Electronics can be fabricated at nm-scale dimensions and a high level of integration on a single chip. However, electronics is limited in speed by heat generation and interconnect delay time issues to about 10 GHz. Photonics can provide ultrafast data rates but it is limited in size by the fundamental laws of diffraction. Plasmonics offers the ability to combine the size of electronics and the speed of photonics by using Surface plasmon polaritons that are the result of interaction between the surface plasmon and the external electromagnetic field.
In this thesis, we have designed waveguides using Channel plasmon polaritons (CPP) and hybrid plasmonic modes. First, we have investigated the upside-down channel plasmon polariton waveguide. This waveguide can be fabricated with KOH anisotropic wet etching and selective dry etching. And we have calculated the distribution of field intensity, the effective index, propagation length and mode area of CPP mode in the waveguide using FEM (Finite-element Method) tool. We have obtained that the mode becomes strongly confined as the gold film is thinner and the top apex angle becomes sharper.
Second, we have investigated the hybrid long-range plasmonic waveguide. This waveguide uses a slot effect to confine the field in narrow region filled a material with low permittivity and has longer propagation length. The fabrication is simple by using e-beam lithography, dry etching and thin film deposition with Au, Er2O3 films and SOI wafer. We have calculated the effective index, propagation length, mode area and confinement factor of hybrid long-range plasmonic mode in the waveguide using FEM and FDTD (Finite-Different Time-Domain) method by changing the thickness of Au and Er2O3 layers. We have obtained that the propagation length ~0.88mm, mode area ~0.04 and confinement factor ~0.89 respectively.
현대 사회는 정보에 대한 의존도가 상당히 높다. 요구가 큰 만큼 정보처리 속도 향상을 위해서 많은 연구들이 진행되고 있다. 또한 속도뿐만이 아니라 동시에 정보의 저장용량을 높여야 하기 때문에 보다 작고 빠르며 효율적인 소자의 개발을 위한 연구가 시급하다. 하지만 지금의 직접전자회로는 한계점에 도달해 있다. 신호전달 물질인 전자가 금속선에 의한 저항으로 인하여 속도 한계에 부딪히기 때문에 신호처리속도에 있어서 더 좋은 효과를 기대하기 어렵다. 속도 측면에서의 향상을 위해 전자가 아닌 빛을 이용하는 광학소자의 개발이 활발히 진행되었지만 기본적인 광 회절 한계에 의하여 광학 소자의 물리적 최소 크기의 한계는 빛의 파장의 약 절반 정도가 된다. 따라서 소자 크기의 최소화를 구현하는데 있어서 해결해야 할 문제점이라고 볼 수 있다. 이와 같은 정보처리 속도의 향상과 소자 크기의 최소화 구현을 위해서는 빛으로 신호를 전달하면서 동시에 빛의 회절 한계를 극복하여 수십 나노 크기의 소자를 제작할 수 있어야 한다. 이를 해결해 줄 차세대 기술로써 플라즈모닉스가 대두되고 있다.
플라즈모닉스는 금속 표면의 전자의 진동에 의해 생기는 표면 플라즈몬과 전자기파가 결합된 새로운 파동인 표면 플라즈몬 파에 대해 연구하는 학문이다. 플라즈몬 파는 전자의 진동과 함께 금속 표면을 따라 이동하기 때문에 빛이 가지고 있는 회절 한계를 극복하면서 동시에 수십 nm 수준의 광 집속을 얻을 수 있다. 이러한 성질 때문에 플라즈몬 광도파로를 이용하면 놀라운 수준의 고집적 반도체를 만들 수 있다. 따라서 빛의 속도로 정보를 전달하면서도 고집적 광학 소자를 만들 수 있다는 점에 착안하여 본 연구에서는 플라즈몬 파를 기반으로 파장 이하의 빛을 집속 시킬 수 있는 광도파로에 대한 연구를 진행하였다.
먼저 플라즈몬 폴라리톤을 이용하는 뾰족한 삼각형 구조의 광도파로를 제작 및 계산하였다. 이와 같은 광도파로는SOI (Silicon-On-Insulator) 웨이퍼를 기반으로 전자빔 석판술과 KOH용액을 이용한 습식 식각과 플라즈마 가스를 이용한 건식 식각 방법 그리고 금속의 증발을 이용한 증착방법을 이용하여 제작할 수 있다. 그리고 FEM (Finite-Element Method) 시뮬레이션을 이용하여 광도파로에서 생성된 채널 플라즈몬 폴라리톤 모드의 분포와 모드의 유효굴절률, 진행길이를 계산하였고, 이를 바탕으로 광도파로의 금속 두께가 얇을수록, 뾰족한 부분의 각도가 작을수록 모드가 더 강하게 집속 된다는 것을 보았다.
두 번째로 슬롯효과와 같은 물리적 현상을 이용하여 작은 유전상수를 갖는 아주 좁은 물질 층에 빛을 강하게 집속 시킬 수 있으면서도 보다 긴 진행길이를 갖는 장거리 하이브리드 플라즈모닉 광도파로를 디자인하고 특성을 분석하였다. 금, Er2O3, SOI 웨이퍼를 기반으로 증착과 석판술 그리고 건식 식각 방법을 이용하여 쉽게 제작할 수 있다. 그리고 FEM과 FDTD (Finite-Different Time-Domain) 시뮬레이션을 이용하여 광도파로에서 생성된 모드의 분포를 바탕으로 single 모드가 생성되는 광도파로의 폭을 구하고, 각 물질 층의 두께를 변화시켜 가면서 모드의 분포와 그 특성들을 계산하였다. 계산 결과 약 0.9mm 정도의 진행길이와 0.04에 해당하는 모드 면적, 0.89에 해당하는 confinement factor를 얻었다. 이로써 장거리 하이브리드 플라즈모닉 구조의 광도파로를 이용하면 강한 집속과 동시에 긴 진행길이를 얻을 수 있다는 것을 알아냈다.
이와 같은 계산 결과들은 광도파로 제작에 있어서 구조의 폭과 물질의 두께를 선택하는 데에 기본 정보가 되며, 원하는 결과를 미리 예측할 수 있게 해준다. 본 논문에서 디자인한 광도파로의 제작은 기존의 실리콘 포토닉스에서 사용되고 있는 기술들을 이용하기 대문에 쉽게 구현될 수 있다. 또한 광도파로는 다른 소자들의 기본이 되는 구조로서 본 논문에서 밝힌 정보들을 토대로 다른 소자로의 응용까지 가능할 것으로 예상된다.
