This thesis reports studies on controlling the two-dimensional mode profile of the optical mode focused on the cavity in the nanometer scale. A metal-insulator-metal(MIM) structure is adopted to strongly control the electric field distribution. Using the FDTD simulation, it was confirmed that the electric field distribution of the optical mode can be controlled by adjusting the width and gap of the metal layers since the electric field of the optical mode is mostly confined in the region between the metal layers. In order to demonstrate this experimentally, we fabricated an optical cavity which can control the width and gap of the metal layers independently in nanometer scale using multi-dimensional deposition process. The presence of the optical modes in the fabricated structures were analyzed using the FDTD simulation and experimentally confirmed through the tapered fiber coupling measurement and the transmission spectrum analysis. Also, it was confirmed that the electric field distribution is controlled by modifying the MIM structure by measuring the change of the second harmonic generation (SHG) signal. Subsequently, using the fact that the electric field distribution can be controlled at the molecular regime, it has been shown that nanometer-sized proteins can be detected with high sensitivity.
이 논문에서는 광 공동(空洞)에 집속된 광 모드의 2차원 전기장 분포를 나노미터 단위로 제어할 수 있는 방안에 대해 다루었다. 전기장 분포를 강하게 제어하기 위해 금속-유전체-금속(MIM) 구조를 채택하였고, MIM 구조에서 광 모드의 전기장이 금속층 사이 영역에 대부분이 집중되며 따라서 금속층의 폭과 금속층 사이의 거리를 조절함으로써 광 모드의 전기장 분포를 제어할 수 있음을 유한차분시간영역법(FDTD)을 통해 확인하였다. 이를 실험적으로 구현하기 위하여 다차원적 증착 공정을 이용하여 금속층의 폭과 금속층 사이의 거리를 독립적으로 나노미터 단위로 제어할 수 있는 광 공동(空洞)을 제작하였다. 실제로 제작된 구조를 기반으로 한 FDTD 시뮬레이션을 통해 제작된 구조에서 존재할 수 있는 광 모드들을 분석하고, 광섬유 결합 측정 및 투과 스펙트럼 분석을 통해 이러한 광 모드들을 실험적으로 확인하였다. 또한 금속층의 폭과 금속층 사이의 거리에 따라 이차조화파발생(SHG) 신호가 달라지는 것을 통해 MIM 구조의 제어를 통해 전기장의 분포가 제어되는 것을 확인하였다. 이어서 전기장 분포를 분자 크기 수준으로 제어할 수 있다는 점을 이용하여 작은 단백질 분자를 높은 감도로 검출할 수 있음을 보였다.
