KR102664933B1 - 빛에 기초하여 전자기파의 전송을 제어하는 방법 및 그 장치 - Google Patents
빛에 기초하여 전자기파의 전송을 제어하는 방법 및 그 장치 Download PDFInfo
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Abstract
본 개시에 의한 전자기파의 전송을 제어하는 장치는, 신호 레이어 상에 위치하며, 입력 말단으로 수신된 전자기파가 진행되는 도체 선로, 유전 레이어를 통해 상기 신호 레이어와 전기적으로 분리되며, 전기적으로 접지되는 접지 레이어, 제 1 말단 및 제 2 말단을 포함하며, 상기 도체 선로와 상기 제 1 말단을 통해 연결되는 션트 비아 및 상기 션트 비아의 상기 제 2 말단과 상기 접지 레이어 사이에 연결되며, 광신호의 입력에 기초하여 유전 상태 혹은 도전 상태 중 하나의 상태를 가지는 광전도성 반도체를 포함하며, 상기 도체 선로는 상기 도전 상태인 광전도성 반도체 및 상기 션트 비아를 통해 상기 접지 레이어와 전기적으로 연결되어, 상기 션트 비아에서 전자기파가 반사되도록 할 수 있다.
Description
본 개시는 빛, 예를 들어 광신호에 기초하여 전자기파의 전송을 제어하는 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 광신호에 기초하여 온-오프 될 수 있는 스위치 및 그 동작 방법에 관한 것이다.
고주파 대역에서의 용이한 통신 특성에 대한 사용자들의 지속적인 요구는, 통신 기술의 급격한 발전을 불러왔다. 최근에는 밀리미터파 대역을 이용한 5G 통신에 관한 발전이 진행 중이며, 이러한 5G 통신은 에너지 효율과 고속 전송 속도와 같은 요인들을 포함하는, 사용자 경험에 기초한 고퍼포먼스 메트릭들(performance metrics)에 의하여 특징화될 수 있다.
차량 네비게이션에 이용되는 센서와 표준 5G 통신은, 무선 통신 시스템의 시나리오를 변화시킬 수 있다. 밀리미터파 대역을 이용하는 새로운 응용 기술들은, 데이터 전송 능력과 감지 능력(detection capabilities)을 하나의 무선 장치에 집적하는 새로운 형태의 기술을 요구할 수 있다. 가능한 기술들 중에서, 인쇄회로기판(Printed Circuit Boards; PCB)에 구현되는 장치들은 중요한 역할을 담당하며, 간단한 디자인과 공정, 단일 유전 기판(single dielectric substrate)에의 코스트-효율적인 임베딩(embedding), 광대역 구현에 적합한 기초, 전통적인 인쇄회로기판 기술과의 통합 용이성 등으로 특징화될 수 있다.
개시된 실시예는 고주파대역에서 낮은 비용으로 용이하게 집적될 수 있는 전자기파를 제어하는 방법 및 그 장치를 제공한다.
본 개시의 일부 실시예에 의한 전자기파의 전송을 제어하는 장치는, 신호 레이어 상에 위치하며, 입력 말단으로 수신된 전자기파가 진행되는 도체 선로, 유전 레이어를 통해 상기 신호 레이어와 전기적으로 분리되며, 전기적으로 접지되는 접지 레이어, 제 1 말단 및 제 2 말단을 포함하며, 상기 도체 선로와 상기 제 1 말단을 통해 연결되는 션트 비아 및 상기 션트 비아의 상기 제 2 말단과 상기 접지 레이어 사이에 연결되며, 광신호의 입력에 기초하여 유전 상태 혹은 도전 상태 중 하나의 상태를 가지는 광전도성 반도체를 포함하며, 상기 도체 선로는 상기 도전 상태인 광전도성 반도체 및 상기 션트 비아를 통해 상기 접지 레이어와 전기적으로 연결되어, 상기 션트 비아에서 전자기파가 반사되도록 할 수 있다.
본 발명은, 다음의 자세한 설명과 그에 수반되는 도면들의 결합으로 쉽게 이해될 수 있으며, 참조 번호(reference numerals)들은 구조적 구성요소(structural elements)를 의미한다.
도 1은 일 실시예에 의한 마이크로스트립 스위치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2a는 일 실시예에 의한 광학-스위치의 측면도를 도시하는 도면이다.
도 2b는 일 실시예에 의한 광학-스위치의 평면도를 도시하는 도면이다.
도 2c는 일 실시예에 의한 광학-스위치의 저면도를 도시하는 도면이다.
도 3은 일 실시예에 의한 광학-스위치의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 4a는 일 실시예에 의한 오프 상태 스위치의 등가 회로 및 전달율(transmission ratio)을 도시하는 도면이다.
도 4b는 일 실시예에 의한 온 상태 스위치의 등가 회로 및 전달율을 도시하는 도면이다.
도 5a는 일 실시예에 의한 오프 상태 스위치의 시뮬레이션 결과를 도시하는 도면이다.
도 5b는 일 실시예에 의한 온 상태 스위치의 시뮬레이션 결과를 도시하는 도면이다.
도 6은 일 실시예에 의한 시뮬레이션된 스위치의 주파수에 대한 전달율 의존도를 나타내는 도면이다.
도 7은 일 실시예에 의한 광전도 반도체 소자의 광 서플라이를 도시하는 도면이다.
도 8은 일 실시예에 의한 광학-스위치 소자의 크기에 따라 요구되는 광 파워(optical power)를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 일 실시예에 의한 스위치의 온/오프 상태에서의 패시베이션(passivation)의 영향을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 일 실시예에 의한 광 소스의 펄스 모드를 설명하기 위한 도면이다.
도 11a는 일 실시예에 의한 매칭 소자를 도시하는 도면이다.
도 11b는 일 실시예에 의한 매칭 소자를 도시하는 도면이다.
도 11c는 일 실시예에 의한 매칭 소자를 도시하는 도면이다.
도 11d는 일 실시예에 의한 매칭 소자를 도시하는 도면이다.
도 12는 일 실시예에 의한 두 매칭 소자를 가지는 광학-스위치의 등가 회로를 도시하는 도면이다.
도 13a는 일 실시예에 의한 보조 매칭 소자(auxiliary matching element)를 도시하는 도면이다.
도 13b는 일 실시예에 의한 보조 매칭 소자를 도시하는 도면이다.
도 14는 일 실시예에 의한 광학-스위치에 기초한 이상기를 도시하는 도면이다.
도 15는 일 실시예에 의한 광학-스위치에 기초한 이상기를 도시하는 도면이다.
도 16은 일 실시예에 의한 반사 부하(reflective load)의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 17은 일 실시예에 의한 광학-스위치에 기초한 안테나를 도시하는 도면이다.
도 18은 일 실시예에 의한 광학-스위치에 기초한 안테나를 도시하는 도면이다.
도 19는 일 실시예에 의한 광학-스위치에 기초한 안테나를 도시하는 도면이다.
도 20a는 일 실시예에 의한 광학-스위치에 기초한 단극 복수-투(single-pole multi-throw) 스위치를 도시하는 도면이다.
도 20b는 일 실시예에 의한 광학-스위치에 기초한 단극 복수-투(single-pole multi-throw) 스위치를 도시하는 도면이다.
도 21a는 일 실시예에 의한 광학-스위치에 기초한 복수-투 바이너리(multi-throw binary) 스위치를 도시하는 도면이다.
도 21b는 일 실시예에 의한 광학-스위치에 기초한 복수-투 바이너리(multi-throw binary) 스위치를 도시하는 도면이다.
도 22는 일 실시예에 의한 전자기파의 전송을 제어하는 장치, 예를 들어 광학-스위치,를 도시하는 블록도이다.
도 23은 일 실시예에 의한 전자기파의 전송을 제어하는 장치, 예를 들어 광학-스위치,를 도시하는 블록도이다.
도 24는 일 실시예에 의한 전자기파의 전송 제어 방법을 도시하는 순서도이다.
도 1은 일 실시예에 의한 마이크로스트립 스위치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2a는 일 실시예에 의한 광학-스위치의 측면도를 도시하는 도면이다.
도 2b는 일 실시예에 의한 광학-스위치의 평면도를 도시하는 도면이다.
도 2c는 일 실시예에 의한 광학-스위치의 저면도를 도시하는 도면이다.
도 3은 일 실시예에 의한 광학-스위치의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 4a는 일 실시예에 의한 오프 상태 스위치의 등가 회로 및 전달율(transmission ratio)을 도시하는 도면이다.
도 4b는 일 실시예에 의한 온 상태 스위치의 등가 회로 및 전달율을 도시하는 도면이다.
도 5a는 일 실시예에 의한 오프 상태 스위치의 시뮬레이션 결과를 도시하는 도면이다.
도 5b는 일 실시예에 의한 온 상태 스위치의 시뮬레이션 결과를 도시하는 도면이다.
도 6은 일 실시예에 의한 시뮬레이션된 스위치의 주파수에 대한 전달율 의존도를 나타내는 도면이다.
도 7은 일 실시예에 의한 광전도 반도체 소자의 광 서플라이를 도시하는 도면이다.
도 8은 일 실시예에 의한 광학-스위치 소자의 크기에 따라 요구되는 광 파워(optical power)를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 일 실시예에 의한 스위치의 온/오프 상태에서의 패시베이션(passivation)의 영향을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 일 실시예에 의한 광 소스의 펄스 모드를 설명하기 위한 도면이다.
도 11a는 일 실시예에 의한 매칭 소자를 도시하는 도면이다.
도 11b는 일 실시예에 의한 매칭 소자를 도시하는 도면이다.
도 11c는 일 실시예에 의한 매칭 소자를 도시하는 도면이다.
도 11d는 일 실시예에 의한 매칭 소자를 도시하는 도면이다.
도 12는 일 실시예에 의한 두 매칭 소자를 가지는 광학-스위치의 등가 회로를 도시하는 도면이다.
도 13a는 일 실시예에 의한 보조 매칭 소자(auxiliary matching element)를 도시하는 도면이다.
도 13b는 일 실시예에 의한 보조 매칭 소자를 도시하는 도면이다.
도 14는 일 실시예에 의한 광학-스위치에 기초한 이상기를 도시하는 도면이다.
도 15는 일 실시예에 의한 광학-스위치에 기초한 이상기를 도시하는 도면이다.
도 16은 일 실시예에 의한 반사 부하(reflective load)의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 17은 일 실시예에 의한 광학-스위치에 기초한 안테나를 도시하는 도면이다.
도 18은 일 실시예에 의한 광학-스위치에 기초한 안테나를 도시하는 도면이다.
도 19는 일 실시예에 의한 광학-스위치에 기초한 안테나를 도시하는 도면이다.
도 20a는 일 실시예에 의한 광학-스위치에 기초한 단극 복수-투(single-pole multi-throw) 스위치를 도시하는 도면이다.
도 20b는 일 실시예에 의한 광학-스위치에 기초한 단극 복수-투(single-pole multi-throw) 스위치를 도시하는 도면이다.
도 21a는 일 실시예에 의한 광학-스위치에 기초한 복수-투 바이너리(multi-throw binary) 스위치를 도시하는 도면이다.
도 21b는 일 실시예에 의한 광학-스위치에 기초한 복수-투 바이너리(multi-throw binary) 스위치를 도시하는 도면이다.
도 22는 일 실시예에 의한 전자기파의 전송을 제어하는 장치, 예를 들어 광학-스위치,를 도시하는 블록도이다.
도 23은 일 실시예에 의한 전자기파의 전송을 제어하는 장치, 예를 들어 광학-스위치,를 도시하는 블록도이다.
도 24는 일 실시예에 의한 전자기파의 전송 제어 방법을 도시하는 순서도이다.
이하, 첨부된 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명에 따른 예시적 실시예를 상세하게 설명한다. 또한, 첨부된 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 전자 장치를 구성하고 사용하는 방법을 상세히 설명한다. 각 도면에서 제시된 동일한 참조번호 또는 부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부품 또는 구성요소를 나타낸다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성 요소들은 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 항목들 중의 어느 하나의 항목을 포함한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 제한 및/또는 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원서에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 마이크로스트립 RF(Radio Frequency) 스위치 및 그것의 전류 분포를 도시하는 도면이다.
고주파 회로의 스위칭 부품으로는 PIN 다이오드, MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect transistor), 혹은 MEMS(Micro-Electro Mechanical Systems)가 주로 사용될 수 있다. 이때, PIN 다이오드는 복잡한 바이어스 회로 (양전류 소스(positive current source)에서 음전압 소스(negative voltage source)로의 스위칭)를 요구하며, MOSFET은 낮은 채널 저항 상태에서 높은 기생 커패시턴스를 가지고, MEMS는 한정된 횟수의 스위칭 사이클과 높은 제어 전압을 가질 수 있다.
따라서 요약하면, 일반적으로, 고주파 신호를 송수신하는 장치(스위치, 이상기(phase shifter), 안테나 등)에 대한 스위칭 기술은 매우 높은 복잡성을 가지며, 따라서 기존의 밀리미터파 대역 제품 (> 10GHz), 예를 들어 스위치, 에 대한 비용이 요구될 수 있다. 또한 고주파 신호에 대한 스위칭 기술은 무선 주파수(Radio Frequency, 이하 RF) 채널에 대한 바이어스와 전력 서플라이 회로 간의 교차로 인한 RF 손실이 증가되거나, 복잡한 바이어스 및 서플라이 회로가 요구될 수 있고, 그에 따른 고부피(bulky) 구성 요소를 포함하는 큰 인쇄회로기판 공간이 요구될 수 있으며, 따라서 소형 장치로 통합이 어려울 수 있다.
예를 들어, US 3,678,414에 기초한 실시예에 의하면, 마이크로스트립 다이오드 고 아이솔레이션 스위치(microstrip diode high isolation switch)가 제안되었다. 상술된 제안은, 두 가지 상태로 스위칭될 수 있는, 광대역 공진 회로(broadband resonant circuit)에 저항으로 구현될 수 있는, PIN 다이오드에 기반한 마이크로스트립 스위치를 포함하였다. 다이오드가 전도 상태(conducting state)에 있을 때, 저항은 폐회로의 형태로 나타날 수 있다. 그러나 이 방식을 이용하기 위해서는, PIN 다이오드의 바이어스 및 서플라이 회로 사이에 도파로(waveguide) RF 커플링이 발생된다는 문제점이 있으며, 공정 역시 번거롭고 복잡하였다.
US 6580337 B1에 기초한 다른 실시예에 의하면, 복수의 MEMS 접점(contact)들을 포함하는 마이크로스트립 단극 쌍투 스위치(microstrip single pole double-throw switch)가 제안되었다. 상술된 제안에서, 제 1 접점 쌍은, 대역폭퍼포먼스를 최적화하기 위해, 입력 및 출력 선로 연결(junction)과 근접하여 위치된다. 또한, 연결에 가까이 있지 않은 MEMS 접점은 출력 선로을 따라 스페이싱되어, 오프-상태에서는 절연 및 처리량을 최적화할 수 있으며, 온-상태에서는 삽입 손실(insertion loss)을 최소화할 수 있다. 상술된 솔루션의 단점은, 바이어스 및 서플라이 회로가 복잡하게 구성되어야 하며, 고주파 동작을 위해서는 비싸고 복잡한 공정이 요구된다는 점이다.
Y. Tawk et.al., "Optically Pumped Frequency Reconfigurable Antenna Design", IEEE ANTENNAS AND WIRELESS PROPAGATION LETTERS, VOL. 9, 2010 및 E.K. Kowalczuk, "Simulating, Fabricating and Characterising Photoconductive Microwave Switches for RF Applications, PhD Thesis 에 기초한 다른 실시예에 의하면, 광전도 스위치 소자에 기초한, 마이크로스트립 선로(즉, 마이크로 스트립의 갭 내)에 직렬로 연결된, 마이크로스트립 RF 스위치가 제안되었다. 도 1을 참조하면, 마이크로스트립 RF 스위치에서, 전류는 엣지 효과(edge effect) 및 엣지의 캐리어들의 표면 재결합으로 인하여 낮은 전기전도성을 가지는 반도체 엣지들 근처에 집중될 수 있다. 반면, 표면 재결합이 적은 마이크로스트립의 중심에서 최소 전류 덴시티가 관찰된다. 결과적으로, 전류가 스위치의 상술된 전도성이 약한 부분을 통과할 때에는 높은 손실이 발생될 수 있으며, 따라서 '온' 상태의 스위치를 설정하기 위하여 높은 광학적 전력(optical power)이 요구될 수 있다. 더하여, 이러한 종류의 스위치는 기생 커패시턴스에 의하여 낮은 블로킹 수준을 가질 수 있다.
따라서, 매우 높은 구동 주파수(예를 들어, 100gHz 이상)을 가지는 고주파 신호 송수신 장치에서, 동시에 낮은 손실, 낮은 제어 전력, 작은 크기, 기생 효과를 회피하기 위한 간소한 바이어스 및 서플라이 회로, PCB 기술에 기초한 용이한 집적 가능성과 낮은 비용을 구현할 수 있는 기술이 요구될 수 있다. 상술된 바와 같이, 상술된 실시예들은, 이러한 조건들을 동시에 만족하기 어렵다.
본 개시의 실시예에 의한 전자기파의 전송을 제어하는 장치, 예를 들어 광학-스위치(opto-switch), 는 신호 레이어, 접지 레이어 및 그 사이의 유전 레이어를 포함하는 인쇄회로기판을 포함할 수 있다. 실시예에 있어서, 신호 레이어는 마이크로스트립 컨덕터와 매칭 소자를 포함할 수 있다. 또한, 광학-스위치는 인쇄회로기판의 신호 레이어와 접지 레이어 사이의 유전 레이어에 위치하고, 유전 갭에 의해 인쇄회로기판의 접지 레이어로부터 분리되는 션트 금속 화 비아(shunt metal via), 즉 션트 비아,를 포함할 수 있다. 실시예에 있어서, 션트 비아는 마이크로스트립 컨덕터와 및 매칭 소자와 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 광학-스위치는 인쇄회로기판의 접지 레이어 상에 위치되며 인쇄회로기판의 션트 비아 및 신호 레이어와 전기적으로 연결되는 광전도성 반도체 소자(semiconductor element, 이하 PSE)를 포함할 수 있다. 광전도성 반도체 소자는 적어도 2 개의 상태, 예를 들어 제어 광속이 없어 낮은 고유 전기적 전도율을 가지는 유전 상태("오프"상태)와, 제어 광속이 존재하여 비교적 높은 전기적 전도율을 가지는 도전 상태("온"상태)를 가질 수 있다. 상술된 제어 광속은 션트 비아의 컨택 패드와 접지 사이의 갭에서 발생되는 기생 커패시턴스를 보상하도록 구성될 수 있으며, 스위치의 동작 대역폭에서 유도적 특성(inductive properties)을 가질 수 있다.
일 실시예에 있어서, 션트 비아는 마이크로스트립 컨덕터 및 매칭 소자와 직접 접촉될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 광학-스위치는 션트 비아에 전기적으로 연결되고, 션트 비아의 리액턴스를 보상하도록 구성되며, 스위치의 동작 주파수 대역폭에서 용량 성 특성을 가지는 보조 매칭 소자를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 보조 매칭 소자는 인쇄회로기판의 신호 레이어 측 외부에 추가적인 유전 레이어에 의하여 분리되도록 위치되는 전도성 패드의 형태일 수 있으며, 션트 비아는 신호 레이어와 접촉되지 않을 수 있다.
일 실시예에 있어서, 션트 비아는 구멍(break)으로 형성되고, 보조 매칭 소자는 션트 비아에 임배디드된 커패시터의 형태로 구현될 수 있으며, 신호 레이어 및 접지 레이어 와 평행하게 위치되는 구멍 내의 판(plane)으로 구현될 수 있고, 실시예에 있어서, 하나의 판은 션트 비아와 구멍의 일단에서 접촉되어 있을 수 있으며, 다른 판은 션트 비아와 구멍의 다른 단에서 접촉되어 있을 수 있다.
일 실시예에 있어서, 인쇄 회로 기판은 멀티레이어 구조를 가질 수 있다.
일 실시예에 있어서, 광학-스위치는 광전도성 반도체 소자를 포함하는 광전도성 소자들에 연결되어, 상술된 광전도성 소자들에게 광을 공급하는 광원을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 광 소스는 LED(light emitting diode) 또는 레이저 다이오드일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 광학-스위치는 광 소스에 연결되어 광 소스의 상태를 제어하는 제어 회로를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 광학-스위치는 광 소스를 펄스 모드로 제어할 수 있으며, 상술된 펄스 모드에서 제어 회로는 스위치를 "온"상태로 설정하기에 충분한 지속 시간을 갖는 제 1 펄스를 발생시키고, 스위치를 "온"상태로 유지하면서, 광전도성 소자의 소재에서의 캐리어의 수명보다 짧은 주기를 가지면서 "온"상태를 완전히 복원하기에 충분한 지속 기간을 갖는 후속 펄스를 생성할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 광학-스위치 는 광전도성 소자와 광 소스 사이에 위치되어 이들과 연결된 유전 투명 스페이서, 유전 투명 스페이서 내에 위치하며 일단이 광 소스의 제 2 컨택 출력에 연결되고 다른 일단은 제어 회로의 제 2 피딩 출력과 연결되는 피드 컨덕터를 더 포함하며, 이때 광 소스의 제 1 컨택 출력은 제어 회로의 제 1 피딩 출력에 연결될 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 광전도성 소자는 션트 비아 및 유전 갭을 모두 덮을 수 있다.
일 실시예에 있어서, 광전도성 소자는 패시베이션될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 매칭 소자는 마이크로스트립 컨덕터와의 연결점으로부터의 마이크로스트립 브랜치의 형태로 형성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 매칭 소자는 그 꼭지점이 마이크로스트립 컨덕터와의 연결점에 있는 삼각형의 형태로 형성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 광학-스위치는 인쇄회로기판의 신호 레이어와 접지 레이어 사이의 유전 레이어에 위치되는 션트 비아를 더 포함할 수 있으며, 상술된 쇼트 비아는 매칭 소자의 원거리 말단과 인쇄회로기판의 접지 레이어에 연결될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 스위치는 마이크로스트립 이상기, 안테나 또는 단극 복수-투(single-pole multi-throw) 스위치에서 스위치 소자로서 사용될 수 있다.
일 실시예에 의한, 마이크로스트립 이상기는, 입력 포트, 출력 포트 및 2 개의 브랜치들을 포함하는 방향성 결합기, 각각의 일단은 대응하는 방향성 결합기의 브랜치에 연결되며 다른 일단은 전기적으로 접지와 연결된 금속화 비아와 연결되는 2 개의 제어 가능한 반사부하 소자를 포함하며, 이때 실시예에 의한 광학-스위치 는 제어 가능한 반사 부하 소자의 적어도 일부로서 사용될 수 있다. 실시예에 있어서, 스위치가 "온"상태에 있으면 파(wave)는 션트 비아로부터 반사될 수 있으며, 스위치가 "오프"상태에 있는으면, 파는 말단 비아로부터 반사될 수 있다. 실시예에 있어서, 광학-스위치에서, 마이크로스트립 컨덕터의 길이와 광전도성 소자의 연결점은 위상 시프트를 결정할 수 있다.
일 실시예에 의한 마이크로스트립 이상기는, 일 단이 이상기 입력 및 제 1 브랜치에 연결되고 다른 일단이 이상기 출력과 제 2 브랜치에 연결되는 전송 선로의 1/4 파장 섹션을 포함하며, 이때 각 브랜치 선로은 전송 선로과 직렬로 연결된다. 상술된 마이크로스트립 이상기는 실시예에 의한 광학-스위치 및 전송 선로의 추가적인 세그먼트를 가지며, 이때 추가적인 세그먼트는 광학-스위치의 출력을 접지와 전기적으로 연결된 말단 금속화 비아에 연결할 수 있다. 스위치가 '온'상태에 있는 동안, 파는 션트 비아로부터 반사되고, 스위치가 '오프' 상태에 있는 동안, 파는 말단 비아로부터 반사될 수 있다. 실시예에 있어서, 브랜치의 선로의 모든 소자들의 길이와, 광전도성 소자의 연결점은 요구된 위상 시프트를 결정할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 마이크로스트립 안테나는 안테나 입력에 연결된 두 개의 암을 포함하는 적어도 하나의 방사 소자를 포함할 수 있다. 실시예에 있어서, 실시예에 의한 광학-스위치는 상술된 방사 소자의 각 암에, 안테나 입력으로부터 1/4 하장길이의 걸이에 위치할 수 있으며, 상술된 방사 소자의 극성을 제어하기 위한 각 시간에서 상이한 온/오프 상태를 가질 수 있다.
일 실시예에 있어서, 방사 소자는 쌍극(dipole)일 수 있으며, 이때 안테나는 엔드 파이어 방향의 방사를 제공할 수 있다.
일 실시 예에서, 방사 소자는 마이크로스트립 패치 안테나, 즉 마이크로스트립 공강 안테나(microstrip cavity antenna)일 수 있으며, 이때 안테나는 광대역 방향의 방사를 제공할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 마이크로스트립 안테나는 2 개의 방사 소자를 포함할 수있으며, 이때 하나의 방사 소자는 쌍극이고 다른 방사 소자는 패치일 수 있고, 안테나는, 엔드-파이어 방향 및 광대역 방향 모두에서 방사를 제공할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 마이크로 스트립 안테나는 멀티레이어 인쇄회로기판을 이용하여 제공될 수 있고, 이때 2 개의 방사 소자는 인쇄회로기판의 서로 다른 전도 레이어에 적층될 수 있다.
일 실시예에 의한 단극 복수-투(single-pole multi-throw, SPnT) 스위치는, 입력 포트, 복수의 출력 포트들 및 입력 포트를 복수의 출력 포트들에 연결하는 마이크로스트립들의 교차점으로부터 파장의 1/4 거리에 위치되는 복수의 광학-스위치들을 포함할 수 있으며, 입력 포트를 요구되는 출력 포트에 연결하기 위해, 입력 포트와 요구되는 출력 포트 사이의 경로에 위치하는 스위치는 '온'상태일 수 있고, 다른 스위치는 '오프'상태일 수 있다.
일 실시예에 의한 마이크로스트립 단극 복수-투(single-pole multi-throw, SPnT) 스위치는, 하나의 입력 및 2 개의 출력을 갖는 복수의 전력 분배기들을 포함하는 다원 전력 분배기(multiway power divider), 및 복수의 광학-스위치들을 포함할 수 있으며, 이때 복수의 광학-스위치들은 각 전력 분배기의 각 암 내에 교차점으로부터 1/4 파장 거리에 위치될 수 있다. 상술된 단극 복수-투 스위치는, 입력 포트를 다원 전력 분배기의 요구되는 출력 포트에 연결하기 위해, 입력 포트와 다원 전력 분배기의 요구되는 출력 포트 사이의 경로에 위치 된 스위치는 '오프'상태에, 다른 스위치는 '온'상태에 있도록 할 수 있다.
본 발명은 종래 기술의 해결책에 비해 개선 된 성능을 나타내는 한편, 밀리미터파 범위에서 작동하도록 구성되는 간단하고 저렴한 광학-스위치를 제공할 수 있다.
도 2a 내지 도 2c는 일 실시예에 의한 광신호에 기초하여 전자기파의 전송을 제어하는 장치, 이하 광학-스위치, 를 도시하는 도면이다. 구체적으로, 도 2a는 일 실시예에 의한 광학-스위치의 측면도를, 도 2b는 일 실시예에 의한 광학-스위치의 평면도를, 도 2c는 일 실시예에 의한 광학-스위치의 저면도를 각각 도시한다.
도 2a 내지 도 2c를 참조하면, 스위치(1)는 인쇄회로기판(2)을 포함하며, 인쇄회로기판 (2)은 신호 도전 레이어(3), 접지 도전 레이어(4) 및 그들 사이에 위치되는 유전 레이어(5)를 포함할 수 있다. 실시예에 있어서, 신호 도전 레이어(3)는 상호연결된 마이크로스트립 컨덕터(6) 및 매칭 소자(7)를 포함할 수 있다. 마이크로스트립 컨덕터(6)는 전자기파가 이동되는 통로의 역할을 수행할 수 있다.
도 2a에서 매칭 소자(7)는 보드를 넘어 도시되었으나 이는 이해를 돕기 위한 것으로, 실제로는 인쇄회로기판(2)의 신호 도전 레이어(3) 상에 위치될 수 있는 점은 당업자에게 충분히 이해될 것이다.
마이크로스트립 컨덕터(6)의의 말단들은 스위치의 입력 및 출력 포트일 수 있다. 마이크로스트립 컨덕터(6)와 매칭 소자(7)의 연결 부분에, 션트 비아(8), 예를 들어 션트 금속화 비아(shunt metalized via), 가 인쇄회로기판(2) 상에 제공될 수 있다. 션트 비아(8)는 마이크로스트립 컨덕터(6) 및 매칭 소자(7)와 직접적으로 전기적으로 접촉되어 있으나, 인쇄회로기판(2)의 접지 도전 레이어(4)와는 유전 갭(9)에 의하여 분리되어 직접적으로 접촉되지 않을 수 있다.
실시예에 있어서, 스위치의 주된 기능 중 하나는 인쇄회로기판(2)의 접지 도전 레이어(4)에 위치하는 PSE(10)에 의하여 수행될 수 있다. PSE(10)는 션트 비아(8) 및 접지 도전 레이어(4)와 상호연결될 수 있다. PSE(10)는 적어도 두 상태를 가질 수 있다. 제 1 상태는 오프 상태로, 제어 광 플럭스(luminous flux)가 없어 낮은 고유 전기 전도성을 가지는 유전 상태일 수 있다. 제 2 상태는 온 상태로, 제어 광 플럭스(luminous flux)가 존재하여 상대적으로 높은 전기 전도성을 가지는 도전 상태일 수 있다.
더하여, 도 2a를 참조하면, 인쇄회로기판(2)에 포함될 수 있는 제어 회로(11)와 광 소스(12), 예를 들어 LED가 더 개시될 수 있다. PSE(10)로 인가되는 광은 전력 핸들링을 이용한 제어 회로에 의하여 온오프되는 LED로부터 제공될 수 있다.
도 3은 일 실시예에 의한 광학-스위치의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, PSE(10)로 광이 인가되지 않으면, PSE(10)는 유전 상태인 오프 상태에 있게 된다. 입력 포트(RF port 1)를 통해 스위치(1)로 진입된 전자기파는, 출력 포트(RF port 2)에, PSE(10)와 션트 비아(8) 부분에서 심한 반사를 경험하지 않고, 거의 손실 없이 진입할 수 있다.
한편 PSE(10)로 광이 인가되면, PSE(10)는 도전 상태인 온 상태에 있게 되고, 따라서 신호 도전 레이어(3)가 접지 도전 레이어(4)로 쇼트될 수 있다. 결과적으로, 입력 포트(RF port 1)를 통해 스위치(1)로 진입된 전자기파는, PSE(10)와 션트 비아(8) 부분에서 반사되어 출력 포트(RF port 2)에 도달할 수 없을 수 있다.
상술된 션트 비아(8), 특히 션트 비아(8)와 PSE(10)를 연결하는 컨택 패드 부분, 와 접지, 특히 접지 도전 레이어(4)와 PSE(10)를 연결하는 컨택 패드 부분, 사이의 유전 갭에서, 스위치의 성능을 하향시키고 오프 상태에서 손실을 야기하는 기생 커패시턴스가 발생될 수 있다. 실시예에 있어서, 매칭 소자(7)는 기생 커패시턴스를 보상하도록 구성될 수 있다. 따라서, 매칭 소자(7)는 스위치(1)의 구동 주파수대역에서 유도적 특성(inductive property)을 가져야 할 수 있다. 매칭 소자(7)는 기생 커패시턴스, 션트 비아(8)의 인덕턴스 및 PSE(10)의 전도성과 함께 부분적 연결을 가지는 병렬 공진 회로를 구성할 수 있으며, 이때 공진 영역에서 높은 저항을 가질 수 있다. 오프 상태 및 온 상태에서, 실시예에 의한 스위치의 등가 회로 및 전달율(transmission ratio)은 도 4a 및 도 4b를 참조하여 설명될 수 있다.
도 4a는 일 실시예에 의한 오프 상태 스위치의 등가 회로 및 전달율(transmission ratio)을 도시하는 도면이다. 도 4b는 일 실시예에 의한 온 상태 스위치의 등가 회로 및 전달율을 도시하는 도면이다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 매칭 소자의 인턱턴스는 수학식 1처럼 표현될 수 있다.
수학식 1에서, ωres는 공진 주파수를, Lm은 매칭 소자 인덕턴스를, Lvia는 션트 비아 인덕턴스를, C는 기생 커패시턴스를 각각 의미할 수 있다.
도 4a를 참조하면, 빛이 PSE로 인가되지 않는 오프 상태에서, 션트 비아는 유도성 소자 L로 등가될 수 있으며, 반도체인 PSE, 유전 갭 및 션트 비아 컨택 영역은 용량성 소자 C로 등가될 수 있다. 도 4a의 그래프를 참조하면, 비공진 실시예(매칭 소자가 없는 경우)의 경우, 오프 상태에서, 기생 커패시턴스로 인한 선로의 불연속 지점에서의 파형 반사에 의하여 손실이 발생되므로 전달율이 낮아질 수 있다. 반면, 공진 실시예(매칭 소자가 존재하는 경우)의 경우, 공진 영역에서 높은 저항값을 가지는 진동 회로(oscillating circuit)가 발생되며, 전자기파는 적은 손실로 구조를 통과할 수 있으므로, 전달율이 획기적으로 향상될 수 있다.
도 4b를 참조하면, 빛이 PSE로 인가되는 온 상태에서, 션트 비아는 유도성 소자 L로 등가될 수 있으며, 반도체인 PSE는 저항 소자로 등가될 수 있다. 이 경우, 인덕턴스는 PSE의 낮은 저항과 병렬로 연결된 선로을 부분적으로 션트할 수 있다. 즉, 도 4b의 그래프를 참조하면, 온 상태에서, 매칭 소자의 추가는(즉, 공진 실시예) 스위치의 잠금 특성을 거의 변화시키지 않을 수 있다.
따라서, PSE와 션트 비아는 마이크로스트립 컨덕터와 매칭 소자가 위치하는 인쇄회로기판의 영역과 함께, 광전도적 효과를 기초로 하여 동작하는 광학-스위치의 역할을 수행할 수 있다. 이러한 스위치의 서플라이/바이어스 회로는 RF 경로와 절연(isolated)될 수 있다. 스위치의 특성은, 공급되는 빛의 전력을 변화시키는 것을 이용하여 제어될 수 있다. 이러한 스위치는 높은 주파수에서도 낮은 손실을 가지며, 외부 부품(external components)의 영향을 크게 받지 않을 수 있다. 더하여, 이러한 스위치는 인쇄회로기판, 멀티 레이어 보드를 포함하는, 의 원하는 임의의 위치에 쉽게 설치될 수 있다. 부품들의 수를 최소화하는 것으로, 비용과 복잡도가 감소될 수 있으며, 컴팩트한 장치로의 집적 가능성이 제공될 수 있다. 더하여, 본 개시에 의한 광학-스위치는, 상대적으로 넓은 구동 주파수, 일 실시예에서는 예시적으로 10-20퍼센트의, 를 가진다.
본 개시의 실시예에 의한 스위치의 동작 시뮬레이션이 도 5a 및 도 5b를 참조하여 설명된다. 보다 구체적으로, 도 5a는 일 실시예에 의한 오프 상태 스위치의 시뮬레이션 결과를 도시하는 도면이다. 도 5b는 일 실시예에 의한 온 상태 스위치의 시뮬레이션 결과를 도시하는 도면이다.
도 5a를 참조하면, 오프 상태에서, 입력(port 1)에서 출력(port 2)으로 진행하는 파는 오직 작은 진폭 감소만을 경험한다. 즉, 출력(port 2)에 대한 전달율은 -1dB 보다 높을 수 있으며, 입력(port 1)에 대한 반사율은 -20dB보다 낮을 수 있다.
도 5b를 참조하면, 온 상태에서, 입력(port 1)에서 출력(port 2)으로 진행하는 파는 광학-스위치에 의하여 거의 완전히 반사된다. 즉, 출력(port 2)에 대한 전달율은 -20dB 보다 낮을 수 있다. 전달되고 반사된 파는 입력(port 1)과 스위치 사이에 정상파(standing wave)를 형성할 수 있으며, 최대 전류 지점은 스위치 근처에 형성될 수 있다. 이때, 입력(port 1)에 대한 반사율은 -1dB보다 높을 수 있다.
도 6은 일 실시예에 의한 시뮬레이션된 스위치의 주파수에 대한 전달율 의존도를 나타내는 도면이다. 보다 구체적으로, 도 6은 입력(port 1)부터 출력(port 2)까지의 주파수에 대한 전달률 의존도를 나타내는 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 개시의 실시예에 의하면, 저조도 조건(low light condition) 하에서도 포지티브 특성이 나타날 수 있다. 예를 들어, PSE의 전도성이 이미 200S /m인 경우, -20dB 미만의 충분한 전달율이 보장될 수 있다. 따라서, PSE에 요구되는 도전율에 대한 수준이 현저히 감소할 수 있기 때문에, 공급되는 빛의 강도가 낮아도 지정된 수준의 스위치 잠금을 실현하는 데 충분할 수 있다. 따라서, 본 개시에 의한 스위치는 저조도 조건 하에서도 높은 민감성과 낮은 전력 소비를 제공할 수 있다.
도 7은 일 실시예에 의한 광전도 반도체 소자의 광 서플라이를 도시하는 도면이다. LED의 광 전력은 본 개시의 실시예에 의한 광학-스위치의 필요한 동작 모드들을 제공하기에 충분하므로, 일 실시예에 의하면, LED가 광 소스로 사용될 수 있다. 한편, 상업적으로 용이하게 입수가능한 LED는 양측에 배치되는 두 컨택을 가질 수 있으며, 따라서 전력을 제공하기 위해서는 제어회로(11)의 제 1 서플라이 말단에 직접적 컨택을 제공하는 것으로 충분하고, 한편으로는, 추가적인 피드 컨덕터(13)가 요구될 수도 있다. 이러한 피드 컨덕터(13)가 PSE(10)에 전기적으로 연결되는 것을 방지하기 위하여(즉, 전력 절연(isolation)을 제공하기 위하여), 유전 투명 스페이서(dielectric transparent spacer, 14)가 LED(12)와 PSE(10) 사이에 위치될 수 있다. 유전 투명 스페이서(14)는 광 소스(12)로부터 PSE(10)까지 요구되는 거리를 제공하기 위한 광 가이드로 사용될 수 있다. 금속, 예를 들어 구리, 패드(15)는 인쇄회로기판의 접지 레이어 및 션트 비아와 연결을 형성하기 위한 PSE(10)의 컨택일 수 있다.
상술된 구조의 광학-스위치는, 타겟 레이아웃에서 PSE 내의 체적 전류(volume current)의 분포를 고려함으로써, 매우 작은 부피를 가질 수 있다. 따라서,상술된 구조의 광학 스위치는 아주 작은 장치로의 용이한 집적을 가능케 하며, 복잡도를 감소시키고, 전력 소비를 최적화 할 수 있다. 한편 상술된 광 서플라이 방법은 예시적인 것으로, PSE에 대한 광 서플라이에 있어서, 광 섬유 혹은 다른 실시예에 의한 광 전송 역시 사용될 수 있음은 당업자에게 용이하게 이해될 것이다.
도 8은 일 실시예에 의한 광학-스위치 소자의 크기에 따라 요구되는 광 파워(optical power)를 설명하기 위한 도면이다. 광 소스와 PSE의 크기 비율은, 요구되는 광 출력의 크기에도 영향을 미칠 수 있다. 본 실시예의 스위치에 대한 시뮬레이션에서, 최적화된 PSE의 반지름은 1.4mm(즉, 지름은 2.8mm)였으며, 약 3.8mW의 작은 광 파워가 요구되었다. PSE의 크기가 감소되면, 요구되는 광 파워는 점차 증가되나, PSE의 크기가 증가되어도, 요구되는 광 파워는 크게 감소되지 않는다. 이러한 효과는 시뮬레이션의 실시예에만 한정되어 적용되는 것이 아니며, 다른 실시예들에도 동일 혹은 유사하게 적용되어 나타난다.
도 8에 도시된 바와 같이, 동일한 LED 크기 및 다른 PSE 크기 조건 하에서, PSE의 전도 상태를 보장하기 위하여 서로 다른 광 파워가 요구될 수 있다. PSE에서의 전류 공간 분포를 고려할 때, 광 스팟의 크기와 소정의 레벨의 전도성이 제공되는 영역의 크기는, 변화되지 않는다. 결과적으로, 서플라이에 요구되는 광 파워는 LED 및 PSE의 길이 방향(longitudinal dimension) 비율을 최적화하는 것을 통해, 2배 이상 감소될 수 있다.
이러한 효과는 빛의 작용하에 전도 영역을 통과하여 PSE로 확산되는 전자의 확산뿐만 아니라, 공정 과정의 기계적 커팅으로 인한 반도체 구조의 손상과 관련된 영향의 효과가 미치는 영역의 영향 감소로 인해 달성될 수 있다. 결과적으로, 이러한 영역의 전자들은 짧은 유효 수명을 가지게 되고, 전체 반도체 재료를 전도 상태로 만들기 위해서는 큰 광 파워가 요구될 수 있다. 동시에, 웨이퍼의 표면의 질이 높아질 수 있으며, 소수 캐리어들의 재결합 과정에서 이러한 표면의 영향이 크게 줄어들 수 있다. 따라서, 소자의 크기가 광 소스의 크기와 비교될 수 있는 크기를 가진다면, 엣지의 영향을 보상하고 원하는 영역에서 특정 레벨의 전도성을 보장하기 위해서는 더 큰 광 파워가 공급되어야 한다. 그러나, 소자의 크기가 증가됨에 따라, 전도 전하 확산으로 인하여, 동일한 광 소스 하에서 보다 넓은 영역에서 필요한 전도성을 얻을 수 있게 하는 엣지의 영향력이 약해질 수 있다.
한편, 소정의 전도성을 가지는 동일한 영역을 획득하기 위하여, 반도체 소자의 크기를 증가시키기 위하여, 그리고 고정된 크기의 광 소스에서 광 파워 소비를 감소시키기 위하여, 동일한 효과가 사용될 수 있다.
따라서, 실시예에 의할 때, 전류는 전기적 전도성이 가장 높은 영역인 PSE의 중심 부분에 집중될 수 있다. 따라서, PSE 디자인에 대한 요구와 전달되어야 하는 광 파워에 대한 요구가 경감될 수 있다.
전자의 확산과 엣지 효과를 고려할 때, 반도체 소자에서 광전도성 전자(n)의 농도를 계산하는 방법은 수학식 2 내지 4와 같을 수 있다.
이때 수학식 2는 헬름홀츠 방정식(Helmholtz equation)일 수 있으며, 수학식 3은 방위각 대칭성(azimuthal symmetry)을 의미할 수 있다. 또한, s는 확산 길이를, D는 확산 상수를, τ는 반도체의 전자의 수명을, Φ는 광함수(lighting function)를 의미할 수 있다. 두께(즉, z방향) 상에서 캐리어들의 밀도 분포가 균질하다는 가정 하에서, 상술된 수학식들로부터 수학식 5와 같은 경계 조건이 도출될 수 있다.
PSE의 크기 및 이에 따른 소정의 전도성을 가지는 영역 내의 캐리어들의 수명을 제어함으로써, 키(key)의 온/오프 시간 역시 제어할 수 있다. PSE 볼륨 내에서 캐리어의 수명이 길어진다는 것은, 전체 PSE 두께에 걸쳐 캐리어가 전도성(혹은 재조합) 수준으로 보다 길게 전이(transition)한다는 것, 즉 소자가 최종적으로 온/오프로 전환되는 때까지 보다 오랜 시간이 걸린다는 것일 수 있다. 그리고 반대의 경우도 마찬가지로, 충분한 광 파워 하에서, 짧은 수명의 캐리어들을 가지는 PSE는, 온/오프 상태로의 전환이 빠를 수 있다. 따라서, 소자의 엣지를 소정 레벨의 전도성을 보장할 필요가 있는 영역으로부터 멀리/혹은 가까이 이동시키는 것을 통하여, 재결합 엣지 효과는 벌크 캐리어의 수명을 증가시키거나/ 혹은 감소시킬 수 있고, 따라서 스위치의 전체 온/오프 시간을 증가지키거나/ 혹은 감소시킬 수 있다. 따라서, 장치의 목적에 맞추어, PSE 및 광원의 기하학적 파라미터를 선택하여, 스위치의 광 파워 소비 및 온/오프 시간을 최적화할 수 있다.
다른 한편, 크기(dimension)가 제한되는 장치, 예를 들어 휴대용 장치, 에 적용되는 경우에는 내부의 수 밀리미터 변화도 클 수 있으며, 기지국과 같은 크기 제한이 없는 장치에 적용되는 경우에는 장치에 사용되는 소자의 크기가 수 밀리미터 변화되는 것은 그다지 영향을 미치지 못할 수 있다. 따라서, PSE와 광 소스의 크기를 결정하기 위해서는, 장치의 크기, 스위치의 광 파워 소비, 스위치의 온/오프 시간 및 요구되는 전도성에 기초한 PSE의 선정 등이 모두 고려되어야 할 수 있다.
다양한 종류의 반도체, 예를 들어 실리콘 혹은 갈륨-인듐 아세나이드(gallium-indium arsenide), 가 PSE의 소재로 선택될 수 있다. 소재의 전자 수명(τ)은 솽학-스위치의 스위칭 타임을 결정할 수 있다(ton, toff ~ τ). 이는 소재를 패시베이션, 즉 표면 처리, 하는 것을 통해, 감소될 수 있다. 한편, 캐리어 수명은 광학 파워와 반비례 관계에 있다(Popt ~ 1/τ). 결과적으로, 스위칭 시간을 감소시키기 위해서는 보다 큰 광 파워와 에너지 소비량 증가가 요구될 수 있다.
도 9는 일 실시예에 의한 스위치의 온/오프 상태에서의 패시베이션(passivation)의 영향을 설명하기 위한 도면이다. 도 9에서, 온 및 오프 시간은 공급된 전력의 10% 및 90% 레벨에 기초하여 판별되었다. 표 1은 광학-스위치 소재에서, 패시베이션의 영향을 설명하는 표이다.
상술된 실시예에서, 온 시간(ton) 및 오프 시간(toff)은 아래와 같은 조건에서 감소될 수 있다:
- 광전도성 소재 최적화(캐리어 수명 의존)
- 실리콘의 수정(modification)(순도 최적화, 도핑)
- 다른 소재 사용(예를 들어, 갈륨-인듐 아세나이드)
- 스위치 구조 최적화
- 갭 제어
- 광전도 소재의 체적 전류 분포와 전자기적 엣지 효과 고려
실시예에 있어서, PSE 광 인가를 위하여, 연속 모드 혹은 펄스 모드를 포함하는, 광 서플라이의 다양한 모드들이 사용될 수 있다. 이때, 예를 들어, LED 혹은 레이저 다이오드가 광 소스로 이용될 수 있다.
도 10은 일 실시예에 의한 광 소스의 펄스 모드를 설명하기 위한 도면이다.
광 서플라이의 펄스 모드 하에서는 보다 적은 광 파워가 소비되고, 따라서 연속 모드에 비하여 에너지가 절약될 수 있다. 이 경우, 첫 번째 펄스의 지속 시간이 스위치를 온 상태로 설정하기에 충분해야 하며, 광 소스가 오프된 동안 캐리어 농도가 급격이 감소될 시간이 없도록, 스위치가 온 상태에 있는 동안 펄스의 주기가 PSE 소재의 캐리어 수명보다 짧아야 할 수 있으며, 펄스의 지속 시간은 온 상태를 회복하기에 충분해야 할 수 있다.
실시예에 있어서, PSE, 광 소스, 광학-스위치의 션트 비아 및 인쇄회로기판의 크기, 형상 및 위치는 다양할 수 있다. 이러한 파라미터들은 인쇄회로기판의 구조, 효율적인 스위칭을 위한 전류 흐름 영역, 설치를 위한 용이한 소자 배치 및 절연 조건 등에 따라 가변될 수 있다. 광 소스는 반도체 소자의 중심 너머에 배치될 수 있음, 혹은 그 엣지로 이동될 수도 있다. 이러한 모든 실시예들에서, PSE는 션트 비아를 완전히 중첩할 수 있고, 따라서 인쇄회로기판의 신호 레이어와 접촉할 수 있다.
또한, 광학-스위치의 매칭 소자의 크기, 형상 및 위치 역시 다양할 수 있으며, 적용례의 요구 사항에 따라 결정될 수 있다. 도 11a 내지 도 11d는 예시적인 매칭 소자를 서명하기 위한 도면이다.
도 11a는 일 실시예에 의한 매칭 소자를 도시하는 도면이다. 도 11a를 참조하면, 장치의 크기가 제한되어 있는 경우, 매칭 소자(7)의 길이 L< λ/4일 수 있으며, 쇼트 비아(16)는 원위 말단(far end)에 위치될 수 있다.
도 11b는 일 실시예에 의한 매칭 소자를 도시하는 도면이다. 도 11b를 참조하면, 매칭 소자(7)의 크기의 제한이 없는 경우, 그리고 동작 대역폭이 상대적으로 좁은 경우, 마이크로스트립 컨덕터(6)와 션트 비아의 연결점으로부터의 마이크로스트립 브런치 상에, 길이 L>λ/4가 되도록 인쇄회로기판 상에 위치시키면 족하다.
도 11c는 일 실시예에 의한 매칭 소자를 도시하는 도면이다. 도 11c를 참조하면, 장치의 크기가 제한되어 있는 경우, 매칭 소자(7)의 길이 L< λ/4일 수 있으며, 쇼트 비아(16)는 원위 말단(far end)에 위치될 수 있다. 실시예에 있어서, 만약 광대역 동작이 요구되는 경우, 매칭 소자(7)는 꼭지점이 마이크로스트립 컨덕터(6)와 션트 비아의 연결점에 위치하는 삼각 형상을 가질 수 있다.
도 11d는 일 실시예에 의한 매칭 소자를 도시하는 도면이다. 실시예에 있어서, 만약 광대역 동작이 요구되는 경우, 매칭 소자(7)는 꼭지점이 마이크로스트립 컨덕터(6)와 션트 비아의 연결점에 위치하는 삼각 형상을 가질 수 있다.
도 12는 일 실시예에 의한 두 매칭 소자를 가지는 광학-스위치의 등가 회로를 도시하는 도면이다. 온 상태 스위치의 록킹 특성을 개선하기 위하여, 실시예에 의한 스위치는 용량성 특성을 가지며, 따라서 션트 비아의 리액턴스(Lvia)를 보상하는, 보조 매칭 소자를 추가적으로 포함할 수 있다. 도 12를 참조하면, 매칭 소자(Lm)과 보조 매칭 소자(Cm)에 의하여, 신호 블록킹이 개선될 수 있다.
도 13a는 일 실시예에 의한 보조 매칭 소자(auxiliary matching element)를 도시하는 도면이다. 도 13a를 참조하면, 실시예에 의한 보조 매칭 소자는 인쇄회로기판(2)의 신호 레이어(3) 방향 외부에 위치하며, 추가적인 유전 레이어(18)를 이용하여 그로부터 분리되는 추가적인 용량성 플레이트(17)의 형태로 구현될 수 있다. 이를 통해 플레이트(17)와 신호 레이어(3) 사이에 추가적인 커패시턴스(Cm)가 형성될 수 있다. 이러한 경우, 션트 비아(8)는 신호 레이어(3)와 접촉하지 않고, 대신 플레이트(17)와 접촉할 수 있다.
도 13b는 일 실시예에 의한 보조 매칭 소자를 도시하는 도면이다. 도 13b를 참조하면, 실시예에 의한 보조 매칭 소자는 인쇄회로기판(2) 내부에, 션트 비아(8)에 임배디드된 커패시터의 형태로 구현될 수 있다. 즉, 실시예에 의한 션트 비아(8)는 구멍(break)으로 형성되고, 커패시턴스(Cm)의 플레이트들(19)은 신호 레이어(3) 및 접지 레이어(4)와 평행하게 위치되는 구멍 내의 판(plane)으로 구현될 수 있다. 실시예에 있어서, 하나의 플레이트는 션트 비아(8)와 구멍의 일단에서 접촉되어 있을 수 있고, 다른 플레이트는 션트 비아(8)와 구멍의 다른 단에서 접촉되어 있을 수 있다. 유전체(18)는 플레이트들(19) 사이에 위치될 수 있다. 상술된 실시예에 의한 보조 매칭 소자는 설치가 용이하며, 특히 커패시터 플레이트들이 중간 전도층 내에 형성될 수 있는 멀티레이어 인쇄회로기판에서 더욱 구현하기 쉬울 수 있다.
한편, 상술된 광학-스위치에 기초하여, 다양한 형태의 장치들이 구축될 수 있다. 이하에서는 예시적으로, 이상기와 안테나에 관하여 설명한다.
도 14 및 15는 실시예에 의한 광학-스위치가 제어 가능한 반사 부하(reflective load, RL)의 일부로 사용되는 이상기에 관하여 도시한다. 도 16은, 상술된 이상기에서 반사 부하의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다. 실시예에 의한 이상기는 안테나 어레이를 제어하기 위한 제어 소자 혹은 상 제어(phase control)가 필요한 다양한 응용에 이용될 수 있다.
도 14는 일 실시예에 의한 광학-스위치에 기초한 이상기를 도시하는 도면이다. 도 14를 참조하면, 방향성 결합기(directional coupler, 예를 들어 3-dB 하이브리드 결합기/브릿지, 2-브런치 결합기, 3-dB 래트-레이스 분배기(3-dB rat-race divider), 랭(Lange) 커플러/브릿지 등)에 기초한 이산 이상기(discrete phase shifter)가 도시된다. 도 14에서, 스위치는 오프 상태일 수 있으며, 파(wave)는 스위치의 출력 포트(즉, 마이크로스트립 컨덕터의 말단)를 인쇄회로기판의 접지 레이어로 연결하는 말단 비아에서 반사될 수 있다. 스위치가 온 상태에 있을 때, 파는 션트 비아로부터 반사될 수 있다. 이상기에서 이러한 형태의 RL을 이용하면, 0˚-360˚ 범위의 임의의 위상 변화를 설정할 수 있으며, 이러한 마이클스트립에 따라 위치한 브릿지 및 PSE의 연결점에서 원하는 길이의 마이크로스트립-암들을 선택할 수 있다. 이때 지연을 계산하기 위하여, 말단 비아와 PSE 사이의 길이 차이에 2배의 배율을 적용해야 할 수 있다. 도 14에서, 스위칭은 마이크로스트립의 전기적 길이를 변화시키며, 반사된 신호의 위상을 변화시킬 수 있다. 3-dB 하이브리드 결합기는 반사된 신호의 위상을 전송된 신호의 위상을 변환할 수 있으며, 따라서 작고 저렴한 이상기가 제공될 수 있다.
도 15는 일 실시예에 의한 광학-스위치에 기초한 이상기를 도시하는 도면이다. 도 15의 실시예에도 도 14의 실시예와 유사한 원리가 적용될 수 있다. 한편, 도 15를 참조하면, 실시예에 의한 스위치가 온 상태일 때, 파는 션트 비아로부터 직접 반사될 수 있다. 또한 스위치가 오프 상태일 때, 파는 말단 비아로부터 반사될 수 있다. 도 15의 실시예에서, 전송 선로의 1/4파장 섹션의 일단은 이상기의 입력과 연결될 수 있으며, 다른 일단은 이상기의 출력 및 두 번째 브랜치와 연결될 수 있다. 각 브랜치는 직렬로 연결된 전송 선로(TL), PSE 및 복소 임피던스(z)를 가지는 추가적인 전송 선로 세그먼트를 포함할 수 수 있다. 이때, 복소 임피던스(z)는 스위치 평면의 말단 비아와의 전송 선로 세그먼트의 임피던스일 수 있다. 브랜치의 모든 선로 소자들의 길이와 광전도성 소자의 연결점이, 요구되는 위상 변화를 결정할 수 있다. 상술된 유형의 부하를 이용하는 실시예에 의한 이상기에서, 위상 변화 범위는 0˚-45˚ 의 범위일 수 있다.
도 16은 일 실시예에 의한 반사 부하(reflective load)의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다. 도 16을 참조하면, 도 14 및 도 15의 실시예에서, 제어가능한 반사부하의 일부를 구성하는 스위치의 온 상태와 오프 상태 사이의 전환은, 말단 비아와 션트 비아 사이의 입력에서의 파 반사를 전환시킬 수 있다. 따라서, 스위치의 온/오프 상태에 따라, 파는 특정한, 혹은 또 다른 특정한 위상 변화를 가질 수 있다.
도 17은 일 실시예에 의한 광학-스위치에 기초한 안테나를 도시하는 도면이다. 도 17을 참조하면, 쌍극(dipole)의 각 암(arm)에 광학-스위치가 임베디드되는 방사 쌍극 셀 구조(radiating dipole cell structure)가 도시된다. 안테나의 입력으로부터 각 광학-스위치까지의 거리는 파장의 1/4일 수 있다. 하나의 스위치를 온 상태로 전환하고 다른 하나의 스위치를 오프 상태로 전환하거나 반대로 동작시키면, 쌍극의 극성이 스위칭될 수 있다. 이러한 형태의 안테나는, 엔드-파이어 방향의 방사(radiation)를 제공할 수 있다.
도 18은 일 실시예에 의한 광학-스위치에 기초한 안테나를 도시하는 도면이다. 도 18을 참조하면, 쌍극(dipole)의 각 암에 광학-스위치가 임베디드되는 방사 패치 안테나 셀(radiating patch antenna cell)이 도시된다. 도 17의 실시예와 유사하게, 안테나의 입력으로부터 각 광학-스위치까지의 거리는 파장의 1/4일 수 있다. 하나의 스위치를 온 상태로 전환하고 다른 하나의 스위치를 오프 상태로 전환하거나 반대로 동작시키면, 패치 안테나의 극성이 스위칭될 수 있다. 이러한 형태의 안테나는, 광대역 방향의 방사를 제공할 수 있다.
도 19는 일 실시예에 의한 광학-스위치에 기초한 안테나를 도시하는 도면이다. 도 19의 실시예에 의한 안테나는, 도 17 및 도 18의 실시예에 의한 안테나를 결합한 형태일 수 있다. 이 경우, 멀티레이어 인쇄회로기판이 사용될 수 있다. 도 19의 실시예와 같은 결합 형태의 안테나는, 엔드-파이어 방향 및 광대역 방향 모두에서 방사를 제공할 수 있다.
상술된 실시예에 의한 광학-스위치는, 단극 복수-투(single-pole multi-throw, SPnT) 스위치에도 이용될 수 있다.
도 20a 및 도 20b는 일 실시예에 의한 광학-스위치에 기초한 단극 복수-투(single-pole multi-throw) 스위치를 도시하는 도면이다. 도 20a를 참조하면, 장치의 광학-스위치 소자들은 장치의 입력 포트와 N개의 출력 포트들을 연결하는 마이크로스트립들의 교차점으로부터 λ/4 거리에 위치될 수 있다.
도 20b를 참조하면, 장치가 동작하는 동안, 광학-스위치 소자들 중 하나의 광학-스위치 소자는 오프 상태에 있을 수 있고, 나머지 광학-스위치 소자들은 온 상태에 있을 수 있다. 이러한 경우, 신호는 입력 포트로부터 광학-스위치 소자가 오프 상태에 있는 출력 포트로 전달되게 되며, 다른 온 상태에 있는 광학-스위치 소자들로부터는 반사될 수 있다. 따라서, 실시예에 의한 광학-스위치 소자의 온/오프 제어를 이용하여, 복수의 RF 채널들 간의 스위칭을 제어할 수 있다.
도 21a 및 도 21b는 일 실시예에 의한 광학-스위치에 기초한 복수-투 바이너리(multi-throw binary) 스위치를 도시하는 도면이다. 도 21a를 참조하면, 장치의 광학-스위치 소자들은 마이크로스트립 전력 분배기의 각 암(브랜치)에, 접합부(junction)로부터 λ/4 거리에 위치될 수 있다.
도 21b를 참조하면, 장치가 동작하는 동안, 광학-스위치 소자들 중 입력과 원하는 출력 사이의 경로에 위치되는 소자들은 오프 상태에 있어 신호가 자유롭게 통과할 수 있고, 나머지 광학-스위치 소자들은 온 상태에 있어 신호가 반사되어 해당 출력에 도달하지 못할 수 있다. 따라서, 실시예에 의한 광학-스위치 소자의 온/오프 제어를 이용하여, 복수의 RF 채널들 간의 스위칭을 제어할 수 있다.
도 22는 일 실시예에 의한 전자기파의 전송을 제어하는 장치, 예를 들어 광학-스위치,를 도시하는 블록도이다. 도 22를 참조하면, 장치(100)는 신호 레이어(110), 션트 비아(120), 광전도성 반도체(130) 및 접지 레이어(140)를 포함할 수 있다. 실시예에 있어서, 장치(100)는 PCB 상에 형성될 수 있으며, 신호 레이어(110) 및 접지 레이어(140)는 각각 PCB의 도전 레이어 및 접지 레이어일 수 있다. 이때, 신호 레이어(110)와 접지 레이어(140) 사이에는 두 레이어를 전기적으로 절연하는 유전 레이어가 위치할 수 있다. 유전 레이어는 낮은 유전 손실, 충분한 전기적 혹은 기계적 강도, 열 전도성, 내온도성 및 내화학성, 양호한 기계 가공성을 가진 재료들 중에서 선택된 재료로 제작될 수 있다. 예를 들면, 유전 레이어는 BaO-TiO2-MnO2 등의 산화물계 세라믹 또는 세라믹이 채워진 유기 재료 혼합물로 제작될 수 있다.
신호 레이어(110)는 전자기파를 진행시키기 위한 도체 선로(111)을 포함할 수 있다. 실시예에 있어서, 도체 선로(111)는 마이크로스트립 전송 선로일 수 있다. 실시예에 있어서, 도체 선로(111)는 장치(100)의 입력 말단에서 출력 말단으로 전자기파를 진행시킬 수 있다.
션트 비아(120)는 제 1 말단은 도체 선로과, 제 2 말단은 광전도성 반도체(130)와 각각 연결될 수 있다. 실시예에 있어서, 션트 비아(120)는 신호 레이어(110)에서 접지 레이어(140)방향으로 형성될 수 있으나, 접지 레이어(140)와는 직접 연결되지 않고 사이에 유전 갭을 가질 수 있다. 실시예에 있어서, 션트 비아(120)는 높은 전도성을 가지는 물질, 예를 들어 금속, 으로 형성될 수 있다.
광전도성 반도체(130)는 션트 비아(120)와 접지 레이어(140) 사이에 연결될 수 있다. 실시예에 있어서, 광전도성 반도체(130)는 적어도 2 개의 상태, 예를 들어 광신호인 제어 광속이 없어 낮은 고유 전기적 전도율을 가지는 유전 상태("오프"상태)와, 제어 광속이 존재하여 비교적 높은 전기적 전도율을 가지는 도전 상태("온"상태)를 가질 수 있다. 광전도성 반도체(130)는 광신호가 입력되면 션트 비아(120)와 접지 레이어(140)를 전기적으로 연결할 수 있으며, 광신호가 입력되지 않으면 션트 비아(120)와 접지 레이어(140)를 전기적으로 절연할 수 있다.
광신호가 입력되지 않으면, 입력 포트와 출력 포트 사이를 연결하는 도체 선로(111)을 통해, 전자기파는 입력 포트로부터 출력 포트로 진행할 수 있다. 그러나 광신호가 입력되면, 도체 선로(111)은 션트 비아(120)와 광전도성 반도체(130)를 거쳐 접지 레이어(140)와 전기적으로 연결되어 션트 상태가 되고, 따라서 전자기파는 션트 비아(120)를 통과하여 진행하지 못하고 반사될 수 있다. 따라서, 장치(100)는 광신호의 입력에 기초하여 도체 선로(111)과 접지 레이어(140) 사이의 연결을 제어하여, 전자기파의 전송을 제어할 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이 장치(100)는 도체 선로(111) 상에 직접적으로 광전도성 반도체(130)를 연결하지 않으므로, 전자 재결합과 엣지 효과로 인한 회로의 노화 및 성능 저하를 방지할 수 있다.
도 23은 일 실시예에 의한 전자기파의 전송을 제어하는 장치, 예를 들어 광학-스위치,를 도시하는 블록도이다. 도 23를 참조하면, 도 22와 유사하게 장치(100)는 신호 레이어(110), 션트 비아(120), 광전도성 반도체(130) 및 접지 레이어(140)를 포함할 수 있다. 실시예에 있어서, 장치(100)는 PCB 상에 형성될 수 있으며, 신호 레이어(110) 및 접지 레이어(140)는 각각 PCB의 도전 레이어 및 접지 레이어일 수 있다. 이때, 신호 레이어(110)와 접지 레이어(140) 사이에는 두 레이어를 전기적으로 절연하는 유전 레이어가 위치할 수 있다.
한편, 장치(100)는 도체 선로(111) 및 션트 비아(120)와 연결되는 매칭 소자(150)를 포함할 수 있다. 실시예에 있어서, 매칭 소자(150)는 션트 비아(120)와 접지 레이어(140) 사이에 위치하는 유전 댑에서 발생되는 기생 커패시턴스를 보상하기 위하여, 장치(100)의 동작 대역폭에서 유도적 특성을 가지는 소자를 포함할 수 있다. 또한, 매칭 소자(150)는 션트 비아(120)의 리액턴스를 보상하기 위하여, 장치(100)의 동작 대역폭에서 용량적 특정을 가지는 소자를 포함할 수 있다.
실시예에 있어서, 매칭 소자(150)의 유도적 소자 부분은, 션트 비아(120)와 도체 선로(111)과 전기적으로 연결되며, 신호 레이어(110) 상에 형성될 수 있다. 매칭 소자(150)의 유도적 부분은, 션트 비아(120)와 광전도성 반도체(130), 그리고 접지 레이어(140)와 광전도성 반도체(130) 사이에 발생되는 기생 커패시턴스를 보상할 수 있다. 기생 커패시턴스는, 광전도성 반도체(130)의 오프 상태에서 신호의 손실을 야기하며, 이에 따라 전달 성능을 하향시킬 수 있다. 매칭 소자(150)의 유도적 소자 부분은 장치(100)의 동작 주파수 영역에서 공진 영역에서 높은 저항값을 가지는 진동 회로(oscillating circuit)가 발생되도록 하며, 이에 따라 전자기파는 적은 손실로 장치(100)를 통과할 수 있으므로, 전달율이 획기적으로 향상될 수 있다. 이러한 매칭 소자(150)의 유도적 소자 부분은, 광전도성 반도체의 온 상태에서는 전자기파 반사의 성능에 영향을 크게 미치지 않는다.
한편, 매칭 소자(150)의 용량적 소자 부분은, 션트 비아(120)의 리액턴스를 보상할 수 있다. 션트 비아(120)의 리액턴스는, 광전도성 반도체(130)의 온 상태에서 전자기파의 반사율을 저하시키며, 이에 따라 신호 차단 성능을 저하시킬 수 있다. 매칭 소자(150)의 용량적 소자 부분은 장치(100)의 동작 주파수 영역에서 공진 영역의 진동 회로(oscillating circuit)가 발생되도록 하며, 이에 따라 션트 비아(120)의 리액턴스와 등가 회로에서 직렬로 연결되는 커패시턴스를 형성하여 신호 차당 성능을 향상시킬 수 있다.
실시예에 있어서, 매칭 소자(150)의 용량적 소자 부분은, 신호 레이어(110) 측 외부에 추가적인 유전 레이어에 의하여 분리되도록 위치되는 전도성 패드의 형태일 수 있으며, 이때 션트 비아(120)는 신호 레이어(110)와 접촉되지 않을 수 있다.
실시예에 있어서, 션트 비아(120)는 구멍(break)을 포함하도록 형성되고, 매칭 소자(150)의 용량적 소자 부분은 션트 비아(120)에 임배디드된 커패시터의 형태로 구현될 수 있으며, 신호 레이어(110) 및 접지 레이어(130) 와 평행하게 위치되는 구멍 내의 판(plane)들으로 구현될 수 있다. 이때, 상술된 판들 중 하나의 판은 션트 비아(150)와 구멍의 일단에서 접촉되어 있을 수 있으며, 다른 판은 션트 비아(150)와 구멍의 다른 단에서 접촉되어 있을 수 있다.
도 24는 일 실시예에 의한 전자기파의 전송 제어 방법을 도시하는 순서도이다. 도 24를 참조하면, 단계 S1010에서, 장치는 전자기파를 신호 레이어 상에 위치하는 입력 말단을 통해 수신할 수 있다. 수신된 전자기파는, 도체 선로를 통해 진행될 수 있다.
단계 S1020에서, 장치는 광신호의 입력에 기초하여 유전 상태 혹은 도전 상태 중 하나의 상태를 가지는 광전도성 반도체로, 광신호를 입력받을 수 있다. 실시예에 있어서, 광신호는 LED를 포함하는 광 소스로부터 제공될 수 있다. 실시예에 있어서, 광신호는 펄스 형태로 제공될 수 있으며, 펄스의 길이는 광전도성 반도체의 크기, 재료 및 유전적 성격에 따라 결정될 수 있다.
단계 S1030에서, 광신호의 입력에 기초하여, 광전도성 반도체 및 광전도성 반도체와 연결된 션트 비아를 통해, 신호 레이어와 유전 레이어를 통해 전기적으로 분리되며 전기적으로 접지되는 접지 레이어로, 도체 선로가 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 광신호에 기초하여 광전도성 반도체가 온 상태가 되면, 도체 선로는 접지 레이어와 전기적으로 연결될 수 있다. 반면, 광전도성 반도체가 오프 상태이면, 도체 선로는 접지 레이어와 전기적으로 절연될 수 있다.
단계 S1040에서, 광신호의 입력에 기초하여 션트 비아에 전자기파가 반사될 수 있다. 실시예에 있어서, 광신호에 기초하여 광전도성 반도체가 온 상태가 되면, 도체 선로는 접지 레이어와 전기적으로 연결되며, 이에 따라 전자기파는 션트 비아에서 반사될 수 있다. 반면, 광전도성 반도체가 오프 상태이면, 도체 선로는 접지 레이어와 전기적으로 절연되므로, 전자기파는 입력 말단에서 출력 말단으로 도체 선로를 따라 진행될 수 있다.
한편, 본 명세서에서, 광대역 방향은 장치(예를 들어, 통신 장치) 평면에 수직인 방향을 의미할 수 있으며, 엔드 파이어(end-fire) 방향은 장치의 평면, 예를 들어 디스플레이 평면에 나란한 방향일 수 있다.
본 개시의 실시예에 의한 광학-스위치를 이용한 광전도성 소자, 예를 들어 스트립 선로, 서큘레이터, 이상기, 스위치 및 안테나 등에 기초한 최적화된 빔포밍 생성은, Rf 신호 제어를 요구하는 전자 장치들, 예를 들어 밀리미터 대역의 5G 모바일 네트워크, WiGig(Wireless Gigabit Alliance) 어드밴스드 표준, 다양한 센서들, Wi-Fi 네트워크, 원거리 무선 전력 송신을 포함하는 무선 전력 송신, 스마트 폼 시스템 및 차량 네비게이션, IoT(Internet of Things), 무선 결제를 포함하는 다양한 밀리미터파 적합성을 가지는 스마트 시스템들에 이용될 수 있다.
특히, 실시예에 의한 광학-스위치가 무선 전력 송신에 사용되는 경우, 각각 분리된 광학-스위치를 통해 제어 회로와 연결되는 다중 에미터들의 안테나 어레이가 이용될 수 있으며, 이때 제어 회로는 회절 격자(diffraction lattice)의 형태로 스위치들을 턴온/턴오프 제어할 수 있다. 상술된 실시예에 의한 전송 안테나는 넓은 범위의 각도에서 향상된 지향성(directivity)을 가질 수 있다.
실시예에 의한 광학-스위치가 로봇 공학에 이용되는 경우, 안테나는 장애물을 탐지하거나 회피하는 동작에 이용될 수 있다. 실시예에 의한 광학-스위치를 이용한 안테나는 넓은 범위에서 가변 가능한 지향성을 가지므로, 장치는 장애물을 용이하게 예측할 수 있다.
한편, 실시예에 의한 광학-스위치는 5G 기지국의 안테나에도 이용될 수 있다. 실시예에 의한 광학-스위치를 이용한 안테나는, 넓은 범위에서 가변 가능한 지향성을 가지며 동시에 넓은 범위의 가용 거리를 제공하므로, 안테나는 통신 특성에 따라 효율적으로 신호를 송수신할 수 있다.
본 개시의 실시예에 의하면, 상술된 방법을 동작시키기 위한 컴퓨터 프로그램을 저장 한 컴퓨터 판독 가능 매체가 제공될 수 있다. 또한, 본 개시와 관련하여 이 명세서와 동시에 또는 이전에 제출되고 이 명세서에 공개되어 공개 된 모든 논문 및 문서의 내용은, 레퍼런스로 포함될 수 있다.
본 개시에서 상술된 컴퓨터는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 수정이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
Claims (20)
- 전자기파의 전송을 제어하는 장치에 있어서,
신호 레이어 상에 위치하며, 입력 말단으로 수신된 전자기파가 진행되는 도체 선로;
유전 레이어를 통해 상기 신호 레이어와 전기적으로 분리되며, 전기적으로 접지되는 접지 레이어;
제 1 말단 및 제 2 말단을 포함하며, 상기 도체 선로와 상기 제 1 말단을 통해 연결되는 션트 비아; 및
상기 션트 비아의 상기 제 2 말단과 상기 접지 레이어 사이에 연결되며,
광신호의 입력에 기초하여 유전 상태 혹은 도전 상태 중 하나의 상태를 가지는 광전도성 반도체;를 포함하며,
상기 도체 선로는 상기 도전 상태인 광전도성 반도체 및 상기 션트 비아를 통해 상기 접지 레이어와 전기적으로 연결되어, 상기 션트 비아에서 전자기파가 반사되도록 하고,
상기 광신호는 펄스 신호이고,
상기 펄스 신호는 상기 광전도성 반도체를 도전 상태로 설정하는 제 1 펄스 및 상기 광전도성 반도체의 캐리어 수명보다 짧은 주기를 갖고 도전 상태를 회복하기에 충분한 지속 시간을 가지는 제 2 펄스를 포함하는, 장치. - 제1항에 있어서,
상기 장치는 인쇄회로기판을 이용하여 제공되며,
상기 신호 레이어는 상기 인쇄회로기판의 전도 레이어이고, 상기 접지 레이어는 상기 인쇄회로기판의 접지 레이어인, 장치. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 장치의 구동 주파수 대역에서 공진 회로를 형성하기 위한 매칭 소자를 더 포함하는, 장치. - 제4항에 있어서,
상기 매칭 소자는 상기 션트 비아와 상기 접지 레이어 사이의 기생 커패시턴스를 보상하는 유도성 소자를 포함하는, 장치. - 제5항에 있어서,
상기 유도성 소자는 상기 도체 선로 및 상기 션트 비아와 각각 연결되며, 상기 신호 레이어 상에 형성되는, 장치. - 제6항에 있어서,
상기 유도성 소자는 상기 도체 선로와 상기 션트 비아의 연결점에 꼭지점이 위치하는 삼각형의 형태로 형성되는, 장치. - 제4항에 있어서,
상기 매칭 소자는 상기 션트 비아와 전기적으로 연결되어 상기 션트 비아의 리액턴스를 보상하는 용량적 소자를 포함하는, 장치. - 제8항에 있어서,
상기 신호 레이어 외측에 위치하는 추가 유전 레이어를 더 포함하고,
상기 용량적 소자는 상기 추가 유전 레이어를 통해 상기 신호 레이어 및 상기 션트 비아와 연결되는 전도성 패드의 형태로 형성되는, 장치. - 제8항에 있어서,
상기 용량적 소자는 상기 션트 비아에 임배디드된 커패시터의 형태로 형성되는, 장치. - 제4항에 있어서,
상기 도체 선로와 상기 션트 비아 사이를 연결하는 마이크로스트립 브런치를 더 포함하고,
상기 매칭 소자는 상기 마이크로스트립 브런치 상에 위치되며, 상기 위치는 상기 전자기파의 파장 길이에 기초하여 결정되는, 장치. - 제1항에 있어서,
상기 광신호는 광 소스로부터 제공되며,
상기 광 소스와 상기 광전도성 반도체 사이에 위치하는 유전 투명 스페이서를 더 포함하는, 장치. - 제 12항에 있어서,
상기 광신호의 세기는 상기 광 소스와 상기 광전도성 반도체의 크기 비율에 기초하여 결정되는, 장치. - 제 13항에 있어서,
상기 광 소스 및 상기 광전도성 반도체의 길이 방향 비율은, 미리 판별된 값에 의하여 결정되는, 장치. - 제1항에 있어서,
상기 광전도성 반도체는 패시베이션되는, 장치. - 전자기파의 전송을 제어하는 장치를 포함하는 이상기에 있어서,
신호 레이어 상에 위치하며, 입력 말단 및 말단 비아와 연결되고, 상기 입력 말단으로 수신된 전자기파가 상기 말단 비아 방향으로 진행되는 도체 선로;
유전 레이어를 통해 상기 신호 레이어와 전기적으로 분리되며, 전기적으로 접지되는 접지 레이어;
제 1 말단 및 제 2 말단을 포함하며, 상기 도체 선로와 상기 제 1 말단을 통해 연결되는 션트 비아; 및
상기 션트 비아의 상기 제 2 말단과 상기 접지 레이어 사이에 연결되며,
광신호의 입력에 기초하여 유전 상태 혹은 도전 상태 중 하나의 상태를 가지는 광전도성 반도체;를 포함하며,
상기 도체 선로는 상기 도전 상태인 광전도성 반도체 및 상기 션트 비아를 통해 상기 접지 레이어와 전기적으로 연결되어, 상기 션트 비아에서 전자기파가 반사되도록 하고,
상기 광신호는 펄스 신호이고, 상기 펄스 신호는 상기 광전도성 반도체를 도전 상태로 설정하는 제 1 펄스 및 상기 광전도성 반도체의 캐리어 수명보다 짧은 주기를 갖고 도전 상태를 회복하기에 충분한 지속시간을 가지는 제 2 펄스를 포함하는, 이상기. - 제 16항에 있어서,
상기 도체 선로는 상기 유전 상태인 광전도성 반도체를 통해 상기 접지 레이어와 전기적으로 절연되어, 상기 말단 비아에서 전자기파가 반사되도록 하는, 이상기. - 제 17항에 있어서,
상기 이상기는 인쇄회로기판을 이용하여 제공되며,
상기 신호 레이어는 상기 인쇄회로기판의 전도 레이어이고, 상기 접지 레이어는 상기 인쇄회로기판의 접지 레이어인, 이상기. - 삭제
- 삭제
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