WO2021112568A1 - 광학 제어 스위치 및 이를 포함하는 전자 장치 - Google Patents

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니콜래비취 마쿠린미캐일
이종민
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    • H01S5/18308—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL] having a special structure for lateral current or light confinement
    • H01S5/18311—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL] having a special structure for lateral current or light confinement using selective oxidation

Definitions

  • the present disclosure relates to radio engineering, and more particularly, to an optically controlled millimeter wave switch based on a transmission line having a semiconductor substrate.
  • millimeter wave networks and devices such as 5G and 6G, WiGig, automotive radar, etc. are being actively developed.
  • EHF extreme high frequencies, 30-300 GHz
  • a new class of elements and circuits active elements, antennas, printed circuit boards, feeders and switching devices
  • a switch is an important component because it can control the switching of a signal propagation channel.
  • These switches include a printed circuit board (PCB) comprising top and bottom layers, a dielectric layer between the top and bottom layers, a plurality of vias electrically connected to the top and bottom layers and located in at least two rows, electrically shorted.
  • PCB printed circuit board
  • a via a photoconductive element coupled to the bottom layer and separated from the top layer by a dielectric gap, and electrically coupled to the top layer and the shorted via.
  • the photoconductive element includes a dielectric state and a conductor state, and an electromagnetic wave provided to the optically controlled switch is propagated or blocked through a waveguide formed between at least two rows.
  • the photoconductive element is made of a material with a relatively high dielectric constant (e.g., about 12 for silicon), both in partially covered dielectric gaps and fully covered dielectric gaps, both , and creates a radiative condition in the gap, as in a ring radiator.
  • a relatively high dielectric constant e.g., about 12 for silicon
  • Uncontrolled copper wire etching does not provide high-precision fabrication and is best limited to +/-20um, leading to insufficient accuracy in copper strip linewidth and via positioning resulting in the required significant surface finish as well as metallization.
  • the gap width is not respected. This is important at frequencies above 30 GHz. Because at these frequencies all these imprecise manufacturing causes discontinuities, which in turn results in deviations of the calculated and actual characteristics of the transmission line, and high losses in dielectrics and conductors.
  • the copper line thickness of conventional PCB technology is relatively large. Because of this, parasitic reactance occurs at frequencies above 30 GHz and must be compensated using additional components, which incur additional losses, increase in size and narrow bandwidth.
  • VSCELs Vertical cavity surface emitting lasers
  • EHF switches existing on the market are bulky, complex, expensive, and have very high losses, and are inconvenient to integrate because they require isolation of supply/bias circuits.
  • US Pat. No. 9,431,564 B2 discloses a photoconductive switch comprising a photoconductive material and first and second contacts provided on the photoconductive material, wherein the first and second contact points comprise a plurality of interdigitated tracks, each contact track separated from the other contact's track by a photoconductive gap, wherein the tracks have a minimum photoconductive gap measured in the first direction. 1 curves to remain substantially the same regardless of the direction of the direction.
  • the function of this switch is only to modulate the millimeter wave that passes through it, and it is not suitable for complete blocking because it has parasitic capacitance which further leaks the wave and degrades the insulation.
  • Patent US 9,716,202 B2 discloses a solid state optically activated switch that can be used as a limit switch or high voltage switch in a variety of applications.
  • the switch may incorporate the photoconductive properties of the semiconductor to provide a limiting function in linear mode.
  • the configuration of the switch allows for off-state transmission of greater than 99.9999% and on-state limiting of less than 0.0001% of the incident signal.
  • the difference between the nature and implementation of this known solution is that it applies only to power limiters where the signal is not reflected and must be absorbed or trapped by the attenuator, and semiconductor materials that contain nitrides to work effectively and require large optical power to activate the switch.
  • this document does not describe how to implement a switch using an integrated light source, and the coplanar structures described herein are not coplanar in practice. This is because it does not imply coplanar transmission line construction for distributing electromagnetic fields in its cross section, but rather represents a partially grounded conductor to divert some of the signal.
  • the present disclosure provides an optical control switch having a transmission line and capable of more precisely controlling a signal in the EHF range.
  • a circuit board comprising: a circuit board having a transmission line and a photoconductive switching region adjacent to the transmission line and having an electrical property controlled by light; and a laser positioned on the circuit board and emitting light toward the photoconductive switching region.
  • the circuit board and the laser may be integrally integrated.
  • the laser includes a lower reflective layer disposed on the circuit board; an active layer disposed on the lower reflective layer; and an upper reflective layer disposed on the active layer, wherein a reflectance of the lower reflective layer may be lower than a reflectance of the upper reflective layer.
  • the circuit board comprises: a substrate made of a semiconductor material and including the photoconductive switching region; and a first conductive layer disposed on the substrate to form a signal line of the transmission line and having a pattern for opening the photoconductive switching region.
  • the transmission line includes the first conductive layer; and a dielectric layer disposed on the first conductive layer.
  • the transmission line is a grounded coplanar waveguide, the first conductive layer covering an upper part of the photoconductive switching region and extending in one direction; and two ground planes spaced apart from each other on the same plane as the signal line on both sides of the signal line.
  • the signal line may have a non-uniform thickness in a portion of a region facing the photoconductive switching region.
  • the signal line may have a grid pattern.
  • the transmission line may further include a second conductive layer disposed on the dielectric layer and serving as a ground layer of the transmission line and having an open pattern facing the photoconductive switching region.
  • the second conductive layer may have a mesh pattern.
  • the transmission line may be a micro stripline, and the first conductive layer may include two segments spaced apart from each other with the photoconductive switching region therebetween.
  • the transmission line is a grounded coplanar waveguide, the first conductive layer covering an upper part of the photoconductive switching region and extending in one direction; and two ground planes spaced apart from each other on the same plane as the signal line on both sides of the signal line.
  • the signal line may have a non-uniform thickness in a portion of a region facing the photoconductive switching region.
  • the signal line may have a grid pattern.
  • the transmission line includes the first conductive layer; the substrate; and a second conductive layer formed on the lower surface of the substrate.
  • the thickness of the substrate may be less than or equal to a predetermined reference length determined according to a diffusion distance of the semiconductor material and a wavelength of light from the light source.
  • the substrate-integrated waveguide may further include a plurality of conductive vias passing through the substrate between the first conductive layer and the second conductive layer, wherein the plurality of conductive vias are disposed with the photoconductive switching region therebetween. They may be arranged in two rows to form conductive sidewalls.
  • a plurality of photoconductive switching regions may be provided in a direction crossing the two conductive sidewalls.
  • the photoconductive switch region is provided in a plurality of two-dimensionally arranged, and the first conductive layer has a pattern having a plurality of openings facing each of the plurality of photoconductive switching regions. Some may be selectively activated to form a reconfigurable conductive sidewall of the substrate integrated waveguide.
  • a size of the gap, an aperture size of the laser, and a carrier diffusion length in the photoconductive switching region may be substantially similar.
  • the photoconductive switching region may be created in the substrate using a processing method that introduces a new recombination center in the semiconductor material.
  • the semiconductor material may have a carrier lifetime greater than a predetermined criterion, and the processing method may be performed to reduce the carrier lifetime for the predetermined region to be the photoconductive switching region.
  • the semiconductor material has a carrier lifetime that is shorter than a predetermined criterion, and the processing method may be such that the carrier lifetime is reduced for an edge region surrounding the predetermined region to be the photoconductive switching region.
  • an electronic device including any one of the above-described optical control switches is provided.
  • the above-described optical control switch has a reduced size, which is advantageous for miniaturization, and thus has a low parasitic loss.
  • optical control switch In the above-described optical control switch, insertion loss is reduced in an ultra-high frequency (EHF) range, power consumption is reduced, and insulation between on/off states can be improved.
  • EHF ultra-high frequency
  • the above-described optical control switch can have an increased switching speed, an increased operating frequency band, and simple integration into SoI and CMOS devices.
  • the above-described optical control switch has a cost-effective structure that can operate in the mm-wave range of a frequency of 30 GHz or higher, and can be utilized in various electronic devices.
  • FIG. 1 is a diagram conceptually illustrating structural features of an optical control switch according to embodiments.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a structure of a light source provided in an optical control switch according to embodiments.
  • FIG. 3 is a perspective view illustrating a structure of an optical control switch according to an embodiment.
  • Fig. 4 shows an equivalent circuit in which the optical control switch of Fig. 3 functions as a series switch.
  • 5A and 5B illustrate the operating principle of the optical control switch of FIG. 3, respectively, showing an off and on state of the switch.
  • FIG. 6 is a perspective view showing a structure of an optical control switch according to another embodiment.
  • Fig. 7 shows an equivalent circuit in which the optical control switch of Fig. 6 functions as a parallel type switch.
  • 8A and 8B illustrate the operating principle of the optical control switch of FIG. 6, respectively, showing an off and on state of the switch.
  • FIG. 10 is a graph showing the results of computational simulation of the carrier concentration inside the photoconductive material when light is irradiated to the photoconductive material.
  • FIG. 11 shows an exemplary conductivity distribution in the illumination region in the optical control switch of FIG. 6 .
  • FIG. 12 is a graph showing the results of computational simulation of S-parameters of the optical control switch of FIG. 6 .
  • FIGS. 13A to 13C are perspective views illustrating a schematic structure of an optical control switch according to still other embodiments.
  • FIGS. 14A to 14C are plan views detailing exemplary shapes of a signal line of a transmission line of an optical control switch near a photoconductive switching region SR according to embodiments.
  • FIGS. 15A to 16B show a schematic structure of an optical control switch according to another embodiment
  • FIGS. 15A and 15B are perspective and cross-sectional views of an off state
  • FIGS. 16A and 16B are perspective and cross-sectional views of an on state to be.
  • 17 is a perspective view showing a schematic structure of an optical control switch according to another embodiment.
  • FIG. 18 is a perspective view showing a schematic structure of an optical control switch according to another embodiment.
  • 19A and 19B show examples in which the optical control switch of FIG. 18 is in an on state.
  • 20 is a plan view exemplarily showing a structure of a phase shifter using an optical control switch according to an embodiment.
  • 21 and 22 show examples of local processing for a photoconductive switching region.
  • 23 is a conceptual diagram schematically illustrating a structure of a radar system to which an optical control switch is applied according to an embodiment.
  • the term “and/or” includes any and all combinations of one or more of each enumerated item.
  • FIG. 1 is a diagram conceptually illustrating structural features of an optical control switch according to embodiments.
  • the optical control switch 100 is disposed on the circuit board CB and the circuit board CB provided with the transmission line TL and the photoconductive switching region SR to control the photoconductive switching region SR. and a light source LS that illuminates light towards it.
  • the circuit board CB and the light source LS are integrally integrated, and the light source LS is disposed so that the light emission direction faces the photoconductive switching region SR provided in the circuit board CB.
  • the photoconductive switching region SR is located adjacent to the transmission line TL and has an electrical property controlled by light. For example, in an unilluminated state, the photoconductive switching region SR exhibits the properties of a dielectric and becomes electrically conductive when the light is illuminated. Accordingly, the electrical properties of the photoconductive switching region SR may be switched depending on whether the light source LS is turned on or off, and the propagation of the wave in the transmission line TL may be switched to reflection or transmission.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a structure of a light source that may be provided in an optical control switch according to embodiments.
  • the light source LS may be a laser, and as illustrated, may be a vertical cavity surface emitting laser (VCSEL).
  • VCSEL vertical cavity surface emitting laser
  • the light source LS includes a light emitting layer 70 that generates light, and a lower reflective layer 50 and an upper reflective layer 80 under and above the light emitting layer 70 , respectively.
  • the light emitting layer 70 may include an active layer 72 and a lower cladding layer 71 and an upper cladding layer 73 disposed on and below the active layer 72 .
  • the active layer 72 may include a III-V semiconductor material and may have a multi-quantum well structure, but is not limited thereto.
  • the lower reflective layer 50 and the upper reflective layer 80 may each be a diffused Bragg reflector (DBR).
  • the lower reflective layer 50 has a structure in which two material layers 51 and 52 having different refractive indices are alternately stacked a plurality of times.
  • the upper reflective layer 80 also has a structure in which two material layers 81 and 82 having different refractive indices are alternately stacked a plurality of times.
  • the reflectance of the diffuse Bragg reflector may be determined according to the number of layers.
  • the light formed in the active layer 72 is emitted through the lower reflective layer 50 , and for this purpose, the reflectance of the lower reflective layer 50 may be set lower than that of the upper reflective layer 80 .
  • the upper reflective layer 80 may be a fully reflective DBR having a very high reflectance, for example, 99.9% or more.
  • the lower reflective layer 50 has a lower reflectance than the upper reflective layer 80 , for example, about 95% reflectance, and may partially transmit light.
  • An oxide opening layer 60 is provided between the active layer 72 and the lower reflective layer 50 to adjust the beam diameter of the emitted light.
  • the position of the oxide opening layer 60 is not limited to the illustrated position and may be changed to another position.
  • the size of the opening set by the oxide opening layer 60 may be set to a similar degree comparable to the size of the photoconductive switching region SR.
  • the optical control switch 100 may be bonded after the light source LS and the circuit board CB are separately manufactured, or a part of the light source LS (eg, the lower reflective layer 50 or a part thereof). After being manufactured based on this circuit board CB and the remaining components of the light source LS are manufactured separately, they may be bonded to each other by a predetermined connection film (connection interface or bonding interface).
  • optical control switch 100 Various embodiments of the optical control switch 100 will be described below.
  • the embodiments describe various implementations of the circuit board CB in which the transmission line TL and the photoconductive switching region SR are embedded, and since the configuration of the light source LS is common, in the following drawings, the light source LS ) is omitted for convenience.
  • FIG. 3 is a perspective view showing the structure of an optical control switch according to an embodiment
  • FIG. 4 shows an equivalent circuit in which the optical control switch of FIG. 3 functions as a series switch
  • 5A and 5B illustrate the operating principle of the optical control switch of FIG. 3, respectively, showing an off and on state of the switch.
  • the optical control switch 101 includes a substrate 110 having a photoconductive switching region SR, and a transmission line TL1 disposed on the substrate 110 .
  • the transmission line TL1 includes a first conductive layer 130 disposed on the substrate 110 , a dielectric layer 150 disposed on the first conductive layer 130 , and a second conductive layer disposed on the dielectric layer 150 . (170).
  • the substrate 110 may be made of a photoconductive material.
  • the substrate 110 may be made of, for example, a semiconductor material that functions as a dielectric when there is no external influence.
  • the substrate 110 may be made of a semiconductor material having dielectric properties when light is not illuminated and conductor properties when light is illuminated.
  • the substrate 110 may be made of a high-resistance semiconductor material such as silicon.
  • the first conductive layer 130 forms a signal line of the transmission line RL1 and has a pattern of opening the photoconductive switching region SR formed in the substrate 110 . That is, the first conductive layer 130 has a pattern in which a gap H1 is formed in a region facing the photoconductive switching region SR.
  • the first conductive layer 130 is a signal line in the form of a micro stripline and includes two segments 131 and 132 spaced apart from each other by a predetermined interval at a position facing the photoconductive switching region SR.
  • the dielectric layer 150 may be made of, for example, silicon oxide (SiO 2 ).
  • the second conductive layer 170 is a ground layer that provides a ground to the transmission line TL1 .
  • the second conductive layer 170 has an open pattern at a position facing the photoconductive switching region SR. That is, the second conductive layer 170 has a pattern in which an opening H2 is formed in a region facing the photoconductive switching region SR.
  • the first conductive layer 130 and the second conductive layer 170 may be formed of various conductors having high electrical conductivity, such as gold, silver, and copper, and capable of implementing a desired pattern.
  • the gap H1 of the first conductive layer 130, the opening of the second conductive layer H2, the photoconductive switching region SR, and the aperture of the light source LS described in FIG. 2 are comparable to each other. has the size of They may all be of the same size, or they may be identical within a certain margin of error (eg, 20%, 10% or less).
  • the photoconductive switching region SR has a volume that starts from the surface of the substrate 110 facing the gap H1 of the first conductive layer 130 and extends in horizontal, vertical, and depth directions. The photoconductive switching region SR is omitted from FIG. 3 for convenience of illustration and is illustrated only in FIGS. 5A and 5B .
  • the size (cross-sectional area and volume) of the photoconductive switching region SR is a predetermined value in the substrate 110 through which light from the light source LS passes through the opening of the first conductive layer 130 and the opening of the second conductive layer 170 .
  • the region is determined according to a carrier distribution defined by the material of the substrate 110 , which will be described later with reference to FIGS. 9 to 11 .
  • the optical control switch 101 may be manufactured according to a silicon substrate-based semiconductor process. That is, the first conductive layer 130 is patterned on the substrate 110 made of high-resistance silicon by an electronic lithography method, a dielectric layer 150 made of silicon oxide is laminated, and a desired pattern is formed on the dielectric layer 150 . 2 A conductive layer 170 is formed. The thickness of the dielectric layer 150 and the line width of the first conductive layer 130 may be set to comply with a required line impedance (eg, 50 Ohm). Next, as described above, the lower reflective layer 50 and the connecting layer of the light source LS may be further formed on the second conductive layer 170 .
  • a required line impedance eg, 50 Ohm
  • the light emitting layer 70 and the upper reflective layer 80 of the light source LS are manufactured.
  • the structure of the light emitting layer 70 and the upper reflective layer 80 may be grown based on, for example, a GaAs substrate or other optically opaque substrate. These structures can then be bonded to each other through a connecting membrane or other method.
  • the switch may be of a series type or a parallel type, and the optical control switch of Fig. 3 is of a series type.
  • the two segments 131 and 132 of the transmission line TL1 are connected by a switching element.
  • FIGS. 5A and 5B show a cross section A-A of FIG. 3 .
  • the light source (not shown) is turned off, that is, when power is not supplied to the laser and the laser does not emit light, the light does not reach the photoconductive switching region SR, so the photoconductive switching region SR is in a dielectric state. Accordingly, the two segments 131 and 132 forming the microstripline are open without being connected to each other, so that the signal S provided to the input of the optical control switch 101 returns through the gap H1 without being directed to the output. .
  • the photoconductive switching region SR is in a conductive state. Accordingly, the two segments 131 and 132 forming the micro stripline are electrically connected, and the signal S provided to the input of the optical control switch 101 may be transmitted toward the output.
  • FIG. 6 is a perspective view showing the structure of an optical control switch according to another embodiment, and FIG. 7 shows an equivalent circuit in which the optical control switch of FIG. 6 functions as a parallel switch.
  • 8A and 8B illustrate the operating principle of the optical control switch of FIG. 6, respectively, showing an off and on state of the switch.
  • the optical control switch 102 includes a substrate 110 made of a photoconductive material and having a photoconductive switching region SR, and a transmission line TL2 disposed on the substrate 110 .
  • the transmission line TL2 includes a first conductive layer 140 disposed on the substrate 110 , a dielectric layer 150 disposed on the first conductive layer 140 , and a second conductive layer disposed on the dielectric layer 150 . (170).
  • the transmission line TL2 provided in the optical control switch 102 of this embodiment is a grounded coplanar waveguide.
  • the first conductive layer 140 covers a portion of the upper portion of the photoconductive switching region SR and is arranged in a strip shape extending in one direction and spaced apart from each other on both sides of the signal line 141 on the same plane as the signal line 141 . and two ground planes 142 and 143.
  • the two ground planes 142 and 243 form a gap H1 with a predetermined interval between the two ground planes 142 and 243 with the signal line 141 , through which light may illuminate the photoconductive switching region SR.
  • the second conductive layer 170 is a ground layer that provides an additional ground to the transmission line TL2 .
  • the second conductive layer 170 has a pattern in which an opening H2 is formed in a region facing the photoconductive switching region SR.
  • the optical control switch of FIG. 6 is of a parallel type, that is, as shown in FIG. 7 , the transmission line TL2 is shunted by a switching element.
  • FIGS. 8A and 8B are cross-sectional views taken along line A-A of FIG. 6 .
  • the light source (not shown) is in an off state, that is, when power is not supplied to the laser and the laser does not emit light
  • the light does not reach the photoconductive switching region SR, so the photoconductive switching region SR is in a dielectric state. Accordingly, the gap H1 between the signal line 141 forming a coplanar waveguide and the two ground planes 142 and 143_ remains non-conductive, and the signal provided to the input of the optical control switch 102 is output is transmitted to
  • the photoelectric when power is supplied to the light source and light illuminates the substrate 110 through the opening H2 of the second conductive layer 170 and the gap H1 of the first conductive layer 140 , the photoelectric Also, the switching region SR is in a conductive state. Accordingly, the gap H1 between the signal line 141 forming a coplanar waveguide and the two ground planes 142 and 143 is closed, and the signal line 141 and the ground planes 142 and 143 are short-circuited. and the signal provided to the input of the optical control switch 102 is shorted to ground.
  • these optical control switches 100, 101, 102 are generated by integrating the small transmission lines TL (TL1) (TL2) and the light source LS on the semiconductor material-based substrate 110 .
  • TL1 TL2
  • the aperture size, and the photoconductive switching area SR achieved in the photoconductive material the width of the signal line, the aperture size of the light source, and when the diffusion lengths of the photoconductive material are similar.
  • these values are not limited to being exactly the same, and they mean similar within a predetermined error range (eg, 20%, 10% or less).
  • the width of the signal line may be about 10 ⁇ m
  • the laser beam diameter by the size of the aperture of the light source may be about 10 ⁇ m
  • the dimensions of the photoconductive switching region may be 10 ⁇ m ⁇ 10 ⁇ m ⁇ 10 ⁇ m.
  • the operation of selecting specific values of these three values may include determining the size of the photoconductive switching region (SR) and the width of the signal line given the known properties (aperture size, radiant power, wavelength) of the selected light source.
  • SR photoconductive switching region
  • the width of the signal line given the known properties (aperture size, radiant power, wavelength) of the selected light source.
  • a laser output sufficient to provide essential properties for switching the electrical properties of the photoconductive switching region SR as well as the selected material and manufacturing method may be considered.
  • the photoconductive switching region SR in which the predetermined characteristic must be ensured (i.e., the edge effect does not work), is a cube of horizontal, vertical and depth d, the photoconductive switching region SR is The parameters when excited by light can be estimated.
  • ⁇ is the conductivity
  • ⁇ is the relative permittivity
  • ⁇ 0 is the permittivity in free space.
  • the conductivity of the photoconductive switching region SR is calculated as follows.
  • n is the carrier concentration
  • e is the elementary charge (fixed value)
  • ⁇ is the carrier mobility (fixed value in a given semiconductor).
  • the carrier concentration n can be determined using the Helmholtz equation.
  • ⁇ is a light function
  • the boundary of the photoconductive switching region SR is substantially delimited by the diffusion length s.
  • D is the diffusion coefficient and ⁇ is the carrier lifetime in the photoconductive material.
  • the ratio between the size of the light source LS and the photoconductive switching region SR affects the required light output value.
  • SR photoconductive switching regions
  • the size of the photoconductive switching region SR may be limited by controlling the carrier lifetime of the semiconductor.
  • the bulk lifetime of semiconductors can be reduced, for example, by introducing defects into the crystal structure.
  • optical power consumption and on/off time of the optical control switch by selecting the geometric parameters of the photoconductive switching area, transmission line, and light source according to the purpose of the device equipped with the optical control switch.
  • Transmission line sizes are decreasing on the order of microns to switch to higher operating frequencies, increase manufacturing accuracy, and reduce parasitic reactance associated with conductor thickness.
  • the accuracy limit in printed circuit board manufacturing can be solved, and the accuracy of the switch scheme on the micron order can be increased.
  • a general purpose laser with an aperture of 10 ⁇ m, an output of 10 mW and a wavelength of 850 nm may be selected as the light source in a particular embodiment.
  • a cube having a side length d of 10 ⁇ m may be selected as the photoconductive switching region in which the defined characteristic must be ensured. This is a value 100 times smaller than the value (d 0 ) of the photoconductive element used in the prior art.
  • the parasitic resistance of the photoconductive switching region SR increases 100 times compared to the resistance R0 of the conventional photoconductive element, and the parasitic capacitance decreases by 100 times. do.
  • the requirement to reduce the minority carrier lifetime supports the idea of miniaturization of optically controlled switches as it defines the carrier diffusion length of the material, ie the actual size of the photoconductive switching region.
  • Minority carrier lifetime also defines the duration of the process of excitation and recombination of carriers in the material. If the minority carrier lifetime is reduced by up to 10 ⁇ 4 ⁇ 0 , the switching speed of the photoconductive switch region can be increased by about 10,000 times at the same power of the light source.
  • the diffusion length is about 54 ⁇ m, which corresponds to the size required for the photoconductive switching region .
  • the conduction field depth is the sum of the light penetration depth and the diffusion length. In general, the conduction field depth should be greater than the skin depth, which is determined by the conductivity of the conductor at a given frequency.
  • the conductive region depth set as described above may be a criterion for setting the depth of the photoconductive switching region SR.
  • FIG. 10 is a graph showing the results of computational simulation of the carrier concentration inside the photoconductive material when light is irradiated to the photoconductive material.
  • the parameters of a cross-sectional area of 10 ⁇ m x 10 ⁇ m, a power of 10 mW and a wavelength of 850 nm of the light beam were chosen.
  • parameters for the photoconductive material a diffusion coefficient of 29 cm 2 /sec for a silicon material and a carrier lifetime of 1 ⁇ s were used.
  • FIG. 11 shows an exemplary conductivity distribution in the illumination region in the optical control switch of FIG. 6 .
  • the width, w, of the signal line 141 of the coplanar transmission line is set to 2 ⁇ m, and the interval g between the signal line 141 and the ground planes 142 and 142 on both sides thereof is set to 6 ⁇ m.
  • the total line width including the two gaps is 14 ⁇ m.
  • the size of the photoconductive switching region SR must exceed this total line width so that the signal line 141 can be shorted to the ground planes 142 and 143 when the optical control switch is turned on.
  • the conductivity distribution of the illuminated area is averaged as
  • the maximum conductivity ( ⁇ 1) is 10000 S/m in the region of a circular cross section with a radius D1 of 25 ⁇ m, and the conductivity ( ⁇ 2) decreases to 5000 S/m in the region with a radius D2 of 50 ⁇ m.
  • FIG. 12 is a graph showing the results of computational simulation of S-parameters of the optical control switch of FIG. 6 .
  • the reflection coefficient S11 is about -45 dB
  • the transmission coefficient S12 is about -0.03 dB while in the OFF state where the signal must be completely transmitted to the output. to be.
  • the reflection coefficient S11 is about -0.95 dB
  • the transmission coefficient S12 is about -23 dB.
  • an optical control switch capable of using a micron-sized light source and optically controlling a signal having a frequency of 30 GHz or higher is provided.
  • Optically controlled switches can also reduce parasitic capacitance and increase the accuracy and density of components, resulting in the following technical effects.
  • the optical control switch size is reduced, which is advantageous for miniaturization, thereby reducing parasitic losses.
  • Insertion loss is reduced in the ultra-high frequency (EHF) range by using a low dielectric loss board for the transmission line and using a high-quality conductor for the transmission line.
  • EHF ultra-high frequency
  • the operating frequency band can be increased, and simple integration into SoI and CMOS devices is possible.
  • FIGS. 13A to 13C are perspective views illustrating a schematic structure of an optical control switch according to still other embodiments.
  • the transmission line TL3 provided in the optical control switch 103 may be a general coplanar waveguide (CPW) without an additional ground layer on the dielectric layer 150 .
  • CPW general coplanar waveguide
  • the opening H2 formed in the second conductive layer 170 may have a rectangular shape.
  • it may be transformed into any of various shapes capable of transmitting light to the photoconductive switching region in the substrate 110 , such as a square, a rectangle, an ellipse, and the like.
  • the second conductive layer 172 as a ground layer may have a mesh pattern. As shown, the second conductive layer 172 is patterned in a form in which a plurality of strips are repeatedly arranged in a region other than the predetermined opening H2. In addition, the shape of the ground layer may be modified into any other convenient configuration.
  • a transmission line of a form different from that illustrated in FIGS. 13A to 13C may be used for the optical control switch.
  • the thickness of the substrate 110 is set in consideration of the carrier diffusion length within the substrate 110 and the light penetration depth according to the wavelength of the light source. It should be approximately equal to or greater than the reference length.
  • FIGS. 14A to 14C are plan views detailing exemplary shapes of a signal line of a transmission line of an optical control switch near a photoconductive switching region SR according to embodiments.
  • FIG. 14A to 14C illustrate a coplanar line-based transmission line, that is, a coplanar waveguide (CPW) and a grounded coplanar waveguide (GCPW).
  • CPW coplanar waveguide
  • GCPW grounded coplanar waveguide
  • the signal line 141 may have a constant line width in a region facing the photoconductive switching region SR.
  • the line width of the signal line 141a may be non-uniform in a portion of the region facing the photoconductive switching region SR. That is, the two adjacent ground planes 142a and 143a may have a protruding shape, and accordingly, the two ground planes 142a and 143a may have a protruding shape and a retracted shape at a portion facing each other.
  • the signal line 141a may have stronger signal reflection when the photoconductive switching region SR is in an on state due to an increase in the photoconductive switching region SR and a decrease in shunt resistance.
  • the signal lines 141c are patterned in a grid shape.
  • the signal line 141c may have a mesh pattern as shown. With this configuration, carrier excitation performance in the photoconductive switching region SR may be improved while maintaining signal transmission quality.
  • FIGS. 15A to 16B are diagrams of an optical control switch according to another embodiment, wherein FIGS. 15A and 15B show an OFF state, and FIGS. 16A and 16B show an ON state. 15B and 16B are cross-sectional views taken along line A-A of FIGS. 15A and 16A , respectively.
  • the transmission line TL6 of the optical control switch 106 of the present embodiment is a substrate integrate waveguide (SIW).
  • the transmission line TL6 includes the substrate 110 , a first conductive layer 160 formed on an upper surface thereof, and a second conductive layer 175 formed on a lower surface thereof.
  • An opening H3 is formed in the first conductive layer 160 through which light may illuminate the photoconductive switching region SR.
  • the opening H3 is illustrated as one, but is not limited thereto, and a plurality of openings H3 may be provided.
  • a plurality of conductive vias 180 passing through the substrate 110 and connecting the first conductive layer 160 and the second conductive layer 175 are provided between the first conductive layer 160 and the second conductive layer 175 . are placed The plurality of conductive vias 180 form a sidewall of the substrate integrated waveguide (SIW). The spacing between the plurality of conductive vias 180 may be less than ⁇ /10 when the operating wavelength is ⁇ . As illustrated, the plurality of conductive vias 180 may be arranged in two rows forming two sidewalls with the photoconductive switching region SR interposed therebetween.
  • the photoconductive switching region SR in the OFF state in which no light is incident on the photoconductive switching region SR, the photoconductive switching region SR is a dielectric state, and the region between the two sidewalls is open. Accordingly, the signal provided to the input of the optical control switch 106 is directed to the output as the signal S propagates between the two sidewalls.
  • the photoconductive switching region SR when light is incident on the photoconductive switching region SR, the photoconductive switching region SR is activated as a conductive region.
  • the signal provided to the input of the optical control switch 106 is reflected in the conductive region formed in the space between the two sidewalls and is not directed to the output.
  • the thickness of the substrate 110 is the photoconductive switching region. It should be substantially equal to or similar to the depth of (SR).
  • the depth of the photoconductive switching region SR may be set as the sum of the penetration depth in consideration of the carrier diffusion length and the operating frequency of the light source in the semiconductor material constituting the substrate 110 .
  • the thickness of the substrate 110 should be similar to the depth of the photoconductive switching region SR and should not exceed it.
  • the thickness of the substrate 110 may be set to be less than or equal to the depth of the photoconductive switching region SR.
  • 17 is a perspective view showing a schematic structure of an optical control switch according to another embodiment.
  • the optical control switch 107 is different from the optical control switch 106 described with reference to FIGS. 15A to 16B in that a plurality of photoconductive switching regions SR are provided. That is, the first conductive layer 162 is provided with a plurality of openings H3 through which light passes. Lights should be illuminated toward the plurality of openings H3, respectively, and the same number of light sources (not shown) is provided. In this embodiment, since the photoconductive switching region SR activated in the on state forms a plurality of reflective walls, the effect of blocking signal S transmission may be further increased.
  • all of the light sources at positions corresponding to the respective openings H3 may be operated in the on state, or may be driven such that only some of them operate.
  • FIG. 18 is a perspective view showing a schematic structure of an optical control switch according to another embodiment.
  • the optical control switch 108 includes a substrate 110 , a first conductive layer 164 disposed on an upper surface of the substrate 110 , and a second conductive layer 178 disposed on a lower surface of the substrate 110 .
  • a plurality of openings H3 are provided in the first conductive layer 164 , and the openings H3 may be arranged in a two-dimensional array as illustrated.
  • the light source (not shown) may be a plurality of laser arrays.
  • a VCSEL array capable of irradiating light to each of the plurality of openings H3 may be used.
  • Predetermined regions in the substrate 110 facing each of the plurality of openings H3 become photoconductive switching regions, and the plurality of photoconductive switching regions are also arranged in a two-dimensional array along the arrangement of the openings H3.
  • the photoconductive switching region is not shown for convenience.
  • a conductive via is not provided between the first conductive layer 164 and the second conductive layer 178 , and some of the plurality of photoconductive switching regions are selectively activated in the on state. It is a structure in which the waveguide path of the substrate integrated waveguide (SIW) is formed.
  • SIW substrate integrated waveguide
  • the photoconductive switching region in the OFF state in which light is not irradiated to the substrate 110 through the opening H3 , the photoconductive switching region is not activated and is in a dielectric state, and the waveguide path in the optical control switch 108 may be in any direction.
  • 19A shows a case in which the optical control switch of FIG. 18 is turned on.
  • 19A illustrates a case in which some photoconductive switching regions SR among a plurality of photoconductive switching regions are selectively activated. Accordingly, as shown, two conductive sidewalls are formed and a waveguide path of the signal S is formed along the space between the two conductive sidewalls.
  • FIG. 19B is a case in which the optical control switch of FIG. 18 is in an on state, and a case in which photoconductive switching regions at positions different from those of FIG. 19A are activated.
  • the plurality of activated photoconductive switching regions SR two conductive sidewalls having a shape different from that of FIG. 19A may be formed, and a signal waveguide path is formed along a space between the two conductive sidewalls.
  • the optical control switch 108 of this embodiment may be of a fully reconfigurable structure.
  • the signal S provided at the input of the optical control switch 108 may be directed to any desired point in the device upon selecting the photoconductive switching region to be activated.
  • this structure can be used for power distribution/power summing, phase shifters and other passive RF structures.
  • 20 is a plan view illustrating a structure of a phase shifter according to an embodiment.
  • the phase shifter 109 includes a substrate 110 and transmission line segments 180 formed on the substrate 110 .
  • Transmission line segments 180 are branches that provide the necessary phase delay when a signal passes through it.
  • a gap H1 is formed between the transmission line segments 180 .
  • Gap H1 may be of a length comparable to the width of transmission line segment 180 .
  • a light source having an opening having a size similar to that of the gap H1 is disposed at a position facing the gap H1 .
  • local processing may be performed at a position where the photoconductive switching region SR is to be formed in the substrate 110 .
  • the semiconductor material which is the material of the substrate 110
  • a method of locally (within a required interval) reducing the free carrier lifetime in the semiconductor may be used.
  • a method of introducing a new recombination center into silicon may be used directly in the process of manufacturing a silicon substrate.
  • several approaches are possible, including ion implantation and electron beam irradiation. Accordingly, it is possible to use relatively various materials as the substrate 110 without the need to install a separate photoconductive element in the substrate. If necessary, the entire substrate may be subjected to this treatment.
  • FIG. 21 illustrates an example of local processing for a photoconductive switching region by exemplifying the structure of the phase shifter of FIG. 20 .
  • a dotted circle indicates a region in the substrate 110 in which the photoconductive switching region SR should be located, and ion bombardment may be performed in this region. Accordingly, the free carrier lifetime is reduced in this region and a photoconductive switching region having desired properties can be formed.
  • the density of the photoconductive switching region may be defined by the photoconductive region, ie, the sum of the aperture size and the diffusion length of the light source.
  • the distance between adjacent photoconductive switching regions may be set to be greater by at least one other diffusion length. Accordingly, the conductivity decreases exponentially around the photoconductive switching region.
  • FIG. 22 exemplifies the structure of the phase shifter of FIG. 20 as another example of local processing for the photoconductive switching region.
  • the localized treatment illustrated, in a situation different from that of FIG. 21 is to limit the photoconductive switching area when the substrate material generally has the required carrier lifetime. To this end, it is possible to create edges around the photoconductive switching region where carriers recombine very quickly. As the treatment method, ion implantation, electron beam irradiation, or the like may be used. As a result, the free carrier lifetime is rapidly reduced and an edge is formed in which carriers recombine very quickly, and a photoconductive switching region having desired properties remains inside the edge. This makes it possible to increase the packing density of the switching elements on a substrate already made of a material suitable for direct use as a photoconductive switching region.
  • phase shifter 21 and 22 exemplify the phase shifter of FIG. 20 to describe local processing of a substrate region where a photoconductive switching region is to be located. This is exemplary, and the local processing described above may be performed on the substrate of any desired device having an optical control switch according to an embodiment.
  • optical control switch may be utilized in various fields. For example, it can be used for circulators, phase shifters, commutators, adaptive beam forming antennas, etc., and also for RF signals (e.g. millimeter wave range for future standard 5G, 6G and WiGig mobile communication networks). ), can be used in electronic devices for various sensors, Wi-Fi networks, long-distance wireless power transmission, smart home systems, millimeter wave adaptive intelligence systems, car navigation, Internet of Things (IoT) and wireless power charging, etc. have.
  • IoT Internet of Things
  • 23 is a conceptual diagram schematically showing the structure of a radar system to which an optical control switch is applied according to an embodiment.
  • the radar system may have a structure in which short range radar (SRR), middle range radar (MRR), and long range radar (LRR) are implemented in one device as one device.
  • An antenna for short-range, medium-range, and long-range may be connected to the transmission terminal Tx of the radar by the optical control switch 1000 .
  • the optical control switch 1000 may be any one of the optical control switches 100, 101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108, or a modified version of the optical control switches 100, 101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108 of the various embodiments described above. form may be used.
  • the LRR beam 25 may be irradiated with respect to the LRR target 20
  • the SRR beam 15 may be irradiated with respect to the SRR target 10 . Since SRR/LRR switching is possible at a high speed, high resolution can be realized.
  • the elements/units of the optical control switch in the present embodiments are to be disposed in a common housing, disposed on the same frame/structure/board/printed circuit board, and structurally and functionally connected via a communication line by a mounting (assembly) operation.
  • a communication line or channel may be practically implemented using an existing communication line.
  • a communication line can be a wire, a set of wires, a bus, a route, a wireless communication link (inductive, radio frequency, infrared, ultrasonic, etc.), and the communication protocol over the communication link is known in the art and is not described separately.
  • the functional relationships of elements should be understood as connections that provide the correct cooperation of these elements and implement the specific functions of the elements.
  • a specific example of a functional relationship may be a connection providing the exchange of information, a connection providing the transmission of an electric current, a connection providing the transmission of mechanical motion, a connection providing the transmission of light, sound, electromagnetic or mechanical vibration, and the like.
  • a functional relationship is determined by the nature of the interaction of the elements and, unless otherwise specified, is provided by well-known means using principles well known in the art.

Landscapes

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Abstract

개시된 광학 제어 스위치는 전송선로(tramsmission line) 및 상기 전송선로에 인접하며 전기적 성질이 광에 의해 제어되는 광전도 스위칭 영역이 구비된 회로 보드; 및 상기 회로 보드 상에 위치하며, 상기 광전도 스위칭 영역을 향하여 광을 출사하는 레이저;를 포함한다.

Description

광학 제어 스위치 및 이를 포함하는 전자 장치
본 개시는 무선 공학에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반도체 기판이 있는 전송 선로를 기반으로 하는 광학적으로 제어되는 밀리미터 파 스위치에 관한 것이다.
현재 5G 및 6G, WiGig, 자동차 레이더 등과 같은 밀리미터 파 네트워크 및 장치가 활발히 개발되고 있다. 이러한 새로운 애플리케이션이 EHF (extremely high frequencies, 30-300GHz)) 이상의 주파수 범위에 등장하려면 단일 장치 데이터 전송, 감지 기능 및 최적의 전송 방향 검색 기능에 통합할 수 있는 새로운 등급의 요소 및 회로 (활성 요소, 안테나, 인쇄 회로 보드, 피더 및 스위칭 장치)가 요구된다. 특히, 많은 애플리케이션에서 스위치는 신호 전파 채널의 스위칭을 제어할 수 있기 때문에 중요한 구성 요소이다.
한편, 30GHz 이상의 주파수에서는 전파하는 파의 파장이 매우 작고, 낮은 주파수에서는 중요하지 않은 경로의 불연속이 기생 및 소음 효과를 야기할 수 있기 때문에 이러한 효과를 피하기 위해, 단위 길이 당 손실이 적은 고정밀 전송선로 설계가 필요하다. 따라서, 낮은 주파수를 위한 종래 기술의 스위치는 높은 손실로 인해 부적절해진다.
30GHz 이상의 주파수에 대한 광학 제어가 없는 알려진 솔루션은 매우 복잡하고 비용이 많이 들기 때문에 밀리미터 파 범위에 사용할 수 있는 기술 중 SIW(substrate integrated waveguide) 구조를 기반으로 하는 광학 제어 스위치 (예: US 2019/086763 A1, 12.09. 2018 년, 삼성 전자)는 의도된 범위 (약 10 ~ 40GHz)에서 단순한 구조와 제조, 단일 유전체 기판에 삽입하는 비용 효율적인 방법, 복잡한 전환의 부재, 넓은 대역폭, 기존 PCB 기술과의 통합의 편리함은 물론 RF 경로에서 공급 및 바이어스 회로의 우수한 절연, 낮은 손실 및 높은 가용 통과 전력의 특징을 가지고 있어 특별한 관심이 있다. 이러한 스위치는 상부 및 하부 층, 상부 층과 하부 층 사이의 유전체 층을 포함하는 인쇄 회로 보드 (PCB), 상부 층과 하부 층에 전기적으로 연결되고 적어도 두 행에 위치한 복수의 비아, 전기적으로 단락된 비아, 하부 층에 연결되고 유전체 갭에 의해 상부 층으로부터 분리되고, 상부 층 및 단락 비아에 전기적으로 연결된 광 도전 요소를 포함한다. 광 도전 요소는 유전체 상태 및 도체 상태를 포함하고, 광학적으로 제어되는 스위치에 제공되는 전자기파는 적어도 두 행 사이에 형성된 도파관을 통해 전파되거나 차단된다. 그러나, 그러한 스위치에서 40GHz 이상의 주파수에서 기생 방사는 광 도전 요소가 상대적으로 높은 유전 상수 (예 : 실리콘의 경우 약 12)를 갖는 재료로 만들어지기 때문에, 부분적으로 덮인 유전체 갭, 완전히 덮인 유전체 갭, 모두를 통해 발생하며, 링 라디에이터(ring radiator)에서처럼 틈새에서 복사 조건을 생성한다. 결과적으로 손실이 증가하고 개방 상태에서 RF 경로의 정합이 저하되고 외부 잡음(crosstalk)에 대한 감도가 증가하며 ON / OFF 절연이 저하되며 제어 광원에서 더 많은 광 전력이 필요하여 가열 및 작동 수명 단축에 이르게 된다.
위의 단점은 주로 종래 기술에 존재하는 대부분의 무선 주파수 장치와 마찬가지로 이 스위치가 인쇄 회로 보드 (PCB) 제조 기술을 기반으로 하는 데, 이 기술은 30GHz 이상의 주파수에 대해 특정 제한이 있다는 사실에 기인한다. 이러한 기술의 알려진 문제점은 다음과 같다.
제어되지 않는 구리선 에칭은 고정밀 제조를 제공하지 않고 최상이 +/-20um 정도로 제한되며, 불충분한 정확도의 구리 스트립 선폭 및 비아 포지셔닝(via positioning)을 야기하여 요구되는, 의미있는 표면 조도 뿐 아니라 금속화된 갭 폭을 준수하지 못한다. 이는 30GHz 이상의 주파수에서 중요하다. 왜냐하면 이러한 주파수에서 이러한 모든 부정확한 제조에 의해 불연속성이 발생하며, 이에 의해 전송 라인의 계산된 특성과 실제 특성의 편차, 유전체 및 도체의 높은 손실이 발생하기 때문이다.
기존 PCB 기술의 구리 라인 두께는 상대적으로 크다. 이 때문에, 30GHz 이상의 주파수에서 기생 리액턴스가 발생하여 추가 구성 요소를 사용하여 보상해야 하며, 이로 인해 추가 손실이 발생하고 크기가 증가하며 대역폭이 좁아진다.
효율적인 라인 스위칭을 위해서는 많은 양의 광 도전 물질이 필요하며, 결과적으로 스위치의 동작 속도에 제한이 있다.
최근 수직 공동 면 발광 레이저 (또는 간단히 수직 발광 레이저, VCSEL)가 인기를 얻고 있다. 이러한 VCSEL 레이저 어레이를 사용하는 것은 실제 사용에 매우 편리하지만 인쇄 회로 보드에서 피드 선(feed line)과 스위치 밀도를 패킹하는 밀도가 낮기 때문에 전체 어레이에서 소량의 VSCEL만 사용된다. 이에 따라 요구되는 VCSEL 어레이 크기가 증가하고 비용이 증가한다.
시중에서 판매되는 인쇄 회로 보드 용 유전체 기판은 상대적으로 두께가 두꺼워 EHF 소자 및 EHF 라인의 소형화가 더욱 어렵다.
따라서 시장에 존재하는 EHF 스위치는 부피가 크고 복잡하고 비싸며 손실이 매우 높을 뿐만 아니라 공급/바이어스 회로의 절연이 필요하기 때문에 통합에 불편함이 있다.
현재, 종래 기술에는 시중에서 구할 수 있고, 통과하는 전자기파에 대해 열림-폐쇄 키 기능을 수행할 수 있고, 앞서 언급한 문제를 겪지 않을 수 있는 것으로 알려진 70GHz 이상의 범위의 EHF 스위치가 없다. 이러한 문제를 부분적으로 해결하는 것으로 볼 수 있는 인접한 기술 분야의 솔루션 만이 알려져 있다.
예를 들어, 미국 특허 번호 9,431,564 B2 (2016 년 8 월 30 일, Thales Holding UK PLC)는 광 전도성 재료와 상기 광 전도성 재료 상에 제공된 제 1 및 제 2 접점을 포함하는 광 전도성 스위치를 개시하며, 여기서 상기 제 1 및 제 2 접점은 복수의 서로 맞물린 트랙들을 포함하며, 각 접점의 트랙은 광 전도성 갭에 의해 다른 접점의 트랙과 분리되며, 트랙들은 제 1 방향에서 측정된 최소 광 전도성 갭이 제 1 방향의 방향에 관계없이 실질적으로 유사하게 유지되도록 곡선을 이룬다. 그러나 이 스위치의 기능은 통과하는 밀리미터 파를 변조하는 것 뿐이며 기생 커패시턴스가 있어 파동이 추가로 누출되고 절연성이 저하되기 때문에 완전한 차단에는 적합하지 않다.
특허 US 9,716,202 B2 (2017 년 7 월 25 일, 미주리 주 컬럼비아 대학 큐레이터)는 다양한 응용 분야에서 제한 스위치 또는 고전압 스위치로 사용할 수 있는 고체 상태의 광학적으로 활성화된 스위치를 공개한다. 특히, 스위치는 선형 모드에서 제한 기능을 제공하기 위해 반도체의 광전도 특성을 통합할 수 있다. 일 실시 예에서, 스위치의 구성은 99.9999 % 이상의 오프-상태 전송 및 0.0001 % 미만의 입사 신호의 온-상태 제한을 허용한다. 이 알려진 솔루션의 본질과 구현의 차이점은 신호가 반사되지 않고 감쇠기에 흡수되거나 트랩되어야 하는 전력 제한기에만 적용된다는 점과 효과적인 작업을 위해 질화물을 포함하고 스위치를 활성화하기 위해 큰 광 파워가 필요한 반도체 물질을 필요로 한다는 것이다. 또한, 이 문헌은 통합 광원을 사용하여 스위치를 구현하는 방법을 설명하지 않으며, 여기에 설명된 동일 평면 구조가 실제로는 동일 평면이 아니다. 이는 단면에서 전자기장을 분배하기 위한 동일 평면 전송 라인 구성을 의미하지 않고 신호의 일부를 전환하기 위해 부분적으로 접지로 둘러싸인 도체를 나타내기 때문이다.
본 개시는 전송 선로를 구비하며 보다 정밀하게 EHF 범위의 신호를 제어할 수 있는 광학 제어 스위치를 제공한다.
일 유형에 따르면, 전송선로(tramsmission line) 및 상기 전송선로에 인접하며 전기적 성질이 광에 의해 제어되는 광전도 스위칭 영역이 구비된 회로 보드; 및 상기 회로 보드 상에 위치하며, 상기 광전도 스위칭 영역을 향하여 광을 출사하는 레이저;를 포함하는, 광학 제어 스위치가 제공된다.
상기 회로 보드와 상기 레이저는 일체형으로 집적된 형태일 수 있다.
상기 레이저는 상기 회로 보드 상에 배치된 하부 반사층; 상기 하부 반사층 상에 배치된 활성층; 상기 활성층 상에 배치된 상부 반사층;을 포함하며, 상기 하부 반사층의 반사율이 상기 상부 반사층의 반사율보다 낮을 수 있다.
상기 회로 보드는 반도체 물질로 이루어지며 상기 광전도 스위칭 영역을 포함하는 기판; 및 상기 기판 상에 배치되어 상기 전송선로의 신호선을 형성하며 상기 광전도 스위칭 영역을 오픈하는 패턴을 가지는 제1 전도층;을 포함할 수 있다.
상기 전송선로는 상기 제1 전도층; 및 상기 제1 전도층 상에 배치된 유전체층;을 포함할 수 있다.
상기 전송선로는 코플래너 도파관(grounded coplanar waveguide)이며, 상기 제1 전도층은 상기 광전도 스위칭 영역의 상부 일부를 덮으며 일방향으로 연장되는 스트립 형태의 상기 신호선; 및 상기 신호선과 같은 평면에서 상기 신호선의 양측으로 이격 배치된 두 접지면;을 포함할 수 있다.
상기 신호선은 상기 광전도 스위칭 영역과 마주하는 영역 일부에서 불균일한 두께를 가질 수 있다.
상기 신호선은 그리드 패턴을 가질 수 있다.
상기 전송선로는 상기 유전체층 상에 배치되고 상기 전송선로의 접지층이 되며 상기 광전도 스위칭 영역을 마주하는 위치가 오픈된 패턴을 가지는 제2 전도층을 더 포함할 수 있다.
상기 제2 전도층은 메쉬(mesh) 패턴을 가질 수 있다.
상기 전송선로는 마이크로 스트립라인(micro stripline)이며, 상기 제1 전도층은 상기 광전도 스위칭 영역을 사이에 두고 이격된 두 세그먼트를 포함할 수 있다.
상기 전송선로는 접지 코플래너 도파관(grounded coplanar waveguide)이며, 상기 제1 전도층은 상기 광전도 스위칭 영역의 상부 일부를 덮으며 일방향으로 연장되는 스트립 형태의 상기 신호선; 및 상기 신호선과 같은 평면에서 상기 신호선의 양측으로 이격 배치된 두 접지면;을 포함할 수 있다.
상기 신호선은 상기 광전도 스위칭 영역과 마주하는 영역 일부에서 불균일한 두께를 가질 수 있다.
상기 신호선은 그리드 패턴을 가질 수 있다.
상기 전송선로는 상기 제1 전도층; 상기 기판; 및 상기 기판 하면에 형성된 제2 전도층;을 포함하는 기판 집적형 도파관(substrate integrated waveguide)일 수 있다.
상기 기판의 두께는 상기 반도체 물질의 확산 거리 및 상기 광원에서의 광의 파장에 따라 정해지는 소정의 기준 길이 이하일 수 있다.
상기 기판 집적형 도파관은 상기 제1 전도층과 상기 제2 전도층 사이에 상기 기판을 관통하는 복수의 전도성 비어들을 더 포함할 수 있고 상기 복수의 전도성 비어들은 상기 광전도 스위칭 영역을 사이에 두고 두 전도성 측벽을 형성하도록 두 열(row)로 배열될 수 있다.
상기 광전도 스위칭 영역은 상기 두 전도성 측벽을 가로지르는 방향으로 복수개 구비될 수 있다.
상기 광전도 스위치 영역은 이차원 배열된 복수개로 구비되고, 상기 제1 전도층은 상기 복수의 광전도 스위칭 영역들 각각과 마주하는 복수의 개구가 구비된 패턴을 가지며, 상기 복수의 광전도 스위칭 영역의 일부가 선택적으로 활성화되어 상기 기판 집적형 도파관의 재구성 가능한 전도성 측벽을 형성할 수 있다.
상기 갭의 크기, 상기 레이저의 개구 크기, 상기 광전도 스위칭 영역에서의 캐리어 확산 길이는 실질적으로 유사할 수 있다.
상기 광전도 스위칭 영역은 상기 반도체 물질에 새로운 재결합 중심(recombination centor)을 도입하는 처리 방법을 사용하여 상기 기판 내에 만들어질 수 있다.
상기 반도체 물질은 소정 기준보다 긴 캐리어 수명을 가지며, 상기 처리 방법은 상기 광전도 스위칭 영역이 될 소정 영역에 대해 캐리어 수명을 감소시키도록 행해질 수 있다.
상기 반도체 물질은 소정 기준보다 짧은 캐리어 수명을 가지며, 상기 처리 방법은 상기 광전도 스위칭 영역이 될 소정 영역을 둘러싸는 가장자리 영역에 대해 캐리어 수명이 감소하도록 행해질 수 있다.
또한, 일 유헝에 따르면 상술한 어느 하나의 광학 제어 스위치를 포함하는 전자 장치가 제공된다.
상술한 광학 제어 스위치는 크기가 감소되어 소형화에 유리하고, 이에 따라 낮은 기생 손실을 갖는다.
상술한 광학 제어 스위치는 초고주파(EHF) 범위에서 삽입 손실이 감소되며, 전력 소비가 감소, 온/오프 상태간의 절연성이 개선될 수 있다.
상술한 광학 제어 스위치는 스위칭 속도가 증가할 수 있고, 작동 주파수 대역이 증가할 수 있고, SoI, CMOS 장치로 간단한 통합이 가능하다.
상술한 광학 제어 스위치는 30GHz 이상의 주파수의 mm-wave 범위에서 작동할 수 있는 비용 효율적인 구조를 가지며, 다양한 전자 장치에 활용될 수 있다.
도 1은 실시예들에 따른 광학 제어 스위치의 구조 특징을 개념적으로 보이는 도면이다.
도 2는 실시예들에 따른 광학 제어 스위치에 구비되는 광원의 구조를 예시적으로 보이는 단면도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 광학 제어 스위치의 구조를 보이는 사시도이다.
도 4는 도 3의 광학 제어 스위치가 직렬형 스위치로 기능하는 등가 회로를 보인다.
도 5a 및 도 5b는 도 3의 광학 제어 스위치의 작동 원리를 설명하는 것으로 각각 스위치가 오프 및 온 된 상태를 보인다.
도 6은 다른 실시예에 따른 광학 제어 스위치의 구조를 보이는 사시도이다.
도 7은 도 6의 광학 제어 스위치가 병렬형 스위치로 기능하는 등가 회로를 보인다.
도 8a 및 도 8b는 도 6의 광학 제어 스위치의 작동 원리를 설명하는 것으로 각각 스위치가 오프 및 온 된 상태를 보인다.
도 9는 광전도 물질에 광이 조사될 때 광전도 물질내에 여기되는 캐리어 분포를 예시적으로 보인다.
도 10은 광전도 물질에 광이 조사될 때 광전도 물질내부의 캐리어 농도를 전산 모사한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 11은 도 6의 광학 제어 스위치에서 조명 영역에서의 예시적인 전도도 분포를 보인다.
도 12는 도 6의 광학 제어 스위치의 S-파라미터를 전산 모사한 결과를 보이는 그래프이다.
도 13a 내지 도 13c는 또 다른 실시예들에 따른 광학 제어 스위치의 개략적인 구조를 보이는 사시도이다.
도 14a 내지 도 14c는 실시예들에 따른 광학 제어 스위치의 전송 선로의 신호선의 예시적인 형상들을 광전도 스위칭 영역(SR) 근처에서 상세히 보인 평면도이다.
도 15a 내지 도 16b는 또 다른 실시예에 따른 광학 제어 스위치의 개략적인 구조를 보이며, 도 15a, 도 15b는 오프 상태에 대한 사시도, 단면도이고, 도 16a, 도 16b는 온 상태에 대한 사시도, 단면도이다.
도 17은 또 다른 실시예에 따른 광학 제어 스위치의 개략적인 구조를 보이는 사시도이다.
도 18은 또 다른 실시예에 따른 광학 제어 스위치의 개략적인 구조를 보이는 사시도이다.
도 19a 및 도 19b는 도 18의 광학 제어 스위치가 온 상태인 예들을 보인다.
도 20은 실시예에 따른 광학 제어 스위치를 이용한 위상 쉬프터의 구조를 예시적으로 보이는 평면도이다.
도 21 및 도 22는 광전도 스위칭 영역에 대한 국부적 처리의 예를 보인다.
도 23은 실시예에 따른 광학 제어 스위치를 적용한 레이더 시스템의 구조를 개략적으로 보이는 개념도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.
이하에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
“상기”의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다. 단수로 언급 된 요소는 달리 명시되지 않는 한 복수의 요소를 배제하지 않는다.
제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 설명에서, 용어 "및/또는"은 각각의 열거 된 항목 중 하나 이상의 임의의 및 모든 조합을 포함한다.
도 1은 실시예들에 따른 광학 제어 스위치의 구조 특징을 개념적으로 보이는 도면이다.
광학 제어 스위치(100)는 전송선로(tramsmission line)(TL)와 광전도 스위칭 영역(SR)이 구비된 회로 보드(CB) 및 회로 보드(CB) 상에 배치되어 광전도 스위칭 영역(SR)을 향해 광을 조명하는 광원(LS)을 포함한다. 회로 보드(CB)과 광원(LS)은 일체형으로 집적된 형태로서, 광원(LS)은 출사 방향이 회로 보드(CB) 내에 구비된 광전도 스위칭 영역(SR)을 향하도록 배치된다. 광전도 스위칭 영역(SR)은 전송선로(TL)에 인접하게 위치하며 전기적 성질이 광에 의해 제어되는 영역이다. 예를 들어, 광이 조명되지 않은 상태에서 광전도 스위칭 영역(SR)은 유전체의 성질을 나타내고 광이 조명될 때 전기 전도도를 갖게 된다. 이에 따라 광원(LS)의 온/오프 여하에 따라 광전도 스위칭 영역(SR)의 전기적 성질의 스위칭되고 전송선로(TL)에서의 파의 진행이 반사 또는 전송으로 스위칭 될 수 있다.
도 2는 실시예들에 따른 광학 제어 스위치에 구비될 수 있는 광원의 구조를 예시적으로 보이는 단면도이다.
광원(LS)은 레이저일 수 있고, 도시된 바와 같이, 수직 공진 면발광 레이저(vertical cavity surface emitting laser, VCSEL)일 수 있다.
광원(LS)은 광을 생성하는 발광층(70)과 발광층(70)의 하부 및 상부에 각각 하부 반사층(50), 상부 반사층(80)을 포함한다.
발광층(70)은 활성층(72) 및 활성층(72)의 하부, 상부에 배치된 하부 클래딩층(71), 상부 클래딩층(73)을 포함할 수 있다. 활성층(72)은 Ⅲ-Ⅴ족 반도체 물질을 포함할 수 있고, 다중 양자 우물 구조를 가질 수 있으며, 다만, 이에 한정되지 않는다.
하부 반사층(50), 상부 반사층(80)은 각각 분산 브래그 반사기(diffracted Bragg reflector, DBR)일 수 있다. 하부 반사층(50)은 굴절률이 다른 두 물질층(51)(52)이 복수회 교번 적층된 구조를 갖는다. 상부 반사층(80)도 굴절률이 다른 두 물질층(81)(82)이 복수회 교번 적층된 구조를 갖는다. 분산 브래그 반사기의 반사율은 적층수에 따라 정해질 수 있다. 실시예에서, 활성층(72)에서 형성된 광은 하부 반사층(50)을 통해 출사되며, 이를 위해, 하부 반사층(50)의 반사율이 상부 반사층(80)보다 낮게 설정될 수 있다. 상부 반사층(80)은 반사율이 매우 높은, 예를 들어, 99.9% 이상인 완전 반사성 DBR일 수 있다. 하부 반사층(50)은 상부 반사층(80)보다 낮은 반사율, 예를 들어, 약 95% 정도의 반사율을 나타내며 광을 부분적으로 투과시킬 수 있다. 활성층(72)과 하부 반사층(50) 사이에는 산화물 개구층(60)이 구비되어 출사광의 빔경을 조절할 수 있다. 산화물 개구층(60)의 위치는 도시된 위치에 한정되지 않으며, 다른 위치로 변경될 수 있다. 산화물 개구층(60)에 의해 설정되는 개구의 크기는 광전도 스위칭 영역(SR)의 크기에 필적하는 유사한 정도로 설정될 수 있다.
이러한 광학 제어 스위치(100)는 광원(LS)과 회로 보드(CB)이 따로 제작된 후 접합될 수도 있고, 또는 광원(LS)의 일부 구성(예를 들어, 하부 반사층(50) 또는 그 일부)이 회로 보드(CB) 기반으로 제조되고 광원(LS)의 나머지 구성이 별도로 제조된 후 소정의 연결 필름(연결 인터페이스 또는 본딩 인터페이스)에 의해 서로 접합될 수 있다.
이하에서 광학 제어 스위치(100)의 다양한 실시예들을 설명할 것이다. 실시예들은 전송 선로(TL)와 광전도 스위칭 영역(SR)이 임베드된 회로 보드(CB)가 다양하게 구현되는 것을 설명하며 광원(LS)의 구성은 공통되므로, 이하의 도면에서, 광원(LS)의 도시는 편의상 생략하기로 한다.
도 3은 일 실시예에 따른 광학 제어 스위치의 구조를 보이는 사시도이고, 도 4는 도 3의 광학 제어 스위치가 직렬형 스위치로 기능하는 등가 회로를 보인다. 도 5a 및 도 5b는 도 3의 광학 제어 스위치의 작동 원리를 설명하는 것으로 각각 스위치가 오프 및 온 된 상태를 보인다.
광학 제어 스위치(101)는 광전도 스위칭 영역(SR)을 구비하는 기판(110), 기판(110)상에 배치된 전송선로(TL1)를 포함한다. 전송선로(TL1)는 기판(110) 상에 배치된 제1 전도층(130), 제1 전도층(130) 상에 배치된 유전체층(150), 유전체층(150) 상에 배치된 제2 전도층(170)을 포함한다.
기판(110)은 광전도성(photoconductive) 물질로 이루어질 수 있다. 기판(110)은 예를 들어, 외부 영향이 없을 때 유전체로 기능하는 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 기판(110)은 광이 조명되지 않을 때 유전체의 성질을 가지고 광이 조명될 때 도체의 성질을 가지는 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 기판(110)은 실리콘과 같은 고저항 반도체 물질로 이루어질 수 있다.
제1 전도층(130)은 전송선로(RL1)의 신호선을 형성하며 기판(110) 내에 형성되는 광전도 스위칭 영역(SR)을 오픈하는 형태의 패턴을 갖는다. 즉, 제1 전도층(130)은 광전도 스위칭 영역(SR)과 마주하는 영역에 갭(H1)이 형성된 패턴을 갖는다. 제1 전도층(130)은 마이크로 스트립라인(micro stripline) 형태의 신호선으로 광전도 스위칭 영역(SR)과 마주하는 위치에서 소정 간격으로 이격된 두 세그먼트(131, 132)를 포함한다.
유전체층(150)은 예를 들어 실리콘 산화물(SiO 2)로 이루어질 수 있다.
제2 전도층(170)은 전송선로(TL1)에 접지(ground)를 제공하는 접지층이다. 제2 전도층(170)은 광전도 스위칭 영역(SR)과 마주하는 위치가 오픈된 패턴을 갖는다. 즉, 제2 전도층(170)은 광전도 스위칭 영역(SR)과 마주하는 영역에 개구(opening)(H2)가 형성된 패턴을 갖는다.
제1 전도층(130), 제2 전도층(170)은 금, 은, 구리 등 전기 전도도가 높고 원하는 패턴이 구현 가능한 다양한 도체로 이루어질 수 있다.
제1 전도층(130)의 갭(H1), 제2 전도층(H2)의 개구, 광전도 스위칭 영역(SR) 및 도 2에서 설명한 광원(LS)의 개구(aperture)은 서로 필적하는 유사한 정도의 크기를 갖는다. 이들은 모두 동일한 크기를 가질 수 있고, 또는 소정의 오차 범위(예를 들어, 20%, 10% 또는 그 이하)내로 동일할 수 있다. 광전도 스위칭 영역(SR)은 기판(110)이 제1 전도층(130)의 갭(H1)과 마주하는 표면으로부터 시작되어 가로, 세로 및 깊이 방향으로 연장된 체적을 갖는다. 광전도 스위칭 영역(SR)은 도시의 편의상 도 3에서는 생략되고 도 5a, 도 5b에만 도시되어 있다. 광전도 스위칭 영역(SR)의 크기(단면적 및 부피)는 광원(LS)으로부터의 광이 제1 전도층(130)의 개구, 제2 전도층(170)의 개구를 통해 기판(110)내의 소정 영역을 조명할 때, 기판(110)의 물질에 의해 정해지는 캐리어 분포에 따라 정해지며, 이에 대해서는 도 9 내지 도 11을 참조하여 후술할 것이다.
이러한 광학 제어 스위치(101)는 실리콘 기판 기반의 반도체 공정에 따라 만들어질 수 있다. 즉, 전자 리소그래피 방법으로 고 저항 실리콘으로 만들어진 기판(110) 상에 제1 전도층(130)을 패터닝하고, 실리콘 산화물로 된 유전체층(150)을 적층하고, 유전체층(150) 상에 원하는 패턴으로 제2 전도층(170)을 형성한다. 유전체층(150)의 두께와 제1 전도층(130)의 선폭은 필요한 라인 임피던스(예를 들어, 50 Ohm)을 준수하도록 설정될 수 있다. 다음, 전술한 바와 같이, 제2 전도층(170) 위로 광원(LS)의 하부 반사층(50)과 연결막을 더 형성할 수 있다. 다음, 이와 별개의 공정에서, 광원(LS)의 발광층(70), 상부 반사층(80)을 제조한다. 발광층(70)과 상부 반사층(80)의 구조는 예를 들어, GaAs 기판 또는 기타 광학적으로 불투명한 기판 기반으로 성장될 수 있다. 다음 이들 구조는 연결막 또는 다른 방법을 통해 서로 접합될 수 있다.
전송선의 관점에서 스위치는 직렬 형 또는 병렬 형일 수 있으며, 도 3의 광학 제어 스위치는 직렬 형이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 전송선로(TL1)의 두 세그먼트(131)(132)가 스위칭 요소로 연결된 형태이다.
직렬형 스위치의 작동 원리를 도 5a 및 도 5b를 참조하여 살펴본다. 도 5a 및 도 5b는 도 3의 A-A 단면을 도시하고 있다.
도 5a와 같이, 광원(미도시)이 오프 상태, 즉, 레이저에 전원이 공급되지 않고 레이저가 발광하지 않을 때, 광전도 스위칭 영역(SR)에 빛이 도달하지 않으므로 광전도 스위칭 영역(SR)은 유전체 상태에 있게 된다. 이에 따라 마이크로 스트립라인을 형성하는 두 세그먼트(131, 132)는 서로 연결되지 않고 개방되어, 광학 제어 스위치(101)의 입력에 제공된 신호(S)는 출력을 향하지 않고 갭(H1)을 통해 되돌아간다.
도 5b와 같이, 광원에 전원이 공급되고 광(L)이 제2 전도층(170)의 개구(H2), 제1 전도층(130)의 갭(H1)을 통해 기판(110)을 조명할 때, 광전도 스위칭 영역(SR)이 도체 상태가 된다. 이에 따라 마이크로 스트립라인을 형성하는 두 세그먼트(131, 132)는 전기적으로 연결되며 광학 제어 스위치(101)의 입력에 제공된 신호(S)가 출력을 향해 전송될 수 있다.
도 6은 다른 실시예에 따른 광학 제어 스위치의 구조를 보이는 사시도이고, 도 7은 도 6의 광학 제어 스위치가 병렬형 스위치로 기능하는 등가 회로를 보인다. 도 8a 및 도 8b는 도 6의 광학 제어 스위치의 작동 원리를 설명하는 것으로 각각 스위치가 오프 및 온 된 상태를 보인다.
광학 제어 스위치(102)는 광전도성(photoconductive) 물질로 이루어지며 광전도 스위칭 영역(SR)을 구비하는 기판(110), 기판(110)상에 배치된 전송선로(TL2)를 포함한다. 전송선로(TL2)는 기판(110) 상에 배치된 제1 전도층(140), 제1 전도층(140) 상에 배치된 유전체층(150), 유전체층(150) 상에 배치된 제2 전도층(170)을 포함한다.
본 실시예의 광학 제어 스위치(102)에 구비된 전송선로(TL2)는 접지 코플래너 도파관(grounded coplanar waveguide)이다. 제1 전도층(140)은 광전도 스위칭 영역(SR)의 상부 일부를 덮으며 일방향으로 연장되는 스트립 형태의 신호선(141) 및 신호선(141)과 같은 평면에서 신호선(141)의 양측으로 이격 배치된 두 접지면(142)(143)을 포함한다. 두 접지면(142)(243)은 신호선(141)과의 사이에 소정 간격의 갭(H1)을 형성하며, 갭(H1)을 통해 광이 광전도 스위칭 영역(SR)을 조명할 수 있다. 제2 전도층(170)은 전송선로(TL2)에 대해 추가적인 접지(ground)를 제공하는 접지층이다. 제2 전도층(170)은 광전도 스위칭 영역(SR)과 마주하는 영역에 개구(opening)(H2)가 형성된 패턴을 갖는다.
도 6의 광학 제어 스위치는 병렬 형이며, 즉, 도 7에 도시된 바와 같이, 전송선로(TL2)가 스위칭 요소에 의해 션트(shunt)되는 형태이다.
병렬형 스위치의 작동 원리를 도 8a 및 도 8b를 참조하여 살펴본다. 도 8a 및 도 8b는 도 6의 A-A 단면도이다.
도 8a와 같이, 광원(미도시)이 오프 상태, 즉, 레이저에 전원이 공급되지 않고 레이저가 발광하지 않을 때, 광전도 스위칭 영역(SR)에 빛이 도달하지 않으므로 광전도 스위칭 영역(SR)은 유전체 상태에 있게 된다. 이에 따라 동일 평면 도파로(coplanar waveguide)를 형성하는 신호선(141)과 두 접지면(142)(143_ 사이의 갭(H1)은 비전도성으로 유지되며 광학 제어 스위치(102)의 입력에 제공된 신호는 출력으로 전달된다.
도 8b와 같이, 광원에 전원이 공급되고 광이 제2 전도층(170)의 개구(H2), 제1 전도층(140)의 갭(H1)을 통해 기판(110)을 조명할 때, 광전도 스위칭 영역(SR)이 도체 상태가 된다. 이에 따라 동일 평면 도파로(coplanar waveguide)를 형성하는 신호선(141)과 두 접지면(142)(143) 사이의 갭(H1)이 폐쇄되어 신호선(141)과 접지면(142)(143)이 단락되고, 광학 제어 스위치(102)의 입력에 제공된 신호는 접지로 단락된다.
상술한 바와 같이, 반도체 물질 기반의 기판(110) 상에 작은 전송선로(TL)(TL1)(TL2)과 광원(LS)을 집적하여 생성되는 이러한 광학 제어 스위치(100)(101)(102)의 소형화는 광원(LS)의 광 출력, 개구(aperture) 크기 및 광전도 물질 내에서 달성되는 광전도 스위칭 영역(SR)간의 균형을 유지하기 위해, 신호선의 폭, 광원의 개구(aperture) 크기, 및 광전도 물질의 확산 길이가 비슷한 정도일 때 달성된다. 다만 이들이 완전히 동일한 수치인 것으로 한정하는 것은 아니며, 소정의 오차 범위내(예를 들어 20%, 10% 또는 그 이하)로 유사한 것을 의미한다.
예시적인 실시예에서, 신호선의 폭은 약 10㎛ 일 수 있고, 광원의 개구 크기에 의한 레이저 빔 직경이 약 10㎛ 일 수 있고, 광전도 스위칭 영역의 치수는 10μm x 10μm x 10μm 일 수 있다.
이 세 가지 값의 특정 값을 선택하는 작업은 선택한 광원의 주어진 알려진 특성 (개구 크기, 복사 전력, 파장)에서 광전도 스위칭 영역(SR)의 크기와 신호선의 폭을 정하는 과정을 포함할 수 있다. 이 때, 선택된 물질과 제조방법 및 광전도 스위칭 영역(SR)의 전기적 성질을 스위칭하는 필수 특성을 제공하기에 충분한 레이저 출력이 고려될 수 있다.
계산 단순화를 위해 미리 결정된 특성이 보장되어야 하는(즉, 가장자리 효과가 작동하지 않는) 광전도 스위칭 영역(SR)을 가로, 세로, 깊이가 각각 d인 정육면체를 가정하여 광전도 스위칭 영역(SR)이 빛에 의해 여기될 때의 파라미터를 추정할 수 있다.
이러한 정육면체의 평행면 사이의 전기 저항 R과 전기 용량 C는 다음 관계식으로 추정 할 수 있다.
Figure PCTKR2020017490-appb-img-000001
(1)
Figure PCTKR2020017490-appb-img-000002
(2)
여기서, σ 는 전도도이고, ε는 상대 유전율이고, ε 0 는 자유 공간에서의 유전율이다.
또한, 광전도 스위칭 영역(SR)의 전도도는 다음과 같이 계산된다.
Figure PCTKR2020017490-appb-img-000003
(3)
여기서 n은 캐리어 농도이고, e는 기본 전하(고정값)이고, μ는 캐리어 이동도(주어진 반도체에서 고정된 값)이다.
다음, 헬름홀츠 방정식을 사용하여 캐리어 농도 n을 결정할 수 있다.
Figure PCTKR2020017490-appb-img-000004
(4)
여기서, Φ는 광 함수(light function)이다.
광전도 스위칭 영역(SR)의 경계는 확산 길이 s에 의해 실질적으로 정해진다.
Figure PCTKR2020017490-appb-img-000005
(5)
여기서 D는 확산 계수이고, τ는 광전도 물질내에서의 캐리어 수명이다.
요구되는 전력 소비를 추정하면 다음과 같다.
Figure PCTKR2020017490-appb-img-000006
(6)
광원(LS)과 광전도 스위칭 영역(SR)의 크기 사이의 비율은 필요한 광 출력 값에 영향을 미친다. 크기가 같은 광원으로 다른 크기의 광전도 스위칭 영역(SR)을 구현하기 위해서는 정의된 캐리어 농도 값을 보장하기 위해 다른 광 출력이 필요하다.
확산 외에도 광전도 스위칭 영역(SR)의 크기는 반도체의 캐리어 수명을 조절하여 제한할 수 있다. 반도체의 벌크 수명은 예를 들어 결정 구조에 결함을 도입하여 줄일 수 있다. 정의된 전도도 수준이 보장되어야 하는 영역으로부터 광전도 스위칭 영역(SR)의 가장자리(벌크 수명이 낮은 영역) 위치를 이동시킴으로써, 재결합 가장자리 효과(recombination edge effect)를 사용하여 유효 캐리어 수명, 스위치의 총 온/오프 시간을 늘리거나 줄일 수 있다.
따라서 광학 제어 스위치가 구비되는 장치의 목적에 따라 광전도 스위칭 영역, 전송선로 및 광원의 기하학적 매개 변수를 선택하여 광학 제어 스위치의 광 전력 소비 및 온/오프 시간을 최적화 할 수 있다.
더 높은 동작 주파수로의 전환, 제조 정확도 증가, 도체 두께와 관련된 기생 리액턴스 감소를 위해 전송 선로의 크기는 마이크론 오더로 감소하고 있다. 반도체 장치를 제조하는 데 사용되는 기술을 사용하여 전송선로를 제조함으로써 인쇄 회로 보드 제조에 있어 정확도의 한계가 해결될 수 있고 또한, 마이크론 오더의 스위치 제도의 정확도를 높일 수 있다.
이러한 요구 사항과 기술을 감안할 때 특정 실시예에서는 10μm의 개구(aperture), 10mW의 출력 및 850nm의 파장을 가진, 범용의 레이저가 광원으로 선택될 수 있다. 이에 따라, 정의된 특성이 보장되어야 하는 광전도 스위칭 영역으로 한 변의 길이(d)가 10 μm인 정육면체가 선택될 수 있다. 이는 기존에 사용되는 광전도 요소의 수치(d 0)보다 100배 작은 수치이다.
d 0 = 1000 μm → 10 -2d 0 = 10 μm
이에 따라, 여기 영역 체적은
V 0 → 10 -6V 0
으로 감소한다.
이로부터, 위의 식 (1), (2)를 고려하면, 광전도 스위칭 영역(SR)의 기생 저항은 기존의 광전도 요소의 저항 R0와 비교할 때 100배 증가하고, 기생 커패시턴스는 100배 감소한다.
R 0 → 100R 0
C 0 → 0.01C 0
이러한 스케일링은 기생 커패시턴스를 줄이는 긍정적인 효과가 있으나, 저항에 미치는 영향은 부정적이다. 광전도 스위칭 영역의 크기를 변경하지 않고 저항을 줄이고 저항 값을 허용 가능한 값으로 하기 위해 식 (1)에서 다음과 같이 전도도를 높여야 한다.
σ 0 →100σ 0.
식 (3), (4)의 관계들에 근거할 때, 이러한 전도도는 상응하는 캐리어 농도의 증가와 함께 확보될 수 있다.
n o → 100n o.
다음, 고려된 체적 10 -6 V 0에서 여기 상태로 전이된 캐리어의 수는 다음과 같아야 한다.
N 0 → 10 -4N 0.
관계식 (6)에 따라 광원의 주어진 (일정한) 전력에 대해 이 물질의 캐리어 수명은 다음과 같아야 한다.
τ 0→10 -4τ 0
소수 캐리어 수명을 줄이기 위한 요구 사항은 재료의 캐리어 확산 길이, 즉, 광전도 스위칭 영역의 실제 크기를 정의하기 때문에 광학 제어 스위치의 소형화 아이디어를 뒷받침한다. 이러한 개념에서 광전도 물질에서 캐리어의 확산 전파 길이에 따라 필요한 광전도 스위칭 영역의 크기보다 작은 개구(aperture)를 가지는 광원을 선택할 수 있다.
소수 캐리어 수명은 또한 재료에서 캐리어의 여기 및 재결합 과정의 기간을 정의한다. 소수 캐리어 수명을 최대 10 -4τ 0 까지 줄이는 경우 광원의 동일한 전력에서 광전도 스위치 영역의 스위칭 속도를 약 10,000배까지 높일 수 있다.
계산의 예로서, 광전도 물질로 작은 영역에 대한 확산 계수가 29cm 2 / sec이고 캐리어 수명이 1μs 인 실리콘을 선택하면 확산 길이는 약 54μm가 되고, 이는 광전도 스위칭 영역에 요구되는 크기에 부합한다.
도 9는 광전도 물질에 광이 조사될 때 광전도 물질내에 여기되는 캐리어 분포를 예시적으로 보인다.
도 9는 위에서 언급한 10μm의 개구, 10mW의 전력 및 850nm의 파장을 가진 상업적으로 이용 가능한 레이저를 광원으로 선택하고 광전도 물질로 실리콘 물질을 사용한 경우, 실리콘 물질 내부에 여기된 캐리어 분포의 예를 보여준다. 평균적으로 빛 침투 깊이는 15μm (점선으로 표시)이며, 이는 적절한 결과이다. 전도 영역 깊이는 빛 침투 깊이와 확산 길이의 합이 되며, 일반적으로 전도 영역 깊이는 주어진 주파수에서 도체의 전도도에 따라 정해지는 표피 두께(skin depth)보다 커야 한다. 이와 같이 설정되는 전도 영역 깊이는 광전도 스위칭 영역(SR)의 깊이를 설정하는 기준이 될 수 있다.
도 10은 광전도 물질에 광이 조사될 때 광전도 물질 내부의 캐리어 농도를 전산 모사한 결과를 나타낸 그래프이다.
광원에 대해 광빔의 단면적 10μm x 10μm, 전력 10mW 및 파장 850nm 의 매개 변수가 선택되었다. 광전도 물질에 대한 매개 변수로, 실리콘 물질에 대한 확산 계수 29 cm 2/sec, 캐리어 수명 1μs가 사용되었다.
도 11은 도 6의 광학 제어 스위치에서 조명 영역에서의 예시적인 전도도 분포를 보인다.
동일 평면 전송 선로의 신호선(141) 폭, w는 2μm로 설정되고 신호선(141)과 그 양측의 접지면(142)(142) 사이의 간격(g)은 6μm로 설정된다. 두 간격을 포함하여 총 선폭은 14μm가 된다. 광학 제어 스위치가 켜져 있을 때 신호선(141)이 접지면(142)(143)에 단락될 수 있도록, 광전도 스위칭 영역(SR)의 크기는 이 총 선폭을 초과해야 한다. 조명 영역의 전도도 분포는 다음과 같이 평균화된다. 반경 D1이 25μm 인 원형 단면의 영역에서 최대 전도도(σ1)는 10000 S/m는 반경 D2가 50μm 인 영역에서 전도도(σ2)는 5000 S/m까지로 감소한다.
도 12는 도 6의 광학 제어 스위치의 S-파라미터를 전산 모사한 결과를 보이는 그래프이다.
그래프를 참고하면, 20dB 이상의 ON/OFF 상태 간 절연(isolation)을 갖는 광대역 스위치가 얻어진다. 도 8a 및 도 8b를 참조하여 위에서 살펴본 바와 같이, 신호가 출력으로 완전히 전달되어야 하는 오프(OFF) 상태에 있는 동안 반사 계수(S11)는 약 -45dB이고, 전송 계수(S12)는 약 -0.03dB이다. 신호가 단락되어야 하는 온(ON) 상태에서 반사 계수(S11)는 약 -0.95dB이고 전송 계수(S12)는 약 -23dB이다.
이와 같이, 광전도 스위칭 영역과 내장된 RF 전송 라인이 구비된 반도체 기판 기반으로, 마이크론 크기의 광원을 사용할 수 있고 30GHz 이상의 주파수의 신호를 광학적으로 제어할 수 있는 광학 제어 스위치가 제공되고 있다. 광학 제어 스위치는 또한 기생 커패시턴스가 감소하고 부품의 정확도와 밀도가 증가하여 다음과 같은 기술적 효과를 나타낼 수 있다.
광학 제어 스위치 크기가 감소되어 소형화에 유리하고, 이에 따라 기생 손실이 감소한다.
전송선로에 낮은 유전 손실의 기판을 사용하고 전송선로로 고품질 도체를 사용하여 초고주파(EHF) 범위에서 삽입 손실이 감소한다.
허용 가능한 수준의 전도도 및 캐리어 수명이 달성되는 경우 전력 소비가 감소되고, 온/오프 상태간의 절연성이 개선될 수 있고, 스위치 크기 감소를 통한 스위칭 속도가 증가할 수 있다.
작동 주파수 대역이 증가할 수 있고, SoI, CMOS 장치로 간단한 통합이 가능하다.
이하, 보다 다양한 실시예들에 대해 설명한다.
도 13a 내지 도 13c는 또 다른 실시예들에 따른 광학 제어 스위치의 개략적인 구조를 보이는 사시도이다.
도 13a를 참조하면, 광학 제어 스위치(103)에 구비되는 전송선로(TL3)는 유전체층(150) 상에 추가 접지층이 없는 일반적인 코플래너 도파관(coplanar waveguide, CPW)일 수 있다.
도 13b를 참조하면, 광학 제어 스위치(104)의 전송선로(TL4)는 제2 전도층(170)에 형성된 개구(H2)가 사각형 모양일 수 있다. 이외, 정사각형, 직사각형, 타원 등, 광을 기판(110) 내의 광전도 스위칭 영역으로 전달할 수 있는 임의의 다양한 형상으로 변형될 수 있다.
도 13c를 참조하면, 광학 제어 스위치(105)의 전송선로(TL5)는 접지층인 제2 전도층(172)이 메쉬(mesh)패턴을 가질 수 있다. 도시된 바와 같이, 제2 전도층(172)은 소정의 개구(H2) 이외의 영역에 다수의 스트립이 반복 배열된 형태로 패턴되어 있다. 이외에도 접지층의 형상은 다른 임의의 편리한 구성으로 변형될 수 있다.
또한, 도 13a 내지 도 13c에서 예시와 다른 형태의 전송선로가 광학 제어 스위치에 사용될 수 있다.
수평면(적층 방향에 수직인 면)에서 전송선 도체의 단락이 필요한 이러한 구조에서 기판(110)의 두께는 기판(110) 내에서의 캐리어 확산 길이와 광원의 파장에 따른 광 침투 깊이를 고려하여 설정되는 기준 길이보다 대략적으로 크거나 이와 같아야 한다.
도 14a 내지 도 14c는 실시예들에 따른 광학 제어 스위치의 전송 선로의 신호선의 예시적인 형상들을 광전도 스위칭 영역(SR) 근처에서 상세히 보인 평면도이다.
도 14a 내지 도 14c는 동일 평면 라인 기반의 전송선로, 즉, 코플래너 도파관(CPW), 접지 코플래너 도파관(GCPW)에 대한 것이다.
도 14a와 같이, 신호선(141)는 광전도 스위칭 영역(SR)을 마주하는 영역에서 일정한 선폭을 가질 수 있다.
도 14b와 같이, 신호선(141a)의 선폭은 광전도 스위칭 영역(SR)을 마주하는 영역 일부에서 불균일할 수 있다. 즉, 인접하는 두 접지면(142a)(143a) 방향으로 돌출된 형상일 수 있고, 이에 따라 두 접지면(142a)(143a)은 돌출된 형상과 마주하는 부분에서 인입된 형상을 가질 수 있다. 이러한 신호선(141a)은 광전도 스위칭 영역(SR)의 증가 및 분로 저항(shunt resistance) 감소로 인해, 광전도 스위칭 영역(SR)이 온 상태일 때의 신호 반사를 더 강하게 할 수 있다.
도 14c는 신호선(141c)이 그리드 형태로 패턴되어 있다. 신호선(141c)은 도시된 바와 같이 그물망 형태의 패턴을 가질 수 있다. 이러한 형태에 의해 신호 전송 품질을 유지하면서 광전도 스위칭 영역(SR)에서의 캐리어 여기(excitation) 성능이 향상될 수 있다.
도 15a 내지 도 16b는 또 다른 실시예에 따른 광학 제어 스위치에 대한 것으로, 도 15a 및 도 15b는 오프 상태, 도 16a 및 도 16b는 온 상태를 보이고 있다. 도 15b, 도 16b는 각각 도 15a, 도 16a의 A-A 단면도이다.
도면들을 참조하면, 본 실시예의 광학 제어 스위치(106)의 전송선로(TL6)는 기판 집적형 도파관(SIW)(substrate integrate waveguide) 이다.
전송선로(TL6)는 기판(110) 및 이의 상면에 형성된 제1 전도층(160), 하면에 형성된 제2 전도층(175)을 포함한다.
제1 전도층(160)에는 개구(opeining)(H3)가 형성되어 이를 통해 광이 광전도 스위칭 영역(SR)을 조명할 수 있다. 개구(H3)는 하나로 도시되어 있으나 이에 한정되지 않으며 복수개가 구비될 수 있다.
제1 전도층(160)과 제2 전도층(175) 사이에 기판(110)을 관통하여 제1 전도층(160), 제2 전도층(175)을 연결하는 복수의 전도성 비어(180)들이 배치된다. 복수의 전도성 비어(180)들은 기판 집적형 도파관(SIW)의 측벽을 형성한다. 복수의 전도성 비어(180)들 사이의 간격은 동작 파장이 λ일 때 λ/10 미만일 수 있다. 복수의 전도성 비어(180)들은 도시된 바와 같이, 광전도 스위칭 영역(SR)을 사이에 두고 두 측벽을 형성하는 두 열(row)로 배열될 수 있다.
도 15a 및 도 15b에 도시된 바와 같이, 광전도 스위칭 영역(SR)에 광이 입사되지 않는 오프 상태에서, 광전도 스위칭 영역(SR)은 유전체 상태로서 두 측벽 사이의 영역이 개방된다. 이에 따라 광학 제어 스위치(106)의 입력에 제공된 신호는 신호(S)는 두 측벽 사이에서 전파되어 출력을 향하게 된다.
도 16a 및 도 16b에 도시된 바와 같이, 광전도 스위칭 영역(SR)에 광이 입사될 때, 광전도 스위칭 영역(SR)은 전도성 영역으로 활성화된다. 광학 제어 스위치(106)의 입력에 제공된 신호는 신호(S)는 두 측벽 사이의 공간에 형성된 전도성 영역에서 반사되어 출력을 향하지 못한다.
이러한 구조는 온 상태에서 전송선로에서 수직 방향(적층방향)으로 이격된 제1 전도층(160), 제2 전도층(175) 간에 단락이 일어나야 하므로, 기판(110)의 두께는 광전도 스위칭 영역(SR)의 깊이와 실질적으로 동일 내지 유사하여야 한다. 광전도 스위칭 영역(SR)의 깊이는 기판(110)을 이루는 반도체 물질 내에서 캐리어 확산 길이 및 광원의 작동 주파수를 고려한 침투 깊이의 합으로 설정될 수 있다. 기판(110)의 두께는 광전도 스위칭 영역(SR)의 깊이와 유사한 정도이어야 하고 이를 초과하지 않아야 한다. 기판(110)의 두께는 광전도 스위칭 영역(SR)의 깊이 이하로 설정될 수 있다.
도 17은 또 다른 실시예에 따른 광학 제어 스위치의 개략적인 구조를 보이는 사시도이다.
광학 제어 스위치(107)는 복수의 광전도 스위칭 영역(SR)이 복수개 구비되는 점에서 도 15a 내지 도 16b에서 설명한 광학 제어 스위치(106)와 차이가 있다. 즉, 제1 전도층(162)에는 광을 통과시키는 복수의 개구(H3)가 구비된다. 복수의 개구(H3)를 향해 각각 광이 조명되어야 하며, 미도시된 광원의 개수도 같은 복수개로 구비된다. 이러한 실시예는 온 상태에서 활성화된 광전도 스위칭 영역(SR)이 복수개의 반사벽을 형성하므로 신호(S) 전송을 차단하는 효과를 보다 높일 수 있다.
본 실시예의 광학 제어 스위치(107)는 온 상태에서 각 개구(H3)에 대응하는 위치의 광원이 모두 동작할 수도 있고 또는 일부만이 동작하도록 구동될 수도 있다.
도 18은 또 다른 실시예에 따른 광학 제어 스위치의 개략적인 구조를 보이는 사시도이다.
광학 제어 스위치(108)는 기판(110) 및 기판(110) 상면에 배치된 제1 전도층(164), 기판(110) 하면에 배치된 제2 전도층(178)을 포함한다. 제1 전도층(164)에는 복수의 개구(H3)가 구비되며, 개구(H3)들은 도시된 바와 같이 이차원 어레이로 배열될 수 있다. 광원(미도시)은 복수의 레이저 어레이가 될 수 있다. 예를 들어, 광원으로, 복수의 개구(H3) 각각에 광을 조사할 수 있는 VCSEL 어레이가 사용될 수 있다. 복수의 개구(H3)와 각각 마주하는 기판(110) 내의 소정 영역들이 광전도 스위칭 영역이 되며 복수의 광전도 스위칭 영역들도 개구(H3) 배열을 따라 이차원 어레이로 배열된다. 도 8에서 광전도 스위칭 영역은 편의상 도시하지 않고 있다.
실시예에 따른 광학 제어 스위치(108)는 제1 전도층(164)과 제2 전도층(178) 사이에 전도성 비어가 구비되지 않으며, 온 상태에서 복수의 광전도 스위칭 영역 중 일부가 선택적으로 활성화되어 기판 집적 도파관(SIW)의 도파 경로가 형성되는 구조이다.
다시 말하면, 개구(H3)를 통해 기판(110)에 광이 조사되지 않는 오프 상태에서 광전도 스위칭 영역은 활성화되지 않고 유전체 상태이며, 광학 제어 스위치(108)에서의 도파 경로는 임의의 방향이 될 수 있다.
도 19a는 도 18의 광학 제어 스위치가 온 상태인 경우를 보인다. 도 19a는 복수의 광전도 스위칭 영역 중 일부 광전도 스위칭 영역(SR)들이 선택적으로 활성화된 경우이다. 이에 따라 도시된 바와 같이, 두 전도성 측벽이 형성되고 두 전도성 측벽 사이의 공간을 따라 신호(S)의 도파 경로가 형성된다.
도 19b는 도 18의 광학 제어 스위치가 온 상태인 경우로서, 도 19a와는 다른 위치의 광전도 스위칭 영역들이 활성화된 경우이다. 활성화된 복수의 광전도 스위칭 영역(SR)에 따라 도 19a와는 다른 형태의 두 전도성 측벽이 형성될 수 있고, 두 전도성 측벽 사이의 공간을 따라 신호의 도파 경로가 형성된다.
이러한 실시예의 광학 제어 스위치(108)는 완전히 재구성 가능한(reconfigurable) 구조가 될 수 있다. 광학 제어 스위치(108)의 입력에 제공된 신호(S)는 활성화되는 광전도 스위칭 영역을 선택함에 따라 장치 내의 원하는 모든 지점을 향할 수 있다. 따라서 이러한 구조는 전력 분배/전력 합산, 위상 시프터 및 기타 패시브 RF 구조에 사용될 수 있다.
도 20은 실시예에 따른 위상 쉬프터의 구조를 예시적으로 보이는 평면도이다.
위상 쉬프터(109)는 기판(110) 및 기판(110) 상에 형성된 전송선 세그먼트(180)들을 포함한다. 전송선 세그먼트(180)들은 상에 신호가 통과 할 때 필요한 위상 지연을 제공하는 분기(branch)들이다. 전송선 세그먼트(180)들 사이에 갭(H1)형성된다. 갭(H1)은 전송선 세그먼트(180)의 폭에 필적하는 길이일 수 있다. 갭(H1)과 마주하는 위치에 갭(H1)과 유사한 크기의 개구를 가지는 광원이 배치된다. 갭(H1)을 통해 기판(110) 내부가 조명되면 광전도 스위칭 영역(SR)이 기판(110)에 형성된다.
상술한 실시예들에서, 기판(110) 내에 광전도 스위칭 영역(SR)이 형성될 위치에 국부적 처리가 행해질 수 있다. 기판(110) 재료인 반도체 물질이 긴 캐리어 수명을 갖는 경우, 반도체에서 자유 캐리어 수명을 국부적으로(필요한 구간 내) 감소시키는 방법이 사용될 수 있다. 예를 들어, 실리콘 기판을 제조하는 공정에서 직접적으로, 새로운 재결합(recombination) 중심을 실리콘에 도입하는 방법이 사용될 수 있다. 이를 위해, 이온 주입, 전자빔 조사 등 몇 가지 접근 방식이 가능하다. 이에 따라 별도의 광전도 요소를 기판 내에 설치할 필요없이 상대적으로 다양한 재료를 기판(110)으로 사용할 수 있게 된다. 필요한 경우, 전체 기판이 이러한 처리를 받을 수도 있다.
도 21은 광전도 스위칭 영역에 대한 국부적 처리의 예를 도 20의 위상 쉬프터의 구조를 예시하여 보이고 있다.
기판(110) 내에 광전도 스위칭 영역(SR)이 위치해야 하는 영역을 점원으로 표시하고 있으며, 이 영역에 이온 충격(ion bombardment)이 행해질 수 있다. 이에 따라, 이 영역에서 자유 캐리어 수명이 감소하고 원하는 특성을 가진 광전도 스위칭 영역이 형성될 수 있다.
전체 기판에 광전도 효과가 있는 경우 광전도 스위칭 영역의 밀도는 광전도 영역, 즉 광원의 개구 크기와 확산 길이의 합에 의해 정의될 수 있다. 인접한 광전도 스위칭 영역 사이의 거리는 적어도 하나의 다른 확산 길이만큼 더 크게 설정할 수 있다. 이에 따라 광전도 스위칭 영역 주변에서 전도도가 기하급수적으로 감소하게 된다.
도 22는 광전도 스위칭 영역에 대한 국부적 처리의 다른 예를 도 20의 위상 쉬프터의 구조를 예시하여 보이고 있다.
예시된 국부적 처리는, 도 21과 다른 상황으로, 기판 재료가 일반적으로 필요한 캐리어 수명을 갖는 경우, 광전도 스위칭 영역을 제한하는 것이다. 이를 위해 광전도 스위칭 영역 주변에 캐리어가 매우 빠르게 재결합되는 가장자리를 만들 수 있다. 처리 방법으로 이온 주입, 전자 빔 조사 등이 사용될 수 있다. 이에 따라, 자유 캐리어 수명이 급격히 감소하고 캐리어가 매우 빠르게 재결합하는 가장자리가 형성되고, 가장자리 내부에는 원하는 특성을 가진 광전도 스위칭 영역이 그대로 남아 있게 된다. 이를 통해 이미 광전도 스위칭 영역으로 직접 사용하기에 적합한 재료로 만들어진 기판 상에서의 스위칭 요소 패킹 밀도를 높일 수 있다.
도 21 및 도 22는 도 20의 위상 쉬프터를 예시하여 광전도 스위칭 영역이 위치할 기판 영역에 대한 국부적 처리를 설명하였다. 이는 예시적인 것이며, 실시예에 따른 광학 제어 스위치를 구비하는 임의의 원하는 장치의 기판에 대해 상술한 국부적 처리가 행해질 수 있다.
상술한 광학 제어 스위치는 다양한 분야에서 활용될 수 있다. 예를 들어, 순환기, 위상 쉬프터, 정류자, 적응형 빔 형성(adaptive beam forming) 안테나등에 사용될 수 있고, 또한, RF 신호(예를 들어, 미래 표준 5G, 6G 및 WiGig의 이동 통신 네트워크 용 밀리미터 파 범위)에 의한 제어를 필요로 하는 다양한 센서, 와이파이 네트워크, 장거리 무선 전력 전송, 스마트홈 시스템, 밀리미터파 적응형 지능 시스템, 자동차 내비게이션, 사물 인터넷(IoT) 및 무선 전력 충전 등을 위한 전자 장치에 사용될 수 있다.
도 23은 실시예에 따른 광학 제어 스위치를 적용한 레이다 시스템의 구조를 개략적으로 보이는 개념도이다.
레이다 시스템은 하나의 장치로 SRR(short range radar), MRR(middle range radar), LRR(long range radar)가 하나의 장치 내에 구현된 구조를 가질 수 있다. 레이다의 전송단(Tx)에 근거리, 중거리, 장거리 용의 안테나가 광학 제어 스위치(1000)에 의해 연결될 수 있다. 광학 제어 스위치(1000)는 전술한 다양한 실시예의 광학 제어 스위치(100)(101)(102)(103)(104)(105)(106)(107)(108) 들 중 어느 하나, 또는 변형된 형태가 사용될 수 있다. LRR 타겟(20)에 대해 LRR 빔(25)이 조사될 수 있고, SRR 타겟(10)에 대해 SRR 빔(15)이 조사될 수 있다. SRR/LRR의 전환이 빠른 속도로 가능하므로 높은 해상도가 구현될 수 있다.
본 실시예들에서 광학 제어 스위치의 요소 / 유닛은 공통 하우징에 배치되고, 동일한 프레임 / 구조 / 기판 / 인쇄 회로 기판에 배치되고, 마운팅 (조립) 작업에 의해 통신 라인을 통해 구조적으로 그리고 기능적으로 연결될 수 있다. 달리 명시되지 않는 한, 통신 라인 또는 채널은 기존의 통신 라인을 사용하여 실질적인 구현이 가능한다. 통신 라인은 유선, 전선 세트, 버스, 경로, 무선 통신 링크 (유도, 무선 주파수, 적외선, 초음파 등) 일 수 있으며, 통신 링크를 통한 통신 프로토콜은 당 업계에 알려져 있으며 별도로 설명되지 않는다.
요소의 기능적 관계는 이러한 요소의 올바른 협력을 제공하고 요소의 특정 기능을 구현하는 연결로 이해되어야 한다. 기능적 관계의 특정 예는 정보 교환을 제공하는 연결, 전류의 전송을 제공하는 연결, 기계적 운동의 전송을 제공하는 연결, 빛, 소리, 전자기 또는 기계적 진동의 전송을 제공하는 연결 등일 수 있다. 기능적 관계는 요소들의 상호 작용의 특성에 의해 결정되며, 달리 명시되지 않는 한, 당 업계에 잘 알려진 원리를 사용하여 잘 알려진 수단에 의해 제공된다.
본 장치의 요소의 구조적 구현은 당업자에게 공지되어 있으며 달리 명시되지 않는 한 본 문서에서 별도로 설명하지 않는다. 장치의 요소는 적합한 재료로 만들 수 있고, 기계 가공 및 로스트 왁스 주조를 포함하는 알려진 방법을 사용하여 제조 될 수 있다. 상기 설명에 따른 조립, 연결 및 기타 동작은 또한 당업자의 지식에 대응하므로 여기서 더 자세히 설명하지 않을 것이다.
설명 또는 청구항에 단일 요소로 지정된 요소의 기능은 장치의 여러 구성 요소를 통해 실제로 구현될 수 있으며, 그 반대로 설명 또는 청구항에 여러 개별 요소로 설명된 것은 단일 구성 요소로 실제로 구현 될 수 있다.
상술한 설명의 다양한 부분에 개시된 구현은 그러한 조합의 가능성이 명시적으로 기재되지 않은 경우라도 유리한 효과를 달성하기 위해 조합될 수 있다. 예시적인 실시예가 상세하게 설명되고 첨부 도면에 도시되었지만, 이러한 실시예는 단지 예시적인 것이며 본 발명을 제한하도록 의도되지 않으며 본 발명은 도시되고 설명된 특정 구성으로 제한되지 않아야 한다는 것이 이해되어야 한다. 본 발명의 본질 및 범위를 벗어나지 않는 본 발명의 다양한 다른 변형 및 실시예가 설명에 포함된 정보 및 관련 기술 분야의 지식에 기초하여 당업자에게 명백하기 때문이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 하기의 특허청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상에 의해 정해져야만 할 것이다.

Claims (15)

  1. 전송선로(tramsmission line) 및 상기 전송선로에 인접하며 전기적 성질이 광에 의해 제어되는 광전도 스위칭 영역이 구비된 회로 보드; 및
    상기 회로 보드 상에 위치하며, 상기 광전도 스위칭 영역을 향하여 광을 출사하는 레이저;를 포함하는, 광학 제어 스위치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 회로 보드와 상기 레이저는 일체형으로 집적된 형태인, 광학 제어 스위치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 레이저는
    상기 회로 보드 상에 배치된 하부 반사층;
    상기 하부 반사층 상에 배치된 활성층;
    상기 활성층 상에 배치된 상부 반사층;을 포함하며,
    상기 하부 반사층의 반사율이 상기 상부 반사층의 반사율보다 낮은, 광학 제어 스위치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 회로 보드는
    반도체 물질로 이루어지며 상기 광전도 스위칭 영역을 포함하는 기판; 및
    상기 기판 상에 배치되어 상기 전송선로의 신호선을 형성하며 상기 광전도 스위칭 영역을 오픈하는 패턴을 가지는 제1 전도층;을 포함하는, 광학 제어 스위치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 전송선로는
    상기 제1 전도층; 및
    상기 제1 전도층 상에 배치된 유전체층;을 포함하는, 광학 제어 스위치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 전송선로는 코플래너 도파관(grounded coplanar waveguide)이며,
    상기 제1 전도층은
    상기 광전도 스위칭 영역의 상부 일부를 덮으며 일방향으로 연장되는 스트립 형태의 상기 신호선; 및
    상기 신호선과 같은 평면에서 상기 신호선의 양측으로 이격 배치된 두 접지면;을 포함하는, 광학 제어 스위치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 신호선은
    상기 광전도 스위칭 영역과 마주하는 영역 일부에서 불균일한 두께를 가지거나,
    또는, 그리드 패턴을 가지는, 광학 제어 스위치.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 전송선로는
    상기 유전체층 상에 배치되고 상기 전송선로의 접지층이 되며 상기 광전도 스위칭 영역을 마주하는 위치가 오픈된 패턴을 가지는 제2 전도층을 더 포함하는, 광학 제어 스위치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 전송선로는 마이크로 스트립라인(micro stripline)이며,
    상기 제1 전도층은 상기 광전도 스위칭 영역을 사이에 두고 이격된 두 세그먼트를 포함하는, 광학 제어 스위치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 전송선로는 접지 코플래너 도파관(grounded coplanar waveguide)이며,
    상기 제1 전도층은
    상기 광전도 스위칭 영역의 상부 일부를 덮으며 일방향으로 연장되는 스트립 형태의 상기 신호선; 및
    상기 신호선과 같은 평면에서 상기 신호선의 양측으로 이격 배치된 두 접지면;을 포함하는, 광학 제어 스위치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 신호선은
    상기 광전도 스위칭 영역과 마주하는 영역 일부에서 불균일한 두께를 가지거나,
    또는, 그리드 패턴을 가지는, 광학 제어 스위치.
  12. 제4항에 있어서,
    상기 전송선로는
    상기 제1 전도층;
    상기 기판; 및
    상기 기판 하면에 형성된 제2 전도층;을 포함하는 기판 집적형 도파관(substrate integrated waveguide)인, 광학 제어 스위치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1 전도층과 상기 제2 전도층 사이에 상기 기판을 관통하는 복수의 전도성 비어들이 형성되고,
    상기 복수의 전도성 비어들은 상기 광전도 스위칭 영역을 사이에 두고 두 전도성 측벽을 형성하도록 두 열(row)로 배열된, 광학 제어 스위치.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 광전도 스위치 영역은 이차원 배열된 복수개로 구비되고,
    상기 제1 전도층은 상기 복수의 광전도 스위칭 영역들 각각과 마주하는 복수의 개구가 구비된 패턴을 가지며,
    상기 복수의 광전도 스위칭 영역의 일부가 선택적으로 활성화되어 상기 기판 집적형 도파관의 재구성 가능한 전도성 측벽을 형성하는, 광학 제어 스위치.
  15. 제4항에 있어서,
    상기 광전도 스위칭 영역은 상기 반도체 물질에 새로운 재결합 중심(recombination centor)을 도입하는 처리 방법을 사용하여 상기 기판 내에 만들어지는, 광학 제어 스위치.
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