We have for the first time exactly measured the variation of the refractive index of gold film
as a function of film thickness from 16 nm to 70 nm using the surface plasmon resonance method at telecommunication wavelengths. The measured thicknesses using the surface plasmon resonance technique are in good agreement with those measured by the ellipsometry and the values listed in the literature. These results can be applied to devices utilizing the thin film optics. We have also theoretically studied the propagation characteristics of the surface plasmon polaritons waveguide along a gold stripe through method of line calculation and experimentally investigated the long-range surface plasmon polaritons and the linearly tapered long-range surface plasmon polaritons waveguide with 10-nm-thick gold stripes embedded in a polymer, at 1550 nm wavelength.
The lowest insertion loss of linearly tapered long-range surface plasmon polaritons waveguide was $\sim$4.3 dB and this value is improved by $\sim$0.7 dB than that of the straight long-range surface plasmon polaritons waveguides. Finally, we studied the improvement of resolution of optical images created by a silver superlens as a function of silver thickness which is originated from the antisymmetric mode of the surface plasmon. The antisymmetric mode has a large propagation wave vector and a small electric field. As the thickness of the silver superlens decreases, the propagation wave vector of the antisymmetric mode increases and the silver lens yields enhanced resolution. A chromium grating with various period was imaged with good contrast through the finite-difference time-domain simulation. Double slit of 40 nm width separated by a 60 nm gap were clearly imaged as the thickness of silver lens decreases. It is demonstrated that enhanced super-resolution can be obtained through the decrease of the
thickness of silver lens using the antisymmetric mode of the surface plasmon.
집적회로의 개발로 인하여 세계는 산업사회에서 정보화 사회로의 이행이 급속히 진행되어왔다. 무어(Gordon E. Moore)는 2년마다 집적회로의 트랜지스터 수가 두 배로 늘어날 것이라고 발표했으며 이는 지금까지 유지되어 오는 듯 하다. 그러나 결국 트랜지스터가 겪는 크기의 한계는 원자 크기의 수준이 될 것이며 각종 회로는 크기의 한계및 발열 문제 등 정보의 전송 속도에
한계를 겪게 될 것이다.
지금까지 이런 문제들은 광학이나 포토닉스(Photonics)에 의해 해결되어 왔다. 광케이블의 사용은 구리 선에 의해 전달되는 신호보다 월등히 빠르며 장거리 전송에 용이하고 발열 문제로 부터도 자유롭다. 현재 정보화 사회의 기반은 광케이블로 구현되어 있다 해도 과언이 아니다. 그러나 광 신호를 전기신호로 바꾸거나 거꾸로 전기 신호를 광 신호로 바꾸면서 발생하는 속도의 손실이나 광 발생기 제작의 어려움, 구리선과 광케이블의 크기 차이 등, 또 다른 문제점들이 야기되고 있다. 이는 실리콘 포토닉스로의 커다란 관심을 이끌어 내었고 2004년 인텔(Intel)은 실리콘으로만 만들어진 고속의(1GHz) 광 변조기를 시연하기도 했다. 광 발생기 또한 같은 해 11월에 캘리포니아 대학교(UCLA)에서 만들어져 전자회로와의 통합을 위한 발걸음을 옮기고 있다. 이는 논리회로의 광 집적화를 위한 시작이기도 하다. 또한 실리콘 포토닉스의 중요한 요소로 작동하는 광결정(Photonic crystals)에 대한 연구도 활발히 진행되고 있다.
실리콘 포토닉스와 더불어 플라즈모닉스에 대한 관심도 증폭되어 갔다. 운동량의 추가로 인해 유전체와 금속 사이에 생기는 표면 플라즈몬은 금속에서의 강한 흡수 현상으로 광 도파로로의 응용 가능성이 배제되어 왔으나 금속의 두께와 폭의 조절과 다양한 금속의 종류 변화로 향상된 전송률을 얻을 수 있다는 사실이 보고 된 이후 광 신호와 전자 신호 모두의 전달이 가능한 대체 소자로 떠오르게 되었다. 금속 도파로는 전기 신호의 전송은 물론 광 신호의 전송도 가능하기 때문에 다량의 신호를 빠르게 보내기 위한 방법으로 표면 플라즈몬 도파로가 대안 시 되고 있고 좋은 연구 결과 들이 계속 배출되고 있다.
도파로 제작이나 회로 제작에 이용되는 방법으로 마스크 패턴을 이용한 광 리소그래피가 주로 쓰이게 되는데 수 마이크로미터 단위의 소자를 낮은 가격에 만들 수 있는 장점이 있다. 그러나 소형화 되는 전자 회로의 제작을 위해 사용되는 광 리소그래피는 빛의 회절 현상으로 인해 겪는 회절 한계가 존재하게 되는데 이로 인해 전자 회로선 폭의 제작에 많은 공정이 투입되거나 고가의 공정이 필요하게 된다. 회절 한계의 극복을 위해 근접장(Near-field)을 이용한 광 리소그래피가 제안되었으나 마스크 패턴 가까이에만 패턴을 만들 수 있기 때문에 개선의 여지가 존재 했다. 그러나 2000년에 공간상의 모든 주파수 정보를 하나의 초점에 모을 수 있다는 완전렌즈(Perfect lens)에 대한 발표로 광 리소그래피로부터 소실되는 공간 주파수 정보를 표면 플라즈몬에 의한 증폭 현상을 이용해 평면 금속 렌즈 삽입 방식의 광 리소그래피가 소개되고 있다. 그러나 아직까지 회절 한계의 완전한 극복이 어려우며 대략 입사 파장의 1/6배까지의 분해능을 얻는 것으로 보고되고 있다. 그러므로 완전한 회절 한계의 극복을 위한 물리적 해석 및 정밀한 실험이 더욱 필요한 시점이다.
본 연구에서는 전자기적 해석을 통하여 표면 플라즈몬 도파로의 특성과 실험 결과를 분석하고, 또한 금속 렌즈를 이용한 광 리소그래피의 회절 한계 극복 가능성에 대해 논의 하였다. 2장에서는, 금속 표면에 여기 되는 표면 플라즈몬의 인접 유전체의 광학상수에 민감한 특성을 이용하여 반사도를 측정함으로써 금속의 두께에 따른 광학상수를 측정할 수 있음을 보였다. 이 방법은 또한 금속 나노 입자의 광학적 특성 측정에도 유용하게 쓰일 수 있다.
3장에서는 금속의 두께가 얇아지는 경우 생성되는 표면 플라즈몬의 진행 방향으로 대칭 모드의 전파 상수의 허수 값이 매우 작은 값을 갖게 되므로 장거리 전송이 가능함을 보이고, 도파로의 너비 변화로 도파 손실을 더욱 줄여 빛 신호가 효과적으로 전달될 수 있음을 보였다. 금속 표면에 속박된 전자기장 형태를 갖는 표면 플라즈몬의 특성상표면 플라즈몬 모드 사이즈가 금속의 재질이나 도파로를 둘러싼 유전체의 광학상수의 변화에 민감하게 변하기 때문에 수직으로 교차되어 있는 도파로를 이용한 온도 센서나, 일정 두께 이하에서 금속의 광학상수의 실수부가 양수로 바뀌게 됨을 이용하여 TM, TE 모드 분리기로의 쓰임이 가능하기 때문에 금속 도파로의 응용 가능성이 매우 높아 이에 관한 지속적인 연구가 필요하다. 그러나 금속 도파로의 경우, 표몬 플라즈몬이 금속 표면에 강하게 속박되어 있는 특성과 금속이 가지고 있는 광학적 손실로 인해 구조적 제한이 존재하게 된다. 더욱이, 작은 크기의 회로에서는 인근 도파로로의 모드 겹침에 의한 결함이 발생할 수 있으며, 좌우나 상하로 휘어있는 도파로 형태에서는 큰 손실이 발생할 수 있다. 상대적으로 높은 광학상수를 갖는 유전체의 덧붙임을 통한 표면 플라즈몬의 이중 속박구조의 제안이나 도파손실 최소화 구조의 연구는 앞으로 해결해야 할 과제이다.
마지막으로 4장에서는 특정 파장대에서 광학상수의 실수부가 -1에 가까운 은 박막의 경우 음의 굴절률 현상을 보이며 회절한계를 극복한 나노 리소그래피에 적용될 수 있음을 보였다. 그러나 금속이 가지고 있는 소멸계수 값은 완전 렌즈의 실현에 제한이 있고 현재 작동 파장의 1/6배의 분해능을 갖는 것으로 보고 된다. 은 박막의 경우 산화의 가능성이 크고 슈퍼 렌즈 현상은 표면의 거친 정도에 매우 민감하기 때문에 은 박막의 산화막을 이용하거나 거친 정도를 낮게 조절하는 높은 공정상의 기술과 더 높은 공간 주파수 성분의 투과가 가능한 구조에 대한 연구가 필요하다.
표면 플라즈몬 현상은 금속을 광학의 커다란 부류로 편입시켰다. 광학에 쓰일 수 있는 광학상수의 범주에 음의 값을 포함하면서 흥미로운 현상들이 관측되고 있고 기존의 광학적 한계를 뛰어넘는 결과들이 나오고 있다. 표면 플라즈몬은 앞으로 새로운 광학적 현상의 발견에 주도적인 역할을 할 것임이 명백하다.
금속 표면에 여기 되는 표면 플라즈몬의 강한 전자기장 세기의 증가는 응집 물체의 포논(Phonon)에 의한 흡수를 줄여 투과되는 전자기파의 양을 늘릴 수 있으며 이는 ZnTe에서 비선형 현상을 통해 생성되는 테라헤르츠(Terahertz) 파의 세기를 증가 시킬 수 있는 가능성을 가지고 있다. 또한 금속은 파장마다 광학상수의 변화가 크기 때문에 파장 변화에 의한 물질과의 흥미로운 현상이 가능할 것이다. 분명 광 리소그래피와 전자 소자의 한계는 다가오고 있다. 그 한계가 언제 올지는 명확하지 않지만 전자소자가 가지고 있는 크기의 한계를 광소자가 가지고 있는 속도의 향상으로 대체하거나 사용 파장의 한계를 가지고 있는 광 리소그래피를 표면 플라즈몬에 의한 슈퍼렌즈 현상으로 극복할 수 있는 날이 빠르게 다가오고 있음은 틀림없다.
