KR100956750B1 - 공진형 광도파로를 이용한 광소자 및 그 작동 방법 - Google Patents

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Abstract

신호빔이 전파되는 광 전달부; 및 상기 광 전달부에 광학적으로 연결되어 상기 광 전달부로부터 도파모드 각도로 전파된 상기 신호빔이 입사되며, 상기 신호빔이 입사된 지점과 동일한 지점에 펌프빔이 입사되는 광도파로를 포함하되, 상기 신호빔의 파장과 상기 펌프빔의 파장은 서로 상이하며, 상기 펌프빔에 의하여 상기 광도파로의 도파모드 각도가 결정되는 광소자가 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 광소자 및 그 작동 방법을 사용하면, 비선형 광학재료의 굴절율 변화 자체에 의존하는 광 스위칭 동작 방식을 적용하므로 공진형 나노복합체의 우수한 비선형 광학특성은 최대로 이용하면서 이에 수반되는 흡수 손실을 감소시켜 소자응답특성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
광소자, 비선형, 도파로, 표면플라즈몬, 나노복합체

Description

공진형 광도파로를 이용한 광소자 및 그 작동 방법{OPTICAL DEVICE USING RESONANT WAVEGUIDE AND METHOD FOR OPERATING THE SAME}
본 발명은 공진형 광도파로를 이용한 광소자 및 그 작동 방법에 관한 것으로, 상세하게는 나노복합체 등과 같은 재료 고유의 광학적 비선형성 증진효과는 최대로 이용하는 한편 이에 수반되는 광 흡수손실 및 소자 성능 감소는 최소화하면서 광 변조 및 광 스위칭을 수행하도록 구성된 광소자 및 그 작동방법에 관한 것이다.
순수 광학적 수단에 의해 동작하는 광 스위칭 소자의 구현을 위해서는, 빛에 민감하게 반응하며 빛의 세기에 따른 굴절율의 변화가 큰 재료의 개발이 필수적이다. 이러한 재료로서, 3차 비선형 광학 효과 중 하나인 입사광의 세기 변화에 의해 매질의 굴절율이 변하는 비선형 굴절율 현상을 나타내는 재료가 이용될 수 있다.
특히, 공명에 의해 3차 비선형 광학 현상이 발현되는 재료 중에서, 금속 및 반도체 나노입자가 유전체 기지상내에 분산된 형태의 복합체 재료는, 각각 유전구속효과(dielectric confinement effect) 및 양자구속효과(quantum confinement effect)에 의해 발현되는 공진 특성에 기인하여 굴절율의 변화가 커 주목을 받고 있다. 또한, 이들 복합체 재료는 빛에 대한 반응속도가 빠르고 입자의 크기나 모 양, 그리고 구성 재료계의 선택에 따라 공진 파장의 조절이 용이하다.
한편, 이와 같은 재료 고유의 광학적 특성에 기반한 광 스위치 소자로는, 신호빔과 재료의 상호작용을 통한 위상 변이 효과를 이용하여 간섭계를 구성하는 마하젠더 간섭계(Mach-Zehnder Interferometer)형 스위칭 소자가 있다.
마하젠더 간섭계형 스위칭 소자는 단일 입사빔이 도파로형 분배기(splitter)에 의해 두 빔으로 나뉘어 이웃하는 광도파로를 따라 각기 다른 경로로 전파해 나간 뒤, 다시 합쳐지는 과정에서 상호 간에 존재하는 위상관계로부터 간섭효과에 의한 광신호 스위칭을 구현하는 소자이다. 즉, 결합단에서 두 빔의 위상이 일치하면 보강간섭이, 두 빔의 위상이 180도 차이가 나면 상쇄간섭이 발생하여 신호의 온/오프 제어가 가능하다.
이때, 두 빔간의 위상차는 간섭계를 구성하는 한쪽 팔(arm)의 상대적 굴절율을 변화시킴으로써 유도되는데, 그 크기는 광열(photo-thermal)반응을 포함한 재료의 비선형 광학 계수와 반응이 일어나는 도파 길이에 비례하게 된다. 스위칭에 필요한 에너지를 낮추면서 충분한 정도의 위상 변위를 얻기 위해서는 전체 반응길이를 증가시키는 것이 바람직하다.
그러나, 공진형 나노복합체를 사용하는 경우 공진 특성의 속성상 광학적 비선형성이 최고가 되는 공진 파장에서의 광 흡수가 매우 크다. 따라서 전체 도파로를 이들 재료로 구성하는 것이 곤란하다. 도파로 상의 국부적인 영역만을 나노복합체로 대체, 삽입하여 간섭계를 구성하는 방안이 있으나, 제조공정이 어렵고 이종 재료간 계면에서의 굴절율 불일치 및 계면 불균일성에 의해 신호빔의 손실이 심한 문제점이 있다.
이와 같이, 전술한 종래 기술은 소자의 동작 파장을 비선형성이 최대가 되는 공진 파장 대역에 한정함으로써, 공진형 나노복합체 재료를 광 스위치 소자에 적용하는 경우 소자 고유의 광 흡수 손실을 피하기 어렵다는 근본적 한계를 갖는다.
이를 해결하기 위한 "거대 3차 비선형 광학 재료를 이용한 도파로형 광소자 및 그 작동 방법"의 명칭을 가진 미국특허번호 제7,181,114호는, 신호빔과 펌프빔의 파장 대역을 분리하고 이종 도파로 구조를 이용한 교차변조(cross-modulation)방식의 스위칭 소자를 개시한다.
이는 마하젠더 간섭계의 도파로를 나노복합체 재료로 형성하되, 광흡수가 적은 근적외선 영역의 비공진 파장의 빛을 신호빔으로 간섭계 도파로를 따라 도파시키는 방식이다. 또한, 공진 파장의 빛에 대해 광학적으로 투명한 재료로 형성된 외부 도파로를 통해 전파되는 공진 파장 대역의 펌프빔이 간섭계의 한쪽 팔에 커플링 되게 하여, 나노복합체 재료의 굴절율 변화를 유도하고 결과적으로 신호빔의 스위칭 동작을 구현한다.
그러나, 도 1 및 도 2를 참조하면, 이 경우에도 나노복합체 자체의 광 흡수로 인한 소자의 성능 저하는 피할 수 없음을 알 수 있다. 도 1은 나노복합체 박막의 광 흡수특성을 도시한 그래프로, 금 나노입자가 1%의 부피분율로 SiO2 기지상내에 분산된 박막에 대해 측정된 결과를 도시한다. 금 나노입자의 표면 플라즈몬 공진(Surface Plasmon Resonance; SPR)에 의한 광흡수 피크는 대략 530nm 파장 정도 에서 발생하고, 장파장 쪽으로 갈수록 광 흡수가 크게 줄어든다.
그러나 표면 플라즈몬 공진 파장으로부터 멀리 떨어진 근적외선 파장 대역의 신호빔을 사용한다 하더라도, 금속 혹은 반도체 나노입자가 분산되어 있지 않은 상태의 통상의 투명 유전체 광도파로 재료와 비교할 때 여전히 수십 배 이상 높은 광 흡수도를 나타낸다.
한편 도 2는 나노복합체 박막에서 도파빔의 도파거리에 따른 세기 변화를 도시한 그래프이다. 도 2에 도시된 그래프(200, 201)는, Au:SiO2 나노복합체 박막을 금 나노입자 부피분율을 각각 1%(200) 및 5%(201)로 조절하여 3 ㎛ 두께로 저굴절율의 MgF2 기판위에 증착한 슬랩형 광도파로에 대해, 1550 nm 파장의 도파빔을 도파시킨 결과를 도시한다.
도 2에 도시되는 바와 같이, 비공진 파장인 1550 nm의 빛을 사용한다 하더라도 나노복합체 자체의 광 흡수로 인하여 도파빔의 세기가 도파 거리에 따라 급격히 감쇄됨을 알 수 있다. 금 나노입자의 부피분율이 1% 인 경우에 초기 입사빔 세기의 1/e 크기를 갖는 도파거리는 108 ㎛이고, 부피분율이 5% 인 경우에는 34 ㎛에 불과하다. 집적형 광도파로 소자의 길이가 수 mm 내지 수 cm에 달하는 점을 감안하면, 실제 소자로의 적용이 쉽지 않으며 적용할 경우 광 흡수 손실로 인한 소자의 성능저하를 피할 수 없다는 점을 알 수 있다.
나노복합체 재료에서의 광 흡수도는 분산된 나노입자의 부피분율에 선형적으로 비례하므로, 부피분율을 극히 미량으로 낮출 경우 통신 파장 대역에서 충분한 투광도를 확보하는 것이 가능하다. 그러나, 공진 파장에서의 비선형 광학 계수 또한 나노입자의 부피분율에 비례해서 감소하게 되므로 광 스위칭을 위한 에너지가 크게 증가하게 되어 바람직하지 못하다.
상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 나노복합체 재료 고유의 광학적 비선형성 증진효과는 최대로 이용하면서 이에 수반되는 광 흡수손실 및 소자 성능저하를 감소시킨 공진형 나노복합체 광도파로를 이용한 광소자 및 그 작동 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 광소자는, 신호빔이 전파되는 광 전달부; 및 상기 광 전달부에 광학적으로 연결되어 상기 광 전달부로부터 도파모드 각도로 전파된 상기 신호빔이 입사되며, 상기 신호빔이 입사된 지점과 동일한 지점에 펌프빔이 입사되는 광도파로를 포함하되, 상기 신호빔의 파장과 상기 펌프빔의 파장은 서로 상이하며, 상기 펌프빔에 의하여 상기 광도파로의 도파모드 각도가 결정되도록 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 광소자는, 신호빔 및 펌프빔이 전파되는 광 전달부; 및 상기 광 전달부에 광학적으로 연결되며, 상기 펌프빔 및 상기 광 전달부로부터 도파모드 각도로 전파된 상기 신호빔이 동일한 위치에 입사되는 광도파로를 포함하되, 상기 신호빔의 파장 및 상기 펌프빔의 파장은 서로 상이하며, 상기 펌프빔에 의하여 상기 광도파로의 도파모드 각도가 결정되도록 구성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 광소자의 작동 방법은, 전술한 바와 같이 구성된 광소자의 상기 광도파로에 도파모드 각도로 입사되기 위한 상기 신호빔을 상 기 광 전달부에 입사시키는 단계; 및 상기 광도파로에 상기 신호빔이 입사된 지점과 동일한 지점에 상기 광도파로의 도파모드 각도를 결정하는 상기 펌프빔을 입사시키는 단계를 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광소자 및 그 작동 방법을 사용하면, 비선형 광학재료의 굴절율 변화 자체에 의존하는 광 스위치 동작 방식을 적용하므로 공진형 나노복합체의 우수한 비선형 광학특성은 최대로 이용하는 한편 이에 수반되는 흡수 손실을 감소시켜 소자응답특성이 향상된 광 변조 및 광 스위칭을 수행할 수 있는 이점이 있다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 광소자를 개략적으로 도시한 종단면도이다. 도 3에 도시되는 바와 같이, 상기 실시예에 따른 광소자는 광 전달부(1, 2) 및 광도파로(3)를 포함하여 구성된다. 도 1에 도시된 실시예에서, 광 전달부는 프리즘(1) 및 커플링층(2)으로 구성된다. 프리즘(1)의 한쪽 면에는 커플링층(2)이 광학적으로 연결되며, 커플링층(2)에는 광도파로(3)가 광학적으로 연결된다.
프리즘(1)은 동작 파장에서 광학적으로 투명하여, 프리즘(1)의 일면에 입사되는 신호빔(4)이 프리즘(1) 내를 전파하도록 한다. 신호빔(4)은 광도파로(3)의 공진 파장에서 벗어나 광도파로(3)에 의한 광 흡수가 적은 파장 대역의 빛을 이용하 여 형성될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 신호빔(4)은 700 nm 내지 1800 nm 의 파장을 가지는 빛을 이용하여 형성된다.
커플링층(2)은 프리즘(1)과 광도파로(3) 사이에 광학적으로 연결되며, 신호빔(4)이 소정의 도파모드 각도에서 입사되는 경우, 신호빔(4)을 광도파로(3)에 커플링한다. 도파모드 각도 이외의 각도로 입사된 신호빔(4)은 커플링층(2)에서 전반사된다. 전반사를 위하여, 커플링층(2)은 프리즘(1)의 굴절율 및 광도파로(3)의 굴절율보다 작은 굴절율을 가지는 물질로 구성될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 커플링층(2)은 MgF2 로 구성될 수도 있다.
광도파로(3)는 커플링층(2)에 광학적으로 연결되며, 도파모드 각도로 입사되는 신호빔(4)이 커플링된다. 또한, 광도파로(3)의 신호빔(4)이 커플링되는 지점에는 펌프빔(7)이 입사되어 광도파로(3)의 굴절율을 제어한다. 펌프빔(7)에 의해 굴절율이 제어되기 위하여, 광도파로(3)는 예컨대 나노복합체 재료를 포함하여 구성될 수 있다.
나노복합체는 금속 또는 반도체 나노입자가 유전체나 반도체 기지상 내에 분산되어 구성된다. 기지상 재료로는 동작 파장 대역에서 광학적으로 투명한 재료이면 유기재료, 무기재료 및 이들의 혼합물 및 복합물 등 제한 없이 사용될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 기지상 재료는 동작 파장 대역에서 하기 수학식 1의 조건을 만족하는 재료인 것이 바람직하다.
Figure 112008022534053-pat00001
상기 수학식 1에서, a는 기지상 재료의 선형 광 흡수율이며, n은 해당 동작 파장에서의 기지상 재료의 굴절율을 나타낸다.
상기 수학식 1의 조건을 만족하는 물질로, SiO2, TiO2, ZrO2, HfO2, Al2O3, CdO, ZnO, In2O3, SnO2, Ga2O3, Y2O3, BeO, MgO, WO3, V2O3, BaTiO3 및 PbTiO3 등의 산화물, Si3N4, Al3N4 등의 질화물, InP, GaP 등의 인화물, ZnS, As2S3 등의 황화물, MgF2, CaF2, NaF, BaF2, PbF2, LiF, LaF 등의 불화물, ZnSe 등의 셀레나이드 및 이들의 혼합물로 구성된 무기재료, 폴리카보네이트(Polycarbonate) 또는 폴리메틸 메타크릴레이트(Polymethyl methacrylate;PMMA) 등의 유기재료 및 이들의 혼합물 및 복합물을 사용할 수 있다.
나노복합체 재료의 경우, 금속입자는 Au, Ag, Cu, Al, In, Sn, Pb, Sb, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ta, W 및 Pt 와 같은 전이 금속 및 이들의 합금 중에서 선택된 물질로 구성될 수 있다. 한편, 반도체 입자로는 Si, Ge, CdS, CdSe, CdTe, CuBr, AgBr, CuCl, InP, GaP, GaAs 및 InAs 등의 반도체와 이들 사이의 고용체 및 화합물 중에서 선택된 물질로 구성될 수도 있다.
또한 상기에서는 거대 3차 비선형 광학 현상을 나타내는 재료의 예로서, 펌프빔의 파장 영역에서 흡수가 생기는 금속 또는 반도체 나노입자가 유전체나 반도체 기지상에 분산된 나노 복합체 재료를 예로 들었으나, 3차 비선형 현상이 크게 일어나며, 이러한 3차 비선형 현상이 크게 일어나는 펌프빔의 파장 영역과 신호빔의 파장 영역이 다른 전이금속 산화물, 강유전체 산화물 또는 고분자 재료 등의 모든 재료에 대하여도 적용될 수 있다.
이하에서는, 도 3 내지 도 11을 참조하여 이상에서 설명한 본 발명의 제1 실시예에 따른 광소자의 동작에 대하여 설명한다.
프리즘(1) 내를 전파한 신호빔(4)은 프리즘(1)과 커플링층(2)의 계면에 도달한다. 이때, 커플링층(2)의 굴절율은 프리즘(1) 및 광도파로(3)의 굴절율보다 작으므로, 특정 임계각 이상에서 신호빔(4)은 프리즘(1)과 커플링층(2)의 계면에서 전반사를 일으킨다.
전반사된 신호빔(4)은 다시 프리즘(1)의 반대쪽 면으로 출사된다. 그러나, 도파모드 각도로 불리는 특정 입사각도에서 신호빔(4)은 커플링층(2) 내를 전파하여 광도파로(3)로 커플링된다. 광도파로(3)로 커플링된 신호빔(4)은 도파빔(6)이 되어 광도파로(3) 내에 모드 구속된다. 전술한 도파모드 각도는 광도파로(3)의 굴절율 및 두께에 의하여 결정된다. 따라서, 광도파로(3)의 굴절율이 변화하는 경우 신호빔(4)이 광도파로로 커플링되는 도파모드 각도의 값도 상이하게 된다.
한편 본 발명의 일 실시예에서 광도파로(3)는 3차 비선형 광학 효과를 나타내는 나노복합체들을 포함한다. 따라서, 나노복합체의 공진 파장에 해당하는 펌프빔(7)을 신호빔(4)이 광도파로(3)에 커플링되는 프리즘 저면 상의 동일 지점에 입사시키면, 모드 구속된 신호빔(6)이 느끼는 광도파로(3)의 굴절율 변화가 유도된 다. 그러므로 펌프빔(7)의 세기에 따라 반사도 곡선이 변화하게 되어 이를 이용한 광 변조 및 광 스위칭이 가능하게 된다.
도 4 및 도 5는 광도파로(3)의 굴절율 변화에 따른 광소자의 반사도를 입사각도(θp) 별로 이론적으로 계산하여 도시한 그래프이다. 광소자의 반사도는, 프리즘(1)과 커플링층(2)의 계면에서 전반사를 일으켜 다시 프리즘(1)에서 출사되는 신호빔(5)의 세기로 측정된다. 도 4 및 도 5에 도시되는 바와 같이, 신호빔(4)이 광도파로(3)의 도파모드 각도에 해당하여 도파빔(6)으로 커플링되는 특정 입사각도에서는, 반사도 곡선에 날카로운 딥(dip)이 형성된다.
도 4 및 도 5의 그래프는 SF10 프리즘(1), 700 nm 두께의 MgF2 커플링층(2) 및 3 ㎛ 두께의 Au(부피분율 1%):SiO2 나노복합체 광도파로(3)를 사용한 광소자의 반사도를 계산한 결과이다. 이 경우 프리즘(1)의 굴절율은 1.69, 커플링층(2)의 굴절율은 1.37에 해당한다. 예컨대 신호빔(4)의 파장이 1550 nm 인 경우 광도파로(3)의 복소 굴절율이 1.5+i0.0004 라고 가정하면, 도 4 및 도 5는 각각 광도파로(3)의 복소 굴절율의 실수부분 및 허수부분의 변화에 따른 반사도 변화를 입사각도별로 도시한다.
도 4에서 각각의 그래프(400, 401, 402, 403)는 광도파로(3)의 복소 굴절율의 실수부분의 변화가 각각 0, 0.001, 0.005 및 0.01인 경우의 그래프를 도시한다. 도시되는 바와 같이, 굴절율의 실수 부분이 변화하는 경우에는 굴절율의 변화 정도 에 따라 반사도에 딥이 형성되는 도파모드 각도가 변화한다.
한편, 도 5에서 각각의 그래프(500, 501, 502, 503)는 광도파로(3)의 복소 굴절율의 허수 부분의 변화가 각각 0, 0.001, 0.005 및 0.01인 경우의 그래프를 도시한다. 도시되는 바와 같이, 굴절율의 허수 부분이 변화하는 경우에는 도파모드 각도의 변화 없이 모드 커플링 효율 변화에 의하여 반사빔(5) 신호의 광 변조가 이루어진다.
따라서, 펌프빔(7)을 이용하여 광도파로(3)의 굴절율을 변화시키면 광도파로(3)의 도파모드 각도가 변화하여 소자 전체의 반사도가 변화하게 된다. 예컨대, 도 4 및 도 5의 그래프에서 임의의 입사각도로 신호빔(4)을 입사시키면서 굴절율을 변화시킬 경우 해당 입사각도에서 반사도는 최대 0에서 1까지 연속적으로 변화할 수 있으므로, 광 변조 및 광 스위칭이 가능해진다.
한편, 도 6은 입사각도를 고정한 경우 광도파로(3)의 굴절율 변화에 따른 반사도 변화를 신호빔(4)의 파장별로 도시한 그래프이다. 도 6에서 각각의 그래프(600, 601, 602)는 광도파로(3)의 굴절율 변화의 절대값이 각각 0, 0.001 및 0.002 인 경우를 도시한다. 도시되는 바와 같이, 입사각도가 고정되어 있을 때 광도파로(3)의 굴절율 변화에 따라 도파모드가 형성되는 파장이 이동한다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 광소자를 파장 가변형 소자 또는 파장 선택 필터소자 등으로 이용하는 것도 가능하다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 광소자에서 펌프빔(7)의 세기를 변화시 켜 가면서 광소자의 반사도 변화를 측정한 실험 결과를 도시한 그래프이다. 특히 신호빔(4)의 도파모드 중 TE0 모드의 반사도 곡선 변화가 도시되었다.
실험에 사용된 광소자는 SF10 프리즘(1), 700 nm 두께의 MgF2 커플링층(2) 및 3 ㎛ 두께의 Au(부피분율 1%):SiO2 나노복합체 광도파로(3)를 포함하여 구성되었다. 펌프빔(7)으로는 Au 나노입자의 표면 플라즈몬 공진 파장 대역에 해당하는 532 nm 파장의 고출력 연속파(Continuous Wave; CW) 레이저를 사용하였으며, 신호빔(4)으로는 1550 nm 파장의 CW 레이저를 사용하였다.
도 7에서 각각의 그래프(700, 701, 702, 703)는 펌프빔(7)의 세기가 0, 20, 60 및 120 mW인 경우의 반사도 곡선을 도시한다. 도시되는 바와 같이 펌프빔(7)의 세기 증가에 따라 반사도 곡선 모양은 큰 변화없이 도파모드 각도만 낮은 각도쪽으로 점진적으로 이동한다. 펌프빔(7)이 오프된 상태인 그래프(700)의 초기 딥 위치를 기준으로 하면, 펌프빔(7)의 세기 변화에 따라 반사도가 변화하여, 펌프빔(7)의 세기가 120 mW인 그래프(703)에서는 완전한 신호 변조가 이루어짐을 알 수 있다.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 광소자에서 펌프빔(7)의 온/오프에 따른 반사 광신호(5)의 시간 반응 특성을 보여준다. 펌프빔(7) 조사시 출사 신호빔(5)의 세기는 초기에 급격한 증가를 보이다가 이후 점차 포화되어 특정한 값으로 유지되며, 펌프빔(7) 오프시에는 급격히 감소한다. 한편, CW 펌프빔(7)에 대한 스위칭 동작은 공진 흡수에 따른 열광학 효과에도 기인한다.
도 9는 본 발명의 제1 실시예에 따른 광소자에 대해 5 ns의 펄스폭을 갖는 단일 펄스의 펌프빔(7)을 조사한 결과를 도시한 그래프이다. 펌프빔(7)으로는 532 nm 파장의 고출력 큐스위치(Q-switched) Nd:YAG 레이저가 이용되었다. 이때, 펌프빔(7)의 에너지는 1.2 mJ로, 신호빔(4)이 광도파로(3)에 커플링되는 지점에 렌즈 집속된 펌프빔(7)의 세기는 6.79 MW/cm2 정도의 값을 갖는다.
도파모드 중 TE0 모드에 대해 단일 펌프 펄스빔(7)이 조사되었을 때, 반사 신호빔(5) 세기는 초기 급격한 증가를 보이고 펄스의 소멸과 함께 급락 후 다소 완만한 열적 완화거동을 거쳐 초기상태로 되돌아온다. 전술한 6.79 MW/cm2 정도의 세기의 펌프빔(7)을 사용하는 경우, 금속 나노복합체 재료에서 발현되는 3차 비선형 광학 특성은 전자적 비선형성과 열적 비선형성이 함께 공존하며, 특히 열적 비선형성의 기여도가 높다. 따라서, 열적 완화 과정을 원활하게 하는 재료계나 소자구조를 채용할 경우 응답특성을 개선할 수 있다.
일반적으로 열적 완화과정을 원활케 하는 방법으로는 열전도도가 높은 물질을 프리즘(1), 커플링층(2), 또는 광도파로(3)에 포함된 나노복합체의 기지상 재료 중 하나 이상에 사용하는 것이 바람직하다. 본 발명의 일 실시예에서는, 열 전도 특성이 우수한 금속물질로 커플링층(2)을 형성한다.
커플링층(2)을 구성하는 금속 물질로는 광학적 특성이 드루드(Drude) 자유전자 모델의 지배를 받고 복소 굴절율의 실수항이 프리즘(1) 또는 광도파로(3)의 굴절율 보다 작은 금속을 사용할 수 있다. 바람직하게는, 물질 자체의 흡수율이 무시할 정도로 낮고 복소 굴절율의 실수항이 1보다 작아 도파빔(4)의 모드 구속 효과를 높일 수 있는 Ag, Au 및 Cu 등의 귀금속과 이들 원소들을 주성분으로 하는 합금이 커플링층(2)에 사용될 수 있다.
또한, 표면 플라즈마 주파수 이하에서 금속 특성을 나타내는 ITO(indium-tin-oxide)와 같은 투명 도전 산화물 등도 커플링층(2)으로 이용 가능하다. 본 발명의 일 실시예에서는, 신호빔(4)의 도파모드로의 광 커플링이 용이하도록 커플링층(2)의 두께를 표면 깊이(skin depth)이하로 얇게 조절할 수도 있다.
도 10의 그래프(100, 101)는 MgF2 로 구성된 커플링층(2) 및 Au 로 구성된 커플링층(2)을 사용한 경우의 광신호 응답을 각각 도시한다. 도시되는 바와 같이 Au 로 구성된 커플링층(2)을 사용하는 경우의 그래프(101)는 MgF2 로 구성된 커플링층(2)을 사용하는 경우의 그래프(100)에 비하여 광신호 응답의 상승 시간 및 하강 시간이 모두 감소되는 것을 알 수 있다.
커플링층(2)으로 Au 를 사용하는 경우 MgF2 를 사용하는 경우에 비해 작은 굴절계수를 갖게 된다. 또한, 광도파로(3)의 모드 구속효과가 크게 증진되어 나노복합체의 두께를 낮출 수 있어 부수적으로 질량 감소에 의해 나노복합체 재료 자체의 열 축적효과를 저감할 수 있는 이점이 있다. 아울러, S파 조건의 TE 모드에 비해 P파 조건의 TM 모드를 이용할 경우에는 Au 로 구성된 커플링층(2)과 광도파로(3)의 나노복합체 사이의 계면에서 여기되는 표면 플라즈몬 폴라리톤(surface plasmon polariton)으로 인해 커플링 효율이 증진된다.
도 11은 열적 비선형성이 아닌 순수 전자적 3차 비선형성에 의한 광 스위치 동작을 확인하기 위해 30 ps의 펄스폭을 갖는 단일 펄스 펌프빔(7)을 입사시킨 경우 신호빔(4)의 TE0 모드에 대한 광신호 응답을 도시한 그래프이다. 펌프빔(7)은 532 nm 파장의 Nd:YAG 레이저를 이용하여 0.47 GW/cm2의 세기를 갖도록 형성되었으며, 신호빔(4)의 파장은 1550 nm 이다.
도시되는 바와 같이, 표면 플라즈몬 공진 파장에 해당하는 532 nm 파장의 펌프빔(7)과 1550 nm 파장의 신호빔(4)간의 교차변조 방식에 의한 광 스위칭 동작이 수행되었다. 도 11의 그래프는 본 발명의 일 실시예에 따른 광소자에 의하여 높은 비선형 광학계수와 빠른 응답속도를 동시에 획득할 수 있음을 보여준다.
도 12는 본 발명의 제2 실시예에 따른 광소자를 개략적으로 도시한 종단면도이다. 도 12를 참조하면, 상기 실시예에 따른 광소자는 광 전달부(1, 2, 8, 9) 및 광도파로(3)를 포함하여 구성되며, 광 전달부는 프리즘(1), 인덱스 매칭 오일층(9), 기판(8) 및 커플링층(2)을 포함하여 구성된다.
프리즘(1)의 저면에 직접 광도파로(3)가 형성된 제1 실시예와 달리, 제2 실시예에서는 실리카 유리 등 광학적으로 투명한 물질로 구성된 기판(8)을 사용한다. 기판(8)의 저면에는 커플링층(2)이 광학적으로 연결되며 기판(8)의 상면에는 인덱스 매칭 오일층(9)이 위치한다. 기판(8)은 인덱스 매칭 오일층(9)을 이용하여 프리즘(1)과 결합된다.
이와 같이 구성된 본 발명의 제2 실시예에 따른 광소자의 동작은 전술한 제1 실시예에 따른 광소자와 동일하다. 다만, 프리즘(1) 저면에 직접 광도파로(3)를 형성시키지 않고 평판형 기판(8)을 사용한 증착공정을 이용할 수 있어, 막질의 개선을 위한 공정제어가 용이한 이점이 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 기판(8)의 굴절율은 프리즘(1)의 굴절율과 같거나 큰 것이 바람직하다. 또한, 인덱스 매칭 오일층(9)의 굴절율은 프리즘(1) 또는 기판(8)의 굴절율과 같거나 또는 프리즘(1)의 굴절율과 기판(8)의 굴절율 사이의 값을 갖는 것이 바람직하다. 기판(8)의 재료로는 신호빔(4)의 파장에 대해 광학적으로 투명한 재료이면 유기물 또는 무기물의 제한 없이 모두 사용가능하다.
도 13은 본 발명의 제3 실시예에 따른 광소자를 개략적으로 도시한 종단면도이다. 도 13을 참조하면, 상기 실시예에서 광 전달부(10, 2)는 전술한 제1 실시예와 동일하게 프리즘(10) 및 커플링층(2)으로 구성된다.
다만, 제3 실시예에서 프리즘(10)은, 신호빔(4)과 펌프빔(7)이 이루는 평면 상에 위치한 절단면이 반구 형상인 실린더형 프리즘(10)으로 구성된다. 상기 실시예와 같이 실린더형 프리즘(10)을 사용할 경우, 외부로부터 반구면에 수직한 방향으로 프리즘(1)에 입사되는 신호빔(4)이 프리즘(10)과의 계면을 통과하는 과정에서 광 경로가 굴절되지 않는다.
따라서, 도파모드를 형성시키기 위해 신호빔(4)의 프리즘(10) 입사각도를 변화시키는 과정 중에 신호빔(4)이 프리즘(10)과 커플링층(2) 사이의 계면에 도달하는 위치가 변화하지 않는다. 그러므로 펌프빔(7)을 광도파로(3)상에 신호빔(4)이 커플링되는 지점에 정렬하여 입사시키는 것이 용이하며, 신호빔(4)의 프리즘(10) 입사각도를 변화시키더라도 신호빔(4) 및 펌프빔(7)의 입사 위치의 정렬이 유지될 수 있는 이점이 있다.
도 14는 본 발명의 제4 실시예에 따른 광소자를 개략적으로 도시한 종단면도이다. 도 14를 참조하면, 상기 실시예에서 광 전달부(11, 2)는 전술한 제1 실시예와 동일하게 프리즘(11) 및 커플링층(2)으로 구성된다.
다만, 제4 실시예에서 프리즘(11)은 사다리꼴 형태의 종단면을 갖는다. 사다리꼴 형태의 프리즘(11)의 제1 면, 즉, 저면은 커플링층(2)에 광학적으로 연결되며, 프리즘(11)의 제2 면, 즉, 상면은 저면과 평행하며 저면과 이격하여 형성된다.펌프빔(7)은 프리즘(11)의 상면으로 입사되며, 사다리꼴 형태의 프리즘(11)을 통과하여, 프리즘(11)의 저면에 연결된 커플링층(2)에 도달한다.
상기 실시예와 같이 구성하면, 펌프빔(7)이 프리즘(11)의 저면으로 도달하는 과정에서 제1 실시예에서와 같이 광도파로(3)의 구성물질에 의한 광흡수로 인해 세기가 약해지는 것을 방지할 수 있다. 또한, 펌프빔(7)의 광 흡수를 유발하는 장애 요인이 없을 경우 입사점의 관찰이 용이해지므로 신호빔(4)과 펌프빔(7)의 입사 위치의 정렬이 용이해지는 이점이 있다.
도 15는 본 발명의 제5 실시예에 따른 광소자를 개략적으로 도시한 종단면도이다. 제5 실시예에 따른 광소자는 전술한 제4 실시예에 따른 광소자와 기본적으로 유사하나, 광원부(12)가 접합층(13)을 통하여 프리즘(11)의 상면에 광학적으로 연결되는 점에서 차이가 있다.
광원부(12)는 공진 파장 대역 광원으로 사용되며, 수직발광된 펌프빔(14)을 프리즘(11) 내로 조사한다. 상기 실시예와 같이 광원부(12)를 프리즘(11)과 집적화할 경우, 전체 소자 구성을 단순화시킬 수 있는 이점이 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 광원부(12)는 복수 개의 광원의 어레이(array)로 구성될 수 있으며, 광원부(12)로부터 출력된 어레이된 펌프빔(14)을 이용할 경우 신호빔(4)과 펌프빔(14) 사이의 공간상 정렬 오차 허용범위가 증대되는 이점이 있다.
이상에서 살펴본 본 발명의 제1 내지 제5 실시예에 따른 광소자는 신호빔을 프리즘 및 커플링층을 사용하여 광도파로에 커플링하는 구성을 개시하였다. 그러나 이는 예시적인 것으로서, 본 발명의 다른 실시예에서는 광 전달부로 프리즘과 커플링층 대신 표면 격자(grating)를 사용하여 신호빔을 광도파로의 표면에 커플링시켜 특정 도파모드 빔으로 변환하는 것도 가능하다.
또한, 전술한 제1 내지 제5 실시예에서는 프리즘을 사용하므로, 프리즘 저면의 프리즘과 커플링층의 계면에서 전반사되는 신호빔을 이용하여 소자를 동작하였다. 그러나 본 발명의 일 실시예에서는, 신호빔이 광도파로를 투과하도록 하기 위해 한쪽 면에 광 전달부가 연결된 광도파로의 다른쪽 면에 표면 격자를 광학적으로 연결할 수도 있다.
예컨대, 도 1에 도시된 본 발명의 제1 실시예에 이를 적용할 경우, 프리 즘(1)과 연결되지 않은 광도파로(3)의 저면에 표면 격자를 연결할 수 있다. 이 경우 광 전달부로부터 광도파로에 입사된 신호빔은 광도파로를 투과하여 표면 격자를 통해 출사되며, 광도파로를 투과하는 신호빔의 세기가 펌프빔에 의해 제어된다.
이상에서 살펴본 본 발명의 실시예들에 따른 광소자는, 신호빔 사이의 상대적 위상차를 이용한 간섭계형 스위치 소자와 달리 비선형 광학 소재의 굴절율 변화에 직접 반응하는 도파모드 커플링 특성을 이용한 소자이다. 따라서, 신호빔이 위상변화를 위해 도파로 내를 전파해 나갈 필요가 없이, 도파로의 두께방향으로의 횡파성분이 도파모드만 형성할 수 있다면 동작이 가능하다.
따라서, 이상에서 살펴본 본 발명의 실시예들에 따른 광소자 및 그 작동 방법을 사용하면, 비선형 광학재료의 굴절율 변화 자체에 의존하는 광 스위치 동작 방식을 적용하므로 공진형 나노복합체의 우수한 비선형 광학특성은 최대로 이용하면서 이에 수반되는 흡수 손실을 감소시켜 소자응답특성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다. 또한 소자의 구성이 단순화되고, 소자의 민감도를 향상시켜 동작시킬 수 있는 이점이 있다.
이상에서 살펴본 본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러나, 이와 같은 변형은 본 발명의 기술적 보호범위 내에 있다고 보아야 한다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.
도 1은 나노복합체 박막의 광 흡수 스펙트럼을 도시한 그래프.
도 2는 나노복합체 박막 내의 도파 거리에 따른 도파빔의 세기 변화를 도시한 그래프.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 광소자를 개략적으로 도시한 종단면도.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 광소자에서 광도파로의 굴절율 변화에 따른 신호빔의 입사각 대비 반사도 곡선을 도시한 그래프.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 광소자에서 광도파로의 굴절율 변화에 따른 신호빔의 입사각 대비 반사도 곡선을 도시한 또 다른 그래프.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 광소자에서 광도파로의 굴절율 변화에 따른 신호빔의 파장 대비 반사도 곡선을 도시한 그래프.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 광소자에서 펌프빔의 세기에 따른 신호빔의 입사각 대비 반사도 곡선을 도시한 그래프.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 광소자에서 펌프빔의 점멸에 따른 광소자의 시간응답특성을 도시한 그래프.
도 9는 본 발명의 제1 실시예에 따른 광소자에 단일 펄스 펌프빔을 조사할 경우의 응답특성을 도시한 그래프.
도 10은 상이한 물질로 구성된 커플링층을 사용할 경우 본 발명의 제1 실시예에 따른 광소자의 응답특성을 도시한 그래프.
도 11은 본 발명의 제1 실시예에 따른 광소자에 단일 펄스 펌프빔을 조사할 경우의 응답특성을 도시한 또 다른 그래프.
도 12는 본 발명의 제2 실시예에 따른 광소자를 개략적으로 도시한 종단면도.
도 13은 본 발명의 제3 실시예에 따른 광소자를 개략적으로 도시한 종단면도.
도 14는 본 발명의 제4 실시예에 따른 광소자를 개략적으로 도시한 종단면도.
도 15는 본 발명의 제5 실시예에 따른 광소자를 개략적으로 도시한 종단면도.

Claims (18)

  1. 신호빔이 전파되는 광 전달부; 및
    상기 광 전달부에 광학적으로 연결되어 상기 광 전달부로부터 도파모드 각도로 전파된 상기 신호빔이 입사되며, 상기 신호빔이 입사된 지점과 동일한 지점에 펌프빔이 입사되는 광도파로를 포함하되,
    상기 신호빔의 파장과 상기 펌프빔의 파장은 서로 상이하며,
    상기 펌프빔에 의하여 상기 광도파로의 도파모드 각도가 결정되는 것을 특징으로 하는 광소자.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 광 전달부는,
    상기 신호빔이 입사되어 전파되는 프리즘; 및
    상기 프리즘에 광학적으로 연결되어, 도파모드 각도로 전파된 상기 신호빔을 상기 광도파로에 커플링하는 커플링층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광소자.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 프리즘 및 상기 커플링층 사이에 위치하며 광학적으로 투명한 기판; 및
    상기 기판 및 상기 프리즘 사이에 위치하며 상기 기판과 상기 프리즘을 접합하는 인덱스 매칭 오일층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광소자.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 신호빔 및 상기 펌프빔을 포함하는 평면 방향을 따른 상기 프리즘의 단면은 반구 형상인 것을 특징으로 하는 광소자.
  5. 신호빔 및 펌프빔이 전파되는 광 전달부; 및
    상기 광 전달부에 광학적으로 연결되며, 상기 펌프빔 및 상기 광 전달부로부터 도파모드 각도로 전파된 상기 신호빔이 동일한 위치에 입사되는 광도파로를 포함하되,
    상기 신호빔의 파장 및 상기 펌프빔의 파장은 서로 상이하며,
    상기 펌프빔에 의하여 상기 광도파로의 도파모드 각도가 결정되는 것을 특징으로 하는 광소자.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 광 전달부는,
    상기 펌프빔이 입사되는 제1 면 및 상기 제1 면과 평행하며 상기 제1 면과 이격하여 위치하는 제2 면을 포함하는 프리즘; 및
    상기 프리즘의 상기 제2 면에 광학적으로 연결되며, 상기 펌프빔 및 상기 프리즘으로부터 도파모드 각도로 전파된 상기 신호빔을 상기 광도파로에 커플링하는 커플링층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광소자.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 광 전달부는,
    상기 프리즘의 상기 제1 면에 광학적으로 연결된 접합층; 및
    상기 접합층에 광학적으로 연결되어, 상기 펌프빔을 상기 프리즘에 입사하는 광원부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광소자.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 광원부는, 어레이(array) 형태로 배열된 복수 개의 광원을 포함하는 것을 특징으로 하는 광소자.
  9. 제 1항 또는 제 5항에 있어서,
    상기 광 전달부는, 상기 광도파로에 광학적으로 연결된 표면 격자를 포함하는 것을 특징으로 하는 광소자.
  10. 제 1항 또는 제 5항에 있어서,
    상기 광 전달부는 상기 광도파로의 한쪽 면에 연결되며,
    상기 광도파로의 다른쪽 면에 광학적으로 연결되어, 상기 광도파로에 입사된 상기 신호빔을 출사시키는 표면 격자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광소자.
  11. 제 1항 또는 제 5항에 있어서,
    상기 광도파로는, 금속 나노입자 또는 반도체 나노입자가 광학적으로 투명한 기지상 재료내에 분산되어 형성된 나노복합체를 포함하는 것을 특징으로 하는 광소자.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 금속 나노입자는, 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 상기 물질의 합금으로 이루어진 군 중에서 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 광소자.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 반도체 나노입자는, Si, Ge, CdS, CdSe, CdTe, CuBr, AgBr, CuCl, InP, GaP, GaAs, InAs 및 상기 물질들 사이의 고용체 및 화합물로 이루어진 군 중에서 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 광소자.
  14. 제 11항에 있어서,
    상기 투명 기지상 재료는, SiO2, TiO2, ZrO2, HfO2, Al2O3, CdO, ZnO, In2O3, SnO2, Ga2O3, Y2O3, BeO, MgO, WO3, V2O3, BaTiO3 및 PbTiO3 를 포함하는 산화물; Si3N4 및 Al3N4 를 포함하는 질화물; InP 및 GaP 를 포함하는 인화물; ZnS 및 As2S3 를 포 함하는 황화물; MgF2, CaF2, NaF, BaF2, PbF2, LiF 및 LaF 를 포함하는 불화물; ZnSe 를 포함하는 셀레나이드; 상기 산화물, 질화물, 인화물, 황화물, 불화물 및 셀레나이드 중 하나 이상의 혼합물을 포함하는 무기재료; 폴리카보네이트(Polycarbonate) 및 폴리메틸 메타크릴레이트(Polymethyl methacrylate;PMMA)를 포함하는 유기재료; 상기 유기재료의 혼합물; 및 상기 유기재료의 복합물로 이루어진 군 중에서 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 광소자.
  15. 제 2항 또는 제 6항에 있어서,
    상기 커플링층의 복소 굴절율의 실수항이 상기 프리즘의 굴절율 및 상기 광도파로의 굴절율보다 작은 것을 특징으로 하는 광소자.
  16. 제 2항 또는 제 6항에 있어서,
    상기 커플링층은 MgF2 를 포함하는 것을 특징으로 하는 광소자.
  17. 제 2항 또는 제 6항에 있어서,
    상기 커플링층은 Au, Ag 및 Cu 를 포함하는 금속 및 상기 금속을 포함하는 합금을 포함하는 것을 특징으로 하는 광소자.
  18. 제 1항 또는 제 5항에 따른 광소자의 작동 방법에 있어서,
    상기 광도파로에 도파모드 각도로 입사되기 위한 상기 신호빔을 상기 광 전달부에 입사시키는 단계; 및
    상기 광도파로에 상기 신호빔이 입사된 지점과 동일한 지점에 상기 광도파로의 도파모드 각도를 결정하는 상기 펌프빔을 입사시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광소자의 작동 방법.
KR1020080028816A 2008-03-28 2008-03-28 공진형 광도파로를 이용한 광소자 및 그 작동 방법 KR100956750B1 (ko)

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