KR100877710B1 - 표면 플라즈몬 이중 금속 광도파로 - Google Patents

표면 플라즈몬 이중 금속 광도파로 Download PDF

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Abstract

본 발명은 표면 플라즈몬 이중 금속 광도파로에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기판; 상기 기판 상에 위치한 제1 유전체층; 상기 제1 유전체층 상에 위치한 금속 박막; 상기 금속 박막을 포함하고, 상기 제1 유전체층 상에 위치한 제2 유전체층; 상기 제2 유전체층 상에 위치한 금속-띠; 및 상기 금속-띠를 포함하고, 상기 제2 유전체층 상에 위치한 제3 유전체층을 포함하는 표면 플라즈몬 이중 금속 광도파로에 관한 것이다.
상기 표면 플라즈몬 이중 금속 광도파로는 종래 단일 금속 광도파로와 비교하여 전파 손실이 매우 적어 광센서, 광통신용 소자, 집적 광시스템의 소자로 바람직하게 적용 가능하다.
표면 플라즈몬, 표면 플라즈몬 공명, 광도파로, 금속박막

Description

표면 플라즈몬 이중 금속 광도파로{SURFACE PLASMON OPTICAL WAVEGUIDES HAVING DOUBLE METAL LAYERS}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 플라즈몬 이중 금속 광도파로를 보여주는 입체 단면도.
도 2는 상기 도 2의 I-I' 면을 따라 절단한 경우의 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 이중 금속 광도파로의 자기장 분포를 보여주는 모식도이고, 도 4는 이의 장거리 표면 플라즈몬 모드의 에너지 분포도.
도 5 내지 도 8은 금속-띠의 여러 가지 형태를 보여주는 모식도.
도 9 내지 도 20은 본 발명의 제1 내지 제12 구현예에 따른 표면 플라즈몬 이중 금속 광도파로의 모식도.
도 21은 금속 박막과 금속-띠과, 이와 접하는 제2 유전체층 사이의 경계면에서 존재하는 표면-플라즈몬의 분산관계를 보여주는 그래프.
본 발명은 표면 플라즈몬 이중 금속 광도파로에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 종래 단일 금속 광도파로와 비교하여 전파 손실이 매우 적어 광센서, 광통신용 소자, 집적 광시스템의 소자로 바람직하게 적용 가능한 표면 플라즈몬 이중 금속 광도파로에 관한 것이다.
표면 플라즈몬(surface plasmon)은 유전상수의 실수항이 서로 반대의 부호를 가지는 경계면을 따라 진행하는 전하밀도의 진동파를 의미한다. 상기 표면 플라즈몬은 네거티브(-) 극성을 갖는 금속 물질과 포지티브(+) 극성을 갖는 유전체 물질의 경계면에서 존재하며, 표면 플라즈몬은 고속으로 가속된 전자나 광파에 의하여 여기된다.
상기 표면 플라즈몬은 TM(transverse-magnetic) 편광된 파동이며, 파동을 이루는 전기장이나 자기장의 크기는 금속표면에서 가장 큰 값을 가지면서 금속에서 멀어짐에 따라 지수적으로 감소한다. 이러한 특징 때문에 표면 플라즈몬은 금속 표면에 존재하는 물질의 특성 측정과 금속 자체의 광학 상수를 측정하는데 많이 사용되어 왔다.
또한 표면 플라즈몬은 필드가 금속의 표면 근방에 집중되어 있기 때문에 센서 등의 응용에 많은 장점을 가지고 있으며, 금속 표면의 섭동에 민감하게 반응하기 때문에 이를 이용한 광소자로 응용되고 있다.
E. N. ECONOMOU 등은 단일 금속 박막(metal film), 혹은 금속박막과 유전체 박막(dielectric film)이 교대로 2층 이상 쌓여 있는 구조에서 표면-플라즈몬이 발생함을 발견하였다(Surface Plasmons in Thin Films, Physical Review, Vol. 182, No. 2, pp. 539-554, 1969).
그러나 광도파로 기술의 측면에서 기존의 표면 플라즈몬 기술을 보면, 표면- 플라즈몬의 진행거리가 가시광선이나 적외선 영역에서 수십 또는 수백 마이크로미터(㎛)로 매우 짧은 단점을 가진다. 그러나 금속의 구조를 수십 나노미터 두께의 얇은 박막 형태로 만들면, 금속 박막 양단의 두 표면 경계를 따라 진행하는 개개의 표면 플라즈몬들 간에 강한 결합이 일어난다. 결합된 표면 플라즈몬은 금속의 단일 경계면에서 전파하는 표면-플라즈몬과는 달리, 수 내지 수십 mm 까지 전파할 수 있는 장거리 표면-플라즈몬 (long-range surface plasmon)을 형성한다.
G. I. Stegeman은 그의 논문에서 수직으로 인접한 두 금속박막 (metal film) 구조에서 장거리 표면-플라즈몬 (long-range surface plasmon)이 발생하고, 전파거리가 단일 금속박막에 비해 훨씬 증가 할 수 있음을 제안하였다("Long-range surface plasmons in electrode structures," Appl . Phys . Lett, vol. 43, No. 3, pp. 221-223, 1983). 상기 논문에서 제안된 박막의 개념은 두께는 매우 얇으나, 넓이가 무한히 넓은 평면을 이루는 것을 의미한다. 그러나 본 발명에서는 두께가 얇은 선 형태의 금속-띠를 사용하여 소자를 구현하였으며, 이러한 금속-띠 형태가 되어야만이 광이 지나가는 통로(광도파로)의 역할이 가능하다. 실제 응용에서는 금속-띠 형태로 된 것만이 사용 가능하며, 금속 박막인 경우는 불가능하다.
Pierre Berini 등은 유전체 내에 매우 얇은 두께를 가지는 단일 금속-띠(metal strip) 구조에서, 상기 금속-띠를 따라 장거리 표면-플라즈몬 (long-range surface plasmon) 모드가 형성됨을 발견하였다(Plasmon-polariton waves guided by thin lossy metal films of finite width: Bound modes of symmetric structures," PHYSICAL REVIEW B, vol. 61, No. 15, pp. 10484-10503, 2002, 미합 중국 특허 제 6,442,321호, 제6,614,960호, 제6,741,782호, 제7,043,134호).
그러나 이러한 장거리 표면-플라즈몬을 이용한 금속선 광도파로 기술은, 두께가 10 ㎚ 이하인 균일한 금속선을 제작하기가 불가능 하다는 기술적 한계에 의해, 적은 전파손실을 갖는 장거리 표면-플라즈몬 광도파로 소자를 만들기가 현실적으로 어렵다. 즉, 1.55 ㎛ 광통신파장에서 보아도 1㏈/㎝ 이하의 전파손실을 가질 수 있는 광 도파로 소자를 만드는 것이 거의 불가능하며, 센서 등 다양한 광소자로의 응용성에도 한계를 갖는다.
상기 문제점을 해결하기 위해 본 발명자는 종래의 장거리 표면-플라즈몬을 이용한 단일 금속-띠 광도파로 기술이 갖는 근본적인 문제점인 전파손실의 한계점을 극복하고 보다 다양한 응용성을 확보하기 위해, 종래의 단일 금속-띠 광도파로 기술에 비해 10배 이상 전파 손실이 적으며, 광센서나 광시스템 집적화 등에도 적용 가능한 새로운 장거리 표면-플라즈몬 이중 금속 광도파로 기술을 발명하였다.
본 발명의 목적은 종래 단일 금속 광도파로와 비교하여 전파 손실이 매우 적어 광센서, 광통신용 소자, 집적 광시스템의 소자로 적용 가능한 표면 플라즈몬 이중 금속 광도파로 및 이의 용도를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은
기판;
상기 기판 상에 위치한 제1 유전체층;
상기 제1 유전체층 상에 위치한 금속 박막;
상기 금속 박막 상에 위치한 제2 유전체층;
상기 제2 유전체층 상에 위치한 금속-띠; 및
상기 금속-띠 상에 위치한 제3 유전체층
을 포함하는 표면 플라즈몬 이중 금속 광도파로를 제공한다.
이때 상기 제1 유전체층, 제2 유전체층 및 제3 유전체층은 서로 같거나 다른 재질을 포함하고, 두께가 10 nm 내지 100 ㎛의 범위를 갖는다.
상기 금속 박막과 금속-띠는 서로 같거나 다른 재질을 포함하고, 두께가 10 nm 내지 100 ㎛의 범위를 갖고, 폭이 10 nm 내지 100 nm의 범위를 갖는다.
이때 상기 금속-띠는 직선, Y-분기, Y-분기 두 개가 연결된 방향성 결합기, 또는 Y-분기 두 개가 연결된 간섭계의 형태를 갖는다.
또한 본 발명은 상기 표면 플라즈몬 이중 금속 광도파로를 각종 장치의 소자로 적용하는 용도를 제공한다.
이하 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 표면 플라즈몬 이중 금속 광도파로는 종래 단일 금속 광도파로와 비교하여 전파 손실이 매우 적어 광 센서, 광 커플러(optical coupler), 광합분기기(光合分岐器), 광합분파기(光合分波器), 광송신모듈, 광수신모듈, 광송수신모듈, 광스위치, 광변조기, 광필터, 광편향기, 광분산보상기, 광애드드롭모듈(optical adddropmodule), 광크로스커넥트(optical cross connect) 등에 바람직하게 적용한다.
본 명세서 전체에 걸쳐 사용되는 ‘유한(finite)’ 및 ‘무한’의 용어는 도파로(waveguides) 기술 분야에서 사용되고 있는 용어로서, 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 충분히 이해될 수 있는 용어이다.
일예로 ‘유한(finite)’이라 함은 도파로의 성능 또는 작동 능력을 향상시킬 수 있도록 실질적(actual)인 수치를 의미하며, ‘무한(infinite)’이라 함은 도파로의 성능 또는 작동 능력을 향상시키도록 최대 수치의 개념을 의미한다.
이하, 본 발명을 구체적인 실시예를 도면을 통해 더욱 상세히 설명한다. 본 발명의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 인해 한정되어지는 것으로 해석되어져서는 안 된다. 또한 각 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어진 것으로 이해되는 것이 바람직하다. 이때 도면 상에서 동일한 부호로 표시된 요소는 동일한 요소를 의미한다. 또한, 어떤 층이 다른 층 또는 기판의 "상"에 있다라고 기재되는 경우에, 상기 어떤 층은 상기 다른 층 또는 기판에 직접 접촉하여 존재할 수 있고, 또는, 그 사이에 제3의 층이 개재되어질 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 플라즈몬 이중 금속 광도파로를 보여주는 입체 단면도이고, 도 2는 도 1의 I-I' 면을 따라 절단한 경우의 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 표면 플라즈몬 이중 금속 광도파로는
기판(1);
상기 기판 상에 위치한 제1 유전체층(2);
상기 제1 유전체층 상에 위치한 금속 박막(3);
상기 금속 박막 상에 위치한 제2 유전체층(4);
상기 제2 유전체층 상에 위치한 금속-띠(5); 및
상기 금속-띠 상에 위치한 제3 유전체층(6)을 포함한다.
도 1 및 도 2에 따른 구조의 표면 플라즈몬 이중 금속 광도파로는 금속 박막과 금속-띠(3, 5)들 사이에 평면상으로 유한한 직경을 갖는 광파(optical wave)를 입사시키면, 상기 금속 박막(3)과 금속-띠(5)에서 표면 플라즈몬이 발생하고 이들이 서로 결합되어 장거리 표면 플라즈몬을 형성된다. 이렇게 형성된 장거리 표면 플라즈몬은 금속 박막(3)과 금속-띠(5) 사이에 속박되어 금속-띠(5)의 길이 방향(z-축 방향)에 따라 전파해 나간다. 이러한 전파는 수 nm 에서 수십 mm 가지 가능해진다.
도 3은 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 이중 금속 광도파로의 자기장 분포를 보여주는 모식도이고, 도 4는 이의 장거리 표면 플라즈몬 모드의 에너지 분포도이다. 도 3에서 자기장 성분 Hx는 유한 요소법(finite element method)으로 계산한 결과이다.
도 3을 참조하면, 상기 표면 플라즈몬 이중 금속 광도파로는 금속 박막(3)과 금속-띠(5)를 따라 동심원 모양으로 전자기파가 전파해나가며, 중심에서 멀어질수록 자기장의 크기가 작아짐을 알 수 있다. 또한 금속 박막(3)과 금속-띠(5) 모두 장거리 표면 플라즈몬에 의해 충분히 속박되어 전자기파가 전파된다. 또한 도 4를 참조하면 장거리 표면 플라즈몬의 에너지 분포는 중심의 밝은 부분이 에너지가 큰 부분이고 밖으로 나갈수록 줄어드는 경향을 보인다.
구체적으로, 상기 기판(1)은 통상적으로 사용되는 플라스틱 기판, 반도체 기판 또는 금속 기판이 가능하며, 본 발명에서 특별히 한정하지는 않는다.
상기 제1 유전체층, 제2 유전체층 및 제3 유전체층(2, 4, 6)은 통상적으로 사용되는 유전체층 재질이 가능하다. 대표적으로 폴리이미드계 수지, 폴리에테르이미드 수지, 폴리에테르케톤 수지, 폴리에스테르이미드 수지 등, 실리콘계 수지, 아크릴계 수지, 폴리스티렌계 수지, 폴리카보네이트계 수지, 폴리아미드계 수지, 폴리에스테르계 수지, 페놀계 수지, 폴리퀴놀린계 수지, 폴리퀴녹살린계 수지, 폴리벤조옥사졸계 수지, 폴리벤조티아졸계 수지, 폴리벤조이미다졸계 수지, 폴리실란, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종이 가능하고, 바람직하기로 상기 수지는 불소 원자를 포함하고, 더욱 바람직하기로는 불소를 포함하는 폴리이미드계 수지가 가능하다.
이때 상기 제1 내지 제3 유전체층(2, 4, 6)은 재질의 종류에 따라 유전상수를 달리하며, 필요한 경우 서로 같거나 다른 재질을 사용한다.
이러한 제1 내지 제3 유전체층(2, 4, 6)은 광도파로에 적용하기 위해 두께가 10 내지 100 nm이고, 폭이 10 nm 내지 100 ㎛인 것이 바람직하다.
또한 상기 제1 내지 제3 유전체층(2, 4, 6)은 전술한 바의 수지가 1층 이상으로 적층된 단층 또는 다층 구조를 갖는다. 그리고 필요에 따라 상기 제2 유전체층(4)은 동일층 상에 서로 다른 재질의 수지로 소정 영역으로 형성한다.
또한 상기 제1 내지 제3 유전체층(2, 4, 6)은 전술한 재질을 포함하는 박막 또는 액체로도 형성이 가능하다. 상기 액체 형태의 경우 틈 간격이 수 마이크론 이하인 두 개의 박막 사이에 모세관 현상에 의해 상기 액체를 채워 사용한다.
한편, 금속 박막(3)과 금속-띠(5)는 통상적으로 사용되는 금속 재질이 가능하며, 대표적으로 Au, Ag, Cu, Al, In, Sn, Pb, Sb, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ta, W, Pt 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택된 1종이 가능하며, 바람직하기로 Au를 사용한다.
이때 상기 금속 박막과 금속-띠(3, 5)은 재질의 종류에 따라 유전상수를 달리하며, 필요한 경우 서로 같거나 다른 재질을 사용한다.
이러한 금속 박막과 금속-띠(3, 5)은 광도파로에 적용하기 위해 두께가 10 내지 100 nm이고, 폭이 10 nm 내지 100 ㎛인 것이 바람직하다. 이때 상기 금속 박막(3)은 폭 및 두께를 조절함에 따라 제1 유전체층(2) 상에 형성되거나, 제1 유전체층(2) 또는 제2 유전체층(4) 내에 내포된 형태로 위치한다.
상기 금속-띠(5)는 광도파로 역할이 실질적으로 가능해지도록 두께가 얇은 선 형태가 가능하다. 이러한 금속-띠(5)의 구체적인 형태는 직선, Y-분기, Y-분기 두 개가 연결된 방향성 결합기, 또는 Y-분기 두 개가 연결된 간섭계의 형태를 갖는다.
도 5 내지 도 8은 금속-띠(5)의 여러 가지 형태를 보여주는 모식도이다. 도 5에서는 직선의 금속 띠 형태를 가진 금속-띠(5)를 보여주고 있으며, 도 6에서는 Y-분기의 형태를 가진 금속-띠(5)를 보여주고 있으며, 도 7에서는 Y-분기 두 개가 연결된 형태를 가진 금속-띠(5)를 보여주고 있으며, 도 8에서는 Y-분기 두 개가 결 합된 형태를 가진 금속-띠(5)를 보여준다. 이러한 형태는 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 적절이 선택 변경될 수 있다.
특히 본 발명에서는 금속 박막 및 금속-띠의 두께, 폭 및/또는 유전 상수를 변화시켜 광도파로를 구현할 수 있으며, 이러한 금속 박막 및 금속-띠의 두께, 폭 및/또는 유전 상수의 변화에 따라 광도파로의 전자기적 성질이 변화되어 장거리 표면 플라즈몬 전파 특성을 변화시킨다.
먼저 금속 박막 및 금속-띠의 두께의 변화에 따른 장거리 표면 플라즈몬 전파 특성의 변화를 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 표면 플라즈몬 이중 금속 광도파로는 금속 박막과 금속-띠의 두께, 바람직하기로 금속 박막의 두께를 제어하여 전자기적 성질을 변화시켜 장거리 표면 플라즈몬의 전파 특성을 변화시킨다. 이러한 금속 박막과 금속-띠의 두께는 10 nm 내지 100 nm의 범위에서 적절히 조절이 가능하여, 금속 박막의 두께를 tm1이라고 하고, 금속-띠의 두께를 tm2라 할 때, 하기 수학식 1 내지 3을 만족하도록 금속 박막과 금속-띠의 두께를 조절한다.
[수학식 1]
tm1 = tm2
[수학식 2]
tm1 > tm2
[수학식 3]
tm1/tm2 = ∞
도 9 내지 도 11은 본 발명의 제1 내지 제3 구현예에 따른 표면 플라즈몬 이중 금속 광도파로의 모식도로, 상기 수학식 1 내지 3을 만족한다. 이때 편의상 금속 박막의 폭의 변화에 따른 것은 고려하지 않도록 기판 전면에 걸쳐 금속 박막이 형성된 구조로 도시하였다.
도 9에 도시한 제1 구현예에 따른 표면 플라즈몬 이중 금속 광도파로는 기판(11), 제1 유전체층(12), 금속 박막(13), 제2 유전체층(14), 금속-띠(15) 및 제3 유전체층(16)을 구비하고, 이때 상기 표면 플라즈몬 이중 금속 광도파로는 금속 박막(13)의 두께가 금속-띠(15)의 두께와 같은 두께를 갖는다(수학식 1 참조).
도 10에 도시한 제2 구현예에 따른 표면 플라즈몬 이중 금속 광도파로는 기판(21), 제1 유전체층(22), 금속 박막(23), 제2 유전체층(24), 금속-띠(25) 및 제3 유전체층(26)을 구비하고, 이때 상기 표면 플라즈몬 이중 금속 광도파로는 금속 박막(23)의 두께가 금속-띠(25)의 두께보다 유한한 크기로 두꺼운 두께를 갖는다(수학식 2 참조).
도 11에 도시한 제3 구현예에 따른 표면 플라즈몬 이중 금속 광도파로는 기판(31), 제1 유전체층(32), 금속 박막(33), 제2 유전체층(34), 금속-띠(35) 및 제3 유전체층(36)을 구비하고, 이때 상기 표면 플라즈몬 이중 금속 광도파로는 금속 박막(33)의 두께가 금속-띠(35)의 두께보다 무한한 크기로 두꺼운 두께를 갖는다(수학식 3 참조).
또한 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 이중 금속 광도파로는 금속 박막과 금속-띠의 폭, 바람직하기로 금속 박막의 폭을 제어하여 전자기적 성질을 변화시켜 장거리 표면 플라즈몬의 전파 특성을 변화시킨다. 이러한 금속 박막 및 금속-띠의 폭은 10 nm 내지 100 ㎛의 범위에서 적절히 조절이 가능하여, 금속 박막의 폭을 Wm1이라고 하고, 금속-띠의 폭을 Wm2라 할 때, 하기 수학식 4 내지 7을 만족하도록 금속 박막과 금속-띠의 두께를 조절한다.
[수학식 4]
Wm1 = Wm2
[수학식 5]
Wm1 > Wm2
[수학식 6]
Wm1 < Wm2
[수학식 7]
Wm1/Wm2 = ∞
도 12 내지 도 15는 본 발명의 제4 내지 제7 구현예에 따른 표면 플라즈몬 이중 금속 광도파로의 모식도로, 상기 수학식 4 내지 7을 만족한다. 이때 편의상 금속 박막의 두께의 변화에 따른 것은 고려하지 않도록 금속 박막과 금속-띠의 두께가 동일한 것으로 도시하였다.
도 12에 도시한 제4 구현예에 따른 표면 플라즈몬 이중 금속 광도파로는 기판(41), 제1 유전체층(42), 금속 박막(43), 제2 유전체층(44), 금속-띠(45) 및 제3 유전체층(46)을 구비하고, 상기 표면 플라즈몬 이중 금속 광도파로는 금속 박막(43)의 폭이 금속-띠(45)의 폭과 같은 두께를 갖는다(수학식 4 참조).
도 13에 도시한 제5 구현예에 따른 표면 플라즈몬 이중 금속 광도파로는 기판(51), 제1 유전체층(52), 금속 박막(53), 제2 유전체층(54), 금속-띠(55) 및 제3 유전체층(56)을 구비하고, 상기 표면 플라즈몬 이중 금속 광도파로는 금속 박막(53)의 폭이 금속-띠(55)의 폭보다 유한한 크기로 넓은 폭을 갖는다(수학식 5 참조).
도 14에 도시한 제6 구현예에 따른 표면 플라즈몬 이중 금속 광도파로는 기판(61), 제1 유전체층(62), 금속 박막(63), 제2 유전체층(64), 금속-띠(65) 및 제3 유전체층(66)을 구비하고, 상기 표면 플라즈몬 이중 금속 광도파로는 금속 박막(63)의 폭이 금속-띠(65)의 폭보다 유한한 크기로 좁은 폭을 갖는다(수학식 6 참조).
도 15에 도시한 제7 구현예에 따른 표면 플라즈몬 이중 금속 광도파로는 기판(71), 제1 유전체층(72), 금속 박막(73), 제2 유전체층(74), 금속-띠(75) 및 제3 유전체층(76)을 구비하고, 상기 표면 플라즈몬 이중 금속 광도파로는 금속 박막(73)의 폭이 금속-띠(75)의 폭보다 무한한 크기로 넓은 폭을 갖는다(수학식 7 참조). 이 경우 금속 박막(73)은 기판(71)의 전체 폭과 동일한 폭으로 형성된다.
추가로 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 이중 금속 광도파로는 금속 박막이 유 한한 폭을 갖는 경우 제1 유전체층 내에 삽입된 구조로 이루어질 수 있다.
또한 상기 수학식 4 내지 7을 만족하는 표면 플라즈몬 이중 금속 광도파로는 금속 박막과 금속-띠의 폭과 더불어 제2 유전체층의 폭(Wd2)을 변화시켜 다양한 형태로 구현이 가능하다.
도 16 내지 도 19는 본 발명의 제8 내지 제11 구현예에 따른 표면 플라즈몬 이중 금속 광도파로의 모식도이다. 이때 편의상 금속 박막의 두께의 변화에 따른 것은 고려하지 않도록 금속 박막과 금속-띠의 두께가 동일한 것으로 도시하였다.
도 16에 도시한 제8 구현예에 따른 표면 플라즈몬 이중 금속 광도파로는 기판(101), 제1 유전체층(102), 금속 박막(103), 제2 유전체층(104), 금속-띠(105) 및 제3 유전체층(106)을 구비하고, 이때 상기 표면 플라즈몬 이중 금속 광도파로는 금속 박막(103), 금속-띠(105) 및 제2 유전체층(106)의 폭이 모두 동일한 구조를 갖는다.
도 17에 도시한 제9 구현예에 따른 표면 플라즈몬 이중 금속 광도파로는 기판(111), 제1 유전체층(112), 금속 박막(113), 제2 유전체층(114), 금속-띠(115) 및 제3 유전체층(116)을 구비하고, 이때 상기 표면 플라즈몬 이중 금속 광도파로는 금속 박막(113)의 폭이 금속-띠(115)의 폭보다 유한한 크기로 넓은 폭을 갖고, 금속-띠(115) 및 제2 유전체층(114)이 동일한 폭을 갖는다.
도 18에 도시한 제10 구현예에 따른 표면 플라즈몬 이중 금속 광도파로는 기판(121), 제1 유전체층(122), 금속 박막(123), 제2 유전체층(124), 금속-띠(125) 및 제3 유전체층(126)을 구비하고, 이때 상기 표면 플라즈몬 이중 금속 광도파로는 금속 박막(123)의 폭이 금속-띠(125)의 폭보다 유한한 크기로 좁은 폭을 갖고, 금속-띠(125) 및 제2 유전체층(124)이 동일한 폭을 갖는다.
도 19에 도시한 제11 구현예에 따른 표면 플라즈몬 이중 금속 광도파로는 기판(131), 제1 유전체층(132), 금속 박막(133), 제2 유전체층(134), 금속-띠(135) 및 제3 유전체층(136)을 구비하고, 이때 상기 표면 플라즈몬 이중 금속 광도파로는 금속 박막(133)의 폭이 금속-띠(135)의 폭보다 무한한 크기로 넓은 폭을 갖고, 금속-띠(135) 및 제2 유전체층(134)이 동일한 폭을 갖는다.
상기와 같이 제2 유전체층(104, 114,124, 134)의 폭이 금속-띠(105, 115, 125, 135)의 폭과 동일하게 형성하는 경우 상기 제2 유전체층(104, 114,124, 134)은 이와 접하는 동일 층에 다른 재질, 즉 유전 상수를 달리하는 유전체층을 형성하고, 그 상부에 제3 유전체층(106, 116,126, 136)의 형성이 가능하다.
도 20은 본 발명의 제12 구현예에 따른 표면 플라즈몬 이중 금속 광도파로의 모식도이다. 도 20을 참조하면, 상기 표면 플라즈몬 이중 금속 광도파로는 기판(141), 제1 유전체층(142), 금속 박막(143), 제2 유전체층(144a, 144b, 144c), 금속-띠(145) 및 제3 유전체층(146)을 구비하고, 상기 제2 유전체층(144a, 144b, 144c)이 각각 다른 재질로 형성된다. 이때 도 20의 모식도는 편의상 도 17에 도시한 표면 플라즈몬 이중 금속 광도파로와 유사한 구조로 도시하였으나, 전술한 바의 모든 구조를 포함한다.
또한 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 이중 금속 광도파로는 금속 박막과 금속 -띠의 유전 상수를 제어하여 전자기적 성질을 변화시켜 장거리 표면 플라즈몬의 전파 특성을 변화시킨다. 상기 유전 상수는 자기장의 세기와 관련된 인자로, 금속 박막과 금속-띠의 유전 상수 값을 어떻게 선택하느냐에 따라 금속 박막과 유전체층 사이에 표면 플라즈몬이 존재하거나 존재하지 않을 수가 있다. 따라서 충분한 장거리 표면 플라즈몬 전파 특성을 얻기 위해선 상기 유전 상수에 대해 충분히 고려되어야 하며, 이는 상기 금속 박막과 금속-띠의 재질을 적절히 선택하여 이루어진다.
도 21은 금속 박막과 금속-띠과, 이와 접하는 제2 유전체층 사이의 경계면에서 존재하는 표면-플라즈몬의 분산관계를 보여주는 그래프이다. 이때 상기 분산관계(dispersion relation)라 함은 전자기파의 진동수 ω에 따라 표면-플라즈몬이 가질 수 있는 전파상수 k 값 간의 관계를 말한다.
도 21에서 L은 제2 유전체층에 존재하는 전자기파의 분산관계를 보여주는 그래프이고, M1은 금속 박막과 제2 유전체층 사이의 경계면에서 존재하는 전자기파의 분산관계(수학식 8 참조)를, M2는 금속-띠와 제2 유전체층 사이의 경계면에서 존재하는 전자기파의 분산관계(수학식 9 참조)를 보여준다.
[수학식 8]
Figure 112007020413292-pat00001
[수학식 9]
Figure 112007020413292-pat00002
(상기 수학식 8 및 9에서,
κ: 전파상수
ω : 전자기파의 진동수
c: 진공 중에서의 전자기파 속력
εm1: 금속 박막의 유전 상수
εm2: 금속-띠의 유전 상수
εd2: 제2 유전체층의 유전 상수이다)
도 21을 참조하면, 금속 박막(M1) 및 금속-띠(M2)는 전자기파의 진동수 ω의 값이 0에서부터 커짐에 따라 전파 상수κ가 무한히 커지며, 어느 정도 이상에서는 표면 플라즈몬이 존재하지 않는 경계 주파수(cutoff frequency)를 갖는다.
이때 입사 전자기파의 진동수 값이 도 21에 나타낸 ω0인 경우 금속-띠와 제2 유전체층 사이의 경계면에서는 κ 0.m1 인 전파상수를 갖는 표면-플라즈몬이 존재하지만, 금속 박막과 제2 유전체층 사이의 경계면에서는 표면-플라즈몬이 존재하지 않는다. 따라서 금속 박막과 금속-띠를 이루는 두 물질이 갖는 유전 상수인 εm1 과 εm2 값을 어떻게 선택하느냐에 따라 장거리 표면-플라즈몬의 특성 변화가 가능해진다.
또한 전술한 바와 같이 금속 박막과 금속-띠의 유전 상수 뿐만 아니라 제1 내지 제3 유전체층의 유전 상수를 변화시켜 장거리 표면 플라즈몬의 전자기파 특성 을 변화시킬 수 있다. 즉, εd1: 제1 유전체층의 유전상수, εd2: 제2 유전체층의 유전상수, εd3: 제3 유전체층의 유전상수를 의미할 때 상기 εd1 , εd2 , εd3 , εd4, εd5는 서로 같거나 모두 다를 수 있으며, 어느 하나 이상의 층이 동일한 값을 가질 수 있다.
전술한 바와 같은 구조를 가진 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 이중 금속 광도파로는 각각을 형성하는 재질, 두께 및 폭을 제어함으로서 전자기적 성질을 변화시켜 장거리 표면 플라즈몬의 전파 특성을 효과적으로 조절이 가능하다.
이러한 표면 플라즈몬 이중 금속 광도파로는 종래 단일 금속 광도파로와 비교하여 전파 손실이 매우 적어 광 센서, 광 커플러(optical coupler), 광합분기기(光合分岐器), 광합분파기(光合分波器), 광송신모듈, 광수신모듈, 광송수신모듈, 광스위치, 광변조기, 광필터, 광편향기, 광분산보상기, 광애드드롭모듈(optical adddropmodule), 광크로스커넥트(optical cross connect) 등에 바람직하게 적용한다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 의해 장거리 표면 플라즈몬의 전파 특성을 효과적으로 조절하는 표면 플라즈몬 이중 금속 광도파로의 제조가 가능하며, 상기 광도파로는 전파 손실이 적어 다양한 장치에 적용될 수 있다.

Claims (12)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 위치한 제1 유전체층;
    상기 제1 유전체층 상에 위치한 금속 박막;
    상기 금속 박막 상에 위치한 제2 유전체층;
    상기 제2 유전체층 상에 위치한 금속-띠; 및
    상기 금속-띠 상에 위치한 제3 유전체층
    을 포함하는 표면 플라즈몬 이중 금속 광도파로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 플라스틱 기판, 반도체 기판 또는 금속 기판으로 이루어진 군에서 선택된 1종인 것인 표면 플라즈몬 이중 금속 광도파로.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 유전체층, 제2 유전체층 및 제3 유전체층은 서로 같거나 다른 재질을 포함하고, 폴리이미드계 수지, 폴리에테르이미드 수지, 폴리에테르케톤 수지, 폴리에스테르이미드 수지, 실리콘계 수지, 아크릴계 수지, 폴리스티렌계 수지, 폴리카보네이트계 수지, 폴리아미드계 수지, 폴리에스테르계 수지, 페놀계 수지, 폴리퀴놀린계 수지, 폴리퀴녹살린계 수지, 폴리벤조옥사졸계 수지, 폴리벤조티아졸계 수지, 폴리벤조이미다졸계 수지, 폴리실란, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종을 포함하는 것인 표면 플라즈몬 이중 금속 광도파로.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 내지 제3 유전체층은 박막 또는 두 개의 박막 사이에 액체가 충진된 구조를 갖는 것인 표면 플라즈몬 이중 금속 광도파로.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 유전체층, 제2 유전체층 및 제3 유전체층은 서로 같거나 다른 두께를 가지며, 상기 두께가 10 nm 내지 100 nm인 것인 표면 플라즈몬 이중 금속 광도파로.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 유전체층, 제2 유전체층 및 제3 유전체층은 서로 같거나 다른 폭을 가지며, 상기 폭이 10 nm 내지 100 ㎛인 것인 표면 플라즈몬 이중 금속 광도파로.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 유전체층, 제2 유전체층 및 제3 유전체층은 1층 이상으로 적층된 단층 또는 다층 구조를 갖는 것인 표면 플라즈몬 이중 금속 광도파로.
  8. 제1항에 있어서,
    추가로 상기 제2 유전체층은 서로 다른 재질의 수지로 소정 영역으로 적층되어 단일층인 것인 표면 플라즈몬 이중 금속 광도파로.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 금속 박막과 금속-띠는 서로 같거나 다른 재질을 포함하고, Au, Ag, Cu, Al, In, Sn, Pb, Sb, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ta, W, Pt 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택된 1종인 것인 표면 플라즈몬 이중 금속 광도파로.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 금속 박막 및 금속-띠는 서로 같거나 다른 두께를 가지며, 상기 두께가 10 내지 100 nm인 것인 표면 플라즈몬 이중 금속 광도파로.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 금속 박막 및 금속-띠는 서로 같거나 다른 폭을 가지며, 상기 폭이 10 nm 내지 100 ㎛인 것인 표면 플라즈몬 이중 금속 광도파로.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 금속-띠는 직선, Y-분기, Y-분기 두 개가 연결된 방향성 결합기, 또는 Y-분기 두 개가 연결된 간섭계의 형태를 갖는 것인 표면 플라즈몬 이중 금속 광도파로.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101173796B1 (ko) 2011-02-24 2012-08-16 인하대학교 산학협력단 금속선 광도파로 및 상기 금속선 광도파로를 이용한 틈 표면 플라즈몬 형성 방법
US8755662B2 (en) 2011-09-21 2014-06-17 Electronics And Telecommunications Research Institute Optical waveguide

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100951530B1 (ko) * 2008-02-26 2010-04-08 성균관대학교산학협력단 나노 플라즈모닉 집적 회로 및 이를 이용한 광 집적 모듈
WO2011002117A1 (ko) * 2009-07-01 2011-01-06 한국과학기술연구원 고민감도 국소 표면 플라즈몬 공진 센서 및 이를 이용한 센서 시스템
CN102650711B (zh) * 2012-05-28 2014-01-29 西安交通大学 一种基于表面等离子体的波导光耦合器及其制备工艺
CN104133269B (zh) * 2014-08-04 2018-10-26 河海大学常州校区 基于超材料的表面波的激发和长距离传输结构
CN108957628A (zh) * 2018-09-20 2018-12-07 广西师范大学 一种基于二硫化钼的长程介质加载的混合等离子波导
WO2021014606A1 (ja) * 2019-07-24 2021-01-28 日本電信電話株式会社 プラズモニック導波路

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003215029A (ja) 2002-01-23 2003-07-30 Japan Science & Technology Corp 表面プラズモン共鳴測定装置並びに表面プラズモン共鳴及び光吸収スペクトル測定装置
JP2004020381A (ja) 2002-06-17 2004-01-22 Fuji Xerox Co Ltd 近接場光発生装置および発生方法
KR20040094580A (ko) * 2003-05-03 2004-11-10 송석호 표면 플라즈몬 밴드갭을 이용한 도파로형 파장필터
KR20070011256A (ko) * 2004-03-29 2007-01-24 닛토덴코 가부시키가이샤 광학 필름 및 화상 표시 장치
KR100783365B1 (ko) 2006-09-29 2007-12-07 한국전자통신연구원 광도파로 소자

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003215029A (ja) 2002-01-23 2003-07-30 Japan Science & Technology Corp 表面プラズモン共鳴測定装置並びに表面プラズモン共鳴及び光吸収スペクトル測定装置
JP2004020381A (ja) 2002-06-17 2004-01-22 Fuji Xerox Co Ltd 近接場光発生装置および発生方法
KR20040094580A (ko) * 2003-05-03 2004-11-10 송석호 표면 플라즈몬 밴드갭을 이용한 도파로형 파장필터
KR20070011256A (ko) * 2004-03-29 2007-01-24 닛토덴코 가부시키가이샤 광학 필름 및 화상 표시 장치
KR100783365B1 (ko) 2006-09-29 2007-12-07 한국전자통신연구원 광도파로 소자

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101173796B1 (ko) 2011-02-24 2012-08-16 인하대학교 산학협력단 금속선 광도파로 및 상기 금속선 광도파로를 이용한 틈 표면 플라즈몬 형성 방법
US8755662B2 (en) 2011-09-21 2014-06-17 Electronics And Telecommunications Research Institute Optical waveguide

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