최근 광 격자구조나(photonic crystal) 표면 플라즈몬파(surface plasmon) 혹은 실리콘을 이용한 나노(nano) 스케일의 광 회로 시스템에 대한 연구가 활발한데, 이는 이미 한계에 다다른 전자회로속도의 한계를 극복하고 지금보다도 훨씬 작은 회로를 구성할 수 있는 이점이 있기 때문이다. 현재까지 보고된 바 있는 광 결합 시스템들은 그 크기가 나노 스케일의 광 회로 시스템에 비해 커서 광 결합 시스템으로서의 의미가 퇴색되고 있는데 본 논문에서는 매우 짧은 초점 거리를 가지며 매우 얇은 구조를 가지는 프레넬 렌즈를 이용한 광 결합 시스템을 제안하여 광 결합 시스템을 나노 스케일 광 회로 시스템과 비교할 수 있을 정도로 소형화 하는 방법을 모색하였다. 본 논문에서는 금 슬릿을 채용한 프레넬 렌즈를 제안하여 설계하고 그 구조를 이용해 2차원 전산모사를 수행하였다. 그 결과, 일반 프레넬 렌즈의 광 결합 효율이 약 43%인데 반해, 금 슬릿을 채용한 프레넬 렌즈의 광 결합 효율은 가장 효율적인 구조로 설계하였을 경우에 최대 약 65%의 광 결합 효율을 보인다. 일반 프레넬 렌즈에 비해 50% 이상의 광 결합 효율의 향상을 달성하였다.
최근 광 격자구조나(photonic crystal) 표면 플라즈몬파(surface plasmon) 혹은 실리콘을 이용한 나노(nano) 스케일의 광 회로 시스템에 대한 연구가 활발한데, 이는 이미 한계에 다다른 전자회로속도의 한계를 극복하고 지금보다도 훨씬 작은 회로를 구성할 수 있는 이점이 있기 때문이다. 현재까지 보고된 바 있는 광 결합 시스템들은 그 크기가 나노 스케일의 광 회로 시스템에 비해 커서 광 결합 시스템으로서의 의미가 퇴색되고 있는데 본 논문에서는 매우 짧은 초점 거리를 가지며 매우 얇은 구조를 가지는 프레넬 렌즈를 이용한 광 결합 시스템을 제안하여 광 결합 시스템을 나노 스케일 광 회로 시스템과 비교할 수 있을 정도로 소형화 하는 방법을 모색하였다. 본 논문에서는 금 슬릿을 채용한 프레넬 렌즈를 제안하여 설계하고 그 구조를 이용해 2차원 전산모사를 수행하였다. 그 결과, 일반 프레넬 렌즈의 광 결합 효율이 약 43%인데 반해, 금 슬릿을 채용한 프레넬 렌즈의 광 결합 효율은 가장 효율적인 구조로 설계하였을 경우에 최대 약 65%의 광 결합 효율을 보인다. 일반 프레넬 렌즈에 비해 50% 이상의 광 결합 효율의 향상을 달성하였다.
Recently, much research has been done for to realizeing nano-scale photonic circuits based on photonic crystal, plasmonics and silicon photonics in order to overcome fundamental limits of electronic circuits. These limits include such as bottleneck of speed, and size that cannot be reduced. Even tho...
Recently, much research has been done for to realizeing nano-scale photonic circuits based on photonic crystal, plasmonics and silicon photonics in order to overcome fundamental limits of electronic circuits. These limits include such as bottleneck of speed, and size that cannot be reduced. Even though several kinds of coupling schemes have been reported, coupling structures are still large when it is compared with the nano-scale optical circuit. In this paper, we proposed using a very thin Fresnel lens while shortening the focal length of the Fresnel lens as much as possible. We proposed, for the first time, to utilize metal slits that are able to use the optical coupling system between a nano-scale optical circuit and the standard single mode optical fiber for overcoming the limitation of focal length shortening of the Fresnel lens. Comparative study has been carried out with a FDTD simulation between normal and metal slit assisted Fresnel lens. From the result of simulation, we can achieve 65% coupling efficiency for the metal-slit Fresnel lens when the focal length of metal-slit Fresnel lens is just $4{\mu}m$. On the other hand, the coupling efficiency of the normal Fresnel lens is about 43%.
Recently, much research has been done for to realizeing nano-scale photonic circuits based on photonic crystal, plasmonics and silicon photonics in order to overcome fundamental limits of electronic circuits. These limits include such as bottleneck of speed, and size that cannot be reduced. Even though several kinds of coupling schemes have been reported, coupling structures are still large when it is compared with the nano-scale optical circuit. In this paper, we proposed using a very thin Fresnel lens while shortening the focal length of the Fresnel lens as much as possible. We proposed, for the first time, to utilize metal slits that are able to use the optical coupling system between a nano-scale optical circuit and the standard single mode optical fiber for overcoming the limitation of focal length shortening of the Fresnel lens. Comparative study has been carried out with a FDTD simulation between normal and metal slit assisted Fresnel lens. From the result of simulation, we can achieve 65% coupling efficiency for the metal-slit Fresnel lens when the focal length of metal-slit Fresnel lens is just $4{\mu}m$. On the other hand, the coupling efficiency of the normal Fresnel lens is about 43%.
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문제 정의
)이다. 본 연구에서는 최적화된 금속 슬릿 프레넬 렌즈 구조를 찾기 위해 그림 7과 같이 여러 경우에 대해 설계하고 전산모사 하여 최적 구조의 금속 슬릿 프레넬 렌즈를 실현하기 위해 노력하였다. 그 결과 가장 최적화된 금속 슬릿 프레넬 렌즈의 경우인 위상 정합 너비가 210 nm, dielectric width가 150 nm, metal width가 60 nm일 때 가장 높은 65%의 광 결합 효율을 보였으며 이는 전반사 문제가 존재하는 일반 프레넬 렌즈의 43%에 비해 약 50%이상의 광 결합 효율 향상을 실현하였다.
[7] 그러나 유리나 실리콘 등의 일반적 물질을 이용한 프레넬 렌즈에서 초점거리를 극단적으로 짧게 할 경우 예상치 못한 문제가 발생하는데 이는 그림 1에서 보는 바와 같이 초점 거리가 극단적으로 짧아서 입사한 빛이 프레넬 렌즈 영역의 일부에서 초점으로 굴절되어 진행할 때 프레넬 렌즈영역과 자유공간(Free Space)사이에서 전반사가 일어나는 문제이다. 이러한 문제는 금속 슬릿을 이용해 렌즈를 설계할 경우에 해결할 수 있는데, 본 논문에서는 금속 슬릿의 도움으로 매우 짧은 초점거리를 가지는 프레넬 렌즈를 처음으로 제안하고 디자인 하여 일반적인 프레넬 렌즈와의 차이를 유한차분법을(FDTD: finite difference time domain) 이용한 전산모사를 통해 비교해 본다.
가설 설정
그림 4. (a) 위상 정합 너비와 슬릿 길이의 정의 (b)금속 슬릿의 위치와 위상 정합 너비.
제안 방법
계산으로 얻어지는 파동진행상수로부터 렌즈를 디자인 할 수 있으며, 이 때 슬릿 사이를 통과하는 빛은 슬릿을 따라 직진으로 통과하기 때문에 매우 짧은 초점거리를 가지는 렌즈에서 나타나는 전반사 문제를 해결할 수 있는 좋은 방법이 될 수 있다. 그림 2와 같이 전반사 문제가 일어나는 프레넬 렌즈 영역을 금속 슬릿을 채용한 프레넬 렌즈구조로 설계하여 전반사 문제를 해결하고자 하였다.
εm은 금속의 상대 유전율이며 본 논문에서는 금(gold)을 이용하였다. 금의 유전율은 금을 통과하는 빛의 파장에 따라 달라지며 본 논문에서는 1550 nm 파장에 대하여 전산모사 함에 따라 1550 nm에서의 유전율인 -140+i10을 이용하였다.[10]
그림 6은 일반 프레넬 렌즈와 금속 슬릿을 채용한 프레넬 렌즈에 대한 전산모사 결과를 비교한 그림이다. 렌즈를 진행하는 빛의 포인팅 벡터(Poynting Vector)의 크기를 서로 비교하였다. 여기서 수행한 전산모사는 2차원 전산모사이며 설계된 렌즈의 구조 역시 2차원적인 구조임을 밝혀둔다.
이론/모형
전산모사는 1550 nm 파장의 Gaussian Beam을 이용하였으며 spot size는 10 μm로 일반적인 단일모드 광섬유의 코어 size와 비슷한 수준으로 수행하였다.
성능/효과
그림6(a)에서 볼 수 있듯이 일반적인 프레넬 렌즈의 경우는 렌즈구조 가장자리에서 전반사 문제로 인해 초점으로 모이지 않고 퍼져나가는 빛이 발견되는데 이와 같은 문제로 인해 일반적인 프레넬 렌즈에서는 최대 43%의 광 결합 효율이 달성되는 것을 확인할 수 있다. 이에 반해 그림 6(b)의 금속 슬릿을 채용한 프레넬 렌즈의 경우는 전반사 문제에 발생하는 영역에 금속 슬릿을 채용함으로써 전반사 문제를 해결하였음을 확인할 수 있고 가장 최적의 렌즈 구조에서 최대 65%의 광 결합 효율을 달성하였다.
본 연구에서는 최적화된 금속 슬릿 프레넬 렌즈 구조를 찾기 위해 그림 7과 같이 여러 경우에 대해 설계하고 전산모사 하여 최적 구조의 금속 슬릿 프레넬 렌즈를 실현하기 위해 노력하였다. 그 결과 가장 최적화된 금속 슬릿 프레넬 렌즈의 경우인 위상 정합 너비가 210 nm, dielectric width가 150 nm, metal width가 60 nm일 때 가장 높은 65%의 광 결합 효율을 보였으며 이는 전반사 문제가 존재하는 일반 프레넬 렌즈의 43%에 비해 약 50%이상의 광 결합 효율 향상을 실현하였다. 본 논문의 이론을 바탕으로 한 소자의 공정은 상당히 어려울 것으로 판단 되지만 제안한 이론을 바탕으로 적절한 파라미터와 물질들을 이용하고 공정 방법에 맞는 디자인을 한다면, 제안된 소자는 최근 계속해서 많은 사람들이 연구하며 발전시키고 있는 나노 스케일의 공정을 통한 플라즈몬파 이용의 가장 적절한 활용처가 될 것으로 기대 된다.
후속연구
그 결과 가장 최적화된 금속 슬릿 프레넬 렌즈의 경우인 위상 정합 너비가 210 nm, dielectric width가 150 nm, metal width가 60 nm일 때 가장 높은 65%의 광 결합 효율을 보였으며 이는 전반사 문제가 존재하는 일반 프레넬 렌즈의 43%에 비해 약 50%이상의 광 결합 효율 향상을 실현하였다. 본 논문의 이론을 바탕으로 한 소자의 공정은 상당히 어려울 것으로 판단 되지만 제안한 이론을 바탕으로 적절한 파라미터와 물질들을 이용하고 공정 방법에 맞는 디자인을 한다면, 제안된 소자는 최근 계속해서 많은 사람들이 연구하며 발전시키고 있는 나노 스케일의 공정을 통한 플라즈몬파 이용의 가장 적절한 활용처가 될 것으로 기대 된다.
지금까지 보고된 광 결합 시스템들에 비해서 그 크기 즉 단일모드 광섬유와 광 회로 내부 도파로의 연결 길이를 줄일 수 있는 방법으로 생각해 볼 수 있는 것이 마이크로 렌즈를 이용하여 그 렌즈의 두께가 매우 얇고 초점거리도 매우 짧다면 광 결합 시스템의 크기는 획기적으로 줄일 수 있을 것이다. 이때 렌즈를 얇게 디자인 하기 위해서는 프레넬 렌즈(Fresnel lens)구조를 가져야 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
금속 슬릿 내부를 통과하는 빛의 특징은?
금속 슬릿의 플라즈몬 현상에 의한 굴절률 차이를 이용해 빛의 방향을 조절할 수 있다는 사실이 최근에 많이 보고 되고 있다.[8-9] 즉 금속 슬릿 내부를 통과하는 빛은 플라즈몬 현상에 의해 굴절률 값이 더 커지게 되며 그에 따라 슬릿 내부의 파동진행상수 β3(propagation constant)가 변하게 되는데 이 상수는 식 (1)을 통해 계산 할 수 있다.[8]
지금까지 보고된 광 결합 시스템들에 비해서 그 크기 즉 단일모드 광섬유와 광 회로 내부 도파로의 연결 길이를 줄일 수 있는 방법으로 생각해 볼 수 있는 것은 무엇이 있는가?
지금까지 보고된 광 결합 시스템들에 비해서 그 크기 즉 단일모드 광섬유와 광 회로 내부 도파로의 연결 길이를 줄일 수 있는 방법으로 생각해 볼 수 있는 것이 마이크로 렌즈를 이용하여 그 렌즈의 두께가 매우 얇고 초점거리도 매우 짧다면 광 결합 시스템의 크기는 획기적으로 줄일 수 있을 것이다. 이때 렌즈를 얇게 디자인 하기 위해서는 프레넬 렌즈(Fresnel lens)구조를 가져야 한다.
최근 광 격자구조나(photonic crystal) 표면 플라즈몬파(surface plasmon) 혹은 실리콘을 이용한 나노(nano) 스케일의 광 회로 시스템의 구현이 활발하게 진행되고 있는 이유는?
최근 광 격자구조나(photonic crystal) 표면 플라즈몬파(surface plasmon) 혹은 실리콘을 이용한 나노(nano) 스케일의 광 회로 시스템의 구현이 활발하게 진행되고 있다. 이는 전자회로 속도의 한계를 극복하고 지금보다도 훨씬 작은 회로를 만들 수 있도록 하기 위함이다. 한 예로 최근에는 광 격자 구조를 이용한 광 아날로그 디지털 변환기가(photonic analog-to-digital converter) 보고되었다.
참고문헌 (10)
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M. Ken McGaugh, Carl M. Verber, and Richard P. Kenan, “Modified integrated optic Fresnel lens for waveguide-tofiber coupling,” Appl. Opt., vol. 34, no. 9, pp. 1562-1568, March 1995
Zhijun Sun and Hong Koo Kim, “Refractive transmission of light and beam shaping with metallic nano-optic lenses,” Appl. Phys. Lett., vol. 85, no. 4, pp. 642-644, July 2004
Rakic A. D., Djurisic A. B., Elazar J. M., and Majewski M. L., “Optical properties of metallic films for verticalcavity optoelectronic devices,” Appl. Opt., vol. 37, no. 22, pp. 5271-5283, 1998
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