KR101487291B1 - 데이터를 반송 전자기파로 인코딩하는 광자 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 여러 가지 실시예는 데이터를 반송 전자기파로 인코딩하고 반송 전자기파의 전송을 조절하는데 이용될 수 있는 광자 시스템과 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에서 광자 시스템(1000, 1500)은 다수의 전자기파를 전송하도록 구성된 제1 도파관(1002)을 포함한다. 광자 시스템(1000, 1500)은 공진 공동(1014, 1504)을 구비한 광자 결정(1004, 1502)을 포함하며 상기 전자기파들 중 하나 또는 그 이상을 상기 제1 도파관(1002)에서 상기 공진 공동(1014, 1504) 내로 선택적으로 그리고 감쇄적으로 결합하도록 구성된다. 광자 시스템(1000, 1500)은 또한 하나 또는 그 이상의 전자기파를 감쇄 결합을 통해 상기 공진 공동(1014, 1504)으로부터 전송하고 추출하도록 배치된 제2 도파관(1006)을 포함한다.

Description

데이터를 반송 전자기파로 인코딩하는 광자 시스템 및 방법{PHOTONIC SYSTEMS AND METHODS FOR ENCODING DATA IN CARRIER ELECTROMAGNETIC WAVES}
본 발명의 실시예는 광자 시스템에 관한 것으로, 특히 데이터를 반송 전자기파로 인코딩하도록 구성될 수 있는 광자 시스템에 관한 것이다.
1970년대 후반 이후로 광자 장치는 데이터를 전송하는 종래의 전자 장치를 점점 대체해 왔다. 데이터를 전기적 신호로 인코딩하고 이 인코딩된 전기적 신호를 신호선을 통해 전송하기 보다는 전자기파로 인코딩하여 광자 장치를 통해 전송할 수 있다. 인코딩된 전자기파를 광자 장치를 통해 전송하는 것은 인코딩된 전기적 신호를 신호선을 통해 전송하는 것에 비해 많은 이점이 있다. 첫째, 광자 장치를 통해 전송된 전자기파는 신호선을 통해 전송된 전기적 신호에 비해 신호 열화나 손실이 훨씬 적다. 둘째, 광자 장치는 신호선보다 대역폭이 훨씬 높다. 예컨대 단일 Cu 또는 Al 배선은 하나의 전기적 신호만을 전송할 수 있는데 반해 단일 광파이버는 대략 100 또는 그 이상의 전자기파를 전송하도록 구성될 수 있다. 마지막으로 전자기파는 데이터 전송 레이트가 훨씬 높으며 전자기파 간섭이 없다.
최근 재료 과학과 반도체 제조 기술의 진보에 따라 광자 장치를 메모리나 프로세서와 같은 전자 장치와 통합하는 컴퓨터 장치를 제조하는 것이 가능해졌다. 특히 광자 집적 회로("PIC)는 전자 집적 회로와 동등한 광자 장치이다. PIC는 집적 회로의 기초를 이루는 반도체 재료의 작은 웨이퍼 상에 구현될 수 있으며, 전자기파로 인코딩된 데이터를 많은 집적 광자 및 전자 장치에 전송하는 많은 도파관을 포함할 수 있다. Si가 주재료인 전자 집적 회로와는 달리 PIC는 여러 가지 재료로 구성될 수 있다. 예컨대 PIC는 SOI (Silicon On Insulator)와 같은 단일 반도체나, InP나 AlxGa1 - xAs(여기서, x는 0에서 1 사이의 값)와 같은 2원과 3원 반도체로 구성될 수 있다.
PIC를 효과적으로 구현하기 위해서는 다수의 수동 및 능동 광자 컴포넌트가 필요하다. 도파관과 감쇄기는 종래의 에피택셜 및 리소그래피법을 이용하여 제조될 수 있으며 전자 장치들 간의 전자기파의 전파를 유도하는데 이용될 수 있는 수동 광자 컴포넌트의 예이다. 물리학자, 공학자나 컴퓨터 과학자들은 데이터를 전자기파로 인코딩하고 전자기파의 전송을 조절하는 PIC로 구현될 수 있는 변조기나 스위치와 같은 능동 광자 컴포넌트의 필요성을 인식해왔다.
본 발명의 여러 가지 실시예는 데이터를 전자기파로 인코딩하는데 이용될 수 있는 광자 시스템과 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에서 광자 시스템은 많은 전자기파를 전송하도록 구성된 제1 도파관을 포함한다. 광자 시스템은 공진 공동(resonant cavity)을 가진 광자 결정(photonic crystal)을 포함하며, 제1 도파관으로부터 공진 공동 내로 들어오는 하나 또는 그 이상의 전자기파를 선택적으로 그리고 감쇄적으로 결합하도록 구성된다. 광자 시스템은 또한 감쇄 결합을 통해 공진 공동으로부터 하나 또는 그 이상의 전자기파를 전송하고 추출하도록 배치된 제2 도파관을 포함한다.
도 1은 1차원 광자 결정의 예를 도시한 도.
도 2는 2차원 광자 결정의 예를 도시한 도.
도 3a 및 3b는 각각 1차원 광자 결정과 2차원 광자 결정에 대한 주파수 대 파동 벡터 z-성분의 가설적인 플롯을 보여주는 도.
도 4 및 도 5는 2개의 2차원 광자 결정의 사시도.
도 6a 및 도 6b는 도 5에 도시된 2차원 광자 결정에서 횡전기장 및 자기장 모드의 전파를 보여주는 도.
도 7은 도 4에 도시된 2차원 광자 결정에서 횡전기장 및 자기장 모드의 광자 대역 구조를 보여주는 도.
도 8은 2개의 공진 공동과 하나의 도파관을 가진 광자 결정의 예를 보여주는 도.
도 9는 도 8에 도시된 광자 결정의 도파관에 대한 주파수 대 파동 벡터의 크기의 가설적 플롯을 보여주는 도.
도 10은 본 발명의 실시예를 나타내는 제1 광자 시스템의 등각투상도(isometric view).
도 11a는 본 발명의 실시예를 나타내는 단일 반도체 전송층을 가진, 도 10에 도시된 제1 광자 시스템의 횡단면도.
도 11b는 본 발명의 실시예를 나타내는 3층 반도체 전송층을 가진, 도 10에 도시된 제1 광자 시스템의 횡단면도.
도 12는 3가지 서로 다른 예시적인 공진 공동 구성을 보여주는 것으로 각 공진 공동은 본 발명의 실시예를 나타내는 도.
도 13은 본 발명의 실시예를 나타내는 도 10에 도시된 제1 광자 시스템에서 도파관들 간에 감쇄적으로 전송된 전자기파에 대한 정규화된 전송 대 정규화된 주파수의 플롯을 보여주는 도.
도 14는 본 발명의 실시예를 나타내는 전자기파를 필터링하는, 도 10에 도시된 광자 시스템의 사용예를 보여주는 도.
도 15는 본 발명의 실시예를 나타내는 제2 광자 시스템의 등각투상도.
도 16a는 본 발명의 실시예를 나타내는 단일 반도체 전송층을 가진, 도 15에 도시된 제2 광자 시스템의 횡단면도.
도 16b는 본 발명의 실시예를 나타내는 3층 반도체 전송층을 가진, 도 15에 도시된 제2 광자 시스템의 횡단면도.
도 17은 본 발명의 실시예를 나타내는 도 15에 도시된 제2 광자 시스템의 도파관들 간에 감쇄적으로 전송된 전자기파에 대한 정규화된 전송 대 정규화된 주파수의 플롯을 보여주는 도.
도 18a 및 도 18b는 본 발명의 실시예를 나타내는 전자기파 변조기로서 동작되는, 도 15에 도시된 제2 광자 시스템의 개략도.
도 19a 내지 도 19e는 본 발명의 실시예를 나타내는 도 15에 도시된 제2 광자 시스템을 이용하여 정보가 반송 전자기파로 인코딩될 수 있는 3가지 방법을 나타내는 플롯을 보여주는 도.
도 20은 본 발명의 실시예를 나타내는 정보를 인코딩하는, 도 15에 도시된 4개의 제2 광자 시스템을 포함하는 제1 예시적인 광자 집적 회로를 도시한 도.
도 21a 및 도 21b는 본 발명의 실시예를 나타내는 제1 광자 스위치의 동작을 보여주는 도.
도 22a 및 도 22b는 본 발명의 실시예를 나타내는 도파관과 광자 스위치의 저장기의 횡단면도.
도 23은 본 발명의 실시예를 나타내는 도 15에 도시된 4개의 제2 광자 시스템을 포함하는 제2 예시적인 광자 집적 회로를 도시한 도.
도 24a 및 도 24b는 본 발명의 실시예를 나타내는 광자 결정 방식 스위치의 동작을 보여주는 도.
본 발명의 여러 가지 실시예는 전자기파의 전송을 조절하고 데이터를 전자기파로 인코딩하는데 이용될 수 있는 광자 시스템 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 여러 가지 실시예를 설명하는데 사용된 "광자(photonic)"라는 용어는 전자기파 스펙트럼을 전개하는 파장을 가진 통상의 전자기파나 양자화된 전자기파를 전송하는데 이용될 수 있는 디바이스를 말함에 유의한다. 즉, 본 발명의 실시예를 설명하는데 사용된 "광자"라는 용어는 "광자(photon)"라고 불리는 전자기파의 양자(quanta)를 전송하는 디바이스에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 여러 가지 실시예의 설명에 대한 이해를 돕기 위하여 제1 소절(subsection)에서 광자 결정, 도파관 및 공진 공동의 개요에 대해서 설명한다. 본 발명의 여러 가지 시스템과 방법 실시예에 대해서는 제2 소절에서 설명한다.
광자 결정, 도파관 및 공진 공동의 개요
본 발명의 실시예는 광자 결정, 릿지(ridge) 도파관 및 기타 다른 광자 디바이스의 개념을 이용한다. 이 분야의 참고 문헌의 몇 가지 예로는 Katsunari Okamoto저 "광 도파관의 기초(Fundamentals of Optical Waveguides)"(Elsevier Inc. 2005), Snyder and Love저 "광 도파관 이론(Optical Waveguide Theory)"(Chapman and Hall, London, 1983), 및 Jean-Michel Lourtioz저 "광자 결정(Photonic Crystals)"(Springer-Verlag, Berlin, 2005)이 있다. 이 소절에서는 본 발명의 실시예에 관련된 광자 결정의 토픽에 대해 설명한다. 릿지 도파관이나 기타 다른 광자 디바이스에 관해 더 자세한 것은 상기 참고 문헌이나 이 분야에 관련된 기타 다른 많은 참고 문헌, 논문, 저널 기사로부터 얻을 수 있다.
광자 결정은 통상의 패턴으로 함께 결합될 때에 전자기파 방사("ER")의 전파 특성을 변경할 수 있는 유전 특성을 가진 2 또는 그 이상의 서로 다른 재료로 구성된 광자 디바이스이다. 도 1과 2는 서로 다른 유전 특성을 가진 2개의 서로 다른 재료가 결합되어 하나의 광자 결정을 구성할 수 있는 여러 가지 가능한 패턴들 중 2가지를 보여준다. 광자 결정은 통상적으로 유전체 패턴이 주기적인 방향의 수에 따라 구별된다. 예컨대 도 1은 1차원 광자 결정의 예를 보여준다. 도 1에서 광자 결정(100)은 z 방향에서 주기적으로 교호하는 2가지 서로 다른 유전체의 7개 층으로 구성된다. 음영이 없는 층(101-104)은 유전 상수가 ε1인 제1 유전체로 구성되고, 음영이 있는 층(105-107)은 유전 상수가 ε2인 제2 유전체로 구성된다. 이들 층은 "격자 상수"라 불리는 반복 간격으로 규칙적으로 이격되어 있다. 도 1의 격자 상수의 경우에는 격자 상수는 a이다. 도 2는 2차원 광자 결정의 예를 보여준다. 2차원 광자 결정(200)은 2가지 서로 다른 유전체의 교호층을 포함하며 2가지 격자 상수 a와 b를 가진 x 방향과 y 방향에서 주기적이다. 영역(201)과 같이 음영이 없는 영역은 유전 상수가 ε1인 제1 유전체로 구성되고, 영역(202)과 같이 음영이 있는 영역은 유전 상수가 ε2인 제2 유전체로 구성된다. 광자 결정은 또한 3차원적인 반복 패턴을 가지고 제조될 수 있다. 3차원 광자 결정은 제2 유전체를 포함하는 슬라브(slab)에 삽입된 제1 유전체를 포함하는 구, 관 또는 기타 다른 입체 형상을 이용하여 제조될 수 있다.
유전체 내에서 전파하는 ER은 진동하며 직교하는 전기장
Figure 112014024776173-pat00001
와 자기장
Figure 112014024776173-pat00002
, 및 전파 방향
Figure 112014024776173-pat00003
를 포함하는 전자기파로 특징지어질 수 있다. 전기장과 자기장은 다음의 맥스웰 방정식(Maxwell's equations)에 따라 그 관계가 나타난다.
Figure 112014024776173-pat00004
Figure 112014024776173-pat00005
Figure 112014024776173-pat00006
Figure 112014024776173-pat00007
여기서
Figure 112014024776173-pat00008
은 유전체 내의 전자기파의 공간 변위이고, t는 시간,
Figure 112014024776173-pat00009
은 유전 상수이다.
유전체는 일반적으로 자유 전하나 자유 전류를 지원하지 않으므로 수학식 1 내지 4는 전하 밀도항이나 체적 전류항을 포함하지 않는다. 수학식 3과 4는 컬(curl) 방정식으로서 선형 미분 방정식이다. 이들 수학식에서 좌변은 장(field)의 독립 공간 변위
Figure 112014024776173-pat00010
에 대한 종속성을 표현하며, 우변은 장의 t에 대한 종속성을 표현한다.
Figure 112014024776173-pat00011
에 대해 변화하는 미분량을 t에 대해 변화하는 양과 같게 유지하는 유일한 방법은 미분량을 동일한 상수값으로 하는 것이다. 방정식 3과 4의 양변은 상수이며, 변수 분리법을 적용하면 다음과 같이 될 수 있다.
Figure 112014024776173-pat00012
상기 수학식에서 ω는 유전체 내에서 전파하는 전자기파의 각주파수이다.
맥스웰 컬 방정식인 수학식 3과 4는 수학식 4를 유전 상수
Figure 112014024776173-pat00013
로 나누고, 컬 연산자를 적용하고, 전기장의 컬을 수학식 3으로 치환하여 다음의 수학식 5를 제공함으로써 분리될 수 있다.
Figure 112014024776173-pat00014
여기서,
Figure 112014024776173-pat00015
는 미분 연산자이다.
수학식 5는 고유치가 ω2이고 고유함수가 해당 자기장
Figure 112014024776173-pat00016
인 고유치 방정식이다. 수학식 5에 따라 자기장
Figure 112014024776173-pat00017
이 결정되고 나면,
Figure 112014024776173-pat00018
를 수학식 3에 대입하고,
Figure 112014024776173-pat00019
에 대해 풀면 전기장
Figure 112014024776173-pat00020
이 구해질 수 있다.
도 1과 2에 도시된 광자 결정과 같은 유한 차원 광자 결정에 대해서는 수학식 5의 고유치와 고유함유가 양자화되어 이하의 식이 제공된다.
Figure 112014024776173-pat00021
여기서 j는 각주파수를 증가시키는 순서로 자기장
Figure 112014024776173-pat00022
의 고조파 모드를 구별하는 "대역 지수"라 불리는 음이 아닌 정수값이다.
광자 결정의 병진 대칭성을 이용하여 자기장
Figure 112014024776173-pat00023
의 함수 형태를 결정할 수 있다. 예컨대 광자 결정(100)에서 전파하는 자기장
Figure 112014024776173-pat00024
의 함수 형태는 다음과 같이 주어진다.
Figure 112014024776173-pat00025
위 방정식에서
Figure 112014024776173-pat00026
는 xy 평면 벡터이고,
Figure 112014024776173-pat00027
는 xy 평면 파동 벡터이고, kz는 z 방향 파동 벡터 성분이고,
Figure 112014024776173-pat00028
는 z 방향에서의 주기 함수이다. 수학식 6에서 지수항
Figure 112014024776173-pat00029
은 xy 평면에서 유전체층을 통해 전파하는 ER의 연속 병진 대칭성으로부터 나온다. 그러나 수학식 6에서 항
Figure 112014024776173-pat00030
은 블로흐(Bloch's) 이론과
Figure 112014024776173-pat00031
로 주어지는 광자 결정(100)의 유전 상수의 주기성에 의해 z 방향에서 부과된 이산적 병진 대칭성으로부터 나온다.
여기서
Figure 112014024776173-pat00032
이며, a는 유전체층의 규칙적 패턴에 의해 결정된 격자 상수이고, l은 정수이다.
자기장
Figure 112014024776173-pat00033
은 2π/a의 정수배로 주기적이다. 결과적으로 관련 각주파수도 다음과 같이 주기적이다.
Figure 112014024776173-pat00034
광자 결정의 유전체 패턴에서의 차이가, ER이 광자 결정에서 전파하지 못하게 되는 "광자 밴드갭"이라 불리는 하나 또는 그 이상의 주파수 ωj 범위를 만들어 낸다. 또한 이 광자 밴드갭은 유전체들 간의 차이가 ER 흡수와 ER 전파를 막는 전자기 에너지 범위와 λj로 표시되는 파장 범위에 대응한다. 광자 결정을 통해 전송된 ER의 파장 λj는 다음과 같이 각주파수 ωj에 관계된다.
Figure 112014024776173-pat00035
위 식에서 ν는 광자 결정 내의 ER의 속도이다. 특정 ER 주파수 범위는 고주파 고조파 모드가 전자기 에너지를 유전 상수가 낮은 유전체 영역에 집중시키는 경향이 있고, 저주파 고조파 모드가 전자기 에너지를 유전 상수가 높은 유전체 영역에 집중시키는 경향이 있기 때문에 광자 결정을 통해 전송되지 못한다. 전자기 에너지 W는 다음과 같이 변분 원리(variational principle)로부터 결정될 수 있다.
Figure 112014024776173-pat00036
위 식에서
Figure 112014024776173-pat00037
이고, "＊ "는 복소 공액을 나타낸다. 전자기 에너지는 유전 상수가 낮은 광자 결정의 영역에서 전파하는 모드에서보다 유전 상수가 높은 영역에서 전파하는 고조파 모드에서 더 낮다.
1차원 광자 결정의 광자 밴드갭 내의 주파수 크기와 범위는 광자 결정을 구성하는 유전체의 유전 상수들 간의 상대차에 따라 달라진다. 광자 결정을 포함하는 재료의 유전 상수들 간의 상대차가 큰 1차원 광자 결정은 유전 상수들 간의 상대차가 더 작은 광자 결정보다 더 높은 주파수 범위에서 더 큰 광자 밴드갭을 갖는다.
도 3a 및 3b는 각각 제1의 1차원 광자 결정과 제2의 1차원 광자 결정에 대한 주파수 ωa/2πc 대 파동 벡터 z 성분 kz의 가설적인 플롯이다. 도 3a 및 3b에서 수평축(301)과 같은 수평축은 파동 벡터 z 성분 kz에 대응하고, 수직축(302)과 같은 수직축은 주파수에 대응한다. 주파수 ωj는 수학식 7을 참조로 전술한 바와 같이 주기적이므로 주파수 ωja/2πc는 1, 2, 3인 각주파수 대역 j에 대해 파동 벡터 z 성분 범위 -π/a와 π/a에 대해서 플롯되어 있다. 광자 밴드갭은 음영 영역(303, 304)에 의해 식별된다. 라인(305, 306, 307)은 제1, 제2 및 제3 각주파수 대역(j=1, 2, 3)에 대응한다. 도 3a에서의 광자 밴드갭(303)의 폭(310)은 도 3b에서의 광자 대역폭(304)의 폭(312)보다 작은데, 그 이유는 제1 광자 결정을 구성하는 재료의 유전 상수들 간의 상대차가 제2 광자 결정을 구성하는 재료의 유전 상수들 간의 상대차보다 작기 때문이다. 또한 광자 밴드갭(303)은 광자 밴드갭(304)이 걸치는 주파수 범위보다 더 낮은 주파수 범위에 걸친다.
2차원 광자 결정은 유전체 슬라브에서 제조된 원통형 구멍의 규칙적 격자로 구성될 수 있다. 원통형 구멍은 공기 구멍, 또는 광자 슬라브의 유전체 재료와는 다른 유전체 재료가 채워진 구멍일 수 있다. 도 4는 2차원 광자 결정의 사시도이다. 도 4에서 광자 결정(400)은 기둥(402)과 같은 매립된 원통형 구멍의 규칙적 격자를 가진 유전체 슬라브(401)로 구성된다. 원통형 구멍은 원통형 구멍(403)으로 나타낸 바와 같이 슬라브(401)의 상단면에서 하단면으로 신장하며, 여기에는 공기 또는 슬라브(401)의 유전 상수와는 다른 유전 상수를 가진 임의의 다른 재료가 채워질 수 있다. 이 2차원 광자 결정은 기체나 액체로 둘러싸인 원통형 기둥의 규칙적 격자 배열로 구성될 수도 있다. 도 5는 기체나 액체와 같은 유체로 둘러싸이고 상기 원통형 기둥과는 다른 유전 상수를 가진 원통형 기둥(501)과 같은 입체적인 원통형 기둥의 규칙적인 정사각형 격자를 가진 2차원 광자 결정(500)을 보여준다.
2차원 광자 결정은 광자 결정의 주기적 평면에서 전파하는 ER을 편광시키고, 전기장 및 자기장은 2개의 구별되는 편광, 즉 (1) 횡전기장("TE") 모드와 (2) 횡자기장("TM") 모드로 분류될 수 있다. TE는 광자 결정의 주기적 평면에 수직한 방향의
Figure 112014024776173-pat00038
와 광자 결정의 주기적 평면 방향의
Figure 112014024776173-pat00039
를 가지며, TM은 광자 결정의 주기적 평면에 수직한 방향의
Figure 112014024776173-pat00040
와 광자 결정의 주기적 평면 방향의
Figure 112014024776173-pat00041
를 가진다. 도 6a 및 6b는 도 4에 도시된 2차원 광자 결정에서의 TE 및 TM 모드의 전파를 보여준다. 광자 결정(400)의 주기적 평면은 xy 평면이며, 원통형 구멍은 z 방향과 평행하고, ER은 y 방향에서 광자 결정(400)을 통해 전파한다. 도 6a에서 진동 곡선(601)은 xy 평면에 수직한 방향의
Figure 112014024776173-pat00042
모드를 나타내고, 진동 곡선(602)은 xy 평면 방향의 직교
Figure 112014024776173-pat00043
모드를 나타낸다. 도 6b에서 진동 곡선(603)은 xy 평면에 수직한 방향의
Figure 112014024776173-pat00044
모드를 나타내고, 진동 곡선(604)은 xy 평면 방향의 직교
Figure 112014024776173-pat00045
모드를 나타낸다.
도 7은 도 4에 도시된 광자 결정에서 전파하는 ER의 TM 및 TE 모드의 광자 대역 구조를 보여준다. 도 7에서 수직축(701)은 광자 결정(400)에서 전파하는 ER의 각주파수를 나타내며, 수평축(702)은 도 4에 도시된 광자 결정(400)의 광자 결정 세그먼트(703)에서 Γ, M 및 K로 표기된 격자점들 간의 ER 전파 경로를 나타낸다. 실선(704)과 같은 실선은 TM 모드를 나타내고, 파선(705)과 같은 파선은 TE 모드를 나타낸다. 음영 영역(706)은 TE 모드와 TM 모드 어느 것도 광자 결정(400)에서 전파될 수 없는 광자 밴드갭을 나타낸다.
광자 밴드갭(706)과 같은 2차원 광자 결정 슬라브에서의 광자 밴드갭이 걸치는 폭과 주파수 범위는 격자 상수 a로 나타낸 원통형 구멍의 주기적 간격과, 슬라브의 유전 상수와 원통형 구멍의 유전 상수 간의 상대차에 따라 달라진다. 또한 광자 밴드갭(706)이 걸치는 주파수 범위는 슬라브의 유전 상수와 원통형 구멍의 유전 상수 간의 상대차가 클수록 더 높은 주파수 범위로 이동될 수 있는 반면에, 광자 밴드갭(706)은 슬라브의 유전 상수와 원통형 구멍의 유전 상수 간의 상대차가 작을수록 더 낮은 주파수 범위로 이동될 수 있다.
2차원 광자 결정은 특정 주파수 대역 내의 ER을 반사시키도록 설계될 수 있다. 그 결과, 2차원 광자 결정은 광자 결정의 광자 밴드갭 내의 주파수를 가진 ER의 전파를 저지하는 주파수 대역 저지 필터로서 설계되어 제조될 수 있다. 일반적으로 원통형 구멍의 크기와 상대적 간격은 ER의 어느 파장이 2차원 광자 결정에서 전파하는 것을 저지할 것인지를 제어한다. 그러나 원통형 구멍의 격자에는 결함이 도입되어 특정의 국소화 성분을 만들어낼 수 있다. 특히 "공진 공동"이라고도 하는 포인트 결함은 ER의 좁은 범위의 주파수 또는 파장을 일시적으로 포획하는 공진기를 제공하도록 만들어질 수 있다. "도파관"이라고도 하는 라인 결함은 광자 밴드갭의 주파수 범위 내에 있는 주파수 범위 또는 파장을 가진 ER을 전송시키도록 만들어질 수 있다. 그 결과, 3차원 광자 결정 슬라브는 슬라브의 두께에 따라 달라지는 굴절율 n을 가진 2차원 결정으로 간주될 수 있다.
도 8은 2개의 공진 공동과 하나의 도파관을 가진 광자 결정의 예를 보여준다. 공진 공동은 선택된 원통형 구멍의 크기를 생략, 증가 또는 감소시킴으로써 2차원 광자 결정에 생성될 수 있다. 예컨대 파선 원으로 둘러싸인 공백 영역으로 표시한 바와 같이 원통형 구멍을 생략함으로써 광자 결정(800)에 공진 공동(801)이 생성된다. 공진 공동(801, 805)은 광자 밴드갭의 주파수 범위 내의 ER을 일시적으로 포획하는 효과적으로 반사하는 벽들로 둘러싸여 있다. 공진 공동은 좁은 주파수 대역 내의 ER을 광자 결정 슬라브의 평면에 수직한 방향으로 돌릴(channel) 수 있다. 예컨대 공진 공동(801)은 광자 밴드갭의 좁은 주파수 대역 내의 국소화된 TM 모드와 TE 모드를 포획할 수 있다. 광자 결정(800)이 내부 전반사를 일으키는 2개의 반사판 또는 유전체 사이에 개재되어 있지 않으면, 공진 공동(801)에서 공진하는 ER은 광자 결정(800)의 주기적 평면에 수직한 방향에서 빠져나올 수 있다. 각 공진 공동은 ER이 공진 공동을 둘러싸는 영역으로 누설되기 전에 공동에서 진동이 얼마나 많이 일어나는 가에 대한 척도를 제공하는 관련 Q 팩터(quality factor)를 갖고 있다.
도파관은 광자 밴드갭의 특정 주파수 범위 내의 ER을 광자 결정 내의 제1 위치에서 광자 결정 내의 제2 위치로 보내는데 이용될 수 있는 광자 전송 경로이다. 도파관은 한 열(column) 또는 한 행(row)의 원통형 구멍 중 특정 원통형 구멍의 직경을 변경하거나 몇 행의 원통형 구멍을 생략함으로써 만들어질 수 있다. 예컨대 광자 결정(800)에서 파선들(803, 804) 간의 공백 영역으로 표시된 바와 같이 광자 결정(800)의 제조 중에 한 행 전체의 원통형 구멍을 생략함으로써 유전체 도파관(802)이 생성된다. 이 유전체 도파관(802)은 파장이 λ0 및 λ1인 ER을 하나의 경로를 따라 전송한다. 분기 도파관의 네트워크를 이용하여 ER을 광자 결정을 통해 많은 서로 다른 경로로 보낼 수 있다. 도파관을 따라 전파하는 전자기 신호의 직경은 λ/3n (n은 도파관의 굴절율) 정도로 작을 수 있고, 공진 공동의 고조파 모드 체적은 2λ/3n 정도로 작을 수 있다.
도파관과 공진 공동은 ER이 이 도파관과 공진 공동을 바로 둘러싸는 영역으로 빠져나가는 것을 저지하는 데 있어서 100% 효과적일 수는 없다. 예컨대 도파관을 따라 전파하는 광자 밴드갭에서의 주파수 범위 내의 ER은 그 도파관을 둘러싸는 영역으로 확산되는 경향도 있다. 도파관 또는 공진 공동을 둘러싸는 영역으로 들어가는 ER은 그 크기가 지수적으로 감쇄되는데, 이러한 과정을 "감쇄 현상(evanescence)"이라 한다. 결과적으로 공진 공동이 도파관의 짧은 거리 내에 위치될 수 있어 그 도파관에 의해 전달되는 ER의 특정 파장이 그 공진 공동에 의해 추출될 수가 있다. 실제에 있어 공진 공동은 도파관에서 전파하는 ER의 특정 파장의 일부를 추출하는데 사용될 수 있는 필터이다. 공진 공동 Q 팩터에 따라서는 추출된 ER은 공진 공동에서 포획된 상태를 유지하고 주변으로 누설되거나 도파관으로 후방산란되기 전에 어느 시간 동안 공진할 수 있다. 예컨대 도 8에서 공진 공동(801)은 ER의 특정 파장을 가진 모드를 추출하기 위해 도파관(802)으로부터 아주 멀리 떨어져 위치한다. 그러나 공진 공동(805)은 도파관(802)을 따라 전파하는 파장 λ3를 가진 ER의 일부를 추출할 수 있다. 따라서 파장 λ3를 가진 ER의 더 작은 일부는 파장 λ1와 λ2의 ER과 함께 도파관(802)에서 전파하도록 될 수 있다.
도 9는 도 8에 도시된 광자 결정의 도파관에 대한 주파수 대 파동 벡터
Figure 112014024776173-pat00046
의 크기의 가설적 플롯이다. 도 9에서 음영 영역(901, 902)은 도 8에 도시된 도파관(802)이 없는 광자 결정(800)의 투사된 제1 및 제2 대역 구조를 나타낸다. 영역(903)은 광자 결정(800)에 의해 생긴 광자 밴드갭을 나타낸다. 라인(904)은 도파관(802)에서 전파할 수 있도록 허용된 주파수 대역을 나타낸다. 도파관(802)에서 전파할 수 있도록 허용된 주파수 대역의 수는 도파관(802)의 크기를 증가시키면 증가될 수 있다. 3차원 광자 결정에 있어서는 3차원 격자 파라미터, 유전 상수들 간의 차, 및 함유물의 치수가 광자 밴드갭의 주파수 범위를 결정한다. 도파관과 공진 공동은 특정 함유물의 치수를 선택적으로 제거하거나 변경함으로써 3차원 광자 결정에서 만들어질 수 있다.
본 발명의 실시예
도 10은 본 발명의 실시예를 나타내는 제1 광자 시스템(1000)의 등각투상도이다. 이 광자 시스템(1000)은 전송층(1008)에 형성된 제1 릿지 도파관(1002), 광자 결정(1004) 및 제2 릿지 도파관(1006)을 포함한다. 전송층(1008)은 SiO2와 같은 기판(1010)에 의해 지지된다. 광자 결정(1004)은 구멍(1012)과 같이 광자 결정의 높이에 걸친 구멍의 삼각 격자를 포함하고, 또한 공진 공동(1014)을 포함한다. 공진 공동(1014)은 제1 릿지 도파관(1002)과 제2 릿지 도파관(1006) 간의 대략 중간에 있는 구멍의 격자에서 어떤 구멍을 선택적으로 생략함으로써 만들어진다. 전송층(1008)은 화학 기상 증착법을 이용하여 형성될 수 있으며, 구멍의 격자와 릿지 도파관(1002, 1006)은 공지된 에피택셜 또는 리소그래피 기법을 이용하여 형성될 수 있다.
전송층(1008)은 단일 화합물 반도체 또는 각각의 층이 상이한 종류의 반도체로 이루어진 복수의 층으로 구성될 수 있다. 도 11a는 본 발명의 실시예를 나타내는 단일 화합물 반도체로 이루어진 전송층(1008)을 가진 광자 시스템(1000)의 횡단면도이다. 전송층(1008)은 Si와 같은 단일 반도체, 또는 II-VI족이나 III-V족 반도체와 같은 2원, 3원 또는 4원 반도체 화합물로 구성될 수 있다. 예컨대 전송층(1008)은 II-VI족 반도체 화합물인 ZnTe나 CdSe, 또는 III-V족 반도체 화합물인 GaAs나 InP으로 구성될 수 있다. 도 11b는 본 발명의 실시예를 나타내는 3개의 반도체층으로 구성된 전송층(1008)을 가진 광자 시스템(1000)의 횡단면도이다. 도 11b에 도시된 바와 같이 전송층(1008)은 실질적으로 동일한 반도체로 이루어진 상부 반도체층(1104)과 하부 반도체층(1106) 사이에 개재된 중간 반도체층(1102)으로 구성된다. 예컨대 중간 반도체층(1102)은 GaAs로 이루어지며, 상부 및 하부 반도체층(1104, 106)은 모두 InP로 이루어진다.
전송층(1008)을 위한 여러 가지 반도체 재료의 수는 광자 시스템(1000) 내에서 전송될 전자기파의 파장에 기초할 수 있다. 즉 각 반도체 재료는 전자기 방사의 특정 파장의 전송과 관련된 서로 다른 해당 유전 상수 ε을 갖고 있다. 예컨대 Si 전송층(1008)은 약 11.8의 유전 상수를 갖고 있고 약 1 ㎛보다 큰 파장을 가진 전자기파를 전송할 수 있는 반면에, GaAs 전송층은 약 8.9의 유전 상수를 갖고 있고 약 0.35 ㎛보다 큰 파장을 가진 전자기파를 전송할 수 있다.
격자 상수 a와 격자 구멍의 반경 r은 소정 주파수 범위에 걸친 전자기파가 제1 도파관(1002)과 제2 도파관(1006) 간에 전송되는 것을 저지하는 광자 밴드갭을 발생하도록 변화될 수 있다. 그러나 공진 공동(1014)은 광자 밴드갭 내에 있는 주파수 범위에 걸친 전자기파가 감쇄 결합을 통해 제1 도파관(1002)과 제2 도파관(1006) 간에 전송될 수 있도록 구성될 수 있다. 전자기파는 공진 공동(1504) 주위의 영역에 갇힌다.
도 10을 참조로 전술한 바와 같이 공진 공동(1014)은 광자 결정(1004)을 포함하는 구멍의 격자 중의 어떤 구멍을 선택적으로 생략함으로써 발생된다. 그러나 본 발명의 여러 가지 시스템 실시예에 따라서 광자 결정(1004)에는 임의 수의 여러 가지 종류의 공진 공동 구성이 형성될 수 있다. 도 12는 3가지 서로 다른 예시적인 공진 공동 구성을 보여주는 것으로 각 공진 공동은 본 발명의 실시예를 나타낸다. 도 12에 도시된 바와 같이 제1 공진 공동(1202)은 격자 구멍의 반경 r보다 큰 반경을 가진 단일 구멍을 포함하고, 제2 공진 공동(1204)은 격자 구멍의 반경 r보다 작은 반경을 가진 단일 구멍을 포함하고, 제3 공진 공동(1206)은 구멍을 생략하고 격자 구멍의 반경 r보다 작은 반경을 가진 주변 구멍을 제조하여 형성될 수 있다. 3개의 공진 공동(1202, 1204, 1206) 모두에 있어 광자 결정의 격자 상수 a는 변하지 않고 그대로 유지됨에 유의한다.
공진 공동의 구성 이외에도 전송층을 형성하는데 사용된 반도체 재료의 종류는 제1 도파관(1002)과 제2 도파관(1006) 사이에서 전송될 수 있는 전자기파의 주파수 범위를 결정한다. 도 13은 공진 공동(1014)을 통해 제1 도파관(1002)과 제2 도파관(1006) 사이에서 전송된 전자기파에 대한 정규화된 전송 대 정규화된 주파수의 플롯을 보여준다. 도 13에서 수평축(1302)은 공진 공동(1014)에서 공진하는 전자기파의 정규화된 주파수(a/λ)에 대응하고, 수직축(1304)은 제1 도파관(1002)과 제2 도파관(1006) 사이에서 전송된 전자기파의 정규화된 전송에 대응한다. 정규화된 전송 곡선(1306-1308)은 각각 유전 상수 10.5, 10.45 및 10.4를 가진 3개의 서로 다른 전송층(1008) 반도체 재료에 대응한다. 이 곡선들(1306-1308)은 r=0.4a의 관계가 있는 격자 간격과 반경을 가진 광자 결정(1004)에 대해 2차원 유한차분 시간 구역("FDTD") 수치 해석법을 이용하여 발생되었다. 이 FDTD법은 광자 결정에서의 전자기파의 전파를 시뮬레이트하는데 이용되는 많은 공지의 수치 해석법들 중 하나이다(예컨대 Jean-Michel Lourtioz 등의 "광자 결정"(Springer-Verlag, Berlin, 2005, pp. 78-88) 참조). 이 곡선들(1306-1308)은 전자기파의 강도가 대략 1/2로 감소하고, 전송 피크가 전송층(1008)의 유전 상수가 감소함에 따라 더 높은 주파수로 이동하는 것을 보여준다. 곡선(1306-1308)의 주파수 영역 내의 주파수를 가진 전자기파만이 제1 도파관(1002)과 제2 도파관(1006) 사이에서 전송됨에 유의한다. 예컨대 유전 상수가 10.4인 전송층(1008)에 대해서는 대략 0.297과 대략 0.298 사이의 영역에서의 정규화된 주파수를 가진 전자기파가 공진 공동(1014)을 통해 제1 도파관(1002)과 제2 도파관(1006) 사이에서 전송될 수 있다. 그러나 곡선(1308)의 영역 밖에 있는 주파수를 가진 전자기파는 제1 도파관(1002)과 제2 도파관(1006) 사이에서 전송되지 않는다.
도 14는 본 발명의 실시예를 나타내는 전자기파를 필터링하는 광자 시스템(1000)의 사용예를 보여준다. 도 14에 도시된 바와 같이 파장이 λ1, λ2, λ3인 전자기파는 제1 도파관(1002)에서 광자 결정(1004) 쪽으로 전파한다. 격자 상수 a와 구멍의 반경 r의 치수는 전자기파 λ1, λ2, λ3가 광자 결정(1004)의 광자 밴드갭 내에 있도록 정해진다. 그러나 공진 공동(1004)은 전자기파 λ1만이 공진 공동(1004)에서 공진할 수 있도록 구성된다. 그 결과, 전자기파 λ2, λ3는 광자 결정(1004)에 의해 반사되고 전자기파 λ1는 공진 공동(1004) 내로 감쇄적으로 결합된다. 그러면 전자기파 λ1는 제2 도파관(1006) 내로 감쇄적으로 결합된다.
도 15는 본 발명의 실시예를 나타내는 광자 시스템(1500)의 등각투상도이다. 이 광자 시스템(1500)은 도 10에 도시된 광자 시스템(1000)을 참조로 전술한 컴포넌트와 구조적으로 유사한 여러 가지 컴포넌트를 포함한다. 그러므로 간단하게 하기 위하여 광자 시스템(1000)과 광자 시스템(1500)에서 구조적으로 유사한 컴포넌트에 대해서는 동일한 도면부호를 병기하고 그 구조와 기능에 대한 설명은 생략한다. 광자 결정(1502)은 제1 도파관(1002)과 제2 도파관(1006) 사이의 대략 중간에 위치한 공진 공동(1504)을 포함한다. 이 공진 공동(1504)은 구멍의 격자에서 어떤 구멍을 생략함으로써 형성되지만, 본 발명은 그러한 구성에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 다른 실시예에서 공진 공동(1504)은 도 12를 참조로 전술한 것처럼 구성될 수 있다. 도 10 내지 13을 참조로 전술한 광자 결정(1004)과는 달리, 광자 결정(1502)은 고굴절율 재료로 형성될 수 있는 확장 영역(1506, 1508)을 포함한다. 광자 시스템(1500)은 또한 전송층(1008) 상에 지지된 제1 전기 접촉부(1510)와 확장 영역(1506)에 의해 지지된 제2 전기 접촉부(1512)를 포함한다. 전기 접촉부(1510, 1512)는 공진 공동(1502)에 전압이 인가될 수 있도록 광자 결정(1500)의 반대편에 위치한다. 전기 접촉부(1510, 1512)는 Cu, Al, Au, Ag, Pt, 도핑된 반도체 재료나 기타 다른 적당한 재료로 구성될 수 있다.
도 16a 및 16b는 본 발명의 실시예를 나타내는 광자 시스템(1500)의 횡단면도이다. 도 16a 및 16b에 도시된 바와 같이 전송층(1008)은 도 11a 및 11b를 참조로 전술한 바와 같이 하나의 반도체 재료층이나 3개의 반도체 재료층으로 구성될 수 있다. 확장 영역(1506)의 상면에는 전극(1512)이 배치되어 있다.
제1 전기 접촉부(1510)와 제2 전기 접촉부(1512) 사이의 공진 공동(1502)에 걸리는 전압은 공진 공동의 유전 상수를 변화시킨다. 즉, 제1 전기 접촉부(1510)와 제2 전기 접촉부(1512) 사이에 인가되는 전압은 광자 시스템(1500)의 전송 피크를 이동시킨다. 도 17은 본 발명의 실시예를 나타내는 공진 공동(1504)을 통한 제1 도파관(1002)과 제2 도파관(1006) 간의 감쇄 결합을 통해 전송된 전자기파에 대한 정규화된 전송 대 정규화된 주파수의 플롯을 보여준다. 도 17에서 수평축(1702)은 공진 공동(1504)에서 공진하는 전자기파의 정규화된 주파수(a/λ)를 나타내며, 수직축(1704)은 제1 도파관(1002)과 제2 도파관(1006) 사이에서 전송된 전자기파의 정규화된 전송에 대응한다. 정규화된 전송 곡선(1706-1708)은 각각 공진 공동(1504)에 3가지 서로 다른 레벨의 전압을 인가하여 발생되는 유전 상수값 10.5, 10.45 및 10.4를 가진 공진 공동(1504)에 대응한다. 정규화된 곡선들은 도 13을 참조로 전술한 FDTD법을 이용하여 발생되었다. 즉, 공진 공동(1504)에 적당한 전압을 인가함으로써 공진 공동(1504)의 유전 상수는 특정 범위의 주파수를 통한 전자기파 전송으로부터 멀리 이동될 수 있다. 예컨대 공진 공동(1504)의 유전 상수가 초기에 대략 10.4라고 가정한다. 결과적으로 곡선(1708)은 대략 0.297에서 대략 0.298에 이르는 주파수를 가진 전자기파가 제1 도파관(1002)과 제2 도파관(1006) 사이에서 전송될 수 있음을 보여준다. 그러나 전기 접촉부(1510, 1512) 사이에 적당한 전압이 인가되면 공진 공동의 유전 상수는 10.5로 이동될 수 있으며, 이것은 곡선(1706)에 해당한다. 도 17에 도시된 바와 같이, 대략 0.297에서 대략 0.298에 이르는 주파수를 가진 전자기파는 제1 도파관(1002)과 제2 도파관(1006) 사이에서 더 이상 전송될 수 없다.
도 13과 17에 나타낸 정규화된 전송들을 비교해보면 고굴절율 확장 영역(1506, 1508)은 제1 도파관(1002)과 제2 도파관(1006) 사이의 전자기파의 전송을 감소시킴에 유의한다. 본 발명의 다른 실시예에서 이 전송 감소는 제2 도파관(1006)과 확장 영역(1506, 1508) 간의 에어갭을 에칭함으로써 피할 수 있다. 아니면 이 전송은 대략 0.0048의 Δε/ε에 대해서는 대략 4.1 dB만큼, 대략 0.0095의 Δε/ε에 대해서는 대략 14.0 dB만큼 떨어진다. 또한 전기 접촉부(1510, 1512)는 전자기파의 전송에 영향을 미치지 않음에 유의한다.
광자 시스템(1500)은 정보를 반송 전자기파("반송파")로 인코딩하는 변조기로서 동작할 수 있다. 도 18a 및 18b는 본 발명의 실시예를 나타내는 변조기로서 동작되는 광자 시스템(1500)의 개략도이다. 도 18a에서 광자 시스템(1500)은 프로세서, 메모리 또는 기타 다른 데이터 저장 또는 데이터 생성 전자 장치일 수 있는 제1 노드(1802)에 전자적으로 연결된다. 제1 노드(1802)는 데이터를 광자 시스템(1500)으로 전송되는 전기 신호로 인코딩한다. 소스(1804)는 광자 시스템(1500)에 또한 전송되는 반송파 λCW를 발생한다. 이제 도 18b를 참조로 설명하면, 소스(1804)에 의해 발생된 반송파 λCW는 제1 도파관(1002)에서 광자 결정(1502)으로 전송된다. 반송파 λCW는 공진 공동(1504) 내로 감쇄적으로 결합된다. 반송파 λCW가 공진 공동(1504) 내에 감쇄적으로 결합되는 동안에 전기 접촉부(1510, 1512)도 공진 공동(1504)을 통해 진동 전압을 발생하며 또한 노드(1802)에 의해 발생된 정보를 인코딩하는 전기 신호를 수신한다. 이 전압 진동은 반송파 λCW를 변조하여, 그 정보를 인코딩하고 제2 도파관(1006) 내로 감쇄적으로 결합되는 변조된 전자기파 λMOD를 발생한다. 도 18a로 되돌아가서 설명하면, 변조된 전자기파 λMOD는 광파이버(1806)에서 큰 거리를 거쳐 제2 노드(1808)로 전송되어 처리될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에서 변조된 전자기파 λMOD는 광자 결정 도파관, 릿지 도파관, 또는 자유 공간을 통해 전송될 수 있다.
도 19a 내지 19e는 본 발명의 실시예를 나타내는 도 18a 및 18b를 참조로 전술한 광자 시스템(1500)을 이용하여 정보를 반송 전자기파로 인코딩하는 것을 개념적으로 보여준다. 계산 시스템의 정보는 비트들의 시퀀스에 의해 전형적으로 표현된다. 각 비트는 "예"와 "아니오", 또는 "온"과 "오프"와 같은 2가지 양자택일 중 하나를 선택하는 것과 같다. 하나의 비트에 대한 2가지 상태는 통상적으로 이진수 "1"과 "0"으로 표현된다. 전자기파는 자기장 성분과 전기장 성분으로 구성되지만, 간단하게 하기 위하여 반송파는 다음과 같이 전기장 성분으로 표현된다.
Figure 112014024776173-pat00047
여기서, 전기장은 z 방향으로 전파하며, ω는 각주파수, k는 파동 벡터 ω/c, t는 시간, E0는 전기장 진폭이다. 도 19a는 반송파의 전기장 성분 대 시간의 플롯을 보여준다. 도 19a와 후속하는 도 19c 내지 19e에서 수평선(1902)은 시간축이고 수직축(1904)은 진폭 E이다. 곡선(1906)은 규칙적인 진동 주파수를 가진 반송파의 전기장 성분 E(z,t)를 나타낸다. 반송파(1906)는 제1 도파관(1002)에서 전송되며 공진 공동(1504) 내로 감쇄적으로 결합된다. 도 18을 참조로 전술한 변조된 전자기파 λMOD를 발생하기 위하여 공진 공동(1504)에 걸리는 전압은 도 18a에 도시된 제1 노드(1802)에 의해 제공된 전기 신호에 따라서 변한다. 도 19b는 공진 공동(1504)에 인가되는 전압이 변화되어 정보를 인코딩할 수 있는 여러 가지 가능한 방법들 중 하나를 나타내는 이진수 "10101"을 인코딩하는 진동 전압의 전압 대 시간의 플롯을 보여준다. 저전압(1908-1910)은 이진수 "1"에 대응하고 고전압(1911, 1912)은 이진수 "0"에 대응한다.
광자 시스템(1500)은 반송파 λCW 진폭을 변조함으로써 변조된 전자기파 λMOD를 발생시킬 수 있다. 도 19c는 도 19b에 도시된 전압에 따라 이진 시퀀스 "10101"을 인코딩하는 진폭 변조된 전자기파 λMOD의 예를 보여준다. 도 19c에서 하나의 비트는 신호의 4개의 연속한 사이클에 대응한다. 사이클(1914, 1915)은 작은 진폭을 갖고 있는데, 이는 이진수 "0"에 대응하며, 도 17을 참조로 전술한 바와 같이 공진 공동에 걸리는 전압이 각각 고전압 레벨(1911, 1912)에 대응할 때에 공진 공동(1504)의 유전 상수를 제1 도파관(1002)과 제2 도파관(1006) 사이에서의 반송파 전송으로부터 이동시킴으로써 달성된다. 사이클(1916-1918)은 큰 진폭을 갖고 있는데, 이는 이진수 "1"에 대응하며, 공진 공동(1504)에 걸리는 전압이 각각 저전압 레벨(1908-1910)에 대응할 때에 공진 공동(1504)의 유전 상수가 거의 또는 전혀 이동하지 않음으로써 달성된다.
광자 시스템(1500)은 또한 반송파 λCW 주파수 또는 위상을 변조함으로써 변조된 전자기파 λMOD를 발생시킬 수 있다. 도 19d와 19e는 각각 주파수 및 위상 변조 전자기파를 나타내며, 각각 적당한 진동 전압을 인가하여 공진 공동(1504)의 유전 상수를 변화시킴으로써 달성될 수 있다. 도 19d는 도시되지 않은 전압 패턴에 따라 이진수 "10101"의 주파수 변조된 전자기 신호 인코딩의 예를 보여준다. 도 19d에서 저주파 사이클(1920-1922)은 이진수 "1"에 대응하고, 고주파 사이클(1923, 1924)은 이진수 "0"에 대응한다. 위상 변조는 반송파의 위상을 다음과 같이 천이시킴으로써 정보를 인코딩하는데 이용된다.
Figure 112014024776173-pat00048
여기서, φ는 위상 천이를 나타낸다. 도 19e는 이진수 "0"과 "1"의 위상 변조 전자기파 인코딩의 예를 보여준다. 도 19e에서 사이클(1924-1926)은 이진수 "1"에 대응하고, 사이클(1927, 1928)은 사이클(1924-1926)으로부터의 1/2 사이클 위상 천이를 포함하며 이진수 "0"에 대응한다. 전자기 신호는 또한 전기통신 신호에 대해 변조될 수 있다. 예컨대 전자기 신호는 전기통신 신호의 영복귀("RZ") 또는 비영복귀("NRZ") 라인 코드에 대해 변조될 수 있다.
광자 시스템(1500)은 PIC의 정보를 인코딩하는데 이용될 수 있다. 도 20은 본 발명의 실시예를 나타내는 정보를 인코딩하는 4개의 광자 시스템을 포함하는 예시적인 PIC(2000)를 도시한 것이다. PIC(2000)는 소스(2002), 6개의 노드(2004-2009), 4개의 광자 시스템(2010-2013), 및 다른 광 또는 전자 장치(미도시)에 연결된 2개의 광파이버(2014, 2015)를 포함한다. 노드(2004-2009)는 전자 프로세서, 메모리, 센서, 또는 기타 다른 전자 데이터 생성 장치의 임의의 조합일 수 있다. 광자 시스템(2010-2013)은 도 18a를 참조로 전술한 바와 같이 노드(2004-2007)에 전자적으로 연결된다. 소스(2002)는 도파관(2016)과 같은 도파관을 통해 광자 시스템에 연결된다. 도파관은 하나의 전송층에서의 릿지 도파관 또는 광자 결정 도파관, 또는 광파이버일 수 있다. 소스(2002)는 도파관을 통해 광자 시스템(2010-2013)에 전송되는 반송파 λCW 를 발생한다. 노드(2004-2007)는 정보를 반송파 λCW 로 인코딩하여 도 18 및 19를 참조로 전술한 바와 같이 4개의 서로 다른 변조된 전자기파 λMOD 를 발생한다. 변조된 전자기파 λMOD 는 노드(2008, 2009)와 광파이버(2014, 2015)에 따로 따로 전송된다.
PIC는 반송파의 다른 노드로의 전송을 조절하기 위해 도파관 접합부에서 광자 스위치도 포함할 수 있다. 예컨대 도 20에 도시된 바와 같이 광자 스위치는 릿지 도파관 접합부(2018-2020)에 위치할 수 있다. 도 21a 및 21b는 본 발명의 실시예를 나타내는 제1 광자 스위치(2100)의 동작을 보여준다. 광자 스위치(2100)는 제1 릿지 도파관(2104)과 제2 릿지 도파관(2106)으로 갈라지는 하나의 릿지 도파관(2102)을 포함한다. 도 21a에 도시된 바와 같이 제1 릿지 도파관(2104)은 구멍(2108-2110)을 포함하고, 제2 릿지 도파관(2106)은 구멍(2111-2113)을 포함한다. 구멍(2108-2113)은 반송파 λCW 가 제1 및 제2 릿지 도파관(2104, 2106)을 통해 전송되는 것을 저지한다. 결과적으로 제1 및 제2 도파관(2104, 2106)은 턴 "오프"된다고 말한다. 한편 반송파 λCW 는 제1 및 제2 도파관(2104, 2106)의 굴절율과 거의 같은 굴절율을 가진 액체를 구멍에 채움으로써 제1 및 제2 도파관(2104, 2106) 중 어느 하나를 통해 전송될 수 있다. 도 21b에 도시된 바와 같이 3개의 점선 원은 액체가 채워진 도파관(2204) 내의 구멍(2108-2110)을 나타낸다. 결과적으로 반송파 λCW 는 제1 도파관(2104)을 통해 접합부를 너머(beyond) 전송될 수 있는데, 이는 턴"온"된다고 말한다.
도 22a 및 22b는 본 발명의 실시예를 나타내는 광자 스위치의 도파관 내의 3개의 구멍의 횡단면도이다. 도 22a에 도시된 바와 같이 도파관(2202)은 도파관(2202)의 높이에 걸친 3개의 구멍(2204-2206)을 포함한다. 저장소(2208)는 기판(2210) 내 3개의 구멍(2204-2206) 아래에 위치한다. 저장소(2208)에는 도파관(2202)과 굴절율이 거의 동일한 액체가 채워진다. 광자 스위치는 또한 전기적 소스(2214)에 연결된 저항 코일(2212)을 포함한다. 즉, 저항 코일(2212)은 저장소(2208) 내의 액체를 가열하는 가열 소자로서 동작한다.
도파관(2202)을 턴 "온" 및 "오프"시키는 것에 대해 도 22a 및 22b를 참조로 설명한다. 도 22a를 참조로 설명하면, 저장소(2208)에 저장된 액체는 구멍(2204-2206)을 채우지 않는다. 결과적으로 반송파 λCW 는 구멍(2204-2206) 너머 전송되지 않으며, 도파관은 턴 "오프"된다. 그러나, 도 22b를 참조로 설명하면, 전기적 소스(2214)에 의해 발생된 전류가 저항 코일(2212)을 통과하면 도파관(2202)은 턴 "온"될 수 있다. 저항 코일(2212)은 점점 뜨거워져 저장소(2208) 내의 액체를 가열하고, 이에 따라 액체가 팽창하여 구멍(2204-2206)을 채운다. 이 액체는 도파관(2202)의 굴절율과 거의 같은 굴절율을 갖고 있으므로 반송파 λCW 는 구멍(2204-2206) 너머 전송된다. 도파관(2202)은 전기적 소스(2214)를 턴 "오프"시켜 액체를 냉각 수축시킴으로써 턴 "오프"된다.
본 발명의 다른 실시예에서 광자 스위치는 광자 결정 도파관 접합부를 이용하여 PIC에서 제조될 수 있다. 도 23은 본 발명의 실시예를 나타내는 광자 시스템을 포함하는 제2 예시적인 PIC(2300)를 도시한 것이다. PIC(2300)는 도 20에 도시된 PIC(2000)를 참조로 전술한 컴포넌트와 구조적으로 유사한 컴포넌트를 여러 개 포함한다. 그러므로 간략하게 하기 위하여, 구조적으로 유사한 컴포넌트에 대해서는 동일한 도면부호를 병기하고 그 구조와 기능에 대한 설명은 생략한다. 그러나 도 20에 도시된 PIC(2000)와는 달리 광자 결정 방식 스위치(2302-2304)는 반송파의 노드(2004-2007)로의 전송을 조절하는데 이용된다.
도 24a 및 24b는 본 발명의 실시예를 나타내는 광자 결정 방식 스위치의 동작을 보여준다. 광자 결정 방식 스위치(2400)는 제1 도파관(2104)과 제2 도파관(2106)으로 갈라지는 하나의 도파관(2102)을 포함한다. 도 24a에 도시된 바와 같이 제1 및 제2 도파관(2104, 2106)은 3개의 구멍을 포함한다. 구멍은 반송파 λCW 가 접합부 너머로 전송되는 것을 저지하며, 제1 및 제2 도파관(2104, 2106)은 턴 "오프"된다고 말한다. 반송파 λCW 는 광자 결정 슬라브의 굴절율과 거의 같은 굴절율을 가진 액체를 구멍에 채움으로써 제1 및 제2 도파관(2104, 2106)을 통해 전송될 수 있다. 도 24b에 도시된 바와 같이 도파관(2104) 내의 3개의 점선 원은 액체가 채워진 구멍을 나타낸다. 결과적으로 반송파 λCW 는 접합부 및 도파관(2104)을 너머 전송될 수 있으며, 도파관(2104)은 턴 "온"된다고 말한다. 구멍은 도 22a 및 22b를 참조로 전술한 바와 같이 채워질 수 있다.
지금까지 본 발명은 특정 실시예에 관하여 설명하였지만, 본 발명은 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다. 당업자라면 본 발명의 본질 내에서 여러 가지로 변경이 가능함을 잘 알 것이다. 본 발명의 다른 실시예에서 당업자라면 광자 스위치 내의 도파관에 더 많은 구멍이 부가될 수 있음을 잘 알 것이다. 본 발명의 다른 실시예에서 광자 스위치는 하나의 도파관에서 갈라져 나오는 3개 또는 그 이상의 도파관을 포함할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에서 도 10에 도시된 광자 결정(1004)과 도 15에 도시된 광자 결정(1502)에는 광자 결정(1004, 1502)의 유전 상수가 제1 및 제2 릿지 도파관(1002, 1006)의 유전 상수와 다르게 되도록 양의 캐리어, 음의 캐리어 또는 기타 도펀트가 도핑될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에서는 도 22를 참조로 전술한 바와 같이 저항 코일(2212)을 이용하여 열을 발생시켜 광자 결정 내의 구멍에 액체를 채우기 보다는 압전 펌프를 이용하여 저장소에 저장된 액체를 구멍 내로 들어가게 할 수 있다.
전술한 기재는 설명 목적상 본 발명을 철저하게 이해시키기 위해 특정의 명칭을 사용하였다. 그러나 당업자라면 특정한 세부 사항은 본 발명을 실시하는데 반드시 필요한 것은 아니라는 것을 잘 알 것이다. 본 발명의 특정 실시예에 대한 전술한 기재는 예시와 설명 목적상 제시된 것이다. 이러한 설명은 본 발명을 남기없이 전부 설명하거나 본 발명을 개시된 바로 그 형태로 한정하고자 하는 것이 아니다. 명백히 상기 교시에 따라서 여러 가지 변형이나 변경이 가능하다. 실시예들은 당업자가 예상되는 특정 용도에 적합한 여러 가지 변형과 함께 본 발명과 여러 가지 실시예를 가장 잘 실시할 수 있도록 본 발명의 원리와 그 실제 응용을 가장 잘 설명하기 위하여 도시되고 설명된 것이다. 본 발명의 범위는 하기의 청구범위와 그 등가물에 의해 정해진다고 할 것이다.

Claims (4)

  1. 광자 스위치(2100, 2400)로서,
    전자기파들을 유도하도록 구성된 도파관(2104);
    상기 전자기파들이 구멍들 너머로 전파하는 것을 방지하는 상기 도파관(2104) 내의 다수의 구멍(2108-2110, 2204-2206);
    상기 구멍들(2108-2110, 2204-2206) 아래에 위치하며, 상기 도파관(2104)과 동일한 굴절율을 가진 액체가 채워지는 저장소(2208); 및
    상기 액체가 채워지는 상기 구멍들의 굴절율이 상기 도파관(2104)의 굴절율과 일치하여 상기 전자기파들이 상기 도파관 내에서 상기 구멍들 너머로 전파할 수 있도록, 상기 액체를 액체의 열팽창에 의해 상기 구멍들(2108-2110, 2204-2206) 내로 들어가게 하는 장치
    를 포함하는 광자 스위치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 도파관(2104)은
    릿지 도파관; 및
    광자 결정 도파관
    중 하나를 포함하는 광자 스위치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 도파관(2104)을 구성하는 재료는,
    Si;
    III-V족 반도체; 및
    II-VI족 반도체
    중 하나를 포함하는 광자 스위치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 액체를 상기 구멍들 내로 들어가게 하는 장치는
    상기 저장소(2208) 내에 위치된 가열 소자(2212) - 상기 가열 소자는 상기 가열 소자의 온도가 증가할 때에 상기 액체가 상기 구멍들 내로 팽창하도록 상기 액체와 접촉함 - ; 및
    상기 액체를 상기 구멍들 내로 들어가게 하는 압전 펌프
    중 하나를 포함하는 광자 스위치.
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