WO2019225945A1 - 빛에 기초하여 전자기파의 전송을 제어하는 방법 및 그 장치 - Google Patents

빛에 기초하여 전자기파의 전송을 제어하는 방법 및 그 장치 Download PDF

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shunt via
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optical
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니콜라에비치 마쿠린미카일
설지비치 루캬노브안톤
알렉산드로브나 쉬펠레바엘레나
유리에비치 니키쇼브아르템
루돌포비치 빌렌스키아르템
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Definitions

  • the present disclosure relates to a method for controlling the transmission of electromagnetic waves based on light, for example, an optical signal, and more particularly, to a switch that can be turned on and off based on an optical signal and a method of operating the same.
  • PCBs Printed Circuit Boards
  • an apparatus for controlling transmission of electromagnetic waves may be disposed on a signal layer and electrically separated from the signal layer through a conductor line through which received electromagnetic waves are received at an input terminal, and a dielectric layer.
  • the disclosed embodiments provide a method and apparatus for controlling electromagnetic waves that can be easily integrated at low cost in a high frequency band.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a microstrip switch according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 2A illustrates a side view of an optical-switch according to one embodiment.
  • 2B is a diagram illustrating a top view of an optical-switch according to one embodiment.
  • FIG. 2C illustrates a bottom view of an optical-switch according to one embodiment.
  • FIG. 3 is a view for explaining the operating principle of the optical switch according to an embodiment.
  • 4A is a diagram illustrating an equivalent circuit and a transmission ratio of an off state switch according to an embodiment.
  • 4B is a diagram illustrating an equivalent circuit and a transfer rate of an on state switch according to an embodiment.
  • 5A is a diagram illustrating a simulation result of an off state switch according to an exemplary embodiment.
  • 5B is a diagram illustrating a simulation result of an on state switch according to an embodiment.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a transfer rate dependence on the frequency of a simulated switch according to an embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating an optical supply of a photoconductive semiconductor device according to one embodiment.
  • FIG. 8 is a diagram for describing optical power required according to the size of an optical-switch element according to an embodiment.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating an influence of passivation in an on / off state of a switch according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 10 is a diagram for describing a pulse mode of an optical source according to one embodiment.
  • 11A is a diagram illustrating a matching device according to an embodiment.
  • 11B is a diagram illustrating a matching device according to one embodiment.
  • 11C is a diagram illustrating a matching device according to one embodiment.
  • 11D is a diagram illustrating a matching device according to one embodiment.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating an equivalent circuit of an optical-switch having two matching elements according to one embodiment.
  • FIG. 13A illustrates an auxiliary matching element according to an embodiment.
  • 13B is a diagram illustrating an auxiliary matching device according to an embodiment.
  • FIG. 14 is a diagram illustrating an ideal phase based on the optical switch according to one embodiment.
  • FIG. 15 is a diagram showing an ideal phase based on the optical switch according to one embodiment.
  • 16 is a diagram for describing an operating principle of a reflective load according to an embodiment.
  • 17 illustrates an optical-switch based antenna according to one embodiment.
  • FIG. 18 illustrates an optical-switch based antenna according to one embodiment.
  • 19 is a diagram illustrating an optical-switch based antenna according to one embodiment.
  • FIG. 20A illustrates a single-pole multi-throw switch based on an optical-switch according to one embodiment.
  • 20B is a diagram illustrating a single-pole multi-throw switch based on an optical-switch according to one embodiment.
  • FIG. 21A is a diagram illustrating a multi-throw binary switch based on an optical-switch according to one embodiment.
  • 21B is a diagram illustrating a multi-throw binary switch based on an optical-switch according to one embodiment.
  • 22 is a block diagram illustrating an apparatus, for example an optical switch, for controlling transmission of electromagnetic waves according to one embodiment.
  • FIG. 23 is a block diagram illustrating an apparatus, for example an optical-switch, for controlling transmission of electromagnetic waves according to one embodiment.
  • FIG. 23 is a block diagram illustrating an apparatus, for example an optical-switch, for controlling transmission of electromagnetic waves according to one embodiment.
  • 24 is a flowchart illustrating a method of controlling transmission of electromagnetic waves according to an embodiment.
  • an apparatus for controlling transmission of electromagnetic waves may be disposed on a signal layer and electrically separated from the signal layer through a conductor line through which received electromagnetic waves are received at an input terminal, and a dielectric layer.
  • first and second may be used to describe various components, but the components are not limited by the terms. The terms are only used to distinguish one component from another.
  • first component may be referred to as the second component, and similarly, the second component may also be referred to as the first component.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a microstrip RF (Radio Frequency) switch and its current distribution.
  • a PIN diode As a switching component of a high frequency circuit, a PIN diode, a metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET), or a micro-electromechanical systems (MEMS) may be mainly used.
  • PIN diodes require complex bias circuits (switching from positive current source to negative voltage source), MOSFETs have high parasitic capacitance at low channel resistance, and MEMS have a limited number of times. It can have a switching cycle of and a high control voltage.
  • switching techniques for devices that transmit and receive high frequency signals have a very high complexity, and therefore, are conventional millimeter wave band products (> 10 GHz), e.g.
  • the cost of a switch may be required.
  • Switching techniques for high frequency signals may also result in increased RF losses due to the intersection of bias and power supply circuits for Radio Frequency (RF) channels, or may require complex bias and supply circuits, resulting in high volume ( Large printed circuit board space containing bulky components may be required, and thus integration into small devices may be difficult.
  • RF Radio Frequency
  • a microstrip diode high isolation switch has been proposed.
  • the above proposal included a microstrip switch based on a PIN diode, which can be implemented as a resistor in a broadband resonant circuit, which can be switched in two states. When the diode is in the conducting state, the resistance can appear in the form of a closed circuit.
  • waveguide RF coupling occurs between the bias diode of the PIN diode and the supply circuit, and the process is cumbersome and complicated.
  • a microstrip single pole double-throw switch comprising a plurality of MEMS contacts.
  • the first pair of contacts is located in close proximity to the input and output line junctions in order to optimize the bandwidth performance.
  • MEMS contacts that are not near the connection can be spaced along the output line to optimize isolation and throughput in the off-state and minimize insertion loss in the on-state.
  • the minimum current density is observed at the center of the microstrip with less surface recombination As a result, high losses can occur when the current passes through the weakly-conducted portion of the switch, thus the 'on' state.
  • High optical power may be required to set the switch of. This kind of switch can have a low blocking level due to parasitic capacitance.
  • An apparatus for controlling the transmission of electromagnetic waves may include a printed circuit board including a signal layer, a ground layer, and a dielectric layer therebetween.
  • the signal layer can include a microstrip conductor and a matching element.
  • the optical-switch also includes a shunt metal via, shunt via, located in the dielectric layer between the signal layer and the ground layer of the printed circuit board and separated from the ground layer of the printed circuit board by the dielectric gap. It may include.
  • the shunt via may be electrically connected with the microstrip conductor and the matching element.
  • the optical-switch may also include a photoconductive semiconductor element (PSE) positioned on the ground layer of the printed circuit board and electrically connected to the shunt via and signal layer of the printed circuit board.
  • PSE photoconductive semiconductor element
  • the photoconductive semiconductor device has at least two states, for example, a dielectric state having a low intrinsic electrical conductivity without a control luminous flux ("off" state), and a conducting state ("on") having a relatively high electrical conductivity with a control luminous flux. State).
  • the control luminous flux described above may be configured to compensate for parasitic capacitance occurring in the gap between the contact pad of the shunt via and ground, and may have inductive properties in the operating bandwidth of the switch.
  • the shunt via may be in direct contact with the microstrip conductor and the matching element.
  • the optical-switch may further comprise an auxiliary matching element electrically connected to the shunt via, configured to compensate for the reactance of the shunt via, and having a capacitive characteristic at the operating frequency bandwidth of the switch.
  • the auxiliary matching element may be in the form of a conductive pad positioned to be separated by an additional dielectric layer outside the signal layer side of the printed circuit board, and the shunt via may not be in contact with the signal layer.
  • the shunt via is formed into a break
  • the auxiliary matching element can be implemented in the form of a capacitor embedded in the shunt via, and the plate in the hole positioned parallel to the signal layer and the ground layer ( plane, and in one embodiment, one plate may be in contact at one end of the shunt via and the hole, and the other plate may be in contact at the other end of the hole with the shunt via.
  • the printed circuit board may have a multilayer structure.
  • the optical-switch may further include a light source connected to the photoconductive elements including the photoconductive semiconductor elements, to supply light to the above-mentioned photoconductive elements.
  • the light source may be a light emitting diode (LED) or a laser diode.
  • LED light emitting diode
  • laser diode a laser diode
  • the optical-switch may further comprise a control circuit connected to the light source to control the state of the light source.
  • the optical-switch may control the light source in pulsed mode, in which the control circuit generates a first pulse having a duration sufficient to set the switch to an "on" state. It is possible to produce a subsequent pulse with a duration sufficient to fully restore the "on” state, with a period shorter than the life of the carrier in the material of the photoconductive element, while keeping the switch "on".
  • the optical-switch is located between the photoconductive element and the light source and within a dielectric transparent spacer, a dielectric transparent spacer, one end of which is connected to the second contact output of the light source and the other end of the control circuit. And a feed conductor coupled to the second feeding output of the first contact output of the light source, which may be coupled to the first feeding output of the control circuit.
  • the photoconductive device may cover both the shunt via and the dielectric gap.
  • the photoconductive device may be passivated.
  • the matching element may be formed in the form of a microstrip branch from a connection point with the microstrip conductor.
  • the matching element may be formed in the form of a triangle whose vertex is at a connection point with the microstrip conductor.
  • the optical-switch may further comprise a shunt via located in a dielectric layer between the signal layer and the ground layer of the printed circuit board, wherein the short via described above may comprise the far end of the matching element and the printed circuit board. It can be connected to the ground layer.
  • the switch can be used as a switch element in a microstrip idealizer, antenna or single-pole multi-throw switch.
  • the microstrip idealizer comprises a directional coupler comprising an input port, an output port and two branches, each end of which is connected to a branch of the corresponding directional coupler and the other end is electrically connected to ground.
  • two controllable reflective load elements in connection with the optical-switch according to the embodiment which can be used as at least part of the controllable reflective load element.
  • the wave may be reflected from the shunt via when the switch is in the "on" state, and the wave may be reflected from the terminal via when the switch is in the "off” state.
  • the length of the microstrip conductor and the connection point of the photoconductive element can determine the phase shift.
  • the microstrip abnormality comprises a quarter-wave section of a transmission line, one end of which is connected to the abnormality input and the first branch and the other end of which is connected to the abnormality output and the second branch, wherein each branch line is It is connected in series with the transmission line.
  • the microstrip idealizer described above has additional segments of optical-switch and transmission lines in accordance with an embodiment, where the additional segments may connect the output of the optical-switch to terminal metallized vias electrically connected to ground. While the switch is in the 'on' state, the wave may be reflected from the shunt via, and while the switch is in the 'off' state, the wave may be reflected from the terminal via.
  • the length of all the elements of the branch line and the junction of the photoconductive elements can determine the required phase shift.
  • the microstrip antenna may include at least one radiating element comprising two arms coupled to the antenna input.
  • the optical-switch according to the embodiment may be located on each arm of the above-mentioned radiating element, at a quarter lower length from the antenna input, and each time for controlling the polarity of the above-mentioned radiating element. May have different on / off states.
  • the radiating element may be a dipole, with the antenna providing radiation in the end fire direction.
  • the radiating element may be a microstrip patch antenna, i.e., a microstrip cavity antenna, where the antenna may provide radiation in the broadband direction.
  • the microstrip antenna may comprise two radiating elements, where one radiating element is a dipole and the other radiating element is a patch, and the antenna radiates in both the end-fire direction and the wideband direction Can be provided.
  • the microstrip antenna may be provided using a multilayer printed circuit board, wherein the two radiating elements may be stacked on different conductive layers of the printed circuit board.
  • a single-pole multi-throw (SPnT) switch comprises a wavelength of 1 from the intersection of an input port, a plurality of output ports and microstrips connecting the input port to the plurality of output ports. It may include a plurality of optical-switches located at a / 4 distance, and in order to connect the input port to the required output port, the switch located in the path between the input port and the required output port may be in an 'on' state. And the other switch may be in an 'off' state.
  • a microstrip single-pole multi-throw (SPnT) switch includes a multiway power divider including a plurality of power dividers having one input and two outputs, and It may include a plurality of optical-switches, where the plurality of optical-switches may be located at a quarter wavelength distance from the intersection within each arm of each power divider.
  • the above-described single-pole multi-to-switch switches allow the switch located in the path between the input port and the required output port of the multi-power power divider to connect the input port to the required output port of the multi-power power divider in the 'off' state. The other switch can be left in the 'on' state.
  • the present invention can provide a simple and inexpensive optical-switch configured to operate in the millimeter wave range while exhibiting improved performance over prior art solutions.
  • FIG. 2A to 2C are diagrams illustrating an apparatus for controlling transmission of electromagnetic waves based on an optical signal according to an embodiment, hereinafter, an optical switch.
  • FIG. 2A shows a side view of the optical-switch according to one embodiment
  • FIG. 2B shows a top view of the optical-switch according to one embodiment
  • FIG. 2C shows a bottom view of the optical-switch according to one embodiment, respectively. do.
  • the switch 1 comprises a printed circuit board 2, which is positioned between the signal conductive layer 3, the ground conductive layer 4 and between them.
  • Dielectric layer 5 may be included.
  • the signal conductive layer 3 may comprise interconnected microstrip conductors 6 and matching elements 7.
  • the microstrip conductor 6 may serve as a passage through which electromagnetic waves are moved.
  • the matching element 7 is shown beyond the board in FIG. 2A but this is for ease of understanding, and it will be fully understood by those skilled in the art that it can be located on the signal conductive layer 3 of the printed circuit board 2 in practice. .
  • the ends of the microstrip conductor 6 may be the input and output ports of the switch.
  • a shunt via 8 for example a shunt metalized via, may be provided on the printed circuit board 2.
  • the shunt via 8 is in direct electrical contact with the microstrip conductor 6 and the matching element 7, but is separated from the ground conductive layer 4 of the printed circuit board 2 by the dielectric gap 9. It may not be in direct contact.
  • one of the main functions of the switch may be performed by the PSE 10 located in the ground conductive layer 4 of the printed circuit board 2.
  • the PSE 10 may be interconnected with the shunt via 8 and the ground conductive layer 4.
  • PSE 10 may have at least two states. The first state is an off state, which may be a dielectric state with low intrinsic electrical conductivity due to no luminous flux.
  • the second state is an on state, and may be a conductive state in which control light flux is present and thus has relatively high electrical conductivity.
  • a control circuit 11 and a light source 12, such as an LED, which may be included in the printed circuit board 2 may be further disclosed.
  • Light applied to the PSE 10 may be provided from an LED that is turned on and off by a control circuit using power handling.
  • FIG. 3 is a view for explaining the operating principle of the optical switch according to an embodiment.
  • the PSE 10 when light is not applied to the PSE 10, the PSE 10 is in an off state in a dielectric state. Electromagnetic waves entering the switch 1 through the input port RF port 1 experience little reflections at the PSE 10 and the shunt vias 8 at the output port RF port 2, with little loss. You can enter.
  • the PSE 10 when light is applied to the PSE 10, the PSE 10 is in an on state in a conductive state, and thus the signal conductive layer 3 may be shorted to the ground conductive layer 4. As a result, electromagnetic waves entering the switch 1 through the input port RF port 1 may be reflected by the PSE 10 and the shunt via 8 and may not reach the output port RF port 2. .
  • the matching element 7 can be configured to compensate for parasitic capacitance.
  • the matching element 7 may have to have an inductive property in the driving frequency band of the switch 1.
  • the matching element 7 may constitute a parallel resonant circuit having a partial connection together with the parasitic capacitance, the inductance of the shunt via 8 and the conductivity of the PSE 10, and may have a high resistance in the resonant region.
  • 4A is a diagram illustrating an equivalent circuit and a transmission ratio of an off state switch according to an embodiment.
  • 4B is a diagram illustrating an equivalent circuit and a transfer rate of an on state switch according to an embodiment.
  • the inductance of the matching element may be expressed as Equation 1 below.
  • Equation 1 ⁇ res may refer to a resonance frequency
  • L m may correspond to a matching element inductance
  • L via may refer to a shunt via inductance
  • C may refer to a parasitic capacitance
  • the shunt via in the off state where light is not applied to the PSE, the shunt via may be equivalent to the inductive element L, and the semiconductor PSE, the dielectric gap and the shunt via contact region may be equivalent to the capacitive element C. have.
  • the loss in the case of the non-resonant embodiment (when there is no matching element), in the off state, the loss may occur due to the waveform reflection at the discontinuous point of the line due to the parasitic capacitance, so that the transmission rate may be lowered.
  • the shunt via may be equivalent to the inductive element L, and the semiconductor PSE may be equivalent to the resistive element.
  • the inductance can partially shunt the line in parallel with the low resistance of the PSE. That is, referring to the graph of FIG. 4B, in the on state, the addition of a matching element (ie, resonant embodiment) may hardly change the locking characteristic of the switch.
  • the PSE and the shunt via can serve as optical-switches operating on the basis of photoconductive effects together with the area of the printed circuit board on which the microstrip conductor and the matching element are located.
  • the supply / bias circuitry of these switches can be isolated from the RF path.
  • the characteristics of the switch can be controlled using varying the power of the light supplied.
  • Such switches have low losses even at high frequencies and may be largely unaffected by external components.
  • such a switch can be easily installed at any desired position of the printed circuit board, including the multilayer board. By minimizing the number of parts, cost and complexity can be reduced and the possibility of integration into a compact device can be provided.
  • the optical-switch according to the present disclosure has a relatively wide drive frequency, in one embodiment of 10-20 percent.
  • FIG. 5A is a diagram illustrating a simulation result of an off state switch according to an embodiment.
  • 5B is a diagram illustrating a simulation result of an on state switch according to an embodiment.
  • the wave traveling from input port 1 to output port 2 experiences only a small amplitude reduction. That is, the transmission rate for the output port 2 may be higher than -1 dB, and the reflectance for the input port 1 may be lower than -20 dB.
  • the transfer rate for output port 2 may be lower than -20 dB.
  • the transmitted and reflected wave can form a standing wave between the input port 1 and the switch, and a maximum current point can be formed near the switch.
  • the reflectance of the input port 1 may be higher than -1 dB.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a transfer rate dependence on the frequency of a simulated switch according to an embodiment. More specifically, FIG. 6 is a diagram illustrating a transfer rate dependence on a frequency from an input port 1 to an output port 2.
  • a positive characteristic may appear even under a low light condition.
  • the conductivity of the PSE is already 200 S / m, a sufficient transfer rate of less than -20 dB can be ensured. Therefore, since the level for the conductivity required for the PSE can be significantly reduced, it may be sufficient to realize a specified level of switch lock even if the intensity of light supplied is low.
  • the switch according to the present disclosure can provide high sensitivity and low power consumption even under low light conditions.
  • the LED can be used as a light source.
  • a commercially available LED may have two contacts disposed on both sides, so to provide power it is sufficient to provide a direct contact at the first supply end of the control circuit 11, on the other hand Additional feed conductors 13 may be required.
  • a dielectric transparent spacer 14 is provided with the LED 12. It may be located between the PSE 10.
  • the dielectric transparent spacer 14 can be used as a light guide to provide the required distance from the light source 12 to the PSE 10.
  • the metal, for example copper, pad 15 may be a contact of the PSE 10 to form a connection with the ground layer of the printed circuit board and the shunt via.
  • the optical-switch of the above-described structure can have a very small volume by considering the distribution of volume current in the PSE in the target layout.
  • the optical switch of the structure described above enables easy integration into a very small device, reduces complexity, and optimizes power consumption.
  • the above-described optical supply method is exemplary, and it will be easily understood by those skilled in the art that, in the optical supply for the PSE, optical transmission by optical fiber or other embodiments may also be used.
  • FIG. 8 is a diagram for describing optical power required according to the size of an optical-switch element according to an embodiment.
  • the size ratio of the light source to the PSE can also affect the size of the light output required.
  • the radius of the optimized PSE was 1.4 mm (ie, 2.8 mm in diameter) and a small optical power of about 3.8 mW was required. If the size of the PSE is reduced, the required optical power is gradually increased, but even if the size of the PSE is increased, the required optical power is not greatly reduced. This effect is not limited only to the embodiment of the simulation, and the same or similarly applied to other embodiments.
  • This effect can be achieved not only by the diffusion of electrons passing through the conducting region under the action of light into the PSE, but also by the reduction of the effect of the effects of damage associated with damage to the semiconductor structure due to mechanical cutting during the process. .
  • the electrons in this region have a short useful life, and large optical power may be required to make the entire semiconductor material conductive.
  • the quality of the surface of the wafer can be high, and the influence of this surface can be greatly reduced during the recombination of minority carriers.
  • the size of the device has a size that can be compared with the size of the light source, a larger optical power must be supplied to compensate for the effect of the edge and to ensure a certain level of conductivity in the desired area.
  • the influence of the edges which, due to the conduction charge diffusion, can achieve the required conductivity in a wider area under the same light source, can be weakened.
  • the same effect can be used to obtain the same region having a predetermined conductivity, to increase the size of the semiconductor element, and to reduce the optical power consumption in the light source of fixed size.
  • the current can be concentrated in the central portion of the PSE, which is the region with the highest electrical conductivity.
  • the need for PSE design and the need for optical power to be delivered can be alleviated.
  • a method of calculating the concentration of the photoconductive electrons n in the semiconductor device may be as in Equations 2 to 4.
  • Equation 2 may be a Helmholtz equation
  • Equation 3 may mean azimuthal symmetry
  • s may be a diffusion length
  • D may be a diffusion constant
  • ⁇ may be an electron lifetime of a semiconductor
  • ⁇ may be a lighting function.
  • the on / off time of the key can also be controlled.
  • Longer carrier life within a PSE volume means longer carriers transition to conductive (or recombination) levels over the entire PSE thickness, i.e. longer than until the device finally turns on / off. It may take time. And vice versa, under sufficient optical power, a PSE with short-lived carriers can quickly switch on / off.
  • the recombination edge effect can increase or decrease the life of the bulk carrier and thus the entirety of the switch.
  • the on / off time can be increased or decreased. Therefore, according to the purpose of the device, the geometrical parameters of the PSE and the light source can be selected to optimize the optical power consumption and the on / off time of the switch.
  • Various kinds of semiconductors for example silicon or gallium-indium arsenide, can be selected as the material of the PSE.
  • the electron lifetime ( ⁇ ) of the material can determine the switching time of the kinematic-switch (t on , t off to ⁇ ). This can be reduced through passivation, ie surface treatment, of the material.
  • carrier life is inversely related to optical power (P opt ⁇ 1 / ⁇ ). As a result, greater optical power and increased energy consumption may be required to reduce the switching time.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating an influence of passivation in an on / off state of a switch according to an exemplary embodiment.
  • on and off times were determined based on the 10% and 90% levels of power supplied.
  • Table 1 is a table illustrating the influence of passivation on the optical-switch material.
  • the on time t on and off time t off can be reduced under the following conditions:
  • various modes of optical supply may be used for PSE light application, including continuous mode or pulsed mode.
  • an LED or a laser diode may be used as the light source.
  • FIG. 10 is a diagram for describing a pulse mode of an optical source according to one embodiment.
  • the duration of the first pulse must be sufficient to set the switch on, and the period of the pulse while the switch is on so that there is no time for the carrier concentration to decrease rapidly while the light source is off. It may need to be shorter than the carrier life of the PSE material, and the duration of the pulse may need to be sufficient to recover the on state.
  • the size, shape and location of the PSE, light source, shunt vias of the optical-switch and the printed circuit board may vary. These parameters can be varied depending on the structure of the printed circuit board, the current flow region for efficient switching, easy device placement and insulation conditions for installation.
  • the light source may be disposed beyond the center of the semiconductor device, or may be moved to its edge. In all these embodiments, the PSE can completely overlap the shunt vias and thus contact the signal layer of the printed circuit board.
  • 11A-11D are diagrams for signing an exemplary matching element.
  • 11A is a diagram illustrating a matching device according to an embodiment. Referring to FIG. 11A, when the size of the device is limited, the length L ⁇ / 4 of the matching element 7 may be located, and the short via 16 may be located at the far end.
  • 11B is a diagram illustrating a matching device according to one embodiment. Referring to FIG. 11B, if there is no limit on the size of the matching element 7 and the operating bandwidth is relatively narrow, on the microstrip brunch from the connection point of the microstrip conductor 6 and the shunt via, the length L> It is sufficient to position it on the printed circuit board such that ⁇ / 4.
  • 11C is a diagram illustrating a matching device according to one embodiment.
  • the length L ⁇ / 4 of the matching element 7 may be present and the short via 16 may be located at the far end.
  • the matching element 7 may have a triangular shape with the vertex located at the junction of the microstrip conductor 6 and the shunt via.
  • the matching element 7 may have a triangular shape with the vertex located at the junction of the microstrip conductor 6 and the shunt via.
  • the switch according to the embodiment has a capacitive characteristic and may further include an auxiliary matching element, which compensates for the reactance L via of the shunt via.
  • signal blocking may be improved by the matching element L m and the auxiliary matching element C m .
  • FIG. 13A illustrates an auxiliary matching element according to an embodiment.
  • the auxiliary matching element according to the embodiment is located outside the signal layer 3 direction of the printed circuit board 2 and is separated from the additional capacitive plate 17 using an additional dielectric layer 18. It can be implemented in the form of).
  • an additional capacitance C m may be formed between the plate 17 and the signal layer 3.
  • the shunt via 8 may not be in contact with the signal layer 3 but may instead be in contact with the plate 17.
  • the auxiliary matching device according to the embodiment may be implemented in the form of a capacitor embedded in the shunt via 8 inside the printed circuit board 2. That is, the shunt via 8 according to the embodiment is formed into a break, and the plates 19 of capacitance C m are located in a hole located parallel to the signal layer 3 and the ground layer 4. It can be implemented in a plane. In an embodiment, one plate may be in contact with the shunt via 8 at one end of the hole and the other plate may be in contact with the shunt via 8 at the other end of the hole. Dielectric 18 may be located between plates 19.
  • the auxiliary matching device according to the embodiment described above is easy to install, and may be particularly easy to implement in multilayer printed circuit boards in which capacitor plates can be formed in the intermediate conductive layer.
  • Fig. 14 and 15 illustrate an outlier in which the optical-switch according to the embodiment is used as part of a controllable reflective load (RL).
  • Fig. 16 is a view for explaining the principle of operation of the reflective load in the above-described phase shifter.
  • the idealizer according to the embodiment may be used in various applications requiring a control element or phase control to control the antenna array.
  • FIG. 14 is a diagram illustrating an ideal phase based on the optical switch according to one embodiment.
  • the switch may be in an off state, and waves may be reflected at terminal vias that connect the output port of the switch (ie, the end of the microstrip conductor) to the ground layer of the printed circuit board. When the switch is in the on state, the wave can be reflected from the shunt via.
  • this type of RL in this phase it is possible to set any phase change in the range of 0 ° -360 °, and select the microstrip arms of the desired length at the connection point of the bridge and PSE located along this Michaelstrip. In order to calculate the delay, it may be necessary to apply twice the magnification to the length difference between the terminal via and the PSE.
  • switching changes the electrical length of the microstrip and can change the phase of the reflected signal.
  • the 3-dB hybrid combiner can convert the phase of the reflected signal to the phase of the transmitted signal, thus providing a small and inexpensive outlier.
  • FIG. 15 is a diagram showing an ideal phase based on the optical switch according to one embodiment.
  • FIG. 15 The principle similar to the embodiment of FIG. 14 may be applied to the embodiment of FIG. 15. Meanwhile, referring to FIG. 15, when the switch according to the embodiment is turned on, the wave may be directly reflected from the shunt via. Also, when the switch is off, the wave can be reflected from the terminal via.
  • one end of the quarter-wave section of the transmission line may be connected to the input of the phase shifter, and the other end may be connected to the output and the second branch of the phase shifter.
  • Each branch may include additional transmission line segments having serially coupled transmission lines TL, PSE and complex impedance z.
  • the complex impedance z may be the impedance of the transmission line segment with the terminal via of the switch plane.
  • the length of all the line elements of the branch and the junction of the photoconductive elements can determine the required phase change.
  • the phase change range may be in the range of 0 ° -45 °.
  • the transition between the on and off states of the switch which constitutes part of the controllable reflecting load, reflects the wave reflection at the input between the terminal via and the shunt via. You can switch. Thus, depending on the on / off state of the switch, the wave may have a specific, or another particular phase change.
  • FIG. 17 illustrates an optical-switch based antenna according to one embodiment.
  • a radiating dipole cell structure is shown in which an optical-switch is embedded in each arm of the dipole.
  • the distance from the input of the antenna to each optical-switch may be one quarter of the wavelength.
  • FIG. 18 illustrates an optical-switch based antenna according to one embodiment.
  • a radiating patch antenna cell is shown in which an optical-switch is embedded in each arm of the dipole. Similar to the embodiment of FIG. 17, the distance from the input of the antenna to each optical-switch may be one quarter of the wavelength.
  • the polarity of the patch antenna can be switched. This type of antenna can provide radiation in the wide direction.
  • FIG. 19 is a diagram illustrating an optical-switch based antenna according to one embodiment.
  • the antenna according to the embodiment of FIG. 19 may be a combination of the antennas according to the embodiments of FIGS. 17 and 18. In this case, a multilayer printed circuit board can be used.
  • An antenna of the combined type, such as the embodiment of FIG. 19, can provide radiation in both the end-fire direction and the wideband direction.
  • optical-switch according to the embodiment described above can also be used for a single-pole multi-throw (SPnT) switch.
  • SPnT single-pole multi-throw
  • the optical-switch elements of the device may be located at ⁇ / 4 distance from the intersection of the microstrips connecting the device's input port and the N output ports.
  • one of the optical-switch elements may be in an off state and the other optical-switch elements may be in an on state.
  • the signal is passed from the input port to the output port where the optical-switch element is in the off state and can be reflected from the optical-switch elements in the other on state.
  • switching between a plurality of RF channels can be controlled using on / off control of the optical-switch element according to the embodiment.
  • the optical-switch elements of the device may be located at each lambda (branch) of the microstrip power divider, at ⁇ / 4 distance from the junction.
  • elements of the optical-switch elements located in the path between the input and the desired output are in an off state so that a signal can pass freely and the remaining optical-switch elements are in an on state
  • the signal may be reflected off and never reach its output.
  • switching between a plurality of RF channels can be controlled using on / off control of the optical-switch element according to the embodiment.
  • the device 100 may include a signal layer 110, a shunt via 120, a photoconductive semiconductor 130, and a ground layer 140.
  • the device 100 may be formed on a PCB, and the signal layer 110 and ground layer 140 may each be a conductive layer and a ground layer of the PCB.
  • a dielectric layer may be positioned between the signal layer 110 and the ground layer 140 to electrically insulate the two layers.
  • the dielectric layer may be made of a material selected from materials having low dielectric loss, sufficient electrical or mechanical strength, thermal conductivity, temperature and chemical resistance, and good machinability.
  • the dielectric layer may be made of an oxide-based ceramic such as BaO—TiO 2 —MnO 2 or a mixture of organic materials filled with ceramic.
  • the signal layer 110 may include a conductor line 111 for propagating electromagnetic waves.
  • the conductor line 111 may be a microstrip transmission line.
  • the conductor track 111 may propagate electromagnetic waves from the input end to the output end of the device 100.
  • the shunt via 120 may be connected to a conductor line at a first end thereof and to a photoconductive semiconductor 130 at a second end thereof.
  • the shunt via 120 may be formed in the signal layer 110 in the direction of the ground layer 140, but may have a dielectric gap therebetween without being directly connected to the ground layer 140.
  • the shunt via 120 may be formed of a material having high conductivity, for example a metal.
  • the photoconductive semiconductor 130 may be connected between the shunt via 120 and the ground layer 140.
  • the photoconductive semiconductor 130 has at least two states, for example, a dielectric state (“off” state) with a low intrinsic electrical conductivity without the control light flux, which is an optical signal, and a relatively high light flux with the control light flux. It may have a conductive state (“on” state) with electrical conductivity.
  • the photoconductive semiconductor 130 may electrically connect the shunt via 120 and the ground layer 140 when an optical signal is input, and electrically insulate the shunt via 120 and the ground layer 140 when the optical signal is not input. Can be.
  • electromagnetic waves can travel from the input port to the output port through the conductor line 111 connecting between the input port and the output port.
  • the conductor line 111 is electrically connected to the ground layer 140 through the shunt via 120 and the photoconductive semiconductor 130 to be in a shunt state, and thus electromagnetic waves are applied to the shunt via 120. It can't go through and be reflected. Therefore, the apparatus 100 may control the transmission of the electromagnetic wave by controlling the connection between the conductor line 111 and the ground layer 140 based on the input of the optical signal.
  • the device 100 since the device 100 does not directly connect the photoconductive semiconductor 130 on the conductor line 111, the device 100 may prevent aging and degradation of the circuit due to electron recombination and edge effects.
  • FIG. 23 is a block diagram illustrating an apparatus, for example an optical-switch, for controlling transmission of electromagnetic waves according to one embodiment.
  • the device 100 may include a signal layer 110, a shunt via 120, a photoconductive semiconductor 130, and a ground layer 140.
  • the device 100 may be formed on a PCB, and the signal layer 110 and ground layer 140 may each be a conductive layer and a ground layer of the PCB.
  • a dielectric layer may be positioned between the signal layer 110 and the ground layer 140 to electrically insulate the two layers.
  • the device 100 may include a matching element 150 connected to the conductor line 111 and the shunt via 120.
  • the matching element 150 provides an inductive characteristic in the operating bandwidth of the device 100 to compensate for parasitic capacitance generated at the dielectric adapter located between the shunt via 120 and the ground layer 140.
  • the branch may include a device.
  • the matching element 150 may include a device having a capacitive specification in the operating bandwidth of the device 100 to compensate for the reactance of the shunt via 120.
  • the inductive element portion of the matching element 150 is electrically connected to the shunt via 120 and the conductor line 111 and may be formed on the signal layer 110.
  • the inductive portion of the matching element 150 may compensate for parasitic capacitance generated between the shunt via 120 and the photoconductive semiconductor 130 and the ground layer 140 and the photoconductive semiconductor 130.
  • the parasitic capacitance causes a loss of signal in the off state of the photoconductive semiconductor 130, thereby lowering the transfer performance.
  • the inductive element portion of the matching element 150 causes an oscillating circuit having a high resistance value in the resonant region in the operating frequency region of the device 100, so that electromagnetic waves are generated with little loss. Since it can pass through, the delivery rate can be significantly improved.
  • the inductive element portion of the matching element 150 does not significantly affect the performance of electromagnetic wave reflection in the on state of the photoconductive semiconductor.
  • the capacitive element portion of the matching element 150 may compensate for the reactance of the shunt via 120.
  • the reactance of the shunt via 120 lowers the reflectance of electromagnetic waves in the on state of the photoconductive semiconductor 130, and thus may lower the signal blocking performance.
  • the capacitive element portion of the matching element 150 causes an oscillating circuit in the resonant region to occur in the operating frequency region of the device 100, thus connecting in series in an equivalent circuit with the reactance of the shunt via 120. It is possible to improve the signal difference performance by forming a capacitance.
  • the capacitive element portion of the matching element 150 may be in the form of a conductive pad positioned to be separated by an additional dielectric layer outside the signal layer 110 side, where the shunt via 120 is a signal. It may not be in contact with the layer 110.
  • the shunt via 120 is formed to include a break, and the capacitive element portion of the matching element 150 may be implemented in the form of a capacitor embedded in the shunt via 120, It may be implemented as planes in the holes located parallel to the signal layer 110 and the ground layer 130. At this time, one of the plates described above may be in contact with the shunt via 150 at one end of the hole, and the other plate may be in contact with the shunt via 150 at the other end of the hole.
  • the device may receive an electromagnetic wave through an input end positioned on a signal layer.
  • the received electromagnetic wave may travel through the conductor track.
  • the apparatus may receive an optical signal as a photoconductive semiconductor having one of a dielectric state and a conductive state based on the input of the optical signal.
  • the optical signal may be provided from a light source comprising an LED.
  • the optical signal may be provided in the form of a pulse and the length of the pulse may be determined according to the size, material and dielectric properties of the photoconductive semiconductor.
  • the conductor line is electrically grounded and electrically grounded through the signal layer and the dielectric layer through the shunt vias connected with the photoconductive semiconductor and the photoconductive semiconductor based on the input of the optical signal, the conductor line being electrically grounded. Can be connected. For example, when the photoconductive semiconductor is turned on based on the optical signal, the conductor line may be electrically connected to the ground layer. On the other hand, if the photoconductive semiconductor is off, the conductor lines may be electrically insulated from the ground layer.
  • electromagnetic waves may be reflected on the shunt via based on the input of the optical signal.
  • the conductor lines are electrically connected to the ground layer, whereby electromagnetic waves can be reflected in the shunt vias.
  • the conductor lines are electrically insulated from the ground layer, so that electromagnetic waves can travel along the conductor lines from the input end to the output end.
  • the broadband direction may mean a direction perpendicular to the device (eg, communication device) plane
  • the end-fire direction is a direction parallel to the plane of the device, eg, the display plane. Can be.
  • An optimized beamforming generation based on a photoconductive device using an optical-switch may be applied to electronic devices that require Rf signal control.
  • a strip line, a circulator, an idealizer, a switch, an antenna, and the like may be applied to electronic devices that require Rf signal control.
  • WIGG Wireless Gigabit Alliance
  • optical-switch when used for wireless power transmission, an antenna array of multiple emitters connected to the control circuit through separate optical-switches may be used, wherein the control circuit may be a diffraction grating ( You can control the switches on and off in the form of diffraction lattice.
  • the transmission antenna according to the embodiment described above may have improved directivity at a wide range of angles.
  • the antenna can be used for the operation of detecting or avoiding obstacles. Since the antenna using the optical-switch according to the embodiment has a variable directivity in a wide range, the device can easily predict the obstacle.
  • the optical switch according to the embodiment can also be used in the antenna of the 5G base station.
  • the antenna using the optical-switch according to the embodiment has a directivity that is variable in a wide range and at the same time provides a wide range of available distances, so that the antenna can efficiently transmit and receive signals according to communication characteristics.
  • a computer readable medium storing a computer program for operating the above-described method may be provided.
  • the contents of all articles and documents submitted simultaneously with or previously disclosed in this specification and published in connection with the present disclosure may be included as a reference.
  • the computer described above in the present disclosure may be implemented with hardware components, software components, and / or combinations of hardware components and software components.
  • the devices and components described in the embodiments may be, for example, processors, controllers, arithmetic logic units (ALUs), digital signal processors, microcomputers, field programmable arrays (FPAs), It may be implemented using one or more general purpose or special purpose computers, such as a programmable logic unit (PLU), microprocessor, or any other device capable of executing and responding to instructions.
  • ALUs arithmetic logic units
  • FPAs field programmable arrays
  • PLU programmable logic unit
  • microprocessor or any other device capable of executing and responding to instructions.

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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

빛에 기초하여 전자기파의 전송을 제어하는 방법 및 그 장치
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.
고주파대역에서 간편하면서도 용이하게 집적될 수 있는 전자기파를 제어하는 방법이 요구된다.
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.
개시된 실시예는 고주파대역에서 낮은 비용으로 용이하게 집적될 수 있는 전자기파를 제어하는 방법 및 그 장치를 제공한다.
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.
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.
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.
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수학식 1에서, ω res는 공진 주파수를, L m은 매칭 소자 인덕턴스를, L via는 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.
Figure PCTKR2019006063-appb-img-000002
Figure PCTKR2019006063-appb-img-000003
Figure PCTKR2019006063-appb-img-000004
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.
Figure PCTKR2019006063-appb-img-000005
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(t on, t off ~ τ). 이는 소재를 패시베이션, 즉 표면 처리, 하는 것을 통해, 감소될 수 있다. 한편, 캐리어 수명은 광학 파워와 반비례 관계에 있다(P opt ~ 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.
Figure PCTKR2019006063-appb-img-000006
상술된 실시예에서, 온 시간(t on) 및 오프 시간(t off)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(L via)를 보상하는, 보조 매칭 소자를 추가적으로 포함할 수 있다. 도 12를 참조하면, 매칭 소자(L m)과 보조 매칭 소자(C m)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(C m)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(C m)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 (15)

  1. 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 하는, 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 장치는 인쇄회로기판을 이용하여 제공되며,
    상기 신호 레이어는 상기 인쇄회로기판의 전도 레이어이고, 상기 접지 레이어는 상기 인쇄회로기판의 접지 레이어인, 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 광신호는 펄스 신호이며, 상기 펄스 신호는 상기 광전도성 반도체를 도전 상태로 설정하는 제 1 펄스 및 상기 광전도성 반도체의 캐리어 수명보다 짧은 주기를 가지는 제 2 펄스를 포함하는, 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 장치의 구동 주파수 대역에서 공진 회로를 형성하기 위한 매칭 소자를 더 포함하는, 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 매칭 소자는 상기 션트 비아와 상기 접지 레이어 사이의 기생 커패시턴스를 보상하는 유도성 소자를 포함하는, 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 유도성 소자는 상기 도체 선로 및 상기 션트 비아와 각각 연결되며, 상기 신호 레이어 상에 형성되는, 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 유도성 소자는 상기 도체 선로와 상기 션트 비아의 연결점에 꼭지점이 위치하는 삼각형의 형태로 형성되는, 장치.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 매칭 소자는 상기 션트 비아와 전기적으로 연결되어 상기 션트 비아의 리액턴스를 보상하는 용량적 소자를 포함하는, 장치.
  9. 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.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 용량적 소자는 상기 션트 비아에 임배디드된 커패시터의 형태로 형성되는, 장치.
  11. 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.
  12. 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 하는, 이상기.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 도체 선로는 상기 유전 상태인 광전도성 반도체를 통해 상기 접지 레이어와 전기적으로 절연되어, 상기 말단 비아에서 전자기파가 반사되도록 하는, 이상기.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 이상기는 인쇄회로기판을 이용하여 제공되며,
    상기 신호 레이어는 상기 인쇄회로기판의 전도 레이어이고, 상기 접지 레이어는 상기 인쇄회로기판의 접지 레이어인, 이상기.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 광신호는 펄스 신호이며, 상기 펄스 신호는 상기 광전도성 반도체를 도전 상태로 설정하는 제 1 펄스 및 상기 광전도성 반도체의 캐리어 수명보다 짧은 주기를 가지는 제 2 펄스를 포함하는, 이상기.
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