비선형 소자를 이용한 전 광학 논리 게이트

비선형 소자를 이용한 전 광학 논리 게이트{ALL-OPTICAL LOGIC GATES USING NONLINEAR ELEMENTS}

본 발명은 전 광학 논리 게이트로 기능하는 광학 디바이스에 관한 것이다. 더 구체적으로 말하면, 디지털 광 신호들이 결합되고, 이렇게 결합된 디지털 광 신호들이 광학 공진기(optical resonators)나 캐비티 스위치(cavity switches)와 같은 비선형 소자에 제공되고, 이 비선형 소자의 공진 주파수들이 튜닝되어 원하는 논리 출력 신호를 생성하게 된다.

전자 디바이스에서, 트랜지스터로 구성된 논리 게이트는 디지털 회로의 기본 소자를 포함한다. 전압을 기반으로 하는 입력이 게이트에 의해 수신되어, 원하는 논리 기능에 대응하는 전압 기반 출력 신호를 생성한다.

최근 수년 동안 전자 논리 게이트와 유사하게 작동하는 광학 디바이스를 개발하려는 관심이 나타나기 시작했다. 이러한 관심의 이유는, 광 신호가 논리 상태들 사이의 전환 속도를 느리게 하는 커패시턴스에 의존하지 않기 때문에, 광 신호가 전자 신호보다 집적 회로에서 잠재적으로 더 빠르게 진행할 수 있기 때문이다. 더 빠른 전환을 요구하는 수요가 증가한다면, 미래에 전자 회로에서 주요한 기술적 진보를 이루기보다 디지털 광학 디바이스를 사용하는 것이, 필수적인 것은 아니라 할지라도 점차 증가하는 것이 바람직할 것으로 기대된다.

그러나, 집적 논리 회로를 형성하기 위해 광학 디바이스를 사용하는 것은 특별한 문제를 야기한다. 그 특성상 광은 전파만 할 뿐 저장될 수 없다는 것이다. 요구될 수 있는 한 안정적으로 논리 레벨을 나타내는 능력이 문제로 된다. 따라서 광 신호를 사용하여 논리 상태를 안정적으로 나타내는데 사용될 수 있는 광학 논리 게이트(optical logic gates)를 제공하는 것이 바람직할 것이다.

더욱이, 광 펄스의 진폭이나 강도가 디지털 논리 상태를 나타내는 기본적으로 진폭 변조된 광 신호(amplitude-modulated optical signals)를 사용하는 광학 부품들을 사용하는 것이 관련 산업에 확립되어 있다. 데이터를 광학적으로 저장하고 처리할 수 있는 임의의 해법은 또한 기존의 광 통신 인프라와 이상적으로 호환될 수 있어야 한다.

일부 광 변조 구조에서, 데이터는 2개 이상의 진폭 레벨로 나타낸다. 이러한 방식에서의 문제는, 논리 연산이 수행되는 광 신호의 진폭을 매우 엄격하게 제어하여야 한다는 점이다. 예를 들어, AND(논리곱) 게이트에서, 2개의 펄스 모두가 이 예에서 "1"의 진폭으로 나타나는 하이 레벨 즉 "1" 논리 레벨에 있다면, 그 출력은 이들 2개의 레벨의 선형 합(linear sum), 즉 "2"인 진폭을 가질 것이다. "2"는 그 다음 스테이지의 논리 게이트로 전송되고, 그 다음 스테이지는 논리적 하이 레벨을 나타내는 "2"와, 논리적 로우 레벨을 나타내는 "1" 또는 "0"을 고려하도록 구성되어야 한다. 따라서, 2개 이상의 하이 레벨을 추가하는 경우의 문제는 보다 복잡하 게 되며 논리 게이트로서 복합품(compounds)이 캐스케이드 연결된다. 그러므로, 이 문제를 회피하는 광학 회로를 제공하는 것이 바람직할 것이다.

광학 디바이스를 통해 신호가 전파함에 따라, 전파 손실은 통상적으로 광학 회로의 캐스케이드 연결을 방해하는 중대한 문제가 되고 있다. 나아가, 조밀하게 집적된 기판에서 광 신호에 이득을 제공하는 것은, 현재 기술적이고 실제적인 장벽을 가지고 있다. 디지털 광 신호의 복구가 다른 방식으로 제어될 수 있다면, 몇 개의 광학 논리 게이트를 캐스케이드 연결하는 것이 가능할 수 있을 것이다.

비선형 광학 캐비티(nonlinear optical cavity)는 전 광학 전환(all-optical switching)을 수행하기 위해 사용되는 것이 일반적이다. '비선형(nonlinear)'이라는 용어는, 구체적으로 공진기가 자신의 굴절률이 내부에서의 강도(intensity)나 파워(power)에 의존하는 물질(들)로 구성되어 있다는 것을 말한다. 입사 파워(incident power)는 입력 신호의 결합에 의존하며, 이와 같이 결합된 신호는 공진기 내부의 굴절률을 결정한다. 공진기의 공진 주파수는 다음 식과 같이 그 굴절률에 의존한다:

여기서, f 는 공진기의 공진 주파수이며, c 는 광의 속도이며, L 은 공진기의 길이이며, q 는 임의의 양의 정수이며, n 은 굴절률이다. 공진기의 무부하(unloaded) 굴절률 및 길이는 입력 반송파 주파수보다 약간 다른 공진 주파수로 조절될 수 있으며, 이에 따라 충분한 파워의 광에 의해서, 입사하는 반송파 주파수 와 동일하도록 공진기의 공진 주파수를 시프트(shift)시킬 만큼 충분한 공진기의 굴절률을 증가시키거나 또는 감소시킬 수 있다. 입력 광이 공진기 내에서 공진(resonate)하게 되면, 광자(photons)는 훨씬 더 높은 공진기 수명(resonator lifetimes)을 가지며, 그 입력의 더 많은 양이 출력으로서 공진기를 통해 전송된다. 입력 파워의 지정된 양에 기초하여 불투명한 상태로부터 투명한 상태로 용이하게 전환할 수 있는 공진기의 능력 때문에, 비선형 캐비티가 전 광학 스위치의 가장 일반적인 형태가 되는 것이다.

전송을 위해 충분한 파워가 비선형 공진기를 전환할 수 있다 할지라도, 훨씬 더 많은 양의 입력 파워가, 반송파 주파수와 더 이상 일치하지 않아 그 출력을 오프로 전환할 때까지 공진기의 공진 주파수를 더 시프트시킬 수 있다. 이러한 작동은 언제나 바람직하지 않은 것으로 고려되어 왔는데, 그 이유는 종래의 디지털 설계는 임계치에 도달하면 입력 레벨에 상관없이 일정한 출력 레벨을 요구하기 때문이다. 연구 및 산업 분야에서 이 기술 분야의 상황과 현재의 생각에 따르면 전 광학 논리 회로를 구현하는 것이 오늘날보다 훨씬 더 바람직하게 고려될 수 있는 방식으로 이러한 작동이 오히려 설계자의 장점에 사용될 수 있다는 것을 인식하지 못하고 있다.

비선형 공진기는 입력 반송파 주파수와 같은 무부하 공진 주파수를 가지는 것에 의해 전술된 비튜닝된 공진기의 반전으로 기능할 수도 있다. 상대적으로 낮은 파워를 갖는 입력은 전송될 수 있는 반면, 상대적으로 높은 파워를 갖는 입력은 공진기가 공진되지 않도록 해서 그 출력을 오프로 전환시킬 수 있다. 지금까지 비선 형 공진기의 이러한 반전 기능은 전술된 다른 특징과 연계하여 적절히 사용되는 경우에 유용하다는 것이 알려지지 않았었다.

여러 실시예에 개시된 디바이스는 각각 전술된 문제 중 하나 이상을 해소하며 이후 개시되는 바와 같은 추가적인 장점을 달성한다.

본 발명에 따른 논리 게이트는 하나 이상의 진폭 변조된 디지털 광 입력 신호를 수신한다. 일부 실시예에서, 광 입력 신호들 중 하나는, 예를 들어 레이저 소스로부터의 연속파(CW: continuous wave) 광이다. 논리 게이트는, 광 입력 신호를 수신하거나 또는 이러한 광 입력 신호들을 결합한 결합 신호를 수신하며 논리 레벨을 비선형적으로 구별하여 이진 논리 레벨(binary logic level)을 갖는 광 출력 신호를 생성하는 비선형 소자(nonlinear element)를 포함한다. 이 비선형 소자는 특정 논리 연산을 수행하기 위해 광 입력 신호의 반송파 주파수에 대해 튜닝되도록 구성된 광학 공진기 또는 캐비티를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 논리 게이트는 광 입력 신호를 수신하고 이들을 결합하여 결합 신호를 생성할 수 있는 결합 매체(combining medium)를 포함하며, 이 결합 매체는 논리 레벨의 구별을 위해 비선형 소자에 이 결합 신호를 출력한다. 다른 실시예에서, 광 입력 신호는 비선형 소자에 제공되며, 이 비선형 소자는 그 논리 레벨을 효과적으로 결합하며 구별한다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 도파로(waveguide)가 광 입력 신호를 결합 매체나 비선형 소자로 가이드하는데 사용된다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 도파로는, 비선형 소자로부터 광 출력 신호를 수신하고 이를 논리 게이트의 출력으로서 다운스트림 소자에 제공하는데 사용될 수 있다. 논리 게이트는 임의의 논리 기능을 실질적으로 수행할 수 있는 광학 회로를 형성하도록 일렬로 광학적으로 서로 결합될 수 있다. 개별적이거나 결합된 논리 게이트는 AND, NOT, NAND, NOR, OR, XOR, XNOR 논리 연산을 수행할 수 있다.

비선형 소자는 광 입력 신호의 논리 레벨에 응답하는 스위치로서 동작하며 비선형 소자가 입력 반송파 주파수에 얼마나 튜닝되어 있는지 또는 얼마나 비튜닝되어 있는지에 따라 그 출력을 오프(off)에서 온(on)으로 전환하거나 또는 온에서 오프로 전환한다. 나아가, 전환에 필요한 입력 파워의 양은 비튜닝의 양을 변화시킴으로써 변경될 수 있다. 입력의 수를 적절히 구성하고 각 비선형 소자의 무부하 및 부하 공진 주파수를 최적화하는 것에 의해, 선택된 논리 기능이 경쟁적인 전환 속도에서 임의의 전자 회로를 사용함이 없이 구현될 수 있다. 나아가, 연속적인 광이 또한 광 입력 신호들 중 하나로서 비선형 소자에 결합되면, 광학 회로의 각 스테이지에서 광 강도(즉, 논리 레벨)의 복구가 가능하다. 이 연속적인 광이 최대 전송률로 비선형 소자를 유지하는데 사용된다면, 추가적인 데이터 펄스는 비선형 소자를 공진되지 않도록 해서 전 광학 논리 반전(all-optical logical inversion)을 생성할 수 있다. 전 광학 강도-복구 논리 게이트(all-optical intensity-restorative logic gates)가 가능하기 때문에 안정적인 전 광학 메모리(all-optical memory)가 본 발명의 다른 가능한 실시예이다.

이하, 본 발명은 본 발명의 모든 실시예가 아닌 일부 실시예가 도시되어 있는 첨부 도면을 참조하여 더 상세히 설명될 것이다. 실제로, 본 발명은 많은 여러 형태로 구현될 수 있으며 이에 따라 본 명세서에서 개시된 실시예로 제한되는 것으 로 해석되어서는 안 되며, 오히려 이들 실시예는 이 개시 내용이 적용가능한 법적 요건을 만족시키기 위해서 제공된 것일 뿐이다. 동일한 참조 번호는 도면 전체에 걸쳐 동일한 소자를 나타낸다.

정의

'다운스트림' 이란 기준점에 대해 광의 전송 경로를 더 따라가며 존재하는 위치나 소자를 말한다. 이 용어는 또한 기준점으로부터 멀어지게 광학 회로에서 광의 진행 방향을 말하는 데에도 사용될 수 있다.

'오프' 또는 '로우' 또는 '0' 이란 상대적으로 낮은 진폭이나 낮은 논리 레벨을 갖는 광학 신호를 말한다.

'온' 또는 '하이' 또는 '1' 이란 높은 진폭이나 높은 논리 레벨을 갖는 광학 신호를 말한다.

'또는' 이란, 포괄적인 의미에서, 문맥에 의해 달리 지시되지 않는 한, 이 단어 앞이나 뒤에 있는 것들 중 어느 하나, 일부 또는 전부를 의미하는데 사용된다. 따라서, 'A 또는 B' 는 그 의미에서 'A' 단독, 'B' 단독 및 'A' 및 'B' 둘 모두를 포함한다.

'(들)' 이란 어구 '(들)' 바로 앞에 있는 단어가 의미하는 것이 하나 이상이라는 것을 의미한다. 따라서, '신호(들)'이란 '하나 이상의 신호'를 의미한다.

'튜닝(tuning)' 이란 일반적으로 그 공진 주파수가 하나 이상의 광 입력 신호들의 주파수에 대해 설정되도록 비선형 소자를 구성(configure)하는 것을 말한다. 본 명세서에서 구체적으로 언급된 곳에서, '튜닝' 이란 또한 광 입력 신호의 주파수(예를 들어, 반송파 주파수)에 그 공진 주파수가 튜닝되도록 비선형 소자를 구성하는 것을 말할 수도 있다. '비튜닝(detuning)' 이란 일반적으로 광 입력 신호의 주파수와는 다른 주파수로 그 공진 주파수가 설정되도록 비선형 소자를 구성하는 것을 말한다.

'광학 공진기' 또는 '광학 캐비티' 는 제한된(finite) 시간 기간 동안 광을 트랩(trap)한 후 이 광을 전송하거나 반사하거나 소멸시키는 것 중 어느 하나를 수행하는 구성으로 정의한다. 포토닉 결정(photonic crystal)의 공진기는 광이 존재할 수 있는 하나 이상의 경로를 두고 이 경로로 입사하는 광을 구속하는 주기적인 구조로 이 경로를 둘러싸는 것에 의해 생성된다. 2차원의 포토닉 결정의 경우에, 이 주기적인 구조는 포토닉 결정을 구성하는 매체로 형성된 에어 홀(air holes) 및/또는 반도체 로드(semiconductor rod)이며, 이 경로는 일반적으로 매체에 홀이나 로드와 같은 구조물의 부재(존재와 부존재)에 의해 구성된다. 공진기는 또한 반도체 물질이나 광 섬유의 외부에 만들어진 링 같은 도파로를 포함할 수도 있다. 이 링(ring)은 입력 및 출력 포트에 연결된다. 공진기는 대안적으로, 교번하는 유전체 물질, 다른 굴절률을 갖는 교번하는 물질, 내부 전반사를 위해 낮은 굴절률로 종단된 면 또는 금속 면 중 어느 하나인 반사 면에 의해 둘러싸인 매체를 포함할 수도 있다. 공진기는 또한 광이 선택적으로 트랩될 수 있도록 반사 순서가 정렬되어 있는 중첩된 격자(gratings)를 포함할 수도 있다. 공진기는 또한 광을 보유하는 전자기적으로 유도된 굴절률 프로파일[예를 들어, 솔리톤(soliton)이나 전압 유도 프로파일]을 포함하는 비선형 물질을 포함할 수도 있다.

'기판' 은 논리 게이트가 형성되는 작업물이나 개시 물질이다. 이 기판은 반도체나 마이크로리소그래피 산업 분야에서 사용되는 웨이퍼와 같은 웨이퍼일 수 있다. 예를 들어, 이 기판은 반도체나 반도체 온 절연체(SOI: semiconductor-on- insulator) 기판을 구비하는 하나 이상의 물질로 구성될 수 있다. 가능한 물질로는, 실리콘(Si), 실리콘 이산화물(SiO ₂ ), 갈륨 아세나이드(GaAs), 갈륨(Ga), 붕소(B), 인(P), 갈륨 인화물(GaP), 갈륨 질화물(GaN) 등을 포함한다.

'업스트림' 이란 기준 점에 대해 광학 게이트나 회로에서 광이 유래하는 쪽을 향하는 위치에 있는 위치나 소자를 말한다. 이 '업스트림'이란 또한 광이 유래하는 쪽을 향한 방향을 말할 수도 있다.

'도파로' 란 광을 구속하고 가이드할 수 있는 임의의 매체 구조나 매체의 결합을 말한다. 예를 들어, 도파로는, 코어가 이 코어의 굴절률보다 더 높은 굴절률(RI)을 갖는 클래딩에 의해 둘러싸여 있어 코어 내에서 특정 파장의 광을 구속하는 효과를 가지는 광섬유일 수 있다. 또한 도파로는, 포토닉 결정으로 구조가 형성되어 있는 영역에 대립되는 것으로서, 포토닉 결정으로 형성된 경로에서 광이 보다 용이하게 전파하게 하는 포토닉 결정으로 형성된 것일 수도 있다.

전 광학 논리 게이트를 위한 비선형 소자

도 1은, 광학 공진기로서 구현된 비선형 소자를 위한 입력 광의 강도의 비율로서의 전송률 대(vs) 입력 광 주파수의 그래프를 도시한다. 입력 광은 일백구십이점구 테라헤르쯔(192.9 THz)(즉, 1.55 마이크로미터의 파장)의 주파수(1)를 갖는 다. 비선형 소자는 일백구십삼 테라헤르쯔(193 THz)의 공진 주파수(2)를 가지며 이에 따라 입력 광 주파수(1)로부터 비튜닝(detuned)되어 있다. 도 1에서 입력 광의 파워는 광학 캐비티가 공진되도록 하는데 불충분한 것이다. 따라서, 캐비티를 통해 전송된 반송파 주파수 광의 비율은 도 1에서 나타난 상황에서 상대적으로 낮으며 대략 제로(0)이다.

도 2는, 비선형 소자에 입사하는 광 입력의 강도의 비율로서, 광학 공진기로서 구현된 비선형 소자를 통한 전송률의 그래프를 도시한다. 도 2에 나타난 상황에서, 입력 광의 파워는 비선형 소자를 공진되도록 할 만큼 충분히 높다. 다시 말해, 광 파워는 광이 충분히 높아서 비선형 소자에서 공진하며 입력 광의 상대적으로 많은 양, 즉 거의 100퍼센트를 출력하는 주파수에 가깝다. 이후 더 명백하게 알 수 있는 바와 같이, 비선형 소자의 이러한 선택적인 공진 특징은 이후 설명되는 논리 게이트에 우수한 장점을 제공하는데 사용될 수 있다.

비선형 소자를 이용한 전 광학 논리 게이트

도 3은, 별개의 도파로일 수 있는 2개의 별개의 입력 매체(3,4)를 포함하는 전 광학 논리 인버터(NOT 게이트)(10)를 도시한다. 입력 매체(3,4)는 결합 매체(5)와 정렬되거나 병합되며, 이 결합 매체는 예를 들어 단일 도파로나 포토닉 결정일 수 있다. 이 결합 매체(5)는 각 입력 매체(3,4) 상의 광 입력 신호(A,B)를 광학 공진기 등의 비선형 소자(6)로 전달하도록 구성된다. 본 실시예에서, 광 입력 신호(A)는 제1 광 입력 매체(3) 내로 전달되는 일정한 파워를 갖는 연속파(CW) 광이며, 광 입력 신호(B)는 제2 광 입력 매체(4) 내로 전달되는 진폭 변조된 광 데이 터(예를 들어, 데이터 스트림)이다. 비선형 소자(6)는 정밀하게 비튜닝되어 있으며, 연속파 광만이 비선형 소자에 들어가는 경우에는, 비선형 소자가 공진되며, 여기서 비선형 소자의 공진 주파수(2)는 CW 광 주파수(1)와 정렬되어 광 출력 매체(7) 상에 광 출력 신호로서 광을 출력하게 된다.

도 4에서, 도 4에서, 제1 광 입력 신호(A)(예를 들어, CW 광)는 제2 광 입력 신호(B)(예를 들어, 펄스나 디지털 비트)와 실질적으로 동일한 주파수를 가진다. 제1 및 제2 광 입력 신호(A, B)는 결합 매체(5)에서 결합하며 비선형 소자(6)로 들어간다. 비선형 소자(6)에 입사하는 광학 파워는 광 입력 신호(A)의 CW 광과 진폭 변조된 광 입력 신호(B) 사이의 위상 차에 따라 보상 간섭이나 상쇄 간섭을 통해 충분히 증가하거나 감소하여, 비선형 소자를 공진되지 않도록 하며, 이는 도파로(7) 상의 출력이 '오프'로 전환되게 하거나 로우 진폭이나 로우 논리 레벨로 전환되게 한다. 도 3 및 도 4의 디바이스는 제2 입력 매체(4) 상에 있는 수신된 진폭 변조된 광 입력 데이터의 논리 레벨(즉, 진폭 레벨)의 반전을 출력하므로, 유효한 광학 논리 인버터가 된다. 인버터(10)의 광 파워 출력이 단독으로 입력 매체(3) 상의 CW 광의 파워에 의해서만 결정되고 매체(4) 상에 있는 진폭 변조된 광 입력 신호(B)의 잠재적으로 감소된 데이터에 의해서는 결정되지 않기 때문에, 도 3 및 도 4의 논리 인버터는 전압 소스에 연결된 전자 인버터나 트랜지스터가 논리 레벨의 복구를 수행할 수 있는 방식과 유사하게 전 광학 논리 레벨의 복구(restoration)를 수행한다.

도 5는, 예를 들어 포토닉 결정으로 형성된 단일 도파로나 경로일 수 있는 결합 매체(25)와 정렬되거나 이 결합 매체(25)에 병합되는 도파로일 수 있는 2개의 별개의 광 입력 매체(23,24)를 포함하는 전 광학 AND 게이트 디바이스(20)를 도시한다. 이 결합 매체(25)는 비선형 소자(26)와 정렬되거나 이 소자에 광학적으로 연결되도록 구성된다. 각 데이터로 각각 변조된 진폭 변조 광 입력 신호(A,B)는 각 광 입력 매체(23,24) 내로 전달되며 비선형 소자(26)로 진행하기 전에 결합 매체(25)에서 결합된다. 도 5에 도시된 바와 같이, 광 입력 신호(A,B)들 중 어느 하나 또는 둘 모두가 로우 즉 '오프' 논리 레벨을 가지는 경우, 비선형 소자(26)는 로우, 즉 '오프' 논리 레벨을 가지도록 광 출력 신호를 생성한다. 비선형 소자(26)는 광 입력 신호(A,B)의 반송파 주파수(21)로부터 멀어지게 충분히 비튜닝되어 있어, 광 출력 매체(27) 상에 비선형 소자(26)의 출력은 두 입력이 모두 도 6에 도시된 바와 같이 동시에 '온'일 때에만 '온'으로 전환한다. 이러한 동작은 전 광학 AND 게이트에 대응한다. 매체(27) 상에 있는 광 파워 출력은 그 입력들 중 어느 하나의 파워를 두 배로 전송하며, 즉 광 출력 신호는 광 입력 신호(A,B)의 논리 레벨을 합한 논리 레벨을 가진다. 이렇게 개선된 출력 파워는 임의의 후속하는 디바이스가 논리 '1' 비트(즉, 하이 진폭 또는 하이 논리 레벨)의 일반적인 강도를 수신하도록 구체적으로 설계되는 경우에는 바람직하지 않을 수 있다. 이 실시예에서 이 문제에 대해 2가지 해법이 존재한다: 즉 하나의 해법은 후속하는 논리 게이트가 임의의 후속하는 수신용 비선형 소자를 추가로 비튜닝하는 것에 의해 AND 게이트로부터 2배만큼의 파워로서 설계하는 것이고, 다른 하나의 해법은 단일 레벨 팔로워(follower)[도 5 및 도 6의 AND 게이트는 광 입력 신호들(A,B) 중 하나에서 CW 광과, 광 입력 신호들(A,B) 중 다른 하나에서 진폭 변조된 데이터를 수신하며, 공진 주파수는 두 입력이 하이 논리 레벨이고 2개의 신호가 상쇄 간섭하는 경우에만 높은 파워의 절반만을 출력하고, 그러나 로우 논리 레벨에 어느 하나가 있다면 파워 없이(no power) 출력하도록 충분히 비튜닝된다] 또는 2개의 인버터가 적절한 출력 파워 레벨을 복구하기 위해 AND 게이트 다음에 일렬로 배치하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에서, 도 7에 도시된 전 광학 NAND 게이트(30)는 도 3 및 도 4의 게이트(10)와 같은 인버터와, 이 인버터 게이트(10)의 앞에, 도 5 및 도 6의 AND 게이트(20)를 배치해서 구현된다. 보다 구체적으로, 도 5 및 도 6의 AND 게이트(20)의 출력 매체(27)가 도 3 및 도 4의 인버터 게이트(10)의 입력 매체(4)와 정렬되거나 광학적으로 연결되는 경우, 광 출력 신호의 데이터가 입력 매체(23,24) 상에 있는 광 입력 신호(A,B)에 대하여 NAND 대수 논리를 따르는 전 광학 NAND 게이트(30)가 이루어진다. 따라서, 광 입력 신호(A,B) 모두가 로우 논리 레벨을 가지는 경우, NAND 게이트(30)에 의해 생성된 최종 광 출력 신호는 '하이' 논리 레벨을 가지게 되고, 만약 광 입력 신호(A,B)들 중 어느 하나 또는 둘 모두가 '로우' 논리 레벨을 가지는 경우, NAND 게이트(30)에 의해 생성된 최종 광 출력 신호는 '하이' 논리 레벨을 가지게 된다. 보다 구체적으로, 비선형 소자(6)가 광 입력 신호(A,B)의 반송파 주파수(1)에 대하여 튜닝되어 있으면, 두 개의 광 입력 신호(A,B)가 하이 논리 레벨에 있는 경우에만 매체(27,4) 상에 있는 광 신호의 진폭이 광 입력 신호(C)(CW 광)와 결합시 광 입력 신호(A,B,C)의 반송파 주파수(1)로부터 멀어지게 비선형 소자(6)의 공진 주파수(2)를 시프트시킬 만큼 충분히 높은 진 폭을 가지게 되며, 이에 광 출력 매체(7) 상에 있는 광 출력 신호는 로우 논리 레벨을 가지게 된다. 그렇지 않고, 광 입력 신호(A,B)들 중 어느 하나 또는 둘 모두가 로우 논리 레벨을 가지는 경우, 매체(27,4) 상의 광학 신호는 광 입력 신호(C)와 결합해도 비선형 소자(6)를 공진되지 않도록 하는데 불충분한 파워를 가져서, 광 출력 매체(7) 상의 광 출력 신호는 이 상황에서 '하이' 논리 레벨을 가지게 된다.

도 8은 OR(논리합) 게이트(40)와 결합된 광학 인버터(10)를 포함하는 전 광학 NOR(부정 논리합) 게이트(50)를 도시한다. OR 게이트(40)는 결합 매체(43)와 정렬되거나 이와 병합되는 2개의 별개의 입력 매체(41,42)(예를 들어, 포토닉 결정을 통한 광 도파로나 경로)를 포함한다. 입력 매체(41,42) 상에 있는 광 입력 데이터 신호(A,B)들 중 어느 하나 또는 둘 모두의 진폭이 하이일 때(즉 하이 진폭이나 하이 논리 레벨을 가질 때), 결합 매체(43) 상에 있는 광 출력 신호 상의 데이터는 하이(즉 하이 진폭이나 하이 논리 레벨)이다. 반대로, 입력 매체(41,42) 상에 있는 광 입력 데이터 신호 모두가 로우 논리 레벨(즉 로우 진폭이나 로우 논리 레벨)에 있다면, 결합 매체(43) 상에 있는 광 출력 데이터 신호는 로우(즉 로우 진폭이나 로우 논리 레벨)에 있다. 결합 매체(43)는 도 3 및 도 4를 참조하여 이전에 설명된 디바이스와 유사하게 구조화되고 기능할 수 있는 인버터(10)의 입력 매체(4)와 정렬되고 이에 광학적으로 연결된다. 이 디바이스에 대한 입력 매체(3,4) 상의 광 입력 신호(A,B)들 중 어느 하나 또는 둘 모두가 충분한 파워(즉 하이 진폭 레벨에 대응하는 '하이' 또는 '1' 논리 레벨)를 포함하고 있다면, 인버터(10)의 출력 매 체(7) 상의 광 출력 신호는 오프로 전환된다(즉, 로우 진폭이나 로우 논리 레벨을 갖는다). 그렇지 않으면, 인버터(10)에 의해 생성된 광 출력 신호는 '온'으로 유지된다(즉, 하이 진폭이나 하이 논리 레벨을 갖는다). 전 광학 NOR 게이트(50)는, 인버터(10)로 종료하기 때문에, 또한 논리 레벨을 복구하기에 충분한 파워를 가지는, 인버터(10)에 대한 입력 매체(3)의 입력에 일정한 연속파(CW) 광을 갖는 광 입력 신호(C)를 수신함으로써 감소된 논리 레벨을 복구한다.

도 9에 도시된 본 발명의 일 실시예에서, 전 광학 OR 게이트(55)는 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같은 제1 및 제2 인버터(10,10')와 광학적으로 정렬되거나 연결된 도 8의 OR 게이트(40)를 포함한다. 도 8의 전 광학 OR 게이트(40)가 이 광학 논리 게이트와 동일한 논리 기능을 달성한다 하더라도, 도 9의 실시예는 논리 레벨의 복구가 가능하지만, 간단한 수동 도파로는 그러하지 아니하다.

도 10은 단일 결합 매체(55)로 병합되는 2개의 별개의 입력 매체(53,54)를 포함하는 전 광학 XOR(배타적 논리합) 게이트(60)를 도시한다. 이 결합 매체(55)는 비선형 공진기(56)와 광학적으로 정렬되거나 이에 연결된다. 비선형 공진기(56)는 도 5 및 도 6의 광학 AND 게이트(20)의 경우에서의 절반에 해당하는 만큼 광 입력 데이터 신호의 반송파 주파수(51)로부터 멀어지게 그 공진 주파수(52)가 비튜닝되어, 출력 매체(57) 상의 광 출력 신호는 단일 광 입력 신호(53,54)가 온일 때(즉, 하이 진폭이나 하이 논리 레벨을 가질 때)에만 온(즉, 하이 진폭이나 하이 논리 레벨)으로 전환된다. 광 입력 신호(A, B) 둘 모두가 온이면(즉, 하이 진폭이거나 하이 논리 레벨을 가지면), 비선형 소자의 공진 주파수(52)는 입력 반송파 주파 수(51)에 대해 너무 멀리 시프트하여 광 출력 매체(57)로 광의 전송을 허용하고, 비선형 소자(56)는 광 출력 매체(57)에 대해 광을 턴오프하여, 광 출력 신호가 로우 논리 레벨을 가지게 한다. 광 입력 신호(A, B)들 어느 것도 온이 아니라면, 비선형 소자(56)는 의미있는 광을 출력하지 아니하여, 광 출력 신호가 로우 논리 레벨을 가지게 한다. 이 전 광학 XOR 게이트(60)가 단일 광 입력 신호(A)가 온인 경우 하이 논리 레벨을 갖는 광을 광 출력 신호로 출력하기 때문에, 논리 레벨의 복구는 그 동작을 보상하기 위해 필요치 않다.

본 발명의 일 실시예에서, 도 11에 도시된 전 광학 XNOR 게이트(65)는 XOR(배타적 논리합) 게이트(50)(도 10)와 이에 후속하는 인버터(10)(도 3 및 도 4)를 포함한다. 이 실시예에서, 광 입력 신호(A, B) 둘 모두가 하이 논리 레벨을 가지면, XOR 게이트(50)에 의해 생성된 광 출력 신호는 로우 논리 레벨을 가진다. XOR 게이트(50)는 출력 매체(57) 상에 로우 논리 레벨을 갖는 광 출력 신호를 출력하며, 이 광 출력 신호는 하나의 광 입력 신호로서 매체(4) 상에 있는 인버터 게이트(10)에 입력된다. 다른 광 입력 신호(C)는 광 입력 매체(3) 상에 있는 인버터 게이트(10)로 입력하는 CW 광 입력이다. 이들 신호는 결합 매체(5)에서 결합하며 그 결과 결합된 신호는 비선형 소자(6)의 공진 주파수(2)를 광 입력 신호의 반송파 주파수(1)에 대해 공진되지 않도록 하기에는 불충분한 파워를 가진다. 따라서, 인버터 게이트(10)에 의해 생성된 광 출력 레벨은 '하이' 논리 레벨을 가진다. 광 입력 신호(A, B) 둘 모두가 로우 논리 레벨에 있다면, 비선형 소자(56)에 의해 생성된 광 출력 신호는 '로우' 논리 레벨을 가진다. 광 출력 매체(57) 상에 있는 XOR 게이 트(50)로부터 나오는 광 출력 신호는 광 입력 매체(4) 상에 있는 인버터 게이트(10)에 입력되며, 그 레벨은 광 입력 신호(C)와 결합해도 비선형 소자(56)를 공진되지 않게 구동하기에 충분한 진폭을 갖는 결합된 신호를 생성하기에는 불충분하다. 따라서, 인버터 게이트(10)에 의해 생성된 광 출력 신호는 하이 논리 레벨을 갖는다. 광 입력 신호(A,B)들 중 둘 모두는 아닌 어느 하나의 신호가 로우 논리 레벨을 가지면, 비선형 소자(56)는 공진되게 구동되어, XOR 게이트(50)로부터 광 출력 신호는 '하이' 논리 레벨을 가진다. 이 '하이' 논리 레벨은 출력 매체(57) 상에 출력되고 입력 매체(4)를 통해 인버터 게이트(10)에 광 입력 신호들 중 하나로서 수신된다. 이 광 입력 신호는 결합 매체(5)에서 광 입력 신호(C)(CW 광)와 결합하며 최종 결합된 신호의 진폭은 (광 입력 신호들과 동일한) 결합된 신호의 반송파 주파수(1)로부터 멀어지게 비선형 소자(6)의 공진 주파수(2)를 구동하기에 충분하며, 이에 따라 XNOR 논리 게이트(65)에 의해 생성된 광 출력 신호를 '로우' 논리 레벨로 전환되게 한다. 따라서, 전 광학 XNOR 게이트(65)는 광 입력 신호에 XNOR(배타적 부정 논리합) 논리 연산을 수행하여 그 광 출력 신호를 생성한다.

도 12는 별개의 NAND 게이트(30,30')(도 7)에 광학적으로 연결된 2개의 광 입력 신호(R,S)를 포함하는 전 광학 메모리 래치(70)를 도시한다. 두 NAND(30,30')의 광 출력 신호(Q, Q-bar)는 서로 반대의 작용을 하는(opposite) NAND 게이트(30,30')의 제2 입력으로서 각 제2 입력 매체(24,24')에 연결된다. 이 입력 매체(24,24')는 본 실시예에서 교차점(73)에서 교차하며 이로 인해 광 크로스토크 필터(optical cross-talk filter)(74)에 기인한 크로스토크(cross-talk)가 없게 된 다. 이 디바이스는 기본적인 전자 NAND 래치가 수행하는 바와 동일하게 동작하며 여기서 다음의 논리 테이블이 구현된다:

따라서, 논리 제어되는 전 광학 메모리가 가능하며, 그 이유는 출력 매체(7) 상에 있는 광 출력 신호가 원하는 값으로 설정되고 이후 광 입력 신호(S,R)에 기초하여 저장될 수 있기 때문이다. 이 디바이스의 광 출력 신호가 일정한 연속파(CW) 광을 사용하여 인버터(10,10')에 의해 효과적으로 생성되기 때문에 그 논리 레벨은 매 전환 사이클마다 연속적으로 복구될 수 있다. 그러므로, 저장된 신호는 무한히 리사이클링 될 수 있으며, 이는 전자 메모리 게이트에 이미 존재하는 전 광학 메모리의 동작을 허용한다. 본 실시예에 개시된 전 광학 래치(all-optical latch)가 논리 게이트로부터 메모리를 생성하는 유일한 방식은 아니며 이에 따라 본 발명이 전 광학 메모리로 기능할 수 있게 하는 방법의 하나의 유일한 예로서 생각해서는 안 된다.

전 광학 메모리 래치(70)의 동작을 구체적으로 설명하기 위해, 광 입력 신호(S,R) 둘 모두가 로우 논리 레벨을 가지는 경우, 비선형 소자(26,26')는 공진되지 않게 비선형 소자(6,6')를 구동하기에 충분한 파워를 갖는 광 입력 신호를 수신하지 않으며, 광 출력 신호(Q, Q-bar) 둘 모두는 매체(3,3') 상에 있는 CW 광의 각각의 광 입력 신호들의 입력으로 인해 하이 논리 레벨을 가지게 된다. 동일한 논리 레벨을 가지는 광 출력 신호(Q, Q-bar) 둘 모두가 전 광학 메모리 래치(70)의 무효 논리 레벨로 고려된다. 광 입력 신호(S,R)가 로우 논리 레벨과 하이 논리 레벨을 각각 가지는 경우, 광 입력 신호(R)의 하이 논리 레벨은 NAND 게이트(30')의 광 출력 신호(Q-bar)를 NAND 게이트(30)로 피드백되는 로우 논리 레벨이 되도록 하며, 이는 비선형 소자(6)를 이에 입력되는 CW 광과 공진하도록 하며 이로 인해 광 출력 신호(Q)를 위한 비선형 소자(6)가 하이 논리 레벨을 생성하게 한다. 광 입력 신호(S,R)가 하이 및 로우 논리 레벨을 각각 가지는 경우, 광 입력 신호(S)의 하이 레벨은 NAND 게이트(30)에 의해 생성된 광 출력 신호(Q)를 로우 논리 레벨로 만든다. 광 출력 신호(Q)가 광 입력 신호로서 NAND 래치(30')에 피드백된다는 사실은 광 출력 신호(Q)가 하이 논리 레벨을 가진다는 것을 보장한다. 마지막으로, 광 입력 신호(R,S) 둘 모두가 하이 논리 레벨을 가지는 경우, NAND(부정 논리곱) 게이트(30,30') 중 어느 것도 논리 레벨을 전환하지 않으며 광 출력 신호(Q, Q-bar)의 논리 레벨은 변하지 않는다.

전 광학 논리 게이트를 제조하는 예시적인 방법

본 발명에 따른 전 광학 논리 게이트와 회로의 구조와 기능을 설명하였으며, 이하 전 광학 논리 게이트를 제조하는 방법의 예를 설명할 것이다.

실리콘 온 절연체 웨이퍼 기판(80)이 먼지와 부스러기를 제거하기 위해 질소 가스로 처리된다. 기판(80)은 연마기와 분말을 사용하여 연마된다. 분자 빔 에피택시(MBE: molecular beam epitaxy) 툴을 사용하여, 5㎚보다 작은 표면 거칠기(surface roughness)를 갖는 실리콘(81)의 2백 내지 4백 나노미터(200 내지 400㎚) 두께의 층이 실리콘 기판(80) 상에 성장된다. 웨이퍼(80)는 전자빔 리소그래피 챔버 내에 놓인다. 근접 효과(proximity effects)를 방지하기 위해, 각 최소 특징 영역(minimum feature area)은 순차적으로 전자 에칭에 노출된다. 이러한 각 "픽셀"은 외부 소프트웨어의 사용 없이 수동으로 선택적으로 노출된다. 이 디바이스의 특징은 홀(82)(도 13에서는 단지 몇 개만이 구체적으로 도시되어 있음)을 한정하도록 에칭되며, 이 홀(82)은 이백삼십일 나노미터(231㎚) 직경을 갖게 기판 내에 수직으로 관통하며 이와 동일한 행에서 서로 사백이십 나노미터(420㎚) 이격되어 있으며, 인접한 행의 홀들은 층(81)에 한정되며, 이 홀들은 제1 행에 대해 이백사십 나노미터(240㎚) 만큼 좌측이나 우측으로 시프트되어, 예를 들어 삼각형 포토닉 결정 격자를 형성한다. 층(81)에서 형성될 디바이스(10) 내에서 광이 전파되도록 의도된 영역에서만 홀이 에칭되지 않는다. 포토닉 결정 구조는 여러 이유로 논리 게이트를 형성할 때 사용하기에 유리하다. 첫째, 서브-미크론 경로들이 포토닉 결정에 한정될 수 있어 광의 전파 방향을 신속히 변경하고 논리 회로를 한정하는 경로를 통해 광 신호를 가이드할 수 있다. 또한, 포토닉 결정 캐비티는 서브-미크론 내지 미크론 스케일에서 매우 높은 Q-팩터(Q-factors)를 가질 수 있으며 이로 논리 전환을 수행하는데 필요한 더 낮은 파워 요건을 생성한다.

비선형 소자(6)는 광이 트랩되는 쪽에 홀을 삽입하여 형성된다. 비선형 소자는, 홀의 직경을 변경시키거나, 각 측에서 홀들 사이의 거리를 증가 또는 감소시키거나, 하나 또는 양 측에서 홀의 개수를 증가 또는 감소시키거나, 또는 이들 기술의 조합을 사용하여 입력 반송파 주파수로부터 튜닝되거나 비튜닝될 수 있다. 일반적으로 홀의 개수 및 양 측 사이의 거리는 원하는 전환 파워, 수명 및 대역폭으로 인해 고정되게 유지될 것이다. 그러므로, 이 특정 절차에서, 내부- 및 외부-대부분의 홀들의 직경만이 원하는 파장(들)을 전송하도록 공진기를 튜닝하기 위해 변경된다.

외부 광이 이 디바이스에 들어가거나 빠져 나오는 좌측과 우측 에지에서, 기판은 이 디바이스 아래의 절연체에 측면 액세스를 얻기 위해 깊게 에칭된다. 전체 영역이 광학 논리 게이트(들)를 형성하도록 노출된 후, 웨이퍼는 이 디바이스 바로 아래에 있는 절연체가 씻겨질 때까지 염화수소(HF) 산에 함침되며, 도 13 및 도 15에 도시된 바와 같이 공기 부양된 막 브리지(air-suspended membrane bridge)(83)를 생성한다. 웨이퍼(80)를 세정한 후, 이들 에지는 광학 칩(84)을 생성하도록 절단(cleave)된다.

섬유 도파로(3a,4a)가 절단되고 연마되며, 그리고 굴절률 정합 접착제(3b, 4b)가 이 섬유 단부에 도포되어 이를 돌출부(3c,4c)에 부착한다. 이 섬유는 접착제나 다른 기계적인 부착 수단(86)에 의하여 칩(84) 내 브리지(85)에 고정될 수 있으며, 이에 광학 논리 게이트 디바이스(10)의 도파로 단부에 대해 제 위치에 유지된다. 섬유의 대향하는 단부는 광 입력 신호(A,B)를 논리 게이트(10)에 제공하기 위해 입력 측에서 적절하게는 CW 레이저 소스나 업스트림 신호 소스에 부착될 수 있다. 광 입력 신호(A,B)는 각 섬유(3a,4a), 접착제(3b,4b) 및 돌출부(3c,4c)를 통해 디바이스(10)에 제공된다. 광 입력 신호(A,B)는 각 영역(3d,4d)을 통해 결합 매체(5)로 더 진행한다. 광 입력 신호의 결합으로부터 발생하는 광은 공진기(6)로 진행하며 여기서 광이 트랩된다. 공진기(6)는 광 출력 신호를 영역(7d)으로 출력하 며, 여기서 광 출력 신호는 돌출부(7c)로 들어가 접착제(7b) 내로 진행하며 궁극적으로 광 섬유(7a)로 진행하며, 여기서 광은 후속하는 논리 게이트에 대한 입력이나 칩(84)의 궁극적인 출력으로서 종단할 수 있는 섬유(7a)의 출력 단부로 진행한다. 섬유(7a)의 출력 단부는 전술된 바와 유사한 방식이나 이 기술분야에 통상의 지식을 가진 자에게 알려져 있는 다수의 기술이나 디바이스를 사용하여 다른 광학 섬유나 광학 회로(미도시)에 연결(splice)될 수 있다.

도 14에 도시된 바와 같이, 광 입력 및 출력 매체(3,4,7)는 버트 연결(butt-coupling) 기술을 사용하여 각 섬유에 연결될 수 있다. 이 경우, 논리 게이트(10)는 광 출력 신호의 모드 프로파일(modal profile)에 일치하도록 논리 게이트(10)의 입력 측에 있는 광 입력 신호의 전파 방향을 따라 더 좁게 되도록 점차적으로 테이퍼(3e,4e)진 홀을 형성하도록 한정된다. 출력 매체(7)에서, 이 구성은 반대로 되며, 기판(81)에서 홀에 의해 한정된 테이퍼(7e)는 디바이스(10)로부터 광 출력 신호의 전파 방향을 따라 점차적으로 더 증가하거나 더 넓게 되어, 게이트(10)의 출력의 모드 프로파일이 출력 매체(7a) 내에 있는 것과 일치하게 된다. 외부 소스 내외에서 광을 결합하는 도파로는 버트 연결된 섬유의 모드 프로파일에 일치하도록 완만하게 테이퍼져 있다.

도 15 및 도 16은 논리 게이트(10)의 광학 공진기(6)를 보다 상세히 도시한다. 공진기(6)의 각 단부에서 최외측 홀은 최내측 홀보다 더 작은 것이 분명하다. 다른 홀들이 공진기(6)에 포함되어야 하는 경우, 이들 홀은 최외측 홀과 최내측 홀 사이에 위치될 수 있을 것이며, 공진기(6) 외부의 포토닉 결정에서 사용된 홀과 동 일한 사이즈를 가질 수 있을 것이다.

본 발명의 다른 실시예는 도 17의 논리 게이트 디바이스(90)이다. 이 논리 게이트(90)는 반도체 온 절연체(SOI) 기판(90) 상에 형성된 포토닉 결정 대신에 반도체 "와이어"를 사용한다. 포토닉 와이어(93c, 94c)는 전술된 것과 동일한 장비를 사용하여 에칭되며, 이 경우에 서큘레이터나 공진기인 비선형 소자(96)와 같이 동작하는 링이나 루프 와이어 도파로에 직접 또는 에베네슨트(evanescently)하게 연결한다. 비선형 소자(96)는 이 비선형 소자(96)의 링의 외주면을 한정하여 튜닝되거나 비튜닝된다. 모든 다른 절차는 막 브리지가 형성되지 않는다는 것을 제외하고는 전술된 예에서와 같이 수행되며, 디바이스(90)는 절연체 기판(90) 상에 유지된다. 동작시, 광 입력 신호는 각 입력 매체(93,94) 상에서 결합 매체(95)로 진행한다. 보다 구체적으로, 광 도파로(93a, 94a)는 접착제(93b, 94b)를 사용하여 와이어(93c, 94c)와 정렬되고 이에 광학적으로 연결된다. 각 도파로(93a, 94a) 상의 광 입력 신호는 접착제(93b, 94b)를 통해 광 와이어(93c, 94c)로 진행하며, 이 와이어는 결합 매체(95)에 병합되며 여기서 광 입력 신호가 결합한다. 결합 매체(95)는 광 입력 신호를 비선형 소자(96)로 에베네슨트하게 결합한다. 입력 매체(93,94) 상에 있는 광 입력 신호의 논리 레벨에 따라, 비선형 소자(96)는 접착제(97b)를 통해 광 와이어(97c)에 그리고 출력 매체(97)를 형성하는 출력 광 도파로(97a)에 에베네슨트하게 결합함으로써 광 출력 신호를 출력한다.

도 18의 논리 게이트(100)의 실시예는, 광 입력 신호를 각 매체(93,94)를 통해 비선형 소자(96)에 직접 광학적으로 연결하여 이 비선형 소자(96)에서 그 신호 들이 결합하고 서로 간섭하여 출력 매체(97) 상에 광 출력 신호를 생성하게 함으로써, 결합 매체(95)가 도 18에 없는 것을 제외하고는, 도 17의 것과 대부분 유사하다.

도 19에 도시된 본 발명의 논리 게이트(110)의 다른 실시예는 광 섬유(103a, 104a,106a,107a)를 포함한다. 일반적인 단일 모드 광 섬유(103a, 104a)는 도파로로 사용되며 이 도파로는 비선형 물질을 포함하는 섬유(106a)에 연결된다. 비선형 섬유는 일반적으로 실리카와 같은 약한 컬(Kerr) 물질로 만들어진다. 브래그 격자(106b,106c)는, 이 섬유(106a)의 주기적인 부분을 (예를 들어, CO ₂ 레이저로부터 나오는) 강한 광에 노출함으로써 이격된 위치에서 비선형 섬유에 생성된다. 그 결과 비선형 소자(106)는 강한 광 노출의 배치와 길이를 변경하거나 또는 공진기 형상을 변경시키도록 섬유를 굴곡시킴으로써 튜닝될 수 있다.

도 20은 비선형 물질(116a)과 미러(mirror)(116b,116c)로 구성된 비선형 소자(116)를 구비하는 광학 논리 게이트(110)의 일 실시예를 도시한다. 광학 논리 게이트(110)는 또한 광 입력 신호를 비선형 물질(116)로 전송하기 위한 매체(113,114), 이 경우에는 광학 섬유로 도시된 매체를 포함하고, 또 비선형 물질(116)에 의해 생성된 광 출력 신호를 출력하기 위한 출력 매체(117)를 포함한다. 보다 구체적으로, 매체(113,114)로부터의 광 입력 신호는 일방향 미러(116b)로 진행하여 이를 통과하며 여기서 신호들이 매체(115)에서 결합하여 결합 신호를 생성하며 비선형 물질(116a)로 들어간다. 매체(115)는 비선형 소자(116) 내의 또는 외 부의 공기 또는 대기 환경일 수 있으며, 매체(115)는 대기 환경 단독 또는 이와 결합한 비선형 물질(116a)일 수 있다. 광 입력 신호의 주파수에 대한 비선형 소자(116)의 공진 주파수에 따라, 결합된 신호는 비선형 물질(116a)에 의해 소멸되거나 전송된다. 비선형 물질(116a)은 예를 들어 에스테르 기반 염료로 구성될 수 있다. 비선형 물질(16a)을 통과하는 결합된 신호는 일방향 미러(116c)로 전파되어 이를 전송하며 광학 매체(117)로 향하며 이로부터 광학 논리 게이트(110)로부터 출력된다. 캐비티는 미러들 사이의 거리를 변경하거나 또는 공진기의 형상을 변경하여 튜닝될 수 있다.

도 21은 본 발명에 따른 일반화된 전 광학 논리 게이트(200)의 다이아그램이다. 도 21에서, 전 광학 논리 게이트(200)는 포토닉 결정, 비선형 물질의 광학 섬유에 있는 브래그 격자, 서큘레이터, 분산된 피드백(DFB) 레이저 또는 다른 비선형 디바이스에 의하여 형성된 광학 공진기나 광학 캐비티 중 하나 이상을 포함하는 비선형 소자(206)를 포함한다. 광 입력 신호(A,..., B)(생략 부호 '...' 는 2개를 초과하는 신호들이 있을 수 있다는 사실을 나타낸다)(이 신호들 중 적어도 하나는 진폭 변조되어 있다)는 비선형 소자(206)에 직접 제공되며, 이 비선형 소자(206)는 광 출력 신호(A,..., B)를 결합하고 최종 결합된 신호의 논리 레벨(들)을 구별하며예를 들어 광 입력 신호(A,..., B)의 반송파 주파수에 대해 자기의 공진 주파수를 설정함으로써 비선형 소자(206)가 수행하도록 구성된 논리 연산에 따라 그 출력에서 이진 논리 레벨을 생성하도록 구성된다. 대안적으로, 도 21에서 점선으로 도시된 바와 같이, 광 입력 신호(A,..., B)는 도파로나 경로와 같은 결합 매체(205)에 제공되며, 여기서 광 입력 신호(A,..., B)가 결합된다. 최종 결합된 신호는 비선형 소자(206)로 전송되며, 이 비선형 소자는 수행하도록 구성된 논리 연산에 따라 논리 레벨을 구별하며 이 비선형 소자는 광 입력 신호(A,..., B)의 논리 레벨에 기초하여 논리 레벨을 갖는 진폭 변조된 광 출력 신호를 출력한다. 광 입력 매체(203)는 소스나 업스트림 논리 게이트로부터 비선형 소자(206)나 결합 매체(205)로 그리고 이 결합 매체(205)로부터 비선형 소자(206)로 광 입력 신호(A,..., B)를 제공하기 위해 사용될 수 있다. 광 출력 매체(207)는 광학 회로 내 그 다음 논리 게이트나 다른 다운스트림 소자로 광 출력 신호를 출력하기 위해 사용될 수 있다.

도 22에서, 하나 이상의 광학 논리 게이트를 구비하는 광학 논리 회로를 제조하는 방법은 단계 220에서 시작하며 여기서 수행되기 위한 논리 연산이 선택된다. 단계 222에서, 광학 회로는 선택된 논리 연산을 수행하는데 필요한 하나 이상의 논리 게이트와 광학적 연결을 갖게 설계된다. 단계 224에서, 설계된 광학 회로는 논리 게이트가 광학 회로의 설계에 따라 수행되도록 의도된 논리 연산의 부분을 수행하도록 공진 주파수(들)가 튜닝되도록 회로의 논리 게이트(들)를 형성함으로써 제조된다.

도 22의 본 방법의 일례로서, 광 출력 신호가 단계 220에서 선택된 이하의 논리 연산에 따라 생성되는 것이라고 가정한다:

광 출력 신호 = { 광 입력 신호(A) * 광 입력 신호(B) } + 광 입력 신호(C)

단계 222에서, 광학 회로가 설계된다. 선택된 논리 연산을 달성할 수 있는 하나의 설계는 광 입력 신호(A,B)를 구별하기 위해 AND 논리 게이트를 사용하며, 그 결과 출력 신호는 광 입력 신호(C)를 따라 OR 게이트에 입력되어 선택된 논리 연산을 위한 광 출력 신호를 생성하게 한다. 단계 224에서 AND 및 OR 논리 게이트는 원하는 AND 및 OR 논리 게이트를 생성하도록 비선형 소자(들)의 공진 주파수(들)가 광 입력 신호의 주파수로부터 적절히 튜닝되거나 비튜닝되도록 제조된다. 그 결과 광학 회로는 그 입력이 업스트림 소자로부터 각 광 입력 신호(A,B,C)를 수신하며 그 출력이 광 출력 신호를 다운스트림 소자에 제공하도록 연결되도록 연결된다.

도 23에서, 논리 게이트의 연산 방법은 단계 230에서 시작하며 여기서 광 입력 신호(들)가 CW 광을 위한 레이저 소스와 같은 업스트림 소자, 광학 진폭 변조기 또는 논리 게이트와 같은 업스트림 광학 회로 소자로부터 수신된다. 단계 232에서, 광 입력 신호가 가이드된다. 단계 230 및 단계 232가 각 광 입력 신호에 대해 광 입력 매체에 의해 수행될 수 있다. 단계 234에서 광 입력 신호가 결합하여 결합 신호를 생성한다. 이 단계는 결합 매체에 의해 수행될 수 있다. 단계 232 및 단계 234는 도 23에서 점선으로 나타난 바와 같이 선택적인 단계이다. 단계 236에서, 광 입력 신호(들)의 결합으로 발생하는 논리 레벨은, 로우 진폭으로 나타나는 로우 논리 레벨이나 하이 진폭으로 나타나는 하이 레벨을 가지는 이진 논리 레벨을 갖는 광 출력 신호를 생성하기 위해 구별된다. 단계 236은 논리 게이트의 비선형 소자에 의해 수행될 수 있다. 마지막으로, 단계 238에서 광 출력 신호(들)는 광학 회로나 다른 광학 디바이스에서 그 다음 게이트(들)와 같은 다운스트림 소자에 전송된다.

수단에 대응하는 요소들

첨부된 청구범위에서, '이진 논리 레벨을 갖는 광 출력 신호를 생성하도록 광 입력 신호들의 논리 레벨을 비선형으로 구별하기 위한 비선형 소자 수단' 는, 본 명세서에서 언급된 비선형 소자(6,6',26,26',56,96,106,116,206) 중 어느 하나 또는 이와 균등한 소자를 말한다.

대안적인 설명

광학 공진기의 "튜닝" 이란 일반적으로 공진기의 공진 주파수를 오프셋 하는 것을 말하지만, 본 발명은 또한 원하는 기능을 달성하는 가능한 수단으로서 공진기의 전송 특성을 변경하는 다른 방법을 말하기 위해 "튜닝"을 언급한다. 예를 들어, 공진기의 전송의 대역폭, 프로파일이나 중심은, 품질 팩터를 변경하거나, 추가적인 공진 피크를 공진기에 추가하거나, 또는 응력의 적용, 전자기장이나 피에조 전기장의 적용, 홀이나 전자와 같은 전하 운반자의 주입, 광 주사나 다른 기술을 통해 그 형상이나 굴절률을 변화시켜 변경될 수 있다.

광 통신 산업 분야에서의 현재 표준인 1.55 미크론(㎛)의 광학 신호를 참조하여 설명하였으나, 본 발명의 원리는 광학 신호에 대해 다른 파장이나 주파수를 사용하여 유리한 결과를 얻기 위해서도 적용될 수 있다는 것을 이해할 수 있어야 할 것이다. 본 명세서에 개시된 게이트와 래치에 사용되는 광 신호는 반드시 동일한 주파수를 가질 필요는 없다.

본 명세서에 개시된 실시예는 상대적으로 하이 진폭을 갖는 광 신호가 하이 논리 레벨로 고려되고 상대적으로 로우 진폭을 갖는 광학 신호가 로우 논리 레벨로 고려되는 "포지티브 논리" 상황에서 설명되었으나, 이 대신, "상대적으로 하이 진 폭을 갖는 광 신호가 로우 논리 레벨로 고려되고 상대적으로 로우 진폭을 갖는 광 신호가 하이 논리 레벨인 것으로 고려되는 "네거티브 논리"가 사용될 수도 있다.

본 명세서에서 설명된 구조는 2차원 구조이지만, 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자에게는 명확한 바와 같이, 본 명세서에 제공된 기술적 내용의 장점을 가지는 1차원이나 3차원 구조를 사용하여 전술된 바와 유사한 기능을 갖는 전 광학 논리 게이트를 구현하는 것도 가능하다.

본 명세서에서 포토닉 결정을 형성하는 구조는 매체에 원형 홀로 기술되어 있으나, 포토닉 결정을 형성하기 위해 기판 위에 기둥(post), 열(column), 원통형, 입방체, 구형체 또는 다른 구조를 만드는 것에 의해 매체 내에 홀을 만드는 대신 그 반대로 행해질 수 있다는 것을 이해하여야 할 것이다. 나아가, 선택적 에칭과 대조적으로 기판 위에 물질의 선택적 증착을 통해 포토닉 결정을 형성하는 것이 가능하며, 이들 기술의 결합이 포토닉 결정을 형성하는데 사용될 수도 있다.

다른 가능한 구성은 단독 발명자로서 존 루터 커베이(John Luther Covey)를 가지고 2004년 5월 21일 출원된 공동 양도된 US 2005/0259999호에 개시되어 있으며, 이 문헌은 본 명세서에 완전히 기재된 것처럼 본 명세서에 참조로 포함된다.

본 명세서에 개시된 본 발명의 많은 변경과 다른 실시예는 전술된 상세한 설명과 이와 연관된 도면에 제시된 기술적 내용의 이익을 가지고 본 발명이 속하는 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 알 수 있을 것이다. 그러므로, 본 발명은 개시된 특정 실시예로만 제한되는 것이며 다른 변경과 다른 실시예들은 첨부된 청구범위 내에 포함되는 것으로 의도되어 있다는 것을 이해하여야 할 것이다. 특정 용어가 본 명세서에 사용되고 있으나, 이들 용어는 일반적인 설명 의미로만 사용된 것일 뿐 제한하기 위한 것이 아니라는 것을 이해하여야 할 것이다.

본 발명에 대하여, 일반적인 용어로 설명하고 있으나, 이제부터는 첨부 도면을 참조하며 본 발명을 설명할 것이며, 본 도면은 반드시 축척에 맞게 도시된 것은 아니다.

도 1은, 비선형 소자로 입사하는 광 입력의 강도가 입력 광 주파수에 대해 비튜닝된 공진 주파수에서 비선형 소자를 공진되게 구동하기에 불충분한 경우에, 비선형 소자(예를 들어, 광학 공진기)의 전송률(transmission) 대(vs) 비선형 소자로 입사하는 입력 광의 주파수 간의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 2는, 입력 광이 충분히 강할 때, 비선형 소자를 공진되도록 그리고 광 전송되도록 하는 것을 도시하는, 비선형 소자 전송률 대 비선형 소자로 입사하는 입력 광의 주파수의 그래프이다.

도 3은, 하나의 광 입력 신호로서 연속파(CW) 광과, 제2 광 입력 신호로서 제로(0)인 데이터 입력과, 공진 즉 전송 모드에 있는 비선형 소자(예를 들어, 광학 공진기)를 포함하는 전 광학 반전기(NOT 게이트)의 평면도를 도시한다. 여기서, 비선형 소자 위에 있는 것은 소자 전송률 대 주파수의 그래프이며, 수직선은 광의 반송파 주파수를 나타낸다.

도 4는, 하나의 광 입력 신호로서 연속파(CW) 광과, 제2 광 입력 신호로서 온 상태(즉, 하이 진폭 또는 하이 논리 레벨)에 있는 데이터 입력과, 비공진 즉 불투명 모드에 있는 비선형 소자를 포함하는 전 광학 반전기(NOT 게이트)의 평면도를 도시한다. 여기서, 비선형 소자 위에 있는 것은 소자 전송률 대 주파수의 그래프이 며, 수직선은 광의 반송파 주파수를 나타낸다.

도 5는, 제로 진폭(즉, 로우 진폭 또는 로우 논리 레벨)에 있는 2개의 광 입력 신호와, 비공진 즉 불투명 모드에 있는 비선형 소자를 포함하는 전 광학 AND 게이트의 평면도를 도시한다. 여기서, 비선형 소자 위에 있는 것은 소자 전송률 대 주파수의 그래프이며, 수직선은 광의 반송파 주파수를 나타낸다.

도 6은, 온 상태(즉, 하이 진폭이나 하이 논리 레벨을 갖는 데이터를 가지는)에 있는 2개의 광 입력 신호들을 수신하고 공진 즉 전송 모드에 있는 비선형 소자를 포함하는 전 광학 AND 게이트의 평면도를 도시한다. 여기서, 비선형 소자 위에 있는 것은 소자 전송률 대 주파수의 그래프이며, 수직선은 광의 반송파 주파수를 나타낸다.

도 7은, 모두가 1비트(즉 하이 진폭이나 하이 논리 레벨)인 데이터를 갖는 광 입력 신호를 수신하고 제로 비트(즉, 로우 진폭이나 로우 논리 레벨)를 갖는 데이터를 갖는 광 출력 신호를 출력하는 전 광학 NAND 게이트의 평면도를 도시한다.

도 8은, 하나의 광 입력 신호로서 연속파(CW) 광과, 어느 하나 또는 둘 모두가 온 상태(즉 하이 진폭이나 하이 논리 레벨)에 있는 각 데이터를 가지는 2개의 추가적인 광 입력 신호를 수신하며 비공진 즉 불투명 모드에 있는 비선형 소자를 포함하는 전 광학 NOR 게이트의 평면도를 도시한다. 여기서, 비선형 소자 위에 있는 것은 소자 전송률 대 주파수의 그래프이며, 수직선은 광의 반송파 주파수를 나타낸다.

도 9는, 데이터를 갖는 2개의 광 입력 신호를 수신하고 복구된 논리 레벨을 갖는 광 출력 신호를 생성하는 일렬로 연결된 2개의 인버터를 구비하는 논리 레벨 복구를 갖는 전 광학 OR 게이트의 평면도를 도시한다.

도 10은, 각 데이터를 갖는 2개의 광 입력 신호를 수신하고 도 5에서의 절반 정도로 비튜닝된 비선형 소자를 포함하는 전 광학 XOR 게이트의 평면도를 도시한다. 여기서, 비선형 소자의 위에 있는 것은 소자 전송률 대 주파수의 그래프이며, 수직선은 광의 반송파 주파수를 나타낸다.

도 11은, 각 데이터를 갖는 2개의 광 입력 신호를 수신하고, 도 5에서의 절반 정도로 비튜닝되는 비선형 소자와, 도 3 및 도 4에 도시된 인버터를 포함하는 전 광학 XNOR 게이트의 평면도를 도시한다. 여기서, 비선형 소자 위에 있는 것은 소자 전송률 대 주파수의 그래프이며, 수직선은 광의 반송파 주파수를 나타낸다.

도 12는, 광 입력 신호로서 2개의 연속파(CW) 광 입력과, 각 데이터 입력('set' 및 'reset')을 갖는 2개의 추가적인 광 입력 신호와, 4개의 비선형 소자 및 2개의 광 출력 신호(Q, Q-bar)를 구비하는 전 광학 NAND 래치의 평면도이다.

도 13은 브리지 구조에 의해 지지되는 포토닉 결정(photonic crystal)을 구비하는 광학 논리 게이트의 사시도이다.

도 14는, 광 섬유 코어로부터 논리 게이트로 진행하는 광의 모드 프로파일과 일치하도록 테이퍼진 포토닉 논리 게이트로 입사하는 입력의 구조를 도시하는 도 13의 포토닉 논리 게이트 부분의 상세도를 도시한다.

도 15는 도 13의 포토닉 논리 게이트의 평면도를 도시한다.

도 16은 도 13의 포토닉 논리 게이트의 절단 사시도를 도시한다.

도 17은, 광 입력 신호를 결합하기 위한 결합 매체와, 링으로 구현된 비선형 소자를 포함하는 전 광학 논리 게이트의 일 실시예의 평면도를 도시한다.

도 18은 별개의 결합 매체 없이 링을 사용하는 전 광학 논리 게이트의 평면도를 도시한다.

도 19는 광 섬유를 사용하여 구현된 전 광학 논리 게이트의 평면도를 도시한다.

도 20은 캐비티에 위치된 비선형 물질을 갖는 공진기 캐비티를 형성하는 미러로 구현된 전 광학 논리 게이트의 평면도를 도시한다.

도 21은 본 발명에 따라 일반화된 전 광학 논리 게이트의 블록도를 도시한다.

도 22는, 이진 논리 레벨을 갖는 광 입력 신호(들)를 수신하여 비선형 소자(들)를 가지고 이진 논리 레벨을 갖는 광 출력 신호(들)를 생성하도록 구성된 광학 논리 게이트(들)를 구비하는 광학 회로를 제조하는 일반화된 방법을 도시하는 흐름도를 나타낸다.

도 23은, 이진 논리 레벨(들)을 갖는 광 출력 신호(들)를 생성하도록 이진 논리 레벨(들)을 갖는 광 입력 신호(들)에 기초하여 진폭에 기초한 비선형 구별을 사용하여 논리 게이트의 연산 방법을 도시하는 흐름도를 나타낸다.