KR101211757B1 - Ｓｐｐ 신호 스위치 소자 - Google Patents

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KR101211757B1
KR101211757B1 KR1020110145595A KR20110145595A KR101211757B1 KR 101211757 B1 KR101211757 B1 KR 101211757B1 KR 1020110145595 A KR1020110145595 A KR 1020110145595A KR 20110145595 A KR20110145595 A KR 20110145595A KR 101211757 B1 KR101211757 B1 KR 101211757B1
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이명현
박해령
박종문
손정한
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성균관대학교산학협력단
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Abstract

본 발명에 따른 IMI-IMI 신호 스위치 소자는 제1 금속층(111), 제1 금속층(111) 중 하나의 면 측에 배치되는 유전체층, 하나의 면의 이면 측에 배치되는 유전체층으로 구성된 IMI 구조를 갖는 제1 금속 도파로부(110), 제1 금속층(131), 제1 금속층(131) 중 하나의 면 측에 배치되는 유전체층, 하나의 면의 이면 측에 배치되는 유전체층으로 구성된 IMI 구조를 갖는 제2 금속 도파로부(130) 및 제1 면이 제1 금속 도파로부(110)와 접촉하고, 제 2면이 제2 금속 도파로부(130)와 접촉하며, 제1 금속 도파로부(110)로부터 제2 금속 도파로부(130)로 진행되는 SPP 신호를 제어하는 편광판부(120)를 포함한다. 제1 금속 도파로부(110)의 제1 금속층(111)과 제2 금속 도파로부(130)의 제1 금속층(131)은 편광판부(120)를 사이에 두고 연장된 형태와 같이 배치된다.

Description

ＳＰＰ 신호 스위치 소자{SWITCH APPARATUS FOR SPP SIGNAL}
본 발명은 표면 플라즈몬 폴라리톤(SPP) 신호의 진행을 제어하는 소자에 관한 것이다. 특히 본 발명은 다양한 광도파로에서 SPP 신호를 제어하는 나노 크기의 스위치 소자에 관한 것이다.
최근 실험적으로 금속과 유전체의 경계에서 특정 조건을 만족하는 경우, 광파가 금속 표면의 자유전자들과 상호 작용하여 공진을 일으키는 결과가 확인되었다.
이러한 공진은 금속 외부의 전자기파와 금속의 자유전자 간의 공진에 해당하는 것이다. 이러한 결과로 생성되는 것이 물결 파가 표면을 따라 진행하는 것과 같은 형태와 유사한 고밀도 전자의 진행파인 표면 플라즈몬(Surface Plasmon)이다.
표면 플라즈몬(SP: Surface Plasmon) 또는 표면 플라즈몬 폴라리톤(SPP: Surface Plasmon Polariton)은 금속과 유전체의 경계면에서 빛 또는 광자가 플라즈마와 결합된 형태로 표면을 따라 진행하는 것을 말한다.
금속과 유전체의 경계면에 TM 편광(Transverse Magnetic Polarization)으로 입사하는 광파가 적절한 방법에 의해 위상정합 조건을 만족시킬 수 있게 되면, 금속 표면에 전자의 집단적인 움직임, 즉 플라즈마를 만들어 내고 이 결합은 금속과 유전체의 경계면 상의 근접장을 만들어 낸다.
이러한 표면 플라즈몬 파는 기본적으로 수 나노에서 수십 ㎛ 이상이 되게 만들 수 있으며, 세기가 강한 국소 근접장의 성질 및 특유의 분산 현상과 공명 현상(Surface Plasmon Resonance)을 가진다.
이러한 표면 플라즈몬 파를 구속, 전파시키기 위한 도파로(Waveguide)를 만들고, 이를 변조할 뿐 아니라, 플라즈몬 소스(Source)와 송,수신소자, 분배기, 결합기, 반사격자, 필터 등을 연구하는 분야를 표면 플라즈모닉스(Plasmonics)라고 한다.
이와 같은 표면 플라즈몬 폴라리톤(SPP)을 이용하는 새로운 범주의 소자에 대한 연구가 최근 많은 그룹에서 진행 중에 있으며, 유수의 저널에 수시로 게재되고 있는 실정이다. 이와 같은 연구를 바탕으로, 전자기파를 아주 작은 구조에 집속하여 전달할 수 있는 표면 플라즈모닉스 기술은 반파장의 한계를 극복한 초미세 나노 리소그래피 기술뿐만 아니라, 초고속 컴퓨터 칩이나 초고감도 센싱 기술의 혁명을 가져올 것으로 기대된다.
나노 표면 플라즈모닉 광집적회로는 전기회로와 마찬가지로 다양한 소자가 필요하다. LRSPP 도파로(IMI 도파로의 s0 모드)를 이용한 변조기, 방향성 결합기, 브래그 필터등 다양한 신호처리기는 이미 다양한 연구 기관에서 구현하여 데모하였으나, 크기가 수십 μm에서 수 mm로 크기 때문에, 나노 표면 플라즈모닉 광집적회로에 사용하기에는 적합하지 않다는 문제점이 있었다.
본 발명에 따른 SPP 신호 스위치 소자는 다음과 같은 해결과제를 목적으로 한다.
첫째, 나노 표면 플라즈모닉 광집적회로에 사용 가능한 나노 크기의 SPP 신호 스위치 소자를 제공하고자 한다.
둘째, IMI-IMI 광도파로에서 진행되는 SPP 신호를 제어하는 스위치 소자를 제공하고자 한다.
셋째, IMIMI-IMIMI 광도파로에서 진행되는 SPP 신호를 제어하는 스위치 소자를 제공하고자 한다.
넷째, IMIMI-MIM 광도파로에서 진행되는 SPP 신호를 제어하는 스위치 소자를 제공하고자 한다.
본 발명의 해결과제는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 SPP 신호 스위치 소자는 제1 금속층, 제1 금속층 중 하나의 면 측에 배치되는 유전체층, 하나의 면의 이면 측에 배치되는 유전체층으로 구성된 IMI 구조를 갖는 제1 금속 도파로부; 제1 금속층, 제1 금속층 중 하나의 면 측에 배치되는 유전체층, 하나의 면의 이면 측에 배치되는 유전체층으로 구성된 IMI 구조를 갖는 제2 금속 도파로부; 제1 면이 제1 금속 도파로부와 접촉하고, 제 2면이 제2 금속 도파로부와 접촉하며, 제1 금속 도파로부로부터 제2 금속 도파로부로 진행되는 SPP 신호를 제어하는 편광판부를 포함하되, 제2 금속 도파로부의 제1 금속층은 제1 금속 도파로부의 제1 금속층과 같은 진행방향이면서, 제2 금속 도파로부의 제1 금속층의 면은 제1 금속 도파로부의 제1 금속층의 면과 수평인 것을 특징으로 한다.
편광판부는 액정(lquid crystal), 비선형광학 폴리머 또는 전기광학 폴리머 중 하나 이상의 소재를 조합하여 구성되며, 편광상태의 변화를 통해 SPP 신호를 제어하는 것을 특징으로 하는 SPP 신호 스위치 소자.
본 발명의 다른 실시예에 따른 SPP 신호 스위치 소자는 제1 금속층, 제1 금속층과 이격 배치되는 제2 금속층, 제1 금속층과 제2 금속층 간의 이격된 내측 공간에 배치되는 유전체층, 제1 금속층의 외측에 배치되는 유전체층 및 제2 금속층의 외측에 배치되는 유전체층으로 구성된 IMIMI 구조를 갖는 제1 금속 도파로부; 제1 금속층, 제1 금속층과 이격 배치되는 제2 금속층, 제1 금속층과 제2 금속층 간의 이격된 내측 공간에 배치되는 유전체층, 제1 금속층의 외측에 배치되는 유전체층 및 제2 금속층의 외측에 배치되는 유전체층으로 구성된 IMIMI 구조를 갖는 제2 금속 도파로부; 제1 면이 제1 금속 도파로부와 접촉하고, 제 2면이 제2 금속 도파로부와 접촉하며, 제1 금속 도파로부로부터 제2 금속 도파로부로 진행되는 SPP 신호를 제어하는 편광판부를 포함하되, 제2 금속 도파로부의 제1 금속층 또는 제2 금속층은 제1 금속 도파로부의 제1 금속층 또는 제2 금속층과 같은 진행방향이면서, 제2 금속 도파로부의 제1 금속층 또는 제2 금속층의 면은 제1 금속 도파로부의 제1 금속층 또는 제2 금속층의 면과 수평인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 SPP 신호 스위치 소자는 제1 금속층, 제1 금속층과 이격 배치되는 제2 금속층, 제1 금속층과 제2 금속층 간의 이격된 내측 공간에 배치되는 유전체층, 제1 금속층의 외측에 배치되는 유전체층 및 제2 금속층의 외측에 배치되는 유전체층으로 구성된 IMIMI 구조를 갖는 제1 금속 도파로부; 제1 금속층, 제1 금속층과 이격 배치되는 제2 금속층 및 제1 금속층과 제2 금속층 간의 이격된 공간에 배치되는 유전체층으로 구성된 MIM 구조를 갖는 제2 금속 도파로부; 제1 면이 제1 금속 도파로부와 접촉하고, 제 2면이 제2 금속 도파로부와 접촉하며, 제1 금속 도파로부로부터 제2 금속 도파로부로 진행되는 SPP 신호를 제어하는 편광판부를 포함하되, 제2 금속 도파로부의 제1 금속층 또는 제2 금속층은 제1 금속 도파로부의 제1 금속층 또는 제 2금속층과 같은 진행방향이면서, 제2 금속 도파로부의 제1 금속층 또는 제2 금속층의 면은 제1 금속 도파로부의 제1 금속층 또는 제2 금속층의 면과 서로 수직인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 SPP 신호 스위치 소자는 제1 금속층, 제1 금속층과 이격 배치되는 제2 금속층, 제1 금속층과 제2 금속층 간의 이격된 내측 공간에 배치되는 유전체층, 제1 금속층의 외측에 배치되는 유전체층 및 제2 금속층의 외측에 배치되는 유전체층으로 구성된 IMIMI 구조를 갖는 제1 금속 도파로부; 제1 금속층, 제1 금속층과 이격 배치되는 제2 금속층 및 제1 금속층과 제2 금속층 간의 이격된 공간에 배치되는 유전체층으로 구성된 MIM 구조를 갖는 제2 금속 도파로부; 제1 면이 제1 금속 도파로부와 접촉하고, 제 2면이 제2 금속 도파로부와 접촉하며, 제1 금속 도파로부로부터 제2 금속 도파로부로 진행되는 SPP 신호를 제어하는 편광판부를 포함하되, 제2 금속 도파로부의 제1 금속층 또는 제2 금속층은 제1 금속 도파로부의 제1 금속층 또는 제2 금속층과 같은 진행방향이면서, 제2 금속 도파로부의 제1 금속층 또는 제2 금속층의 면은 제1 금속 도파로부의 제1 금속층 또는 제2 금속층의 면과 수평인 것을 특징으로 한다.
편광판부는 액정(lquid crystal), 비선형광학 폴리머 또는 전기광학 폴리머 중 하나 이상의 소재를 조합하여 구성되며, 편광상태의 변화를 통해 SPP 신호를 제어하는 것을 특징으로 한다.
편광판부에 기준 전기장이 가해지면, 제1 금속 도파로부로부터 전달되는 SPP의 편광상태가 편광판부를 통해 TE 편광 상태로 변화되는 것을 특징으로 한다.
편광판부에 기준 전기장이 가해지지 않으면, 제1 금속 도파로부로부터 전달되는 SPP의 편광상태가 TM 편광 상태를 유지하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 SPP 신호 스위치 소자는 광도파로 종류에 따른 다양한 모드의 SPP에 적용이 가능하다. 또한 나노 크기의 소자이기 때문에 나노 표면 플라즈모닉 광집적회로에 실제 사용할 수 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1(a)는 SPP 도파로로 사용되는 단일 금속(IMI) 도파로의 구조도이고, 도 1(b)는 얇은 이중 금속(IMIMI) 도파로의 구조도이고, 도 1(c)는 두꺼은 이중 금속(MIM) 도파로의 구조도이다.
도 2(a) 내지 도 2(h)는 SPP 도파로에서 여기 및 도파가 가능한 SPP 모드의 일 예를 도시한 단면 구조도이다.
도 3은 본 발명에 따른 IMI-IMI 신호 스위치 소자의 구성을 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 IMI-IMI 신호 스위치 소자의 작동에 따른 신호 전달 과정을 도시한다.
도 5는 본 발명에 따른 IMIMI-IMIMI 신호 스위치 소자의 구성을 도시한 사시도이다.
도 6은 본 발명에 따른 IMIMI-IMIMI 신호 스위치 소자의 작동에 따른 신호 전달 과정을 도시한다.
도 7은 본 발명에 따른 IMIMI-MIM 신호 스위치 소자의 일 예에 대한 구성을 도시한 사시도이다.
도 8은 도 7에 따른 IMIMI-MIM 신호 스위치 소자의 작동에 따른 신호 전달 과정을 도시한다.
도 9는 본 발명에 따른 IMIMI-MIM 신호 스위치 소자의 다른 실시예에 대한 구성을 도시한 사시도이다.
도 10은 도 9에 따른 IMIMI-MIM 신호 스위치 소자의 작동에 따른 신호 전달 과정을 도시한다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않으며, 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
본 명세서에서 사용되는 용어에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 해석되지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함한다" 등의 용어는 설시된 특징, 개수, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 의미하는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 개수, 단계 동작 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하에서는 도면을 참조하면서 SPP 신호 스위치 소자에 관하여 구체적으로 설명하겠다.
먼저 SPP 도파로 및 도파로 종류에 따라 진행되는 SPP 종류에 대해 설명하기로 한다.
도 1(a)는 SPP 도파로로 사용되는 단일 금속(IMI) 도파로의 구조도이고, 도 1(b)는 얇은 이중 금속(IMIMI) 도파로의 구조도이고, 도 1(c)는 두꺼운 이중 금속(MIM) 도파로의 구조도이다.
현실적인 나노 공정등을 고려하여 광자집적회로가 구성되려면, 우선 SPP 도파로는 스트립(Strip) 형태의 단일 및 이중 금속도파로 형태로 형성되는 것이 바람직하며,
도 1(a)는 단일 금속도파로는 도파로 박막 두께에 따라, 대칭적인 LRSPP(long-range surface plasmon polariton), 비대칭적인 SRSPP(short-range surface plasmon polariton)를 수용할 수 있는 절연체-금속-절연체(Insulator-Metal-Insulator, IMI) 도파로를 도시한다. IMI 도파로 금속층의 두께는 보통 5 nm ~ 100 nm이다.
도 1(b)는 얇은 이중 금속도파로에서 두 개의 s0, a0 모드가 대칭적, 비대칭적인 다양한 모드를 수용할 수 있는 절연체-금속-절연체-금속-절연체(Insulator-Metal-Insulator-Metal- Insulator, IMIMI) 도파로를 도시한다. IMIMI 도파로 금속층의 두께는 보통 5 nm ~ 100 nm이다. 그리고 금속층 간의 간격은 50 nm ~ 1μm이다.
도 1(c)는 두꺼운 이중 금속도파로에서 갭 내 유전체에서 대칭적인 Gs0, 비대칭적인 Ga0를 수용할 수 있는 금속-절연체-금속(Metal-Insulator-Metal, MIM)를 도시한다. MIM 도파로의 금속층의 두께는 보통 50 nm ~ 100 nm이며. 그리고 금속층 간의 간격은 10 nm ~ 1μm이다.
IMIMI 도파로는 금속층 사이의 코어 층과 클래딩 층의 유전율이 다르더라도 장거리 표면 플라즈몬 폴라리톤 (Long range surface plasmon polariton, LR-SPP) 모드의 여기가 가능하고, LR-SPP 모드의 전파 손실, 유효 굴절률 및 모드의 분포도를 코어의 유전율 또는 두께를 조절함으로써 쉽게 변화시킬 수 있다.
또한, 상부 및 하부 금속 도파로의 구조적인 자유도가 증가하여 IMI-IMIMI 및 MIM(metal-insulator-metal)-IMIMI등의 다양한 구조의 SPP 도파로 구현이 가능하다.
적절한 서브 밀리미터 크기의 광자집적회로가 구성되려면, 비록 단위 길이당 전송 손실은 낮지만 길이가 긴 LRSPP 도파로의 사용은 가급적 자제하고, 손실과 길이를 최적화한 다양한 모드 크기의 SPP 도파로가 연구 개발되어야 한다.
따라서, 얇은 단일 금속(IMI)도파로에서, 대칭적인 s0, 비대칭적인 a0 모드, 두꺼운 이중 금속(MIM)도파로에서 갭 내에서 대칭적인 Gs0, 비대칭적인 Ga0 모드, 얇은 이중 금속(IMIMI)도파로에서 두 개의 s0 모드가 대칭적인 Ss0, 비대칭적인 As0, 두 개의 a0 모드가 대칭적인 Sa0, 비대칭적인 Aa0 모드, 즉 s0, a0, Gs0, Ga0, Ss0, As0, Sa0, Aa0 의 다양한 모드를 수용할 수 있는 SPP 도파로가 필요하다.
전술한 도파로에서 여기 및 도파가 가능한 SPP 모드에 대해 설명하기로 한다. 도 2(a) 내지 도 2(h)는 SPP 도파로에서 여기 및 도파가 가능한 SPP 모드의 일 예를 도시한 단면 구조도이다.
IMI 도파로에서는 도 2(a) 및 도 2(b)에 각각 도시된 s0 모드 및 a0 모드가 여기 및 도파 가능하다. 도 2(a)는 LR-SPP 모드를 나타내며, H x 필드가 중앙 금속층 중앙을 경계로 대칭으로 형성된다. 대칭으로 형성된 s0 모드는 두께가 충분히 얇은 금속 도파로에서 일반 광섬유 크기의 모드 크기를 갖기 때문에 광섬유와의 맞대기 결합으로 쉽게 여기 될 수 있다.
또한 최근 도파 손실이 1.0 dB/cm 이하의 IMI 도파로가 연구되었으며, 기존 광도파로형 소자를 대체 적용 가능하며 고집적 소자에 대하여 많은 연구가 진행되고 있다.
그림 2(b)의 경우 단거리 표면 플라즈몬 폴라리톤 (Short range surface plasmon polariton, SR-SPP) 모드를 나타내며, H x 필드가 금속층 중심을 경계로 비대칭으로 형성된다. 비대칭으로 형성된 a0모드의 크기는 빛의 회절 한계 미만의 크기를 갖는다. 하지만 도파 손실이 LR-SPP 소자에 비하여 매우 크고, 광섬유와 맞대기 결합으로 여기시키기 어렵기 때문에 도파로형 소자에 적용하기 어렵다.
MIM 도파로에서는 도 2(c) 및 도 2(d)의 대칭형 Gap-SPP 모드(G-s0) 및 비대칭형 Gap-SPP 모드(G-a0)가 여기 될 수 있다. 이중 H x 필드가 중앙 유전체층 중앙을 경계로 대칭으로 형성되는 G-s0 모드의 경우, 두 금속 도파로 사이의 유전체 두께와 폭 따라 모드 크기가 결정되기 때문에 빛의 회절 한계 미만의 크기를 갖는 모드를 형성 시킬 수 있다. 또한 유전체 영역에서 빛이 도파하므로, IMI 도파로에서 a0 모드에 비하여 도파손실이 매우 작아 고밀도 집적 광회로에 적용 시켜 집적도를 높일 수 있다.
IMIMI 도파로는 IMI 도파로와 MIM 도파로의 모드 특성을 모두 갖는다. IMIMI 도파로에서 형성될 수 있는 모드는 도 2(e) 내지 도 2(h)에 도시되었다. 도 2(e) 및 도 2(f)는 두 개의 금속 도파로에서 각각 형성된 s0 모드와 대칭형인 Ss0 모드 및 s0 모드와 비대칭형인 As0 모드를 나타낸다.
Ss0 모드는 IMI 도파로의 s0 모드에 비하여 모드 크기가 약간 작으며 약간 큰 도파 손실을 갖는다. 또한 s0 모드 및 Ss0 모드는 클래드 영역에서 H x 필드 형태가 같아 서로 쉽게 결합 될 수 있다.
도 2(g) 및 도 2(h)는 두 개의 금속 도파로에서 각각 형성된 a0 모드와 대칭형인 Sa0 모드 및 a0 모드와 비대칭형인 Aa0 모드를 나타낸다. Sa0 모드의 경우 MIM 도파로에서 형성된 G-s0 모드와 비슷한 모드 크기 및 도파 손실을 갖는다.
두 금속 도파로 사이의 유전체를 경계로 비대칭으로 모드가 형성된 Aa0, As0 모드의 경우 IMI, MIM 도파로에서 형성된 비대칭 모드(a0, G-a0)와 같이 매우 작은 모드를 형성할 수 있으나 도파 손실이 매우 크기 때문에 도파로형 소자에 적용하기 어렵다.
본 발명은 집적가능한 다양한 SPP도파로에 SPP 신호를 제어하는 편광판부를 도입함으로써 다양한 모드의 크기에 적용 가능한 SPP 신호 스위치 소자를 제안한다. 편광판부는 수 nm ~ 수μm의 길이를 갖는 것이 바람직하고, 단면의 크기는 기본적으로 도파로의 단면 크기에 대응되거나 도파로보다 조금 큰 것이 바람직하다. 따라서 단면의 크기는 대략 (수 nm ~ 수십 μm) × (수 nm ~수십 μm) 정도이다.
도 3은 본 발명에 따른 IMI-IMI 신호 스위치 소자(100)의 구성을 도시한 사시도이다.
IMI-IMI 신호 스위치 소자를 포함하여 본 발명의 SPP 신호 스위치 소자는 기본적으로 두 개의 도파로와 각 도파로 사이에 배치되는 편광판을 기본적인 구조로 갖는다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 IMI-IMI 신호 스위치 소자는 제1 금속층(111), 제1 금속층(111) 중 하나의 면 측에 배치되는 유전체층, 하나의 면의 이면 측에 배치되는 유전체층으로 구성된 IMI 구조를 갖는 제1 금속 도파로부(110), 제1 금속층(131), 제1 금속층(131) 중 하나의 면 측에 배치되는 유전체층, 하나의 면의 이면 측에 배치되는 유전체층으로 구성된 IMI 구조를 갖는 제2 금속 도파로부(130) 및 제1 면이 제1 금속 도파로부(110)와 접촉하고, 제 2면이 제2 금속 도파로부(130)와 접촉하며, 제1 금속 도파로부(110)로부터 제2 금속 도파로부(130)로 진행되는 SPP 신호를 제어하는 편광판부(120)를 포함한다.
제1 금속 도파로부(110)의 제1 금속층(111)과 제2 금속 도파로부(130)의 제1 금속층(131)은 편광판부(120)를 사이에 두고 연장된 형태와 같이 배치된다.
따라서 제1 금속 도파로부(110)의 제1 금속층(111)과 제2 금속 도파로부(130)의 제1 금속층(131)은 진행방향이 같고, 제1 금속 도파로부(110)의 제1 금속층(111)의 면과 제2 금속 도파로부(130)의 제1 금속층(131)의 면은 서로 수평인 관계이다.
편광판부(120)는 액정(lquid crystal), 비선형광학 폴리머 또는 전기광학 폴리머 중 하나 이상의 소재를 조합하여 제조된다. 외부 전기장과 같은 자극에 의해 입사되는 광의 편광상태를 바꿀 수 있는 어떠한 소재라도 사용이 가능하다.
액정이나 비선형광학 폴리머 등은 외부에서 가해진 전기장 등에 의해 내부 결정 구조나 다이폴(dipole) 상태가 변화한다. 이를 통해 입사된 광의 편광 상태를 바꾸는 것이다.
편광판부(120)의 작동을 간략하게 설명하면, 편광판부(120)에 전기장이 가해지는 경우, 제1 금속 도파로(111)를 통해 입사된 SPP의 TM 모드 편광 상태가 편광판부(120)를 지나면서 편광 상태가 변하게된다. TM 모드 편광 상태가 유지되지 못하기 때문에 제2 금속 도파로(131)로 SPP가 전달되지 못한다.
편광판부(120)에 전기장이 가해지지 않는 경우 편광상태 변화가 일어나지 않기 때문에 제1 금속 도파로(111)를 통해 입사된 SPP 신호는 그대로 제2 금속 도파로(131)로 전달된다.
도 4는 본 발명에 따른 IMI-IMI 신호 스위치 소자(100)의 작동에 따른 신호 전달 과정을 도시한다. 도 4, 도 6 및 도 7에서는 편광판부를 제어가능한 편광판이라는 의미로 CPP(Controllable polarization plate)로 표시하였다.
CPP의 소재는 LiNbO3(리튬나이오베이트), 광이성질체를 포함한 폴리머(비선형광학 폴리머), Liquid crystals 등의 전기-광학, 자기-광학 및 광학-광학 변조 가능한 active 재료를 사용할 수있다. 또는 전기석(tourmaline) 등의 편광 일으킬 수 있는 광이성질체를 갖는 물질 및 λ/2 편광판 등의 passive 재료 등을 사용할 수 있다.
도 4(a)에 도시된 바와 같이, CPP가 off되는 경우(편광 상태가 바뀌지 않아 TM편광 상태 보존되는 경우)는 CPP에 입사된 광이 그대로 제2 금속 도파로로 출력 전달된다.
CPP가 on 되는 경우는 CPP에 입사된 SPP의 TM-편광 상태가 n + (λ/2)의 배수를 갖는 CPP를 통과하면서 TE-편광 상태로 변화하여 제2 금속 도파로에 SPP 신호가 도파되지 않는다. IMI 도파로에서는 SPP 도파모드는 항상 TM-편광 상태를 갖기 때문이다.
정리하면 CPP가 on상태 이면 출력 신호는 on, CPP가 off 상태 이면 출력신호는 off로 제어된다. s0 (마이크로 크기) 및 a0 (나노 크기)모드는 IMI 도파로에서 도파 가능한 SPP모드이다. 붉은 색 화살표는 CPP에 입사되기 전의 E-field 편광 상태이고, 푸른색 화살표는 CPP를 통과 후 변화된 E-field 편광 상태이다.
CPP의 on, off는 전술한 바와 같이 외부 전기장 등이 가해지는지 여부에 따라 결정된다. 전기장이 가해지면 CPP의 상태가 변화하여 입사되는 광의 편광상태가 변화된다. 이때 CPP 상태를 변화시켜 입사되는 광의 편광상태를 변화시킬만한 전기장을 기준 전기장이라고 한다. 소재에 따라 전기장의 값은 다소 차이가 있을 수 있으나 해당 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 기준 전기장 값을 알 수 있음은 자명하다.
도 5는 본 발명에 따른 IMIMI-IMIMI 신호 스위치 소자(200)의 구성을 도시한 사시도이다.
본 발명에 따른 IMIMI-IMIMI 신호 스위치 소자(200)는 제1 금속층(211), 제1 금속층(211)과 이격 배치되는 제2 금속층(212), 제1 금속층(211)과 제2 금속층(211) 간의 이격된 내측 공간에 배치되는 유전체층, 제1 금속층(211)의 외측에 배치되는 유전체층 및 제2 금속층(211)의 외측에 배치되는 유전체층으로 구성된 IMIMI 구조를 갖는 제1 금속 도파로부(210), 제1 금속층(231), 제1 금속층(231)과 이격 배치되는 제2 금속층(232), 제1 금속층(231)과 제2 금속층(232) 간의 이격된 내측 공간에 배치되는 유전체층, 제1 금속층(231)의 외측에 배치되는 유전체층 및 제2 금속층(232)의 외측에 배치되는 유전체층으로 구성된 IMIMI 구조를 갖는 제2 금속 도파로부(230) 및 제1 면이 제1 금속 도파로부(210)와 접촉하고, 제 2면이 제2 금속 도파로부(230)와 접촉하며, 제1 금속 도파로부(210)로부터 제2 금속 도파로부(230)로 진행되는 SPP 신호를 제어하는 편광판부(220)를 포함한다.
제2 금속 도파로부(230)의 제1 금속층(231) 또는 제2 금속층(232)은 각각 제1 금속 도파로부(210)의 제1 금속층(211) 또는 제2 금속층(212)이 연장된 형태와 같다.
즉, 제2 금속 도파로부(230)의 제1 금속층(231) 또는 제2 금속층(232)은 제1 금속 도파로부(210)의 제1 금속층(211) 또는 제2 금속층(212)과 같은 진행방향이면서, 제2 금속 도파로부(230)의 제1 금속층(231) 또는 제2 금속층(232)의 면은 제1 금속 도파로부(210)의 제1 금속층(211) 또는 제2 금속층(212)의 면과 수평이다.
편광판부(220)의 구조 등은 전술한 IMI-IMI 신호 스위치 소자와 동일하다.
도 6은 본 발명에 따른 IMIMI-IMIMI 신호 스위치 소자(200)의 작동에 따른 신호 전달 과정을 도시한다.
CPP가 off된 경우(입사된 광의 편광 상태가 바뀌지 않고, SPP의 TM편광 상태 보존되는 경우)는 입력 광이 그대로 제2 금속 도파로부(230)에 전달된다.
CPP가 on 되면 CPP에 입사된 SPP의 TM-편광 상태가 n + (λ/2)의 배수를 갖는 CPP를 통과하면서 TE-편광 상태로 변화하여 제2 금속 도파로부에 도파되지 않는다.
Ss0 (마이크로 크기)및 Sa0 (나노 크기) 모드는 IMIMI 도파로에서 도파 가능한 SPP모드이다. 붉은 색 화살표는 CPP에 입사되기 전의 E-field 편광 상태이고, 푸른색 화살표는 CPP를 통과 후 변화된 E-field 편광 상태이다.
도 7은 본 발명에 따른 IMIMI-MIM 신호 스위치 소자의 일 예에 대한 구성을 도시한 사시도이다.
본 발명에 따른 IMIMI-MIM 신호 스위치 소자(300)는 제1 금속층(311), 제1 금속층(311)과 이격 배치되는 제2 금속층(312), 제1 금속층(311)과 제2 금속층(312) 간의 이격된 내측 공간에 배치되는 유전체층, 제1 금속(311)층의 외측에 배치되는 유전체층 및 제2 금속층(312)의 외측에 배치되는 유전체층으로 구성된 IMIMI 구조를 갖는 제1 금속 도파로부(310), 제1 금속층(331), 제1 금속층(331)과 이격 배치되는 제2 금속층(332) 및 제1 금속층(331)과 제2 금속층(332) 간의 이격된 공간에 배치되는 유전체층으로 구성된 MIM 구조를 갖는 제2 금속 도파로부(330) 및 제1 면이 제1 금속 도파로부(310)와 접촉하고, 제 2면이 제2 금속 도파로부(330)와 접촉하며, 제1 금속 도파로부(310)로부터 제2 금속 도파로부(330)로 진행되는 SPP 신호를 제어하는 편광판부를 포함한다.
즉, 제2 금속 도파로부(330)의 제1 금속층(331) 또는 제2 금속층(332)은 제1 금속 도파로부(310)의 제1 금속층(311) 또는 제 2금속층(312)과 같은 진행방향이면서, 제2 금속 도파로부(330)의 제1 금속층(331) 또는 제2 금속층(332)의 면은 제1 금속 도파로부(310)의 제1 금속층(311) 또는 제2 금속층(312)의 면과 서로 수평인 구조이다. 제2 금속 도파로부(330) MIM의 방향을 V-IMI라고 한다.
도 8은 도 7에 따른 IMIMI-MIM 신호 스위치 소자의 작동에 따른 신호 전달 과정을 도시한다.
CPP가 off된 경우(입사된 광의 편광 상태가 바뀌지 않고, SPP의 TM편광 상태 보존되는 경우)는 입력 광이 그대로 제2 금속 도파로부(230)에 전달된다.
CPP가 on 되면 CPP에 입사된 SPP의 TM-편광 상태가 n + (λ/2)의 배수를 갖는 CPP를 통과하면서 TE-편광 상태로 변화하여 제2 금속 도파로부에 도파되지 않는다.
Sa0 (나노 크기) 모드는 IMIMI 도파로에서 도파 가능한 SPP모드이다. 붉은 색 화살표는 CPP에 입사되기 전의 E-field 편광 상태이고, 푸른색 화살표는 CPP를 통과 후 변화된 E-field 편광 상태이다. Gs0 모드는 V-MIM 도파로에서 도파 가능한 도파모드이다.
도 9는 본 발명에 따른 IMIMI-MIM 신호 스위치 소자(300) 다른 실시예에 대한 구성을 도시한 사시도이다.
본 발명에 따른 IMIMI-MIM 신호 스위치 소자(300)는 제1 금속층(311), 제1 금속층(311)과 이격 배치되는 제2 금속층(312), 제1 금속층(311)과 제2 금속층(312) 간의 이격된 내측 공간에 배치되는 유전체층, 제1 금속(311)층의 외측에 배치되는 유전체층 및 제2 금속층(312)의 외측에 배치되는 유전체층으로 구성된 IMIMI 구조를 갖는 제1 금속 도파로부(310), 제1 금속층(331), 제1 금속층(331)과 이격 배치되는 제2 금속층(332) 및 제1 금속층(331)과 제2 금속층(332) 간의 이격된 공간에 배치되는 유전체층으로 구성된 MIM 구조를 갖는 제2 금속 도파로부(330) 및 제1 면이 제1 금속 도파로부(310)와 접촉하고, 제 2면이 제2 금속 도파로부(330)와 접촉하며, 제1 금속 도파로부(310)로부터 제2 금속 도파로부(330)로 진행되는 SPP 신호를 제어하는 편광판부를 포함한다.
제2 금속 도파로부(330)는 도 1(c)에 도시된 MIM 도파로와는 달리 금속층의 적층된 방향이 x 방향이다. 도 1(c)에 도시된 MIM 도파로는 y 방향으로 두 개의 층이 적층되어 있는 구조이다. 이러한 방향의 MIM을 L-MIM이라고 한다.
즉, 제2 금속 도파로부(330)의 제1 금속층(331) 또는 제2 금속층(332)은 제1 금속 도파로부(310)의 제1 금속층(311) 또는 제 2금속층(312)과 같은 진행방향이면서, 제2 금속 도파로부(330)의 제1 금속층(331) 또는 제2 금속층(332)의 면은 제1 금속 도파로부(310)의 제1 금속층(311) 또는 제2 금속층(312)의 면과 서로 수직인 구조이다. 전술한 신호 스위치 소자(100, 200)과는 제2 금속 도파로부의 구조가 상이하기 때문에 스위치의 제어 작용도 상이하다.
도 10은 도 9에 따른 IMIMI-MIM 신호 스위치 소자(300)의 작동에 따른 신호 전달 과정을 도시한다.
CPP가 off인 경우(입사된 SPP의 TM 편광 상태 보존되는 경우)는 입력된 SPP가 수평 방향의 MIM (L-MIM) 도파로에 결합되지 않기 때문에, 제2 금속 도파로로 신호가 전달되지 않는다.
CPP가 on 되면 CPP에 입사된 TM-편광 상태가 n + (λ/2)의 배수를 갖는 CPP를 통과하면서 TE-편광 상태로 변화하여 출력 L-MIM 도파로(제2 금속 도파로)에 SPP가 도파된다. L-MIM 도파로에서는 SPP 도파모드는 항상 TE-편광 상태를 갖기 때문이다.
즉, CPP가 on상태 이면 출력 신호는 off, CPP가 off 상태 이면 출력신호는 on으로 제어된다.
Sa0 (나노 크기) 모드는 IMIMI 도파로에서 도파 가능한 SPP모드임, Gs0 모드는 L-MIM 도파로에서 도파 가능한 도파모드이다. 붉은 색 화살표는 CPP에 입사되기 전의 E-field 편광 상태이고, 푸른색 화살표는 CPP를 통과 후 변화된 E-field 편광 상태이다.
또한 n + (λ/2) 배수의 패시브(passive) polarization plate를 사용할 경우 본 IMIMI-MIM 신호 스위치 소자(300)는 IMIMI-MIM 결합기로 사용될 수도 있다.
본 실시예 및 본 명세서에 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 명확하게 나타내고 있는 것에 불과하며, 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것이 자명하다고 할 것이다.
100 : IMI-IMI 신호 스위치 소자 110 : 100의 제1 금속 도파로부
111 : 110의 제1 금속층 120 : 100의 편광판부
130 : 100의 제2 금속 도파로부 131 : 130의 제1 금속층
200 : IMIMI-IMIMI 신호 스위치 소자 210 : 200의 제1 금속 도파로부
211 : 210의 제1 금속층 212 : 210의 제2 금속층
220 : 200의 편광판부 230 : 200의 제2 금속 도파로부
231 : 230의 제1 금속층 232 : 230의 제2 금속층
300 : IMIMI-MIM 신호 스위치 소자 310 : 300의 제1 금속 도파로부
311 : 310의 제1 금속층 312 : 310의 제2 금속층
320 : 300의 편광판부 330 : 300의 제2 금속 도파로부
331 : 330의 제1 금속층 332 : 330의 제2 금속층

Claims (16)

  1. 제1 금속층, 제1 금속층 중 하나의 면 측에 배치되는 유전체층, 상기 하나의 면의 이면 측에 배치되는 유전체층으로 구성된 IMI 구조를 갖는 제1 금속 도파로부;
    제1 금속층, 제1 금속층 중 하나의 면 측에 배치되는 유전체층, 상기 하나의 면의 이면 측에 배치되는 유전체층으로 구성된 IMI 구조를 갖는 제2 금속 도파로부;
    제1 면이 상기 제1 금속 도파로부와 접촉하고, 제 2면이 상기 제2 금속 도파로부와 접촉하며, 제1 금속 도파로부로부터 제2 금속 도파로부로 진행되는 SPP 신호를 제어하는 편광판부를 포함하되,
    상기 제2 금속 도파로부의 제1 금속층은 상기 제1 금속 도파로부의 제1 금속층과 같은 진행방향이면서, 상기 제2 금속 도파로부의 제1 금속층의 면은 상기 제1 금속 도파로부의 제1 금속층의 면과 수평인 것을 특징으로 하는 SPP 신호 스위치 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 편광판부는
    액정(lquid crystal), 비선형광학 폴리머 또는 전기광학 폴리머 중 하나 이상의 소재를 조합하여 구성되며, 편광상태의 변화를 통해 SPP 신호를 제어하는 것을 특징으로 하는 SPP 신호 스위치 소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 편광판부에 기준 전기장이 가해지면, 상기 제1 금속 도파로부로부터 전달되는 SPP의 편광상태가 상기 편광판부를 통해 TE 편광 상태로 변화되는 것을 특징으로 하는 SPP 신호 스위치 소자.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 편광판부에 기준 전기장이 가해지지 않으면, 상기 제1 금속 도파로부로부터 전달되는 SPP의 편광상태가 TM 편광 상태를 유지하는 것을 특징으로 하는 SPP 신호 스위치 소자.
  5. 제1 금속층, 상기 제1 금속층과 이격 배치되는 제2 금속층, 상기 제1 금속층과 상기 제2 금속층 간의 이격된 내측 공간에 배치되는 유전체층, 상기 제1 금속층의 외측에 배치되는 유전체층 및 상기 제2 금속층의 외측에 배치되는 유전체층으로 구성된 IMIMI 구조를 갖는 제1 금속 도파로부;
    제1 금속층, 상기 제1 금속층과 이격 배치되는 제2 금속층, 상기 제1 금속층과 상기 제2 금속층 간의 이격된 내측 공간에 배치되는 유전체층, 상기 제1 금속층의 외측에 배치되는 유전체층 및 상기 제2 금속층의 외측에 배치되는 유전체층으로 구성된 IMIMI 구조를 갖는 제2 금속 도파로부;
    제1 면이 상기 제1 금속 도파로부와 접촉하고, 제 2면이 상기 제2 금속 도파로부와 접촉하며, 제1 금속 도파로부로부터 제2 금속 도파로부로 진행되는 SPP 신호를 제어하는 편광판부를 포함하되,
    상기 제2 금속 도파로부의 제1 금속층 또는 제2 금속층은 상기 제1 금속 도파로부의 제1 금속층 또는 제2 금속층과 같은 진행방향이면서, 상기 제2 금속 도파로부의 제1 금속층 또는 제2 금속층의 면은 상기 제1 금속 도파로부의 제1 금속층 또는 제2 금속층의 면과 수평인 것을 특징으로 하는 SPP 신호 스위치 소자.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 편광판부는
    액정(lquid crystal), 비선형광학 폴리머 또는 전기광학 폴리머 중 하나 이상의 소재를 조합하여 구성되며, 편광상태의 변화를 통해 SPP 신호를 제어하는 것을 특징으로 하는 SPP 신호 스위치 소자.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 편광판부에 기준 전기장이 가해지면, 상기 제1 금속 도파로부로부터 전달되는 SPP의 편광상태가 상기 편광판부를 통해 TE 편광 상태로 변화되는 것을 특징으로 하는 SPP 신호 스위치 소자.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 편광판부에 기준 전기장이 가해지지 않으면, 상기 제1 금속 도파로부로부터 전달되는 SPP의 편광상태가 TM 편광 상태를 유지하는 것을 특징으로 하는 SPP 신호 스위치 소자.
  9. 제1 금속층, 상기 제1 금속층과 이격 배치되는 제2 금속층, 상기 제1 금속층과 상기 제2 금속층 간의 이격된 내측 공간에 배치되는 유전체층, 상기 제1 금속층의 외측에 배치되는 유전체층 및 상기 제2 금속층의 외측에 배치되는 유전체층으로 구성된 IMIMI 구조를 갖는 제1 금속 도파로부;
    제1 금속층, 상기 제1 금속층과 이격 배치되는 제2 금속층 및 상기 제1 금속층과 상기 제2 금속층 간의 이격된 공간에 배치되는 유전체층으로 구성된 MIM 구조를 갖는 제2 금속 도파로부;
    제1 면이 상기 제1 금속 도파로부와 접촉하고, 제 2면이 상기 제2 금속 도파로부와 접촉하며, 제1 금속 도파로부로부터 제2 금속 도파로부로 진행되는 SPP 신호를 제어하는 편광판부를 포함하되,
    상기 제2 금속 도파로부의 제1 금속층 또는 제2 금속층은 상기 제1 금속 도파로부의 제1 금속층 또는 제 2금속층과 같은 진행방향이면서, 상기 제2 금속 도파로부의 제1 금속층 또는 제2 금속층의 면은 상기 제1 금속 도파로부의 제1 금속층 또는 제2 금속층의 면과 서로 수직인 것을 특징으로 하는 SPP 신호 스위치 소자.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 편광판부는
    액정(lquid crystal), 비선형광학 폴리머 또는 전기광학 폴리머 중 하나 이상의 소재를 조합하여 구성되며, 편광상태의 변화를 통해 SPP 신호를 제어하는 것을 특징으로 하는 SPP 신호 스위치 소자.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 편광판부에 기준 전기장이 가해지면, 상기 제1 금속 도파로부로부터 전달되는 SPP의 편광상태가 상기 편광판부를 통해 TE 편광 상태로 변화되는 것을 특징으로 하는 SPP 신호 스위치 소자.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 편광판부에 기준 전기장이 가해지지 않으면, 상기 제1 금속 도파로부로부터 전달되는 SPP의 편광상태가 TM 편광 상태를 유지하는 것을 특징으로 하는 SPP 신호 스위치 소자.
  13. 제1 금속층, 상기 제1 금속층과 이격 배치되는 제2 금속층, 상기 제1 금속층과 상기 제2 금속층 간의 이격된 내측 공간에 배치되는 유전체층, 상기 제1 금속층의 외측에 배치되는 유전체층 및 상기 제2 금속층의 외측에 배치되는 유전체층으로 구성된 IMIMI 구조를 갖는 제1 금속 도파로부;
    제1 금속층, 상기 제1 금속층과 이격 배치되는 제2 금속층 및 상기 제1 금속층과 상기 제2 금속층 간의 이격된 공간에 배치되는 유전체층으로 구성된 MIM 구조를 갖는 제2 금속 도파로부;
    제1 면이 상기 제1 금속 도파로부와 접촉하고, 제 2면이 상기 제2 금속 도파로부와 접촉하며, 제1 금속 도파로부로부터 제2 금속 도파로부로 진행되는 SPP 신호를 제어하는 편광판부를 포함하되,
    상기 제2 금속 도파로부의 제1 금속층 또는 제2 금속층은 상기 제1 금속 도파로부의 제1 금속층 또는 제2 금속층과 같은 진행방향이면서, 상기 제2 금속 도파로부의 제1 금속층 또는 제2 금속층의 면은 상기 제1 금속 도파로부의 제1 금속층 또는 제2 금속층의 면과 수평인 것을 특징으로 하는 SPP 신호 스위치 소자.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 편광판부는
    액정(lquid crystal), 비선형광학 폴리머 또는 전기광학 폴리머 중 하나 이상의 소재를 조합하여 구성되며, 편광상태의 변화를 통해 SPP 신호를 제어하는 것을 특징으로 하는 SPP 신호 스위치 소자.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 편광판부에 기준 전기장이 가해지면, 상기 제1 금속 도파로부로부터 전달되는 SPP의 편광상태가 상기 편광판부를 통해 TE 편광 상태로 변화되는 것을 특징으로 하는 SPP 신호 스위치 소자.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 편광판부에 기준 전기장이 가해지지 않으면, 상기 제1 금속 도파로부로부터 전달되는 SPP의 편광상태가 TM 편광 상태를 유지하는 것을 특징으로 하는 SPP 신호 스위치 소자.
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