KR20180056783A - 비대칭 1x2 소자들을 사용하는 대용량 광 스위치 - Google Patents

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Abstract

광 스위칭 장치는 복수의 입력 및 출력 도파관들을 포함한다. 각각의 상기 입력 도파관은 상기 입력 도파관에 결합되고 상기 입력 도파관을 따라 연장하는 제1 복수의 1x2 광 스위치들을 갖는다. 각각의 상기 출력 도파관은 상기 출력 도파관에 결합되고 상기 출력 도파관을 따라 연장하는 제2 복수의 1x2 광 스위치들을 갖는다. 상기 제1 및 제2 복수의 광 스위치들 각각은 통과-상태와 교차-상태 사이에서 선택적으로 스위칭 될 수 있다. 상기 입력 및 출력 도파관은, 임의의 파장의 광에 대해 발생하는 광 손실이 상기 1x2 광 스위치들 중 인접한 스위치들 사이에 배치된 상기 입력 및 출력 도파관의 한 가닥 부분들(a length of segments)에만 의존하도록 배치된다. 상기 입력 도파관들 각각에 결합된 상기 제1 복수의 광 스위치들 각각은, 광 스위치들 둘 다가 상기 교차-상태에 있을 때, 상기 출력 도파관들 중 다른 하나의 출력 도파관의 상기 제2 복수의 광 스위치들 중 하나의 광 스위치에 광 결합된다.

Description

비대칭 1x2 소자들을 사용하는 대용량 광 스위치
본 발명은 대용량 광 스위치에 관한 것이다.
산업에서 큰 포트 카운트(port count) 광 스위치에 대한 요구가 있다. 이 스위치는 일반적으로 광 대역폭이 넓고 입력 및 출력 광섬유가 많은 단일 모드로 설계된다. 더 적은 포트 카운트 스위치(예: 2x2, 4x4, 8x8, 16x16)를 만들기 위한 여러 가지 실제 기술이 있지만 이 기술 중 대부분은 32x32 이상으로 잘 확장되지 않는다. 특히, 손실, 혼선(crosstalk) 및 스위칭 속도를 포함하되 이에 국한되지 않는, 관심 성능 매개변수(performance parameters of interest)를 달성하기는 더 어려워지기 시작한다. 128x128 이상인 포트를 가지되 손실이 낮고 현 세대의 스위치보다 훨씬 빠른 스위칭 속도를 갖는 스위치가 필요하다.
대다수 높은 포트 카운트(예를 들어, 128보다 큰) 스위치는 3D MEMs 아키텍처(architecture)를 사용하는데, 여기서 2축 틸트 미러(tilt mirror)는 자유 공간 빔을 하나의 입력 포트로부터 제2 미러로 조향(steer)하는 데 사용되며, 이어서 제2 미러는 빔을 제2 출력 포트로 조향한다. 자유 공간에서의 고유한 모드 전파(modal propagation)로 인해 이러한 스위치는 스위칭 시간을 희생하지 않으면서 확장하기 어렵다. 이는 기본적으로 더 많은 빔 요구량 때문이고 따라서 포트 카운트가 증가함에 따라 더 큰 미러가 필요하기 때문이다.
여기 개시된 주제의 일 측면에 따르면, 광 스위칭 장치는 복수의 입력 및 출력 도파관들을 포함한다. 각각의 상기 입력 도파관은 상기 입력 도파관에 결합되고 상기 입력 도파관을 따라 연장하는 제1 복수의 1x2 광 스위치들을 갖는다. 각각의 상기 출력 도파관은 상기 출력 도파관에 결합되고 상기 출력 도파관을 따라 연장하는 제2 복수의 1x2 광 스위치들을 갖는다. 상기 제1 및 제2 복수의 광 스위치들의 각각의 광 스위치는 제1 상태와 제2 상태 사이에서 선택적으로 스위칭 될 수 있으므로, 제1 상태에서 각각의 광 스위치는 상기 광 스위치가 결합된 입력 또는 출력 도파관 내에서 전파하는 광이 상기 1x2 스위치들 중 인접한 스위치들 사이에서 중간(intervening) 모드 섭동 구조들을 만나지 않고 섭동되지 않은 채 계속 전파하도록 허용하고, 제2 상태에서 각각의 광 스위치는 상기 광 스위치가 결합된 입력 또는 출력 도파관 내외로 광을 결합시킨다. 상기 입력 도파관들 각각에 결합된 상기 제1 복수의 광 스위치들 각각은, 광 스위치들 둘 다가 상기 제2 상태에 있을 때, 상기 출력 도파관들 중 다른 하나의 출력 도파관의 상기 제2 복수의 광 스위치들 중 하나의 광 스위치에 광 결합된다.
하나의 특정 구현 예에서, 상기 1x2 스위치들 각각은, 이동 가능한 광 교차-가이드를 포함한다. 상기 1x2 스위치는, 상기 광 교차-가이드가 상기 1x2 스위치들 각각이 결합된 상기 입력 또는 출력 도파관으로부터 제1 거리일 때 상기 제1 상태에 있고 상기 광 교차-가이드가 상기 1x2 스위치들 각각이 결합된 상기 입력 또는 출력 도파관으로부터 제2 거리일 때 제2 상태에 있다. 액추에이터는, 상기 이동 가능한 광 교차-가이드가 결합된 상기 입력 또는 출력 도파관으로부터의 상기 이동 가능한 광 교차-가이드의 거리가 상기 제1 또는 제2 거리와 동일하도록, 상기 이동 가능한 광 교차-가이드를 선택적으로 이동시킨다.
도 1a는 MxM 광 스위치 용 입력 플랫폼을 도시하고, 도 1b는 MxM 광 스위치 용 출력 플랫폼을 도시한다.
도 2는 도 1a 및 1b에 도시된 입력 및 출력 플랫폼 상에 도시된 유형의 단일 입력 또는 출력 도파관의 평면도를 도시한다.
도 3a 및 도 3b는 비대칭 1x2 스위치의 단면도이다.
도 4는 편광 다이버시티(diversity)를 지지하는 MxM 광 스위치 용 입력 플랫폼을 도시한다.
아래에서 상세히 설명되는 바와 같이, MxM 광 스위치가 제공되는데, 이는, 각각이 개별 플랫폼 상에 배치될 수 있는 입력 광 도파관들의 어레이 및 출력 광 도파관들의 어레이를 포함한다. 일련의 비대칭 1x2 광 스위치들은 각 입력 도파관과 통합된다. 임의의 주어진 도파관과 결합된(associated) 각각의 비대칭 1x2 스위치는, 그 도파관 내에서 전파하는 광을 출력 도파관들 중 다른 하나의 출력 도파관으로 스위칭 할 수 있다. 이러한 방식으로, 입력 도파관에 의해 수신된 광 입력 신호는 임의의 출력 도파관으로 선택적으로 지향될 수 있다.
도 1a는 MxM 광 스위치 용 입력 플랫폼을 도시한다. 입력 플랫폼은, 공통 기판(105) 상에 형성될 수 있는 입력 광 도파관들(1101, 1102, 1103 ... 1108)(집합적으로 "110")의 어레이를 포함한다. 도시된 바와 같이, 일부 실시예들에서, 도파관들(110)은 서로 평행할 수 있지만 모든 실시예에서 그럴 필요는 없다. 이 예에서는 8 개의 입력 광 도파관들(110)이 도시되어 있지만, 임의의 개수의 입력 광 도파관이 사용될 수 있으며, 각각의 입력 도파관은 광 스위치의 하나의 입력 포트에 대응한다. 따라서, 예를 들어 128 개의 입력 포트 및 출력 포트를 갖는 대용량 광 스위치의 경우, 128 개의 입력 광 도파관(110)이 있을 것이다. 따라서, 더 일반적으로, MxM 광 스위치의 경우, M 개의 입력 광 도파관(110)이 있을 것이다.
일련의 1x2 비대칭 광 스위치들(120)이 각각의 도파관(110)을 따라 배치된다. 구체적으로, MxM 광 스위치의 경우, 각각의 도파관(110)을 따라 M 개의 1x2 비대칭 스위치(120)가 배치될 것이다. 8x8 광 스위치 용으로 도 1a에 도시된 바와 같이, 1x2 스위치들(12011, 12012, 12013 ... 12018)은 도파관(1101)을 따라 배치되고, 1x2 스위치들(12021, 12022, 12023 ... 12028)은 도파관(1102)을 따라 배치되는 등이다. 아래에서 설명되는 바와 같이, 1x2 비대칭 스위치(120)는, 제1 상태에서 낮은 손실을 나타내고 제2 상태에서 훨씬 높은 손실을 나타낼 수 있다는 점에서 비대칭적이다. 수직 결합기(vertical coupler, 130)가 각각의 1x2 스위치에 결합된다. 또한 아래에서 설명되는 바와 같이, 1x2 스위치가 개방 또는 온(ON) 상태에 있을 때, 1x2 스위치에 의해 수신된 광은 그 스위치가 결합된 수직 결합기(130)로 지향될 것이다. 수직 결합기(130)는, 이어서, 출력 도파관 플랫폼 상에 배치된 다른 1x2 스위치로 그 광을 보낼 것인데, 이에 대해서는 후술한다.
각각의 1x2 스위치(120)는, 그 스위치가 결합된 입력 도파관(110) 내에서 전파하는 광을, 비대칭 스위치(120)의 상태에 기반하여 두 방향 중 하나로 지향시킬 수 있다. 통과-상태(through-state)로 지칭되는 제1 상태에서, 1x2 스위치는 광이 입력 도파관(110) 내에서 계속 전파하게 한다. 즉, 광은 크게 섭동되지 않은 채(unperturbed) 통과-경로(thru-path)를 따라 이어진다. 교차 상태(cross state)로 지칭되는 제2 상태에서, 1x2 스위치(120)는 입력 도파관(110)에서 나오는 광을 결합하고, 그 광을 비대칭 1x2 스위치(120)에 결합된 수직 결합기(130)로 지향시킨다.
1x2 비대칭 스위치들(120)은 제1 또는 통과-상태에서 매우 낮은 손실을 갖도록 설계된다. 따라서, 주어진 입력 도파관(110)에 결합된 모든 비대칭 1x2 스위치들이 통과-상태에 있다면, 그 도파관 내에서 전파하는 광은 크게 섭동되지 않은 채 그 도파관을 통과할 것이다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 1x2 비대칭 스위치들(120)은 통과-상태에서 약 0.0001db의 손실을 가질 수 있다. 아래에 설명된 바와 같이, 1x2 스위치가 제2 또는 교차 상태에 있을 때는 훨씬 더 많은 양의 손실이 허용될 수도 있다.
도 1b는 전술한 8x8 광 스위치 용 출력 플랫폼을 도시한다. 출력 플랫폼은, 공통 기판(205) 상에 형성될 수 있는 출력 광 도파관들(2101, 2102, 2103 ... 2108)(집합적으로 "210")의 어레이를 포함한다. 일반적으로, 출력 광 도파관들(210)의 어레이는, 동일한 개수의 도파관 및 동일한 개수의 1x2 비대칭 광 스위치를 갖는, 입력 광 도파관(110)의 어레이와 상당히 유사하다. 즉, 도 1a의 입력 도파관 플랫폼과 유사하게, 도 1b의 출력 도파관 플랫폼은 각각의 도파관(210)을 따라 배치된 일련의 1x2 비대칭 광 스위치들(220)을 포함한다. 구체적으로, MxM 광 스위치의 경우, 각각의 도파관(210)을 따라 배치된 M 개의 1x2 비대칭 스위치들(220)이 존재할 것이다. 도 1b에 도시된 바와 같이, 1x2 스위치들(22011, 22012, 22013 ... 22018)은 도파관(2101)을 따라 배치되고, 1x2 스위치들(22021, 22022, 22023 ... 22028)은 도파관(2102)을 따라 배치되는 등이다. 비대칭 광 스위치(220)는 전술한 비대칭 광 스위치(110)와 유사하다. 각각의 1x2 비대칭 스위치(120)에 결합된 수직 결합기들(130) 중 하나는 또한 1x2 비대칭 스위치들(220) 중 하나에 결합된다.
일 실시예에서, 입력 및 출력 도파관 플랫폼은, 대응하는 비대칭 1x2 스위치들(120, 220)(즉, 공통 수직 결합기(130)를 통해 서로 광 결합된 스위치들(120, 220)의 쌍들)이 서로 정렬되도록, 서로의 상부에 적층되거나 덮인다. 즉, 입력 및 출력 도파관 플랫폼은, 비대칭 1x2 스위치(120ij)가 비대칭 스위치(220ji)의 위(또는 아래)에 배치된 채, 상이한 평면에 배치된다. 따라서, 예를 들어, 비대칭 1x2 스위치(12012)는 비대칭 1x2 스위치(22021)의 위(또는 아래)에 배치되고, 수직 결합기(13012)에 의해 서로 광 결합된다. 다른 예를 들자면, 비대칭 1x2 스위치(12032)는 비대칭 1x2 스위치(22023)의 위(또는 아래)에 배치되고, 수직 결합기(13032)에 의해 서로 광 결합된다. 반드시 그러할 필요는 없지만, 제조 용이성을 위해, 대응하는 스위치들(120, 220)의 쌍들의 각각의 1x2 스위치는 서로 바로 위 또는 아래에 배치될 수 있다.
도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 1x2 광 스위치들 각각은, 그 스위치들을 통과-상태 또는 교차-상태에 놓기 위한 제어기(150)에 의해 선택적으로 어드레스 될 수 있다. 동작 시에, 입력 도파관들(110) 중 하나를 통해 전파하는 광 신호는, 대응하는 비대칭 1x2 스위치들(120ij, 220ji) 모두를 교차-상태에 놓음으로써 출력 도파관들 중 하나에 선택적으로 스위칭 될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 비대칭 1x2 스위치(12012)와 비대칭 1x2 스위치(22021) 둘 다를 교차-상태에 놓음으로써, 광 신호는 수직 결합기(13012)를 통해 입력 도파관(1101)에서 출력 도파관(2202)으로 스위칭 될 수 있다. 다른 예를 들자면, 비대칭 1x2 스위치(12032)와 비대칭 1x2 스위치(22023) 둘 다를 교차-상태에 놓음으로써, 광 신호는 수직 결합기(13023)를 통해 입력 도파관(1103)에서 출력 도파관(2202)으로 스위칭 될 수 있다. 따라서, 이러한 방식으로, 대응하는 비대칭 1x2 스위치들의 적절히 선택된 쌍에서 비대칭 1x2 스위치 둘 다를 교차-상태에 놓음으로써, 광 신호는 임의의 입력 도파관(110)으로부터 임의의 출력 도파관(220)으로 스위칭 될 수 있다.
도 1 a및 도 1b에 도시된 입력 및 출력 도파관의 배치는 단지 예시일 뿐이다. 더 일반적으로, 입력 및 출력 도파관은, 교차-상태에 놓인 대응하는 1x2 스위치들의 쌍들이 임의의 입력 도파관(110)으로부터의 광 신호를 임의의 출력 도파관(220)에 결합시킬 수 있게 하되 그 광 신호는 통과-상태에 있는 다른 1x2 스위치들을 단지 통과하게 하는 임의의 방식으로 배치될 수 있다.
전술한 바와 같이, 광 신호는, 각각의 도파관의 단일한 비대칭 1x2 스위치만을 교차-상태에 놓음으로써, 임의의 입력 도파관(110)으로부터 임의의 출력 도파관(220)으로 스위칭 될 수 있다. 동시에, 각각의 도파관의 다른 모든 비대칭 1x2 스위치들은 통과-상태에 있다. 따라서, 광 신호는 통과-상태에 있는 다수의 비대칭 1x2 스위치와 교차-상태에 있는 오직 한 쌍의 비대칭 1x2 스위치를 일반적으로 통과할 것이다. 결과적으로, 비대칭 1x2 스위치가 통과-상태에서 낮은 손실을 나타내는 것이 중요하다. 반면, 광 신호는 교차-상태에 있는 비대칭 1x2 스위치들의 단일한 쌍을 단지 통과하므로, 비대칭 1x2 스위치가 교차-상태에 있을 때 훨씬 더 많은 양의 손실이 허용될 수 있다.
광 스위치(100)에 사용된 비대칭 1x2 스위치들(130)은 임의의 적합한 기술에 기반할 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 기계적으로-구동되는(mechanically-actuated) 유형의 스위치가 사용될 수 있으며, 그것의 일 예는 도 3 및 도 4를 참조하여 설명될 것이다. 이 특정한 예는 미세-전자기계(MEMs) 장치를 액추에이터(actuator)로 사용하여 설명될 것이다.
도 2는, 도 1a 및 도 1b에 도파관(110, 210)으로서 각각 도시된 유형의 단일한 입력 또는 출력 도파관(310)의 평면도를 도시한다. 도파관(310)은 비대칭 1x2 스위치(300)의 고정된 통과-가이드부로서 기능한다. 제2 도파관(320)은 비대칭 1x2 스위치(300)의 구동 가능한(actuatable) 교차-가이드로서 기능하며, 이는 제1 또는 "온(ON)" 위치(340)와 제2 또는 "오프(OFF)" 위치(350) 사이에서 이동 가능하다. 교차-가이드(320)가 온-위치(340)에 있을 때, 그것은 통과-가이드(310)로부터의 광을 교차-가이드(320)에 결합시킬 정도로 관통 가이드(310)에 충분히 가깝다. 유사하게, 교차-가이드(320)가 오프-위치(350)에 있을 때, 그것은 통과-가이드(310) 내에서 측정 가능한 모드 섭동(mode perturbation)을 일으키지 않을 정도로 관통 가이드(310)로부터 충분히 멀리 떨어져 있다. 결과적으로, 오프-위치(350)에 있을 때 광은 교차-가이드(320)와 통과-가이드(310) 사이에서 어느 정도로도 결합되지 않는다. 즉, 교차-가이드(310)가 온-위치(340)에 있을 때, 비대칭 1x2 스위치(300)는 교차-상태에 있고 교차-가이드(310)가 오프-위치(350)에 있을 때 비대칭 1x2 스위치(300)는 통과-상태에 있다.
하나 이상의 스토퍼(stopper, 345)가, 교차-가이드(320)가 온 위치(340)로 이행할 때 스토퍼(345) 상에 놓이도록, 통과-가이드(310)와 교차-가이드(320) 사이에 배치될 수 있다. 이에 따라, 교차-가이드(320)가 온 위치(340)에 있을 때, 통과-가이드(310)와 교차-가이드(320) 사이에 균일한 간격이 유지될 수 있다. 일 실시예에서, 스토퍼(345)는 교차-가이드(320)에 고정된다.
도 3a 및 도 3b는 도 2의 비대칭 1x2 스위치(300)의 A-A'선을 따른 단면도이다. 도시된 바와 같이, 통과-가이드(310)는 지지체(405) 상에서 연장하고, 지지체는 이어서 플랫폼(412)(예를 들어, 도 1a 또는 도 1b의 기판(105, 205)) 상에 배치된다. 교차-가이드(320)의 보이는, 근위(proximate) 단부는 공간 상에 떠 있는 반면 교차-가이드(320)의 원위(distal) 단부는 플랫폼(412) 상에 배치된 제2 지지체(도시되지 않음)에 고정된다. 횡방향으로 변위 가능한(displaceable) 액추에이터(415)는 지지체(407) 상에 배치되고, 지지체는 이어서 플랫폼(412) 상에 배치된다. 횡방향으로 변위 가능한 액추에이터(415)는 교차-가이드(320)의 근위 단부에 인접하고 제1 방향(도 3a 및 도 3b의 좌측 방향)으로 이동 가능하므로, 도 3a에 도시된 바와 같이, 교차-가이드(320)에 횡방향 힘을 가하여, 교차-가이드가 온 위치(340)까지 옮겨진다. 횡방향으로 변위 가능한 액추에이터(415)가 후퇴하면, 교차-가이드(320)는 도 3b에 도시된 위치로 돌아오는데, 이는 교차-가이드(320)의 오프-위치(350)에 대응한다.
전술한 바와 같이, 일 실시예에서 횡방향으로 변위 가능한 액추에이터(415)는 MEMs-기반 액추에이터이다. 하나의 특정 실시예에서, MEMs-기반 액추에이터는 디지털 2-상(two-state) 장치 - 하나의 상태는 교차-가이드(320)의 온-위치(340)에 대응하고 다른 상태는 교차-가이드(320)의 오프-위치(350)에 대응하는 - 일 수 있다 또한, MEMs-기반 액추에이터(415)는 걸쇠로 잠글(latching) 수 있으며, 도 3b의 오프-위치는 액추에이터(415)가 통상적으로 유지되는 걸쇠로 잠긴 상태(latched state)이다. 이에 따라, 비대칭 1x2 스위치들 중 하나의 고장이 전체 MxM 광 스위치(300)의 완전한 고장을 일으키지는 않을 것이다. 오히려, MxM 광 스위치(300)는 하나의 특정한 입력 및 출력 도파관 간의 스위칭 성능을 상실할 뿐, 그 외에는 작동 가능한 상태를 유지할 것이다. 물론, 다른 실시예들에서, 액추에이터(415)는 교차-가이드(210)가 온-위치에 있도록 걸쇠로 잠길 수 있고, 또는, 대안적으로, 액추에이터(415)는 걸쇠로 잠기지 않을 수 있다.
오프-위치에 있을 때, 교차-가이드(320)와 통과-가이드(310) 사이의 거리는 통과-가이드(310) 내에서 측정 가능한 광 모드 섭동이 일어나지 않을 정도로 충분히 커야 한다. 따라서, 오프-위치(350)로부터 온-위치(340)로 이행될 때 액추에이터(415)가 횡방향으로 이동하는 거리는 모드 필드 반경(mode field radius)(예를 들어, 몇몇 모드 필드 직경)에 비해 일반적으로 커야 한다. 예컨대, 일 실시예에서, 약 1 미크론의 모드 반경을 갖는 1 미크론 코어(core)를 가진 도파관에 대해, 오프-위치로부터 온-위치로 이행할 때 액추에이터(415)가 횡방향으로 이동하는 거리는 약 3-5 미크론이다. 마찬가지로, 일부 실시예들에서 개별적인 1x2 스위치들의 전체적인 크기(dimensions)는 약 50 미크론 이하 정도이다.
물론, 1x2 광 스위치는, MEMs-기반 스위치가 아니고, 다른 기술을 사용할 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 1x2 광 스위치는 음향 광학(acousto-optical) 스위치일 수 있다.
도 1a 및 도 1b에 도시된 수직 결합기(130)는 상이한 도파관들 사이의 평면 외(out-of-plane) 광 결합을 위한 수직 단열(adiabatic) 결합기와 같은 임의의 적합한 유형의 수직 결합기일 수 있다. 하나의 특정 예에서, 수직 결합기(130)는 도파관에 격자(grating)가 식각된 격자-기반 수직 결합기일 수 있다. 격자는 도파관 내에서 진행하는 광을 적어도 부분적으로 회절시키므로, 그 광은 어떤 회절 각도로 도파관의 평면 외에서 결합되어 다른 도파관에 결합된다.
본 발명의 일부 실시예들에서, 광 스위치의 입력 및 출력 플랫폼은 하나 이상의 평면 광파 회로(Planar Lightwave Circuit: PLC)로부터 형성될 수 있다. PLC는 반도체 기판의 표면 상에 집적되는 하나 이상의 단일 또는 다중 모드 도파관을 포함하는 광학 시스템이며, 여기서 도파관은 일반적으로 (예를 들어, 여기 기술된 1x2 스위치 및 수직 단열 결합기와 같은) 다른 광학 구성 요소와 결합되어 복잡한 광학 기능을 제공한다. 더 구체적으로, 도파관은 통상적으로, 도핑된/도핑되지 않은 실리콘, LiNbO3, InP, GaAs, 및/또는 폴리머(열-광학(thermo-optic) 및 전자-광학(electro-optic) 폴리머 포함)로부터 종종 형성되는 평면 기판 상에 형성된 버퍼(buffer) 층, 피복(cladding) 층, 코어(core) 층 및 봉지(encapsulation) 층으로 이루어질 수 있는 광학 층 내에 매립된다. 기판은, 그렇지 않은 경우 깨지기 쉬운 도파관에 대한 기계적인 지지체 역할을 할 수 있고, 필요한 경우, 또한 피복의 저부의 역할을 할 수 있다. 또한, 그것은 입/출력 광섬유의 코어를 도파관의 코어에 광 결합시키도록 광섬유가 부착되는 고정물(fixture)의 일부분으로서 역할을 할 수 있다.
실리콘을 사용하여 평면 광파 회로를 제조하는 데 필요한 제조 기술은 일반적으로 잘 알려져 있다. 예를 들어, 평면 광파 회로는 표준 반도체 제조 기술을 사용하여 제조될 수 있다. 따라서, 평면 광파 회로의 제조는 화학 기상 증착 기술, 물리 기상 증착 또는 스퍼터링(sputtering) 기술, 증발 기술, 스핀-온(spin-on) 증착 기술, 포토리소그래피, 습식 또는 건식 식각 기술 등을 포함하는 표준 모노리식(monolithic) 반도체 제조 기술을 사용하여 달성될 수 있다. 구체적인 제조 기술은 증착 시 사용되는 제조 장비 및 재료와 관련하여 종종 선택된다. 그러므로, 여기 개시된 스위치는, 통상의 기술자가 인식할 수 있는 바와 같이, 많은 기술 및 재료와 함께 제조될 수 있다.
마찬가지로, 본 발명의 일부 실시예들에서, 광 스위치의 입력 및 출력 플랫폼은 하나 이상의 광자 집적 회로(Photonic Integrated Circuit: PIC)로부터 형성될 수 있다. PIC는, 평면 광파 회로가 일반적으로 수동 소자만을 포함하는 반면 광자 집적 회로는 일반적으로 레이저, 광 증폭기, 변조기 등과 같은 능동 광학 집적 소자도 포함하는 점을 제외하면, 평면 광파 회로와 유사하다.
일부 실시예들에서, 도 1a 및 도 1b에 도시된 입력 및 출력 플랫폼은 서로 모노리식하게(monolithically) 집적될 수 있다. 그러나, 다른 실시예들에서, 입력 및 출력 플랫폼은 임의의 적절한 기술을 사용하여 하이브리드(hybrid) 방식으로 부착되어 서로의 상부에 적층될 수 있다.
일부 실시예들에서, 입력 및 출력 플랫폼 내의 입력 및 출력 도파관은 단일 편광(polarization) 상태만을 지원할 수 있다. 이들 실시예에서, 편광 다이버시티(diversity)는 각각의 입력 및 출력 도파관에 대해 한 쌍의 도파관을 제공하되 그 쌍의 각각의 도파관은 상이한 편광 상태를 지원하도록 함으로써 달성될 수 있다. 이는 도 1a의 입력 플랫폼 용으로 도 4에 도시된다. 도시된 바와 같이, 각각의 입력은 이제 한 쌍의 도파관들(110, 160)을 포함한다. 도파관들(110, 160)의 각 쌍으로의 입력은, 단일 편광 상태가 각각의 도파관(110, 160)을 통해 전송되도록 입력 광을 분할하는 편광 스플리터(polarization splitter, 140)를 포함한다. 편광 회전기(155)는 도파관들(160) 내의 광의 편광 상태를 회전시키므로 그것은 도파관들(110) 내의 광과 동일한 편광 상태를 갖는다. 도 1a에서와 같이, 도파관들(110)은 그것을 따라 배치된 일련의 1x2 광 스위치들(120)을 가지며, 각각의 1x2 광 스위치들(120)은 수직 결합기(130)와 결합된다. 마찬가지로, 도파관들(160)은 그것을 따라 배치된 일련의 1x2 광 스위치들(170)을 가지며, 각각의 1x2 광 스위치들(170)은 수직 결합기(180)와 결합된다. 출력 플랫폼은 입력 플랫폼이 편광 다이버시티를 획득하도록 도 4에 도시된 것과 유사한 방식으로 구성될 수 있다.
전술한 유형의 스위칭 아키텍처의 사용으로부터 많은 장점이 발생한다. 예를 들어, 전술한 실시예들에서, 인접한 1x2 스위치들 사이의 임의의 입력 또는 출력 도파관들을 따라 배치되는 중간(intervening) 모드 섭동 구조들(예를 들어, 격자 또는 탭(tap)과 같은 광학 소자, 도파관 교차, 재료 또는 도펀트 변화, 금속화 구조, 도파관 크기 변화, 굴절률 프로파일 변화)이 없으므로, 주어진 파장에서의 도파관 손실은 인접한 1x2 스위치들 사이의 도파관의 길이에만 의존하거나 그에 비례한다. 마찬가지로, 이 아키텍쳐를 따르는 스위치 내의 광 손실은 입력 포트 또는 출력 포트의 개수에는 비례하지 않고, 도파관의 총 길이에 의해 결정되는 바와 같은 스위치의 전체적인 물리적 크기(dimensions)에만 비례한다.
따라서, 예를 들어, 현재 이용 가능한 저손실 공기 피복 도파관 내에서 발생하는 광 손실은 약 0.5dB/cm 이상 2dB/cm 이하의 범위일 수 있다. 따라서, 그러한 도파관을 사용하고 96 개의 입력 포트 및 96 개의 출력 포트를 갖는 광 스위치의 경우, 각 도파관 길이가 5mm라고 가정하면, 그 도파관 내에서 발생하는 광 손실은 최대 약 0.5dB이 될 것이다. 마찬가지로, 1000 개의 입력 포트 및 1000 개의 출력 포트를 갖는 광 스위치의 경우, 각 도파관 길이가 50mm라고 가정하면, 그 도파관 내에서 발생하는 광 손실은 최대 약 5dB이 될 것이다.
일부 실시예들에서, 중간(intervening) 구조 또는 구조들이, 그것을 따라 그 중간 구조가 배치된 도파관 내에서 진행하는 광의 모드를 섭동하지 않는 상태에 들어가도록 구동 가능하다면, 입력 및/또는 출력 도파관들 중 하나 이상을 따라 배치되는 중간 구조들이 존재할 수 있음에 유의해야 한다. 임의의 그러한 중간 구조는 1x2 광 스위치들에 의해 야기되는 것보다 크지 않은 비-섭동 상태에서의 광 손실을 야기해야 한다. 예를 들어, 1x2 광 스위치들이 약 0.001dB의 통과-상태에서의 손실을 갖는다면, 임의의 중간 구조들은 또한 0.001dB 이하의, 바람직하게는 0.001dB 미만의, 비-섭동 상태에서의 손실을 가져야 한다.
또 다른 실시예들에서, 전술한 유형의 하나 이상의 추가 1x2 광 스위치가 하나 이상의 입력 및/또는 출력 도파관을 따라 배치될 수 있다. 이 스위치는 입력 포트로부터 출력 포트로 광을 스위칭 하는 것 이외의 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 이들 추가 1x2 스위치는 교차 상태에 있을 때 광 검출기(예를 들어, 광다이오드)에 광을 지향시킴으로써 광 모니터링 기능을 수행할 수 있다. 하나의 특정 실시예에서, 그러한 1x2 광 스위치와 광 검출기 쌍은, 입력 도파관으로부터 출력 도파관으로 광을 스위칭 하는 데 사용되는 인접한 1x2 광 스위치들의 각각의 쌍 사이의 입력 및/또는 출력 도파관을 따라 배치될 수 있다. 이에 따라, 광 모니터링은, 통과-상태에 있을 때 1x2 광 스위치 중 임의의 하나를 광이 통과한 후에 도파관을 따라 임의의 지점에서 수행될 수 있다.
비록 본 주제가 구조적 특징들 및/또는 방법적 동작들에 특정된 언어로 기술되었지만, 첨부된 청구범위에서 정의된 주제가 전술한 특정한 특징들 또는 동작들에 반드시 한정되는 것은 아니라는 것을 이해해야 한다. 오히려, 전술한 특정한 특징들과 동작들은 청구범위를 구현하는 예시적인 형태로서 개시된다.

Claims (27)

  1. 광 스위칭 장치로서,
    복수의 입력 도파관들 - 각각의 상기 입력 도파관은 상기 입력 도파관에 결합되고 상기 입력 도파관을 따라 연장하는 제1 복수의 1x2 광 스위치들을 가짐;
    복수의 출력 도파관들 - 각각의 상기 출력 도파관은 상기 출력 도파관에 결합되고 상기 출력 도파관을 따라 연장하는 제2 복수의 1x2 광 스위치들을 가짐;
    상기 제1 및 제2 복수의 광 스위치들의 각각의 광 스위치는 제1 상태와 제2 상태 사이에서 선택적으로 스위칭 될 수 있으므로, 제1 상태에서 각각의 광 스위치는 상기 광 스위치가 결합된 입력 또는 출력 도파관 내에서 전파하는 광이 상기 1x2 스위치들 중 인접한 스위치들 사이에서 중간(intervening) 모드 섭동 구조들을 만나지 않고 섭동되지 않은 채 계속 전파하도록 허용하고, 제2 상태에서 각각의 광 스위치는 상기 광 스위치가 결합된 입력 또는 출력 도파관 내외로 광을 결합시키며; 그리고
    상기 입력 도파관들 각각에 결합된 상기 제1 복수의 광 스위치들 각각은, 광 스위치들 둘 다가 상기 제2 상태에 있을 때, 상기 출력 도파관들 중 다른 하나의 출력 도파관의 상기 제2 복수의 광 스위치들 중 하나의 광 스위치에 광 결합되는,
    광 스위칭 장치.
  2. 제1항에서,
    상기 1x2 스위치들 각각은,
    변위 가능한(displaceable) 광 교차-가이드 - 상기 1x2 스위치는, 상기 광 교차-가이드가 상기 1x2 스위치들 각각이 결합된 상기 입력 또는 출력 도파관으로부터 제1 거리일 때 상기 제1 상태에 있고 상기 광 교차-가이드가 상기 1x2 스위치들 각각이 결합된 상기 입력 또는 출력 도파관으로부터 제2 거리일 때 제2 상태에 있음;
    상기 변위 가능한 광 교차-가이드가 결합된 상기 입력 또는 출력 도파관으로부터의 상기 변위 가능한 광 교차-가이드의 거리가 상기 제1 또는 제2 거리와 동일하도록, 상기 변위 가능한 광 교차-가이드를 선택적으로 이동시키기 위한 액추에이터
    를 포함하는, 광 스위칭 장치.
  3. 제2항에서,
    상기 액추에이터는 MEMs-기반 액추에이터인, 광 스위칭 장치.
  4. 제2항에서,
    상기 액추에이터는 디지털 2-상(two-state) 액추에이터인, 광 스위칭 장치.
  5. 제2항에서,
    상기 액추에이터는 상기 제1 상태에서 걸쇠로 잠그는(latching), 광 스위칭 장치.
  6. 제1항에서,
    복수의 광 결합 소자들로서, 광 스위치들 둘 다가 상기 제2 상태에 있을 때, 각각의 상기 입력 도파관에 결합된 상기 제1 복수의 광 스위치들 중 하나의 광 스위치를, 상기 출력 도파관들 중 하나의 출력 도파관에 결합된 상기 제2 복수의 광 스위치들 중 하나의 광 스위치에 각각 광 결합시키는 상기 복수의 광 결합 소자들
    을 더 포함하는, 광 스위칭 장치.
  7. 제1항에서,
    상기 복수의 입력 도파관들 및 상기 제1 복수의 1x2 광 스위치들이 집적되는 제1 평면 광파 또는 광자 집적 회로
    를 더 포함하는, 광 스위칭 장치.
  8. 제7항에서,
    상기 복수의 출력 도파관들 및 상기 제2 복수의 1x2 광 스위치들이 집적 되는 제2 평면 광파 또는 광자 집적 회로
    를 더 포함하는, 광 스위칭 장치.
  9. 제7항에서,
    상기 제1 및 제2 평면 광파 또는 광자 집적 회로는 서로의 상부에 적층되는, 광 스위칭 장치.
  10. 제9항에서,
    상기 제1 및 제2 평면 광파 또는 광자 집적 회로는 하이브리드(hybrid) 방식으로 서로 부착되는, 광 스위칭 장치.
  11. 제9항에서,
    상기 제1 및 제2 평면 광파 또는 광자 집적 회로는 서로 모놀리식(monolithic)하게 집적되는, 광 스위칭 장치.
  12. 제9항에서,
    복수의 수직 결합기들로서, 광 스위치들 둘 다가 상기 제2 상태에 있을 때, 각각의 상기 입력 도파관에 결합된 상기 제1 복수의 광 스위치들 중 하나의 광 스위치를, 상기 출력 도파관들 중 하나의 출력 도파관에 결합된 상기 제2 복수의 광 스위치들 중 하나의 광 스위치에 각각 광 결합시키는 상기 복수의 수직 결합기들
    을 더 포함하는, 광 스위칭 장치.
  13. 제1항에서,
    상기 제1 및 제2 복수의 1x2 광 스위치들의 상기 1x2 광 스위치들 각각은 상기 제2 상태에 있을 때보다 상기 제1 상태에 있을 때 더 낮은 손실을 나타내는, 광 스위칭 장치.
  14. 제1항에서,
    상기 제1 복수의 광 스위치들 중 하나의 광 스위치와 상기 제2 복수의 광 스위치들 중 하나의 광 스위치를 상기 제2 상태에 놓이도록 함으로써, 그리고 상기 제1 및 제2 복수의 광 스위치들의 모든 나머지 광 스위치들이 상기 제1 상태에 놓이도록 함으로써, 상기 입력 도파관들 중 임의의 하나의 입력 도파관으로부터 상기 출력 도파관들 중 임의의 하나의 출력 도파관에 광을 선택적으로 스위칭 하기 위한 제어기
    를 더 포함하는 광 스위칭 장치.
  15. 제1항에서,
    (i) 상기 제1 복수의 광 스위치들 중 하나의 광 스위치와 상기 제2 복수의 광 스위치들 중 하나의 광 스위치를 상기 제2 상태에 놓이도록 함으로써 상기 입력 도파관들 중 제1 선택된 입력 도파관으로부터 상기 출력 도파관들 중 제1 선택된 출력 도파관으로 광을 선택적으로 스위칭하고, (ii) 상기 제1 복수의 광 스위치들 중 다른 하나의 광 스위치와 상기 제2 복수의 광 스위치들 중 다른 하나의 광 스위치를 상기 제2 상태에 놓이도록 함으로써 상기 입력 도파관들 중 제2 선택된 입력 도파관으로부터 상기 출력 도파관들 중 제2 선택된 출력 도파관으로 광을 동시에 스위칭하되, (ⅲ) 상기 제1 및 제2 복수의 광 스위치들의 모든 나머지 광 스위치들을 상기 제1 상태에 놓이도록 하기 위한, 제어기
    를 더 포함하는, 광 스위칭 장치.
  16. 제1항에서,
    상기 입력 도파관 및 출력 도파관은 공기 피복(air clad) 도파관인, 광 스위칭 장치.
  17. 제1항에서,
    상기 입력 및 출력 도파관은 단일 모드(single mode) 도파관인, 광 스위칭 장치.
  18. 제1항에서,
    상기 복수의 입력 및 출력 도파관들은 단일 편광 상태에서 진행하는 광을 지지하는, 광 스위칭 장치.
  19. 제18항에서,
    제2 복수의 입력 도파관들 - 상기 제2 복수의 입력 도파관들의 각각의 입력 도파관은 상기 입력 도파관에 결합되고 상기 입력 도파관을 따라 연장하는 제3 복수의 1x2 광 스위치들을 가짐;
    제2 복수의 출력 도파관들 - 상기 제2 복수의 출력 도파관들의 각각의 출력 도파관은 상기 출력 도파관에 결합되고 상기 출력 도파관을 따라 연장하는 제4 복수의 1x2 광 스위치들을 가짐;
    상기 제3 및 제4 복수의 광 스위치들의 각각의 광 스위치는 제1 상태와 제2 상태 사이에서 선택적으로 스위칭 될 수 있으므로, 제1 상태에서 각각의 광 스위치는 상기 광 스위치가 결합된 입력 또는 출력 도파관 내에서 전파하는 광이 상기 1x2 스위치들 중 인접한 스위치들 사이에서 중간(intervening) 모드 섭동 구조들을 만나지 않고 섭동되지 않은 채 계속 전파하도록 허용하고, 제2 상태에서 각각의 광 스위치는 상기 광 스위치가 결합된 입력 또는 출력 도파관 내외로 광을 결합시키며;
    상기 제2 복수의 입력 도파관들의 상기 입력 도파관들 각각에 결합된 상기 제3 복수의 광 스위치들 각각은, 상기 제3 및 제4 복수의 광 스위치들의 광 스위치들 둘 다가 상기 제2 상태에 있을 때, 상기 제2 복수의 출력 도파관들의 상기 출력 도파관들 중 다른 하나의 출력 도파관의 상기 제4 복수의 광 스위치들 중 하나의 광 스위치에 광 결합되며; 그리고
    상기 복수의 입력 도파관들 중 하나의 입력 도파관의 입력 포트를 상기 제2 복수의 입력 도파관들 중 하나의 입력 도파관의 입력 포트에 각각 결합시키는 복수의 편광 스플리터들
    을 포함하는, 광 스위칭 장치.
  20. 제19항에서,
    상기 제2 복수의 입력 도파관들에서의 광의 편광을 상기 복수의 입력 도파관들에서의 광과 공통 편광 상태로 회전시키는 편광 회전기
    를 더 포함하는, 광 스위칭 장치.
  21. 제19항에서,
    상기 복수의 입력 도파관들, 상기 제1 복수의 1x2 광 스위치들, 상기 제2 복수의 입력 도파관들 및 상기 제3 복수의 1x2 광 스위치들이 집적된 제1 평면 광파 회로
    를 더 포함하는, 광 스위칭 장치.
  22. 제21항에서,
    상기 복수의 입력 도파관들 및 상기 제2 복수의 입력 도파관들은 서로 평행한, 광 스위칭 장치.
  23. 제22항에서,
    상기 편광 스플리터들 중 하나의 편광 스플리터에 의해 결합되는 입력 도파관들의 각 쌍 내의 상기 입력 도파관들은 서로 인접하는, 광 스위칭 장치.
  24. 제1항에서,
    광 검출기;
    적어도 하나의 추가 1x2 광 스위치로서, 상기 추가 1x2 광 스위치가 상기 제2 상태에 있을 때 광이 상기 적어도 하나의 입력 및/또는 출력 도파관으로부터 상기 광 검출기에 결합되도록 상기 입력 도파관들 및/또는 출력 도파관들 중 적어도 하나에 결합되고 그것을 따라 연장하는, 상기 추가 1x2 스위치
    를 포함하는, 광 스위칭 장치.
  25. 광 스위칭 장치로서,
    복수의 입력 도파관들 - 각각의 상기 입력 도파관은 상기 입력 도파관에 결합되고 상기 입력 도파관을 따라 연장하는 제1 복수의 1x2 광 스위치들을 가짐;
    복수의 출력 도파관들 - 각각의 상기 출력 도파관은 상기 출력 도파관에 결합되고 상기 출력 도파관을 따라 연장하는 제2 복수의 1x2 광 스위치들을 가지고, 상기 제1 및 제2 복수의 광 스위치들 각각은 통과-상태와 교차-상태 사이에서 선택적으로 스위칭 될 수 있으며, 상기 입력 및 출력 도파관들 중 임의의 그리고 모든 것 내에서 전파하는 광이 도파관 교차로(crossing)을 가로지르지 않도록 상기 입력 및 출력 도파관들이 배치됨;
    을 포함하고,
    상기 입력 도파관들 각각에 결합된 상기 제1 복수의 광 스위치들 각각은, 광 스위치들 둘 다가 상기 교차-상태에 있을 때, 상기 출력 도파관들 중 다른 하나의 출력 도파관의 상기 제2 복수의 광 스위치들 중 하나의 광 스위치에 광 결합되는, 광 스위치.
  26. 광 스위칭 장치로서,
    복수의 입력 도파관들 - 각각의 상기 입력 도파관은 상기 입력 도파관에 결합되고 상기 입력 도파관을 따라 연장하는 제1 복수의 1x2 광 스위치들을 가짐;
    복수의 출력 도파관들 - 각각의 상기 출력 도파관은 상기 출력 도파관에 결합되고 상기 출력 도파관을 따라 연장하는 제2 복수의 1x2 광 스위치들을 가지며, 상기 제1 및 제2 복수의 광 스위치들 각각은 통과-상태와 교차-상태 사이에서 선택적으로 스위칭 될 수 있으며, 상기 입력 및 출력 도파관은, 임의의 파장의 광에 대해 발생하는 광 손실이 상기 1x2 광 스위치들 중 인접한 스위치들 사이에 배치된 상기 입력 및 출력 도파관의 한 가닥 부분들(a length of segments)에만 의존하도록 배치되며;
    상기 입력 도파관들 각각에 결합된 상기 제1 복수의 광 스위치들 각각은, 광 스위치들 둘 다가 상기 교차-상태에 있을 때, 상기 출력 도파관들 중 다른 하나의 출력 도파관의 상기 제2 복수의 광 스위치들 중 하나의 광 스위치에 광 결합되는, 광 스위치.
  27. 광 스위칭 장치로서,
    복수의 입력 도파관들 - 각각의 상기 입력 도파관은 상기 입력 도파관에 결합되고 상기 입력 도파관을 따라 연장하는 제1 복수의 1x2 광 스위치들을 가짐;
    복수의 출력 도파관들 - 각각의 상기 출력 도파관은 상기 출력 도파관에 결합되고 상기 출력 도파관을 따라 연장하는 제2 복수의 1x2 광 스위치들을 가짐;
    상기 제1 및 제2 복수의 광 스위치들의 각각의 광 스위치는 제1 상태와 제2 상태 사이에서 선택적으로 스위칭 될 수 있으므로, 제1 상태에서 각각의 광 스위치는 상기 광 스위치가 결합된 상기 입력 또는 출력 도파관 내에서 전파하는 광이 계속 전파하도록 허용하고, 제2 상태에서 각각의 광 스위치는 상기 광 스위치가 결합된 입력 또는 출력 도파관 내외로 광을 결합시키며; 그리고
    상기 입력 도파관들 각각에 결합된 상기 제1 복수의 광 스위치들 각각은, 광 스위치들 둘 다가 상기 제2 상태에 있을 때, 상기 출력 도파관들 중 다른 하나의 출력 도파관의 상기 제2 복수의 광 스위치들 중 하나의 광 스위치에 광 결합되며,
    상기 1x2 스위치들 각각은,
    (i) 변위 가능한(displaceable) 광 교차-가이드 - 상기 1x2 스위치는, 상기 광 교차-가이드가 상기 1x2 스위치들 각각이 결합된 상기 입력 또는 출력 도파관으로부터 제1 거리일 때 상기 제1 상태에 있고 상기 광 교차-가이드가 상기 1x2 스위치들 각각이 결합된 상기 입력 또는 출력 도파관으로부터 제2 거리일 때 제2 상태에 있음; 및
    (ii) 상기 변위 가능한 광 교차-가이드가 결합된 상기 입력 또는 출력 도파관으로부터의 상기 변위 가능한 광 교차-가이드의 거리가 상기 제1 또는 제2 거리와 동일하도록, 상기 변위 가능한 광 교차-가이드를 선택적으로 이동시키기 위한 액추에이터
    를 포함하는, 광 스위칭 장치.
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