KR102542786B1 - 60도 벤딩을 갖는 2차원 광 결정에 기초한 소형 광 스위치 - Google Patents

60도 벤딩을 갖는 2차원 광 결정에 기초한 소형 광 스위치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 장치를 구성하는 도파관과 공진 공동이 생기게 하는 제어된 방식으로 디펙트들이 삽입된 2차원 광 결정에 기초한다. 주된 기능은 통신 채널을 따라서, 그 통과를 (오프 상태) 차단 또는 (온 상태) 허용하는 전자기 신호의 통과의 제어에 있다. 본 발명은 또한, 전자기 신호의 전파 방향을, 60도 각도를 통하여, 바꾸는 기능을 갖고, 집적된 광 시스템들의 구조에 더 큰 유연성을 제공한다. 상기 장치의 작동 원리는 공진 공동에서 다이폴 모드들의 여기와 관련되어 있으며, 이것은 광자기 물질에 기초한다. 스위치는 DC 외부 자기장 H0가 적용되는 경우, 상기 공동에서 여기된 회전하는 다이폴 모드는 입력부에서 출력부로 신호의 통과를 허용하고 (온 상태), 반면, Hg의 적용이 없는, 상기 공동에서 여기 된 정지된 다이폴 모드는, 노드들이 출력 도파관과 정렬되고, 입력부로부터 출력부로 신호의 통과를 방지한다 (오프 상태).

Description

60도 벤딩을 갖는 2차원 광 결정에 기초한 소형 광 스위치 {COMPACT OPTICAL SWITCH BASED ON A TWO-DIMENSIONAL PHOTONIC CRYSTAL WITH 60 DEGREE BENDING}
본 발명은 60도 벤딩(bending)을 갖는 2차원 광 결정에 기초한 소형 광 스위치에 관한 것이다. 광 통신 채널에서 전자기 신호의 전파를 제어하여, 상기 신호의 통과를 허용하거나 차단하는 (스위칭(switching) 기능) 것을 주로 의도한 것이다.
새로운 광 통신 시스템들에서 높은 집적 밀도의 요구사항들을 충족시키도록, 더 작은 치수를 갖는 장치들에 대한 요구는 새로운 기술들의 발전의 동기를 부여하였고, 이들 중에서 "광 결정(photonic crystals)"으로서 알려진 구조들에 기초한 것이 두드러진다.
이러한 결정들에서, 그들을 구성하는 다른 물질들의 투전율 또는 투자율의 주기적 변조가 발생한다. 그 결과, 광 밴드 갭(photonic band gap)으로 알려진, 금지 주파수들의 범위가 이러한 구조들의 특성 밴드 다이어그램(characteristic band diagram)으로부터 비롯된다.
이러한 범위에 위치한 주파수들을 갖는 전자기파 파의 전파는 입사 파장들이 상기 결정에 의해 완전히 반사되기 때문에 금지된다. 광 결정들에 기초한 대부분의 장치의 작동 원리는 이러한 현상의 존재와 어떻게든 관련되어 있다.
광 시스템들에서 사용되는 다양한 장치들 중에서, 스위치들이 두드러진다. 이들은 2개의 작동 상태, 즉, 장치가 입사하는 전자기 신호들을 전달하고, 상기 장치의 입력 포트와 출력 포트들 사이의 낮은 삽입 손실을 갖는, 온(on) 상태와, 상기 신호의 전파가 없고, 입력 포트와 출력 포트들 사이의 높은 절연 특성을 갖는, 오프(off) 상태를 갖는다. 이러한 2가지 상태의 작동들 사이의 변화(transition)는, 외적 변수의 세부 조정의 결과로서, 스위치가 기초하는 광 결정의 특성 파라미터의 변경에 의해 결정된다.
광 결정들에 기초한 새로운 장치의 개발에 관련한 연구의 진보로 인하여, 이러한 구조들에 기초한 광 스위치들에 관련된 몇 가지 특허들이 발행되었다.
예를 들면, CN101571657 특허에 의해 설명된 장치에서, 광 제어 신호의 강도의 변화는 스위치가 기초하는 물질의 굴절률의 변화에 달려있다. 커 효과(Kerr effect)라고 알려진, 이 현상은, 장치에서 온(on) 상태와 오프(off) 상태 사이의 변화와 관련이 있다. 상기 스위치는 비선형 특성들을 갖는 물질로 만들어진 공극들의 삼각형 격자를 갖는 2차원 광 결정에 기초한다. 일부 디펙트(defects)들이 제어된 방식으로 상기 결정에 삽입되고, 이들은 상기 장치의 공진 공동과 도파관들을 만들어 낸다.
한편으로, US2005249455 특허에 설명된 스위치는 광 도파관에 기초하고, 그 코어는 다른 굴절률을 갖는 2개 이상의 물질들이 주기적인 방식으로 분포된 2차원 광 결정에 의해 형성된다. 구조물들에 제공된 전극들 사이의 전기 전류 또는 발광 사인의 주입은 상기 결정을 구성하는 물질들의 굴절률의 변경, 결과적으로 스위치가 작동하는 (온(on) 또는 오프(off)) 상태의 원인이 된다.
또 주목할 만한 것은 JP2003215646 특허에 설명된 스위치이다. 이 경우에, 2개의 광 도파관들 사이에, (온(on) 및 오프(off) 상태들 사이의 변화인) 스위칭의 원인이 되는 부품이 삽입된다. 이 부품은 한 쌍의 극과 2차원 광 결정에 기초한다. 상기 장치의 작동 상태들 사이의 변화는 2개의 전극들 사이에 적용된 전압의 값에 의해 제어된다. 적용된 전압 값에 따라, 상기 장치는 입력부로부터 출력 도파관으로 전자기파의 통과를 (온(on) 상태) 허용 또는 (오프(off) 상태) 차단할 수 있다.
더 나아가, JP2006184618 특허에 의해 설명된 스위치는 그 구성 물질들의 굴절률이 온도에 따라 변화하는 2차원 광 결정에 기초한다. 장치 온도의 제어는 스위치가 작동하는 (온(on) 또는 오프(off)) 상태의 세팅(setting)의 원인이 된다.
광 결정 기술에 기초한 스위치의 작동 상태들 사이의 변화를 제어하기 위한 많은 방법들이 있다. 본 발명은 그 투전율이 적용된 외부 DC 자기장에 의존하는 광자기 물질로 만들어진 삼각형 격자 홀들로 구성된 2차원 광 결정에 기초한다. 상기 물질이 비자기화된 (외부 자기장이 0과 같은) 경우, 상기 스위치는 오프(off) 상태에서 작동한다. 그러나, 자기화된 (외부 자기장이 H0와 같은) 경우, 상기 장치는 온(on) 상태에서 작동한다.
광 섬유 기술에 고유한 주된 문제점들 중 하나는 광 섬유들의 벤딩(bending) 각도에 관한 것이다. 이들은 전체 내부 전반사 원리에 따라 작동하고, 이러한 사실 때문에, 이들은 날카로워지는 방식으로 구부러질 수 없고, 이것은 예를 들면, 광 신호들의 전파에 있어 방향의 많은 변화를 요구하는 광 회로에서 그들의 사용을 복잡하게 한다.
도파관들에 기초한 광 결정들을 사용함으로써, 이들이 포함하는 곡선들의 위상의 알맞은 선택으로, 이들은 전자기 신호의 전파 방향의 변화를 촉진할 수 있기 때문에, 이러한 어려움이 극복될 수 있다. 이것은 이러한 가이드들의 작동 원리가 광 섬유의 경우와 같이, 내부 전반사에 기초하지 않고, 오히려 광 밴드 갭의 존재에 기초하기 때문이다.
이 경우에, 상기 전자기 신호는, 그를 둘러싸는 주기적 구조를 갖고 연결된 광 밴드 갭으로 인하여, 상기 도파관에 발생 된 선형 디펙트 내부에 한정되고, 그 밖으로 퍼져 나가는 것이 방지된다.
제시된 장치는, 그 구조에서, 60도 벤딩을 포함하고, 이것은 집적된 광회로의 구성에 유연성을 제공한다. 게다가, 감소 된 치수를 갖고, 이것은 집적 밀도의 증가를 돕는다.
제시된 스위치는 일정한 자기를 갖고 작동하며, 간단한 전자석이 이 기능을 수행하는 데에 사용될 수 있기 때문에, 자화 회로의 개발을 간소화한다. 발생된 자기장의 크기는 전자석에서 흐르는 전기 전류에 비례한다.
상기 장치의 성능 특징들 사이에서, 작동의 높은 대역폭과, 온(on) 상태에서 낮은 삽입 손실과, 오프(off) 상태에서 입력 도파관과 출력 도파관 사이의 높은 아이솔레이션(isolation)이 두드러진다.
주로, 상기 장치는 광자기 물질에 삽입된 삼각형 격자 홀들로 구성된 2차원 광 결정에 기초한다. 이 결정에서, 2가지 유형의 디펙트들이 삽입되며, 즉,
a) 입력 도파관과 출력 도파관을 발생시키는 (선형 디펙트인) 홀들의 열들을 제거.
b) 장치의 공진 공동을 형성하는, 광 자기 물질에 삽입된 홀들의 반경과 위치의 변화.
광자기 공진기의 자기장에 따라, 스위치는 2가지 상태에서 작동하며, 즉,
a) 신호가 출력 도파관으로 전달되지 않는, 광자기 물질이 비자기화된 경우.
b) 신호가 출력 도파관으로 전달되는, 광자기 물질이 자기화된 경우.
구체적으로, 장치는 다음의 특징들을 갖는다.
a) 결정 격자 상수(a)는 480 nm(nanometers)와 같고, λ = 1.55 ㎛ (micrometers)에 대하여, a/λ는 0.3097과 같다.
b) 상기 결정 격자에서 에어 홀들의 반지름은 0.3a와 같다.
c) 입력 도파관과 출력 도파관이 2개의 선형 디펙트들을 형성함으로써 삽입된다.
d) 상기 출력부로 전달된 전자기 신호는 60도의 각도까지 그 전파 방향을 바꾼다.
e) 상기 공진 공동은, 상기 2개의 도파관들 사이의 경계상에서, 상기 장치의 중심에 위치한 같은 홀들의 반지름과 위치를 바꿈으로써 제공된다.
f) 외부 DC 자기장의 강도는 장치가 작동하는 상태를 결정한다.
g) 오프(off) 상태에서, 외부 DC 자기장은 0과 같고, 정지된 다이폴 모드는, 상기 모드의 노드들이 출력 도파관과 정렬되는 방식으로, 공진 공동에서 여기 되며, 결과적으로, 입력 신호에서 출력부로 전달이 없다.
h) 온(on) 상태에서, 외부 DC 자기장은 H0와 같고 회전하는 다이폴 모드(dipole mode)는 상기 공진 공동에서 여기 되며, 입력 신호의 출력부로의 전달을 초래한다.
광 결정에 기초한 광자기 물질은 비등방성(anisotropic)이며, 투전율과 투자율에 대해 다음의 표현으로 설명된다.
Figure 112016123836633-pct00001
,
Figure 112016123836633-pct00002
여기서,
a) ε는 (F/m(Farads per meter)인) 물질의 투전율이고,
b) ε0는 (F/m인) 자유 공간에서의 투전율이며,
c) μ는 (H/m(Henrys per meter)인) 물질의 투자율이고,
d) μ0는 (H/m인) 자유 공간에서의 투자율이며,
e) i는 허수 단위이고,
f) g는 적용된 외부 DC 자기장 강도에 따른 파라미터이다.
다음으로 개선된 발명의 상기 장치의 작동을 설명하는 도면들이 제시되고, 또한 상세하게 설명된다.
도 1a 및 도 1b는 각각 온(on) 및 오프(off) 상태에서 작동하는 스위치를 개략적으로 나타낸다.
도 2a 및 도 2b는 공진 주파수 ω0를 갖고, 비자기화 된 공진기에서 존재하는 6 다이폴 모드의 2개에 대응하는, 고유벡터들 V1 및 V2를 도시한다. 도 2c는, 같은 공진 주파수 ω0를 갖고 반대 방향으로 회전하는, 비자기화 된 공진기의 2개의 회전 모드 V- 및 V+를 나타낸다. 도 2d는, 각각 공진 주파수 ω+ 및 ω-를 갖고 반대 방향으로 회전하는, 비자기화 된 공진기의 2개의 회전 모드 Vm + 및 Vm -를 나타낸다.
도 3은 온(on) 상태에서 작동하는 장치의 평면도를 나타낸다. 상기 광 결정과, 2개의 직선의 도파관들(301(입력부), 302(출력부))과, 정규화 주파수 ωa/2πc = 0.30308 에서, 입력부로부터 출력부까지 전달된, 전자기 신호의 Hz 성분과 공진 공동이 도시되며, 여기서 ω(rad/s(radians per second))는 각 주파수이고, a(m) 는 광 결정의 격자 상수이며, c는 자유 공간에서의 빛의 속도이다(대략, 300,000,000 m/s와 같다).
도 4는 오프(off) 상태에서 작동하는 장치의 평면도를 나타낸다. 광 결정이 도시되어 있으며, 또한 2개의 직선의 도파관들(401(입력부), 402(출력부)), 정규화 주파수 ωa/2πc = 0.30308 에서 공진 공동 및 입력으로 다시 반사된 전자기 신호의 Hz 성분이 도시된다.
도 5는 온(on) 및 오프(off) 상태에서 작동하는 스위치의 주파수 응답을 나타낸다.
장치가 외부 DC 자기장 H0의 영향하에 있는 경우(도 1a), 상기 입력 도파관(101)에 적용된 전자기 신호가, 광자기(magneto-optical) 공진기에서, 회전하는 다이폴 모드(103)로, 여기된다. 이어서, 이것은, 낮은 삽입 손실로, 장치의 상태에 따라서, 상기 입력부에 제공된 신호를 출력 도파관(102)으로 전달을 촉진한다. 파라미터 g 값은, H0의 크기에 비례하고, 0.3과 같다.
그러나, 외부 DC 자기장이 0과 같은 경우(도 1b), 상기 입력 도파관(104)에 적용된 전자기 신호는, 공진 공동에서, 정지된 다이폴 모드(106)로 여기된다. 상기 모드의 노드(node)들은, 전자기파들이 여기서 여기 되지 않는 방식으로, 상기 출력 가이드(105)와 정렬되어 있다. 입사 신호는 완전히 반사되고, 입력과 출력 사이의 높은 아이솔레이션(isolation)을 갖는다. 이 상황은 오프(off) 상태에 대응하며, 이 경우에 파리미터 g 값은 0과 같다.
이러한 거동은, 그에 연결된 로드(load)들이 없이, 즉 입력 및 출력 도파관들의 연결이 없이, 광자기 공진기에서 여기된 모드들의 분석에 의해 설명될 수 있다. 비자기화된 경우에, 공진 주파수 ω0를 갖는 6개의 정지된 다이폴 모드들 Vi (i = 1, 2, ..., 6)이 있고, 이들 중 두 개가 도 2a (V1 모드) 및 도 2b (V2 모드)에 표시되어 있다. 다른 모드들은 V1 및 V2 모드들을 z-축 둘레로 60도 또는 120도 회전시킴으로써 획득될 수 있다.
이러한 모드들은, 공진 주파수 ω0를 갖고 반대 방향으로 회전하는, 축퇴된(degenerate) 회전하는 모드들 V- 및 V+를 제공하도록 결합될 수 있다(도 2c 참조).
z 방향으로 따라서 배향된, 외부 DC 자기장 H0의 적용은 V- 및 V+의 축퇴(degeneracy)를 제거하고, 그에 따라 이제 그들은 다른 공진 주파수들 ω- 및 ω+를 갖게 된다(Vm - 및 Vm + 모드들이, 각각, 도 2d에 도시되어 있다).
이 구조에서 도파관들의 삽입은, 비자기화된 및 자기화된 경우 모두에서, 또한 공진 공동에서 여기된 모드들의 축퇴를 제거한다. 상기 공동과 상기 도파관들 사이에서 더 높은 결합은 이전의 축퇴된 모드들의 주파수들 사이에 더 큰 차이를 가져온다.
온(on) 상태(도 3)는 상기 장치가 자기화된 경우에 획득된다. 이 경우에, 회전하는 모드(Vm - 또는 Vm +)가 사용되고, 도면의 중심에 위치한 아치형 화살표로 표시된다.
다른 한편으로는, 오프(off) 상태(도 4)는 상기 장치가 비자기화된 경우에 획득된다. 이 경우에, 정지된 다이폴 모드들 Vi들 사이에 조합으로부터 초래된 모드에 사용된다. 초래된 모드들은 상기 출력 도파관과 정렬된 그 노드들을 갖는다.
상기 장치의 주파수 응답이 도 5에 도시되어 있다. (도파관들(301, 401)과 관련하여) 포트(1)의 여기를 고려하고, 각각 온(on) 상태 및 오프(off) 상태와 관련된 곡선들의 -2 dB 및 -15 dB 레벨들을 고려하면, 상기 장치의 대역폭은 186 GHz와 같다. 정규화된 중심 주파수 ωa/2πc = 0.30308 에서, 온(on) 상태에서의 삽입 손실은 -0.9 dB이고, 오프(off) 상태에서 도파관들 사이의 아이솔레이션은 -54 dB이다.

Claims (4)

  1. 두 개의 도파관 및 한 개의 공진 공동이 삽입된 2차원 광 결정으로 구성되고,
    적용된 외부 DC 자기장의 강도에 따라 입력부로부터 출력부로 전자기 신호의 통과를 차단하거나 허용하는 것을 특징으로 하는 60도 벤딩을 갖는 2차원 광 결정에 기초한 소형 광 스위치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자기 신호의 전파 방향을 60도 각도까지 바꾸게 하며, 집적된 광 시스템들의 개발에 있어 더 큰 유연성을 제공하는 것을 특징으로 하는 60도 벤딩을 갖는 2차원 광 결정에 기초한 소형 광 스위치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    (비자기화된 경우의) 오프 상태에서, 노드들이 출력 도파관과 정렬된 정지된 다이폴 모드에서 작동하고, (자기화된 경우의) 온 상태에서, 회전하는 다이폴 모드에서 작동하는 것을 특징으로 하는 60도 벤딩을 갖는 2차원 광 결정에 기초한 소형 광 스위치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    정규화된 중심 주파수 ωa/2πc = 0.30308에서, 온 상태에서 삽입 손실은 -0.9 dB이고, 오프 상태에서 포트들 사이의 아이솔레이션은 -54 dB인 반면, 삽입 손실 곡선의 -2 dB 레벨과 아이솔레이션 곡선의 -15 dB 레벨을 고려한, 대역폭은 186 GHz인 것을 특징으로 하는 60도 벤딩을 갖는 2차원 광 결정에 기초한 소형 광 스위치.
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