KR20150120012A - 입사광으로부터 광과 표면 플라즈몬 폴라리톤을 분리하는 광 플라즈몬 분리 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예들에 따른 광 플라즈몬 분리 장치는 제1 유전체 광 도파로, 제2 유전체 광 도파로 및 플라즈모닉 도파로를 포함할 수 있다. 제1 유전체 광 도파로는, 유전체 클래드 내에, 입력 광 도파로에서 분기되고 출력 광 도파로까지 연장되도록 형성될 수 있다. 제2 유전체 광 도파로는, 유전체 클래드 내에, 입력 광 도파로에서 분기되고 제1 유전체 광 도파로보다 짧게 형성될 수 있다. 플라즈모닉 도파로는 유전체 클래드 내에, 제2 유전체 광 도파로의 종단에 접하도록 형성된 적어도 하나의 금속층으로 구성될 수 있다.

Description

입사광으로부터 광과 표면 플라즈몬 폴라리톤을 분리하는 광 플라즈몬 분리 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR SPLITTING LIGHT AND SURFACE PLASMON POLARITON FROM INCIDENT LIGHT}
본 발명은 표면 플라즈몬 폴라리톤에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 광 플라즈몬 분리 기법에 관한 것이다.
플라즈몬(Plasmon)은 금속 내에 존재하는 자유전자들이 특정 조건 하에 집단적으로 진동할 때 이러한 진동을 마치 하나의 입자처럼 취급하기 위한 유사 입자를 말한다. 플라즈몬이 금속의 표면에 국부적으로 속박된 경우에는 표면 플라즈몬이라고 한다.
금속 표면에 가시~근적외선 대역의 빛이 입사되면, 빛을 이루는 전기장과 표면 플라즈몬이 상호 작용하면서 특정 파장에서 표면 플라즈몬이 여기되는 현상을 표면 플라즈몬 공명이라고 하는데, 이러한 현상은 금이 특유의 황금색으로 빛난다거나 매끈한 금속 표면이 특유의 금속성 광택을 보이는 근본 원리이기도 하다.
특히, 금속 박막과 유전체의 경계면에 TM 모드로 입사한 광자와 강한 상호작용을 통해 금속 박막에 표면 플라즈몬이 발생할 때에는, 그 경계면을 따라 표면 플라즈몬과 함께 전파하는 근접장이 나타나는데, 이러한 근접장의 전파에 의한 표면파를 하나의 유사 입자로 취급하여 표면 플라즈몬 폴라리톤(SPP, surface plasmon polariton)이라 부른다.
한편, 통상적으로 광학적으로 다양하게 활용되는 가시~적외선 대역의 빛은 높은 동작 속도와 넓은 대역폭, 비간섭성, 낮은 손실 등의 장점을 일반적으로 가지지만, 이를 정보기술분야에 적극적으로 활용하려면 집적도의 문제와 광 제어의 문제를 해결하여야 한다. 집적도의 문제는 광파를 파장보다 작은 범위에 집속할 수 없다는 근본적인 제약에 기인하며 이를 빛의 회절 한계라고 하는데, 이에 따라 집적 광학에서 선폭의 한계는 0.5~1㎛ 정도로서, 최신 반도체 기술에서 달성하는 10~100㎚에 비해 매우 크다.
이에 비해 표면 플라즈몬 폴라리톤(SPP)은, 금속 박막과 유전체 경계면에서 입사된 광파의 파장보다 좁은 범위 내에 광파의 에너지가 강하게 집속되므로, 광학의 회절 한계를 극복할 수 있다. 이러한 특성을 이용하여 SPP 파를 구속, 전파하고 송수신하거나, 분배, 결합, 반사, 필터링하는 소자들을 구현하는 기술과 분야를 플라즈모닉스라고 통칭한다.
하지만 플라즈모닉스는 SPP의 특유의 종파(longitudinal wave)적 성질로 인해 강한 직진성을 가지기 때문에, SPP 모드의 생성, 송수신, 전송, 복제, 증폭 및 스위칭 등을 구현하는 데에 어려움을 겪고 있다.
이에 따라 가까운 미래에 순수한 플라즈모닉스가 실현되기 어렵고, 그보다 먼저 확산되고 있는 광컴퓨팅 또는 광통신 기술과 함께 플라즈모닉스가 공존할 것으로 예측된다. 이에 따라, 광과 SPP를 함께 취급할 수 있는 소자들이 필요하다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 광 플라즈몬 분리 장치 및 방법을 제공하는 데에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 입사되는 임의의 광신호를 광신호의 정보를 가지는 표면 플라즈몬 폴라리톤(SPP)과 광신호로 분리할 수 있는 광 플라즈몬 분리 장치 및 방법을 제공하는 데에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상대적으로 작은 크기(dimension)를 가지는 광 플라즈몬 분리 장치 및 방법을 제공하는 데에 있다.
본 발명의 해결과제는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 광 플라즈몬 분리 장치는,
유전체 클래드 내에, 입력 광 도파로에서 분기되고 출력 광 도파로까지 연장되도록 형성되는 제1 유전체 광 도파로;
상기 유전체 클래드 내에, 상기 입력 광 도파로에서 분기되고 상기 제1 유전체 광 도파로보다 짧게 형성되는 제2 유전체 광 도파로; 및
상기 유전체 클래드 내에, 상기 제2 유전체 광 도파로의 종단에 접하도록 형성된 적어도 하나의 금속층으로 구성되는 플라즈모닉 도파로를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 플라즈모닉 도파로의 적어도 하나의 금속층은
상기 유전체 클래드 내에 간극을 두고 불연속적으로 형성되는 적어도 두 개의 금속층들을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 적어도 두 개의 금속층들 중 일부 금속층들의 연장 방향들은 서로 평행하지 않을 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 적어도 두 개의 금속층들 일부 금속층들의 연장 방향들은 서로 예각을 이룰 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 플라즈모닉 도파로는 제1 내지 제N 금속층들을 포함하고,
상기 제1 내지 제N 금속층들은 동일 평면 상에 있으며,
상기 제2 유전체 도파로의 종단에서 상기 제1 금속층으로 광이 입사되는 방향과 상기 제N 금속층의 종단에서 플라즈몬 폴라리톤이 출력되는 방향이 상기 유전체 클래드 내에서 서로 교차하고, 또한 상기 제1 내지 제N 금속층들 사이에 (N-1) 개의 간극들이 형성되도록, 상기 제1 내지 제N 금속층들이 상기 유전체 클래드 내에 형성될 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 플라즈모닉 도파로는 제1 내지 제N 금속층들을 포함하고,
상기 제1 내지 제N 금속층들은 동일 평면 상에 있으며,
상기 제2 유전체 도파로의 종단에서 상기 제1 금속층으로 광이 입사되는 방향과 상기 제N 금속층의 종단에서 플라즈몬 폴라리톤이 출력되는 방향이 상기 유전체 클래드 내에서 이격된 채로 서로 평행하고, 또한 상기 제1 내지 제N 금속층들 사이에 (N-1) 개의 간극들이 형성되도록, 상기 제1 내지 제N 금속층들이 상기 유전체 클래드 내에 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 광 플라즈몬 분리 방법은,
유전체 클래드 내에 형성된 입력 광 도파로에 광을 입사하는 단계;
상기 입력 광 도파로에서 분기되고 출력 광 도파로까지 연장되도록 상기 유전체 클래드 내에 형성되는 제1 유전체 광 도파로를 따라 분기된 광의 일부를 상기 출력 광 도파로까지 유도하여 상기 출력 광 도파로로부터 출력하는 단계; 및
상기 입력 광 도파로에서 분기되고 상기 제1 유전체 광 도파로보다 짧게 상기 유전체 클래드 내에 형성되는 제2 유전체 광 도파로를 따라, 상기 분기된 광의 나머지 일부를 유도하는 단계;
상기 유전체 클래드 내에, 상기 제2 유전체 광 도파로의 종단에 접하도록 형성된 적어도 하나의 금속층으로 구성되는 플라즈모닉 도파로에, 상기 제2 유전체 광 도파로의 종단에서 상기 분기된 광의 나머지 일부를 입사하는 단계; 및
상기 분기된 광의 나머지 일부의 입사에 의해 상기 플라즈모닉 도파로에 여기된 표면 플라즈몬 폴라리톤을 상기 플라즈모닉 도파로의 적어도 하나의 금속층의 표면을 따라 유도하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 표면 플라즈몬 폴라리톤을 유도하는 단계는,
상기 플라즈모닉 도파로가 서로 간극을 가지도록 형성된 제1 내지 제N 금속층들을 포함할 경우에, 표면 플라즈몬 폴라리톤이 어느 한 금속층에서 간극을 도약하여 다음 금속층에 여기된 후의 진행 방향이 이전 금속층에서 나타나는 진행 방향과 달라지도록 상기 표면 플라즈몬 폴라리톤을 유도하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 광 플라즈몬 분리 장치 형성 방법은,
유전체 클래드 내에, 입력 광 도파로에서 분기되고 출력 광 도파로까지 연장되도록 제1 유전체 광 도파로를 형성하는 단계;
상기 유전체 클래드 내에, 상기 입력 광 도파로에서 분기되고 상기 제1 유전체 광 도파로보다 짧게 제2 유전체 광 도파로를 형성하는 단계; 및
상기 유전체 클래드 내에, 상기 제2 유전체 광 도파로의 종단에 접하도록 형성된 적어도 하나의 금속층으로 구성되는 플라즈모닉 도파로를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
실시예에 따라 상기 플라즈모닉 도파로를 형성하는 단계는,
동일 평면 상의 제1 내지 제N 금속층들을, 상기 제2 유전체 도파로의 종단에서 제1 금속층으로 광이 입사되는 방향과 제N 금속층의 종단에서 플라즈몬 폴라리톤이 출력되는 방향이 상기 유전체 클래드 내에서 서로 교차하고 또한 상기 제1 내지 제N 금속층들 사이에 (N-1) 개의 간극들이 형성되도록, 상기 유전체 클래드 내에 형성할 수 있다.
실시예에 따라, 상기 플라즈모닉 도파로를 형성하는 단계는,
동일 평면 상의 제1 내지 제N 금속층들을, 상기 제2 유전체 도파로의 종단에서 제1 금속층으로 광이 입사되는 방향과 제N 금속층의 종단에서 플라즈몬 폴라리톤이 출력되는 방향이 상기 유전체 클래드 내에서 이격된 채로 서로 평행하고 또한 상기 제1 내지 제N 금속층들 사이에 (N-1) 개의 간극들이 형성되도록, 상기 유전체 클래드 내에 형성할 수 있다.
본 발명의 광 플라즈몬 분리 장치 및 방법에 따르면, 광신호로부터 광신호의 정보를 가지는 표면 플라즈몬 폴라리톤(SPP)을 분리할 수 있다.
본 발명의 광 플라즈몬 분리 장치 및 방법에 따르면, 광 분리기에 비해 상대적으로 작은 크기를 가지는 광 플라즈몬 분리 장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 플라즈몬 분리 장치에서 가능한 플라즈모닉 도파로 구조들을 예시적으로 소개한 개념도들이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 플라즈몬 분리 장치에서 가능한 표면 플라즈몬 폴라리톤 모드들을 예시적으로 소개한 개념도들이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 플라즈몬 분리 장치에서 간극으로 단절된 불연속적인 금속층으로 구성되는 플라즈모닉 도파로를 예시한 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 플라즈몬 분리 장치를 예시한 개념도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 플라즈몬 분리 장치를 예시한 개념도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광 플라즈몬 분리 장치를 예시한 개념도이다.
도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 광 플라즈몬 분리 방법을 예시한 순서도이다.
도 8은 본 발명의 실시예들에 따른 광 플라즈몬 분리 장치의 형성 방법을 예시한 순서도이다.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
먼저 플라즈모닉 도파로에 대해 설명에 들어가기에 앞서, 표면 플라즈몬 폴라리톤(SPP)의 도파에 관하여 설명할 필요가 있다.
아래 설명에서 모드(mode)는 주어진 도파관의 전자기학적 특성에 따라 존재할 수 있는 표면 플라즈몬 폴라리톤(SPP) 또는 광의 존재 형태들 또는 그러한 형태로 존재하는 표면 플라즈몬 폴라리톤 또는 광을 의미한다. 신호(signal)는 소정의 정보를 가지도록 가공된 SPP 또는 광을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 플라즈몬 분리 장치에서 가능한 플라즈모닉 도파로의 구조들을 예시적으로 소개한 개념도들이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 플라즈몬 분리 장치에서 이용할 수 있는 표면 플라즈몬 폴라리톤 모드들을 예시적으로 소개한 개념도들이다.
일반적으로 표면 플라즈몬 폴라리톤(SPP) 모드가 갖는 파수 벡터는 주변 유전체 물질이 전달하는 전자기파의 파수 벡터보다 크기 때문에, SPP 모드는 금속 표면의 근범위 내에 속박되는 전자기 파동이며, SPP 도파로는 금속-유전체 경계면을 코어로 갖는 일종의 2차원 평면 도파로라고 전자기학적으로 해석될 수 있다.
다만, 일반적인 형상의 금속-유전체 경계면에서 전파하는 SPP 모드의 전기장은 금속 내부에도 상당한 깊이까지 존재하므로 전파 손실이 매우 크기 때문에, 가시 광선 대역에서는 SPP 모드의 진행 거리는 수십 ㎛에 불과할 정도로 짧다.
그런데, 금속을 매우 얇은 수십 ㎚ 단위의 박막으로 만들고 금속 박막의 두 표면에서 함께 SPP를 일으켜서 두 SPP들이 공간적으로 중첩되는 결합 모드를 이용하면, SPP 모드의 전파 가능 거리는 이론적으로 무한히 증가시킬 수 있다.
일반적으로 나노 플라즈모닉 집적회로(nano plasmonic integrated circuit, NPIC), 또는 플라즈모닉 소자는 현실적으로 동원되는 리소그래피(lithograph) 공정을 고려할 때 사각형 스트립 형태의 금속 박막과 이를 둘러싸는 유전체 층을 포함하는 플라즈모닉 도파로 구조에 기반한다.
이러한 플라즈모닉 도파로의 구조는 크게 세 가지가 착안될 수 있는데, 금속 박막이 하나인 단일 금속(insulator-metal-insulator, 이하 IMI) 구조와, 두 금속 박막을 매우 가깝고 평행하게 형성하는 이중 금속(insulator-metal-insulator-metal-insulator, 이하 IMIMI) 구조 및 두꺼운 금속 선로를 매우 가깝고 평행하게 형성하는 두꺼운 이중 금속(metal-insulator-metal, 이하 MIM) 구조가 있다.
나아가, 이러한 세 구조의 플라즈모닉 도파로들을 조합하여 예를 들어 IMI-IMIMI 구조라든가 MIM-IMIMI 구조와 같은 복합적인 구조의 도파로들도 가능하다.
SPP 결합 모드는 금속 박막의 두 표면에서 자기장의 분포에 따라 두 박막 표면의 각각의 자기장들의 분포가 서로 대칭 형태인 대칭 모드(symmetric mode)와, 박막 중간을 사이에 두고 뒤집힌 형태인 비대칭 모드(anti-symmetric mode)로 구분될 수 있다.
특히 대칭 모드는 모드 에너지의 대부분이 금속 박막의 내부가 아닌 주변 유전체에 실린 상태로 전파되므로 금속에서 손실되는 크기가 적어 전파 손실이 매우 줄어든다. 이러한 대칭 모드를 비롯하여 장거리로 전파할 수 있는 모드를 장거리 SPP(Long Range SPP, LRSPP) 모드라고 한다.
비대칭 모드의 경우에도, 특정 도파로 구조에서는 SPP 모드의 에너지가 주로 코어 유전체에 실려 전파되므로 마찬가지로 전파 손실이 매우 작아지고, 장거리까지 전달될 수 있다.
한편, IMI 구조 도파로에서, 장거리 SPP를 여기시키려면 금속 박막의 양 경계면에 접한 양측 유전체의 유전율 차이가 10^-4 이하로 거의 동일할 경우에만 존재한다고 알려져 있다.
IMIMI 구조 도파로의 경우에는, 두 금속 박막 사이의 코어 유전체 층과 각각의 금속 박막 바깥의 클래딩 층의 유전율이 다르더라도 장거리 SPP를 여기시킬 수 있고, 코어 유전체 층의 두께나 유전율을 조절하여 장거리 SPP 모드의 전파 손실, 유효 굴절율 및 모드의 분포를 조절할 수 있다고 알려져 있다.
MIM 구조 도파로의 경우에도, 두 두꺼운 금속 층 사이의 코어 유전체 층의 유전율, 두께와 폭에 따라 SPP 모드의 특성들을 조절할 수 있다.
플라즈모닉 도파로를 구현하기 위한 금속 재료는 귀금속 및 천이금속(transition metal) 중에서 선택될 수 있다.
유전체 층은 예를 들어 규소(Si), 이산화규소(SiO2), 질화규소(Si3N4) 및 폴리머(Polymer) 중에서 선택될 수 있다.
도 2에서, 먼저 IMI 도파로에서는 두 가지 모드, 즉 s0 모드와 a0 모드가 가능한데, s0 모드는 대칭 모드로서 전파 손실이 작고, 두께가 충분히 얇은 금속 도파로로 구현된다면 일반 광섬유 크기의 모드 크기를 가져 광섬유와 직접 커플링(맞대기 결합)으로도 여기될 수 있다. 그러나 a0 모드는 비대칭 모드이고 비록 모드의 크기가 빛의 회절 한계 미만일 수 있어서 크기가 작지만 전파 손실이 매우 크고 광섬유와 직접 커플링으로 여기되기 어렵다.
다음으로, MIM 도파로에서는 G-s0 모드와 G-a0 모드가 가능하다. 여기서 G는 두꺼운 금속 층 사이의 유전체 갭을 뜻하며, 이 유전체 갭은 본 발명의 나머지 부분에서 언급되는 갭과 다른 의미임에 유의한다.
G-s0 모드의 경우, MIM 도파로의 코어 유전체 층의 중간 평면을 경계로 대칭으로 자기장이 형성되어, 두 금속 층 사이의 코어 유전체 층 두께와 폭에 따라 모드 크기가 결정되기 때문에 빛의 회절 한계 미만의 크기를 가지는 모드를 형성할 수 있다. 나아가 코어 유전체 층을 따라 SPP 모드가 도파하므로, IMI 도파로의 비대칭 모드에 비해 전파 손실이 매우 작아 대규모 고집적 소자를 가능하게 할 수 있다.
IMIMI 도파로의 경우에, 두 금속 박막에서 각각 s0 모드가 대칭형으로 형성되는 Ss0 모드, 두 금속 박막 각각의 s0 모드가 비대칭형으로 형성되는 As0 모드, 두 금속 박막 각각의 a0 모드가 대칭형으로 형성되는 Sa0 모드, 두 금속 박막 각각의 a0 모드가 비대칭형으로 형성되는 Aa0 모드가 가능하다.
이들 모드들 중에서, Ss0 모드는 IMI의 s0 모드에 비해 모드 크기는 다소 작고 전파 손실은 좀더 크다. s0 모드와 Ss0 모드는 클래드 층에서 자기장의 형태가 같아 서로 커플링하기에 유리하다.
Sa0 모드는 MIM 도파로의 G-s0 모드와 비슷한 모드 크기 및 전파 손실을 가진다.
각각 자기장이 비대칭으로 분포된 As0 모드와 Aa0 모드의 경우에는 비록 매우 작은 모드를 형성할 수 있지만 전파 손실이 매우 커서 적절하지 않다.
따라서, 본 명세서의 나머지 부분에서는, 특별히 달리 언급하지 않는 한, SPP 모드는 모드 크기가 작고 전파 손실이 작은 s0 모드, G-s0 모드, Ss0 모드, Sa0 모드 중에서, 설명 중인 도파로의 구조에 좀더 유리한 모드를 의미하는 것으로 이해될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 플라즈몬 분리 장치에서 간극으로 단절된 불연속적인 금속층으로 구성되는 플라즈모닉 도파로를 예시한 개념도이다.
도 3을 참조하면, 단일 금속 박막(IMI) 구조의 도파로 가운데에 갭이 존재하여 단절된 불연속 IMI 도파로를 가지는 플라즈모닉 도파로가 예시된다.
통상적으로, SPP는 금속-유전체 경계면을 따라 전파하는 전자기 파동으로서 직진성이 강하여 진행 방향을 바꾼다거나 세기를 원하는 대로 제어하기 어렵다. 비록 SPP도 전자기학적으로는 빛과 마찬가지로 맥스웰 방정식으로 설명되는 전자기 파동이므로 광학 재료를 이용하면 굴절이나 반사를 통한 제어가 제한적으로 가능하다. 하지만 광학 재료는 플라즈모닉 도파로와 함께 집적시키기 어렵고, 스위칭 등에 이용할 수 있는 가변 물성 특징을 가지는 광학 재료라도 물성 변화에 필요한 전력이 지나치게 높아 실용적이지 않다.
이에 반해 본 발명의 광 플라즈몬 분리 장치 내에 불연속 금속층들을 가지는 플라즈모닉 도파로들은 금속층들의 연장 방향 중간에 간극(gap)을 두고, 간극 양쪽의 금속층들의 각각의 연장 방향을 다르게 함으로써 SPP의 진행 방향을 급격히 전환할 수 있다.
예를 들어, 불연속 IMI 플라즈모닉 도파로(30)는 입력 위치에서 시작하는 폭 Wi, 제1 길이 di의 평평하고 긴 띠 형상의 제1 금속층(31)과, 폭 Wo, 제2 길이 do의 평평하고 긴 띠 형상의 제2 금속층(32)을 포함한다.
제1 금속층(31)의 한 쌍의 제1 금속 표면들은 대칭 모드 또는 비대칭 모드의 표면 플라즈몬 폴라리톤(SPP)이 전파될 수 있도록 유전체 클래드(33)와 접하여 한 쌍의 제1 금속-유전체 경계면들을 형성한다.
이러한 제1 금속층(31)의 입력 위치(Xi)에 TM 편광된 광자가 입사되면, 즉 제1 금속층(31)의 제1 금속-유전체 경계면들에 평행하게 자기장이 형성되도록 편광된 빛이 입사되면, 표면 플라즈몬 폴라리톤은 대칭 모드(s0)로 제1 금속층(31)과 유전체 클래드(33)가 이루는 제1 금속-유전체 경계면들을 따라 전파된다. 이를 위해, 유전체 클래드(33)는 대칭 모드(s0)에서 표면 플라즈몬 폴라리톤의 자기장이 적절히 형성될 수 있고 금속층을 물리적으로 또는 화학적으로 보호할 수 있을 정도의 두께를 가질 수 있다.
제1 및 제2 금속층들(31, 32) 위에 중첩된 > 모양의 도식은 결합 모드 SPP의 자기장 분포를 본딴 것으로 도파로를 따라 진행 중인 결합 모드 SPP를 상징한다. 결합 모드 SPP 앞에 표시된 화살표는 SPP의 진행 방향을 의미한다.
간극(34)은 입력 위치부터 제1 길이 di 만큼 길이를 갖도록 되어 있는 제1 금속층(31)이 종단하는 간극 시작 위치부터 시작하여, 제2 금속층(32)이 시작하는 간극 종료 위치까지 존재하며, 간극 시작 위치와 간극 종료 위치 사이의 거리인 간극 길이 dc 만큼 유전체로 채워진다.
제2 금속층(32)의 한 쌍의 제2 금속 표면들도 마찬가지로 대칭 모드 또는 비대칭 모드의 표면 플라즈몬 폴라리톤이 전파될 수 있도록 유전체 클래드(33)와 접하여 한 쌍의 제2 금속-유전체 경계면들을 형성한다.
이어서, 간극(34)에서 일어나는 현상을 살펴본다. 제1 금속층(31)의 표면을 따라 진행하던 결합 모드 SPP가 간극(34)의 간극 시작 위치에 도달하면, SPP의 전자기 파동에 의해 제2 금속층(32)의 간극 종료 위치에, SPP와 유사한 TM 모드의 전자기 파동이 여기된다.
이는 마치, 유사 입자인 SPP가 간극(34) 영역에 채워진 유전체 물질을 관통하면서 간극(34)을 건너 뛰어, 간극 종료 위치에서 시작하는 제2 금속층(32)에 다시 나타나는 것처럼 보인다.
간극(34)을 도약하여 제2 금속층(32)에 여기된 TM 모드 전자기 파동은 제2 금속층(32)의 한 쌍의 제2 금속-유전체 경계면들을 따라 계속 전파한다.
이때, 도 3의 예시적인 제1 및 제2 금속층들(31, 32)은 동일 평면 상에서 동일한 연장 방향을 가지도록 "- -"의 형태로 놓여 있지만, 설령 제2 금속층(32)의 연장 방향이 제1 금속층(31)의 연장 방향과 일치하지 않더라도, 다시 말해 제2 금속층(32)이 "_ ／"의 형태와 같이 비스듬하게 있더라도, SPP는 제1 금속층(31)에서 간극(34)을 도약하여 비스듬하게 놓인 제2 금속층(32)에 여기된다.
일단 제2 금속층(32)에 여기된 SPP는 제2 금속-유전체 경계면들을 따라 전파된다. 제2 금속층(32)의 연장 방향은 제1 금속층(31)의 연장 방향과 다르므로, 이는 마치 SPP의 진행 방향을 바꾸는 것과 마찬가지이다.
만약 제2 금속층(32)의 종단에 또 하나의 금속층이 간극을 두고 위치하며 그 금속층의 연장 방향이 제2 금속층(32)의 연장 방향과 다르다면, SPP의 진행 방향은 또 전환된다.
반면에 만약 간극이 없이 연속적인 Y자 형태의 금속층으로 SPP 모드를 두 개로 분기하려면, SPP 모드의 직진성 때문에 매우 긴 Y자 형태의 금속층이 필요하다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 플라즈몬 분리 장치를 예시한 개념도이다.
도 4를 참조하면, 광 플라즈몬 분리 장치(40)는 유전체 클래드(41), 입력 광 도파로(42), 출력 광 도파로(43), 제1 유전체 광 도파로(44), 제2 유전체 광 도파로(45) 및 플라즈모닉 도파로(46)를 포함할 수 있다.
유전체 클래드(41)는 광 도파로들(42, 43, 44, 45)에 대해 전반사 등 광학적 특성에 따라 광 도파로들(42, 43, 44, 45)을 통한 광의 전파를 보장할 수 있고, 금속 소재의 플라즈모닉 도파로(46)의 SPP 모드 여기 및 전파를 보장하며, 광 도파로들(42, 43, 44, 45)과 플라즈모닉 도파로(46)를 기계적으로 보호할 수 있는 소재와 치수를 가질 수 있다.
제1 유전체 광 도파로(44)는 유전체 클래드(41) 내에, 입력 광 도파로(42)에서 분기되고 출력 광 도파로(43)까지 연장되도록 형성될 수 있다.
입력 광 도파로(42) 및 출력 광 도파로(43)는 예를 들어 PLC(Planar Light Circuit) 광 소자들 또는 광섬유들과 호환되도록 형성될 수 있다.
입력 광 도파로(42)는 유전체 클래드(41) 내부에 소정 길이만큼 형성되고 입력 광 도파로(42)의 말단에서 제1 및 제2 유전체 광 도파로들(44, 45)이 Y 자의 형태로 분기되도록 형성된다.
제2 유전체 광 도파로(45)는 유전체 클래드(41) 내에, 입력 광 도파로(42)에서 분기되고 제1 유전체 광 도파로(44)보다 짧게 형성된다.
플라즈모닉 도파로(46)는 유전체 클래드(41) 내에, 제2 유전체 광 도파로(45)의 종단에 접하도록 형성된 적어도 하나의 금속층(461)으로 구성될 수 있다.
통상적으로 PLC 광 분기 장치(PLC splitter)는 분기된 광 신호들을 약 125 ㎛의 간격으로 출력시킬 수 있다. 대부분의 PLC 광 소자 또는 장치들이 이러한 치수에 맞춰 설계되고 있으므로 본 발명의 광 플라즈몬 분리 장치도 이러한 치수에 호환되도록 광 신호와 SPP 신호를 출력할 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 플라즈몬 분리 장치를 예시한 개념도이다.
도 5의 광 플라즈몬 분리 장치(50)는 도 4의 광 플라즈몬 분리 장치(40)와 대체로 유사하나, 다만 플라즈모닉 도파로(56)는 유전체 클래드(41) 내에 간극을 두고 불연속적으로 형성되는 적어도 두 개의 금속층들, 예를 들어 제1 내지 제N 금속층들(561 내지 564)을 포함할 수 있다.
이때, 제1 내지 제N 금속층들(561 내지 564) 중 일부 금속층들의 연장 방향들은 서로 평행하지 않을 수 있다.
특히 제1 내지 제N 금속층들(561 내지 564) 중 일부 금속층들의 연장 방향들은 서로 예각을 이룰 수 있다.
좀더 구체적으로, 제2 유전체 도파로(45)의 종단에서 제1 금속층(561)으로 광이 입사되는 방향과 제N 금속층(564)의 종단에서 플라즈몬 폴라리톤이 외부로 출력되는 방향은 서로 교차할 수 있고, 또한 제1 내지 제N 금속층들(561 내지 564) 사이에 (N-1) 개의 간극들이 형성될 수 있다.
도 5의 광 플라즈몬 분리 장치(50)는 원래의 입력 광 도파로(42)로 입사되는 광 신호의 진행 방향과 수직인 진행 방향으로 SPP 신호를 분리하여 송출할 수 있다.
만약 도 5의 광 플라즈몬 분리 장치(50)가 출력 광 도파로(43)로 출력하는 광 신호를 무시한다면, 도 5의 광 플라즈몬 분리 장치(50)는 입력되는 광 신호의 진행 방향을 90도 꺾으면서 SPP 신호로 변환하는 장치처럼 이용될 수 있다.
도 6은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 광 플라즈몬 분리 장치를 예시한 개념도이다.
도 6의 광 플라즈몬 분리 장치(60)는 도 4의 광 플라즈몬 분리 장치(40)와 대체로 유사하나, 다만 플라즈모닉 도파로(66)는 유전체 클래드(41) 내에 간극을 두고 불연속적으로 형성되는 적어도 두 개의 금속층들, 예를 들어 제1 내지 제N 금속층들(661 내지 664)을 포함할 수 있다.
좀더 구체적으로, 제2 유전체 도파로(45)의 종단에서 제1 금속층(561)으로 광이 입사되는 방향과 제N 금속층(564)의 종단에서 플라즈몬 폴라리톤이 외부로 출력되는 방향은 이격된 채로 서로 평행할 수 있고, 또한 제1 내지 제N 금속층들(561 내지 564) 사이에 (N-1) 개의 간극들이 형성될 수 있다.
도 6의 광 플라즈몬 분리 장치(60)는 원래의 입력 광 도파로(42)로 입사되는 광 신호의 진행 방향과 같은 진행 방향이면서 원하는 너비로 광 신호와 SPP 신호를 분리하여 송출할 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 광 플라즈몬 분리 방법을 예시한 순서도이다.
도 7을 참조하면, 광 플라즈몬 분리 방법은 단계(S71)에서 유전체 클래드(41) 내에 형성된 입력 광 도파로(42)에 광 신호를 입사하는 단계로부터 시작할 수 있다.
단계(S72)에서, 입력 광 도파로(42)에서 분기되고 출력 광 도파로(43)까지 연장되도록 유전체 클래드(41) 내에 형성되는 제1 유전체 광 도파로(44)를 따라 분기된 광 신호의 일부를 출력 광 도파로(43)까지 유도함으로써, 분기된 광 신호가 출력 광 도파로(43)로부터 출력될 수 있다.
단계(S73)에서, 입력 광 도파로(42)에서 분기되고 제1 유전체 광 도파로(44)보다 짧게 유전체 클래드(41) 내에 형성되는 제2 유전체 광 도파로(45)를 따라, 분기된 광 신호의 나머지 일부가 유도될 수 있다.
단계(S74)에서, 유전체 클래드(41) 내에, 제2 유전체 광 도파로(45)의 종단에 접하도록 형성된 적어도 하나의 금속층(461)으로 구성되는 플라즈모닉 도파로(46)에, 제2 유전체 광 도파로(45)의 종단에서 분기된 광 신호의 나머지 일부가 입사될 수 있다.
단계(S75)에서, 분기된 광 신호의 나머지 일부의 입사에 의해 플라즈모닉 도파로(46)에 여기된 표면 플라즈몬 폴라리톤을 플라즈모닉 도파로(46)를 구성하는 적어도 하나의 금속층(461)의 표면을 따라 유도할 수 있다.
이에 따라 본 발명에 따른 광 플라즈마 분리 방법은 입사되는 광 신호를 광 신호와 SPP 신호로 분리할 수 있다.
실시예에 따라, 단계(S75)는, 도 5의 플라즈모닉 도파로(56)처럼, 플라즈모닉 도파로가 서로 간극을 가지도록 형성된 제1 내지 제N 금속층들을 포함할 경우에, 표면 플라즈몬 폴라리톤이 어느 한 금속층에서 간극을 도약하여 다음 금속층에 여기된 후의 진행 방향이 이전 금속층에서 나타나는 진행 방향과 달라지도록 표면 플라즈몬 폴라리톤을 유도하는 단계를 포함할 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시예들에 따른 광 플라즈몬 분리 장치 형성 방법을 예시한 순서도이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따른 광 플라즈몬 분리 장치 형성 방법은, 단계(S81)에서, 유전체 클래드(41) 내에, 입력 광 도파로(42)에서 분기되고 출력 광 도파로(43)까지 연장되도록 제1 유전체 광 도파로(44)를 형성하는 단계로부터 시작할 수 있다.
이어서, 단계(S82)에서, 예를 들어 유전체 클래드(41) 내에, 입력 광 도파로(42)에서 분기되고 제1 유전체 광 도파로(44)보다 짧게 제2 유전체 광 도파로(45)를 형성할 수 있다.
다음으로 단계(S83)에서, 예를 들어 유전체 클래드(41) 내에, 제2 유전체 광 도파로(45)의 종단에 접하도록 형성된 적어도 하나의 금속층(461)으로 구성되는 플라즈모닉 도파로(46)를 형성할 수 있다.
실시예에 따라, 단계(S83)의 플라즈모닉 도파로를 형성하는 단계는, 도 5의 플라즈모닉 도파로(56)와 같이, 동일 평면 상의 제1 내지 제N 금속층들(561 내지 564)을, 제2 유전체 도파로(45)의 종단에서 제1 금속층(561)으로 광 신호가 입사되는 방향과 제N 금속층(564)의 종단에서 외부로 플라즈몬 폴라리톤이 출력되는 방향이 서로 교차하고 또한 제1 내지 제N 금속층들(561 내지 564) 사이에 (N-1) 개의 간극들이 형성되도록, 유전체 클래드(41) 내에 형성하는 단계일 수 있다.
또 다른 실시예에서, 단계(S83)의 플라즈모닉 도파로를 형성하는 단계는, 도 6의 플라즈모닉 도파로(66)와 같이, 동일 평면 상의 제1 내지 제N 금속층들(661 내지 664)을, 제2 유전체 도파로(45)의 종단에서 제1 금속층(661)으로 광 신호가 입사되는 방향과 제N 금속층(664)의 종단에서 외부로 플라즈몬 폴라리톤이 출력되는 방향이 이격된 채로 서로 평행하고 또한 제1 내지 제N 금속층들(661 내지 664) 사이에 (N-1) 개의 간극들이 형성되도록, 유전체 클래드(41) 내에 형성하는 단계일 수 있다.
본 실시예 및 본 명세서에 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 명확하게 나타내고 있는 것에 불과하며, 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형예와 구체적인 실시예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것이 자명하다고 할 것이다.
30 불연속 IMI 도파로 플라즈모닉 소자
31 제1 금속층
32 제2 금속층
33 유전체 클래드
34 간극
40, 50, 60 광 플라즈몬 분리 장치
41 유전체 클래드
42 입력 광 도파로
43 출력 광 도파로
44 제1 유전체 광 도파로
45 제2 유전체 광 도파로
46, 56, 66 플라즈모닉 도파로
461, 561, 562, 563, 564, 661, 662, 663, 664 금속층

Claims (11)

  1. 유전체 클래드 내에, 입력 광 도파로에서 분기되고 출력 광 도파로까지 연장되도록 형성되는 제1 유전체 광 도파로;
    상기 유전체 클래드 내에, 상기 입력 광 도파로에서 분기되고 상기 제1 유전체 광 도파로보다 짧게 형성되는 제2 유전체 광 도파로; 및
    상기 유전체 클래드 내에, 상기 제2 유전체 광 도파로의 종단에 접하도록 형성된 적어도 하나의 금속층으로 구성되는 플라즈모닉 도파로를 포함하는 광 플라즈몬 분리 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 플라즈모닉 도파로의 적어도 하나의 금속층은
    상기 유전체 클래드 내에 간극을 두고 불연속적으로 형성되는 적어도 두 개의 금속층들을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 플라즈몬 분리 장치.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 적어도 두 개의 금속층들 중 일부 금속층들의 연장 방향들은 서로 평행하지 않은 것을 특징으로 하는 광 플라즈몬 분리 장치.
  4. 청구항 2에 있어서, 상기 적어도 두 개의 금속층들 일부 금속층들의 연장 방향들은 서로 예각을 이루는 것을 특징으로 하는 광 플라즈몬 분리 장치.
  5. 청구항 2에 있어서, 상기 플라즈모닉 도파로는 제1 내지 제N 금속층들을 포함하고,
    상기 제1 내지 제N 금속층들은 동일 평면 상에 있으며,
    상기 제2 유전체 도파로의 종단에서 상기 제1 금속층으로 광이 입사되는 방향과 상기 제N 금속층의 종단에서 플라즈몬 폴라리톤이 출력되는 방향이 상기 유전체 클래드 내에서 서로 교차하고, 또한 상기 제1 내지 제N 금속층들 사이에 (N-1) 개의 간극들이 형성되도록, 상기 제1 내지 제N 금속층들이 상기 유전체 클래드 내에 형성되는 것을 특징으로 하는 광 플라즈몬 분리 장치.
  6. 청구항 2에 있어서, 상기 플라즈모닉 도파로는 제1 내지 제N 금속층들을 포함하고,
    상기 제1 내지 제N 금속층들은 동일 평면 상에 있으며,
    상기 제2 유전체 도파로의 종단에서 상기 제1 금속층으로 광이 입사되는 방향과 상기 제N 금속층의 종단에서 플라즈몬 폴라리톤이 출력되는 방향이 상기 유전체 클래드 내에서 이격된 채로 서로 평행하고, 또한 상기 제1 내지 제N 금속층들 사이에 (N-1) 개의 간극들이 형성되도록, 상기 제1 내지 제N 금속층들이 상기 유전체 클래드 내에 형성되는 것을 특징으로 하는 광 플라즈몬 분리 장치.
  7. 유전체 클래드 내에 형성된 입력 광 도파로에 광을 입사하는 단계;
    상기 입력 광 도파로에서 분기되고 출력 광 도파로까지 연장되도록 상기 유전체 클래드 내에 형성되는 제1 유전체 광 도파로를 따라 분기된 광의 일부를 상기 출력 광 도파로까지 유도하여 상기 출력 광 도파로로부터 출력하는 단계; 및
    상기 입력 광 도파로에서 분기되고 상기 제1 유전체 광 도파로보다 짧게 상기 유전체 클래드 내에 형성되는 제2 유전체 광 도파로를 따라, 상기 분기된 광의 나머지 일부를 유도하는 단계;
    상기 유전체 클래드 내에, 상기 제2 유전체 광 도파로의 종단에 접하도록 형성된 적어도 하나의 금속층으로 구성되는 플라즈모닉 도파로에, 상기 제2 유전체 광 도파로의 종단에서 상기 분기된 광의 나머지 일부를 입사하는 단계; 및
    상기 분기된 광의 나머지 일부의 입사에 의해 상기 플라즈모닉 도파로에 여기된 표면 플라즈몬 폴라리톤을 상기 플라즈모닉 도파로의 적어도 하나의 금속층의 표면을 따라 유도하는 단계를 포함하는 광 플라즈몬 분리 방법.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 표면 플라즈몬 폴라리톤을 유도하는 단계는,
    상기 플라즈모닉 도파로가 서로 간극을 가지도록 형성된 제1 내지 제N 금속층들을 포함할 경우에, 표면 플라즈몬 폴라리톤이 어느 한 금속층에서 간극을 도약하여 다음 금속층에 여기된 후의 진행 방향이 이전 금속층에서 나타나는 진행 방향과 달라지도록 상기 표면 플라즈몬 폴라리톤을 유도하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 플라즈몬 분리 방법.
  9. 유전체 클래드 내에, 입력 광 도파로에서 분기되고 출력 광 도파로까지 연장되도록 제1 유전체 광 도파로를 형성하는 단계;
    상기 유전체 클래드 내에, 상기 입력 광 도파로에서 분기되고 상기 제1 유전체 광 도파로보다 짧게 제2 유전체 광 도파로를 형성하는 단계; 및
    상기 유전체 클래드 내에, 상기 제2 유전체 광 도파로의 종단에 접하도록 형성된 적어도 하나의 금속층으로 구성되는 플라즈모닉 도파로를 형성하는 단계를 포함하는 광 플라즈몬 분리 장치 형성 방법.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 플라즈모닉 도파로를 형성하는 단계는,
    동일 평면 상의 제1 내지 제N 금속층들을, 상기 제2 유전체 도파로의 종단에서 제1 금속층으로 광이 입사되는 방향과 제N 금속층의 종단에서 플라즈몬 폴라리톤이 방향이 상기 유전체 클래드 내에서 서로 교차하고 또한 상기 제1 내지 제N 금속층들 사이에 (N-1) 개의 간극들이 형성되도록, 상기 유전체 클래드 내에 형성하는 것을 특징으로 하는 광 플라즈몬 분리 장치 형성 방법.
  11. 청구항 9에 있어서, 상기 플라즈모닉 도파로를 형성하는 단계는,
    동일 평면 상의 제1 내지 제N 금속층들을, 상기 제2 유전체 도파로의 종단에서 제1 금속층으로 광이 입사되는 방향과 제N 금속층의 종단에서 플라즈몬 폴라리톤이 상기 유전체 클래드 내에서 이격된 채로 서로 평행하고 또한 상기 제1 내지 제N 금속층들 사이에 (N-1) 개의 간극들이 형성되도록, 상기 유전체 클래드 내에 형성하는 것을 특징으로 하는 광 플라즈몬 분리 장치 형성 방법.
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