KR20120027713A - 표면 플라즈몬 밴드-에지 레이저 - Google Patents

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Abstract

레이저의 회절 한계를 넘는 작은 광 스폿을 갖는 레이저 빔을 출력하기 위하여 이득 매질로서 양자점을 가지며 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용하여 레이저 발진을 하는 밴드-에지 레이저가 개시된다. 개시된 표면 플라즈몬 밴드-에지 레이저는 금속 표면 위에 형성된 양자점으로 이루어진 주기적인 구조물을 포함할 수 있다. 밴드-에지 이득 증가(band-edge gain enhancement)가 상기 주기적인 구조물을 통해 얻어지며, 특히 이득 매질로서 양자점들을 이용하여 더욱 높은 이득을 얻을 수 있다. 또한, 개시된 표면 플라즈몬 밴드-에지 레이저는 양자점과 금속 표면 사이의 계면에서 발생하는 표면 플라즈몬 공명을 이용하여 레이저 발진을 하기 때문에, 매우 얇은 면 두께를 가질 수 있다.

Description

표면 플라즈몬 밴드-에지 레이저 {Surface plasmon band-edge laser}
개시된 발명은 표면 플라즈몬 밴드-에지 레이저에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 레이저의 회절 한계를 넘는 작은 광 스폿을 갖는 레이저 빔을 출력하기 위하여 이득 매질(gain medium)로서 양자점(quantum dot)을 가지며 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용하여 레이저 발진을 하는 밴드-에지 레이저에 관한 것이다.
광집적 회로는 일반적으로는 발광, 광검출, 광증폭, 광변조 등과 같은 다양한 작업을 수행하는 여러 가지 광학 소자들을 하나의 동일 기판 위에 집적한 광회로이다. 예를 들어, 광원, 광검출기, 광도파로, 렌즈, 회절 격자, 광 스위치 등이 하나의 동일 기판 위에 장착될 수 있다. 광집적 회로는, 예를 들어, 광기록/재생 장치, 광통신 장치, 디스플레이 장치, 광 컴퓨터 등의 분야에서 다양하게 적용될 수 있다.
이러한 광집적 회로에서 광원으로서 주로 사용되는 것은 레이저이다. 레이저는 출력, 발진 파장 및 발진 방식에 따라 매우 다양한 종류가 개발되어 사용되고 있다. 광집적 회로의 집적도를 높이기 위해서는 레이저에서 방출되는 레이저 빔의 광 스폿(light spot)의 크기를 매우 작게(예를 들어, 1㎛ 이하) 형성할 필요가 있다. 또한, 레이저 장치 자체의 크기를 소형화할 필요도 있다. 그러나, 지금까지 제안된 구조의 레이저는 그의 회절 한계로 인해 광 스폿의 크기를 작게 만드는 데 한계가 있다. 이에 따라, 레이저의 회절 한계를 극복할 수 있는 새로운 구조의 레이저를 개발하기 위한 노력이 증가하고 있다.
레이저의 회절 한계를 넘는 작은 광 스폿을 갖는 레이저 빔을 출력할 수 있는 표면 플라즈몬 밴드-에지 레이저를 제공한다.
본 발명의 일 유형에 따른 표면 플라즈몬 밴드-에지 레이저는, 금속층; 및 상기 금속층 위에 배치된 것으로서 주기적인 구조를 갖는 이득 매질층;을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 이득 매질층은 양자점을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 금속층과 상기 이득 매질층 사이의 계면에서 표면 플라즈몬 공명에 의해 발생하는 표면 플라즈몬 광이 상기 이득 매질층의 주기적인 구조에 의해 증폭될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 주기적인 구조를 갖는 이득 매질층은 상기 주기적인 구조에 따라 결정되는 밴드-에지 조건을 가지며, 상기 표면 플라즈몬 광 중에서 상기 밴드-에지 조건을 만족하는 파장의 광이 증폭될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 양자점의 발광 파장과 상기 밴드-에지 조건을 만족하는 파장이 일치할 수 있다.
예를 들어, 상기 이득 매질층의 두께는 약 1nm~100nm일 수 있다.
상기 금속층의 재료는, 예컨대, 은(Ag) 또는 금(Au)을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 이득 매질층의 주기적인 구조는 다수의 나란한 막대 형태의 이득 매질들이 일정한 간격으로 배치된 구조를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 이득 매질층의 주기적인 구조는 상기 이득 매질층을 수직으로 완전히 또는 부분적으로 관통하는 다수의 개구들이 주기적인 형태로 배열된 구조를 포함할 수 있다.
상기 다수의 개구들의 배열 형태는, 예를 들어, 다수의 벌집(honeycomb) 형태, 다수의 삼각형 형태 또는 다수의 직사각형 형태를 포함할 수 있다.
상기 개구는 예를 들어 투명한 재료로 채워질 수 있다.
개시된 표면 플라즈몬 밴드-에지 레이저는 양자점으로 이루어진 주기적인 구조를 금속 표면 위에 형성하여 면 단위로 발진하는 표면 레이저(surface laser)로서, 기존의 회절 한계를 넘어 작은 광 스폿을 갖는 레이저 빔을 제공할 수 있다. 또한, 개시된 표면 플라즈몬 밴드-에지 레이저는 매우 얇은 면 두께를 갖기 때문에, 소형화하기 쉽고 광집적 회로에의 집적이 용이하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 플라즈몬 밴드-에지 레이저의 구조를 개략적으로 보이는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 표면 플라즈몬 밴드-에지 레이저의 이득 매질층의 주기적인 구조를 예시적으로 도시한다.
도 3은 도 2에 도시된 이득 매질층을 갖는 본 발명의 다른 실시예에 따른 표면 플라즈몬 밴드-에지 레이저의 구조를 개략적으로 도시한다.
도 4는 이득 매질의 1차원 주기적인 구조물에 의해 형성되는 1차원 밴드-에지 이득 증가(band-edge gain enhancement) 효과를 보이는 그래프이다.
도 5는 2차원 주기 구조를 갖는 이득 매질에 의해 형성되는 밴드 구조(band-structure)와 밴드-에지(band-edge)를 보이는 그래프이다.
도 6은 이득 매질의 한 예로서 양자점의 예시적인 발광 특성을 보이는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 플라즈몬 밴드-에지 레이저의 발광 특성을 보이는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 표면 플라즈몬 밴드-에지 레이저에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 플라즈몬 밴드-에지 레이저(10)의 구조를 개략적으로 보이는 사시도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 플라즈몬 밴드-에지 레이저(10)는 금속층(11), 및 상기 금속층(11) 위에 배치된 주기적인 구조를 갖는 이득 매질층(12)을 포함할 수 있다.
후에 더욱 상세하게 설명하겠지만, 금속층(11)은 이득 매질층(12)과의 계면에서 표면 플라즈몬 공명을 일으키기 위한 것이다. 이를 위해, 금속층(11)은 예를 들어 은(Ag)이나 금(Au)과 같이 표면 플라즈몬 공명을 일으키기 쉬운 재료로 이루어질 수 있다. 그 외에도 구리(Cu), 납(Pb), 인듐(In), 주석(Sn), 카드뮨(Cd) 등과 같은 금속을 금속층(11)으로서 사용할 수도 있다.
이득 매질층(12)은 광을 유도방출(stimulated emission)시키고 증폭시키기 위한 층으로서, 예를 들어 다수의 양자점(quantum dot)들로 이루어질 수 있다. 양자점은 보어(Bohr) 엑시톤 반경보다 더 작은 크기인 수 나노미터의 크기의 결정 구조를 가진 반도체 재료이다. 양자점 내에는 많은 수의 전자들이 존재하지만, 그 중에서 자유 전자의 수는 1 내지 100개 정도로 제한될 수 있다. 그 결과, 양자점 내의 전자들이 가지는 에너지 준위가 불연속적으로 된다. 이로 인해, 양자점은 연속적인 밴드를 형성하는 벌크(bulk) 상태의 반도체와는 다른 전기적 및 광학적 특성을 갖는다. 예를 들어, 양자점은 그 크기에 따라 에너지 준위가 달라지기 때문에 단순히 크기를 바꾸어 줌으로써 밴드갭을 조절할 수 있다. 즉, 양자점은 크기의 조절만으로도 발광 파장을 용이하게 조절할 수 있다. 또한, 양자점은 높은 이득을 갖기 때문에, 금속층(11)으로 인해 비교적 큰 광손실이 발생하더라도 레이저 발진을 가능하게 할 수 있다. 즉, 고효율의 이득을 갖는 양자점을 이득 매질층(12)으로서 사용할 경우, 양자점에 의한 이득이 금속층(11)에 의한 손실을 상회하여 광 증폭이 가능하게 된다.
이득 매질층(12)은 빛이 특정한 에너지대에만 존재하는 밴드 구조를 갖기 위하여 주기적인 반복 구조로 형성될 수 있다. 도 1에 예시적으로 도시된 바와 같이, 이득 매질층(12)은 다수의 나란한 막대 형태의 이득 매질들이 일정한 간격으로 배치된 구조를 가질 수 있다. 그러나, 이득 매질층(12)의 주기적인 구조가 이에 한정되는 것은 아니다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이득 매질층(13)의 주기적인 구조를 예시적으로 도시하고 있으며, 도 3은 도 2에 도시된 이득 매질층(13)을 갖는 본 발명의 다른 실시예에 따른 표면 플라즈몬 밴드-에지 레이저(20)의 구조를 개략적으로 도시하고 있다. 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 이득 매질층(13)의 주기적인 구조는 상기 이득 매질층(13)을 수직 방향으로 완전히 관통하거나 또는 부분적으로 관통하는 다수의 개구(14)들이 주기적인 형태로 배열된 구조를 가질 수도 있다. 도 2에는 다수의 개구(14)들이 다수의 벌집(honeycomb) 형태로 배열된 경우가 도시되어 있다. 그러나, 개구(14)들의 배열 형태는 이에 한정되는 것이 아니며, 예를 들어 다수의 삼각형 형태나 다수의 직사각형 형태와 같은 다양한 다각형 구조 또는 이들의 복합 구조로 개구(14)들이 배열될 수도 있다. 개구(14)들의 배열 형태는 전체적으로 주기적인 반복 구조를 갖기만 한다면 발진 파장에 따라 다양하게 설계될 수 있다. 또한, 상기 개구(14)는 공기(air) 등을 포함하는 투명한 유전체 재료로 채워져 있을 수도 있다.
이하에서는, 상술한 구조를 갖는 표면 플라즈몬 밴드-에지 레이저(10, 20)의 동작에 대해 상세하게 설명한다.
먼저, 표면 플라즈몬 밴드-에지 레이저(10, 20)의 이득 매질층(12, 13)을 향해 여기광(excitation light)을 입사시킨다. 여기광은 표면 플라즈몬 밴드-에지 레이저(10, 20)의 발진 파장보다 짧은 파장을 가질 수 있다. 예를 들어, 표면 플라즈몬 밴드-에지 레이저(10, 20)의 발진 파장이 청색 영역의 파장으로 설계된 경우, 여기광은 자외선 영역의 파장을 가질 수 있다. 또한, 표면 플라즈몬 밴드-에지 레이저(10, 20)의 발진 파장이 적색 영역의 파장으로 설계된 경우, 여기광은 청색 영역의 파장을 가질 수 있다. 그러면, 여기광에 의해 예를 들어 양자점들로 이루어진 이득 매질층(12, 13)이 여기되어 특정 파장의 광을 발생시킨다. 여기서, 이득 매질층(12, 13)에서 발생하는 광의 파장은 표면 플라즈몬 밴드-에지 레이저(10, 20)의 발진 파장과 같을 수 있다.
그런 후, 이득 매질층(12, 13)에서 발생한 광은 상기 이득 매질층(12, 13)과 금속층(11)의 계면에서 표면 플라즈몬 공명(surface plasmon resonance)을 일으킨다. 표면 플라즈몬이란 금속막과 유전체의 계면에서 발생하는 표면 전자기파(즉, 광)이다. 표면 플라즈몬은, 금속막에 특정 파장의 빛이 입사할 때, 금속막의 표면에서 일어나는 전자들의 집단적인 진동(charge density oscillation)에 의해 발생하는 것으로 알려져 있다. 표면 플라즈몬 공명에 의해 발생하는 광은 세기가 매우 강하지만 유효 거리가 짧은 소산파(evanescent wave)이다. 표면 플라즈몬 공명을 일으키기 위한 빛의 파장은 예를 들어 금속막의 재료 및 유전체의 굴절률 등에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 이득 매질층(12, 13)의 굴절률과 금속층(11)의 재료는 상기 이득 매질층(12, 13)에서 발생한 광의 파장에 의해 표면 플라즈몬 공명이 일어나도록 선택될 수 있다.
한편, 앞서 설명한 바와 같이, 이득 매질층(12, 13)이 주기적인 반복 구조로 형성되는 경우, 빛이 특정한 에너지대에만 존재하는 밴드 구조를 가질 수 있다. 그러면, 밴드 구조의 브릴루앙 영역(Brillouin zone)이 끝나는 밴드-에지(band-edge)에서, 빛의 군속도(group velocity)가 크게 감소하면서 이득 매질층(12,13)의 반복적인 구조물 내에 빛이 긴 시간 동안 갇히게 될 수 있다. 따라서, 광학적인 관점에서는, 구조물의 유효 길이(effective length)가 무한히 늘어나는 것으로 보일 수 있다. 구조물 내에 빛이 머무는 동안, 이득 매질층(12,13)에서는 계속해서 빛이 발생하기 때문에 구조물 내에 머무는 빛이 축적되어 증가한다. 따라서, 표면 플라즈몬 밴드-에지 레이저(10, 20)의 이득이 증가하게 된다. 이러한 현상을 통상적으로 밴드-에지 이득 증가(band-edge gain enhancement)라고 부른다.
도 4는 이득 매질(12, 13)의 1차원 주기적인 구조물(예를 들어, 도 1에 도시된 주기 구조)에 의해 형성되는 밴드-에지 이득 증가(band-edge gain enhancement) 효과를 보이는 그래프이다. 도 4에서 세로축은 군속도(VG)와 이득(G)의 비(VG/G)를 나타내며, 가로축은 α를 나타낸다. 여기서, α는 1차원 주기 구조가 각각 a(굴절률 n1)와 b(굴절률 n2)의 길이로 반복적으로 이루어져 있을 때, α = (aㆍn1)/λ = (bㆍn2)/λ로 정의될 수 있다. 도 4의 그래프를 참조하면, 밴드-에지에서 VG/G가 0에 가깝게 됨을 알 수 있다. 이는 군속도가 0에 가까워지고 이득이 크게 증가한다는 것을 의미할 수 있다.
또한, 도 5는 예를 들어, 도 2 및 도 3에 도시된 벌집 구조의 개구(14)들을 갖는 이득 매질층(13)과 같이 2차원 주기 구조를 갖는 이득 매질에 의해 형성되는 밴드 구조(band-structure)와 밴드-에지(band-edge)를 보이는 그래프이다. 도 5에서 세로축은 2차원 주기 구조의 격자 상수 a에 의해 정규화된 주파수(a/λ)를 나타낸다. 또한, 도 5에서 가로축은 2차원 주기 구조 내의 정육각형 형태의 단위 셀의 중심(Γ)으로부터 상기 정육각형 형태의 단위 셀의 한 변의 중심(M)까지의 파동 벡터(wavevector)를 나타낸다. 도 5에 도시된 바와 같이, 2차원 주기 구조의 경우에는 1차원 주기 구조보다 훨씬 복잡한 밴드 구조가 형성된다. 도 5에 표시된 다수의 그래프에서 접선의 경사(dw/dk)가 0이 되는 곳(즉, 그래프가 가로축에 거의 평행하게 되는 곳)에서 군속도가 0에 가까워진다. 예를 들어, 중심점(Γ)에서 a/λ이 대략 0.16, 0.33일 때 군속도가 0에 가깝다. 이 경우, 정육각형 형태의 단위 셀들의 중심(Γ)을 지나는 광에 대해 a/λ = 0.16 또는 0.33이 되도록 선택된다면, 이득이 크게 증가할 수 있다.
도 4 및 도 5의 그래프를 통해 알 수 있듯이, 밴드-에지 이득 증가는 이득 매질층(12, 13)의 주기적인 구조의 형태에 따라 특정한 파장에서만 나타나게 된다. 이득 매질층(12, 13)의 주기적인 구조의 형태에 따라 밴드 구조가 달라지기 때문에, 밴드-에지 이득 증가를 일으키기 위한 밴드-에지 조건은 이득 매질층(12, 13)의 주기적인 구조의 형태에 따라 결정될 수 있다. 따라서, 표면 플라즈몬 밴드-에지 레이저(10, 20)의 발진 파장이 상기 이득 매질층(12, 13)의 주기적인 구조의 형태에 따라 결정되는 밴드-에지 조건을 만족시킬 수 있도록, 이득 매질층(12, 13)의 주기적인 구조가 설계될 수 있다. 또한, 이득 매질층(12, 13)의 양자점에서 발생하는 광의 파장과 상기 밴드-에지 조건을 만족하는 파장이 일치하도록, 양자점의 크기 및 재료가 선택될 수 있다.
그러면, 이득 매질층(12, 13)과 금속층(11)의 계면에서 표면 플라즈몬 공명에 의해 발생한 표면 플라즈몬 광 중에서, 상기 밴드-에지 조건을 만족하는 파장의 광이 상기 이득 매질층(12, 13)의 주기적인 구조에 의해 증폭될 수 있다. 이득 매질층(12, 13)의 양자점에서 발생하는 광의 파장과 밴드-에지 조건을 만족하는 파장이 일치할 경우, 표면 플라즈몬 광 중에서 밴드-에지 조건을 만족하는 파장의 광이 증가하게 된다. 따라서 손실되는 광을 줄이고 표면 플라즈몬 밴드-에지 레이저(10, 20)의 효율을 증가시킬 수 있다. 증폭된 표면 플라즈몬 광은 레이저 광으로서 표면 플라즈몬 밴드-에지 레이저(10, 20)의 상부 표면을 통해 방출될 수 있다. 예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같이 이득 매질층(12, 13) 내의 양자점들이 약 600nm를 중심 파장으로 하는 비교적 넓은 대역의 스펙트럼을 갖는 경우, 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 플라즈몬 밴드-에지 레이저(10, 20)는, 도 7에 도시된 바와 같이, 역시 약 600nm를 중심 파장으로 하는 매우 좁은 대역의 파장을 갖는 광을 방출할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 플라즈몬 밴드-에지 레이저(10, 20)는 유효 거리가 매우 짧은 표면 플라즈몬 광을 증폭시키기 때문에, 이득 매질층(12, 13)의 두께를 두껍게 형성할 필요가 없다. 예를 들어, 상기 이득 매질층(12, 13)은 약 1nm~100nm의 두께로 형성될 수 있다. 이득 매질층(12, 13)을 이렇게 얇게 형성할 경우, 순수한 표면 플라즈몬 광만이 증폭될 수 있기 때문에 다른 광에 의한 노이즈가 발생하지 않을 수 있다. 또한, 표면 플라즈몬 밴드-에지 레이저(10, 20)를 소형화 및 박막화하는 것이 가능하다. 따라서, 표면 플라즈몬 밴드-에지 레이저(10, 20)를 광집적 회로에 집적하는 것이 용이하다. 더욱이, 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 플라즈몬 밴드-에지 레이저(10, 20)는 금속층(11)이 기판의 역할을 할 수 있기 때문에, 광집적 회로에의 집적이 더욱 용이할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 플라즈몬 밴드-에지 레이저(10, 20)는 면 단위로 발진하여 상부 표면을 통해 광을 방출하기 때문에, 기존의 회절 한계를 넘어 작은 광 스폿을 갖는 레이저 빔을 제공할 수 있다.
지금까지, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 표면 플라즈몬 밴드-에지 레이저에 대한 예시적인 실시예가 설명되고 첨부된 도면에 도시되었다. 그러나, 이러한 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이고 이를 제한하지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 그리고 본 발명은 도시되고 설명된 설명에 국한되지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 이는 다양한 다른 변형이 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일어날 수 있기 때문이다.
10, 20.....표면 플라즈몬 밴드-에지 레이저
11.....금속층 12, 13.....이득 매질층
14.....개구

Claims (11)

  1. 금속층; 및
    상기 금속층 위에 배치된 것으로서, 주기적인 구조를 갖는 이득 매질층;을 포함하는 표면 플라즈몬 밴드-에지 레이저.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 이득 매질층은 양자점을 포함하는 표면 플라즈몬 밴드-에지 레이저.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속층과 상기 이득 매질층 사이의 계면에서 표면 플라즈몬 공명에 의해 발생하는 표면 플라즈몬 광이 상기 이득 매질층의 주기적인 구조에 의해 증폭되는 표면 플라즈몬 공명표면 플라즈몬 밴드-에지 레이저.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 주기적인 구조를 갖는 이득 매질층은 상기 주기적인 구조에 따라 결정되는 밴드-에지 조건을 가지며, 상기 표면 플라즈몬 광 중에서 상기 밴드-에지 조건을 만족하는 파장의 광이 증폭되는 표면 플라즈몬 밴드-에지 레이저.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 이득 매질층은 양자점을 포함하며, 상기 양자점의 발광 파장과 상기 밴드-에지 조건을 만족하는 파장이 일치하는 표면 플라즈몬 밴드-에지 레이저.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 이득 매질층의 두께는 1nm~100nm인 표면 플라즈몬 밴드-에지 레이저.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속층의 재료는 은(Ag) 또는 금(Au)을 포함하는 표면 플라즈몬 밴드-에지 레이저.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 이득 매질층의 주기적인 구조는 다수의 나란한 막대 형태의 이득 매질들이 일정한 간격으로 배치된 구조를 포함하는 표면 플라즈몬 밴드-에지 레이저.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 이득 매질층의 주기적인 구조는 상기 이득 매질층을 수직으로 완전히 또는 부분적으로 관통하는 다수의 개구들이 주기적인 형태로 배열된 구조를 포함하는 표면 플라즈몬 밴드-에지 레이저.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 다수의 개구들의 배열 형태는 다수의 벌집(honeycomb) 형태, 다수의 삼각형 형태 또는 다수의 직사각형 형태를 포함하는 표면 플라즈몬 밴드-에지 레이저.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 개구가 투명한 재료로 채워져 있는 표면 플라즈몬 밴드-에지 레이저.
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