We demonstrate that surface waves in structured perfect electric conductors can be self-collimated using the finite-difference time-domain method. In this thesis, we consider the perfect electric conductor surface with a square array of square holes. The size of holes(d) is 0.875a and the depth of holes(h) is a. Using the finite-difference time-domain method, the band structure and the equifrequency contour of the surface wave modes are obtained for this structure. From the equifrequency contour the self-collimation frequency($f_p=0.52c/a$) is obtained. To demonstrate that the surface wave propagates with no spreading, we calculated the field distributions using the periodic boundary conditions. We found that the surface waves are collimated well in the lateral directions and confined well in the vertical directions. Moreover, we demonstrate the hybrid surface modes which exist in a structured metal surface can be collimated. The size of holes(d) is 0.6a and the depth of holes(h) is a. To model metals, the Drude model is used. The plasma frequency ($\omega_p$) is 1, and the damping constant is 0. We found the self-collimation for this structure occurs for the frequency f = 0.364c/a. To analyze the propagation loss, we calculated the Q-factor and the propagation length for various damping constants. It is shown that the structured metal has loss larger than the simple surface plasmon structure.
FDTD 방법을 사용하여 구조화된 완전도체에 존재하는 표면파가 자기조준되어 진행할 수 있음을 증명하였다. 본 논문에서는 사각격자로 배열된 일정한 깊이의 사각모양 구멍을 갖는 완전도체구조를 고려하였다. 구멍의 크기(d)는 0.875a, 구멍의 깊이(h)는 a이다. 이 구조에서 존재하는 표면파의 띠 간격 구조를 계산하고, 얻어진 여러 개의 띠 중 첫 번째 띠에 대하여 등주파수선 그래프를 FDTD 방법으로 얻었다. 이 등주파수선 그래프에서 평평한 선을 갖는 주파수, 즉 표면파에 대한 자기조준 주파수 ($f_p=0.52c/a$)를 얻었다. 얻어진 자기조준 주파수에서 표면파가 퍼지지 않고, 잘 진행되어 감을 확인하기 위하여 자기조준 주파수에 해당하는 파수벡터에 해당하는 주기적 경계조건을 적용하여 표면파 필드 진행을 계산하였다. 필드의 분포를 여러 단면에서 관찰하여 약 3500ps의 시간동안 진행한 후에도 수직방향으로 잘 구속되고, 수평방향으로는 자기조준되고 있음을 확인할 수 있었다. 또한, 구조화된 금속에 존재하는 하이브리드 표면플라즈몬 모드에 대해서도 자기조준 현상이 관찰될 수 있음을 FDTD 방법을 사용하여 증명하였다. 여기서 고려한 구조는 사각격자로 배열된 일정한 깊이의 사각모양 구멍을 갖는 금속 구조이다. 구멍의 크기(d)는 0.6a, 구멍의 깊이는(h)는 a이다. 금속을 모델링하기 위하여 드루드 모델을 사용하였는데, 플라즈마 주파수($\omega_p$)는 1, 감쇄상수($\gamma$)는 0을 사용하였다. 이 구조의 경우에도 자기조준 주파수 f=0.364c/a에서 표면파가 자기조준됨을 확인할 수 있었다. 구조화된 금속에서 생기는 표면파의 손실을 고려하기 위하여 다양한 감쇄상수에 대한 Q값과 전파길이를 계산하였다. 주기적인 구조에서 생기는 표면파는 단순 표면플라즈몬 모드에 비하여 더 큰 손실을 겪음을 알 수 있었다. 실제 금속의 예로 구조화된 은 표면에 대하여 등주파수선 그래프를 얻고, 이로부터 자기조준 주파수를 얻었다. 0이 아닌 감쇄상수를 사용하여 손실을 고려한 경우, 매우 큰 손실값을 갖지만 여전히 자기조준 되어감을 FDTD 계산을 통하여 확인할 수 있었다.
