KR101362130B1 - 표면 플라즈몬 파의 집적회로를 위한 광 소자 - Google Patents
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Abstract
표면 플라즈몬의 집적회로를 위한 금속-유전체-금속 도파로 기반의 초고속, 저 전력 소모의 고성능 나노 광 변조기를 포함하는 광 소자에 관해 개시한다. 본 발명의 광 소자는, 금속-유전체-금속 플라즈모닉 도파로 기반의 듀오-스터브 구조로서, 플라즈몬-유도 투과 현상을 얻기 위하여 넓은 주파수 흡수대역을 갖는 브라이트(bright)-모드와 좁은 투과대역을 갖는 다크(dark)-모드를 여기시킬 수 있도록 서로 다른 길이의 두 개의 스터브 구조가 도파로의 양쪽에서 서로 마주 보는 형식으로 도파로에 수직되게 배치되어 있는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 초고속, 저 전력 소모 및 나노-스케일의 광 소자의 기능 구현, 예컨대 플라즈모닉 스위칭 등의 구현이 작은 구조와 간단한 제작을 통하여 이뤄지기 때문에 광 소자의 제조의 비용이 낮아지는 장점을 갖는다.
Description
본 발명은 플라즈모닉 광 소자에 관한 것으로, 특히 표면 플라즈몬의 집적회로를 위한 금속-유전체-금속 도파로 기반의 초고속, 저 전력 소모의 고성능 나노 광 변조기를 포함하는 광 소자에 관한 것이다.
금속-유전체 접합 면에서 전하 진동에 의해 형성되는 전자기파로 알려져 있는 표면 플라즈몬 폴라리톤(Surface plasmon polariton; 이하, "SPP")은 빛을 파장 크기보다 작은 구조체 내에 집속시킬 수 있는 장점으로 최근 물리, 화학, 생물학 등의 넓은 과학분야에서 관심을 받고 있다. 금속-유전체-금속 도파로는 두 접합 면에서 여기 되는 SPP 모드를 결합시켜 전파되는 SPP 모드의 대부분이 유전체에 놓이도록 함으로써 금속에서의 열 손실을 줄여 나노 광 회로 구현의 중요한 문제점인 전파거리를 해결해주는 유망한 대안으로 여겨지고 있다. 이러한 도파로 기반의 스터브(stub) 구조는 마이크로 웨이브 영역에서 개회로(open) 또는 단락회로(short)의 방식으로 전송선로에 연결되던 구조를 플라즈모닉 도파로(plasmonic waveguide)에로 이식함으로써 구조의 구성이 간단하고 크기가 작은 등의 장점들로 인해 최근 표면 플라즈몬 제어를 위한 소자 설계에 많이 이용되고 있다.
하지만 기존의 스터브 구조 기반의 광 소자들은 마이크로 웨이브 영역에서의 사용 방식을 그대로 광 영역으로 스케일링(scaling)한 것에 머무르고 있는 실정이다. 따라서 이러한 구조적 우수성에도 불구하고 나노-스케일의 플라즈모닉 소자들의 높은 공간 집속도에 따른 열 손실과 동작성능을 위한 소모 전력간의 트레이드 오프(trade-off) 관계는 플라즈모닉 소자 설계의 가장 큰 이슈이다. 따라서 기술적인 한계를 극복하기 위해서는 기본 고전 광학과는 다른 접근 방식인 - 전자/양자적 관점이 필요할 것으로 여겨진다.
최근 양자 효과의 광학적 모사에 많은 노력이 기울어지는데 이 중에서 전자기 유도 투과 현상 (Electromagnetically induced transparency; 이하, "EIT")는 높은 민감도(sensitivity)를 갖는 플라즈모닉 빔 제어를 가능케 한다는 점에서 다양한 접근 방식이 시도되고 있다. 양자에서의 전자기 유도 투과 현상은 3-준위 원자계에서 나타나는 물리적 현상으로 넓은 광학적 흡수 대역에서 아주 좁은 대역의 투과 응답을 얻음으로써 주파수 응답의 민감도를 높일 수 있다. 이러한 물리적 현상은 날카로운 주파수 응답 곡선을 얻을 수 있기에 최근 많은 광 소자들의 성능 향상에 이용되고 있다. 예를 들면 광 스위치의 변조 깊이(modulation depth)의 향상, 나노 광 센서의 민감도 향상 및 소모 전력의 감소 등이 있다.
하지만 현재까지의 이러한 연구들에서는 단순하게 전자기 유도 투과 현상만을 플라즈몬을 기반으로 하는 플라즈몬-유도 투과 현상(Plasmon-induced transparency; 이하 "PIT")로 모사하는데 그쳤고 그 현상에 내포되어 있는 파노-공명(Fano-resonance)에 대해서는 잘 알려져 있지 않다. 파노-공명은 서로 다른 에너지 준위 사이의 간섭현상에 의해 비대칭적인 주파수 응답 곡선을 얻는 현상으로 이러한 비대칭성에 대한 제어를 통하여 주파수 응답 곡선의 민감도를 높일 수 있다. 따라서 나노 집적회로의 구현을 위해서는 EIT 현상이 내포하고 있는 파노-공명의 발현을 통하여 주파수 응답의 민감도를 최대한으로 높이는 것이 바람직하다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 플라즈몬-유도 투과 현상에서의 파노-공명 발현을 제어 및 극대화 시킬 수 있는 구조를 설계하고 초고속, 저 전력소모, 높은 동작 성능을 갖는, 표면 플라즈몬 파의 집적회로를 위한 광 소자를 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 광소자는 표면 플라즈몬파의 집적회로를 위한 것으로서, 대표적인 예로서는 스위칭 소자가 될 수 있으며, SPP 모드가 입사되는 금속-유전체-금속 도파로 기반의 듀오-스터브 구조로서, 플라즈몬-유도 투과 현상을 얻기 위하여 넓은 주파수 흡수대역을 갖는 브라이트(bright)-모드와 좁은 투과대역을 갖는 다크(dark)-모드를 여기시킬 수 있도록 서로 다른 길이의 두 개의 스터브 구조가 도파로의 양쪽에 도파로와 수직되는 방향으로 도파로에 연결시켜 배치하는 것을 특징으로 한다.
여기서 두 개의 스터브 구조는 모두 도파로와 같은 구성인 금속-유전체-금속 구조로 되어있고 항상 도파로와 같은 유전체 폭을 갖고 있어 스터브에서 여기 되는 공진모드가 최대한 넒은 주파수 대역을 갖도록 한다.
또한 두 스터브 구조의 길이의 차이는 표면 플라즈몬파 파장의 반파장보다 작은 정도여야 하며, 예컨대 그보다 훨씬 작은, 파장의 10% 이하일 수 있다.
또한 스터브 구조의 유전체 부분에 전기적 능동물질을 사용하고 외부전력을 연결하는 구조를 택함으로써 스터브에서의 공진 모드의 주파수를 능동적으로 제어할 수 있다. 이 경우, 광 소자의 일 예로서 플라즈몬에 대한 스위치 기능을 수행할 수 있게 된다.
또는 도파로와 스터브 구조의 접합 부분에 도파로 또는 스터브 구조의 유전체와는 다른 굴절률 값을 갖는 유전체를 넣거나, 금속물질을 넣어서 주파수 응답 곡선의 파노-공명을 이용한 비대칭성을 제어 할 수 있다.
그 밖에도, 듀오-스터브 구조에서 스터브-도파로 접합부분의 사이즈를 증가시켜 비대칭 투과 곡선을 얻어서 표면 플라즈몬의 인 플레인(in-plane) 제어를 능동적으로 할 수도 있다.
또는, 듀오-스터브 구조에서 스터브-도파로 접합부분의 엣지를 둥글게 하여 비대칭 투과 곡선을 얻어서 표면 플라즈몬의 인 플레인(in-plane) 제어를 능동적으로 할 수도 있다.
본 발명에 따르면, 초고속, 저 전력 소모 및 나노-스케일의 광 소자의 기능 구현, 예컨대 플라즈모닉 스위칭 등의 구현이 작은 구조와 간단한 제작을 통하여 이뤄지기 때문에 광 소자의 제조의 비용이 낮아지는 장점을 갖는다.
도 1a는 본 발명의 실시예 1의 광 소자에 따른 플라즈몬-유도 투과 현상을 얻기 위한 금속-유전체-금속 플라즈모닉 도파로 및 스터브 기반 구조에서 SPP 신호의 여기, 전파 및 검출의 동작 과정을 설명하기 위한 구조 단면도;
도 1b와 도 1c는 도 1a의 듀오-스터브 구조에서 여기되는 브라이트-모드와 다크-모드의 자기장 Hz을 각각 나타낸 도면들;
도 1d는 본 발명의 실시예 1의 광 소자에 따른 플라즈몬-유도 투과 곡선의 비대칭 정도를 표현하기 위하여 투과곡선에서의 최대값과 그 좌우에 있는 최소값 사이의 주파수 대역폭의 비율을 비대칭 계수로 정의하였으며 이를 이론적인 계산 결과로 나타낸 도면;
도 1e는 본 발명의 실시예 1의 광 소자에 따른 플라즈몬-유도 투과 곡선의 비대칭성을 정의하기 위한 비대칭 계수와 이에 영향을 주는 구조적 변수 사이의 선형 증가의 관계를 이론적인 계산 결과로 나타낸 도면;
도 2는 본 발명의 실시예 1의 광 소자에 따른 파노-공명의 발현을 위한 조건인 다크-모드의 공진 주파수를 단독적인 제어를 실현하기 위하여 스터브-도파로 접합 부분의 폭을 변화시킨 것에 대한 이론 및 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면;
도 3a와 도 3b는 본 발명의 실시예 1의 광 소자와 비교하기 위해, 두 개의 스터브 구조가 같은 길이를 가질 때 플라즈몬-유도 투과 현상을 얻을 수 없음을 보여주는 주파수 응답의 이론계산 및 시뮬레이션 결과를 보여주는 도면들;
도 3c와 도 3d는 본 발명의 실시예 1의 광 소자와 같이 두 스터브 구조의 길이가 살짝만 다를 경우 아주 좁은 주파수 대역폭을 갖는 플라즈몬-유도 투과 현상이 생기는 것을 보여주는 이론계산 및 시뮬레이션 결과를 보여주는 도면들;
도 3e와 도 3f는 본 발명의 실시예 1의 광 소자에서 스터브-도파로 접합부분의 폭을 설계에 따라 늘릴 경우 플라즈몬-유도 투과 곡선에 파노-공명에 의한 비대칭 성이 가해지면서 더욱 날카로워지는 현상을 보여주는 이론계산 및 시뮬레이션 결과를 보여주는 도면들;
도 4a는 본 발명의 실시예 2의 광 소자에서와 같이 스터브-도파로 접합부분에 도파로 또는 스터브의 유전체보다 높은 굴절률을 갖는 유전체를 채워 넣을 시 접합부분의 유효 폭을 늘림으로써 플라즈몬-유도 투과 현상의 파노-공명을 발현 시키는 작용 원리를 설명하기 위한 구조 단면도;
도 4b는 본 발명의 실시예 2의 광 소자에서와 같이 스터브-도파로 접합부분의 유전체의 굴절률을 바꿈으로써 플라즈몬-유도 투과 곡선의 비대칭성을 제어할 수 있음을 이론계산 및 시뮬레이션 결과로 보여주는 도면;
도 5a는 본 발명의 실시예 3의 광 소자로서 고성능 플라즈모닉 스위치 소자의 간단한 일 작동례인 오프-스테이트(off-state)를 나타낸 구조 단면도이며, 도 5b는 도 5a의 스위치의 일 동작례인 오프-스테이트(off-state)를 시뮬레이션 결과인 자기장 분포로 나타낸 도면;
도 5c는 본 발명의 실시예 3의 광 소자로서의 스위치 소자의 간단한 일 동작례인 온-스테이트(on-state)를 나타낸 구조 단면도이며, 도 5d는 도 5c의 스위치의 일 동작례인 온-스테이트(on-state)를 시뮬레이션 결과인 자기장 분포로 나타낸 도면;
도 5e는 본 발명의 실시예 3의 광 소자로서의 고성능 스위치 소자의 간단한 일 동작례인 온/오프 스테이트(On/Off state)를 시뮬레이션 결과인 주파수 응답 곡선으로 나타낸 도면;
도 6a는 본 발명의 실시예 3의 광 소자로서의 스위치 소자의 성능인 투과율을 나타낸 시뮬레이션 결과를 보여준 도면; 및
도 6b는 본 발명의 실시예 3의 광 소자로서의 스위치 소자의 성능 지수인 FOM(Figure Of Merit)을 나타낸 시뮬레이션 결과를 보여준 도면이다.
도 1b와 도 1c는 도 1a의 듀오-스터브 구조에서 여기되는 브라이트-모드와 다크-모드의 자기장 Hz을 각각 나타낸 도면들;
도 1d는 본 발명의 실시예 1의 광 소자에 따른 플라즈몬-유도 투과 곡선의 비대칭 정도를 표현하기 위하여 투과곡선에서의 최대값과 그 좌우에 있는 최소값 사이의 주파수 대역폭의 비율을 비대칭 계수로 정의하였으며 이를 이론적인 계산 결과로 나타낸 도면;
도 1e는 본 발명의 실시예 1의 광 소자에 따른 플라즈몬-유도 투과 곡선의 비대칭성을 정의하기 위한 비대칭 계수와 이에 영향을 주는 구조적 변수 사이의 선형 증가의 관계를 이론적인 계산 결과로 나타낸 도면;
도 2는 본 발명의 실시예 1의 광 소자에 따른 파노-공명의 발현을 위한 조건인 다크-모드의 공진 주파수를 단독적인 제어를 실현하기 위하여 스터브-도파로 접합 부분의 폭을 변화시킨 것에 대한 이론 및 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면;
도 3a와 도 3b는 본 발명의 실시예 1의 광 소자와 비교하기 위해, 두 개의 스터브 구조가 같은 길이를 가질 때 플라즈몬-유도 투과 현상을 얻을 수 없음을 보여주는 주파수 응답의 이론계산 및 시뮬레이션 결과를 보여주는 도면들;
도 3c와 도 3d는 본 발명의 실시예 1의 광 소자와 같이 두 스터브 구조의 길이가 살짝만 다를 경우 아주 좁은 주파수 대역폭을 갖는 플라즈몬-유도 투과 현상이 생기는 것을 보여주는 이론계산 및 시뮬레이션 결과를 보여주는 도면들;
도 3e와 도 3f는 본 발명의 실시예 1의 광 소자에서 스터브-도파로 접합부분의 폭을 설계에 따라 늘릴 경우 플라즈몬-유도 투과 곡선에 파노-공명에 의한 비대칭 성이 가해지면서 더욱 날카로워지는 현상을 보여주는 이론계산 및 시뮬레이션 결과를 보여주는 도면들;
도 4a는 본 발명의 실시예 2의 광 소자에서와 같이 스터브-도파로 접합부분에 도파로 또는 스터브의 유전체보다 높은 굴절률을 갖는 유전체를 채워 넣을 시 접합부분의 유효 폭을 늘림으로써 플라즈몬-유도 투과 현상의 파노-공명을 발현 시키는 작용 원리를 설명하기 위한 구조 단면도;
도 4b는 본 발명의 실시예 2의 광 소자에서와 같이 스터브-도파로 접합부분의 유전체의 굴절률을 바꿈으로써 플라즈몬-유도 투과 곡선의 비대칭성을 제어할 수 있음을 이론계산 및 시뮬레이션 결과로 보여주는 도면;
도 5a는 본 발명의 실시예 3의 광 소자로서 고성능 플라즈모닉 스위치 소자의 간단한 일 작동례인 오프-스테이트(off-state)를 나타낸 구조 단면도이며, 도 5b는 도 5a의 스위치의 일 동작례인 오프-스테이트(off-state)를 시뮬레이션 결과인 자기장 분포로 나타낸 도면;
도 5c는 본 발명의 실시예 3의 광 소자로서의 스위치 소자의 간단한 일 동작례인 온-스테이트(on-state)를 나타낸 구조 단면도이며, 도 5d는 도 5c의 스위치의 일 동작례인 온-스테이트(on-state)를 시뮬레이션 결과인 자기장 분포로 나타낸 도면;
도 5e는 본 발명의 실시예 3의 광 소자로서의 고성능 스위치 소자의 간단한 일 동작례인 온/오프 스테이트(On/Off state)를 시뮬레이션 결과인 주파수 응답 곡선으로 나타낸 도면;
도 6a는 본 발명의 실시예 3의 광 소자로서의 스위치 소자의 성능인 투과율을 나타낸 시뮬레이션 결과를 보여준 도면; 및
도 6b는 본 발명의 실시예 3의 광 소자로서의 스위치 소자의 성능 지수인 FOM(Figure Of Merit)을 나타낸 시뮬레이션 결과를 보여준 도면이다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 아래의 실시예는 본 발명의 내용을 이해하기 위해 제시된 것일 뿐이며 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상 내에서 많은 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명의 권리범위가 이러한 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다.
[본 발명의 이론적 바탕]
본 발명에서 구현한 플라즈몬-유도 투과 현상은 양자에서의 전자기 유도 투과 현상을 플라즈몬 기반에서 모사한것으로서, 민감도가 높은 주파수 응답 곡선을 얻을 수 있는 것으로 최근 많이 시도되고 있다. 이러한 플라즈몬-유도 투과 곡선이 내포하고 있는 주파수 응답에서의 비대칭성은 파노-공명에 의한 모드 사이의 간섭에 의한 것이다.
도 1a는 본 발명의 실시예 1의 광 소자(100)에 따른 플라즈몬-유도 투과 현상을 얻기 위한 금속-유전체-금속 플라즈모닉 도파로 및 스터브 기반 구조에서 SPP 신호의 여기, 전파 및 검출의 동작 과정을 설명하기 위한 구조 단면도이다. 이는 다른 플랫폼(platform), 예를 들면 광 결정(photonic crystal), 실리콘 포토닉스(silicon photonics) 등 기타 플랫폼에서도 구현 가능하다. 도 1a와 같이 도파로의 왼쪽 입구에서 SPP 모드 발생장치(110)에 의해 SPP 모드를 야기시키면 신호는 도파로(130)를 따라 오른쪽으로 전파되다 도파로 양쪽에 수직으로 놓여져 있는 두 개의 스터브(144) 구조에 들어가게 되며 도파로의 폭 w와 같은 폭 w을 가지고 있는 스터브 구조에서 임피던스 변화를 거의 느끼지 못하게 되어 넓은 주파수 대역폭을 가지는 브라이트-모드(bright-mode)를 여기시킨다. 이 때 살짝 다른 길이(L1, L2)의 두 스터브(142, 144) 구조에서 여기되는 브라이트-모드들의 공진 주파수 또한 작은 차이를 갖게 된다. 여기서 "살짝 다른 길이"라는 것은 대체로 표면 플라즈몬파 파장의 반파장보다 작은 차이로서, 예컨대 파장의 10% 이하일 수 있다. 도파로 모드와 직접적인 상호영향을 주고 받는 브라이트-모드와는 달리 다크-모드(dark-mode)는 브라이트-모드를 통해서만 여기 될 수 있고 좁은 투과 대역폭을 가진다. 도파로를 지나온 후에는 SPP 모드 검출장치(120)에 의해 검출된다. 이 때, 도 1a의 듀오-스터브 구조에서 여기되는 브라이트-모드와 다크-모드의 자기장 Hz을 각각 나타낸 도면들인 도 1b와 도 1c에서 볼 수 있듯이 여기된 브라이트-모드의 공진 주파수는 각각의 스터브 구조의 길이에 의해서 정해지고 다크-모드의 공진 주파수는 두 개의 스터브 구조 및 스터브-도파로 접합 부분의 합에 의해서 결정된다.
도 1d는 도 1a의 구조의 보편적인 주파수 투과 응답 곡선에 대한 이론적인 계산 결과이다. 여기서 주파수 도메인에서의 투과곡선의 비대칭성 정도를 정의하기 위하여 투과 곡선의 최대값 투과율에 해당하는 주파수와 그의 좌우에 놓여있는 최소값 투과율에 해당하는 주파수들 사이의 주파수 차이값인 
와
의 비율을 비대칭성 정도를 나타내는 변수 
로 표현할 수 있다. 아래 수학식 1은 도 1d의 광 소자에서의 이론적인 투과 응답에서 주파수 차이값에 대한 표현식을 유도하여 얻을 수 있다.
여기서,
이며, 또한, 
는 각각 브라이트-모드(bright-mode) 및 다크-모드(dark-mode)의 공진 주파수이고 
는 이들 두 모드 사이의 결합 계수이다.
도 1e는 본 발명의 실시예 1의 광 소자에 따른 플라즈몬-유도 투과 곡선의 비대칭성을 정의하기 위한 비대칭 계수와 이에 영향을 주는 구조적 변수 사이의 선형 증가의 관계를 이론적인 계산 결과로 나타낸 도면인데, 도 1e에서 비대칭성의 크기를 나타내는 변수 
와 
는 선형 증가하는 관계를 갖고 있기에 
를 비대칭 계수로 정의할 수 있다. 이러한 결과에 따르면 플라즈몬-유도 투과 곡선의 비대칭성은 브라이트-모드(bright-mode) 및 다크-모드(dark-mode)의 공진 주파수 차이에 정비례하고 이 두 모드의 결합계수에 반비례하는 경향성을 갖고 있다. 즉, 극대화된 투과 응답 곡선을 얻으려면 구조에서 여기되는 브라이트-모드(bright-mode) 및 다크-모드(dark-mode)의 공진 주파수 차이를 최대한도로 증가시키고 두 모드 사이의 결합계수는 최소로 감소시켜야 한다.
[제1 실시예]
이러한 이론 결과를 예시로 제안한 플라즈모닉 도파로 / 스터브 기반의 구조에 적용하기 위하여 일단 비대칭 계수의 분모에 해당하는 두 모드 사이의 결합계수가 최소값을 갖게 해야 한다. 최소값인 0이 되게 하려면 두 모드가 서로 직교(orthogonal)한 상태로 되게 해야 하는데 이는 두 스터브 구조의 길이를 같게 하면 된다. 다만 이 경우는 다크-모드(dark-mode)가 여기 되지 않음을 의미하게 되어 플라즈몬-유도 투과 현상이 사라져버리게 된다. 따라서 다크-모드(dark-mode)의 여기를 담보하기 위해 두 스터브의 길이 차이를 표면 플라즈몬파 파장보다 훨씬 작게 하여 (파장의 10분의 1 이하) 두 모드가 준직교(quasi-orthogonal)한 상태에 이르게 하는 것이 가장 이상적이다.
다음으로 고려해야 할 것은 비대칭 계수의 분자에 해당하는 브라이트-/다크-모드 의 주파수 차이를 증가시키는 것이다. 도 2는 본 발명의 실시예 1의 광 소자에 따른 파노-공명의 발현을 위한 조건인 다크-모드의 공진 주파수를 단독적인 제어를 실현하기 위하여 스터브-도파로 접합 부분의 폭을 변화시킨 것에 대한 이론 및 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다. 도 2에서 볼 수 있듯이 브라이트-모드와 다크-모드의 전기장 에너지 분포는 스터브-도파로 접합 부분에서 큰 차이를 갖고 있다. 즉, 브라이트-모드는 접합부분에 분포된 에너지가 거의 없는데 비해 다크-모드는 접합부분에 거의 최대값에 달하는 에너지 분포가 있다. 따라서 접합부분의 사이즈를 변화시키면 브라이트-모드에는 거의 영향을 안주지만 다크-모드는 공진 주파수가 많이 변하게 된다. 이러한 모드 특성에 비춰 도 2에서 접합 부분의 사이즈를 늘림에 따라 브라이트-모드의 주파수는 거의 변하지 않는데 비해 다크-모드 공진 주파수는 감소하게 되는 것을 이론적 계산 및 시뮬레이션을 통하여 검증하였다.
도 3에서는 이러한 구조 변수의 변화 따른 주파수 응답 곡선의 변화를 이론적 계산 결과 및 시뮬레이션 결과를 통하여 보여주었다. 보다 상세히 설명하자면, 도 3a와 도 3b는 본 발명의 실시예 1의 광 소자와 비교하기 위해, 두 개의 스터브 구조가 같은 길이를 가질 때 플라즈몬-유도 투과 현상을 얻을 수 없음을 보여주는 주파수 응답의 이론계산 및 시뮬레이션 결과를 보여주는 도면들이며, 도 3c와 도 3d는 본 발명의 실시예 1의 광 소자와 같이 두 스터브 구조의 길이가 살짝만 다를 경우 아주 좁은 주파수 대역폭을 갖는 플라즈몬-유도 투과 현상이 생기는 것을 보여주는 이론계산 및 시뮬레이션 결과를 보여주는 도면들이며, 도 3e와 도 3f는 본 발명의 실시예 1의 광 소자에서 스터브-도파로 접합부분의 폭을 설계에 따라 늘릴 경우 플라즈몬-유도 투과 곡선에 파노-공명에 의한 비대칭 성이 가해지면서 더욱 날카로워지는 현상을 보여주는 이론계산 및 시뮬레이션 결과를 보여주는 도면들이다. 도 3a에서 두 스터브의 길이가 같은 경우 다크-모드가 여기되지 않기에 도 3b에서 플라즈몬-유도 투과 현상이 사라진 것을 확인하였고, 도 3c에서 두 스터브의 길이 차이를 파장(1550nm)에 비해 훨씬 작은 50nm로 하였을 경우 도 3d에서 PIT 현상을 관찰할 수 있었으며, 도 3e에서 스터브-도파로 접합부분의 사이즈를 증가하였을 경우 도 3f에서 비대칭적인 주파수 투과 곡선을 확인할 수 있었다.
[제2 실시예]
도 4a는 본 발명의 실시예 2의 광 소자에서와 같이 스터브-도파로 접합부분에 도파로 또는 스터브의 유전체보다 높은 굴절률을 갖는 유전체를 채워 넣을 시 접합부분의 유효 폭을 늘림으로써 플라즈몬-유도 투과 현상의 파노-공명을 발현 시키는 작용 원리를 설명하기 위한 구조 단면도이며, 도 4b는 본 발명의 실시예 2의 광 소자에서와 같이 스터브-도파로 접합부분의 유전체의 굴절률을 바꿈으로써 플라즈몬-유도 투과 곡선의 비대칭성을 제어할 수 있음을 이론계산 및 시뮬레이션 결과로 보여주는 도면이다. 즉, 도 4a에서는 실시예 1에서와 마찬가지로 플라즈모닉 금속-유전체-금속 도파로를 기반으로 하는 구조에서 스터브-도파로 접합 부분에 도파로 및 스터브 구조의 유전체와는 다른 굴절률 값을 갖는 유전체를 넣음으로써 접합 부분에서 파장이 느끼는 유효 사이즈를 바꿈으로써 브라이트-모드와 다크-모드 사이의 공진 주파수 차이를 변화시킬수 있는 실시예 2의 광 소자를 구현하였다. 즉, 접합 부분의 유전체의 굴절률 값이 증가될수록 플라즈몬-유도 투과 곡선의 비대칭성도 강해진다. 도 4b에서는 이러한 굴절률 변화에 따른 주파수 투과 곡선의 비대칭성의 차이를 이론적 계산 및 시뮬레이션 결과를 통하여 입증하였다.
[제3 실시예]
본 발명의 제3 실시예에 따른 소자는 외부 전력을 이용하여 능동적으로 플라즈몬의 투과율을 제어할 수 있는 나노-스케일의 표면 플라즈몬 스위치이다. 도 5a, 도 5c의 모식도와 같이 두 스터브 구조의 유전체 부분에 전기적 능동 물질을 채워넣고 스터브 부분만 외부 전력에 연결할 경우 외부 전력의 유무 또는 전압의 세기에 따라 스터브 부분의 굴절률을 능동적으로 제어할 수 있다. 도 5b, 도 5d는 유한요소법 (Finite element method, FEM) 기반의 COMSOL 시뮬레이션을 이용하여 얻은 결과로 스위치 소자의 간단한 일 동작례인 온/오프(On/Off) 상태에서의 자기장 세기 |Hz| 분포이며 도파로의 왼쪽 입구에서 동일한 세기의 SPP 신호를 여기시킨 경우 외부 전압의 크기에 따라 오른쪽 출구에서 빠져나가는 신호의 세기가 현저한 차이를 갖고 있음을 확인할 수 있다. 도 5e는 온/오프(On/Off) 상태에 상응한 주파수 투과율 곡선을 보여주는 시뮬레이션 결과이며 12dB의 변조깊이(modulation depth)를 보여준다. 도 5에서 보여준 스위치의 온/오프 두 가지 상태는 전압 차이가 2V 정도로 외부전력을 걸어주면 얻을 수 있는 바 이 때 사용 가능한 전기적 능동 물질에는 전기-광학 폴리머(electro-optic polymer)등이 있는데 2V 전압의 바이어스에 굴절률이 0.008 이상 바뀌는 것으로 널리 알려져 있다. 또한 이러한 폴리머들의 동작 속도는 100GHz 이상이라고 알려져 있다. 따라서 이러한 물질들을 사용 시 외부전력(2V) 제어 하에 100GHz 이상의 동작 속도를 갖는 나노-스케일의 플라즈모닉 스위치를 구현할 수 있다. 또한 도 6a와 도 6b에서 볼 수 있듯이 본 발명의 제3 실시예는 60%의 투과율에 12.3dB의 높은 변조깊이(modulation depth)를 얻어 기존의 같은 금속-유전체-금속 도파로 기반의 스위치(50% 투과율, 3dB modulation depth) 보다 10배 정도 향상된 성능 지수 (Figure of Merit, FOM)를 얻을 수 있었다. 여기서 성능 지수는 투과율과 변조깊이(modulation depth)의 비율로 정의되었다.
100: 본 발명의 제 1 실시예에 따른 광 소자의 개략적 단면도
110: SPP 모드 발생장치
120: SPP 모드 검출장치
130: 도파로
140, 142: 다른 길이(L1, L2)의 두 스터브
110: SPP 모드 발생장치
120: SPP 모드 검출장치
130: 도파로
140, 142: 다른 길이(L1, L2)의 두 스터브
Claims (6)
- 금속-유전체-금속 플라즈모닉 도파로 기반의 듀오-스터브 구조로서, 플라즈몬-유도 투과 현상을 얻기 위하여 넓은 주파수 흡수대역을 갖는 브라이트(bright)-모드와 좁은 투과대역을 갖는 다크(dark)-모드를 여기시킬 수 있도록 서로 다른 길이의 두 개의 스터브 구조가 도파로의 양쪽에서 서로 마주 보는 형식으로 도파로에 수직되게 배치되어 있는 것을 특징으로 하는, 표면 플라즈몬 파의 집적회로를 위한 광 소자.
- 제 1항에 있어서, 상기 스터브 구조의 각각의 길이가 표면 플라즈몬파 파장의 반파장보다 작은 차이가 나 있고, 각 스터브 구조의 폭은 도파로의 폭과 같은 것을 특징으로 하는, 표면 플라즈몬 파의 집적회로를 위한 광 소자.
- 제 1항에 있어서, 상기 듀오-스터브 구조 중 하나 이상의 스터브 구조에 외부전력을 연결한 구조로서 외부전력을 제어함으로써 능동적인 동작 성능을 지닌 것을 특징으로 하는, 표면 플라즈몬 파의 집적회로를 위한 광 소자.
- 제 3항에 있어서, 상기 듀오-스터브 구조에서 스터브-도파로 접합부분의 사이즈를 증가시켜 비대칭 투과 곡선을 얻어서 표면 플라즈몬의 인 플레인(in-plane) 제어를 능동적으로 하는 것을 특징으로 하는, 표면 플라즈몬 파의 집적회로를 위한 광 소자.
- 제 3항에 있어서, 상기 듀오-스터브 구조에서 스터브-도파로 접합부분의 엣지를 둥글게 하여 비대칭 투과 곡선을 얻어서 표면 플라즈몬의 인 플레인(in-plane) 제어를 능동적으로 하는 것을 특징으로 하는, 표면 플라즈몬 파의 집적회로를 위한 광 소자.
- 제 3항에 있어서, 상기 듀오-스터브 구조에서 스터브-도파로 접합부분에 금속 물질을 넣거나, 도파로 및 스터브의 유전체에 비해 높은 굴절률의 다른 물질을 넣어 비대칭 투과 곡선을 얻어서 표면 플라즈몬의 인 플레인(in-plane) 제어를 능동적으로 하는 것을 특징으로 하는, 표면 플라즈몬 파의 집적회로를 위한 광 소자.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| KR1020130011824A KR101362130B1 (ko) | 2013-02-01 | 2013-02-01 | 표면 플라즈몬 파의 집적회로를 위한 광 소자 |
Applications Claiming Priority (1)
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Publications (1)
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Family Applications (1)
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Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR101362130B1 (ko) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9696603B2 (en) | 2014-01-10 | 2017-07-04 | King's College London | Plasmonic switch device and method |
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| CN115079342A (zh) * | 2022-06-11 | 2022-09-20 | 复旦大学 | 基于几何相位超表面的表面等离激元片上光学器件耦合系统 |
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-
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- 2013-02-01 KR KR1020130011824A patent/KR101362130B1/ko active IP Right Grant
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