This dissertation presents basic studies on the propagation properties of the electromagnetic surface modes generated on structured metal surfaces to investigate the possibility of controlling the flow of surface modes for device applications. In the frequency range from roughly DC up to 10 terahertz, normal metals which support little surface plasmon polaritons can be considered as perfect electric conductors.
In this regime, structured metal surfaces support different types of surface bound states according to the geometry of surface corrugation. Signals are carried by these surface modes as coupling between the incident electromagnetic waves and the electro-magnetic resonance modes or waveguide modes in individual metallic structures which compose the structured metal surfaces.
The diffraction theory and effective medium theory are employed to analyze the three types of structures on perfect metal surfaces: one-dimensional grooves, two-dimensional arrays of rods and of holes. In the three cases, it is known that these structures support electromagnetic surface modes and the dispersion relations of these modes have similarities with the dispersion relations of effective mediums. The dispersion relations of surface modes in one-dimensional grooves and two-dimensional arrays of rods are similar to those of waveguide modes in anisotropic dielectric slabs. Also, the two-dimensional array of holes has dispersion relations similar to those of surface plasmon polaritons on a metal-dielectric interface in optical region, that is the reason why surface modes in this structure is called `spoof surface plasmons (SSPs)`. Also, the finite-difference time-domain (FDTD) simulations support the results of these theoretical models. Additionally, we explore that their electromagnetic responses in these structures as metamaterials can be engineered by controlling the geometrical parameters defining the structured surfaces.
To investigate the properties of surface modes, experiments are performed in microwave region. Since, generally, surface modes are not excited by external plane waves, monopole antennas which generate microwave radiations having wavevectors of almost all magnitudes and directions are employed for generation and detection of surface modes. The measurement setup has different oriental configurations for two monopole antennas according to the polarization properties of surface modes.
Firstly, for hole type structures, we present the detailed propagation properties of surface modes. The propagation properties such as propagation without diffraction, i.e., self-collimation (SC), and splitting phenomena of surface modes in this structure are expected by analyzing the equi-frequency contours. From these results, we demonstrate experimentally and theoretically the self-collimation phenomena of SSPs. The scanned horizontal and vertical field intensity distributions of SSPs reveal a narrow Gaussian envelope and exponential decay, respectively, at the SC frequency. While the Gaussian shape of a SSP beam is well maintained, being prevented from spreading during lengthy propagation, SSP beams with frequencies below or above the SC frequency diverge. We examine the possibility of steering the self-collimated SSPs.
Secondly, in two-dimensional array of metal rods the band structure and mode profiles for surface modes are analyzed by numerical simulations. The band structure exhibits the appearance of a band gap between the top edge of the first band and the bottom edge of the second band. Experimentally the presence of bandgap is verified in microwave region. The transmitted intensities are measured by using different configurations of antennas according to the polarization properties of modes. Furthermore, we examine the possibility of the localization of surface modes by reducing the height of a metal rod in the structure.
Lastly, to propose a linear waveguide of surface modes, the projected band structure for two-dimensional array of metal rods with a line defect is analyzed. The band structure displays a band of guided modes in the bandgap. Measurements of transmitted intensity and scanned horizontal field intensity profiles prove the presence of guided modes. Analyses of propagation loss and propagation of guided modes are also presented.
Designable properties of the dispersions relations for these surface modes hold the promise of frequency control of those modes. Although experiments in this work are performed for microwave radiations, these properties inspire us to predict similar phenomena of surface modes for terahertz radiations. Fabrication of structured metal surfaces in terahertz region should prove less demanding than the traditional photonic structures, as it requires feature sizes on the order of ten to hundred micrometers rather than nanometers. Due to the high terahertz electric field strengths in a defect structure and easy manipulation of the propagation of surface modes in waveguiding systems, these works promise to be useful in various spectroscopic applications including, but not limited to, linear and nonlinear terahertz spectroscopy. Moreover, if we implement high power, stable terahertz signal processing in all-optical switching systems, the switching speed of terahertz would be attainable. Structured metallic surface for terahertz radiations may provide an attractive solution to speed limitation of electronic switching devices in optical communications and computing.
본 논문은 여러 가지 종류의 주기적으로 구조화된 금속표면에 생성되는 표면모드들의 특성에 대한 연구이다.
먼저 금속-유전체 사이에 생기는 표면모드인 표면 플라즈몬 폴라리톤의 분산관계를 계산하고, 이로부터 DC 주파수에서 테라헤르츠 주파수에 이르는 영역에서 금속은 완전도체로 근사될 수 있음을 확인한다. 1차원 홈이 파인 완전도체 표면에 생기는 전자기적인 표면모드들은 회절이론과 effective medium 이론으로 기술될 수 있다. 더 나아가, 완전도체 평판 위에 완전도체 막대를 2차원 배열하여 이루어진 표면, 그리고 완전도체에 유전체로 채워진 구멍이 뚫린 구조들도 같은 방법으로 기술할 수 있다. FDTD 전산모사의 결과들은 이 모델들의 결과를 잘 뒷받침 해준다. 특히 유전체가 채워진 구멍의 2 차원 배열로 구조화된 완전도체 표면은 플라즈마 주파수로 결정되는 유전율을 가지는 매질(광학영역에서의 금속의 특징)로 볼 수있는데 이때, 이 매질의 표면에 생기는 표면모드가 금속과 유전체 경계 면에 생기는 표면모드 즉, 표면 플라즈몬 폴라리톤과 매우 비슷한 분산특성을 보이기 때문에 유사 표면 플라즈몬 폴라리톤이라 부른다. 이때 플라즈마 주파수는 구멍의 기하학적 변수와 그 곳에 채워진 유전체의 유전율에 의해 결정된다. 또한 2차원 완전도체 막대들의 배열 구조는 effective medium 이론에서 비등방성 유전체로 볼 수 있으며 이들의 유전율과 투자율은 금속막대들의 기하학적 변수에 의해 결정된다. 이러한 결과들은 도체 표면에서의 기하학적인 구조물의 형태를 적당히 조절함으로써 표면에서의 빛의 흐름을 제어할 수 있도록 한다.
표면모드의 특성들을 탐구하기 위해 마이크로웨이브 주파수영역에서 실험을 수행한다. 일반적으로 이러한 표면모드들은 외부의 평면파에 의해 발생시킬 수 없으므로, 모든 방향과 크기를 가지는 파수벡터를 방출하는 모노폴 안테나를 이용해 표면모드들을 발생시키고 검출한다. 또한, 표면모드들이 고유한 편광특성을 가지기 때문에 이에 따라 안테나의 방향을 조절한다.
먼저, 완전도체 표면에 2 차원으로 배열된 유전체 구멍의 구조에서 생기는 유사표면 플라즈몬의 전파특성에 대해 상세히 논의한다. 밴드 구조와 등 주파수 곡선을 분석함으로써, 이 표면 모드의 전파 특성을 예측할 수 있고, 마이크로웨이브 주파수 영역에서 실험적으로 자기조준 효과나 빔 갈림 현상을 보임으로써 이 모드의 전파특성을 잘 이해할 수 있다. 자기조준된 유사표면 플라즈몬 빔은 수평방향으로는 가우시안 형태를 띠고 수직방향으로는 지수함수적으로 감소하는 형태를 띠면서 퍼지지 않고 진행한다. 그러나 자기조준 주파수가 아닌 주파수들을 갖는 유사표면 플라즈몬 빔들은 모두 퍼지면서 진행한다. 또한, 자기조준 주파수보다 작은 주파수를 갖는 유사표면 플라즈몬 빔들은 특정한 각도로 두개의 빔으로 갈라지는 현상을 볼 수 있다. 이러한 자기조준 현상과 빔 갈림 현상을 이용하면 특별한 구조 없이 빔을 분할하고, 또 분할된 빔들이 다시 자기 조준된 상태로 진행 할 수 있다. 특히, 자기 조준된 유사표면 플라즈몬 빔은 서로 교차할 때 간섭이 없기 때문에 낮은 채널 누설을 가지는 도파로 연결이 가능하다. 이 모드의 분산관계는 원하는 대로 설계가 가능하기 때문에 자기 조준 주파수도 조절이 가능하다. 이러한 설계특성은 일반 금속을 완전금속으로 간주할 수 있는 테라헤르츠 영역에서도 동작할 수 있도록 금속구조의 설계가 가능하다. 더 나아가, 자기 조준된 유사 표면 플라즈몬의 흐름을 제어할 수 있는 빔 가르게, 거울, 필터 등의 장치들의 개발은 그 유용성이 기대되는 바가 크다.
금속 막대의 2 차원 배열에서 표면 모드의 밴드 구조와 모드 형태를 분석한다. 마이크로파 영역에서 전산모사 및 실험을 통해 밴드 갭의 존재를 확인한다. 이 밴드 갭은 결함모드들의 존재 가능성을 열어주고 있다. 2차원 금속 막대 배열에 하나의 결함이 있을 때 결함모드가 존재함을 전산모사를 통해 확인하고 결함모드의 특성이 첫 번째 밴드의 모드 특성과 같음을 알 수 있다. 점 결함 모드들에 대한 결과로 부터 선 결함을 갖는 구조에서 도파모드가 가능함을 알 수 있다. 선 결함이 있는 구조에서 전산모사를 이용해 밴드구조를 분석하고, 이로 부터 선 결함 모드의 존재 가능성을 확인한다. 마이크로파 영역에서의 전사모사 및 실험 결과들은 선 결함이 있는 구조에서 도파모드가 존재함을 보여준다. 또한, 이 도파 모드는 첫 번째 밴드의 모드특성을 보이며, 이러한 도파로에서의 전파 손실은 다른 도파로에서의 손실 보다 클 수 있지만, 하나의 칩에 집적이 가능하다는 장점이 있다. 앞에서 보인 구멍구조와 마찬가지로 이 구조의 분산 관계 또한 구조 변수에 의해 조절이 가능하므로, 원하는 주파수가 공진하게 하는 구조 또한 설계가 가능하며, 이는 테라헤르츠에서도 작동하는 공진기나 도파로의 제작이 가능하게 한다. 이러한 결과들을 이용하면 하나의 칩 위에 공진기, 채널 드롭 필터, 도파로들을 집적할 수 있게 된다.
본 논문에서 논의된 모든 표면모드들의 분산관계는 원하는 대로 설계가 가능하다. 비록 실험이 주로 마이크로파 영역에서 이루어졌으나, 테라헤르츠에서도 충분히 비슷한 결과를 얻으리라 예측할 수 있다. 테라헤르츠에의 응용을 염두에 두고, 이러한 구조화된 금속표면을 제작할 때 하나의 단위 셀의 크기가 수십에서 수백 마이크로 미터정도여서 포토닉스에서의 나노미터단위의 크기를 요구하지 않아 제작이 매우 용이하게 된다. 이러한 점들은 아직 발전 단계의 테라파의 도파, 집속 및 필터링에의 응용뿐만 아니라 하나의 칩에 이러한 기능을 하는 장치들을 집적할 수 있다는 장점도 제공한다. 이는 테라헤르츠 분광학, 센서 및 이미징의 기술을 한층 더 향상 시킬 것으로 예상된다. 또한, 이러한 구조를 테라헤르츠를 이용한 스위칭 소자에 응용한다면 스위칭 속도를 테라헤르츠까지 높일 수 있다. 이는 특히 전자적 스위칭 소자의 물리적 한계 때문에 생기는 빠른 속도의 스위칭 제한을 해결해 줄 것으로 예상하며, 이를 통해 많은 양의 데이터 전송과 광학 연산소자의 속도향상에 크게 기여할 것으로 기대한다.
