The plasmonic waveguides hold potential for the development of novel optical interconnection technique. One potential application to optical interconnections is the interconnection between the main body and the display section using optical waveguides. However, comparatively high propagation and bending loss limit their application in the long-distance board-to-board optical communication. For practical applications, the propagation and bending loss of the plasmonic waveguide should be reduced to those of the dielectric waveguides.
To satisfy these requirements, a hybrid plasmonic waveguide is proposed and investigated theoretically and experimentally. The field intensity of the long-range surface plasmon polartion (SPP) mode is maximum at the metal-dielectric interface. To lower the propagation loss of the plasmonic waveguide, the field intensity at the metal-dielectric interface should be reduced. We place two dielectric slab waveguides with high refractive-index contrast at the upper and lower parts of the metal stripe. The guided mode is like a combination of a fundamental long-range surface plasmon polariton mode and a dual symmetric dielectric slab mode.
The field amplitude of the two dielectric slab core is larger than that of the metal stripe. Thus, the ohmic loss of the metal is reduced. Consequently, the propagation loss of the hybrid plasmonic waveguide is lower than that of the conventional plasmonic waveguides. The bending loss is also significantly reduced because the dielectric multilayer confines the guided mode tightly in the vertical direction. The field is concentrated into one dielectric core layer and the field intensity at the metal stripe is reduced as the bending radius decreases. The calculated bending loss of the flexible hybrid plasmonic waveguide is lower than 1.5 dB/$180^\circ$ at a wavelength of 1310 nm for the bending radii down to 10 mm.
In order to confirm the theoretical predictions, we fabricated 5 nm-thick Au stripe optical waveguides using low loss polymer cladding materials and measured the optical properties at a wavelength of 1310 nm. The propagation loss is less than 1.0 dB/cm for Au stripes of width smaller than 5.0 $\mum$. The lowest propagation loss of 0.25 dB/cm is achieved with a 2.5 $\mum$-wide stripe. The measured bending loss of the fabricated flexible hybrid plasmonic waveguide is lower than 1 dB/$180^\circ$ for the bending radii down to 2 mm.
For the development of novel optical interconnection technique using the plasmonic waveguides, their optical characteristics with optoelectronic devices including a TM-polarized vertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL) and a photo-diode (PD) have been investigated in a high bit rate optical signal transmission experiments. With a simple optical transmitter and receiver module supporting direct end-fire coupling between the flexible Au hybrid plasmonic waveguide and the optoelectronic chips, 2.5 Gbps optical data transmission has been successfully accomplished with 7 cm long flexible Au hybrid plasmonic waveguides at a wavelength of 1310 nm.
To develop an optical bus for board-to-board optical communication, we fabricate a flexible interconnection module using the hybrid plasmonic waveguides. It consists of an optical transmitter (Tx) part, a receiver (Rx) part, and a polymer-based flexible hybrid plasmonic waveguide. TM-mode VCSEL operating at a wavelength of 1310 nm is butt-coupled into the flexible hybrid plasmonic waveguide and then the transmitted light is received with a PD. The fabricated flexible interconnection module has been applied to a digital camera system providing high definition ($1280\times960$ pixel) real time video of 16 frame/sec to demonstrate its successful operation.
Based on the theoretical and experimental results, we conclude that the flexible hybrid plasmonic waveguide will be effective in some optical interconnections to overcome the inherent problems in electric interconnections.
플라즈몬 광도파로는 전자기기 내부의 보드 간 고속 대용량 광 통신과 같은 새로운 광 연결 기술에 적용할 수 있는 무한한 가능성이 있다. 하지만 유전체 광도파로에 비하여 높은 도파손실과 굽힘손실은 그 응용성 확대를 제약하는 요인이다. 플라즈몬 광도파로의 도파손실과 굽힘손실을 줄이기 위하여 하이브리드 플라즈몬 광도파로를 제안하고 그 광학적 특성을 이론적 실험적으로 연구하였다.
플라즈몬 광도파로의 높은 도파손실의 원인은 금속-유전체 경계면에서 항상 필드의 세기가 최대인 점이다. 금속-유전체 경계면에서의 필드 크기를 줄이기 위하여 높은 굴절률을 갖는 유전체 슬랩 광도파로를 금속선의 위와 아래에 놓았다. 도파 모드의 수직방향 구속은 다층 유전체 구조가 갖는 높은 굴절률차에 의해, 수평방향 구속은 금속선의 표면 플라즈몬 폴라리톤에 의해 가능하였다. 도파 모드는 장거리 표면 플라즈몬 폴라리톤 모드와 이중 슬랩 광도파로 모드의 조합으로 구성된 하이브리드 모드를 형성하였다. 이 모드를 유사 $ss_{b} ^{0}$ 모드로 명명하였다. 유사 $ss_{b} ^{0}$ 모드의 필드 크기는 금속-유전체 경계면에서 보다 유전체에서 높다. 따라서 금속에 의한 손실을 최소화할 수 있으므로 도파손실이 개선되었다. 다층 유전체 구조가 갖는 수직 방향의 높은 굴절률 차는 유사 $ss_{b} ^{0}$ 모드의 수직 구속을 강화하였고, 결과적으로 수직 굽힘에 대한 굽힘손실도 개선시켰다.
하이브리드 플라즈몬 광도파로의 개선된 광학적 특성을 실험적으로 확인하기 위하여 저손실 고분자 클래딩을 이용한 다양한 플라즈몬 광도파로와 하이브리드 플라즈몬 광도파로를 제작하였으며, 그 광학적 특성을 측정하여 비교 분석하였다. 제작된 Au 하이브리드 플라즈몬 광도파로의 도파손실은 금속선의 두께가 5 nm이고 폭이 5 $\mum$ 이하일 때 1310 nm 파장에 대해 1 dB/cm 이하를 가졌다. 폭 2.5 $\mum$인 금속선에서는 0.25 dB/cm의 최소 도파손실을 얻었다. 굽힘손실은 2 mm 이상의 굽힘에 대해서는 1dB/$180^\circ$ 로 측정되었다.
하이브리드 플라즈몬 광도파로를 이용한 광 연결 모듈을 제작하기 위하여 수직발광레이저(VCSEL), 포토다이오드와 같은 광 통신용 전광소자와의 광 결합 특성을 연구하였다. 맞대기 결합에 의해 유연 플라즈몬 광도파로의 도파모드의 여기와 수광이 가능한 광송신부와 광수신부로 구성된 유연 광 연결 모듈은 7 cm 길이의 유연 하이브리드 플라즈몬 광도파로를 통해 2.5 Gbps의 광 신호를 에러없이 송수신하였다.
하이브리드 플라즈몬 광도파로가 사용된 유연 광 연결 모듈을 보드 간의 광통신에 적용하기 위하여 HD급($1280\times960$ 픽셀) 동영상 신호가 16 frame/sec의 속도로 실시간 전송되는 디지털 카메라 시스템에 장착하였으며, 성공적인 광통신 구현을 확인하였다.
이와 같은 이론적 실험적 결과들을 바탕으로 유연 하이브리드 플라즈몬 광도파로는 기존의 전기배선이 갖는 문제점을 해결하는 광 연결 기술에 충분히 응용될 수 있음을 확인하였다.
