光学器件以及控制来自光学器件的光的方向的方法
【专利摘要】提供了光学器件以及控制来自光学器件的光的方向的方法。该光学器件包括：基板；在基板上的金属层；第一狭槽，提供在金属层中；以及至少一个光源，提供在第一狭槽中，其中光从所述至少一个光源朝第一狭槽的顶部或第一狭槽的底部的方向发射。
【专利说明】
光学器件以及控制来自光学器件的光的方向的方法
技术领域
[0001]本公开涉及光学器件以及控制来自该光学器件的光的方向的方法。
【背景技术】
[0002]近来，已经发展了使用光的许多光学器件。由于光学器件使用光，所以它们具有快的处理速度的优点。然而，当电子器件的尺寸减小到几十至几百纳米时，对于减小光学器件的尺寸存在限制，因为由于光的衍射极限特性，难以制造具有等于或小于波长的尺寸的光学器件。
【发明内容】
[0003]技术问题
[0004]因此，对使用光学器件产生集成的光学电路存在限制。
[0005]针对问题的方案
[0006]提供了一种纳米尺寸的光学器件。
[0007]提供了一种控制来自纳米尺寸的光学器件的光的方向的方法。
[0008]额外的方面将在以下的描述中被部分地阐述，并将部分地从该描述明显，或者可以通过给出的实施方式的实践而习知。
[0009]根据本实施方式的一方面，一种光学器件包括:基板;金属层，在基板上；第一狭槽，提供在金属层中；以及至少一个光源，提供在第一狭槽中，其中光在第一狭槽的顶部或第一狭槽的底部的方向上从所述至少一个光源发射。
[0010]第一狭槽可以具有六面体形状，该六面体形状具有厚度、长度和宽度，并且通过改变所述厚度、长度和宽度中的至少一个，可以调整来自所述至少一个光源的光的共振波长。
[0011]来自所述至少一个光源的光的光发射方向可以通过改变第一狭槽的厚度、长度和宽度中的至少一个调整。
[0012]第一狭槽可以具有六面体形状，该六面体形状具有100至500nm的范围的厚度、100至500nm的范围的长度、以及10至80nm的范围的宽度。
[0013]光源可以包括量子点、染料分子或荧光物质。
[0014]表面等离子激元可以在金属层上产生。
[0015]基板可以用透明的电介质材料形成。
[0016]基板可以由玻璃形成。
[0017]光学器件还可以包括与第一狭槽分开形成的至少第二狭槽。
[0018]第二狭槽可以形成为平行于第一狭槽或相对于第一狭槽倾斜。
[0019]所述至少一个光源可以包括第一光源和第二光源，第一光源和第二光源可以发射其波长不同的各自的光。
[0020]来自第一光源和第二光源的任一个的光可以在顶部的方向上发射，来自另一个的光可以在底部的方向上发射。
[0021]根据本发明的另一方面，一种控制来自光学器件的光的方向的方法包括:在基板上的金属层中形成纳米尺寸的狭槽;在狭槽中提供至少一个光源；以及通过调整纳米尺寸的狭槽的尺寸，在第一狭槽的顶部的方向上或在狭槽的底部的方向上从所述至少一个光源发射光。
[0022]发明的有益效果
[0023]根据本发明的示范性实施方式的光学器件可以具有至少一个光源，并可以调整来自所述至少一个光源的光的行进方向。因此，本发明的实施方式允许纳米尺寸的光学器件的实施，并且通过使用这个光学器件，可以制造集成光学电路。
【附图说明】
[0024]从以下结合附图对实施方式的描述，这些和/或其它的方面将变得明显并更易于理解，附图中:
[0025]图1是根据本发明的示范性实施方式的光学器件的示意图；
[0026]图2A是示出来自根据本发明的示范性实施方式的光学器件的光在该光学器件的顶部的方向上发射的图；
[0027]图2B是示出来自根据本发明的示范性实施方式的光学器件的光在该光学器件的底部的方向上发射的图；
[0028]图3是示出相对于狭槽的厚度，根据狭槽的长度，根据本发明的示范性实施方式的光学器件的共振波长的变化的图形；
[0029]图4是示出相对于根据本发明的示范性实施方式的光学器件的狭槽的长度和厚度，光学器件的玻璃-狭槽界面上发生的A模式的共振波长的变化的图；
[0030]图5是示出相对于根据本发明的示范性实施方式的光学器件的狭槽的长度和厚度，光学器件的空气-狭槽界面上发生的G模式的共振波长的变化的图；
[0031]图6是示出相对于根据本发明的示范性实施方式的光学器件的狭槽的厚度，光学器件在A模式和G模式的共振波长的变化的图形；
[0032]图7示出图1所示的光学器件的变形示例；
[0033]图8是示出来自图7所示的光学器件的光发射方向的示意图；
[0034]图9示出图1所示的光学器件的另一变形示例；
[0035]图10示出其中图9所示的光学器件的狭槽的位置改变的一示例；
[0036]图11示出其中图9所示的光学器件的狭槽的位置改变的一示例；
[0037]图12示出其中图9所示的光学器件中的光源的数量改变的一示例；
[0038]图13和图14示出其中根据本发明的示范性实施方式的光学器件被应用于光电探测器的示例；以及
[0039]图15示出图1所示的光学器件的另一变形示例。
【具体实施方式】
[0040]现在将详细参照实施方式，其示例在附图中示出，其中相同的附图标记始终指代相同的元件。在这点上，给出的实施方式可以具有不同的形式，而不应被解释为限于这里阐述的描述。因此，以下通过参照附图仅描述了实施方式以说明本说明书的各方面。诸如“……中的至少一个”的表述，当在一列元件之后时，修饰整列元件，而不修饰该列的个别元件。
[0041]图1是根据本发明的示范性实施方式的光学器件100的示意图。光学器件100包括基板110、在基板110上的金属层120以及提供在金属层120中的至少一个狭槽130。
[0042]基板110可以包括电介质材料。基板110可以由例如Al2O3或S12形成。金属层120可以由从由例如T1、Au、Ag、Pt、Cu、Al、Ni以及Cr组成的组选择的至少一种形成。
[0043]狭槽130可以具有纳米尺寸。狭槽130可以具有例如六面体形状，该六面体形状具有厚度h、宽度W和长度L。
[0044]在狭槽130中，可以提供至少一个光源S。光源S可以包括点光源、线光源和面光源中的至少之一。光源S可以包括例如量子点、染料分子和荧光物质中的至少一种。光源S可以包括自身发光的光源或被来自外部的光激发的光源。例如，如果激光束被发射到量子点，则当量子点在其激发态之后返回到其初始状态时，量子点可以发光。其中放置光源S的狭槽130可以用作光学器件100的馈电线(feeder)。
[0045]通过调整狭槽130的尺寸，来自光源S的光可以被共振，光的共振波长可以被调整。例如，通过改变狭槽130的厚度、宽度和长度中的至少之一，光的共振波长可以被调整。
[0046]金属层120可以通过从外部发射的光而在其表面上产生表面等离子激元。然后，在金属层120上产生的表面等离子激元可以通过与狭槽130耦合而转变为光。根据本发明的示范性实施方式的光学器件100可以传输来自光源S的光，并传输在金属层120中产生的表面等离子激元。如此，根据本发明的示范性实施方式的光学器件100可以用作例如纳米天线。
[0047]图2A和2B是来自光源S的光L在被共振并发出之后的轮廊的示意图。
[0048]图2A示出光L在光学器件100的顶部的方向上发射，图2B示出光L在光学器件100的底部的方向上发射。
[0049]在一个狭槽中，可以存在两个共振波长。在这两个共振波长之间，具有较短波长的光可以在狭槽的底部的方向上发射，具有较长波长的光可以在狭槽的顶部的方向上发射。在下文，在狭槽的顶部的方向上的发射将被称为A模式，在狭槽的底部的方向上的发射将被称为G模式。
[0050]例如，A模式中的光可以在空气和金属层120之间的界面上共振，G模式中的光可以在金属层120和基板110之间的界面上共振。
[0051 ]光发射的方向和共振波长可以通过改变狭槽130的厚度t、宽度W和长度L中的至少一个被调整。
[0052]图3是示出共振波长根据狭槽130的长度L的变化的图形。
[0053]A模式和G模式的共振波长可以根据狭槽130的长度L而增大。
[0054]此外，根据相对于狭槽130的厚度th的这种变化的模拟结果，如果狭槽130的厚度t增大，则共振波长在G模式中减小。如果狭槽130的厚度t增大，则共振波长在A模式中增大。
[0055]图4是示出狭槽结构和A模式中的共振波长之间的关系的模拟结果的图。图5是示出狭槽结构和G模式中的共振波长之间的关系的模拟结果的图。
[0056]图6示出例如当狭槽的长度为180nm并且宽度为50nm时，光的共振波长相对于狭槽的厚度h的变化。例如，当厚度为约200nm时，可以获得约550nm的第一共振波长和约750nm的第二共振波长。此外，当厚度为约300nm时，可以获得约650nm的第一共振波长和约730nm的第二共振波长。
[0057]如此，通过调整狭槽的厚度、长度和宽度中的至少一个，共振波长可以被调整。此外，一个狭槽具有至少两个共振波长。
[0058]在由金属制成的纳米尺度的狭槽中，共振波长可以通过等离子效应确定。也就是说，共振波长可以通过趋肤深度和材料阻抗匹配条件来确定。因此，狭槽的共振波长大致趋向于具有以下特性:
[0059](I)共振波长与长度L成正比。比例常数可以通过金属和围绕的电介质材料(例如空气或玻璃)的折射率来确定。
[0060](2)共振波长与厚度t成正比或成反比。在A模式，当厚度t增大时，共振波长增大，在G模式，当厚度t增大时，共振波长减小。
[0061 ] (3)如果宽度W减小，则共振频率增大(红移现象)。
[0062]因此，在狭槽中，共振波长可以通过以下的方程式I大致确定:
[0063]A = a+b X L+c X t+d X W (I)
[0064]例如，当金属为银时，使共振波长在400至700nm的范围内的模拟结果如下:
[0065]其中光朝狭槽的顶部的方向发射的A模式的第一波长带(I)如以下方程式2:
[0066]Ai = 410+2.8L-0.7t-1.7Xff (2)
[0067]其中光朝狭槽的底部的方向发射的G模式的第二波长带(2)如以下的方程式3:
[0068]A2 = 210+1.4L-0.5t-1.5Xff (3)
[0069]根据狭槽的设计，如果光匹配(I)，则光可以朝狭槽的顶部的方向发射，如果光匹配(2)，则光可以朝狭槽的底部的方向发射。参照图6，随着狭槽的厚度增加，第一共振波长和第二共振波长之差减小。第一共振波长和第二共振波长之差越小，分光能力(或分辨能力)会降低得越多。为了获得预定的分光能力，例如，狭槽具有在100至500nm的范围内的厚度。此外，狭槽可以具有在100至50nm的范围内的长度以及在10至80nm的范围内的宽度。为了获得预定的分光能力，可以调整第一共振波长和第二共振波长之差。根据方程式2和3，第一共振波长和第二共振波长之差通过以下方程式4获得:
[0070]AA = 200+1.4L-0.2t-0.2ff (4)
[0071]例如，为了使用在可见光区域中的纳米天线，第一共振波长和第二共振波长之差可以具有400至2000nm的范围。
[0072]为了使第一共振波长和第二共振波长之差在400至2000nm的范围内，例如，狭槽可以具有在100至500nm的范围内的厚度。
[0073]图7示出光学器件100A的一示例，其中至少一个光源包括第一光源SI和第二光源S2。第一光源SI和第二光源S2可以提供在狭槽130的中心。第一光源SI和第二光源S2可以发射具有不同波长的光。例如，第一光源SI可以发射具有蓝色波长的光，第二光源S2可以发射具有红色波长的光。此外，第一光源SI可以发射具有蓝色波长的光，第二光源S2可以发射具有绿色波长的光。然而，这只是一示例，并且不限制本发明的范围。第一光源SI和第二光源S2可以包括例如量子点、染料分子和荧光物质中的至少之一。
[0074]参照图8，来自第一光源SI的第一光LI可以朝狭槽130的顶部的方向发射，来自第二光源S2的第二光L2可以朝狭槽130的底部的方向发射。例如，如果激光被发射到第一光源SI和第二光源S2，则第一光源SI和第二光源S2可以被激发，并在返回到其初始状态时可以发光。这里，可以使来自第一光源SI的第一光LI和来自第二光源S2的第二光L2朝不同的方向发射。通过这样做，光学器件10A可以分辨具有不同的波长的两个光，并使所述两个光在不同的路径上行进。
[0075]光学器件100A可以具有例如两个共振波长。
[0076]来自第一光源SI和第二光源S2的光可以具有在350nm至2m的范围内的波长。
[0077]如果共振波长根据狭槽130的尺寸确定，则发射具有与共振波长相对应的波长的光的光源可以被插入狭槽130中。当来自光源的光共振时，光信号可以被放大。
[0078]如上所述，当至少一个光源提供在狭槽中时，来自光源的光可以朝第一方向例如朝狭槽的顶部的方向或朝第二方向例如朝狭槽的底部的方向被放大并发出。
[0079]通过利用此操作，当存在两个光源时，光学器件可以起到分辨具有两个不同波长的光的功能。
[0080]图9示出根据本发明的另一示范性实施方式的光学器件100B。光学器件100B具有在基板110上的金属层120以及在金属层120中的第一狭槽130和第二狭槽135。与图1相比，区别是光学器件100B具有多个狭槽。这里，虽然示出两个狭槽的示例，但是狭槽的数目可以为三个或更多。此外，所述多个狭槽中的一些可以提供在第一狭槽130的一侧，另一些狭槽可以提供在第一狭槽130的另一侧。至少一个光源S可以提供在第一狭槽130中。第一狭槽130可以具有能够使来自光源S的光共振的尺寸。
[0081]第一狭槽130可以具有六面体形状，该六面体形状具有第一厚度t1、第一宽度Wi和第一长度Li。第二狭槽135可以具有六面体形状，该六面体形状具有第二厚度t2、第二宽度W2和第二长度L2。第一狭槽130和第二狭槽135之间的距离将被称为d。
[0082]例如，通过改变第一厚度t1、第一宽度W1、第一长度U、第二厚度t2、第二宽度胃2、第二长度L2以及第一狭槽130和第二狭槽135之间的距离d中的至少一个，可以调整来自光源S的光的行进方向。
[0083]第一狭槽130和第二狭槽135可以例如平行地布置。此外，如图10所示，第一狭槽130和第二狭槽135可以不平行地布置。例如，第二狭槽135可以布置为相对于第一狭槽130倾斜。此外，如图9所示，第二狭槽135与第一狭槽130的相对位置可以改变。
[0084]第二狭槽135可以是通过反射光而改变来自光源S的光的行进方向的反射器。也就是说，根据第二狭槽135的位置，光的行进方向可以变化。此外，根据第二狭槽135的位置，来自光源S的光的反射频率或光的反射量可以变化。例如，在图11所示的结构中，与图10所示的结构相比，第一狭槽130和第二狭槽135之间的光的反射频率可以较大，利用增大的反射频率，光的量可以增加。
[0085]现在将说明光学器件100B的操作。
[0086]例如，如果激光被发射到光源S，则来自光源S的光L可以被发射。根据第一狭槽130的结构和尺寸，来自光源S的光可以朝第一方向例如朝第一狭槽130的顶部的方向或朝第二方向例如朝第一狭槽130的底部的方向发射。来自光源S的光可以被共振并放大。光的行进方向可以通过与第二狭槽135的相互作用而改变。例如，如果来自光源S的光L朝第一狭槽130的顶部的方向发射，则光L可以通过第二狭槽135朝图9的左上方向行进。此外，如果来自光源S的光L朝第一狭槽130的底部的方向发射，则光L可以通过第二狭槽135朝图9的左下方向行进。
[0087]此外，如图10所示，如果第二狭槽135相对于第一狭槽130倾斜，则来自光源S的光L的反射方向可以通过第二狭槽135改变为第一狭槽130的底部的方向。
[0088]金属层120可以通过从外部入射的光而在其表面上产生表面等离子激元。于是，表面等离子激元引起与第一狭槽130和第二狭槽135的耦合，部分表面等离子激元可以转变为光。然后，通过与第二狭槽135的相互作用，可以控制表面等离子激元的行进方向。因此，根据本发明的实施方式的光学器件可以传输来自光源S的光，并传输在金属层120上产生的表面等离子激元。
[0089]接下来，图12示出其中第一狭槽130具有第一光源SI和第二光源S2的示例。
[0090]例如，来自第一光源SI的第一光可以朝第一狭槽130的顶部的方向发射，来自第二光源S2的第二光可以朝第一狭槽130的底部的方向发射。第一光可以通过与第二狭槽135的相互作用而朝第一狭槽130的左上部的方向行进，第二光可以通过与第二狭槽135的相互作用而朝第一狭槽130的左下部的方向行进。如此，在一个光学器件中，可以控制具有不同波长的两个光的行进方向。通过利用这个光学器件，光能够被发送和接收。
[0091]图13示出其中具有例如一个光源S的光学器件应用于光电探测器的示例。来自光源S的光L可以朝第一狭槽130的顶部的方向发射，并且通过第二狭槽135，光可以朝第一狭槽130的左上部的方向传输。光L可以被传感器150检测。传感器150可以应用于例如生物传感器。传感器150可以是互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器。此外，如果传感器150在基板110下面，则可以使来自光源S的光朝第一狭槽130的底部的方向发射，于是被传输。
[0092]图14示出其中具有第一光源SI和第二光源S2的光学器件应用于光电探测器的示例。
[0093]第一传感器150和第二传感器155被提供，例如，第一传感器150可以提供在光学器件的顶侧，第二传感器155可以提供在光学器件的底侧。来自第一光源SI的第一光LI可以被控制为朝第一狭槽130的顶部的方向发射，来自第二光源S2的第二光L2可以被控制为朝第一狭槽130的底部的方向发射。第一光LI可以通过第二狭槽135而朝第一狭槽130的左上部的方向行进，并可以被传输到第一传感器150。第二光L2可以通过第二狭槽135而朝第一狭槽130的左下部的方向行进，并可以被传输到第二传感器155。如图14所示，通过使用根据本发明的实施方式的光学器件，双向的光传输是可能的。此外，根据本发明的实施方式的光学器件可以应用于纳米天线。
[0094]图15示出其中图1所示的光学器件100另外地具有在狭槽130的底部处的支撑层140并且光源S位于狭槽130的中心的示例。根据支撑层140的高度，光源S的位置可以被调整。光源S可以大致位于狭槽130的中心。
[0095]如上所述，根据本发明的示范性实施方式的光学器件可以具有至少一个光源并可以调整来自所述至少一个光源的光的行进方向。因此，本发明的实施方式允许纳米尺寸的光学器件的实施，并且通过使用这个光学器件，可以制造集成的光学电路。
[0096]应当理解，这里描述的示范性实施方式应当仅以描述性的含义理解，而不是为了限制的目的。在每个实施方式内的特征或方面的描述应该通常被认为可用于其他实施方式中的其他类似特征或方面。虽然已经参照附图描述了本发明的一个或更多个实施方式，但是本领域普通技术人员将理解，可以在其中进行形式和细节上的各种变化而没有背离由权利要求书限定的本发明的精神和范围。
【主权项】
1.一种光学器件，包括: 基板； 金属层，在所述基板上； 第一狭槽，提供在所述金属层中；以及 至少一个光源，提供在所述第一狭槽中， 其中光从所述至少一个光源朝所述第一狭槽的顶部或所述第一狭槽的底部的方向发射。2.如权利要求1所述的光学器件，其中所述第一狭槽具有六面体形状，该六面体形状具有厚度、长度和宽度，并且通过改变所述厚度、所述长度和所述宽度的至少一个，调整来自所述至少一个光源的光的共振波长。3.如权利要求2所述的光学器件，其中来自所述至少一个光源的光的光发射方向通过改变所述第一狭槽的所述厚度、所述长度和所述宽度中的至少一个被调整。4.如权利要求1所述的光学器件，其中所述第一狭槽具有六面体形状，该六面体形状具有100至500nm的范围的厚度、100至500nm的范围的长度、以及10至80nm的范围的宽度。5.如权利要求1所述的光学器件，其中所述光源包括量子点、染料分子或荧光物质。6.如权利要求1所述的光学器件，其中表面等离子激元在所述金属层上产生。7.如权利要求7所述的光学器件，其中所述基板由透明的电介质材料形成。8.如权利要求7所述的光学器件，其中所述基板由玻璃形成。9.如权利要求1所述的光学器件，还包括与所述第一狭槽分开形成的至少一个第二狭槽。10.如权利要求9所述的光学器件，其中所述第二狭槽形成为平行于所述第一狭槽或相对于所述第一狭槽倾斜。11.如权利要求1所述的光学器件，其中所述至少一个光源包括第一光源和第二光源，所述第一光源和所述第二光源发射其波长不同的各自的光。12.如权利要求11所述的光学器件，其中来自所述第一光源和所述第二光源的任一个的光朝所述第一狭槽的顶部的方向发射，来自另一个的光朝所述第一狭槽的底部的方向发射。13.一种控制来自光学器件的光的方向的方法，所述方法包括: 在基板上的金属层中形成纳米尺寸的狭槽； 在所述狭槽中提供至少一个光源；以及 通过调整所述纳米尺寸的狭槽的尺寸，从所述至少一个光源朝所述狭槽的顶部的方向或朝所述狭槽的底部的方向发射光。14.如权利要求13所述的方法，其中所述狭槽具有六面体形状，该六面体形状具有厚度、长度和宽度，并且通过改变所述厚度、所述长度和所述宽度的至少一个，调整来自所述至少一个光源的光的共振波长。15.如权利要求14所述的方法，其中来自所述至少一个光源的光的光发射方向通过改变所述纳米尺寸的狭槽的所述厚度、所述长度和所述宽度的至少一个被调整。16.如权利要求13所述的方法，其中所述纳米尺寸的狭槽具有六面体形状，该六面体形状具有100至500nm的范围的厚度、100至500nm的范围的长度、以及10至80nm的范围的宽度。17.如权利要求13所述的方法，其中所述光源包括量子点、染料分子或焚光物质。18.如权利要求13所述的方法，其中表面等离子激元在所述金属层上产生。19.如权利要求13所述的方法，其中所述基板由透明的电介质材料形成。
【文档编号】G02B26/00GK106030369SQ201580008998
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2015年1月13日
【发明人】千想模, 李章元, 金彦庭, 金震恩, 卢永瑾, 朴研相, 白瓒郁, 李在崇
【申请人】三星电子株式会社