KR20050090711A - 광변조장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속막과 유전체의 계면 회절격자 구조에서 유도되는 표면 플라즈몬 공명을 이용하는 광변조장치에 관한 것으로서, 베이스 기판과, 상기 기판 상에 적층 형성되는 금속막과, 상기 금속막 상에 적층 형성되는 전기광학물질막과, 상기 금속막과 전기광학물질막의 계면에 형성되는 미세 회절격자 구조, 상기 전기광학물질막 상에 적층되는 투명전극, 그리고 상기 금속막과 투명전극에 접속되는 전원과, 이렇게 구성된 광변조칩으로 광을 제공하는 광원부 및 반사광을 검출하는 수광부를 포함하여 구성한다.

Description

광변조장치{Light modulator}

본 발명은 금속막과 유전체의 계면 회절격자(diffraction grating) 구조에서 유도되는 표면 플라즈몬 공명(grating-coupled surface plasmon resonance, GC-SPR)을 이용한 광변조장치에 관한 것이다.

본 발명에서 광변조는 금속과 유전체의 계면에 입사된 광이 표면 플라즈몬 공명(surface plasmon resonance, SPR) 조건을 만족하게 되면 흡수 되고, 공명 조건을 만족시키지 못하면 반사되는 원리를 이용하는 것이며, 표면 플라즈몬 공명현상은 유전체의 굴절율, 광원의 파장 및 입사각, 회절격자의 구조등에 의해 매우 예민하므로, 본 발명에서는 사용 전압, 입사광의 파장 및 회절격자구조 등의 변수를 조절하여 입사광으로부터 원하는 파장을 검출할 수 있도록 하는 광변조장치를 제안한다.

표면 플라즈몬이란 금속과 유전체의 계면에서 관찰되는 성질로써, 입사광의 에너지가 금속내의 자유전자를 여기시킨 결과로 발생되는 전하 밀도 진동(charge-density oscillation)을 말한다. 이는 계면을 따라 진행하는 TM(transverse magnetic) 편광 파(polarized light)로써, 두 매질의 계면에서 최대값을 보이고, 금속표면에 수직한 방향으로는 지수 함수적으로 감소한다. 표면 플라즈몬 공명은 입사광의 TM방향 파 벡터가 표면 플라즈몬의 파 벡터(K_sp)와 일치되는 조건에서 일어나며, 이때 입사광의 에너지가 표면 플라즈몬으로 흡수되므로 입사광의 반사율이 급격히 감소된다. 따라서 표면 플라즈몬 공명에 영향을 주는 재료의 굴절율, 광원의 입사각 및 파장 등을 조절하여 반사되는 광 강도(light intensity)를 조절할 수가 있는 것이다.

그러나 표면 플라즈몬 공명은 금속-유전체의 모든 계면에서 발생되는 것은 아니다. 예를 들어 공기 중에서 금속과 유전체의 평평한 계면(planar metal-dielectric interface)으로 입사 된 광은 입사광의 파 벡터가 표면 플라즈몬 파의 파 벡터(K_sp) 보다 항상 작기 때문에 표면 플라즈몬 공명이 발생되지 않는다. 따라서 표면 플라즈몬 공명을 구현(관찰)하기 위해서는 프리즘을 이용하여 입사광의 파 벡터 값과 플라즈몬 공명의 파 벡터(K_sp)값이 일치되도록 증가시키는 방법이 요구된다.

도 1은 표면 플라즈몬 파를 광학적으로 여기하기 위하여 고굴절 프리즘을 사용하는 공지의 방법을 보여 주고 있다. 이는 Kretschmann형 또는 프리즘 결합 표면 플라즈몬 공명(prism-coupled surface plasmon resonance)이라 불린다.

입사광이 프리즘 위에 증착된 금속막(1)에 임계각을 넘는 각도로 조사되면, 고 굴절 프리즘(3)에 의해 입사광의 파 벡터 값이 증가된다. 이때 프리즘(3)으로 입사되는 광의 입사각을 조절하여, 입사광의 파 벡터 값이 K_sp와 일치하도록 조절하면 표면 플라즈몬 공명이 관찰된다.

이러한 표면 플라즈몬 공명 현상은 유전체(5)의 굴절율 변화에 아주 예민하므로, 금속표면에서의 화학반응 및 미세 물질 분석에 응용되고 있다. 표면 플라즈몬 공명 현상의 주요 응용분야는 바이오 센싱 분야로써, 현재까지 대부분 Kretschmann 방식을 이용하고 있다. 즉 프리즘과 접해 있는 금속막에 항체를 코팅한 후, 분석하고자 하는 항원(단백질)에 노출시키면, 항체-항원분자의 결합 결과 금속과 접해 있는 유전체의 굴절율이 변화되므로 미세분자 검출 및 농도 분석을 수행할 수 있는 것이다.

한편 최근에는 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용한 광변조기로의 응용도 제안되었다.

일예로서 국내 공개특허공보 제 2000-0077236호(2000년 12월 26일)에는 프리즘 결합 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광변조기의 구조가 개시되어 있다. 여기에 개시된 광변조기는 액정물질을 전기광학물질로 제안하였으며, 한 쌍의 프리즘을 사용하는 개선된 구조를 보여주고 있다.

이렇게 구성된 광변조기는 컬라필터나 컬러 광원을 사용하지 않으면서 컬러 표시를 실현하는 표시장치 및 광원으로 이용된다.

그러나 전술한 종래의 Kretschmann형의 광변조기는 소망의 광변조를 실현하기 위하여 고가의 고 굴절 프리즘을 사용해야 하는 문제점이 있으며, 큰 프리즘으로 인하여 소자의 소형화, 고집적화, 대량생산의 어려움을 동반하는 문제점이 있다.

이러한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 고 굴절 프리즘을 이용하는 기존의 방식 대신에, 금속막과 유전체의 계면에 미세한 주기를 갖는 회절격자를 구현하여, 표면 플라즈몬 공명(grating-coupled surface plasmon resonance)을 이용한 광변조장치를 실현할 수 있도록 함에 그 목적을 두고 있다.

또한 본 발명의 광변조장치를 통해 달성하고자 하는 중요한 특성은 여러 파장으로 이루어진 입사광으로부터 원하는 파장을 선택하는 기능을 부여하고, 다수개의 광변조 칩을 배열하여 이미징 시스템 및 어레이 형태의 광정보처리시스템을 구현할 수 있도록 함에 그 목적을 두고 있다.

상기 목적을 실현하기 위하여, 본 발명에서는 베이스 기판과, 상기 기판 상에 적층 형성되는 금속막과, 상기 금속막 상에 적층 형성되는 전기광학물질막과, 상기 금속막과 전기광학물질막의 계면에 형성되는 미세 회절격자 구조, 상기 전기광학물질막 상에 적층되는 투명전극, 그리고 상기 금속막과 투명전극에 접속되는 전원을 포함하는 광변조장치를 제안한다.

상기 기판은 금속막이 적층되는 상면을 평평하게 형성하거나 혹은 회절격자로 형성할 수 있다.

바람직하게 상기한 금속막은 외부 자극에 의해 하전 입자들의 방출이 쉽고 음의 유전상수를 갖는 금, 은, 동, 알미늄 등의 단일 금속 혹은 합금으로 형성한다. 또 상기 금속막은 단층 혹은 다층으로 형성할 수 있다.

또한 본 발명에서 상기 전기광학물질막 즉 유전체로는 가해진 전압에 의해 재료의 굴절율이 변하는 전기광학재료를 사용하며, 그 예로서 전기광학고분자, 액정, 전기광학무기재료를 사용할 수 있다.

상기한 투명전극은 ITO 전극 혹은 플라스틱 전극으로 형성한다.

바람직하게 본 발명의 광변조장치는 상기 투명전극 방향으로 p-편광된 빛을 조사하는 광원부와, 상기 회절격자에서 반사된 빛을 검출하는 수광부를 더 포함하여 이루어진다. 광원부는 단 파장 혹은 다중 파장을 갖는 광을 제공하며, p-편광된 빛으로 변환하는 소자를 포함한다. 또한 상기 수광부는 포토다이오드를 포함한 포토디텍터, 광증폭기, 촬상소자(CCD) 혹은 감광필름 등 반사되어 나오는 광을 검출할 수 있는 모든 기기를 포함한다.

본 발명의 다른 실시 형태로서, 상기한 회절격자를 다수개의 유니트로 구성한다. 이때 상기 회절격자 각각의 유니트는 격자 주기가 서로 상이하게 형성되는 것으로서, 각각 소망 파장의 빛만 선택적으로 흡수한다.

또한 본 발명의 다른 실시 형태로서, 기판, 금속막, 회절격자, 전기광학물질막, 투명전극 및 전원으로 구성된 광변조칩을 2개 이상 다수개 배열하고; 광변조칩과 광변조칩의 사이에서 광을 반사 유도하는 반사유도수단을 설치하되; 상기 반사유도수단을 거울, 빔스플리터 혹은 광변조칩으로 구성한 광변조장치를 제안한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 형태를 첨부 도면에 의거하여 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 광변조장치를 구성하는 기본구조를 보여주고 있다.

도면을 통하여 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 광변조장치를 구성하는 개략적인 시스템을 보면, 광변조칩(10), 상기 광변조칩(10)으로 광을 제공하는 광원부(30)와, 상기 광변조칩(10)에서 반사된 광을 감지하는 수광부(50)로 이루어진다.

표면 플라즈몬 공명 광변조칩(10)은 베이스를 구성하는 기판(11)과, 금속막(13), 전기광학물질막(15), 투명전극(17)이 순차적으로 적층 된 구조로 되어 있으며, 상기 금속막(13)과 투명전극(17)은 전원(19)에 접속되어 있다.

특히 본 발명에서 금속막(13)과 전기광학물질막(15)의 계면은 미세 회절격자(21) 구조를 갖는 것으로서, 이를 이용하여 회절격자결합 표면 플라즈몬 공명을 실현하기 위한 것이다. 주기적으로 변화하는 금속막(13)과 전기광학물질막(15)의 계면으로 입사된 광은 여러 각도로 회절되는데, 입사각, 파장, 회절격자 구조 등을 적절히 선택함에 의해 고차 회절빔의 파 벡터가 표면 플라즈몬 파의 파 벡터(k_sp)와 일치되도록 할 수 있다.

여기서 k_o 는 입사광의 파 벡터, ε_metal, ε_diel은 각각 금속막(13)과 전기광학물질막(15)의 유전상수, k_g는 (2π)/Λ(격자 피치간격), θ는 입사각을 나타낸다. 상기 수학식 1에서와 알 수 있듯이 회절격자 결합 표면 플라즈몬 공명현상은 전기광학물질막(15)의 굴절율, 입사광의 파장 및 각도, 회절격자의 구조에 의존한다.

한편 본 발명에서 상기 기판(11)은 고분자, 금속, 세라믹 등의 재료로 이루어지며, 상면을 평평하게 하거나 혹은 회절격자로 할 수 있다. 이에 따라 상기 금속막(13)의 회절격자 구조는 상기 기판(11)을 회절격자로 형성할 경우 단순히 기판(11)의 상부에 금속막을 증착함에 의해 실현될 수 있으며, 또한 상기 기판(11)의 상면을 평평하게 형성할 경우에는 패턴 마스트를 이용하여 금속막(13)을 증착 형성하므로 회절격자를 실현할 수 있다.

이와 같은 구성에 따라 본 발명의 작용을 설명하면 다음과 같다.

기본적으로 본 발명의 광변조장치는 입사광의 파장 보다 미세한 주기를 갖는 회절격자를 이용하여 표면 플라즈몬 현상을 관찰하는 시스템을 제공하는 것이다.

보다 구체적으로 본 발명에서는 광원부(30)에서 나오는 p-편광 된 빛을 투명전극(17) 방향으로 입사시킨다. 먼저 입사각을 변화 시키면서 반사광의 강도가 최소화되는 각도, 즉 표면 플라즈몬 공명 각도(θ_SPR)를 결정한다. 이 각도(θ_SPR)에 입사광을 고정시킨 후 전기광학물질막(15)에 인가되는 전원(19)의 전압을 조절하면, 도 3에 보여 지듯이 광변조가 이루어진다. 전압에 의해 전기광학물질막(15)의 굴절율이 변화되면, 표면 플라즈몬 공명 조건이 달라지므로, 반사광의 강도가 변조되는 것이다.

또 다른 실시 형태로서, 본 발명에서는 입사광의 파장을 선택 기능을 부여할 수 있다. 즉, 표면 플라즈몬 공명 조건이 전기광학물질막(15)의 굴절율, 파장, 회절격자에 의존하는 성질을 이용하여 파장을 선택할 수 있도록 한다.

도 4에 보여 주는 것과 같이, λ₁ 파장의 빛이 표면 플라즈몬 공명 조건을 만족할 때, 전압 V₁을 가하면 λ₁ 파장의 빛만 흡수되고 λ₂ 파장의 빛은 반사되므로 파장 선택이 가능하게 된다. 반대로 전압V₂ 를 가하면, λ₂ 파장의 빛만 흡수되고 λ₁ 파장의 빛은 반사하게 된다.

본 발명의 다른 실시 형태로서, 도 5는 상기한 회절격자(21)를 다수개의 유니트(21a)(21b)로 형성한 구조를 보여주고 있다. 이때 상기 회절격자 각각의 유니트(21a)(21b)는 격자 주기가 서로 상이하게 형성된 것으로서, 일정 전압하에서 각 회절격자의 공명조건을 만족하는 파장이 다르다. 예를 들어 도 6을 통하여 알 수 있는 바와 같이, 전압 V₁을 가하면, 회절격자(21a)에서는 λ₁ 파장의 빛이 흡수되고 λ₂ 파장은 반사되므로 파장선택이 가능하다. 반대로 전압 V₂을 가하면 λ₂ 파장의 빛만 흡수되고 λ₁ 파장은 반사하게 된다. 광원을 구성하는 여러 파장 중 각각 한 파장의 빛만 선택적으로 흡수하고, 나머지 파장의 빛을 통과시키게 되는 것이다.

또한 본 발명의 다른 실시 형태로서, 도 7 및 도 8은 광변조칩(10)을 2개 이상 연결한 구성를 제안하고 있다.

도 7에서는 광변조칩(10)과 광변조칩(10)의 사이에 거울 또는 빔스플리터(beam splitter)(70)를 연결한 구성이다. 파장 선택 원리는 도 4에서와 같다. 즉 각 광변조칩(10)에 거는 전압 또는 광변조칩(10)을 구성하는 회절격자 구조를 조절하여, 광원을 구성하는 여러 파장 중 한 파장의 빛만이 표면 플라즈몬 공명조건을 만족하여 흡수되도록 하고, 그 외의 모든 빛들은 반사되도록 하는 것이다.

또한 도 8과 같이 광변조칩(10)으로만 연결된 구조를 이용하여 여러 파장으로 구성된 광원의 파장을 구성하고, 여러 파장으로 분할하는 시스템을 구성할 수도 있다.

이상에서 설명한 본 발명의 실시 형태를 통하여 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 광변조장치는 고 굴절 프리즘을 이용하는 기존의 방식의 문제점을 해결하기 위하여, 미세 회절격자결합 표면 플라즈몬 공명을 응용한 광변조 시스템을 구현하고 있다.

이에 따라 본 발명에 의하면, 기존의 고굴절 프리즘이 요구되는 Kretschmann형 표면 플라즈몬 광변조기에 비해 낮은 제조단가로 단순화, 소형화, 고집적화, 대량생산을 용이하게 실현하는 효과를 얻을 수 있다.

또한 본 발명에 의하면, 전기광학물질막(유전체)에 가하는 전압을 조절하거나 입사광의 파장을 선택할 수 있는 기능을 추가하여 다양한 시스템을 구현할 수있다.

이러한 본 발명의 기술은 초고속 광스위치, 광변조기, 공간-광변조기, 광인터컨넥트, 광 필터, 디스플레이 제조에 이용할 수 있으며, 이를 통한 광통신 및 정보전자분야의 다양한 부품제조에 크게 응용할 수 있다.

도 1은 종래 공지된 프리즘 결합 광변조기를 도시한 단면도.

도 2는 본 발명의 광변조장치를 도시한 단면도.

도 3은 본 발명의 전기광학물질막에 인가되는 전압의 변화에 따른 광 검출 강도를 도시한 그래프.

도 4는 본 발명의 전기광학물질막에 인가되는 전압의 변화에 따른 입사광의 파장 변화를 도시한 그래프.

도 5는 본 발명의 다른 실시 형태를 도시한 사시도.

도 6은 본 발명의 전기광학물질막에 인가되는 전압의 변화에 따른 각 파장의 광 검출강도를 도시한 그래프.

도 7 및 도 8은 본 발명의 또 다른 실시 형태를 도시한 구성도.

Claims (12)

1. 기판;

   상기 기판 상에 적층 형성된 금속막;

   상기 금속막 상에 적층 형성된 전기광학물질막;

   상기 금속막과 전기광학물질막의 계면에 형성되는 미세 회절격자;

   상기 전기광학물질막 상에 적층되는 투명전극; 그리고

   상기 금속막과 투명전극에 접속되는 전원을 포함하는 광변조장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 기판은 상면이 평평하거나 혹은 회절격자로 형성된 광변조장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 금속막은 금, 은, 동, 알미늄 등의 단일 금속 혹은 합금으로 형성된 광변조장치.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 금속막은 단층 또는 다층으로 형성된 광변조장치.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 전기광학물질막은 전기광학고분자, 액정, 전기광학무기재료로 형성된 광변조장치.
6. 제 1 항에 있어서, 투명전극은 ITO 전극 혹은 플라스틱 전극으로 형성된 광변조장치.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 투명전극 방향으로 p-편광된 빛을 조사하는 광원부와, 상기 회절격자에서 반사된 빛을 검출하는 수광부를 더 포함하는 광변조장치.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 수광부는 포토다이오드를 포함한 포토디텍터, 광증폭기, 촬상소자 혹은 감광필름으로 구성된 광변조장치.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 회절격자는 단일 또는 다수개의 유니트로 구성된 광변조장치.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 회절격자 유니트는 각각 격자 주기가 같거나 다르게 형성된 광변조장치.
11. 기판, 금속막, 회절격자, 전기광학물질막, 투명전극 및 전원으로 구성된 광변조칩;

    상기 광변조칩으로 p-편광된 빛을 조사하는 광원부;

    상기 광변조칩을 2개 이상 다수개 배열하고,

    광변조칩과 광변조칩의 사이에서 광을 반사 유도하는 반사유도수단; 그리고

    마직막에 배열된 광변조칩에서 반사된 빛을 검출하는 수광부를 포함하는 광변조장치.
12. 제 11 항에 있어서, 상기 반사유도수단은 거울, 빔스플리터 혹은 광변조칩으로 구성된 광변조장치.