KR20050090712A - Light modulator - Google Patents
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Abstract
본 발명은 금속막과 유전체의 계면 회절격자 구조에서 유도되는 표면 플라즈몬 공명을 이용하는 광변조장치에 관한 것으로서, 특히 다수개 혹은 다중 광변조칩을 공간상으로 배열하여 이미징 시스템 또는 어레이 형태의 광정보처리 시스템을 구현하고, 다중 파장이 섞인 광원에서 원하는 파장을 선택하여 검출하기 위한 목적을 실현하기 위하여, 베이스 기판과, 상기 기판 상에 적층 형성되는 다수 유니트의 금속막과, 상기 금속막 상면에 적층 형성되는 전기광학물질막과, 상기 금속막과 전기광학물질막의 계면에 형성되는 미세 회절격자, 상기 기판 및 전기광학물질막 상부에 적층 형성되는 투명전극, 그리고 상기 금속막과 투명전극에 접속되는 전원과, 이렇게 구성된 광변조칩으로 광을 제공하는 광원부 및 반사광을 검출하는 수광부를 포함하여 구성한다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical modulator using surface plasmon resonance derived from an interfacial diffraction grating structure of a metal film and a dielectric. In particular, an optical imaging system or array type optical information processing apparatus is provided by arranging multiple or multiple optical modulator chips in space. In order to implement the system and to realize the purpose of selecting and detecting a desired wavelength from a light source mixed with multiple wavelengths, the base substrate, a plurality of unit metal films stacked on the substrate, and a stack formed on the upper surface of the metal film An electro-optic material film, a fine diffraction grating formed at an interface between the metal film and the electro-optic material film, a transparent electrode stacked on the substrate and the electro-optic material film, and a power source connected to the metal film and the transparent electrode; And a light source unit for providing light to the optical modulation chip configured as described above and a light receiving unit for detecting reflected light The.
Description
본 발명은 금속막과 유전체의 계면 회절격자(diffraction grating) 구조에서 유도되는 표면 플라즈몬 공명(grating-coupled surface plasmon resonance, GC-SPR)을 이용한 광변조장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 다수개 혹은 다중 광변조칩을 공간상으로 배열하여 이미징 시스템 및 어레이 형태의 광정보 시스템을 구현하고, 단 파장 혹은 다중 파장을 갖는 입사광을 구성 성분으로 분할하거나, 다중 파장이 섞인 광원에서 원하는 파장을 선택하여 검출할 수 있도록 하는 광변조장치에 관한 것이다.The present invention relates to an optical modulation device using grating-coupled surface plasmon resonance (GC-SPR) induced in an interface diffraction grating structure of a metal film and a dielectric. Arrange multiple optical modulation chips in space to implement an imaging system and an optical information system in the form of an array, and split incident light having short wavelength or multiple wavelengths into its constituents, or select and detect a desired wavelength from a light source mixed with multiple wavelengths. The present invention relates to an optical modulator for enabling the control.
광변조는 금속과 유전체의 계면에 입사 된 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, 회절격자의 구조 및 공간상의 배열 등의 변수를 조절하여 파장 및 공간 선택성이 있는 광변조장치를 제안한다.Optical modulation uses the principle that light incident on the interface between a metal and a dielectric is absorbed when it meets surface plasmon resonance (SPR) conditions and is reflected when it does not satisfy the resonance condition.The surface plasmon resonance phenomenon is a dielectric material. It is very sensitive to the refractive index of the light source, the wavelength and the incident angle of the light source, the structure of the diffraction grating, etc. In the present invention, the light having the wavelength and spatial selectivity is controlled by controlling the parameters such as the voltage used, the wavelength of the incident light, the structure of the diffraction grating, and the arrangement of the space. We propose a modulation device.
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(Ksp)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.Surface plasmon is a property observed at the interface between a metal and a dielectric, and refers to charge-density oscillation generated as a result of the energy of incident light excited free electrons in the metal. This is a transverse magnetic polarized light (TM) that travels along the interface, exhibiting maximum values at the interface of the two media and decreasing exponentially in the direction perpendicular to the metal surface. Surface plasmon resonance occurs under the condition that the TM-direction wave vector of the incident light coincides with the wave vector (K sp ) of the surface plasmon. At this time, the incident light is absorbed by the surface plasmon, so the reflectance of the incident light is drastically reduced. Therefore, it is possible to control the light intensity reflected by adjusting the refractive index of the material affecting the surface plasmon resonance, the incident angle and the wavelength of the light source.
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(Ksp) 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(Ksp)값이 일치되도록 증가시키는 방법이 요구된다.However, surface plasmon resonance does not occur at all interfaces of the metal-dielectric. For example, light incident on the planar metal-dielectric interface of metal and dielectric in air does not generate surface plasmon resonance because the wave vector of the incident light is always smaller than the wave vector (K sp ) of the surface plasmon wave. Therefore, in order to implement (observe) surface plasmon resonance, a method of increasing the wave vector value of the incident light and the wave vector (K sp ) of the incident light using a prism is required.
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. Figure 1 shows a known method of using a high refractive prism to optically excite surface plasmon waves. This is called Kretschmann type or prism-coupled surface plasmon resonance.
입사광이 프리즘 위에 증착 된 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 Ksp와 일치하도록 조절하면 표면 플라즈몬 공명이 관찰된다.When incident light is irradiated to the metal film 1 deposited on the prism at an angle exceeding the critical angle, the wave vector value of the incident light is increased by the high refractive prism 3. At this time, by adjusting the angle of incidence of the light incident on the prism 3, if the wave vector value of the incident light is adjusted to match K sp , surface plasmon resonance is observed.
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.Since the surface plasmon resonance phenomenon is very sensitive to the refractive index change of the dielectric 5, it is applied to chemical reactions and fine material analysis on the metal surface. The main application of surface plasmon resonance is in the field of bio-sensing, and most of them use the Kretschmann method. That is, when the antibody is coated on the metal film in contact with the prism, and then exposed to the antigen (protein) to be analyzed, the refractive index of the dielectric in contact with the metal is changed as a result of the binding of the antibody-antigen molecule, thereby performing micromolecule detection and concentration analysis. You can do it.
한편 최근에는 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용한 광변조기로의 응용도 제안되었다. Recently, the application to the optical modulator using surface plasmon resonance has also been proposed.
일예로서 국내 공개특허공보 제 2000-0077236호(2000년 12월 26일)에는 프리즘 결합 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광변조기의 구조가 개시되어 있다. 여기에 개시된 광변조기는 액정물질을 전기광학물질(유전체)로 제안하고 있으며, 한 쌍의 프리즘을 사용하는 개선된 구조를 보여주고 있다. As an example, Korean Unexamined Patent Publication No. 2000-0077236 (December 26, 2000) discloses a structure of an optical modulator using prism-coupled surface plasmon resonance. The optical modulator disclosed herein proposes a liquid crystal material as an electro-optic material (dielectric), and shows an improved structure using a pair of prisms.
이렇게 구성된 광변조기는 컬라필터나 컬러 광원을 사용하지 않으면서 컬러 표시를 실현하는 표시장치 및 광원으로 이용된다.The optical modulator configured as described above is used as a display device and a light source for realizing color display without using a color filter or a color light source.
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.However, the above-described conventional Kretschmann type optical modulator has a problem of using an expensive high refractive prism in order to realize a desired optical modulation, and due to the large prism, there is a problem of miniaturization, high integration, and difficulty in mass production. have.
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.In order to solve this problem of the prior art, the present invention implements a grating-coupled surface by implementing a diffraction grating having a fine period at the interface between the metal film and the dielectric, instead of the conventional method using a high refractive prism. The purpose of the present invention is to realize an optical modulator using plasmon resonance.
특히 본 발명에서 광변조장치를 통해 달성하고자 하는 중요한 특성은 공간상의 광변조를 구현하고, 다중 파장을 갖는 입사광을 구성 성분으로 분할하거나, 다중 파장이 섞인 광원에서 원하는 파장을 선택하여 검출할 수 있도록 함에 다른 목적을 두고 있다.In particular, in the present invention, an important characteristic to be achieved through the optical modulator is to implement spatial light modulation, to split the incident light having multiple wavelengths into constituents, or to select and detect a desired wavelength in a light source mixed with multiple wavelengths. The ship has a different purpose.
아울러 본 발명에서는 다수개 혹은 다중 광변조칩을 공간상으로 배열하여 이미징 시스템 및 어레이 형태의 광정보처리 시스템을 구현할 수 있도록 함에 그 목적을 두고 있다. In addition, the present invention aims to implement an imaging system and an optical information processing system in the form of an array by arranging a plurality or multiple optical modulation chips in space.
상기 목적을 실현하기 위하여, 본 발명에서는 베이스 기판과, 상기 기판 상에 적층 형성되는 다수 유니트의 금속막과, 상기 금속막 상면에 적층 형성되는 전기광학물질막과, 상기 금속막과 전기광학물질막의 계면에 형성되는 미세 회절격자, 상기 기판 및 전기광학물질막 상부에 적층 형성되는 투명전극, 그리고 상기 금속막과 투명전극에 접속되는 전원을 포함하는 광변조장치를 제안한다.In order to achieve the above object, in the present invention, a base substrate, a plurality of unit metal films stacked on the substrate, an electro-optic material film laminated on the metal film, and the metal film and the electro-optic material film An optical modulator including a fine diffraction grating formed at an interface, a transparent electrode stacked on the substrate and an electro-optic material film, and a power source connected to the metal film and the transparent electrode is proposed.
상기 기판은 금속막에 적층되는 상면을 평평하게 형성하거나 혹은 회절격자로 형성할 수 있다.The substrate may be formed flat on the upper surface of the metal film or may be formed of a diffraction grating.
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.Preferably, the metal film is formed of a single metal or an alloy such as gold, silver, copper, aluminum, etc., having easy discharge of charged particles by an external magnetic pole and having a negative dielectric constant. The metal film may be formed in a single layer or multiple layers.
또한 본 발명에서 상기 전기광학물질막(혹은 유전체)으로는 가해진 전압에 의해 재료의 굴절율이 변하는 전기광학재료를 사용하며, 그 예로서 전기광학고분자, 액정, 전기광학무기재료를 사용할 수 있다.In the present invention, the electro-optic material film (or dielectric) is used an electro-optic material whose refractive index is changed by the applied voltage. For example, an electro-optic polymer, a liquid crystal, an electro-optic inorganic material can be used.
상기한 투명전극은 ITO 전극 혹은 플라스틱 전극으로 형성한다.The transparent electrode is formed of an ITO electrode or a plastic electrode.
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 포토다이오드, 광증폭기, 촬상소자(CCD) 혹은 감광필름 등 반사되어 나오는 광을 검출할 수 있는 모든 기기를 포함한다.Preferably, the optical modulator of the present invention further comprises a light source unit for irradiating p-polarized light toward the transparent electrode, and a light receiving unit for detecting light reflected from the diffraction grating. The light source unit provides light having a short wavelength or multiple wavelengths and includes a device for converting the light into p-polarized light. In addition, the light receiving unit includes all devices capable of detecting reflected light, such as a photodiode, an optical amplifier, an imaging device (CCD), or a photosensitive film.
본 발명의 다른 실시 형태로서, 상기 다수 유니트의 금속막 상부에 형성되는 각각의 회절격자는 격자 주기를 모두 같게 형성하거나 서로 다르게 형성할 수 있다. 회절격자의 주기를 같게 할 경우에는 다수 유니트의 금속막 각각에 인가되는 전압, 입사광의 파장 및 각도를 조절하여 소망 파장의 빛만을 선택적으로 흡수하고 나머지 파장의 빛을 통과시킨다. 또한 회절격자의 주기를 서로 상이하게 형성할 경우에는 각각 소망 파장의 빛만 선택적으로 흡수할 수 있다.In another embodiment of the present invention, each of the diffraction gratings formed on the metal film of the plurality of units may have the same lattice period or the same. When the diffraction gratings have the same period, the voltage, the wavelength, and the angle of the incident light applied to each of the metal films of the plurality of units are adjusted to selectively absorb only light of a desired wavelength and pass light of the remaining wavelengths. In the case where the periods of the diffraction gratings are different from each other, only light having a desired wavelength can be selectively absorbed, respectively.
또한 본 발명의 다른 실시 형태로서, 기판, 다수 유니트의 금속막과, 회절격자, 전기광학물질막, 투명전극 및 상기 각각의 금속막과 전기광학물질막에 접속된 전원으로 구성된 광변조칩을 2개 이상 다수개 배열하고; 광변조칩과 광변조칩의 사이에서 광을 반사 유도하는 반사유도수단을 설치하되; 상기 반사유도수단을 거울, 빔스플리터 혹은 광변조칩으로 구성한 광변조장치를 제안한다.In another embodiment of the present invention, an optical modulation chip comprising a substrate, a metal unit of multiple units, a diffraction grating, an electro-optic material film, a transparent electrode, and a power source connected to each of the metal film and the electro-optic material film is provided. Arranged at least two; A reflection guide means for reflecting light between the optical modulation chip and the optical modulation chip; An optical modulator comprising the reflection guide means comprising a mirror, a beam splitter or an optical modulator chip is proposed.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 형태를 첨부 도면에 의거하여 설명하기로 한다.EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, preferred embodiment of this invention is described based on an accompanying drawing.
도 2 및 도 3은 본 발명의 광변조장치를 구성하는 기본구조를 보여주고 있다.2 and 3 show the basic structure of the optical modulation device of the present invention.
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. As can be seen from the drawings, in the schematic system constituting the optical modulation device of the present invention, the optical modulation chip 10, the light source unit 30 for providing light to the optical modulation chip 10, and It consists of a light receiving unit 50 for detecting the light reflected from the optical modulation chip 10.
표면 플라즈몬 공명 광변조칩(10)은 베이스를 구성하는 기판(11)과, 다수 유니트의 금속막(13), 전기광학물질막(15), 투명전극(17)이 순차적으로 적층 된 구조로 되어 있으며, 상기 다수 유니트의 금속막(13)과 투명전극(17)은 전원(19)에 접속되어 있다.The surface plasmon resonance optical modulation chip 10 has a structure in which a substrate 11 constituting the base, a plurality of units of the metal film 13, the electro-optic material film 15, and the transparent electrode 17 are sequentially stacked. The plurality of units of the metal film 13 and the transparent electrode 17 are connected to the power source 19.
특히 본 발명에서 금속막(13)과 전기광학물질막(15)의 계면은 미세 회절격자(21) 구조를 갖는 것으로서, 이는 입사광의 파장 보다 미세한 주기를 갖는 회절격자(21)를 이용하여 회절격자결합 표면 플라즈몬 공명을 실현하기 위한 것이다. 주기적으로 변화하는 금속막(13)과 전기광학물질막(15)의 계면으로 입사된 광은 여러 각도로 회절되는데, 입사각, 파장, 전압, 회절격자 구조 등을 적절히 선택함에 의해 고차 회절빔의 파 벡터가 표면 플라즈몬 파의 파 벡터(ksp)와 일치되도록 할 수 있다.In particular, in the present invention, the interface between the metal film 13 and the electro-optic material film 15 has a fine diffraction grating 21 structure, which is a diffraction grating using a diffraction grating 21 having a period finer than the wavelength of incident light. It is for realizing the combined surface plasmon resonance. The light incident on the interface between the periodically changing metal film 13 and the electro-optic material film 15 is diffracted at various angles. The wave of the higher-order diffraction beam is selected by appropriately selecting the incident angle, wavelength, voltage, and diffraction grating structure. The vector can be matched to the wave vector (k sp ) of the surface plasmon wave.
여기서 ko 는 입사광의 파 벡터, εmetal, εdiel은 각각 금속막(13)과 전기광학물질막(15)의 유전상수, kg는 (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.Where k o is the wave vector of incident light, ε metal , and ε diel are the dielectric constants of the metal film 13 and the electro-optic material film 15, k g is (2π) / Λ (lattice pitch interval), and θ is the angle of incidence Indicates. As can be seen from Equation 1, the diffraction grating coupling surface plasmon resonance phenomenon depends on the refractive index of the electro-optic film 15, the wavelength and angle of the incident light, and the structure of the diffraction grating.
한편 본 발명에서 상기 회절격자(21) 구조는 다수 유니트의 금속막(13) 상부에 형성되는 각 회절격자의 주기를 모두 같게 형성하거나, 혹은 도 4와 같이 서로 다르게 형성할 수 있다. Meanwhile, in the present invention, the diffraction grating 21 may have the same period of each diffraction grating formed on the metal film 13 of the plurality of units, or may be different from each other as shown in FIG. 4.
다수 회절격자(21)의 주기를 같게 할 경우에는 다수 유니트의 금속막(13) 각각에 인가되는 전압, 입사광의 파장 및 각도를 조절하여 소망 파장의 빛만을 선택적으로 흡수하고 나머지 파장의 빛을 통과시킨다. When the period of the multiple diffraction gratings 21 is the same, the voltage, the wavelength and the angle of the incident light applied to each of the metal films 13 of the multiple units are adjusted to selectively absorb only light of a desired wavelength and pass the light of the remaining wavelengths. Let's do it.
또한 도 4와 같이 다수 유니트의 금속막(13)에 다중의 회절격자(21a)(21b)(21c)(21d)를 형성하여 격자 주기가 서로 상이하게 될 경우에는 광원을 구성하는 여러 파장 중 각각 한 파장의 빛만 선택적으로 흡수하고, 나머지 파장의 빛을 통과시키게 된다.In addition, as shown in FIG. 4, when multiple diffraction gratings 21a, 21b, 21c, and 21d are formed in the metal film 13 of a plurality of units, and the lattice periods are different from each other, each of several wavelengths constituting the light source is respectively. Only one wavelength of light is selectively absorbed and the other wavelengths of light pass through.
다수 유니트의 금속막(13)은 2차원 어레이 형태로 제조할 수 있으며, 각기 다른 전압을 동시에 가함에 의해 공간 분할된 광변조를 실현할 수 있다.The metal film 13 of multiple units can be manufactured in the form of a two-dimensional array, and spatial division of light modulation can be realized by simultaneously applying different voltages.
이와 같은 구성에 따라 본 발명의 작용을 설명하면 다음과 같다.Referring to the operation of the present invention according to such a configuration as follows.
기본적으로 본 발명의 광변조장치는 미세한 주기를 갖는 회절격자를 이용하여 표면 플라즈몬 현상을 관찰하는 시스템을 제공하는 것이다.Basically, the optical modulator of the present invention provides a system for observing a surface plasmon phenomenon using a diffraction grating having a fine period.
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(θSPR)를 결정한다. 이 각도(θSPR)에 입사광을 고정시킨 후 전기광학물질막(15)에 인가되는 전원(19)의 전압을 조절하면, 도 5에 보여 지듯이 광변조가 이루어진다. 전압에 의해 전기광학물질막(15)의 굴절율이 변화되면, 표면 플라즈몬 공명 조건이 달라지므로, 반사광의 강도가 변조되는 것이다. 다수 유니트의 금속막(13)이 2차원 어레이 형태로 제조되면, 도 6에서 보여 주듯이 각기 다른 전압을 동시에 가함에 의하여 공간 분할된 광변조를 행할 수 있다.More specifically, in the present invention, the p-polarized light emitted from the light source unit 30 is incident in the direction of the transparent electrode 17. First, the angle at which the intensity of the reflected light is minimized while changing the incident angle, that is, the surface plasmon resonance angle (θ SPR ) is determined. After the incident light is fixed at this angle θ SPR , the voltage of the power source 19 applied to the electro-optic material film 15 is adjusted. As shown in FIG. 5, light modulation is performed. When the refractive index of the electro-optic film 15 is changed by the voltage, the surface plasmon resonance condition is changed, so that the intensity of the reflected light is modulated. When a plurality of units of the metal film 13 are manufactured in the form of a two-dimensional array, spatial division of the optical modulation can be performed by simultaneously applying different voltages as shown in FIG.
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. As still another embodiment, the present invention can provide a selection function to the wavelength of incident light. That is, the wavelength of the surface plasmon resonance can be selected using a property depending on the refractive index, the wavelength, and the diffraction grating of the electro-optic material film 15.
도 7에 보여 주는 것과 같이, 다수 및 다중의 회절격자를 사용할 경우에는 λ1 파장의 빛이 전압V1 하에서 표면 플라즈몬 공명 조건을 만족할 때, 전압V 1 를 가하면 λ1 파장의 빛만 흡수되고 λ2 파장의 빛은 통과되므로 파장 선택이 가능하게 된다. 반대로 전압V2 를 가하면, λ2 파장의 빛만 흡수되고 λ1 파장의 빛은 통과하게 된다.As shown in FIG. 7, when using a plurality of diffraction gratings, when light having a wavelength of λ 1 satisfies the surface plasmon resonance condition under voltage V 1 , when the voltage V 1 is applied, only light having a wavelength of λ 1 is absorbed and λ 2 The light of the wavelength is passed through, so the wavelength can be selected. On the contrary, when voltage V 2 is applied, only light having a wavelength of λ 2 is absorbed and light having a wavelength of λ 1 passes.
여기서 파장은 λn이 되고, 전압은 Vn으로 변화될 수 있는 것이다.Where the wavelength is λ n and the voltage can be changed to V n .
본 발명의 다른 실시 형태로서, 도 8 및 도 9는 광변조칩(10)을 2개 이상 연결한 구성를 제안하고 있다.As another embodiment of the present invention, FIGS. 8 and 9 propose a configuration in which two or more optical modulation chips 10 are connected.
도 8에서는 광변조칩(10)과 광변조칩(10)의 사이에 거울 또는 빔스플리터(beam splitter)(70)를 연결한 구성이다. 파장 선택 원리는 도 6에서와 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. In FIG. 8, a mirror or beam splitter 70 is connected between the optical modulation chip 10 and the optical modulation chip 10. The wavelength selection principle is the same as in FIG. That is, by adjusting the voltage applied to each optical modulation chip 10 or the diffraction grating structure constituting the optical modulation chip 10, only the light of one wavelength among the various wavelengths constituting the light source satisfies the surface plasmon resonance condition. All other lights are reflected.
또한 도 9와 같이 광변조칩(10)으로만 연결된 구조를 이용하여 여러 파장으로 구성된 광원의 파장을 구성하고, 여러 파장으로 분할하는 시스템을 구성할 수도 있다.In addition, as shown in FIG. 9, the wavelength of the light source having a plurality of wavelengths may be configured using a structure connected only to the optical modulation chip 10, and a system may be divided into several wavelengths.
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 광변조장치를 구현하는 것이며, 특히 다수 및 다중 회절격자를 이용하여 공간상의 광변조를 구현하고, 단 파장 혹은 다중 파장을 갖는 입사광을 구성 성분으로 분할하거나, 다중 파장이 섞인 광원에서 원하는 파장을 선택하여 검출하는 효과를 얻을 수 있다.As can be seen through the embodiment of the present invention described above, the optical modulation device of the present invention, in order to solve the problems of the conventional method using a high refractive prism, light modulation using a fine diffraction grating surface plasmon resonance Implement a device, in particular, to realize spatial light modulation using multiple and multiple diffraction gratings, to split incident light having a short wavelength or multiple wavelengths into its constituents, or to select and detect a desired wavelength from a mixed light source You can get the effect.
아울러 본 발명에서는 다수개 혹은 다중 광변조칩을 공간상으로 배열하여 이미징 시스템 및 어레이 형태의 광정보처리 시스템을 구현할 수 있다.In addition, in the present invention, by arranging a plurality or multiple optical modulation chips in space, it is possible to implement an imaging system and an optical information processing system in the form of an array.
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.Accordingly, according to the present invention, it is possible to achieve the effect of simplifying, miniaturization, high integration, and mass production easily at a low manufacturing cost compared to the Kretschmann type surface plasmon optical modulator requiring a high refractive prism.
또한 본 발명에 의하면, 전기광학물질막(유전체)에 가하는 전압을 조절하거나 입사광의 파장을 선택할 수 있는 기능을 추가하여 다양한 시스템을 구현할 수 있다.In addition, according to the present invention, it is possible to implement a variety of systems by adding a function to adjust the voltage applied to the electro-optic material film (dielectric) or to select the wavelength of the incident light.
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.This technology of the present invention can be used in the manufacture of ultra-high speed optical switches, optical modulators, space-optic modulators, optical interconnects, optical filters, displays, and can be widely applied to manufacturing various components in the optical communication and information electronic fields.
도 1은 종래 공지된 프리즘 결합 광변조기를 도시한 단면도.1 is a cross-sectional view showing a conventionally known prism coupled optical modulator.
도 2는 본 발명의 광변조장치를 구성하는 광변조칩을 도시한 분해 사시도.2 is an exploded perspective view showing an optical modulation chip constituting the optical modulation device of the present invention.
도 3은 본 발명의 광변조장치를 도시한 전체 구성도.3 is an overall configuration diagram showing an optical modulator of the present invention.
도 4는 본 발명의 광변조장치를 구성하는 광변조칩의 다른 실시 형태를 도시한 사시도.4 is a perspective view showing another embodiment of the optical modulation chip constituting the optical modulation device of the present invention.
도 5는 본 발명의 전기광학물질막에 인가되는 전압의 변화에 따른 광 검출 강도를 도시한 그래프.5 is a graph showing the light detection intensity according to the change of the voltage applied to the electro-optic material film of the present invention.
도 6은 본 발명의 전기광학물질막에 인가되는 전압의 변화에 따른 광 검출기에서의 광 검출 강도를 도시한 그래프.6 is a graph showing the light detection intensity in the photo detector according to the change of the voltage applied to the electro-optic material film of the present invention.
도 7은 본 발명의 전기광학물질막에 인가되는 전압의 변화에 따른 입사광의 파장 변화를 도시한 그래프.7 is a graph showing a change in wavelength of incident light according to a change in voltage applied to the electro-optic material film of the present invention.
도 8 및 도 9는 본 발명의 다른 실시 형태를 도시한 구성도.8 and 9 are diagrams showing another embodiment of the present invention.
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