KR100952064B1 - 표면 플라즈몬들에 기초한 광학 라우터들 - Google Patents

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Abstract

광학 라우팅(optical routing)를 수행하기 위한 장치는 제 1 및 제 2 측부들을 갖는 금속층, 제 1 측부를 따라 위치되는 구조물들의 일정한 어레이, 제 1 측부의 부분을 조명하기 위해 위치되는 입력 광학 도파관을 포함한다. 상기 측부의 조명된 부분은 구조물들 중의 구조물들에 인접한다. 장치는 또한 입력 광학 도파관에 의해 조명되지 않은 금속층의 부분들로부터 방사된 광을 수신하기 위해 위치되는 복수의 출력 광학 도파관들을 포함한다.
도파관, 광학 라우터, 플라즈몬, 벡터

Description

표면 플라즈몬들에 기초한 광학 라우터들{Optical routers based on surface plasmons}
도 1은 평면 금속 유전체 계면에서 광자에 의한 표면 플라즈몬 생성의 운동학을 설명하는 단면도.
도 2는 도 1의 계면에서 표면 플라즈몬들과 광자들에 대한 분산 관계들을 보여주는 도면.
도 3은 자체를 따르는 이동 불변(translation invariance) 없는 계면의 상면도
도 4는 분산 관계들이 광자의 발생 평면에서 단일 표면 플라즈몬의 생성을 어떻게 가능하게 하는지를 보여주는 도면.
도 5는 투사된 광자 운동량이 상호 격자 벡터(reciprocal lattice vector)에 수직일 때 1 이상의 운동량을 갖는 플라즈몬들을 입사 광자들이 어떻게 생성하는지를 보여주는 도면.
도 6은 조명되는 금속층의 정면 측부에 응답하여 도 3의 금속층의 후면 측부 상에 유도되는 전계 세기들을 보여주는 도면.
도 7a 내지 7e는 금속층의 정면 측부에 입사된 다양한 광 구성들에 대한 도 3의 금속층의 후면 측부를 따른 전계 세기들의 음영 플로트들.
도 8 및 도 9는 주파수-선택적 광학 라우팅(frequency selective optical routing)을 수행하는 광학 라우터의 단면도 및 후면도
도 10은 도 8과 9의 광학 라우터로 광을 광학적으로 라우팅하기 위한 방법을 보여주는 도면.
도 11 및 12는 주파수-선택적 광학 라우팅을 수행하기 위해 파이버 다발의 끝 면을 이용하는 간단한 광학 라우터를 보여주는 도면.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
30: 광학 라우터 32: 유전체 층
43: 금속층 44: 입력 광학 도파관
45,53,55: 렌즈
발명의 분야
본 발명은 파장 선택적 광학 라우터들(wavelength-selective optical routers)에 관한 것이다.
관련 기술의 설명
올(all)-광학 라우터들은 출력 광학 신호를 전송하기 전에 입력 광학 신호를 중간의 전기적 신호들로 변환하지 않는다. 광 및 전기적 신호들 간의 변환을 회피함으로써, 올-광학 라우터들은 통상 넌(non) 올-광학 라우터들보다 빠르게 라우팅을 수행할 수 있다. 또한, 올-광학 라우터들은 통상 광과 전기적 신호들 간의 변환의 부재로 인해 넌 올-광학 라우터들보다 간단한 장치들이다. 보다 빠른 속도와 보다 덜 복잡함으로 인해 전통적으로 올-광학 라우터들이 넌 올-광학 라우터들보다 광범위하게 선호된다.
올-광학 라우터들이 바람직한 동작 속도들을 갖지만, 이러한 장치를 제조하는 것은 종종 복잡하고 고가이다. 예를 들면, 많은 올-광학 라우터들은 어레이된 도파관들(arrayed waveguides)을 이용한다. 적합하게 어레이된 도파관을 제조하는 것은 일반적으로 보다 정확한 방법들 및 고가의 마스크들을 필요로 한다. 그러한 이유로, 올-광학 라우터들은 종종 고가이다. 고속으로 라우팅하지만 고가이거나 복잡한 제조 과정들을 필요로 하지 않는 광학 라우터들을 보유하는 것이 바람직하다.
(요약)
다양한 실시예들은 광학-전기 및 전기-광학 신호 변환을 수행하는 광학 라우터들을 제공한다. 광학-전기 변환은 입력과 출력 포트들 사이에서 전파하는 표면 플라즈몬(surface plasmon)을 만든다. 표면 플라즈몬의 전파 방향은 입력 광학 신호의 주파수에 의존한다. 표면 플라즈몬의 전파의 방향 의존성은 수신된 광학 신호들의 파장-종속 라우팅(wavelength-dependent routing)을 제공한다. 표면 플라즈몬들의 생성, 제거, 및 전파가 빠른 과정들이므로, 이들 넌 올-광학 라우터들은 고속으로 동작한다.
제 1 양상에서, 본 발명은 광학 라우팅을 수행하기 위한 장치를 특징으로 한다. 장치는 제 1 및 제 2 측부들을 갖는 금속층, 제 1 측부를 따라 위치되는 구조물들의 일정한 어레이, 제 1 측부의 부분을 조명하기 위해 위치되는 입력 광학 도파관을 포함한다. 제 1 측부의 조명된 부분은 구조물들 중의 구조물들에 인접한다. 장치는 또한 입력 광학 도파관에 의해 조명되지 않은 금속층의 부분들로부터 방사된 광을 수신하기 위해 위치되는 복수의 출력 광학 도파관을 포함한다.
제 2 양상에서, 본 발명은 광학 신호들을 라우팅하기 위한 방법을 특징으로 한다. 방법은 입력 광학 도파관으로부터 광학 신호를 수신하는 것에 응답하여 금속 표면 상에 표면 플라즈몬들의 제트(jet)를 생성하는 것을 포함한다. 방법은 제 1 파장을 갖는 수신된 광학 신호에 응답하여 생성된 제트로부터 제 1 출력 광학 도파관의 광학 신호를 선택적으로 생성하는 것을 포함한다. 방법은 또한 제 2 파장을 갖는 수신된 광학 신호에 응답하여 생성된 제트로부터 제 2 출력 광학 도파관의 광학 신호를 선택적으로 생성하는 것을 포함한다.
동일한 참조번호들은 여러 도면들에서 기능적으로 유사한 요소들을 말한다.
다양한 실시예들은 넌 올-광학 라우터들을 제공한다. 새로운 광학 라우터들은 금속 표면에서 표면 플라즈몬들의 생성 및 제거를 포함하는 중간의 광학-전기 및 전기-광학 변환들을 수행한다. 표면 플라즈몬들은 입력 광학 표면에서 수신된 광자들(photons)에 의해 생성된다. 표면 플라즈몬들의 제거는 출력 광학 포트들에서 광자들을 생성한다. 이들 광학-전기 및 전기-광학 신호 변환들은 평면 계면에서 입자 운동학(particle kinematics)에 의해 제한되는 단일 입자 이벤트들(events)이다.
도 1은 금속층(6)과 유전체층(8) 사이의 평면 계면(4)에서 표면 플라즈몬의 생성에 대한 운동학을 보여준다. 단위 벡터(
Figure 112008049754753-pat00001
)는 금속 유전체 계면(4)에 대해 법선(normal)이고, 단위 벡터(
Figure 112008049754753-pat00002
)는 금속 유전체 계면(4)에 대해 평행하다, 운동량 K, 주파수ω의 광자는 금속 유전체 계면(4)의 정면측에 입사된다. 입사 광자는 단위 벡터(
Figure 112008049754753-pat00003
)에 대해 각도 θ를 만들며, 금속 유전체 계면(4)에 법선이다. 입사 광자가 단일 표면 플라즈몬을 생성할 때, 표면 플라즈몬은 동일한 주파수ω와 운동량 Ksp 를 갖는다. 표면 플라즈몬은 단위 벡터(
Figure 112008049754753-pat00004
)에 의해 정의되는 방향을 따라 전파한다. 표면 플라즈몬의 운동량 Ksp 은 완전히, 부분적으로, 또는 아래에서 기술되는 바와 같이 광자 입사 평면에 수직일 수 있다.
표면 플라즈몬들과 광자들의 에너지와 운동량은 분산 관계들을 만족시킨다. 단일 표면 플라즈몬에 대한 분산 관계는 다음과 같다.
Figure 112003030879509-pat00005
여기에서, εm(ω) 와 εd는 계면(4)의 두 개의 측부들 상의 금속과 유전체의 유전 상수들이고, c는 광속도이다. 금속 유전체 계면(4) 상에서 광자의 운동량 K의 프로젝션(projection) Kx (ω)에 대한 분산 관계는 다음과 같다.
Figure 112003030879509-pat00006
프로젝션의 크기 ｜K x ｜는 광자의 입사각에 의존한다.
도 2는 단일 표면 플라즈몬의 생성과 관련되고, 자신을 따르는 이동 불변(translation invariance)인 금속 유전체 계면에서의 단일 광자에 의한 곡선들을 보여준다. 이러한 계면에서 계면을 따른 운동량의 에너지 및 프로젝션은 보존된다. 에너지 보존은 제거된 광자와 생성된 표면 플라즈몬이 동일한 주파수ω를 갖는 것을 필요로한다. 계면을 따른 운동량의 프로젝션의 보존은 Kx 와 Ksp 가 동일한 단위 벡터(
Figure 112008049754753-pat00007
)에 대해 평행일 것을 필요로 하고, 또한 Kx (ω)=Ksp (ω)인 것을 필요로 한다.
투사된 광자 운동량 Kx (ω)에 평행 및 반평행으로 전파하는 표면 플라즈몬들의 운동량들은 브렌치들(branches) Ksp+(ω)와 Ksp-(ω)로 주어진다. 조건 Kx (ω)=Ksp (ω)은 광자의 제한하는 분산 곡선들 Kx±(ω) 즉, Kx±(ω)= ±(ω/c)(εd)1/2 중 하나가 표면 플라즈몬의 분산 곡선와 교차하는 경우에만 만족될 수 있다. 제한하는 폼들(forms) Kx±(ω)가 Ksp+(ω)또는 Ksp-(ω)와 교차하지 않으므로, 교차점들은 광자 및 표면 플라즈몬 분산 곡선들 사이에 존재하지 않는다. 그러한 이유로, 단일 광자는 자체를 따라 이동 불변인 금속 유전체 계면에서 단일 표면 플라즈몬으로 변환될 수 없다.
하지만, 발명자들은 단일 광자가 자체를 따라 이동 불변이 아닌 계면에서 단일 표면 플라즈몬으로 변환될 수 있다는 것을 알았다. 이러한 계면들 상에서, 분산 곡선들은 표면 플라즈몬들의 공명 생성을 위해 교차하지 말아야 한다.
도 3은 자체에 따라 이동 불변이 없는 금속 유전체 계면(4')을 보여준다. 이동 불변은 계면(4')의 변형들(14)의 유한의 일정한 어레이(12)로 파괴된다. 예시적인 변형들(14)은 한 계면(4')의 측부 상의 재료 내에 딤플들(dimples)과 홀들(holes)을 포함한다. 격자 위치들 P는 P=mb1 + nb2 로 정의되며, 여기서, b1 과 b2 는 기본적인 격자 벡터들이고, n와 m은 정수들이다. 기본적인 벡터들 G1 과 G2 를 갖는 상호 격자는 변형들(14)의 일정한 격자(12)와 연관된다. 상호 격자 벡터들은 다음의 관계들로 정의된다.
Figure 112003030879509-pat00008
상호 격자는 금속 유전체 계면(4') 상의 표면 플라즈몬들의 생성의 역할을 한다.
일정한 어레이(12)는 이산 서브그룹에 대한 금속 계면(4')를 따라 완전한 이동 불변을 감소시킨다. 이산 서브그룹은 어레이의 격자 기본적인 벡터들 b1 과 b2 의 정수 배만큼 이동들(translations)을 포함한다. 감소된 이동 불변으로 인해, 에너지-운동량 보존은 한정된 일정한 어레이(12) 내부의 금속 유전체 계면(4')의 부분들 상에 입사된 광자에 대해 변형된 형태를 취한다. 이러한 광자들에 대해, 단일 표면 플라즈몬으로의 단일 광자의 변환은 변형된 운동량 보존 관계에 의해 제한된다.
Figure 112003030879509-pat00009
여기에서, "r"와 "s"는 정수들이고, G 1 과 G 2 는 한정된 크기의 일정한 어레이(12)에 대한 상술된 상호 격자 벡터이다.
변형된 보존 법칙은 어레이(12) 내부의 대략적인 이동 대칭을 생성하기에 충분한 크기의 어레이들(12)에 대해 유효하다. 통상, 이것은 어레이(12)가 실질적으로 동일한 변형들(14)의 적어도 4개 이상의 행들 및 열들을 가질 것을 필요로 한다. 예시적인 어레이들(12)은 1 또는 2의 독립적인 격자 방향들로 이산 이동들 하에서 불변이다.
이동 불변 계면에 대한 운동량 보존 법칙과 달리, 상기 변형된 운동량 보존 법칙은 단일 입사 광자가 단일 표면 플라즈몬을 생성하는 해법들을 갖는다. 생성된 표면 플라즈몬들은 일정한 어레이(12)의 상호 격자 벡터들에 상관된 방향들로 전파한다.
도 4는 도 3의 금속 유전체 계면(4') 상의 광자의 입사 평면에서 운동량을 갖는 표면 플라즈몬을 생성하는 것에 관한 입자 분산 곡선들을 보여준다. 분산 곡선들은 주파수 ω+의 입사 광자가 운동량 Ksp (ω+)의 표면 플라즈몬을 생성하는 것을 보여주며, 여기에서 Ksp (ω+) = Kx (ω+) + G1 이다. 분산 곡선들은 또한 주파수 ω의 입사 광자가 운동량 Ksp (ω-)의 표면 플라즈몬을 생성하는 것을 보여주며, 여기에서 Ksp (ω-) = Kx (ω-) - G1 이다. 주파수들 ω+와 ω-는 다르며, 생성된 표면 플라즈몬들은 서로 반평행한 운동량들 Ksp (ω+)와 K'sp (ω-)을 갖는다. 이러한 이유들로, 주파수들 ω+와 ω-의 입사 광자들은 계면(4') 상에서 반대 방향들로 전파하는 표면 플라즈몬들을 생성한다. 금속 유전체 계면(4')의 감소된 대칭은 생성된 표면 플라즈몬들의 전파 방향을 주파수에 의존하게 만든다. 표면 플라즈몬들의 전파의 주파수 의존은 파장 의존 광학 라우팅을 생성할 수 있다(아래를 참조).
변형된 운동량 보존 관계는 또한 어레이(12)가 두 개의 독립적인 격자 방향들을 갖는다면 Ksp (ω)와 Kx (ω)가 평행하지 않은 해법들을 갖는다. 도 5는 Kspl = Kx + G1 이고 Kx 가 G1 에 수직인 예시적인 해법을 보여준다. 이 해법은 ｜Ksp ｜와｜Kx ｜가 동일한 주파수 ω에 대해 광자와 표면 플라즈몬 분산 관계들을 푸는 것을 필요로 한다. Kx 와 G1 가 수직이므로, K'spl = Kx - G1 으로 정의된 운동량 ｜K'sp ｜와｜Kx ｜은 또한 동일한 주파수 ω에 대해 각각의 광자와 표면 플라즈몬 분산 관계들을 푼다. 그러므로, 상호 격자 벡터 G1 에 수직인 투사된 운동량들 Kx 을 갖는 광자들은 다른 운동량을 갖는 표면 플라즈몬을 생성할 수 있다.
광자가 여러 개의 운동량 값들을 갖는 표면 플라즈몬들을 생성할 수 있는 상태들은 표면 플라즈몬의 생성된 유형들 중 하나만이 출력된 광자들을 만들 수 있다면 효과적이지 못하다. 하나 이상의 운동량 값을 갖는 표면 플라즈몬들을 생성하는 것을 피하기 위해, 도 5에 도시된 바와 같이 상호 격자 벡터들 G1 과 G2 에 직각이 아닌 투사된 운동량 K'x 을 갖도록 광자들의 입사 평면들이 선택될 수 있다.
도 6은 760나노미터(nm) 레이저 광을 갖는 예시적인 금속층의 정면 측부를 조명하는 것에 응답하여 도 6에 설명된 예시적인 금속층의 후면 측부에서 생성되는 전계 세기들을 보여준다. 금속층의 정면 측부는 유전체 퓨즈된(fused) 실리카 기판(silica substrate)과의 금속 유전체 계면을 형성한다. 도 6에서, 측정된 전계 세기들은 측정된 광자 계수 레이트들에 비례한다. 도 6의 데이터를 얻는 동안, 금속층은 층의 법선 벡터에 대해 약 50°의 각도에서 금속층의 정면 측부 상에 입사된 조준된 레이저 광에 의해 조명되었다. 레이저 광은 금속층 내의 6x7 직각의 홀들의 어레이 상에 입사된다. 홀들은 직경이 약 200나노미터(nm)이며, 격자 벡터들 b1 과 b2 가 길이가 각각 840nm와 950nm인 한정된 일정한 격자를 형성한다. 조명 동안, 전계 세기들은 금속층의 후면측부를 따라 광섬유(optical fiber)의 미세하게 당겨진 단부를 스캐닝하고 광섬유 내의 광자 생성 레이트들을 계수함으로써 측정된다.
도 6에서, 전계 세기들의 2D 플로트는 두 개의 현저한 특징들을 갖는다. 제 1 특징은 커다란 피크들의 어레이(18)이다. 커다란 피크들의 어레이(18)는 홀들의 일정한 큐빅(cubic) 어레이에 의해 관통된 금속층의 부분 위에 위치된다. 커다란 피크들의 어레이(18)는 골드층(gold layer) 내의 홀들의 어레이로부터 얻어진다. 제 2 특징은 골드층 내의 홀들의 어레의 단부에서 시작하는 직선(20)이다. 선(20)을 따라, 전계 세기들은 표면 플라즈몬들의 순간적인 전계들로 인해 값들이 상승한다. 직선(20)은 변형들의 일정한 어레이를 갖는 금속 유전체 계면 상에 입사된 광자들이 제한된 수의 전파 방향들을 갖는 표면 플라즈몬들을 생성한다는 것을 보여준다. 실험적인 골드층에 대해, 생성된 표면 플라즈몬들은 20 미크론(microns) 이상의 거리들에 걸쳐 큰 소실없이 전파한다.
도 7a 내지 7e는 도 3과 6에 이미 도시된 것과 동일한 금속 유전체 계면의 후면 측부를 따르는 전계 세기들을 보여주는 음영 플로트들이다. 도 7a 내지 7e의 삽입부들은 표면 플라즈몬들을 생성하는 것과 관련되는 변형된 운동량 보존 관계들을 보여준다. 도 7a 내지 7e에서, 전계 세기들은 다양한 레이저 광 구성들과의 계면의 정면 측부를 조명함으로써 생성되었다. 플로트들의 밝고 어둡게 음영진 부분들은 각각의 높고 낮은 전계 세기들에 대응한다. 플로트들에서, 전계 세기는 금속층에서 변형들, 즉 홀들의 어레이에 대한 피크 값들의 큐빅 어레이(22)를 갖는다. 플로트들에서, 전계 세기의 다른 비교적 높은 값들은 표면 플라즈몬 제트들(24,26,28)의 일시적인 전계들과 연관된다. 제트들(24,26)의 표면 플라즈몬들은 피크들의 어레이(22)와 연관되는 변형들의 어레이(22)로부터 바깥쪽으로 전파한다. 최종 제트(28)는 금속층(도시되지 않음)의 홀들의 또 다른 어레이로부터 바깥쪽으로 전파하고 있는 표면 플라즈몬들에 의해 생성된다.
도 7a 및 7b의 비교는 입사 레이저 광의 주파수의 변화는 표면 플라즈몬 제트들의 선택적인 여기(excitation)를 가능하게 한다는 것을 보여준다. 도 7a 및 7b는 입사 방향이 동일하고 주파수들 ω와 ω'은 다른 레이저 광에 의해 여기된 표면 플라즈몬들의 제트들을 보여준다. 주파수 ω에서, 레이저 광은 운동량 Ksp (ω)의 표면 플라즈몬들을 강하게 여기시키고, 여기서 Ksp (ω)= Kx (ω)-G1 이다. 이들 표면 플라즈몬들은 도 5a의 제트(24)에 속한다. 주파수 ω에서, 레이저 광은 Kx (ω)-G1 과 같은 운동량 Ksp'(ω)을 갖는 매우 소수의 표면 플라즈몬들을 강하게 여기시킨다. 이는 도 7b에서 제트(24)를 따라 순간적인 광의 보다 낮은 세기로 보여진다. 주파수 ω'에서, 레이저 광은 운동량 K'sp (ω)의 표면 플라즈몬을 더 강하게 여기시키며, 여기에서 Ksp'(ω)= Kx (ω)-2G2 이다. 이는 도 7b의 제트(26)에서 순간적인 광의 비교적 높은 세기로 보여진다. 그러므로, 표면 플라즈몬들로의 광자들의 변환은 ω와 ω' 사이의 입사 레이저 광의 주파수를 변경함으로써 제트들(24,26) 사이에서 실질적으로 스위치될 수 있다.
도 7b 및 7c의 비교는 레이저 광의 입사각의 변화가 표면 플라즈몬 제트들의 선택적인 여기를 가능하게 한다는 것을 보여준다. 도 7b와 7d는 각각 다른 입사각들 θ와 θ' 및 동일한 주파수 ω'의 레이저 광에 의해 여기된 표면 플라즈몬들의 제트들을 보여준다. 광들의 입사각이 θ에서 θ'로 변함에 따라, 제트(26)는 제트(24)가 대략 동일한 세기로 남아 있는 동안에 턴오프된다. 광의 입사각이 주파수 변화 없이 동일한 방향에서 더 변함에 따라, 제트들(24,26)은 도 7e에 도시된 바와 같이 실질적으로 턴오프된다.
도 7b와 7c의 비교는 레이저 광의 편광(polarization)의 변화가 표면 플라즈몬 제트들(24,26)의 선택적인 여기를 가능하게 한다는 것을 보여준다. 도 7b와 7c는 동일한 주파수와 입사 방향을 갖지만 다른 편광들을 갖는 레이저 광에 의해 여기되는 표면 플라즈몬 제트들을 보여준다. 도 7b에서, 입사광의 전계는 제트(24 또는 26)에 대해 직각이 아니다. 이러한 이유로, 표면 플라즈몬들은 도 7b의 양 제트들에서 여기된다. 도 7c에서, 입사광의 전계는 제트(26)의 방향에 대해 수직이다. 도 7c에서, 제트(26)는 표면 플라즈몬들이 세로의 전자 밀도 파들(longitudinal electron density waves)이므로, 여기되지 않고, 그러므로 이들 전파 방향에 대해 수직인 전계에 의해 여기되지 않는다. 도 7b의 입사 구조에서, 입사 레이저 광의 하나의 분극만이 제트(26)의 표면 플라즈몬들, 즉 제트(26)에 평행한 편광을 여기시킨다.
도 6과 7a 내지 7e가 도시하는 바와 같이, 변형들의 일정한 어레이는 금속 유전체 계면이 표면 플라즈몬들의 제트들을 포함하는 광학-전기 및 전기-광학 신호 변환들을 행할 수 있게 한다. 표면 플라즈몬들의 생성의 방향 의존성은 광자-표면 플라즈몬 및 표면 플라즈몬-광자 변환들에 기초한 광학 라우터들의 구성을 가능하게 한다. 이러한 넌 올-광학 라우터들을 제조하는 것은 보다 단순하고 종종 저렴한 방법들이고, 여전히 광학 및 전기 신호들 사이의 변환들을 행하기 위해 필요한 회로가 없으므로 라우팅 속도들을 높일 수 있다.
도 8과 9는 표면 플라즈몬들의 제트들을 생성함으로써 주파수 선택적인 광학 라우팅을 수행하는 광학 라우터(30)를 보여준다. 광학 라우터(30)는 유전체층(32)과 유전체층(32) 상에 위치된 금속층(34)을 포함한다. 금속층(34)은 금,구리,은 또는 알루미늄과 같은 금속을 포함하고, 라우팅되는 광의 파장 표피 깊이의 1-5배 두께를 갖는다. 예시적인 유전체층들(36)은 실리카 글래스와 같은 단단한 유전체들 및 공기와 같은 연한 유전체들을 포함한다. 금속막(34)의 정면 측부는 유전체층(32)을 갖는 평면 계면(36)을 형성한다.
금속 유전체 계면(36)는 변형들(42)의 제 1, 제 2, 제 3의 일정한 어레이들(38-40)을 포함한다. 변형들(42)은 금속층(34), 유전체 기판(32) 또는 둘 다 내의 홀들, 딤플들, 곧은 비아들(vias), 범프들(bumps), 또는 곧은 융기부들일 수 있다. 예시적인 변형들(42)은 전체 금속층(34)을 횡단한다. 바람직하게는, 각각의 어레이(38-40)는 한 방향을 따라서 변형들(42)의 4개 이상의 일련의 실질적으로 동일하며 균등하게 이격된 행들을 포함한다. 이러한 어레이 크기들은 어레이들(38-40) 내부에 대략 이산 이동 대칭을 생성하여, 이에 의해 상술한 변형된 운동량 보존 관계들이 만족될 때 표면 플라즈몬들의 공명 발생을 가능하게 한다. 몇몇 어레이들(38-40)은 또한 각 행에서 4개 이사의 일련의 실질적으로 동일하며 균등하게 이격된 변형들(42)을 포함하고, 이에 의해 금속 유전체 계면(36) 상에 두 개의 독립적인 방향들로 대략의 이산 이동 대칭들을 생성한다.
몇몇 실시예들에서, 변형들(42)의 제 1, 제 2, 제 3의 일정한 어레이들(38-40)은 금속 유전체 계면(36) 상에서 동일하며 균등하게 이격된 변형들의 단일의 일정한 어레이의 부분들이다. 예시적인 일정한 어레이들은 단순 큐빅(simple cubic), bcc(body-centered cubic), 삼각형 등과 같은 격자 형태들을 갖는다.
광학 라우터(30)는 입력 광학 도파관(44), 렌즈(45), 및 불투명층(48)을 포함한다. 예시적인 입력 광학 도파관들(44)은 단일 또는 다수의 모드 광섬유들을 포함한다. 입력 광학 도파관(44)은 입력 광 신호들이 라우팅되는 금속 유전체 계면(36)의 정면 측부의 부분을 조명하기 위해 위치된다. 렌즈(45)는 입력 광이 단일 각 θ"에서 계면(36) 상에 입사되도록 입력 광학 도파관(44)으로부터 입력 광을 조준한다. 불투명층(48)은 변형들(42)의 제 1 어레이(38)에 대해 윈도우(50)를 포함한다. 윈도우는 입력 광 신호들이 제 1 어레이(38)에 표면 플라즈몬들을 생성하게 할 수 있고, 입력 광이 금속 유전체 계면 상에서 다른 어레이들(39-40)의 표면 플라즈몬들을 직접 생성하지 못하게 한다. 이러한 이유로, 입력 광 신호들만이 제 1 어레이(38)로부터 바깥쪽으로 전파하는 표면 플라즈몬들을 생성한다.
광학 라우터(30)는 또한 제 1 및 제 2 출력 광학 도파관들(52,54), 및 계면(36)의 후면측부에 위치되는 대응 삽입 렌즈들(53,55)을 포함한다. 예시적인 출력 광학 도파관들(52,54)은 단일 및 다수 모드 광섬유들을 포함한다. 렌즈(53)는 제 1 출력 광학 도파관(52)으로 어레이(39)를 통해 전파하는 표면 플라즈몬들에 의해 방사되는 광을 포커스(focus)한다. 렌즈(55)는 제 2 출력 광학 도파관(54)으로 어레이(40)를 통해 전파하는 표면 플라즈몬들에 의한 광을 포커스한다.
어레이들(39,40)은 제 1 어레이(38)에 정의된 중심에 대해 다른 각도 방향을 따라 놓인다. 이러한 이유로, 제 1 어레이(38)로부터 바깥쪽으로 전파하는 표면 플라즈몬은 기껏해야 변형들(42)의 어레이들(39,40) 중 하나를 통해 전파한다. 그러므로, 입력 광 신호들에 의해 생성된 개개의 표면 플라즈몬들은 출력 광학 도파관들(52,54) 중 하나의 출력 광 신호를 생성한다.
입력 광학 도파관(44)과 제 1 어레이(38)의 상대적인 방위는 주파수 ω1와 ω2의 입력 광이 각각 어레이(39)와 어레이(40) 쪽으로 전파하는 표면 플라즈몬들을 생성하게 한다. 금속 유전체 계면(36)과 제 1 어레이(38)에 대한 입력 광학 도파관(44)의 방위는 이렇게 생성된 표면 플라즈몬들이 상술한 변형된 운동량 보존 관계들을 만족시키는 운동량들을 갖는 것을 보장한다. 이러한 이유로, 입력 광 신호 주파수 ω1와 ω2는 각각 제 2 어레이(39)와 제 4 어레이(40) 쪽으로 전파하는 표면 플라즈몬들의 제트들을 공명하여 생성한다.
넌 올-광학 라우터(30)의 바람직한 실시예는 주파수 ω1의 입력 광만이 제 2 어레이(39) 쪽으로 전파하는 표면 플라즈몬들을 생성하게 하고, 주파수 ω2의 입력 광만이 제 3 어레이(40) 쪽으로 전파하는 표면 플라즈몬들을 생성하게 한다. 한가지 이러한 구성에서, 입력 광의 입사 평면은 제 1 어레이(38)의 상호 격자 벡터를 포함하고, 어레이들(39,40)은 도 4와 8에 도시되는 바와 같이 제 1 어레이(38)의 반대 측부들 상에 있다.
금속 유전체 계면(36)와 제 2 어레이(39)에 대한 출력 광학 도파관(52)의 상대적인 방위는 제 1 어레이(38)로부터 바깥쪽으로 전파하는 표면 플라즈몬이 제 2 어레이(39)의 광을 공명하여 방사하도록 설계된다. 더욱이, 방사된 광은 출력 광학 도파관(52) 쪽으로 향한다. 그러므로, 제 2 어레이(39)에 도달하는 표면 플라즈몬들은 변형들(42)의 일정한 제 2 어레이(39)에 대하여 앞에서 논의된 변형된 보존 관계들을 만족시키는 주파수들과 운동량들에서 효과적으로 광자들을 방사한다. 이러한 상대적인 방위는 출력 광학 도파관(52)에 주파수 ω1의 입력 광학 에너지를 효과적인 결합하는 것을 보장한다.
유사하게, 금속 유전체 계면(36)와 제 2 어레이(40)에 대한 출력 광학 도파관(54)의 상대적인 방위는 제 1 어레이(40)로부터 바깥쪽으로 전파하는 표면 플라즈몬이 제 2 어레이(40)의 광을 공명하여 방사하도록 설계된다. 더욱이, 방사된 광은 출력 광학 도파관(54) 쪽으로 향한다. 그러므로, 제 2 어레이(40)에 도달하는 표면 플라즈몬들은 변형들(42)의 일정한 제 3 어레이(40)에 대해 앞서 논의된 변형된 보존 관계들을 만족시키는 주파수들과 운동량들에서 효과적으로 광자를 방사한다. 이러한 상대적인 방위는 출력 광학 도파관(54)에 주파수 ω2의 입력 광학 에너지를 효과적으로 결합하는 것을 보장한다.
도 10은 도 8과 9의 넌 올-광학 라우터(30)로 광을 광학 라우팅하기 위한 방법(60)을 보여준다. 광학 라우터(30)는 입력 광학 도파관(44)으로부터 주파수 ω1 또는 ω2의 광학 신호를 수신하는 것에 응답하여 금속 표면 상에 표면 플라즈몬들의 제트를 생성한다(단계 62). 제트는 주파수 ω1를 갖는 입력 광학 신호에 응답하여 출력 광학 도파관(52)에 임계치 이상의(above threshold) 광학 신호를 방사한다(단계 64). 제트는 또한 다른 출력 광학 도파관(54)에 광학 신호를 방사할 수 있지만, 이러한 광학 신호는 임계치 아래의(below-threshold) 값을 갖는다. 제트는 주파수 ω2를 갖는 입력 광학 신호에 응답하여 다른 출력 광학 도파관(54)에 임계치 이상의 광학 신호를 방사한다(단계 66). 제트는 또한 출력 도파관(52)에서 또 다른 광학 신호를 생성할 수 있지만, 이러한 광학 신호는 임계치 아래의 값을 갖는다.
도 8의 광학 라우터(30)에 부가하여, 다양한 파이버 장치들(fiber-devices)이 또한 표면 플라즈몬들을 포함하는 광학-전기-광학 변환들에 기초한 주파수 선택적 광학 라우팅을 제공할 수 있다.
도 11은 표면 플라즈몬들에 기초한 주파수 선택적 광학 라우팅을 제공하는 파이버 번들(fiber bundle:70)을 보여준다. 파이버 번들(70)은 입력 광섬유(72)와 입력 광섬유(72)로부터 광을 수신하기 위한 복수의 출력 광섬유(74,76)를 포함한다. 파이버 번들(70)에서, 광학 라우팅은 파이버 번들(70)의 결합된 파이버 영역(80)의 단면(78)을 따르는 표면 플라즈몬들의 전파를 포함한다.
도 12는 도 11의 결합된 파이버 영역(80)의 단면도를 제공한다. 결합된 파이버 영역(80)에서, 인덱스 매칭 매체(index matching medium:82)는 광섬유(72,74,76)의 단부들 사이에 배치된다. 결합된 파이버 영역(80)의 단면(78)은 평탄화되고, 평면 금속 유전체 계면(84)을 생성하기 위해 금속층, 예컨대 골드층으로 코팅된다. 평면 금속 유전체 계면(84)은 동일한 변형들(86)의 어레이를 포함한다. 변형들은 단면(76)을 따르는 2차원 격자 주기성을 생성한다. 예시적인 변형들(86)은 평면 계면(84)의 두 측부들 상에 위치되는 유전체 또는 금속 내의 딤플들이다. 변형들(86)의 예시적인 어레이들은 결합된 파이버 영역(80)의 단면(78)을 평탄화한 후 마스크 제어된 에치들(mask-controlled etches)을 포함하는 공지된 방법들로 생성된다.
변형들(86)의 패턴은 입력 광섬유(72)가 평면 계면(84)을 따라 전파하는 표면 플라즈몬들을 광학적으로 여기시킬 수 있다. 특히, 미리 선택된 제 1 및 제 2 입력 주파수들의 광은 각각 제 1 출력 파이버(74)와 제 2 출력 파이버(76)에 선택적으로 전파하는 표면 플라즈몬들을 여기시킨다. 변형들(86)의 주기적인 어레이는 또한 생성된 표면 플라즈몬들이 출력 광섬유들(74,76)에 결합하는 광을 생성할 수 있게 한다. 그러므로, 이러한 표면 플라즈몬들은 광학-전기-광학 변환들을 포함하는 과정을 통해 광섬유들(72,74,76) 사이에서 주파수 선택적 광학 라우팅을 생성한다. 변환된 운동량 보존 관계들의 상기 논의로부터 당업자는 이러한 광학 라우팅에 적합한 변형들(86)의 어레이를 설계할 수 있다.
광학 라우터들의 다른 파이버 실시예들에서, 입력 및 출력 광섬유들은 평면 금속 유전체 계면에 광학적으로 측부-결합(side-couple)한다. 광섬유는 파이버들의 광학 코어들(optical cores)이 금속 유전체 계면을 광학적으로 결합시킬 수 있도록 그들의 광학 클레딩(cladding)의 부분들이 제거된 결합 영역들을 갖는다. 금속 유전체 계면은 실질적으로 동일한 변형들의 주기적인 어레이를 포함한다. 변형들의 어레이로 인해, 입력 광섬유는 선택된 입력 광학 주파수들에 대한 표면 플라즈몬들을 생성한다. 변형들의 어레이로 인해, 출력 광섬유들은 금속 유전체 계면 상의 관련된 결합 영역들을 통해 전파하는 표면 플라즈몬들에 의해 방사된 광을 수신한다.
다시, 도 8, 11-12를 참조하면, 광학 라우터들(30,70)의 몇몇 실시예들은 광학 주파수에 기초하기보다는 금속 유전체 계면(36,84)의 입사각, 입사 편광 또는 유전 상수에 기초하여 광학 신호들을 라이팅한다. 이러한 일 실시예에서, 라우터(30)는 입력 광학 도파관(44)으로부터 방출된 광의 입사각 θ"을 변경하기 위한 기계 장치를 포함한다. 이 라우터(30)에서, 입력 광은 선택된 입사각 θ"에 기초하여 제 1 및 제 2 출력 광학 도파관(52,54)에 방사하는 표면 플라즈몬들을 생성한다. 또 다른 실시예에서, 라우터(30)는 금속(34)에 접속되고 유전체 층(32) 양단에 전압을 인가하도록 구성된 가변 전압원을 포함한다. 유전체 층(32)은 인가된 전압이 그 층의 유전 상수를 변경하여 계면(36)에서 표면 플라즈몬에 대한 분산 관계를 변경시킬 수 있도록 전기광학적으로 능동이다. 이 라우터(30)에서, 입력 광은 유전체 층(32) 양단의 선택된 전압에 기초하여 제 1 또는 제 2 출력 광학 도파관(52,54)에 방사하는 표면 플라즈몬들을 생성한다. 또 다른 실시예에서, 라우터(30)는 입력 광학 도파관(44)의 단부와 렌즈(45) 사이에 위치되는 가변 광학 편광 회전기(variable optical polarization rotator)를 포함한다. 이 라우터(30)에서, 입력 광은 선택된 입사 편광(incident polarization)에 기초하여 제 1 또는 제 2 출력 광학 도파관(52,54)에 방사하는 표면 플라즈몬들을 생성한다.
본 발명은 상세한 설명, 도면들, 청구의 범위에 비추어서, 당업자에게 명백한 다른 실시예들을 포함하는 것으로 의도된다.
본 발명은 광학-전기 및 전기-광학 신호 변환을 수행하는 광학 라우터들을 제공한다.

Claims (10)

  1. 광학 라우팅(optical routing)을 수행하기 위한 장치에 있어서,
    제 1 및 제 2 측부들을 갖는 금속층;
    상기 제 1 측부를 따라 위치된 구조물들의 일정한 어레이;
    상기 제 1 측부의 부분을 조명하도록 위치된 입력 광학 도파관으로서, 상기 부분은 구조물들 중 하나에 인접하는, 상기 입력 광학 도파관; 및
    상기 입력 광학 도파관에 의해 조명되지 않은 상기 금속층의 부분들로부터 방사되는 광을 수신하도록 위치된 복수의 출력 광학 도파관들을 포함하며
    상기 입력 도파관은, 상기 입력 광학 도파관으로부터의 제 1 광의 파장이 일 방향을 따라 상기 어레이의 조명된 부분을 떠나는 표면 플라즈몬들(surface plasmons)을 생성하고 상기 입력 광학 도파관으로부터 제 2 광의 파장이 다른 방향을 따라 상기 어레이의 조명된 부분을 떠나는 표면 플라즈몬들을 생성하도록 상기 어레이에 대해 상대적인 방위를 가지고, 제 1 및 제 2 출력 도파관들은 상이한 방향들을 따라 떠난 표면 플라즈몬들로부터 방사된 광을 수신하도록 배치되는, 광학 라우팅 수행 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 어레이의 구조물들은 두 방향들을 따라 일정하게 분포되고,
    상기 출력 광학 도파관들 중 제 1 및 제 2 출력 광학 도파관은 상기 금속층의 상이한 부분들로부터 방사된 광을 수신하도록 위치되며, 상기 상이한 부분들은 일정한 어레이에 위치된 지점에 대해 서로 다른 각 위치들을 가지는, 광학 라우팅 수행 장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 제 1 측부를 따라 구조물들의 또 다른 일정한 어레이를 더 포함하고, 상기 또 다른 일정한 어레이는 표면 플라즈몬들이 상기 출력 광학 도파관들 중 한 쪽으로 광을 방사하도록 위치되는, 광학 라우팅 수행 장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 금속층의 제 1 측부와 접촉하여 실질적으로 투명한 유전체층을 더 포함하는, 광학 라우팅 수행 장치.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 유전체층의 유전상수를 변경시킬 수 있는 장치를 더 포함하는, 광학 라우팅 수행 장치.
  6. 구조물들의 어레이의 부분이 입력 광학 도파관으로부터 광학 신호를 수신하는 것에 응답하여 금속 표면 상에 표면 플라즈몬들을 생성하는 단계;
    제 1 파장을 갖는 수신된 광학 신호에 응답하여 생성된 표면 플라즈몬들로부터 제 1 출력 광학 도파관의 광학 신호를 선택적으로 생성하는 단계; 및
    제 2 파장을 갖는 수신된 광학 신호에 응답하여 생성된 표면 플라즈몬들로부터 제 2 출력 광학 도파관의 광학 신호를 선택적으로 생성하는 단계를 포함하며,
    상기 어레이는 상기 수신된 광학 신호가 상기 제 1 파장을 가지는 신호에 응답하여 일 방향을 따라 상기 부분을 떠나고 상기 제 2 파장을 가지는 신호에 응답하여 상이한 방향을 따라 상기 부분을 떠나는 표면 플라즈몬들을 생성하도록 상기 입력 광학 도파관에 대한 상대적인 방위를 가지며,
    상기 출력 도파관들은 상이한 방향들에 따라 상기 어레이의 부분을 떠나는 표면 플라즈몬들로부터 광을 수신하는, 방법.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 표면 플라즈몬들을 생성하는 단계는 상기 광학 신호로부터의 광으로 상기 금속 표면을 따라 변형들(deformations)의 일정한 어레이의 부분을 조명하는 단계를 포함하며, 상기 어레이의 변형들은 2개의 상이한 방향들을 따라 일정하게 분포되는, 방법.
  8. 제 6항에 있어서, 상기 표면 플라즈몬들을 생성하는 단계는 상기 광학 신호로부터의 광으로 상기 금속 표면을 따라 변형들의 일정한 어레이의 부분을 조명하는 단계를 포함하는, 방법.
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