e studied physical properties of surface plasmon polaritons (SPPs) in several metal-insulator-metal (MIM) structures, and performances of the structures as plasmonic devices. Our study includes MIM rings, MIM mirrors, and MIM beam splitters.
An MIM ring which exhibits plasmonic stop bands (PLSBs) without employing any periodic structure is introduced. A narrow gap is introduced in the middle of the MIM upper half-ring, and the ring is connected to MIM waveguides without a coupling gap. A boundary condition by the narrow gap prohibits the propagation of the SPPs to the output port. We found an analogy of the PLSB MIM ring with a photonic stop band (PSB) microstrip ring which exhibits PSBs by the multiple reflections at the gap introduced in the middle of the microstrip upper half-ring.
We introduce a modegap mirror of surface plasmon polaritons (SPP) in metal-insulator-metal (MIM) structure. A hetero-junction of MIMs which consists of two MIMs of different insulators is shown that it has a modegap for certain frequency range and works as an effective mirror. The transmission and reflection characteristics at the interface of the hetero-junction are investigated, and explained by the band theory. By varying the thickness and dielectric constant of the insulator layer, it is possible to change the frequency range in which the reflection coefficient is greater than 0.9. By showing that it has high reflection and transmission of nearly zero, it is verified that the frequency range where no SPP modes exist is an actual modegap, which is a physically meaningful discovery. The suggested mirror can be applicable to a beam splitter, a filter, and a cavity for SPPs.
As a possible application of the suggested mirror, frequency selective beam splitters for SPPs in an MIM structure are introduced. In the splitters, a part of SPPs keeps propagating along the initial direction, while the other part splits into the arm attached at right angle. The splitting ratio can be controlled by varying the thickness and the electric permittivity of the dielectric layer in the MIM, and by varying the width of the attached arm.
본 논문은 금속-부도체-금속(금부금)으로 이루어진 소자에 형성되는 표면 플라즈몬의 특성에 대해서 유한차 시간영역 계산 방법을 통해 분석한 논문이다. 분석한 구조는 금부금 고리, 거울, 빛가르개이다.
표면 플라즈몬은 금속과 부도체 사이의 경계면에 가두어져 진행하는 전자기파로 가시광선 영역의 주파수를 가지지만 엑스선 영역의 짧은 파장을 가지는 특징 때문에, 광소자를 매우 작은 크기로 줄일 수 있을 것으로 기대되는 연구분야이다. 금부금 구조는 금속을 양쪽에 둠으로써 표면 플라즈몬을 좀 더 작은 공간에 효율적으로 가둘 수 있고, 진행방향을 쉽게 조정할 수 있다는 점에서 많은 연구가 되는 구조이다.
먼저 금부금 고리에 대한 연구는 마이크로파에서 연구되었던 멈춤띠 고리와 표면 플라즈몬을 위한 금부금 고리 공진기 연구에서 영감을 얻어 시작하였다. 마이크로파 멈춤띠 고리는 입출력 단자와 고리를 연결한 뒤 고리의 위쪽 원의 한 부분에 틈을 만들어, 주기적인 구조가 없이도 멈춤띠가 형성되는 것을 보여준 연구이다. 표면 플라즈몬 금부금 고리 공진기는 일반적으로 알려진 고리 공진기, 즉, 입출력 공급선과 고리 사이에 작은 결합틈을 두어서 공진모드만 투과되도록 하는 공진기를 표면 플라즈몬을 대상으로 구현한 것이다.
본 논문에서는 두 연구를 결합하여, 표면 플라즈몬을 위한 금부금 멈춤띠 고리구조를 고리 위쪽 원의 한 부분에 틈을 만들어 설계하였다. 그와 같은 구조에서 멈춤띠가 형성됨을 계산을 통해 확인하였고, 형성되는 원리를 직선 근사한 간단한 이론적 모형을 통해 설명하였다. 고리의 틈의 폭을 조절하면 멈춤띠가 형성되는 중심 주파수와 주파수 영역의 크기가 달라짐을 보였다. 이를 통해, 금부금 멈춤띠 고리가 효율적인 띠거르개로 작동할 수 있음을 알 수 있다.
금부금 거울은 금속-공기-금속(공기-금부금)과 금속-유전체-금속(유전-금부금)을 이질접합하여 만든 경계면에서 반사가 일어나는 성질을 연구하였다. 공기-금부금과 유전-금부금을 나란히 이어붙인 뒤 공기-금부금의 공기층에 빛을 넣어주면 공기-금부금에서는 대칭모드인 첫번째 띠에 해당하는 주파수의 표면 플라즈몬이 유전-금부금에서는 반대칭모드인 두번재 띠에 해당하거나 모드가 없는 띠틈에 해당할 때 표면 플라즈몬이 더 이상 진행하지 못하고 모두 되비침을 확인하였다.
이 때 투과율과 반사율을 구하였고, 1에서 투과율과 반사율을 뺀 손실을 얻을 수 있었다. 그 손실을 만들어내는 원인을 찾아내기 위해 반사면에서 생기는 높은모드 근접장이 금속에 침투하면서 만들어낸 줄열손실을 구하였고, 그 줄열손실이 전체손실과 매우 비슷한 경향을 보임을 확인하였다. 이로써 높은모드 근접장에 의한 열손실이 손실의 주된 원인임을 보였다.
금부금 거울의 응용으로 금부금 표면 플라즈몬 빛가르개를 제안하였다. 금부금 거울에 도파로에 수직한 방향으로 하나의 공기도파로를 붙여서 빛가르개를 설계하였다. 그 때 설계한 빛가르개는 주파수에 따라 선택적으로 표면 플라즈몬을 투과하거나 갈라내는 작동을 함을 계산을 통해서 보였다.
이렇게 제안한 세 가지의 금부금 표면 플라즈몬 소자는 광소자의 크기를 줄이고 기능을 다양화하는데 중요한 역할을 할 것으로 기대된다. 그 소자에 대해 밝힌 투과, 반사, 모드 특성, 주파수 경향성 등의 물리적 이해는 앞으로 다양한 플라즈몬 소자를 연구하는 데에 도움을 줄 것으로 기대된다.
