KR20090093427A - All optical switch using surface plasmon resonance - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 전광(all optical) 스위치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광소자 개념의 전광 스위치에 관한 것이다.The present invention relates to an all-optical switch, and more particularly, to an all-optical switch of the optical device concept using surface plasmon resonance.
최근 정보통신의 급속한 발전에 따른 정보량의 급증 현상으로 인해 초고속 정보통신의 기술에 대한 요구가 기하급수적으로 늘어나고 있다. 이러한 요구를 수용하기 위해 현재 많이 연구되고 있는 기술 중의 하나가 광 스위치이다. 현재 연구되어지고 있는 대부분의 광 스위치는 전기신호를 이용하여 광을 제어하는 방식이 대부분이다. 그러나 전기신호의 한계 때문에 고유한 광의 속도를 구현하는 것이 한계가 있다. Recently, due to the rapid increase in information volume due to the rapid development of information and communication, the demand for technology of ultra-high speed information and communication is increasing exponentially. One of the technologies currently being studied to accommodate this demand is the optical switch. Most of the optical switches currently being studied are the way to control the light by using an electrical signal. However, due to the limitations of the electrical signal, there is a limit to the inherent speed of light.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 광집적회로를 전기적 신호를 이용하지 않고 광신호에 의해 스위칭할 수 있는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 전광 스위치를 제공하는 데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in an effort to provide an all-optical switch using surface plasmon resonance capable of switching an optical integrated circuit by an optical signal without using an electrical signal.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위한, 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 전광 스위치의 바람직한 일 실시예는, 전면에 입력된 광신호를 전반사시키는 전반사소자; 전면이 상기 전반사소자의 후면에 접하여 배치되며, 상기 전반사소자의 전면에 표면 플라즈몬 공명각으로 입력된 입사광에 의해 후면에 표면 플라즈몬 공명파를 형성하는 금속박막; 상기 전반사소자의 전면에 수직한 법선과 상기 표면 플라즈몬 공명각을 이루도록 배치되며, 일단으로 입력된 상기 입사광을 상기 전반사소자의 전면으로 입사시키는 제1입사도파로; 상기 전반사소자의 전면에 수직한 법선에 대해 상기 제1입사도파로와 대칭되도록 배치되며, 상기 전반사소자로부터 반사된 상기 입사광이 출력되는 출사도파로; 및 상기 금속박막의 후면으로 교란광을 입사시켜 상기 표면 플라즈몬 공명각으로 입력된 입사광에 의해 형성된 표면 플라즈몬 공명 조건을 변경하여 상기 입사광이 상기 출사도파로로 출력되도록 하는 제2입사도파로;를 구비한다. In order to solve the above technical problem, a preferred embodiment of the all-optical switch using the surface plasmon resonance according to the present invention, a total reflection element for total reflection of the optical signal input to the front; A metal film having a front surface disposed in contact with a rear surface of the total reflection element, and forming a surface plasmon resonance wave at the rear surface by incident light input at a surface plasmon resonance angle on the front surface of the total reflection element; A first incident waveguide disposed to form a normal line perpendicular to the front surface of the total reflection element and the surface plasmon resonance angle, and configured to allow the incident light inputted at one end to enter the front surface of the total reflection element; An emission waveguide disposed symmetrically with the first incident waveguide with respect to a normal line perpendicular to the front surface of the total reflection element, and outputting the incident light reflected from the total reflection element; And a second incident waveguide for injecting disturbed light into the rear surface of the metal thin film to change the surface plasmon resonance condition formed by the incident light input at the surface plasmon resonance angle so that the incident light is output to the emission waveguide.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위한, 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 전광 스위치의 바람직한 다른 실시예는, 전면에 입력된 입사광을 전반사시키는 전반사소자; 상기 전반사소자의 후면과 소정 간격 이격되어 배치되며, 상기 전반사소자의 전면에 표면 플라즈몬 공명각으로 입력된 입사광에 의해 상기 전반사소자의 후면과 대향하는 전면에 표면 플라즈몬 공명파를 형성하는 금속박막; 상기 전반사소자의 전면에 수직한 법선과 상기 플라즈몬 공명각을 이루도록 배치되며, 일단으로 입력된 상기 입사광을 상기 전반사소자의 전면으로 입사시키는 제1입사도파로; 상기 전반사소자의 전면에 수직한 법선에 대해 상기 제1입사도파로와 대칭되도록 배치되며, 상기 전반사소자로부터 반사된 상기 입사광이 출력되는 출사도파로; 및 상기 금속박막의 후면으로 교란광을 입사시켜 상기 표면 플라즈몬 공명각으로 입력된 입사광에 의해 형성된 표면 플라즈몬 공명 조건을 변경하여 상기 입사광이 상기 출사도파로로 출력되도록 하는 제2입사도파로;를 구비한다.In order to solve the above technical problem, another embodiment of the all-optical switch using the surface plasmon resonance according to the present invention, a total reflection element for total reflection of the incident light input to the front; A metal thin film disposed to be spaced apart from the rear surface of the total reflection element by a incident light input at a surface plasmon resonance angle on the front surface of the total reflection element to form a surface plasmon resonance wave on a front surface opposite to the rear surface of the total reflection element; A first incident waveguide disposed to form a normal line perpendicular to the front surface of the total reflection element and the plasmon resonance angle, and configured to allow the incident light input to one end to enter the front surface of the total reflection element; An emission waveguide disposed symmetrically with the first incident waveguide with respect to a normal line perpendicular to the front surface of the total reflection element, and outputting the incident light reflected from the total reflection element; And a second incident waveguide for injecting disturbed light into the rear surface of the metal thin film to change the surface plasmon resonance condition formed by the incident light input at the surface plasmon resonance angle so that the incident light is output to the emission waveguide.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위한, 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 전광 스위치의 바람직한 또 다른 실시예는, 전면으로 입력된 입사광을 전반사시키는 전반사소자; 전면이 상기 전반사소자의 후면에 접하여 배치되며, 상기 전반사소자의 전면에 표면 플라즈몬 공명각으로 입력된 입사광에 의해 후면에 표면 플라즈몬 공명파를 형성하는 금속박막; 상기 전반사소자의 전면에 수직한 법선과 상기 플라즈몬 공명각에 대해 소정 각도 이탈되도록 배치되며, 일단으로 입력된 상기 입사광을 상기 전반사소자의 전면으로 입사시키는 제1입사도파로; 상기 전반사소자의 전면에 수직한 법선에 대해 상기 제1입사도파로와 대칭되도록 배치되며, 상기 전반사소자로부터 반사된 상기 입사광이 출력되는 출사도파로; 및 상기 금속박막의 표면 플라즈몬 공명파가 형성되는 표면으로 교란광을 입사시켜 상기 제1입사도파로를 통해 상기 전반사소자의 전면으로 입사된 상기 입사광에 의해 상기 금속박막의 후면에 상기 표면 플라즈몬 공명파를 형성하도록 하는 제2입사도파로;를 구비한다.In order to solve the above technical problem, another preferred embodiment of the all-optical switch using the surface plasmon resonance according to the present invention, a total reflection element for total reflection of the incident light input to the front; A metal film having a front surface disposed in contact with a rear surface of the total reflection element, and forming a surface plasmon resonance wave at the rear surface by incident light input at a surface plasmon resonance angle on the front surface of the total reflection element; A first incident waveguide disposed to deviate from the normal line perpendicular to the front surface of the total reflection element and a predetermined angle with respect to the plasmon resonance angle, and to allow the incident light inputted at one end to the front surface of the total reflection element; An emission waveguide disposed symmetrically with the first incident waveguide with respect to a normal line perpendicular to the front surface of the total reflection element, and outputting the incident light reflected from the total reflection element; And causing the surface plasmon resonance wave on the rear surface of the metal thin film by the incident light incident on the front surface of the total reflection element through the first incident waveguide by injecting disturbed light into the surface where the surface plasmon resonance wave of the metal thin film is formed. And a second incident waveguide for forming.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위한, 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 전광 스위치의 바람직한 또 다른 실시예는, 전면으로 입력된 입사광을 전반사시키는 전반사소자; 상기 전반사소자의 후면과 소정 간격 이격되어 배치되며, 상기 전반사소자의 전면에 표면 플라즈몬 공명각으로 입력된 입사광에 의해 상기 전반사소자의 후면과 대향하는 전면에 표면 플라즈몬 공명파를 형성하는 금속박막; 상기 전반사소자의 전면에 수직한 법선과 상기 플라즈몬 공명각에 대해 소정 각도 이탈되도록 배치되며, 일단으로 입력된 상기 입사광을 상기 전반사소자의 전면으로 입사시키는 제1입사도파로; 상기 전반사소자의 전면에 수직한 법선에 대해 상기 제1입사도파로와 대칭되도록 배치되며, 상기 전반사소자로부터 반사된 상기 입사광이 출력되는 출사도파로; 및 상기 금속박막의 표면 플라즈몬 공명파가 형성되는 표면으로 교란광을 입사시켜 상기 제1입사도파로를 통해 상기 전반사소자의 전면으로 입사된 상기 입사광에 의해 상기 금속박막의 후면에 상기 표면 플라즈몬 공명파를 형성하도록 하는 제2입사도파로;를 구비한다.In order to solve the above technical problem, another preferred embodiment of the all-optical switch using the surface plasmon resonance according to the present invention, a total reflection element for total reflection of the incident light input to the front; A metal thin film disposed to be spaced apart from the rear surface of the total reflection element by a incident light input at a surface plasmon resonance angle on the front surface of the total reflection element to form a surface plasmon resonance wave on a front surface opposite to the rear surface of the total reflection element; A first incident waveguide disposed to deviate from the normal line perpendicular to the front surface of the total reflection element and a predetermined angle with respect to the plasmon resonance angle, and to allow the incident light inputted at one end to the front surface of the total reflection element; An emission waveguide disposed symmetrically with the first incident waveguide with respect to a normal line perpendicular to the front surface of the total reflection element, and outputting the incident light reflected from the total reflection element; And causing the surface plasmon resonance wave on the rear surface of the metal thin film by the incident light incident on the front surface of the total reflection element through the first incident waveguide by injecting disturbed light into the surface where the surface plasmon resonance wave of the metal thin film is formed. And a second incident waveguide for forming.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위한, 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 전광 스위치의 바람직한 또 다른 실시예는, 제1면에 입력된 입사광을 전반사시키는 전반사소자; 전면이 상기 전반사소자의 제1면에 접하여 배치되며, 상기 전반사소자의 전면에 표면 플라즈몬 공명각으로 입력된 입사광에 의해 후면에 표면 플라즈몬 공명파를 형성하는 금속박막; 일단으로 입력된 상기 입사광을 상기 전반사소자의 제2면으로 입사시키고, 상기 전반사소자의 제2면으로 입사된 상기 입사광이 상기 전반사소자의 내부를 진행하여 상기 전반사소자의 제1면에 수직한 법선과 상기 플라즈몬 공명각을 이루면서 상기 전반사소자의 제2면에 입사되도록 배치되는 제1광입력부; 상기 전반사소자의 제1면에 수직한 법선에 대해 상기 제1광입력부와 대칭되도록 배치되며, 상기 전반사소자의 제1면에 의해 반사되어 상기 전반사소자의 제3면을 통해 출사된 상기 입사광을 일단으로 입력받아 타단을 통해 출력하는 광출력부; 및 상기 금속박막의 후면으로 교란광을 입사시켜 상기 표면 플라즈몬 공명각으로 입력된 입사광에 의해 형성된 표면 플라즈몬 공명 조건을 변경하여 상기 입사광이 상기 광출력부로 출력되도록 하는 제2광입력부;를 구비한다.In order to solve the above technical problem, another preferred embodiment of the all-optical switch using the surface plasmon resonance according to the present invention, a total reflection element for total reflection of the incident light input to the first surface; A metal thin film having a front surface disposed in contact with the first surface of the total reflection element, and forming a surface plasmon resonance wave at the rear surface by incident light input at a surface plasmon resonance angle on the front surface of the total reflection element; A normal line perpendicular to the first surface of the total reflection element by entering the incident light input to the second surface of the total reflection element, the incident light incident on the second surface of the total reflection element proceeds inside the total reflection element A first light input unit arranged to be incident on a second surface of the total reflection element while forming the plasmon resonance angle; The incident light is disposed to be symmetrical with the first light input unit with respect to a normal line perpendicular to the first surface of the total reflection element, and is reflected by the first surface of the total reflection element and exits the incident light emitted through the third surface of the total reflection element. An optical output unit for receiving the output through the other end; And a second light input unit configured to change the surface plasmon resonance condition formed by the incident light input to the surface plasmon resonance angle by injecting disturbed light into the rear surface of the metal thin film so that the incident light is output to the light output unit.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위한, 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 전광 스위치의 바람직한 또 다른 실시예는, 제1면에 입력된 입사광을 전반사시키는 전반사소자; 상기 전반사소자의 제1면과 소정 간격 이격되어 배치되며, 상기 전반사소자의 전면에 표면 플라즈몬 공명각으로 입력된 입사광에 의해 상기 전반사소자의 제1면과 대향하는 제1면에 표면 플라즈몬 공명파를 형성하는 금속박막; 일단으로 입력된 상기 입사광을 상기 전반사소자의 제2면으로 입사시키고, 상기 전반사소자의 제2면으로 입사된 상기 입사광이 상기 전반사소자의 내부를 진행하여 상기 전반사소자의 제1면에 수직한 법선과 상기 플라즈몬 공명각을 이루면서 상기 전반사소자의 제2면에 입사되도록 배치되는 제1광입력부; 상기 전반사소자의 제1면에 수직한 법선에 대해 상기 제1광입력부와 대칭되도록 배치되며, 상기 전반사소자의 제1면에 의해 반사되어 상기 전반사소자의 제3면을 통해 출사된 상기 입사광을 일단으로 입력받아 타단을 통해 출력하는 광출력부; 및 상기 금속박막의 후면으로 교란광을 입사시켜 상기 표면 플라즈몬 공명각으로 입력된 입사광에 의해 형성된 표면 플라즈몬 공명 조건을 변경하여 상기 입사광이 상기 광출력부로 출력되도록 하는 제2광입력부;를 구비한다.In order to solve the above technical problem, another preferred embodiment of the all-optical switch using the surface plasmon resonance according to the present invention, a total reflection element for total reflection of the incident light input to the first surface; A surface plasmon resonance wave is disposed on the first surface of the total reflection element and spaced apart from the first surface by a incident light input at a surface plasmon resonance angle on the front surface of the total reflection element. Metal thin film to form; A normal line perpendicular to the first surface of the total reflection element by entering the incident light input to the second surface of the total reflection element, the incident light incident on the second surface of the total reflection element proceeds inside the total reflection element A first light input unit arranged to be incident on a second surface of the total reflection element while forming the plasmon resonance angle; The incident light is disposed to be symmetrical with the first light input unit with respect to a normal line perpendicular to the first surface of the total reflection element, and is reflected by the first surface of the total reflection element and exits the incident light emitted through the third surface of the total reflection element. An optical output unit for receiving the output through the other end; And a second light input unit configured to change the surface plasmon resonance condition formed by the incident light input to the surface plasmon resonance angle by injecting disturbed light into the rear surface of the metal thin film so that the incident light is output to the light output unit.
본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 전광 스위치에 의하면, 빛을 이용하여 빛을 제어할 수 있어서 전송 속도에 있어서 상당한 이점을 얻을 수 있고, 광집적화를 가능하게 할 수 있다. 또한 이러한 광집적화를 통해서 신호의 전달뿐만 아니라 장치의 제어에도 광을 이용하는 광컴퓨터를 가능하게 할 수 있다.According to the all-optical switch using surface plasmon resonance according to the present invention, it is possible to control light by using light, so that a considerable advantage in transmission speed can be obtained, and optical integration can be made possible. In addition, through the optical integration, it is possible to enable an optical computer using light not only for signal transmission but also for controlling the device.
도 1은 본 발명에 따른 크레취만(Kretschmann) 구조를 이용한 전광 스위치의 제1실시예를 도시한 도면,1 is a view showing a first embodiment of an all-optical switch using a Kretschmann structure according to the present invention;
도 2는 크레취만(Kretschmann) 구조의 전광 스위치의 제1실시예에서 표면 플라즈몬 공명이 유기될 때 광파의 진행을 유한차분 시간영역(Finite Difference Time Domain: FDTD) 방법으로 계산하여 도시한 그래프,FIG. 2 is a graph illustrating calculation of light waves by finite difference time domain (FDTD) method when surface plasmon resonance is induced in a first embodiment of an all-optical switch having a Kretschmann structure.
도 3은 크레취만(Kretschmann) 구조의 전광 스위치의 제1실시예에서 표면 플라즈몬 공명이 유기될 때, 교란광을 금속 면에 입사시킨 후 광파의 진행을 도시한 그래프, FIG. 3 is a graph showing the progress of light waves after incident disturbance light on a metal surface when surface plasmon resonance is induced in the first embodiment of an all-light switch having a Kretschmann structure,
도 4는 본 발명에 따른 오토(Otto) 구조를 이용한 전광 스위치의 제2실시예를 도시한 도면,4 is a view showing a second embodiment of an all-optical switch using an Otto structure according to the present invention;
도 5는 도 1에 도시된 본 발명에 따른 전광 스위치의 제1실시예를 반도체 제조공정에 의해 온칩(On-Chip)으로 집적화할 수 있도록 변형한 제3실시예를 도시한 도면,FIG. 5 is a view showing a third embodiment in which the first embodiment of the all-optical switch shown in FIG. 1 is modified to be integrated into an on-chip by a semiconductor manufacturing process; FIG.
도 6은 도 2에 도시된 본 발명에 따른 전광 스위치의 제2실시예를 반도체 제조공정에 의해 온칩(On-Chip)으로 집적화할 수 있도록 변형한 제4실시예를 도시한 도면,FIG. 6 is a view illustrating a fourth embodiment in which a second embodiment of the all-optical switch according to the present invention shown in FIG. 2 is modified to be integrated into an on-chip by a semiconductor manufacturing process;
도 7은 도 5에 도시된 본 발명에 따른 전광 스위치의 제3실시예에 삼각형상의 공진부를 결합한 제5실시예를 도시한 도면,7 is a view showing a fifth embodiment in which a triangular resonator unit is coupled to a third embodiment of the all-optical switch according to the present invention shown in FIG. 5;
도 8은 도 6에 도시된 본 발명에 따른 전광 스위치의 제4실시예에 삼각형상의 공진부를 결합한 제6실시예를 도시한 도면,8 is a view showing a sixth embodiment in which a triangular resonator is coupled to a fourth embodiment of the all-optical switch according to the present invention shown in FIG. 6;
도 9는 도 5에 도시된 본 발명에 따른 전광 스위치의 제3실시예에 마흐-젠더(Mach-Zehnder) 전계광학 변조기(Electrooptic Modulator)를 결합하여 구성한 제7실시예를 도시한 도면, 그리고,FIG. 9 is a view showing a seventh embodiment in which a Mach-Zehnder electrooptic modulator is combined with a third embodiment of the all-optical switch shown in FIG. 5, and FIG.
도 10은 도 5에 도시된 본 발명에 따른 전광 스위치의 제3실시예에 다중 모드 간섭 결합기(Multi-mode Interference Coupler : MMIC)를 결합하여 구성한 제8실시예를 도시한 도면이다.FIG. 10 is a diagram illustrating an eighth embodiment configured by combining a multi-mode interference coupler (MMIC) with a third embodiment of the all-optical switch shown in FIG. 5.
이하에서 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 전광 스위치의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다. Hereinafter, exemplary embodiments of an all-optical switch using surface plasmon resonance according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 전광 스위치에 대한 제1실시예의 구성을 도시한 도면이다. 1 is a diagram showing the configuration of a first embodiment of an all-optical switch using surface plasmon resonance according to the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 전광 스위치의 제1실시예(100)는 크레취만(Kretschmann) 구조로 구현되며, 프리즘(110), 금속박막(120), 제1광입력부(130), 광출력부(140) 및 제2광입력부(150)를 구비한다. Referring to FIG. 1, a first embodiment 100 of an all-optical switch using surface plasmon resonance according to the present invention is implemented in a Kretschmann structure, and includes a prism 110, a metal thin film 120, and a first light input unit. 130, an optical output unit 140, and a second optical input unit 150.
프리즘(110)의 바닥면에는 금속박막(120)의 전면이 접하며, 제1광입력부(130)와 광출력부(140)는 각각 프리즘(110)의 나머지 두 면에 접하거나 일정거리 이격되어 배치된다. 제1광입력부(130)로 입력된 레이저와 같은 단색광이 굴절률이 높은 프리즘(110)으로 입사되면, 입사광은 프리즘(110)의 바닥면과 금속박막(120)의 경계면에서 전반사되어 제1광입력부(130)의 반대편에 위치한 광출력부(140)에 도달한다. 그러나 주어진 두께의 금속박막(120)에 대해 프리즘(110)의 바닥면(즉, 금속박막(120)과 접한 면)에 수직한 법선을 기준으로 입사광의 입사각이 특정한 표면 플라즈몬 공명각이 되면, 표면 플라즈몬 공명이 발생하여 광출력부(140)로 항하는 광이 급격히 줄어들게 된다. 이러한 표면 플라즈몬 공명은 프리즘(110)과 금속박막(120)의 경계면에 평행한 방향의 입사광의 위상과 금속박막(120)의 제2면을 따라 진행하는 표면 플라즈몬 공명파의 위상이 일치할 때(즉, 광학적 조건이 TM 모드 광파(Transverse Magnetic light wave)의 모멘트가 금속박막(120)에서 전파되는 표면 플라즈몬 공명파(Surface Plasmon Resonance Wave)의 모멘트와 같게 될 때) 발생한다. 따라서 제1광입력부(130)는 입사광이 프리즘(110)의 바닥면과 수직인 법선에 대해 표면 플라즈몬 공명각을 이루며 프리즘(110)으로 입력되도록 배치되어야 한다. 또한 광출력부(140) 역시 프리즘(110)의 바닥면에서 반사된 입사광이 프리즘(110)의 바닥면과 수직인 법선에 대해 표면 플라즈몬 공명각을 이루며 광출력부(140)로 향하도록 배치되어야 한다. 이와 같은 광학적 조건에서 사실상 프리즘(110)으로 입사된 광자 에너지는 모두 금속박막(120)의 후면을 통해 흐르는 표면 플라즈몬 공명파(즉, 금속박막(120)과 유전체(본 실시예에서는 공기) 사이의 경계면에서 발생하는 전하밀도의 진동)로 바뀐다. 이러한 표면 플라즈몬 공명은 경계면에 수직하는 성분인 TM 편광된 파가 입사되어야 발생한다.이와 같이 표면 플라즈몬 공명이 발생하면, 광출력부(140)로 향하는 반사광이 거의 0가 되며, 이러한 상태는 본 발명에 따른 전광 스위치가 오프인 상태에 대응된다. The front surface of the metal thin film 120 is in contact with the bottom surface of the prism 110, the first light input unit 130 and the light output unit 140 are in contact with the remaining two surfaces of the prism 110 or spaced apart a certain distance do. When a monochromatic light such as a laser input to the first light input unit 130 is incident on the prism 110 having a high refractive index, the incident light is totally reflected at the bottom surface of the prism 110 and the boundary surface of the metal thin film 120 and the first light input unit Reach to the light output unit 140 opposite the 130. However, when the incident angle of incident light becomes a specific surface plasmon resonance angle based on a normal perpendicular to the bottom surface of the prism 110 (ie, the surface in contact with the metal thin film 120) with respect to the metal thin film 120 of a given thickness, the surface Plasmon resonance occurs and the light directed to the light output unit 140 is rapidly reduced. This surface plasmon resonance occurs when the phase of incident light in a direction parallel to the interface between the prism 110 and the metal thin film 120 coincides with the phase of the surface plasmon resonance wave traveling along the second surface of the metal thin film 120 ( That is, the optical condition occurs when the moment of the TM mode light wave (Transverse Magnetic light wave) becomes equal to the moment of the Surface Plasmon Resonance Wave propagated in the metal thin film 120. Therefore, the first light input unit 130 should be arranged such that incident light is input to the prism 110 at a surface plasmon resonance angle with respect to a normal line perpendicular to the bottom surface of the prism 110. In addition, the light output unit 140 should also be disposed such that incident light reflected from the bottom surface of the prism 110 forms a surface plasmon resonance angle with respect to a normal perpendicular to the bottom surface of the prism 110, and faces the light output unit 140. do. In this optical condition, the photon energy incident to the prism 110 is in fact all between the surface plasmon resonance wave flowing through the rear surface of the metal thin film 120 (that is, between the metal thin film 120 and the dielectric (air in this embodiment)). Vibration of charge density occurring at the interface). Such surface plasmon resonance is generated when TM polarized wave, which is a component perpendicular to the interface, is incident. When surface plasmon resonance occurs as described above, the reflected light directed to the light output unit 140 becomes almost zero, and this state is described in the present invention. Corresponds to a state in which the all-optical switch according to the present invention is turned off.
제2광입력부(150)는 금속박막(120)의 후면에 접하거나 일정거리 이격되어 배치된다. 이때 금속박막(120)의 후면에는 프리즘(110)의 굴절률보다 낮은 굴절률을 가진 유전물질로 이루어진 박막이 접하여 배치될 수 있다. 이러한 상태에서 제2광입력부(150)를 통해 레이저와 같은 교란광이 금속박막(120)의 후면으로 입사되면, 금속박막(120)의 후면에서 표면 플라즈몬 공명에 의해 발생한 전자들의 집단 진동에 영향을 주게 되어 표면 플라즈몬 공명 조건이 변경된다. 그에 따라 초기에 표면 플라즈몬 공명의 결과로 반사된 후의 광 에너지가 특정한 각도에서 급격히 감소하던 조건이 바뀌게 되어 광출력부(140)에 도달하는 광 에너지가 증가된다. 이와 같이 금속박막(120)의 후면에 교란광이 가해지면, 광출력부(140)로부터 광이 출력되어 본 발명에 따른 전광 스위치의 상태가 온 상태로 변경된다. 한편 제2광입력부(150)는 교란광의 입사방향이 입사광의 입사방향과 일치하도록 제1광입력부(130)와 광출력부(140) 사이의 각을 이등분하는 평면에 대해 제1광입력부(130) 쪽으로 각도 이루며 배치되는 것이 바람직하다. 또한 금속박막(120)의 후면과 수직인 법선을 기준으로 제2광입력부(150)를 통해 입력되는 교란광의 입사각, 교란광의 파장 및 교란광의 세기는 금속박막(120)의 굴절률, 입사광에 대응하는 표면 플라즈몬 공명각 및 입사광의 세기를 기준으로 실험적으로 결정된다.The second light input unit 150 is disposed in contact with the rear surface of the metal thin film 120 or spaced a predetermined distance apart. In this case, a thin film made of a dielectric material having a refractive index lower than that of the prism 110 may be disposed on the rear surface of the metal thin film 120. In this state, when a disturbing light such as a laser enters the rear surface of the metal thin film 120 through the second light input unit 150, it affects the collective vibration of electrons generated by surface plasmon resonance at the rear surface of the metal thin film 120. Surface plasmon resonance conditions are altered. As a result, the condition in which the light energy after being initially reflected as a result of surface plasmon resonance rapidly decreases at a specific angle is changed to increase the light energy reaching the light output unit 140. When the disturbing light is applied to the rear surface of the metal thin film 120 as described above, the light is output from the light output unit 140 to change the state of the all-optical switch according to the present invention to the on state. On the other hand, the second light input unit 150 has a first light input unit 130 with respect to a plane that bisects an angle between the first light input unit 130 and the light output unit 140 so that the incident direction of the disturbed light coincides with the incident direction of the incident light. It is preferably arranged at an angle toward). In addition, the incident angle of the disturbing light, the wavelength of the disturbing light, and the intensity of the disturbing light input through the second light input unit 150 based on a normal perpendicular to the back surface of the metal thin film 120 correspond to the refractive index of the metal thin film 120 and the incident light. It is determined experimentally based on the surface plasmon resonance angle and the intensity of the incident light.
도 2는 크레취만(Kretschmann) 구조의 표면 플라즈몬 공명기에서 표면 플라즈몬 공명이 유기될 때 광파의 진행을 유한 차분 시간 영역(Finite Difference Time Domain: FDTD) 방법으로 계산하여 도시한 그래프이다. 도 2를 참조하면, 제1광입력부(130)로 입력된 레이저와 같은 단색광(210)이 프리즘(110)과 같이 굴절률이 높은 매질 쪽으로 입사되면, 입사광(210)은 프리즘(110)의 바닥면에 위치하는 금속박막(120)에서 반사되는데, 프리즘(110) 바닥면의 법선을 기준으로 하는 입사광(210)의 입사각이 특정한 각이 되면, 표면 플라즈몬 공명파(220)가 유기되어 광이 임계각 이상임에도 불구하고 반사되어 광출력부(140)로 향하는 광 에너지(230)가 급격히 줄어들게 된다.FIG. 2 is a graph showing the calculation of light waves by finite difference time domain (FDTD) method when surface plasmon resonance is induced in a surface plasmon resonator having a Kretschmann structure. Referring to FIG. 2, when a monochromatic light 210 such as a laser input to the first light input unit 130 is incident toward a medium having a high refractive index such as the prism 110, the incident light 210 is bottom surface of the prism 110. When the incident angle of the incident light 210 based on the normal of the bottom surface of the prism 110 becomes a specific angle, the surface plasmon resonance wave 220 is induced and the light is above the critical angle. Nevertheless, the reflected light energy 230 toward the light output unit 140 is rapidly reduced.
도 3은 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 전광 스위치의 제1실시예(100)에서 표면 플라즈몬 공명이 유기될 때 교란광을 금속박막(120)의 제2면에 입사시킨 후에 광파의 진행을 도시한 그래프이다. 도 3을 참조하면, 입사광(310)에 의해 금속박막(120)에 표면 플라즈몬 공명파가 형성된 후에 제2광입력부(150)로 입력된 교란광(320)이 프리즘(110)의 바닥면에 위치하는 금속박막(120)의 제2면에 입사되면, 전자들의 집단 진동에 영향을 주게 되어 표면 플라즈몬 공명 조건이 바뀌게 된다. 따라서 표면 플라즈몬 공명에 의해서 줄었던 광출력부(140)로 향하는 광에너지(330)가 증가하게 된다. FIG. 3 shows the progress of light waves after incident disturbance light on the second surface of the metal thin film 120 when the surface plasmon resonance is induced in the first embodiment 100 of the all-optical switch using the surface plasmon resonance according to the present invention. It is a graph shown. Referring to FIG. 3, after the surface plasmon resonance wave is formed on the metal thin film 120 by the incident light 310, the disturbing light 320 input to the second light input unit 150 is positioned on the bottom surface of the prism 110. When incident on the second surface of the metal thin film 120, the collective vibration of the electrons is affected to change the surface plasmon resonance condition. Therefore, the light energy 330 toward the light output unit 140 reduced by the surface plasmon resonance is increased.
도 4는 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 전광 스위치에 대한 제2실시예의 구성을 도시한 도면이다. 4 is a view showing the configuration of a second embodiment of the all-optical switch using surface plasmon resonance according to the present invention.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 전광 스위치의 제2실시예(400)는 오토(Otto) 구조로 구현되며, 프리즘(410), 금속박막(420), 지지부(430), 제1광입력부(440), 광출력부(450) 및 제2광입력부(460)를 구비한다. Referring to FIG. 4, the second embodiment 400 of the all-optical switch using surface plasmon resonance according to the present invention has an auto structure, and includes a prism 410, a metal thin film 420, and a support 430. And a first light input unit 440, an light output unit 450, and a second light input unit 460.
금속박막(420)은 프리즘(410)의 바닥면과 평행하게 일정한 거리만큼 이격되어 위치하며, 금속박막(420)의 후면에는 지지부(430)가 배치되어 금속박막(420)을 고정시킨다. 지지부(430)는 제2광입력부(460)로 입력된 교란광이 금속박막(420)에 입사될 수 있도록 투명한 재질(예를 들면, 박판의 유리)로 제작되는 것이 바람직하다. 만약 금속박막(420)의 두께가 충분히 두껍거나 금속박막(420)의 재질이 단단하면, 지지부(430)를 채용할 필요가 없다. 한편 금속박막(420)과 프리즘(410)의 사이의 공간에는 프리즘(410)보다 굴절률이 낮은 유전물질이 삽입될 수 있다. 이때 삽입되는 유전물질은 박판의 형태로 제조되며, 일면은 프리즘(410)의 바닥면과 접하고 타면은 금속박막(420)의 전면에 접한다. 제1광입력부(440)와 광출력부(450)는 각각 프리즘(410)의 나머지 두 면에 접하거나 일정거리 이격되어 배치된다. 제2광입력부(460)는 금속박막(420) 또는 지지부(430)와 접하거나 일정거리 이격되어 배치된다. The metal thin film 420 is spaced apart by a predetermined distance in parallel with the bottom surface of the prism 410, the support portion 430 is disposed on the rear surface of the metal thin film 420 to fix the metal thin film 420. The support 430 may be made of a transparent material (eg, thin glass) so that the disturbing light input to the second light input unit 460 may be incident on the metal thin film 420. If the thickness of the metal thin film 420 is sufficiently thick or the material of the metal thin film 420 is hard, it is not necessary to employ the support 430. Meanwhile, a dielectric material having a lower refractive index than the prism 410 may be inserted into the space between the metal thin film 420 and the prism 410. At this time, the dielectric material to be inserted is manufactured in the form of a thin plate, one surface is in contact with the bottom surface of the prism 410 and the other surface is in contact with the front surface of the metal thin film 420. The first light input unit 440 and the light output unit 450 are disposed in contact with the other two surfaces of the prism 410 or spaced apart from each other by a predetermined distance. The second light input unit 460 is disposed in contact with the metal thin film 420 or the support unit 430 or spaced apart from the predetermined distance.
도 1을 참조하여 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 전광 스위치의 제2실시예(400)의 제1광입력부(440)는 입사광이 프리즘(410)의 바닥면과 수직인 법선에 대해 표면 플라즈몬 공명각을 이루며 프리즘(410)으로 입력되도록 배치되어야 한다. 또한 광출력부(450) 역시 프리즘(410)의 바닥면에서 반사된 입사광이 프리즘(410)의 바닥면과 수직인 법선에 대해 표면 플라즈몬 공명각을 이루며 광출력부(450)로 향하도록 배치되어야 한다. 이러한 배치상태에서 제1광입력부(440)로 입력된 입사광이 굴절률이 높은 프리즘(410)으로 입사되면, 표면 플라즈몬 공명에 의해 광자 에너지가 모두 프리즘(410)의 바닥면과 일정거리 이격되어 배치된 금속박막(420)의 전면을 통해 흐르는 표면 플라즈몬 공명파로 변하여 광출력부(450)로 입력되는 광이 급격히 줄어들게 된다. 이러한 상태는 본 발명에 따른 전광 스위치가 오프인 상태에 대응된다. As described with reference to FIG. 1, the first light input unit 440 of the second embodiment 400 of the all-optical switch using the surface plasmon resonance according to the present invention has a normal line perpendicular to the bottom surface of the prism 410. It should be arranged to enter the prism 410 at a surface plasmon resonance angle with respect to. In addition, the light output unit 450 should also be disposed such that the incident light reflected from the bottom surface of the prism 410 forms a surface plasmon resonance angle with respect to a normal perpendicular to the bottom surface of the prism 410 and faces the light output unit 450. do. When the incident light input to the first light input unit 440 enters the prism 410 having a high refractive index in this arrangement state, the photon energy is all spaced apart from the bottom surface of the prism 410 by surface plasmon resonance. The light input to the light output unit 450 is rapidly reduced by changing to a surface plasmon resonance wave flowing through the front surface of the metal thin film 420. This state corresponds to a state in which the all-optical switch according to the present invention is turned off.
이러한 상태에서 제2광입력부(460)를 통해 레이저와 같은 교란광이 금속박막(420)의 후면으로 입사되면, 금속박막(420)의 후면에서 플라즈몬 공명에 의해 발생한 전자들의 집단 진동에 영향을 주게 되어 표면 플라즈몬 공명 조건이 바꾸게 된다. 그에 따라 초기에 표면 플라즈몬 공명의 결과로 반사된 후의 광 에너지가 특정한 각도에서 급격히 감소하던 조건이 바뀌게 되어 광출력부(450)에 도달하는 광 에너지가 증가된다. 이와 같이 금속박막(420)의 후면으로 교란광이 가해지면, 광출력부(450)로 광이 입력되어 본 발명에 따른 전광 스위치의 상태가 온 상태로 변경된다. 한편 제2광입력부(460)는 교란광의 입사방향이 입사광의 입사방향과 일치하도록 제1광입력부(440)와 광출력부(450) 사이의 각을 이등분하는 평면에 대해 제1광입력부(440) 쪽으로 각도를 이루며 배치되는 것이 바람직하다. 또한 금속박막(420)의 제2면과 수직인 법선을 기준으로 제2광입력부(460)를 통해 입력되는 교란광의 입사각, 교란광의 파장 및 교란광의 세기는 금속박막(420)의 굴절률, 입사광에 대응하는 표면 플라즈몬 공명각 및 입사광의 세기를 기준으로 실험적으로 결정된다.In this state, when a disturbing light such as a laser enters the rear surface of the metal thin film 420 through the second light input unit 460, it affects the collective vibration of electrons generated by plasmon resonance at the rear surface of the metal thin film 420. This changes the surface plasmon resonance condition. As a result, the condition in which the light energy after being initially reflected as a result of surface plasmon resonance rapidly decreases at a specific angle is changed to increase the light energy reaching the light output unit 450. When the disturbing light is applied to the rear surface of the metal thin film 420 as described above, light is input to the light output unit 450 to change the state of the all-optical switch according to the present invention to the on state. Meanwhile, the second light input unit 460 has a first light input unit 440 with respect to a plane that bisects an angle between the first light input unit 440 and the light output unit 450 so that the incident direction of the disturbed light coincides with the incident direction of the incident light. It is preferably arranged at an angle toward). In addition, the incident angle, the wavelength of the disturbed light, and the intensity of the disturbed light inputted through the second light input unit 460 based on a normal perpendicular to the second surface of the metal thin film 420 are determined by the refractive index and incident light of the metal thin film 420. It is determined experimentally on the basis of the corresponding surface plasmon resonance angle and the intensity of the incident light.
도 5는 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 전광 스위치에 대한 제3실시예의 구성을 도시한 도면이다. 도 5에 도시된 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 전광 스위치의 제3실시예는 도 1에 도시된 크레취만 구조의 전광 스위치를 반도체 제조공정에 의해 온칩(On-Chip)으로 집적화할 수 있도록 변형한 것이다.5 is a diagram showing the configuration of a third embodiment of the all-optical switch using surface plasmon resonance according to the present invention. The third embodiment of the all-optical switch using the surface plasmon resonance according to the present invention shown in FIG. 5 is modified to integrate the all-electric switch of the Crechmann structure shown in FIG. 1 into an on-chip by a semiconductor manufacturing process. It is.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 전광 스위치에 대한 제3실시예(500)는 제1입사도파로(510), 전반사소자(520), 금속박막(530), 출사도파로(540) 및 제2입사도파로(550)로 구성된다. Referring to FIG. 5, a third embodiment 500 of the all-optical switch using surface plasmon resonance according to the present invention includes a first incident waveguide 510, a total reflection element 520, a metal thin film 530, and an emission waveguide ( 540 and the second incident waveguide 550.
제1입사도파로(510)의 일단부로는 광원 또는 광선로를 통해 입사광이 입력된다. 제1입사도파로(510)의 타단부는 전반사소자(520)의 전면에 수직한 법선을 기준으로 일정한 각도를 이루며 연결된다. 전반사소자(520)는 입사된 입사광을 전반사하는 소자로서, 대표적으로 전반사미러가 있다. 이때 제1입사도파로(510)와 전반사소자(520)의 표면에 수직한 법선이 이루는 각은 표면 플라즈몬 공명을 일으킬 수 있도록 표면 플라즈몬 공명각이 되어야 한다. 금속박막(530)은 전반사소자(520)의 후면에 형성된다. 이러한 금속박막(530)은 일반적인 박막증착공정에 의해 형성된다. 제1입사도파로(510)를 통해 전반사소자(520)의 전면에 특정한 파장을 가진 입사광이 입력되면, 도 1에 도시된 본 발명에 따른 전광 스위치의 제1실시예(100)와 동일하게 금속박막(530)의 후면(즉, 전반사소자(520)와 면하지 않는 면)에 존재하는 자유전자가 표면 플라즈몬 공명파를 형성한다. 따라서 전반사소자(520)에 의해 반사되어 출사도파로(540)로 출력되는 광 에너지는 표면 플라즈몬 공명 조건하에서 급격히 감소하는 특성을 보인다. 이때 출사도파로(540)의 일단부는 전반사소자(520)의 전면에 수직한 법선을 기준으로 입사광의 입사각과 동일한 각도를 이루며 연결된다. One end of the first incident waveguide 510 receives incident light through a light source or an optical path. The other end of the first incident waveguide 510 is connected at a predetermined angle with respect to a normal line perpendicular to the front surface of the total reflection element 520. The total reflection element 520 is a device that totally reflects incident incident light, and typically has a total reflection mirror. At this time, the angle formed by the normal perpendicular to the surface of the first incident waveguide 510 and the total reflection element 520 should be the surface plasmon resonance angle to cause surface plasmon resonance. The metal thin film 530 is formed on the rear surface of the total reflection element 520. The metal thin film 530 is formed by a general thin film deposition process. When incident light having a specific wavelength is input to the front surface of the total reflection element 520 through the first incident waveguide 510, the metal thin film is the same as the first embodiment 100 of the all-optical switch shown in FIG. 1. Free electrons present on the rear surface (ie, the surface not facing the total reflection element 520) form the surface plasmon resonance wave. Therefore, the light energy reflected by the total reflection element 520 and output to the emission waveguide 540 shows a rapid decrease under surface plasmon resonance conditions. At this time, one end of the emission waveguide 540 is connected to form an angle equal to the incident angle of the incident light with respect to the normal line perpendicular to the front surface of the total reflection element 520.
이러한 상태에서 제2입사도파로(550)로 입력된 교란광이 금속박막(530)의 후면에 가해지면, 전자들의 집단 진동에 영향을 주게 되어 표면 플라즈몬 공명 조건이 변경된다. 그에 따라 초기에 표면 플라즈몬 공명의 결과로 반사된 후의 광 에너지가 특정한 각도에서 급격히 감소하던 조건이 변경되어, 출사도파로(540)에 도달하는 광 에너지를 증가시킬 수 있게 된다. 한편 제2입사도파로(550)는 교란광의 입사방향이 입사광의 입사방향과 일치하도록 제1입사도파로(510)와 출사도파로(540) 사이의 각을 이등분하는 평면에 대해 제1입사도파로(510) 쪽으로 각도를 이루며 배치되는 것이 바람직하다. 또한 금속박막(530)의 후면과 수직인 법선을 기준으로 제2입사도파로(550)를 통해 입력되는 교란광의 입사각, 교란광의 파장 및 교란광의 세기는 금속박막(530)의 굴절률, 입사광에 대응하는 표면 플라즈몬 공명각 및 입사광의 세기를 기준으로 실험적으로 결정된다.In this state, when the disturbed light input to the second incident waveguide 550 is applied to the rear surface of the metal thin film 530, the surface plasmon resonance condition is changed by affecting the collective vibration of electrons. Accordingly, the condition in which the light energy after being initially reflected as a result of surface plasmon resonance decreases rapidly at a specific angle is changed, thereby increasing the light energy reaching the emission waveguide 540. Meanwhile, the second incident waveguide 550 has a first incident waveguide 510 with respect to a plane bisecting an angle between the first incident waveguide 510 and the exiting waveguide 540 such that the incident direction of the disturbed light coincides with the incident direction of the incident light. It is preferably arranged at an angle toward. In addition, the incident angle, the wavelength of the disturbed light, and the intensity of the disturbed light input through the second incident waveguide 550 based on a normal perpendicular to the back surface of the metal thin film 530 correspond to the refractive index and incident light of the metal thin film 530. It is determined experimentally based on the surface plasmon resonance angle and the intensity of the incident light.
도 6은 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 전광 스위치에 대한 제4실시예의 구성을 도시한 도면이다. 도 6에 도시된 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 전광 스위치의 제4실시예는 도 4에 도시된 오토 구조의 전광 스위치를 반도체 제조공정에 의해 온칩(On-Chip)으로 집적화할 수 있도록 변형한 것이다.6 is a diagram showing the configuration of a fourth embodiment of the all-optical switch using surface plasmon resonance according to the present invention. The fourth embodiment of the all-optical switch using the surface plasmon resonance according to the present invention shown in FIG. 6 is modified to integrate the all-optical switch of the auto structure shown in FIG. 4 into an on-chip by a semiconductor manufacturing process. It is.
도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 전광 스위치의 제4실시예(600)는 제1입사도파로(610), 전반사소자(620), 금속박막(630), 출사도파로(640) 및 제2입사도파로(650)로 구성된다. 본 실시예는 반도체 제조공정으로 제조되므로, 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 전광 스위치의 제2실시예의 지지부를 구비할 필요가 없다.Referring to FIG. 6, the fourth embodiment 600 of the all-optical switch using surface plasmon resonance according to the present invention includes a first incident waveguide 610, a total reflection element 620, a metal thin film 630, and an emission waveguide 640. ) And a second incident waveguide 650. Since this embodiment is manufactured by a semiconductor manufacturing process, it is not necessary to include the support of the second embodiment of the all-optical switch using surface plasmon resonance according to the present invention.
제1입사도파로(610)의 일단부로는 광원 또는 광선로를 통해 입사광이 입력된다. 제1입사도파로(610)의 타단부는 전반사소자(620)의 전면에 수직한 법선을 기준으로 일정한 각도를 이루며 연결된다. 전반사소자(620)는 입사된 광을 전반사하는 소자로서, 대표적으로 전반사미러가 있다. 이때 제1입사도파로(610)와 전반사소자(620)의 표면에 수직한 법선이 이루는 각은 표면 플라즈몬 공명을 일으킬 수 있도록 표면 플라즈몬 공명각이 되어야 한다. 금속박막(630)은 전반사소자(620)의 후면으로부터 일정거리 이격되어 형성된다. 이때 금속박막(630)은 전반사소자(620)의 후면에 전반사소자(620)와 금속박막(630)의 이격거리에 해당하는 두께로 중간층을 증착한 후 금속박막(630)을 증착하고, 에칭에 의해 중간층을 제거하는 방법에 의해 형성될 수 있다. 나아가 중간층을 제1입사도파로(610)의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 유전물질로 형성하면, 중간층을 제거하지 않아도 되는 이점이 있다. 그리고 제2입사도파로(650)는 금속박막(630)의 후면에 접하여 배치된다. One end of the first incident waveguide 610 receives incident light through a light source or an optical path. The other end of the first incident waveguide 610 is connected at an angle with respect to a normal line perpendicular to the front surface of the total reflection element 620. The total reflection element 620 is a device that totally reflects the incident light, and typically has a total reflection mirror. At this time, the angle formed by the normal perpendicular to the surface of the first incident waveguide 610 and the total reflection element 620 should be the surface plasmon resonance angle so as to cause surface plasmon resonance. The metal thin film 630 is spaced apart from the rear surface of the total reflection element 620 by a predetermined distance. In this case, the metal thin film 630 is deposited on the rear surface of the total reflection element 620 to a thickness corresponding to the distance between the total reflection element 620 and the metal thin film 630, and then the metal thin film 630 is deposited. By the method of removing the intermediate layer. Furthermore, when the intermediate layer is formed of a dielectric material having a refractive index lower than that of the first incident waveguide 610, there is an advantage that the intermediate layer does not need to be removed. The second incident waveguide 650 is disposed in contact with the rear surface of the metal thin film 630.
제1입사도파로(610)를 통해 전반사소자(620)의 전면에 특정한 파장을 가진 입사광이 입력되면, 도 4에 도시된 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 전광 스위치의 제2실시예(400)와 동일하게 금속박막(630)의 전면(즉, 전반사소자(520)의 후면과 대향하는 면)에 존재하는 자유전자가 표면 플라즈몬 공명파를 형성한다. 따라서 전반사소자(620)에 의해 반사되어 출사도파로(640)로 출력되는 광은 표면 플라즈몬 공명 조건하에서 급격히 감소하는 특성을 보인다. 이때 출사도파로(640)의 일단부는 전반사소자(620)의 전면에 수직한 법선을 기준으로 입사광의 입사각과 동일한 각도를 이루며 연결된다. When incident light having a specific wavelength is input to the front surface of the total reflection element 620 through the first incident waveguide 610, the second embodiment 400 of the all-optical switch using the surface plasmon resonance according to the present invention shown in FIG. Similarly, free electrons present on the front surface of the metal thin film 630 (ie, the surface opposite to the rear surface of the total reflection element 520) form a surface plasmon resonance wave. Therefore, the light reflected by the total reflection element 620 and output to the emission waveguide 640 exhibits a rapidly decreasing characteristic under surface plasmon resonance conditions. At this time, one end of the emission waveguide 640 is connected to form an angle equal to the incident angle of the incident light with respect to the normal line perpendicular to the front surface of the total reflection element 620.
이러한 상태에서 금속박막(630)의 후면에 접하여 형성된 제2입사도파로(650)를 통해 교란광이 입력되면, 전자들의 집단 진동에 영향을 주게 되어 표면 플라즈몬 공명 조건이 바꾸게 된다. 그에 따라 초기에 표면 플라즈몬 공명의 결과로 반사된 후의 광 에너지가 특정한 각도에서 급격히 감소하던 조건이 바뀌게 되어 출사도파로(640)에 도달하는 광 에너지를 증가시킬 수 있게 된다. 한편 제2입사도파로(650)는 교란광의 입사방향이 입사광의 입사방향과 일치하도록 제1입사도파로(610)와 출사도파로(640) 사이의 각을 이등분하는 평면에 대해 제1입사도파로(610) 쪽으로 각도를 이루며 배치되는 것이 바람직하다. 또한 금속박막(630)의 후면과 수직인 법선을 기준으로 제2입사도파로(650)를 통해 입력되는 교란광의 입사각, 교란광의 파장 및 교란광의 세기는 금속박막(630)의 굴절률, 입사광에 대응하는 표면 플라즈몬 공명각 및 입사광의 세기를 기준으로 실험적으로 결정된다.In this state, when the disturbed light is input through the second incident waveguide 650 formed in contact with the rear surface of the metal thin film 630, the group plasmon resonance conditions are affected by affecting the collective vibration of electrons. Accordingly, the condition in which the light energy after being initially reflected as a result of surface plasmon resonance decreases sharply at a certain angle is changed to increase the light energy reaching the emission waveguide 640. On the other hand, the second incident waveguide 650 has a first incident waveguide 610 with respect to a plane that bisects an angle between the first incident waveguide 610 and the exiting waveguide 640 so that the incident direction of the disturbed light coincides with the incident direction of the incident light. It is preferably arranged at an angle toward. In addition, the incident angle, the wavelength of the disturbed light, and the intensity of the disturbed light input through the second incident waveguide 650 based on a normal perpendicular to the back surface of the metal thin film 630 correspond to the refractive index and incident light of the metal thin film 630. It is determined experimentally based on the surface plasmon resonance angle and the intensity of the incident light.
상술한 바와 같은 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 전광 스위치의 제1실시예 내지 제4실시예는 표면 플라즈몬 공명 상태에서 금속박막의 일면에 발생하는 전자들의 집단 진동에 영향을 주기 위해 금속박막의 타면에 교란광을 선택적으로 가하여 스위칭 동작을 수행할 수 있도록 한다. 그러나 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 전광 스위치의 제1실시예 내지 제4실시예는 교란광이 가해져 스위치의 상태가 온된 경우에 출력단으로 향하는 광 에너지가 입사광의 에너지에 비해 상당히 감소되는 문제가 있다. 따라서 출력단으로 향하는 광 에너지를 높이기 위한 구성이 필요하다. 이는 출력단에 별도의 증폭기를 연결하거나 입력단과 출력단에 공진부를 연결함으로써 가능하다. 이하에서는 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 전광 스위치의 제3실시예 및 제4실시예의 입력단과 출력단에 다양한 형태의 공진기가 연결된 실시예들에 대해 설명한다.The first to fourth embodiments of the all-optical switch using the surface plasmon resonance according to the present invention as described above are used in order to influence the collective vibration of electrons generated on one surface of the metal film in the surface plasmon resonance state. A disturbing light is selectively applied to the other surface to perform a switching operation. However, in the first to fourth embodiments of the all-optical switch using the surface plasmon resonance according to the present invention, when the state of the switch is turned on due to disturbed light, the light energy directed to the output terminal is considerably reduced compared to the energy of the incident light. have. Therefore, a configuration for increasing the light energy directed to the output stage is required. This can be done by connecting a separate amplifier to the output stage or by connecting the resonators to the input and output stages. Hereinafter, embodiments in which various types of resonators are connected to input and output terminals of the third and fourth embodiments of the all-optical switch using surface plasmon resonance according to the present invention will be described.
도 7은 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 전광 스위치에 대한 제5실시예의 구성을 도시한 도면이다. 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 전광 스위치의 제5실시예는 도 5에 도시된 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 전광 스위치의 제3실시예에 삼각형상의 공진부를 결합한 형태이다.7 is a view showing the configuration of a fifth embodiment of the all-optical switch using surface plasmon resonance according to the present invention. The fifth embodiment of the all-optical switch using the surface plasmon resonance according to the present invention combines a triangular resonator with a third embodiment of the all-optical switch using the surface plasmon resonance shown in FIG. 5.
도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 전광 스위치의 제5실시예(700)는 주도파로(710), 공진도파로(720), 전반사소자(730, 732, 734), 금속박막(740) 및 외부도파로(750)로 구성된다. Referring to FIG. 7, the fifth embodiment 700 of the all-optical switch using surface plasmon resonance according to the present invention includes a main waveguide 710, a resonant waveguide 720, total reflection elements 730, 732, and 734, a metal thin film. 740 and an external waveguide 750.
주도파로(710)의 일단에는 입사광이 입력되고, 타단으로는 입사광이 출력된다. 또한 주도파로(710)의 일부영역은 입력단을 통해 입력된 입사광이 공진도파로(720)로 결합되는 광결합영역을 형성한다. 공진도파로(720)는 복수의 광도파로가 삼각형상으로 배치되어 구성되며, 주도파로(710)의 광결합영역과 광결합되어 주도파로(710)의 입력단을 통해 입력된 입사광이 공진도파로(720)로 결합되는 광결합영역을 가진다. 이때 삼각형상의 공진도파로(720)의 세변을 구성하는 광도파로 중에서 하나의 광도파로는 주도파로(710)와 평행하게 배치된다. 그리고 나머지 두 개의 광도파로는 도 5에 도시된 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 전광 스위치의 제3실시예의 제1입사도파로(510)와 출사도파로(540)에 대응된다. 전반사소자(730, 732, 734)는 삼각형상의 공진도파로(720)의 세변을 구성하는 광도파로들이 서로 접속되는 지점인 꼭지점 영역에 배치된다. 한편 공진도파로(720)에 설치된 전반사소자(730, 732, 734) 중에서 주도파로(710)를 구성하는 광도파로와 평행하게 배치되는 광도파로를 제외한 다른 두 개의 광도파로가 접속되는 꼭지점 영역에 배치된 전반사소자(730)의 후면에는 금속박막(740)이 증착된다. 따라서 나머지 두 개의 광도파로 각각과 해당 광도파로들이 접속되는 꼭지점 영역에 배치된 전반사소자(730)의 표면에 수직한 법선이 이루는 각은 표면 플라즈몬 공명을 일으킬 수 있도록 표면 플라즈몬 공명각이 되어야 한다.The incident light is input to one end of the main waveguide 710 and the incident light is output to the other end. In addition, a portion of the main waveguide 710 forms an optical coupling region in which incident light input through the input terminal is coupled to the resonance waveguide 720. The resonant waveguide 720 includes a plurality of optical waveguides arranged in a triangular shape, and the incident light input through the input terminal of the main waveguide 710 is optically coupled with the optical coupling region of the main waveguide 710 to form the resonant waveguide 720. It has a photocoupling region coupled to. At this time, one of the optical waveguides constituting three sides of the triangular resonance waveguide 720 is disposed in parallel with the main waveguide 710. The remaining two optical waveguides correspond to the first incident waveguide 510 and the emission waveguide 540 of the third embodiment of the all-optical switch using the surface plasmon resonance according to the present invention shown in FIG. 5. The total reflection elements 730, 732, and 734 are disposed in a vertex region, which is a point where optical waveguides forming three sides of the triangular resonant waveguide 720 are connected to each other. Meanwhile, among the total reflection elements 730, 732, and 734 installed in the resonance waveguide 720, the optical waveguides disposed in parallel with the optical waveguides constituting the main waveguide 710 are disposed in a vertex region to which two other optical waveguides are connected. The metal thin film 740 is deposited on the rear surface of the total reflection element 730. Therefore, the angle formed by the normal perpendicular to the surface of the total reflection element 730 disposed at the vertex region to which each of the two other optical waveguides and the optical waveguides are connected must be the surface plasmon resonance angle to cause surface plasmon resonance.
이러한 상태에서 주도파로(710)의 입력단을 통해 입력된 입사광은 광결합영역을 통해서 삼각형상의 공진도파로(720)로 광결합되며, 공진도파로(720)로 입력된 입사광에 의해 금속박막(740)에 존재하는 자유전자가 표면 플라즈몬 공명파를 형성하게 된다. 따라서 공진도파로(720)로 입력된 입사광은 공진도파로(720) 내를 주회하게 되어 주도파로(710)의 출력단을 통해 출력되는 광이 존재하지 않게 된다. 이때 외부도파로(750)를 통해 입력된 교란광이 금속박막(740)의 후면으로 입사되면, 전자들의 집단 진동에 영향을 주게 되어 표면 플라즈몬 공명 조건이 변하게 된다. 이에 따라 주도파로(710)와 공진도파로(720) 사이의 광결합조건이 변경되어 주도파로(710)의 출력단을 통해 광이 출력된다. In this state, the incident light input through the input terminal of the main waveguide 710 is optically coupled to the triangular resonance waveguide 720 through the optical coupling region, and is incident on the metal thin film 740 by the incident light input to the resonance waveguide 720. The free electrons present form a surface plasmon resonance wave. Therefore, the incident light input to the resonant waveguide 720 is wound around the resonant waveguide 720 such that there is no light output through the output terminal of the main waveguide 710. At this time, when the disturbed light input through the external waveguide 750 is incident to the rear surface of the metal thin film 740, it affects the collective vibration of the electrons, thereby changing the surface plasmon resonance condition. Accordingly, the optical coupling condition between the main waveguide 710 and the resonance waveguide 720 is changed to output light through the output terminal of the main waveguide 710.
도 8은 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 전광 스위치에 대한 제6실시예의 구성을 도시한 도면이다. 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 전광 스위치의 제6실시예는 도 6에 도시된 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 전광 스위치의 제4실시예에 삼각형상의 공진부를 결합한 형태이다.8 is a view showing the configuration of a sixth embodiment of an all-optical switch using surface plasmon resonance according to the present invention. The sixth embodiment of the all-optical switch using the surface plasmon resonance according to the present invention combines a triangular resonator with the fourth embodiment of the all-optical switch using the surface plasmon resonance shown in FIG. 6.
도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 전광 스위치의 제6실시예(800)는 주도파로(810), 공진도파로(820), 전반사소자(830, 832, 834), 금속박막(840) 및 외부도파로(850)로 구성된다. Referring to FIG. 8, a sixth embodiment 800 of an all-optical switch using surface plasmon resonance according to the present invention includes a main waveguide 810, a resonance waveguide 820, total reflection elements 830, 832, and 834, a metal thin film. 840 and an external waveguide 850.
주도파로(810)의 일단에는 입사광이 입력되고, 타단으로는 입사광이 출력된다. 또한 주도파로(810)의 일부영역은 입력단을 통해 입력된 입사광이 공진도파로(820)로 결합되는 광결합영역을 형성한다. 공진도파로(820)는 복수의 광도파로가 삼각형상으로 배치되어 구성되며, 주도파로(810)의 광결합영역과 광결합되어 주도파로(810)의 입력단을 통해 입력된 입사광이 공진도파로(820)로 결합되는 광결합영역을 가진다. 이때 삼각형상의 공진도파로(820)의 세변을 구성하는 광도파로 중에서 하나의 광도파로는 주도파로(810)와 평행하게 배치된다. 그리고 나머지 두 개의 광도파로는 도 6에 도시된 전광 스위치의 제4실시예의 제1입사도파로(610)와 출사도파로(640)에 대응된다. 전반사소자(830, 832, 834)는 삼각형상의 공진도파로(820)의 세변을 구성하는 광도파로들이 서로 접속되는 지점인 꼭지점 영역에 배치된다. 한편 공진도파로(820)에 설치된 전반사소자(830, 832, 834) 중에서 주도파로(810)를 구성하는 광도파로와 평행하게 배치되는 광도파로를 제외한 다른 두 개의 광도파로가 접속되는 꼭지점 영역에 배치된 전반사소자(830)의 후면과 일정정도 이격된 지점에는 금속박막(840)이 증착된다. 이때 나머지 두 개의 광도파로 각각과 해당 광도파로들이 접속되는 꼭지점 영역에 배치된 전반사소자(830)의 표면에 수직한 법선이 이루는 각은 표면 플라즈몬 공명을 일으킬 수 있도록 표면 플라즈몬 공명각이 되어야 한다. 그리고 제2입사도파로(850)는 금속박막(840)의 후면에 접하여 배치된다.Incident light is input to one end of the main waveguide 810 and incident light is output to the other end. In addition, a partial region of the main waveguide 810 forms an optical coupling region in which incident light input through the input terminal is coupled to the resonance waveguide 820. The resonant waveguide 820 includes a plurality of optical waveguides arranged in a triangular shape, and the incident light input through the input terminal of the main waveguide 810 is optically coupled with the optical coupling region of the main waveguide 810 so that the resonant waveguide 820 is formed. It has a photocoupling region coupled to. In this case, one optical waveguide among the optical waveguides constituting three sides of the triangular resonance waveguide 820 is disposed in parallel with the main waveguide 810. The remaining two optical waveguides correspond to the first incident waveguide 610 and the emission waveguide 640 of the fourth embodiment of the all-optical switch shown in FIG. 6. The total reflection elements 830, 832, and 834 are disposed in a vertex region, which is a point at which optical waveguides constituting three sides of the triangular resonance waveguide 820 are connected to each other. Meanwhile, among the total reflection elements 830, 832, and 834 installed in the resonance waveguide 820, the optical waveguides disposed in parallel with the optical waveguides constituting the main waveguide 810 are disposed in the vertex region to which two other optical waveguides are connected. The metal thin film 840 is deposited at a point spaced from the rear surface of the total reflection element 830 to some extent. In this case, an angle formed by a normal perpendicular to the surface of the total reflection element 830 disposed at the vertex region to which each of the remaining two optical waveguides and the corresponding optical waveguides is connected must be a surface plasmon resonance angle to cause surface plasmon resonance. The second incident waveguide 850 is disposed in contact with the rear surface of the metal thin film 840.
이러한 상태에서 주도파로(810)의 입력단을 통해 입력된 입사광은 광결합영역을 통해서 삼각형상의 공진도파로(820)로 광결합되며, 공진도파로(820)로 입력된 입사광에 의해 금속박막(840)에 존재하는 자유전자가 표면 플라즈몬 공명파를 형성하게 된다. 따라서 공진도파로(820)로 입력된 입사광은 공진도파로(820) 내를 주회하게 되어 주도파로(810)의 출력단을 통해 출력되는 광이 존재하지 않게 된다. 이때 외부도파로(850)를 통해 입력된 교란광이 금속박막(840)의 후면으로 입사되면, 전자들의 집단 진동에 영향을 주게 되어 표면 플라즈몬 공명 조건이 변하게 된다. 이에 따라 주도파로(810)와 공진도파로(820) 사이의 광결합조건이 변경되어 주도파로(810)의 출력단을 통해 광이 출력된다. In this state, the incident light input through the input terminal of the main waveguide 810 is optically coupled to the triangular resonance waveguide 820 through the optical coupling region, and is incident on the metal thin film 840 by the incident light input to the resonance waveguide 820. The free electrons present form a surface plasmon resonance wave. Therefore, the incident light input to the resonant waveguide 820 circulates in the resonant waveguide 820 such that there is no light output through the output terminal of the main waveguide 810. At this time, when the disturbed light input through the external waveguide 850 is incident on the rear surface of the metal thin film 840, the influence of the group vibration of the electrons is changed to change the surface plasmon resonance condition. Accordingly, the optical coupling condition between the main waveguide 810 and the resonance waveguide 820 is changed to output light through the output terminal of the main waveguide 810.
상술한 바와 같이 도 7 및 도 8을 참조하여 설명한 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 전광 스위치의 제5실시예 및 제6실시예는 삼각형상의 공진부에 의해 입사광에 대한 출사광의 에너지 감소량의 최소화할 수 있다. 또한 도 7 및 도 8을 참조하여 설명한 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 전광 스위치의 제5실시예 및 제6실시예는 동일한 웨이퍼에 광 집적화 (Photonic Integrated Circuit, PIC) 기술에 의해 온칩으로 제작될 수 있다. 그리고 상술한 실시예들에 대한 설명시 삼각형상의 공진도파로를 예를 들어 설명하였지만, 공진도파로의 형태는 원형, 사각형 등 다양하게 구성될 수 있다. 나아가 공진부 역시 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 이하에서는 도 5에 도시된 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 전광 스위치의 제3실시예에 다양한 형태의 공진부를 적용한 실시예들을 설명한다. 이때 설명의 편의상 공진부의 광결합원리만을 설명하고 나머지 설명은 생략한다.. 이하에서 설명된 실시예들에 적용되는 공진부들은 도 6에 도시된 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 전광 스위치의 제4실시예에도 적용될 수 있다.As described above, the fifth and sixth embodiments of the all-optical switch using the surface plasmon resonance according to the present invention described with reference to FIGS. 7 and 8 minimize the amount of energy reduction of the emitted light with respect to the incident light by the triangular resonator. can do. In addition, the fifth and sixth embodiments of the all-optical switch using the surface plasmon resonance according to the present invention described with reference to FIGS. 7 and 8 are manufactured on-chip by photonic integrated circuit (PIC) technology on the same wafer. Can be. In the above description of the embodiments, the triangular resonant waveguide has been described as an example, but the shape of the resonant waveguide may be configured in various ways such as a circle and a rectangle. Furthermore, the resonator may also be implemented in various forms. Hereinafter, embodiments in which the resonator of various forms are applied to the third embodiment of the all-optical switch using the surface plasmon resonance according to the present invention shown in FIG. 5 will be described. In this case, only the optical coupling principle of the resonator unit will be described for convenience of description, and the rest of the description will be omitted. The same may be applied to the four embodiments.
도 9는 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 전광 스위치에 대한 제7실시예의 구성을 도시한 도면이다. 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 전광 스위치의 제7실시예는 도 5에 도시된 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 전광 스위치의 제3실시예에 마흐-젠더(Mach-Zehnder) 전계광학 변조기(Electrooptic Modulator)를 결합한 구조를 갖는다. 마흐-젠더 전계광학 변조기는 두 개의 도파로가 서로 평행하게 구성되어 있는 구조이고, 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. 9 is a view showing the configuration of a seventh embodiment of an all-optical switch using surface plasmon resonance according to the present invention. The seventh embodiment of the all-optical switch using the surface plasmon resonance according to the present invention is a Mach-Zehnder electro-optic modulator according to the third embodiment of the all-optical switch using the surface plasmon resonance according to the present invention shown in FIG. It has a structure that combines (Electrooptic Modulator). The Mach-Gender electro-optic modulator is a structure in which two waveguides are arranged in parallel with each other, and the light incident on the input portion of the modulator made on the electro-optic material is merged into two pieces of light through two different waveguide paths. In this case, when a voltage is applied to one path, the refractive index changes in the portion, and thus, the light passing through the path causes a phase change to cause constructive or destructive interference with light passing through the other path.
도 9를 참조하면, 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 전광 스위치에 대한 제7실시예(900)는 마흐-젠더 전계광학 변조기를 구성하는 두 개의 광도파로(910, 915) 중에서 하나의 광도파로(910)의 광결합영역에 각각의 꼭지점에 전반사소자(930, 932, 934)가 배치된 공진도파로(920)가 광결합되는 구조를 갖는다. 마흐-젠더 전계광학 변조기의 입력단으로 입력된 입사광은 서로 다른 두 개의 광도파로(910, 915)를 거쳐 다시 하나의 빛으로 합쳐진 후 출력단으로 출사된다. 이때 한쪽 광도파로(910)를 통해 입사된 입사광은 해당 광도파로(910)와 평행하게 배치된 공진도파로(920)를 구성하는 광도파로로 결합되어 공진도파로(920)로 입력된다. 공진도파로(920)로 입력된 분기광은 공진도파로(920)의 꼭지점에 배치된 전반사소자(930, 932, 934)에 의해 반사되어 공진도파로(920) 내를 주회한다. Referring to FIG. 9, a seventh embodiment 900 of an all-optical switch using surface plasmon resonance according to the present invention is one optical waveguide among two optical waveguides 910 and 915 constituting a Mach-Gender electro-optic modulator. The resonance waveguide 920 having the total reflection elements 930, 932, and 934 disposed at each vertex of the optical coupling region 910 is optically coupled. The incident light input to the input terminal of the Mach-Gender electro-optic modulator is combined with the light again through two different optical waveguides 910 and 915 and then emitted to the output terminal. At this time, the incident light incident through the one optical waveguide 910 is coupled to the optical waveguide constituting the resonance waveguide 920 disposed in parallel with the optical waveguide 910 is input to the resonance waveguide 920. The branched light input to the resonant waveguide 920 is reflected by the total reflection elements 930, 932, and 934 disposed at the vertex of the resonant waveguide 920, and circulates in the resonant waveguide 920.
공진도파로(920)를 통해 전반사소자(930)의 전면에 특정한 파장을 가진 분기광이 입사되면, 금속박막(940)의 후면에 존재하는 자유전자가 표면 플라즈몬 공명파를 형성한다. 이와 같이 표면 플라즈몬 공명을 일으키기 위해서는 공진도파로(920)의 세변을 구성하는 광도파로 중에서 마흐-젠더 전계광학 변조기의 한쪽 광도파로(910)와 평행하게 배치되는 광도파로를 제외한 나머지 두 개의 광도파로는 전반사소자(930)의 전면에 수직한 법선에 대해 표면 플라즈몬 공명각을 갖도록 배치되어야 한다. 이러한 조건에서 외부도파로(950)를 통해 입력된 교란광이 금속박막(940)의 후면으로 입사되면, 금속박막(940)에서 발생한 전자들의 집단 진동에 영향을 주게 되어 표면 플라즈몬 공명 조건이 바뀌게 된다. 이와 같이 표면 플라즈몬 공명 조건이 바뀌게 되면 마흐-젠더 전계광학 변조기 형태를 구성하는 한쪽 광도파로(910)에서 공진도파로(920)로 결합되는 조건이 바뀌게 된다. 이에 의해 변경된 표면 플라즈몬 공진 조건에 의해 공진도파로(920)로부터 마흐-젠더 전계광학 변조기 형태를 구성하는 한쪽 광도파로(910)로 결합되는 광이 다른 광도파로(915)를 거쳐 온 광과 보강 또는 상쇄간섭을 일으켜 마흐-젠더 전계광학 변조기의 출력단을 통해 광이 출력된다. When branched light having a specific wavelength is incident on the front surface of the total reflection element 930 through the resonant waveguide 920, free electrons existing on the rear surface of the metal thin film 940 form a surface plasmon resonance wave. In order to cause surface plasmon resonance as described above, the remaining two optical waveguides except for the optical waveguides arranged in parallel with one optical waveguide 910 of the Mach-Gender electro-optic modulator among the optical waveguides constituting the three sides of the resonance waveguide 920 are total reflection. It should be arranged to have a surface plasmon resonance angle with respect to a normal perpendicular to the front of the device 930. Under such conditions, when the disturbed light input through the external waveguide 950 is incident on the rear surface of the metal thin film 940, it affects the collective vibration of electrons generated in the metal thin film 940, thereby changing the surface plasmon resonance condition. As such, when the surface plasmon resonance condition is changed, the coupling condition of one optical waveguide 910 constituting the Mach-gender electro-optic modulator form to the resonant waveguide 920 is changed. As a result, the light coupled from the resonant waveguide 920 to one optical waveguide 910 constituting the form of a Mach-gender electro-optic modulator by the surface plasmon resonance condition changed by the surface plasmon resonance condition is reinforced or canceled. Interfering, light is output through the output of the Mach-Gender electro-optic modulator.
도 10은 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 전광 스위치에 대한 제8실시예의 구성을 도시한 도면이다.10 is a diagram showing the configuration of an eighth embodiment of an all-optical switch using surface plasmon resonance according to the present invention.
도 10을 참조하면, 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 전광 스위치의 제8실시예(1000)는 주도파로(1010), 광결합부(1020), 공진도파로(1030), 전반사소자(1040, 1042, 1044, 1046), 금속박막(1050) 및 외부도파부(1060)를 구비한다. Referring to FIG. 10, an eighth embodiment 1000 of an all-optical switch using surface plasmon resonance according to the present invention includes a main waveguide 1010, an optical coupling unit 1020, a resonance waveguide 1030, and a total reflection element 1040. 1042, 1044, and 1046, a metal thin film 1050, and an external waveguide 1060.
주도파로(1010)의 일단으로는 입사광이 입력되고, 타단으로는 입사광이 출력된다. 그리고 주도파로(1010)에는 입력된 입사광이 광결합부(1020)로 결합되는 광결합영역이 형성된다. 광결합부(1020)는 주도파로(1010)의 일단으로 입력된 입사광을 주도파로(1010)의 타단 및 공진도파로(1030)로 분배한다. 또한 광결합부(1020)는 공진도파로(1030) 내를 주회한 광신호를 주도파로(1010)의 타단 및 공진도파로(1030)로 분배한다. 이러한 광결합부(1020)에 의해 자기상 맺힘(Self Imaging) 현상을 이용한 다중 모드 간섭 결합기(Multi-mode Interference Coupler : MMIC)를 구성하면 전체적인 전광 스위치의 크기를 줄일 수 있고, 광결합부(1020)와 다른 소자들을 단일 웨이퍼 상에 용이하게 구현할 수 있는 이점이 있다. Incident light is input to one end of the main waveguide 1010 and incident light is output to the other end. In addition, an optical coupling region in which the input incident light is coupled to the optical coupling unit 1020 is formed in the main waveguide 1010. The optical coupling unit 1020 distributes incident light input to one end of the main waveguide 1010 to the other end of the main waveguide 1010 and the resonance waveguide 1030. In addition, the optical coupling unit 1020 distributes the optical signal circulated in the resonance waveguide 1030 to the other end of the main waveguide 1010 and the resonance waveguide 1030. By constructing a multi-mode interference coupler (MMIC) using the self-imaging phenomenon by the optical coupling unit 1020, the overall size of the all-optical switch can be reduced, and the optical coupling unit 1020 is provided. ) And other devices can be easily implemented on a single wafer.
공진도파로(1030)는 광결합부(1020)와 광결합되어 주도파로(1010)의 일단을 통해 입력된 입사광 중에서 공진도파로(1030)로 결합되는 분기광을 입력받는 광결합영역을 가지며, 복수의 광도파로가 사각형상으로 배치되어 구성된다. 이때 사각형상의 공진도파로(1030)의 네변을 구성하는 광도파로 중에서 하나의 광도파로가 광결합기(1020)에 접속된다. 전반사소자(1040, 1042, 1044, 1046)는 사각형상의 공진도파로(1030)의 네변을 구성하는 광도파로들이 서로 접속되는 지점인 꼭지점 영역에 배치된다. 한편 공진도파로(1030)에 설치된 전반사미러(1040, 1042, 1044, 1046) 중에서 광결합부(1020)에 결합된 광도파로를 제외한 다른 세 개의 광도파들이 접속하는 꼭지점 중 하나에 설치된 전반사소자(1040)에는 금속박막(1050)이 증착된다. The resonant waveguide 1030 has an optical coupling region that is optically coupled with the optical coupling unit 1020 to receive the branched light coupled to the resonant waveguide 1030 among the incident light input through one end of the main waveguide 1010, and has a plurality of optical coupling regions. An optical waveguide is arranged in a rectangular shape. At this time, one of the optical waveguides constituting the four sides of the rectangular resonance waveguide 1030 is connected to the optical coupler 1020. The total reflection elements 1040, 1042, 1044, and 1046 are disposed in a vertex region, which is a point at which optical waveguides constituting four sides of the rectangular resonance waveguide 1030 are connected to each other. Meanwhile, the total reflection element 1040 installed at one of the vertices of the total reflection mirrors 1040, 1042, 1044, and 1046 installed in the resonant waveguide 1030, except for the optical waveguide coupled to the optical coupling unit 1020, is connected to three other optical waveguides. ), A metal thin film 1050 is deposited.
공진도파로(1030)를 통해 금속박막(1050)이 증착된 전반사소자(1040)의 전면에 특정한 파장을 가진 분기광이 입사되면, 금속박막(1050)의 후면에 존재하는 자유전자가 표면 플라즈몬 공명파를 형성한다. 이와 같이 표면 플라즈몬 공명을 일으키기 위해서는 금속박막(1050)이 증착된 전반사소자(1040)에 접하는 두 개의 광도파로 각각은 전반사소자(930)의 전면에 수직한 법선에 대해 표면 플라즈몬 공명각을 갖도록 배치되어야 한다. 이러한 조건에서 외부도파로(1060)를 통해 입력된 교란광이 금속박막(1050)의 후면으로 입사되면, 금속박막(1050)에서 발생한 전자들의 집단 진동에 영향을 주게 되어 표면 플라즈몬 공명 조건이 바뀌게 된다. 이와 같이 표면 플라즈몬 공명 조건이 바뀌게 되면 주도파로(1010)에서 공진도파로(1030)로 결합되는 조건이 바뀌게 된다. 이에 의해 변경된 공진조건에 의해 주도파로(1010)와 공진도파로(1030) 사이의 광결합조건이 변경되어 주도파로(1010)의 타단을 통해 광이 출력된다. When a branched light having a specific wavelength is incident on the front surface of the total reflection element 1040 on which the metal thin film 1050 is deposited through the resonant waveguide 1030, free electrons present on the rear surface of the metal thin film 1050 are surface plasmon resonance waves. To form. In order to cause surface plasmon resonance as described above, each of the two optical waveguides contacting the total reflection element 1040 on which the metal thin film 1050 is deposited must have a surface plasmon resonance angle with respect to a normal perpendicular to the front surface of the total reflection element 930. do. Under such conditions, when the disturbed light input through the external waveguide 1060 is incident on the rear surface of the metal thin film 1050, the surface plasmon resonance condition is changed by affecting the collective vibration of electrons generated in the metal thin film 1050. As such, when the surface plasmon resonance condition is changed, the condition of coupling from the main waveguide 1010 to the resonance waveguide 1030 is changed. As a result, the optical coupling condition between the main waveguide 1010 and the resonance waveguide 1030 is changed by the changed resonance condition, and light is output through the other end of the main waveguide 1010.
상술한 실시예들은 표면 플라즈몬 공명각으로 입사된 입사광에 의해 금속박막에 표면 플라즈몬 공명파를 생성하여 출력광을 발생하지 않도록 한 상태에서 외부로부터 금속박막의 후면에 교란광을 입사시켜 표면 플라즈몬 공명 조건을 변경함으로써 출력광이 존재하도록 하는 원리를 적용한 전광 스위치들이다. 그러나 이와 달리 금속박막의 전면으로 입사되는 입사광의 입사각을 표면 플라즈몬 공명각에 근접하도록(예를 들면, 표면 플라즈몬 공명각에 대해 ±5°이내의 범위) 구성하고, 외부로부터 금속박막의 후면에 교란광을 입사시켜 표면 플라즈몬 공명 조건을 만족시킴으로써 출력광을 차단하는 형태로 전광 스위치를 구성할 수도 있다. The above-described embodiments generate surface plasmon resonance waves in the metal thin film by incident light incident at the surface plasmon resonance angle so as not to generate output light. These are all-optical switches that apply the principle that output light exists by changing. However, in contrast, the incident angle of incident light incident on the front surface of the metal thin film is configured to be close to the surface plasmon resonance angle (for example, within a range of ± 5 ° to the surface plasmon resonance angle), and disturbed on the rear surface of the metal thin film from the outside. The all-optical switch may be configured in such a manner that the output light is blocked by incident light to satisfy the surface plasmon resonance condition.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.Although the preferred embodiments of the present invention have been shown and described above, the present invention is not limited to the specific preferred embodiments described above, and the present invention belongs to the present invention without departing from the gist of the present invention as claimed in the claims. Various modifications can be made by those skilled in the art, and such changes are within the scope of the claims.
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