KR101359945B1 - 빛의 간섭을 이용한 표면 플라즈몬 스위칭 방법 및 그 장치 - Google Patents

빛의 간섭을 이용한 표면 플라즈몬 스위칭 방법 및 그 장치 Download PDF

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이병호
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Abstract

금속 박막에 금속 슬릿 또는 개구를 형성하고, 동일한 각도로 반대 방향에서 입사하는 두 입사 빛의 간섭 무늬로 인하여 표면 플라즈몬이 반대칭적 또는 정대칭적으로 여기시킨다. 그리고 두 입사 빛의 상대적 위상 차이를 조절하여 표면 플라즈몬이 여기되는 방향을 스위칭한다.

Description

빛의 간섭을 이용한 표면 플라즈몬 스위칭 방법 및 그 장치{Method and apparatus for surface plasmon switching by interference of two beams}
본 발명은 표면 플라즈몬의 스위칭 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
표면 플라즈몬(surface plasmon, SP)은 금속과 유전체 경계면에서 빛이 금속 표면에 존재하는 자유 전자들과 공진(resonance)을 일으켰을 때 발생하는 표면 전자들의 집단적 진동(collective charge density oscillation) 현상으로, 이러한 진동에 의해서 발생하는 표면 플라즈몬은 금속과 유전체 경계면을 따라서 진행하는 표면 전자기파의 일종이다.
표면 플라즈몬을 금속 표면 위에 여기시키는 방법들 중 하나로, 금속 표면에 새겨진 슬릿(slit) 또는 개구(aperture)를 이용하는 방법이 있다. 금속 표면의 한쪽 면에 빛이 조사되는 경우, 금속 표면에 새겨진 슬릿이나 개구는 다양한 파수 벡터(wavevector) 성분들을 만들게 되며, 이들 중 일부는 금속 표면을 따라 진행하는 표면 플라즈몬 모드의 파수 벡터에 일치하게 되어 표면 플라즈몬으로 여기된다.
무한한 길이를 가지는 슬릿이 새겨진 금속 표면에 빛이 수직으로 조사되는 경우, 대칭성에 의해 슬릿의 양 방향으로 동일한 양의 표면 플라즈몬이 여기된다.
한편, 표면 플라즈몬 기반 집적 소자로의 응용을 위해 개발된 표면 플라즈몬의 방향을 단방향으로 고정하거나 스위칭하기 위하여 기존의 금속 표면 위에 새겨진 슬릿의 구조나 입사되는 빛의 파수 벡터의 비대칭성을 이용하는 방법의 경우, 표면 플라즈몬의 여기 방향의 변조를 위해, 금속 구조 전체가 회전해야 하는 단점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 두 개의 빛의 간섭 현상을 이용하여 금속 슬릿 또는 개구로부터 여기되는 표면 플라즈몬의 방향을 스위칭하는 방법 및 그 장치를 제공하는 것이다.
또한 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 비대칭적인 슬릿 또는 개구 구조의 이용 없이, 대칭성을 가지는 두 개의 입사하는 빛의 간섭 현상을 이용하여 표면 플라즈몬 파를 슬릿을 통해 비대칭적, 또는 단방향으로 여기시키는 방법 및 그 장치를 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 표면 플라즈몬 스위칭 방법, 금속 박막에 형성된 간섭 발생부로, 제1 방향에서 설정 입사각을 가지는 제1 빛을 조사하고, 제2 방향에서 설정 입사각을 가지는 제2 빛을 조사하는 단계; 상기 제1 방향의 제1 빛과 상기 제2 방향의 제2 빛을 조절하여 상기 간섭 발생부에 대하여, 반대칭적 표면 플라즈몬을 여기시키는 단계; 및 상기 제1 방향의 제1 빛과 상기 제2 방향의 제2 빛을 조절하여 상기 간섭 발생부에 대하여, 정대칭적 표면 플라즈몬을 여기시키는 단계를 포함한다.
여기서, 상기 반대칭적 표면 플라즈몬을 여기시키는 단계에서 상기 제1 방향의 제1 빛과 상기 제2 방향의 제2 빛의 위상 차이가 2nπ(n은 정수)만큼 차이 나는 경우에, 상기 반대칭적 표면 플라즈몬이 여기될 수 있다.
또한 상기 정대칭적 표면 플라즈몬을 여기시키는 단계에서 상기 제1 방향의 제1 빛과 상기 제2 방향의 제2 빛의 위상 차이가 (2n+1)π(n은 정수)만큼 차이 나는 경우에, 상기 정대칭적 표면 플라즈몬이 여기될 수 있다.
상기 간섭 발생부는 금속 슬릿이거나 금속 개구일 수 있다.
한편, 상기 방법은, 상기 제1 빛 및 상기 제2 빛 중에서 하나의 빛의 세기와 위상을 고정한 상태에서, 나머지 빛의 세기와 위상을 조절하여 표면 플라즈몬이 여기되는 방향을 스위칭하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한 상기 방법은, 상기 제1 빛 및 상기 제2 빛 중에서 하나의 빛의 세기와 위상을 고정한 상태에서, 나머지 빛의 위상만을 조절하여 표면 플라즈몬이 여기되는 방향을 스위칭하는 단계를 더 포함할 수 있다.
한편 상기 제1 빛과 제2 빛은 상기 간섭 발생부에 대하여 수직한 선을 기준으로 입사각이 서로 동일하며, 상기 제1 방향과 제2 방향은 서로 반대일 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 따른 표면 플라즈몬 스위칭 장치는, 설정 너비와 설정 두께를 가지는 간섭 발생부가 형성되어 있는 금속 박막; 및 상기 금속 박막의 간섭 발생부로, 제1 방향에서 설정 입사각을 가지는 제1 빛을 조사하고, 제2 방향에서 설정 입사각을 가지는 제2 빛을 조사하는 빛 조사부를 포함하고, 상기 제1 방향의 제1 빛과 상기 제2 방향의 제2 빛의 위상차를 조절하여 상기 간섭 발생부에 대하여, 반대칭적 표면 플라즈몬 및 정대칭적 표면 플라즈몬을 여기시킨다.
이러한 특징을 가지는 본 발명에서, 간섭 발생부에서 발생되는 반대칭적 표면 플라즈몬 여기에 따른 제1 결합 계수와 상기 정대칭적 플라즈몬 여기에 따른 제2 결합 계수의 관계가
Figure 112013001198018-pat00001
의 조건(여기서, Ca는 제1 결합 계수를 나타내고, Cs는 제2 결합 계수를 나타냄)을 만족할 수 있다.
상기 제1 빛과 제2 빛은 평행 편광(p-polarized light)을 가진 빛일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 비대칭적인 금속 슬릿 구조를 이용하지 않더라도 두 빛의 간섭 현상을 이용하여 표면 플라즈몬을 단방향으로만 여기시키는 것이 가능하며, 한쪽 입사 빛을 고정한 채 반대쪽 입사 빛의 세기와 위상을 조절함으로써 표면 플라즈몬의 여기 방향을 스위칭 할 수 있다.
또한 특정한 조건을 만족시키는 금속 슬릿이나 개구를 설계하여, 반대쪽 입사 빛의 위상만을 조절함으로써 표면 플라즈몬의 여기 방향을 스위칭 할 수 있다.
또한 두 빛의 간섭 현상에서 한쪽 빛의 세기와 위상을 조절하여 표면 플라즈몬이 비대칭적으로 여기되는 정도 및 방향성을 조절할 수 있다.
또한 두 빛의 간섭 현상에서 한쪽 빛의 세기 변화없이 위상 변화만을 통해서 표면 플라즈몬이 비대칭적으로 여기되는 정도 및 방향성을 조절할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 표면 플라즈몬 스위칭 장치의 구조를 나타낸 도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 금속 박막에서 반대칭적 표면 플라즈몬이 여기되는 과정을 나타낸 도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 금속 박막에서 정대칭적 표면 플라즈몬이 여기되는 다른 과정을 나타낸 도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 반대칭적 및 정대칭적 표면 플라즈몬 여기 조건에서 여기되는 표면 플라즈몬의 양상을 비교한 전산모사 결과를 나타낸 도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 반대칭적 여기 계수에 대한 정대칭적 여기 계수의 위상 차이를 나타낸 예시도이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 금속 박막의 구조를 나타낸 도이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 금속 개구를 가지는 금속 박막을 이용하여, 반대칭적 및 정대칭적 표면 플라즈몬 여기 조건에서 여기되는 표면 플라즈몬의 양상을 나타낸 도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 표면 플라즈몬 스위칭 방법 및 그 장치에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 표면 플라즈몬 스위칭 장치의 구조를 나타낸 도이다.
첨부한 도 1에서와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 표면 플라즈몬 스위칭 장치(1)는 표면에 슬릿(slit)(11)이 형성되어 있는 금속 박막(10), 빛 조사부(20), 그리고 측정부(30)를 포함한다.
금속 박막(10)은 설정된 너비(이하, 슬릿 너비라고 명명함)를 가지며, 설정 두께(이하, 슬릿 두께라고 명명함)을 가지는 슬릿(11)이 형성되어 있다. 금속 박막(10)은 예를 들어, 금(gold), 은(silver), 동(copper), 알루미늄(aluminium) 등과 같이 자유 전자들을 함유하고 음의 유전상수를 갖는 금속으로 이루어질 수 있디.
빛 조사부(20)는 도 1에서와 같이, 금속 박막(10)으로 빛을 생성하여 조사하며, 특히, 제1 방향에서 빛을 조사하고 제2 방향에서 빛을 조사한다. 이를 위하여, 도 1에서와 같이, 금속 박막(10)의 표면에 수직한 선 즉, 수직선을 기준으로 동일한 입사각(θinc)을 가지는 제1 빛과 제2 빛을 사로 다른 방향에서 조사한다. 특히, 제1 빛을 제1 방향 즉, 좌측 방향에서 슬릿(11)으로 조사하고, 제2 빛을 제2 방향 즉, 우측 방향에서 슬릿(11)으로 조사한다. 이에 따라 제1 빛과 제2 빛이 슬릿(11)의 좌측과 우측으로 각각 입사된다. 두 방향에서 입사되는 빛은 평행 편광(p-polarized light)을 가진 빛이다.
이러한 금속 슬릿 또는 추후에 설명되는 금속 개구를 총괄하여 "간섭 발생부"라고 명명할 수 있다.
측정부(30)는 서로 다른 방향에서 금속 박막(10)의 슬릿(11)으로 입사되는 두 개의 빛에 의한 간섭 형상에 따라 슬릿(11)의 양쪽으로 여기되는 표면 플라즈몬의 양을 측정한다.
다음에는 이러한 구조로 이루어지는 표면 플라즈몬 스위칭 장치를 토대로, 본 발명의 실시 에에 따른 표면 플라즈몬 스위칭 방법에 대하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 금속 박막에서 표면 플라즈몬이 여기되는 과정을 나타낸 도이다.
여기서는 반대칭적 플라즈몬 여기 방법을 토대로 금속 박막(10)의 슬릿(11) 즉, 금속 슬릿으로부터 표면 플라즈몬을 여기시킨다.
빛 조사부(20)로부터 금속 슬릿(11)으로 입사되는 두 빛의 편광 상태는 전기장의 방향이 단면도 상에 놓여 있고, 자기장의 방향이 단면도에 수직한 TM(transverse magnetic) 편광된 빛이다.
빛이 금속 슬릿(11)으로 입사되면, 서로 다른 유전함수를 갖는 금속과 유전체의 경계면 즉, 금속 슬릿과 공기층의 경계면에 빛이 입사하게 되면, 두 매질 경계면에서 표면 전하가 유도되고, 이러한 표면 전하들의 진동이 표면 플라즈몬으로 나타난다. 금속 슬릿과 공기층의 경계면을 따라 형성되는 표면 플라즈몬들이 동일한 지점에서 서로 다른 방향으로 진행하게 되어 이들 사이에 간섭이 형성된다.
슬릿(11)으로부터 동일한 경로차만큼 떨어진 지점에서 두 빛의 자기장의 위상이 2nπ(n은 정수)만큼 차이 나는 경우, 슬릿 표면에 평행한 전기장 성분은 슬릿 중앙에서 서로 보강 간섭하게 되어, 첨부한 도 2에서와 같이, 간섭무늬의 배가 형성된다. 이 경우, 슬릿(11)의 양쪽 끝단에 동일한 방향의 전기장이 형성되어 일종의 캐패시터(capacitor)를 형성하게 되고, 이로 인해 서로 반대 부호의 전하가 슬릿의 양 끝단에 여기되게 되어, 슬릿(11)으로부터 양방향으로 여기되는 표면 플라즈몬의 위상은 서로 반대의 위상을 가지게 된다. 이와 같이 서로 반대 위상을 가지는 표면 플라즈몬을 여기시키는 것을 "반대칭적 플라즈몬 여기"라고 명명한다.
위에 기술된 바와 같은 방법으로, 단위 세기의 두 입사 빛이 들어왔을 때, 여기되는 표면 플라즈몬의 결합 계수(coupling coefficient) 를 "Ca"로 정의한다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 금속 박막에서 표면 플라즈몬이 여기되는 다른 과정을 나타낸 도이다. 여기서는 정대칭적 플라즈몬 여기 방법을 토대로 금속 박막(10)의 슬릿(11) 으로부터 표면 플라즈몬을 여기시킨다.
슬릿(11)으로부터 동일한 경로차만큼 떨어진 지점에서 두 빛의 자기장의 위상이 정확하게 (2n+1)π(n은 정수)만큼 차이나는 경우, 슬릿(11)의 중심에서 슬릿 표면에 평행한 전기장 성분은 상쇄 간섭을 일으켜 간섭 무늬의 마디가 형성된다.
이 경우, 슬릿(11)의 양쪽 끝단에 동일한 부호의 전하가 형성되어, 슬릿(11)으로부터 여기되는 표면 플라즈몬은 동일한 위상을 가지게 된다. 이와 같이 서로 동일한 위상을 가지는 표면 플라즈몬을 여기시키는 것을 "정대칭적 플라즈몬 여기"라고 명명한다. 이러한 방법으로, 단위 세기의 두 입사 빛이 들어왔을 때, 여기되는 표면 플라즈몬의 결합 계수(coupling coefficient)를 "Cs"로 정의한다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 반대칭적 및 정대칭적 표면 플라즈몬 여기 조건에서 여기되는 표면 플라즈몬의 양상을 비교한 전산모사(simulation) 결과를 나타낸 도이다.
여기서는 RCWA(Rigorous coupled wave analysis) 방법을 이용하여 반대칭적 및 정대칭적 표면 플라즈몬 여기 조건에서 여기되는 표면 플라즈몬의 양상을 각각 비교하였다.
반대칭적 표면 플라즈몬 여기와 정대칭적 표면 플라즈몬 여기로 인한 좌우 방향으로의 표면 플라즈몬 여기량을 각각 나열하면 수학적으로 두 개의 직교 단위 (orthogonal basis)를 형성하기 때문에, 이 둘의 적절한 선형 결합(linear combination)으로 임의의 비대칭적 표면 플라즈몬 여기량을 설계할 수 있게 된다. 이를 실험적으로는 두 여기 방법의 간섭으로 나타낼 수 있는데, 그 중 특수한 경우로 우측으로 여기되는 표면 플라즈몬이 완전히 상쇄 간섭되는 조건, 다시 말해 좌측 단방향 표면 플라즈몬 여기 조건은 다음과 같은 수학식 1을 만족할 때 일어난다.
Figure 112013001198018-pat00002
여기서, UL 은 좌측 단방향 표면 플라즈몬 여기 조건을 나타내고, Ca는 반대칭적 표면 플라즈몬 여기 방법에 따른 표면 플라즈몬의 결합 계수(설명의 편의상 반대칭적 여기 계수라고도 명명함)를 나타내고, Cs는 정대칭적 표면 플라즈몬 여기 방법에 따른 표면 플라즈몬의 결합 계수(설명의 편의상 정대칭적 여기 계수라고도 명명함)를 나타낸다.
좌측 단방향 표면 플라즈몬 여기 조건은 좌측 대비 우측의 입사 빛의 세기 및 위상 차이가 수학식 1을 만족할 때 일어나게 된다.
반면에, 좌측으로 여기되는 표면 플라즈몬이 완전히 상쇄 간섭되는 조건, 다시 말해 우측 단방향 표면 플라즈몬 여기 조건은 다음과 같은 수학식 2를 만족할 때 일어난다.
Figure 112013001198018-pat00003
여기서, UR 은 우측 단방향 표면 플라즈몬 여기 조건을 나타낸다. 우좌측 단방향 표면 플라즈몬 여기 조건은 좌측 대비 우측 입사 빛의 세기 및 위상 차이가 수학식 2를 만족할 때 일어나게 된다.
즉, 좌측 입사 빛(제1 방향에서 입사되는 제1 빛)의 세기 및 위상을 고정시킨 상태에서, 우측 입사 빛(제2 방향에서 입사되는 제2 빛)의 상대적인 세기와 위상 차이를 수학식 1의 조건에서 수학식 2 의 조건으로 이동시킬 경우, 좌측에서 우측으로의 표면 플라즈몬 여기 방향의 스위칭이 이루어질 수 있다.
이와 같은 방법은 광학계의 회전이라던가, 입사 빛의 각도, 금속 슬릿 구조의 구조적 변화없이, 입사 빛의 세기와 위상만을 조절하여 표면 플라즈몬이 여기되는 방향을 바꿀 수 있다. 이 방법은 근접장 제어 및 광학 스위칭 소자 설계 분야와 같은 곳에 사용될 수 있다.
다음에는, 세기와 위상을 기준으로 하였을 때, 우측 입사 빛의 세기의 조절 없이 우측 입사 빛의 위상만을 조절함으로써 보다 용이하게 스위칭을 할 수 있는 방법에 대해 설명한다.
위의 수학식 1과 수학식 2를 참고하면, 단방향 여기 조건에서의 좌측 대비 우측 입사 빛의 상대적 세기와 위상 차이의 조건은, 반대칭적 여기 계수와 정대칭적 여기 계수의 산술 식의 형태로 표현된다. 이러한 여기 계수들이 복소수 값을 지니므로, 두 단방향 여기 조건(UL, UR) 또한 서로 역수 관계를 지니는 복소수의 형태로 표현될 수 있다.
따라서 다음과 같은 수학식 3의 조건이 만족될 경우, 좌측 및 우측 단방향 여기 조건(UL, UR)에서의 좌측 대비 우측 입사 빛의 상대적 세기가 동일해짐을 알 수 있다.
Figure 112013001198018-pat00004
이러한 수학식 3에 수학식 1과 수학식 2의 조건들을 대입하게 되면, 수학식 3은 간략하게 다음 수학식4와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112013001198018-pat00005
즉, 반대칭적 여기 계수(Ca)와 정대칭적 여기 계수(Cs)간의 위상차가 90°를 이룰 경우에는, 우측 입사 빛의 위상만을 조절함으로써 여기 방향을 바꿀 수 있음을 알 수 있다.
반대칭적 여기 계수(Ca) 및 정대칭적 여기 계수(Cs)는 표면 플라즈몬을 여기 시킬 금속의 종류, 금속 슬릿의 너비, 금속 슬릿의 두께, 입사 각도, 동작 파장 등에 따라 상이한 값을 가질 수 있다. 본 발명의 실시 예에서는 전산 모사 기술들을 이용하여 수학식 4를 만족할 수 있는 조건을 찾을 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 반대칭적 여기 계수에 대한 정대칭적 여기 계수의 위상 차이를 나타낸 예시도이다.
도 5에서는 금속 박막(10)을 은으로 구성하고, 빛 조사부(20)로부터의 금속 박막(10)의 슬릿(11)으로 입삭되는 빛의 입사각을 "45°"로 하고, 빛의 동작 파장이 532nm인 조건에서, 반대칭적 여기 계수에 대한 정대칭적 여기 계수의 위상 차이를 금속 슬릿(11)의 너비와 두께를 변경해 가면서 나타내었다.
첨부한 도 5에서, 밝게 보여지는 부분(A)은, 반대칭적 여기 계수에 대한 정대칭적 여기 계수의 위상 차이가 +90° 또는 -90°의 조건에 매우 가깝게 만족하는 구간으로, 금속 슬릿의 너비와 두께에 따라서 수학식 4의 조건을 만족하는 구간이 존재할 수 있음을 보여주고 있다.
그러므로 본 발명의 실시 예에서는 서로 동일한 입사각을 가지고 제1 방향에서 입사되는 제1 빛과 제2 방향에서 입사되는 제2 빛이, 금속 박막(10)에 형성되는 슬릿(11)에서 간섭되어 여기되는 표면 플라즈몬에 대한 반대칭적 여기 계수(Ca)와 정대칭적 여기 계수(Cs)간의 위상차가 위의 수학식 4의 조건을 만족하도록, 금속 박막(10)에 형성되는 슬릿(11)의 너비와 두께를 설정한다. 이에 따라 제1 방향에서 입사되는 제1 빛 대비, 제2 방향의 제2 빛의 위상을 조절하여 표면 플라즈몬이 여기되는 방향을 바꿀 수 있다.
한편 실질적으로 무한한 길이의 금속 슬릿을 금속 표면 위에 새기는 것은 쉽지 않다.
이에 따라 본 발명의 실시 예에서는 금속 박막(10)에 슬릿 대신에 개구(12)를 형성하여, 표면 플라즈몬의 방향을 단방향으로 고정하거나 스위칭할 수 있다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 금속 박막의 구조를 나타낸 도이다.
첨부한 도 6과 도 7에 도시한 바와 같이, 금속 박막(10)에 슬릿이 아닌 금속 개구(12)를 형성할 수 있다. 금속 개구(12)의 너비와 두께를 조절하여 위에 기술된 바와 같이, 표면 플라즈몬의 방향을 단방향으로 고정하거나 스위칭할 수 있다.
도 6에서는 금속 개구(12)를 세로 길이가 가로 길이에 비해 충분히 긴 직사각형 개구 구조로 형성하였다. 이 경우에도 위의 수학식 4를 만족하는 조건 등이 거의 동등하게 적용될 수 있다.
또한 도 7에서와 같이, 금속 개구(12)를 사각 형태가 아니라, 원형의 구조 형성할 수 있다. 이 경우에도 위의 수학식 4를 만족하는 조건 등이 거의 동등하게 적용될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 금속 박막(10)에 형성되는 금속 개구(12)는 위에 기술된 바와 같이, 사각형이나 원형 구조에 한정되지 않으며, 타원형, 다각형, 등의 다양한 개구 구조로 형성될 수 있다. 그리고 위에 기술된 바와 같은 수학식 4의 조건을 만족하도록 개구의 너비와 두께를 조절하여, 표면 전하의 부호 대칭성과, 표면 플라즈몬의 반대칭적 및 정대칭적 여기를 발생시킬 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 금속 개구를 가지는 금속 박막을 이용하여, 반대칭적 및 정대칭적 표면 플라즈몬 여기 조건에서 여기되는 표면 플라즈몬의 양상을 나타낸 도이다.
여기서는 금속 개구(12)를 너비 540 nm, 개구 두께 300 nm, 금속 개구 길이가 25㎛의 구조를 가지는 직사각형 형태로 구성하고, 단방향으로 여기되는 표면 플라즈몬 양상을 측정하였다. 또한 빛 조사부(20)로부터의 금속 박막(10)의 금속 개구(12)로 입사되는 빛의 입사각을 "45°"로 하고, 빛의 동작 파장이 532nm로 하였다. 위의 금속 개구의 너비, 두께, 길이는 도 5에 도시된 바와 같은 전산모사를 통하여 얻어진 수치들이다.
금속 박막(10)의 표면에 금속 개구(12)를 형성하고 개구의 너비와 두께를 조절하여, 반대칭적 여기 계수에 대한 정대칭적 여기 계수의 위상 차이가 수학식 4를 만족하도록 하면서 실험한 결과, 도 8과 같이, 단방향 표면 플라즈몬 여기가 이루어지도록 하면서, 좌측 단방향에서 우측 단방향으로의 스위칭이 이루어지도록 할 수 있음을 알 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (15)

  1. 금속 박막에 형성된 간섭 발생부로, 제1 방향에서 설정 입사각을 가지는 제1 빛을 조사하고, 제2 방향에서 설정 입사각을 가지는 제2 빛을 조사하는 단계;
    상기 제1 방향의 제1 빛과 상기 제2 방향의 제2 빛을 조절하여 상기 간섭 발생부에 대하여, 반대칭적 표면 플라즈몬을 여기시키는 단계; 및
    상기 제1 방향의 제1 빛과 상기 제2 방향의 제2 빛을 조절하여 상기 간섭 발생부에 대하여, 정대칭적 표면 플라즈몬을 여기시키는 단계
    를 포함하는 표면 플라즈몬 스위칭 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반대칭적 표면 플라즈몬을 여기시키는 단계에서 상기 제1 방향의 제1 빛과 상기 제2 방향의 제2 빛의 위상 차이가 2nπ(n은 정수)만큼 차이 나는 경우에, 상기 반대칭적 표면 플라즈몬이 여기되는, 표면 플라즈몬 스위칭 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 정대칭적 표면 플라즈몬을 여기시키는 단계에서 상기 제1 방향의 제1 빛과 상기 제2 방향의 제2 빛의 위상 차이가 (2n+1)π(n은 정수)만큼 차이 나는 경우에, 상기 정대칭적 표면 플라즈몬이 여기되는, 표면 플라즈몬 스위칭 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서
    상기 간섭 발생부는 금속 슬릿인, 표면 플라즈몬 스위칭 방법.
  5. 제1항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서
    상기 간섭 발생부는 금속 개구인, 표면 플라즈몬 스위칭 방법.
  6. 제1항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서
    상기 간섭 발생부에서 발생되는 반대칭적 표면 플라즈몬 여기에 따른 제1 결합 계수와 상기 정대칭적 플라즈몬 여기에 따른 제2 결합 계수의 관계가 다음의 조건을 만족하는, 표면 플라즈몬 스위칭 방법.
    Figure 112013001198018-pat00006

    여기서, Ca는 제1 결합 계수를 나타내고, Cs는 제2 결합 계수를 나타냄.
  7. 제1항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서
    상기 제1 빛과 제2 빛은 상기 간섭 발생부에 대하여 수직한 선을 기준으로 입사각이 서로 동일하며, 상기 제1 방향과 제2 방향은 서로 반대인, 표면 플라즈몬 스위칭 방법.
  8. 제6항에 있어서
    상기 제1 빛 및 상기 제2 빛 중에서 하나의 빛의 세기와 위상을 고정한 상태에서, 나머지 빛의 세기와 위상을 조절하여 표면 플라즈몬이 여기되는 방향을 스위칭하는 단계를 더 포함하는, 표면 플라즈몬 스위칭 방법.
  9. 제6항에 있어서
    상기 제1 빛 및 상기 제2 빛 중에서 하나의 빛의 세기와 위상을 고정한 상태에서, 나머지 빛의 위상만을 조절하여 표면 플라즈몬이 여기되는 방향을 스위칭하는 단계를 더 포함하는, 표면 플라즈몬 스위칭 방법.
  10. 설정 너비와 설정 두께를 가지는 간섭 발생부가 형성되어 있는 금속 박막; 및
    상기 금속 박막의 간섭 발생부로, 제1 방향에서 설정 입사각을 가지는 제1 빛을 조사하고, 제2 방향에서 설정 입사각을 가지는 제2 빛을 조사하는 빛 조사부
    를 포함하고,
    상기 제1 방향의 제1 빛과 상기 제2 방향의 제2 빛의 위상차를 조절하여 상기 간섭 발생부에 대하여, 반대칭적 표면 플라즈몬 및 정대칭적 표면 플라즈몬을 여기시키는, 표면 플라즈몬 스위칭 장치.
  11. 제10항에 있어서
    상기 간섭 발생부는 슬릿 또는 개구 형상으로 이루어지는, 표면 플라즈몬 스위칭 장치.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서
    상기 빛 조사부는 상기 제1 방향의 제1 빛과 상기 제2 방향의 제2 빛의 위상 차이가 2nπ(n은 정수)만큼 차이나는, 제1 빛과 제2 빛을 상기 간섭 발생부로 조사하여 상기 반대칭적 표면 플라즈몬을 여기시키는, 표면 플라즈몬 스위칭 장치.
  13. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 빛 조사부는 상기 제1 방향의 제1 빛과 상기 제2 방향의 제2 빛의 위상 차이가 (2n+1)π(n은 정수)만큼 차이나는, 제1 빛과 제2 빛을 상기 간섭 발생부로 조사하여 상기 정대칭적 표면 플라즈몬을 여기시키는, 표면 플라즈몬 스위칭 장치.
  14. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 간섭 발생부에서 발생되는 반대칭적 표면 플라즈몬 여기에 따른 제1 결합 계수와 상기 정대칭적 플라즈몬 여기에 따른 제2 결합 계수의 관계가 다음의 조건을 만족하는, 표면 플라즈몬 스위칭 장치.
    Figure 112013001198018-pat00007

    여기서, Ca는 제1 결합 계수를 나타내고, Cs는 제2 결합 계수를 나타냄.
  15. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 제1 빛과 제2 빛은 평행 편광(p-polarized light)을 가진 빛인, 표면 플라즈몬 스위칭 장치.















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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20150090627A (ko) * 2014-01-29 2015-08-06 서울대학교산학협력단 표면 플라즈몬 파장 분할 장치 및 그 방법
KR20160094829A (ko) * 2015-02-02 2016-08-10 서울대학교산학협력단 표면 플라즈몬 초점 조절 장치 및 그 제작 방법
CN107645063A (zh) * 2017-07-28 2018-01-30 东南大学 基于人工表面等离激元微腔的反对称模式有效激励装置
KR20190019396A (ko) * 2017-08-17 2019-02-27 한국과학기술원 메타 표면과 플라즈몬 광 검출기가 집적화된 초 박막 원형 편광 분석기

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20090103299A (ko) * 2008-03-28 2009-10-01 한국과학기술연구원 공진형 광도파로를 이용한 광소자 및 그 작동 방법
KR20100106082A (ko) * 2009-03-23 2010-10-01 주식회사 엑스엘 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 센서
KR20110085025A (ko) * 2010-01-19 2011-07-27 성균관대학교산학협력단 표면 플라즈몬 폴라리톤 도파로 나노 집광소자 및 이를 이용한 나노 플라즈몬 집적회로 모듈
KR20120076908A (ko) * 2010-12-30 2012-07-10 한국식품연구원 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20090103299A (ko) * 2008-03-28 2009-10-01 한국과학기술연구원 공진형 광도파로를 이용한 광소자 및 그 작동 방법
KR20100106082A (ko) * 2009-03-23 2010-10-01 주식회사 엑스엘 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 센서
KR20110085025A (ko) * 2010-01-19 2011-07-27 성균관대학교산학협력단 표면 플라즈몬 폴라리톤 도파로 나노 집광소자 및 이를 이용한 나노 플라즈몬 집적회로 모듈
KR20120076908A (ko) * 2010-12-30 2012-07-10 한국식품연구원 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20150090627A (ko) * 2014-01-29 2015-08-06 서울대학교산학협력단 표면 플라즈몬 파장 분할 장치 및 그 방법
KR101593198B1 (ko) 2014-01-29 2016-02-11 서울대학교 산학협력단 표면 플라즈몬 파장 분할 장치 및 그 방법
KR20160094829A (ko) * 2015-02-02 2016-08-10 서울대학교산학협력단 표면 플라즈몬 초점 조절 장치 및 그 제작 방법
KR101662286B1 (ko) 2015-02-02 2016-10-04 서울대학교산학협력단 표면 플라즈몬 초점 조절 장치 및 그 제작 방법
CN107645063A (zh) * 2017-07-28 2018-01-30 东南大学 基于人工表面等离激元微腔的反对称模式有效激励装置
CN107645063B (zh) * 2017-07-28 2020-05-05 东南大学 基于人工表面等离激元微腔的反对称模式有效激励装置
KR20190019396A (ko) * 2017-08-17 2019-02-27 한국과학기술원 메타 표면과 플라즈몬 광 검출기가 집적화된 초 박막 원형 편광 분석기
KR101998471B1 (ko) * 2017-08-17 2019-07-09 한국과학기술원 메타 표면과 플라즈몬 광 검출기가 집적화된 초 박막 원형 편광 분석기

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