KR101437769B1 - Plat resonator and method for manufacturing thereof - Google Patents
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Abstract
실시예에 따른 평판 공진기는 금속층, 금속층 상에 형성되고 광학 이득(optical gain) 특성을 가지며 금속층에 의해 표면에 전기장을 집중시키는 유전체층 및 유전체층 상에 형성되고 유전체층 표면의 전기장과 상호 작용하여 공진기를 형성하는 복수의 나노 와이어를 포함한다.The planar resonator according to the embodiment includes a metal layer, a dielectric layer formed on the metal layer and having optical gain characteristics, a dielectric layer concentrating the electric field on the surface by the metal layer, and a dielectric layer formed on the dielectric layer and interacting with the electric field on the dielectric layer surface to form a resonator And a plurality of nanowires.
Description
실시예는 복수의 나노 와이어를 이용한 평판 공진기 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.Embodiments relate to a planar resonator using a plurality of nanowires and a method of manufacturing the same.
1960년 시어도어 메이먼(Theodore Harold Maiman)이 최초의 레이저 발진 장치를 발명한 이래 이미징, 정보저장, 의료, 광통신, 센서 등 많은 응용분야에서 레이저가 연구되어 왔다. Since the invention of the first laser oscillator by Theodore Harold Maiman in 1960, lasers have been studied in many applications such as imaging, information storage, medical, optical communications and sensors.
특히, 전 세계적으로 정보의 양이 급격히 증가하면서 기존 전자 기반의 기술의 한계로 인하여 광 기반의 통신, 집적회로 등에 대한 관심이 크게 증가하여 광 결정 레이저(photonic crystal), 마이크로 디스크(micro disk), 금속-유전체(metal-dielectric) 구조의 레이저, 표면 플라즈몬(surface plasmon) 레이저 등의 연구가 진행 되어왔다. 하지만, 기존 레이저들은 발진을 위한 충분한 품위 값(Quality Factor)을 얻기 위해 확실한 물리적 형태를 필요로 한다. 이런 정교한 물리적 공진기를 형성하기 위해서는 복잡한 패터닝(pattering)과 식각(etching) 공정이 필수적이다. In particular, due to the rapid increase in the amount of information in the world, due to limitations of existing electronic-based technologies, interest in optical-based communication and integrated circuits has greatly increased, and photonic crystals, microdisks, Metal-dielectric lasers, surface plasmon lasers, and the like have been studied. However, existing lasers require a certain physical form to obtain sufficient quality factor for oscillation. Complex patterning (pattering) and etching processes are essential to form such a sophisticated physical resonator.
특히, 최근 많이 연구되고 있는 나노(nano) 구조에서는 효율과 경제성이 떨어지는 전자선 리소그래피(e-beam lithography)가 주로 사용된다. 또한, 패터닝 후 식각 과정은 공정의 복잡도를 늘릴 뿐만 아니라, 비방사 표면 재결합(nonradiative surface recombination)을 크게 증가시켜 레이저의 성능을 저하시키는 단점이 있다.In particular, e-beam lithography, which has low efficiency and low cost, is mainly used in a nano structure which is being studied recently. In addition, the etching process after the patterning not only increases the complexity of the process but also significantly increases the nonradiative surface recombination, thereby deteriorating the performance of the laser.
실시예들은 금속층 상에 유전체층 및 복수의 나노 와이어를 차례로 형성함으로써 유전체층 표면 상에 전기장을 집중시키고, 복수의 나노 와이어를 거울 영역으로 제공함으로써 대면적의 평판 공진기 및 그의 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.Embodiments are intended to provide a large-area flat plate resonator and a method of manufacturing the same by concentrating an electric field on the surface of a dielectric layer by sequentially forming a dielectric layer and a plurality of nanowires on a metal layer and providing a plurality of nanowires to the mirror area.
실시예에 따른 평판 공진기는 금속층, 상기 금속층 상에 형성되고, 광학 이득(optical gain) 특성을 가지며, 상기 금속층에 의해 표면에 전기장을 집중시키는 유전체층 및 상기 유전체층 상에 형성되고, 상기 유전체층 표면과 상호 작용하여 공진기를 형성하는 복수의 나노 와이어를 포함한다.A planar resonator according to an embodiment includes a metal layer, a dielectric layer formed on the metal layer and having an optical gain characteristic, a dielectric layer concentrating an electric field on the surface by the metal layer, and a dielectric layer formed on the dielectric layer, And a plurality of nanowires acting to form a resonator.
일측에 따르면, 상기 유전체층은 상기 유전체층 내부에 존재하는 적어도 하나 이상의 모드(mode) 중에서, 상기 유전체층의 표면에 상대적으로 가장 많은 전기장을 형성시키는 모드가 발생되는 두께를 가질 수 있다.According to one aspect of the present invention, the dielectric layer may have a thickness in which at least one mode within the dielectric layer generates a mode in which a relatively large electric field is formed on a surface of the dielectric layer.
일측에 따르면, 상기 복수의 나노 와이어는 상기 유전체층의 표면에 상대적으로 가장 많은 전기장을 집중시키는 모드를 차단(cut-off)하여 상기 모드를 반사시키는 거울 영역을 제공할 수 있다. According to one aspect, the plurality of nanowires may provide a mirror region that reflects the mode by cutting off a mode that concentrates the most electric field relatively to the surface of the dielectric layer.
실시예에 따른 평판 공진기의 제조 방법은 성장 기판 상에 유전체층 및 금속층을 차례로 형성하여 공진기 구조물을 형성하는 단계, 상기 공진기 구조물의 금속층과 실리콘 기판 사이에 솔더 포일을 삽입하여 상기 공진기 구조물을 상기 실리콘 기판 상에 접합하는 단계, 상기 실리콘 기판 상에 접합된 상기 공진기 구조물로부터 상기 성장 기판을 제거하여 상기 유전체층을 노출시키는 단계 및 상기 노출된 유전체층 상에 복수의 나노 와이어를 형성하는 단계를 포함한다. A method of fabricating a planar resonator according to an embodiment includes forming a resonator structure by sequentially forming a dielectric layer and a metal layer on a growth substrate, inserting a solder foil between a metal layer of the resonator structure and a silicon substrate, And removing the growth substrate from the resonator structure bonded on the silicon substrate to expose the dielectric layer, and forming a plurality of nanowires on the exposed dielectric layer.
일측에 따르면, 상기 공진 구조물을 형성하는 단계는 상기 성장 기판 상에 광학 이득(optical gain) 특성을 가지며, 상기 금속층에 의해 표면에 전기장을 집중시키는 유전체 물질로 이루어진 상기 유전체층을 형성하는 단계 및 상기 유전체층 상에 은(Ag)으로 이루어진 상기 금속층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. According to one aspect, the step of forming the resonant structure includes forming the dielectric layer having optical gain characteristics on the growth substrate, the dielectric layer being made of a dielectric material that concentrates the electric field on the surface by the metal layer, And forming the metal layer made of silver (Ag) on the metal layer.
일측에 따르면, 상기 유전체층을 형성하는 단계는 상기 유전체층 내부에 존재하는 적어도 하나 이상의 모드(mode) 중에서, 상기 유전체층의 표면에 상대적으로 가장 많은 전기장을 집중시키는 모드가 발생되는 두께로 상기 유전체층을 형성할 수 있다. According to one aspect of the present invention, the forming of the dielectric layer includes forming a dielectric layer having a thickness in which at least one mode existing in the dielectric layer has a mode in which a relatively large electric field is concentrated on the surface of the dielectric layer .
일측에 따르면, 상기 복수의 나노 와이어는 상기 유전체층의 표면에 상대적으로 가장 많은 전기장을 집중시키는 모드를 차단(cut-off)하여 상기 모드를 반사시키는 거울 영역을 제공할 수 있다.According to one aspect, the plurality of nanowires may provide a mirror region that reflects the mode by cutting off a mode that concentrates the most electric field relatively to the surface of the dielectric layer.
실시예에 따른 평판 공진기에 따르면, 금속층 상에 유전체층을 형성함으로써 유전체층 표면 상에 전기장을 집중시키고, 유전체층 상에 복수의 나노 와이어를 형성하여 거울 영역으로 제공함으로써 유전체층 표면 상에 존재하는 모드를 반사시켜 통해 공진할 수 있다. According to the planar resonator according to the embodiment, a dielectric layer is formed on a metal layer to concentrate an electric field on the surface of the dielectric layer, and a plurality of nanowires are formed on the dielectric layer to provide a mirror region, thereby reflecting a mode existing on the surface of the dielectric layer .
실시예에 따른 평판 공진기의 제조 방법에 따르면, 금속층, 유전체층 및 복수의 나노 와이어를 무식각하여 평판 공진기를 제조함으로써, 식각에 따른 손실 없이 대면적의 평판 공진기를 제조할 수 있다.According to the method of manufacturing a flat plate resonator according to the embodiment, a flat plate resonator can be manufactured by ignoring a metal layer, a dielectric layer, and a plurality of nanowires, thereby manufacturing a flat plate resonator having a large area without loss due to etching.
도 1a 및 도 1b는 실시예에 따른 공진기 구조를 나타내는 도면들이다.
도 2는 실시예에 따른 공진기의 모델링 구조를 나타내는 도면이다.
도 3은 MDA 슬랩 도파로 및 MDAA 슬랩 도파로에 대한 주파수(frequency)-파수벡터(wave vector, β)를 나타내는 그래프이다.
도 4a 내지 도 4d는 금속층 유무에 따른 공진기 특성을 나타내는 그래프이다.
도 5a 내지 도 5e는 실시예에 따른 공진기의 제조 방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 6a 및 도 6b는 실시예에 따른 공진기의 상부를 촬영한 전자현미경 사진이다.
도 7a 및 도 7b는 실시예에 따른 복수의 나노 와이어를 확대하여 촬영한 전자현미경 사진이다.
도 8a 내지 도 8d는 실시예에 따른 공진기의 특성을 나타내는 그래프이다.
도 9a 및 도 9b는 실시예에 따른 공진기의 발진 형태를 측정 및 촬영한 그래프이다.1A and 1B are views showing a resonator structure according to an embodiment.
2 is a diagram showing a modeling structure of a resonator according to an embodiment.
3 is a graph showing a frequency-wave vector (?) For the MDA slab waveguide and the MDAA slab waveguide.
4A to 4D are graphs showing resonator characteristics according to the presence or absence of a metal layer.
5A to 5E are views for explaining a method of manufacturing a resonator according to an embodiment.
6A and 6B are electron micrographs of an upper portion of the resonator according to the embodiment.
7A and 7B are electron micrographs of a plurality of nanowires according to an embodiment magnified and photographed.
8A to 8D are graphs showing characteristics of a resonator according to an embodiment.
FIGS. 9A and 9B are graphs of measurement and photographs of the oscillation pattern of the resonator according to the embodiment. FIG.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예들을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 또한, 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to or limited by the embodiments. In addition, the same reference numerals shown in the drawings denote the same members.
도 1a 및 도 1b는 실시예에 따른 공진기 구조를 나타내는 도면들이다. 1A and 1B are views showing a resonator structure according to an embodiment.
도 1a를 참조하면, 실시예에 따른 공진기는 금속층(110), 유전체층(120) 및 복수의 나노 와이어(130)를 포함한다. Referring to FIG. 1A, a resonator according to an embodiment includes a
실시예에 따른 공진기에서, 금속층(110), 유전체층(120) 및 복수의 나노 와이어(130)는 레이저 발진에 이용되는 공진기가 될 수 있다. In the resonator according to the embodiment, the
금속층(110)은 금속 물질로 이루어진 것으로, 일 예로 은(Ag)로 이루어질 수 있다. The
유전체층(120)은 금속층(110) 상에 형성되고, 광학 이득(optical gain) 특성을 가지며, 금속층(110)에 의해 표면 상에 전기장을 집중시킬 수 있다. 이를 위해 유전체층(120)은 광학 이득 특성을 갖는 물질로 이루어질 수 있으며, 일 예로, 인듐갈륨비소인(InGaAsP)로 이루어질 수 있다.The
도 1a에 도시된 바와 같이, 금속층(110) 상에 유전체층(120)이 형성된 경우, 유전체층(120) 내부에 적어도 하나 이상의 모드(mode)가 존재할 수 있다. 구체적으로, 유전체층(120) 내부에 TEM(Transverse ElectroMagnetic) 모드, TE(Transverse Electric) 모드, TM(Transverse Magnetic) 모드 중 적어도 하나의 모드가 존재할 수 있다. 1A, when the
예를 들어, 유전체층(120) 내부에는 SPP모드, TM1 모드, TE0 모드, TE1 모드 등이 복수의 모드들이 존재할 수도 있고, TE0 모드와 같이 하나의 모드만 존재할 수도 있다. For example, the
한편, 금속층(110) 상에 광학 이득 특성을 갖는 유전체층(120)이 형성될 경우, 유전체층(120)의 두께에 따라 그 내부에 존재하는 모드가 달라질 수 있으며, 유전체층(120)의 두께에 따라 표면에 가장 많은 전기장을 집중시키는 모드가 달라질 수 있다. 따라서, 유전체층(120)은 전기장이 집중되는 정도를 고려하여 그 두께를 가질 수 있다. When the
일 예로, 유전체층(120)이 350nm의 두께를 갖는 경우, SPP 모드, TM1 모드, TE0 모드, TE1 모드 등이 존재한다고 가정할 때, 유전체층(120)은 이 모드들 중 TE1 모드에서 표면에 상대적으로 가장 많은 전기장이 집중될 수 있다. 이를 고려하여 유전체층(120)의 두께를 350nm로 결정할 수 있으며, 유전체층(120)은 다른 모드들에 비해 상대적으로 가장 많은 전기장이 집중되는 TE1 모드를 이용할 수 있다. In one embodiment,
복수의 나노 와이어(130)는 유전체층(120) 상에 형성되어, 유전체층(120) 표면과 상호 작용하여 공진기를 형성할 수 있다. 구체적으로, 복수의 나노 와이어(130)는 유전체층(120)의 표면에 가장 많은 전기장을 집중시키는 모드를 차단(cut-off)하고, 그 모드를 반사시키는 거울 영역을 제공할 수 있다. 따라서, 이 거울 영역에 의해 유전체층(120)의 표면 상에 형성된 모드가 반사됨으로써 공진할 수 있다. A plurality of
실시예에 따르면, 유전체층(120) 표면 상에 가장 많은 전기장이 집중될 경우, 이 전기장에 의해 유전체층(120) 표면과 복수의 나노 와이어(130) 간의 상호 작용이 극대화되어 공진할 수 있다. According to the embodiment, when the largest electric field is concentrated on the surface of the
도 1b를 참조하면, 공진기의 평면도로, 유전체층(120) 상에 복수의 나노 와이어(130)가 형성된 것을 확인할 수 있다. 이 같은 구조를 갖는 공진기에서, 유전체층(120) 표면에 가장 많은 전기장이 집중될 경우, 유전체층(120) 표면에 강한 광학 모드가 여기되며, 복수의 나노 와이어(130)에 의해 반사가 일어남에 따라 공진할 수 있다.
Referring to FIG. 1B, it can be seen that a plurality of
도 2는 실시예에 따른 공진기의 모델링 구조를 나타내는 도면이다. 2 is a diagram showing a modeling structure of a resonator according to an embodiment.
도 2를 참조하면, 공진기의 모델링 구조는, 거울 영역(mirror region)과 공진기 영역(cavity region)을 포함하며, 거울 영역 사이에 공진기 영역이 형성된 구조를 가질 수 있다. Referring to FIG. 2, the resonator modeling structure may include a mirror region and a cavity region, and a resonator region may be formed between the mirror regions.
거울 영역은 공진기에서 복수의 나노 와이어(230)를 포함하는 영역이 될 수 있으며, 공진기 영역은 공진기에서 복수의 나노 와이어를 미포함하는 영역이 될 수 있다. 여기서, 공진기의 유전체층(220)은 350nm의 두께로 이용하였다. The mirror region may be a region including a plurality of
거울 영역은 금속층(210) 상에 유전체층(220), 복수의 나노 와이어(230), 공기층이 차례로 형성된, MDAA (Metal-Dielectric-Anisotropic indefinite medium-air) 슬랩 도파로로 모델링될 수 있다. The mirror region can be modeled as a metal-dielectric-anisotropic indefinite medium-air (MDAA) slab waveguide in which a
또한, 공진기 영역은 금속층(210) 상에 유전체층(220), 공기층이 차례로 형성된, MDA(Metal-Dielectric-Air) 슬랩 도파로로 모델링될 수 있다. In addition, the resonator region may be modeled as a metal-dielectric-air (MDA) slab waveguide in which a
참고를 위해, 표 1에서와 같이, 유전체층(220)의 두께에 따른 TE(Transverse Electric) 모드의 수를 나타낸다.For reference, as shown in Table 1, the number of TE (Transverse Electric) modes according to the thickness of the
공진기 영역인 MDA 슬랩 도파로에서는 TE0 모드 및 TE1 모드가 존재하고, 거울 영역인 MDAA 슬랩 도파로에서는 TE1 모드만 존재할 수 있다.
In the MDA slab waveguide which is the resonator region, TE 0 mode and TE 1 mode exist, and in MDAA slab waveguide which is a mirror region, only TE 1 mode can exist.
도 3은 MDA 슬랩 도파로 및 MDAA 슬랩 도파로에 대한 주파수(frequency)-파수벡터(wave vector, β)를 나타내는 그래프이다. 3 is a graph showing a frequency-wave vector (?) For the MDA slab waveguide and the MDAA slab waveguide.
거울 영역인 MDAA 슬랩 도파로에서 복수의 나노 와이어의 비율(filling ratio)에 따른 주파수-파수벡터를 나타내는 그래프이다. 또한, 삽입된 필드(field)는 TE 모드에 해당하는 전계(field Ex) 분포를 나타낸 것이다. And a frequency-wavenumber vector according to a filling ratio of a plurality of nanowires in a MDAA slab waveguide which is a mirror region. Also, the inserted field shows the field E x distribution corresponding to the TE mode.
도 3을 참조하면, MDA 슬랩 도파로에서 발생한 TE1 모드("TE1 of MDAA")는 해당 슬랩 도파로를 따라 진행하다 파수 벡터(wavevector, β)의 불연속성에 의해 강한 반사가 일어난다. 즉, 거울 영역에 포함된 복수의 나노 와이어(230)가 TE1 모드를 반사시켜 레이저 발진을 한다.
Referring to FIG. 3, the TE 1 mode ("TE 1 of MDAA") generated in the MDA slab waveguide proceeds along the slab waveguide and strong reflection occurs due to the discontinuity of the wavevector, β. That is, a plurality of
도 4a 내지 도 4d는 금속층 유무에 따른 공진기 특성을 나타내는 그래프이다.4A to 4D are graphs showing resonator characteristics according to the presence or absence of a metal layer.
실시예에 따른 공진기는 금속층 상에 유전체층을 형성함으로써, 유전체층 표면에 상대적으로 가장 많은 전기장이 집중되도록 하는 것으로, 금속층의 유무에 따라 유전체층 표면에 집중되는 전기장이 달라질 수 있다. In the resonator according to the embodiment, the dielectric layer is formed on the metal layer so that the most electric field is concentrated on the surface of the dielectric layer. The electric field concentrated on the surface of the dielectric layer may vary depending on the presence or absence of the metal layer.
도 4a는 공기층 상에 유전체층과 공기층이 차례로 형성된, ADA(Air-Dielectric-Air) 슬랩 도파로를 모델링하고, ADA 슬랩 도파로에서 TE1 모드에대한 정규화된 포인팅 벡터(Pz)를 나타내는 그래프이다. 또한, 도 4b는 금속층 상에 유전체층과 공기층이 차례로 형성된 MDA(Metal-Dielectric-Air) 슬랩 도파로를 모델링하고, MDA 슬랩 도파로에서 TE1 모드에 대한 정규화된 포인팅 벡터(Pz)를 나타내는 그래프이다. 4A is a graph showing an air-dielectric-air (SLA) waveguide model in which a dielectric layer and an air layer are sequentially formed on an air layer and a normalized pointing vector (P z ) for a TE 1 mode in an ADA slab waveguide. 4B is a graph showing a metal-dielectric-air (MDA) slab waveguide in which a dielectric layer and an air layer are sequentially formed on a metal layer, and a normalized pointing vector (P z ) for the TE 1 mode in the MDA slab waveguide.
ADA 슬랩 도파로 및 MDA 슬랩 도파로에서, 각각에 포함된 유전체층은 광학 이득을 갖는 인듐갈륨비소인(InGaAsP)로 이루어졌으며, 유전체층의 두께는 350㎚을 이용하였다. 유전체층의 두께는 인듐갈륨비소인(InGaAsP)에 대한 광 이득 대역폭과 복수의 나노 와이어에 의해 반사가 잘 일어나는 파장 대역에 일치하는 두께를 가질 수 있다. In the ADA slab waveguide and the MDA slab waveguide, the dielectric layers included in each were made of indium gallium arsenide (InGaAsP) having optical gain, and the thickness of the dielectric layer was 350 nm. The thickness of the dielectric layer may have an optical gain bandwidth for indium gallium arsenide (InGaAsP) and a thickness corresponding to a wavelength band where reflection by the plurality of nanowires occurs well.
유전체의 두께가 350 nm일 때, 인듐갈륨비소인(InGaAsP)에 대한 광 이득 대역폭 내에서 SPP, TM1, TE0, TE1 의 모드가 존재하며 그 중 표면에 가장 많은 전기장이 존재하는 것은 TE1 모드이다. 따라서, TE1 모드를 금속층의 유무에 따라 비교하였다. When the dielectric thickness is 350 nm, the mode of SPP, TM 1 , TE 0 , and TE 1 exists within the optical gain bandwidth for indium gallium arsenide (InGaAsP) 1 mode. Therefore, the TE 1 mode was compared with the presence or absence of the metal layer.
도 4a를 참조하면, ADA 슬랩 도파로의 경우, 약 65 내지 80%의 전기장이 유전체층(Dielectric)에 존재하고, 파장(Y)의 변화에 따른 각 영역의 전기장 비율의 변화가 적은 것을 알 수 있다. 이는, ADA 슬랩 도파로에 포함된 공기층에서 전기장이 소멸되기 때문이다.Referring to FIG. 4A, it can be seen that, in the case of the ADA slab waveguide, an electric field of about 65 to 80% exists in the dielectric layer, and the change of the electric field ratio in each region is small as the wavelength Y changes. This is because the electric field disappears in the air layer included in the ADA slab waveguide.
반면, 도 4b를 참조하면, MDA 슬랩 도파로의 경우, 60% 이상의 전기장이 유전체층(Dielectric)에 존재하고, 파장(Y)의 변화에 따른 각 영역의 전기장 비율 변화가 큰 것을 알 수 있다. 이는, MDA 슬랩 도파로에 포함된 금속층에 의해 전기장이 유전체층 표면에 집중되기 때문이다.
On the other hand, referring to FIG. 4B, it can be seen that an electric field of 60% or more exists in the dielectric layer in the case of the MDA slab waveguide, and the change of the electric field ratio in each region is large according to the change of the wavelength Y. This is because the electric field is concentrated on the surface of the dielectric layer by the metal layer included in the MDA slab waveguide.
도 4c는 각 영역에서 ADA 슬랩 도파로와 MDA 슬랩 도파로에서 TE1 모드에 대한 전기장 비율을 나타내는 그래프이다. 여기서, ADA 슬랩 도파로의 경우, MDA 슬랩 도파로와의 비교를 위하여, 유전체층 중 일 면에 있는 공기층의 전기장만 고려하였다. 4C is a graph showing the electric field ratio for the TE 1 mode in the ADA slab waveguide and the MDA slab waveguide in each region. In the case of the ADA slab waveguide, only the electric field of the air layer on one side of the dielectric layer was considered for comparison with the MDA slab waveguide.
ADA 슬랩 도파로 및 MDA 슬랩 도파로에서 유전체층의 두께는 모두 350㎚를 이용하였으며, 유전체층을 구성하는 인듐갈륨비소인(InGaAsP)의 광 이득 대역폭을 고려하여 파장 1300㎚ 내지 1500㎚의 전기장 비율을 고려하였다. In the ADA slab waveguide and the MDA slab waveguide, the thicknesses of the dielectric layers were all 350 nm. Considering the optical gain bandwidth of the indium gallium arsenide (InGaAsP) constituting the dielectric layer, the electric field ratio of 1300 nm to 1500 nm was considered.
도 4c를 참조하면, 파장이 1450㎚ 일 때 ADA 슬랩 도파로의 경우, 공기층에 16% 정도의 전기장이 존재하지만, MDA 슬랩 도파로의 경우, 공기층에 35%의 전기장이 존재하는 것을 알 수 있다. 즉, MDA 슬랩 도파로가 ADA 슬랩 도파로에 비해 공기층에 2배 이상의 전기장이 존재한다. 따라서, MDA 슬랩 도파로 상에 복수의 나노 와이어가 형성될 경우, 유전체층과 복수의 나노 와이어 간의 상호 작용이 커지는 반면, 유전체층에 존재하는 전기장 비율은 큰 차이가 없음을 알 수 있다. Referring to FIG. 4C, in the case of the ADA slab waveguide with a wavelength of 1450 nm, there is an electric field of about 16% in the air layer, but in the case of the MDA slab waveguide, there is an electric field of 35% in the air layer. That is, the MDA slab waveguide has more than two times electric field in the air layer compared to the ADA slab waveguide. Therefore, when a plurality of nanowires are formed on the MDA slab waveguide, the interaction between the dielectric layer and the plurality of nanowires increases, but the ratio of the electric fields existing in the dielectric layer is not significantly different.
또한, MDA 슬랩 도파로에 존재하는 TE0의 경우, 대부분의 전기장이 유전체층 내에 집중되어 있어 표면의 복수의 나노 와이어에 의해 반사가 거의 일어나지 않는다. 이를 종합해 볼 때, MDA 슬랩 도파로와 같이 금속층과 유전체층을 함께 사용하고, 350nm의 두께를 갖는 유전체층에서 TE1 모드를 사용할 경우, 유전체층의 표면에 강한 전기장을 집중시킬 수 있음을 확인 할 수 있다.Also, in the case of TE 0 existing in the MDA slab waveguide, most of the electric field is concentrated in the dielectric layer, and the reflection is hardly caused by the plurality of nanowires on the surface. Taken together, it can be confirmed that a strong electric field can be concentrated on the surface of the dielectric layer when a metal layer and a dielectric layer are used together with a MDA slab waveguide and a TE 1 mode is used in a dielectric layer having a thickness of 350 nm.
도 4d는 복수의 나노 와이어를 포함하는 ADA 슬랩 도파로 및 MDA 슬랩 도파로의 파장 및 반사율을 나타내는 그래프이다. 이 경우, 복수의 나노 와이어는 지름 120㎚의 은 나노 와이어로, ADA 슬랩 도파로 및 MDA 슬랩 도파로 상에 각각 한 개가 포함되었다. 이 같이, 은 나노 와이어가 포함된 ADA 슬랩 도파로 및 MDA 슬랩 도파로에 대하여, ２차원 유한요소 시간영역(2-Dimensional Finate-Difference Time Domain, 2D-FDTD) 전산모사를 통해 반사율을 계산하였다.4D is a graph showing the wavelength and reflectance of the ADA slab waveguide and the MDA slab waveguide including a plurality of nanowires. In this case, the plurality of nanowires were silver nanowires with a diameter of 120 nm, one on each of the ADA slab waveguide and the MDA slab waveguide. In this way, the reflectance was calculated by a 2-Dimensional Finite-Difference Time Domain (2D-FDTD) computer simulation for the ADA slab waveguide and the MDA slab waveguide including silver nanowires.
구체적으로, ２차원 유한요소 시간영역(2D-FDTD) 계산은 MDA 슬랩 도파로의 유전체층 표면에 지름 120㎚의 은 나노 와이어가 놓여 있을 때, TE1 모드를 입사시켜 반사율을 계산하였다. Specifically, two-dimensional Finite Element Time Domain (2D-FDTD) calculations of
ADA 슬랩 도파로의 경우, 양 쪽 공기층 영역으로 전기장이 분산되어 반사율이 10 % 미만인 반면, MDA 슬랩 도파로의 경우, 유전체층의 표면에 상대적으로 전기장의 분포가 집중되어 유전층의 두께가 350 ㎚일 때, 파장 1450 ㎚에서 강한 반사가 일어나는 것을 확인할 수 있다.
In the case of the ADA slab waveguide, the electric field is dispersed in both air layer regions and the reflectance is less than 10%. On the other hand, in the case of the MDA slab waveguide, when the dielectric layer has a thickness of 350 nm, Strong reflection occurs at 1450 nm.
도 5a 내지 도 5e는 실시예에 따른 평판 공진기의 제조 방법을 설명하기 위한 도면들이다. 5A to 5E are views for explaining a method of manufacturing a planar resonator according to an embodiment.
도 5a를 참조하면, 평판 공진기의 제조 방법은 성장 기판(511) 상에 유전체층(512) 및 금속층(513)을 차례로 형성하여 공진기 구조물을 형성하는 단계를 포함한다. 구체적으로, 인화인듐(InP)으로 이루어진 성장 기판(511) 상에 MOCVD(metal-organic chemical vapor deposition)을 이용하여 인듐갈륨비소인(InGaAsP)를 증착하여 유전체층(512)을 형성한다. 이 경우, 유전체층(512)은 이론적 계산을 통해 TE1 모드가 광학 이득 대역폭 내에 존재하도록 설계된 것으로, 350㎚의 두께를 가질 수 있다. Referring to FIG. 5A, a method of fabricating a planar resonator includes forming a resonator structure by sequentially forming a
또한, 유전체층(512) 상에 은(Ag)을 증착하여 금속층(513)을 형성한다. 이 금속층(513)은 다른 금속과의 본딩시, 금속간 화합물(Intermetallic Compound)을 형성할 수 있다. 금속층(513) 형성시, 박막의 높은 품질을 얻기 위해 느린 속도로 은(Ag)을 증착하였다.
Further, silver (Ag) is deposited on the
도 5b 및 도 5c를 참조하면, 평판 공진기의 제조 방법은 도 5a에 도시된 구조물을 실리콘 기판(520) 상에 접합하는 단계를 포함한다. 구체적으로, 실리콘 기판(520) 상에 주석(Sn)-비스무트(Si) 계의 솔더 포일(530)을 접합한 후, 금속층(513)이 솔더 포일(530)과 마주하도록 도 5a에 도시된 구조물을 위치시켜 실리콘 기판(520) 상에 접합할 수 있다. 금속층(513)과 솔더 포일(530)은 금속 접합에 의해 금속간 화합물(Intermetallic Compound)을 형성할 수 있다.
Referring to FIGS. 5B and 5C, a method of manufacturing a planar resonator includes bonding the structure shown in FIG. 5A onto a
도 5d를 참조하면, 평판 공진기의 제조 방법은 실리콘 기판(520) 상에서 성장 기판(511)을 제거하는 단계를 포함한다. 구체적으로, 습식 식각(wet etching)을 이용하여 성장 기판(511)을 제거하여 유전체층(512)을 노출시킬 수 있다.
Referring to FIG. 5D, a method of fabricating a planar resonator includes removing a
도 5e를 참조하면, 평판 공진기의 제조 방법은 유전체층(512) 상에 복수의 나노 와이어(514)를 형성하는 단계를 포함한다. 이 경우, 복수의 나노 와이어(514)는 비교적 광학 손실이 적은 단결정의 은(Ag) 나노 와이어가 될 수 있다. 복수의 나노 와이어(514)는 스핀 코팅(spin coating), 드롭 캐스팅(drop casting) 및 프린팅(priting) 중 어느 하나의 방법으로 형성될 수 있다. Referring to FIG. 5E, a method of fabricating a planar resonator includes forming a plurality of
상술한 바와 같이, 평판의 유전체층(512) 상에 복수의 나노 와이어(514)를 스핀 코팅(spin coating)하거나, 드롭 캐스팅(drop casting) 또는 프린팅(priting)하여 형성함으로써, 별도의 패터닝 공정 및 식각 공정을 실시할 필요가 없다. 따라서, 무식각의 제조 방법을 이용하여 식각 공정에 따른 손상이 적은, 대면적의 평판 공진기를 제조할 수 있다.
As described above, the plurality of
도 6a 및 도 6b는 실시예에 따른 평판 공진기의 상부를 촬영한 전자현미경 사진이다. 구체적으로, 도 5a 내지 도 5e에 도시된 제조 방법으로 제조된 제1 및 제2 평판 공진기의 유전체층을 촬영한 전자 현미경 사진이다. 6A and 6B are electron micrographs of an upper portion of the planar resonator according to the embodiment. Specifically, FIG. 5A to FIG. 5E are electron micrographs of the dielectric layers of the first and second flat plate resonators manufactured by the manufacturing method shown in FIGS. 5A to 5E.
도 6a 및 도 6b를 참조하면, 제1 및 제2 평판 공진기에서 각 유전체층 상에 복수의 나노 와이어가 불규칙한 패턴으로 형성된 것을 확인할 수 있다.
6A and 6B, it can be confirmed that a plurality of nanowires are formed in irregular patterns on the respective dielectric layers in the first and second plate resonators.
도 7a 및 도 7b는 실시예에 따른 복수의 나노 와이어를 촬영한 전자현미경 사진이다. 도 7a 및 도 7b는 도 6a 및 도 6b에서 촬영한 제1 및 제2 평판 공진기에서, 복수의 나노 와이어를 확대 촬영한 전자 현미경 사진이다. 7A and 7B are electron micrographs of a plurality of nanowires according to an embodiment. Figs. 7A and 7B are electron microscope photographs of a plurality of nanowires of the first and second flat plate resonators taken in Figs. 6A and 6B.
도 7a를 참조하면, 제1 평판 공진기에서 복수의 나노 와이어는 은(Ag) 나노 와이어가 여러 층이 겹쳐진 패턴을 갖는 것으로, 높은 품위 값(Q factor) 및 낮은 문턱 값을 갖는 것이다. Referring to FIG. 7A, in the first plate resonator, a plurality of nanowires have a high Q factor and a low threshold, with the silver (Ag) nanowire having a pattern in which multiple layers are superimposed.
반면, 도 7b에 도시된 복수의 나노 와이어는 은(Ag) 나노 와이어가 단일 층을 갖는 것으로, 도 7a의 복수의 나노 와이어에 비해 상대적으로 낮은 품위 값과 높은 문턱 값을 갖는 것을 알 수 있다. 이 같이, 공진기의 문턱 값 및 품위 값은 복수의 나노 와이어의 밀집도에 영향을 받는 것으로, 제2 평판 공진기는 제1 평판 공진기에 비해 복수의 나노 와이어의 밀집도가 낮아 반사가 적게 일어나기 때문에 높은 문턱 값과 낮은 품위 값을 가진다.
On the other hand, the plurality of nanowires shown in FIG. 7B have a single layer of silver (Ag) nanowires and have relatively low quality values and high threshold values as compared with the plurality of nanowires of FIG. 7A. As described above, the threshold value and the quality value of the resonator are affected by the density of the plurality of nanowires. The second plate resonator has a lower density of the plurality of nanowires than the first plate resonator, And low grade values.
도 8a 내지 도 8d는 실시예에 따른 평판 공진기의 특성을 나타내는 그래프이다. 8A to 8D are graphs showing characteristics of the planar resonator according to the embodiment.
도 8a는 실시예에 따른 평판 공진기의 레이저 발진 특성을 나타내는 것이다. 도 8a에 도시된 바와 같이, 공진기에 여기 광을 증가시켜 주입할 경우, 공진기는 단일 파장의 레이저 발진을 하는 것으로 관찰되었다. 특히, 발진 파장인 1440 nm 는 앞서 설명한 바와 같이, 전산 모사 및 이론적 계산을 최대 반사가 일어나는 지점과 일치할 수 있다. 8A shows the laser oscillation characteristics of the planar resonator according to the embodiment. As shown in Fig. 8A, when the excitation light is injected into the resonator by increasing the dose, the resonator is observed to cause laser oscillation of a single wavelength. In particular, the oscillation wavelength, 1440 nm, can be matched to the point where maximum reflection occurs, as described above, by computer simulation and theoretical calculations.
도 8b는 실시예에 따른 평판 공진기의 선폭 특성과 중심 파장 특성을 나타내는 것이다. 구체적으로, 공진기에 여기 광을 변화시켜 주입할 경우, 공진기는 문턱 값 주위에서 레이저 발진을 시작하면서 방출되는 빛에 간섭으로 인해 선폭이 빠른 속도로 감소되는 것으로 관찰되었다. 여기서, 문턱 값에서의 선폭이 ~3㎚ 정도로 측정된 경우, 이것으로부터 실험적 품위 값(Q factor)은 ~ 480 정도로 추정되었다. 8B shows line width characteristics and center wavelength characteristics of the planar resonator according to the embodiment. Specifically, when the excitation light is injected into the resonator by changing the excitation light, it is observed that the resonator decreases its line width rapidly due to interference with the emitted light as the laser oscillation starts around the threshold value. Here, when the line width at the threshold value is measured at about 3 nm, the experimental quality factor (Q factor) is estimated to be about 480.
도 8b를 참조하면, 중심 파장 역시 선폭과 마찬가지로 문턱 값 주위에서 전도대(conduction band)에 전하가 빠른 속도로 차면서 밴드 필링 효과(band filling effect)가 일어나 짧은 파장 방향(Blue shift)으로 급격하게 이동하는 것으로 관찰되었다. 여기서, 40 mW 이상의 높은 여기 광을 주입 하여도 장파장 쪽으로 중심 파장이 이동하지 않는 것은 금속 접합을 통해 광원에 의한 열을 효과적으로 방열하고 있기 때문이다.
Referring to FIG. 8B, the center wavelength is shifted to the conduction band at a high rate around the threshold value as in the case of the line width, and the band filling effect is caused by the blue shift. Respectively. The reason why the central wavelength does not move toward the longer wavelength even when a high excitation light of 40 mW or more is injected is that the heat by the light source is effectively dissipated through the metal bonding.
도 8c는 정확한 문턱 값을 확인하기 위하여 주입된 여기 광의 최대 값(peak)에 대한 레이저 모드의 최대 값을 측정한 것으로, 폭 10ns 주기 5000 μs인 여기 광의 최대 값 변화에 따른 발광 광 최댓값의 선형 치수(linear scale)를 나타낸다. 도 8c에서와 같이, 문턱 값(threshold)은 ~12 mW로 관찰되었다.
FIG. 8C is a graph showing the maximum value of the laser mode with respect to the maximum value of the excitation light injected in order to check an accurate threshold value. The linear dimension of the maximum value of the emitted light according to the change of the maximum value of the excitation light, (linear scale). As in Figure 8c, the threshold was observed ~ 12 mW.
도 8d는 주입된 여기 광에 따른 레이저 발진 모드 세기(intensity)의 총 합을 로그 스케일로 나타낸 것이다. 문턱 에너지가 없는 이상적인 공진기와 실시예에 따른 공진기에 대한 발진 모드 세기 합의 차이는 비방사 표면 재결합(nonradiative surface recombination), 열에 의한 비방사 재결합(Auger recombination) 등에 의한 비방사 재결합, 자발 방출이 일어나는 정도(Purcell factor), 자발 방출이 유도 방출로 연결되는 정도(coupling factor)에 의해 결정될 수 있다.FIG. 8D shows the logarithmic scale of the sum of laser emission mode intensities according to the injected excitation light. The difference of the oscillation mode intensity sum for the ideal resonator with no threshold energy and the resonator according to the embodiment can be determined by nonradiative surface recombination, non-radiative recombination by heat non-radiative recombination, The Purcell factor, and the coupling factor of spontaneous release to the inductive release.
실시예에 따른 공진기는 무식각의 제조 방법으로 제조되고, 각 특성들이 저온(77 K)에서 측정되었으므로, 표면 재결합과 열에 의한 재결합은 크지 않다. 따라서, 문턱 에너지가 없는 이상적 공진기와 실시예에 따른 공진기의 차이는 큰 모드 볼륨으로 인한 낮은 페쉘 팩터(Purcell factor)와 다중 모드(multi-mode)로 인한 낮은 커플링 팩터(Coupling factor)에서 기인한 것으로 판단된다.
Since the resonator according to the embodiment is manufactured by the method of manufacturing an angle of incidence and each characteristic is measured at a low temperature (77 K), surface recombination and heat recombination are not large. Thus, the difference between the ideal resonator without threshold energy and the resonator according to the embodiment is due to the low coupling factor due to the low Purcell factor due to the large mode volume and the multi-mode .
도 9a 및 도 9b는 실시예에 따른 공진기의 발진 형태를 측정 및 촬영한 그래프이다. 평판 공진기의 발진 원리를 확인하기 위하여, 적외선 CCD를 이용하여 실시예에 따른 평판 공진기의 레이저 발진 모습을 촬영하였다. FIGS. 9A and 9B are graphs of measurement and photographs of the oscillation pattern of the resonator according to the embodiment. FIG. In order to confirm the oscillation principle of the flat plate resonator, a laser oscillation of the flat plate resonator according to the embodiment was photographed using an infrared CCD.
도 9a는 평판 공진기 상에서 선형 편광판을 각도 별로 회전시키며 평판 공진기의 레이저 발진 파워를 측정한 것이며, 도 9b는 선형 편광판을 0°및 90°로 회전시킨 후 촬영한 이미지와, 선형 편광판 없이 촬영한 이미지이다. FIG. 9A is a graph showing a result of measuring the laser oscillation power of a flat plate resonator while rotating the linear polarizer on a plane resonator by angles, FIG. 9B is a graph showing an image taken after rotating the linear polarizer at 0 ° and 90 ° and an image taken without a linear polarizer to be.
도 9a 및 도 9b를 통해, 공진기에서 레이저가 선형적으로 편광된 상태에서 발진하는 것을 알 수 있다. 또한, 전산 모사 및 이론적 계산과 함께 공진기의 레이저 발진 원리가 나노 와이어에 의해 발생하는 표면 플라즈몬(Surface plasmon)이 아닌, MDAA(Metal-Dielectric Anisotropic Indefinite medium-Air) 슬랩 도파로의 TE 모드에 의한 패브릿 패롯(Fabry-Perot) 형태의 공진기에 의한 것임을 알 수 있다.
9A and 9B, it can be seen that the laser oscillates in a linearly polarized state in the resonator. In addition to the computational simulation and theoretical calculations, the laser oscillation principle of the resonator is not a surface plasmon generated by the nanowire. Instead, the TE-mode ferrite of a metal-dielectric anisotropic indefinite medium-air (MDAA) It can be understood that this is due to a resonator of the Fabry-Perot type.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.While the invention has been shown and described with reference to certain preferred embodiments thereof, it will be understood by those of ordinary skill in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. This is possible.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be determined by the equivalents of the claims, as well as the claims.
110: 금속층 120: 유전체층
130: 나노 와이어 210: 금속층
220: 유전체층 230: 복수의 나노 와이어
511: 성장 기판 512: 유전체층
513: 금속층 514: 복수의 나노 와이어
520: 실리콘 기판 530: 솔더 포일110: metal layer 120: dielectric layer
130: nanowire 210: metal layer
220: dielectric layer 230: multiple nano wires
511: Growth substrate 512: Dielectric layer
513: metal layer 514: a plurality of nanowires
520: silicon substrate 530: solder foil
Claims (7)
상기 금속층 상에 형성되고, 광학 이득(optical gain) 특성을 가지며, 상기 금속층에 의해 표면에 전기장을 집중시키는 유전체층; 및
상기 유전체층 상에 형성되고, 상기 유전체층 표면과 상호 작용하여 공진기를 형성하는 복수의 나노 와이어
를 포함하는 평판 공진기.
A metal layer;
A dielectric layer formed on the metal layer and having an optical gain characteristic, the dielectric layer concentrating the electric field on the surface by the metal layer; And
A plurality of nanowires formed on the dielectric layer and interacting with the surface of the dielectric layer to form resonators,
.
상기 유전체층은,
상기 유전체층 내부에 존재하는 적어도 하나 이상의 모드(mode) 중에서, 여타의 모드와 비교하여 상기 유전체층의 표면에 전기장을 많이 형성시키는 TE1 모드에 상응하는 두께를 갖는 평판 공진기.
The method according to claim 1,
Wherein,
And a thickness corresponding to a TE 1 mode in which a large electric field is formed on the surface of the dielectric layer in comparison with other modes among at least one mode existing in the dielectric layer.
상기 복수의 나노 와이어는,
상기 유전체층의 표면에 상기 TE1 모드를 차단(cut-off)하여 상기 TE1 모드를 반사시키는 거울 영역을 제공하는, 평판 공진기.
3. The method of claim 2,
The plurality of nanowires may include a plurality of nanowires,
Wherein the TE 1 mode is cut off on a surface of the dielectric layer to provide a mirror region that reflects the TE 1 mode.
상기 공진기 구조물의 금속층과 실리콘 기판 사이에 솔더 포일을 삽입하여 상기 공진기 구조물을 상기 실리콘 기판 상에 접합하는 단계;
상기 실리콘 기판 상에 접합된 상기 공진기 구조물로부터 상기 성장 기판을 제거하여 상기 유전체층을 노출시키는 단계; 및
상기 노출된 유전체층 상에 복수의 나노 와이어를 형성하는 단계
를 포함하는 평판 공진기의 제조 방법.
Forming a resonator structure by sequentially forming a dielectric layer and a metal layer on a growth substrate;
Inserting a solder foil between the metal layer of the resonator structure and the silicon substrate to bond the resonator structure to the silicon substrate;
Removing the growth substrate from the resonator structure bonded on the silicon substrate to expose the dielectric layer; And
Forming a plurality of nanowires on the exposed dielectric layer
Wherein the resonator comprises a first resonator and a second resonator.
상기 공진 구조물을 형성하는 단계는,
상기 성장 기판 상에 광학 이득(optical gain) 특성을 가지며, 상기 금속층에 의해 표면에 전기장을 집중시키는 유전체 물질로 이루어진 상기 유전체층을 형성하는 단계; 및
상기 유전체층 상에 은(Ag)으로 이루어진 상기 금속층을 형성하는 단계
를 포함하는 평판 공진기의 제조 방법.
5. The method of claim 4,
The step of forming the resonant structure may include:
Forming the dielectric layer having optical gain characteristics on the growth substrate and made of a dielectric material that concentrates the electric field on the surface by the metal layer; And
Forming a metal layer of silver (Ag) on the dielectric layer
Wherein the resonator comprises a first resonator and a second resonator.
상기 유전체층을 형성하는 단계는,
상기 유전체층 내부에 존재하는 적어도 하나 이상의 모드(mode) 중에서, 여타의 모드와 비교하여 상기 유전체층의 표면에 전기장을 많이 집중시키는 TE1 모드가 발생되는 두께로 상기 유전체층을 형성하는, 평판 공진기의 제조 방법.
6. The method of claim 5,
Wherein forming the dielectric layer comprises:
Wherein the dielectric layer is formed so as to have a thickness such that a TE 1 mode in which a large electric field is concentrated on the surface of the dielectric layer is generated among at least one mode existing in the dielectric layer, .
상기 복수의 나노 와이어는,
상기 유전체층의 표면에 상기 TE1 모드를 차단(cut-off)하여 상기 TE1 모드를 반사시키는 거울 영역을 제공하는, 평판 공진기의 제조 방법.
The method according to claim 6,
The plurality of nanowires may include a plurality of nanowires,
Wherein the TE 1 mode is cut off on a surface of the dielectric layer to provide a mirror region that reflects the TE 1 mode.
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