KR20150086098A - 광학 소자 및 광학 소자로부터의 광의 진행 방향을 제어하는 방법 - Google Patents

광학 소자 및 광학 소자로부터의 광의 진행 방향을 제어하는 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20150086098A
KR20150086098A KR1020140006267A KR20140006267A KR20150086098A KR 20150086098 A KR20150086098 A KR 20150086098A KR 1020140006267 A KR1020140006267 A KR 1020140006267A KR 20140006267 A KR20140006267 A KR 20140006267A KR 20150086098 A KR20150086098 A KR 20150086098A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
light
slot
light emitting
emitting source
emitted
Prior art date
Application number
KR1020140006267A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102122963B1 (ko
Inventor
천상모
이장원
김언정
김진은
노영근
박연상
백찬욱
이재숭
Original Assignee
삼성전자주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 삼성전자주식회사 filed Critical 삼성전자주식회사
Priority to KR1020140006267A priority Critical patent/KR102122963B1/ko
Priority to US15/112,303 priority patent/US10012824B2/en
Priority to PCT/KR2015/000345 priority patent/WO2015108318A1/en
Priority to CN201580008998.2A priority patent/CN106030369B/zh
Publication of KR20150086098A publication Critical patent/KR20150086098A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102122963B1 publication Critical patent/KR102122963B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B17/00—Systems with reflecting surfaces, with or without refracting elements
    • G02B17/004—Systems comprising a plurality of reflections between two or more surfaces, e.g. cells, resonators
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21K—NON-ELECTRIC LIGHT SOURCES USING LUMINESCENCE; LIGHT SOURCES USING ELECTROCHEMILUMINESCENCE; LIGHT SOURCES USING CHARGES OF COMBUSTIBLE MATERIAL; LIGHT SOURCES USING SEMICONDUCTOR DEVICES AS LIGHT-GENERATING ELEMENTS; LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21K9/00—Light sources using semiconductor devices as light-generating elements, e.g. using light-emitting diodes [LED] or lasers
    • F21K9/60—Optical arrangements integrated in the light source, e.g. for improving the colour rendering index or the light extraction
    • F21K9/64—Optical arrangements integrated in the light source, e.g. for improving the colour rendering index or the light extraction using wavelength conversion means distinct or spaced from the light-generating element, e.g. a remote phosphor layer
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/008—Surface plasmon devices

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
  • Optical Filters (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)
  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)

Abstract

광학 소자 및 광학 소자로부터의 광의 진행 방향을 제어하는 방법이 개시된다.
개시된 광학 소자는, 기판, 상기 기판 상의 금속층, 상기 금속층에 형성된 나노 사이즈의 제1 슬롯 및 상기 제1 슬롯에 구비된 적어도 하나의 발광원을 포함하고, 상기 발광원으로부터의 광이 상기 제1슬롯의 상부 방향으로 출광되거나 상기 제1슬롯의 하부 방향으로 출광되도록 한다.

Description

광학 소자 및 광학 소자로부터의 광의 진행 방향을 제어하는 방법{Optical device and method of controlling direction of light from optical device}
광학 소자 및 광학 소자로부터의 광의 진행방향을 제어하는 방법에 관한 것이다.
근래에 광을 이용하는 광학 소자들이 많이 개발되고 있다. 광학 소자들은 광을 이용하기 때문에 처리 속도가 빠른 이점이 있다. 그런데, 전자 소자(electrical device)는 그 크기가 수십-수백 나노미터 사이즈로 작아지고 있는 반면에, 광학 소자는 광의 회절한계 특성으로 인해 파장 이하의 크기를 가지기가 어려워, 광학 소자의 사이즈를 줄이는데 한계가 있다. 따라서, 광학 소자를 이용하여 집적된 광학적 회로를 만드는데 한계가 있다.
나노 사이즈의 광학 소자를 제공한다.
나노 사이즈의 광학 소자로부터의 광의 진행 방향을 제어하는 방법을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 광학 소자는,
기판;
상기 기판 상의 금속층;
상기 금속층에 형성된 나노 사이즈의 제1 슬롯; 및
상기 제1 슬롯에 구비된 적어도 하나의 발광원;을 포함하고,
상기 발광원으로부터의 광이 상기 제1슬롯의 상부 방향으로 출광되거나 상기 제1슬롯의 하부 방향으로 출광될 수 있다.
상기 제1슬롯은 두께, 길이, 폭을 가지는 육면체 형상을 가지고, 상기 두께, 길이, 폭 중 적어도 하나를 변경하여 상기 적어도 하나의 발광원으로부터 광의 공진 파장이 조절될 수 있다.
상기 제1슬롯의 두께, 길이, 폭 중 적어도 하나를 변경하여 상기 적어도 하나의 발광원으로부터 광의 발광 방향이 조절될 수 있다.
상기 제1슬롯은 100-500nm 범위의 두께, 100-300nm 범위의 길이, 10-80nm 범위의 폭을 가지는 육면체 형상을 가질 수 있다.
상기 발광원은 양자점(Quantum dot), 염료 분자(dye molecule), 또는 형광체(fluorescent substance)를 포함할 수 있다.
상기 금속층에 표면 플라즈몬이 생성될 수 있다.
상기 기판은 투명한 유전체로 형성될 수 있다.
상기 기판은 유리로 형성될 수 있다.
상기 제1슬롯으로부터 이격되어 적어도 하나의 제2슬롯이 더 구비될 수 있다.
상기 제2슬롯은 상기 제1슬롯에 대해 평행하게 배치되거나, 기울어지게 배치될 수 있다.
상기 적어도 하나의 발광원은 제1발광원과 제2발광원을 포함하고, 상기 제1발광원과 제2발광원은 서로 다른 파장의 광을 발광할 수 있다.
상기 제1발광원과 제2발광원 중 어느 하나로부터 나온 광이 상부로 발광되고, 나머지 다른 것으로부터 나온 광이 하부로 발광될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 광학 소자로부터의 광의 진행 방향을 제어하는 방법은,
기판 상의 금속층에 나노 사이즈의 슬롯을 형성하는 단계;
상기 슬롯에 적어도 하나의 발광원을 구비하는 단계; 및
상기 적어도 하나의 발광원으로부터의 광을 상기 슬롯의 사이즈를 조절하여 상기 제1슬롯의 상부 방향으로 발광시키거나 상기 슬롯의 하부 방향으로 발광시키는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 광학 소자는 나노 미터 사이즈로 제작 가능하며, 광학 소자로부터 출광된 광의 진행 방향을 제어할 수 있다. 또한, 하나의 공진 파장의 광이 상부 방향 또는 하부 방향으로 출광되도록 할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 광학 소자로부터 출광된 광의 진행 방향을 제어하는 방법은, 복수 개의 공진 파장의 광을 분리할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 광학 소자로부터의 광의 진행 방향을 제어하는 방법은 광학 소자의 형상, 사이즈 등을 변경하여 광의 진행 방향을 제어할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 소자를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 소자로부터의 광이 상부로 출광되는 것을 보인 것이다.
도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 소자로부터의 광이 하부로 출광되는 것을 보인 것이다.
도 3은 본 발명의 실시에에 따른 광학 소자의 슬롯의 길이에 따른 공진 파장의 변화를 슬롯의 두께 별로 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 광학 소자의 슬롯 길이와 두께에 따른 유리-슬롯 경계면에서 생기는 A 모드의 공진 파장의 변화를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 광학 소자의 슬롯 길이와 두께에 따른 공기-슬롯 경계면에서 생기는 G 모드의 공진 파장의 변화를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 소자의 A 모드와 G 모드에 대해 슬롯의 두께에 따른 공진 파장의 변화를 도시한 것이다.
도 7은 도 1에 도시된 광학 소자의 변형 예를 도시한 것이다.
도 8은 도 7에 도시된 광학 소자에서의 광의 출광 방향을 개략적으로 보인 것이다.
도 9는 도 1에 도시된 광학 소자의 다른 변형 예를 도시한 것이다.
도 10은 도 9에 도시된 광학 소자의 슬롯의 위치를 변경한 예를 도시한 것이다.
도 11은 도 9에 도시된 광학 소자의 슬롯의 위치를 변경한 예를 도시한 것이다.
도 12는 도 9에 도시된 광학 소자에서 발광원의 개수를 변경한 예를 도시한 것이다.
도 13 및 도 14는 본 발명의 실시예에 따른 광학 소자가 광 검출기에 적용된 예를 도시한 것이다.
도 15는 도 1에 도시된 광학 소자의 또 다른 변형예를 도시한 것이다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 광학 소자 및 광학 소자로부터의 광의 진행 방향을 제어하는 방법에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조번호는 동일한 구성 요소를 지칭하며, 각 구성 요소의 크기나 두께는 설명의 편의를 위해 과장되어 있을 수 있다. 한편, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 소자(100)를 도시한 것이다. 광학 소자(100)는 기판(110)과, 상기 기판(110) 상의 금속층(120) 및 상기 금속층(120)에 구비된 적어도 하나의 슬롯(130)을 포함한다.
상기 기판(110)은 유전체로 형성될 수 있다. 상기 기판(110)은 예를 들어, Al2O3 또는 SiO2로 형성될 수 있다. 상기 금속층(120)은 예를 들어, Ti, Au, Ag, Pt Cu, Al, Ni 및 Cr 으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나로 형성될 수 있다.
상기 슬롯(130)은 나노 사이즈를 가질 수 있다. 상기 슬롯(130)은 예를 들어, 두께(h), 폭(W), 길이(L)을 가지는 육면체 형상을 가질 수 있다.
상기 슬롯(130) 내부에 적어도 하나의 발광원(S)이 구비될 수 있다. 상기 발광원(S)은 점광원, 선광원 및 면광원 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 발광원(S)은 예를 들어 양자점(quantum dot), 염료 분자(dye molecule), 형광체(fluorescence material) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 발광원(S)은 자체적으로 광을 출사하는 광원 또는 외부로부터의 광에 의해 여기되는 광원을 포함할 수 있다. 예를 들어, 양자점에 레이저가 조사되면, 양자점이 여기되었다가 원상태로 돌아갈 때 광을 출사할 수 있다. 상기 발광원(S)이 들어 있는 슬롯(130)은 광학 소자의 공급부(feeder)로 동작할 수 있다.
한편, 상기 슬롯(130)의 사이즈를 조절하여 발광원(S)으로부터의 광을 공진시킬 수 있고, 광의 공진 파장을 조절할 수 있다. 예를 들어, 상기 슬롯(130)의 두께, 폭, 길이 중 적어도 하나를 변경하여 광의 공진 파장을 조절할 수 있다.
금속층(120)은 외부로부터 입사된 광에 의해 표면에 표면 플라즈몬을 발생시킬 수 있다. 그리고, 상기 금속층(120)에 생성된 표면 플라즈몬이 슬롯(130)과 커플링(coupling)을 일으켜 광으로 전환될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 광학 소자는 발광원(S)으로부터의 광을 전송하고, 금속층(120)에서 생성된 표면 플라즈몬을 전송할 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 광학 소자는 예를 들어 나노 안테나로서 동작할 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 발광원(S)으로부터의 광이 공진되어 출광된 광(L)의 프로파일을 개략적으로 도시한 것이다. 도 2a는 광(L)이 광학 소자(100)의 상부 방향으로 출광되는 것을 보인 것이고, 도 2b는 광(L)이 광학 소자(100)의 하부 방향으로 출광되는 것을 보인 것이다.
하나의 슬롯에서 두 개의 공진 파장이 존재할 수 있다. 두 개의 공진 파장 중 짧은 파장의 광이 슬롯의 하부 방향으로 발광하고, 긴 파장의 광이 슬롯의 상부 방향으로 발광할 수 있다. 이하에서, 슬롯의 상부 방향으로 발광하는 것을 A 모드라고 하고, 슬롯의 하부 방향으로 발광하는 것을 G 모드라고 한다.
예를 들어, A 모드의 광은 공기와 금속층 사이의 계면에서 공진하고, G 모드의 광은 금속층과 기판 사이의 계면에서 공진할 수 있다.
광의 출광 방향과 공진 파장은 슬롯(130)의 두께(h), 폭(W), 길이(L) 중 적어도 하나를 변경하여 조절할 수 있다.
도 3은 상기 슬롯(130)의 길이(L)에 따른 공진 파장의 변화를 도시한 것이다. A 모드 와 G 모드의 공진 파장은 슬롯의 길이(L)에 따라 증가할 수 있다. 또한, 이러한 변화를 슬롯(130)의 두께에 따라 시뮬레이션한 결과, G 모드에 대해서는 슬롯의 두께(t)가 증가하면 공진 파장은 작아진다. 또, A 모드에 대해서 슬롯의 두께(t)가 증가하면 공진 파장은 커진다.
도 4는 A 모드에 대해, 슬롯 구조와 공진 파장의 관계를 시뮬레이션한 결과를 나타낸 것이다. 도 5는 G 모드에 대해, 슬롯 구조와 공진 파장의 관계를 시뮬레이션한 결과를 나타낸 것이다.
도 6은 예를 들어, 슬롯(130)의 길이가 180nm이고, 폭이 50nm일 때, 슬롯의 두께(h)에 따른 광의 공진 파장의 변화를 보인 것이다. 예를 들어, 두께가 약 200nm일 때, 대략 550nm의 제1공진 파장과 대략 750nm의 제2공진 파장을 가질 수 있다. 또는, 두께가 약 300nm일 때, 대략 650nm의 제1공진 파장과 대략 730nm의 제2공진 파장을 가질 수 있다. 이와 같이, 슬롯의 두께, 길이, 폭 중 적어도 하나를 조절하여 공진 파장을 조절할 수 있다. 그리고, 하나의 슬롯에서 적어도 두 개의 공진 파장을 가질 수 있다.
금속으로 이루어진 나노 스케일(nano scale)의 슬롯(slot)은 플라즈모닉(plasmonic) 효과에 의해서 그 공진 파장이 결정될 수 있다. 즉, 표피 깊이(skin depth)와 물질 임피던스 메칭 조건(material impedance matching condition)에 의해 그 공명 파장이 결정될 수 있다. 따라서, 슬롯의 경우에 공진 파장은 근사적으로 다음과 같은 성질을 따르는 경향이 있다.
(1) 길이 (L)에 비례한다. 그 비례 상수는 금속의 굴절률(refractive index)과 주위의 유전(dielectric) 물질(예를 들어, 공기나 유리)에 의해 결정될 수 있다.
(2) 두께 (t)에 비례 또는 반비례한다. A 모드는 두께(t)가 커질수록 공명 파장이 증가하며, G 모드는 두께(t)가 커질수록 공명 파장이 감소한다.
(3) 폭(W)이 줄면 장파장으로 공명주파수가 커진다(red-shift 현상).
따라서, 슬롯의 경우에 공진 파장은 근사적으로 다음 식에 의해 결정될 수 있다.
Figure pat00001
<식 1>
예를 들어, 금속이 은인 경우, 400 ~ 700 nm 에서 공명 파장을 같도록 시뮬레이션 해 보면 다음과 같은 결과를 얻을 수 있다.
슬롯의 상부 방향으로 발광하는 A 모드의 제1 파장 대역(λ1)은 다음과 같다.
Figure pat00002
<식 2>
슬롯의 하부 방향으로 발광하는 G 모드의 제2 파장 대역(λ2)은 다음과 같다.
Figure pat00003
<식 3>
광이 슬롯의 디자인에 따라서 (λ1)과 일치하면 위로 발광하고 (λ2)와 일치하면 아래로 발광할 수 있다. 도 6을 참조하면, 슬롯의 두께가 커질수록 제1공진 파장과 제2공진 파장의 차가 줄어든다. 제1공진 파장과 제2공진 파장의 차가 작은 수록 광의 분광능(또는 분해능)은 감소될 수 있다. 소정의 분광능을 얻기 위해, 예를 들어 슬롯은 100-500nm 범위의 두께를 가질 수 있다. 그리고, 슬롯은 100-50nm 범위의 길이와, 10-80nm 범위의 폭을 가질 수 있다. 소정의 분광능을 얻기 위해서 제1 공진 파장과 제2 공진 파장의 차이를 조절할 수 있다. 상기 식 2와 3에 의해 제1 공진 파장과 제2 공진 파장의 차이는 다음과 같다.
Figure pat00004
<식 4>
예를 들어, 가시광 영역에서 나노 안테나를 사용하기 위해서는 제1 공진 파장과 제2공진 파장의 차이가 400 ~ 2000 nm 범위를 가질 수 있다.
제1공진 파장과 제2 공진 파장의 차가 400-2000nm 범위가 되도록, 예를 들어 슬롯은 100 nm에서 500 nm 범위의 두께를 가질 수 있다.
도 7은 적어도 하나의 발광원이 제1 발광원(S1)과 제2발광원(S2)을 포함하는 광학 소자(100A)의 예를 도시한 것이다. 상기 제1발광원(S1)과 제2발광원(S2)은 슬롯(130)의 중앙부에 배치될 수 있다. 제1발광원(S1)과 제2발광원(S2)은 서로 다른 파장의 광을 발광할 수 있다. 예를 들어, 제1발광원(S1)은 청색 파장의 광을 발광하고, 제2발광원(S2)은 적색 파장의 광을 발광할 수 있다. 또는, 제1발광원(S1)은 청색 파장의 광을 발광하고, 제2발광원(S2)은 녹색 파장의 광을 발광할 수 있다. 하지만, 이는 일 예일 뿐이며 여기에 한정되는 것은 아니다. 상기 제1발광원(S1)과 제2발광원(S2)은 예를 들어, 양자점(quantum dot), 염료 분자(dye molecule), 형광체(fluorescence material) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
도 8을 참조하면, 제1발광원(S1)으로부터의 제1광(L1)은 상부 쪽으로 발광되고, 제2발광원(S2)으로부터의 제2광(L2)은 하부 쪽으로 발광될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1발광원(S1)과 제2발광원(S2)에 레이저가 조사되면 제1발광원과 제2발광원은 여기 되었다가 기저 상태로 돌아가면서 광을 발광할 수 있다. 여기서, 제1발광원으로부터의 제1광과 제2발광원으로부터의 제2광이 서로 다른 방향으로 출광되도록 할 수 있다. 그럼으로써, 광학 소자(100A)는 서로 다른 파장의 두 개의 광을 다른 경로로 진행하도록 분광시킬 수 있다.
상기 광학 소자(100A)는 예를 들어, 두 개의 공진 파장을 가질 수 있다.
상기 제1발광원과 제2발광원으로부터의 광은 예를 들어 350nm-2㎛ 범위의 파장을 가질 수 있다.
슬롯(130)의 사이즈에 따라 공진 파장이 정해지면, 공진 파장에 대응되는 파장의 광을 발광하는 발광원을 슬롯(130)에 주입할 수 있다. 발광원으로부터의 광이 공진함으로써 광신호가 증폭될 수 있다.
상술한 바와 같이 슬롯 내에 적어도 하나의 발광원이 구비된 경우에, 발광원으로부터의 광을 증폭시켜, 제1방향, 예를 들어 슬롯의 상부 방향으로 출광되도록 하거나, 제2방향, 예를 들어 슬롯의 하부 방향으로 출광되도록 할 수 있다.
이러한 동작을 이용하여 발광원이 두 개인 경우에, 광학 소자는 서로 다른 두 개의 파장의 광을 분광하는 기능을 할 수 있다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학 소자(100B)를 도시한 것이다. 광학 소자(100B)는 기판(110) 상에 금속층(120)이 구비되고, 금속층(120)에 제1슬롯(130)과 제2슬롯(135)이 구비된다. 도 1과 비교할 때, 슬롯이 복수 개 구비된 점에서 차이가 있다. 여기서는 슬롯이 두 개인 경우를 예로 들었지만, 슬롯의 개수는 3개 이상이 될 수 있다. 그리고, 복수 개의 슬롯의 일부는 상기 제1슬롯(130)의 일측에 배치되고, 다른 슬롯은 제1슬롯의 타측에 배치되는 것도 가능하다. 상기 제1슬롯(130)에 발광원(S)이 적어도 하나 구비될 수 있다. 상기 제1슬롯(130)은 발광원(S)으로부터의 광을 공진시킬 수 있는 사이즈를 가질 수 있다.
제1슬롯(130)은 제1두께(h1), 제1폭(W1), 제1길이(L1)를 가진 육면체 형상을 가질 수 있다. 제2슬롯(135)은 제2두께(h2), 제2폭(W2), 제2길이(L2)를 가진 육면체 형상을 가질 수 있다. 그리고, 제1슬롯(130)과 제2슬롯(135)의 간격을 d라고 한다.
예를 들어, 제1두께(h1), 제1폭(W1), 제1길이(L1), 제2두께(h2), 제2폭(W2), 제2길이(L2), 제1 슬롯(130)과 제2 슬롯(135) 사이의 간격(d) 중 적어도 하나를 변경하여 발광원(S)으로부터의 광의 진행 방향을 조절할 수 있다.
상기 제1슬롯(130)과 제2슬롯(135)은 예를 들어 서로 평행하게 배치될 수 있다. 또는, 도 10에 도시된 바와 같이 제1슬롯(130)과 제2슬롯(135)이 서로 평행하지 않게 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 제2슬롯(135)이 제1슬롯(130)에 대해 기울어지게 배치될 수 있다. 또는, 도 9에 도시된 바와 같이 제2슬롯(135)이 제1슬롯(135)에 대해 상대적인 위치가 변경될 수 있다.
상기 제2슬롯(135)은 예를 들어, 상기 발광원(S)으로부터 발광된 광을 반사시켜 광의 진행 방향을 변환하는 반사부(reflector)의 역할을 할 수 있다. 즉, 제2슬롯(135)의 위치에 따라, 광이 진행 방향이 달라질 수 있다. 그리고, 제2 슬롯(135)의 위치에 따라 발광원(S)으로부터의 광이 반사되는 회수나, 반사 광량이 달라질 수 있다. 예를 들어, 도 10에 도시된 구조에 비해 도 11에 도시된 구조에서, 제1슬롯(130)과 제2슬롯(135) 사이에서 광이 반사되는 횟수가 더 많을 수 있으며, 반사 횟수가 많아짐에 따라 광량이 증가될 수 있다.
다음은 상기 광학 소자(100B)의 동작에 대해 설명한다.
상기 발광원(S)에 예를 들어, 레이저가 조사되면, 발광원(S)으로부터 광(L)이 발광될 수 있다. 상기 발광원(S)으로부터의 광은 제1슬롯(130)의 구조와 사이즈에 따라 제1방향, 예를 들어 제1슬롯의 상부 방향으로 출광되거나 제2방향, 예를 들어 제1슬롯의 하부 방향으로 출광될 수 있다. 그리고, 상기 발광원(S)으로부터의 광은 공진되어 증폭될 수 있다. 상기 광은 제2슬롯(135)과의 상호 작용에 의해 진행 방향이 변경될 수 있다. 예를 들어, 상기 발광원(S)으로부터의 광(L)이 제1슬롯(130)의 상부 방향으로 출광되면, 광이 상기 제2슬롯(130)에 의해 도면 상 좌측 상부로 진행될 수 있다. 또는, 상기 발광원(S)으로부터의 광(L)이 제1슬롯(130)의 하부 방향으로 출광되면, 광이 상기 제2슬롯(130)에 의해 도면 상 좌측 하부로 진행될 수 있다.
또는, 도 10에서와 같이 제2슬롯(135)이 제1슬롯(130)에 대해 기울어져 있는 경우에는 발광원(S)으로부터의 광(L)이 반사되는 방향이 제2슬롯(135)에 의해 제1슬롯(130)의 아래 방향으로 변할 수 있다.
한편, 금속층(120)은 외부로부터 입사된 광에 의해 표면에 표면 플라즈몬을 발생킬 수 있다. 그리고, 표면 플라즈몬이 제1 슬롯(130)과 제2 슬롯(135)과 커플링(coupling)을 일으켜 일부는 광으로 전환될 수 있다. 그리고, 제2슬롯(135)과의 상호 작용에 의해 표면 플라즈몬의 진행방향을 제어할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 광학 소자는 발광원(S)으로부터의 광을 전송하고, 금속층(120)에서 생성된 표면 플라즈몬을 전송할 수 있다.
다음, 도 12는 상기 제1슬롯(130)에 제1발광원(S1)과 제2발광원(S2)이 구비된 예를 도시한 것이다.
예를 들어, 제1발광원(S1)에서 나온 제1광은 상부 방향으로 출광되고, 제2발광원(S2)에서 나온 제2광은 하부 방향으로 출광될 수 있다. 제1광은 제2슬롯(135)과의 상호 작용에 의해 좌측 상부 방향으로 진행하고, 제2광은 제2슬롯(135)과 상호 작용에 의해 좌측 하부 방향으로 진행할 수 있다. 이와 같이, 하나의 광학 소자에서 두 개의 서로 다른 파장의 광의 진행 방향을 제어할 수 있다. 이러한 광학 소자를 이용하여 광을 송수신할 수 있다.
도 13은 예를 들어, 하나의 발광원(S)을 가지는 광학 소자가 광 검출기에 적용된 예를 도시한 것이다. 상기 발광원(S)으로부터의 광(L)이 상부 방향으로 발광되고, 상기 제2슬롯(135)에 의해 상기 광(L)이 좌측 상부 방향으로 전송될 수 있다. 상기 광(L)은 센서(150)에 의해 검출될 수 있다. 상기 센서(150)는 예를 들어 바이오 센서에 적용될 수 있다. 상기 센서(150)는 예를 들어 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 센서일 수 있다. 또는, 상기 센서(150)의 기판(110) 하부에 배치된 경우에는, 상기 발광원(S)으로부터의 광이 하부 방향으로 출광되도록 하여 광을 전송할 수 있다.
도 14는 제1 및 제2 발광원(S1)(S2)을 가지는 광학 소자가 광 검출기에 적용된 예를 도시한 것이다.
센서가 제1센서(150)와 제2센서(155)를 포함하고, 예를 들어 제1센서(150)가 광학 소자의 상부쪽에 배치되고, 제2센서(150)가 광학 소자의 하부쪽에 배치될 수 있다. 제1발광원(S1)으로부터의 제1광(L1)은 상부로 발광되도록 하고, 제2발광원(S2)으로부터의 제2광(L2)은 하부로 발광되도록 할 수 있다. 상기 제1광(L1)은 제2슬롯(135)에 의해 좌측 상부로 진행하여 제1센서(150)에 전송될 수 있다. 상기 제2광(L2)은 제2슬롯(135)에 이해 좌측 하부로 진행하여 제2센서(155)에 전송될 수 있다. 도 14에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 광학 소자를 이용하여 양방향 광전송이 가능할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 광학 소자는 나노 안테나에 적용될 수 있다.
도 15는 도 1에 도시된 광학 소자에 발광원(S)을 슬롯(130)의 중앙부에 위치되도록 슬롯(130)의 하부에 지지층(140)을 구비한 예를 도시한 것이다. 상기 지지층(140)의 높이에 따라 발광원(S)의 위치를 조절할 수 있다. 상기 발광원(S)은 슬롯의 대략 중앙부에 위치하는 것이 좋다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 광학 소자는 슬롯에 적어도 하나의 발광원을 구비하고, 상기 적어도 하나의 발광원으로부터 나오는 광의 진행 방향을 조절할 수 있다. 그러므로, 본 발명의 실시예는 나노 사이즈의 광학 소자를 구현할 수 있고, 이러한 광학 소자를 이용하여 집적된 광학적 회로를 만들 수 있다.
상기한 실시예들은 예시적인 것에 불과한 것으로, 당해 기술분야의 통상을 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 하기의 특허청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상에 의해 정해져야만 할 것이다.
100,100A,100B...광학 소자
110...기판, 120...금속층
130,135...슬롯, S,S1,S2...발광원

Claims (24)

  1. 기판;
    상기 기판 상의 금속층;
    상기 금속층에 형성된 나노 사이즈의 제1 슬롯; 및
    상기 제1 슬롯에 구비된 적어도 하나의 발광원;을 포함하고,
    상기 발광원으로부터의 광이 상기 제1슬롯의 상부 방향으로 출광되거나 상기 제1슬롯의 하부 방향으로 출광되는 광학 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1슬롯은 두께, 길이, 폭을 가지는 육면체 형상을 가지고, 상기 두께, 길이, 폭 중 적어도 하나를 변경하여 상기 적어도 하나의 발광원으로부터 광의 공진 파장이 조절되는 광학 소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1슬롯의 두께, 길이, 폭 중 적어도 하나를 변경하여 상기 적어도 하나의 발광원으로부터 광의 발광 방향이 조절되는 광학 소자.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1슬롯은 100-500nm 범위의 두께, 100-500nm 범위의 길이, 10-80nm 범위의 폭을 가지는 육면체 형상을 가지는 광학 소자.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 발광원은 양자점(Quantum dot), 염료 분자(dye molecule), 또는 형광체(fluorescent substance)를 포함하는 광학 소자.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속층에 표면 플라즈몬이 생성되는 광학 소자.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판은 투명한 유전체로 형성된 광학 소자.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 기판은 유리로 형성된 광학 소자.
  9. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1슬롯으로부터 이격되어 적어도 하나의 제2슬롯이 더 구비되는 광학 소자.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제2슬롯은 상기 제1슬롯에 대해 평행하게 배치되거나, 기울어지게 배치되는 광학 소자.
  11. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 발광원은 제1발광원과 제2발광원을 포함하고, 상기 제1발광원과 제2발광원은 서로 다른 파장의 광을 발광하는 광학 소자.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1발광원과 제2발광원 중 어느 하나로부터 나온 광이 상부로 발광되고, 나머지 다른 것으로부터 나온 광이 하부로 발광되는 광학 소자.
  13. 기판 상의 금속층에 나노 사이즈의 슬롯을 형성하는 단계;
    상기 슬롯에 적어도 하나의 발광원을 구비하는 단계; 및
    상기 적어도 하나의 발광원으로부터의 광을 상기 슬롯의 사이즈를 조절하여 상기 제1슬롯의 상부 방향으로 발광시키거나 상기 슬롯의 하부 방향으로 발광시키는 단계;를 포함하는 광학 소자로부터의 광의 진행 방향을 제어하는 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 슬롯은 두께, 길이, 폭을 가지는 육면체 형상을 가지고, 상기 두께, 길이, 폭 중 적어도 하나를 변경하여 상기 적어도 하나의 발광원으로부터 광의 공진 파장을 조절하는 광학 소자로부터의 광의 진행 방향을 제어하는 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 슬롯의 두께, 길이, 폭 중 적어도 하나를 변경하여 상기 적어도 하나의 발광원으로부터 광의 발광 방향을 조절하는 광학 소자로부터의 광의 진행 방향을 제어하는 방법.
  16. 제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 슬롯은 100-500nm 범위의 두께, 100-500nm 범위의 길이, 10-80nm 범위의 폭을 가지는 육면체 형상을 가지는 광학 소자로부터의 광의 진행 방향을 제어하는 방법.
  17. 제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 발광원은 양자점(Quantum dot), 염료 분자(dye molecule), 또는 형광체(fluorescent substance)를 포함하는 광학 소자로부터의 광의 진행 방향을 제어하는 방법.
  18. 제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속층에 표면 플라즈몬이 생성되는 광학 소자로부터의 광의 진행 방향을 제어하는 방법.
  19. 제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판은 유리로 형성된 광학 소자로부터의 광의 진행 방향을 제어하는 방법.
  20. 제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 슬롯으로부터 이격되어 적어도 하나의 다른 슬롯이 더 구비되는 광학 소자로부터의 광의 진행 방향을 제어하는 방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 다른 슬롯은 상기 슬롯에 대해 평행하게 배치되거나, 비스듬하게 배치되는 광의 진행 방향을 제어하는 방법.
  22. 제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 발광원은 제1발광원과 제2발광원을 포함하고, 상기 제1발광원과 제2발광원은 서로 다른 파장의 광을 발광하는 광학 소자로부터의 광의 진행 방향을 제어하는 방법.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 슬롯의 사이즈를 조절하여 제1발광원과 제2발광원 중 어느 하나로부터 나온 광이 상부로 출광되고, 나머지 다른 것으로부터 나온 광이 하부로 출광되도록 하는 광학 소자로부터의 광의 진행 방향을 제어하는 방법.
  24. 제22항에 있어서,
    상기 슬롯이 두께, 길이, 및 폭을 가지는 육면체 형상을 가지고, 상기 두께, 길이, 및 폭 중 적어도 하나를 조절하여 제1발광원으로부터의 제1광과 제2발광원으로부터의 제2광을 함께 공진시키고, 상기 제1광과 제2광이 서로 다른 방향으로 분리되어 출광되도록 하는 광학 소자로부터의 광의 진행 방향을 제어하는 방법.
KR1020140006267A 2014-01-17 2014-01-17 광학 소자 및 광학 소자로부터의 광의 진행 방향을 제어하는 방법 KR102122963B1 (ko)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020140006267A KR102122963B1 (ko) 2014-01-17 2014-01-17 광학 소자 및 광학 소자로부터의 광의 진행 방향을 제어하는 방법
US15/112,303 US10012824B2 (en) 2014-01-17 2015-01-13 Optical device and method of controlling direction of light from optical device
PCT/KR2015/000345 WO2015108318A1 (en) 2014-01-17 2015-01-13 Optical device and method of controlling direction of light from optical device
CN201580008998.2A CN106030369B (zh) 2014-01-17 2015-01-13 光学器件以及控制来自光学器件的光的方向的方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020140006267A KR102122963B1 (ko) 2014-01-17 2014-01-17 광학 소자 및 광학 소자로부터의 광의 진행 방향을 제어하는 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20150086098A true KR20150086098A (ko) 2015-07-27
KR102122963B1 KR102122963B1 (ko) 2020-06-15

Family

ID=53543152

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020140006267A KR102122963B1 (ko) 2014-01-17 2014-01-17 광학 소자 및 광학 소자로부터의 광의 진행 방향을 제어하는 방법

Country Status (4)

Country Link
US (1) US10012824B2 (ko)
KR (1) KR102122963B1 (ko)
CN (1) CN106030369B (ko)
WO (1) WO2015108318A1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20180000938A (ko) * 2016-06-24 2018-01-04 삼성전자주식회사 슬롯을 포함하는 광학 소자 및 이를 채용한 장치

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108535803B (zh) * 2018-04-28 2020-12-11 西安柯莱特信息科技有限公司 一种可动态调节非对称传输信号的光学偏振器及其使用方法
US11156759B2 (en) 2019-01-29 2021-10-26 Osram Opto Semiconductors Gmbh μ-LED, μ-LED device, display and method for the same
US11610868B2 (en) 2019-01-29 2023-03-21 Osram Opto Semiconductors Gmbh μ-LED, μ-LED device, display and method for the same
US11271143B2 (en) 2019-01-29 2022-03-08 Osram Opto Semiconductors Gmbh μ-LED, μ-LED device, display and method for the same
US11302248B2 (en) 2019-01-29 2022-04-12 Osram Opto Semiconductors Gmbh U-led, u-led device, display and method for the same
US11538852B2 (en) 2019-04-23 2022-12-27 Osram Opto Semiconductors Gmbh μ-LED, μ-LED device, display and method for the same

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20130070459A1 (en) * 2011-09-16 2013-03-21 Korea University Industrial & Academic Collaboration Foundation Optical devices and methods of controlling propagation directions of light from the optical devices
KR20150050093A (ko) * 2013-10-31 2015-05-08 삼성전자주식회사 지향성 광 추출 장치 및 이를 포함한 광 인터커넥션 시스템

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100667307B1 (ko) 2005-01-11 2007-01-12 삼성전자주식회사 Ｒｆ 무선 에너지 전송을 이용한 바이오결합 검출장치 및그 방법
KR100771772B1 (ko) * 2006-08-25 2007-10-30 삼성전기주식회사 백색 ｌｅｄ 모듈
WO2009018467A2 (en) 2007-07-31 2009-02-05 Massachusetts Institute Of Technology Bio-sensing nanodevice
US8283556B2 (en) * 2008-01-30 2012-10-09 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Nanowire-based device and array with coaxial electrodes
WO2010014903A1 (en) 2008-07-31 2010-02-04 Massachusetts Institute Of Technology Multiplexed olfactory receptor-based microsurface plasmon polariton detector
JP2010146638A (ja) * 2008-12-18 2010-07-01 Sony Corp 情報記録再生装置及び近接場光検出方法
US20120006981A1 (en) 2009-03-31 2012-01-12 Imec Waveguide integrated photodetector
JP5829375B2 (ja) 2009-06-05 2015-12-09 日本電気株式会社 光学素子とこれを用いた光子発生装置、光発生装置、光記録装置および光検出装置
JP5253468B2 (ja) 2010-09-03 2013-07-31 株式会社東芝 アンテナ装置及びレーダ装置
KR101669219B1 (ko) 2010-12-30 2016-10-26 삼성전자주식회사 광변조기 및 이를 채용한 광학장치
KR101271696B1 (ko) 2011-01-31 2013-06-05 고려대학교 산학협력단 나노 안테나를 포함하는 구조체 및 이의 제조방법
KR102040153B1 (ko) 2013-06-19 2019-11-04 삼성전자주식회사 광학 소자 및 광학 소자를 이용하여 광과 표면 플라즈몬의 진행방향을 제어하는 방법

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20130070459A1 (en) * 2011-09-16 2013-03-21 Korea University Industrial & Academic Collaboration Foundation Optical devices and methods of controlling propagation directions of light from the optical devices
KR20150050093A (ko) * 2013-10-31 2015-05-08 삼성전자주식회사 지향성 광 추출 장치 및 이를 포함한 광 인터커넥션 시스템

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20180000938A (ko) * 2016-06-24 2018-01-04 삼성전자주식회사 슬롯을 포함하는 광학 소자 및 이를 채용한 장치
US10288479B2 (en) 2016-06-24 2019-05-14 Samsung Electronics Co., Ltd. Optical device including slot and apparatus employing the optical device

Also Published As

Publication number Publication date
CN106030369B (zh) 2019-03-15
KR102122963B1 (ko) 2020-06-15
CN106030369A (zh) 2016-10-12
WO2015108318A1 (en) 2015-07-23
US20160341942A1 (en) 2016-11-24
US10012824B2 (en) 2018-07-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102122963B1 (ko) 광학 소자 및 광학 소자로부터의 광의 진행 방향을 제어하는 방법
US9499400B2 (en) Optical devices and methods of controlling propagation directions of light from the optical devices
David et al. Photonic bands in two-dimensionally patterned multimode GaN waveguides for light extraction
JP2020529005A5 (ko)
US20060029349A1 (en) Three-dimensional photonic crystal and optical element
TW201932752A (zh) 具有結構化層及奈米磷光體的led
CN103217737A (zh) 用于光子集成电路的光源及其制造方法和光子集成电路
US9261648B2 (en) Plasmonic wavelength selective switch
Ferrari et al. Design and analysis of blue InGaN/GaN plasmonic LED for high-speed, high-efficiency optical communications
KR20120027713A (ko) 표면 플라즈몬 밴드-에지 레이저
US11474039B2 (en) Chemical sensing device using fluorescent sensing material
Haws et al. Broadband, efficient extraction of quantum light by a photonic device comprised of a metallic nano-ring and a gold back reflector
US10615561B2 (en) Multi-wavelength laser apparatus
JP2005522885A5 (ko)
US10338313B2 (en) On-chip broadband light source
WO2013172273A1 (ja) 光検出器
KR102613049B1 (ko) 양자점 광변조기 및 이를 포함하는 장치
JP6537129B2 (ja) 共振器の最適化
WO2015180970A1 (en) Plasmonic-based illumination device
US20210262854A1 (en) Integrated bound-mode spectral/angular sensors
US20130105840A1 (en) Multi-port light sources of photonic integrated circuits
JP2008241796A (ja) ラマン散乱光増強デバイス
US20210408336A1 (en) Nanowire Optical Device
KR20230016649A (ko) 광파이버 상의 동조 가능 나노회로 및 도파관 시스템과 방법
Bai et al. Fabrication of suspended light-emitting diode and waveguide on a single chip

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant