KR20000010746A - 데이터 전송 장치 및 방법에 사용되는 초전도판 조립체를 포함하는 광 변조 시스템 - Google Patents

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Abstract

특정 형태의 판 조립체의 부분을 형성하는 초전도 재료의 층에 의해 변조될 일정 파장의 광을 광원에서 제공하는, 광 변조 방법 및 장치가 개시된다. 초전도 층은 광원의 광 경로에 배치된다. 또한, 초전도 층은 변조 회로에 의해 부분적으로 투명한 비 초전도 상태 및 거의 불투명한 초전도 상태 사이에서 절환된다. 초전도층을 통해 전송된 상기 결과의 광 펄스는 주파수 변환 장치에 의해 원래의 파장에서 더 낮은 파장으로 변환된다.

Description

데이터 전송 장치 및 방법에 사용되는 초전도 판 조립체를 포함하는 광 변조 시스템
산란 보상 섬유, 에르븀 도핑 섬유 증폭기, 고속 아모르퍼스 실리콘 검출기, 및 모든 광 디멀티플렉싱의 출현으로, 광섬유 전송 속도가 광송신기의 변조 속도에 의해 원칙적으로 제한된다.
고속 변조기는 초전도 재료의 특성의 장점을 취하도록 발명되었다. 초전도 재료는 재료의 전류 밀도, 재료의 온도, 및 재료 주변의 자계가 모두 일정 임계치 아래이면 "초전도" 상태로 된다. 임계 전류 밀도(Jc), 임계 온도(Tc), 및 임계 자계(Hc)는 모두 재료의 화학적 조성 및 결함과 불순물의 존재 또는 부재에 따라 결정된다. 이들중 어느 하나가 임계치 이상으로 상승하면, 상기 재료는 초전도 상태에서 벗어나 "정상" 상태로 된다. 상기 재료는 그의 정상 상태에서는 반도체와 유사한 특성을 가지며 정상 상태 저항에 의해 특징된다. 초전도 상태는 이론적으로 완전한 도체의 특성들의 대부분을 갖는다. 전기 저항이 영이고 전자기계는 그 상태에 의해 반사된다. 따라서, 초전도 상태에서, 초전도 박막은 반사율 100%의 거울과 같은 작용을 한다(참조 문헌 [1], [2] 참조). 정상 상태에서, 광은 부분적으로 전송된다(참조 문헌 [3] 참조). 명세서 말미의 주석의 모난 괄호의 참조 번호[1,2] 및 모든 다른 말미의 주석 및 본 명세서에서 인용되는 참조 번호는 그들 각각의 참조 주석과 함께 본 명세서의 말미에 기재되어 있다.
푸제이에게 1993. 5. 11일자로 허여되었고 본 명세서에 참조된 "고속 광 변조"라는 명칭의 미국 특허 제 5,210,637호는 초전도막의 층이 광을 변조하도록 사용되는 고속 광 변조 장치를 개시한다. 헤드에게 1991. 7. 30일자로 허여되어 본 명세서에 참조된 "절환가능한 초전도 미러"라는 명칭의 미국 특허 제 5,036,042호는 고속 광변조에 이용될 수 있는 장치를 개시한다.
도 1은 미국 특허 제 5,210,637호의 일 실시예를 참조 부호(10)로서 나타낸다. DC 전원(15)은 일정한 광출력을 제공하도록 광원(13)에 접속된다. 푸제이 특허에 개시된 바와 같이, 초전도막(14)은 광출력의 경로에 위치하며 그의 반사성은 상기 막을 초전도 및 비 초전도 상태 사이에서 절환하는 변조 회로(16)에 의해 변경된다. 변경된 반사성으로 인해 광 펄스(20)가 광 섬유(25)에 의해 멀리 이송된다. 초전도 막은 냉동 장치(26)에 의해 냉각된 듀어(22)내에 배치되어 차갑게 유지된다.
상기 장치(10) 및 헤드 특허의 대응하는 장치의 주된 결점은 둘다 원적외선 범위(파장 약 14마이크론)내의 광 펄스를 발생시키는 것으로 제한되는 것이다. 이는 더 높은 주파수에서 광의 광자 에너지가 초전도 현상에 대해 책임지는 쿠퍼 전자 쌍들의 결합 에너지를 파괴할 수 있을 정도로 충분히 높기 때문이다. 상기 장치를 적절하게 동작시키기 위해서는, 광의 광자 에너지가 반드시 쿠퍼 쌍의 결합 에너지(또는 에너지 갭)보다 작아야 한다. 이 관계는 다음 식으로 주어진다.
{1} hν<2△
상기 식에서, h는 플랑크 상수, ν는 광의 주파수, 2△는 초전도체의 에너지 갭이다. 이 에너지 갭은 마티스-바덴에서 알려져 있다(참조 문헌[4]참조).
{2} 2△=8kT
상기 식에서, k는 볼츠만 상수, T는 초전도 재료의 임계 온도이다. 고임계 온도인 탈륨 화합물은 절대온도 128K(켈빈) 근처의 고임계 온도를 가진다. 이를 식 {1} 및 {2}에 끼워 넣으면, 상기 장치의 동작은 파장 약 14마이크론 정도의 광으로 제한된다.
실리카 유리섬유(기다란 홀 섬유용의 가장 보편적 재료)의 광의 감쇠는 다음 식으로 계산될 수 있다.
{3} α=Ae-a/λ+B/λ4
상기 식에서 α는 감쇠, A,a, B는 재료의 상수들, 및 λ는 파장이다. 실리카 유리 섬유의 광의 14마이크론 감쇠는 식 {3} 및 참조 문헌[5]에서의 데이터를 이용하면 km당 7.32x1010dB 정도로 된다. 따라서, 본 출원인은 유리 섬유의 광의 14마이크론의 감쇠가 통신에 있어서 유용할 정도로 높은 것임을 발견하였다. 최근의 전자 통신 시스템은 1.3 또는 1.55마이크론 근방의 파장에 대해 가장 적당하게 되어있고 km당 약 0.15dB 감쇠된다. 불행하게도, 이 파장들(즉, 더 높은 광자 에너지들)에서의 광은 푸제이 및 헤드 특허에 개시된 장치들에 적합하지 않게된다. 후술되는 본 발명에서는 헤드 특허의 출원일 1988. 12월이 오래전이기 때문에 미해결된채 남아있는 상기 문제에 대한 해결책을 제공하는 것이다.
본 발명은 광섬유 통신에 관한 것으로, 특히 광섬유 통신 장치에서 광섬유와 함께 사용되는 광 변조에 관한 것이다.
도 1은 초전도 재료를 사용한 종래 기술의 광 변조 장치의 개략도,
도 2는 초전도 층 및 광 변조를 위한 주파수 변환 장치를 이용하는 본 발명에 따른 광 변조 시스템의 개략도,
도 2a 및 2b는 본 발명에 따라 개조된 광 변조 시스템의 개략도,
도3a-3h는 도 2에 도시된 초전도 층의 일 실시예의 확대 상세도,
도 4a-4h는 도 2에 도시된 초전도 층의 다른 실시예의 확대 상세도,
도 5는 초전도 층의 다른 실시예의 개략도, 및
도 6a 및 6b는 초전도 층의 또 다른 실시예의 개략도이다.
본 발명은 광의 변조 장치 및 방법에 관한 것이다. 초전도 재료의 층이 광원의 광 경로에 배치된다. 광원은 바람직한 실시예에서 개별적인 광자 에너지가 초전도체의 초전도 갭보다 작도록 충분한 길이로 된 파장을 갖는 광을 방사한다. 다음에, 초전도 층의 적어도 일부분이 소정 수단에 의해 거의 불투명한 초전도 상태 및 부분적으로 투명한 비 초전도 상태 사이에서 절환된다. 그후, 초전도 층의 부분을 통해 전송된 광 펄스가 주파수 변환 장치에 의해 원래의 파장으로부터 다른 파장, 바람직한 실시예에서 더 짧은 파장으로 변환된다. 바람직한 실시예에서 더 짧은 파장은 상당한 감쇠 또는 산란없이 광 섬유가 광 펄스를 충분하게 이송할 수 있도록 선택된다.
본 발명의 특정 실시예에서, 소정 절환 수단은 초전도 층의 특정 부분을, 그 특정 부분의 전류 밀도를 초전도 재료의 임계 전류 밀도 이상으로 간헐적으로 증가시키거나, 또는 그 부분의 온도를 초전도 재료의 임계 온도 이상으로 상승시키는 변조 회로를 이용하여 초전도 재료의 초전도 상태 및 비 초전도 상태 사이에서 절환시키도록 설계된다. 주파수 변환 장치는 고주파 증폭기, 고주파 발진기, N형 고조파 발생기, 4파 믹서, 주파수 업컨버터, 또는 임의의 다른 주파수 변환 장치일 수 있다. 초전도 층을 그의 임계 온도 이하로 유지하는 수단은 상기 장치를 듀어(dewar)에 배치함에 의해 제공될 수 있으며 상기 듀어의 적어도 일부분은 더 긴 파장에 대해 투명하고 듀어는 극저온 냉동기에 의해 활발하게 냉각된다.
또한, 본 발명은 후술하는 다른 특징을 포함한다. 본 발명은 광 펄스를, 예컨대 수신기, 광 디멀티플렉서, 또는 다른 유용한 장치로부터 멀리 이송시키도록 주파수 변환 장치에 광학적으로 결합된 광 섬유를 포함할 수 있다. 본 발명은 변조 회로용 입력 데이터를 제공하도록 이용되는 다수의 광 섬유 링크를 포함할 수 있다. 이는 유리 광 섬유가 금속 전기 와이어보다 열을 덜 발생하므로 유용하다. 이와 다르게, 데이터를 변조 회로에 제공하도록 자유 공간 광 링크가 사용되어, 듀어로의 열 전도 경로를 모두 제거할 수 있다.
본 발명의 목적은 증가된 속도로 변조될 수 있는 파장의 범위를 증가시키는 개선된 광 변조 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 데이터 비트가 광 섬유 링크상으로 전송될 수 있는 속도를 증가시키는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 광자 에너지가 초전도 재료의 초전도 갭보다 낮은 파장들로 제한되지 않는 고속 광 펄스를 형성하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 변조 회로에 전송된 데이터를 수신함에 의해 유도되는 열량을 감소시키는 것이다.
본 발명의 전술한 목적, 특징 및 장점은 도면에 도시되어 있는 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 더욱 상세하게 후술되는 내용으로부터 명백해질 것이다.
도 1은 위에서 설명되었으므로, 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광 변조 시스템(10')이 도시된다. 이 시스템은 도 1과 연관하여 전술한 대부분의 부품들을 포함하고(이 부품들은 프라임을 붙여서 동일 참조 부호로 나타냄) 그외에 후술되는 부품들이 추가되었다. 특히 초전도 장치(14')에 대해서는, 푸제이의 특허에 개시된 바와 같이 초전도 장치(14')를 초전도 상태에서 정상 상태로 절환하도록 일정의 최소 임계 레벨의 전류가 사용될 수 있다. 상기 전류를 제거하면 상기 장치(14')가 그의 초전도 상태로 복귀될 수 있다. 상기 전류가 임계 전류 미만일 때, 상기 장치(14')는 초전도 상태이고 100% 반사율로 되기 때문에 광 출력(20')이 영으로 된다. 상기 전류가 임계 전류 이상일 때, 재료는 정상 상태이고 광 출력(20')은 영이 아니라, 얼마정도의 측정가능한 레벨로 된다. 따라서, 광원(13')에서의 광을 변조하여 증폭시키도록 전류 펄스가 사용될 수 있다. 이 변조기는 이상적인 소광비(extinction ratio) 영을 갖게됨을 주지해야 한다.
다시 도 2를 참조하면, 시스템(10')에서, 다수의 광섬유 송신기(31,32)가 개별적인 광섬유(33,34)를 통해 다수의 수신기(35,36)에 병렬로 광 펄스를 전송하도록 배열된다(참조 문헌 [6] 반 제흐브로에크 참조). 광 송신기(31,32)는 전류 변조식 레이저 다이오드 또는 LED이다. 수신기(35,36)는 MSM(금속 반도체 금속) 검출기이다. 신호들에서의 전기 데이터는 병렬로 독출되어 고속 시프트 레지스터(16')를 통해 시리얼화다. 상기 시프트 레지스터는 조셉슨 정션 회로로 제조된다(참조 문헌 [7] 마르텐스등 참조). 광원(13')은 시프트 레지스터(16')에서의 시리얼화된 신호들의 제어하에 장치(14')에 의해 증폭 변조되는 광을 발생시키도록 사용된다. 전원(15')에서 상기 광원(13')에 전기 에너지가 공급된다. 상기 광원(13')은 잘 알려져 있는 바와 같이 LED, 레이저등으로 될 수 있다. 변조 장치(14')는 더 상세하게 후술된다.
변조 장치(14')에서의 광 펄스(20')는 본 발명의 특징에 따라 유입된 펄스(20')를 다른 주파수의 광(42)으로 변환하는 주파수 변환 장치(41)로 유입된다. 주파수 변환 장치(41)는 고주파 증폭기, 고주파 발진기, N형 고조파 발생기, 4파 믹서, 주파수 업컨버터등으로 될 수 있고, 그의 원리는 잘 알려져 있으며, 그중 일부가 참조 문헌 [8] 야리브 및 [9] 살레 및 테이치에 기재되어 있다. 주파수 변환 장치(41)는, 변조된 광(20')의 파장 및 출력 펄스(42)의 소정 파장에서 투명하고, 비선형 고변환효율을 가진 재료로 제조되어야 한다. 입력 펄스(20')는 초전도 장치(14')에 부합되도록 약 14마이크론 정도가 바람직하다. 출력 펄스(42)는 약 0.5 내지 2마이크론 정도, 바람직하게는 실리카 유리 섬유에 부합되도록 약 1.3 내지 1.5 마이크론 정도이다. 주파수 변환 장치(41)의 적절한 재료는 GaAs, ZnGeP2, AgGaSe2, Tl3AsSe3, CdSe, AgGaS2, Ag3AsS3이다. 상기 새로운 펄스(42)는 펄스를 이송하며 통상 실리카 유리로 된 광섬유(25')로 유입된다. 펄스(44)는 상기 광섬유에서 배출되어 광 수신기(45)에 의해 수신된다. 광 수신기(45)는 고속 아모르퍼스 실리콘 검출기 또는 모든 광 디멀티플렉서 및 다수의 저속 검출기로 될 수 있다. 이러한 기술은 결과적으로 100Gb/s 수신기 용량을 나타낸 결과이다(참조 문헌 [10] 론손 참조).
듀어(dewar)(22')는 상기 장치(14') 및 시프트 레지스터(16')를 실외 온도로부터 열적으로 절연시키도록 본 발명의 다른 특징에 따라 사용된다. 듀어(22')는 광 에너지(20')에 대해 적어도 부분적으로 투명하거나 또는 광 에너지(20')에 대해 사실상 투명한 윈도우를 가진다. 듀어로 연장되는 광 섬유(33,34) 대신으로 검출기(35,36)로 펄스를 배향시키도록 제 2 윈도우가 사용되거나 또는 듀어를 완전하게 투명하게 할 수 있다. 듀어의 온도를 임계 온도 이하로 유지하도록 극저온 냉각기(26')가 사용된다. 극저온 냉각기는 스털링 사이클 냉동기, 기포드-맥마혼 냉동기, 액화질소 탱크등으로 될 수 있다.
도 3a 내지 3h는 초전도 장치(14')의 실시예를 나타낸다. 상기 장치(14')는 실리콘 또는 다이아몬드(참조 문헌 [11] 참조) 등의 투명 또는 부분 투명 기판(49)상에 초전도 박층(50)을 퇴적하여 제조된다. 480Å의 막두께는 입사 광의 6%를 전송한다(참조 문헌 [3] 참조). 상기 막의 임계 전류는 폭, 두께 및 임계 전류 밀도에 따라 정해진다. 480Å 두께의 층에 대해서는 브리지 폭이 100마이크론이고 임계 전류 밀도가 10,000Amp/cm2이고 임계 전류는 480 마이크로 암페어이다. 이 절환 전류는 센티미터당 200 마이크로 오옴의 저항을 가진 길이 100 마이크론의 동일 브리지에 대해 약 96nW의 열을 소산시키도록 유도한다. 상기 막의 절환 속도는 아브리코소브 보텍스 뉴클리에이션에 의해 제한된다. 이 모듈레이션 속도는 (참조 문헌[12])에 의해 다음과 같이 주어진다.
{4} ts-n=3tD(W/2 ½)(Ic/I)2
상기 식에서 ts-n은 정상 절환 시간에 대한 초전도를 나타내고, tD는 오더 파라미터 릴렉스 시간, W는 브리지 폭, ½는 디페어링 비, Ic는 임계 전류, I는 절환 전류이다. 코지레브는 ts-n을 70 마이크론 브리지에 대해 피코초(10-12초) 정도인 것으로 평가한다. 변환 제한 펄스의 FWHM 스펙트랄 폭은 FWHM 템포랄 폭에 반비례한다. 약 1 피코초의 펄스 폭에 대해 1 나노미터의 스펙트랄 폭을 제공한다.
다시 도 3a 내지 3h를 참조하면, 광 펄스(20')에 대해 적어도 부분적으로 투명한 기판(49)이 레그(50a) 및 브리지(50b)를 포함하여 H자형으로 된 초전도 재료(50)의 박막을 지지하도록 이용된다. 동시에, 기판(49)의 부분(49a)은 도 3c에서처럼 노출된채 유지된다. 유전체층(51)은 도 3g 및 3h에 도시된 바와 같이 층(51)의 대부분과 함께 부분(49a)을 덮는 반사층(52)으로부터 초전도층(50)을 전기적으로 절연시키도록 사용된다. 기다란 형태의 도전층(53)은 재료(50)의 각 레그(50a)상에 배치되어 그 레그와 직접 접촉하며 장치(14')에 전기적으로 접촉되도록 이용된다. 상기 기판(49)은 MgO, 실리콘, 다이아몬드등으로 제조된다. 초전도층(50)은 초전도체에 따라 니오브, 이트륨, 탈륨, 또는 수은등으로 제조될 수 있다. 바람직하게는 상기 초전도층(50)은 고 임계 온도, 저저항, 및 저 임계 전류 밀도의 초전도 재료로 제조되는 것이다. 유전체층(51)은 실리콘 디옥사이드, 스핀 온 그라스, 폴리이미드등으로 구성될 수 있다. 반사층(52)은 금, 동, 은, 금속, 양호한 전도체 등의 광 에너지(20')를 반사하는 재료로 구성된다. 상기 반사층(52)은 초전도 브리지(50b) 둘레의 광의 "누설"을 방지한다. 도전층(53)은 시프트 레지스터(16')와 초전도층(50) 사이에 도선(54)을 통해 양호한 전기 접촉을 제공하도록 이용된다. 도전층(53)은 반사층(52)과 동일 재료로 될 수 있다. 도전층(53)은 저저항을 가지며 사실상 비반응성이다. 상기 반사층(52)과 도전층(53)에 대해서는 금이 적절한 재료이다.
초전도 재료의 온도가 일정 온도(임계 온도라 함) 이하이고 그 재료를 통과하는 자계가 일정치(임계 자계라 함) 이하이며 상기 재료를 통과하는 전류 밀도가 일정치(임계 전류 밀도라 함) 이하일 때에만 초전도 재료가 초전도를 실행한다. 이들 3개의 변수들중 어느 하나를 상기 임계치 이상으로 올리면 초전도체가 비초전도 상태로 전환된다. 초전도 상태에서, 초전도 재료(50)는 매우 전도성이 강하며 따라서 고 반사성을 가진다. 이 상태에서는 전자기 에너지가 반사된다. 비초전도 상태에서는, 초전도 재료(50)가 반도체와 유사한 특성을 가진다.
상기한 바와 같이, 도 2는 장치(14')를 제어하도록 임계 전류 밀도를 이용한 경우를 나타낸다. 도 2a 및 2b는 초전도 장치(14')를 제어하도록 각각 임계 자계 및 임계 온도를 이용하는 경우를 나타낸다. 도 2a를 참조하면, 소자(56)는 장치(14')에 인접하게 배치된 자기 코일이다. 이 자기 코일(56)은 도선(54)을 통해 시프트 레지스터(16)에서 전류가 제공될 때 자계를 상기 재료(50)의 임계 자계 이상으로 상승시켜서 비초전도 상태로 유도한다. 시프트 레지스터(16)에서 전류를 제거하면 재료(50)가 초전도 상태로 재진입된다. 유사하게 도 2b를 참조하면, 소자(57)는 장치(14')에 인접하게 배치된 레지스터 또는 다른 가열 소자이다. 이 레지스터(57)는 도선(54)을 통해 시프트 레지스터(16)에서 전류가 제공되면 상기 재료(50)를 그의 임계 온도 이상으로 가열한다. 시프트 레지스터(16)로부터의 전류를 제거하면 재료(50)는 그의 초전도 상태로 재진입된다. 비초전도 상태에서, 전자기 에너지는 재료(50)를 통해 전송될 수 있다. 초전도 상태에서, 재료(50)는 사실상 전송을 차단한다. 따라서, 광원(13')에서의 광의 경로에 초전도층(50)을 배치함에 의해, 그 초전도층(50)이 시프트 레지스터(16')에서의 전기 신호의 영향에 의해 광의 전송 또는 반사를 제어하도록 이용될 수 있다. 광은 전자기파임을 주지하기 바란다.
변조 장치(14')의 다른 실시예가 도 4a 내지 4h에 도시된다. 광 에너지(20')에 대해 사실상 불투명한 기판(49')이 H형 초전도층(50)을 지지하도록 사용된다. 기판(49')은 고 반사 또는 흡수성일 수 있다. 기판(49')은 사파이어, 란탄 알루미네이트, 갈륨 비화물등으로 제조될 수 있다. 초전도 재료는 초전도체에 따라 니오브, 이트륨, 탈륨, 또는 수은 등의 임의의 초전도 화합물로 될 수 있다. 초전도 재료(50)의 브리지(50b) 아래의 기판의 영역(49c)이 적어도 부분적으로 제거되어 광 에너지(20')가 이 영역(49c)을 통해 전송될 수 있도록 허용한다. 상기 기판 재료는 이온 밀링, 화학적 에칭, 드릴링 등에 의해 제거될 수 있다. 전도층(53)은 종전과 같이 초전도층(50)의 레그(50a)와 시프트 레지스터(16') 사이의 저저항 전기 접촉을 제공하도록 이용된다.
도 2를 참조하면, 주파수 변환 장치(41)를 추가하여 본 시스템에서의 전술한 대폭적인 감쇠의 문제를 극복할 수 있게 한다. 장치(41)와 같은 고주파 증폭기는 14 마이크론의 고속 펄스(20')를 취하여 그 펄스를 저 감쇠 및 산란 특성(1.3 마이크론 또는 1.55 마이크론등)을 갖는 파장에서 고속 펄스(42)로 변환시키도록 이용된다. 고주파 증폭기는 펨토초(10-15) 펄스도 재생할 수 있다. 상기한 바와 같은 주파수 변환을 실행하도록 다른 장치들도 사용될 수 있다.
멀티플렉스될 신호들을 전송하도록 광 섬유 수단(31,32,33,34,35,36)을 이용하면 유리가 동 전기 배선과 같은 정도의 많은 열을 듀어로 전도하지 않으므로 열 손실을 감소시키게 된다. 또한, 광 섬유 수단은 양호한 밴드폭 및 낮은 크로스토크를 가지며 접지 레벨 피드 스루우를 방지한다. 광 섬유(33,34)를 제거한 다른 실시예도 유용하다. 자유 공간 광 전송 링크는 투명한 듀어(또는 듀어의 투명한 윈도우)를 통해 성립된다. 이로써 듀어로 열을 이송하는 물리적 링크가 없기 때문에 열손실이 방지된다. 수직 공동 표면 방사 레이저(VCSEL) 어레이 및 충전된 결합 소자(CCD) 어레이가 상기한 타입의 장치에 특히 바람직하다.
도 3a-3h 및 4a-4h를 참조하면, 초전도층(50)의 "H"형태는 여러 가지 장점을 제공한다. 상기 H형의 2개의 레그(50a)는 시프트 레지스터(16')와의 저저항 전기 접촉을 허용한다. 상기 H형의 좁은 브리지(50b)는 초전도층의 상기 부분을 더 빠르게 절환시킨다. 절환 속도는 식 {4}에 의해 나타낸 바와 같이 브리지의 폭에 선형적으로 연관된다. 또한, 브리지가 좁아지면 상기 스위치를 그의 부분적으로 투명한 비초전도 상태로 절환하도록 요구되는 전류량을 감소시킨다. 이로써 스위치에서의 열의 소산을 감소시키게 된다.
변조 장치(14')를 통해 흐르는 전류를 이하 더 상세하게 설명한다. 초전도층(50)에 관한 치수들은 다음과 같다.
W1은 제 1 접촉 세그먼트(50a)의 폭이다.
L1은 제 1 접촉 세그먼트(50a)의 길이이다.
T1은 제 1 접촉 세그먼트(50a)의 초전도 박막의 두께이다.
W2는 광 충돌 세그먼트(50b)의 폭이다.
L2는 광 충돌 세그먼트(50b)의 길이이다.
T2는 광 충돌 세그먼트(50b)의 초전도 박막의 두께이다.
W3는 제 2 접촉 세그먼트(50a)의 폭이다.
L3는 제 2 접촉 세그먼트(50a)의 길이이다.
T3는 제 2 접촉 세그먼트(50a)의 초전도 박막의 두께이다.
상기 제 1 및 제 2 접촉 세그먼트(50a)의 표면상에 (금 등의) 양호한 도체가 퇴적된다. 상기 금으로 된 층은 제 1 접촉 세그먼트에 대해 (W1XL1)으로 그리고 제 2 접촉 세그먼트에 대해 (W3XL3)로 정의된 초전도체의 표면 영역을 적어도 부분적으로 덮어야 한다. 이로써 초전도층에 대해 저저항 접촉이 제공된다.
임계 전류 밀도(J)는 단면 영역(W1XL1)A을 통해 흐르는 전류(I)에 의해 정의된다. 초기에 전류는 금으로 된 초전도체 접촉에 의해 정의된 영역을 통해 거의 수직으로 흐른다. 그후, 전류는 단면 영역(W1XT1)을 통해 수평 방향으로 이동한다. 다음에, 상기 전류는 광 충돌 세그먼트(50b)로 흐른다. 적어도 하나의 실시예에서, 광 충돌 세그먼트(50b)의 단면 영역의 폭(W2)은 접촉 세그먼트(50a)의 폭(W1)보다 좁고 막들의 두께는 동일하다(T1=T2).
따라서, 광 충돌 세그먼트(50b)(W2XT2)의 단면 영역(A)은 더 작아지고 I가 보존되어 있으므로 J는 증가한다. 이러한 J의 증가는 단면 영역의 제한에 기인하며 광 충돌 세그먼트를 접촉 세그먼트보다 저전류에서 비초전도 상태로 진입시킨다. 그후, 상기 전류는 단면 영역(W3XT3)을 통해 수평방향으로 이동하는 제 2 접촉 세그먼트로 이동한다. 그후, 상기 전류는 금과 초전도체가 접촉되어 있는 영역을 통해 금으로 수직 방향으로 이동한다. 이 영역은 적어도 부분적으로 (W3XL3)를 덮는다.
또한, 본 시스템은 웨이브 디비젼 멀티플렉싱(WDM) 및 솔리톤(soliton) 전송에도 적합하다.
본 발명의 다른 실시예는 절환될 영역을 분리할 수 있도록 층(50)의 광 충돌부에 다른 형태를 이용한다. 일례로서 도 5에 개조된 H형(50')이 도시된다. 상기 H형의 레그(50a')는 레그(50a)와 마찬가지로 접촉 영역으로서 작용한다. 브리지(50b')는 도시된 바와같이 분리된 부분들(1,2,3)으로 분할된다. 이로써 시프트 키이(ASK)를 증폭할 수 있다. ASK는 싱글 펄스로 멀티 비트 정보를 전송하도록 허용한다. 초전도층을 통과하는 전류가 낮을 때, 광 출력은 영이고 따라서 비트 스트링"0"을 표현하도록 이용될 수 있다. 부분(1)이 가장 제한된 폭을 가지며 따라서 주어진 전류량에 대해 이 영역에서 임계 전류 밀도를 증가시키는 더 작은 단면 영역으로의 전류를 제한하게 된다. 그후, 상기 전류는 부분(1)을(다른 부분이 아님) 그의 초전도 상태로 진입시키기에 충분하게 높은 레벨로 상승될 수 있고, 광 충돌부(1)로만 광을 통과시킨다. 이 소량의 광이 비트 스트링"1"을 표현하도록 이용될 수 있다. 더 높은 전류가 부분(1) 및 부분(2)를 그의 비초전도 상태로 유도할 수 있다. 이제 광 충돌부(1,2)만이 광을 통과시킨다. 이러한 더 많은 량의 광이 2진 스트링"10"을 표현하도록 이용될 수 있다. 최종으로, 더 큰 전류가 부분(3)을 그의 비 초전도 상태로 유도하도록 이용될 수 있으며, 바람직하게는 이 전류가 상기 부분(50')(접촉부)을 절환시키기에 충분할만큼 높지 않은 것이다. 이제 광이 부분들(1,2,3)을 통과할 수 있고 2진 스트링"11"을 표현하도록 이용될 수 있다. 따라서, 다른 크기의 전류 펄스가 다른 크기의 광 펄스를 발생시키도록 이용될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에서는 도 6a 및 6b에 도시된 바와같이 영역들을 연속적으로 절환시키도록 광 출동 세그먼트에 다른 형태를 이용한다. 이 형태에서는 전송된 광 증폭의 아날로그 제어를 허용한다. 도 6a 및 6b에 도시된 바와같이, 비초전도 상태인 부분(B)의 면적은 초전도층을 통과하는 전류가 증가함에 따라 증가된다. 따라서, 초전도층을 통과하도록 허용된 광량은 초전도층을 통과하는 전류량에 비례하고 연속적으로 또는 아날로그 방식으로 변경될 수 있다.
참조 문헌
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Claims (21)

  1. (a) 출력을 가지며 각각 일정 파장을 가진 광 펄스들의 트레인을 그의 출력으로 제공하며,
    (i) 상기 일정 파장을 가진 광원,
    (ii) 상기 장치의 출력에 도달하기 전에 상기 광원에서의 광이 반드시 통과해야 하며, 상기 광이 통과할 수 없는 초전도 상태 및 상기 광이 통과할 수 있는 비 초전도 상태 사이에서 절환가능한 초전도 재료 층, 및
    (iii) 상기 출력으로 상기 광 펄스들을 제공하는 방식으로 초전도 상태 및 비 초전도 상태 사이에서 상기 초전도 재료를 절환하는 수단을 포함하는 광 변조 장치; 및
    (b) 상기 광 변조 장치의 출력에 광학적으로 결합되어 상기 펄스의 파장을 변화시키는 파장 변화 장치를 포함하는 광 변조 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 초전도 재료를 그의 초전도 상태 및 비 초전도 상태 사이에서 절환시키는 상기 수단은 1) 광 입력 펄스, 상기 입력 펄스를 검출하는 적어도 하나의 검출기를 제공하는 수단 및 상기 초전도 재료를 상기 검출된 입력 펄스에 반응하여 그 입력 펄스에 따라서 초전도 상태 및 비 초전도 상태 사이에서 절환시키는 수단; 또는 2) 상기 광 펄스를 제공하여 상기 재료를 상기 상태들 사이에서 절환시키도록 소정 방식으로 상기 초전도 재료에 자계를 노출시키는 수단; 3) 상기 광 펄스를 제공하여 상기 재료를 상기 상태들 사이에서 절환시키도록 소정 방식으로 상기 초전도 재료의 온도를 변화시키는 수단; 4) 상기 광 펄스를 제공하여 상기 재료의 적어도 일부분을 상기 상태들 사이에서 절환시키도록 소정 방식으로 상기 초전도 재료를 통해 전류를 흐르게 하는 수단; 및 5) 상기 광 펄스를 제공하여 상기 재료의 일부분을 상기 상태들 사이에서 절환시키도록 소정 방식으로 상기 초전도 재료를 통해 전류를 흐르게 하는 수단을 포함하는 광 변조 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 파장이 변화된 광 펄스를 수신하여 파장 변화 장치에서 멀리 배향시키도록 상기 파장 변화 장치에 광학적으로 결합된 광섬유 링크를 포함하고, 1) 상기 광원에서의 광의 최소 파장은 상기 재료가 초전도 상태 및 비 초전도 상태 사이에서 절환되는 결과로서 상기 펄스를 발생시키는 방식으로 상기 광에서 작용하는 상기 초전도 재료의 능력에 의해 제한되며 상기 파장 변화 장치에 의해 야기되는 파장의 변화는 상당한 감쇠 또는 산란이 없이 상기 펄스들을 충분하게 이송할 수 있는 상기 광섬유 링크의 능력에 달려있거나 또는 2) 상기 광 링크는, 광이 약 0.5 내지 2 마이크론 사이의 파장을 가질 때 그 광이 충분하게 통과할 수 있는 재료로 구성되는 광 변조 시스템.
  4. 전술한 항들중 어느 한 항에 있어서, 상기 광원의 최소 파장이 약 2마이크론 이상이고 상기 파장 변화 장치가 상기 펄스의 파장을 약 0.5 내지 2마이크론 사이로 감소시키는 광 변조 시스템.
  5. 전술한 항들중 어느 한 항에 있어서, 상기 초전도 재료는 제 1 및 제 2 접촉 세그먼트 및 제 3 광 충돌 세그먼트를 포함하고, 이들 모두는 서로 전기 접속되어 있으며, 상기 광 변조 장치는 상기 광원에서의 광이, 상기 초전도 재료의 초전도 상태 또는 비 초전도 상태에 관계없이, 상기 접촉 세그먼트를 통과하여 광 변조 장치의 출력에 도달함을 방지하는 한편, 상기 재료가 그의 비 초전도 상태일 때 광이 광 충돌 세그먼트를 통과하여 상기 출력에 도달하도록 허용하는 수단을 더 포함하고, 상기 재료를 통하여 전류를 흐르게 하는 수단은 상기 전류가 먼저 상기 접촉 세그먼트들 중 하나를 통과한 다음, 상기 광 충돌 세그먼트를 통과하고 그후 다른 접촉 세그먼트를 통과하도록 초전도 재료의 상기 접촉 및 광 충돌 세그먼트를 내장한 전기 회로를 포함하는 광 변조 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 광 도달 방지 수단은 상기 광원에서의 광이 광 변조 장치의 출력에 도달함을 물리적으로 방지하도록 상기 제 1 및 제 2 접촉 세그먼트의 앞 또는 뒤에 배치된 수단을 포함하는 광 변조 시스템.
  7. 제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 초전도 재료는 제 1 및 제 2 접촉 세그먼트 및 제 3 광 충돌 세그먼트를 포함하고, 이들 모두는 서로 전기 접속되어 있으며, 상기 재료를 통하여 전류를 흐르게 하는 수단은 상기 전류가 먼저 상기 접촉 세그먼트들 중 하나를 통과한 다음, 상기 광 충돌 세그먼트를 통과한후 소정 방식으로 다른 접촉 세그먼트를 통과하도록 초전도 재료의 상기 접촉 및 광 충돌 세그먼트를 내장한 전기 회로를 포함하며, 상기 제 1 및 제 2 접촉 세그먼트 및 제 3 광 충돌 세그먼트는 1) 제 1, 제 2 및 제 3 세그먼트들이 각각 초전도 상태일 때 소정량의 전류가 소정 방식으로 상기 제 1, 제 2 및 제 3 세그먼트를 통과하는 경우, 상기 제 3 광 충돌 세그먼트만이 그에 반응하여 비 초전도 상태로 절환되어, 상기 광원에서의 광이 상기 제 3 세그먼트만을 통해 광 변조 장치의 출력에 도달하거나 또는 2) 상기 제 1, 제 2 및 제 3 세그먼트들이 초전도 상태일 때 다른 량의 전류가 상기 제 1, 제 2 및 제 3 세그먼트를 소정 방식으로 통과하여, 상기 제 3 광 충돌 세그먼트의 적어도 어떤 다른 부분이 상기 전류 량에 따라 비 초전도 상태로 절환되어, 상기 광원에서의 광이 상기 절환된 부분 또는 상기 제 3 세그먼트 부분을 통해 광 변조 장치의 출력에 도달하는 광 변조 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 초전도 재료를 주변 대기 및 광의 입력 펄스를 제공하는 수단으로부터 열적으로 절연시키도록 상기 초전도 재료 둘레에 듀어를 형성하는 수단을 포함하는 광 변조 시스템.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서, 상기 초전도 재료의 각각의 접촉 세그먼트에 의해 형성되는 표면 영역이 상기 광 충돌 세그먼트에 의해 형성되는 표면 영역보다 큰 광 변조 시스템.
  10. 제 5 항 또는 제 9 항에 있어서, 상기 접촉 및 광 충돌 세그먼트가 함께 H형 구조를 형성하며 상기 광 충돌 세그먼트가 H형 구조의 크로스바로서 작용하는 광 변조 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 전기 회로는 각각 상기 제 1 및 제 2 접촉 세그먼트에 접속된 제 1 및 제 2 전기 콘택트를 포함하고, 상기 각 콘택트는 각각의 접촉 세그먼트의 길이방향에 평행하게 연장하지만 그 접촉 세그먼트보다 얇게 되어있는 광 변조 시스템.
  12. 제 10 항에 있어서, 상기 장치는 상기 H형 초전도 재료를 지지하는 일 표면을 가지며 적어도 부분적으로 광 통과 방지 수단으로서 작용하는 광 불투명 지지판을 포함하고, 상기 지지판은 상기 초전도 재료의 충돌 세그먼트의 상태에 관계없이 상기 광원에서의 광이 초전도 재료의 접촉 세그먼트를 통과하여 상기 지지판을 통과하고 상기 광 변조 장치의 출력에 도달하도록 허용하는 수단을 포함하는 광 변조 시스템.
  13. 제 7 항에 있어서, 상기 다른 전류량이 제 1 전류량 및 그 보다 더 많은 제 2 전류량을 포함하고 상기 제 3 세그먼트의 다른 부분들이 제 1 부분 및 1) 상기 제 1 부분을 포함하는 더 큰 제 2 부분 또는 2) 확실하게 다른 제 2 부분을 포함하는 광 변조 시스템.
  14. 출력을 가지며, 각각 일정 파장을 가진 광 펄스들의 트레인을 그의 출력으로 제공하고, (i) 상기 일정 파장을 가진 광원, (ii) 상기 광원에서의 광이 상기 출력에 도달하기 전에 반드시 통과하여야 하며, 상기 광이 통과할 수 없는 초전도 상태 및 상기 광이 통과할 수 있는 비 초전도 상태 사이에서 절환가능한 초전도 재료의 층, 및 (iii) 상기 출력으로 광 펄스를 제공하는 방식으로 상기 초전도 재료를 그의 초전도 상태 및 비 초전도 상태 사이에서 절환하는 수단을 가진 광 변조 장치를 포함하는 광 변조 시스템에서 사용되는 초전도 판 조립체로서 :
    (a) 상기 광 펄스가 통과할 수 있는 적어도 한 부분을 포함하는 지지 부재;
    (b) 전기 접촉을 수신하는 제 1 및 제 2 접촉 세그먼트 및 제 3 광 충돌 세그먼트를, 서로 전기적으로 접속된 상태로 포함하며, 지지 부재에 의해 지지되어 있는 초전도 재료의 층; 및
    (c) 상기 광원에서의 광이 초전도 재료의 초전도 또는 비 초전도 상태에 관계없이 상기 초전도 재료의 접촉 세그먼트를 통과하여 상기 광 변조 장치의 출력에 도달함을 방지하는 한편 상기 재료가 비 초전도 상태일 때 광이 그의 광 충돌 세그먼트 및 상기 지지 부재의 일부분을 통과하여 상기 출력에 도달하도록 허용하는 수단을 포함하는 초전도 판 조립체.
  15. (a) 출력을 가지며 각각 일정 파장을 가진 광 펄스들의 트레인을 그의 출력으로 제공하는 광 변조 장치;
    (b) 입력을 가진 광섬유 링크; 및
    (c) 상기 광 변조 장치의 출력과 광섬유 링크의 입력 사이에 광학적으로 결합되어 (i) 상기 광 펄스를 수신하며, (ii) 상기 펄스들의 파장을 변화시키고, 상기 파장이 변화된 펄스를 광섬유 링크의 입력으로 배향시켜 광섬유 링크에 의해 상기 광 변조 장치에서 먼 지점으로 이송시키는 파장 변화 장치를 포함하는 광 변조 시스템.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 광 변조 장치에 의해 제공된 광 펄스의 트레인은 데이터를 포함하고, 상기 시스템은 데이터 전송 시스템으로서 작용하는 광 변조 시스템.
  17. (a) 출력을 가지며, 데이터를 포함하며 주어진 파장을 가진 광펄스의 트레인을 그의 출력으로 발생시키는 광 변조 장치를 제공하는 단계;
    (b) 상기 광 펄스의 트레인의 파장을 변화시키는 단계; 및
    (c) 상기 파장이 변화된 펄스를 상기 광섬유 링크로 배향시켜 상기 광 변조 장치에서 멀리 전송하는 단계로 구성되는 데이터 전송 방법.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 광 변조 장치의 출력으로 된 광 펄스의 파장은 약 2마이크론이고 상기 파장 변화 장치는 상기 펄스의 파장을 약 0.5 내지 2마이크론 사이로 감소시키는 데이터 전송 방법.
  19. 제 17 항에 있어서, 상기 광 변조 장치가, (a) 상기 주어진 파장을 가진 광원,
    (b) 상기 광원에서의 광이 상기 장치의 출력에 도달하기 전에 반드시 통과해야 하며, 상기 광이 통과될 수 없는 초전도 상태 및 상기 광이 통과될 수 있는 비 초전도 상태 사이에서 절환가능한 초전도 재료의 층; 및
    (c) 상기 장치의 출력으로 광 펄스를 제공하는 방식으로 상기 초전도 재료를 그의 초전도 상태 및 비 초전도 상태 사이에서 절환하는 수단을 포함하는 데이터 전송 방법.
  20. 출력을 가지며, 각각 일정 파장을 가진 광 펄스들의 트레인을 그의 출력으로 제공하고, (i) 상기 일정 파장을 가진 광원, (ii) 상기 광원에서의 광이 상기 출력에 도달하기 전에 반드시 통과하여야 하며, 상기 광이 통과할 수 없는 초전도 상태 및 상기 광이 통과할 수 있는 비 초전도 상태 사이에서 절환가능한 초전도 재료의 층, 및 (iii) 상기 출력으로 광 펄스를 제공하는 방식으로 상기 초전도 재료를 그의 초전도 상태 및 비 초전도 상태 사이에서 절환하며, 상기 광 펄스를 제공하도록 초전도 재료의 적어도 일부분을 그의 상태들 사이에서 절환하기 위해 소정 방식으로 상기 초전도 재료를 통해 전류가 흐르게 하는 수단을 포함하는 절환 수단을 가진 광 변조 장치를 포함하는 광 변조 시스템에서 사용되기에 특히 적합한 초전도 판 조립체로서 :
    (a) 상기 광 펄스가 통과할 수 있는 적어도 한 부분을 포함하는 지지 부재; 및
    (b) 상기 지지 부재에 의해 지지되는 초전도 재료로서, 상기 재료가 초전도 상태일 때 소정량의 전류가 상기 소정 방식으로 상기 재료를 통과하는 경우, 이에 반응하여 그의 소정 부분만이 비 초전도 상태로 절환되고, 상기 소정 부분이 지지 부재의 한 부분과 광학적으로 일치되어, 상기 광원에서의 광이 상기 소정 부분 및 상기 한 부분만을 통해 상기 광 변조 장치의 출력에 도달할 수 있게 된 초전도 재료의 층을 포함하는 초전도 판 조립체.
  21. 출력을 가지며, 각각 일정 파장을 가진 광 펄스들의 트레인을 그의 출력으로 제공하고, (i) 상기 일정 파장을 가진 광원, (ii) 상기 광원에서의 광이 상기 출력에 도달하기 전에 반드시 통과하여야 하며, 상기 광이 통과할 수 없는 초전도 상태 및 상기 광이 통과할 수 있는 비 초전도 상태 사이에서 절환가능한 초전도 재료의 층, 및 (iii) 상기 출력으로 광 펄스를 제공하는 방식으로 상기 초전도 재료를 그의 초전도 상태 및 비 초전도 상태 사이에서 절환하며, 상기 광 펄스를 제공하도록 초전도 재료의 적어도 다른 부분을 그의 상태들 사이에서 절환하기 위해 소정 방식으로 상기 초전도 재료를 통해 제 1 및 제 2 의 다른 량의 전류가 흐르게 하는 수단을 포함하는 절환 수단을 가진 광 변조 장치를 포함하는 광 변조 시스템에서 사용되기에 특히 적합한 초전도 판 조립체로서 :
    (a) 상기 광 펄스가 통과할 수 있는 적어도 한 부분을 포함하는 지지 부재; 및
    (b) 상기 지지 부재에 의해 지지되는 초전도 재료로서, 상기 재료가 초전도 상태일 때 상기 다른량의 전류가 상기 소정 방식으로 상기 재료를 통과하는 경우, 상기 다른 전류량에 반응하여 그의 제 1 및 제 2 부분이 각각 비 초전도 상태로 절환되고, 상기 제 1 및 제 2 부분이 지지 부재의 상기 한 부분과 광학적으로 일치되어, 상기 광원에서의 광이 상기 부분들중 하나 및 상기 한 부분만을 통해 상기 광 변조 장치의 출력에 도달할 수 있게 된 초전도 재료의 층을 포함하는 초전도 판 조립체.
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