KR101238052B1 - 표면 플라즈몬 공명을 이용한 전광 스위치 - Google Patents

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최영완
오금윤
김두근
이병현
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중앙대학교 산학협력단
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Abstract

표면 플라즈몬 공명을 이용한 전광 스위치가 개시된다. 개시된 표면 플라즈몬 공명을 이용한 전광 스위치는 소정의 표면 플라즈몬 공명각을 가지는 금속박막; 상기 금속박막의 전면에 수직한 법선과 소정의 각도를 이루도록 배치되며, 광신호를 상기 금속박막의 전면으로 입사시키는 제1 입사도파로; 상기 금속박막의 전면에 수직한 법선에 대해 상기 제1 입사도파로와 대칭되도록 배치되며, 상기 금속박막의 전면에서 반사되는 상기 광신호를 출력하는 출사도파로; 상기 금속박막의 후면에 배치되는 중합체; 및 상기 중합체로 제어광을 입사시키기 위한 제2 입사도파로를 포함한다.

Description

표면 플라즈몬 공명을 이용한 전광 스위치{ALL OPTICAL SWITCH USING SURFACE PLASMON RESONANCE}
본 발명의 실시예들은 전광 스위치(All Optical Switch)에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 표면 플라즈몬 공명(SPR: Surface Plasmon Resonance)을 이용한 광소자 개념의 전광 스위치에 관한 것이다.
정보통신기술의 급속한 발전에 따른 통신 정보량의 급증 현상으로 인해 초고속 정보통신의 기술에 대한 관심이 점차 증대되고 있다. 이러한 요구를 수용하기 위해 현재 많이 연구되고 있는 기술 중의 하나가 광 스위치이다.
현재 연구되고 있는 대부분의 광 스위치는 광을 전기적 신호로 변환하여 전기적 레벨에서 스위칭을 수행한 다음 이를 다시 광으로 변환하는 O-E-O(Optical-Electric-Optical) 방식을 따르고 있다. 그러나 O-E-O 방식의 광 스위치는 전기신호의 한계 때문에 고유한 광의 속도를 구현하는 것에 한계가 있다는 단점이 있었다.
한편, 전광 스위치(All Optical Switch)와 관련된 종래의 기술로서, 한국등록특허 제10-0960938호에서는 전반사소자와 금속박막을 이용하여 표면 플라즈몬 공명을 발생시키고, 발생된 표면 플라즈몬 공명을 이용하여 스위칭을 수행하는 전광 스위치에 대해 개시하고 있다.
본 발명에서는 전기적신호를 이용하지 않고 광신호를 이용하여 스위칭을 수행할 수 있는 전광 스위치를 제안하고자 한다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 비교적 적은 파워를 가지는 제어광을 이용하여 광신호의 스위칭을 수행할 수 있는 전광 스위치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적들은 하기의 실시예를 통해 당업자에 의해 도출될 수 있을 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 소정의 표면 플라즈몬 공명각을 가지는 금속박막; 상기 금속박막의 전면에 수직한 법선과 소정의 각도를 이루도록 배치되며, 광신호를 상기 금속박막의 전면으로 입사시키는 제1 입사도파로; 상기 금속박막의 전면에 수직한 법선에 대해 상기 제1 입사도파로와 대칭되도록 배치되며, 상기 금속박막의 전면에서 반사되는 상기 광신호를 출력하는 출사도파로; 상기 금속박막의 후면에 배치되는 중합체; 및 상기 중합체로 제어광을 입사시키기 위한 제2 입사도파로를 포함하는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 전광 스위치가 제공된다.
상기 중합체의 유효 굴절률은 상기 제어광의 입사에 의해 변경되고, 상기 금속박막의 표면 플라즈몬 공명각은 상기 중합체의 유효 굴절률의 변경에 대응하여 변경될 수 있다.
상기 소정의 각도는 변경전의 상기 금속박막의 표면 플라즈몬 공명각과 동일할 수 있다.
상기 제2 입사도파로를 통해 상기 제어광이 상기 중합체로 입사되지 않는 경우, 상기 금속박막의 후면에서는 상기 광신호에 의한 표면 플라즈몬 공명이 발생하고, 상기 금속박막의 전면에서는 상기 광신호의 반사가 일어나지 않고, 상기 출사도파로에서는 상기 광신호가 출력되지 않으며, 상기 제2 입사도파로를 통해 상기 제어광이 상기 중합체로 입사되는 경우, 상기 금속박막의 후면에서는 상기 광신호에 의한 표면 플라즈몬 공명이 발생하지 않고, 상기 금속박막의 전면에서는 상기 광신호의 반사가 일어나고, 상기 출사도파로에서는 상기 광신호가 출력될 수 있다.
상기 소정의 각도는 변경후의 상기 금속박막의 표면 플라즈몬 공명각과 동일할 수 있다.
상기 제2 입사도파로를 통해 상기 제어광이 상기 중합체로 입사되지 않는 경우, 상기 금속박막의 후면에서는 상기 광신호에 의한 표면 플라즈몬 공명이 발생하지 않고, 상기 금속박막의 전면에서는 상기 광신호의 반사가 일어나고, 상기 출사도파로에서는 상기 광신호가 출력되며, 상기 제2 입사도파로를 통해 상기 제어광이 상기 중합체로 입사되는 경우, 상기 금속박막의 후면에서는 상기 광신호에 의한 표면 플라즈몬 공명이 발생하고, 상기 금속박막의 전면에서는 상기 광신호의 반사가 일어나지 않고, 상기 출사도파로에서는 상기 광신호가 출력되지 않을 수 있다.
상기 전광 스위치는 일단으로 상기 광신호가 입력되고 타단으로 상기 광신호가 출력되며, 상기 광신호가 입력되는 일단과 상기 광신호가 출력되는 타단 사이에 상기 광신호의 적어도 일부가 분기되는 제1 광결합영역을 가지는 주도파로; 상기 제1 광결합영역과 광결합되어 상기 주도파로로부터 분기되는 광신호(분기광신호)를 입력받는 제2 광결합영역을 가지며, 복수의 도파로가 다각형상으로 배치되어 구성되는 공진도파로; 및 상기 복수의 도파로 각각이 만나는 영역들 중 일부의 영역에 각각 배치되며, 상기 분기광신호를 전반사시켜 상기 분기광신호가 상기 공진도파로 내를 주회하도록 하는 2 이상의 전반사소자를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 제1 입사도파로와 상기 출사도파로는 상기 복수의 도파로 중 서로 이웃하는 임의의 두 개의 도파로와 각각 일체로 형성되며, 상기 2 이상의 전반사소자는 상기 복수의 도파로 각각이 만나는 영역들 중 상기 제1 입사도파로와 상기 출사도파로가 만나는 영역을 제외한 영역에 각각 배치될 수 있다.
상기 전광 스위치는 일단으로 상기 광신호가 입력되고 타단으로 상기 광신호가 출력되며, 상기 광신호가 입력되는 일단과 상기 광신호가 출력되는 타단 사이에 상기 광신호의 적어도 일부가 분기되는 제1 광결합영역을 가지는 주도파로; 상기 주도파로와 평행하게 배치되고, 일단은 상기 주도파로의 일단과 광결합되고 타단은 상기 주도파로의 타단과 광결합되는 보조 도파로; 및 상기 제1 광결합영역과 광결합되어 상기 주도파로로부터 분기되는 광신호(분기광신호)를 입력받는 제2 광결합영역을 가지며, 복수의 도파로가 다각형상으로 배치되어 구성되는 공진도파로; 및 상기 복수의 도파로 각각이 만나는 영역들 중 일부의 영역에 각각 배치되며, 상기 분기광신호를 전반사시켜 상기 분기광신호가 상기 공진도파로 내를 주회하도록 하는 2 이상의 전반사소자를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 제1 입사도파로와 상기 출사도파로는 상기 복수의 도파로 중 서로 이웃하는 임의의 두 개의 도파로와 각각 일체로 형성되며, 상기 2 이상의 전반사소자는 상기 복수의 도파로 각각이 만나는 영역들 중 상기 제1 입사도파로와 상기 출사도파로가 만나는 영역을 제외한 영역에 각각 배치될 수 있다.
또한, 본 발명이 다른 실시예에 따르면, 소정의 제1 표면 플라즈몬 공명각을 가지는 제1 금속박막; 상기 제1 금속박막의 전면에 수직한 법선과 소정의 각도를 이루도록 배치되며, 광신호를 상기 제1 금속박막의 전면으로 입사시키는 제1 입사도파로; 상기 제1 금속박막의 전면에 수직한 법선에 대해 상기 제1 입사도파로와 대칭되도록 배치되며, 상기 제1 금속박막의 전면에서 반사되는 상기 광신호를 출력하는 출사도파로; 상기 제1 금속박막의 후면에 배치되는 중합체; 후면이 상기 중합체의 다수의 측면 중 상기 제1 금속박막이 위치하는 측면을 제외한 어느 하나의 측면과 마주보도록 배치되며, 소정의 제2 표면 플라즈몬 공명각을 가지는 제2 금속박막; 및 상기 제2 금속박막의 전면에 수직한 법선과 상기 제2 표면 플라즈몬 공명각을 이루도록 배치되고, 상기 제2 금속박막으로 제어광을 입사시키기 위한 제2 입사도파로를 포함하는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 전광 스위치가 제공된다.
본 발명에 따른 전광 스위치는 전기적신호를 이용하지 않고 광신호를 이용하여 빠르게 스위칭을 수행할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 전광 스위치는 비교적 적은 파워를 가지는 제어광을 이용하여 광신호의 스위칭을 수행할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전광 스위치의 상세한 구성을 도시한 도면이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 전광 스위치의 상세한 구성을 도시한 도면이다.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 전광 스위치의 상세한 구성을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 제4 실시예에 따른 전광 스위치의 상세한 구성을 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 제5 실시예에 따른 전광 스위치의 상세한 구성을 도시한 도면이다.
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. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전광 스위치의 상세한 구성을 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 전광 스위치(100)는 금속박막(110), 제1 입사도파로(120), 출사도파로(130), 중합체(140) 및 제2 입사도파로(150)를 포함할 수 있다.
금속박막(110)은 소정의 표면 플라즈몬 공명각을 가지는 금속 재질의 얇은 막을 의미한다.
제1 입사도파로(120)는 금속박막(110)의 전면에 수직한 법선과 소정의 각도(θ)를 이루도록 배치되며, 광신호를 금속박막(110)의 전면으로 입사시킨다. 즉, 금속박막(110)의 전면에 수직한 법선과 제1 입사도파로(120)가 형성하는 소정의 각도가 광신호의 입사각이 된다.
이 때, 입사되는 광신호는 금속박막(110)의 전면에서 전반사될 수 있는데, 출사도파로(130)는 금속박막(110)의 전면에서 반사된 광신호를 가이드하여 출력한다. 이를 위해, 출사도파로(130)는 금속박막(110)의 전면에 수직한 법선에 대해 제1 입사도파로(120)와 대칭되도록 배치된다.
여기서, 광신호의 입사각이 금속박막(110)의 표면 플라즈몬 공명각과 동일하지 않은 경우, 금속박막(110)의 전면에서는 입사된 광신호가 모두 반사된다. 그러나, 광신호의 입사각이 금속박막(110)의 표면 플라즈몬 공명각과 동일한 경우, 금속박막(110)의 후면에서는 표면 플라즈몬 공명이 발생하고, 이에 따라 금속박막(110)의 전면에서 반사되는 광신호의 양은 급격하게 줄어들게 되며, 최종적으로 금속박막(110)의 전면에서는 광신호의 반사가 일어나지 않을 수 있다.
이러한 표면 플라즈몬 공명은 금속박막(110)의 전면에 평행한 방향으로의 입사한 광신호의 위상과 금속박막(110)의 후면을 따라 진행하는 표면 플라즈몬 공명파의 위상이 일치할 때(즉, 광학적 조건이 TM(Transverse Magnetic) 모드 광파의 모멘트가 금속박막(110)에서 전파되는 표면 플라즈몬 공명파의 모멘트와 같게 될 때) 발생한다.
다시 말해, 표면 플라즈몬 공명각과 동일한 각도로 광신호가 금속박막(110)으로 입사되는 경우, 금속박막(110)의 경계면에 수직하는 성분인 TM 편광된 파가 입사되게 되므로, 금속박막(110)의 전면으로 입사된 광신호의 에너지(즉, 입사된 광자 에너지)는 모두 금속박막(110)의 후면을 통해 흐르는 표면 플라즈몬 공명파(즉, 금속박막(110)과 아래에서 설명하는 중합체(140) 사이의 경계면에서 발생하는 전하밀도의 진동)로 바뀌게 되고, 이에 따라 금속박막(110)의 전면에서 반사되는 광신호는 거의 존재하지 않게 된다.
그리고, 금속박막(110)의 후면에는 중합체(Polymer)(140)가 배치된다. 보다 상세하게, 금속박막(110)의 후면에는 중합체(140)의 일면이 접하여 배치될 수 있다. 그리고, 제2 입사도파로(150)는 제어광(일례로, 단일 파장을 가지는 빛인 레이저)을 중합체(140)로 입사시킨다.
중합체(140)로 제어광이 입사되는 경우, 중합체(140)는 입사된 제어광에 반응하여 화학적 구조가 변형되게 되며, 이에 따라 중합체(140)의 유효 굴절률은 변경된다(이 때, 제어광은 중합체(140)의 화학적 구조를 변형시킬 정도로 충분한 파워를 가지고 있는 것으로 가정함). 한편, 중합체(140)의 종류는 제어광의 파장에 따라 선택적으로 변경될 수 있다.
이와 같이 중합체(140)의 유효 굴절률이 변경되는 경우, 중합체(140)의 유효 굴절률의 변경에 의해 금속박막(110)에서의 표면 플라즈몬 공명 조건 역시 변경된다. 다시 말해, 제어광의 입사에 의해 중합체(140)의 유효 굴절률이 변화하는 경우, 금속박막(110)의 표면 플라즈몬 공명각은 중합체(140)의 유효 굴절률의 변경에 대응하여 변경된다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 전광 스위치(100)는 이와 같은 금속박막(110)의 표면 플라즈몬 공명각의 변경을 이용하여 광신호를 선택적으로 출력하여 스위치로서 동작한다. 이에 대해 보다 상세히 설명하면 아래와 같다.
1. 금속박막(110)의 전면과 제1 입사도파로 (120) 사이의 각도가 변경전의 금속박막(110)의 표면 플라즈몬 공명각과 동일한 경우
본 발명의 일 실시예에 따르면, 금속박막(110)의 전면과 제1 입사도파로(120) 사이의 각도는 변경전의 금속박막(110)의 표면 플라즈몬 공명각과 동일할 수 있다. 다시 말해, 금속박막(110)의 전면과 제1 입사도파로(120) 사이의 각도는 제어광이 중합체(140)로 입사되기 전의 금속박막(110)의 표면 플라즈몬 공명각과 동일할 수 있다.
이와 같은 조건하에서, 만약 제2 입사도파로(150)를 통해 제어광이 중합체(140)로 입사되지 않는다면, 중합체(140)의 화학적 구조(즉, 유효 굴절률)는 변경되지 않으므로 금속박막(110)의 표면 플라즈몬 공명각은 변경되지 않는다. 이에 따라, 금속박막(110)의 후면에서는 표면 플라즈몬 공명이 발생하며 금속박막(110)의 전면에서는 광신호의 반사가 일어나지 않게 되므로, 출사도파로(130)에서는 광신호가 출력되지 않게 된다.
반대로, 제2 입사도파로(150)를 통해 제어광이 중합체(140)로 입사된다면, 중합체(140)의 화학적 구조(즉, 유효 굴절률)는 변경되므로 금속박막(110)의 표면 플라즈몬 공명각 역시 변경된다. 이에 따라, 금속박막(110)의 후면에서는 표면 플라즈몬 공명이 발생하지 않아 금속박막(110)의 전면에서는 광신호의 반사가 일어나게 되므로, 출사도파로(130)에서는 광신호가 출력되게 된다.
요컨대, 금속박막(110)의 전면과 제1 입사도파로(120) 사이의 각도가 변경전의 금속박막(110)의 표면 플라즈몬 공명각과 동일한 경우, 중합체(140)로 제어광이 입사된다면 전광 스위치(100)는 오프(off) 상태가 되어 출사도파로(130)를 통해서는 광신호가 출력되지 않고, 중합체(140)로 제어광이 입사된다면 전광 스위치(100)는 온(on) 상태가 되어 출사도파로(130)를 통해서는 광신호가 출력된다.
2. 금속박막(110)의 전면과 제1 입사도파로 (120) 사이의 각도가 변경후의 금속박막(110)의 표면 플라즈몬 공명각과 동일한 경우
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 금속박막(110)의 전면과 제1 입사도파로(120) 사이의 각도는 변경후의 금속박막(110)의 표면 플라즈몬 공명각과 동일할 수 있다. 다시 말해, 금속박막(110)의 전면과 제1 입사도파로(120) 사이의 각도는 제어광이 중합체(140)로 입사된 후의 금속박막(110)의 표면 플라즈몬 공명각과 동일할 수 있다.
이와 같은 조건하에서, 만약 제2 입사도파로(150)를 통해 제어광이 중합체(140)로 입사되지 않는다면, 중합체(140)의 화학적 구조(즉, 유효 굴절률)는 변경되지 않으므로 금속박막(110)의 표면 플라즈몬 공명각은 변경되지 않는다. 따라서, 금속박막(110)의 후면에서는 표면 플라즈몬 공명이 발생하지 않아 금속박막(110)의 전면에서는 광신호의 반사가 일어나게 되므로, 출사도파로(130)에서는 광신호가 출력되게 된다.
반대로, 제2 입사도파로(150)를 통해 제어광이 중합체(140)로 입사되는 경우, 중합체(140)의 화학적 구조(즉, 유효 굴절률)는 변경되므로 금속박막(110)의 표면 플라즈몬 공명각 역시 변경된다. 이에 따라, 금속박막(110)의 표면 플라즈몬 공명각은 광신호의 입사각과 동일하게 변경되므로, 금속박막(110)의 후면에서는 표면 플라즈몬 공명이 발생하고, 금속박막(110)의 전면에서는 광신호의 반사가 일어나지 않게 되어 출사도파로(130)에서는 광신호가 출력되지 않게 된다.
요컨대, 금속박막(110)의 전면과 제1 입사도파로(120) 사이의 각도가 변경후의 금속박막(110)의 표면 플라즈몬 공명각과 동일한 경우에 있어, 중합체(140)로 제어광이 입사된다면 전광 스위치(100)는 온(on) 상태가 되어 출사도파로(130)를 통해서는 광신호가 출력되고, 중합체(140)로 제어광이 입사되지 않는다면 전광 스위치(100)는 오프(off) 상태가 되어 출사도파로(130)를 통해서는 광신호가 출력되지 않는다.
이와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 전광 스위치(100)는 빛(제어광)을 이용하여 빛(광신호)의 출력을 직접적으로 제어할 수 있게 되므로, 빠른 속도로 제어 대상인 광신호를 스위칭 할 수 있게 되는바, 광신호의 전송 속도를 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 전광 스위치(100)는 소형화가 가능하므로, 전광 스위치의 집적화를 가능하게 하여 광을 이용하는 PIC(Photonic Integrated Circuits)의 제작에도 활용될 수 있는 장점이 있다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 전광 스위치의 상세한 구성을 도시한 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 전광 스위치(200)는 제1 금속박막(210), 제1 입사도파로(220), 출사도파로(230), 중합체(240), 제2 금속박막(250) 및 제2 입사도파로(260)를 포함할 수 있다.
제1 금속박막(210)은 소정의 표면 플라즈몬 공명각(이하, "제1 표면 플라즈몬 공명각"이라고 함)을 가지며, 제1 금속박막(210)의 후면에는 중합체(240)가 배치된다.
그리고, 제1 입사도파로(220)는 제1 금속박막(210)의 전면에 수직한 법선과 소정의 각도(θ1)를 이루도록 배치되며, 광신호를 제1 금속박막(210)의 전면으로 입사시킨다. 또한, 출사도파로(230)는 제1 금속박막(210)의 전면에 수직한 법선에 대해 제1 입사도파로(220)와 대칭되도록 배치되며, 제1 금속박막(210)의 전면에서 반사된 광신호를 출력시킨다.
제2 금속박막(250)은 후면이 중합체(240)의 다수의 측면 중 제1 금속박막(210)이 위치하는 측면을 제외한 어느 하나의 측면과 마주보도록 배치되며, 소정의 표면 플라즈몬 공명각(이하, "제2 표면 플라즈몬 공명각"이라고 함)을 가진다. 도 2에서는 제1 금속박막(210)과 대향되는 방향의 중합체(240)의 측면에 제2 금속박막(250)이 배치된 일례를 도시하고 있고, 도 3에서는 제1 금속박막(210)이 위치하는 측면과 인접한 중합체(240)의 측면에 제2 금속박막(250)이 배치된 일례를 도시하고 있다.
그리고, 제2 입사도파로(260)는 제2 금속박막(250)의 전면에 수직한 법선과 제2 표면 플라즈몬 공명각(θ2)을 이루도록 배치되어 제2 금속박막(250)으로 제어광을 입사시킨다.
이 때, 제어광의 입사각은 제2 표면 플라즈몬 공명각과 동일하므로, 만약 제2 입사도파로(260)를 통해 제어광이 제2 금속박막(250)의 전면으로 입사된다면, 앞서 도 1에서 설명한 바와 마찬가지로 제2 금속박막(250)의 후면에서는 표면 플라즈몬 공명(이하, "제2 표면 플라즈몬 공명"이라고 함)이 발생하게 된다. 이 경우, 제2 금속박막(250)의 후면에서 발생한 제2 표면 플라즈몬 공명에 대응하여 중합체(240)의 화학적 구조(즉, 유효 굴절률)가 변경되며, 이에 따라 제1 표면 플라즈몬 공명각 역시 변경된다. 이는 앞서 도 1에서 설명한 내용과 동일하므로, 보다 상세한 설명은 생략하기로 한다.
이와 같이, 제2 금속박막(250)에서 발생하는 제2 표면 플라즈몬 공명을 이용하는 경우, 적은 파워의 제어광을 이용하여서도 광신호의 선택적인 출력동작을 수행할 수 있는 장점이 있다.
다시 말해, 중합체(240)의 화학적 구조(즉, 유효 굴절률)를 변경하기 위해서는 제어광의 파워가 소정의 임계값 이상이 되어야 하는데, 제2 금속박막(250)을 이용하는 경우 임계값 이하인 파워를 가지는 제어광을 입력하는 경우라도 제2 표면 플라즈몬 공명 현상에 의해 중합체(240)를 반응시키는 광의 에너지가 증폭되므로, 적은 파워의 제어광을 이용하여도 충분히 중합체(240)의 화학적 구조를 변경시킬 수 있게 된다.
이와 같은 본 발명의 제2 실시예에 따른 전광 스위치(200)에 대해서는 앞서 도 1에서 설명한 본 발명의 제1 실시예에 따른 전광 스위치(200)에 대한 구성이 동일하게 적용될 수 있다.
다시 말해, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 금속박막(210)의 전면과 제1 입사도파로(220) 사이의 각도는 변경전의 제1 표면 플라즈몬 공명각과 동일할 수도 있고, 변경후의 제1 표면 플라즈몬 공명각과 동일할 수도 있다.
만약, 제1 금속박막(210)의 전면과 제1 입사도파로(220) 사이의 각도가 변경전의 제1 표면 플라즈몬 공명각과 동일한 상태에서, 제2 입사도파로(250)를 통해 제어광이 제2 금속박막(250)의 전면으로 입사되지 않는다면, 제1 표면 플라즈몬 공명각은 변경되지 않으므로, 제1 금속박막(210)의 후면에서는 광신호에 의한 표면 플라즈몬 공명(이하, "제1 표면 플라즈몬 공명"이라고 함)이 발생하게 되고, 이에 따라 출사도파로(230)를 통해서는 광신호가 출력되지 않는다(스위치 오프 상태). 반대로, 제2 입사도파로(250)를 통해 제어광이 제2 금속박막(250)의 전면으로 입사된다면, 제1 표면 플라즈몬 공명각이 변경되므로, 제1 금속박막(210)의 후면에서는 제1 표면 플라즈몬 공명이 발생하지 않게 되고, 이에 따라 출사도파로(230)를 통해서는 광신호가 출력된다(스위치 온 상태).
또한, 만약, 제1 금속박막(210)의 전면과 제1 입사도파로(220) 사이의 각도가 변경전의 제1 표면 플라즈몬 공명각과 동일한 상태에서, 제2 입사도파로(250)를 통해 제어광이 제2 금속박막(250)의 전면으로 입사되지 않는다면, 제1 표면 플라즈몬 공명각은 변경되지 않으므로, 제1 금속박막(210)의 후면에서는 제1 표면 플라즈몬 공명이 발생하지 않게 되고, 이에 따라 출사도파로(230)를 통해서는 광신호가 출력된다(스위치 온 상태). 반대로, 제2 입사도파로(250)를 통해 제어광이 제2 금속박막(250)의 전면으로 입사된다면, 제1 표면 플라즈몬 공명각은 변경되고, 제1 금속박막(210)의 후면에서는 제1 표면 플라즈몬 공명이 발생하게 되고, 이에 따라 출사도파로(230)를 통해서는 광신호가 출력되지 않게 된다(스위치 오프 상태).
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 전광 스위치의 상세한 구성을 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 전광 스위치(400)는 주도파로(410), 공진도파로(420), 전반사소자(430), 제1 금속박막(440), 중합체(450), 제2 금속박막(460) 및 외부 도파로(470)를 포함한다.
주도파로(410)의 일단으로는 광신호가 입력되고, 타단으로는 광신호가 출력된다. 또한 주도파로(410)의 일부영역은 일단을 통해 입력된 광신호가 공진도파로(420)로 결합되는 광결합영역(제1 광결합영역)을 형성한다.
공진도파로(420)는 복수의 광도파로가 삼각형상으로 배치되어 구성되며, 주도파로(410)의 제1 광결합영역과 광결합되어 주도파로(410)의 일단을 통해 입력된 광신호가 공진도파로(420)로 결합되는 광결합영역(제2 광결합영역)을 가진다. 물론, 공진도파로(420)는 삼각형상 이외에도 다양한 형태의 다각형상을 가질 수도 있다.
이 때, 삼각형상의 공진도파로(420)의 세변을 구성하는 광도파로 중에서 하나의 광도파로는 주도파로(410)와 평행하게 배치된다. 그리고 나머지 두 개의 광도파로는 앞서 도 1 및 도 2에서 설명한 본 발명의 제1 실시예 및 제2 실시예에 따른 전광 스위치(100, 200)의 제1입사도파로(120, 220) 및 출사도파로(130, 230)와 각각 대응된다.
전반사소자(430)는 삼각형상의 공진도파로(420)의 세변을 구성하는 광도파로들이 서로 만나는 영역들 중 일부 영역에 각각 배치된다. 보다 상세하게, 전반사소자(430)는 복수의 도파로 각각이 만나는 영역들 중 제1 입사도파로(120, 220)와 대응되는 광도파로와 출사도파로(130, 230)와 대응되는 광도파로가 만나는 영역을 제외한 영역에 각각 배치된다. 즉, 제1 입사도파로(120, 220)와 출사도파로(130, 230)는 복수의 광도파로 중 서로 이웃하는 두 개의 도파로와 각각 일체로 형성될 수 있으며, 전반사소자(430)는 제1 입사도파로(120, 220)와 출사도파로(130, 230)가 만나는 영역을 제외한 영역에 각각 배치된다
그리고, 제1 입사도파로(120, 220)와 대응되는 광도파로와 출사도파로(130, 230)와 대응되는 광도파로가 만나는 영역에는 제1 금속박막(440)이 배치되고, 제1 금속박막(440)의 후면에는 중합체(450)가 배치된다.
그리고, 중합체(450)의 다수의 측면 중 제1 금속박막(440)이 위치하는 측면을 제외한 어느 하나의 측면에는 제2 금속박막(460)이 배치되며, 외부도파로(470)는 제2 금속박막(460)의 전면으로 제어광이 입력될 수 있도록 배치된다. 여기서, 외부도파로(470) 중 제어광이 입력되는 입력단은 앞서 도 1 및 도 2에서 설명한 제2 입사도파로(150, 260)와 대응되며, 외부도파로(470)의 입력단과 출력단은 제2 금속박막(460)의 전면에 수직한 법선을 기준으로 하여 표면 플라즈몬 공명각(제2 표면 플라즈몬 공명각)과 동일한 각도를 가지도록 대칭 형태로 배치된다.
한편, 제2 금속박막(460)은 전광 스위치(400)에 포함되지 않을 수 있으며, 이 경우 외부도파로(470)는 제어광을 중합체(450)로 직접 입사시킨다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 입사도파로(120, 220)와 대응되는 광도파로 및 출사도파로(130, 230)와 대응되는 광도파로 각각이 제1 금속박막(440)의 전면에 수직한 법선과 이루는 각은 변경되기 전의 제1 금속박막(440)의 제1 표면 플라즈몬 공명각과 동일할 수 있다.
이러한 상태에서 외부도파로(470)를 통해 제어광이 제2 금속박막(460)의 전면으로 입사되지 않는다면, 중합체(450)의 유효 굴절률은 변경되지 않으므로, 제1 금속박막(440)의 제1 표면 플라즈몬 공명각 역시 변경되지 않는다. 따라서, 주도파로(410)의 일단을 통해 입력된 광신호는 광결합영역을 통해서 삼각형상의 공진도파로(420)로 광결합되며, 공진도파로(420)로 광결합된 광신호에 의해 제1 금속박막(440)의 후면에 존재하는 자유전자가 제1 표면 플라즈몬 공명파를 형성하게 된다. 이에 따라, 공진도파로(420)로 광결합된 광신호는 공진도파로(420) 내를 주회하게 되어 주도파로(410)의 타단을 통해 출력되는 광이 존재하지 않게 된다(스위치 오프).
반대로, 상기한 상태에서 외부도파로(470)를 통해 제어광이 제2 금속박막(460)의 전면으로 입사된다면, 제2 금속박막(460)의 후면에서 발생하는 제2 표면 플라즈몬 공명파에 의해 중합체(450)의 유효 굴절률은 변경되므로, 제1 금속박막(440)의 제1 표면 플라즈몬 공명각 역시 변경된다. 따라서, 이러한 경우 주도파로(410)와 공진도파로(420) 사이의 광결합조건이 변경되어 주도파로(410)에서 공진도파로(420)로의 광결합이 발생하지 않으며, 이에 따라 주도파로(410)의 타단을 통해 광이 출력된다(스위치 온).
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제1 입사도파로(120, 220)와 대응되는 광도파로 및 출사도파로(130, 230)와 대응되는 광도파로 각각이 제1 금속박막(440)의 전면에 수직한 법선과 이루는 각은 변경후의 제1 금속박막(440)의 제1 표면 플라즈몬 공명각과 동일할 수 있다.
이러한 상태에서 외부도파로(470)를 통해 제어광이 제2 금속박막(460)의 전면으로 입사되지 않는다면, 중합체(450)의 유효 굴절률은 변경되지 않으므로, 제1 금속박막(440)의 제1 표면 플라즈몬 공명각 역시 변경되지 않는다. 따라서, 이러한 경우 주도파로(410)에서 공진도파로(420)로의 광결합이 발생하지 않으며, 이에 따라 주도파로(410)의 타단을 통해 광이 출력된다(스위치 온)
반대로, 상기한 상태에서 외부도파로(470)를 통해 제어광이 제2 금속박막(460)의 전면으로 입사된다면, 제2 금속박막(460)의 후면에서 발생하는 제2 표면 플라즈몬 공명파에 의해 중합체(450)의 유효 굴절률은 변경되므로, 제1 금속박막(440)의 제1 표면 플라즈몬 공명각 역시 변경된다. 따라서, 이러한 경우 주도파로(410)의 일단을 통해 입력된 광신호는 광결합영역을 통해서 삼각형상의 공진도파로(420)로 광결합되며, 공진도파로(420)로 광결합된 광신호에 의해 제1 금속박막(440)에 존재하는 자유전자가 표면 플라즈몬 공명파를 형성하게 된다. 이에 따라, 공진도파로(420)로 광결합된 광신호는 공진도파로(420) 내를 주회하게 되어 주도파로(410)의 타단을 통해 출력되는 광이 존재하지 않게 된다(스위치 오프).
한편, 도 4에서는 주도파로(410) 및 공진도파로(420)를 구성하는 복수의 광도파로 중 주도파로(410)와 평행한 광도파로가 별개의 도파로인 것으로 설명하였으나, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 주도파로(410) 및 이와 평행한 광도파로는 도 5에 도시된 바와 같이 일체로 구성될 수도 있다.
도 6은 본 발명의 제4 실시예에 따른 전광 스위치의 상세한 구성을 도시한 도면이다.
본 발명의 제4 실시예에 따른 전광 스위치(600)는 도 2에 도시된 본 발명의 제2 실시예에 따른 전광 스위치(200)에 마흐-젠더 전계광학 변조기(Mach-Zehnder Electrooptic Modulator)를 결합한 구조를 갖는다.
마흐-젠더 전계광학 변조기는 두 개의 도파로가 서로 평행하게 구성되어 있는 구조를 가지고, 전기광학물질 위에 만들어진 변조기의 입력 부분에 입사되는 빛은 서로 다른 두 개의 도파로 경로를 거쳐 다시 하나의 빛으로 합쳐진다. 이때 한쪽 경로에 전압을 가하게 되면 그 부분에서 굴절률이 변하게 되고 이에 따라 해당 경로를 통과하는 빛이 위상 변화를 일으켜 다른 경로를 거쳐 온 빛과 보강 또는 상쇄간섭을 일으키게 된다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 제4 실시예에 따른 전광 스위치(600)는 주도파로(610), 보조도파로(620), 공진도파로(630), 전반사소자(640), 제1 금속박막(650), 중합체(660), 제2 금속박막(670) 및 외부 도파로(680)를 포함한다.
주도파로(610)의 일단으로는 광신호가 입력되고, 타단으로는 광신호가 출력되며, 그 사이에는 광신호의 적어도 일부가 분기되는 제1 광경합영역이 형성된다. 그리고, 보조도파로(620)는 주도파로와 평행하게 배치되고, 보조도파로(620)의 일단은 주도파로(610)의 일단과 광결합되고 타단은 주도파로(610)의 타단과 광결합된다. 또한, 공진도파로(630), 전반사소자(640), 제1 금속박막(650), 중합체(660), 제2 금속박막(670) 및 외부도파로(680)는 주도파로(610)를 기준으로 앞서 도 4에서 설명한 바와 동일하게 배치된다(이 경우에도 제2 금속박막(670)은 포함되지 않을 수 있다. 즉, 이 경우는 본 발명의 제1 실시예에 따른 전광 스위치(100)에 마흐-젠더 전계광학 변조기를 결합한 경우이다).
마흐-젠더 전계광학 변조기의 입력단으로 입력된 광신호는 서로 다른 두 개의 광도파로(610, 620)를 거쳐 다시 하나의 빛으로 합쳐진 후 출력단으로 출사된다. 이 때, 주도파로(610)를 통해 입사된 광신호는 주도파로(610)와 평행하게 배치된 공진도파로(630)를 구성하는 광도파로로 결합되어 공진도파로(630)로 입력된다.
공진도파로(630)로 입력된 분기광신호는 공진도파로(630)의 꼭지점에 배치된 전반사소자(640) 및 제1 금속박막(650)에 의해 반사되어 공진도파로(630) 내를 주회한다.
특히, 공진도파로(630)를 통해 제1 금속박막(650)의 전면에 특정한 파장을 가진 분기광신호가 입사되면, 제1 금속박막(650)의 후면에 존재하는 자유전자가 제1 표면 플라즈몬 공명파를 형성한다. 이와 같이 제1 표면 플라즈몬 공명을 일으키기 위해서는 공진도파로(630)의 세변을 구성하는 광도파로 중에서 마흐-젠더 전계광학 변조기의 주도파로(610)와 평행하게 배치되는 광도파로를 제외한 나머지 두 개의 광도파로(앞서 도 1에서 설명한 제1 입사도파로(120) 및 출사도파로(130))는 전반사소자(640)의 전면에 수직한 법선에 대해 제1 금속박막(650)의 제1 표면 플라즈몬 공명각을 갖도록 배치되어야 한다. 이 때, 제1 표면 플라즈몬 공명각은 앞서 설명한 바와 같이 중합체(660)의 유효 굴절률의 변경전의 표면 플라즈몬 공명각일 수도 있고, 변경후의 표면 플라즈몬 공명각일 수도 있다.
이러한 조건에서 외부도파로(680)를 통해 입력된 제어광이 제2 금속박막(670)의 전면으로 입사되면, 제2 금속박막(670)의 후면에서 제2 표면 플라즈몬 공명이 발생하여 중합체의 유효 굴절률이 변경되고, 이에 따라 제1 금속박막(650)에서의 제1 표면 플라즈몬 공명 조건(공명각)이 변경된다.
이와 같이 제1 표면 플라즈몬 공명 조건이 바뀌게 되면 마흐-젠더 전계광학 변조기 형태를 구성하는 주도파로(610)에서 공진도파로(630)로 광신호가 결합되는 조건이 바뀌게 된다. 이와 같이 변경된 제1 표면 플라즈몬 공진 조건에 의해 공진도파로(630)로부터 마흐-젠더 전계광학 변조기 형태를 구성하는 주도파로(610)로 결합되는 광신호가 보조도파로(620)를 거쳐 온 광신호와 보강 또는 상쇄간섭을 일으켜 마흐-젠더 전계광학 변조기의 출력단을 통해 광이 출력된다.
도 7은 본 발명의 제5 실시예에 따른 전광 스위치의 상세한 구성을 도시한 도면이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 제4 실시예에 따른 전광 스위치(700)는 주도파로(710), 광결합부(720), 공진도파로(730), 전반사소자(740), 제1 금속박막(750), 중합체(760), 제2 금속박막(770) 및 외부도파로(780)를 포함한다.
주도파로(710)의 일단으로는 광신호가 입력되고, 타단으로는 광신호가 출력된다. 그리고 주도파로(710)에는 입력된 광신호가 광결합부(720)로 결합되는 광결합영역이 형성된다.
광결합부(720)는 주도파로(710)의 일단으로 입력된 광신호를 주도파로(710)의 타단 및 공진도파로(730)로 분배한다. 또한 광결합부(720)는 공진도파로(730) 내를 주회한 광신호를 주도파로(710)의 타단 및 공진도파로(730)로 분배한다.
이러한 광결합부(720)에 의해 자기상 맺힘(Self Imaging) 현상을 이용한 다중 모드 간섭 결합기(MMIC: Multi-mode Interference Coupler)를 구성하면 전체적인 전광 스위치의 크기를 줄일 수 있고, 광결합부(720)와 다른 소자들을 단일 웨이퍼 상에 용이하게 구현할 수 있는 이점이 있다.
공진도파로(730)는 광결합부(720)와 광결합되어 주도파로(710)의 일단을 통해 입력된 광신호 중에서 공진도파로(730)로 결합되는 분기광을 입력받는 광결합영역을 가지며, 복수의 광도파로가 사각형상으로 배치되어 구성된다. 이때 사각형상의 공진도파로(730)의 네변을 구성하는 광도파로 중에서 하나의 광도파로가 광결합기(720)에 접속된다.
전반사소자(740) 및 제1 금속박막(750)은 사각형상의 공진도파로(730)의 네변을 구성하는 광도파로들이 서로 접속되는 지점인 꼭지점 영역에 배치된다. 보다 상세하게, 광결합부(720)에 결합된 광도파로를 제외한 다른 세 개의 광도파들이 접속하는 꼭지점 중 하나의 꼭지점에는 제1 금속박막(750)이 배치되며, 나머지 꼭지점에는 전반사소자(740)가 배치된다.
공진도파로(730)를 통해 제1 금속박막(750)의 전면에 특정한 파장을 가진 분기광신호가 입사되면, 제1 금속박막(750)의 후면에 존재하는 자유전자가 표면 플라즈몬 공명파를 형성한다. 이와 같이 표면 플라즈몬 공명을 일으키기 위해서는 제1 금속박막(750)에 접하는 두 개의 광도파로 각각은 제1 금속박막(750)의 전면에 수직한 법선에 대해 제1 금속박막(750)의 제1 표면 플라즈몬 공명각을 갖도록 배치되어야 한다. 이 때, 제1 표면 플라즈몬 공명각은 앞서 설명한 바와 같이 중합체(760)의 유효 굴절률의 변경전의 표면 플라즈몬 공명각일 수도 있고, 변경후의 표면 플라즈몬 공명각일 수도 있다.
이러한 조건에서 외부도파로(780)(앞서 도 1에서 설명한 제2 입사도파로(150)와 대응됨)를 통해 입력된 제어광이 제2 금속박막(770)의 전면으로 입사되면, 제2 금속박막(770)의 후면에서 제2 표면 플라즈몬 공명이 발생하여 중합체의 유효 굴절률이 변경되고, 이에 따라 제1 금속박막(750)에서의 제1 표면 플라즈몬 공명 조건(공명각)이 변경된다.
이와 같이 변경된 공진조건에 의해 주도파로(710)와 공진도파로(730) 사이의 광결합조건이 변경되어 주도파로(710)의 타단을 통해 광이 출력된다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (14)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 소정의 제1 표면 플라즈몬 공명각을 가지는 제1 금속박막;
    상기 제1 금속박막의 전면에 수직한 법선과 소정의 각도를 이루도록 배치되며, 광신호를 상기 제1 금속박막의 전면으로 입사시키는 제1 입사도파로;
    상기 제1 금속박막의 전면에 수직한 법선에 대해 상기 제1 입사도파로와 대칭되도록 배치되며, 상기 제1 금속박막의 전면에서 반사되는 상기 광신호를 출력하는 출사도파로;
    상기 제1 금속박막의 후면에 배치되는 중합체;
    후면이 상기 중합체의 다수의 측면 중 상기 제1 금속박막이 위치하는 측면을 제외한 어느 하나의 측면과 마주보도록 배치되며, 소정의 제2 표면 플라즈몬 공명각을 가지는 제2 금속박막; 및
    상기 제2 금속박막의 전면에 수직한 법선과 상기 제2 표면 플라즈몬 공명각을 이루도록 배치되고, 상기 제2 금속박막으로 제어광을 입사시키기 위한 제2 입사도파로를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 전광 스위치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제2 입사도파로를 통해 상기 제어광이 상기 제2 금속박막의 전면으로 입사되는 경우, 상기 제2 금속박막의 후면에는 상기 제어광에 의한 제2 표면 플라즈몬 공명이 발생하고, 상기 중합체의 유효 굴절률은 상기 제2 표면 플라즈몬 공명에 의해 변경되며,
    상기 제1 표면 플라즈몬 공명각은 상기 중합체의 유효 굴절률의 변경에 대응하여 변경되는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 전광 스위치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 소정의 각도는 변경전의 상기 제1 표면 플라즈몬 공명각과 동일한 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 전광 스위치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제2 입사도파로를 통해 상기 제어광이 상기 제2 금속박막의 전면으로 입사되지 않는 경우, 상기 제1 금속박막의 후면에서는 상기 광신호에 의한 제1 표면 플라즈몬 공명이 발생하고, 상기 제1 금속박막의 전면에서는 상기 광신호의 반사가 일어나지 않고, 상기 출사도파로에서는 상기 광신호가 출력되지 않으며,
    상기 제2 입사도파로를 통해 상기 제어광이 상기 제2 금속박막의 전면으로 입사되는 경우, 상기 제1 금속박막의 후면에서는 상기 광신호에 의한 제1 표면 플라즈몬 공명이 발생하지 않고, 상기 제1 금속박막의 전면에서는 상기 광신호의 반사가 일어나고, 상기 출사도파로에서는 상기 광신호가 출력되는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 전광 스위치.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 소정의 각도는 변경후의 상기 금속박막의 표면 플라즈몬 공명각과 동일한 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 전광 스위치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제2 입사도파로를 통해 상기 제어광이 상기 중합체로 입사되지 않는 경우, 상기 제1 금속박막의 후면에서는 상기 광신호에 의한 제1 표면 플라즈몬 공명이 발생하지 않고, 상기 제1 금속박막의 전면에서는 상기 광신호의 반사가 일어나고, 상기 출사도파로에서는 상기 광신호가 출력되며,
    상기 제2 입사도파로를 통해 상기 제어광이 상기 중합체로 입사되는 경우, 상기 제1 금속박막의 후면에서는 상기 광신호에 의한 제1 표면 플라즈몬 공명이 발생하고, 상기 제1 금속박막의 전면에서는 상기 광신호의 반사가 일어나지 않고, 상기 출사도파로에서는 상기 광신호가 출력되지 않는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 전광 스위치.
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