KR20140049316A - 그래핀 광소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 그래핀 광 소자를 개시한다. 그의 광 소자는, 하부 클래드와, 상기 하부 클래드 상에 제 1 방향으로 연장되는 광 도파로와, 상기 광 도파로 상에 형성된 제 1 유전 층과, 상기 제 1 유전 층 상에 제 2 방향으로 연장되는 그래핀 층을 포함한다.
Description
본 발명은 광소자에 관한 것으로 보다 구체적으로 그래핀 광소자에 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.
일반적인 광 도파로형 광소자는 굴절률이 높은 사각형 또는 원형의 코어 유전체와 굴절률이 낮은 클래드 유전체로 구성된다. 광은 코어 유전체를 통해 전송될 수 있다. 광 도파로는 굴절률의 변화에 의해 광의 세기, 편광, 또는 위상등을 변화시킬 수 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 그래핀 층을 이용하여 광 변조기를 구현하는 그래핀 광 소자를 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는 편광 조절기를 구현할 수 있는 그래핀 광 소자를 제공하는 데 있다.
금속선 광도파로의 광도파로 소자를 진행하는 광 신호의 특성을 보다 효율적으로 유도할 수 있는 그래핀 그래핀 광 소자를 제공하는 데 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 그래핀 광 소자는, 하부 클래드; 상기 하부 클래드 상에 제 1 방향으로 연장되는 광 도파로; 상기 광 도파로 상에 형성된 제 1 유전 층; 및 상기 제 1 유전 층 상에 형성된 그래핀 층을 포함한다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 그래핀 층 상의 제 2 유전 층; 상기 제 2 유전 층 상의 전극 층을 더 포함할 수 있다.
상기 제 1 유전 체 층 및 상기 제 2 유전체 층은 열 또는 전기장에 의한 굴절률이 변화되는 실리카 폴리머를 포함할 수 있다.
상기 광 도파로는 상기 기판과 상기 제 1 유전 층보다 높은 굴절율을 가질 수 있다. 상기 광 도파로는 금속선 광 도파로를 포함할 수 있다. 상기 금속선 광 도파로는 5나노미터 내지 200나노미터의 두께와 2마이크로미터 내지 100마이크로미터의 선폭을 가질 수 있다.
상기 광 도파로는 폴리머, 산화 규소, 또는 질화 규소를 포함할 수 있다.
상기 제 1 유전 층은 그래핀 옥사이드를 포함할 수 있다.
상기 그래핀 층을 덮는 상부 클래드를 더 포함할 수 있다. 상기 하부 클래드 및 상기 상부 클래드는 폴리머, 실리콘 산화막, 석영, 또는 실리콘을 포함할 수 있다.
상기 그래핀 층은 상기 제 1 방향에 교차되는 제 2 방향으로 연장될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 그래핀 광 소자는, 하부 클래드, 광 도파로 층, 제 1 유전 층, 그래핀 층, 제 2 유전 층, 및 전극을 포함할 수 있다. 광 도파로 층은 하부 클래드 상에 제 1 방향으로 연장될 수 있다. 제 1 유전 층은 광 도파로 층을 덮는다. 그래핀 층은 제 1 유전체 상에서 제 2 방향으로 연장될 수 있다. 제 2 유전체 층은 그래핀 층 상에 배치될 수 있다. 전극은 제 2 유전체 층 상에 배치될 수 있다. 그래핀 층과 전극 사이에 교류 전압이 인가되면, 제 1 유전체 층 및 제 2 유전체 층에 전기장이 유도될 수 있다. 제 1 유전체 층 및 제 2 유전체 층은 전기장에 의해 굴절률이 변화될 수 있다. 광은 광 도파로에서 세기가 조절될 수 있다. 즉, 광은 교류 전압에 의해 광 도파로 또는 그래핀 층에서 변조될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 그래핀 광 소자는 광 변조기를 구현할 수 있다. 또한, 광은, 광 도파로에 입사되면 그래핀 층으로 유도될 수 있다. 광 도파로와, 그래핀 층 사이에서 광의 편광이 조절될 수 있다. 본 발명의 실시 예에 따른 그래핀 광 소자는 편광 조절기를 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 그래핀 광 소자를 나타낸 사시도이다.
도 2는 도 1의 I-I' 선상을 절취하여 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 그래핀 광 소자를 나타내는 사시도이다.
도 4는 도 3의 II-II' 선상을 절취하여 나타낸 단면도이다.
도 5a 및 도 5b는 광 신호의 전송 시에 광 도파로에서 자유 전자의 분극들의 상호 관계를 나타낸 도면들이다.
도 2는 도 1의 I-I' 선상을 절취하여 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 그래핀 광 소자를 나타내는 사시도이다.
도 4는 도 3의 II-II' 선상을 절취하여 나타낸 단면도이다.
도 5a 및 도 5b는 광 신호의 전송 시에 광 도파로에서 자유 전자의 분극들의 상호 관계를 나타낸 도면들이다.
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.
도 1은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 그래핀 광 소자(100)를 나타낸 사시도이다. 도 2는 도 1의 I-I' 선상을 절취하여 나타낸 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 그래핀 광 소자(100)는, 하부 클래드(110)와, 광 도파로(120), 제 1 유전체층(130), 그래핀층(140), 제 2 유전체층(150), 및 전극(160)을 포함할 수 있다.
하부 클래드(110)는 광 도파로(120)보다 낮은 굴절률을 가질 수 있다. 하부 클래드(110)은 폴리머, 유리, 석영, 또는 결정 실리콘 중 적어도 하나의 기판을 포함할 수 있다.
광 도파로(120)는 하부 클래드(110) 상에서 일 방향으로 연장될 수 있다. 광 도파로(120)는 하부 클래드(110), 제 1 유전체 층(130), 및 제 2 유전체 층(150)과 다른 굴절률을 가질 수 있다. 광 신호는 굴절률이 높은 매질을 통해 전달될 수 있다. 때문에, 광 도파로(120)는 하부 클래드(110), 제 1 유전체 층(130), 및 제 2 유전체 층(150)보다 높은 굴절률을 가질 수 있다.
광 도파로(120), 제 1 유전체 층(130) 및 제 2 유전체 층(150) 각각은 폴리머, 산화규소 또는 질화규소 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 그 중에서도, 제 1 유전체층(130) 및 제 2 유전체층(150)은 외부 전기장 또는 열에 의해 굴절률이 변화되는 실리카 폴리머를 포함할 수 있다. 제 1 유전체 층(130)은 광 도파로 (120) 상에 배치될 수 있다.
그래핀 층(140)은 제 1 유전체 층(130) 상에 배치될 수 있다. 그래핀 층(140)은 박막 그래핀(Graphene)을 포함할 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 이룬다. 그래핀은 단층 또는 다층의 탄소 원자층으로 이루어질 수 있다. 이때, 단층의 그래핀 층(140)은 탄소 원자 1개의 두께와 동일할 수 있다. 탄소 원자들은 6원환을 기본 단위로 가지며, 5원환 또는 7원환으로 형성될 수도 있다. 그래핀 층(140)은 트랜스퍼링 방법 또는 포토 리소그래피 공정을 통해 형성될 수 있다. 트랜스퍼링 방법은 접착 테이프를 흑연 소스에 접촉하여 광 도파로(120) 및 하부 클래드(110)에 전이시키는 방법이다.
광이 그래핀 층(140)의 표면으로 입사되면, 표면 플라즈몬(Surface plasmon)이라고 불리는 전자기 표면파(Electronic surface wave)가 생성될 수 있다. 표면 플라즈몬은 자유 전자와 외부에서 입사된 광의 상호작용에 의해 형성되어 자유전자를 갖는 물질과 이에 접하고 있는 유전체의 경계면을 따라 진행하는 전하밀도의 진동파를 의미한다.
그래핀 층(140)은 그가 갖는 화학 퍼텐셜(chemical potential)의 크기에 따라, TM(Transverse Magenetic) 모드 또는 TE(Transverse Electric) 모드의 광을 전송할 수 있다. 예를 들어, 화학 퍼텐셜이 hw/2 보다 큰 경우, 그래핀 층(140)의 전도도에 기여하는 대역 내(intraband)의 허수 부분(imaginary part)이 대역 간(interband)의 허수 부분보다 커져서 그래핀 층(140)의 전체 전도도의 허수 부분은 음수(negative)가 된다. 이때, 그래핀 층(140)은 TM 모드의 광을 도파시킬 수 있다. 반대의 경우 즉, 화학 퍼텐셜이 hw/2 보다 작은 경우, 그래핀 층(140)은 TE 모드의 광을 도파시킬 수 있다.
그래핀 층(140)에 외부 전기장이 인가되면, 그래핀 층(140) 내부의 전하(전자 또는 홀)의 밀도가 변화될 수 있다. 이 원리에 입각하여 그래핀 층(140)이 광 도파로(120)에 근접되면, 광은 광 도파로(120)에서 그래핀 층(140)으로 진행될 수 있다. 광은 TM 모드를 가질 수 있다. TM 모드 광은 그래핀 층(140)의 전하(전자 또는 홀)과의 상호작용으로 손실될 수 있다.
제 2 유전체 층(150)은 그래핀 층(140) 상에 배치될 수 있다. 전극(160)은 제 2 유전체층(150) 상에 배치될 수 있다. 그래핀 층(140)과 전극(160) 사이에 교류 전압이 인가되면, 그래핀 층(140)의 전하밀도가 변화될 수 있다. TM 모드 광은 상기의 전하밀도의 크기에 따라 그래핀 층(140)에서 손실되는 정도가 변화한다. 이러한 손실의 변화는 광 도파로(120)의 출력단에서 광 신호 세기의 변조 효과를 유도할 수 있다. 따라서, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 그래핀 광 소자(100)는 광 변조기를 구현할 수 있다.
또한, 그래핀 층(140)과 전극(160)에 교류 전압이 인가되면, 제 1 유전체 층(130) 및 제 2 유전체 층(150)의 굴절률이 변화될 수 있다. 굴절률의 변화는, 그래핀 층(140)에서의 TM 모드 또는 TE 모드의 광의 결합 효율을 변화에 대응될 수 있다. 광은, 결합 효율의 변화에 의해 TM 모드의 편광 또는 TE 모드의 편광이 조절될 수 있다. 따라서, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 그래핀 광 소자(100)는 편광 조절기를 구현할 수 있다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 그래핀 광 소자(100)를 나타내는 사시도이다. 도 4는 도 3의 II-II' 선상을 절취하여 나타낸 단면도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 그래핀 광 소자(100)는 하부 클래드(110), 광 도파로(120), 제 1 유전 층(130), 그래핀 층(140), 상부 클래드(170)을 포함할 수 있다.
하부 클래드(110)와 상부 클래드(170)는 광 도파로(120)의 아래와 위에 배치될 수 있다. 하부 클래드(110) 및 상부 클래드(170)은 폴리머, 유리, 석영, 결정 실리콘을 포함할 수 있다. 광 도파로(120)는 하부 클래드(110) 상에 제 1 방향으로 연장될 수 있다. 제 1 유전체 층(130)은 광 도파로(120)을 덮을 수 있다. 제 1 유전체 층(130)은 광 도파로(120)과 그래핀 층 사이에 유도되는 전기장에 의해 굴절률이 변화될 수 있다. 제 1 유전체층(130)은 그래핀 옥사이드(graphene oxide)를 포함할 수 있다. 광 도파로(120)은 금속선 광 도파로를 포함할 수 있다. 금속선 광 도파로는 금(Au)를 포함할 수 있다. 금속선 광 도파로는 약 수십 내지 수백 나노미터의 두께와, 약 수십 마이크로미터의 선폭을 가질 수 있다. 광 도파로(120)는 입사광을 손실없이 전송할 수 있다. 금속선 광 도파로의 광전송은 장거리 표면플라즈몬 폴라리톤(LR-SPP)이론으로 이를 설명할 수 있다.
금속선 광 도파로의 광도파 원리를 간단히 설명하면, 다음과 같다. 광 신호는 금속선 광도파로 내의 자유전자 분극들과 이들의 상호적인 커플링을 통해 전달될 수 있다. 이러한 자유 전자의 연속적인 커플링을 표면 플라즈몬 폴라리톤(surface plasmon polariton)이라 한다. 표면 플라즈몬 폴라리톤 중 장거리 광전송을 장주기 표면 플라즈몬 폴라리톤(long-range surface plasmon polariton)이라 한다.
표면 플라즈몬(Surface Plasmon; SP)은 유전 상수의 실수항이 서로 반대부호를 가지는 경계면을 따라 구속되어 진행하는 전하밀도의 진동파일 수 있다. 표면 전하 밀도 진동은 종방향 표면 구속파를 형성할 수 있다. 종방향 표면 구속파는 입사파의 전기장 성분이 경계면에 수직한 성분으로 TM모드 (Transverse Magnetic Mode)만이 장거리 표면플라즈몬 폴라리톤을 여기(excitation) 및 도파(導波)시킬 수 있다. 예를 들어, 금속선 광 도파로는 5 내지 200 ㎚정도의 두께와, 2 내지 100 ㎛ 정도의 폭(width)을 가질 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 광 신호의 전송 시에 광 도파로(120)를 금속선 광 도파로로 대체하였을 때 광 신호의 흐름을 나타낸 것이다.
매우 얇고 좁은 금속선이 유전체에 삽입되어 있을 때, 금속선의 위와 아래에 형성된 금속-유전체 경계면에서 여기된 장거리 표면 플라즈몬 폴라리톤은 서로 결합되어 도 5b와 같이 금속선을 중심으로 하는 원형의 가이드 모드를 형성한다. 형성된 가이드 모드는 도 5a와 같이 금속선을 따라 도파한다.
그래핀 층(140)은 제 1 유전체 층(130) 상에 배치될 수 있다. 그래핀 층(140)은 광 도파로(120)에 교차되는 제 2 방향으로 연장될 수 있다. 광이 그래핀 층(140)의 표면으로 입사되면, 표면 플라즈몬(Surface plasmon)이라고 불리는 전자기 표면파(Electronic surface wave)이 생성된다. 표면 플라즈몬은 자유 전자와 외부에서 입사된 광의 상호작용에 의해 형성되어 자유전자를 갖는 물질과 이에 접하고 있는 유전체의 경계면을 따라 진행하는 전하밀도의 진동파를 의미한다. 광 도파로(120)와 그래핀 층(140)에 교류 전압이 인가하면, 그래핀층(140)의 전하밀도가 변화한다. 광 신호는 전하 밀도의 크기에 따라 변조될 수 있다.
따라서, 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 그래핀 광 소자는 광 변조기를 구현할 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시 예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
110: 하부 클래드 120: 광 도파로
130: 제 1 유전체 층 140: 그래핀 층
150: 제 2 유전체 층 160: 전극
170: 상부 클래드
130: 제 1 유전체 층 140: 그래핀 층
150: 제 2 유전체 층 160: 전극
170: 상부 클래드
Claims (11)
- 하부 클래드;
상기 하부 클래드 상에 제 1 방향으로 연장되는 광 도파로;
상기 광 도파로 상에 형성된 제 1 유전 층; 및
상기 제 1 유전 층 상에 형성된 그래핀 층을 포함하는 그래핀 광 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 그래핀 층 상의 제 2 유전 층;
상기 제 2 유전 층 상의 전극 층을 더 포함하는 그래핀 광 소자. - 제 2 항에 있어서,
상기 제 1 유전 체 층 및 상기 제 2 유전체 층은 열 또는 전기장에 의한 굴절률이 변화되는 실리카 폴리머를 포함하는 그래핀 광 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 광 도파로는 상기 기판과 상기 제 1 유전 층보다 높은 굴절율을 갖는 그래핀 광 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 광 도파로는 금속선 광 도파로를 포함하는 그래핀 광 소자. - 제 5 항에 있어서,
상기 금속선 광 도파로는 5나노미터 내지 200나노미터의 두께와 2마이크로미터 내지 100마이크로미터의 선폭을 갖는 그래핀 광 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 광 도파로는 폴리머, 산화 규소, 또는 질화 규소를 포함하는 그래핀 광 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 유전 층은 그래핀 옥사이드를 포함하는 그래핀 광 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 그래핀 층을 덮는 상부 클래드를 더 포함하는 그래핀 광 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 하부 클래드 및 상기 상부 클래드는 폴리머, 실리콘 산화막, 석영, 또는 실리콘을 포함하는 그래핀 광 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 그래핀 층은 상기 제 1 방향에 교차되는 제 2 방향으로 연장되는 그래핀 광 소자.
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