Detection, analysis, and generation of circular polarized light (CPL) is important for various applications in optics and photonics. However, it typically involves complex and/or multiple optical components forming a barrier for achieving miniaturized integrated photonic systems. Considerable amount of research have been performed to design compact yet efficient structures that can clearly discriminate the two states of circular polarization. Especially, spiral plasmonic lenses (SPLs) are recently suggested as a candidate for miniature circular polarization analyzers. Depending on the input polarization state of CPL, the SPL’s focal shape changes dramatically (spot or annular shape), and thus can be easily discriminated. Although the integrated implementation of the CPL analyzer based on the conventional SPLs has been reported before, the chip-scale polarimeter has an overall area of 70μm×70μm, making miniaturized photonic integration involving CPL still challenging.
In this study, we demonstrate a super compact chip-scale CPL analyzer $(footprint of ~ 17 X 17 \mu m^2)$ based on the metal-dielectric-metal (MDM) structure. By placing the submicron-scale semiconductor right below the SPL, we integrate a conventional or double-aperture-based SPL with the semiconductor photoconductor embedded in the MDM structure. According to our numerical simulations, the absorption ratio of two circular polarized states differ by orders of magnitude, indicating that efficient discrimination of two handedness of circular polarization can be achieved even with smaller device size. Moreover, an improved SPL structure with two columns of aperture arrays following a spiral curve can also be incorporated. The enhanced discrimination at the focal spot can be observed due to unidirectional coupling of SPPs, indicating efficient discrimination of two circular polarization states. Actual experimental demonstration of MDM CPL analyzer is performed, and its interference patterns and resonant behavior are also investigated.
광학, 포토닉스의 다양한 분야에 있어 원형 편광 광파를 생성하고, 분석하고, 그리고 탐지하는 기술은 활용도가 높다. 그러나 이러한 원형 편광 광파를 처리하기 위해서는 여러 광학적 요소들을 사용해야 하며, 이러한 광학 요소들의 소형화가 어려워 집적화된 광 시스템을 구현하는데 한계가 있다. 과거부터 현재까지 원형 편광 광파의 두 가지 방향성(좌 편향, 그리고 우 편향)을 판별하고, 분석이 가능하면서도 광 소자의 물리적 크기를 대폭 줄이기 위한 연구가 활발히 이루어져 왔다. 최근에는 초소형 원형 편광 분석기의 후보로 SPL(Spiral Plasmonic Lens)와 이중 직교 슬릿이 제안되었고, 이에 대한 활용도는 여러 연구를 통해 입증되었다. SPL의 경우, 입사되는 원형 편광 빛의 방향성에 따라 렌즈 중심에 단일 점(spot) 혹은 고리 모양의 형태로 광파가 모이고, 이러한 모양으로 원형 편광의 방향성을 NSOM 장비를 이용하여 판별할 수 있다. 그 후자의 경우, 같은 원리로 광파가 우측 또는 좌측으로 전파된다. 위에서 제안된 두 가지 방식은 입사 되는 광파의 위상과 금속 입사 표면이 지니고 있는 구조적 위상의 결합으로 나타나는 광파의 간섭 현상을 이용한 것이다. 이 외에도 다른 방식의 칩 스케일의 원형 편광 분석기가 제안되었으나, 이는 70um x 70um 만큼의 물리적 공간을 차지하기에 집적화된 광 시스템을 구현하는데 있어 한계가 있다.
본 연구에서는 금속-유전체-금속 광 빔 도파로 구조를 이용하여 초소형 칩 단위 원형 편광 분석기를 구현하였고, 제안된 구조의 집적화 가능성에 대해 논의하고자 한다. 본 연구에서 제안하고 있는 구조는 최대 17um x 17um 정도의 면적을 차지하고 있으며, 두께는 대략 3um 이하이다. 두 금속 사이의 유전체 내부에는 직경이 1 micron 이하의 PIN 구조의 반도체가 위치하고 있으며, 이는 금속 표면 구조를 통해 여기된 광파를 흡수한다. 이러한 능동 물질에 의해 흡수된 광파는 이와 같이 두 금속 층을 통해 광 전류가 흐르게 되고, 원형 편광 빛의 방향성에 따라 두 전극에 흐르는 광 전류의 수치가 달라진다. 반도체 상단부의 금속 표면에는 FIB milling(Focused Ion Beam milling)을 이용하여, 앞서 제안하였던 SPL 그리고 fishbone slit을 구현하였다.
본 연구에서는 우선적으로 수치 모의 실험을 통해, 각 원형 편광 광파의 방향성에 따른 능동 물질의 흡수율을 계산하였다. 앞선 두 경우에 대해 흡수율의 비는 4배 이상 차이가 났으며, 이를 통해 두 방향성에 대한 판별이 전류 측정으로 가능하다는 것을 확인할 수 있었다. 수치 모의 실험에 이어, 일련의 반도체 공정 과정을 통해 소형화된 원형 편광 분석기를 제작하였고, 제작된 소자의 성능을 측정하기 위한 실험도 수행하였다. 본 연구는 수동 소자를 능동 물질과 함께 집적화 하였다는 점에 있어 기존의 연구와 차별성이 있으며, NSOM 장비와 같은 복잡한 광학 시스템 이용 없이 단순 전류 측정만으로 두 원형 편광 광파의 방향성을 판별할 수 있기에 큰 가치가 있다.
