KR101577004B1 - Diachroic filter using metallic step-aperture and method using the filter - Google Patents

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Abstract

개구가 형성되어 있는 1단 및 2단을 포함하는 계단형 구조로 이루어지는 개구부를 포함하는 금속 박막을 포함하는 필터를 통하여, 특정 파장의 입사광을 최대 혹은 최소 세기로 투과시킨다. 개구부의 1단에 형성된 개구의 입력단에서, 계단형 구조 내부에서 반사 및 공진에 의해 형성되는 정상파의 배 혹은 마디의 위치를 일치시키면서, 금속 박막의 표면에 여기되는 표면 플라즈몬과 입사광의 편광을 이용하여 이색성 필터링을 한다. The incident light of a specific wavelength is transmitted through the filter including the metal thin film including the openings formed in the stepwise structure including the openings formed at the first and second stages at the maximum or minimum intensity. By using the surface plasmon excited on the surface of the metal thin film and the polarization of incident light while matching the positions of the nodes or nodes of standing waves formed by reflection and resonance inside the stepped structure at the input end of the opening formed at one end of the opening Dichroic filtering is performed.

Description

금속 개구를 이용한 이색성 필터 및 이를 이용한 필터링 방법{Diachroic filter using metallic step-aperture and method using the filter}[0001] The present invention relates to a dichroic filter using a metal aperture and a filtering method using the same.

본 발명은 금속 개구를 이용한 이색성 필터 및 이를 이용한 필터링 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a dichroic filter using a metal opening and a filtering method using the same.

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. A surface plasmon (SP) is a collective charge density oscillation phenomenon that occurs when a light resonates with free electrons existing on a metal surface at a metal and dielectric interface. Surface plasmon is a type of surface electromagnetic wave that travels along the interface between metal and dielectric.

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. 따라서 입사하는 빛은 표면 플라즈몬의 형태로 한계파장보다 좁은 슬릿 또는 개구를 투과할 수 있다.One way to excite a surface plasmon on a metal surface is to use a slit or aperture engraved on the metal surface. When light is irradiated on one side of the metal surface, the slits or openings engraved on the metal surface will produce various wavevector components, some of which conform to the wavefront vector of the surface plasmon mode traveling along the metal surface And excited by surface plasmons. Therefore, the incident light can transmit through the slit or aperture narrower than the threshold wavelength in the form of surface plasmon.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 금속 개구의 구조적 변화없이, 입사하는 소정 파장의 빛의 편광 방향을 변화시켜 특정 파장의 빛만을 투과시키는 이색성 필터를 제공하는 것이다. A problem to be solved by the present invention is to provide a dichroic filter that transmits only a specific wavelength of light by changing the polarization direction of light of a predetermined wavelength without incidence of structural change of the metal opening.

또한 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이러한 필터를 이용한 필터링 방법을 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide a filtering method using such a filter.

위의 기술적 과제를 위한, 본 발명의 특징에 따른 필터는 개구가 형성되어 있는 1단 및 2단을 포함하는 계단형 구조로 이루어지는 개구부를 포함하는 금속 박막을 포함하고, 상기 개구부의 2단의 제1 방향의 너비와 2단의 제2 방향의 너비가 서로 다르며, 상기 개구의 입력단에서 정상파의 배(antinode) 또는 마디(node)가 형성되면서 상기 금속 박막의 표면에 여기되는 표면 플라즈몬에 따라 상기 개구를 통과하는 입사광의 투과 세기가 달라진다. According to an aspect of the present invention, there is provided a filter according to the present invention, including a metal thin film including an opening formed in a stepped structure including a first opening and a second opening in which an opening is formed, Wherein a width of the first direction is different from a width of the second direction of the second stage and an antinode or node of a standing wave is formed at an input end of the opening, The transmission intensity of the incident light passing through the light-receiving surface is changed.

상기 제1 방향의 너비(W1)와 상기 여기되는 표면 플라즈몬 파장(λsp)은 제1 조건

Figure 112014004758799-pat00001
를 만족할 수 있으며, 여기서, n은 정수를 나타낸다. 상기 1단에 형성된 개구의 입력단과 상기 2단의 내부에서 형성되는 상기 정상파의 배 위치가 일치되며, 상기 입사광의 투과 세기가 최대가 될 수 있다.The width (W1) in the first direction and the excited surface plasmon wavelength (λsp)
Figure 112014004758799-pat00001
, Where n represents an integer. The input end of the opening formed in the first end and the folded position of the standing wave formed inside the two ends coincide with each other and the intensity of the incident light can be maximized.

또한 상기 제2 방향의 너비(W2)와 상기 여기되는 표면 플라즈몬 파장(λsp)은 제2 조건

Figure 112014004758799-pat00002
를 만족할 수 있으며, 여기서, n은 정수를 나타낸다. 상기 1단에 형성된 개구의 입력단과 상기 2단의 내부에서 형성되는 상기 정상파의 마디 위치가 일치되며, 상기 입사광의 투과 세기가 최소가 될 수 있다. In addition, the width W2 in the second direction and the excited surface plasmon wavelength?
Figure 112014004758799-pat00002
, Where n represents an integer. The input end of the opening formed in the first end and the node position of the standing wave formed in the second end coincide with each other and the intensity of the incident light can be minimized.

한편 위와 같은 조건들을 만족하는 상태에서, 입사광에 대한 제1 편광 방향에서, 상기 제1 방향의 너비(W1)가 상기 제1 조건을 만족하고, 상기 제2 방향의 너비(W2)가 상기 제2 조건을 만족하여, 제1 파장의 입사광이 최대로 투과되고 제2 파장의 입사광이 최소로 투과될 수 있다. 또한 입사광에 대한 제2 편광 방향에서, 상기 제2 방향의 너비(W2)가 상기 제1 조건을 만족하고, 상기 제1 방향의 너비(W1)가 상기 제2 조건을 만족하여, 제2 파장의 입사광이 최대로 투과되고 제1 파장의 입사광이 최소로 투과될 수 있다. 제1 편광 방향과 제2 편광 방향은 서로 수직일 수 있다. The width W1 in the first direction satisfies the first condition and the width W2 in the second direction is larger than the width W2 of the second direction in the first polarization direction with respect to the incident light, The incident light of the first wavelength can be transmitted at the maximum and the incident light of the second wavelength can be transmitted at the minimum. The width W2 in the second direction satisfies the first condition in the second polarization direction with respect to the incident light and the width W1 in the first direction satisfies the second condition, The incident light can be transmitted at the maximum and the incident light of the first wavelength can be transmitted at the minimum. The first polarization direction and the second polarization direction may be perpendicular to each other.

한편, 상기 개구부에 상기 1단 및 2단 이외에 적어도 하나의 단이 추가적으로 형성될 수 있다. 상기 1단에 형성된 개구는 상기 2단의 중심축 상에 형성되어 있을 수 있다. At least one of the first and second ends may be additionally formed in the opening. The opening formed in the first end may be formed on the central axis of the two ends.

본 발명의 다른 특징에 따른 필터링 방법은, 개구가 형성되어 있는 1단 및 2단을 포함하는 계단형 구조로 이루어지는 개구부를 포함하는 금속 박막에, 제1 편광 방향에서 제1 파장의 입사광과 제2 파장의 입사광을 상기 개구부로 각각 입사시키는 단계; 상기 제1 편광 방향에서 상기 제1 파장의 입사광은 최대 투과 세기로 상기 개구를 투과하고, 상기 제2 파장의 입사광은 최소 투과 세기로 상기 개구를 투과하는 단계; 상기 제1 편광 방향과 수직한 제2 편광 방향에서 상기 제1 파장의 입사광과 제2 파장의 입사광을 상기 개구부로 각각 입사시키는 단계; 및 상기 제2 편광 방향에서 상기 제1 파장의 입사광은 최소 투과 세기로 상기 개구를 투과하고, 상기 제2 파장의 입사광은 최대 투과 세기로 상기 개구를 투과하는 단계를 포함한다. According to another aspect of the present invention, there is provided a filtering method comprising the steps of: forming a metal thin film including an opening formed in a stepped structure including first and second ends in which openings are formed, Incident on each of the openings; Wherein the incident light of the first wavelength in the first polarization direction is transmitted through the aperture with a maximum transmittance intensity and the incident light of the second wavelength is transmitted through the aperture with a minimum transmittance intensity; Entering incident light of the first wavelength and incident light of the second wavelength into the opening in a second polarization direction perpendicular to the first polarization direction; And the incident light of the first wavelength in the second polarization direction transmits through the aperture with a minimum transmittance intensity and the incident light of the second wavelength transmits through the aperture with a maximum transmittance intensity.

상기 개구부의 2단의 제1 방향의 너비와 2단의 제2 방향의 너비가 서로 다르며, 상기 개구의 입력단에서 정상파의 배(antinode) 또는 마디(node)가 형성되면서 상기 금속 박막의 표면에 여기되는 표면 플라즈몬에 따라 상기 개구를 통과하는 입사광의 투과 세기가 달라질 수 있다. The width of the opening in the first direction and the width in the second direction of the second opening are different from each other and an antinode or a node of a standing wave is formed at the input end of the opening, The transmission intensity of the incident light passing through the opening can be changed according to the surface plasmon.

상기 제2 파장의 입사광은 최소 투과세기로 상기 개구를 투과하는 단계에서, 상기 제1 방향의 너비(W1)와 상기 여기되는 표면 플라즈몬 파장(λsp)은 최대 투과 조건(

Figure 112014004758799-pat00003
)을 만족하고, 상기 제2 방향의 너비(W2)와 상기 여기되는 표면 플라즈몬 파장(λsp)은 최소 투과 조건(
Figure 112014004758799-pat00004
)을 만족할 수 있다. The width W 1 in the first direction and the excited surface plasmon wavelength λ sp are the same as the maximum penetration condition
Figure 112014004758799-pat00003
, And the width W2 in the second direction and the excited surface plasmon wavelength? Sp satisfy the minimum transmission condition (
Figure 112014004758799-pat00004
) Can be satisfied.

이 경우, 상기 제2 파장의 입사광은 최대 투과 세기로 상기 개구를 투과하는 단계에서, 상기 제1 방향의 너비(W1)는 제2 방향의 너비로 기능하면서 상기 최소 투과 조건을 만족하고, 상기 제2 방향의 너비(W1)는 제1 방향의 너비로 기능하면서 상기 최대 투과 조건을 만족할 수 있다. In this case, in the step of transmitting the incident light of the second wavelength at the maximum transmission intensity, the width W1 in the first direction functions as the width of the second direction and satisfies the minimum transmission condition, The width W1 in the two directions functions as the width in the first direction and can satisfy the maximum transmission condition.

또한 상기 입사광에 대한 편광 방향을 상기 제1 편광 방향 또는 제2 편광 방향으로 조절하면서, 상기 개구부를 투과하는 입사광의 투과 세기를 조절할 수 있다. Also, the intensity of incident light passing through the opening can be adjusted while adjusting the polarization direction of the incident light to the first polarization direction or the second polarization direction.

본 발명의 실시예에 따르면, 금속 개구의 구조적 변화없이, 입사하는 두 파장의 빛의 편광 방향을 변화시킴으로써 특정 파장에 대해서만 표면 플라즈몬 형태로 금속 개구를 통과시키고 결과적으로 그 파장의 빛만 투과시킬 수 있다. According to the embodiment of the present invention, by changing the polarization direction of light of two incident wavelengths without changing the structure of the metal aperture, it is possible to pass the metal aperture in the form of surface plasmon only for a specific wavelength, .

또한 금속 개구의 구조를 변경하지 않더라도 계단의 너비와 두 빛의 파장과의 관계를 이용하여 금속 개구의 입력단에서 정상파의 배 혹은 마디 위치를 조절할 수 있으며, 입사광의 편광을 이용함으로써 그에 의한 투과 파장의 선택도 가능하다. Even if the structure of the metal opening is not changed, the position of the standing wave or the node position can be adjusted at the input end of the metal aperture by using the relationship between the width of the staircase and the wavelength of the two lights. By using the polarization of the incident light, You can also choose.

또한 금속 개구에 형성되는 계단의 개수를 추가하여 2단에서 형성되는 정상파의 세기도 조절할 수 있고 그에 따라 투과광의 세기도 증가시킬 수 있다.In addition, the number of steps formed in the metal opening can be added to adjust the intensity of the standing wave formed in the two stages, thereby increasing the intensity of transmitted light.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 이색성 필터의 구조를 나타낸 도이다.
도 2는 도 1에서 내부 반사 및 공진에 의해 개구의 입력단에서 정상파의 배가 형성되는 조건을 나타낸 도이며, 도 3은 도 1에서 내부반사 및 공진에 의해 개구의 입력단에서 정상파의 마디가 형성되는 조건을 나타낸 도이다.
도 4는 도 2와 도 3의 경우에서 형성되는 각각의 정상파의 양상에 따른 전기장 분포를 나타낸 도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에서, 편광을 조절하여 서로 다른 파장을 가지는 두 개의 입사광 중에서 하나의 입사광만 선택적으로 투과시키는 것을 나타내는 도이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 계단 개수가 증가된 개구부를 가지는 필터의 구조를 나타낸 예시도이다. 1 is a diagram illustrating a structure of a dichroic filter according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a view showing a condition in which a doubling of a standing wave is formed at an input end of an opening by internal reflection and resonance in FIG. 1, FIG. 3 is a view showing a condition under which a node of a standing wave is formed at an input end of the opening by internal reflection and resonance in FIG. Fig.
FIG. 4 is a diagram showing an electric field distribution according to aspects of respective standing waves formed in the case of FIGS. 2 and 3. FIG.
FIG. 5 is a diagram illustrating the selective transmission of only one incident light among two incident light beams having different wavelengths by controlling polarization according to an embodiment of the present invention. FIG.
FIG. 6 is a view illustrating a structure of a filter having openings with an increased number of steps according to an embodiment of the present invention.

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.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. In order to clearly illustrate the present invention, parts not related to the description are omitted, and similar parts are denoted by like reference characters throughout the specification.

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. Throughout the specification, when an element is referred to as "comprising ", it means that it can include other elements as well, without excluding other elements unless specifically stated otherwise.

이하에서는, 본 발명의 실시 예에 따른 이색성 필터에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a dichroic filter according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 이색성 필터의 구조를 나타낸 도이다. 1 is a diagram illustrating a structure of a dichroic filter according to an embodiment of the present invention.

첨부한 도 1에서와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 이색성 필터(1)는 표면에 개구부(11)가 형성되어 있는 금속 박막(10)을 포함한다. 1, a dichroic filter 1 according to an embodiment of the present invention includes a metal thin film 10 having openings 11 formed on its surface.

금속 박막(10)은 설정 두께로 이루어진 금속층으로, 설정된 너비(W1, W2)를 가지는 개구부(11)가 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 있다. The metal thin film 10 is a metal layer having a predetermined thickness and an opening 11 having a predetermined width W1 and W2 is formed. The metal thin film 10 may be made of a metal containing free electrons such as gold, silver, copper, aluminum and the like and having a negative dielectric constant.

도 2 및 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 이색성 필터의 단면도이다. 2 and 3 are cross-sectional views of a dichroic filter according to an embodiment of the present invention.

이색성 필터(1)의 금속 박막(10)의 개구부(11)는 도 2 및 도 3에서와 같이, 계단 형태로 형성된다. 즉, 개구부(11)는 설정된 너비를 가지는 사각형의 형태로 이루어지며, 단차부(111)를 가지는 계단형 구조로 이루어진다. 개구부(11)에 개구(112, 또는 슬릿(slit)이라고 명명될 수 있음)가 형성되어 있으며, 개구부(11)는 1단 및 2단의 최소 계단 개수를 가지는 계단형 구조를 형성한다. 개구부(11)는 계단형 개구(step-aperture)라고 명명될 수 있다. The opening 11 of the metal thin film 10 of the dichroic filter 1 is formed in a stepped shape as shown in Figs. That is, the opening 11 is formed in a rectangular shape having a predetermined width and has a stepped structure having a stepped portion 111. The opening 11 is formed with an opening 112 (or may be called a slit), and the opening 11 forms a step-like structure having a minimum number of steps in the first and second stages. The opening 11 may be called a step-aperture.

이러한 금속 박막(10)으로 빛이 조사되면, 입사하는 빛은 표면 플라즈몬의 형태로 한계 파장보다 좁은 개구 또는 슬릿(112)을 투과할 수 있다. 이때 여기되는 표면 플라즈몬의 파장(λsp)는 입사광의 파장(λ0), 금속 박막의 유전율(εm), 유전체의 유전율(εd)을 이용하여 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다. When light is irradiated onto the metal thin film 10, the incident light can pass through the aperture or slit 112 narrower than the threshold wavelength in the form of surface plasmon. The wavelength? Sp of the surface plasmon excited at this time can be expressed by Equation 1 using the wavelength? 0 of the incident light, the dielectric constant? M of the metal thin film, and the dielectric constant? D of the dielectric.

Figure 112014004758799-pat00005
Figure 112014004758799-pat00005

이러한 계단형 개구를 포함하는 금속 박막으로 이루어진 필터에서, 투과되는 빛 즉, 투과광의 세기가 최대 및 최소가 될 수 있도록 할 수 있다.In a filter made of a metal thin film including such a stepwise opening, the intensity of transmitted light, that is, transmitted light, can be maximized and minimized.

특히, 도 2에 도 1의 구조에서 내부 반사 및 공진에 의해 개구의 입력단에서 정상파의 배가 형성되는 조건이 도시되어 있으며, 도 3에 도 1의 구조에서 내부반사 및 공진에 의해 개구의 입력단에서 정상파의 마디가 형성되는 조건이 도시되어 있다. In particular, FIG. 2 shows a condition in which a doubling of a standing wave is formed at the input end of the opening by internal reflection and resonance in the structure of FIG. 1, and FIG. 3 shows the condition of FIG. A condition in which a node of " a "

도 2에서, 빛이 입사하는 방향과 반대 방향으로 개구부(11)의 계단 즉, 단에 번호를 부여하면, 예를 들어, 개구(112)가 형성되어 있는 단을 1단이라고 하고, 개구부(11)로 빛이 입사되는 직전의 단을 2단이라고 하면, 투과광의 세기가 최대가 되도록 하기 위하여, x 방향의 2단 너비(W1)와 입사되는 빛 즉, 입사광에 의해 여기된 표면 플라즈몬 파장이 다음의 수학식 2를 만족할 수 있다. 2, when the step or the end of the opening 11 is numbered in a direction opposite to the direction in which the light is incident, for example, the end where the opening 112 is formed is referred to as a first end, , The two-stage width W1 in the x direction and the incident light, that is, the wavelength of the surface plasmon excited by the incident light, are set to be the next The following expression (2) can be satisfied.

Figure 112014004758799-pat00006
Figure 112014004758799-pat00006

여기서, n은 정수이다. Here, n is an integer.

입사광의 편광 즉 전기장 방향과 수평인 자기장 방향을 고려하여, x 방향의 2단 너비(W1)가 금속 표면에서 여기되는 표면 플라즈몬의 파장의 2n(n은 정수) 배일 때, 개구부(11)의 2단의 중심축 상에 위치한 개구(112)는 정상파의 배와 일치하게 되어 투과광의 세기는 최대가 된다. 즉, 개구부(11)의 2단에서 내부 반사 및 공명이 복합적으로 발생하여 개구(112)의 입력단에서 배(antinode)가 형성되는 정상파가 생기고, 이에 의해 표면 플라즈몬의 여기가 강해져서 투과 세기는 최대가 된다. When the two-dimensional width W1 in the x direction is 2n (n is an integer) times the wavelength of the surface plasmon excited at the metal surface, the polarization direction of the incident light, that is, the direction of the magnetic field horizontal to the electric field direction, The aperture 112 located on the center axis of the stage coincides with the abrupt ray of the standing wave, so that the intensity of the transmitted light is maximized. That is, internal reflection and resonance are generated at two ends of the opening 11, and a standing wave is generated at the input end of the opening 112 to form an antinode. As a result, excitation of the surface plasmon becomes strong, .

한편, 투과광의 세기가 최소가 되도록 하기 위하여, 도 3에서와 같이, y 방향의 2단 너비(W2)와 입사광에 의하여 여기된 표면 플라즈몬 파장이 다음의 수학식 3을 만족할 수 있다. Meanwhile, as shown in FIG. 3, the two-stage width W2 in the y direction and the wavelength of the surface plasmon excited by the incident light may satisfy Equation (3) to minimize the intensity of the transmitted light.

Figure 112014004758799-pat00007
Figure 112014004758799-pat00007

여기서 n은 정수이다. Where n is an integer.

개구부(11)의 y 방향의 2단 너비(W2)가 금속 표면에서 여기되는 표면 플라즈몬의 파장의 2n+1(n은 정수) 배일 때, 개구부(11)의 2단의 중심축 상에 위치한 개구(112)는 정상파의 마디(node)와 일치하게 되어 투과광의 세기는 최소가 된다. 즉, 2단 내부에서 개구(112)의 입력단에서 마디가 형성되는 정상파가 생겨서 표면 플라즈몬의 여기가 약해지고 따라서 투과 세기는 최소가 된다. When the two-dimensional width W2 of the opening 11 in the y direction is 2n + 1 (n is an integer) times the wavelength of the surface plasmon excited at the metal surface, the opening located on the central axis of the two stages of the opening 11 The intensity of transmitted light is minimized because the light source 112 coincides with a node of a standing wave. That is, in the second stage, a standing wave having a node is formed at the input end of the opening 112, so that the excitation of the surface plasmon is weakened, and thus the transmission intensity is minimized.

이와 같이 최대 세기 및 최소 세기를 가지는 정상파를 비교하면 도 4와 같다.The comparison of the standing wave having the maximum intensity and the minimum intensity is shown in FIG.

도 4는 도 2와 도 3의 경우에서 형성되는 각각의 정상파의 양상에 따른 전기장 분포를 나타낸 도이다. FIG. 4 is a diagram showing an electric field distribution according to aspects of respective standing waves formed in the case of FIGS. 2 and 3. FIG.

도 4에는 RCWA(Rigorous coupled wave analysis) 방법을 이용하여 개구의 입력단에서 계단형 구조의 내부 반사와 공명에 의해 정상파의 배와 마디가 각각 형성되는 전산모사 결과를 비교 도시하였다. 구체적으로는, 금속 박막이 금(Au)이고 입사파장이 1200nm 일 때, 개구부(11)의 1단의 개구 폭 즉, 개구(112)의 폭이 20nm이고, 1단의 두께가 150nm, 2단 두께가 150nm, 2단 너비(W1)를 각각 3257nm와 3946nm로 형성한 경우의 전기장 분포를 나타낸다. FIG. 4 is a graph showing the results of computational simulation in which a staircase structure and a node are formed by internal reflection and resonance of a step-like structure at the input of the aperture using a rigorous coupled wave analysis (RCWA) method. Specifically, when the metal thin film is gold (Au) and the incident wavelength is 1200 nm, the width of the opening of the first stage of the opening 11, that is, the width of the opening 112 is 20 nm, the thickness of the first stage is 150 nm, And an electric field distribution in the case where the thickness is 150 nm and the two-step width W1 is 3257 nm and 3946 nm, respectively.

도 4의 (A)는 개구부(11)의 2단 너비 W1가 최대 투과 조건에 따라 3257nm일 때 정상파의 z 방향의 전기장 분포를 나타내며, 도 4의 (B)는 개구부(11)의 2단 너비 W1가 최소 투과 조건에 3946nm 일 때, 정상파의 z 방향의 전기장 분포를 나타낸다. 4A shows the electric field distribution in the z direction of the standing wave when the width W1 of the two sides of the opening 11 is 3257 nm according to the maximum penetration condition and FIG. And W1 represents the electric field distribution in the z direction of the standing wave when the minimum transmission condition is 3946 nm.

본 발명의 실시 예에서는 서로 다른 두 개의 입사파장에 대하여 투과 세기가 각각 최대와 최소가 되는 공통의 조건을 만족하도록 계단형 금속 개구부를 형성하여, 입사광의 파장에 대해 이색성 필터링을 할 수 있다. In the embodiment of the present invention, the stepped metal opening is formed to satisfy the common condition that the transmission intensities are maximum and minimum for two different incident wavelengths, and dichroic filtering can be performed on the wavelength of the incident light.

한 파장에 대하여 입사광의 편광과 서로 수직인 금속 개구의 방향으로 표면 플라즈몬이 형성되므로, 입사광의 편광을 서로 수직인 가로와 세로 방향으로 변화시켜서, 투과 파장의 최대 세기와 최소 세기가 서로 변환될 수 있도록, 개구부의 2단의 가로 방향 너비와 세로 방향 너비를 계산할 수 있다.Since the surface plasmon is formed in the direction of the metal opening perpendicular to the polarization of the incident light with respect to one wavelength, the polarization of the incident light is changed in the transverse and longitudinal directions perpendicular to each other so that the maximum intensity and the minimum intensity of the transmission wavelength can be mutually converted The lateral width and the longitudinal width of the two openings can be calculated.

도 5는 본 발명의 실시 예에서, 편광을 조절하여 서로 다른 파장을 가지는 두 개의 입사광 중에서 하나의 입사광만 선택적으로 투과시키는 것을 나타내는 도이다. FIG. 5 is a diagram illustrating the selective transmission of only one incident light among two incident light beams having different wavelengths by controlling polarization according to an embodiment of the present invention. FIG.

첨부한 도 5에서와 같이, 필터(1)를 통하여 서로 다른 파장 즉, λ1, λ2를 가지는 입사광들이 선택적으로 투과될 수 있도록, 입사광에 대한 편광 방향을 조절한다. 즉, 도 5의 (A)에서와 같이, λ1의 입사광을 투과시키고자 하는 경우에는 편광 (전기장) 방향을 제1 방향 "x축" 방향으로 하고, 도 5의 (B)와 같이, λ2의 입사광을 투과시키고자 하는 경우에는 편광 (전기장) 방향을 제2 방향 "y축" 방향으로 조절한다. As shown in FIG. 5, the polarization direction of the incident light is adjusted so that incident light having different wavelengths, i.e.,? 1 and? 2, can be selectively transmitted through the filter 1. 5 (A), when the incident light of? 1 is to be transmitted, the direction of polarization (electric field) is set to the first direction "x-axis" The direction of polarization (electric field) is adjusted in the second direction "y axis" direction.

그리고, 편광이 제1 방향으로 조절된 도 5의 (A)에서, λ1의 입사광이 최대 투과 조건으로 투과되고 λ2의 입사광이 최소 투과 조건으로 투과되도록 하고, 편광이 제2 방향으로 조절된 도 5의 (B)에서, λ2의 입사광이 최대 투과 조건으로 투과되고 λ1의 입사광이 최소 투과 조건으로 투과되도록, 개구부(11)의 2단의 x 방향 너비 및 2단의 y 방향 너비를 설정한다. In FIG. 5A where the polarized light is adjusted in the first direction, the incident light of? 1 is transmitted under the maximum transmission condition, the incident light of? 2 is transmitted through the minimum transmission condition, The widths of the two openings 11 in the x direction and the width of the y direction in the two stages are set so that the incident light of? 2 is transmitted under the maximum transmission condition and the incident light of? 1 is transmitted under the minimum transmission condition.

즉, 개구부(11)의 2단의 x 방향 너비는 제1 파장 λ1의 최대 투과 조건과 제2 파장 λ2의 최소 투과 조건을 만족하도록 설정되고, 개구부(11)의 2단의 y 방향 너비는 제1 파장 λ1의 최소 투과 조건과 제2 파장 λ2의 최대 투과 조건을 만족하도록 설정된다. That is, the width in the x-direction of the two ends of the opening 11 is set to satisfy the maximum transmission condition of the first wavelength? 1 and the minimum transmission condition of the second wavelength? 2, Is set so as to satisfy the minimum transmission condition of the first wavelength? 1 and the maximum transmission condition of the second wavelength? 2.

개구부(11)의 2단의 x 방향 너비가 위의 수학식 2(최대 투과 조건) 및 수학식 3에 따른 조건(최소 투과 조건)을 만족하도록 설정되고, y 방향 너비가 위의 수학식 2(최대 투과 조건) 및 수학식 3에 따른 조건(최소 투과 조건)을 만족하도록 설정될 수 있다. 편광 방향의 변화에 따라 제1 방향에서의 x 방향의 너비가, 제2 방향에서는 y 방향의 너비로 기능하고, 제2 방향에서의 y 방향의 너비가, 제2 방향에서는 x 방향의 너비로 기능하기 때문에, 위와 같이, 투과 조건을 만족하도록 개구부의 2단의 너비들을 설정할 수 있다. 만약 두 개의 입사광 파장이 각각 λ1=532nm, λ2=660nm 일 때, 개구부(11)에서 형성되는 표면 플라즈몬의 파장은 각각 λ1sp = 505.4nm, λ2sp = 641.2nm 이다. x 방향의 너비가 약 1973nm 일 때 (2×2) ×λ1sp = 2021.6nm, (2×1 + 1)×λ2 = 1923.6nm 조건을 만족하므로, 입사광의 편광이 제 1방향일 때 λ1은 투과할 수 있고 λ2는 투과하지 못한다. y 방향의 너비가 약 2546nm 일 때 (2×2 + 1) ×λ1 = 2527nm, (2×2) ×λ2 = 2565nm 조건을 만족하므로, 입사광의 편광이 제2 방향일 때 λ1은 투과하지 못하고 λ2는 투과할 수 있게 된다.The width in the x-direction of the two ends of the opening 11 is set so as to satisfy the above-described Equation 2 (maximum transmission condition) and the condition according to Equation 3 (minimum transmission condition), and the y- Maximum transmission condition) and condition (minimum transmission condition) according to Equation (3). The width in the x direction in the first direction functions as the width in the y direction in the second direction and the width in the y direction in the second direction functions as the width in the x direction in the second direction, Therefore, as described above, the widths of the two stages of the opening portion can be set so as to satisfy the transmission condition. If the two incident light wavelengths are respectively lambda 1 = 532 nm and lambda 2 = 660 nm, the wavelengths of surface plasmons formed in the opening 11 are lambda 1sp = 505.4 nm and lambda 2sp = 641.2 nm, respectively. (2 x 2) x lambda 1sp = 2021.6 nm and (2 x l + l) x lambda 2 = 1923.6 nm when the width in the x direction is about 1973 nm. Therefore, when the polarization of the incident light is in the first direction, Lambda 2 can not be transmitted. (2 x 2 + 1) x lambda 1 = 2527 nm and (2 x 2) x lambda 2 = 2565 nm when the width in the y direction is about 2546 nm and therefore the lambda 1 can not be transmitted when the polarization of the incident light is in the second direction, Can be transmitted.

이때, 입사광의 편광 방향이 개구부(11)와 수직인 제1 방향 및 제2 방향(여기서 제1 방향과 제2 방향은 서로 수직임) 중에서, 제1 방향(예를 들어, 가로 방향)으로 조절되는 경우, λ1의 입사광에 대해서는 개구(112)에서 정상파의 배가 형성되고 λ2의 입사광에 대해서는 개구(112)에서 정상파의 마디가 형성되어, λ1의 입사광이 최대 세기로 투과되고 λ2의 입사광이 최소 세기로 투과된다. At this time, the polarization direction of the incident light is adjusted in the first direction (for example, the horizontal direction) in the first direction and the second direction in which the first direction and the second direction are perpendicular to each other, The incident light of? 1 is incident at the maximum intensity and the incident light of? 2 is incident at the minimum intensity of the incident light of? .

또한 입사광의 편광 방향이 제2 방향(예를 들어, 세로 방향)으로 조절되는 경우, λ2의 입사광에 대해서는 개구(112)에서 정상파의 배가 형성되고 λ1의 입사광에 대해서는 개구(112)에서 정상파의 마디가 형성되어, λ2의 입사광이 최대 세기로 투과되고 λ1의 입사광이 최소 세기로 투과된다.When the polarization direction of the incident light is adjusted in the second direction (e.g., the longitudinal direction), a doubling of the standing wave is formed in the opening 112 with respect to the incident light of? 2, So that the incident light of? 2 is transmitted at the maximum intensity and the incident light of? 1 is transmitted at the minimum intensity.

이와 같이, 개구부의 1단에 형성된 개구의 입력단에서, 계단형 구조 내부에서 반사 및 공진에 의해 형성되는 정상파의 배 혹은 마디의 위치를 일치시키면서, 금속 박막의 표면에 여기되는 표면 플라즈몬과 입사광의 편광을 이용하여 이색성 필터링을 할 수 있다. 즉, 서로 다른 두 개의 파장에 대하여 투과 세기가 각각 최대와 최소가 되는 공통의 조건을 만족하도록 계단형 금속 개구부를 가지도록 필터를 설계하여, 입사광의 편광 방향을 조절하면서 입사광의 파장에 대해 이색성 필터링을 할 수 있다.As described above, the surface plasmons excited on the surface of the metal thin film and the polarization of the incident light, while matching the position of the standing wave or the node of the stationary wave formed by the reflection and the resonance inside the step structure at the input end of the opening formed at the first end of the opening, Can be used to perform dichroic filtering. That is, a filter is designed so as to have a stepped metal opening so as to satisfy the common condition that the transmission intensities are maximum and minimum, respectively, for two different wavelengths. By adjusting the polarization direction of the incident light, Filtering can be performed.

여기서, 계단형 개구부의 투과 혹은 차단 효율을 높이기 위하여, 각 단의 너비값을 30% 이내에서 최적화할 수 있다. 즉, 두 개의 입사광으로부터 각각 구할 수 있는 투과시킬 λ1과 차단시킬 λ2에 대한 각각의 너비값이 서로 정확하게 일치하지 않으므로 30% 이내에서, 더 바람직하게는 10% 이내에서 공통되는 하나의 너비값으로 최적화할 수 있다. 가령 앞서 설명한 λ1 = 532nm, λ2 = 660nm 에 대해 계산된 x방향 너비값은 각각 2021.6nm, 1923.6nm 인데, 두 파장에 대한 투과와 차단을 동시에 할 수 있는 공통의 너비값은 대략 1973nm로 정할 수 있다.Here, in order to increase the transmission or blocking efficiency of the stepwise opening, the width of each step can be optimized within 30%. That is, since the widths of the transmitted light lambda 1 and the light blocking lambda 2, which can be respectively obtained from the two incident light beams, do not exactly coincide with each other, they are optimally optimized within a range of 30%, more preferably within 10% can do. For example, the x-direction width values calculated for λ1 = 532 nm and λ2 = 660 nm described above are 2021.6 nm and 1923.6 nm, respectively, and a common width value capable of simultaneously transmitting and blocking the two wavelengths can be set to about 1973 nm .

한편, 본 발명의 실시 예에 따른 계단형 개구부에 형성되는 계단의 개수는 위에 기술된 1단 및 2단인 2개에 한정되지 않는다. 계단형 개구부의 계단 개수는 제한 없이 추가될 수 있다. On the other hand, the number of steps formed in the step-like opening according to the embodiment of the present invention is not limited to the above-described two first and second stages. The number of steps of the stepped opening can be added without limitation.

도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 계단 개수가 증가된 개구부를 가지는 필터의 구조를 나타낸 예시도이다. FIG. 6 is a view illustrating a structure of a filter having openings with an increased number of steps according to an embodiment of the present invention.

첨부한 도 6에 예시된 바와 같이, 필터(1)의 개구부(11)에 형성되는 계단의 개수를 둘 이상으로 형성할 수 있다. 여기서는 계단 개수가 5개인 5단 형태의 계단형 개구부를 예시하였다. 6, the number of steps formed in the opening 11 of the filter 1 may be two or more. Here, a five-step stepped opening with five steps is illustrated.

각 단 내부에서 정상파를 형성시킨 후 그 형태를 유지하면서 다음 단으로 전달되도록 그 구조를 최적화시키면 개구에서의 투과광 세기는 더 증가시킬 수 있다. If the structure is optimized so that the standing wave is formed in each stage and then transmitted to the next stage while maintaining its shape, the intensity of transmitted light at the aperture can be further increased.

한편, 위에 기술된 본 발명의 실시 예에서, 1단에 형성되는 개구(112)는 반드시 2단의 중심축 상에 형성될 필요는 없다. 즉, 개구부(11)의 개구 및 각 단의 중심축이 반드시 일치할 필요는 없으며, 투과 세기의 최대 혹은 최소를 위하여 1단의 개구 입력단과 계단형 구조 내부에서 형성되는 정상파의 배 혹은 마디의 위치를 일치시킨다. On the other hand, in the embodiment of the present invention described above, the opening 112 formed in the first stage does not necessarily have to be formed on the center axis of the second stage. That is, the opening of the opening 11 and the center axis of each end do not necessarily coincide with each other. For the maximum or minimum of the transmission intensity, the opening input terminal and the position .

투과 파장이나 투과 세기 등을 고려하여 개구부(11)의 2단 내부에서 형성되는 정상파의 배 혹은 마디의 어느 부분에 있더라도 유사한 투과특성을 얻을 수 있으므로, 개구(112)는 개구부(11)의 1단의 임의 부분에 형성될 수 있다. The opening 112 can be formed in the vicinity of the first end of the opening 11 so that a similar transmission characteristic can be obtained regardless of the portion of the standing wave or the node of the standing wave formed inside the two stages of the opening 11 in consideration of the transmission wavelength, As shown in FIG.

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.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, It belongs to the scope of right.

Claims (13)

1단 및 2단을 포함하는 계단형 구조로 이루어지는 개구부를 포함하는 금속 박막을 포함하되, 상기 1단에 개구가 형성되고,
상기 개구부의 2단의 제1 방향의 너비와 2단의 제2 방향의 너비가 서로 다르며, 상기 개구의 입력단에서 정상파의 배(antinode) 또는 마디(node)가 형성되면서 상기 금속 박막의 표면에 여기되는 표면 플라즈몬에 따라 상기 개구를 통과하는 입사광의 투과 세기가 달라지는, 필터.A metal thin film including an opening formed in a stepped structure including a first end and a second end, wherein an opening is formed in the first end,
The width of the opening in the first direction and the width in the second direction of the second opening are different from each other and an antinode or a node of a standing wave is formed at the input end of the opening, The intensity of incident light passing through the aperture varies depending on the surface plasmon. 제1항에 있어서
상기 제1 방향의 너비(W1)와 상기 여기되는 표면 플라즈몬 파장(λsp)은 다음의 제1 조건을 만족하는 필터.
Figure 112014004758799-pat00008

여기서, n은 정수임The method of claim 1, wherein
The width W1 in the first direction and the excited surface plasmon wavelength? Sp satisfy the following first condition.
Figure 112014004758799-pat00008

Here, n is an integer 제2항에 있어서,
상기 입사광이 상기 개구부의 상기 2단에서 상기 1단으로 향하는 방향으로 입사될 때, 상기 1단에 형성된 개구의 입력단과 상기 2단의 내부에서 형성되는 상기 정상파의 배 위치가 일치되면, 상기 개구를 투과하는 입사광의 투과 세기가 최대가 되는, 필터.3. The method of claim 2,
When the input end of the opening formed in the first stage coincides with the folded position of the standing wave formed inside the two stages when the incident light is incident in the direction from the second stage to the first stage of the opening, Wherein a transmission intensity of the incident light is maximized. 제2항에 있어서
상기 제2 방향의 너비(W2)와 상기 여기되는 표면 플라즈몬 파장(λsp)은 다음의 제2 조건을 만족하는 필터.
Figure 112014004758799-pat00009

여기서, n은 정수임The method according to claim 2, wherein
The width W2 in the second direction and the excited surface plasmon wavelength? Sp satisfy the following second condition.
Figure 112014004758799-pat00009

Here, n is an integer 제4항에 있어서
상기 입사광이 상기 개구부의 상기 2단에서 상기 1단으로 향하는 방향으로 입사될 때, 상기 1단에 형성된 개구의 입력단과 상기 2단의 내부에서 형성되는 상기 정상파의 마디 위치가 일치되면, 상기 개구를 투과하는 입사광의 투과 세기가 최소가 되는, 필터.The method of claim 4, wherein
When the input end of the opening formed in the first stage coincides with the node position of the stationary wave formed inside the two stages when the incident light is incident in the direction from the second stage to the first stage of the opening, Wherein a transmission intensity of the incident light is minimized. 제4항 또는 제5항에 있어서
입사광에 대한 제1 편광 방향에서, 상기 제1 방향의 너비(W1)가 상기 제1 조건을 만족하고, 상기 제2 방향의 너비(W2)가 상기 제2 조건을 만족하여, 제1 파장의 입사광이 최대로 투과되고 제2 파장의 입사광이 최소로 투과되며,
입사광에 대한 제2 편광 방향에서, 상기 제2 방향의 너비(W2)가 상기 제1 조건을 만족하고, 상기 제1 방향의 너비(W1)가 상기 제2 조건을 만족하여, 제2 파장의 입사광이 최대로 투과되고 제1 파장의 입사광이 최소로 투과되는, 필터.The method according to claim 4 or 5, wherein
The width W1 in the first direction satisfies the first condition and the width W2 in the second direction satisfies the second condition in the first polarization direction with respect to the incident light so that the incident light of the first wavelength The incident light of the second wavelength is transmitted at the minimum,
The width W2 in the second direction satisfies the first condition in the second polarization direction with respect to the incident light and the width W1 in the first direction satisfies the second condition and the incident light of the second wavelength And the incident light of the first wavelength is transmitted at the minimum. 제6항에 있어서,
상기 제1 편광 방향과 제2 편광 방향은 서로 수직인, 필터.The method according to claim 6,
Wherein the first polarization direction and the second polarization direction are perpendicular to each other. 제1항에 있어서,
상기 개구부는 상기 1단 및 2단 이외에 적어도 하나의 단이 추가적으로 형성되는, 필터.The method according to claim 1,
Wherein at least one of the openings is formed in addition to the first and second openings. 제1항에 있어서,
상기 1단에 형성된 개구는 상기 2단의 중심축 상에 형성되어 있는, 필터.The method according to claim 1,
And the opening formed in the first end is formed on the central axis of the two stages. 1단 및 2단을 포함하는 계단형 구조로 이루어지는 개구부를 포함하되, 상기 1단에 개구가 형성되어 있는 금속 박막에,
제1 편광 방향에서 제1 파장의 입사광과 제2 파장의 입사광을 상기 개구부의 상기 2단에서 상기 1단으로 향하는 방향으로 각각 입사시키는 단계;
상기 제1 편광 방향에서 상기 제1 파장의 입사광은 최대 투과 세기로 상기 개구를 투과하고, 상기 제2 파장의 입사광은 최소 투과 세기로 상기 개구를 투과하는 단계;
상기 제1 편광 방향과 수직한 제2 편광 방향에서 상기 제1 파장의 입사광과 제2 파장의 입사광을 상기 개구부의 상기 2단에서 상기 1단으로 향하는 방향으로 각각 입사시키는 단계; 및
상기 제2 편광 방향에서 상기 제1 파장의 입사광은 최소 투과 세기로 상기 개구를 투과하고, 상기 제2 파장의 입사광은 최대 투과 세기로 상기 개구를 투과하는 단계를 포함하는, 필터링 방법.A metal thin film including an opening formed in a stepped structure including a first end and a second end, wherein the opening is formed in the first end,
Entering the incident light of the first wavelength and the incident light of the second wavelength in the first polarization direction in the direction from the second end to the first end of the opening, respectively;
Wherein the incident light of the first wavelength in the first polarization direction is transmitted through the aperture with a maximum transmittance intensity and the incident light of the second wavelength is transmitted through the aperture with a minimum transmittance intensity;
Entering the incident light of the first wavelength and the incident light of the second wavelength in a direction from the second end to the first end of the opening in a second polarization direction perpendicular to the first polarization direction; And
Wherein the incident light of the first wavelength in the second polarization direction is transmitted through the aperture with a minimum transmittance intensity and the incident light of the second wavelength is transmitted through the aperture with a maximum transmittance intensity. 제10항에 있어서
상기 개구부의 2단의 제1 방향의 너비와 2단의 제2 방향의 너비가 서로 다르며, 상기 개구의 입력단에서 정상파의 배(antinode) 또는 마디(node)가 형성되면서 상기 금속 박막의 표면에 여기되는 표면 플라즈몬에 따라 상기 개구를 통과하는 입사광의 투과 세기가 달라지는, 필터링 방법.The method of claim 10, wherein
The width of the opening in the first direction and the width in the second direction of the second opening are different from each other and an antinode or a node of a standing wave is formed at the input end of the opening, Wherein the intensity of incident light passing through the aperture varies depending on the surface plasmon. 삭제delete 제11항에 있어서
상기 입사광에 대한 편광 방향을 상기 제1 편광 방향 또는 제2 편광 방향으로 조절하면서, 상기 개구부를 투과하는 입사광의 투과 세기를 조절하는 필터링 방법.















The method of claim 11, wherein
And adjusting the polarization direction of the incident light to the first polarization direction or the second polarization direction to adjust the transmission intensity of the incident light passing through the opening.















KR1020140005753A 2013-01-18 2014-01-16 Diachroic filter using metallic step-aperture and method using the filter KR101577004B1 (en)

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