KR20110087509A - 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용한 전광 논리소자 및 광변조기 - Google Patents

표면 플라즈몬 공명 현상을 이용한 전광 논리소자 및 광변조기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용한 전광 논리소자와 광변조기에 관한 것이다. 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용한 전광 논리소자는 구동광이 입사되는 입사 도파로와, 입사 도파로와 소정의 각도를 가지도록 배치되고 구동광이 출사되는 출사 도파로와, 입사 도파로와 출사 도파로 사이에 배치되어 입사 도파로를 통해 일면으로 입사된 구동광에 의해 표면 플라즈몬 파(surface plasmon wave, SPW)를 발생시키는 금속 박막과, 금속 박막의 타면에 배치되어 발생된 표면 플라즈몬 파를 가이드하며 외부에서 입사된 제어광에 의해 굴절률이 변화하는 활성층과, 활성층의 일면 중 적어도 일부에 배치되되 활성층을 통해 진행되는 표면 플라즈몬 파가 외부로 방출되는 것이 방지되도록 배치되는 보호층과, 활성층을 통해 진행되는 표면 플라즈몬 파를 검출하는 SPW 검출부와, 출사 도파로를 통해 출사되는 구동광을 검출하는 구동광 검출부를 구비한다.

Description

표면 플라즈몬 공명 현상을 이용한 전광 논리소자 및 광변조기{All optical logic device and optical modulator using surface plasmon resonance}
본 발명은 전광 논리소자 및 광변조기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용한 전광 논리소자 및 광변조기에 관한 것이다.
컴퓨터 및 정보 기기들의 발달로 인하여 정보의 양의 증가는 기하급수적으로 증가하고 있으며, 현재의 전기적 통신망, 컴퓨터 등과 같은 기술력의 발전 속도를 넘어, 이미 포화상태에 이르게 되었다. 따라서 방대한 양의 정보를 보다 빠르게 처리할 수 있는 통신기술이 필요로 하게 되었다. 빛은 전자파와 달리 전자파간섭효과를 배제하기 때문에 평행정보처리가 가능하다는 장점이 있다. 전자소자보다 월등히 빠른 광소자를 이용하여 광 컴퓨터, 광 네트워크에 대한 기술개발이 이루어지고 있으며, 광 논리소자, 광 스위치, 광속도 지연 소자 등에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이중 고속의 광 신호처리를 할 수 있는 광 논리소자(optical logic device)가 많은 관심을 받고 있으며, 특히, 전기신호를 사용하지 않고 모든 신호를 광으로 처리할 수 있는 전광소자(all optical device)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
그 중에서도 트랜지스터 기반의 시스템과 같이, 광(optic) 기반의 광통신 시스템을 구현하기 위해서는 크기가 작고(compact), 집적화(integration)가 가능하며, 제조하기가 용이하고 저 손실(low loss)에 신뢰성(high reliability)이 있는 전광 논리소자(all optical logic device)의 개발이 필수적이다. 지금까지 제안된 광 논리소자는 전극에 전압을 인가하여 전계(electric field)를 발생시키고, 발생된 전계에 의해서 광도파로(waveguide)의 굴절률(refractive index)을 변형시킨다. 그 결과, 도파로를 지나가는 광의 위상차가 변화됨으로써 나타나는 간섭현상, 즉 보강간섭과 상쇄간섭을 이용한다. 그 외에도, MZI(Mach-Zehnder interferometer)와 SOA(semiconductor optical amplifier)의 비선형 특성을 사용하여, XPM(cross phase modulation)을 발생시켜, 광의 위상 변화를 이용한 방법도 연구되고 있다. 또 다른 방식으로 파장(wavelength)과 편광(polarization)에 따라 구분된 광신호를 이용한 방법도 최근에 연구되고 있다.
그러나 이러한 광 논리소자는 구조가 복잡하고 제작이 어려우며, 제작비용이 많이 소요되는 단점이 있었다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용한 전광 논리소자와 광변조기를 제공하는 데에 있다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위한, 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용한 전광 논리소자에 대한 바람직한 일 실시예는 구동광이 입사되는 입사 도파로; 상기 입사 도파로와 소정의 각도를 가지도록 배치되고, 상기 구동광이 출사되는 출사 도파로; 상기 입사 도파로와 출사 도파로 사이에 배치되어, 상기 입사 도파로를 통해 일면으로 입사된 구동광에 의해 표면 플라즈몬 파(surface plasmon wave, SPW)를 발생시키는 금속 박막; 상기 금속 박막의 타면에 배치되어 상기 발생된 표면 플라즈몬 파를 가이드하며, 외부에서 입사된 제어광에 의해 굴절률이 변화하는 활성층; 상기 활성층의 일면 중 적어도 일부에 배치되되, 상기 활성층을 통해 진행되는 표면 플라즈몬 파가 외부로 방출되는 것이 방지되도록 배치되는 보호층; 상기 활성층을 통해 진행되는 표면 플라즈몬 파를 검출하는 SPW 검출부; 및 상기 출사 도파로를 통해 출사되는 구동광을 검출하는 구동광 검출부;를 구비한다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위한, 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용한 전광 논리소자에 대한 바람직한 다른 실시예는 제1 구동광이 입사되는 제1 입사 도파로와, 상기 제1 입사 도파로와 소정의 각도를 가지도록 배치되고 상기 제1 구동광이 출사되는 제1 출사 도파로와, 상기 제1 입사 도파로와 제1 출사 도파로 사이에 배치되어 상기 제1 입사 도파로를 통해 일면으로 입사된 제1 구동광에 의해 제1 표면 플라즈몬 파(surface plasmon wave, SPW)를 발생시키는 제1 금속 박막과, 상기 제1 금속 박막의 타면에 배치되어 상기 발생된 제1 표면 플라즈몬 파를 가이드하며 외부에서 입사된 제1 제어광에 의해 굴절률이 변화하는 제1 활성층과, 상기 제1 활성층의 일면 중 적어도 일부에 배치되되 상기 제1 활성층을 통해 진행되는 제1 표면 플라즈몬 파가 외부로 방출되는 것이 방지되도록 배치되는 제1 보호층을 구비하는 제1 소자부; 제2 구동광이 입사되는 제2 입사 도파로와, 상기 제2 입사 도파로와 소정의 각도를 가지도록 배치되고 상기 제2 구동광이 출사되는 제2 출사 도파로와, 상기 제2 입사 도파로와 제2 출사 도파로 사이에 배치되어 상기 제2 입사 도파로를 통해 일면으로 입사된 제2 구동광에 의해 제2 표면 플라즈몬 파를 발생시키는 제2 금속 박막과, 상기 제2 금속 박막의 타면에 배치되어 상기 발생된 제2 표면 플라즈몬 파를 가이드하며 외부에서 입사된 제2 제어광에 의해 굴절률이 변화하는 제2 활성층과, 상기 제2 활성층의 일면 중 적어도 일부에 배치되되 상기 제2 활성층을 통해 진행되는 제2 표면 플라즈몬 파가 외부로 방출되는 것이 방지되도록 배치되는 제2 보호층을 구비하는 제2 소자부; 상기 제1 활성층을 통해 진행되는 제1 표면 플라즈몬 파와 상기 제2 활성층을 통해 진행되는 제2 표면 플라즈몬 파를 검출하는 SPW 검출부; 및 상기 제1 출사 도파로를 통해 출사되는 제1 구동광과 상기 제2 출사 도파로를 통해 출사되는 제2 구동광을 검출하는 구동광 검출부;를 구비한다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위한, 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용한 광변조기에 대한 바람직한 일 실시예는 구동광이 입사되는 입사 도파로; 상기 입사 도파로와 소정의 각도를 가지도록 배치되고, 상기 구동광이 출사되는 출사 도파로; 상기 입사 도파로와 출사 도파로 사이에 배치되어, 상기 입사 도파로를 통해 일면으로 입사된 구동광에 의해 표면 플라즈몬 파(surface plasmon wave, SPW)를 발생시키는 금속 박막; 상기 금속 박막의 타면에 배치되어 상기 발생된 표면 플라즈몬 파를 가이드하며, 외부에서 입사된 제어광에 의해 굴절률이 변화하는 활성층; 및 상기 출사 도파로를 통해 출사되는 구동광을 검출하는 구동광 검출부;를 구비한다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위한, 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용한 광변조기에 대한 바람직한 다른 실시예는 구동광이 입사되는 입사 도파로; 상기 입사 도파로와 소정의 각도를 가지도록 배치되고, 상기 구동광이 출사되는 출사 도파로; 상기 입사 도파로와 출사 도파로 사이에 배치되어, 상기 입사 도파로를 통해 일면으로 입사된 구동광에 의해 표면 플라즈몬 파(surface plasmon wave, SPW)를 발생시키는 금속 박막; 상기 금속 박막의 타면에 배치되어 상기 발생된 표면 플라즈몬 파를 가이드하며, 외부에서 입사된 제어광에 의해 굴절률이 변화하는 활성층; 상기 활성층의 일면 중 적어도 일부에 배치되되, 상기 활성층을 통해 진행되는 표면 플라즈몬 파가 외부로 방출되는 것이 방지되도록 배치되는 보호층; 및 상기 활성층을 통해 진행되는 표면 플라즈몬 파를 검출하는 SPW 검출부;를 구비한다.
본 발명은 전광 논리소자와 광변조기를 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용하는 새로운 개념의 전광 논리소자와 광변조기이다. 이에 따라, OPCB(optical printed circuit board), 광집접화회로(photonic integrated circuit) 등에서 논리회로를 전광 논리소자로 구성할 수 있다. 그리고 외부 빛 에너지에 의해 활성층의 변화 응답시간이 충분히 빠르기 때문에, 본 발명에 따른 광변조기는 100 Gbp급 광통신에도 사용할 수 있다. 또한, 추후 광네트워크, 광통신, 광컴퓨터 시스템으로 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용한 전광 논리소자 및 광변조기가 응용이 가능하다.
도 1은 표면 플라즈몬 공명을 설명하기 위한 개념도이다.
도 2는 표면 플라즈몬 공명에 의한 전반사 감쇠(attenuation total reflection, ATR)시의 광의 입사각에 따른 반사광의 세기의 관계를 도시한 그래프이다.
도 3은 본 발명에 따른 전광 논리소자에 대한 바람직한 일 실시예의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.
도 4는 도 3의 전광 논리소자가 NOT 논리소자로 이용가능함을 나타내는 논리 조합표이다.
도 5는 본 발명에 따른 전광 논리소자에 대한 바람직한 다른 실시예의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.
도 6은 도 5의 전광 논리소자가 OR 논리소자로 이용가능함을 나타내는 논리 조합표이다.
도 7은 도 5의 전광 논리소자가 NAND 논리소자로 이용가능함을 나타내는 논리 조합표이다.
도 8은 본 발명에 따른 광변조기에 대한 바람직한 일 실시예의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명에 따른 광변조기에 대한 바람직한 다른 실시예의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.
이하에서 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용한 전광 논리소자 및 광변조기의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
본 발명에 따른 전광 논리소자와 광변조기는 표면 플라즈몬 공명(surface plasmen resonance, SPR) 현상을 이용하는 것이므로, 우선 표면 플라즈몬 공명에 대해 살펴본다.
표면 플라즈몬 공명은 빛이 금속 표면과의 상호작용에 의해 발생하는 양자역학적 광전 현상(quantum optical-electrical phenomenon)을 말한다. 광자(photon)에 의해 수송되는 에너지는 특정 조건하에서 금속 표면상의 전자 즉, 플라즈몬으로 전달되는데, 에너지의 전달은 빛의 특정한 공명 파장(resonance wavelength)에서만 이루어진다. 이때의 공진파장은 광자가 가진 양자 에너지와 플라즈몬의 양자 에너지 준위가 일치하게 되는 파장이다. 금속 박막에서 자유전자가 특정한 속성을 가진 입사광에 의해 표면 플라즈몬 파(surface plasmon wave, SPW)를 형성하며, 이때 입사되는 전자파는 경계면에서 최대이며 점점 소멸되고, 반사광은 플라즈몬 파 공명조건하에서 급격히 감소한다. 이 경우 자유공간에서의 파동수와 표면 플라즈몬의 파동수는 일치한다.
도 1은 표면 플라즈몬 공명을 설명하기 위한 개념도이다.
도 1을 참조하면, 광원(110)으로부터 방출된 레이저와 같은 단색광을 프리즘(120)과 같이 굴절률이 높은 매질 쪽으로 입사시키면, 프리즘(120)으로 입사된 광은 프리즘(120)의 바닥면에 위치하는 금속 박막(130)에서 반사되어 광원(110)의 반대편에 위치한 광검출기(140)에 도달한다. 그러나 프리즘(120)의 바닥면의 법선을 기준으로 하는 입사광의 입사각이 특정한 각이 되면, 광이 임계각 이상임에도 불구하고 반사되어 나오는 광이 급격히 줄어들게 된다. 이러한 현상은 광학적 조건이 다음의 수학식 1과 같이 정의되는 TM 모드 광파(transverse magnetic light wave)의 모멘트가 금속 박막(130)과 유전체 표면사이에서 전파되는 표면 플라즈몬 파의 모멘트와 같을 때 일어난다. 수학식 1을 만족하는 조건에서 사실상 프리즘(120)으로 입사된 광자 에너지는 모두 표면 플라즈몬 파로 바뀐다.
[수학식 1]
Figure pat00001
여기서, np, nm 및 ns는 각각 프리즘(120), 금속 박막(130) 및 활성층(150)의 굴절률이고, θ 및 λ는 각각 입사광의 입사각 및 파장을 의미한다.
한편, 금속 박막(130)의 굴절률은 복소형태(nm = n0-ik)로 나타나며, 여기서 n0는 금속 박막(130)의 굴절률의 실수 부분이고, k는 금속 박막(130)의 굴절률의 허수 부분으로 감쇠계수(extinction coefficient)이다. 이와 같이 금속 박막(130)에 표면 플라즈몬이 여기되는 현상을 표면 플라즈몬 공명이라하고, 공명의 결과로 반사된 후의 광에너지는 특정한 각도에서 급격히 감소한다.
도 2는 표면 플라즈몬 공명에 의한 전반사 감쇠(attenuation total reflection, ATR)시의 광의 입사각에 따른 반사광의 세기의 관계를 도시한 그래프이다.
도 2를 살펴보면, 반사광의 세기가 특정 각도에서 급격히 감소하게 됨을 알 수 있다. 이는 표면 플라즈몬 공명 때문으로, 이 특정 각도가 SPR 각도에 해당한다. 그리고 도 2에서 Δn은 활성층(150)의 굴절률의 변화를 나타낸 것으로, 도 2에 도시된 바와 같이 Δn이 변화함에 따라 SPR 각도가 변화함을 알 수 있다. 즉, 활성층(150)의 굴절률이 변화하게 되면, SPR 각도가 변화하게 된다. 본 발명은 활성층(150)의 굴절률이 변화할 때, SPR 각도가 변화하는 것을 이용하는 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 전광 논리소자에 대한 바람직한 일 실시예의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 실시예의 전광 논리소자(300)는 기판(310), 입사 도파로(320), 출사 도파로(330), 금속 박막(340), 활성층(350), 보호층(360), SPW 검출부(370) 및 구동광 검출부(380)를 구비한다.
기판(310)의 종류는 특별히 한정되지 않으며, 광소자가 집적되기에 적합한 기판이면 어떠한 기판을 이용하여도 된다. 예컨대, Si, SiO2, GaAs, InP 등으로 이루어진 기판이 이용될 수 있다.
입사 도파로(320)와 출사 도파로(330)는 기판(310) 상에 형성되며, 소정의 각도(θ)를 갖도록 배치된다. 바람직하게는 입사 도파로(320)와 출사 도파로(330)가 구동광의 입사에 의해 플라즈몬 공명 현상이 발생되는 각도로 배치된다. 즉, 구동광의 입사각(θ)이 플라즈몬 공명 현상이 발생되는 각도(SPR 각도)즉, 수학식 1을 만족하는 각도가 되도록, 입사 도파로(320)와 출사 도파로(330)가 배치된다. 플라즈몬 공명 현상이 발생되는 각도는 도 2에 도시된 바와 같이, 활성층(350)의 굴절률에 따라 변화된다. 본 실시예에서 입사 도파로(320)와 출사 도파로(330)는 제어광이 활성층(350)에 입사되지 않는 경우에 플라즈몬 공명 현상이 발생되는 각도로 배치된다.
입사 도파로(320)와 출사 도파로(330)는 Si, SiO2, GaAs, AlGaAs 및 InP에서 선택된 어느 하나로 이루어질 수 있다. 이때 입사 도파로(320)와 출사 도파로(330)는 기판(310)의 굴절률보다 큰 물질로 이루어진 광도파로 형태가 될 수 있다. 입사 도파로(320)는 광원부(미도시)에서 생성된 구동광이 입사되어 금속 박막(340)의 일면에 구동광이 입사되도록 구동광을 가이드한다. 광원부(미도시)에서 생성된 구동광은 TM 모드로 편광되어 입사 도파로(320)에 입사될 수 있다. 출사 도파로(330)는 금속 박막(340)의 일면에서 반사된 구동광이 구동광 검출부(380)로 출사되도록 구동광을 가이드한다. 그리고 입사 도파로(320)와 출사 도파로(330)의 측면은 구동광이 외부로 손실되지 않도록 전반사 거울 형태로 구성될 수 있다.
금속 박막(340)은 입사 도파로(320)와 출사 도파로(330) 사이에 배치된다. 금속 박막(340)의 일면은 입사 도파로(320)와 출사 도파로(330)와 접촉되며, 타면은 활성층(350)과 접촉된다. 입사 도파로(320)를 통해 금속 박막(340)의 일면으로 입사된 구동광 중 일부는 반사되어 출사 도파로(330)를 통해 출사되고, 일부는 금속 박막(340)과 활성층(350)의 계면에서 표면 플라즈몬 파(SPW)를 발생시킨다. 특히, 수학식 1을 만족하는 각도로 입사된 구동광은 표면 플라즈몬 공명 현상에 의해, 출사 도파로(330)를 통해 출사되는 구동광은 거의 없게 되고, 표면 플라즈몬 파(SPW)는 최대가 된다. 금속 박막(340)은 안정성과 감도가 우수한 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu) 및 알루미늄(Al) 중에서 선택된 1종 이상으로 이루어질 수 있다.
활성층(350)은 금속 박막(340)의 타면에 배치되며, 금속 박막(340)에 입사된 구동광에 의해 발생된 표면 플라즈몬 파(SPW)가 SPW 검출부(370)로 진행하도록 표면 플라즈몬 파(SPW)를 가이드한다. 활성층(350)은 외부에서 입사된 제어광에 의해 굴절률이 변화하는 물질로 이루어진다. 이에 따라 외부에서 제어광이 활성층(350)에 입사되면 활성층(350)의 굴절률이 변화하게 되어, 표면 플라즈몬 공명이 발생되는 각도가 변화하게 된다. 따라서 적절한 제어광이 외부로부터 활성층(350)에 입사되면, 금속 박막(340)에서 반사되어 출사 도파로(330)를 통해 출사되는 구동광과 표면 플라즈몬 파(SPW)의 세기를 조절할 수 있게 된다.
본 실시예에서는 입사 도파로(320)와 출사 도파로(330)가 제어광이 입사되지 않을 때, 표면 플라즈몬 공명이 발생되는 각도로 배치되어 있으므로, 외부에서 제어광이 입사되지 않으면, 출사 도파로(330)를 통해 출사되는 구동광이 거의 없다. 이에 반해, 표면 플라즈몬 파(SPW)의 세기는 최대가 된다. 그러나 외부에서 제어광이 활성층(350)에 입사되어 활성층(350)의 굴절률이 변화하게 되면, 표면 플라즈몬 공명이 발생되는 각도가 변화되므로, 출사 도파로(330)를 통해 출사되는 구동광의 세기가 증가하게 된다. 이에 반해, 표면 플라즈몬 파(SPW)의 세기는 감소하게 된다. 이로부터 적절한 제어광을 선택하여 활성층(350)에 입사시키면, 표면 플라즈몬 파(SPW)의 세기가 거의 0이 되도록 하고, 입사 도파로(320)를 통해 금속 박막(340)에 입사된 구동광의 대부분이 반사되어 출사 도파로(330)를 통해 출사되도록 할 수 있다. 결국 제어광에 의해 활성층(350)의 굴절률을 변화시킴으로써, 출사되는 구동광과 표면 플라즈몬 파(SPW)의 세기를 조절할 수 있다.
이와 같이 활성층(350)의 굴절률을 변화시키기 위해서는 제어광은 활성층(350)의 밴드갭보다 큰 에너지를 갖는 것이 바람직하다. 그리고 표면 플라즈몬 공명 현상이 발생하도록 하기 위해, 활성층(350)의 밴드갭은 입사 도파로(320)와 출사 도파로(330)의 밴드갭보다 큰 물질로 이루어지는 것이 바람직하다. 이를 위해, 활성층(350)은 ZnSe, ZnO 및 이들의 조합으로 이루어질 수 있다.
보호층(360)은 도 3에 도시된 바와 같이 활성층(350)의 일면 중 적어도 일부에 배치된다. 일반적으로 표면 플라즈몬 파(SPW)는 외부로 손실되거나 다시 도파로(320, 330)를 통해 진행될 수 있어, 장거리를 진행하기 어렵다. 그러나 본 실시예와 같이 보호층(360)이 활성층(350)의 일면에 형성되면, 표면 플라즈몬 파가 외부로 방출되는 것이 방지되므로, 표면 플라즈몬 파(SPW)가 장거리를 진행할 수 있게 되어 SPW 검출부(370)를 통해 표면 플라즈몬 파(SPW)를 검출할 수 있다. 이때, 보호층(360)을 금속 박막(340)과 동일한 금속으로 형성한다면, 활성층(350)의 양측에 동일한 금속 물질이 대칭되게 형성되므로, 표면 플라즈몬 파(SPW)의 손실을 최소화할 수 있다. 이를 위해, 보호층(360)은 금속 박막(340)과 마찬가지로, 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu) 및 알루미늄(Al) 중에서 선택된 1종 이상으로 이루어질 수 있다.
한편, 활성층(350)은 외부로부터 제어광이 입사되어야 하므로, 구동광이 입사되는 영역에 대응되는 부분은 표면이 노출되어야 한다. 그리고 보호층(360)은 표면 플라즈몬 파(SPW)의 진행을 보호하는 역할을 하면 되므로, 활성층(350)의 전 영역에 형성될 필요 없다. 즉, 도 3에 도시된 바와 같이, 보호층(360)은 활성층(350)의 일부가 외부에 노출되면서, 표면 플라즈몬 파(SPW)가 장거리 진행하도록 하기 위해, 표면 플라즈몬 파(SPW)가 진행되는 부분에만 형성되면 된다.
SPW 검출부(370)는 활성층(350)을 통해 진행되는 표면 플라즈몬 파(SPW)를 검출할 수 있도록 표면 플라즈몬 파(SPW)가 진행되는 방향에 배치되고, 구동광 검출부(380)는 출사 도파로(330)를 통해 출사되는 구동광을 검출할 수 있도록 구동광이 출사되는 방향에 배치된다. 이를 위해, SPW 검출부(370)와 구동광 검출부(380)는 각각 표면 플라즈몬 파(SPW)와 구동광을 수광할 수 있도록 광다이오드(photo diode: PD)로 이루어질 수 있다.
그리고 입사 도파로(310), 출사 도파로(320), 금속 박막(340), 활성층(350) 및 보호층(360)은 단일 웨이퍼에 집적되어 광집접화회로(photonic integrated circuit) 형태로 제작될 수 있다. 그리고 광원부(미도시), SPW 검출부(370) 및 구동광 검출부(380) 역시 동일한 웨이퍼에 집적되도록 제작될 수 있다. 이와 같이 광집적화회로 형태로 전광 논리소자(300)를 제작하면, 작은 크기로 집적화하는 것이 가능하여, OPCB(optical printed circuit board), 광집접화회로(photonic integrated circuit) 등에서 논리회로를 전광 논리소자로 구성할 수 있다.
그리고 본 실시예에서 제시한 전광 논리소자(300)는 외부 제어광을 통해 SPW 검출부(370)와 구동광 검출부(380)에서 검출되는 광을 ON/OFF 할 수 있어, 논리소자로 이용하는 것이 가능하다.
도 4는 도 3의 전광 논리소자가 NOT 논리소자로 이용가능함을 나타내는 논리 조합표이다.
도 3의 전광 논리소자(300)는 상술한 바와 같이, 입사 도파로(320)와 출사 도파로(330)가 제어광이 입사되지 않을 때, 표면 플라즈몬 공명이 발생되는 각도로 배치되어 있다. 따라서 제어광이 활성층(340)에 입사되지 않으면(제어광 OFF), 입사 도파로(320)를 통해 입사된 구동광에 의해 표면 플라즈몬 공명 현상이 발생되므로, 출사 도파로(330)를 통해 출사되는 구동광은 거의 없고, 표면 플라즈몬 파(SPW)의 세기는 최대가 되어 SPW 검출부(370)에서 광을 수광하게(SPW 검출부 ON) 된다. 반대로, 제어광이 활성층(340)에 입사되면(제어광 ON), 활성층(340)의 굴절률이 변화하여, 구동광이 표면 플라즈몬 공명 현상이 발생되는 각도로 입사되지 못하므로, 대부분의 구동광이 반사되어 출사 도파로(330)를 통해 출사되고, 표면 플라즈몬 파(SPW)가 거의 발생하지 않아 SPW 검출부(370)에서는 광을 수광하지 않게(SPW 검출부 OFF) 된다. 결국, 도 4에 나타낸 바와 같이, 제어광이 OFF일 때 SPW 검출부는 ON이 되고, 제어광이 OFF일 때 SPW 검출부는 OFF가 되어, 도 3의 전광 논리소자(300)는 NOT 논리소자로 이용가능하게 된다.
도 5는 본 발명에 따른 전광 논리소자에 대한 바람직한 다른 실시예의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 실시예서의 전광 논리소자(500)는 제1 소자부(510), 제2 소자부(520), SPW 검출부(590) 및 구동광 검출부(595)를 구비한다.
제1 소자부(510)는 제1 기판(520), 제1 입사 도파로(530), 제1 출사 도파로(535), 제1 금속 박막(540), 제1 활성층(543) 및 제1 보호층(545)를 구비한다. 그리고 제2 소자부(550)는 제2 기판(560), 제2 입사 도파로(570), 제2 출사 도파로(575), 제2 금속 박막(580), 제2 활성층(583) 및 제2 보호층(585)를 구비한다. 여기서, 제1 기판(520)과 제2 기판(560)은 도 3의 기판(310)에 대응되고, 제1 입사 도파로(530)와 제2 입사 도파로(560)은 도 3의 입사 도파로(320)에 대응되며, 제1 출사 도파로(535)와 제2 출사 도파로(575)는 도 3의 출사 도파로(330)에 대응된다. 그리고 제1 금속 박막(540)과 제2 금속 박막(580)은 도 3의 금속 박막(340)에 대응되고, 제1 활성층((543)과 제2 활성층(583)은 도 3의 활성층(350)에 대응되며, 제1 보호층(545)과 제2 보호층(585)은 도 3의 보호층(360)에 대응된다.
SPW 검출부(590)는 제1 활성층(543)을 통해 진행되는 제1 표면 플라즈몬 파(제1 SPW)와 제2 활성층(583)을 통해 진행되는 제2 표면 플라즈몬 파(제2 SPW)를 검출한다. 이를 위해 SPW 검출부(590)는 제1 SPW를 수광할 수 있는 제1 SPW 수광부(591)와 제2 SPW를 수광할 수 있는 제2 SPW 수광부(592)를 구비할 수 있다. 그리고 제1 SPW 수광부(591)와 제2 SPW 수광부(592)는 도 3의 SPW 검출부(370)에 대응된다.
구동광 검출부(595)는 제1 출사 도파로(535)를 통해 출사되는 제1 구동광과 제2 출사 도파로(575)를 통해 출사되는 제2 구동광을 검출한다. 이를 위해 구동광 검출부(590)는 제1 구동광을 수광할 수 있는 제1 구동광 수광부(596)와 제2 구동광을 수광할 수 있는 제2 구동광 수광부(597)를 구비할 수 있다. 그리고 제1 구동광 수광부(596)와 제2 구동광 수광부(597)는 도 3의 구동광 검출부(380)에 대응된다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 전광 논리소자(500)는 도 3에 도시된 전광 논리소자(300) 두 개가 연결되어 있는 형태를 가진다. 다만, 제1 소자부(510)의 제1 SPW를 수광하는 제1 SPW 수광부(591)와 제2 소자부(550)의 제2 SPW를 수광하는 제2 SPW 수광부(592)가 연결되어 SPW 검출부(590)에서 제1 SPW와 제2 SPW를 한꺼번에 검출한다. 그리고 제1 소자부(510)의 제1 구동광을 수광하는 제1 구동광 수광부(596)와 제2 소자부(550)의 제2 구동광을 수광하는 제2 구동광 수광부(597)가 연결되어 구동광 수광부(595)에서 제1 구동광과 제2 구동광을 한꺼번에 검출한다.
그리고 제1 소자부(510)와 제2 소자부(550)는 단일 웨이퍼에 집적되어 광집접화회로(photonic integrated circuit) 형태로 제작될 수 있다. 그리고 제1 소자부(510)의 제1 구동광을 생성하는 제1 광원부(미도시)와 제2 소자부(550)의 제2 구동광을 생성하는 제2 광원부(미도시), SPW 검출부(590) 및 구동광 검출부(595) 역시 동일한 웨이퍼에 집적되도록 제작될 수 있다. 이와 같이 광집적화회로 형태로 전광 논리소자(300)를 제작하면, 작은 크기로 집적화하는 것이 가능하여, OPCB(optical printed circuit board), 광집접화회로(photonic integrated circuit) 등에서 논리회로를 전광 논리소자로 구성할 수 있다.
도 3에서 설명한 것과 유사하게, 제1 제어광이 제1 활성층(543)에 입사되면, 제1 활성층(543)의 굴절률이 변화되어, 제1 소자부(510)의 표면 플라즈몬 공명 조건이 변화하게 된다. 그리고 제2 제어광이 제2 활성층(583)에 입사되면, 제2 활성층(583)의 굴절률이 변화되어, 제2 소자부(550)의 표면 플라즈몬 공명 조건이 변화하게 된다. 따라서 본 실시예에서 제시한 전광 논리소자(500)는 외부 제어광을 통해 SPW 검출부(590)와 구동광 검출부(595)에서 검출되는 광을 ON/OFF 할 수 있어, 논리소자로 이용하는 것이 가능하다.
도 6은 도 5의 전광 논리소자가 OR 논리소자로 이용가능함을 나타내는 논리 조합표이다.
도 5의 전광 논리소자(500)에 구비된 제1 소자부(510)의 제1 입사 도파로(530)와 제1 출사 도파로(535)가 제1 제어광이 입사되지 않을 때, 표면 플라즈몬 공명이 발생되는 각도(θ1)로 배치되어 있다. 그리고 제2 소자부(550)의 제2 입사 도파로(570)와 제2 출사 도파로(575) 또한 마찬가지로 제2 제어광이 입사되지 않을 때, 표면 플라즈몬 공명이 발생되는 각도(θ2)로 배치되어 있다. 즉, θ1과 θ2가 각각 수학식 1을 만족한다.
따라서 제1 소자부(510)에서 제1 제어광이 제1 활성층(543)에 입사되지 않으면(제1 제어광 OFF), 제1 입사 도파로(530)를 통해 입사된 제1 구동광에 의해 표면 플라즈몬 공명 현상이 발생되므로, 제1 출사 도파로(535)를 통해 출사되는 제1 구동광은 거의 없어 제1 구동광 수광부(596)는 제1 구동광을 수광하지 못하게 된다. 반대로, 제1 제어광이 제1 활성층(543)에 입사되면(제1 제어광 ON), 제1 활성층(543)의 굴절률이 변화하여, 제1 구동광이 표면 플라즈몬 공명 현상이 발생되는 각도로 입사되지 못하므로, 대부분의 구동광이 반사되어 제1 출사 도파로(535)를 통해 출사되므로, 제1 구동광 수광부(596)는 제1 구동광을 수광하게 된다.
제1 소자부(510)와 유사하게 제2 소자부(510)에서, 제2 제어광이 제2 활성층(584)에 입사되지 않으면(제2 제어광 OFF), 제2 구동광 수광부(597)는 제2 구동광을 수광하지 못하게 된다. 그리고 제2 제어광이 제2 활성층(584)에 입사되면(제2 제어광 ON), 제2 구동광 수광부(597)는 제2 구동광을 수광하게 된다.
한편, 구동광 검출부(595)는 제1 구동광 수광부(596)와 제2 구동광 수광부(597)과 모두 연결되어 있으므로, 제1 구동광 수광부(596)와 제2 구동광 수광부(597) 중 적어도 하나가 광을 수광하면, 구동광 검출부(595)는 ON이 된다. 그리고 제1 구동광 수광부(596)와 제2 구동광 수광부(597) 모두가 광을 수광하지 못하면 구동광 검출부(595)는 OFF가 된다.
결국, 도 6에 나타낸 바와 같이, 제1 소자부(510)의 제1 제어광과 제2 소자부(550)의 제2 제어광이 모두 입사되지 않는 경우(제1 제어광 OFF & 제2 제어광 OFF)에만, 제1 구동광 수광부(596)와 제2 구동광 수광부(597) 모두가 광을 수광하지 못하므로 구동광 검출부(595)는 OFF가 된다. 그리고 제1 소자부(510)의 제1 제어광과 제2 소자부(550)의 제2 제어광 중 적어도 하나가 입사되면(제1 제어광 ON & 제2 제어광 ON, 제1 제어광 OFF & 제2 제어광 ON, 제1 제어광 ON & 제2 제어광 OFF), 제1 구동광 수광부(596)와 제2 구동광 수광부(597) 중 적어도 하나는 광을 수광하므로, 구동광 검출부(595)는 ON이 된다. 따라서 도 5의 전광 논리소자(500)는 OR 논리소자로 이용가능하게 된다.
도 7은 도 5의 전광 논리소자가 NAND 논리소자로 이용가능함을 나타내는 논리 조합표이다.
도 5의 전광 논리소자(500)는 상술한 바와 같이, 제1 소자부(510)의 제1 입사 도파로(530)와 제1 출사 도파로(535)가 제1 제어광이 입사되지 않을 때, 표면 플라즈몬 공명이 발생되는 각도(θ1)로 배치되어 있다. 그리고 제2 소자부(550)의 제2 입사 도파로(570)와 제2 출사 도파로(575) 또한 마찬가지로 제2 제어광이 입사되지 않을 때, 표면 플라즈몬 공명이 발생되는 각도(θ2)로 배치되어 있다. 즉, θ1과 θ2가 각각 수학식 1을 만족한다.
따라서 제1 소자부(510)에서 제1 제어광이 제1 활성층(543)에 입사되지 않으면(제1 제어광 OFF), 제1 입사 도파로(530)를 통해 입사된 제1 구동광에 의해 표면 플라즈몬 공명 현상이 발생되므로, 제1 출사 도파로(535)를 통해 출사되는 제1 구동광은 거의 없고, 제1 표면 플라즈몬 파(제1 SPW)의 세기는 최대가 되어 제1 SPW 수광부(591)에서 광을 수광하게 된다. 반대로, 제1 제어광이 제1 활성층(543)에 입사되면(제1 제어광 ON), 제1 활성층(543)의 굴절률이 변화하여, 제1 구동광이 표면 플라즈몬 공명 현상이 발생되는 각도로 입사되지 못하므로, 대부분의 구동광이 반사되어 제1 출사 도파로(535)를 통해 출사되고, 제1 표면 플라즈몬 파(제1 SPW)가 거의 발생하지 않아 제1 SPW 수광부(591)는 제1 SPW를 수광하지 못하게 된다.
제1 소자부(510)와 유사하게 제2 소자부(510)에서, 제2 제어광이 제2 활성층(584)에 입사되지 않으면(제2 제어광 OFF), 제2 SPW 수광부(592)는 제2 SPW를 수광하게 된다. 그리고 제2 제어광이 제2 활성층(584)에 입사되면(제2 제어광 ON), 제2 구동광 수광부(592)는 제2 SPW를 수광하지 못하게 된다.
한편, SPW 검출부(590)는 제1 SPW 수광부(591)와 제2 SPW 수광부(592)과 모두 연결되어 있으므로, 제1 SPW 수광부(591)와 제2 SPW 수광부(592) 중 적어도 하나가 광을 수광하면, SPW 검출부(590)는 ON이 된다. 그리고 제1 SPW 수광부(591)와 제2 SPW 수광부(592) 모두가 광을 수광하지 못하면 SPW 검출부(590)는 OFF가 된다.
결국, 도 7에 나타낸 바와 같이, 제1 소자부(510)의 제1 제어광과 제2 소자부(550)의 제2 제어광이 모두 입사되는 경우(제1 제어광 ON & 제2 제어광 ON)에만, 제1 SPW 수광부(591)와 제2 SPW 수광부(592) 모두가 광을 수광하지 못하므로 SPW 검출부(590)는 OFF가 된다. 그리고 제1 소자부(510)의 제1 제어광과 제2 소자부(550)의 제2 제어광 중 적어도 하나가 입사되면(제1 제어광 OFF & 제2 제어광 OFF, 제1 제어광 OFF & 제2 제어광 ON, 제1 제어광 ON & 제2 제어광 OFF), 제1 SPW 수광부(591)와 제2 SPW 수광부(592) 중 적어도 하나는 광을 수광하므로, SPW 검출부(590)는 ON이 된다. 따라서 도 5의 전광 논리소자(500)는 NAND 논리소자로 이용가능하게 된다.
이상에서, 본 발명에 따른 전광 논리소자(300, 500)를 NOT, OR, NAND 논리소자로 이용하는 경우에 대해 설명하였다. 그리고 이러한 전광 논리소자(300, 500)를 여러 개 연결하면, AND, NOR, XNOR, XOR 등의 논리소자로 이용할 수 있다. 이와 같이 상기에서는 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용한 전광 논리소자에 대해 설명하였다. 이하에서는 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용한 광변조기에 대해 설명한다.
도 8은 본 발명에 따른 광변조기에 대한 바람직한 일 실시예의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.
도 8을 참조하면, 본 실시예의 광변조기(800)는 기판(810), 입사 도파로(820), 출사 도파로(830), 금속 박막(840), 활성층(850) 및 구동광 검출부(880)를 구비한다.
기판(810)의 종류는 특별히 한정되지 않으며, 광소자가 집적되기에 적합한 기판이면 어떠한 기판을 이용하여도 된다. 예컨대, Si, SiO2, GaAs, InP 등으로 이루어진 기판이 이용될 수 있다.
입사 도파로(820)와 출사 도파로(830)는 기판(810) 상에 형성되며, 소정의 각도(θ)를 갖도록 배치된다. 바람직하게는 입사 도파로(820)와 출사 도파로(830)가 구동광의 입사에 의해 플라즈몬 공명 현상이 발생되는 각도로 배치된다. 즉, 구동광의 입사각(θ)이 플라즈몬 공명 현상이 발생되는 각도(SPR 각도)즉, 수학식 1을 만족하는 각도가 되도록, 입사 도파로(820)와 출사 도파로(830)가 배치된다. 플라즈몬 공명 현상이 발생되는 각도는 도 2에 도시된 바와 같이, 활성층(850)의 굴절률에 따라 변화된다. 본 실시예에서 입사 도파로(820)와 출사 도파로(830)는 제어광이 활성층(850)에 입사되지 않는 경우에 플라즈몬 공명 현상이 발생되는 각도로 배치된다.
입사 도파로(820)와 출사 도파로(830)는 Si, SiO2, GaAs, AlGaAs 및 InP에서 선택된 어느 하나로 이루어질 수 있다. 이때 입사 도파로(820)와 출사 도파로(830)는 기판(810)의 굴절률보다 큰 물질로 이루어진 광도파로 형태가 될 수 있다. 입사 도파로(820)는 광원부(미도시)에서 생성된 구동광이 입사되어 금속 박막(840)의 일면에 구동광이 입사되도록 구동광을 가이드한다. 광원부(미도시)에서 생성된 구동광은 TM 모드로 편광되어 입사 도파로(820)에 입사될 수 있다. 출사 도파로(830)는 금속 박막(840)의 일면에서 반사된 구동광이 구동광 검출부(880)로 출사되도록 구동광을 가이드한다. 그리고 입사 도파로(820)와 출사 도파로(830)의 측면은 구동광이 외부로 손실되지 않도록 전반사 거울 형태로 구성될 수 있다.
금속 박막(840)은 입사 도파로(820)와 출사 도파로(830) 사이에 배치된다. 금속 박막(840)의 일면은 입사 도파로(820)와 출사 도파로(830)와 접촉되며, 타면은 활성층(850)과 접촉된다. 입사 도파로(820)를 통해 금속 박막(840)의 일면으로 입사된 구동광 중 일부는 반사되어 출사 도파로(830)를 통해 출사되고, 일부는 금속 박막(840)과 활성층(850)의 계면에서 표면 플라즈몬 파(SPW)를 발생시킨다. 특히, 수학식 1을 만족하는 각도로 입사된 구동광은 표면 플라즈몬 공명 현상에 의해, 출사 도파로(830)를 통해 출사되는 구동광은 거의 없게 되고, 표면 플라즈몬 파(SPW)는 최대가 된다. 금속 박막(840)은 안정성과 감도가 우수한 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu) 및 알루미늄(Al) 중에서 선택된 1종 이상으로 이루어질 수 있다.
활성층(850)은 금속 박막(840)의 타면에 배치되며, 금속 박막(840)에 입사된 구동광에 의해 발생된 표면 플라즈몬 파(SPW)가 진행하도록 표면 플라즈몬 파(SPW)를 가이드한다. 활성층(850)은 외부에서 입사된 제어광에 의해 굴절률이 변화하는 물질로 이루어진다. 이에 따라 외부에서 제어광이 활성층(850)에 입사되면 활성층(850)의 굴절률이 변화하게 되어, 표면 플라즈몬 공명이 발생되는 각도가 변화하게 된다. 따라서 적절한 제어광이 외부로부터 활성층(850)에 입사되면, 금속 박막(840)에서 반사되어 출사 도파로(830)를 통해 출사되는 구동광의 세기를 조절할 수 있게 된다.
본 실시예에서는 입사 도파로(820)와 출사 도파로(830)가 제어광이 입사되지 않을 때, 표면 플라즈몬 공명이 발생되는 각도로 배치되어 있으므로, 외부에서 제어광이 입사되지 않으면, 출사 도파로(830)를 통해 출사되는 구동광이 거의 없다. 그러나 외부에서 제어광이 활성층(850)에 입사되어 활성층(850)의 굴절률이 변화하게 되면, 표면 플라즈몬 공명이 발생되는 각도가 변화되므로, 출사 도파로(830)를 통해 출사되는 구동광의 세기가 증가하게 된다. 이로부터 적절한 제어광을 선택하여 활성층(850)에 입사시키면, 원하는 세기를 갖는 구동광을 출사 도파로(830)를 통해 출사되도록 할 수 있다. 즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 굴절률이 조금 변화하더라도 Δn=0인 각도로 출사되는 구동광의 세기는 변화하므로, 제어광을 제어함으로써, 원하는 세기를 갖는 구동광이 출력되도록 할 수 있다.
결국 제어광에 의해 활성층(850)의 굴절률을 변화시킴으로써, 출사되는 구동광의 세기를 조절할 수 있으므로, 출사되는 구동광을 검출하면, 위상은 변화하지 않고 진폭이 변조되는 진폭 변조 광변조기로 이용할 수 있다. 그리고 제어광에 의해 활성층(850)의 굴절률의 변화 응답 시간이 충분히 빠르기 때문에 100 Gbp에서도 사용할 수 있다.
이와 같이 활성층(850)의 굴절률을 변화시키기 위해서는 제어광은 활성층(850)의 밴드갭보다 큰 에너지를 갖는 것이 바람직하다. 그리고 표면 플라즈몬 공명 현상이 발생하도록 하기 위해, 활성층(850)의 밴드갭은 입사 도파로(820)와 출사 도파로(830)의 밴드갭보다 큰 물질로 이루어지는 것이 바람직하다. 이를 위해, 활성층(850)은 ZnSe, ZnO 및 이들의 조합으로 이루어질 수 있다.
구동광 검출부(880)는 출사 도파로(830)를 통해 출사되는 구동광을 검출할 수 있도록 구동광이 출사되는 방향에 배치된다. 이를 위해, 구동광 검출부(880)는 구동광을 수광할 수 있도록 광다이오드(photo diode: PD)로 이루어질 수 있다.
그리고 입사 도파로(810), 출사 도파로(820), 금속 박막(840) 및 활성층(850)은 단일 웨이퍼에 집적되어 광집접화회로(photonic integrated circuit) 형태로 제작될 수 있다. 그리고 광원부(미도시) 및 구동광 검출부(880) 역시 동일한 웨이퍼에 집적되도록 제작될 수 있다.
도 9는 본 발명에 따른 광변조기에 대한 바람직한 다른 실시예의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.
도 9를 참조하면, 본 실시예의 전광 논리소자(900)는 기판(910), 입사 도파로(920), 출사 도파로(930), 금속 박막(940), 활성층(950), 보호층(960) 및 SPW 검출부(970)를 구비한다.
기판(910), 입사 도파로(920), 출사 도파로(930) 및 금속 박막(940)은 도 8의 기판(810), 입사 도파로(820), 출사 도파로(830) 및 금속 박막(840)에 각각 대응된다.
활성층(950)은 금속 박막(940)의 타면에 배치되며, 금속 박막(940)에 입사된 구동광에 의해 발생된 표면 플라즈몬 파(SPW)가 SPW 검출부(970)로 진행하도록 표면 플라즈몬 파(SPW)를 가이드한다. 활성층(950)은 외부에서 입사된 제어광에 의해 굴절률이 변화하는 물질로 이루어진다. 이에 따라 외부에서 제어광이 활성층(950)에 입사되면 활성층(950)의 굴절률이 변화하게 되어, 표면 플라즈몬 공명이 발생되는 각도가 변화하게 된다. 따라서 적절한 제어광이 외부로부터 활성층(950)에 입사되면, 표면 플라즈몬 파(SPW)의 세기를 조절할 수 있게 된다.
본 실시예에서는 입사 도파로(920)와 출사 도파로(930)가 제어광이 입사되지 않을 때, 표면 플라즈몬 공명이 발생되는 각도로 배치되어 있으므로, 외부에서 제어광이 입사되지 않으면, 출사 도파로(930)를 통해 출사되는 구동광이 거의 없고, 표면 플라즈몬 파(SPW)의 세기는 최대가 된다. 그러나 외부에서 제어광이 활성층(950)에 입사되어 활성층(950)의 굴절률이 변화하게 되면, 표면 플라즈몬 공명이 발생되는 각도가 변화되므로, 출사 도파로(930)를 통해 출사되는 구동광의 세기가 증가하고, 표면 플라즈몬 파(SPW)의 세기는 감소하게 된다. 이로부터 적절한 제어광을 선택하여 활성층(950)에 입사시키면, 표면 플라즈몬 파(SPW)의 세기를 조절하는 것이 가능하다. 즉, 제어광을 제어함으로써 원하는 세기를 갖는 표면 플라즈몬 파(SPW)가 출력되도록 할 수 있다. 이때 출력되는 표면 플라즈몬 파(SPW)와 입력되는 구동광의 위상차는 180°이다.
결국 제어광에 의해 활성층(950)의 굴절률을 변화시킴으로써, 출력되는 표면 플라즈몬 파(SPW)의 세기를 조절할 수 있으므로, 출력되는 표면 플라즈몬 파(SPW)을 검출하면, 위상이 180° 변화하고 진폭이 변조되는 광변조기로 이용할 수 있다. 그리고 제어광에 의해 활성층(950)의 굴절률의 변화 응답 시간이 충분히 빠르기 때문에 100 Gbp에서도 사용할 수 있다.
이와 같이 활성층(950)의 굴절률을 변화시키기 위해서는 제어광은 활성층(950)의 밴드갭보다 큰 에너지를 갖는 것이 바람직하다. 그리고 표면 플라즈몬 공명 현상이 발생하도록 하기 위해, 활성층(950)의 밴드갭은 입사 도파로(920)와 출사 도파로(930)의 밴드갭보다 큰 물질로 이루어지는 것이 바람직하다. 이를 위해, 활성층(950)은 ZnSe, ZnO 및 이들의 조합으로 이루어질 수 있다.
보호층(960)은 도 9에 도시된 바와 같이 활성층(950)의 일면 중 적어도 일부에 배치된다. 일반적으로 표면 플라즈몬 파(SPW)는 외부로 손실되거나 다시 도파로(920, 930)를 통해 진행될 수 있어, 장거리를 진행하기 어렵다. 그러나 본 실시예와 같이 보호층(960)이 활성층(950)의 일면에 형성되면, 표면 플라즈몬 파가 외부로 방출되는 것이 방지되므로, 표면 플라즈몬 파(SPW)가 장거리를 진행할 수 있게 되어 SPW 검출부(970)를 통해 표면 플라즈몬 파(SPW)를 검출할 수 있다. 이때, 보호층(960)을 금속 박막(940)과 동일한 금속으로 형성한다면, 활성층(950)의 양측에 동일한 금속 물질이 대칭되게 형성되므로, 표면 플라즈몬 파(SPW)의 손실을 최소화할 수 있다. 이를 위해, 보호층(960)은 금속 박막(940)과 마찬가지로, 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu) 및 알루미늄(Al) 중에서 선택된 1종 이상으로 이루어질 수 있다.
한편, 활성층(950)은 외부로부터 제어광이 입사되어야 하므로, 구동광이 입사되는 영역에 대응되는 부분은 표면이 노출되어야 한다. 그리고 보호층(960)은 표면 플라즈몬 파(SPW)의 진행을 보호하는 역할을 하면 되므로, 활성층(950)의 전 영역에 형성될 필요 없다. 즉, 도 9에 도시된 바와 같이, 보호층(960)은 활성층(950)의 일부가 외부에 노출되면서, 표면 플라즈몬 파(SPW)가 장거리 진행하도록 하기 위해, 표면 플라즈몬 파(SPW)가 진행되는 부분에만 형성되면 된다.
SPW 검출부(970)는 활성층(950)을 통해 진행되는 표면 플라즈몬 파(SPW)를 검출할 수 있도록 표면 플라즈몬 파(SPW)가 진행되는 방향에 배치된다. 이를 위해, SPW 검출부(970)는 표면 플라즈몬 파(SPW)를 수광할 수 있도록 광다이오드(photo diode: PD)로 이루어질 수 있다.
그리고 입사 도파로(910), 출사 도파로(920), 금속 박막(940), 활성층(950) 및 보호층(960)은 단일 웨이퍼에 집적되어 광집접화회로(photonic integrated circuit) 형태로 제작될 수 있다. 그리고 광원부(미도시), SPW 검출부(970) 역시 동일한 웨이퍼에 집적되도록 제작될 수 있다.
도 8에서는 금속 박막(840)에서 반사되어 출사되는 구동광을 구동광 검출부(880)가 검출하여 진폭이 변조되는 광변조기(800)에 대해 설명하였고, 도 9에서는 입력되는 구동광에 의해 금속 박막(940)과 활성층(950)의 계면에서 발생한 표면 플라즈몬 파를 SPW 검출부(970)가 검출하여 위상이 180°변화하고 진폭이 변조되는 광변조기(900)에 대해 설명하였다. 그러나 도 8의 광변조기(800)와 도 9의 광변조기(900)가 혼합되어 있는 형태의 광변조기도 가능하다. 즉, 도 8의 광변조기(800)가 도 9의 보호층(960)과 SPW 검출부(970)를 구비하여, 금속 박막(840)에서 반사되어 출사되는 구동광을 구동광 검출부(880)가 검출하고, 입력되는 구동광에 의해 금속 박막(940)과 활성층(950)의 계면에서 발생한 표면 플라즈몬 파를 SPW 검출부(970)가 검출하여 각각 출력된 구동광과 표면 플라즈몬 파를 이용하는 형태의 광변조기도 가능하다.
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.

Claims (23)

  1. 구동광이 입사되는 입사 도파로;
    상기 입사 도파로와 소정의 각도를 가지도록 배치되고, 상기 구동광이 출사되는 출사 도파로;
    상기 입사 도파로와 출사 도파로 사이에 배치되어, 상기 입사 도파로를 통해 일면으로 입사된 구동광에 의해 표면 플라즈몬 파(surface plasmon wave, SPW)를 발생시키는 금속 박막;
    상기 금속 박막의 타면에 배치되어 상기 발생된 표면 플라즈몬 파를 가이드하며, 외부에서 입사된 제어광에 의해 굴절률이 변화하는 활성층;
    상기 활성층의 일면 중 적어도 일부에 배치되되, 상기 활성층을 통해 진행되는 표면 플라즈몬 파가 외부로 방출되는 것이 방지되도록 배치되는 보호층;
    상기 활성층을 통해 진행되는 표면 플라즈몬 파를 검출하는 SPW 검출부; 및
    상기 출사 도파로를 통해 출사되는 구동광을 검출하는 구동광 검출부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용한 전광 논리소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 입사 도파로와 출사 도파로는,
    상기 활성층에 상기 제어광이 입사되지 않을 때, 상기 구동광의 입사에 의해 플라즈몬 공명 현상이 발생되는 각도로 배치되는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용한 전광 논리소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어광은 상기 활성층의 밴드갭보다 큰 에너지를 갖는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용한 전광 논리소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 활성층은 상기 입사 도파로와 출사 도파로의 밴드갭보다 큰 밴드갭을 갖는 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용한 전광 논리소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 활성층은 ZnSe 및 ZnO 중 적어도 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용한 전광 논리소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 금속 박막과 보호층은 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu) 및 알루미늄(Al) 중에서 선택된 1종 이상을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용한 전광 논리소자.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 입사 도파로, 상기 출사 도파로, 상기 금속 박막, 상기 활성층 및 상기 보호층은 단일 웨이퍼에 집적되어 광집접화회로(photonic integrated circuit)로 제작되는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용한 전광 논리소자.
  8. 제1 구동광이 입사되는 제1 입사 도파로와, 상기 제1 입사 도파로와 소정의 각도를 가지도록 배치되고 상기 제1 구동광이 출사되는 제1 출사 도파로와, 상기 제1 입사 도파로와 제1 출사 도파로 사이에 배치되어 상기 제1 입사 도파로를 통해 일면으로 입사된 제1 구동광에 의해 제1 표면 플라즈몬 파(surface plasmon wave, SPW)를 발생시키는 제1 금속 박막과, 상기 제1 금속 박막의 타면에 배치되어 상기 발생된 제1 표면 플라즈몬 파를 가이드하며 외부에서 입사된 제1 제어광에 의해 굴절률이 변화하는 제1 활성층과, 상기 제1 활성층의 일면 중 적어도 일부에 배치되되 상기 제1 활성층을 통해 진행되는 제1 표면 플라즈몬 파가 외부로 방출되는 것이 방지되도록 배치되는 제1 보호층을 구비하는 제1 소자부;
    제2 구동광이 입사되는 제2 입사 도파로와, 상기 제2 입사 도파로와 소정의 각도를 가지도록 배치되고 상기 제2 구동광이 출사되는 제2 출사 도파로와, 상기 제2 입사 도파로와 제2 출사 도파로 사이에 배치되어 상기 제2 입사 도파로를 통해 일면으로 입사된 제2 구동광에 의해 제2 표면 플라즈몬 파를 발생시키는 제2 금속 박막과, 상기 제2 금속 박막의 타면에 배치되어 상기 발생된 제2 표면 플라즈몬 파를 가이드하며 외부에서 입사된 제2 제어광에 의해 굴절률이 변화하는 제2 활성층과, 상기 제2 활성층의 일면 중 적어도 일부에 배치되되 상기 제2 활성층을 통해 진행되는 제2 표면 플라즈몬 파가 외부로 방출되는 것이 방지되도록 배치되는 제2 보호층을 구비하는 제2 소자부;
    상기 제1 활성층을 통해 진행되는 제1 표면 플라즈몬 파와 상기 제2 활성층을 통해 진행되는 제2 표면 플라즈몬 파를 검출하는 SPW 검출부; 및
    상기 제1 출사 도파로를 통해 출사되는 제1 구동광과 상기 제2 출사 도파로를 통해 출사되는 제2 구동광을 검출하는 구동광 검출부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용한 전광 논리소자.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 입사 도파로와 제1 출사 도파로는, 상기 제1 활성층에 상기 제1 제어광이 입사되지 않을 때, 상기 제1 구동광의 입사에 의해 플라즈몬 공명 현상이 발생되는 각도로 배치되고,
    상기 제2 입사 도파로와 제2 출사 도파로는, 상기 제2 활성층에 상기 제2 제어광이 입사되지 않을 때, 상기 제2 구동광의 입사에 의해 플라즈몬 공명 현상이 발생되는 각도로 배치되는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용한 전광 논리소자.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제1 제어광은 상기 제1 활성층의 밴드갭보다 큰 에너지를 갖고,
    상기 제2 제어광은 상기 제2 활성층의 밴드갭보다 큰 에너지를 갖는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용한 전광 논리소자.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 제1 활성층은 상기 제1 입사 도파로와 제1 출사 도파로의 밴드갭보다 큰 밴드갭을 갖는 물질로 이루어지고,
    상기 제2 활성층은 상기 제2 입사 도파로와 제2 출사 도파로의 밴드갭보다 큰 밴드갭을 갖는 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용한 전광 논리소자.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 제1 활성층 및 제2 활성층은 ZnSe 및 ZnO 중 적어도 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용한 전광 논리소자.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 제1 금속 박막, 제1 보호층, 제2 금속 박막 및 제2 보호층은 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu) 및 알루미늄(Al) 중에서 선택된 1종 이상을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용한 전광 논리소자.
  14. 제8항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 소자부와 상기 제2 소자부는 단일 웨이퍼에 집적되어 광집접화회로(photonic integrated circuit)로 제작되는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용한 전광 논리소자.
  15. 구동광이 입사되는 입사 도파로;
    상기 입사 도파로와 소정의 각도를 가지도록 배치되고, 상기 구동광이 출사되는 출사 도파로;
    상기 입사 도파로와 출사 도파로 사이에 배치되어, 상기 입사 도파로를 통해 일면으로 입사된 구동광에 의해 표면 플라즈몬 파(surface plasmon wave, SPW)를 발생시키는 금속 박막;
    상기 금속 박막의 타면에 배치되어 상기 발생된 표면 플라즈몬 파를 가이드하며, 외부에서 입사된 제어광에 의해 굴절률이 변화하는 활성층; 및
    상기 출사 도파로를 통해 출사되는 구동광을 검출하는 구동광 검출부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용한 광변조기.
  16. 구동광이 입사되는 입사 도파로;
    상기 입사 도파로와 소정의 각도를 가지도록 배치되고, 상기 구동광이 출사되는 출사 도파로;
    상기 입사 도파로와 출사 도파로 사이에 배치되어, 상기 입사 도파로를 통해 일면으로 입사된 구동광에 의해 표면 플라즈몬 파(surface plasmon wave, SPW)를 발생시키는 금속 박막;
    상기 금속 박막의 타면에 배치되어 상기 발생된 표면 플라즈몬 파를 가이드하며, 외부에서 입사된 제어광에 의해 굴절률이 변화하는 활성층;
    상기 활성층의 일면 중 적어도 일부에 배치되되, 상기 활성층을 통해 진행되는 표면 플라즈몬 파가 외부로 방출되는 것이 방지되도록 배치되는 보호층; 및
    상기 활성층을 통해 진행되는 표면 플라즈몬 파를 검출하는 SPW 검출부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용한 광변조기.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 활성층의 일면 중 적어도 일부에 배치되되, 상기 활성층을 통해 진행되는 표면 플라즈몬 파가 외부로 방출되는 것이 방지되도록 배치되는 보호층; 및
    상기 활성층을 통해 진행되는 표면 플라즈몬 파를 검출하는 SPW 검출부;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용한 광변조기.
  18. 제15항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 입사 도파로와 출사 도파로는,
    상기 활성층에 상기 제어광이 입사되지 않을 때, 상기 구동광의 입사에 의해 플라즈몬 공명 현상이 발생되는 각도로 배치되는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용한 광변조기.
  19. 제15항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어광은 상기 활성층의 밴드갭보다 큰 에너지를 갖는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용한 광변조기.
  20. 제15항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 활성층은 상기 입사 도파로와 출사 도파로의 밴드갭보다 큰 밴드갭을 갖는 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용한 광변조기.
  21. 제15항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 활성층은 ZnSe 및 ZnO 중 적어도 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용한 광변조기.
  22. 제16항 또는 제17항에 있어서,
    상기 금속 박막과 보호층은 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu) 및 알루미늄(Al) 중에서 선택된 1종 이상을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용한 광변조기.
  23. 제16항 또는 제17항에 있어서,
    상기 입사 도파로, 상기 출사 도파로, 상기 금속 박막, 상기 활성층 및 상기 보호층은 단일 웨이퍼에 집적되어 광집접화회로(photonic integrated circuit)로 제작되는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용한 광변조기.
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