전광 스위칭 소자를 위한 Au:SiO2 나노혼합박막의 광학적 특성 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Third order non-linear optical materials are one of the key materials enabling the establishment of all-optical devices which would be a eventual direction for ultra-high speed transmitting, manipulating and storing of massive information via controlling the light signal by light itself without transforming the light signal into electrical signal. Since the first reports on non-linear behaviors of the nano-composite materials in the middle of 80s, in which metal or semiconductor nano particles are dispersed, they have been extracted a great attention due to the expectation of providing a way of overcoming the physical limits of monolithic materials by way of dielectric confinement or quantum confinement effect, respectively.
The purpose of this study is to examine the possibility of applying the nano-composite materials for all-optical switching device on the basis of developing the fabrication technology and the analysis technology of linear/waveguiding optical characteristics of Au nano particle dispersed nano-composite materials, which exhibit large third order non-linearity, and are expected to have superior thermo-chemical stability as well as ultra-high speed response time unlike semiconducting nano particles whose response time depends on real carrier transition.
A fabrication method of nano-composite thin films called digital sputtering, by which the control of the metal nano-cluster size in the range of 1-10 nm as well as the volume fraction of metal was possible, was used. Digital sputtering utilizes the idea of island formation and growth mechanism of metal films based on Volmer-Wever type together with the idea of temperature dependent island growth.
Effective medium theory using Maxwell-Garnett geometries in nano-composite films was studied to analyze the effect of matrix materials, nano particle materials, size and shape on optical properties of nano-composite films via examination of the local field factor and the dielectric confinement effect. The basic linear optical properties were analyzed using UV-visible spectrometer and spectroscopic ellipsometer, and a prism coupler technique and an angle dependent photometry which enabled direct determination of optical constants with precision down to four decimal places even without applying dispersion models were also developed.
In order to confirm the possibility of realizing the optical switch, Au:SiO₂ nano-composite films with 1% Au volume fraction and thickness of 3-4 μm, which had both an enhanced resonance characteristics and a low absorption at communication band stemming from increased particle size, were fabricated by controlling deposition temperature at 300oC and tested. It was shown that both scattering loss by nano-particles and absorption loss at communication wavelength was negligibly small, and that single mode of signal beam propagation was formed in slap type waveguide for the first time.
In this study, we had come up with an idea of overcoming the problem of absorption loss which had been considered as the biggest obstacle in realizing optical device made of nano-composite materials. This idea was based on the pump-probe optical switching based on prism coupler, and was confirmed by using simulation. It was also shown that cross-modulation of signal beam by pump beam was possible in pump-probe optical switching experimental set-up. Furthermore, the obtained response time of 190 fs for Au:SiO₂ nanocomposite film, which were measured by using optical kerr gate system.

국문 초록 (Abstract)

3차 비선형 광학소재는 광 신호를 전기적 변조과정 없이 광 자체만으로 제어함으로써 대용량 정보의 초고속 전송, 처리, 저장을 위한 궁극적 지향점인 전광(all-optical) 소자의 구현을 가능케 하는 핵심요소이다. 금속 혹은 반도체 입자를 나노크기로 투명기지상안에 분산시킨 나노복합체 박막은 유전구속효과와 양자구속효과를 이용하여 기존의 단일재(monolithic) 재료들이 갖는 물리적 한계를 극복할 수 있을 것으로 기대되어, 80년대 중반 거대 비선형 광학특성이 최초로 보고된 이후 미래의 전광소자용 재료로서 많은 주목을 받고 있다.
본 연구에서는 유전구속효과에 의하여 거대 3차 비선형 광학 특성을 나타내며 열화화적 안정성이 우수할 것으로 예상될 뿐 아니라 반도체 나노입자에서와는 달리 전자의 밴드 간 천이에 의존하지 않아 초고속 응답특성을 가지는 것으로 보고된 Au 나노입자가 SiO₂ 매질에 분산된 나노복합박막의 합성, 선형/도파 광학특성 분석 및 이를 바탕으로 한 전광 스위칭 소자 적용가능성 탐색을 수행하였다.
Volmer-Wever 방식의 island 성장거동에 착안한 교번증착법(digital sputtering method)을 사용하여 Au:SiO₂ 나노혼합박막을 증착하였으며, 기판 온도제어를 통해 1-10 nm 범위의 자유로운 Au 입자의 생성이 가능하였다. 투과전자현미경 분석 및 광학적 특성 분석을 동시증착법(co-sputtering method)으로 제작된 나노혼합박막과 비교분석을 통하여 Au 나노입자의 입도 및 분율 제어가 훨씬 용이하며 구형의 안정한 Au 입자 분포를 가진 Au:SiO₂ 나노혼합박막을 제작할 수 있었다.
Maxwell-Garnett geometry를 갖는 유효매질 광학해석 방법을 적용하여 국부 전기장증진인자(local field enhancement factor), 유전구속효과 분석을 통한 기지상, 분산입자 종류, 입도 및 shape factor 영향을 분석하였다. 나노복합체 박막의 선형광학 특성분석을 위하여 UV-visible spectrometer 및 spectroscopic ellipsometer를 사용한 기본 분석 기법의 개발과 아울러 프리즘 커플러, 분산모델을 적용하지 않으면서도 나노복합체 재료의 직접적인 광학상수 분석이 가능한 angle dependent photometry를 자체적으로 개발하여 소수점 4자리까지의 정밀도를 가지는 광학상수 측정 기법을 확보하였다.
광 스위치로써의 효용성을 평가하기 위해서, 금속입자의 분율은 1%대로 제한하되 증착온도(300oC)를 조절하여 입자크기향상에 의한 표면플라즈몬 공진특성을 향상시키고 통신파장대 저 흡수율을 동시 구현한 3∼4 μm 두께의 Au:SiO₂ 복합체 박막을 제조하여, 신호 파장대인 1,550 nm에서 금속 나노입자에 의한 산란이나 흡수손실이 무시할 정도로 작은 우수한 광 투과 특성을 확인하였으며, 프리즘 커플러 방법을 적용하여 slab형 광도파로 나노복합체 박막에서의 신호파장의 단일 광도파모드 형성을 최초로 확인하였다.
본 연구에서는 최대난제로 평가되는 흡수손실 문제를 극복할 수 있는, 프리즘 기반의 전광스위치 소자구조를 도출하였으며, 전산모사를 통하여 상기 개념의 신호 변조가 가능함을 확인하였다. 또한, 상기 스위칭 소자의 구현가능성을 확인하기 위하여 pump-probe 방식을 이용함으로써 펌프빔에 의한 신호빔의 교차변조(cross-modulation)가 가능함을 보였다. 또한 optical kerr gate 시스템을 이용하여 Au:SiO₂ 혼합박막 재료에 대해 190 fs의 아주 빠른 응답특성을 확인하였다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 = 1
• 제2장 광학 소재로서의 나노복합재료 = 11
• 제1절 역사적 배경 = 11
• 제2절 나노복합재료의 광학적인 거동 = 13
• 1. 개요 = 13
• 2. 나노복합재료의 광학특성 = 15
• 3. 나노복합재료의 유효유전상수 = 22
• 제3장 나노복합 박막재료 제작 = 30
• 제1절 나노복합박막 형성 기술 = 30
• 제2절 동시증착법(co-sputtering: CS)과 교번증착법(digital sputtering: AS) = 32
• 1. Au 박막의 성장 거동 = 33
• 2. 금속 나노 입자 분산형 혼합박막 제조 = 39
• 제4장 나노 복합박막의 선형 광학 특성 = 47
• 제1절 금속입자 크기를 고려한 선형광학 해석 모델 및 분산입자 재료계 선정을 위한 유효매질 이론 전산 모사 = 47
• 제2절 나노복합 박막의 선형광학 특성 분석 = 54
• 1. 상온에서 제작한 Au:SiO2 혼합박막의 선형광학 특성 분석 = 54
• 2. 300℃에서 제작한 Au:SiO2 혼합박막의 선형광학 특성 분석 = 70
• 3. Au:SiO2 혼합박막의 Variable Angel Photometry(VAP) 분석 = 75
• 제5장 나노복합박막의 도파 특성 분석 = 80
• 제1절 프리즘 커플러 = 80
• 1. 개요 = 80
• 2. 도파모드의 이론적 이해 = 82
• 3. 프리즘 커플러 광학계 제작 = 91
• 제2절 동시증착법과 교번증착법에 따른 도파모드 변화 특성 = 93
• 1. 개요 = 93
• 2. 실험 결과 및 토의 = 93
• 3. 결론 = 102
• 제6장 프리즘 기반의 도파로 박막 제작 및 광 스위칭 특성 = 105
• 제1절 cw 펌프-cw 신호빔 방식에 의한 광 스위칭 특성 = 106
• 1. 개요 = 106
• 2. 실험 결과 및 토의 = 107
• 3. 결론 = 119
• 제2절 펄스 펌프-cw 신호빔 방식에 의한 광 스위칭 특성 및 3차 비선형계수 분석 = 119
• 1. 개요 = 119
• 2. 실험 결과 및 토의 = 120
• 3. 결론 = 133
• 제3절 Optical Kerr Gate 방식에 의한 나노복합박막의 응답특성 분석 = 133
• 1. 개요 = 133
• 2. 3차 비선형 굴절계수 및 Optical Kerr effect = 133
• 3. Optical Kerr Gate = 138
• 4. Optical Kerr Gate를 통한 응답특성 분석 = 142
• 제7장 결론 = 149
• Abstract = 152