KR20020061703A - 광스위치 - Google Patents

Abstract

레이저 가열장치에 의해 액체를 가열하여 액체를 이동시킴으로써 광신호의 진행 방향을 조절할 수 있도록 된 광스위치가 개시되어 있다.

이 개시된 광스위치는, 기판과; 광신호가 전송되도록 상기 기판에 메트릭스 형태로 배열되어 적어도 하나 이상의 교차점을 갖는 광도파로와; 상기 광도파로의 교차점에 배치되고 내부에 액체가 들어있는 셀과; 상기 셀마다 대응되는 레이저가 구비되어 상기 액체를 선택적으로 가열할 수 있도록 된 레이저 가열장치;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이상과 같이 구성된 광스위치는 제작이 용이하고 레이저 가열장치를 교체하여 사용할 수 있는 이점이 있다.

Description

광스위치{A optical switch}

본 발명은 광스위치에 관한 것으로, 특히 레이저 가열장치에 의해 액체를 가열하여 액체를 이동시킴으로써 광신호의 진행 방향을 조절할 수 있도록 된 광스위치에 관한 것이다.

광스위치는 광통신 시스템 특히, 파장 분할 다중화 방식을 채용한 광통신 시스템에서 여러 채널의 광신호 중 특정 광신호를 원하는 방향의 채널로 전송할 때 사용된다. 이러한 광통신 구조로서, 서로 수직하게 교차하는 광도파로와 광도파로 교차점에 광도파로와 일정한 각도를 갖고 액체를 담을 수 있는 셀이 마련되어 있는 것이 있다. 여기에서 스위칭 동작을 위해 셀 내부의 액체에 기포를 발생시키는 방법과 액체와 공기의 경계면에서 온도차에 의한 표면 장력 변화를 이용하여 셀 내의 액체를 이동시키는 방법이 있다.

도 1을 참조하면, 종래의 광스위치는, 기판(100)상에 광도파로(103)가 N ×M 메트릭스 형태로 교차 배열되고, 이 광도파로(103)의 교차점(103a)에는 내부에 액체(105)가 들어 있는 셀(110)이 대각선 방향으로 설치되어 있다. 그리고, 상기 액체(105)를 가열하기 위한 히타(115)가 상기 기판(100)상에 광도파로(103)와 함께 설치되어 있다. 여기에서 상기 셀(110)은 일측에 상기 액체(105)가 저장되는 머리부(110a)와, 상기 광도파로의 교차점(103a)에 배치되는 꼬리부(110b)로 이루어져 있다.

상기와 같이 구성된 광스위치의 스위칭 동작을 도 2를 참조하여 설명한다. 우선, 광신호를 투과시키고자 하는 경우 상기 히타(115)에 의해 상기 액체(105)를 가열한다. 그러면, 액체와 공기 경계면의 표면장력이 감소되어 액체(105)가 상기 셀의 꼬리부(110b)쪽으로 이동된다. 이러한 광스위치는 마이크로 장치이므로 상기 액체에 주로 작용하는 힘은 중력이 아니라 표면장력이며 표면장력은 액체의 움직임에 매우 큰 영향을 미친다. 또한, 표면장력은 온도와 전기장에 반비례하는 특징이있으므로 액체에 열을 가하면 표면장력이 작아지고 액체는 표면장력이 작아지는 쪽으로 이동된다.

이상과 같이 하여 상기 액체(105)가 셀의 꼬리부(110b)쪽으로 이동되면 광신호가 이 액체(105)를 투과하여 직진한다. 여기서 상기 액체(105)는 상기 광도파로(103)(103a)와 굴절률이 같거나 유사한 것을 사용하여 광신호가 액체를 만났을 때 거의 반사되지 않고 투과하여 지나갈 수 있도록 한다.

한편, 광신호를 반사시키기 위해서는 상기 히타(115)에 의한 가열을 중단하여 상기 액체(105)와 공기 사이의 표면장력을 증가시킴으로써 액체(105)가 상기 셀의 머리부(110a)쪽으로 이동되도록 한다. 상기 액체(105)가 상기 꼬리부(110b)에서 머리부(110a)쪽으로 이동된 후에는 광신호가 입사되었을 때 상기 셀(110)에 의해 전반사된다. 여기서, 상기 셀(110) 내부에 있는 기체는 상기 광도파로(103)보다 작은 굴절률을 가지는 것으로 선택하여 광신호가 일정 각도 이상으로만 입사되면 전반사되도록 할 수 있다.

예를 들어 3행 2열(A), 2행 3열(B)의 셀에서는 액체(105)를 가열하여 액체가 셀의 꼬리부(110b)로 이동되게 함으로써 광신호를 투과시키고 나머지 셀에서는 가열하지 않은 상태에서 액체(105)가 셀의 머리부(110a)에 오도록 함으로써 광신호를 전반사시켜 광신호를 원하는 경로로 전송할 수 있다. 그러면, 광신호가 3행 1열의 셀을 향해 입사(INPUT)되어 전반사된 다음 3행 2열(A)의 셀을 통과하는 등 소정의 투과 또는 전반사를 거쳐 원하는 채널로 출력(OUTPUT)되게 된다.

이상과 같이 광신호를 투과시키거나 전반사시킴으로써 원하는 방향의 채널로광신호를 전송할 수 있다. 그런데 상기한 광스위치는 액체를 가열하기 위해 히타(115)를 광도파로가 형성된 기판에 상기 셀(110)과 함께 제작하므로 광스위치 동작 중에 어느 하나의 히타가 고장이 나는 경우에 그 한 부분 때문에 광스위치 전체를 사용할 수 없게 되는 비경제적인 문제가 발생한다. 상기 액체를 가열하는 수단으로 히타 외에 전압을 인가하여 가열하는 방법이 있는데 이것 또한 동일한 문제점을 안고 있다. 또한, 광스위치가 간단한 구조로 된 것이 아니라 N×M 메트릭스 형태로 구성되기 때문에 광도파로와 히타 및 셀을 기판상에 함께 설치하기 위해서는 매우 정밀하고 복잡한 제작 과정이 요구되므로 생산성이 저하되는 단점이 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 레이저 가열장치를 이용하여 액체를 가열하고, 레이저 가열장치를 광도파로가 마련된 기판과 분리 가능하게 별도로 설치함으로써 제작이 용이하고 어느 하나의 레이저가 고장난 경우에 레이저 가열장치만을 교체하여 사용가능하도록 한 광스위치를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래에 따른 메트릭스 형태로 배열된 광스위치의 사시도,

도 2는 종래에 따른 광스위치의 동작을 설명하기 위한 평면도,

도 3은 본 발명에 따른 광스위치의 개략적인 절개 사시도,

도 4는 본 발명에 따른 광스위치의 동작을 설명하기 위한 개략적인 도면,

도 5는 본 발명에 따른 광스위치의 단면도.

<도면중 주요부분에 대한 부호의 설명>

10...기판 15...광도파로

25...셀 25a...머리부

25b...꼬리부 30...레이저

40...레이저 가열장치 45...마이크로렌즈 어레이

본 발명에 따른 광스위치는 상기한 목적을 달성하기 위하여, 기판과; 광신호가 전송되도록 상기 기판에 메트릭스 형태로 배열되어 적어도 하나 이상의 교차점을 갖는 광도파로와; 상기 광도파로의 교차점에 배치되고 내부에 액체가 들어있는 셀과; 상기 셀마다 대응되는 레이저가 구비되어 상기 액체를 선택적으로 가열할 수 있도록 된 레이저 가열장치;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 셀과 이에 대응되는 레이저 사이에 마이크로렌즈 어레이가 구비되어 있어 상기 레이저로부터 출사된 광을 상기 셀에 집광할 수 있도록 된 것을 특징으로 한다.

상기 레이저 가열장치는, 상기 기판과 분리가능하게 설치되는 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광스위치를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 광스위치는 기판(10)과, 광신호가 전송되도록 메트릭스 형태로 배열되고 교차점(15a)을 갖는 광도파로(15)와, 상기 광도파로(15)의 교차점(15a)에 배치되고 내부에 액체(20)가 들어있는 셀(25)과, 상기 셀(25)마다 대응되는 레이저(30)가 구비된 레이저 가열장치(40)를 포함한다.

여기서, 상기 셀(25)은 도 4에 도시된 바와 같이 상기 액체(20)가 가열되지 않은 상태에서 액체(20)가 저장될 머리부(25a)와, 상기 교차점(15a)에 대각선 방향으로 위치되어 광신호를 전반사 또는 투과시키도록 된 꼬리부(25b)로 이루어져 있다. 예를 들어 상기 머리부(25a)에만 액체(20)가 들어 있고 꼬리부(25b)쪽에는 액체(20)가 없을 경우 광신호가 상기 꼬리부(25b)쪽으로 입사되었다가 D방향으로 전반사되어 나간다. 또는 상기 꼬리부(25b)쪽에 액체(20)가 채워져 있는 때 광신호가 입사되면 상기 셀(25)을 투과하여 C방향으로 직진한다.

한편, 상기 레이저 가열장치는 도 3 및 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 셀(25)마다에 대응되는 레이저(30)를 구비하고, 이 레이저(30)들은 각 셀(25)에 초점이 맞춰지도록 메트릭스 배열 구조로 각각의 대응되는 셀(25)에 대향되게 배치된다. 여기에서 상기 레이저(30)로는 예컨대 반도체 레이저로서 표면방출 반도체레이저 또는 모서리방출 반도체레이저를 사용하는 것이 바람직하다. 표면방출 반도체레이저는 제작이 용이하고 가열 효율도 뛰어나므로 광전송속도 측면에서도 유리하다.

또한, 상기 레이저(30)와 이에 대응되는 셀(25) 사이에 상기 레이저(30)로부터 출사된 광을 집광시키기 위한 마이크로렌즈 어레이(45)를 더 구비할 수 있다. 상기 마이크로렌즈 어레이(45)는 MEMS(Micro Electric Mechanical System) 공정으로 제작되어 상기 레이저(30)의 집광률을 높임으로써 에너지 손실을 줄일 수 있다.

이상과 같이 구성된 광스위치를 이용하여 광신호 전송을 하는데 있어서, 광신호를 전송시킬 광도파로의 경로를 결정하여 전반사 또는 투과시킬 셀을 결정한 다음, 광신호를 투과시키고자 하는 셀에 대해서는 그 셀에 대향되게 위치하는 레이저(30)에 의해 가열한다. 그러면, 셀(25) 내부에 들어있는 액체(20)의 표면장력이 저하되어 액체가 셀의 꼬리부(25b)쪽으로 이동한다. 한편, 상기 레이저(30)를 끄고 액체(20)가 머리부(25a)쪽으로 이동되면 광신호가 상기 셀(25)에 입사시 전반사되어 나간다. 여기서, 상기 액체(20)는 상기 광도파로(15)와 굴절률이 같거나 유사하여야 한다. 또한, 상기 셀(25) 내의 기체는 상기 광도파로(15)의 굴절률보다 작은 굴절률을 갖는 것으로 선택하고 전반사를 위한 임계각을 고려하여 광신호의 입사각을 결정한다.

일예로서, 에틸알코올은 굴절률이 약 1.3, 비열(h)은 2.41(J/g℃), 비중은 0.8(kg/l)이다. 그리고, 레이저를 표면방출레이저로 하는 경우 파워가 약 2mW라고가정하고, 셀 부피가 20㎛ ×10㎛ ×50㎛ 라 하면 이 액체의 무게는 10 ×10^-12×0.8 = (8 ×10^-9g)이다. 이러한 무게를 갖는 에틸알코올의 표면장력을 충분히 약화시키기 위해서 끓는점 78.3℃까지 온도를 높이려면, 다음과 같은 에너지(E)가 필요하다.

만약 출력 파워가 약 2mW인 표면방출 반도체레이저의 출력을 마이크로렌즈를 이용하여 초점을 맞추었을 때 빔의 직경이 10㎛라면 위의 에너지를 얻는데 필요한 시간(t)은 다음과 같다.

상기에서 예로 든 에틸알코올은 일예일 뿐이며, 상기 광도파로(15)의 굴절률에 따라 액체를 다양하게 선택하여 사용할 수 있음은 물론이며, 상기 셀(25) 내부의 빈 공간을 차지하는 기체는 상기 광도파로(15)의 굴절률보다 작은굴절률을 가지는 것이어야 한다. 그리고, 광신호가 전반사될 수 있도록 전반사를 위한 임계각을 고려하여 광신호를 입력해야 한다.

상기한 바와 같이 본 발명에 따른 광스위치는 레이저 가열장치를 이용하여 액체를 이동시킴으로써 광신호의 투과 또는 전반사를 선택할 수 있도록 되어 있어 광신호를 원하는 채널로 전송할 수 있는 것이다. 여기서 레이저 가열장치를 광도파로가 마련된 기판과 별도로 분리하여 제공하여 제작공정이 단순화되고 레이저 가열장치 중 일부가 고장난 경우 광스위치 전체를 교체할 필요없이 레이저 가열장치만을 교체하면 되므로 장치 재활용면에서도 매우 유리하다.

Claims (4)

1. 기판과;

   광신호가 전송되도록 상기 기판에 메트릭스 형태로 배열되어 적어도 하나 이상의 교차점을 갖는 광도파로와;

   상기 광도파로의 교차점에 배치되고 내부에 액체가 들어있는 셀과;

   상기 셀마다 대응되는 레이저가 구비되어 상기 액체를 선택적으로 가열할 수 있도록 된 레이저 가열장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 광스위치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 셀과 이에 대응되는 레이저 사이에 마이크로렌즈 어레이가 구비되어 있어 상기 레이저로부터 출사된 광을 상기 셀에 집광할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 광스위치.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 레이저는,

   표면방출 반도체레이저인 것을 특징으로 하는 광스위치.
4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 레이저 가열장치는,

   상기 기판과 분리가능하게 설치되는 것을 특징으로 하는 광스위치.