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KR20130031598A - 광 도파로 - Google Patents

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KR20130031598A
KR20130031598A KR1020110095279A KR20110095279A KR20130031598A KR 20130031598 A KR20130031598 A KR 20130031598A KR 1020110095279 A KR1020110095279 A KR 1020110095279A KR 20110095279 A KR20110095279 A KR 20110095279A KR 20130031598 A KR20130031598 A KR 20130031598A
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KR
South Korea
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dielectric layer
graphene
layer
optical waveguide
optical
Prior art date
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Withdrawn
Application number
KR1020110095279A
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English (en)
Inventor
김진태
Original Assignee
한국전자통신연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Abstract

광 도파로는 기판, 상기 기판 위에 위치 있는 제1 유전체층, 제1 유전체 위에 기판의 길이 방향으로 형성되어 입사되는 광을 전송하는 그래핀층, 그리고 상기 제1 유전체층과 상기 그래핀층 위에 위치하는 제2 유전체층을 포함한다.

Description

광 도파로{OPTICAL WAVEGUIDE}
본 발명은 광 도파로에 관한 것이다.
평면 광 회로(Planar Lightwave Circuit, PLC) 기술은 실리콘 웨이퍼와 같은 평면 기판 위에 광통신의 매체인 광 도파로를 구현하여 광 소자를 제작하는 기술이다.
PLC에 사용되는 광 도파로는 굴절률이 다른 두 개 이상의 유전체를 이용한다. 높은 굴절률을 갖는 유전체가 사각형 또는 원형 등의 단면 구조를 갖는 광 도파로를 형성하며, 이 광 도파로를 통해서 광 신호가 전송된다. 이때, 광 도파로를 형성하기 위해서는 식각, 증착 등 고가의 다양한 반도체 공정을 필요로 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 경제적인 광도파도를 제공하는 것이다.
본 발명의 한 실시 예에 따르면, 광 도파로가 제공된다. 광 도파로는 기판, 상기 기판 위에 위치하는 제1 유전체층, 제1 유전체층 위에 상기 기판의 길이 방향을 따라 형성되어 있는 그래핀을 포함하며 상기 그래핀을 통해서 입사되는 광을 전송하는 그래핀층, 그리고 상기 제1 유전체층와 상기 그래핀층 위에 위치하는 제2 유전체층을 포함한다.
상기 제1 유전체층 및 상기 제2 유전체층는 동일한 굴절율을 가질 수 있다.
상기 광 도파로는 상기 제1 유전체층과 상기 기판 사이에 위치하는 제3 유전체층, 상기 제2 유전체층 위에 위치하는 제4 유전체층, 그리고 상기 제3 유전체층과 상기 제1 유전체층 사이와 상기 제2 유전체층과 상기 제4 유전체층 사이에 각각 상기 기판의 길이 방향으로 형성되어 있는 제1 및 제2 전극층을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 전극층에는 설정된 전압이 인가될 수 있다. 이때, 상기 설정된 전압은 교류 전압일 수 있다.
상기 제1 및 제2 전극층은 스트립 형태로 형성되어 있을 수 있다.
상기 제1 및 제2 전극층은 하나의 경로가 두 개의 경로로 분기된 형태로 형성되어 있을 수 있다.
상기 제1 및 제2 전극층은 금속으로 이루어질 수 있으며, 상기 제1 및 제2 전극층은 그래핀으로 이루어질 수 있다.
상기 제3 유전체층은 상기 제1 유전체층과 동일한 굴절율을 가지며, 제4 유전체층은 제2 유전체층과 동일한 굴절율을 가질 수 있다.
상기 제1 전극층, 상기 제2 전극층 및 상기 그래핀층 중 어느 하나에 수평 방향으로 전기 신호가 가해지면, 상기 그래핀층은 상기 광 신호와 함께 상기 전기 신호를 전송할 수 있다.
상기 그래핀층은 스트립 형태로 형성되어 있을 수 있으며, 상기 그래핀층은 필름 형태로 형성되어 있을 수 있다.
상기 제1 유전체층 및 제2 유전체층은 실리콘, 실리콘 질화물 또는 광소자용 고분자로 이루어질 수 있다.
본 발명의 실시 예에 의하면, 그래핀을 이용함으로써 경제적인 광도파로를 제작할 수 있다. 또한 다양한 평면 광 회로 구조를 적용한 기능성 광 소자 예를 들면, 광 커플러, 광 검출기, 광송수신모듈, 광 변조기, 광 필터, 광 스위치 등에 접목함으로써 경제적인 광 소자의 제작이 가능해질 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 광 도파로를 나타낸 사시도이다.
도 2는 도 1의 II-II'선에 대한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 광 도파로의 광 도파의 실험 결과를 나타낸 도면이다.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 제2 내지 제5 실시 예에 따른 광 도파로를 나타낸 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.
그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 및 청구범위 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
이제 본 발명의 실시 예에 따른 광 도파로에 대하여 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 광 도파로를 나타낸 사시도이고, 도 2는 도 1의 II-II'선에 대한 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 광 도파로(100)는 기판(110), 기판(110) 위에 형성되어 있는 제1 유전체층(120), 제1 유전체층(120) 위에 형성되어 있는 그래핀층(130) 및 그래핀층(130) 및 제1 유전체층(120) 위에 위치하는 제2 유전체층(140)을 포함한다.
기판(110)은 유리, 석영, 실리콘 등으로 이루어질 수 있다.
제1 유전체층(120) 및 제2 유전체층(140)은 실리콘, 실리콘 질화물로 이루어지거나 광도파 손실이 적은 광소자용 고분자 따위로 이루어질 수 있다.
제1 유전체층(120) 및 제2 유전체층(140)은 서로 같거나 다른 재질을 사용할 수 있다.
제1 유전체층(120)의 굴절율과 제2 유전체층(140)의 굴절율은 서로 동일할 수도 있고, 서로 다를 수도 있다. 제1 유전체층(120)의 굴절율과 제2 유전체층(140)의 굴절율이 서로 다른 경우, 제1 유전체층(120)의 굴절율과 제2 유전체층(140)의 굴절율의 차이는 0.001 이하일 수 있다.
그래핀층(130)은 그래핀(Graphene)으로 이루어진 매우 얇은 층이다. 그래핀층(130)은 기판(110)의 길이 방향을 따라 스트립(strip) 형태로 이루어질 수 있다. 그래핀은 탄소 원자가 서로 연결돼 벌집 모양의 얇은 평면 구조를 이루는 물질로 전기적 성질을 갖는다. 탄소 원자는 서로 연결되어 하나의 탄소 원자 층을 이루며, 그래핀은 단층 또는 다층의 탄소 원자층으로 이루어질 수 있다. 이때, 단층의 그래핀층(130)은 탄소 원자 1개의 두께와 동일할 수 있다. 탄소 원자는 6원환을 기본 단위로 가지며, 5원환 또는 7원환으로 형성될 수도 있다.
이러한 그래핀층(130)은 간단한 포토 리소그래피 공정을 통해 형성될 수 있다.
제1 유전체층(120) 및 제2 유전체층(140)은 도 1에 도시한 바와 같이 각각의 층으로 형성되어 있을 수도 있지만, 제1 유전체층(120) 및 제2 유전체층(140)이 동일한 유전율을 가지는 경우 하나의 층으로 형성될 수도 있다. 즉, 제1 유전체층(120) 및 제2 유전체층(140)이 하나의 층으로 형성되는 경우, 그래핀층(130)은 제1 유전체층(120) 및 제2 유전체층(140)에 의해 둘러 쌓인 형태일 수 있다.
그래핀층(130)은 예를 들어, 광섬유(200)를 통해서 광 도파로(100)에 입사된 광 신호를 전송하는 역할을 한다.
광을 그래핀의 표면으로 유도하면, 표면 플라즈몬(Surface plasmon)이라고 불리우면 전자기 표면파(Electronic surface wave)를 생성하게 된다. 표면 플라즈몬은 자유 전자를 그래핀층(130)과 양(+)의 유전율을 갖는 제1 유전체층(120) 및 제2 유전체층(140)의 경계면을 따라 진행하는 전하밀도의 진동파를 의미하며, 고속으로 가속된 전자나 광파에 의하여 여기된다. 그래핀층(130)에 생성된 표면 플라즈몬과 광자 사이의 상호 작용에 의해 플라즈모닉 모드가 형성되며, 플라즈모닉 모드에 의해 광 신호를 전송하는 표면 플라즈몬 폴라리톤(Surface Plasmon Polariton)이라 불리는 준입자가 생성된다. 즉, 표면 플라즈몬 폴라리톤의 진동에 의해 광 신호가 전송될 수 있다. 이때, 전자기 표면파는 입사되는 광의 전기장 성분이 경계면에 수직한 성분으로, TM(Transverse Magnetic) 모드만이 표면 플라즈몬 폴라리톤을 여기시킬 수 있다.
광에 의해 여기된 표면 플라즈몬 폴라리톤은 전송 가능한 거리가 수십 내지 수백 마이크로미터로 제한될 수 있다. 그러나, 전자기 표면파의 침투 깊이(skin depth)에 비해 두께가 훨씬 얇은 그래핀층(130)을 사용하면, 그래핀층(130)의 양쪽 면에서 발생되는 표면 플라즈몬 폴라리톤이 결합하여 수 밀리미터 내지 수 센티미터의 장거리 전송이 가능한 장거리 표면 플라즈몬 폴라리톤을 얻을 수 있으며, 이 표면 플라즈몬 폴라리톤에 의해 광의 전송 거리를 증가시킬 수 있게 된다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 광 도파로의 광 도파의 실험 결과를 나타낸 도면이다.
도 3은 광 도파로(100)에 입사되는 광의 편광(
Figure pat00001
)에 따른 그래핀층(130)의 출력 광을 나타낸다. 도 3에서, A 부분이 각각의 편광 각도에서 그래핀층(130)의 출력 광을 나타낸다.
광섬유(200)를 통해서 광 도파로(100)에 광이 입사되면, 그래핀층(130)은 장거리 표면 플라즈몬 폴리톤에 의해 광을 전송하며, 그래핀층(130)에서 출력되는 광은 도 3과 같이 나타날 수 있다.
특히, 도 3을 보면 알 수 있듯이, 그래핀층(130)은 입사되는 광의 TE(Transverse Electric) 모드 성분(즉,
Figure pat00002
=0)에 비해 TM 모드 성분(즉,
Figure pat00003
=90)을 작은 도파 손실로 전송할 수 있다는 것을 알 수 있다.
이와 같이, 그래핀을 사용하여도 광을 전송할 수 있으며, 그래핀을 사용하면 식각, 증착 등 고가의 다양한 반도체 공정을 이용하는 종래의 광도파로에 비해 경제적인 광도파로의 제작이 가능해질 수 있다.
또한 그래핀을 사용하면 도파되는 광의 특성을 변화시킬 수 있어서 광 효율의 제어가 가능해질 수 있다. 즉, 외부에서 그래핀의 박막 면에 수직한 방향으로 전기장을 가하는 경우, 그래핀 내부의 전자 밀도(carrier density)가 변화한다. 이는 반도체의 성질과 유사하다. 이때, 그래핀에 가하는 전기장의 방향에 따라 P-타입 또는 N-타입으로 동작한다. 예를 들어, 그래핀의 상부에 양극성(+)을 가하고 그래핀의 하부에 음극성(-)을 가하는 경우 그래핀은 N-타입으로 동작한다. 이와 같은 그래핀의 반도체 특성을 이용하면, 그래핀에 여기된 표면 플라즈몬 폴라리톤의 특성을 변화시킬 수 있으며, 결과적으로 도파되는 광의 특성을 변화시킬 수 있다.
이러한 그래핀의 반도체 특성을 토대로 하면, 그래핀 내부의 전자 밀도를 증가시키면 표면 플라즈몬 폴라리톤의 도파 손실이 감소하고 결과적으로 광의 도파 손실을 줄일 수 있어서 광 신호의 효율적인 전달이 가능해지는 효과가 있다. 그러면, 그래핀의 전자 밀도를 증가시킬 수 있는 실시 예에 대하여 도 4 및 도 5를 참고로 하여 설명한다.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 제2 내지 제4 실시 예에 따른 광 도파로를 나타낸 도면이다.
먼저, 도 4를 참고하면, 광 도파로(100a)는 제1 실시 예에 따른 광 도파로(100)에 비해 제3 유전체층(150), 제4 유전체층(160), 제1 및 제2 전극(170, 180)을 더 포함할 수 있다.
제3 유전체층(150)은 기판(110)과 제1 유전체층(120) 사이에 위치하며, 제1 유전체층(120)과 동일한 재질 및/또는 굴절율을 가질 수 있다.
제4 유전체층(160)은 제2 유전체층(140) 위에 위치하며, 제2 유전체층(140)와 동일한 재질 및/또는 굴절율을 가질 수 있다.
제1 전극층(170)은 제1 유전체층(120)와 제3 유전체층(150) 사이에서 제3 유전체층(150) 위에 위치한다.
제2 전극층(180)은 제2 유전체층(140)와 제4 유전체층(160) 사이에서 제2 유전체층(140) 위에 위치한다.
제1 및 제2 전극층(170, 180)은 각각 해당 유전체층(150, 140) 위에서 그래핀층(130)에 대응하여 스트립 형태로 형성될 수 있다. 제1 및 제2 전극층(170, 180)은 서로 동일한 크기로 형성될 수도 있으며, 그렇지 않을 수도 있다.
제1 및 제2 전극층(170, 180)은 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu) 및 알루미늄(Al) 등의 금속으로 10nm 이하의 두께로 이루어질 수 있다.
제1 전극층(170)과 제2 전극층(180)의 두께가 50nm 이하로 매우 얇고, 제1 유전체층(120)과 제2 유전체층(140)의 두께 또한 1 um 이하로 매우 얇은 경우, 제1 및 제2 전극층(170, 180)에서 여기되는 표면 플라즈몬 폴라리톤과 그래핀층(130)에서 여기되는 표면 플라즈몬 폴라리톤이 결합하여 수퍼 모드(Super Mode)가 형성된다. 결과적으로 서로 다른 세가지 자유 전자 시스템에 의한 광 신호 전송이 가능하다.
이때, 제1 전극층(170)과 제2 전극층(180)에 소정의 전압(V)을 인가하면, 그래핀 내부의 전자 밀도가 변화한다. 이런 경우, 그래핀에 여기된 표면 플라즈몬 폴라리톤의 특성이 변화되고, 제1 전극층(170)과 제2 전극층(180)에 여기된 표면 플라즈몬 폴라리톤과의 상호작용 또한 변화하여 수퍼 모드의 모양과 전송 손실 특성이 변하게 된다. 결과적으로, 출력 광의 세기가 달라지거나, 출력 광을 광섬유와 결합하는 경우 결합 효율이 변화할 수 있다. 제1 전극층(170)과 제2 전극층(180)에 소정의 전압(V)을 교류로 인가하는 경우, 수퍼 모드는 상기 교류 전압에 비례하고, 결과적으로 그래핀을 통해 도파되는 광 신호에 변조를 야기시킬 수 있다.
제1 전극층(170)과 제2 전극층(180)에 소정의 전압(V)을 교류로 인가할 수 있으며, 이 경우, 수퍼 모드는 교류 전압에 비례하고, 결과적으로 그래핀층(130)을 통해 도파되는 광 신호에 변조를 야기시킬 수 있다.
또한 도 5를 참고하면, 광도파로(100b)에서, 제1 전극층(170), 제2 전극층(180) 및 그래핀층(130)에 수평한 방향으로 전기 신호(190)를 가하면, 그래핀층(130)을 통해 광 신호뿐만 아니라 전기 신호도 동시에 전송할 수 있다. 이때, 전기 신호는 직류 또는 교류의 전기 신호일 수 있다.
이와 달리, 도 6에 도시한 바와 같이, 광 도파로(100c)는 그래핀으로 제1 및 제2 전극층(170', 180')을 형성할 수도 있다. 즉, 그래핀 또한 전기적 성질을 가지므로, 도 4 및 도 5에 도시한 금속 대신 그래핀을 사용하여 제1 및 제2 전극층(170', 180')을 형성할 수 있다. 이때, 그래핀을 사용하여 제1 및 제2 전극층(170', 180')을 형성하고, 외부에서 전압을 가하면 도 4 및 도 5에서의 모든 성능을 발휘할 수 있다.
도 7 및 도 8은 각각 본 발명의 제5 및 제6 실시 예에 따른 광 도파로를 나타낸 도면이다.
도 7 및 도 8은 각각 도 4에 도시된 광 도파로의 변형 예를 도시한 것으로, 도 5 및 도 6에 도시된 광 도파로에도 동일하게 적용될 수 있다.
도 7을 참고하면, 광 도파로(100d)는 그래핀층(130')을 제외하면 도 4의 제2 실시 예에 따른 광 도파로(100a)와 동일할 수 있다.
그래핀층(130')의 그래핀은 필름 형태로 넓게 형성되어 있으며, 제1 전극층(170)과 제2 전극층(180)에 전압(V)을 인가하면, 제1 전극층(170)과 제2 전극층(180) 사이의 그래핀층(130') 영역에서 광 신호가 도파된다.
또한 도 8을 참고하면, 광 도파로(100e)는 제1 전극층(170")과 제2 전극층(180")의 형태를 제외하면 도 7의 제5 실시 예에 따른 광 도파로(100d)와 동일할 수 있다.
제1 전극층(170")과 제2 전극층(180")은 Y-분기 즉, 하나의 경로가 두 개의 경로로 분기되는 형태로 형성될 수 있다. 이러한 제1 전극층(170")과 제2 전극층(180")을 이용하면, 광 도파로(100e)는 입사되는 광 신호를 분기시켜서 출력하게 된다.
제1 전극층(170")과 제2 전극층(180")은 도 7에 도시된 형태에 한정되지 않고 다양한 형태로 형성할 수 있으며, 제1 전극층(170")과 제2 전극층(180")의 형태에 따라서 다양한 광 회로를 제작할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.

Claims (14)

  1. 기판,
    상기 기판 위에 위치하는 제1 유전체층,
    제1 유전체층 위에 상기 기판의 길이 방향을 따라 형성되어 있는 그래핀을 포함하며, 상기 그래핀을 통해서 입사되는 광을 전송하는 그래핀층, 그리고
    상기 제1 유전체층와 상기 그래핀층 위에 위치하는 제2 유전체층
    를 포함하는 광 도파로.
  2. 제1항에서,
    상기 제1 유전체층 및 상기 제2 유전체층는 동일한 굴절율을 가지는 광 도파로.
  3. 제1항에서,
    상기 제1 유전체층과 상기 기판 사이에 위치하는 제3 유전체층,
    상기 제2 유전체층 위에 위치하는 제4 유전체층, 그리고
    상기 제3 유전체층과 상기 제1 유전체층 사이와 상기 제2 유전체층과 상기 제4 유전체층 사이에 각각 상기 기판의 길이 방향으로 형성되어 있는 제1 및 제2 전극층
    을 더 포함하는 광 도파로.
  4. 제3항에서,
    상기 제1 및 제2 전극층에는 설정된 전압이 인가되는 광 도파로.
  5. 제4항에서,
    상기 설정된 전압은 교류 전압인 광 도파로.
  6. 제3항에서,
    상기 제1 및 제2 전극층은 스트립 형태로 형성되어 있는 광 도파로.
  7. 제3항에서,
    상기 제1 및 제2 전극층은 하나의 경로가 두 개의 경로로 분기된 형태로 형성되어 있는 광 도파로.
  8. 제3항에서,
    상기 제1 및 제2 전극층은 금속으로 이루어진 광 도파로.
  9. 제3항에서,
    상기 제1 및 제2 전극층은 그래핀으로 이루어진 광 도파로.
  10. 제3항에서,
    상기 제3 유전체층은 상기 제1 유전체층과 동일한 굴절율을 가지며, 제4 유전체층은 제2 유전체층과 동일한 굴절율을 가지는 광 도파로.
  11. 제3항에서,
    상기 제1 전극층, 상기 제2 전극층 및 상기 그래핀층 중 어느 하나에 수평 방향으로 전기 신호가 가해지면, 상기 그래핀층은 상기 광 신호와 함께 상기 전기 신호를 전송하는 광 도파로.
  12. 제1항에서,
    상기 그래핀층은 스트립 형태로 형성되어 있는 광 도파로.
  13. 제1항에서,
    상기 그래핀층은 필름 형태로 형성되어 있는 광 도파로.
  14. 제1항에서,
    상기 제1 유전체층 및 제2 유전체층은 실리콘, 실리콘 질화물 또는 광소자용 고분자로 이루어지는 광 도파로.

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