KR20010109755A - 광스위치 - Google Patents

Abstract

광스위치에 관한 것으로, 입력광을 받아들이는 적어도 두 개 이상의 입력포트와, 입력광을 출력하는 적어도 두 개 이상의 출력포트를 구비한 광스위치에 있어서, 각각의 입력포트로 입사된 입력광을 폭이 서로 다른 팔(arm)로 분기 도파하는 분기형 입력 광도파로와, 입력 광도파로의 분기된 팔들과 마주보도록 폭이 서로 다르게 분기된 팔들을 구비하고, 입력 광도파로의 분기된 팔들과 폭이 같은 팔들이 서로 연결되어, 입력 광도파로를 통해 입사된 광을 출력포트로 도파하는 분기형 출력 광도파로와, 각각의 입력 광도파로와 출력 광도파로의 서로 연결된 팔들 중에 폭이 좁은 팔들이 서로 교차되도록 연결하는 교차형 광도파로와, 각각의 입력 광도파로와 출력 광도파로의 폭이 넓은 팔에 형성된 전극을 포함하여 이루어진다. 따라서, 소비전력이 낮고, 누화 특성이 뛰어난 집적광학형 광스위치를 구현할 수 있다.

Description

광스위치{optical switch}

본 발명은 광소자에 관한 것으로, 특히 광신호의 경로를 공간적으로 스위칭하는 광스위치에 관한 것이다.

최근, 인터넷 등의 보급으로 인하여 통신 정보량이 급증함에 따라 이를 처리할 수 있는 방안으로 파장분할다중화(Dense Wavelength Division Multiplexing:DWDM) 광통신 방식이 연구되어 왔다.

이 광통신 시스템의 핵심 기능 중 하나가 파장이 서로 다른 광신호를 전송 중에 애드(add)하거나 드롭(drop)하는 애드/드롭 다중화(multiplexing)이다.

이러한 애드/드롭 다중화를 구성하는 핵심 소자가 2×2 광스위치이다.

광스위치는 광통신 시스템이나 네트워크 등에서 도파로형(guide-wave) 스위칭 소자로 이용된다.

광스위칭 소자는 광의 파장에 무관하게 동작하고 인가전압에 대하여 주기적 특성이 아닌 디지털 특성을 가지며, 제조공정의 영향을 적게 받는다는 장점이 있다.

이 스위칭 소자는 주로 리튬나이오베이트(LiNbO₂) 결정이나 반도체 등의 무기물재료나 열광학 폴리머(thermo-optic polymer) 등의 유기물재료 등을 이용하여 제조되었다.

최근에는 전기광학 폴리머(electro-optic polymer)를 이용한 도파로형 집적광학소자에 대한 연구가 활발히 진행되어 왔다.

도 1a 와 도 1b는 일반적인 2×2 광스위치를 이용한 애드(add)/드롭(drop)다중화 동작을 나타내는 도면이다.

도 1a는 입력된 파장 λ₁과 λ₂신호가 그대로 통과(pass-through)하여 출력되는 경우이다.

도 1b는 입력된 파장 λ₂신호가 애드(add)되어 전달되고, 파장 λ₁신호는 드롭(drop)되어 전달되는 경우이다.

또한, 광스위치는 광통신 시스템에 예상치 못한 강한 광신호가 입력되었을 때 이를 바이패스(bypass)시킴으로써 시스템을 보호하는 데에도 유용하다.

뿐만 아니라, 2×2 스위치를 기본 단위로 하여 여러 개의 스위치를 연결하면 N×N(N>2)의 대용량 크로스-커넥트(cross-connect) 스위치로 확장할 수 있다.

이러한, 종래의 2×2 광스위치는 X자 형태의 분기형 광도파로를 이용하였다.

그러나 이상에서 설명한 종래 기술에 따른 광스위치는 다음과 같은 문제점이 있다.

종래의 X자형 분기형 광도파로를 사용한 광스위치는 소자의 길이는 짧지만, 누화(crosstalk)가 크다는 문제점이 있다.

또한, 광의 간섭현상을 이용한 방향성 결합기와 마하젠더 변조기 등을 이용하여 스위치를 구현한 경우에는 이 소자들의 성능이 제조공정에 민감한 단점이 있다.

뿐만 아니라, 보통의 경우 전기적 신호를 인가하여 광을 스위칭하는 경우는확률적으로 매우 작은데, 초기에 온(On)과 오프(Off) 상태를 얻기 위해서는 항상 전기적 바이어스를 인가해야 하기 때문에 전력 소비가 크다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 광스위치를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1a 와 도 1b는 일반적인 2×2 광스위치의 동작을 나타내는 도면.

도 2a는 본 발명에 따른 광스위치의 구조를 나타내는 도면.

도 2b는 도 2의 점선부분인 X자형 광도파로의 접합점을 나타내는 도면.

도 3a는 본 발명에 따른 광스위치에 전력이 인가되지 않은 경우의 동작을 나타내는 도면.

도 3b는 본 발명에 따른 광스위치에 전력이 인가된 경우의 동작을 나타내는 도면.

도 4a는 본 발명에 따른 광스위치에 전력이 인가되지 않은 경우의 응답특성을 나타내는 그래프.

도 4a는 본 발명에 따른 광스위치에 전력이 인가된 경우의 응답특성을 나타내는 그래프.

도 5는 본 발명에 따른 분기각이 비대칭인 광스위치의 구조를 나타내는 도면.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 광스위치의 특징은 입력광을 받아들이는 적어도 두 개 이상의 입력포트와, 입력광을 출력하는 적어도 두 개 이상의 출력포트를 구비한 광스위치에 있어서, 각각의 입력포트로 입사된 입력광을 폭이 서로 다른 팔(arm)로 분기 도파하는 분기형 입력 광도파로와, 입력 광도파로의 분기된 팔들과 마주보도록 폭이 서로 다르게 분기된 팔들을 구비하고, 입력 광도파로의 분기된 팔들과 폭이 같은 팔들이 서로 연결되어, 입력 광도파로를 통해 입사된 광을 출력포트로 도파하는 분기형 출력 광도파로와, 각각의 입력 광도파로와 출력 광도파로의 서로 연결된 팔들 중에 폭이 좁은 팔들이 서로 교차되도록 연결하는 교차형 광도파로와, 각각의 입력 광도파로와 출력 광도파로의 폭이 넓은 팔에 형성된 전극을 포함하여 이루어지는데 있다.

여기서, 교차형 광도파로의 접합부분은 무뎌진 구조이다.

본 발명의 또 다른 특징은 입력광을 받아들이는 적어도 두 개 이상의 입력포트와, 입력광을 출력하는 적어도 두 개 이상의 출력포트를 구비한 광스위치에 있어서, 각각의 입력포트와 출력포트를 연결하는 직선 광도파로와, 직선 도파로들이 서로 교차되도록 연결하는 교차형 광도파로와, 직선 광도파로에 형성된 전극을 포함하여 이루어지는데 있다.

여기서, 교차형 광도파로는 직선 광도파로보다 폭이 좁고, 교차형 광도파로의 접합부분은 무뎌진 구조이다.

본 발명에 따르면, 소비전력이 낮고, 누화 특성이 뛰어난 집적광학형 광스위치를 구현할 수 있다.

본 발명의 다른 목적, 특성 및 이점들은 첨부한 도면을 참조한 실시 예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.

본 발명에 따른 광스위치의 바람직한 실시 예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 2a와 도 2b는 본 발명에 따른 광스위치의 구조를 나타내는 도면이다.

도 2a에 도시한 바와 같이, 본 발명에서 제안한 2×2 광스위치는 기본적으로 4개의 Y자 비대칭 분기형 도파로와 한 개의 X자 분기형 도파로로 구성된다.

Y자 비대칭 분기형 도파로에서 전기적 신호에 의해 광신호의 스위칭이 일어난다.

이러한 광스위칭 소자는 두 개의 입력포트(입력포트Ⅰ과 입력포트Ⅱ)와 두 개의 출력포트(출력포트Ⅰ과 출력포트Ⅱ)를 가지고 있다.

도 2b는 도 2a에 도시된 점선 부분의 X자 분기형 도파관의 확대된 모습을 보여주는 도면이다.

도 2b에 도시한 바와 같이, 소자의 가운데 부분에 있는 X자 분기형 도파로의 접합부분에 의도적으로 무뎌진 접합점(blunted vertex)을 도입함으로서 한 쪽 도파로로 진행하던 광이 다른 쪽 도파로로 결합되는 것을 최대한 억제함으로써 누화를 감소시켰다.

도 3a와 도 3b에는 폴리머(polymer) 광도파로를 이용하여 광스위칭 소자를 구현하고 열광학 효과(thermoptic effect)를 이용하여 스위칭을 하는 경우에 대해 제안된 광스위치의 동작을 나타내는 도면이다.

먼저, 도 3a는 전극에 전력이 인가되지 않은 경우의 광스위치의 동작을 나타낸 도면이다.

도 3a에 도시한 바와 같이, 입력포트Ⅰ으로 입력된 광신호는 제 1 Y자 비대칭 광도파로에서의 모드진화효과(modal evolution effect)에 의해 제 1 Y자 비대칭 도파로의 폭이 넓은 팔로 대부분(N)이 결합되고, 폭이 좁은 팔로는 극히 적은 양(1/N)이 결합된다.

그리고, 폭이 넓은 쪽으로 결합된 광은 제 2 Y자 비대칭 분기형 도파로의 폭이 넓은 팔에서도 거의 그대로 통과하여 출력포트Ⅰ로 출력된다.

반면에 제 1 Y자 비대칭 도파로의 폭이 좁은 팔 쪽으로 결합된 광(1/N)은 X자형 분기형 도파로에서 제 4 Y자 비대칭 분기형 도파로의 폭이 좁은 팔로 결합된 후에 모드진화효과에 의해 광의 세기가 다시 한번 감소하여(1/N²)가 되어 반대편 출력포트Ⅱ로 출력된다.

결과적으로, 입력포트Ⅰ으로 입력된 광신호는 그대로 출력포트Ⅰ으로 출력된다.

이와 마찬가지 원리로, 입력포트Ⅱ로 입력된 광신호는 그대로 출력포트Ⅱ로 출력된다.

따라서, 전력의 인가 없이 출력포트가 온(on)과 오프(off) 상태를 유지한다.

이 때, 발생하는 누화(crosstalk)는 비대칭 분기형 광도파로를 진행방향으로 직렬 연결하고, 무뎌진 접점을 갖는 X자 분기형 도파로를 도입함으로써 획기적으로 감소된다.

도 3b는 4개의 전극에 전력이 인가된 경우의 광스위치의 동작을 나타낸 도면이다.

도 3b에 도시한 바와 같이, 4개의 Y자 비대칭 도파로의 각각의 폭이 넓은 팔에 전극이 설치되어 있다.

이와 같은 4개의 전극에 전력을 인가하면, 입력포트Ⅰ으로 입력된 광신호의 경우 전극이 설치된 제 1 Y자 도파로의 폭이 넓은 팔의 굴절률이 감소함에 따라, 상대적으로 폭이 좁은 팔의 굴절률이 커지므로, 입력된 광신호는 제 1 Y자 도파로의 폭이 좁은 팔 쪽으로 대부분(N)이 결합되고 나머지(1/N)가 제 1 Y자 도파로의 폭이 넓은 팔 쪽으로 결합된다.

마찬가지로, 제 3 Y자 도파로에서도 전극에 전력이 인가됨에 따라, 폭이 좁은 팔의 유효굴절률이 전극이 설치된 폭이 넓은 팔의 유효굴절률보다 상대적으로 크기 때문에 대부분의 입력 광신호(N)가 그대로 출력포트Ⅱ로 출력된다.

한편, 제 1 Y자 도파로의 폭이 넓은 팔로 결합된 광신호(1/N)는 제 2 Y자 도파로에서 모드진화현상에 의해 그 세기가 (1/N²)로 더욱 감소하여 출력포트Ⅰ로 출력된다.

결국, 입력포트Ⅰ으로 입력된 광신호는 출력포트Ⅱ로 출력되고, 입력포트Ⅱ으로 입력된 광신호는 출력포트Ⅰ로 출력되어 인가 전력에 의해 광이 스위칭된다.

도 4a와 도 4b는 본 발명에 따른 2×2 광스위치의 전달특성을 나타낸 그래프이다.

먼저, 도 4a에 도시한 바와 같이, 전극에 전력이 인가되지 않으면, 광신호가 입력포트Ⅰ으로 입력된 경우에, 출력포트Ⅰ은 온(on) 상태이고, 출력포트Ⅱ는 오프(off) 상태이다.

반면에, 전극에 전력이 인가되면, 광신호가 입력포트Ⅰ으로 입력된 경우에 , 출력포트Ⅰ은 오프(off) 상태이고, 출력포트Ⅱ는 온(on) 상태가 된다.

따라서, 인가전력에 의하여 광의 출력포트가 바뀌어 스위칭 역할을 하게 된다.

그리고, 도 4b에서는 광신호가 입력포트Ⅱ로 입력된 경우를 나타내고 있다.

본 발명에 따른 광스위치는 간섭계를 이용한 광스위치와 달리 일정량 이상의 전력이 인가된 경우에, 광의 스위칭 특성이 주기적으로 변하지 않고, 일정하게 유지되는 디지털 특성을 갖게된다.

이러한 디지털 특성으로 인하여 스위칭 전력을 정밀하게 제어할 필요가 없는 장점이 있고, 대용량 광스위치를 구현하는데도 매우 유리하다.

도 5는 본 발명의 또 다른 실시 예를 보여주고 있는 도면이다.

도 5에 도시한 바와 같이, 직선 도파로에 폭이 다른 사선 도파로를 적당히 연결하여 분기각이 비대칭인 분기형 도파로 구조를 형성함으로써 구현한다.

그리고, 본 발명에서 제안된 2×2 광스위치를 기본 단위 블록으로 하여 N×N(N>2)의 대용량 크로스커넥트 스위치 구현도 가능하다.

이러한 소자는 폴리머, 리튬나이오베이트(lithium niobate), 실리카(silica), 반도체(semiconductor) 등의 다양한 재료를 이용하여 구현할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 광스위치는 다음과 같은 효과가 있다.

광스위칭을 하는 경우에만, 전기적 바이어스를 인가해주기 때문에 소비전력이 낮고, 누화 특성이 뛰어난 집적광학형 2×2 광스위치를 구현할 수 있다.

그리고, 광의 간섭현상을 이용한 스위칭이 아니므로, 고효율의 광스위치를 얻을 수 있다.

또한, 이를 이용하여 고성능의 애드/드롭 다중화기, 대용량 크로스-커넥트 등의 구현에 효과적이다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 이탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시 예에 기재된 내용으로 한정되는 것이아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.

Claims (5)

1. 입력광을 받아들이는 적어도 두 개 이상의 입력포트와, 상기 입력광을 출력하는 적어도 두 개 이상의 출력포트를 구비한 광스위치에 있어서,

   상기 각각의 입력포트로 입사된 입력광을 폭이 서로 다른 팔(arm)로 분기 도파하는 분기형 입력 광도파로와;

   상기 입력 광도파로의 분기된 팔들과 마주보도록 폭이 서로 다르게 분기된 팔들을 구비하고, 상기 입력 광도파로의 분기된 팔들과 폭이 같은 팔들이 서로 연결되어, 상기 입력 광도파로를 통해 입사된 광을 상기 출력포트로 도파하는 분기형 출력 광도파로와;

   상기 각각의 입력 광도파로와 출력 광도파로의 서로 연결된 팔들 중에 폭이 좁은 팔들이 서로 교차되도록 연결하는 교차형 광도파로와;

   상기 각각의 입력 광도파로와 출력 광도파로의 폭이 넓은 팔에 형성된 전극을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 광스위치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 교차형 광도파로의 접합부분은 무뎌진(blunted) 구조인 것을 특징으로 하는 광스위치.
3. 입력광을 받아들이는 적어도 두 개 이상의 입력포트와, 상기 입력광을 출력하는 적어도 두 개 이상의 출력포트를 구비한 광스위치에 있어서,

   상기 각각의 입력포트와 출력포트를 연결하는 직선 광도파로와;

   상기 직선 도파로들이 서로 교차되도록 연결하는 교차형 광도파로와;

   상기 직선 광도파로에 형성된 전극을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 광스위치.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 교차형 광도파로의 접합부분은 무뎌진(blunted) 구조인 것을 특징으로 하는 광스위치.
5. 제 3항에 있어서,

   상기 교차형 광도파로는 상기 직선 광도파로보다 폭이 좁은 형태인 것을 특징으로 하는 광스위치.