ubwavelength optical structures exhibiting inhomogeneity smaller than wavelength scale have been intensively exploited in recent years. The subwavelength structure can provide unique macroscopic optical properties determined by the shape, size, and arrangement of geometric inhomogeneity. In particular, the ad-vances in computation, fabrication and characterization techniques substantially stimulate diverse optical structure smaller than wavelength such as plasmonic structures or metamaterials. The conventional subwave-length photonics has primarily employed subwavelength metallic structures. However, the metallic structures include inherent limitation such as significant conduction loss, narrow bandwidth, and strong optical anisotro-py from their geometric asymmetry. Recently, subwavelength all dielectric structure emerges as an alternative approach for a low-loss and broadband operating metamaterial. In this work, subwavelength silicon structures have been developed for an imaging device in terahertz region and a biosensing device in visible-infrared re-gion.
First, the subwavelength silicon structure was employed for index tailoring in terahertz (THz) region. Terahertz technology exploiting 0.1-30 THz frequency range has facilitated diverse applications from home-land security to biomedical field with merits of rich spectral information associated with intermolecular ener-gy levels. However, challenges of developing diverse photonic devices on the THz range have suffered from a lack of transparent materials. Thus, index-tailored silicon was presented by subwavelength structuring silicon material, i.e., the most transparent material in THz region. The subwavelength silicon structure for index tai-loring consists of subwavelength through-hole arrays in a hexagonal lattice on monocrystalline silicon, which can be mainly altered by the period and the fillfactor (FF). The index-tailored silicon was monolithically fab-ricated by using photolithography and deep reactive ion etching (DRIE). The effective index was successfully tailored by the geometric parameters. The change in the fillfactor linearly modulated the effective refractive index by 0.1 RIU (refractive index unit) per 5% FF in 0.3？1.6 THz frequency range and the change in the pe-riod determined the degree of normal dispersion.
Second, a silicon gradient index (Si-GRIN) lens operating in THz broadband frequencies was imple-mented by the subwavelength silicon structure that can modulate effective refractive indices with low disper-sion. The THz gradient index lenses were designed in two types: 1) THz free-space lens and 2) solid immer-sion lens for a THz source extraction. The spatial modification of effective index by changing fillfactor in the unit cell can build index gradient in a material. The index gradients were designed to have parabolic profiles by spatial modification of index along a radial axis in broadband THz frequencies. The Si-GRIN lens demon-strates diffraction-limited light focusing on 0.4-1.6 THz broadband frequencies with no substantial distortion and enhancement of THz pulse extraction from a high-index semiconductor source.
Lastly, the subwavelength silicon structure was utilized for label-free biosensing in visible-NIR region. In conventional label-free biosensor, its figure of merit (FOM) is defined by the sensitivity over full-width at half-maximum (FWHM). The typical label-free biosensor, surface plasmon resonance biosensor, has offered FOM of 5~10 due to wide FWHM. The subwavelength silicon structure consisting of nanohole arrays in rec-tangular lattice on a thin silicon substrate provides magnetic guided resonances of which FWHM is substan-tially narrow resulting in high FoM. The nanohole arrays were fabricated by using e-beam lithography and silicon reactive ion etching. The magnetic guided resonance exhibits that the resonance wavelength was red-shifted with highly sensitivity to change in the surrounding index as well as narrow FWHM. As a result, the subwavelength silicon label-free biosensor shows high sensitivity and exceedingly high figure-of-merit of 29.
In conclusion, this works demonstrate the subwavelength silicon structures for imaging devices in THz region and a label-free biosensor in visible-NIR region. In the light of imaging devices, the index-tailored sili-con, having merits of batch fabrication and facile integration, can be applied for not only the gradient index lens but also diverse optical diverse based on transformation optics such as optical cloaking and extreme-angle lens. Moreover, the Si-GRIN lens can be integrated to diverse THz sources or detectors and facilitate miniaturized THz imaging systems. In the light of label-free biosensing, the subwavelength silicon structure with high figure-of-merit can open huge opportunities in real-time biomolecule detection, cellular assay and high throughput screening with low cost from its reusability.
파장의 크기보다 작은 불균일성을 가지는 파장보다 작은 광학구조는 최근 많은 연구자의 관심을 받으며 활발히 연구가 되고 있다. 파장보다 작은 규모에서는 기존 고전광학 이론의 제한을 받지 않으며, 새로운 광학특성을 보인다. 이런 새로운 광학특성은 구조적 형태에 따라 변화되며, 구조물의 형상 및 모양, 크기, 배치 등을 조절함으로써 새로운 광학특성을 제어 및 설계 할 수 있다. 특히 최근 수치해석 및 공정, 광특성분석 기술의 발전에 힘입어 플라즈모닉 구조 및 메타물질과 같은 다양한 파장보다 작은 광학구조물들이 개발되고 있다. 하지만 기존의 파장보다 작은 구조물은 주로 금속구조물을 포함하는데, 금속이 가지는 본질적 특성인 저항손실 및 협대역 동작, 구조적 비대칭성으로 인한 광학비등성 등으로 인해 성능의 한계를 지니고 있다. 최근 이를 극복하고 저손실 및 광대역 동작을 위한 새로운 방법으로 파장보다 작은 전-유전체 (all dielectric) 구조물이 주목받고 있다. 이 연구에서는 파장보다 작은 유전체 실리콘 구조물을 이용한 테라헤르츠 또는 광학주파수에서 동작하는 이미징 및 바이오센싱 소자를 제안한다.
첫 번째로 파장보다 작은 실리콘 구조물을 이용해 테라헤르츠파 영역에서 굴절률을 재단하는 물질을 개발하였다. 테라헤르츠파 기술은 0.1-30THz 주파수 영역 대를 다루는 기술을 말하며, 국토보안에서부터 바이오분야까지 다양한 응용연구가 진행되고 있다. 특히 테라헤르츠파의 에너지 준위는 분자 간의 에너지 준위에 해당하기 때문에 생체분자의 풍부한 분광 정보를 제공할 수 있다. 하지만 기존 광학영역보다 광대역에서 투과성이 좋은 물질의 부족으로 다양한 테라헤르츠파 소자의 개발이 제한되고 있다. 이에 테라헤르츠 영역에서 가장 광대역 투과성이 좋은 실리콘의 굴절률을 파장보다 작은 구조물을 형성하여 재단하였다. 파장보다 작은 실리콘 구조물은 단결정 실리콘 기판에 6방 정계를 가지는 관통 홀 배열로 구성되었으며, 이 구조물은 관통 홀의 주기 및 단위 격자 당 실리콘이 차지하는 비율인 충전율을 통해 정의된다. 파장보다 작은 실리콘 구조물은 심도 반응성 이온 식각 및 포토 리소그래피의 단일공정으로 제작되었다. 파장보다 작은 실리콘 구조물의 유효굴절률은 0.4-1.6 THz 영역에서 5% 충전률당 0.1의 선형적인 변화를 보였으며, 정상 분산은 주기를 낮춤으로써 줄어들었다.
두 번째로 파장보다 작은 실리콘 구조물을 통한 굴절률 제단기술을 이용하여 광대역에서 동작하는 실리콘 굴절률 분포형 렌즈(gradient index lens)를 구현하였다. 굴절률 분포형 렌즈는 자유공간 렌즈와 고체잠입렌즈(solid immersion lens) 두 가지 형태로 설계되었으며, 굴절률제단 실리콘과 같은 공정과정을 통해 제작되었다. 파장보다 작은 실리콘 구조물의 충전율을 방사 축 방향으로 공간적으로 변화시킴으로써 포물선의 굴절률 경사를 형상하였다. 자유공간 실리콘 굴절룰 분포형 렌즈를 통해 0.3-1.6THz 영역에서 회절 한계의 광 집속을 구현하였으며, 고체잠입형 실리콘 굴절률 분포형 렌즈를 통해 테라헤르츠파를 생성하는 광전도 안테나에서 테라헤르츠파 추출효율을 증가시킬 수 있었다.
마지막으로 파장보다 작은 실리콘 구조물을 이용하여 가시광-근적외선 영역에서 무표지 바이오센서를 개발하였다. 파장보다 작은 실리콘 무표지 바이오센서는 실리콘 박막에 나노 홀로 이루어져 있으며, 이러한 구조물은 자기유도 공명(magnetic guided resonance)를 형성한다. 나노 홀 구조물은 전자빔 리소그래피와 실리콘 반응성 이온 식각을 통해 제작되었다. 파장보다 작은 실리콘 무표지 바이오센서의 자기유도 공명은 좁은 공명 선폭을 가지며, 주변 굴절률 변화에 민감하게 장파장 이동한다. 이를 이용하여 29의 높은 성능지수를 가지는 바이오센서를 구현하였다.
결론을 내리면, 이 연구는 파장보다 작은 실리콘 구조물을 이용하여 테라헤르츠 영역에서 동작하는 이미징 소자 및 근적외선 영역에서 동작하는 무표지 바이오센서를 개발하였다. 실리콘 구조물의 굴절률 제단기술은 간단한 공정으로 인한 높은 가격효율과 손쉬운 3차원 집적의 장점을 가지며, 실리콘 굴절률 분포형 렌즈뿐만 아니라 투명망토(cloaking) 및 초광각 렌즈등 다양한 변형광학이 적용된 다양한 광학 소자에 응용할 수 있을 것이다. 또한, 이를 통해 제작된 굴절률 분포형 렌즈는 초소형 테라헤르츠 광학시스템 및 다양한 생성검출 소자의 입출력 단에 적용이 될 수 있다. 그리고 파장보다 작은 실리콘 구조물을 이용한 무표지 바이오센서는 높은 성능지수와 재사용가능성으로 인해 실시간 생체물질 검출 및 세포 분석, 고속 대량 스크리닝에 폭넓게 응용될 수 있다.
