 기다린다. 스위치 엘리먼트는 모두 출력 포트를 식별하는 동일한 광학 신호를 수신한다. 그러나, 광학 신호는 선택된 출력 포트에 결합된 스위치 엘리먼트의 특정 공진기와 공진을 갖는다. 이 스위치 엘리먼트는 제 2 단계 동안에 다수의 입력 광학 신호에서 인코딩된 데이터를 수신하도록 준비함으로써 응답한다. 나머지 스위치 엘리먼트가 광학 신호의 공진을 매칭하는 공진기를 턴 "온"하므로, 이들 스위치 엘리먼트는 제 1 시간 간격 동안 광학 신호를 수신하지 않으며, 공진기를 턴 "오프"함으로써 응답하고, 데이터가 제 2 단계 동안 전송되기를 기다린다. 예컨대, 초기에, 8 개의 상이한 스위치 엘리먼트(150-157)는 각각 상이한 공진기를 턴 "온"한다. 공진기는 각각 파장 λ1, λ2, λ3, λ4, λ5, λ6, λ7 및 λ8을 가진 8 개의 상이한 광학 신호 중 하나에 대응할 수 있다. 입력 포트(136)가 데이터를 출력 포트(145)로 전송해야 한다고 가정한다. 입력 포트(136)는 스위치 엘리먼트(155)에 의해 턴 "온"된 공진기와 공진를 가진 파장의 펄스와 같은 단일 광학 신호를 출력한다. 광학 신호를 수신할 때, 스위치 엘리먼트(155)는 대응하는 공진기를 턴 "온"함으로써 응답하고, 입력 포트(136)로부터 입력 광학 신호를 수신하기를 기다리지만, 나머지 스위치 엘리먼트(150-154, 156, 157)는 대응하는 입력 공진기를 턴 "오프"한다. 제 2 단계에서, 입력 포트(136)는 입력 광학 신호를 전송하며, 그 신호는 스위치 엘리먼트(155)에 의해 수신되고 출력 포트(145)로 전송된다.
다른 스위치 실시예에서, 선택된 출력 포트에 결합된 스위치 엘리먼트를 활성화하는 데 단일 주소 광학 신호가 사용될 수 있다. 예컨대, 제 1 단계에서, 출력 포트(104-107)는 각각 상이한 주소에 할당될 수 있다. 스위치 엘리먼트(150-157) 전부는 주소 광학 신호의 파장과 공진을 가진 공진기를 턴 "온"할 수 있고, 주소 광학 신호를 수신하기를 기다릴 수 있다. 입력 포트는 주소 광학 신호에서 도파관(106) 상에 출력 포트(145)의 주소를 전송한다. 스위치 엘리먼트(155)는 주소 광학 신호를 수신하고 입력 광학 신호를 수신하도록 준비한다. 나머지 스위치 엘리먼트(150-154, 156, 157)도 주소 광학 신호를 수신하지만, 그 주소가 광학적으로 결합된 출력 포트의 주소와 일치하지 않으므로, 나머지 스위치 엘리먼트(150-154, 156, 157)는 입력 공진기를 턴 "오프"함으로써 응답한다. 제 2 단계에서, 입력 포트(136)는 입력 광학 신호를 전송하며, 그 신호는 스위치 엘리먼트(155)에 의해 수신되고 출력 포트(145)로 전송된다.
광전자 네트워크 스위치 실시예는 각각의 입력 및 출력 도파관 교차 지점에서 단일 스위치 엘리먼트를 이용하는 것으로 제한되지 않는다. 단거리 스위칭 및 통신이 전자적으로 수행되는 계층적 방식은 입력 및 출력 도파관의 수는 동일하게 유지하면서 공진기, 수신기 및 송신기의 수를 감소시키도록 적용될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 구성된 제 2 광전자 네트워크 스위치(400)의 개략적 표현을 표시한다. 스위치(400)는 도 1을 참조하여 전술된 스위치(100)와 동일한 도파관(102-126), 광학 전력 소스(127) 및 포트(132-147)을 포함한다. 스위치(100)와 마찬가지로, 스위치(400)의 스위치 엘리먼트도 입력 도파관(102-109)에서 수신된 입력 광학 신호를 출력 도파관(110-117)에 의해 전달된 출력 광학 신호로 스위칭한다. 그러나, 하나의 입력 도파관에 의해 전달된 입력 광학 신호를 출력 도파관에 의해 전달된 출력 광학 신호로 스위칭하는 데 단일 스위치 엘리먼트를 이용하기보다, 스위치(400)는 2 개의 입력 도파관 중 하나에 의해 전달된 입력 광학 신호를 2 개의 출력 도파관 중 하나에 의해 전달될 수 있는 출력 광학 신호로 스위칭하는 데 2×2 스위치 엘리먼트를 이용한다. 예컨대, 2×2 스위치 엘리먼트(402)는 입력 도파관(104) 또는 입력 도파관(105)에서 입력 광학 신호를 수신할 수 있고, 출력 도파관(114) 또는 출력 도파관(115)에서 대응하는 출력 광학 신호를 배치할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 구성된 2×2 패킷 스위치 엘리먼트(500)의 개략적 표현을 도시한다. 스위치 엘리먼트(500)는 2 개의 입력 도파관(502, 504) 및 2 개의 출력 도파관(506, 508)을 포함한다. 입력 도파관(502, 504)은 각각 수신기(510, 512)에 각각 전자적으로 결합되는 6 개의 공진기의 세트에 광학적으로 결합된다. 출력 도파관(506, 508)도 각각 전력 도파관(514, 516)에 각각 광학적으로 결합되는 6 개의 공진기의 세트에 광학적으로 결합된다. 공진기는 도 2를 참조하여 전술된 바와 같이 작동된다. 스위치 엘리먼트(500)는 수신기(510, 512)로부터 전자 패킷을 수신하고, 패킷 버퍼 내에 데이터 패킷을 저장하며, 패킷을 송신기(518) 또는 송신기(520)로 전송하는 2×2 전자 상호접속부 및 패킷 버퍼(524)를 포함한다. 패킷은 도 2를 참조하여 전술된 바와 같이 송신기(518, 520)에 의해 광파 내에 인코딩된다. 다른 실시예에서, 도 2를 참조하여 전술된 바와 같이, 2×2 패킷 스위치 엘리먼트(500)는 패킷 버퍼를 제거하고 송신기(518, 520)의 각각과 2×2 전자 상호접속부 및 패킷 버퍼(524)와 스위치 구성 상태 사이에 리타이밍 로직을 포함함으로써 회로 스위치에 대해 변경될 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 4 개의 1×1 스위치 엘리먼트(601-604) 및 단일 2×2 스위치 엘리먼트(606)를 도시한다. 4 개의 1×1 스위치 엘리먼트(601-604)는 도 3을 참조하여 전술된 4 개의 인접하는 패킷 스위치 엘리먼트(300)를 개략적으로 표현한다. 1×1 스위치 엘리먼트(601-604)의 각각이 4 개의 수신기, 4 개의 송신기, 4 개의 전자 상호접속부 및 총 48 개의 공진기가 되는 대응하는 입력 및 출력 공진기, 수신기, 송신기 및 전자 상호접속부 및 패킷 버퍼의 세트를 포함함을 알아야 한다. 이와 달리, 도 6은 2×2 회로 스위치 엘리먼트 또는 2×2 패킷 스위치 엘리먼트(500)를 개략적으로 나타내는 단일 2×2 스위치 엘리먼트(606)를 나타낸다. 단일 2×2 스위치 엘리먼트(606)는 4 개의 1×1 스위치 엘리먼트(601-604)에 의해 수행되는 것과 동일한 스위칭 동작을 수행할 수 있지만, 이는 다수의 공진기, 수신기 및 송신기의 절반을 사용한다.
본 발명의 스위치 엘리먼트 실시예는 전술한 2×2 스위치 엘리먼트로 제한되지 않는다. 실제로, 스위치 엘리먼트의 크기는 광학 및 전자 인트라칩 통신 사이의 효율성의 교차 지점에 의해 결정된다. 다른 실시예에서, 스위치 엘리먼트는 3×3, 4×4, 5×5 또는 큰 스위치 엘리먼트를 포함하도록 스케일 업될 수 있다. 일반적으로, M×N 네트워크 스위치는 M×N 수신기 및 M×N 송신기를 가지며, 패킷 네트워크 스위치의 경우에, 각각의 조정기는 M 개의 입력을 다중화하기를 원한다. M×N 네트워크 스위치를 동일한 수의 입력 및 출력 도파관에 대한 P×Q 스위치로 대체함으로써, 수신기의 수는 N/Q로 감소하고 각각의 출력 조정기는 M/P 개의 입력 사이에서 다중화하는 것만 필요로 한다. 총 N×M 네트워크 스위치는 N×M/P 개의 수신기 및 M×N/Q 개의 송신기를 사용한다. 패킷 네트워크 스위치에서, 단일 전자 상호접속부의 사용은 또한 M×N 네트워크 스위치의 M×N 버퍼 요구조건을 감소시키는 전자 상호접속부와 버퍼 리소스의 공유를 허용한다.
특정 광전자 네트워크 스위치 실시예에서, 입력 도파관의 세트 및 출력 도파관의 세트는 2 개의 개별 광학 층에서 제조될 수 있다. 도 7a는 본 발명의 실시예에 따라 2 개의 개별 광학 층 내에 형성된 스위치 엘리먼트(200)의 분해 등각투영도를 도시한다. 입력 도파관(202) 및 광학적으로 결합된 공진기(207-212)는 제 1 광학 층 내에 구현되고, 출력 도파관(204), 전력 도파관(206) 및 출력 공진기(214-219)는 제 2 광학 층(704) 내에 구현된다. 도 7a에 도시된 바와 같이, 입력, 출력 및 전력 도파관(202, 204, 206)은 돌출부 도파관을 사용하여 구현되고, 입력 공진기(207-212)와 출력 공진기(214-219)는 보다 상세히 후술되는 마이크로링 공진기를 사용하여 구현된다. 다른 실시예에서, 입력 도파관의 세트와 출력 도파관의 세트는 단일 광학 층 내에 구현될 수 있다. 도 7b는 본 발명의 실시예에 따라 단일 광학 층(706) 내에 형성된 스위치 엘리먼트(200)의 등각투영도를 도시한다. 각각 입력 도파관(202)과 출력 및 전력 도파관(204, 206) 사이의 교차부분(708, 710)에서 크로스토크는 거의 발생하지 않는다.
본 발명의 스위치 실시예는 칩내 통신에 대한 집적 광학 IO 구조의 사용을 통해 순수 전자 스위치보다 큰 대역폭 및 스위치 크기로 스케일링할 수 있다. 이들은 동일한 데이터 레이트로 작동하는 균등한 전자 IO보다 전력을 덜 소비한다. 광학 온칩 상호접속에 의해 접속된 작은 전자 스위치의 어레이를 사용하는 계층적 내부 구조의 사용은 광학에서 전자로 및 전자에서 광학으로의 컨버터의 사용을 최적화하면서, 긴 온칩 전자 상호접속부를 필요로 하지 않는다. 순수 광학 스위치에 비해, 본 발명의 광전자 네트워크 스위치는 다수의 범용 컴퓨팅 애플리케이션에 대한 요구조건인 패킷 스위칭 및 버퍼링을 구현하는 능력 때문에 보다 유동적이다.
마이크로링 공진기 및 돌출부 도파관
특정 시스템 실시예에서, 도파관(202, 204, 206)은 돌출부 도파관일 수 있고, 공진기는 마이크로링 공진기일 수 있다. 도 8a는 본 발명의 실시예에 따라 구성되고 기판(806)의 표면 상에 배치된 인접 돌출부 도파관(804)의 일부 및 마이크로링 공진기(802)의 등각투영도를 도시한다. 도파관(804)을 따라 전송된 광학 신호는 광학 신호가 공진 조건을 만족시킬 때 도파관(804)으로부터 마이크로링(802)으로 소멸 결합된다.
Figure 112010065547439-pct00042
neff는 마이크로링(802)의 유효 굴절률이고, C는 마이크로링(802)의 둘레이며, m은 정수이고, λ는 광학 신호의 파장이다. 바꾸어 말하면, 파장 λ의 정수배인 파장을 가진 광학 신호는 도파관(804)으로부터 마이크로링(802)으로 소멸 결합된다.
도 8b는 도 8a에 도시된 도파관(804) 및 마이크로링에 대한 투과율 대 파장의 플롯을 도시한다. 수평 라인(808)은 파장 축을 나타내고, 수직 라인(810)은 투과율 축을 나타내며, 곡선(812)은 파장의 범위에 걸쳐 마이크로링(802)을 통과하는 광학 신호의 투과율을 나타낸다. 마이크로링(802)의 광학 신호의 투과율은 다음과 같이 정의된다.
Figure 112010065547439-pct00043
Iin은 마이크로링(802)에 도달하기 전에 도파관(804)을 따라 전파하는 광학 신호의 세기이고, Iout은 마이크로링(802)을 통과한 후에 도파관(804)을 따라 전파하는 광학 신호의 세기이다. 투과율 곡선(812)의 최소점(814, 816)은 파장 mλ 및 (m+1)λ를 가진 광학 신호의 0 투과율에 대응하고, 다수의 일정하게 이격된 최소점 중 2 개만 나타낸다. 이들 광학 신호는 위의 공진 조건을 만족시키고, 마이크로링(802)과 "강한 공진"을 가진다고 하며, 도파관(804)으로부터 마이크로링(802)으로 소멸 결합된다. 파장 mλ 및 (m+1)λ을 둘러싸는 좁은 파장 영역에서, 투과율 곡선(812)은 투과율의 가파른 증가를 나타낸다. 광학 신호의 더 먼 파장은 파장 mλ 및 (m+1)λ으로부터 멀리 떨어져 있다. 영역(818-820) 내의 파장을 가진 광학 신호는 실질적으로 영향을 받지 않으면서 마이크로링(802)을 통과한다.
마이크로링 공진기의 소멸 결합 특성 때문에, 마이크로링 공진기는 인접 도파관을 따라 전송하는 특정 광학 신호를 검출하는 데 사용될 수 있고 또는 마이크로링 공진기는 하나의 인접 도파관으로부터의 특정 파장의 광학 신호를 다른 인접 도파관으로 결합하는 데 사용될 수 있다. 도 9a는 본 발명의 실시예에 따라 광검출기로서 사용되는 마이크로링 공진기(802)를 도시한다. 마이크로링(802)과 공진하는 파장을 가진 광학 신호는 도파관(804)으로부터 마이크로링(802)으로 소멸 결합되고, 도파관(802) 내에서 순환하면서 소정 시구간 동안 계속 트래핑된다. 검출기(902)는 마이크로링(802)에 인접하는 기판(806)의 표면 상에 배치된다. 검출기(902)는 마이크로링(802)에서 순환하는 광학 신호를 흡수하고, 그 광학 신호를 신호 라인을 통해 전자 장치로 전송될 수 있는 전자 신호로 변환한다. 검출기(902)는 게르마늄("Ge") 또는 임의의 다른 적합한 광 흡수 원소 또는 화합물로 구성될 수 있다. 도 9b는 본 발명의 실시예에 따라 도파관(804)으로부터의 광학 신호를 제 2 도파관(904)으로 결합하는 데 사용되는 마이크로링 공진기(802)를 도시한다. 마이크로링(802)과 공진하는 파장을 가진 광학 신호는 도파관(804)으로부터 마이크로링(802)으로 소멸 결합된다. 광학 신호는 마이크로링(802)과 함께 순환하고 도파관(904)으로 소멸 결합된다. 광학 신호가 하나의 방향으로 도파관(804)을 따라 전송되고 제 2 도파관(904)으로 결합된 광학 신호가 반대 방향으로 전송됨을 알아야 한다.
마이크로링(802)은 적합한 전자 도너(donor) 및 전자 억셉터(acceptor) 원자 또는 불순물로 마이크로링(802)과 도파관(804)을 둘러싸는 기판(806)의 영역을 도핑함으로써 전자적으로 튜닝될 수 있다. 도 10은 본 발명의 실시예에 따라 마이크로링(802) 및 돌출부 도파관(804)을 둘러싸는 도핑 영역의 개략적 표현 및 정면도를 도시한다. 특정 실시예에서, 마이크로링(802)은 진성 반도체를 포함한다. P형 반도체 영역(1001)은 마이크로링(802)의 반도체 기판 내부에 형성될 수 있고, n형 반도체 영역(802, 803)은 마이크로링(802)의 외부를 둘러싸는 반도체 기판(806) 내에 및 도파관(804)의 반대 쪽에 형성될 수 있다. p형 영역(1001) 및 n형 영역(1002, 1003)은 마이크로링(802) 주위에 p-i-n 접합을 형성한다. 다른 실시예에서, 마이크로링(802)의 기판 내부에 n형 반도체 영역(1001)을 형성하고 마이크로링(802)의 외부를 둘러싸는 기판 내에 p형 반도체 영역(1002, 1003)을 형성하도록 도펀트가 바뀔 수 있다.
전자적으로 튜닝가능한 마이크로링(802)은 적합한 전압이 마이크로링을 둘러싸는 영역에 인가될 때 인접 도파관으로부터의 광을 소멸 결합하거나 전환하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 전자적 제어된 마이크로링(802)은 도파관(804)을 따라 전파하는 파장 λ을 가진 광학 신호가 다음 공진 조건을 만족시키지 않도록 둘레 C와 유효 굴절률 neff'로 구성될 수 있다.
Figure 112010065547439-pct00044
이 광학 신호는 영향을 받지 않으면서 마이크로링(802)을 통과하고, 마이크로링(802)은 턴 "온"된다고 한다. 반면에, 마이크로링(802)은 적합한 전압이 마이크로링(802)에 인가될 때, 유효 굴절률 neff'이 굴절 값 neff으로 시프트하고 광학 신호가 공진 조건을 만족시키도록 적합한 물질로 형성된다.
Figure 112010065547439-pct00045
광학 신호는 이제 도파관(804)으로부터 마이크로링(802)으로 결합되고 마이크로링(802)은 턴 "온"된다고 한다. 그 후 전압이 턴 "오프"될 때, 마이크로링(802)의 유효 굴절률은 neff'로 시프트 백하고 동일한 광학 신호가 영향을 받지 않으면서 도파관(804)을 따라 전파한다.
광자 결정 및 공진 공동
특정 시스템 환경에서, 광전자 네트워크 스위치는 2차원 광자 결정을 사용하여 구현될 수 있으며, 여기서 도파관은 광자 결정 도파관이고 공진기는 공진 공동이다. 광자 결정은 일정한 패턴으로 함께 결합될 때, 광학 신호의 전파 특성을 변경할 수 있는 유전체 특성을 가진 2 개 이상의 상이한 물질로 구성된 광자 장치이다. 2 차원 광자 결정은 유전체 또는 반도체 슬랩(slab) 내에 제조된 원통형 홀의 규칙적인 격자로 구성될 수 있다. 원통형 홀은 공기 홀 또는 슬랩의 유전체 물질과 상이한 유전체 물질로 충진된 홀일 수 있다. 2 차원 광자 결정은 지정된 주파수 대역 내에 광학 신호를 반사하도록 설계될 수 있다. 따라서, 2 차원 광자 결정은 광자 결정의 광자 밴드갭 내의 주파수를 가지는 광학 신호의 전파를 방지하도록 주파수 대역 저지 필터로서 설계되고 제조될 수 있다. 일반적으로, 원통형 홀의 크기 및 상대 간격은 광학 신호의 어떤 파장이 2 차원 광자 결정에서 전파하지 못하는지를 제어한다. 그러나, 특정 국부 구성요소를 생성하도록 원통형 홀의 격자로 결함이 도입될 수 있다. 특히, 광학 신호의 좁은 파장 범위를 일시적으로 트래핑하는 공진기를 생성하도록 "포인트 결함"으로도 지칭되는 공진 공동이 제조될 수 있다. "라인 결함"으로도 지칭되는 도파관은 광자 밴드갭의 파장 범위 내에 있는 파장을 가진 광학 신호를 전송하도록 제조될 수 있다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따라 슬랩(1106) 내에 형성된 공진 공동(1104), 광자 결정 도파관(1102)의 정면도를 도시한다. 원(1108)과 같은 원은 슬랩(1106)의 높이에 걸치는 홀을 나타낸다. 공진 공동은 선택 원통형 홀의 크기를 생략하거나 증가시키거나 감소시킴으로써 생성될 수 있다. 특히, 공진 공동(1104)은 원통형 홀을 생략함으로써 생성된다. 광자 결정 도파관은 광자 결정 밴드갭의 특정 파장 범위 내의 광학 신호를 지시하는 데 사용될 수 있는 광학 전송 경로이다. 도파관은 원통형 홀의 열 또는 행 내에서 특정 원통형 홀의 직경을 변경하거나 원통형 홀의 행 또는 열을 생략함으로써 제조될 수 있다. 도파관(1102)은 원통형 홀의 전체 행을 생략함으로써 생성된다. 공진 공동(1104)과 도파관(1102)을 둘러싸는 홀은 광자 결정 밴드갭의 주파수 범위에서 광학 신호를 일시적으로 트래핑하는 2 차원 브래그 미러(Bragg mirror)를 형성한다. 광자 결정을 통해 다수의 상이한 경로 내에 광학 신호를 지시하는 데 브랜치 도파관의 네트워크가 사용될 수 있다. 도파관을 따라 전파하는 전자기 신호의 직경은 λ/3n만큼 작을 수 있고, n은 슬랩의 굴절률이며, 공진 공동의 고조파 모드 볼륨은 2λ/3n만큼 작을 수 있다.
도파관 및 공진 공동은 광학 신호가 도파관 및 공진 공동을 바로 가까이 둘러싸는 영역으로 나오지 못하게 할 때 그 효율이 100% 미만일 수 있다. 예컨대, 도파관을 따라 전파하는 광자 밴드갭에서 주파수 범위 내의 광학 신호도 도파관을 둘러싸는 영역으로 확산되기 쉽다. 도파관(1102) 또는 공진 공동(1104)을 둘러싸는 영역에 진입하는 광학 신호는 "소멸"로 불리는 프로세스에서 진폭의 급격한 감소를 경험한다. 따라서, 공진 공동(1102)은 도파관(1104)에 의해 전달된 광학 신호의 특정 파장이 방향 화살표(1110)에 의해 표시된 바와 같이, 도파관(1102)으로부터 공진 공동(1104)으로 소멸 결합되게 하도록 도파관(1102)의 단거리 내에 배치된다. 공진 공동(1104) Q 팩터에 따라, 추출된 광학 신호는 공진 공동(1104)에서 계속 트래핑될 수 있고 잠시 공진할 수 있다.
도 12a는 본 발명의 실시예에 따라 구성된 공진 공동(1102) 및 슬랩(1204)의 일부의 단면도를 도시한다. 공진 공동(1102)은 원통형 홀을 생략함으로써 생성된다. 공진 공동(1102)의 직경 및 공진 공동(1102)을 둘러싸는 원통형 홀(1206)과 같은 원통형 홀의 패턴과 직경은 공진 공동(1202) 내의 광학 신호의 특정 파장을 일시적으로 트래핑하도록 선택될 수 있다. 슬랩(1204)은 유리 기판(1208)의 상부에 배치된다. 도 12a에 도시된 바와 같이, 특정 실시예에서, 슬랩(1204)은 p-i-n 접합 공진 공동(1202)을 형성하는 p형 반도체 층(1212)과 n형 반도체 층(1214) 사이에 끼인 진성 층(1210)으로 구성될 수 있다.
도 12b는 본 발명의 실시예에 따라 구성된 제 1 전자적으로 튜닝가능한 공진 공동의 단면도를 도시한다. 공진 공동(1202)은 2 개의 전극(1220, 1222) 사이에 끼인다. 슬랩(1204)은 p-i-n 접합 층(1210, 1212, 1214) 또는 단일 유전체 또는 반도체 층으로 구성될 수 있다. 공진 공동(1202)을 통해 전압을 인가하는 것은 공진 공동(1202)의 유효 굴절률을 변경하며, 이는 가까운 도파관(도시 생략)에서 전파하는 광학 신호의 특정 파장과의 공진 내로 또는 외부로 공진 공동(1202)을 시프트할 수 있다.
도 12c는 본 발명의 실시예에 따라 구성된 제 2 전자적으로 튜닝가능한 공진 공동의 단면도를 도시한다. 공진 공동(1202)은 2 개의 전극(1224, 1226) 사이에 끼인다. 슬랩(1204)은 또한 pin 층(1210, 1212, 1214) 또는 단일 층, 예컨대, 단일 유전체 또는 반도체 층으로 구성될 수 있다. 공진 공동(1202)을 통해 전압을 인가하는 것은 공진 공동(1202)의 유효 굴절률을 변경하며, 이는 가까운 도파관(도시 생략)에서 전파하는 광학 신호의 특정 파장과의 공진 내로 또는 외부로 공진 공동(1202)을 시프트할 수 있다.
특정 실시예에서, 공진 공동은 전술한 검출기(902)와 같은 공진 공동에 인접한 검출기를 배치함으로써 전자적으로 튜닝가능한 광검출기로서 작동될 수 있다.
본 발명의 시스템 실시예가 마이크로링 공진기 및 광자 결정 공진 공동으로 제한되지 않음을 알아야 한다. 다른 실시예에서, 도파관을 따라 전파하는 광학 신호의 특정 파장과 결합하도록 구성될 수 있는 임의의 적합한 공진기가 사용될 수 있다.
설명을 위해, 앞선 기술은 본 발명의 완전한 이해를 제공하도록 특정 용어를 사용하였다. 그러나, 당업자는 본 발명을 실시하기 위해 특정 세부사항이 요구되지 않음을 알 것이다. 본 발명의 특정 실시예에 대한 앞선 설명은 예시 및 설명을 위해 제공된다. 이들은 개시된 바로 그 형태로 본 발명을 소모하거나 제한하도록 의도되지 않는다. 물론, 이상의 교시에 비추어 다수의 변경 및 수정이 가능하다. 실시예는 본 발명의 원리 및 실제 애플리케이션을 최상으로 설명하고 이로써 당업자가 예상되는 특정 사용에 적합한 다양한 변경을 가진 본 발명 및 다양한 실시예를 최상으로 이용하게 하기 위해 도시되고 설명된다. 본 발명의 범위는 후속하는 특허청구범위 및 그 균등물에 의해 규정되도록 의도된다.

Claims (10)

  1. 광전자 스위치(an optoelectronic switch)(100)에 있어서,
    평행한 입력 도파관(102-109)의 세트와,
    상기 입력 도파관에 수직으로 배치된 평행한 출력 도파관(110-117)의 세트 -각각의 출력 도파관은 상기 입력 도파관의 세트와 교차함- 와,
    하나 이상의 입력 도파관 상에 전송된 하나 이상의 광학 신호를 하나 이상의 교차하는 출력 도파관으로 스위칭하도록 구성된 적어도 하나의 스위치 엘리먼트(at least one switch element)(128)를 포함하되,
    상기 적어도 하나의 스위치 엘리먼트는,
    전자적으로 튜닝가능한 입력 공진기(207-212)의 세트(a set of electronically tunable input resonators) -각각의 입력 공진기는 입력 도파관에 광학적으로 연결되고, 상기 입력 공진기에 적합한 전압이 인가될 때 상기 입력 도파관으로부터 광학 신호를 연결하도록 구성됨- 와,
    전자적으로 튜닝가능한 출력 공진기(214-219)의 세트(a set of electronically tunable output resonators) -각각의 출력 공진기는 출력 도파관과 전력 도파관에 광학적으로 연결되고, 상기 출력 공진기에 적합한 전압이 인가될 때 상기 전력 도파관으로부터 상기 출력 도파관으로 광학 신호를 연결하도록 구성됨- 와,
    상기 입력 공진기의 각각에 전자적으로 연결되고, 상기 입력 도파관으로부터 연결된 상기 광학 신호에 대응하는 전자 신호를 전송하도록 구성된 수신기(220)와,
    상기 수신기에 전자적으로 연결되고, 상기 수신기에 의해 전송된 상기 전자 신호를 재라우팅(reroute)하도록 구성된 전자 상호접속부와,
    상기 전자 상호접속부와 상기 출력 공진기의 세트에 전자적으로 연결되고, 상기 전자 상호접속부로부터 출력된 상기 재라우팅된 전자 신호를 수신하며, 상기 출력 공진기에 대응하는 적합한 전압을 인가하도록 구성된 송신기(226)를 포함하는
    광전자 스위치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    소스 도파관(126)과,
    전력 도파관(118-125)의 세트 -각각의 전력 도파관은 상기 소스 도파관에 광학적으로 연결되고, 상기 출력 도파관의 세트 내의 출력 도파관에 평행하게 확장되며, 상기 입력 도파관의 세트 내의 각각의 입력 도파관과 수직으로 교차함- 와,
    상기 소스 도파관에 광학적으로 연결되고, 하나 이상의 연속파 광학 신호를 상기 광학적으로 연결된 소스 도파관을 통해 상기 전력 도파관의 세트 내의 상기 전력 도파관의 각각으로 방출하도록 구성된 광학 전력 소스(127)를 더 포함하는
    광전자 스위치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    입력 포트(132-139)의 세트 -각각의 입력 포트는 상기 입력 도파관의 세트 내의 입력 도파관에 광학적으로 결합되고, 상기 입력 도파관으로 상기 하나 이상의 광학 신호를 방출하도록 구성됨- 와,
    출력 포트(140-147)의 세트 -각각의 출력 포트는 상기 출력 도파관의 세트 내의 출력 도파관에 광학적으로 연결되고, 상기 출력 도파관 상에 전송된 하나 이상의 광학 신호를 수신하도록 구성됨- 를 더 포함하는
    광전자 스위치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 스위치 엘리먼트는,
    검출기(222)의 세트 -각각의 검출기는 입력 공진기에 가까이 배치되고, 상기 입력 도파관으로부터 연결된 상기 광학 신호를 상기 수신기에 의해 전송된 상기 전자 신호로 변환하도록 구성됨- 를 더 포함하는
    광전자 스위치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 전자 상호접속부는 다이렉트 전기 접속부(direct electrical connections)(224)와, 전자 크로스바(252)와, 데이터 패킷을 저장하는 패킷 버퍼(302) 중 하나를 더 포함하는
    광전자 스위치.
  6. 광전자 스위치 엘리먼트(200)에 있어서,
    하나 이상의 연속파 광학 신호를 전송하도록 구성된 전력 도파관(206)과,
    상기 전력 도파관에 평행하게 배치된 출력 도파관(204)과,
    상기 출력 도파관과 교차하는 입력 도파관(202)과,
    상기 입력 도파관으로부터 하나 이상의 입력 광학 신호를 연결하고, 상기 전력 도파관으로부터 상기 연속파 광학 신호 중 하나 이상을 연결하며, 상기 하나 이상의 입력 광학 신호 내에 인코딩된 정보를 상기 하나 이상의 연속파 광학 신호로 인코딩하여 출력 광학 신호를 생성하고, 상기 출력 광학 신호를 상기 출력 도파관으로 연결하도록 구성된 광전자 장치를 포함하는
    광전자 스위치 엘리먼트.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 광전자 장치는,
    전자적으로 튜닝가능한 입력 공진기(207-212)의 세트 -각각의 입력 공진기는 상기 입력 도파관에 광학적으로 연결되고, 상기 입력 공진기에 적합한 전압이 인가될 때 상기 입력 도파관으로부터 상기 하나 이상의 입력 광학 신호 중 하나의 입력 광학 신호를 연결하도록 구성됨- 와,
    전자적으로 튜닝가능한 출력 공진기(214-219)의 세트 -각각의 출력 공진기는 상기 출력 도파관과 상기 전력 도파관에 광학적으로 연결되고, 상기 출력 공진기에 적합한 전압이 인가될 때 상기 전력 도파관으로부터 상기 출력 도파관으로 상기 연속파 광학 신호를 연결하도록 구성됨- 와,
    상기 입력 공진기의 각각에 전자적으로 연결되고, 상기 입력 도파관으로부터 연결된 상기 하나 이상의 입력 광학 신호에 대응하는 전자 신호를 전송하도록 구성된 수신기(220)와,
    상기 수신기에 전자적으로 연결되고, 상기 수신기로부터 전송된 상기 전자 신호를 재라우팅하도록 구성된 전자 상호접속부와,
    상기 하나 이상의 입력 광학 신호 내에 인코딩된 정보를 상기 하나 이상의 연속파 광학 신호로 인코딩하여 상기 출력 광학 신호를 생성하기 위해, 상기 전자 상호접속부와 상기 출력 공진기의 세트에 전자적으로 연결되고, 상기 전자 상호접속부로부터 출력된 상기 재라우팅된 전자 신호를 수신하며, 상기 출력 공진기에 대응하는 적합한 전압을 인가하도록 구성된 송신기(226)를 더 포함하는
    광전자 스위치 엘리먼트.
  8. 제 7 항에 있어서,
    검출기(222)의 세트를 더 포함하되,
    각각의 검출기는 입력 공진기에 인접하여 배치되고, 상기 입력 도파관으로부터 연결된 상기 광학 신호를 상기 수신기에 의해 전송된 상기 전자 신호로 변환하도록 구성되는
    광전자 스위치 엘리먼트.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 전자 상호접속부로부터 상기 송신기로 전송된 상기 전자 신호를 동기화하는 리타이밍 로직(retiming logic)(230)을 더 포함하는
    광전자 스위치 엘리먼트.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 전자 상호접속부는 다이렉트 전기 접속부(224)와 전자 크로스바(252) 중 하나를 더 포함하는
    광전자 스위치 엘리먼트.
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