Mid Infrared spectroscopy plays important role in photonic devices since molecular vibrations in the fingerprint region between 6-15 $\mu$m is a powerful characterization method. However, conventional technique such as Raman or FTIR spectroscopy have a noticeable limitation due to its low molecular interaction and bulky measurement setup. Miniaturization of these bulky spectroscopy including on-chip platform using meta-surface is promising research area. By adding active metasurface to mid infrared spectroscopy, it can control resonance through dynamic gate bias. The combination of top metal grating structure and graphene, which has gate-voltage dependent optical properties, make free space light to be coupled efficiently to devices. In this paper, we implement transmission type high efficiency tunable nano-filter without graphene patterning and analyze operating principle using circuit modeling. By its analytical expression for resonance, we can describe the parameter dependency. Maximum delta T over T CNP (Figure of Merit, FOM) can be achieved up to 7.34 with period of 2800nm, gap size of 50nm, and height of 50nm. This study shows that combing graphene with top metal grating enable wavelength selective behavior which can be applied to dynamically controllable plasmonic structure such as active modulator.
광 소자 연구에 있어 중적외선 분광학은 중요한 역할을 합니다. 특히, 6-15$\mu$m 지문 영역에 분자들의 특징적인 진동 모드들이 존재하기 때문에 중적외선 분광학은 분자들을 표지하는 강력한 방법입니다. 하지만 라만 분광법이나 FT-IR 분광법과 같은 기존의 분광법들은 그 측정 셋업이 부피가 크다는 한계점을 가집니다. 이러한 부피가 큰 측정 셋업을 메타표면을 이용하여 온-칩 결합하여 소형화 시키게 되면 기존의 실리콘 기반의 소자들에 결합할 수 있다는 장점을 가집니다. 능동 메타표면을 중적외선 분광학에 결합하게 되면, 메타표면의 공진 조건을 실시간으로 조절하여 파장 선택성을 가지는 필터를 구현할 수 있게 됩니다. 저희는 그래핀 상부에 주기적 메탈 구조를 결합함으로서 그래핀 패터닝과 같은 고난이도 공정 과정이 들어가지 않는 투과형 능동 나노 필터를 제안하였고, 회로 모델링을 통하여 작동원리를 분석했습니다. 상부 주기적 티타늄 구조를 주기 2800nm, 갭 사이즈 50nm, 높이 50nm로 설정하여 도핑되지 않은 그래핀 대비 정규화된 투과도 8.34를 가지는 구조를 제안하였습니다. 이 연구는 그래핀에 주기적 상부 금속 구조를 결합하여 능동 변조기와 같은 동적으로 제어 가능하고 파장 선택성을 가지는 고효율의 나노 필터를 제안하였고, 이를 회로 모델링을 통하여 작동 원리를 분석해 보았습니다.
