KR100850779B1 - Optical waveguide for transmitting surface plasmon polariton - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광의 전파 손실을 최소화하기 위한 표면 전자기파 전송용 광도파로에 관한 것이다.The present invention relates to an optical waveguide for surface electromagnetic wave transmission for minimizing propagation loss of light.

본 발명의 표면 전자기파 전송용 광도파로는 삼각 단면 형상을 가지는 금속 박막; 상기 금속 박막을 중심으로 그 상, 하부에 서로 다른 굴절률과 양(+) 또는 음(-)의 유전상수를 가지며, 그 대향면이 서로 대접되도록 결합된 한 쌍의 유전체층; 을 포함하며, 상기 광도파로를 통해 진행되는 광의 전파 손실이 최소화도록 하여 전 파장 대역에서 광의 전송 거리를 향상시킬 수 있으며, 광의 분포가 원형에 가깝도록 형성되어 그 일단에 결합되는 광 파이버와의 결합 손실을 동시에 줄일 수 있는 장점이 있다.The optical waveguide for surface electromagnetic wave transmission of the present invention includes a metal thin film having a triangular cross-sectional shape; A pair of dielectric layers having different refractive indices and positive (+) or negative (-) dielectric constants on and below the metal thin film, the opposing surfaces being bonded to each other; It includes, to minimize the propagation loss of the light propagating through the optical waveguide can improve the transmission distance of the light in the entire wavelength band, the light distribution is formed to be close to the circular coupling with the optical fiber coupled to one end This has the advantage of reducing losses at the same time.

광도파로, 제1 유전체층, 제2 유전체층, 금속 박막 Optical waveguide, first dielectric layer, second dielectric layer, metal thin film

Description

표면 전자기파 전송용 광도파로{Optical waveguide for transmitting surface plasmon polariton}Optical waveguide for transmitting surface plasmon polariton

도 1은 종래 표면 전자기파 전송용 광도파로의 사시도.1 is a perspective view of an optical waveguide for transmitting a conventional surface electromagnetic wave.

도 2는 본 발명에 따른 광도파로의 사시도.2 is a perspective view of an optical waveguide according to the present invention.

도 3은 본 발명에 따른 광도파로에 적용되는 유전체의 굴절률이 도시된 그래프.Figure 3 is a graph showing the refractive index of the dielectric applied to the optical waveguide according to the present invention.

도 4는 본 발명에 따른 광도파로의 단면도.4 is a cross-sectional view of an optical waveguide according to the present invention.

도 5 내지 도 7은 각 파장대별 금속 박막의 내각 변화에 따른 전파 손실을 나타낸 그래프로서, 5 to 7 are graphs showing the propagation loss according to the change in the cabinet angle of the metal thin film for each wavelength band,

도 5는 633㎚의 파장인 경우이고, 5 is a case of a wavelength of 633 nm,

도 6은 980㎚의 파장인 경우이며, 6 is a case of a wavelength of 980 nm,

도 7은 1550㎚ 파장의 경우이다.7 is the case of 1550 nm wavelength.

도 8은 본 발명에 따른 광도파로를 통해 진행되는 광의 크기 분포를 촬영한 사진.8 is a photograph of the size distribution of the light traveling through the optical waveguide according to the present invention.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

100. 광도파로 110. 제1 유전체층100. Optical waveguide 110. First dielectric layer

120. 제2 유전체층 130. 금속 박막120. Second dielectric layer 130. Metal thin film

본 발명은 표면 전자기파 전송용 광도파로에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 표면 전자기파가 전송되는 박막 형태의 금속 구조체가 삼각 단면을 이루고, 그 상, 하부에 서로 다른 굴절률을 가지는 유전체층이 대향면이 서로 대접하도록 결합됨으로써, 상기 금속 구조체를 통한 광의 전파 거리가 향상되도록 한 표면 전자기파 전송용 광도파로에 관한 것이다.The present invention relates to an optical waveguide for transmitting surface electromagnetic waves, and more particularly, a thin metal structure in which surface electromagnetic waves are transmitted to form a triangular cross section, so that dielectric layers having different refractive indices on the upper and lower sides thereof face each other. By combining, it relates to an optical waveguide for surface electromagnetic wave transmission to improve the propagation distance of light through the metal structure.

표면 플라즈몬(SP)은 유전상수가 서로 반대의 부호를 갖는 경계면을 따라 진행하는 전하밀도의 진동파로서, 일반적으로 (-)를 갖는 금속과 (+)를 갖는 유전체의 경계에서 존재하며, 전하밀도 진동은 고속으로 가속된 전자 및 광파에 의하여 여기(勵起)될 수 있다. 이러한, 표면 플라즈몬(SP)과 결합하여 진행하는 전자기파를 표면 플라즈몬 폴라리톤(Surface Plasmon Polariton, 이하 "SPP"라 한다)이라고 한다.Surface plasmon (SP) is an oscillation wave of charge density, whose dielectric constant propagates along an interface having opposite signs, and is generally present at the boundary between a metal having a negative (−) and a dielectric having a positive (+). Vibration can be excited by electrons and light waves accelerated at high speed. Such electromagnetic waves traveling in conjunction with the surface plasmon SP are called surface plasmon polaritons (hereinafter, referred to as "SPP").

표면 플라즈몬(SP)의 파수벡터는 주변물질의 파수벡터 보다 크기 때문에 SPP 는 금속표면에 속박된 파동이다. 따라서, 금속과 유전체의 경계면은 경계면과 수직하게 속박조건을 가지는 2차원의 평판 광도파로로 생각할 수 있다.Since the wave vector of the surface plasmon (SP) is larger than the wave vector of the surrounding material, SPP is a wave bound to the metal surface. Therefore, the interface between the metal and the dielectric can be thought of as a two-dimensional flat waveguide having a binding condition perpendicular to the interface.

광도파로의 관점에서 보면, 금속과 유전체의 경계면에서 발생하는 SPP는 표면에 속박되는 효율은 매우 높은 반면, 전파거리가 가시광 영역에서 수십 ㎛로 짧은 단점이 있다. 그러나, 금속의 두께를 수 ㎚ 내지 수십 ㎚ 범위로 제한하여 금속의 위아래 경계에서 진행하는 SPP를 상호 결합시키면 광의 장거리 전송이 가능하다. 이를 장거리 표면 플라즈몬 폴라리톤(LR-SPP: Long Range Surface Plasmon Polariton, 이하 LR-SPP라 한다) 모드라고 하는데, LR-SPP의 필드 프로파일(field profile)은 금속 박막 주변의 유전체에 넓게 분포하여 광의 진행손실이 작으며, 광섬유와의 결합특성도 좋은 장점을 가지고 있어, 다양한 광소자 분야에 응용되고 있다.From the viewpoint of the optical waveguide, SPP generated at the interface between the metal and the dielectric has a very high efficiency of being bound to the surface, but has a short propagation distance of several tens of micrometers in the visible region. However, by limiting the thickness of the metal in the range of several nm to several tens of nm, and combining the SPPs traveling at the upper and lower boundaries of the metal, the long distance transmission of light is possible. This is called the Long Range Surface Plasmon Polariton (LR-SPP) mode. The field profile of the LR-SPP is widely distributed in the dielectric around the metal thin film so that the light propagates. The loss is small and the coupling property with the optical fiber has a good advantage, it is applied to various optical device fields.

일반적으로, 금속 박막이 개재된 표면-플라즈몬 폴라리톤(SPP:Surface Plasmon Polariton, 이하 SPP라 한다) 광도파로(optical waveguide)는 상기 금속 박막의 두께가 수십 ㎚ 이하로 구성되어 먼 거리까지 광을 전파시키기 위한 모드(LR-SPP: Long Range Surface Plasmon Polariton)와, 비교적 작은 크기의 도파로를 통해 광을 전파시키고자 하는 모드(SR-SPP: Short Range Surface Plasmon Polariton)로 구분된다.In general, a surface-plasma polariton (SPP) optical waveguide interposed with a metal thin film has a thickness of several tens of nm or less and propagates light over a long distance. LR-SPP (Long Range Surface Plasmon Polariton) and a mode for propagating light through a relatively small waveguide (SR-SPP: Short Range Surface Plasmon Polariton).

특히, 유한한 단면적을 가지는 금속 박막을 이용하면 SPP의 속박 조건을 3차원으로 줄일 수 있으며, 유전체 광도파로와 유사한 작용을 하는 LR-SPP 광도파로가 형성될 수 있다.In particular, by using a metal thin film having a finite cross-sectional area, the binding conditions of the SPP can be reduced in three dimensions, and an LR-SPP optical waveguide having a function similar to that of a dielectric optical waveguide can be formed.

따라서, 상기 LR-SPP의 전기장 분포가 금속 박막 주변의 유전체에 넓게 분포되어 주변 유전체의 광학적 변화에 매우 민감하게 반응하기 때문에 장거리 전송이 가능하며, 장거리 표면-플라즈몬 폴라리톤(LR-SPP)은 현재 광 모듈레이터, 스위치, 커플러, 필터 및 광센서 등의 다앙한 구조의 광도파로 소자로 응용되고 있다.Therefore, since the electric field distribution of the LR-SPP is widely distributed in the dielectric around the metal thin film and is very sensitive to the optical change of the peripheral dielectric, long distance transmission is possible, and the long-distance surface-plasma polaritone (LR-SPP) is currently It is applied to various optical waveguide devices such as optical modulators, switches, couplers, filters, and optical sensors.

이와 같이, 다양한 분야에 응용되는 종래 표면 전자기파 전송을 위한 광도파로의 기술적 구성이 일본공개특허 제2005-114768호에 기재되어 있는 바, 그 구조를 구조를 간략하게 살펴보고, 이로부터 도출되는 문제점에 대하여 기술하여 보면 다음과 같다.As described above, a technical configuration of an optical waveguide for surface electromagnetic wave transmission applied to various fields is described in Japanese Patent Laid-Open No. 2005-114768. The description is as follows.

도 1은 종래 표면 전자기파 전송용 광도파로의 사시도로서, 도시된 바와 같이 종래의 광도파로(10)는 양(+)의 유전상수를 가지는 유전체인 기판(11)의 표면에 음(-)의 유전상수를 갖는 금속의 스트립 구조부(12)가 결합된 형태의 광도파로 패턴이 형성됨으로써, 상기 스트립 구조부(12)를 통한 광의 지름이 작아지게 됨에 따라 수㎛ ~ 수십㎛의 전송 거리를 갖게된다.1 is a perspective view of a conventional optical waveguide for surface electromagnetic wave transmission, and as shown, the conventional optical waveguide 10 is a negative dielectric on the surface of the substrate 11, which is a dielectric having a positive dielectric constant. By forming an optical waveguide pattern in which the strip structure portion 12 of the metal having a constant is formed, as the diameter of the light through the strip structure portion 12 becomes smaller, the transmission distance of several μm to several tens of μm is obtained.

상기 광도파로(10)는 먼저 상기 기판(11)의 표면에 이온 밀링 또는 드라이 에칭 등에 의해서 V형 홈(11a)을 형성하고, 이 V형 홈(11a)에 스퍼터링법에 의해서 금속 재료가 충진되고, 상기 V형 홈(11a)에 충진된 금속 재료의 상면을 포함한 기판(11)의 상면에 광폭의 스트립(12)을 성막에 의해 형성시킴으로써, 삼각 단면의 금속층(12a)과 스트립(12b)을 일체로 하는 스트립 구조부(12)가 형성된다.The optical waveguide 10 first forms a V-shaped groove 11a on the surface of the substrate 11 by ion milling or dry etching, and then fills the V-shaped groove 11a with a metal material by sputtering. By forming a wide strip 12 by film formation on the top surface of the substrate 11 including the top surface of the metal material filled in the V-shaped groove 11a, the metal layer 12a and the strip 12b having a triangular cross section are formed. An integral strip structure 12 is formed.

이때, 상기 삼각 단면의 금속층(12a)은 스트립(12b)의 상부로 노출되도록 형 성할 수도 있다.In this case, the triangular cross-sectional metal layer 12a may be formed to be exposed to the upper portion of the strip 12b.

이와 같은 종래의 광도파로 구조는 상기 삼각 단면 금속층(12a)에 전계가 집중되기 때문에 상기 스트립(12b)을 따라 전파되는 광 빔의 직경을 좁게 할 수 있음에 따라 빔의 직경이 200㎚ 이내의 크기로 구속 가능하며, 무한한 광폭을 가지는 금속 박막에서의 표면 전자기파 전송 거리와 유사한 10㎛ 내외의 전송 거리를 나타낼 수 있다.In the conventional optical waveguide structure, since the electric field is concentrated in the triangular cross-sectional metal layer 12a, the diameter of the light beam propagating along the strip 12b can be narrowed, so that the diameter of the beam is within 200 nm. It can be constrained, and can exhibit a transmission distance of about 10 μm similar to the surface electromagnetic wave transmission distance in a metal thin film having infinite width.

그러나, 종래의 표면 전자기파 전송용 광도파로 구조는 삼각 단면의 금속층(12a)에 집중되는 전계로 인하여 빔의 직경이 200㎚ 이하로 제한됨에도 불구하고 그 전송 거리가 최대 수십 ㎛에 불과하여 다양한 형태의 광 모듈레이터, 스위치, 커플러, 필터 및 광센서 등에 실질적으로 적용되어 광도파로를 이용한 센싱 소자로 사용되기에는 어려움이 있었다.However, the conventional optical waveguide structure for surface electromagnetic wave transmission has various shapes because its transmission distance is only a few tens of micrometers even though the diameter of the beam is limited to 200 nm or less due to the electric field concentrated on the metal layer 12a of the triangular cross section. Since it is substantially applied to optical modulators, switches, couplers, filters, and optical sensors, it has been difficult to be used as a sensing element using an optical waveguide.

따라서, 본 발명은 종래 표면 전자기파 전송용 광도파로에서 제기되고 있는 상기 제반 단점과 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 삼각 단면 형상의 금속 박막이 서로 다른 굴절률과 유전상수를 가지며 대향 접촉되는 한 쌍의 유전체층 사이에 개재됨으로써, 상기 광도파로를 통해 진행되는 광의 전파 손실이 최소화도록 하여 각 파장대별 광 빔의 전송 거리를 향상시킬 수 있도록 함에 발명의 목적이 있다.Therefore, the present invention was devised to solve the above-mentioned disadvantages and problems in the conventional optical waveguide for surface electromagnetic wave transmission, and a pair of metal thin films having triangular cross-sectional shapes having different refractive indices and dielectric constants facing each other are opposed to each other. By interposing between the dielectric layers, it is an object of the present invention to minimize the propagation loss of the light propagating through the optical waveguide to improve the transmission distance of the light beam for each wavelength band.

본 발명의 상기 목적은, 삼각 단면 형상을 가지는 금속 박막과, 상기 금속 박막을 중심으로 그 상, 하부에 서로 다른 굴절률과 양(+) 또는 음(-)의 유전상수를 가지며 그 대향면이 서로 대접되도록 결합된 한 쌍의 유전체층을 포함하는 표면 전자기파 전송용 광도파로가 제공됨에 의해서 달성된다.The object of the present invention is a metal thin film having a triangular cross-sectional shape, and having different refractive indices and positive (+) or negative (-) dielectric constants on and under the metal thin film, and opposite surfaces thereof. It is achieved by providing an optical waveguide for surface electromagnetic wave transmission comprising a pair of dielectric layers joined to be welcoming.

상기 금속 박막은, 일단부에서 입사된 광이 금속 박막의 표면을 따라 SPP(Surface Plasmon Polariton) 방식으로 전송되도록 한 것을 특징으로 한다.The metal thin film is characterized in that the light incident from one end is transmitted along the surface of the metal thin film in the SPP (Surface Plasmon Polariton) method.

상기 금속 박막은 삼각 단면, 바람직하게는 이등변의 삼각 단면을 이루며, 비교적 높은 전하밀도를 가지는 물질로 구성되어 일단부에 광 파이버가 결합됨에 의해서 상기 파이버를 통한 광의 입사에 의해서 상기 금속 박막의 길이 방향 광 전송이 이루어진다.The metal thin film has a triangular cross section, preferably an isosceles triangular cross section, and is made of a material having a relatively high charge density and is coupled to an optical fiber at one end thereof so that light is incident on the metal thin film in the longitudinal direction of the metal thin film. Light transmission takes place.

상기 금속 박막은 주로 금(Au) 또는 은(Ag)으로 구성되며, 상기 금과 은의 합금 또는 금과 은이 순차적으로 표면 도금된 형태로 구성된다.The metal thin film is mainly composed of gold (Au) or silver (Ag), and an alloy of gold and silver or gold and silver are sequentially surface-plated.

상기 유전체층은 서로 다른 굴절률을 가지며, 그 두께 변화에 의해서 양(+) 또는 음(-)의 유전상수(ε)와 굴절률을 변화시킬 수 있다.The dielectric layers have different refractive indices, and the positive and negative dielectric constants ε and refractive indices may be changed by changing thicknesses.

또한, 상기 유전체층은 동일한 굴절률을 가지도록 할 수도 있다.In addition, the dielectric layer may have the same refractive index.

한편, 상기 금속 박막은 폭과 높이를 각 파장대(633㎚, 980㎚, 1550㎚)별로 정의하고, 삼각 단면의 마주보는 내각, 즉 이등변 사이의 끼인각 크기를 변화시키면서 금속 박막의 길이방향을 따라 전송되는 전파 손실(propagation loss)과 전송 거리가 측정된다.Meanwhile, the metal thin film defines width and height for each wavelength band (633 nm, 980 nm, and 1550 nm), and transmits along the longitudinal direction of the metal thin film while varying the size of the opposite inner angle of the triangular cross section, that is, the angle between the isosceles. The propagation loss and the transmission distance are measured.

이때, 각 파장대별로 정해진 폭과 높이를 갖는 금속 박막의 끼인각의 크기를 크게 할수록 사다리꼴 형태의 단면 형상을 가지는 금속 박막으로 형성되며 그 90°일 경우에는 소정의 폭을 갖는 직사각형의 단면 형태를 가지게 되는 데, 상기 금속 박막의 길이 방향 광 전송시 전파 손실(propagation loss)을 감안한 전송 거리를 측정하여 보면 이등변의 삼각 단면 형상의 금속 박막이 형성될 때 최적의 전송 거리를 가지게 된다.At this time, the larger the included angle of the metal thin film having a predetermined width and height for each wavelength band is formed as a metal thin film having a trapezoidal cross-sectional shape, and in the case of 90 ° has a rectangular cross-sectional shape having a predetermined width. When measuring the transmission distance in consideration of propagation loss during the longitudinal light transmission of the metal thin film, an optimum transmission distance is obtained when an isosceles triangular cross-sectional metal thin film is formed.

본 발명에 따른 표면 전자기파 전송용 광도파로의 상기 목적에 대한 상세한 설명과 그 작용효과에 관한 사항은 본 발명의 바람직한 실시예가 도시된 도면을 참조한 아래의 상세한 설명에 의해서 명확하게 이해될 것이다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENT OF THE INVENTION The detailed description of the above object of the optical waveguide for surface electromagnetic wave transmission and the effect thereof will be clearly understood by the following detailed description with reference to the drawings in which preferred embodiments of the present invention are shown.

먼저, 도 2는 본 발명에 따른 광도파로의 사시도이고, 도 3은 본 발명에 따른 광도파로에 적용되는 유전체의 굴절률이 도시된 그래프이며, 도 4는 본 발명에 따른 광도파로의 단면도이다.First, Figure 2 is a perspective view of the optical waveguide according to the present invention, Figure 3 is a graph showing the refractive index of the dielectric applied to the optical waveguide according to the present invention, Figure 4 is a cross-sectional view of the optical waveguide according to the present invention.

도시된 바와 같이, 본 발명의 표면 전자기파 전송용 광도파로(100)는 양(+)의 유전상수를 갖는 제1 유전체층(110)과, 음(-)의 유전상수를 갖는 제2 유전체층(120) 및 그 사이에 개재되는 금속 박막(130)으로 구성된다.As shown, the optical waveguide 100 for transmitting surface electromagnetic waves of the present invention includes a first dielectric layer 110 having a positive dielectric constant and a second dielectric layer 120 having a negative dielectric constant. And a metal thin film 130 interposed therebetween.

상기 제1 유전체층(110)과 제2 유전체층(120)은 서로 대면하여 그 대향면이 접촉 결합되며, 상기 제1 유전체층(110)과 제2 유전체층(120)이 음(-)의 유전상수를 가지는 금속 박막(130)의 상, 하면을 감싸는 형태로 이루어진다.The first dielectric layer 110 and the second dielectric layer 120 face each other so that their opposite surfaces are in contact with each other, and the first dielectric layer 110 and the second dielectric layer 120 have a negative dielectric constant. The upper and lower surfaces of the metal thin film 130 are formed.

상기 제1 유전체층(110)과 제2 유전체층(120)은 서로 다른 유전상수와 굴절률을 가진 재질로 구성되며, 비교적 낮은 전하밀도를 갖는 물질로 형성됨이 바람직하다. 즉, 무기물인 실리콘, 유리 및 폴리머 계열의 수지 등으로 구성될 수 있다.The first dielectric layer 110 and the second dielectric layer 120 is made of a material having a different dielectric constant and refractive index, it is preferably formed of a material having a relatively low charge density. That is, the inorganic material may be composed of silicone, glass, and polymer-based resins.

또한, 상기 제1 유전체층(110)과 제2 유전체층(120)은 서로 동일한 굴절률을 가지는 물질, 예를 들어 세라믹 시트 등으로 구성될 수 있으며, 상기 제1 유전체층(110)에 금속 박막(130)을 적층한 후 상기 제1 유전체층(110)과 동일 또는 다른 굴절률을 가지는 제2 유전체층(120)을 소성 처리함에 의해서 일체화된다.In addition, the first dielectric layer 110 and the second dielectric layer 120 may be formed of a material having the same refractive index, for example, a ceramic sheet, and the like, and the metal thin film 130 may be formed on the first dielectric layer 110. After lamination, the second dielectric layer 120 having the same or different refractive index as the first dielectric layer 110 is integrated by baking.

이때, 상기 제1 유전체층(110)과 제2 유전체층(120)의 굴절률 차이는 도 3에 도시된 바와 같이, 0.00043 이하로 유지되어야 함을 알 수 있다. 즉, 기판 역할을 하는 제1 유전체층(110)의 두께를 고정시킨 상태에서 상기 제1 유전체층(120)의 상면에 결합되는 제2 유전체층(120)의 두께를 변화시키면서 굴절률을 가변시키게 되면 제1 유전체층(110)과 제2 유전체층(120)에 의한 임계굴절률 차가 발생되는 데, 이 임계굴절률차가 0.00043이다.In this case, it can be seen that the difference in refractive index between the first dielectric layer 110 and the second dielectric layer 120 should be maintained at 0.00043 or less. That is, the first dielectric layer is changed when the refractive index is changed while changing the thickness of the second dielectric layer 120 coupled to the top surface of the first dielectric layer 120 while the thickness of the first dielectric layer 110 serving as the substrate is fixed. The difference in critical refractive index between 110 and the second dielectric layer 120 is generated, which is 0.00043.

상기 임계굴절률 차가 0.00043 이상이 되면 상기 두 개의 유전체층(110)(120)을 통해 금속 박막()에서 전송되는 광 빔이 새어나가게 됨에 따라 상기 금속 박막(130)을 따라 전송되는 광의 가이딩이 불가능하게 되어 소정의 전송 거리를 가지는 광도파로(100)의 제작이 불가능하다.When the difference in the critical refractive index is 0.00043 or more, the light beam transmitted from the metal thin film () through the two dielectric layers 110 and 120 leaks out, so that guiding of the light transmitted along the metal thin film 130 is impossible. Therefore, it is impossible to manufacture the optical waveguide 100 having a predetermined transmission distance.

이를 좀 더 구체적으로 살펴보면, 통상적인 광도파로는 코어(core)인 금속 박막(130)과, 상기 금속 박막(130)을 둘러싸는 클래딩(cladding), 즉 제1 유전체층(110)과 제2 유전체층(120)이 결합하여 추출되는 유효굴절률(effective index)이 상기 금속 박막(130) 외측의 유전체층(110)(120)에 형성되는 유효굴절률보다 클 것이 요구된다.In more detail, a typical optical waveguide includes a metal thin film 130 as a core and a cladding surrounding the metal thin film 130, that is, the first dielectric layer 110 and the second dielectric layer ( The effective index extracted by coupling 120 is required to be greater than the effective refractive index formed on the dielectric layers 110 and 120 outside the metal thin film 130.

상기 광도파로(100)는 LR-SPP 모드에서 상기 금속 박막(130)을 따라 전송되는 광이 굴절률이 높은 유전체층에 분포되려고 하는 성질을 가지기 때문에 상기 금속 박막(130)에 존재하는 광의 양이 줄어들게 됨으로써, LR-SPP 모드에서의 금속 박막(130)을 통한 광의 전파 손실이 감소된다.The optical waveguide 100 has a property that light transmitted along the metal thin film 130 is distributed in a dielectric layer having a high refractive index in LR-SPP mode, thereby reducing the amount of light present in the metal thin film 130. The propagation loss of light through the metal thin film 130 in the LR-SPP mode is reduced.

즉, 상기 금속 박막(130)을 따라 전파되는 방사광이 유효굴절률이 더 높은 유전체층(110)(120) 내에 분포되려고 하는 성질에 의해서 상기 제1 및 제2 유전체층(110)(120)이 감싸고 있는 금속 박막(130) 내부에 존재하는 광의 양이 줄어들게 됨으로써, 상기 금속 박막(130)을 통해 전송되는 광의 분산으로 인한 전파 손실이 줄어들게 된다.That is, the metal encapsulated by the first and second dielectric layers 110 and 120 due to the property that radiation light propagating along the metal thin film 130 is distributed in the dielectric layers 110 and 120 having a higher effective refractive index. Since the amount of light present in the thin film 130 is reduced, the propagation loss due to the dispersion of the light transmitted through the metal thin film 130 is reduced.

이와는 반대로, 상기 제1 및 제2 유전체층(110)(120)의 내측에 배치된 금속 박막(130)이 높은 굴절률을 갖게 되면, 상기 금속 박막(130) 상의 방사광이 외부로 방사되지 못하고 금속 박막(130) 내에 집중됨에 따라 금속 박막(130) 주변으로 광이 집중됨에 의해서 전파 손실이 증가된다.On the contrary, when the metal thin film 130 disposed inside the first and second dielectric layers 110 and 120 has a high refractive index, the radiated light on the metal thin film 130 is not radiated to the outside and the metal thin film ( As it is concentrated in 130, the propagation loss is increased by concentrating light around the metal thin film 130.

이 경우에는 금속 박막(130)을 통해 전파되는 광이 아주 작은 크기로 집적됨에 따라 이를 이용한 다른 분야에서도 적용 가능하다.In this case, since the light propagated through the metal thin film 130 is integrated in a very small size, it is applicable to other fields using the same.

한편, 본 발명은 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 금속 박막(130)을 둘러싸고 있는 제1 및 제2 유전체층(110)(120)의 유효굴절률을 1.500으로 설정하고, 이 유효굴절률을 기준으로 제1 및 제 2 유전체층(110)(120)의 굴절률이 달라짐에 의해서 발생되는 굴절률의 차에 의해 광도파로(100)에서 얻어지는 유전체층(110)(120)의 유효굴절률의 추이를 도시하였다.Meanwhile, according to the present invention, as shown in FIG. 3, the effective refractive indices of the first and second dielectric layers 110 and 120 surrounding the metal thin film 130 are set to 1.500 and based on the effective refractive index, The change in the effective refractive indices of the dielectric layers 110 and 120 obtained in the optical waveguide 100 is shown by the difference in the refractive indices caused by the change in the refractive indices of the first and second dielectric layers 110 and 120.

도 3의 유효굴절률 추이를 보면, 제1 및 제2 유전체층(110)(120)의 굴절률 차이가 심화될수록, 즉 제1 및 제2 유전체층(110)(120) 중의 어느 하나의 굴절률이 다른 하나에 비해 현저하게 낮아짐과 동시에 금속 박막(130)의 유효굴절률이 낮아짐을 알 수 있다.3, as the difference in refractive index between the first and second dielectric layers 110 and 120 deepens, that is, the refractive index of any one of the first and second dielectric layers 110 and 120 is different from one another. It can be seen that the effective refractive index of the metal thin film 130 is lowered at the same time significantly lower than.

이때, 상기 광도파로()를 통해 얻어지는 금속 박막(130)의 유효굴절률이 상기 금속 박막(130)을 감싸고 있는 클래딩인 제1 및 제2 유전체층(110)(120)의 기설정된 굴절률 1.500보다 낮아지는 지점의 제1 유전체층(110)과 제2 유전체층(120)의 굴절률 차이는 0.00043을 나타내게 된다.At this time, the effective refractive index of the metal thin film 130 obtained through the optical waveguide () is lower than the predetermined refractive index 1.500 of the first and second dielectric layers 110 and 120, which are claddings surrounding the metal thin film 130. The difference in refractive index between the first dielectric layer 110 and the second dielectric layer 120 at the point is 0.00043.

따라서, 앞서 설명된 바와 같이 상기 금속 박막(130)을 통해 방사되는 광이 더 높은 굴절률을 갖는 물질 쪽으로 유도됨에 의해서 전파 손실을 줄이기 위해서는 각 유전체층(110)(120)의 굴절률 차가 0.00043 이하에서 유지되어야 하는 조건을 만족시켜야 한다.Therefore, in order to reduce the propagation loss by the light emitted through the metal thin film 130 is directed toward a material having a higher refractive index as described above, the refractive index difference of each dielectric layer 110, 120 should be maintained at 0.00043 or less. The condition must be satisfied.

한편, 상기 금속 박막(130)은 유한한 길이와 제한된 선폭(W) 및 높이(t)를 가지는 삼각 단면 형태로 구성되며, 비교적 전하밀도가 높은 금속 재질로 형성된다.Meanwhile, the metal thin film 130 has a triangular cross-sectional shape having a finite length, a limited line width (W) and a height (t), and is formed of a metal material having a relatively high charge density.

상기 금속 박막(130)은 금(Au)과 은(Ag) 또는 금과 은의 합금으로 형성되어 일단부측에 광 입사를 위한 광 전달수단(도면 미도시)이 연결된다. 상기 광 전달수 단은 일예로 광파이버 등이 될 수 있다.The metal thin film 130 is formed of gold (Au) and silver (Ag) or an alloy of gold and silver so that light transmission means (not shown) for light incidence is connected to one end side. The light transmission means may be, for example, an optical fiber.

상기 금속 박막(130)은 상기 제1 유전체층(110)과 제2 유전체층(120)의 0.00043 이하 굴절률 차를 가지는 조건하에서 마주보는 내각(θ), 즉 이등변과 밑변 사이의 끼인각을 0°이상 90°이내에서 각도를 변화시킴과 동시에 금속 박막(130)을 통해 전송되는 광의 대표적인 파장대(633㎚, 980㎚, 1550㎚)별로 소정의 선폭()과 높이()의 제한 조건을 두어 광도파로(100)를 통한 광의 전파 손실과 전송 거리를 측정하였다.The metal thin film 130 has an internal angle (θ) facing each other under a condition having a refractive index difference of 0.00043 or less between the first dielectric layer 110 and the second dielectric layer 120. The optical waveguide 100 may be changed within a certain wavelength range and a predetermined line width () and height () are set for each typical wavelength band (633 nm, 980 nm, and 1550 nm) of the light transmitted through the metal thin film 130. Propagation loss and transmission distance of light through

아래 도시된 도 5 내지 도 7은 각 파장대별 금속 박막의 내각 변화에 따른 전파 손실을 나타낸 그래프로서, 도 5는 633㎚의 파장인 경우이고, 도 6은 980㎚의 파장인 경우이며, 도 7은 1550㎚ 파장의 경우이다.5 to 7 are graphs showing the propagation loss according to the change in the internal angle of the metal thin film for each wavelength band, FIG. 5 is a wavelength of 633 nm, FIG. 6 is a wavelength of 980 nm, and FIG. Is the case of 1550 nm wavelength.

먼저, 633㎚의 파장을 갖는 광이 전송되는 광도파로(100)는 제1 유전체층(110)과 제2 유전체층(120) 사이에 소정의 선폭(W)과 높이(t)를 가지며, 마주보는 내각(θ)의 각도 크기에 따라 높이()가 변화될 수 있는 금속 박막(130)이 개재되고, 상기 금속 박막(130)의 일단에 연결된 광 파이버를 통해 633㎚의 파장을 갖는 표면 전자기파를 전송하였다.First, the optical waveguide 100 to which light having a wavelength of 633 nm is transmitted has a predetermined line width W and a height t between the first dielectric layer 110 and the second dielectric layer 120, and faces each other. A metal thin film 130 whose height is changed according to the angle size of θ is interposed, and the surface electromagnetic wave having a wavelength of 633 nm is transmitted through an optical fiber connected to one end of the metal thin film 130. .

이때, 상기 삼각 단면의 금속 박막(130)의 마주보는 내각(θ)을 선폭(W)이 대략 1㎛ 정도로 제한된 상태에서 0°이상에서 ~ 90°이내의 각도로 변환시키게 됨으로써, 0°근처에서 극히 얇은 형태의 이등변 삼각형 단면으로 형성되고, 90 근방에서 직사각형에 가까운 단면 형상을 가지며 변화된다.In this case, the inner angle θ of the triangular cross-section of the metal thin film 130 is converted into an angle within 0 ° to 90 ° in a state where the line width W is limited to about 1 μm, thereby near 0 °. It is formed into an isosceles triangular cross-section of extremely thin shape, and has a cross-sectional shape close to a rectangle in the vicinity of 90 and changes.

633㎚의 파장의 경우에는 도 5에 도시된 바와 같이 금속 박막(130)의 마주보 는 내각(θ)이 대략 20°되는 지점에서 전송되는 광의 최대 전파 손실이 발생되고, 그 내각(θ)의 크기가 작을수록 광의 전파 손실이 작은 것을 알 수 있다. 따라서, 광의 전송시 전파 손실이 가장 적은 금속 박막(130)의 구조는 그 내각(θ)의 크기가 0°이상이면서 가장 작은 각도를 가지는 이등변 삼각형의 단면 형태임을 알 수 있다.In the case of the wavelength of 633 nm, as shown in FIG. 5, the maximum propagation loss of the transmitted light is generated at the point where the inner angle θ of the metal thin film 130 is approximately 20 °, and the It can be seen that the smaller the size, the smaller the propagation loss of light. Therefore, it can be seen that the structure of the metal thin film 130 having the smallest propagation loss in the transmission of light has a cross-sectional shape of an isosceles triangle having the smallest angle while the inner angle θ is greater than 0 °.

또한, 980㎚의 파장을 갖는 광이 전송되는 광도파로(100)는 제1 유전체층(110)과 제2 유전체층(120) 사이에 소정의 선폭(W)과 마주보는 내각(θ)의 각도에 따라 높이(t)가 변화되는 금속 박막(130)이 개재되고, 상기 금속 박막(130)의 일단에 연결된 광 파이버를 통해 980㎚의 파장을 갖는 표면 전자기파를 전송하였다.In addition, the optical waveguide 100 through which light having a wavelength of 980 nm is transmitted may be formed according to the angle of the inner angle θ facing the predetermined line width W between the first dielectric layer 110 and the second dielectric layer 120. A metal thin film 130 having a height t is interposed therebetween, and the surface electromagnetic wave having a wavelength of 980 nm is transmitted through an optical fiber connected to one end of the metal thin film 130.

이때, 상기 삼각 단면 금속 박막(130)의 마주보는 내각(θ)이 0°이상에서 ~ 90°이내의 각도로 변환될 때, 도 6에서와 같이 약 5° 이상의 지점에서부터 최대 전파 손실이 발생되기 시작한다.At this time, when the opposite angle θ of the triangular cross-section metal thin film 130 is converted from an angle of 0 ° or more to an angle of 90 ° or more, maximum propagation loss occurs from a point of about 5 ° or more as shown in FIG. 6. To start.

따라서, 980㎚의 경우에도 633㎚의 파장과 마찬가지로 전파 손실을 최소로 하여 전송 거리를 길게 할 수 있는 금속 박막(130)의 형태는 마주보는 내각(θ)의 크기가 0°이상이면서 가장 작은 각도를 갖는 이등변 삼각형 구조로 형성됨이 바람직하다.Therefore, in the case of 980 nm, similar to the wavelength of 633 nm, the shape of the metal thin film 130 which can extend the transmission distance with the minimum propagation loss is the smallest angle with the opposite angle θ of 0 ° or more. It is preferable that it is formed of an isosceles triangle structure having.

다음, 위와 마찬가지로 제1 유전체층(110)과 제2 유전체층(120) 사이에 소정의 선폭(W)과 마주보는 내각(θ)의 각도에 따라 높이(t)가 변화되는 금속 박막(130)을 개재시키고, 상기 금속 박막(130)의 일단에 연결된 광 파이버를 통해 1550㎚의 파장을 갖는 표면 전자기파를 전송하였다.Next, as described above, the metal thin film 130 having the height t is changed according to the angle of the inner angle θ facing the predetermined line width W between the first dielectric layer 110 and the second dielectric layer 120. The surface electromagnetic wave having a wavelength of 1550 nm was transmitted through an optical fiber connected to one end of the metal thin film 130.

이때, 상기 삼각 단면 금속 박막(130)의 마주보는 내각(θ)이 0 °상에서 ~ 90°이내의 각도로 변환되면서 측정되는 전파 손실은 약 10°이상의 임의 지점들에서 최대 전파 손실이 발생된다.In this case, the propagation loss measured as the opposite angle θ of the triangular cross-section metal thin film 130 is converted to an angle within 0 ° to 90 ° is generated at an arbitrary point of about 10 ° or more.

따라서, 1550㎚의 경우에도 633㎚의 파장과 980㎚의 파장과 마찬가지로 금속 박막(130)의 마주보는 내각(θ)의 크기가 0°이상의 가장 작은 각도로 하는 이등변 삼각형 구조로 형성될 때 전파 손실을 최대로 줄여 최장의 광 전송 거리가 측정된다.Therefore, in the case of 1550 nm, similar to the wavelength of 633 nm and the wavelength of 980 nm, the propagation loss when the opposite angle θ of the metal thin film 130 is formed into an isosceles triangle structure having the smallest angle of 0 ° or more. The maximum optical transmission distance is measured by reducing the maximum.

이상에서와 같이, 세 파장대의 광이 전송되는 광도파로(100)의 금속 박막(130) 형태는 실제의 길이 단위로 유추하여 볼때 세 파장대 모두 선폭(W, ㎛)에 비해 극히 작은 높이(t, ㎚)를 가질 수 밖에 없기 때문에 실질적으로는 선폭(W)에 대하여 극히 작은 내각(θ)을 가지는 평면에 가까운 이등변 삼각형 구조로 형성된다.As described above, the shape of the metal thin film 130 of the optical waveguide 100 in which light of three wavelength bands is transmitted is inferred in actual unit of length, and all three wavelength bands have an extremely small height (t, Nm), it is substantially formed as an isosceles triangular structure close to a plane having an extremely small internal angle θ with respect to the line width W.

이상에서 밝힌 바와 같이 본 발명에 따른 광도파로에 적용되는 파장대에서 제한된 크기를 갖는 금속 박막(130)을 실시예로 하여 측정된 전파 손실과 광의 전송 거리는 표 1과 같다.As described above, the propagation loss and the transmission distance of light measured using the metal thin film 130 having a limited size in an embodiment in the wavelength band applied to the optical waveguide according to the present invention are shown in Table 1 below.

파장(㎚)Wavelength (nm) 크기(W×t)Size (W × t) 전파 손실(dB/㎜)Propagation Loss (dB / mm) 전송 거리(㎜)Transmission distance (mm) 633633 1㎛×15㎚1 μm × 15 nm 4.244.24 1.891.89 980980 4㎛×16㎚4 μm × 16 nm 0.450.45 17.7817.78 15501550 4㎛×24.4㎚4 μm × 24.4 nm 0.060.06 133.3133.3

상기의 표 1에서 알 수 있듯이, 633㎚의 파장에 대하여 최대 전송 거리는 1.89㎜이고, 980㎚의 파장에 대한 광의 최대 전송 거리는 17.78㎜이며, 1550㎚ 파장에 대한 광의 전송 거리는 133.3㎜로 측정된다.As can be seen from Table 1, the maximum transmission distance is 1.89 mm for the wavelength of 633 nm, the maximum transmission distance of light for the wavelength of 980 nm is 17.78 mm, and the transmission distance of light for the 1550 nm wavelength is measured as 133.3 mm.

이와 같은 광의 전송 거리는 센서를 비롯한 광 모듈레이터, 스위치 등에 적용 가능한 크기의 광도파로를 제작할 수 있는 충분한 거리로써, 종래의 광도파로에 비해 수 백배 이상의 전송 거리가 향상된 것임을 알 수 있다.Such a transmission distance of the light is a sufficient distance to produce an optical waveguide having a size applicable to an optical modulator, a switch, etc., such as a sensor, and it can be seen that the transmission distance of the optical waveguide is improved by several hundred times or more.

마지막으로, 도 8은 특정 파장대(633㎚, 980㎚, 1550㎚)의 광이 금속 박막(130)을 통해 전송될 때, 상기 금속 박막(130)이 앞서 정의된 평면에 가까운 이등변 삼각형의 형태를 가지고 광의 전송이 이루어지도록 하여 그 금속 박막(130)을 따라 전파되는 빛의 크기 분포를 촬영한 사진이다.Finally, FIG. 8 shows the shape of an isosceles triangle close to the plane defined above when the light having a specific wavelength band (633 nm, 980 nm, 1550 nm) is transmitted through the metal thin film 130. It is a photograph of the size distribution of light propagating along the metal thin film 130 so that the light is transmitted.

본 발명에 따른 광도파로를 통해 얻어지는 도 8과 같은 광의 분포는 원형에 가깝게 할 수 있기 때문에 상기 광도파로의 일단에 접속되는 광 파이버의 광 분포 형태와 매우 유사하게 형성됨으로써, 광 파이버를 용이하게 결합할 수 있고, 이에 따른 결합 손실을 최소화 할수 있다.Since the distribution of light as shown in FIG. 8 obtained through the optical waveguide according to the present invention can be made close to a circular shape, it is formed very similar to the shape of the light distribution of the optical fiber connected to one end of the optical waveguide, thereby easily coupling the optical fibers. And thus the coupling loss can be minimized.

이상에서 설명한 본 발명의 바람직한 실시예들은 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이나, 이러한 치환, 변경 등은 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.Preferred embodiments of the present invention described above are disclosed for the purpose of illustration, and various substitutions, modifications, and changes within the scope without departing from the spirit of the present invention for those skilled in the art to which the present invention pertains. It will be possible, but such substitutions, changes and the like should be regarded as belonging to the following claims.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 표면 전자기파 전송용 광도파로는 삼각 단면 형상의 금속 박막이 서로 다른 굴절률과 유전상수를 가지고 대향 접촉되는 한 쌍의 유전체층 사이에 개재됨으로써, 상기 광도파로를 통해 진행되는 광의 전파 손실이 최소화도록 하여 전 파장 대역에서 광의 전송 거리를 향상시킬 수 있으며, 광의 분포가 원형에 가깝도록 형성되어 그 일단에 결합되는 광 파이버와의 결합 손실을 동시에 줄일 수 있는 장점이 있다.As described above, the optical waveguide for surface electromagnetic wave transmission of the present invention is interposed between a pair of dielectric layers in which triangular cross-sectional metal thin films are in opposing contact with different refractive indices and dielectric constants, thereby proceeding through the optical waveguide. By minimizing the propagation loss of the light can improve the transmission distance of the light in the entire wavelength band, there is an advantage that can be reduced at the same time the coupling loss with the optical fiber coupled to the end is formed so that the light distribution is close to the circular.

Claims (13)

삼각 단면 형상을 가지는 금속 박막;A metal thin film having a triangular cross-sectional shape; 상기 금속 박막을 중심으로 그 상, 하부에 서로 다른 굴절률과 양(+) 또는 음(-)의 유전상수를 가지며, 그 대향면이 서로 대접되도록 결합된 한 쌍의 유전체층;A pair of dielectric layers having different refractive indices and positive (+) or negative (-) dielectric constants on and below the metal thin film, the opposing surfaces being bonded to each other; 을 포함하는 표면 전자기파 전송용 광도파로Optical waveguide for surface electromagnetic wave transmission comprising a 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 금속 박막은, 일단부에서 입사된 광이 금속 박막의 표면을 따라 SPP(Surface Plasmon Polariton) 방식으로 전송되도록 한 것을 특징으로 하는 표면 전자기파 전송용 광도파로.The metal thin film is an optical waveguide for surface electromagnetic wave transmission, characterized in that the light incident from one end portion is transmitted along the surface of the metal thin film in the SPP (Surface Plasmon Polariton) method. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 금속 박막은, 일단부에 광을 입사시키기 위한 광 전달수단이 결합된 것을 특징으로 하는 표면 전자기파 전송용 광도파로.The metal thin film is an optical waveguide for surface electromagnetic wave transmission, characterized in that coupled to the light transmission means for injecting light to one end. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 금속 박막은, 금(Au) 또는 은(Ag)으로 구성되며, 금 또는 은의 합금 및 금과 은의 순차적인 표면 도금층이 형성된 것을 특징으로 하는 표면 전자기파 전송용 광도파로.The metal thin film is composed of gold (Au) or silver (Ag), and an optical waveguide for surface electromagnetic wave transmission, characterized in that an alloy of gold or silver and a sequential surface plating layer of gold and silver are formed. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 금속 박막은 이등변의 삼각 단면으로 형성된 것을 특징으로 하는 표면 전자기파 전송용 광도파로.The metal thin film is an optical waveguide for surface electromagnetic wave transmission, characterized in that formed in an isosceles triangular cross section. 삭제delete 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 유전체층은, 상기 금속 박막의 상, 하부에 결합되는 제1 유전체층과 제 2 유전체층이 서로 다른 굴절률을 가지며, 그 두께의 변화에 따라 굴절률과 양(+)과 음(-)의 유전상수(ε)가 가변 가능한 것을 특징으로 하는 표면 전자기파 전송용 광도파로.In the dielectric layer, the first and second dielectric layers bonded to the upper and lower portions of the metal thin film have different refractive indices, and the refractive indices and the positive and negative dielectric constants ε are varied according to the change in thickness. ) Is an optical waveguide for transmitting surface electromagnetic waves. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 유전체층은 동일한 굴절률을 가지는 것을 특징으로 하는 표면 전자기파 전송용 광도파로.And said dielectric layer has the same refractive index. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 유전체층은, 무기물인 실리콘, 유리, 폴리머 계열의 수지 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 표면 전자기파 전송용 광도파로.The dielectric layer is an optical waveguide for surface electromagnetic wave transmission, characterized in that any one of an inorganic material, silicon, glass, polymer-based resin. 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 제1 유전체층과 제2 유전체층의 굴절률 차이는 0.00043 이하에서 유지되는 것을 특징으로 하는 표면 전자기파 전송용 광도파로.The refractive index difference between the first dielectric layer and the second dielectric layer is maintained at 0.00043 or less optical waveguide for surface electromagnetic wave transmission. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 표면 전자기파 전송용 광도파로는, 상기 제1 유전체층에 금속 박막을 적층한 후 상기 제1 유전체층과 동일한 굴절률을 가지는 제2 유전체층을 소성 처리함에 의해서 일체화되는 것을 특징으로 하는 표면 전자기파 전송용 광도파로.The optical waveguide for surface electromagnetic wave transmission is integrated by laminating a metal thin film on the first dielectric layer and then firing a second dielectric layer having the same refractive index as the first dielectric layer. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 금속 박막은, 그 외부로 방사되는 광의 분포가 원형에 가까운 형태로 구성되는 것을 특징으로 하는 표면 전자기파 전송용 광도파로.The metal thin film is an optical waveguide for surface electromagnetic wave transmission, characterized in that the distribution of light emitted to the outside is formed in a form close to a circular shape. 삭제delete
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