Design of Metal-Slit Fresnel Lens for Enhanced Coupling Efficiency

Recently, much research has been done for to realizeing nano-scale photonic circuits based on photonic crystal, plasmonics and silicon photonics in order to overcome fundamental limits of electronic circuits. These limits include such as bottleneck of speed, and size that cannot be reduced. Even though several kinds of coupling schemes have been reported, coupling structures are still large when it is compared with the nano-scale optical circuit. In this paper, we proposed using a very thin Fresnel lens while shortening the focal length of the Fresnel lens as much as possible. We proposed, for the first time, to utilize metal slits that are able to use the optical coupling system between a nano-scale optical circuit and the standard single mode optical fiber for overcoming the limitation of focal length shortening of the Fresnel lens. Comparative study has been carried out with a FDTD simulation between normal and metal slit assisted Fresnel lens. From the result of simulation, we can achieve 65% coupling efficiency for the metal-slit Fresnel lens when the focal length of metal-slit Fresnel lens is just $4{\mu}m$. On the other hand, the coupling efficiency of the normal Fresnel lens is about 43%.

광 결합 및 집속도 향상을 위한 금속 슬릿 프레넬 렌즈의 설계

최근 광 격자구조나(photonic crystal) 표면 플라즈몬파(surface plasmon) 혹은 실리콘을 이용한 나노(nano) 스케일의 광 회로 시스템에 대한 연구가 활발한데, 이는 이미 한계에 다다른 전자회로속도의 한계를 극복하고 지금보다도 훨씬 작은 회로를 구성할 수 있는 이점이 있기 때문이다. 현재까지 보고된 바 있는 광 결합 시스템들은 그 크기가 나노 스케일의 광 회로 시스템에 비해 커서 광 결합 시스템으로서의 의미가 퇴색되고 있는데 본 논문에서는 매우 짧은 초점 거리를 가지며 매우 얇은 구조를 가지는 프레넬 렌즈를 이용한 광 결합 시스템을 제안하여 광 결합 시스템을 나노 스케일 광 회로 시스템과 비교할 수 있을 정도로 소형화 하는 방법을 모색하였다. 본 논문에서는 금 슬릿을 채용한 프레넬 렌즈를 제안하여 설계하고 그 구조를 이용해 2차원 전산모사를 수행하였다. 그 결과, 일반 프레넬 렌즈의 광 결합 효율이 약 43%인데 반해, 금 슬릿을 채용한 프레넬 렌즈의 광 결합 효율은 가장 효율적인 구조로 설계하였을 경우에 최대 약 65%의 광 결합 효율을 보인다. 일반 프레넬 렌즈에 비해 50% 이상의 광 결합 효율의 향상을 달성하였다.