KR102026738B1 - 광변조기 및 이를 이용한 광의 각도 조절 방법 - Google Patents

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Abstract

광변조기를 제공한다. 본 광변조기는 유전체층; 및 상기 유전체층상에 배치되는 금속층;을 포함하고, 상기 금속층에 입사되는 제1 주파수 대역의 제1 광과 상기 제2 주파수 대역의 제2 광은 서로 다른 굴절각으로 상기 금속층으로부터 출사된다.

Description

광변조기 및 이를 이용한 광의 각도 조절 방법{Optical modulator and Method of adjusting optical angle using the the same}
본 개시는 표면 플라즈몬을 이용하여 광의 굴절각을 조절하는 광변조기 및 이를 이용한 광의 각도 조절 방법에 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 집적될 수 있다. 광집적 회로는, 예를 들어, 광기록/재생 장치, 광통신 장치, 디스플레이 장치, 광 컴퓨터 등의 분야에서 다양하게 적용될 수 있다.
한편, 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 그 크기를 수 ㎛ 미만으로 제작하는 것이 어렵다. 따라서, 광학 소자를 이용하여 집적된 광학적 회로를 만드는데 한계가 있다.
따라서, 고밀도의 집적 회로에 적용될 수 있는 광변조기의 연구가 진행되고 있다.
본 실시예는 파장에 따라 다른 각도로 광을 굴절시키는 광변조기를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광변조기는, 유전체층; 및 상기 유전체층상에 배치되는 금속층;을 포함하고, 상기 금속층에 입사되는 제1 주파수의 제1 광과 상기 제2 주파수의 제2 광은 표면 플라즈몬의 발생에 의해 서로 다른 굴절각으로 상기 금속층으로부터 출사된다.
그리고, 제1 광과 상기 제2 광은 상기 금속층에 동일한 입사각으로 출사될 수 있다.
또한, 상기 제1 광은 음의 굴절률로 상기 금속층으로부터 출사되고, 상기 제2 광은 양의 굴절률로 상기 금속층으로부터 출사될 수 있다.
그리고, 상기 제1 주파수는 상기 제2 주파수보다 높을 수 있다.
또한, 상기 제1 광과 상기 제2 광의 주파수 차가 클수록 상기 굴절각의 차가 클 수 있다.
그리고, 상기 표면 플라즈몬은 상기 금속층과 상기 유전체층 사이에서 발생될 수 있다.
또한, 상기 금속층은 상기 유전체층의 일부 영역 상에 배치될 수 있다.
그리고, 상기 제1 및 제2 광이 상기 금속층으로부터 출사되는 상기 금속층의 출사단은 상기 금속층의 길이 방향에 대해 수직일 수 있다.
또한, 상기 제1 및 제2 광이 상기 금속층으로부터 출사되는 상기 금속층의 출사단은 상기 금속층의 길이 방향에 대해 기울어질 수 있다.
그리고, 상기 금속층은 길이, 폭 및 두께를 가지는 육면체 형상일 수 있다.
또한, 상기 폭 및 두께 중 적어도 하나에 따라 상기 굴절각이 정해질 수 있다.
그리고, 상기 금속층의 두께는 50nm이상 일 수 있다.
또한, 상기 금속층의 폭은 광의 파장보다 작을 수 있다.
그리고, 상기 광변조기는 광 라우터일 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 광변조기의 제조 방법은, 유전체층을 마련하는 단계; 및 상기 유전체층상의 일 영역에 금속층을 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 금속층의 두께 및 폭 중 적어도 하나는 상기 금속층으로부터 출사되는 광의 굴절각을 위해 조절될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 광변조기는 표면 플라즈몬의 발생에 의해 음의 유효굴절률을 갖기 때문에 보다 명확하게 광을 분류할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광변조기를 도시한 도면이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 단일의 유전체층과 금속층으로 형성된 광변조기에서 광의 파수와 주파수간의 관계를 나타내는 분산 관계를 도시한 도면이다.
도 2b는 도 2a의 분산 관계 중 특정 주파수 대역에서의 파수와 주파수간의 관계를 확대한 도면이다.
도 3은 도 2b의 제1 내지 제4 광이 광변조기로부터 출사될 때의 굴절각을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광변조기를 개략적으로 도시한 도면이다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 광변조기에 대해 첨부 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 광변조기를 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 변조기는 유전체층 및 유전체층(140)상에 배치되는 금속층(170)을 포함할 수 있다.
유전체층(140)은 유전 물질로 형성될 수 있다. 유전 물질은 액정과 같이 전기적 신호에 의해 굴절각이 변하거나 열적 신호에 의해 유전율이 변하는 물질를 포함할 수 있다. 예를 들어, 유전 물질은 ZrO2, TiO2, MgO, CeO2, Al2O3, HfO2, NbO, SiO2, 유리 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
금속층(170)은 유전체층(140)상에 배치되며, 표면 플라즈몬을 발생시키기 쉬운 금속일 수 있다. 예를 들어, 금속층(170)은 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al)과 같은 금속 재료로 이루어질 수 있다. 그 외에도 구리(Cu), 납(Pb), 인듐(In), 주석(Sn), 카드뮴(Cd) 등과 같은 금속을 사용할 수도 있다. 금속층(170)(120)의 두께는 50nm이상일 수 있고, 금속층(170)의 폭은 광의 파장, 예를 들어, 1㎛이하일 수 있다.
금속층(170)은 유전체층(140)의 일 영역에만 배치되어 입사된 광을 가이드할 수 있다. 금속층(170)은 폭(W), 두께(t) 및 길이(d)를 갖는 육면체일 수 있다. 그리고,
한편, 금속층(170)으로 광이 입사되면, 광, 유전체층(140) 및 금속층(170)간의 관계가 표면 플라즈몬 발생 조건을 만족시키는 경우, 유전체층(140)과 금속층(170)의 계면에서 표면 플라즈몬이 발생한다. 표면 플라즈몬은 금속층(170)과 유전체층(140)의 계면을 따라 진행할 수 있는 전자기장의 모드(mode)로서 입사광의 에너지가 금속층(170)내의 자유전자를 여기시킨 결과로 발생하는 전하밀도 진동을 말한다. 이러한 표면 플라즈몬은 계면을 따라 진행하는 횡방향 자기(transverse magnetic) 편광 파로써 금속층(170)과 유전체층(140)의 계면에서 최대값을 보이고, 금속층(170)의 표면에 수직한 방향으로는 지수함수적으로 감소한다. 상기와 같이 광변조기에 표면 플라즈몬이 발생하게 되면, 광은 매질의 굴절률을 유전체층(140) 및 금속층(170) 각각 고유한 굴절률로 인식하는 것이 아니라, 금속층(170)의 굴절률과 유전체층(140)의 굴절률에 대한 조합으로 형성된 유효 굴절률로 인식한다.
예를 들어, 단일의 금속층(170)과 단일의 유전체층(140)으로 구성된 광변조기에서 표면 플라즈몬이 발생되면, 광의 파수(
Figure 112013013951221-pat00001
)는 하기 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112013013951221-pat00002
여기서,
Figure 112013013951221-pat00003
는 금속층(170)에 입사하는 광의 각주파수이고,
Figure 112013013951221-pat00004
는 광의 속도이며,
Figure 112013013951221-pat00005
는 금속층(170)의 유전율이며,
Figure 112013013951221-pat00006
는 유전체층(140)의 유전율이다. 한편, 유전율은 광의 주파수 등에 따라 변하므로, 광의 파수는 주파수와 단순 비례하지 않는다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 단일의 유전체층과 금속층으로 형성된 광변조기에서 광의 파수와 주파수간의 관계를 나타내는 분산 관계를 도시한 도면이고, 도 2b는 도 2a의 분산 관계 중 특정 주파수 대역에서의 파수와 주파수간의 관계를 확대한 도면이다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 낮은 주파수 대역의 광이 입사되면, 상기한 광은 광자와 같은 분산 관계를 갖는다. 즉, 광의 주파수와 파수는 비례한다. 한편, 높은 주파수 대역의 광이 입사되면, 유전체층과 금속층 사이에 표면 플라즈몬이 발생하여, 분산 관계는 적어도 1회 이상의 변곡점을 갖는다. 즉, 특정 주파수의 광은 주파수와 파수가 반비례할 수 있다.
그리고, 분산 관계에서 특정 지점의 기울기의 역수는 상기한 특정 지점에 해당하는 주파수를 갖는 파에 대한 의 광변조기의 유효 굴절률(effective index,
Figure 112013013951221-pat00007
)을 의미한다.
예를 들어, 도 2b를 참조하면, 제1 주파수를 갖는 제1 광(L1)은 분산 관계에서 큰 양의 기울기를 갖으므로, 상기한 제1 광(L1)에 대한 광변조기는 작은 양의 굴절률을 갖는다. 그리고, 제2 주파수를 갖는 제2 광(L2)은 분산 관계에서 작은 양의 기울기를 갖으므로, 상기한 제2 광(L2)에 대한 광변조기는 큰 양의 굴절률을 갖는다. 뿐만 아니라, 제3 주파수를 갖는 제3 광(L3)은 분산 관계에서 작은 음의 기울기를 갖으므로, 상기한 제3 광(L3)에 대한 광변조기는 큰 음의 굴절률을 갖는다. 그리고, 제4 주파수를 갖는 제4 광(L4)은 분산 관계에서 작은 음의 기울기를 갖으므로, 상기한 제4 광(L4)에 대한 상기한 광변조기는 큰 음의 굴절률를 갖는다.
그리고, 복수 개의 광이 광변조기로부터 출사될 때에는 스넬의 법칙에 의해 외부로 굴절하게 된다. 즉, 제1 광(L1)은 큰 양의 굴절각으로 굴절하게 되고, 제2 광(L2)은 작은 양의 굴절각으로 굴절하게 되면, 제3 광(L3)은 작은 음의 굴절각으로 굴절하게 된다. 그리고, 제4 광(L4)은 큰 음의 굴절각으로 굴절하게 된다. 그리하여, 서로 다른 에너지를 갖는 복수 개의 광은 동일한 입사각으로 광변조기로부터 출사된다 하더라도, 상기한 복수 개의 광은 각기 다른 굴절각으로 외부로 굴절할 수 있다.
도 3은 도 2b의 제1 내지 제4 광이 광변조기로부터 출사될 때의 굴절각을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 내지 제4 광(L1, L2, L3, L4)이 동일한 입사각으로 광변조기를 출사한다 하더라도 각기 다른 굴절각으로 굴절하게 된다. 그리하여, 제1 내지 제4 광(L1, L2, L3, L4)이 하나의 도파로인 광변조기를 통해 진행한다 하더라도, 광변조기에서 출사할 때에는 각기 다른 굴절률로 굴절되어 제1 내지 제4 광(L1, L2, L3, L4)이 용이하게 분류될 수 있다. 상기한 광변조기는 복수 개의 광을 각기 다른 각도로 굴절시켜 분류하는 광 라우터로 활용될 수 있다. 더 나아가, 상기한 광변조기는 광집적 회로의 광변조에 활용될 수 있다.
특히, 광변조기에는 특정 주파수 대역의 광에 대해서는 음의 굴절률을 갖으므로, 광변조기로부터 출사되는 광은 음의 굴절각으로 굴절할 수 있다. 따라서, 본 발명의 광변조기는 복수 개의 광을 최대 180도 범위내에서 분류할 수 있다. 따라서, 표면 플라즈몬을 이용하게 되면, 광을 보다 넓은 범위의 각도에서 분류할 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광변조기의 평면도를 도시한 도면이다. 도 4에 도시된 광변조기와 도 1에 도시된 광변조기를 비교하면 금속층(170)의 형상이 상이할 뿐 다른 구성요소는 동일하다. 도 1에 도시된 금속층(170)은 금속층(170)으로 광이 입사되는 입사단과 금속층(170)으로부터 광이 출사되는 출사단은 금속층(170)의 길이 방향에 대해 수직이다. 그리하여, 광은 입사단을 통해 금속층(170)으로 입사한 후 길이 방향으로 진행하여 출사단을 통해 외부로 출사된다. 한편, 도 4에 도시된 금속층(170)의 입사단(172)은 금속층(170)의 길이 방향에 대해 수직이지만, 출사단(174)은 길이 방향에 대해 약간 기울어져 있다. 그리하여, 복수 개의 광은 각기 다른 각도로 광변조기로부터 출사되어 복수 개의 광은 보다 다른 굴절각으로 굴절될 수 있다. 그리하여, 금속층(170)의 길이 방향에 대한 출사단의 기울기를 변경함으로써 광변조기에서 출사되는 광의 굴절각을 조절할 수 있다.
또한, 광변조기를 통과하는 광의 파수는 유전체층(140) 및 금속층(170)의 유전율과 관련성이 있으므로, 유전체층(140) 및 금속층(170)의 유전율 중 적어도 하나를 조절함으로써, 광변조기에서 출사되는 광의 굴절각을 조절할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 버퍼 구조체 및 이를 포함한 반도체 소자는 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (15)

  1. 유전체층; 및
    상기 유전체층상에 배치되는 금속층;을 포함하고,
    상기 금속층에 입사되는 제1 주파수의 제1 광과 제2 주파수의 제2 광은 표면 플라즈몬의 발생에 의해 서로 다른 굴절각으로 상기 금속층으로부터 출사되며,
    상기 금속층은 폭이 상기 유전체층의 폭보다 작은 육면체 형상이고, 상기 금속층의 입사단은 상기 금속층의 길이 방향에 대해 수직인 반면 상기 금속층의 출사단은 상기 금속층의 길이 방향에 대해 기울어져 있는 광변조기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 광과 상기 제2 광은 상기 금속층에 동일한 입사각으로 입사되는 광변조기.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 광은 음의 굴절률로 상기 금속층으로부터 출사되고,
    상기 제2 광은 양의 굴절률로 상기 금속층으로부터 출사되는 광변조기.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 제1 주파수는 상기 제2 주파수보다 높은 광변조기.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 광과 상기 제2 광의 주파수 차가 클수록 상기 굴절각의 차가 큰 광변조기.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 표면 플라즈몬은 상기 금속층과 상기 유전체층 사이에서 발생되는 광변조기.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 금속층은 상기 유전체층의 일부 영역 상에 배치된 광변조기.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 금속층의 폭 및 상기 금속층의 두께 중 적어도 하나에 따라 상기 굴절각이 조절되는 광변조기.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 금속층의 두께는 50nm이상인 광변조기.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 금속층의 폭은 1㎛이하인 광변조기.
  14. 제 1항에 있어서,
    상기 광변조기는 광 라우터인 광변조기.
  15. 광변조기의 제조 방법에 있어서,
    유전체층을 마련하는 단계; 및
    상기 유전체층상의 일 영역에 금속층을 형성하는 단계;를 포함하고,
    상기 금속층은 폭이 상기 유전체층의 폭보다 작은 육면체 형상이고, 상기 금속층의 입사단은 상기 금속층의 길이 방향에 대해 수직인 반면 상기 금속층의 출사단은 상기 금속층의 길이 방향에 대해 기울어져 있으며,
    상기 금속층으로부터 출사되는 광의 굴절각은 상기 금속층의 두께 및 폭 중 적어도 하나에 의해 조절되는 광변조기의 제조 방법.
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