KR20140075410A - 표면 플라즈몬 광 도파로 - Google Patents

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Abstract

표면 플라즈몬 광 도파로가 제공된다. 표면 플라즈몬 광 도파로는 하부 클래드, 상기 하부 클래드 상의 금속 박막, 상기 금속 박막의 일면 상에 서로 이격되어 배치된 저유전막들, 및 상기 저유전막들 사이의 상기 금속 박막 영역 및 상기 저유전막들을 덮는 상부 클래드를 포함하되, 상기 저유전막들의 굴절률은 상기 하부 및 상부 클래드들의 굴절률보다 작다.

Description

표면 플라즈몬 광 도파로{Surface Plasmon Optical Waveguide}
본 발명은 광 도파로에 관한 것으로서, 보다 상세하게 표면 플라즈몬 광 도파로에 관한 것이다.
표면 플라즈몬(surface plasmon)은 유전상수의 실수항이 서로 반대의 부호를 가지는 물질들 간의 경계면을 따라 진행하는 전하밀도의 진동파이다. 유전상수 실수항이 네거티브(-) 값을 갖는 금속과 포지티브(+) 값을 갖는 유전체의 경계에서 쉽게 형성되며, 고속으로 가속된 전자나 광파에 의하여 여기될 수 있다.
표면 플라즈몬과 결합하여 진행하는 전자기파를 표면 플라즈몬 폴라리톤(Surface Plasmon Polariton; SPP)이라고 한다. 표면 플라즈몬에 의한 전자기파의 파수벡터는 주변물질 내에서의 파수벡터 보다 크기 때문에 표면 플라즈몬 폴라리톤은 금속표면에 속박되어 전파된다. 표면 플라즈몬 폴라리톤은 금속 표면에 대해 수직한 TM 편광 특성을 가지며, 필드는 금속과 유전체의 경계면에서 가장 큰 값을 가지고 경계면에서 멀어짐에 따라 금속과 유전체 내부에서 지수적으로 감소한다. 따라서, 금속과 유전체의 경계면은 경계면에 대해 수직 방향으로 속박(confinement) 조건을 가지는 평면 광 도파로로 이용 가능하다.
표면 플라즈몬 폴라리톤 도파로는 일반적으로 매우 큰 전송손실을 가지므로 수십 내지 수백 ㎛ 이상 길이의 실용적 수준의 광 회로 구성에 활용하기 어려운 문제점이 존재한다. 한편, 금속 코어의 두께가 동작 파장에 대한 표면 깊이(skin depth) 수준 또는 그 이하로 얇아질 경우, 금속 양쪽 표면에서 발생된 표면 플라즈몬이 상호 결합함에 따라 손실이 매우 낮아져 수 mm 내지 수십 cm의 전송이 가능한 장거리 표면 플라즈몬 폴라리톤(Long-Range SPP; LRSPP) 모드를 형성한다. LRSPP의 모드 프로파일(mode profile)은 금속 내부보다 금속 박막 주변의 유전체에 넓고 강하게 분포하여 광의 진행손실이 작으며, 광섬유와의 결합특성도 좋은 장점을 가지고 있어, 다양한 광 소자 분야에 응용될 수 있다.
본원 발명이 해결하고자 하는 과제는 전송손실이 낮은 LRSPP 광 도파로가 갖는 약한 모드 가둠(mode confinement) 효과를 향상시켜, LRSPP 광 도파로에 기반한 광회로의 집적도를 개선시킬 수 있는 광 도파로를 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 광 도파로는 하부 클래드, 상기 하부 클래드 상의 금속 박막, 상기 금속 박막의 일면 상에 서로 이격되어 배치된 저유전막들, 및 상기 저유전막들 사이의 상기 금속 박막 영역 및 상기 저유전막들을 덮는 상부 클래드를 포함하되, 상기 저유전막들의 굴절률은 상기 하부 및 상부 클래드들의 굴절률보다 작다.
일 실시예에 따르면, 상기 상부 클래드와 상기 저유전막들 간의 굴절률 차이는 약 0.005 내지 0.2일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 저유전막들의 두께는 상기 금속 박막의 두께보다 클 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 저유전막들 간의 간격은 상기 저유전막들의 두께보다 클 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 저유전막들 간의 간격은 상기 저유전막들의 두께의 10배 내지 100배일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 저유전막들 사이에서 상기 금속 박막과 상기 상부 클래드가 인접하는 영역을 따라 LRSPP 모드를 형성하여 빛이 도파될 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 상기 저유전막들은 상기 금속 박막의 상부면에 서로 이격되어 배치된 제 1 내지 제 3 저유전막들을 포함하되, 상기 제 1 저유전막과 상기 제 2 저유전막 간의 간격이 상기 제 2 저유전막과 상기 제 3 저유전막 간의 간격과 실질적으로 동일할 수 있다.
또 다른 실시예에 따르면, 상기 저유전막들은 상기 금속 박막의 상부면에 서로 이격되어 배치된 제 1 내지 제 3 저유전막들을 포함하되, 상기 제 1 저유전막과 상기 제 2 저유전막 간의 간격이 상기 제 2 저유전막과 상기 제 3 저유전막 간의 간격과 다를 수 있다.
또 다른 실시예에 따르면, 상기 저유전막들은 상기 금속 박막의 상부면에 서로 이격되어 배치된 상부 저유전막들 및 상기 금속 박막의 하부면에 서로 이격되어 배치된 하부 저유전막들을 포함한다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 낮은 전송손실을 유지하면서도 모드 가둠 효과가 개선된 LRSPP 모드의 광 도파로를 구현할 수 있다. 또한, 표면 플라즈몬 광 도파로의 금속 박막에 대한 패터닝 공정이 요구되지 않으므로, 광 도파로의 제작이 용이할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 도파로의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 도파로의 단면도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 도파로의 단면도들이다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광 도파로의 단면도들이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광 도파로의 단면도들이다.
도 6 및 도 7은 서로 다른 조건에 대해서 계산된 본 발명의 일 실시예에 따른 광 도파로의 광 출력 분포를 나타낸다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자에 대해 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 표면 플라즈몬 광 도파로에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 도파로의 사시도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 도파로의 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 표면 플라즈몬 광 도파로는 하부 및 상부 클래드들(110, 120)과, 이들 사이의 금속 박막(130) 및 금속 박막(130)의 상부면에 서로 이격되어 배치된 저유전막들(141, 142)을 포함한다.
하부 및 상부 클래드들(110, 120)은 제 1 굴절률(refractive index)을 갖는 유전체 물질로 형성될 수 있다. 하부 및 상부 클래드들(110, 120)은 실리카, 실리콘 또는 화합물 반도체와 같은 무기물 소재를 포함할 수 있다. 또는, 하부 및 상부 클래드들(110, 120)은 폴리머 등과 같은 유기물소재 또는 유무기 복합 소재를 포함할 수 있다. 하부 및 상부 클래드들(110, 120)은 서로 동일한 유전체 물질이거나, 서로 다른 유전체 물질로 이루어질 수 있다. 이 실시예에 따르면, 상부 클래드(120)는 저유전막들(141, 142) 사이를 채울 수 있으며, 저유전막들(141, 142) 사이의 금속 박막(130) 및 저유전막들(141, 142)의 상부면과 접촉될 수 있다.
금속 박막(130)은 금, 은, 알루미늄, 구리, 텅스텐, 불순물이 도핑된 실리콘, 금속실리사이드, 전도성 산화물, 그래핀, 및 칼코게나이드(chalcogenide) 원소를 포함하는 결정성 합금 중에 적어도 하나로 형성될 수 있다.
저유전막들(141, 142)은 하부 및 상부 클래드들(110, 120)의 제 1 굴절률보다 작은 제 2 굴절률을 갖는 유전체 물질로 형성될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 저유전막들(141, 142)과 하부 및 상부 클래드들(110, 120) 간의 귤절률 차이가 약 0.005 내지 0.2일 수 있다. 서로 이격된 저유전막들(141, 142)은 서로 동일한 유전체 물질이거나, 서로 다른 유전체 물질로 이루어질 수 있다. 저유전막들(141, 142)은 실리카, 실리콘 또는 화합물 반도체와 같은 무기물 소재를 포함할 수 있다. 또는, 저유전막들(141, 142)은 폴리머 등과 같은 유기물소재 또는 유무기 복합 소재를 포함할 수 있다. 저유전막들(141, 142)은 LRSPP 모드의 광 집속도를 향상시킬 수 있도록 금속 박막(130) 주변의 유효 굴절률을 변화시키는 역할을 한다.
실시예들에 따르면, 얇은 금속 박막(130) 및 금속 박막(130) 주변의 굴절률 분포에 의해 LRSPP 모드의 광 도파로가 형성될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 표면 플라즈몬 광 도파로에 전달된 빛은 저유전막들(141, 142) 사이에서 금속 박막(130)과 상부 클래드(120)가 인접하는 영역(상기 실시예에 따른 표면 플라즈몬 광 도파로의 유효 코어 영역)을 따라 LRSPP 모드를 형성하여 도파될 수 있다. 여기서, 빛은 광 도파로를 구성하는 물질과 광 도파로의 사용 목적에 따라 다양한 파장대역의 전자기파가 활용될 수 있다. 즉, 빛은 가시광선, 적외선, 근적외선, 원적외선 등이 적용될 수 있다. 또한, 하부 및 상부 클래드(110, 120)들과 저유전막들(141, 142) 간의 굴절률 차이, 금속 박막(130)의 두께(t), 저유전막들(141, 142)의 두께(h), 및 저유전막들(141, 142) 간의 간격(w)에 따라 LRSPP 모드의 전파 특성이 변화될 수 있다.
상세하게, 하부 및 상부 클래드(110, 120)와 저유전막들(141, 142) 간의 굴절률 차이가 작고, 저유전막들(141, 142)의 높이(h)와 저유전막들(141, 142) 간의 간격(W)이 작은 경우, 유효 코어 영역에 대한 횡 방향 모드 가둠 효과가 미약해져 금속 박막(130) 전체로 모드가 퍼지는 현상이 발생할 수 있다. 저유전막들(141, 142)의 높이(h)보다 저유전막들(141, 142) 간의 간격(W)이 큰 광 도파로를 형성할 경우, LRSPP 모드가 유효 코어 영역에 구속되는 세기가 커져 모드 가둠 효과를 향상시킬 수 있다. 한편, 저유전막들(141, 142)의 높이(h)가 광 도파로 내에서의 모드 파장 길이보다 훨씬 크고, 저유전막들(141, 142) 간의 간격(W)이 작을 경우, 금속 박막(130) 내 전기장의 분포가 상부와 하부에서 비대칭성이 커져 LRSPP 모드가 형성되기 어려운 조건이 발생된다. 따라서, 저유전막들(141, 142)의 높이(h)가 모드 파장 길이보다 작거나 비슷한 것이 바람직하며, 저유전막들(141, 142) 간의 간격(W)이 저유전막들(141, 142)의 높이(h)보다 큰 것이 바람직하다. 또한, 금속 박막(130)의 두께(t)가 주어진 파장에서 금속의 표면 깊이와 비슷하거나 그 이상으로 두꺼운 경우, 모드 가둠 효과는 향상될 수 있으나 전송 손실이 크게 증가할 수 있다. 따라서, 금속 박막(130)의 두께가 표면 깊이보다 작은 것이 바람직하다.
일 실시예에 따르면, 하부 및 상부 클래드(110, 120)와 저유전막들(141, 142) 간의 굴절률 차이는 약 0.005 내지 0.2일 수 있다. 예를 들어, 하부 및 상부 클래드(110, 120)의 굴절률은 약 1.45일 수 있으며, 저유전막들(141, 142)의 굴절률은 약 1.44일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 저유전막들(141, 142)의 두께(h)는 금속 박막(130)의 두께(t)보다 클 수 있다. 예를 들어, 금속 박막(130)의 두께(t)는 약 5nm 내지 20nm일 수 있으며, 저유전막들(141, 142)의 두께(h)는 0.1㎛ 내지 2.0㎛일 수 있다. 일반적으로 금속 박막의 두께가 수십 nm 이하로 매우 얇아질 경우, 금속 박막 공정의 특성으로 인해 박막 두께의 불균일도가 크게 증가하게 되며, 수 nm 정도의 두께에서는 금속 층이 연속적인 박막 형태로 형성되기 보다 불연속적인 섬(island)들이 분포된 형태로 형성되기도 한다. 따라서 앞서 언급한 금속 박막(130)에 대한 두께의 개념은 필요에 따라서 불균일한 금속 박막의 평균적 효과에 해당하는 유효 두께의 개념으로 대체될 수 있다.
또한, 일 실시예에 따르면, 저유전막들(141, 142) 간의 간격(W)은 상기 저유전막들(141, 142)의 두께보다 클 수 있다. 저유전막들(141, 142) 간의 간격(W)은 저유전막들(141, 142)의 두께(h)의 약 10배 내지 100배일 수 있다. 예를 들어, 저유전막들(141, 142) 간의 간격(W)은 약 1㎛ 내지 20㎛일 수 있다.
이와 같이 형성된 표면 플라즈몬 광 도파로는 모드 가둠 효과를 향상시키고, 모드 크기를 줄일 수 있다. 또한, 실시예들에 따른 표면 플라즈몬 광 도파로는 금속 박막(130)에 대한 패터닝 공정 없이, 저유전막들(141, 142)에 대한 패터닝 공정만으로 2차원 모드를 구현할 수 있으므로, 광 도파로의 제작이 단순해질 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 도파로의 단면도들이다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 표면 플라즈몬 광도파로는 하부 및 상부 클래드들(110, 120)과, 이들 사이의 금속 박막(130) 및 금속 박막(130)의 상부면에 서로 이격되어 배치된 저유전막들(141, 142, 143)을 포함한다. 이 실시예에서, 저유전막들은 금속 박막(130)의 상부면에 서로 이격되어 배치된 제 1 내지 제 3 저유전막들(141, 142, 143)을 포함한다.
하부 및 상부 클래드들(110, 120)은 제 1 굴절률(refractive index)을 갖는 유전체 물질로 형성될 수 있다. 하부 및 상부 클래드들(110, 120)은 실리카, 실리콘 또는 화합물 반도체와 같은 무기물 소재를 포함할 수 있다. 또는, 하부 및 상부 클래드들(110, 120)은 폴리머 등과 같은 유기물소재 또는 유무기 복합 소재를 포함할 수 있다. 이 실시예에 따르면, 상부 클래드(120)는 제 1 및 제 2 저유전막들(141, 142)의 사이와 제 2 및 제 3 저유전막들(142, 143)의 사이의 금속 박막(130)과 접촉될 수 있다.
금속 박막(130)은 금, 은, 알루미늄, 구리, 텅스텐, 불순물이 도핑된 실리콘, 금속실리사이드, 전도성 산화물, 그래핀, 및 칼코게나이드 원소를 포함하는 결정성 합금 중에 적어도 하나로 형성될 수 있다.
제 1 내지 제 3 저유전막들(141, 142, 143)은 하부 및 상부 클래드들(110, 120)의 제 1 굴절률보다 작은 제 2 굴절률을 갖는 유전체 물질로 형성될 수 있다. 서로 이격된 제 1 내지 제 3 저유전막들(141, 142, 143)은 서로 동일한 유전체 물질이거나, 서로 다른 유전체 물질로 이루어질 수 있다. 제 1 내지 제 3 저유전막들(141, 142, 143)은 실리카, 실리콘 또는 화합물 반도체와 같은 무기물 소재를 포함할 수 있다. 또는, 제 1 내지 제 3 저유전막들(141, 142, 143)은 폴리머 등과 같은 유기물소재 또는 유무기 복합 소재를 포함할 수 있다. 제 1 내지 제 3 저유전막들(141, 142, 143)은 표면 플라즈몬 폴라리톤의 광 집속도를 향상시킬 수 있도록 금속 박막(130) 주변의 유효 굴절률을 변화시키는 역할을 한다.
일 실시예에 따르면, 제 1 내지 제 3 저유전막들(141, 142, 143)의 두께(h)는 금속 박막(130)의 두께(t)보다 클 수 있다. 예를 들어, 금속 박막(130)의 두께(t)는 약 5nm 내지 20nm일 수 있으며, 저유전막들(141, 142)의 두께(h)는 0.1㎛ 내지 2.0㎛일 수 있다.
또한, 일 실시예에 따르면, 제 1 및 제 2 저유전막들(141, 142) 간의 간격(W1)과, 제 2 및 제 3 저유전막들(141, 142) 간의 간격(W2)은 제 1 내지 제 3 저유전막들(141, 142, 143)의 두께(h)보다 클 수 있다. 이에 더하여, 제 1 및 제 2 저유전막들(141, 142) 간의 간격(W1)과 제 2 및 제 3 저유전막들(141, 142) 간의 간격(W2)은 도 3a에 도시된 것처럼, 실질적으로 동일할 수 있다. 이와 달리, 제 1 및 제 2 저유전막들(141, 142) 간의 간격(W1)과 제 2 및 제 3 저유전막들(141, 142) 간의 간격(W2)은 도 3b에 도시된 바와 같이, 서로 다를 수 있다.
이 실시예에 따르면, 표면 플라즈몬 광 도파로에 입사된 빛은 상기 제 1 저유전막(141)과 상기 제 2 저유전막(142) 사이에서 상기 금속 박막과 상기 상부 클래드(120)가 인접하는 제 1 영역과, 상기 제 2 저유전막(142)과 상기 제 3 저유전막(143) 사이에서 상기 금속 박막과 상기 상부 클래드(120)가 인접하는 제 2 영역을 따라 LRSPP 모드로 도파될 수 있다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광 도파로의 단면도들이다.
도 4a 내지 도 4c를 참조하면, 표면 플라즈몬 광도파로는 하부 및 상부 클래드들(110, 120)과, 이들 사이의 금속 박막(130) 및 금속 박막(130)의 상부면 및 하부면 각각에 서로 이격되어 배치된 저유전막들(141, 142, 151, 152)을 포함한다. 이 실시예에서, 저유전막들은 금속 박막(130)의 상부면에 서로 이격되어 배치된 상부 저유전막들(141, 142) 및 금속 박막(130)의 하부면에 서로 이격되어 배치된 하부 저유전막들(151, 152)을 포함한다.
하부 및 상부 클래드들(110, 120)은 제 1 굴절률(refractive index)을 갖는 유전체 물질로 형성될 수 있다. 하부 및 상부 클래드들(110, 120)은 실리카, 실리콘 또는 화합물 반도체와 같은 무기물 소재를 포함할 수 있다. 또는, 하부 및 상부 클래드들(110, 120)은 폴리머 등과 같은 유기물소재 또는 유무기 복합 소재를 포함할 수 있다. 이 실시예에 따르면, 상부 클래드(120)는 상부 저유전막들(141, 142) 사이에서 금속 박막(130)의 상부면과 접촉될 수 있으며, 하부 클래드(11)는 하부 저유전막들(151, 152) 사이에서 금속 박막(130)의 하부면과 접촉될 수 있다.
금속 박막(130)은 금, 은, 알루미늄, 구리, 텅스텐, 불순물이 도핑된 실리콘, 금속실리사이드, 전도성 산화물, 그래핀, 및 칼코게나이드 원소를 포함하는 결정성 합금 중에 적어도 하나로 형성될 수 있다.
상부 및 하부 저유전막들(141, 142, 151, 152)은 하부 및 상부 클래드들(110, 120)의 제 1 굴절률보다 작은 제 2 굴절률을 갖는 유전체 물질로 형성될 수 있다. 상부 및 하부 저유전막들(141, 142)은 서로 동일한 유전체 물질이거나, 서로 다른 유전체 물질로 이루어질 수 있다. 상부 및 하부 저유전막들(141, 142, 151, 152)은 실리카, 실리콘 또는 화합물 반도체와 같은 무기물 소재를 포함할 수 있다. 또는, 상부 및 하부 저유전막들(141, 142, 151, 152)은 폴리머 등과 같은 유기물소재 또는 유무기 복합 소재를 포함할 수 있다. 상부 및 하부 저유전막들(141, 142)은 표면 플라즈몬 폴라리톤의 광 집속도를 향상시킬 수 있도록 금속 박막(130) 주변의 유효 굴절률을 변화시키는 역할을 한다.
도 4a 내지 도 4c를 참조하면, 상부 및 하부 저유전막들(141, 142, 151, 152)은 금속 박막(130)보다 두꺼울 수 있다. 상부 저유전막들(141, 142) 간의 간격은 상부 저유전막들(141, 142)의 두께보다 클 수 있으며, 하부 저유전막들(151, 152) 간의 간격은 하부 저유전막들(151, 152)의 두께보다 클 수 있다.
도 4a 및 도 4c를 참조하면, 상부 및 하부 저유전막들(141, 142, 151, 152)은 동일한 두께를 가질 수 있다. 이와 달리, 도 4b를 참조하면, 상부 저유전막들(141, 142)의 두께와 하부 저유전막들(141, 142)의 두께가 서로 다를 수도 있다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 상부 저유전막들(141, 142) 간의 간격은 하부 저유전막들(141, 142) 간의 간격과 실질적으로 동일할 수 있다. 이와 달리, 도 4c를 참조하면, 상부 저유전막들(141, 142) 간의 간격(Wa)은 간격은 하부 저유전막들(151, 152)의 간격(Wb)과 다를 수 있다. 예를 들어, 도시된 바와 같이, 상부 저유전막들(141, 142) 간의 간격(Wa)이 하부 저유전막들(151, 152)의 간격(Wb)보다 클 수 있으며, 이 반대일 수도 있다. 도 4a 내지 도 4c에는 상부 저유전막들(141, 142) 간의 간격과 하부 저유전막들(151, 152) 간의 간격에 대해 서로 중심이 실질적으로 일치하는 경우만 도시하였지만, 상부 저유전막들(141, 142) 간의 간격과 하부 저유전막들(151, 152) 간의 간격이 서로 중심이 어긋나게 형성될 수도 있다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광 도파로의 단면도들이다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 표면 플라즈몬 광도파로는 하부 및 상부 클래드들(110, 120)과, 이들 사이의 금속 박막(130) 및 금속 박막(130)의 상부면 및 하부면 각각에 서로 이격되어 배치된 저유전막들(141, 142, 143, 151, 152, 153)을 포함한다. 이 실시예에서, 저유전막들은 금속 박막(130)의 상부면에 서로 이격되어 배치된 제 1 내지 제 3 상부 저유전막들(141, 142, 143) 및 금속 박막(130)의 하부면에 서로 이격되어 배치된 제 1 내지 제 3 하부 저유전막들(151, 152, 153)을 포함한다.
하부 및 상부 클래드들(110, 120)은 제 1 굴절률(refractive index)을 갖는 유전체 물질로 형성될 수 있다. 하부 및 상부 클래드들(110, 120)은 실리카, 실리콘 또는 화합물 반도체와 같은 무기물 소재를 포함할 수 있다. 또는, 하부 및 상부 클래드들(110, 120)은 폴리머 등과 같은 유기물소재 또는 유무기 복합 소재를 포함할 수 있다. 이 실시예에 따르면, 상부 클래드(120)는 제 1 및 제 2 상부 저유전막들(141, 142)의 사이와 제 2 및 제 3 상부 저유전막들(142, 143)의 사이의 금속 박막(130)과 접촉될 수 있다. 하부 클래드(110)는 제 1 및 제 2 하부 저유전막들(151, 152)의 사이와 제 2 및 제 3 하부 저유전막들(152, 153) 사이의 금속 박막(130)과 접촉될 수 있다.
금속 박막(130)은 금, 은, 알루미늄, 구리, 텅스텐, 불순물이 도핑된 실리콘, 금속실리사이드, 전도성 산화물, 그래핀 및 칼코게나이드 원소를 포함하는 결정성 합금 중에 적어도 하나로 형성될 수 있다.
상부 및 하부 저유전막들(141, 142, 143, 151, 152, 153)은 하부 및 상부 클래드들(110, 120)의 제 1 굴절률보다 작은 제 2 굴절률을 갖는 유전체 물질로 형성될 수 있다. 상부 및 하부 저유전막들(141, 142, 143, 151, 152, 153)은 서로 동일한 유전체 물질이거나, 서로 다른 유전체 물질로 이루어질 수 있다. 상부 및 하부 저유전막들(141, 142, 143, 151, 152, 153)은 실리카, 실리콘 또는 화합물 반도체와 같은 무기물 소재를 포함할 수 있다. 또는, 상부 및 하부 저유전막들(141, 142, 143, 151, 152, 153)은 폴리머 등과 같은 유기물소재 또는 유무기 복합 소재를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제 1 내지 제 3 상부 저유전막들(141, 142, 143) 및 제 1 내지 제 3 하부 저유전막들(151, 152, 153)의 두께는 금속 박막(130)의 두께(t)보다 클 수 있다. 예를 들어, 금속 박막(130)의 두께(t)는 약 5nm 내지 20nm일 수 있으며, 제 1 내지 제 3 상부 저유전막들(141, 142, 143) 및 제 1 내지 제 3 하부 저유전막들(151, 152, 153)의 두께(h)는 0.1㎛ 내지 2.0㎛일 수 있다.
이에 더하여, 제 1 내지 제 3 상부 저유전막들(141, 142, 143)의 두께와 제 1 내지 제 3 하부 저유전막들(151, 152, 153)의 두께는 실질적으로 동일할 수 있다. 이와 달리, 제 1 내지 제 3 상부 저유전막들(141, 142, 143)의 두께와 제 1 내지 제 3 하부 저유전막들(151, 152, 153)의 두께는 서로 다를 수도 있다.
또한, 일 실시예에 따르면, 제 1 및 제 2 상부 저유전막들(141, 142) 간의 간격(W1)과, 제 2 및 제 3 상부 저유전막들(142, 143)의 간격(W2)은 제 1 내지 제 3 상부 저유전막들(141, 142, 143)의 두께(h)보다 클 수 있다. 마찬가지로, 제 1 및 제 2 하부 저유전막들(151, 152) 간의 간격과, 제 2 및 제 3 하부 저유전막들(152, 153)의 간격(W2)은 제 1 내지 제 3 하부 저유전막들(151, 152, 153)의 두께(h)보다 클 수 있다.
나아가, 제 1 및 제 2 상부 저유전막들(141, 142) 간의 간격(W1)과 제 2 및 제 3 상부 저유전막들(142, 143)의 간격(W2)은 도 5a에 도시된 것처럼, 실질적으로 동일할 수 있다. 이와 달리, 제 1 및 제 2 상부 저유전막들(141, 142) 간의 간격(W1)과 제 2 및 제 3 상부 저유전막들(142, 143)의 간격(W2)은 도 5b에 도시된 바와 같이, 서로 다를 수 있다.
도 6 및 도 7은 서로 다른 조건에 대해서 계산된 본 발명의 일 실시예에 따른 광 도파로의 LRSPP 모드 광 출력 분포를 나타낸다.
광 출력의 분포 계산을 위해 1.55㎛의 파장을 고려하였으며, 굴절률 1.44의 유전체 물질로 이루어진 저유전막들과 굴절률 1.45의 유전체 물질로 이루어진 하부 및 상부 클래드들, 및 은으로 형성된 금속 박막을 포함하는 광 도파로를 가정하였다. 도 6은, 도 2에 도시된 실시예에서, 금속 박막(130)의 두께가 8nm, 저유전막들(141, 142)의 높이가 2㎛, 저유전막들(141, 142)의 간격이 20㎛인 광 도파로의 LRSPP 모드 광 출력 분포를 나타낸다. 도 7은, 도 2에 도시된 실시예에서, 금속 박막(130)의 두께가 8nm, 저유전막들(141, 142)의 높이가 0.5㎛, 저유전막들(141, 142)의 간격이 10㎛인 광 도파로의 LRSPP 모드 광 출력 분포를 나타낸다.
모드 계산 결과에 따르면, 저유전막들(141, 142)의 높이와 간격의 차이에도 불구하고 도 6 및 도 7 각각의 경우에 대한 모드 손실은 약 0.7 dB/cm와 0.6 dB/cm의 비슷한 값을 가지며, 1 dB/cm 이하의 매우 낮은 손실 값을 가지므로 실용적 수준의 광 회로 구성에 용이하게 활용될 수 있다.
모드 면적과 관련해서는 광 출력 밀도가 최대치의 1/e2 이상의 값을 갖는 영역을 기준으로 할 때, 도 6의 경우가 도 7의 경우에 비해 약 60% 정도의 크기를 가지며, 최대치 기준의 1% 이상의 값을 갖는 영역을 기준으로 비교할 경우 약 1/6 정도의 크기를 갖는다.
즉, 도 6 및 도 7을 비교하면, 저유전막들의 높이와 저유전막들 간의 간격의조절을 통해, 모드 손실에 큰 영향을 주지 않고도 LRSPP 모드를 유효 코어 영역에 보다 강하게 구속시키는 모드 가둠 효과의 향상을 얻을 수 있다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (18)

  1. 하부 클래드;
    상기 하부 클래드 상의 금속 박막;
    상기 금속 박막의 일면 상에 서로 이격되어 배치된 저유전막들; 및
    상기 저유전막들 사이의 상기 금속 박막 영역 및 상기 저유전막들을 덮는 상부 클래드를 포함하되,
    상기 저유전막들의 굴절률은 상기 하부 및 상부 클래드들의 굴절률보다 작은 표면 플라즈몬 광 도파로.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부 클래드와 상기 저유전막들 간의 굴절률 차이는 약 0.005 내지 0.2인 표면 플라즈몬 광 도파로.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 저유전막들의 두께는 상기 금속 박막의 두께보다 큰 표면 플라즈몬 광 도파로.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 저유전막들 간의 간격은 상기 저유전막들의 두께보다 큰 표면 플라즈몬 광 도파로.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 저유전막들 간의 간격은 상기 저유전막들의 두께의 10배 내지 100배인 표면 플라즈몬 광 도파로.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 박막의 두께는 5nm 내지 20nm인 표면 플라즈몬 광 도파로.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 저유전막들의 두께는 0.1㎛ 내지 2.0㎛인 표면 플라즈몬 광 도파로.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 저유전막들의 간격은 1㎛ 내지 20㎛인 표면 플라즈몬 광 도파로.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 저유전막들 사이에서 상기 금속 박막과 상기 상부 클래드가 인접하는 영역을 따라 장거리 표면 플라즈몬 폴라리톤(LRSPP) 모드를 형성하여 빛이 도파되는 표면 플라즈몬 광 도파로.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 저유전막들은 상기 금속 박막의 상부면에 서로 이격되어 배치된 제 1 내지 제 3 저유전막들을 포함하되,
    상기 제 1 저유전막과 상기 제 2 저유전막 간의 간격이 상기 제 2 저유전막과 상기 제 3 저유전막 간의 간격과 실질적으로 동일한 표면 플라즈몬 광 도파로.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 저유전막과 상기 제 2 저유전막 간의 간격은 상기 제 1 내지 제 3 저유전막들의 두께보다 큰 표면 플라즈몬 광 도파로.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 저유전막과 상기 제 2 저유전막 사이에서 상기 금속 박막과 상기 상부 클래드가 인접하는 제 1 영역과, 상기 제 2 저유전막과 상기 제 3 저유전막 사이에서 상기 금속 박막과 상기 상부 클래드가 인접하는 제 2 영역을 따라 장거리 표면 플라즈몬 폴라리톤(LRSPP) 모드를 형성하여 빛이 도파되는 표면 플라즈몬 광 도파로.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 저유전막들은 상기 금속 박막의 상부면에 서로 이격되어 배치된 제 1 내지 제 3 저유전막들을 포함하되,
    상기 제 1 저유전막과 상기 제 2 저유전막 간의 간격이 상기 제 2 저유전막과 상기 제 3 저유전막 간의 간격과 다른 표면 플라즈몬 광 도파로.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 저유전막과 상기 제 2 저유전막 간의 간격 및 상기 제 2 저유전막과 상기 제 3 저유전막 간의 간격은 상기 제 1 내지 제 3 저유전막들의 두께보다 큰 표면 플라즈몬 광 도파로.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 저유전막들은 상기 금속 박막의 상부면에 서로 이격되어 배치된 상부 저유전막들 및 상기 금속 박막의 하부면에 서로 이격되어 배치된 하부 저유전막들을 포함하는 표면 플라즈몬 광 도파로.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 상부 저유전막들 간의 간격은 상기 하부 저유전막들 간의 간격과 실질적으로 동일한 표면 플라즈몬 광 도파로.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 상부 저유전막들 간의 간격은 상기 하부 저유전막들 간의 간격과 다른 표면 플라즈몬 광 도파로.
  18. 제 15 항에 있어서,
    상기 상부 저유전막들 간의 간격은 상기 상부 저유전막들의 두께보다 크고, 상기 하부 저유전막들의 간격은 상기 하부 저유전막들의 두께보다 큰 표면 플라즈몬 광 도파로.
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