KR101647046B1 - 표면 플라즈몬 폴라리톤 변조기 - Google Patents

표면 플라즈몬 폴라리톤 변조기 Download PDF

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Abstract

유전체 재료의 물성을 국소적으로 변화시켜 표면 플라즈몬 폴라리톤을 제어할 수 있는 표면 플라즈몬 폴라리톤 변조기가 개시된다. 예를 들어, 개시된 표면 플라즈몬 폴라리톤 변조기는 두 금속층 사이에 개재된 제 1 유전체층과 제 2 유전체층을 포함할 수 있으며, 제 2 유전체층은 전기장, 자기장, 열, 음파 또는 화학/생물학적 작용에 의해 굴절률이 변화하는 재료일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 개시된 표면 플라즈몬 폴라리톤 변조기는 전기 신호로 표면 플라즈몬의 진행 방향, 세기, 위상 등을 제어할 수 있다. 또한, 개시된 표면 플라즈몬 폴라리톤 변조기는 표면 플라즈몬 폴라리톤 멀티플렉서, 디멀티플렉서의 기능을 수행할 수도 있다.

Description

표면 플라즈몬 폴라리톤 변조기 {Surface plasmon polariton modulator}
개시된 발명은 표면 플라즈몬 폴라리톤 변조기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유전체 재료의 물성을 국소적으로 변화시켜 표면 플라즈몬 폴라리톤을 제어할 수 있는 표면 플라즈몬 폴라리톤 변조기에 관한 것이다.
금속막과 유전체막 사이의 경계면에서 발생하는 전하 밀도의 집합적인 진동(charge density oscillation)을 통상 표면 플라즈몬 폴라리톤(surface plasmon polariton) 또는 간단히 표면 플라즈몬이라고 부른다. 표면 플라즈몬은 빛의 속도에 가까운 빠른 전파속도를 가지며 적외성, 가시광선, 자외선에 이르기까지의 높은 주파수를 가지기 때문에 고속, 고대역폭 통신에 적합한 성질을 가진다.
일반적인 빛의 파장은 102~103 nm 정도로서, 고집적 전자회로에서 쓰이는 구성요소의 크기에 비해 매우 크다. 따라서, 빛을 그대로 사용하는 광전자 집적회로(OEIC; optoelectronic integrated circuit)에서는 빛의 비교적 긴 파장으로 인한 집적도 저하가 중대한 문제점 가운데 하나로 지적된다. 반면, 표면 플라즈몬은 동일한 주파수를 가지는 일반적인 전자기파에 비해 파장이 매우 짧을 수 있다. 따라서, 표면 플라즈몬의 그러한 성질을 이용하면 고집적 광전자 집적회로(OEIC)를 구현할 수 있기 때문에, 많은 이들의 관심을 끌고 있다.
표면 플라즈몬을 만들어내는 방법으로는 주로 광학적인 방법이 쓰인다. 예를 들어, 굴절률이 1보다 큰 유전체 위에 금속 박막을 입히고 유전체 쪽에서 특정 각도로 빛을 쪼이면, 특정 주파수대의 표면 플라즈몬이 강하게 공명적으로 생성될 수 있다. 또 다른 표면 플라즈몬 생성법으로는, 매끈한 금속 표면에 회절격자나 구멍, 흠집이나 홈 등을 만들어 놓고 빛을 쪼이는 방법이 있다. 그러나 상술한 방법은 빛으로부터 표면 플라즈몬을 만들어내는 방법이기 때문에, 별도의 외부 광원이 필요하여 집적회로에서는 사용하기가 곤란하다. 최근에는 실리콘 나노입자를 기반으로 하여 전기적으로 표면 플라즈몬을 생성하는 방법과 전기적으로 표면 플라즈몬을 감지하는 방법이 발표된 바 있다.
전기적인 신호를 표면 플라즈몬으로 변환시키는 기술과 표면 플라즈몬을 전기적인 신호로 변환시키는 기술은 표면 플라즈몬 기반 광전자 집적회로(OEIC) 기술에 있어서 가장 근본적인 요소다. 그러나, 표면 플라즈몬을 기반으로 하여 광전자 집적회로(OEIC)를 구현하기 위해서는, 전기 신호로 표면 플라즈몬의 전파를 제어하는 기술이 더 필요하다. 예를 들어, 표면 플라즈몬 폴라리톤 변조기는 플라즈몬 기반 광학부품의 기본 구성품이 될 수 있으며, 표면 플라즈몬 기반 광변조기, OEIC 기술의 근본요소 등으로 응용될 수 있다.
전기 신호로 표면 플라즈몬의 진행 방향, 세기, 위상 등을 제어할 수 있는 표면 플라즈몬 폴라리톤 변조기를 제공한다.
본 발명의 일 유형에 따른 표면 플라즈몬 폴라리톤 변조기는, 서로 대향하여 배치된 제 1 금속층과 제 2 금속층; 및 상기 제 1 금속층과 제 2 금속층 사이에 개재된 제 1 유전체층과 제 2 유전체층;을 포함할 수 있으며, 상기 제 1 유전체층과 제 2 유전체층은 상기 제 1 금속층과 제 2 금속층 사이에서 표면 플라즈몬의 진행 방향을 따라 동일 평면 상에 배치되어 있고, 입사 표면 플라즈몬은 상기 제 1 금속층과 제 1 및 제 2 유전체층 사이의 경계면 또는 상기 제 2 금속층과 제 1 및 제 2 유전체층 사이의 경계면을 따라 진행할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제 2 유전체층은 상기 제 1 금속층과 제 2 금속층 사이의 전기장에 의해 굴절률이 변화할 수 있으며, 상기 제 1 및 제 2 금속층은 상기 제 2 유전체층에 전기장을 인가하기 위한 전극의 역할을 할 수 있다.
또한, 상기 제 2 유전체층은 표면 플라즈몬의 진행축에 대해 경사진 면을 가질 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 상기 표면 플라즈몬 폴라리톤 변조기는 상기 제 2 금속층 사이에서 제 2 유전체층 위에 배치된 음파 발생기를 더 포함할 수 있다.
상기 음파 발생기는 상기 제 2 유전체층의 상부에서 제 2 유전체층과 대응하는 제 2 금속층의 일부가 제거된 영역에 배치될 수 있다.
또한, 상기 음파 발생기는 상기 제 2 유전체층 위에서 상기 제 2 유전체층과 동일한 형태로 배치될 수 있다.
이 경우, 상기 제 2 유전체층은 상기 음파 발생기에 의해 발생된 음파에 의해 굴절률이 변화할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 표면 플라즈몬 폴라리톤 변조기는, 상기 제 2 유전체층의 하부 표면과 상부 표면에 각각 배치된 제 1 자성체층과 제 2 자성체층; 및 상기 제 2 유전체층의 하부에 배치된 자기장 인가 장치를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 제 1 및 제 2 자성체층은 상기 제 2 유전체층과 동일한 형태를 가질 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제 2 자성체층은 상기 제 2 유전체층과 제 2 금속층 사이에 배치될 수 있으며, 상기 제 1 자성체층은 상기 제 2 유전체층의 하부에서 제 2 유전체층과 대응하는 제 1 금속층의 일부가 제거된 영역에 배치될 수 있다.
이 경우, 상기 제 2 유전체층은 상기 자기장 인가 장치에 의해 발생한 자기장에 의해 굴절률이 변화할 수 있다.
또한, 일 실시예에 따른 상기 표면 플라즈몬 폴라리톤 변조기는, 상기 제 2 유전체층 위의 제 2 금속층의 일부 영역이 제거되고 그 제거된 영역에 배치된 화합물 접합층을 더 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 화합물 접합층은 목표로 한 특정한 타겟 화학/생물 시료와 결합될 수 있으며, 타겟 화학/생물 시료의 농도에 따라 상기 화합물 접합층과 제 2 유전체층을 포함하는 전체적인 층의 굴절률이 변화할 수 있다.
또한, 일 실시예에 따른 상기 표면 플라즈몬 폴라리톤 변조기는 표면 플라즈몬 출사면에 배치된 센서 어레이를 더 포함할 수 있다.
상술한 표면 플라즈몬 폴라리톤 변조기는, 소정의 각도 범위 내에서 표면 플라즈몬을 스캐닝하는 스캐너, 입사 표면 플라즈몬을 다수의 경로 중에서 하나의 선택된 경로로 진행시키는 멀티플렉서, 여러 경로로부터 오는 표면 플라즈몬을 하나의 경로로 통합하여 진행시키는 디멀티플렉서, 또는 표면 플라즈몬 출력 신호의 세기를 조절하는 변조기로서 작용할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 유형에 따른 표면 플라즈몬 폴라리톤 변조기는, 일 방향으로 연장된 막대 형태의 금속층; 상기 금속층을 둘러싸는 제 1 유전체층과 제 2 유전체층; 및 상기 제 2 유전체층의 양측면에 배치된 제 1 전극과 제 2 전극;을 포함할 수 있으며, 상기 제 1 유전체층과 제 2 유전체층은 상기 금속층을 함께 둘러싸면서 표면 플라즈몬의 진행 방향을 따라 동일 평면 상에 배치되어 있고, 입사 표면 플라즈몬은 상기 제 1 및 제 2 유전체층과 상기 금속층 사이의 경계면을 따라 진행할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제 1 및 제 2 전극을 통해 상기 제 2 유전체층에 전기장이 인가되면 상기 제 2 유전체층의 굴절률이 변화할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 개시된 표면 플라즈몬 폴라리톤 변조기는 전기 신호로 표면 플라즈몬의 진행 방향, 세기, 위상 등을 제어할 수 있다. 또한, 개시된 표면 플라즈몬 폴라리톤 변조기는 표면 플라즈몬 폴라리톤 멀티플렉서, 디멀티플렉서의 기능을 수행할 수도 있다. 또한, 표면 플라즈몬의 변화를 감지하여, 예를 들어, 화학/생물 물질 등의 검출, 농도 측정을 위한 센서의 역할도 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 플라즈몬 폴라리톤 변조기의 구조를 개략적으로 보이는 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 표면 플라즈몬 폴라리톤 변조기의 동작을 보이는 평면도이다.
도 3은 유전체층과 금속층 사이의 경계면을 진행하는 표면 플라즈몬에 대해 유전체층의 굴절률 변화에 따른 표면 플라즈몬 분산 관계를 예시적으로 보이는 분산 곡선(dispersion curve) 그래프이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 표면 플라즈몬 폴라리톤 변조기의 구조를 개략적으로 보이는 사시도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 표면 플라즈몬 폴라리톤 변조기의 구조를 개략적으로 보이는 사시도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 표면 플라즈몬 폴라리톤 변조기의 구조를 개략적으로 보이는 사시도이다.
도 7은 도 1에 도시된 표면 플라즈몬 폴라리톤 변조기에서 표면 플라즈몬을 감지하기 위하여 센서를 더 부착한 예를 도시한다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 표면 플라즈몬 폴라리톤 변조기의 구조를 개략적으로 보이는 사시도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 표면 플라즈몬 폴라리톤 변조기에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 플라즈몬 폴라리톤 변조기의 구조를 개략적으로 보이는 사시도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 플라즈몬 폴라리톤 변조기(10)는 서로 대향하여 배치된 제 1 금속층(11)과 제 2 금속층(12), 상기 제 1 금속층(11)과 제 2 금속층(12) 사이에 개재된 제 1 유전체층(13)과 제 2 유전체층(14)을 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 외부의 표면 플라즈몬 발생 장치(도시되지 않음)에서 광학적 또는 전기적 방식으로 발생한 표면 플라즈몬은 제 1 금속층(11)과 제 1 및 제 2 유전체층(13, 14) 사이의 경계면 또는 제 2 금속층(12)과 제 1 및 제 2 유전체층(13, 14) 사이의 경계면을 따라 진행하게 된다. 예를 들어, 도 1에는 표면 플라즈몬이 표면 플라즈몬 폴라리톤 변조기(10)의 좌측으로 입사하여 우측으로 출사하는 것으로 도시되어 있다.
여기서, 제 1 금속층(11)과 제 2 금속층(12)은 표면 플라즈몬을 일으키기 쉬운 금속과 동일한 금속 재료로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제 1 금속층(11)과 제 2 금속층(12)은 금(Au)이나 은(Ag)과 같은 금속 재료로 이루어질 수 있다. 그 외에도 예를 들어 구리(Cu), 납(Pb), 인듐(In), 주석(Sn), 카드뮨(Cd) 등과 같은 금속을 제 1 및 제 2 금속층(11, 12)으로서 사용할 수도 있다. 이러한 제 1 및 제 2 금속층(11, 12)은 표면 플라즈몬의 진행 경로의 역할도 하지만, 도 1에 도시된 바와 같이, 전원과 연결되어 제 1 유전체층(13)과 제 2 유전체층(14)에 전기장을 인가하는 전극의 역할도 할 수 있다.
한편, 제 1 유전체층(13)과 제 2 유전체층(14)은 제 1 금속층(11)과 제 2 금속층(12) 사이의 동일 평면 상에서 표면 플라즈몬의 진행 방향을 따라 연속적으로 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 1에는 표면 플라즈몬의 진행 방향을 따라 제 1 유전체층(13), 제 2 유전체층(14), 제 1 유전체층(13)의 순서로 제 1 유전체층(13)과 제 2 유전체층(14)이 배치된 것으로 도시되어 있다. 그러나 실시예에 따라서는, 제 2 유전체층(14)이 표면 플라즈몬의 입사측에 배치될 수도 있으며, 또는 제 2 유전체층(14)이 표면 플라즈몬의 출사측에 배치될 수도 있다. 즉, 제 1 금속층(11)과 제 2 금속층(12) 사이의 임의의 영역에 제 2 유전체층(14)이 부분적으로 배치되고, 나머지 영역에 제 1 유전체층(13)이 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제 1 유전체층(13)은 제 1 금속층(11)과 제 2 금속층(12)에 전압의 인가 여부와 관계 없이 거의 일정한 굴절률을 갖는 유전체 재료로 이루어질 수 있다. 즉, 제 1 유전체층(13)은 제 1 금속층(11)과 제 2 금속층(12) 사이에 발생하는 전기장에 의한 굴절률 변화가 거의 없다. 예를 들어, 제 1 유전체층(13)은 실리콘 산화물(SiO2)이나 실리콘 질화물(SiNx)로 이루어질 수 있다. 반면, 제 2 유전체층(14)은 제 1 금속층(11)과 제 2 금속층(12) 사이의 전기장에 의해 굴절률이 변화할 수 있는 유전체 재료로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제 2 유전체층(14)은 액정 재료로 이루어질 수 있으며, 그 밖에도 VO2와 같은 모트 절연체(Mott insulator) 재료, 또는 전기활성 고분자(electroactive polymer) 재료, 또는 LiNbOx와 같은 전기광학결정을 제 2 유전체층(14)의 재료로 사용할 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 표면 플라즈몬 폴라리톤 변조기(10)의 동작을 보이는 평면도이다. 도 2의 평면도에는, 제 2 금속층(12)이 보이도록 도시되어 있으며, 상기 제 2 금속층(12) 하부의 제 2 유전체층(14)의 형태가 점선으로 표시되어 있다. 도 2를 참조하면, 표면 플라즈몬 폴라리톤 변조기(10)의 좌측으로부터 입사한 표면 플라즈몬은 표면 플라즈몬 폴라리톤 변조기(10)의 내부를 진행하여 표면 플라즈몬 폴라리톤 변조기(10)의 우측으로 출사한다. 이 과정에서, 제 2 유전체층(14)의 굴절률 변화에 따라 표면 플라즈몬의 세기, 진행 방향 등이 변화할 수 있다.
일반적으로, 어떤 파수 벡터(wave vector) k로 진행하는 각운동량 ω, 파수 k = |k|인 표면 플라즈몬 모드가 있다고 할 때,
Figure 112010057468498-pat00001
로 표기하면, 그 표면 플라즈몬 모드의 위상속도와 군속도는 각각
[수학식 1]
Figure 112010057468498-pat00002
와
[수학식 2]
Figure 112010057468498-pat00003
로
나타낼 수 있다. 위상속도는 동위상 파면(phase front)이 움직이는 방향과 속력을 나타내고, 군속도는 에너지(일률)의 흐름 방향을 나타낸다. 일반적으로는 위상속도와 군속도의 방향이 같지만, dω/dk가 0보다 작은 특수한 경우에는 위상속도와 군속도가 방향이 반대가 되는, 즉 에너지 흐름과 등위상 파면의 진행 방향이 서로 반대가 되는 후진파(backward wave)가 만들어질 수 있다.
도 3은 유전체층과 금속층 사이의 경계면을 진행하는 표면 플라즈몬에 대해 유전체층의 굴절률 변화에 따른 표면 플라즈몬 분산 관계를 예시적으로 보이는 분산 곡선(dispersion curve) 그래프이다. 도 3의 그래프에서 원점을 지나는 경사진 직선은 일반적인 빛의 분산 곡선이며, 원점을 지나는 다수의 곡선은 표면 플라즈몬의 분산 곡선을 나타낸다. 도 3에 도시된 바와 같이, 빛의 경우에는, 각운동량 ω과 파수 k 사이의 관계가 일정하게 유지됨을 알 수 있다. 반면, 표면 플라즈몬의 경우에는, 각운동량 ω과 파수 k 사이의 관계가 복잡한 곡선 형태를 갖는다. 또한, 유전체층의 물성(예를 들어, 굴절률)의 변화에 따라 분산 곡선이 조금씩 변화한다는 것을 알 수 있다. 예를 들어, 유전체층의 물성에 따라 A로 표시된 그래프로부터 B로 표시된 그래프까지 분산 곡선이 변화할 수 있다.
수학식(1)과 수학식(2)를 참조할 때, 도 3에 도시된 분산 곡선 그래프의 어느 한 점에서, 그 점을 지나는 접선의 기울기는 수학식(1)의 위상속도를 나타내며, 그 점에서의 곡선의 변화량은 수학식(2)의 군속도를 나타낸다는 것을 알 수 있다. 이러한 위상속도와 군속도로부터 표면 플라즈몬 전파와 관련된 굴절률 n을 다음의 수학식과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112010057468498-pat00004
도 3의 그래프에서, k축 방향으로 가로지르는 등주파수선 또는 등에너지선(E = hω/2π)과 분산 곡선의 교점이 유전체층의 물성에 따라 그래프 A로부터 그래프 B까지 달라진다는 것을 알 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 각각의 교점에서 위상속도와 군속도가 달라지기 때문에, 특정한 에너지 E를 갖는 표면 플라즈몬에 대해 유전체층의 물성에 따라 위상속도와 군속도가 달라지게 된다. 따라서, 표면 플라즈몬 도파 구조를 형성하는 금속과 유전체의 물성을 변화시킴으로써 표면 플라즈몬 전파 굴절률을 바꿔줄 수 있다. 만약 표면 플라즈몬 도파 구조의 일부 영역에서만 표면 플라즈몬 전파 굴절률을 바꾼다면, 표면 플라즈몬의 전파 경로를 바꾸거나, 투과율, 진행 방향 등을 능동적으로 조절하는 것이 가능하다.
다시 도 2를 참조하면, 표면 플라즈몬 폴라리톤 변조기(10) 내에서 일부의 영역에만 굴절률이 변화하는 제 2 유전체층(14)이 배치되어 있다. 따라서, 제 2 유전체층(14)의 굴절률을 변화시키면, 도 2에 도시된 바와 같이, 표면 플라즈몬의 전파 경로를 바꾸거나, 투과율, 진행 방향 등을 능동적으로 조절하는 것이 가능하다. 도 2에는 입사 표면 플라즈몬을 굴절시켜 세 개의 경로 I~Ⅲ로 진행시키는 것이 예시적으로 도시되어 있다. 예를 들어, 제 1 금속층(11)과 제 2 금속층(12)에 인가되는 전압에 따라, 입사 표면 플라즈몬은 세 개의 경로 I~Ⅲ 중에서 어느 하나의 경로로 진행할 수 있다. 표면 플라즈몬을 소정의 각도로 굴절시키기 위해, 도 2에 도시된 바와 같이, 제 2 유전체층(14)은 경사면을 갖는 직각 사다리꼴의 형태를 가질 수 있다. 직각 사다리꼴 이외에도, 상기 제 2 유전체층(14)은 직각 삼각형, 정삼각형, 이등변 삼각형 또는 다른 임의의 사다리꼴 형태과 같이, 표면 플라즈몬의 진행축에 대해 경사진 면을 갖는 어떠한 형태로도 형성될 수 있다. 이 경우, 도 3에 도시된 분산 곡선에서 dω/dk가 0보다 큰 표면 플라즈몬은 '①'로 표시된 방향으로 굴절될 수 있으며, dω/dk가 0보다 작은 표면 플라즈몬은 '②'로 표시된 방향으로 굴절될 수 있다.
상술한 구조와 동작을 갖는 표면 플라즈몬 폴라리톤 변조기(10)는 실시예에 따라 다양한 양태로 응용될 수 있다. 예컨대, 제 1 금속층(11)과 제 2 금속층(12)에 일정한 주기의 사인파 또는 코사인파 전압을 인가하는 경우, 표면 플라즈몬 폴라리톤 변조기(10)는 소정의 각도 범위 내에서 표면 플라즈몬을 스캐닝하는 스캐너로서 작용할 수 있다. 또한, 미리 정해진 다수의 전압값 중에서 하나를 선택적으로 제 1 금속층(11)과 제 2 금속층(12)에 인가하는 경우, 표면 플라즈몬 폴라리톤 변조기(10)는 입사 표면 플라즈몬을 다수의 경로 중에서 하나의 선택된 경로로 진행시키는 멀티플렉서로서 역할을 할 수 있다. 만약 표면 플라즈몬의 진행 경로가 반대인 경우(즉, 표면 플라즈몬이 우측으로부터 좌측으로 진행하는 경우), 표면 플라즈몬 폴라리톤 변조기(10)는 여러 경로로부터 오는 표면 플라즈몬을 하나의 경로로 통합하여 진행시키는 디멀티플렉서로서 역할을 할 수 있다. 또한, 제 1 금속층(11)과 제 2 금속층(12)에 인가되는 전압에 따라, 특정 각도로 굴절되는 표면 플라즈몬의 세기가 커지거나 작아지므로, 표면 플라즈몬 폴라리톤 변조기(10)는 표면 플라즈몬 출력 신호의 세기를 조절하는 변조기의 역할도 할 수 있다.
도 1에 도시된 표면 플라즈몬 폴라리톤 변조기(10)는 전기적인 방식으로 유전체층의 물성(즉, 제 2 유전체층(14)의 굴절률)을 변화시키고 있으나, 유전체층의 물성은 전기 외에도 다양한 방식으로 변화될 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 표면 플라즈몬 폴라리톤 변조기(20)의 구조를 개략적으로 보이는 사시도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 표면 플라즈몬 폴라리톤 변조기(20)는 서로 대향하여 배치된 제 1 금속층(11)과 제 2 금속층(12), 상기 제 1 금속층(11)과 제 2 금속층(12) 사이에 개재된 제 1 유전체층(13)과 제 2 유전체층(21), 및 상기 제 2 금속층(12) 사이에서 제 2 유전체층(21) 위에 배치된 음파 발생기(22)를 포함할 수 있다. 도 1의 실시예에서와 마찬가지로, 제 1 유전체층(13)과 제 2 유전체층(21)은 제 1 금속층(11)과 제 2 금속층(12) 사이의 동일 평면 상에서 표면 플라즈몬의 진행 방향을 따라 연속적으로 배치될 수 있다. 제 2 유전체층(21)은 표면 플라즈몬을 굴절시킬 수 있도록 표면 플라즈몬의 진행축에 대해 경사진 면을 갖게 형성될 수 있다. 또한, 음파 발생기(22)는 제 2 유전체층(21) 위에서 제 2 유전체층(21)과 동일한 형태로 배치될 수 있다. 이를 위해, 제 2 유전체층(21)의 상부에서 제 2 유전체층(21)과 대응하는 제 2 금속층(12)의 일부 영역이 제거되고, 그 제거된 영역에 음파 발생기(22)가 배치될 수 있다. 따라서, 음파 발생기(22)는 제 2 금속층(12)과 동일 평면 상에 배치된다.
이러한 구조에서, 제 1 유전체층(13)은 실리콘 산화물(SiO2)이나 실리콘 질화물(SiNx)과 같이 외부의 환경과 관계 없이 거의 일정한 굴절률을 유지하는 재료로 이루어질 수 있다. 반면 제 2 유전체층(21)의 경우, 음파 발생기(22)에 의해 발생된 음파가 제 2 유전체층(21)으로 전달되면서 내부의 밀도가 변화하여 굴절률이 변할 수 있다. 제 2 유전체층(21)의 재료로서 예를 들어 음파에 의한 압력 변화에 의해 굴절률 변화가 유도되는 LiNbOx나 LiGexOy 계열 같은 피에조옵틱(piezooptic) 재료 등을 사용할 수 있다. 그러면, 표면 플라즈몬 폴라리톤 변조기(20)는 도 1에 도시된 표면 플라즈몬 폴라리톤 변조기(10)와 동일한 작용을 할 수 있다. 또한, 음파 발생기(22) 대신에 제 2 유전체층(21)의 내부 밀도를 변화시킬 수 있는 다른 기계적 진동 장치를 배치하는 것도 가능하다.
한편, 도 2에 도시된 구조에서, 음파 발생기(22) 대신에 예를 들어 열원을 배치하고, 제 2 유전체층(21)으로서 열에 따라 굴절률이 변화하는 재료를 사용하는 경우에도, 상술한 동작을 동일하게 수행할 수 있는 표면 플라즈몬 폴라리톤 변조기가 제공될 수 있다. 이 경우, 이러한 제 2 유전체층(21)의 재료로서 예를 들어 투명 고분자 매트릭스 내에 TiO2 등과 같은 무기 나노입자를 분산시킨 혼합물을 포함하는 써모옵틱(thermooptic) 성질을 갖는 재료를 사용할 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 표면 플라즈몬 폴라리톤 변조기의 구조를 개략적으로 보이는 사시도이다. 도 5를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 표면 플라즈몬 폴라리톤 변조기(30)는 서로 대향하여 배치된 제 1 금속층(11)과 제 2 금속층(12), 상기 제 1 금속층(11)과 제 2 금속층(12) 사이에 개재된 제 1 유전체층(13)과 제 2 유전체층(31), 상기 제 2 유전체층(31)의 하부 표면과 상부 표면에 각각 배치된 제 1 자성체층(33)과 제 2 자성체층(34), 및 제 2 유전체층(31)의 하부에 배치된 자기장 인가 장치(32)를 포함할 수 있다.
도 1의 실시예에서와 마찬가지로, 제 1 유전체층(13)과 제 2 유전체층(31)은 제 1 금속층(11)과 제 2 금속층(12) 사이의 동일 평면 상에서 표면 플라즈몬의 진행 방향을 따라 연속적으로 배치될 수 있다. 제 2 유전체층(31)은 표면 플라즈몬을 굴절시킬 수 있도록 표면 플라즈몬의 진행축에 대해 경사진 면을 갖게 형성될 수 있다. 여기서, 제 2 유전체층(31)은 자기장에 의해 굴절률이 변화하는 재료로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 자기광학성 케르 효과(Kerr effect)나 패러데이 효과를 보이는 철, 코발트, 페라이트, Bi:YIG 등과 같은 자기광학(magnetooptic) 재료를 제 2 유전체층(31)의 재료로서 사용할 수 있다. 자기장에 의해 쉽게 자화되는 재료로 이루어진 제 1 및 제 2 자성체층(33, 34)은 제 2 유전체층(31)과 동일한 형태를 갖는다. 상기 제 2 자성체층(34)은 제 2 유전체층(31)과 제 2 금속층(12) 사이에 배치될 수 있다. 제 2 유전체층(31)의 하부에서 제 2 유전체층(31)과 대응하는 제 1 금속층(11)의 일부 영역이 제거되어 있으며, 그 제거된 영역에 제 1 자성체층(33)이 배치될 수 있다.
이러한 구조에서, 제 2 유전체층(31)의 하부에 배치된 자기장 인가 장치(32)는 제 2 유전체층(31)을 향해 자기장(M)을 발생시킨다. 그러면, 제 2 유전체(31)의 굴절률이 자기장에 의해 변화하게 된다. 제 1 및 제 2 자성체층(33, 34)은 제 2 유전체층(31)에 자기장이 더욱 용이하게 인가되도록 한다. 따라서, 도 5에 도시된 표면 플라즈몬 폴라리톤 변조기(30)는 자기장의 인가 세기에 따라 입사 표면 플라즈몬의 세기, 진행 방향 등을 변화시킬 수 있다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 표면 플라즈몬 폴라리톤 변조기의 구조를 개략적으로 보이는 사시도이다. 도 6을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 표면 플라즈몬 폴라리톤 변조기(40)는 서로 대향하여 배치된 제 1 금속층(11)과 제 2 금속층(12), 상기 제 1 금속층(11)과 제 2 금속층(12) 사이에 개재된 제 1 유전체층(13)과 제 2 유전체층(41), 및 상기 제 2 유전체층(41)의 상부 표면에 배치된 화합물 접합층(42)을 포함할 수 있다. 도 1의 실시예에서와 마찬가지로, 제 1 유전체층(13)과 제 2 유전체층(41)은 제 1 금속층(11)과 제 2 금속층(12) 사이의 동일 평면 상에서 표면 플라즈몬의 진행 방향을 따라 연속적으로 배치될 수 있다. 제 2 유전체층(41)은 표면 플라즈몬을 굴절시킬 수 있도록 표면 플라즈몬의 진행축에 대해 경사진 면을 갖게 형성될 수 있다. 또한, 화합물 접합층(42)은 제 2 유전체층(41) 위에서 제 2 유전체층(41)과 동일한 형태로 배치될 수 있다. 이를 위해, 제 2 유전체층(41) 위의 제 2 금속층(12)의 일부 영역이 제거되고, 그 제거된 영역에 화합물 접합층(42)이 배치될 수 있다.
여기서 화합물 접합층(42)은 목표로 한 특정한 화학/생물 시료와 결합될 수 있는 화학적 또는 생물학적 물질로 이루어질 수 있다. 이러한 구조에서, 화합물 접합층(42) 위에 타겟 화학/생물 시료를 포함하는 용액을 제공할 경우, 상기 화합물 접합층(42)이 타겟 화학/생물 시료와 결합하면서 화합물 접합층(42)과 제 2 유전체층(41)을 포함하는 전체적인 층의 굴절률이 변화할 수 있다. 따라서, 용액 내의 타겟 화학/생물 시료의 농도에 따라 표면 플라즈몬 폴라리톤 변조기(40)는 입사 표면 플라즈몬의 세기, 진행 방향 등을 변화시킬 수 있다.
한편, 도 7은 도 1에 도시된 표면 플라즈몬 폴라리톤 변조기(10)에서 표면 플라즈몬을 감지하기 위하여 표면 플라즈몬 폴라리톤 변조기(10)의 표면 플라즈몬 출사면에 센서 어레이(16)를 더 배치한 예를 도시하고 있다. 센서 어레이(16)은 예를 들어 CCD, CMOS와 같은 광검출기 어레이 또는 광증배관 어레이를 사용할 수 있다. 또한, 도 4 내지 도 6에 도시된 표면 플라즈몬 폴라리톤 변조기(20, 30, 40)의 표면 플라즈몬 출사면에도 센서 어레이(16)를 부착할 수 있다. 도 7과 같이 센서 어레이(16)가 부착될 경우, 센서 어레이(16)에서 감지되는 표면 플라즈몬의 분포에 따라 제 2 유전체층(14, 21, 31, 41)의 굴절률 변화를 감지하는 것이 가능하다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제 2 유전체층(14, 21, 31, 41)의 굴절률에 변화를 주는 주변의 전기장, 자기장, 진동, 열 또는 화학/생물 시료의 농도를 관측하는 것도 가능하다.
지금까지는 두 금속층 사이에 유전체층이 배치된 구조를 갖는 표면 플라즈몬 폴라리톤 변조기를 개시하였으나, 유전체층 내에 금속층이 배치된 구조의 표면 플라즈몬 폴라리톤 변조기도 제작 가능하다. 도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 표면 플라즈몬 폴라리톤 변조기(50)의 구조를 개략적으로 보이는 사시도이다. 도 8을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 표면 플라즈몬 폴라리톤 변조기(50)는 일 방향으로 길게 연장된 막대 형태의 금속층(53), 상기 금속층(53)을 둘러싸는 제 1 유전체층(51)과 제 2 유전체층(52), 및 상기 제 2 유전체층(52)의 양측면에 배치된 제 1 전극(54)과 제 2 전극(55)을 포함할 수 있다. 여기서, 제 1 유전체층(51)은 전기장에 의한 굴절률 변화가 거의 없는 재료로 이루어질 수 있으며, 제 2 유전체층(52)은 전기장에 의해 굴절률이 변화할 수 있는 유전체 재료로 이루어질 수 있다. 또한, 도 8에 도시된 바와 같이, 제 1 유전체층(51)과 제 2 유전체층(52)은 금속층(53)을 함께 둘러싸면서 동일 평면 상에서 표면 플라즈몬의 진행 방향을 따라 연속적으로 배치될 수 있다. 그리고, 제 2 유전체층(52)은 표면 플라즈몬을 굴절시킬 수 있도록 표면 플라즈몬의 진행축에 대해 경사진 면을 갖게 형성될 수 있다.
이러한 구조에서, 표면 플라즈몬 폴라리톤 변조기(50)에 입사한 표면 플라즈몬은 제 1 및 제 2 유전체층(51, 52)과 금속층(53) 사이의 경계면을 따라 진행한다. 이때, 제 1 및 제 2 전극(54, 55)을 통해 제 2 유전체층(52)에 전기장을 인가하면, 제 2 유전체층(52)의 굴절률이 변화하면서 표면 플라즈몬의 세기, 진행 방향 등이 변화될 수 있다. 한편, 도 8에는 제 2 유전체층(52)이 전기장에 의해 굴절률이 변화하는 것으로 도시되어 있지만, 도 4 내지 도 6과 같이 음파, 자기장, 타겟 화학/생물 시료의 농도 등에 따라 제 2 유전체층(52)의 굴절률이 변화하도록 구성하는 것도 가능하다. 또한, 도 7에 도시된 센서 어레이(16)도 도 8의 표면 플라즈몬 폴라리톤 변조기(50)의 표면 플라즈몬 출사면에 배치될 수 있다.
지금까지, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 표면 플라즈몬 폴라리톤 변조기에 대한 예시적인 실시예가 설명되고 첨부된 도면에 도시되었다. 그러나, 이러한 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이고 이를 제한하지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 그리고 본 발명은 도시되고 설명된 설명에 국한되지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 이는 다양한 다른 변형이 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일어날 수 있기 때문이다.
10, 20, 30, 40, 50.....표면 플라즈몬 폴라리톤 변조기
11, 12, 53.....금속층
13, 14, 21, 31, 41, 51, 52.....유전체층
16.....센서 어레이 22.....음파 발생기
32.....자기장 인가 장치 33, 34.....자성체층
42.....화합물 접합층 54, 55.....전극

Claims (20)

  1. 서로 대향하여 배치된 제 1 금속층과 제 2 금속층; 및
    상기 제 1 금속층과 제 2 금속층 사이에 개재된 제 1 유전체층과 제 2 유전체층;을 포함하며,
    상기 제 1 유전체층과 제 2 유전체층은 상기 제 1 금속층과 제 2 금속층 사이에서 표면 플라즈몬의 진행 방향을 따라 동일 평면 상에 배치되어 있고,
    입사 표면 플라즈몬은 상기 제 1 금속층과 제 1 및 제 2 유전체층 사이의 경계면 또는 상기 제 2 금속층과 제 1 및 제 2 유전체층 사이의 경계면을 따라 진행하는 표면 플라즈몬 폴라리톤 변조기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 유전체층은 상기 제 1 금속층과 제 2 금속층 사이의 전기장에 의해 굴절률이 변화하며, 상기 제 1 및 제 2 금속층은 상기 제 2 유전체층에 전기장을 인가하기 위한 전극의 역할을 하는 표면 플라즈몬 폴라리톤 변조기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 유전체층은 표면 플라즈몬의 진행축에 대해 경사진 면을 갖는 표면 플라즈몬 폴라리톤 변조기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 금속층 사이에서 제 2 유전체층 위에 배치된 음파 발생기를 더 포함하는 표면 플라즈몬 폴라리톤 변조기.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 음파 발생기는 상기 제 2 유전체층의 상부에서 제 2 유전체층과 대응하는 제 2 금속층의 일부가 제거된 영역에 배치되는 표면 플라즈몬 폴라리톤 변조기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 음파 발생기는 상기 제 2 유전체층 위에서 상기 제 2 유전체층과 동일한 형태로 배치되는 표면 플라즈몬 폴라리톤 변조기.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 2 유전체층은 상기 음파 발생기에 의해 발생된 음파에 의해 굴절률이 변화하는 표면 플라즈몬 폴라리톤 변조기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 유전체층의 하부 표면과 상부 표면에 각각 배치된 제 1 자성체층과 제 2 자성체층; 및
    상기 제 2 유전체층의 하부에 배치된 자기장 인가 장치를 더 포함하는 표면 플라즈몬 폴라리톤 변조기.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 자성체층은 상기 제 2 유전체층과 동일한 형태를 갖는 표면 플라즈몬 폴라리톤 변조기.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 2 자성체층은 상기 제 2 유전체층과 제 2 금속층 사이에 배치되며, 상기 제 1 자성체층은 상기 제 2 유전체층의 하부에서 제 2 유전체층과 대응하는 제 1 금속층의 일부가 제거된 영역에 배치되는 표면 플라즈몬 폴라리톤 변조기.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 2 유전체층은 상기 자기장 인가 장치에 의해 발생한 자기장에 의해 굴절률이 변화하는 표면 플라즈몬 폴라리톤 변조기.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 유전체층 위의 제 2 금속층의 일부 영역이 제거되고 그 제거된 영역에 배치된 화합물 접합층을 더 포함하는 표면 플라즈몬 폴라리톤 변조기.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 화합물 접합층은 목표로 한 특정한 타겟 화학/생물 시료와 결합될 수 있으며, 타겟 화학/생물 시료의 농도에 따라 상기 화합물 접합층과 제 2 유전체층을 포함하는 전체적인 층의 굴절률이 변화하는 표면 플라즈몬 폴라리톤 변조기.
  14. 제 1 항에 있어서,
    표면 플라즈몬 출사면에 배치된 센서 어레이를 더 포함하는 표면 플라즈몬 폴라리톤 변조기.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 표면 플라즈몬 폴라리톤 변조기는, 소정의 각도 범위 내에서 표면 플라즈몬을 스캐닝하는 스캐너, 입사 표면 플라즈몬을 다수의 경로 중에서 하나의 선택된 경로로 진행시키는 멀티플렉서, 여러 경로로부터 오는 표면 플라즈몬을 하나의 경로로 통합하여 진행시키는 디멀티플렉서, 또는 표면 플라즈몬 출력 신호의 세기를 조절하는 변조기로서 작용하는 표면 플라즈몬 폴라리톤 변조기.
  16. 일 방향으로 연장된 막대 형태의 금속층;
    상기 금속층을 둘러싸는 제 1 유전체층과 제 2 유전체층; 및
    상기 제 2 유전체층의 양측면에 배치된 제 1 전극과 제 2 전극;을 포함하며,
    상기 제 1 유전체층과 제 2 유전체층은 상기 금속층을 함께 둘러싸면서 표면 플라즈몬의 진행 방향을 따라 동일 평면 상에 배치되어 있고,
    입사 표면 플라즈몬은 상기 제 1 및 제 2 유전체층과 상기 금속층 사이의 경계면을 따라 진행하는 표면 플라즈몬 폴라리톤 변조기.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 제 2 유전체층은 표면 플라즈몬의 진행축에 대해 경사진 면을 갖는 표면 플라즈몬 폴라리톤 변조기.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 전극을 통해 상기 제 2 유전체층에 전기장이 인가되면 상기 제 2 유전체층의 굴절률이 변화하는 표면 플라즈몬 폴라리톤 변조기.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 표면 플라즈몬 폴라리톤 변조기는, 소정의 각도 범위 내에서 표면 플라즈몬을 스캐닝하는 스캐너, 입사 표면 플라즈몬을 다수의 경로 중에서 하나의 선택된 경로로 진행시키는 멀티플렉서, 여러 경로로부터 오는 표면 플라즈몬을 하나의 경로로 통합하여 진행시키는 디멀티플렉서, 또는 표면 플라즈몬 출력 신호의 세기를 조절하는 변조기로서 작용하는 표면 플라즈몬 폴라리톤 변조기.
  20. 제 16 항에 있어서,
    표면 플라즈몬 출사면에 배치된 센서 어레이를 더 포함하는 표면 플라즈몬 폴라리톤 변조기.
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