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광 결합 및 집속도 향상을 위한 금속 슬릿 프레넬 렌즈의 설계
Design of Metal-Slit Fresnel Lens for Enhanced Coupling Efficiency 원문보기

한국광학회지 = Korean journal of optics and photonics, v.20 no.1, 2009년, pp.1 - 5  

박동원 (서울대학교 전기컴퓨터 공학부) ,  정영진 (서울대학교 전기컴퓨터 공학부) ,  구석모 (서울대학교 전기컴퓨터 공학부) ,  유선규 (서울대학교 전기컴퓨터 공학부) ,  박남규 (서울대학교 전기컴퓨터 공학부) ,  전영민 (한국과학기술연구원) ,  이석 (한국과학기술연구원)

초록
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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.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

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...

주제어

AI 본문요약
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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.
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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.
질의응답 정보가 도움이 되었나요?

참고문헌 (10)

  1. Sunkyu Yu, Sukmo Koo, and Namkyoo Park, “Coded output photonic A/D converter based on photonic crystal slow-light structures,” Opt. Exp., vol. 16, no 18, pp. 13752-13757, September 2008 

  2. Paul E. Barclay, Kartik Srinivasan, Matthew Borselli, and Oskar Painter, “Efficient input and output fiber coupling to a photonic crystal waveguide,” Opt. Lett., vol. 29, no. 7, pp. 697-699, 2004 

  3. L. Vivien, S. Laval, E. Cassan, X.Le Roux, and D. Pascal, “2-D taper for low-loss coupling between polarizationinsensitive microwaveguides and single-mode optical fibers,” J. Lightwave Technol., vol. 21, pp. 2429-2433, 2003 

  4. V. Nguyen, T. Montalbo, C. Manolatou, A. Agarwal, C. Hong, J. Yasaitis, L. C. Kimerling, and J. Michel, “Siliconbased highly-efficient fiber-to-waveguide coupler for high index contrast systems,” Appl. Phys. Lett., vol. 88, 081112, 2006 

  5. F. Van Laere, G. Roelkens, M. Ayre, J. Schrauwen, D. Taillaert, D. Van Thourhout, T. F. Krauss, and R. Baets, “Compact and highly efficient grating couplers between optical fiber and nanophotonic waveguides,” J. Lightw. Technol., vol. 25, no. 1, pp.151-156, Jan. 2007 

  6. D. Michaelis, C. Wachter, S. Burger, L. Zschiedrich, and A. Brauer, “Micro-optically assisted high-index waveguide coupling,” Appl. Opt., vol. 45, no. 8, pp. 1831-1838, 2006 

  7. 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 

  8. 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 

  9. Haofei Shi, Changtao Wang, Chunlei Du, Xiangang Luo, Xiaochun Dong, and Hongtao Gao, “Beam manipulating by metallic nano-slits with variant widths,” Opt. Exp., vol. 13, no. 18, pp. 6815-6820, September 2005 

  10. 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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