KR20090103299A - Optical device using resonant waveguide and method for operating the same - Google Patents
Optical device using resonant waveguide and method for operating the sameInfo
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Abstract
Description
본 발명은 공진형 광도파로를 이용한 광소자 및 그 작동 방법에 관한 것으로, 상세하게는 나노복합체 등과 같은 재료 고유의 광학적 비선형성 증진효과는 최대로 이용하는 한편 이에 수반되는 광 흡수손실 및 소자 성능 감소는 최소화하면서 광 변조 및 광 스위칭을 수행하도록 구성된 광소자 및 그 작동방법에 관한 것이다. The present invention relates to an optical device using a resonant optical waveguide and a method of operating the same. Specifically, the optical nonlinearity enhancing effect inherent to a material such as a nanocomposite is maximized while the light absorption loss and device performance accompanying the same are reduced. An optical device configured to perform light modulation and light switching while minimizing and a method of operating the same.
순수 광학적 수단에 의해 동작하는 광 스위칭 소자의 구현을 위해서는, 빛에 민감하게 반응하며 빛의 세기에 따른 굴절율의 변화가 큰 재료의 개발이 필수적이다. 이러한 재료로서, 3차 비선형 광학 효과 중 하나인 입사광의 세기 변화에 의해 매질의 굴절율이 변하는 비선형 굴절율 현상을 나타내는 재료가 이용될 수 있다.In order to implement an optical switching device operated by pure optical means, it is necessary to develop a material that is sensitive to light and has a large change in refractive index according to light intensity. As such a material, a material exhibiting a nonlinear refractive index phenomenon in which the refractive index of the medium is changed by changing the intensity of incident light, which is one of the third nonlinear optical effects, can be used.
특히, 공명에 의해 3차 비선형 광학 현상이 발현되는 재료 중에서, 금속 및 반도체 나노입자가 유전체 기지상내에 분산된 형태의 복합체 재료는, 각각 유전구속효과(dielectric confinement effect) 및 양자구속효과(quantum confinement effect)에 의해 발현되는 공진 특성에 기인하여 굴절율의 변화가 커 주목을 받고 있다. 또한, 이들 복합체 재료는 빛에 대한 반응속도가 빠르고 입자의 크기나 모양, 그리고 구성 재료계의 선택에 따라 공진 파장의 조절이 용이하다.In particular, among materials in which tertiary nonlinear optical phenomena are expressed by resonance, a composite material in which metal and semiconductor nanoparticles are dispersed in a dielectric matrix has a dielectric confinement effect and a quantum confinement effect, respectively. Due to the resonance characteristic expressed by), the change of the refractive index is large, attracting attention. In addition, these composite materials have a fast reaction speed with respect to light, and are easy to control the resonant wavelength depending on the size and shape of the particles and the selection of the constituent material system.
한편, 이와 같은 재료 고유의 광학적 특성에 기반한 광 스위치 소자로는, 신호빔과 재료의 상호작용을 통한 위상 변이 효과를 이용하여 간섭계를 구성하는 마하젠더 간섭계(Mach-Zehnder Interferometer)형 스위칭 소자가 있다. On the other hand, an optical switch element based on the optical properties inherent in such a material includes a Mach-Zehnder Interferometer type switching element that forms an interferometer using a phase shift effect through the interaction of a signal beam and a material. .
마하젠더 간섭계형 스위칭 소자는 단일 입사빔이 도파로형 분배기(splitter)에 의해 두 빔으로 나뉘어 이웃하는 광도파로를 따라 각기 다른 경로로 전파해 나간 뒤, 다시 합쳐지는 과정에서 상호 간에 존재하는 위상관계로부터 간섭효과에 의한 광신호 스위칭을 구현하는 소자이다. 즉, 결합단에서 두 빔의 위상이 일치하면 보강간섭이, 두 빔의 위상이 180도 차이가 나면 상쇄간섭이 발생하여 신호의 온/오프 제어가 가능하다. The Mach-Zehnder interferometer switching element is divided into two beams by a waveguide type splitter, propagates through different paths along neighboring optical waveguides, and then recombines with each other. It is a device that implements optical signal switching by interference effect. That is, when the phases of the two beams coincide with each other at the coupling end, constructive interference occurs when the phases of the two beams differ by 180 degrees.
이때, 두 빔간의 위상차는 간섭계를 구성하는 한쪽 팔(arm)의 상대적 굴절율을 변화시킴으로써 유도되는데, 그 크기는 광열(photo-thermal)반응을 포함한 재료의 비선형 광학 계수와 반응이 일어나는 도파 길이에 비례하게 된다. 스위칭에 필요한 에너지를 낮추면서 충분한 정도의 위상 변위를 얻기 위해서는 전체 반응길이를 증가시키는 것이 바람직하다. In this case, the phase difference between the two beams is induced by changing the relative refractive index of one arm constituting the interferometer, the magnitude of which is proportional to the nonlinear optical coefficient of the material including the photo-thermal reaction and the waveguide length at which the reaction occurs. Done. It is desirable to increase the overall reaction length in order to achieve a sufficient degree of phase shift while lowering the energy required for switching.
그러나, 공진형 나노복합체를 사용하는 경우 공진 특성의 속성상 광학적 비선형성이 최고가 되는 공진 파장에서의 광 흡수가 매우 크다. 따라서 전체 도파로를 이들 재료로 구성하는 것이 곤란하다. 도파로 상의 국부적인 영역만을 나노복합체로 대체, 삽입하여 간섭계를 구성하는 방안이 있으나, 제조공정이 어렵고 이종 재료간 계면에서의 굴절율 불일치 및 계면 불균일성에 의해 신호빔의 손실이 심한 문제점이 있다. However, when the resonant nanocomposite is used, the light absorption at the resonant wavelength at which the optical nonlinearity is the highest due to the nature of the resonance characteristic is very large. Therefore, it is difficult to constitute the entire waveguide with these materials. Although there is a method of constructing an interferometer by replacing and inserting only a local region on the waveguide with a nanocomposite, there is a problem in that the manufacturing process is difficult and the loss of the signal beam is severe due to the refractive index mismatch and the interface nonuniformity at the interface between different materials.
이와 같이, 전술한 종래 기술은 소자의 동작 파장을 비선형성이 최대가 되는 공진 파장 대역에 한정함으로써, 공진형 나노복합체 재료를 광 스위치 소자에 적용하는 경우 소자 고유의 광 흡수 손실을 피하기 어렵다는 근본적 한계를 갖는다. As described above, the above-described prior art limits the operating wavelength of the device to the resonant wavelength band where the nonlinearity is maximized, so that the inherent light absorption loss of the device is difficult to be avoided when the resonant nanocomposite material is applied to the optical switch device. Has
이를 해결하기 위한 "거대 3차 비선형 광학 재료를 이용한 도파로형 광소자 및 그 작동 방법"의 명칭을 가진 미국특허번호 제7,181,114호는, 신호빔과 펌프빔의 파장 대역을 분리하고 이종 도파로 구조를 이용한 교차변조(cross-modulation)방식의 스위칭 소자를 개시한다. U.S. Patent No. 7,181,114, entitled "Waveguide Type Optical Device Using Giant Tertiary Nonlinear Optical Material and Its Operation Method" to solve this problem, uses a heterogeneous waveguide structure by separating a wavelength band of a signal beam and a pump beam. Disclosed is a cross-modulation switching device.
이는 마하젠더 간섭계의 도파로를 나노복합체 재료로 형성하되, 광흡수가 적은 근적외선 영역의 비공진 파장의 빛을 신호빔으로 간섭계 도파로를 따라 도파시키는 방식이다. 또한, 공진 파장의 빛에 대해 광학적으로 투명한 재료로 형성된 외부 도파로를 통해 전파되는 공진 파장 대역의 펌프빔이 간섭계의 한쪽 팔에 커플링 되게 하여, 나노복합체 재료의 굴절율 변화를 유도하고 결과적으로 신호빔의 스위칭 동작을 구현한다.The waveguide of the Mach-Zehnder interferometer is formed of a nanocomposite material, but the light of non-resonant wavelength in the near infrared region with low light absorption is guided along the interferometer waveguide with a signal beam. In addition, the pump beam of the resonant wavelength band propagated through an external waveguide formed of an optically transparent material to the light of the resonant wavelength is coupled to one arm of the interferometer, thereby inducing a change in refractive index of the nanocomposite material and consequently the signal beam Implements the switching operation.
그러나, 도 1 및 도 2를 참조하면, 이 경우에도 나노복합체 자체의 광 흡수로 인한 소자의 성능 저하는 피할 수 없음을 알 수 있다. 도 1은 나노복합체 박막의 광 흡수특성을 도시한 그래프로, 금 나노입자가 1%의 부피분율로 SiO2 기지상내에 분산된 박막에 대해 측정된 결과를 도시한다. 금 나노입자의 표면 플라즈몬 공진(Surface Plasmon Resonance; SPR)에 의한 광흡수 피크는 대략 530nm 파장 정도에서 발생하고, 장파장 쪽으로 갈수록 광 흡수가 크게 줄어든다.However, referring to FIGS. 1 and 2, it can be seen that even in this case, deterioration of the device performance due to light absorption of the nanocomposite itself is inevitable. 1 is a graph showing the light absorption characteristics of a nanocomposite thin film, and shows the results measured for a thin film in which gold nanoparticles were dispersed in a SiO 2 matrix with a volume fraction of 1%. Light absorption peaks due to surface plasmon resonance (SPR) of gold nanoparticles occur at about 530 nm wavelength, and the light absorption decreases toward the longer wavelength.
그러나 표면 플라즈몬 공진 파장으로부터 멀리 떨어진 근적외선 파장 대역의 신호빔을 사용한다 하더라도, 금속 혹은 반도체 나노입자가 분산되어 있지 않은 상태의 통상의 투명 유전체 광도파로 재료와 비교할 때 여전히 수십 배 이상 높은 광 흡수도를 나타낸다. However, even when using a signal beam in the near infrared wavelength band far from the surface plasmon resonance wavelength, it still has several ten times higher light absorption than conventional transparent dielectric optical waveguide materials in which metal or semiconductor nanoparticles are not dispersed. Indicates.
한편 도 2는 나노복합체 박막에서 도파빔의 도파거리에 따른 세기 변화를 도시한 그래프이다. 도 2에 도시된 그래프(200, 201)는, Au:SiO2 나노복합체 박막을 금 나노입자 부피분율을 각각 1%(200) 및 5%(201)로 조절하여 3 ㎛ 두께로 저굴절율의 MgF2 기판위에 증착한 슬랩형 광도파로에 대해, 1550 nm 파장의 도파빔을 도파시킨 결과를 도시한다.On the other hand, Figure 2 is a graph showing the intensity change according to the waveguide distance of the waveguide beam in the nanocomposite thin film. The graphs 200 and 201 shown in FIG. 2 show that the Au: SiO 2 nanocomposite thin film was adjusted to 1% (200) and 5% (201) volume fractions of gold nanoparticles, respectively. The result of guiding the waveguide of 1550 nm wavelength with respect to the slab-type optical waveguide deposited on two substrates is shown.
도 2에 도시되는 바와 같이, 비공진 파장인 1550 nm의 빛을 사용한다 하더라도 나노복합체 자체의 광 흡수로 인하여 도파빔의 세기가 도파 거리에 따라 급격히 감쇄됨을 알 수 있다. 금 나노입자의 부피분율이 1% 인 경우에 초기 입사빔 세기의 1/e 크기를 갖는 도파거리는 108 ㎛이고, 부피분율이 5% 인 경우에는 34 ㎛에 불과하다. 집적형 광도파로 소자의 길이가 수 mm 내지 수 cm에 달하는 점을 감안하면, 실제 소자로의 적용이 쉽지 않으며 적용할 경우 광 흡수 손실로 인한 소자의 성능저하를 피할 수 없다는 점을 알 수 있다.As shown in FIG. 2, even when light having a non-resonant wavelength of 1550 nm is used, the intensity of the waveguide beam is rapidly attenuated according to the waveguide distance due to light absorption of the nanocomposite itself. When the volume fraction of the gold nanoparticles is 1%, the waveguide distance having a size of 1 / e of the initial incident beam intensity is 108 µm, and when the volume fraction is 5%, the waveguide distance is only 34 µm. Considering that the length of the integrated optical waveguide device is several mm to several cm, it can be seen that the application to the actual device is not easy and the performance degradation of the device due to light absorption loss is inevitable.
나노복합체 재료에서의 광 흡수도는 분산된 나노입자의 부피분율에 선형적으로 비례하므로, 부피분율을 극히 미량으로 낮출 경우 통신 파장 대역에서 충분한 투광도를 확보하는 것이 가능하다. 그러나, 공진 파장에서의 비선형 광학 계수 또한 나노입자의 부피분율에 비례해서 감소하게 되므로 광 스위칭을 위한 에너지가 크게 증가하게 되어 바람직하지 못하다.Since the light absorption in the nanocomposite material is linearly proportional to the volume fraction of the dispersed nanoparticles, it is possible to ensure sufficient light transmittance in the communication wavelength band when the volume fraction is reduced to an extremely small amount. However, since the nonlinear optical coefficient at the resonant wavelength also decreases in proportion to the volume fraction of the nanoparticles, the energy for optical switching is greatly increased, which is undesirable.
상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 나노복합체 재료 고유의 광학적 비선형성 증진효과는 최대로 이용하면서 이에 수반되는 광 흡수손실 및 소자 성능저하를 감소시킨 공진형 나노복합체 광도파로를 이용한 광소자 및 그 작동 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention for solving the problems of the prior art, using the optical nonlinearity enhancement effect inherent in the nanocomposite material to the maximum while using the optical waveguide using a resonant nanocomposite optical waveguide reduced optical absorption loss and device degradation An object of the present invention is to provide an element and a method of operating the same.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 광소자는, 신호빔이 전파되는 광 전달부; 및 상기 광 전달부에 광학적으로 연결되어 상기 광 전달부로부터 도파모드 각도로 전파된 상기 신호빔이 입사되며, 상기 신호빔이 입사된 지점과 동일한 지점에 펌프빔이 입사되는 광도파로를 포함하되, 상기 신호빔의 파장과 상기 펌프빔의 파장은 서로 상이하며, 상기 펌프빔에 의하여 상기 광도파로의 도파모드 각도가 결정되도록 구성될 수 있다.An optical device according to an aspect of the present invention for achieving the above object, the light transmission unit propagates the signal beam; And an optical waveguide optically connected to the light transmitting unit, the signal beam propagated from the light transmitting unit propagating at a waveguide mode angle, and a pump beam incident on the same point as the point at which the signal beam is incident. The wavelength of the signal beam and the wavelength of the pump beam may be different from each other, and the waveguide mode angle of the optical waveguide may be determined by the pump beam.
본 발명의 다른 측면에 따른 광소자는, 신호빔 및 펌프빔이 전파되는 광 전달부; 및 상기 광 전달부에 광학적으로 연결되며, 상기 펌프빔 및 상기 광 전달부로부터 도파모드 각도로 전파된 상기 신호빔이 동일한 위치에 입사되는 광도파로를 포함하되, 상기 신호빔의 파장 및 상기 펌프빔의 파장은 서로 상이하며, 상기 펌프빔에 의하여 상기 광도파로의 도파모드 각도가 결정되도록 구성될 수 있다.According to another aspect of the present invention, an optical device includes: a light transmission unit through which a signal beam and a pump beam are propagated; And an optical waveguide optically connected to the light transmitting unit, wherein the pump beam and the signal beam propagated at the waveguide mode angle from the light transmitting unit are incident at the same position, the wavelength of the signal beam and the pump beam. Are different from each other, and the waveguide mode angle of the optical waveguide may be determined by the pump beam.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 광소자의 작동 방법은, 전술한 바와 같이 구성된 광소자의 상기 광도파로에 도파모드 각도로 입사되기 위한 상기 신호빔을 상기 광 전달부에 입사시키는 단계; 및 상기 광도파로에 상기 신호빔이 입사된 지점과 동일한 지점에 상기 광도파로의 도파모드 각도를 결정하는 상기 펌프빔을 입사시키는 단계를 포함하여 구성될 수 있다.According to still another aspect of the present invention, there is provided a method of operating an optical device, the method comprising: injecting the signal beam to the light transmitting part for incident on the optical waveguide of the optical device configured as described above at a waveguide mode angle; And injecting the pump beam to determine the waveguide mode angle of the optical waveguide at the same point as the point where the signal beam is incident on the optical waveguide.
본 발명의 일 실시예에 따른 광소자 및 그 작동 방법을 사용하면, 비선형 광학재료의 굴절율 변화 자체에 의존하는 광 스위치 동작 방식을 적용하므로 공진형 나노복합체의 우수한 비선형 광학특성은 최대로 이용하는 한편 이에 수반되는 흡수 손실을 감소시켜 소자응답특성이 향상된 광 변조 및 광 스위칭을 수행할 수 있는 이점이 있다.By using the optical device and the method of operating the same according to an embodiment of the present invention, the optical switch operation method that depends on the refractive index change of the nonlinear optical material itself is applied, so the excellent nonlinear optical characteristics of the resonant nanocomposite are maximized while There is an advantage in that optical modulation and optical switching with improved device response characteristics by reducing the accompanying absorption loss.
도 1은 나노복합체 박막의 광 흡수 스펙트럼을 도시한 그래프.1 is a graph showing the light absorption spectrum of a nanocomposite thin film.
도 2는 나노복합체 박막 내의 도파 거리에 따른 도파빔의 세기 변화를 도시한 그래프.Figure 2 is a graph showing the change in intensity of the waveguide beam with the waveguide distance in the nanocomposite thin film.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 광소자를 개략적으로 도시한 종단면도.3 is a longitudinal sectional view schematically showing an optical device according to a first embodiment of the present invention;
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 광소자에서 광도파로의 굴절율 변화에 따른 신호빔의 입사각 대비 반사도 곡선을 도시한 그래프.FIG. 4 is a graph showing a reflectance curve versus an incident angle of a signal beam according to a change in refractive index of an optical waveguide in an optical device according to a first exemplary embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 광소자에서 광도파로의 굴절율 변화에 따른 신호빔의 입사각 대비 반사도 곡선을 도시한 또 다른 그래프.FIG. 5 is another graph illustrating a reflectance curve versus an incident angle of a signal beam according to a change in refractive index of an optical waveguide in an optical device according to a first exemplary embodiment of the present invention.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 광소자에서 광도파로의 굴절율 변화에 따른 신호빔의 파장 대비 반사도 곡선을 도시한 그래프. FIG. 6 is a graph illustrating reflectance curves of wavelengths of signal beams according to refractive index changes of an optical waveguide in an optical device according to a first exemplary embodiment of the present invention.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 광소자에서 펌프빔의 세기에 따른 신호빔의 입사각 대비 반사도 곡선을 도시한 그래프.FIG. 7 is a graph illustrating a reflectance curve versus an incident angle of a signal beam according to the intensity of a pump beam in an optical device according to a first exemplary embodiment of the present invention.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 광소자에서 펌프빔의 점멸에 따른 광소자의 시간응답특성을 도시한 그래프.8 is a graph showing the time response characteristics of the optical device according to the flashing of the pump beam in the optical device according to the first embodiment of the present invention.
도 9는 본 발명의 제1 실시예에 따른 광소자에 단일 펄스 펌프빔을 조사할 경우의 응답특성을 도시한 그래프.9 is a graph showing the response characteristics when irradiating a single pulse pump beam to the optical device according to the first embodiment of the present invention.
도 10은 상이한 물질로 구성된 커플링층을 사용할 경우 본 발명의 제1 실시예에 따른 광소자의 응답특성을 도시한 그래프.10 is a graph showing the response characteristics of the optical device according to the first embodiment of the present invention when using a coupling layer composed of different materials.
도 11은 본 발명의 제1 실시예에 따른 광소자에 단일 펄스 펌프빔을 조사할 경우의 응답특성을 도시한 또 다른 그래프.FIG. 11 is yet another graph showing the response characteristic when irradiating a single pulsed pump beam to an optical device according to the first embodiment of the present invention. FIG.
도 12는 본 발명의 제2 실시예에 따른 광소자를 개략적으로 도시한 종단면도.12 is a longitudinal sectional view schematically showing an optical device according to a second embodiment of the present invention;
도 13은 본 발명의 제3 실시예에 따른 광소자를 개략적으로 도시한 종단면도.13 is a longitudinal sectional view schematically showing an optical device according to a third embodiment of the present invention;
도 14는 본 발명의 제4 실시예에 따른 광소자를 개략적으로 도시한 종단면도.14 is a longitudinal sectional view schematically showing an optical device according to a fourth embodiment of the present invention;
도 15는 본 발명의 제5 실시예에 따른 광소자를 개략적으로 도시한 종단면도.15 is a longitudinal sectional view schematically showing an optical device according to a fifth embodiment of the present invention;
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 상세히 설명한다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail embodiments of the present invention.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 광소자를 개략적으로 도시한 종단면도이다. 도 3에 도시되는 바와 같이, 상기 실시예에 따른 광소자는 광 전달부(1, 2) 및 광도파로(3)를 포함하여 구성된다. 도 1에 도시된 실시예에서, 광 전달부는 프리즘(1) 및 커플링층(2)으로 구성된다. 프리즘(1)의 한쪽 면에는 커플링층(2)이 광학적으로 연결되며, 커플링층(2)에는 광도파로(3)가 광학적으로 연결된다. 3 is a longitudinal sectional view schematically showing an optical device according to a first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 3, the optical device according to the embodiment includes a light transmitting unit 1 and 2 and an optical waveguide 3. In the embodiment shown in FIG. 1, the light transmitting portion is composed of a prism 1 and a coupling layer 2. The coupling layer 2 is optically connected to one side of the prism 1, and the optical waveguide 3 is optically connected to the coupling layer 2.
프리즘(1)은 동작 파장에서 광학적으로 투명하여, 프리즘(1)의 일면에 입사되는 신호빔(4)이 프리즘(1) 내를 전파하도록 한다. 신호빔(4)은 광도파로(3)의 공진 파장에서 벗어나 광도파로(3)에 의한 광 흡수가 적은 파장 대역의 빛을 이용하여 형성될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 신호빔(4)은 700 nm 내지 1800 nm 의 파장을 가지는 빛을 이용하여 형성된다.The prism 1 is optically transparent at the operating wavelength such that the signal beam 4 incident on one surface of the prism 1 propagates in the prism 1. The signal beam 4 may be formed by using light of a wavelength band having a small absorption of light by the optical waveguide 3 from the resonance wavelength of the optical waveguide 3. In one embodiment of the invention, the signal beam 4 is formed using light having a wavelength of 700 nm to 1800 nm.
커플링층(2)은 프리즘(1)과 광도파로(3) 사이에 광학적으로 연결되며, 신호빔(4)이 소정의 도파모드 각도에서 입사되는 경우, 신호빔(4)을 광도파로(3)에 커플링한다. 도파모드 각도 이외의 각도로 입사된 신호빔(4)은 커플링층(2)에서 전반사된다. 전반사를 위하여, 커플링층(2)은 프리즘(1)의 굴절율 및 광도파로(3)의 굴절율보다 작은 굴절율을 가지는 물질로 구성될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 커플링층(2)은 MgF2 로 구성될 수도 있다.The coupling layer 2 is optically connected between the prism 1 and the optical waveguide 3, and when the signal beam 4 is incident at a predetermined waveguide mode angle, the coupling layer 2 receives the signal beam 4 from the optical waveguide 3. Coupling to The signal beam 4 incident at an angle other than the waveguide mode angle is totally reflected at the coupling layer 2. For total reflection, the coupling layer 2 may be made of a material having a refractive index smaller than that of the prism 1 and that of the optical waveguide 3. In one embodiment of the invention, the coupling layer 2 may consist of MgF 2 .
광도파로(3)는 커플링층(2)에 광학적으로 연결되며, 도파모드 각도로 입사되는 신호빔(4)이 커플링된다. 또한, 광도파로(3)의 신호빔(4)이 커플링되는 지점에는 펌프빔(7)이 입사되어 광도파로(3)의 굴절율을 제어한다. 펌프빔(7)에 의해 굴절율이 제어되기 위하여, 광도파로(3)는 예컨대 나노복합체 재료를 포함하여 구성될 수 있다.The optical waveguide 3 is optically connected to the coupling layer 2, to which the signal beam 4 incident at the waveguide mode angle is coupled. In addition, the pump beam 7 is incident at the point where the signal beam 4 of the optical waveguide 3 is coupled to control the refractive index of the optical waveguide 3. In order for the refractive index to be controlled by the pump beam 7, the optical waveguide 3 may be comprised of, for example, a nanocomposite material.
나노복합체는 금속 또는 반도체 나노입자가 유전체나 반도체 기지상 내에 분산되어 구성된다. 기지상 재료로는 동작 파장 대역에서 광학적으로 투명한 재료이면 유기재료, 무기재료 및 이들의 혼합물 및 복합물 등 제한 없이 사용될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 기지상 재료는 동작 파장 대역에서 하기 수학식 1의 조건을 만족하는 재료인 것이 바람직하다.Nanocomposites are composed of metal or semiconductor nanoparticles dispersed in a dielectric or semiconductor matrix. As the base material, any material that is optically transparent in the operating wavelength band can be used without limitation, such as organic materials, inorganic materials, mixtures and composites thereof. In one embodiment of the present invention, the matrix material is a material satisfying the condition of the following equation (1) in the operating wavelength band.
상기 수학식 1에서, a는 기지상 재료의 선형 광 흡수율이며, n은 해당 동작 파장에서의 기지상 재료의 굴절율을 나타낸다. In Equation 1, a is the linear light absorption of the known phase material, and n represents the refractive index of the known phase material at the corresponding operating wavelength.
상기 수학식 1의 조건을 만족하는 물질로, SiO2, TiO2, ZrO2, HfO2, Al2O3, CdO, ZnO, In2O3, SnO2, Ga2O3, Y2O3, BeO, MgO, WO3, V2O3, BaTiO3 및 PbTiO3 등의 산화물, Si3N4, Al3N4 등의 질화물, InP, GaP 등의 인화물, ZnS, As2S3 등의 황화물, MgF2, CaF2, NaF, BaF2, PbF2, LiF, LaF 등의 불화물, ZnSe 등의 셀레나이드 및 이들의 혼합물로 구성된 무기재료, 폴리카보네이트(Polycarbonate) 또는 폴리메틸 메타크릴레이트(Polymethyl methacrylate;PMMA) 등의 유기재료 및 이들의 혼합물 및 복합물을 사용할 수 있다.As a material satisfying the condition of Equation 1, SiO 2 , TiO 2 , ZrO 2 , HfO 2 , Al 2 O 3 , CdO, ZnO, In 2 O 3 , SnO 2 , Ga 2 O 3 , Y 2 O 3 , BeO, MgO, WO 3 , V 2 O 3 , BaTiO 3 and PbTiO 3 Oxides, such as Si 3 N 4 , Al 3 N 4 Such as nitrides, InP, GaP, etc. of printed matter, ZnS, As 2 S 3 and so on of sulfide, MgF 2, CaF 2, NaF , BaF 2, PbF 2, LiF, LaF such as fluoride, ZnSe, such as selenide and their Inorganic materials composed of mixtures, organic materials such as polycarbonate or polymethyl methacrylate (PMMA), and mixtures and composites thereof may be used.
나노복합체 재료의 경우, 금속입자는 Au, Ag, Cu, Al, In, Sn, Pb, Sb, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ta, W 및 Pt 와 같은 전이 금속 및 이들의 합금 중에서 선택된 물질로 구성될 수 있다. 한편, 반도체 입자로는 Si, Ge, CdS, CdSe, CdTe, CuBr, AgBr, CuCl, InP, GaP, GaAs 및 InAs 등의 반도체와 이들 사이의 고용체 및 화합물 중에서 선택된 물질로 구성될 수도 있다.In the case of nanocomposite materials, the metal particles are Au, Ag, Cu, Al, In, Sn, Pb, Sb, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd , Transition metals such as Ta, W and Pt and alloys thereof. Meanwhile, the semiconductor particles may be made of a material selected from semiconductors such as Si, Ge, CdS, CdSe, CdTe, CuBr, AgBr, CuCl, InP, GaP, GaAs and InAs, and solid solutions and compounds therebetween.
또한 상기에서는 거대 3차 비선형 광학 현상을 나타내는 재료의 예로서, 펌프빔의 파장 영역에서 흡수가 생기는 금속 또는 반도체 나노입자가 유전체나 반도체 기지상에 분산된 나노 복합체 재료를 예로 들었으나, 3차 비선형 현상이 크게 일어나며, 이러한 3차 비선형 현상이 크게 일어나는 펌프빔의 파장 영역과 신호빔의 파장 영역이 다른 전이금속 산화물, 강유전체 산화물 또는 고분자 재료 등의 모든 재료에 대하여도 적용될 수 있다.In addition, in the above, as an example of a material exhibiting a large tertiary nonlinear optical phenomenon, a nanocomposite material in which metal or semiconductor nanoparticles absorbed in a wavelength range of a pump beam is dispersed on a dielectric or a semiconductor substrate is used as an example. This greatly occurs and can be applied to all materials such as transition metal oxides, ferroelectric oxides, or polymer materials in which the wavelength region of the signal beam and the wavelength region of the signal beam in which the third nonlinear phenomenon is largely occur.
이하에서는, 도 3 내지 도 11을 참조하여 이상에서 설명한 본 발명의 제1 실시예에 따른 광소자의 동작에 대하여 설명한다.Hereinafter, the operation of the optical device according to the first embodiment of the present invention described above with reference to FIGS. 3 to 11 will be described.
프리즘(1) 내를 전파한 신호빔(4)은 프리즘(1)과 커플링층(2)의 계면에 도달한다. 이때, 커플링층(2)의 굴절율은 프리즘(1) 및 광도파로(3)의 굴절율보다 작으므로, 특정 임계각 이상에서 신호빔(4)은 프리즘(1)과 커플링층(2)의 계면에서 전반사를 일으킨다. The signal beam 4 propagating in the prism 1 reaches the interface between the prism 1 and the coupling layer 2. At this time, since the refractive index of the coupling layer 2 is smaller than that of the prism 1 and the optical waveguide 3, the signal beam 4 is totally reflected at the interface between the prism 1 and the coupling layer 2 above a certain critical angle. Causes
전반사된 신호빔(4)은 다시 프리즘(1)의 반대쪽 면으로 출사된다. 그러나, 도파모드 각도로 불리는 특정 입사각도에서 신호빔(4)은 커플링층(2) 내를 전파하여 광도파로(3)로 커플링된다. 광도파로(3)로 커플링된 신호빔(4)은 도파빔(6)이 되어 광도파로(3) 내에 모드 구속된다. 전술한 도파모드 각도는 광도파로(3)의 굴절율 및 두께에 의하여 결정된다. 따라서, 광도파로(3)의 굴절율이 변화하는 경우 신호빔(4)이 광도파로로 커플링되는 도파모드 각도의 값도 상이하게 된다. The totally reflected signal beam 4 is again emitted to the opposite side of the prism 1. However, at a certain angle of incidence, called the waveguide mode angle, the signal beam 4 propagates within the coupling layer 2 and is coupled to the optical waveguide 3. The signal beam 4 coupled to the optical waveguide 3 becomes a waveguide beam 6 and is mode constrained in the optical waveguide 3. The waveguide mode angle described above is determined by the refractive index and the thickness of the optical waveguide 3. Therefore, when the refractive index of the optical waveguide 3 changes, the value of the waveguide mode angle at which the signal beam 4 is coupled to the optical waveguide is also different.
한편 본 발명의 일 실시예에서 광도파로(3)는 3차 비선형 광학 효과를 나타내는 나노복합체들을 포함한다. 따라서, 나노복합체의 공진 파장에 해당하는 펌프빔(7)을 신호빔(4)이 광도파로(3)에 커플링되는 프리즘 저면 상의 동일 지점에 입사시키면, 모드 구속된 신호빔(6)이 느끼는 광도파로(3)의 굴절율 변화가 유도된다. 그러므로 펌프빔(7)의 세기에 따라 반사도 곡선이 변화하게 되어 이를 이용한 광 변조 및 광 스위칭이 가능하게 된다.Meanwhile, in one embodiment of the present invention, the optical waveguide 3 includes nanocomposites exhibiting a third order nonlinear optical effect. Therefore, when the pump beam 7 corresponding to the resonant wavelength of the nanocomposite is incident on the same point on the bottom of the prism coupled to the optical waveguide 3, the mode-constrained signal beam 6 feels. The refractive index change of the optical waveguide 3 is induced. Therefore, the reflectivity curve changes according to the intensity of the pump beam 7, thereby enabling light modulation and light switching using the same.
도 4 및 도 5는 광도파로(3)의 굴절율 변화에 따른 광소자의 반사도를 입사각도(θp) 별로 이론적으로 계산하여 도시한 그래프이다. 광소자의 반사도는, 프리즘(1)과 커플링층(2)의 계면에서 전반사를 일으켜 다시 프리즘(1)에서 출사되는 신호빔(5)의 세기로 측정된다. 도 4 및 도 5에 도시되는 바와 같이, 신호빔(4)이 광도파로(3)의 도파모드 각도에 해당하여 도파빔(6)으로 커플링되는 특정 입사각도에서는, 반사도 곡선에 날카로운 딥(dip)이 형성된다.4 and 5 are graphs showing theoretically calculated reflectances of optical elements according to refractive index changes of the optical waveguide 3 for each incident angle θ p . The reflectivity of the optical element is measured by the intensity of the signal beam 5 emitted from the prism 1 by causing total reflection at the interface between the prism 1 and the coupling layer 2. 4 and 5, at a specific angle of incidence where the signal beam 4 is coupled to the waveguide beam 6 corresponding to the waveguide mode angle of the optical waveguide 3, a sharp dip in the reflectivity curve ) Is formed.
도 4 및 도 5의 그래프는 SF10 프리즘(1), 700 nm 두께의 MgF2 커플링층(2) 및 3 ㎛ 두께의 Au(부피분율 1%):SiO2 나노복합체 광도파로(3)를 사용한 광소자의 반사도를 계산한 결과이다. 이 경우 프리즘(1)의 굴절율은 1.69, 커플링층(2)의 굴절율은 1.37에 해당한다. 예컨대 신호빔(4)의 파장이 1550 nm 인 경우 광도파로(3)의 복소 굴절율이 1.5+i0.0004 라고 가정하면, 도 4 및 도 5는 각각 광도파로(3)의 복소 굴절율의 실수부분 및 허수부분의 변화에 따른 반사도 변화를 입사각도별로 도시한다.The graphs of FIGS. 4 and 5 show a photon using an SF10 prism (1), a 700 nm thick MgF 2 coupling layer (2), and a 3 μm thick Au (1% by volume): SiO 2 nanocomposite optical waveguide (3). This is the result of calculating the reflectivity of the ruler. In this case, the refractive index of the prism 1 corresponds to 1.69, and the refractive index of the coupling layer 2 corresponds to 1.37. For example, assuming that the complex refractive index of the optical waveguide 3 is 1.5 + i0.0004 when the wavelength of the signal beam 4 is 1550 nm, FIGS. 4 and 5 show the real part of the complex refractive index of the optical waveguide 3 and The change in reflectivity according to the change in the imaginary part is shown for each incident angle.
도 4에서 각각의 그래프(400, 401, 402, 403)는 광도파로(3)의 복소 굴절율의 실수부분의 변화가 각각 0, 0.001, 0.005 및 0.01인 경우의 그래프를 도시한다. 도시되는 바와 같이, 굴절율의 실수 부분이 변화하는 경우에는 굴절율의 변화 정도에 따라 반사도에 딥이 형성되는 도파모드 각도가 변화한다.Each of the graphs 400, 401, 402, 403 in FIG. 4 shows a graph when the change in the real part of the complex refractive index of the optical waveguide 3 is 0, 0.001, 0.005 and 0.01, respectively. As shown, when the real part of the refractive index changes, the angle of the waveguide mode in which the dip is formed in the reflectivity changes according to the degree of change in the refractive index.
한편, 도 5에서 각각의 그래프(500, 501, 502, 503)는 광도파로(3)의 복소 굴절율의 허수 부분의 변화가 각각 0, 0.001, 0.005 및 0.01인 경우의 그래프를 도시한다. 도시되는 바와 같이, 굴절율의 허수 부분이 변화하는 경우에는 도파모드 각도의 변화 없이 모드 커플링 효율 변화에 의하여 반사빔(5) 신호의 광 변조가 이루어진다.On the other hand, each of the graphs 500, 501, 502, and 503 in FIG. 5 shows graphs when the imaginary part of the complex refractive index of the optical waveguide 3 is 0, 0.001, 0.005 and 0.01, respectively. As shown, when the imaginary part of the refractive index changes, light modulation of the reflected beam 5 signal is performed by changing the mode coupling efficiency without changing the waveguide mode angle.
따라서, 펌프빔(7)을 이용하여 광도파로(3)의 굴절율을 변화시키면 광도파로(3)의 도파모드 각도가 변화하여 소자 전체의 반사도가 변화하게 된다. 예컨대, 도 4 및 도 5의 그래프에서 임의의 입사각도로 신호빔(4)을 입사시키면서 굴절율을 변화시킬 경우 해당 입사각도에서 반사도는 최대 0에서 1까지 연속적으로 변화할 수 있으므로, 광 변조 및 광 스위칭이 가능해진다.Therefore, when the refractive index of the optical waveguide 3 is changed by using the pump beam 7, the angle of the waveguide mode of the optical waveguide 3 is changed to change the reflectivity of the entire device. For example, in the graphs of FIGS. 4 and 5, if the refractive index is changed while the signal beam 4 is incident at an arbitrary incidence angle, the reflectivity at the incidence angle may vary continuously from 0 to 1, so that the light modulation and light switching This becomes possible.
한편, 도 6은 입사각도를 고정한 경우 광도파로(3)의 굴절율 변화에 따른 반사도 변화를 신호빔(4)의 파장별로 도시한 그래프이다. 도 6에서 각각의 그래프(600, 601, 602)는 광도파로(3)의 굴절율 변화의 절대값이 각각 0, 0.001 및 0.002 인 경우를 도시한다. 도시되는 바와 같이, 입사각도가 고정되어 있을 때 광도파로(3)의 굴절율 변화에 따라 도파모드가 형성되는 파장이 이동한다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 광소자를 파장 가변형 소자 또는 파장 선택 필터소자 등으로 이용하는 것도 가능하다.On the other hand, Figure 6 is a graph showing the change in reflectivity according to the change in the refractive index of the optical waveguide 3 for each wavelength of the signal beam 4 when the incident angle is fixed. Each graph 600, 601, 602 in FIG. 6 shows a case where the absolute values of the refractive index change of the optical waveguide 3 are 0, 0.001 and 0.002, respectively. As shown, when the incident angle is fixed, the wavelength at which the waveguide mode is formed shifts according to the change in the refractive index of the optical waveguide 3. Therefore, it is also possible to use the optical element according to an embodiment of the present invention as a wavelength variable element or a wavelength selective filter element.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 광소자에서 펌프빔(7)의 세기를 변화시켜 가면서 광소자의 반사도 변화를 측정한 실험 결과를 도시한 그래프이다. 특히 신호빔(4)의 도파모드 중 TE0 모드의 반사도 곡선 변화가 도시되었다.FIG. 7 is a graph showing an experimental result of measuring a change in reflectivity of an optical device while varying the intensity of the pump beam 7 in the optical device according to the first embodiment of the present invention. In particular, the reflectance curve change of the TE 0 mode among the waveguide modes of the signal beam 4 is shown.
실험에 사용된 광소자는 SF10 프리즘(1), 700 nm 두께의 MgF2 커플링층(2) 및 3 ㎛ 두께의 Au(부피분율 1%):SiO2 나노복합체 광도파로(3)를 포함하여 구성되었다. 펌프빔(7)으로는 Au 나노입자의 표면 플라즈몬 공진 파장 대역에 해당하는 532 nm 파장의 고출력 연속파(Continuous Wave; CW) 레이저를 사용하였으며, 신호빔(4)으로는 1550 nm 파장의 CW 레이저를 사용하였다.The optical device used in the experiment was composed of an SF10 prism (1), a 700 nm thick MgF 2 coupling layer (2) and a 3 μm thick Au (1% by volume): SiO 2 nanocomposite optical waveguide (3). . The pump beam 7 used a 532 nm wavelength high-power continuous wave (CW) laser corresponding to the surface plasmon resonance wavelength band of Au nanoparticles, and the CW laser of 1550 nm wavelength was used as the signal beam 4. Used.
도 7에서 각각의 그래프(700, 701, 702, 703)는 펌프빔(7)의 세기가 0, 20, 60 및 120 mW인 경우의 반사도 곡선을 도시한다. 도시되는 바와 같이 펌프빔(7)의 세기 증가에 따라 반사도 곡선 모양은 큰 변화없이 도파모드 각도만 낮은 각도쪽으로 점진적으로 이동한다. 펌프빔(7)이 오프된 상태인 그래프(700)의 초기 딥 위치를 기준으로 하면, 펌프빔(7)의 세기 변화에 따라 반사도가 변화하여, 펌프빔(7)의 세기가 120 mW인 그래프(703)에서는 완전한 신호 변조가 이루어짐을 알 수 있다. Each graph 700, 701, 702, 703 in FIG. 7 shows a reflectance curve when the intensity of the pump beam 7 is 0, 20, 60 and 120 mW. As shown in the figure, as the intensity of the pump beam 7 increases, the shape of the reflectivity curve gradually shifts toward the low angle only the waveguide mode angle without large change. Based on the initial dip position of the graph 700 in the state where the pump beam 7 is turned off, the reflectivity changes according to the intensity change of the pump beam 7, and the intensity of the pump beam 7 is 120 mW. It can be seen at 703 that complete signal modulation is achieved.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 광소자에서 펌프빔(7)의 온/오프에 따른 반사 광신호(5)의 시간 반응 특성을 보여준다. 펌프빔(7) 조사시 출사 신호빔(5)의 세기는 초기에 급격한 증가를 보이다가 이후 점차 포화되어 특정한 값으로 유지되며, 펌프빔(7) 오프시에는 급격히 감소한다. 한편, CW 펌프빔(7)에 대한 스위칭 동작은 공진 흡수에 따른 열광학 효과에도 기인한다. 8 shows the time response characteristic of the reflected optical signal 5 according to the on / off of the pump beam 7 in the optical device according to the first embodiment of the present invention. When the pump beam 7 is irradiated, the intensity of the emission signal beam 5 initially increases rapidly and then gradually saturates and remains at a specific value, and rapidly decreases when the pump beam 7 is turned off. On the other hand, the switching operation on the CW pump beam 7 is also attributable to the thermo-optic effect due to resonance absorption.
도 9는 본 발명의 제1 실시예에 따른 광소자에 대해 5 ns의 펄스폭을 갖는 단일 펄스의 펌프빔(7)을 조사한 결과를 도시한 그래프이다. 펌프빔(7)으로는 532 nm 파장의 고출력 큐스위치(Q-switched) Nd:YAG 레이저가 이용되었다. 이때, 펌프빔(7)의 에너지는 1.2 mJ로, 신호빔(4)이 광도파로(3)에 커플링되는 지점에 렌즈 집속된 펌프빔(7)의 세기는 6.79 MW/cm2 정도의 값을 갖는다.9 is a graph showing the results of irradiating the pump beam 7 of a single pulse having a pulse width of 5 ns with respect to the optical device according to the first embodiment of the present invention. As the pump beam 7, a high power Q-switched Nd: YAG laser having a wavelength of 532 nm was used. At this time, the energy of the pump beam 7 is 1.2 mJ, and the intensity of the pump beam 7 focused on the lens at the point where the signal beam 4 is coupled to the optical waveguide 3 is about 6.79 MW / cm 2 . Has
도파모드 중 TE0 모드에 대해 단일 펌프 펄스빔(7)이 조사되었을 때, 반사 신호빔(5) 세기는 초기 급격한 증가를 보이고 펄스의 소멸과 함께 급락 후 다소 완만한 열적 완화거동을 거쳐 초기상태로 되돌아온다. 전술한 6.79 MW/cm2 정도의 세기의 펌프빔(7)을 사용하는 경우, 금속 나노복합체 재료에서 발현되는 3차 비선형 광학 특성은 전자적 비선형성과 열적 비선형성이 함께 공존하며, 특히 열적 비선형성의 기여도가 높다. 따라서, 열적 완화 과정을 원활하게 하는 재료계나 소자구조를 채용할 경우 응답특성을 개선할 수 있다.When the single pump pulse beam 7 is irradiated for the TE 0 mode in the waveguide mode, the intensity of the reflected signal beam 5 shows an initial rapid increase and the initial state through a slightly gentle thermal relaxation behavior after a sharp drop with the disappearance of the pulse. Return to When the pump beam 7 of intensity of about 6.79 MW / cm 2 described above is used, the tertiary nonlinear optical characteristics expressed in the metal nanocomposite material coexist with electronic nonlinearity and thermal nonlinearity, in particular, the contribution of thermal nonlinearity. Is high. Therefore, the response characteristics can be improved when employing a material system or device structure that facilitates the thermal relaxation process.
일반적으로 열적 완화과정을 원활케 하는 방법으로는 열전도도가 높은 물질을 프리즘(1), 커플링층(2), 또는 광도파로(3)에 포함된 나노복합체의 기지상 재료 중 하나 이상에 사용하는 것이 바람직하다. 본 발명의 일 실시예에서는, 열 전도 특성이 우수한 금속물질로 커플링층(2)을 형성한다. In general, the method of smoothing the thermal relaxation process is to use a material with high thermal conductivity in at least one of the matrix materials of the nanocomposite included in the prism (1), the coupling layer (2), or the optical waveguide (3). desirable. In one embodiment of the present invention, the coupling layer 2 is formed of a metal material having excellent heat conduction characteristics.
커플링층(2)을 구성하는 금속 물질로는 광학적 특성이 드루드(Drude) 자유전자 모델의 지배를 받고 복소 굴절율의 실수항이 프리즘(1) 또는 광도파로(3)의 굴절율 보다 작은 금속을 사용할 수 있다. 바람직하게는, 물질 자체의 흡수율이 무시할 정도로 낮고 복소 굴절율의 실수항이 1보다 작아 도파빔(4)의 모드 구속 효과를 높일 수 있는 Ag, Au 및 Cu 등의 귀금속과 이들 원소들을 주성분으로 하는 합금이 커플링층(2)에 사용될 수 있다.The metal material constituting the coupling layer 2 may be a metal whose optical properties are controlled by the Drude free electron model and the real term of the complex refractive index is smaller than that of the prism (1) or the optical waveguide (3). have. Preferably, precious metals such as Ag, Au, and Cu, and alloys containing these elements as main components, which have a low absorption rate of the material itself and have a real term of complex refractive index less than 1, can enhance the mode restraining effect of the waveguide 4. It can be used for the coupling layer 2.
또한, 표면 플라즈마 주파수 이하에서 금속 특성을 나타내는 ITO(indium-tin-oxide)와 같은 투명 도전 산화물 등도 커플링층(2)으로 이용 가능하다. 본 발명의 일 실시예에서는, 신호빔(4)의 도파모드로의 광 커플링이 용이하도록 커플링층(2)의 두께를 표면 깊이(skin depth)이하로 얇게 조절할 수도 있다.In addition, a transparent conductive oxide such as indium-tin-oxide (ITO) exhibiting metallic properties at or below the surface plasma frequency can also be used as the coupling layer 2. In an embodiment of the present invention, the thickness of the coupling layer 2 may be adjusted to be thinner than or equal to the skin depth to facilitate optical coupling of the signal beam 4 to the waveguide mode.
도 10의 그래프(100, 101)는 MgF2 로 구성된 커플링층(2) 및 Au 로 구성된 커플링층(2)을 사용한 경우의 광신호 응답을 각각 도시한다. 도시되는 바와 같이 Au 로 구성된 커플링층(2)을 사용하는 경우의 그래프(101)는 MgF2 로 구성된 커플링층(2)을 사용하는 경우의 그래프(100)에 비하여 광신호 응답의 상승 시간 및 하강 시간이 모두 감소되는 것을 알 수 있다.The graphs 100 and 101 of FIG. 10 show optical signal responses in the case of using a coupling layer 2 composed of MgF 2 and a coupling layer composed of Au, respectively. As shown, the graph 101 in the case of using the coupling layer 2 composed of Au is higher than the graph 100 in the case of using the coupling layer 2 composed of MgF 2 . It can be seen that all the time is reduced.
커플링층(2)으로 Au 를 사용하는 경우 MgF2 를 사용하는 경우에 비해 작은 굴절계수를 갖게 된다. 또한, 광도파로(3)의 모드 구속효과가 크게 증진되어 나노복합체의 두께를 낮출 수 있어 부수적으로 질량 감소에 의해 나노복합체 재료 자체의 열 축적효과를 저감할 수 있는 이점이 있다. 아울러, S파 조건의 TE 모드에 비해 P파 조건의 TM 모드를 이용할 경우에는 Au 로 구성된 커플링층(2)과 광도파로(3)의 나노복합체 사이의 계면에서 여기되는 표면 플라즈몬 폴라리톤(surface plasmon polariton)으로 인해 커플링 효율이 증진된다.When Au is used as the coupling layer 2, the refractive index is smaller than when MgF 2 is used. In addition, the mode restraining effect of the optical waveguide 3 is greatly enhanced, and thus, the thickness of the nanocomposite can be lowered, and consequently, there is an advantage that the heat accumulation effect of the nanocomposite material itself can be reduced by mass reduction. In addition, the surface plasmon polariton excited at the interface between the coupling layer (2) consisting of Au and the nanocomposite of the optical waveguide (3) when the TM mode under the P wave condition is used compared to the TE mode under the S wave condition. polariton) enhances the coupling efficiency.
도 11은 열적 비선형성이 아닌 순수 전자적 3차 비선형성에 의한 광 스위치 동작을 확인하기 위해 30 ps의 펄스폭을 갖는 단일 펄스 펌프빔(7)을 입사시킨 경우 신호빔(4)의 TE0 모드에 대한 광신호 응답을 도시한 그래프이다. 펌프빔(7)은 532 nm 파장의 Nd:YAG 레이저를 이용하여 0.47 GW/cm2의 세기를 갖도록 형성되었으며, 신호빔(4)의 파장은 1550 nm 이다.FIG. 11 shows the TE 0 mode of the signal beam 4 when a single pulse pump beam 7 having a pulse width of 30 ps is incident in order to confirm the optical switch operation by pure electronic tertiary nonlinearity rather than thermal nonlinearity. It is a graph showing the optical signal response. The pump beam 7 was formed to have an intensity of 0.47 GW / cm 2 using an Nd: YAG laser of 532 nm wavelength, and the wavelength of the signal beam 4 was 1550 nm.
도시되는 바와 같이, 표면 플라즈몬 공진 파장에 해당하는 532 nm 파장의 펌프빔(7)과 1550 nm 파장의 신호빔(4)간의 교차변조 방식에 의한 광 스위칭 동작이 수행되었다. 도 11의 그래프는 본 발명의 일 실시예에 따른 광소자에 의하여 높은 비선형 광학계수와 빠른 응답속도를 동시에 획득할 수 있음을 보여준다.As shown, the light switching operation was performed by the cross modulation method between the pump beam 7 of 532 nm wavelength and the signal beam 4 of 1550 nm wavelength corresponding to the surface plasmon resonance wavelength. The graph of FIG. 11 shows that a high nonlinear optical coefficient and a fast response speed can be simultaneously obtained by an optical device according to an embodiment of the present invention.
도 12는 본 발명의 제2 실시예에 따른 광소자를 개략적으로 도시한 종단면도이다. 도 12를 참조하면, 상기 실시예에 따른 광소자는 광 전달부(1, 2, 8, 9) 및 광도파로(3)를 포함하여 구성되며, 광 전달부는 프리즘(1), 인덱스 매칭 오일층(9), 기판(8) 및 커플링층(2)을 포함하여 구성된다.12 is a longitudinal sectional view schematically showing an optical device according to a second embodiment of the present invention. Referring to FIG. 12, the optical device according to the embodiment includes an optical transmission unit 1, 2, 8, 9 and an optical waveguide 3, and the optical transmission unit includes a prism 1 and an index matching oil layer ( 9), the substrate 8 and the coupling layer 2 are configured.
프리즘(1)의 저면에 직접 광도파로(3)가 형성된 제1 실시예와 달리, 제2 실시예에서는 실리카 유리 등 광학적으로 투명한 물질로 구성된 기판(8)을 사용한다. 기판(8)의 저면에는 커플링층(2)이 광학적으로 연결되며 기판(8)의 상면에는 인덱스 매칭 오일층(9)이 위치한다. 기판(8)은 인덱스 매칭 오일층(9)을 이용하여 프리즘(1)과 결합된다.Unlike the first embodiment in which the optical waveguide 3 is formed directly on the bottom of the prism 1, the second embodiment uses a substrate 8 made of an optically transparent material such as silica glass. The coupling layer 2 is optically connected to the bottom of the substrate 8, and the index matching oil layer 9 is positioned on the top surface of the substrate 8. Substrate 8 is coupled to prism 1 using an index matching oil layer 9.
이와 같이 구성된 본 발명의 제2 실시예에 따른 광소자의 동작은 전술한 제1 실시예에 따른 광소자와 동일하다. 다만, 프리즘(1) 저면에 직접 광도파로(3)를 형성시키지 않고 평판형 기판(8)을 사용한 증착공정을 이용할 수 있어, 막질의 개선을 위한 공정제어가 용이한 이점이 있다.The operation of the optical device according to the second embodiment of the present invention configured as described above is the same as the optical device according to the first embodiment described above. However, since the deposition process using the flat substrate 8 can be used without directly forming the optical waveguide 3 on the bottom of the prism 1, there is an advantage in that the process control for improving the film quality is easy.
본 발명의 일 실시예에서, 기판(8)의 굴절율은 프리즘(1)의 굴절율과 같거나 큰 것이 바람직하다. 또한, 인덱스 매칭 오일층(9)의 굴절율은 프리즘(1) 또는 기판(8)의 굴절율과 같거나 또는 프리즘(1)의 굴절율과 기판(8)의 굴절율 사이의 값을 갖는 것이 바람직하다. 기판(8)의 재료로는 신호빔(4)의 파장에 대해 광학적으로 투명한 재료이면 유기물 또는 무기물의 제한 없이 모두 사용가능하다. In one embodiment of the invention, the refractive index of the substrate 8 is preferably equal to or greater than the refractive index of the prism 1. In addition, the refractive index of the index matching oil layer 9 is preferably equal to the refractive index of the prism 1 or the substrate 8 or has a value between the refractive index of the prism 1 and the refractive index of the substrate 8. As the material of the substrate 8, any material that is optically transparent to the wavelength of the signal beam 4 can be used without limitation of organic or inorganic materials.
도 13은 본 발명의 제3 실시예에 따른 광소자를 개략적으로 도시한 종단면도이다. 도 13을 참조하면, 상기 실시예에서 광 전달부(10, 2)는 전술한 제1 실시예와 동일하게 프리즘(10) 및 커플링층(2)으로 구성된다. 13 is a longitudinal sectional view schematically showing an optical device according to a third embodiment of the present invention. Referring to FIG. 13, in the above embodiment, the light transmitting units 10 and 2 are formed of the prism 10 and the coupling layer 2 in the same manner as in the first embodiment.
다만, 제3 실시예에서 프리즘(10)은, 신호빔(4)과 펌프빔(7)이 이루는 평면 상에 위치한 절단면이 반구 형상인 실린더형 프리즘(10)으로 구성된다. 상기 실시예와 같이 실린더형 프리즘(10)을 사용할 경우, 외부로부터 반구면에 수직한 방향으로 프리즘(1)에 입사되는 신호빔(4)이 프리즘(10)과의 계면을 통과하는 과정에서 광 경로가 굴절되지 않는다. However, in the third embodiment, the prism 10 is composed of a cylindrical prism 10 having a hemispherical cross section located on the plane formed by the signal beam 4 and the pump beam 7. When the cylindrical prism 10 is used as in the above embodiment, the light beam is incident on the process of passing through the interface with the prism 10 by the signal beam 4 incident on the prism 1 in a direction perpendicular to the hemispherical surface from the outside. The path is not refracted.
따라서, 도파모드를 형성시키기 위해 신호빔(4)의 프리즘(10) 입사각도를 변화시키는 과정 중에 신호빔(4)이 프리즘(10)과 커플링층(2) 사이의 계면에 도달하는 위치가 변화하지 않는다. 그러므로 펌프빔(7)을 광도파로(3)상에 신호빔(4)이 커플링되는 지점에 정렬하여 입사시키는 것이 용이하며, 신호빔(4)의 프리즘(10) 입사각도를 변화시키더라도 신호빔(4) 및 펌프빔(7)의 입사 위치의 정렬이 유지될 수 있는 이점이 있다.Therefore, the position where the signal beam 4 reaches the interface between the prism 10 and the coupling layer 2 changes during the process of changing the incident angle of the prism 10 of the signal beam 4 to form the waveguide mode. I never do that. Therefore, it is easy to align the pump beam 7 at the point where the signal beam 4 is coupled onto the optical waveguide 3, and even if the incident angle of the prism 10 of the signal beam 4 changes, There is an advantage that the alignment of the incident positions of the beam 4 and the pump beam 7 can be maintained.
도 14는 본 발명의 제4 실시예에 따른 광소자를 개략적으로 도시한 종단면도이다. 도 14를 참조하면, 상기 실시예에서 광 전달부(11, 2)는 전술한 제1 실시예와 동일하게 프리즘(11) 및 커플링층(2)으로 구성된다. 14 is a longitudinal sectional view schematically showing an optical device according to a fourth embodiment of the present invention. Referring to FIG. 14, in the above-described embodiment, the light transmitting units 11 and 2 are formed of the prism 11 and the coupling layer 2 in the same manner as in the first embodiment.
다만, 제4 실시예에서 프리즘(11)은 사다리꼴 형태의 종단면을 갖는다. 사다리꼴 형태의 프리즘(11)의 제1 면, 즉, 저면은 커플링층(2)에 광학적으로 연결되며, 프리즘(11)의 제2 면, 즉, 상면은 저면과 평행하며 저면과 이격하여 형성된다.펌프빔(7)은 프리즘(11)의 상면으로 입사되며, 사다리꼴 형태의 프리즘(11)을 통과하여, 프리즘(11)의 저면에 연결된 커플링층(2)에 도달한다. However, in the fourth embodiment, the prism 11 has a trapezoidal longitudinal section. The first face, i.e., the bottom, of the trapezoidal prism 11 is optically connected to the coupling layer 2, and the second face, i.e., the top, of the prism 11 is formed parallel to the bottom and spaced apart from the bottom. The pump beam 7 enters the upper surface of the prism 11, passes through the trapezoidal prism 11, and reaches the coupling layer 2 connected to the bottom surface of the prism 11.
상기 실시예와 같이 구성하면, 펌프빔(7)이 프리즘(11)의 저면으로 도달하는 과정에서 제1 실시예에서와 같이 광도파로(3)의 구성물질에 의한 광흡수로 인해 세기가 약해지는 것을 방지할 수 있다. 또한, 펌프빔(7)의 광 흡수를 유발하는 장애 요인이 없을 경우 입사점의 관찰이 용이해지므로 신호빔(4)과 펌프빔(7)의 입사 위치의 정렬이 용이해지는 이점이 있다.When configured as in the above embodiment, as the pump beam 7 reaches the bottom of the prism 11, the intensity becomes weak due to light absorption by the constituent materials of the optical waveguide 3 as in the first embodiment. Can be prevented. In addition, when there is no obstacle causing the light absorption of the pump beam 7, the observation of the incident point is easy, there is an advantage that the alignment of the incident position of the signal beam 4 and the pump beam 7 is easy.
도 15는 본 발명의 제5 실시예에 따른 광소자를 개략적으로 도시한 종단면도이다. 제5 실시예에 따른 광소자는 전술한 제4 실시예에 따른 광소자와 기본적으로 유사하나, 광원부(12)가 접합층(13)을 통하여 프리즘(11)의 상면에 광학적으로 연결되는 점에서 차이가 있다.15 is a longitudinal sectional view schematically showing an optical device according to a fifth embodiment of the present invention. The optical device according to the fifth embodiment is basically similar to the optical device according to the fourth embodiment, except that the light source unit 12 is optically connected to the upper surface of the prism 11 through the bonding layer 13. There is.
광원부(12)는 공진 파장 대역 광원으로 사용되며, 수직발광된 펌프빔(14)을 프리즘(11) 내로 조사한다. 상기 실시예와 같이 광원부(12)를 프리즘(11)과 집적화할 경우, 전체 소자 구성을 단순화시킬 수 있는 이점이 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 광원부(12)는 복수 개의 광원의 어레이(array)로 구성될 수 있으며, 광원부(12)로부터 출력된 어레이된 펌프빔(14)을 이용할 경우 신호빔(4)과 펌프빔(14) 사이의 공간상 정렬 오차 허용범위가 증대되는 이점이 있다.The light source unit 12 is used as a resonant wavelength band light source, and irradiates the pump beam 14 vertically emitted into the prism 11. When integrating the light source unit 12 with the prism 11 as in the above embodiment, there is an advantage that the overall device configuration can be simplified. In one embodiment of the present invention, the light source unit 12 may be composed of an array of a plurality of light sources, and when using the arrayed pump beam 14 output from the light source unit 12 and the signal beam (4) There is an advantage that the spatial tolerance between the pump beams 14 is increased.
이상에서 살펴본 본 발명의 제1 내지 제5 실시예에 따른 광소자는 신호빔을 프리즘 및 커플링층을 사용하여 광도파로에 커플링하는 구성을 개시하였다. 그러나 이는 예시적인 것으로서, 본 발명의 다른 실시예에서는 광 전달부로 프리즘과 커플링층 대신 표면 격자(grating)를 사용하여 신호빔을 광도파로의 표면에 커플링시켜 특정 도파모드 빔으로 변환하는 것도 가능하다. The optical devices according to the first to fifth embodiments of the present invention described above have disclosed a configuration in which a signal beam is coupled to an optical waveguide using a prism and a coupling layer. However, this is merely illustrative, and in another embodiment of the present invention, it is also possible to convert the signal beam into a specific waveguide mode beam by coupling the signal beam to the surface of the optical waveguide using a surface grating instead of the prism and the coupling layer as the light transmission unit. .
또한, 전술한 제1 내지 제5 실시예에서는 프리즘을 사용하므로, 프리즘 저면의 프리즘과 커플링층의 계면에서 전반사되는 신호빔을 이용하여 소자를 동작하였다. 그러나 본 발명의 일 실시예에서는, 신호빔이 광도파로를 투과하도록 하기 위해 한쪽 면에 광 전달부가 연결된 광도파로의 다른쪽 면에 표면 격자를 광학적으로 연결할 수도 있다. In addition, since the prism is used in the first to fifth embodiments described above, the device is operated using a signal beam totally reflected at the interface between the prism on the bottom of the prism and the coupling layer. However, in one embodiment of the present invention, the surface grating may be optically connected to the other side of the optical waveguide in which the light transmission unit is connected to one side to allow the signal beam to pass through the optical waveguide.
예컨대, 도 1에 도시된 본 발명의 제1 실시예에 이를 적용할 경우, 프리즘(1)과 연결되지 않은 광도파로(3)의 저면에 표면 격자를 연결할 수 있다. 이 경우 광 전달부로부터 광도파로에 입사된 신호빔은 광도파로를 투과하여 표면 격자를 통해 출사되며, 광도파로를 투과하는 신호빔의 세기가 펌프빔에 의해 제어된다.For example, when applied to the first embodiment of the present invention shown in FIG. 1, the surface grating may be connected to the bottom of the optical waveguide 3 not connected to the prism 1. In this case, the signal beam incident on the optical waveguide from the light transmitting unit passes through the optical waveguide and exits through the surface grating, and the intensity of the signal beam passing through the optical waveguide is controlled by the pump beam.
이상에서 살펴본 본 발명의 실시예들에 따른 광소자는, 신호빔 사이의 상대적 위상차를 이용한 간섭계형 스위치 소자와 달리 비선형 광학 소재의 굴절율 변화에 직접 반응하는 도파모드 커플링 특성을 이용한 소자이다. 따라서, 신호빔이 위상변화를 위해 도파로 내를 전파해 나갈 필요가 없이, 도파로의 두께방향으로의 횡파성분이 도파모드만 형성할 수 있다면 동작이 가능하다. An optical device according to embodiments of the present invention described above is a device using a waveguide mode coupling characteristic that directly responds to a change in refractive index of a nonlinear optical material, unlike an interferometric switch device using a relative phase difference between signal beams. Therefore, the signal beam does not need to propagate in the waveguide for phase change, and it is possible to operate if the transverse wave component in the thickness direction of the waveguide can form only the waveguide mode.
따라서, 이상에서 살펴본 본 발명의 실시예들에 따른 광소자 및 그 작동 방법을 사용하면, 비선형 광학재료의 굴절율 변화 자체에 의존하는 광 스위치 동작 방식을 적용하므로 공진형 나노복합체의 우수한 비선형 광학특성은 최대로 이용하면서 이에 수반되는 흡수 손실을 감소시켜 소자응답특성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다. 또한 소자의 구성이 단순화되고, 소자의 민감도를 향상시켜 동작시킬 수 있는 이점이 있다.Therefore, using the optical device according to the embodiments of the present invention and the operation method described above, since the optical switch operation method that depends on the refractive index change of the nonlinear optical material itself is applied, the excellent nonlinear optical characteristics of the resonant nanocomposite While using it to the maximum, there is an advantage that can improve the device response characteristics by reducing the accompanying absorption loss. In addition, the configuration of the device is simplified, there is an advantage that can be operated by improving the sensitivity of the device.
이상에서 살펴본 본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러나, 이와 같은 변형은 본 발명의 기술적 보호범위 내에 있다고 보아야 한다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.Although the present invention described above has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, this is merely exemplary, and it will be understood by those skilled in the art that various modifications and variations may be made therefrom. However, such modifications should be considered to be within the technical protection scope of the present invention. Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined by the technical spirit of the appended claims.
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