KR20150090627A - Polarization-sensitive switchable plasmonic dichroic splitter and method thereof - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a surface plasmon wavelength division apparatus and a method thereof. In the method, the surface wavelength division apparatus filters surface plasmon by radiating incident light to a plane which is considered as an incidence plane, formed by a direction vector of a metal slit and a vertical vector of a metal surface, while adjusting a polarization state of the incident ray in a three-layered thin film structure on which a metal slit is formed. In the same polarization state, the apparatus adjusts the polarization state that light of two different wavelength bands can be excited in opposite directions.

Description

표면 플라즈몬 파장 분할 장치 및 그 방법{Polarization-sensitive switchable plasmonic dichroic splitter and method thereof}[0001] The present invention relates to a surface plasmon wavelength splitting apparatus and a method thereof,

본 발명은 표면 플라즈몬 파장 분할 장치 및 그 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a surface plasmon wavelength division device and a method thereof.

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 플라즈몬은 금속 표면을 따라 빛이 강하게 집속되어, 빛이 가지는 파장 한계(diffraction limit) 이하의 크기로 신호를 모을 수 있고, 또 이를 이용한 광 신호의 정보 전달이 가능하기에 이를 기반으로 하는 다양한 소자의 개발이 이루어지고 있다. The surface plasmon is strongly focused on the surface of the metal and can gather signals with a size below the diffraction limit of the light and can transmit information of the optical signal using the surface plasmons. Has been developed.

특히 표면 플라즈몬 신호를 입사 파장 대역에 따라서 분리하는 기술은 초소형 광 스펙트럼 측정 장치 개발 등에 사용될 수 있으므로, 최근 그와 관련된 연구들이 이루어지고 있다. 관련 기술로는 비대칭적인 금속 격자들을 이용하여 표면 플라즈몬 신호의 파장에 따라 표면 플라즈몬 신호를 나누는 기술이 개발되고 있다. Particularly, a technique of separating a surface plasmon signal according to an incident wavelength band can be used for development of a small-sized optical spectrum measuring device and the like. Related arts have been developed to divide surface plasmon signals according to the wavelength of a surface plasmon signal using asymmetric metal gratings.

그러나 이러한 기술에서는, 구조의 비대칭성으로 인해 표면 플라즈몬 신호의 방향 변조가 불가능하고, 또한 공진 효과를 이용하지 않고 설계된 구조였기에 파장 분할 효율이 그다지 높지 않다는 단점이 있다. However, this technique has a disadvantage in that the wavelength division efficiency is not so high because the structure can not be directionally modulated due to the asymmetry of the structure, and the structure is designed without utilizing the resonance effect.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 편광에 따라 방향 변조가 가능한 표면 플라즈몬 파장 분할 장치(Polarization-sensitive switchable plasmonic dichroic splitter) 및 그 방법을 제공하는 것이다. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides a polarization-sensitive switchable plasmonic dichroic splitter capable of directional modulation according to polarization, and a method thereof.

또한 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 대칭적인 금속 구조에서, 편광 상태의 조절만으로 비대칭적, 혹은 단방향으로 진행하는 표면 플라즈몬을 여기시키는 표면 플라즈몬 파장 분할 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다. It is another object of the present invention to provide a surface plasmon wavelength splitting apparatus and method for exciting a surface plasmon that travels asymmetrically or unidirectionally only by controlling a polarization state in a symmetrical metal structure.

또한 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 서로 다른 두 개의 입사 파장을 가지는 광신호를 도파로 내의 표면 플라즈몬의 형태로 분리할 수 있는 표면 플라즈몬 파장 분할 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다. It is another object of the present invention to provide a surface plasmon wavelength splitting apparatus and method which can separate optical signals having two different incident wavelengths in the form of surface plasmons in a waveguide.

또한 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 서로 다른 두 입사 광 신호의 입사 편광 상태를 조절하여 여기되는 표면 플라즈몬의 방향성을 변조시킬 수 있는 표면 플라즈몬 파장 분할 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide a surface plasmon wavelength splitting apparatus and method capable of modulating the directionality of excited surface plasmons by adjusting incident polarization states of two different incident optical signals.

위의 과제를 위한 본 발명의 특징에 따른 파장 분할 장치는, 제1 금속층; 상기 제1 금속층 위에 형성된 유전체층; 상기 유전체층 위에 형성되어 있으며, 금속 슬릿이 형성되어 있는 제2 금속층을 포함하고, 상기 제1 금속층, 유전체층, 그리고 제2 금속층에 대응하는 금속-유전-금속의 도파로 내에서, 상기 금속 슬릿으로 입사되는 입사광의 편광 상태에 따라, 제1 파장 대역에 대하여 제1 방향의 단방향 표면 플라즈몬이 여기되고, 제2 파장 대역에 대하여 제2 방향의 단방향 표면 플라즈몬이 여기되며, 상기 제1 방향과 제2 방향은 서로 반대이다. According to an aspect of the present invention, there is provided a wavelength division device comprising: a first metal layer; A dielectric layer formed on the first metal layer; And a second metal layer formed on the dielectric layer and having a metal slit, wherein the first metal layer, the dielectric layer, and the second metal layer are formed in a metal-dielectric-metal waveguide corresponding to the first metal layer, The unidirectional surface plasmon in the first direction is excited with respect to the first wavelength band according to the polarization state of the incident light and the unidirectional surface plasmon in the second direction is excited with respect to the second wavelength band, They are opposite.

상기 입사광은, 상기 제1 금속층, 유전체층, 그리고 제2 금속층에 대응하는 3층 박막의 수직 벡터와 상기 금속 슬릿의 방향 벡터가 이루는 평면을 입사면으로 하여, 상기 금속 슬릿으로 입사될 수 있다. The incident light may be incident on the metal slit with the plane formed by the vertical vector of the three-layer thin film corresponding to the first metal layer, the dielectric layer, and the second metal layer and the direction vector of the metal slit as an incident surface.

상기 입사광은 전기장 방향이 상기 입사면과 수직한 성분만 존재하는 제1 편광 편광인 TE(transverse electric) 편광과, 자기장이 상기 입사면에 수직한 성분만을 가지는 제2 편광인 TM(transverse magnetic) 편광의 선형 결합으로 이루어질 수 있다. The incident light has a transverse electric (TE) polarized light, which is a first polarized light polarized in a direction perpendicular to the incident surface, and a transverse magnetic polarized light (TM), which is a second polarized light having a magnetic polarized component only perpendicular to the incident surface. . ≪ / RTI >

본 발명의 다른 특징에 따른 파장 분할 방법은, 표면 플라즈몬 파장 분할 방법에서, 제1 파장 대역에서는 제1 편광 조건을 만족하도록 입사광의 편광 상태를 조절하는 단계; 제2 파장 대역에서는 제2 편광 조건을 만족하도록 입사광의 편광 상태를 조절하는 단계; 상기 편광 상태가 조절된 제1 파장 대역의 입사광을, 금속 슬릿이 형성되어 있는 3층 박막 구조로 입사시켜 제1 방향의 단방향 표면 플라즈몬을 여기시키는 단계; 및 상기 편광 상태가 조절된 제2 파장 대역의 입사광을, 금속 슬릿이 형성되어 있는 3층 박막 구조로 입사시켜 제2 방향의 단방향 표면 플라즈몬을 여기시키는 단계를 포함하며, 상기 입사광은 전기장 방향이 상기 입사면과 수직한 성분만 존재하는 제1 편광 편광인 TE(transverse electric) 편광과, 자기장이 상기 입사면에 수직한 성분만을 가지는 제2 편광인 TM(transverse magnetic) 편광의 선형 결합으로 이루어질 수 있다. According to another aspect of the present invention, there is provided a surface plasmon wavelength division method comprising: adjusting a polarization state of incident light so as to satisfy a first polarization condition in a first wavelength band; Adjusting a polarization state of incident light so as to satisfy a second polarization condition in a second wavelength band; Exciting a unidirectional surface plasmon in a first direction by causing the incident light of the first wavelength band in which the polarization state is controlled to enter a three-layer thin film structure having a metal slit; And exciting a unidirectional surface plasmon in a second direction by causing the incident light of the second wavelength band in which the polarization state is controlled to enter a three-layer thin film structure having a metal slit formed therein, (Transverse electric) polarized light, which is a first polarized light polarized in a direction perpendicular to the incident surface, and a transverse magnetic (TM) polarized light, which is a second polarized light in which a magnetic field is perpendicular to the incident surface .

상기 금속 슬릿의 너비는 상기 제1 파장 대역에 대하여 공진 조건을 일으키는 너비 조건의 값과, 상기 제2 파장 대역에 대하여 공진 조건을 일으키는 너비 조건의 값 사이의 값을 가질 수 있다. The width of the metal slit may have a value between a value of a width condition causing a resonance condition with respect to the first wavelength band and a value of a width condition causing a resonance condition with respect to the second wavelength band.

이러한 특징을 가지는 본 발명에서, 상기 입사광의 편광 조건이 상기 제1 방향의 표면 플라즈몬 여기를 위하여,

Figure pat00001
(여기서,
Figure pat00002
는 단위 크기의 TE 편광 상태를 가지는 입사광에 의하여 상기 도파로에 여기되는 표면 플라즈몬의 세기와 위상 정보를 나타내는 결합 계수(coupling coefficient)의 세기이며,
Figure pat00003
는 해당 결합 계수의 위상을 나타냄,
Figure pat00004
는 단위 크기의 TM 편광 상태를 가지는 입사광에 의하여 상기 도파로에 여기되는 표면 플라즈몬의 세기와 위상 정보를 나타내는 결합 계수의 세기이고,
Figure pat00005
는 해당 결합 계수의 위상을 나타냄)의 선형 결합 비율을 만족할 수 있다. In the present invention having such characteristics, in order to excite the surface plasmon in the first direction,
Figure pat00001
(here,
Figure pat00002
Is an intensity of a coupling coefficient indicating intensity and phase information of a surface plasmon excited by the waveguide by incident light having a TE polarized state of a unit size,
Figure pat00003
Represents the phase of the coupling coefficient,
Figure pat00004
Is the intensity of the coupling coefficient indicating the intensity and phase information of the surface plasmon excited by the waveguide by the incident light having the TM polarization state of the unit size,
Figure pat00005
Represents the phase of the corresponding coupling coefficient) can be satisfied.

상기 입사광의 편광 조건이 상기 제2 방향의 표면 플라즈몬 여기를 위하여,

Figure pat00006
(여기서,
Figure pat00007
는 단위 크기의 TE 편광 상태를 가지는 입사광에 의하여 상기 도파로에 여기되는 표면 플라즈몬의 세기와 위상 정보를 나타내는 결합 계수(coupling coefficient)의 세기이며,
Figure pat00008
는 해당 결합 계수의 위상을 나타냄,
Figure pat00009
는 단위 크기의 TM 편광 상태를 가지는 입사광에 의하여 상기 도파로에 여기되는 표면 플라즈몬의 세기와 위상 정보를 나타내는 결합 계수의 세기이고,
Figure pat00010
는 해당 결합 계수의 위상을 나타냄)의 선형 결합 비율을 만족할 수 있다. Wherein the polarization condition of the incident light is for the surface plasmon excitation in the second direction,
Figure pat00006
(here,
Figure pat00007
Is an intensity of a coupling coefficient indicating intensity and phase information of a surface plasmon excited by the waveguide by incident light having a TE polarized state of a unit size,
Figure pat00008
Represents the phase of the coupling coefficient,
Figure pat00009
Is the intensity of the coupling coefficient indicating the intensity and phase information of the surface plasmon excited by the waveguide by the incident light having the TM polarization state of the unit size,
Figure pat00010
Represents the phase of the corresponding coupling coefficient) can be satisfied.

서로 다른 두 파장 대역에 대하여, 상기 금속-유전체-금속 도파로에 여기되는 표면 플라즈몬의 세기와 위상 정보를 나타내는 결합 계수의 크기가

Figure pat00011
(
Figure pat00012
는 제1 파장 대역 λ1에 대하여, TE 편광 상태를 가지는 입사광에 의한 결합 계수의 세기,
Figure pat00013
는 제2 파장 대역 λ2에 대하여 TE 편광 상태를 가지는 입사광에 의한 결합 계수의 세기,
Figure pat00014
는 제1 파장 대역 λ1에 대하여, TM 편광 상태를 가지는 입사광에 의한 결합 계수의 세기,
Figure pat00015
는 제2 파장 대역 λ2에 대하여, TM 편광 상태를 가지는 입사광에 의한 결합 계수의 세기를 나타냄)의 결합 계수의 세기 조건을 만족할 수 있다. For two different wavelength bands, the magnitude of the coupling coefficient indicating the intensity and phase information of the surface plasmon excited in the metal-dielectric-metal waveguide is
Figure pat00011
(
Figure pat00012
With respect to the first wavelength band? 1 , the intensity of the coupling coefficient by the incident light having the TE polarization state,
Figure pat00013
Is the intensity of the coupling coefficient by the incident light having the TE polarization state with respect to the second wavelength band? 2 ,
Figure pat00014
With respect to the first wavelength band? 1 , the intensity of the coupling coefficient by the incident light having the TM polarization state,
Figure pat00015
Represents the intensity of the coupling coefficient by the incident light having the TM polarization state with respect to the second wavelength band? 2 ).

서로 다른 두 파장 대역에 대하여, 상기 금속-유전체-금속 도파로에 여기되는 표면 플라즈몬의 세기와 위상 정보를 나타내는 결합 계수의 위상이

Figure pat00016
(
Figure pat00017
는 제1 파장 대역 λ1에 대하여, TE 편광 상태를 가지는 입사광에 의한 결합 계수의 위상,
Figure pat00018
는 제2 파장 대역 λ2에 대하여, TE 편광 상태를 가지는 입사광에 의한 결합 계수의 위상,
Figure pat00019
는 제1 파장 대역 λ1에 대하여, TM 편광 상태를 가지는 입사광에 의한 결합 계수의 위상,
Figure pat00020
는 제2 파장 대역 λ2에 대하여, TM 편광 상태를 가지는 입사광에 의한 결합 계수의 위상을 나타냄)의 결합 계수의 위상 조건을 만족할 수 있다. For two different wavelength bands, the phase of the coupling coefficient representing the intensity and phase information of the surface plasmon excited by the metal-dielectric-metal waveguide is
Figure pat00016
(
Figure pat00017
With respect to the first wavelength band? 1 , the phase of the coupling coefficient by the incident light having the TE polarization state,
Figure pat00018
With respect to the second wavelength band? 2 , the phase of the coupling coefficient by the incident light having the TE polarization state,
Figure pat00019
With respect to the first wavelength band? 1 , the phase of the coupling coefficient by the incident light having the TM polarization state,
Figure pat00020
Represents the phase of the coupling coefficient by the incident light having the TM polarization state with respect to the second wavelength band? 2 ).

상기 금속 슬릿의 너비(

Figure pat00021
)는
Figure pat00022
(여기서 nSPP는 공진 영역 내의 표면 플라즈몬 모드의 유효 굴절율을 나타냄)의 조건을 만족할 수 있다. The width of the metal slit (
Figure pat00021
)
Figure pat00022
(Where n SPP represents the effective refractive index of the surface plasmon mode in the resonance region).

본 발명의 실시 예에 따르면, 비대칭적인 금속 슬릿 구조를 이용하지 않더라도 입사광의 편광 상태를 이용하여 표면 플라즈몬을 단방향으로 여기시킬 수 있다. 또한 FP(Fabry-Perot) 공진 영역 내의 표면 플라즈몬 공진 효과를 이용하여 서로 다른 두 개의 파장 또한 대역을 금속-유전체-금속 도파로의 반대 방향으로 여기시킬 수 있다.According to the embodiment of the present invention, the surface plasmon can be unidirectionally excited by using the polarization state of incident light without using an asymmetric metal slit structure. Also, two different wavelengths can be excited in the opposite direction of the metal-dielectric-metal waveguide using the surface plasmon resonance effect in the FP (Fabry-Perot) resonance region.

또한 입사광의 편광 상태의 변화를 통해, 두 파장 대역의 플라즈몬 여기 방향을 서로 바꿀 수 있다.Further, the excitation directions of the plasmon in the two wavelength bands can be changed by changing the polarization state of the incident light.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 표면 플라즈몬 파장 분할 장치의 정면도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 표변 플라즈몬 파장 분할 장치의 측면도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따라 표면 플라즈몬이 여기되는 양상을 나타낸 도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 파장 분할 장치에서, FP 공진이 일어나는 것을 나타낸 도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 표면 플라즈몬 기반 파장 분할 장치의 파장 분할이 일어난 경우의 전산모사 결과이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 파장 분할 장치의 구조를 나타낸 도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 파장 분할 장치의 구조를 나타낸 도이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 표면 플라즈몬 파장 분할 방법의 흐름도이다. 1 is a front view of a surface plasmon wavelength division device according to an embodiment of the present invention.
2 is a side view of a surface plasmon wavelength splitting apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram illustrating the excitation of a surface plasmon according to an embodiment of the present invention. FIG.
4 is a diagram illustrating FP resonance in a wavelength division device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a computer simulation result when wavelength division of a surface plasmon-based wavelength division device according to an embodiment of the present invention occurs.
6 is a diagram illustrating a structure of a wavelength division device according to another embodiment of the present invention.
7 is a diagram illustrating a structure of a wavelength division device according to another embodiment of the present invention.
8 is a flowchart of a surface plasmon wavelength division method according to an embodiment of the present invention.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 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 실시 예에 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 표면 플라즈몬 파장 분할 장치 및 그 방법에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a surface plasmon wavelength division device and a method thereof 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 표면 플라즈몬 파장 분할 장치의 정면도이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 표변 플라즈몬 파장 분할 장치의 측면도이다. FIG. 1 is a front view of a surface plasmon wavelength division device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a side view of a surface plasmon wavelength division device according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 실시 예에 따른 표면 플라즈몬 파장 분할 장치는, 첨부한 도 1 및 도 2에 도시되어 있듯이, 제1 금속층(10), 유전체층(20), 그리고 제2 금속층(30)을 포함하는 3층 구조로 이루어진다. 1 and 2, a surface plasmon wavelength division device according to an embodiment of the present invention includes a first metal layer 10, a dielectric layer 20, and a third metal layer 30 including a third metal layer 30, Structure.

제1 금속층(10)은 하단 금속층으로 기능하며, 유전체층(20)은 제1 금속층 위에 형성되어 있으며, 제2 금속층(30)은 상단 금속층으로 기능하면서 유전체층 위에 형성되어 있다. The first metal layer 10 functions as a bottom metal layer, the dielectric layer 20 is formed on the first metal layer 30, and the second metal layer 30 is formed on the dielectric layer 30 as a top metal layer.

제2 금속층(30)은 슬릿(31)이 형성되어 있으며, 슬릿(31)은 설정된 너비(슬릿 너비)와, 설정 두께(슬릿 두께)를 가질 수 있다. The second metal layer 30 is formed with a slit 31 and the slit 31 may have a predetermined width (slit width) and a predetermined thickness (slit thickness).

이러한 구조로 이루어지는 본 발명의 실시 예에 따른 표면 플라즈몬 파장 분할 장치(1)는 금속-유전체-금속의 도파로 구조를 가진다. The surface plasmon wavelength division device 1 according to the embodiment of the present invention having such a structure has a metal-dielectric-metal waveguide structure.

입사광이 도 2에서와 같이, 제2 금속층(30)의 슬릿(31)으로 입사되는데, 슬릿(31)에 평행한 방향 벡터(슬릿의 평행 벡터)와 제2 금속층(30)의 금속 표면에 수직한 벡터(금속면의 수직 벡터)가 이루는 평면을 입사면으로 하여, 입사광이 슬릿(31)으로 입사된다. 이때, 입사광은 금속 표면에 수직한 선을 기준으로 임의의 입사각(θinc)을 가지고 입사한다. 입사광의 편광 상태는 도 2에 도시된 것과 같이, 전기장이 금속 슬릿(31)에 수직한 방향 성분만을 가지는 TE(transverse electric) 편광과, 자기장이 금속 슬릿(31)에 수직한 성분만을 가지는 TM(transverse magnetic) 편광의 선형 결합으로 이루어진다. The incident light is incident on the slit 31 of the second metal layer 30 as shown in FIG. 2. The incident light is incident on the slit 31 of the second metal layer 30 by a direction vector (parallel vector of the slit) The incident light is incident on the slit 31 with the plane formed by one vector (the vertical vector of the metal surface) as the incident surface. At this time, the incident light is incident at an arbitrary incident angle (θ inc ) with respect to a line perpendicular to the metal surface. As shown in FIG. 2, the polarization state of the incident light is such that a TE (transverse electric) polarized light having an electric field only in a direction perpendicular to the metal slit 31 and a TM (polarized light) having a magnetic field only perpendicular to the metal slit 31 transverse magnetic polarization.

입사광에 의하여, 제2 금속층(30)의 슬릿(31)을 기준으로 양측의 금속-유전체-금속 도파로에 표면 플라즈몬이 여기된다. The surface plasmon is excited by the incident light on the metal-dielectric-metal waveguides on both sides of the slit 31 of the second metal layer 30.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따라 표면 플라즈몬이 여기되는 양상을 나타낸 도이다. 특히, 도 3은 RCWA(Rigorous coupled wave analysis) 방법을 이용하여 각각 TE 편광과 TM 편광이 입사되는 경우에 각각 여기되는 표면 플라즈몬의 양상을 비교한 전산모사 결과를, 도 1의 정면도와 동일한 평면에서 도시한 것이다.FIG. 3 is a diagram illustrating the excitation of a surface plasmon according to an embodiment of the present invention. FIG. Particularly, FIG. 3 shows the results of computational simulation comparing the states of excited surface plasmons when the TE polarized light and the TM polarized light are incident using a rigorous coupled wave analysis (RCWA) method, in the same plane as the front view of FIG. 1 Respectively.

입사광의 편광이 TE 편광 즉, 전기장이 금속 슬릿에 수직한 방향 성분만을 가지는 편광인 경우 반대칭적 위상을 가지는 표면 플라즈몬이 여기되고, 입사광의 편광이 TM 편광 즉, 자기장이 금속 슬릿에 수직한 성분만을 가지는 편광인 경우 정대칭적 위상을 가지는 표면 플라즈몬 여기가 일어남을 알 수 있다. 특히, TM 편광의 경우, 입사각(θinc)이 0도가 아닌 경우에 한하여 정대칭적인 위상을 가지는 표면 플라즈몬을 여기시킨다. When the polarization of the incident light is TE polarized light, that is, when the electric field is polarized light having only a direction component perpendicular to the metal slit, the surface plasmon having the opposite phase is excited, and when the polarization of the incident light is TM polarized light, It can be seen that a surface plasmon excitation having a positively symmetric phase occurs in the case of polarized light. Especially, in the case of the TM polarized light, the surface plasmon having a positively symmetric phase is excited only when the incident angle θ inc is not 0 °.

단위 크기의 TE 편광과 TM 편광 상태를 가지는 입사광에 의해, 금속-유전체-금속 구조를 가지는 도파로의 좌측 방향을 기준으로 표면 플라즈몬의 단방향 여기가 일어나는 편광 조건은 다음과 같다. The polarization conditions under which the unidirectional excitation of the surface plasmon occurs based on the left direction of the waveguide having the metal-dielectric-metal structure by the incident light having the TE polarized light and TM polarized state of the unit size is as follows.

Figure pat00023
Figure pat00023

여기서,

Figure pat00024
는 단위 크기의 TE 편광 상태를 가지는 입사광에 의하여 금속-유전체-금속 도파로에 여기되는 표면 플라즈몬의 세기와 위상 정보를 나타내는 결합 계수(coupling coefficient)의 세기이며,
Figure pat00025
는 해당 결합 계수의 위상을 나타낸다.
Figure pat00026
는 단위 크기의 TM 편광 상태를 가지는 입사광에 의하여 금속-유전체-금속 도파로에 여기되는 표면 플라즈몬의 세기와 위상 정보를 나타내는 결합 계수의 세기이고,
Figure pat00027
는 해당 결합 계수의 위상을 나타낸다. here,
Figure pat00024
Is a coupling coefficient representing the intensity and phase information of a surface plasmon excited by a metal-dielectric-metal waveguide by incident light having a TE polarized state of a unit size,
Figure pat00025
Represents the phase of the coupling coefficient.
Figure pat00026
Is a coupling coefficient intensity representing intensity and phase information of a surface plasmon excited by a metal-dielectric-metal waveguide by incident light having a TM polarization state of a unit size,
Figure pat00027
Represents the phase of the coupling coefficient.

도 3에서 도시된 것과 같은 정대칭적 및 반대칭적 위상을 가지는 표면 플라즈몬 여기의 간섭 효과를 이용하여, 좌측의 금속-유전체-금속 도파로로 표면 플라즈몬의 단방향 여기가 일어나는 입사광의 편광 조건은, TE 편광과 TM 편광의 선형 결합 비율 (A TE , A TM ) 이 위의 수학식 1의 값을 가지는 경우이다. Using the interference effect of the surface plasmon excitation having the regular symmetry and the opposite phase as shown in FIG. 3, the polarization condition of the incident light that unidirectionally excites the surface plasmon with the metal-dielectric-metal waveguide on the left is TE polarization And the linear combination ratio ( A TE , A TM ) of the TM polarized light has the value of the above-mentioned formula (1).

반면에, 우측의 금속-유전체-금속 도파로로 표면 플라즈몬의 단방향 여기가 일어나는 입사광의 편광 조건은, TE 편광과 TM 편광의 선형 결합 비율(A TE , A TM )이 다음 수학식 2와 같은 값을 가지는 경우이다. On the other hand, the polarization condition of the incident light at which the unidirectional excitation of the surface plasmon is caused by the right-side metal-dielectric-metal waveguide is such that the linear combination ratio ( A TE , A TM ) of the TE polarized light and the TM polarized light satisfies the following Equation .

Figure pat00028
Figure pat00028

위와 같은 입사 편광 조건들에서, 금속-유전체-금속 도파로내 여기되는 표면 플라즈몬은 단방향 여기를 가지게 된다. 위의 수학식 1 및 수학식 2에 따른 편광 조건들은 단방향 표면 플라즈몬 여기 조건이라고 명명할 수 있다. In such incident polarization conditions, the surface plasmon excited in the metal-dielectric-metal waveguide has a unidirectional excitation. The polarization conditions according to the above equations (1) and (2) can be called unidirectional surface plasmon excitation conditions.

본 발명의 실시 예에서는 위의 단방향 표면 플라즈몬 여기 조건을 이용하여, 두 개의 서로 다른 파장 대역에서 단방향 여기의 방향을 반대로 가지는 파장 분할 장치를 제공한다. In the embodiment of the present invention, a wavelength division device having two unidirectional excitation directions reversed in two different wavelength bands using the above unidirectional surface plasmon excitation conditions is provided.

분리하고자 하는 두 파장의 값을 λ1과 λ2라고 하면, 동일 편광 조건에 대해서, λ1 에 해당하는 파장에서 수학식 1의 조건을 만족하고, 그와 동시에 λ2 에 해당하는 파장에서 수학식 2의 조건을 만족하는 경우, 이론상으로 두 파장 대역의 분리가 가능하다. 이때의 결합 계수의 세기 조건은 다음 수학식 3과 같으며, 결합 계수의 위상 조건은 다음 수학식 4와 같다. The values of the two wavelengths to be separated Speaking of λ 1 and λ 2, equation for the same polarization conditions, satisfy the condition of equation (1) at wavelengths corresponding to λ 1, and at the same time, at the wavelength corresponding to λ 2 2, the separation of two wavelength bands is theoretically possible. The coupling condition coefficient condition at this time is represented by the following Equation (3), and the phase condition of the coupling coefficient is represented by Equation (4).

Figure pat00029
Figure pat00029

Figure pat00030
Figure pat00030

여기서, n은 임의의 정수를 나타낸다. Here, n represents an arbitrary integer.

Figure pat00031
와
Figure pat00032
는 제1 파장 대역 λ1에 대하여, TE 편광 상태를 가지는 입사광에 의한 결합 계수의 세기 및 위상을 각각 나타낸다.
Figure pat00033
와
Figure pat00034
는 제2 파장 대역 λ2에 대하여, TE 편광 상태를 가지는 입사광에 의한 결합 계수의 세기 및 위상을 각각 나타낸다.
Figure pat00031
Wow
Figure pat00032
Represents the intensity and phase of the coupling coefficient by the incident light having the TE polarization state with respect to the first wavelength band? 1 , respectively.
Figure pat00033
Wow
Figure pat00034
Represents the intensity and phase of the coupling coefficient by the incident light having the TE polarization state with respect to the second wavelength band? 2 , respectively.

Figure pat00035
와
Figure pat00036
는 제1 파장 대역 λ1에 대하여, TM 편광 상태를 가지는 입사광에 의한 결합 계수의 세기 및 위상을 각각 나타낸다.
Figure pat00037
와
Figure pat00038
는 제2 파장 대역 λ2에 대하여, TM 편광 상태를 가지는 입사광에 의한 결합 계수의 세기 및 위상을 각각 나타낸다.
Figure pat00035
Wow
Figure pat00036
Represents the intensity and phase of the coupling coefficient by the incident light having the TM polarization state with respect to the first wavelength band? 1 .
Figure pat00037
Wow
Figure pat00038
Represents the intensity and phase of the coupling coefficient by the incident light having the TM polarization state with respect to the second wavelength band? 2 , respectively.

위의 수학식 3은, 분리하고자 하는 두 파장 대역에 대하여, TE 편광과 TM 편광을 가지는 입사광이 입사되는 경우, 두 파장 대역에 대한 결합 계수간의 크기가 최대한 변화하지 않아야 함을 의미한다. Equation (3) means that when the incident light having the TE polarized light and the TM polarized light is incident on the two wavelength bands to be separated, the magnitude between the coupling coefficients for the two wavelength bands should not vary as much as possible.

반면에 수학식 4는, 분리하고자 하는 두 파장 대역에 대하여, TE 편광과 TM편광을 가지는 입사광이 입사되는 경우, 결합 계수간의 위상 차이는 (2n+1)π 즉, 정확히 반대 위상에 해당하는 (2n+1)π 값을 가져야 함을 의미한다. On the other hand, in Equation (4), when incident light having TE polarized light and TM polarized light is incident on two wavelength bands to be separated, the phase difference between coupling coefficients is (2n + 1) 2n + 1) π.

일반적인 금속 슬릿 구조에서 표면 플라즈몬 모드로의 결합 계수의 세기를 유지한 채 위상만을 급격히 변화시키는 것은 무척 어려운 일이지만, 본 발명의 실시 예에 따른 파장 분할 장치의 구조에서는 구조 내의 FP(Fabry-Perot) 공진 효과를 이용하여 위의 수학식 3과 수학식 4가 동시에 만족되도록 할 수 있다. 또한 임의의 분리하고자 하는 두 파장 대역을 설계하고 이들을 효과적으로 분리한다. It is very difficult to rapidly change the phase only while maintaining the coupling coefficient from the general metal slit structure to the surface plasmon mode. However, in the structure of the wavelength division device according to the embodiment of the present invention, the Fabry- The above Equations 3 and 4 can be simultaneously satisfied by using the resonance effect. In addition, two wavelength bands to be arbitrarily separated are designed and effectively separated.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 파장 분할 장치에서, FP 공진이 일어나는 것을 나타낸 도이며, FP 공진 영역과 공진 모드를 나타내는 모식도이다.FIG. 4 is a diagram illustrating the FP resonance occurring in the wavelength division device according to the embodiment of the present invention, and is a schematic diagram showing the FP resonance region and the resonance mode.

가시광 영역과 근적외선 영역의 입사 광은 금속 표면에서 강한 표면 플라즈몬 공진을 일으키게 되는데, 입사 광 중에서 금속 슬릿을 통과하는 빛의 일부는 하단 금속층(10)과 상단 금속층(30)에 새겨진 슬릿 사이의 경계면의 표면 플라즈몬 모드로 결합하여 x축 방향으로 좌우 공진을 일으키게 된다. 이때 일부는 금속-유전체-금속 도파로로 전파되고, 일부는 다시 반사를 일으키며 도 4에 도시된 영역 내에서 FP 공진을 일으키게 된다. 이때 FP 공진 조건이 일어나는 금속 슬릿의 너비(

Figure pat00039
) 조건은 다음 수학식 5와 같다. Part of the incident light passing through the metal slit is incident on the interface between the lower metal layer 10 and the slit engraved in the upper metal layer 30, Surface plasmon mode to generate a left-right resonance in the x-axis direction. At this time, some of them propagate to the metal-dielectric-metal waveguide, and some cause back reflection and cause FP resonance in the region shown in Fig. At this time, the width of the metal slit in which the FP resonance condition occurs
Figure pat00039
) ≪ / RTI >

Figure pat00040
Figure pat00040

여기서, m 은 임의의 자연수 값을 가지며, FP 모드의 공진 차수를 나타낸다.Here, m has an arbitrary natural number value and represents the resonance degree of the FP mode.

여기서 nSPP는 공진 영역 내의 표면 플라즈몬 모드의 유효 굴절율을 나타내며, 이를 수식으로 나타내면 다음과 같다. Here, n SPP represents the effective refractive index of the surface plasmon mode in the resonance region, which can be expressed as follows.

Figure pat00041
Figure pat00041

여기서 εmetal은 금속층의 비유전율을 나타내며, εdielec은 중간 유전체층의 비유전율을 나타낸다. Where ε metal represents the relative dielectric constant of the metal layer, and ε dielec represents the relative dielectric constant of the intermediate dielectric layer.

위의 수학식 5에서, m 이 짝수 값을 가지는 공진 조건은 TE 편광에서 번갈아 가며 나타나고, m 이 홀수 값을 가지는 공진 조건은 TM 편광에서 번갈아가며 나타나게 된다. 이것은 도 4에 도시한 바와 같이, 홀수 차수의 공진 조건은 정대칭적 양상을 가지고, 짝수 차수의 공진 조건은 반대칭적 양상을 가지기 때문이다. In Equation (5), resonance conditions in which m has an even value appear alternately in TE polarized light, and resonance conditions in which m has an odd value appear alternately in TM polarized light. This is because, as shown in Fig. 4, the resonance condition of an odd order has a regular symmetry and the resonance condition of an even order has an opposite characteristic.

FP 공진 조건을 지나칠 때마다 해당 편광 상태의 입사 광은 결합 계수의 급격한 변화를 겪게 되는데, 이는 대다수의 공진 현상에서 크라머스 크로니히(Kramers-Kronig) 관계에 의해서 잘 알려진 현상이다. Whenever the FP resonance condition is exceeded, the incident light of the corresponding polarization state undergoes abrupt changes in the coupling coefficient, which is well known by the Kramers-Kronig relationship in the majority of resonance phenomena.

본 발명의 실시 예에서는, TE 편광의 FP공진 조건과 TM 편광의 FP 공진 조건이 동시에 나타나지 않기 때문에, 분리하고자 하는 두 파장 대역 사이에 TE 편광 상태의 FP 공진 조건 또는 TM 편광 상태의 FP 공진 조건이 한 개만 들어가게 슬릿의 너비를 설계하여, 한쪽 편광에 대해서만 강한 결합 계수의 위상 변화가 일어나 되어, 위의 수학식 3과 수학식 4의 관계를 동시에 만족시킬 수 있게 된다. In the embodiment of the present invention, since the FP resonance condition of the TE polarized light and the FP resonance condition of the TM polarized light do not appear at the same time, the FP resonance condition of the TE polarized light state or the FP resonant condition of the TM polarized state The width of the slit is designed so that only one of the polarizations is included, and a phase change of a strong coupling coefficient occurs only for one polarized light, so that the relationship of Equation (3) and Equation (4) can be satisfied at the same time.

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 표면 플라즈몬 기반 파장 분할 장치의 파장 분할이 일어난 경우의 전산모사 결과이다. 즉, 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 파장 분할 장치에서, 분리하고자 하는 두 파장 대역 사이에 놓여 있도록 설계된 슬릿 너비 조건에 대해서 각 파장에 대해서 여기되는 표면 플라즈몬의 양상을 나타낸다. FIG. 5 is a computer simulation result when wavelength division of a surface plasmon-based wavelength division device according to an embodiment of the present invention occurs. That is, FIG. 5 illustrates a surface plasmon excited at each wavelength with respect to a slit width condition designed to lie between two wavelength bands to be separated in the wavelength division device according to an embodiment of the present invention.

구체적으로, 도 5에서는 분리하고자 하는 파장 대역이 각각 532nm와 660nm이고, 2차 공진 모드의 조건이 두 파장 대역 사이에 놓여 있도록 설계된 슬릿 너비 조건에서, 각 파장에 대해서 여기되는 표면 플라즈몬의 양상을 비교하였다.Specifically, in FIG. 5, the patterns of excited surface plasmons are compared with respect to each wavelength in a slit width condition designed so that the wavelength bands to be separated are respectively 532 nm and 660 nm and the condition of the second resonance mode lies between the two wavelength bands Respectively.

위에 기술된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에서는 금속-유전체-금속으로 이루어지는 3층 박막에 금속 슬릿을 형성하고, 금속 슬릿의 방향 벡터와 금속 표면의 수직 벡터가 이루는 평면을 입사면으로 하는 광을 입사시키고 이러한 입사광의 편광 상태를 조절하여 단방향으로 진행하는 표면 플라즈몬을 여기시킴으로써, 동일 편광 상태에서 서로 다른 두 파장 대역의 빛이 서로 반대 방향으로 여기될 수 있도록 한다. 특히, 표면 플라즈몬의 단방향 여기가 서로 다른 두 파장 대역에서 반대 방향으로 나타나도록, 입사광의 편광 조건이 두 파장 대역에 대해 결합 계수간의 크기가 최대한 변화하지 않고, 결합 계수간의 위상 차이는 설정값((2n+1)π)을 가지는 것을 만족하도록, 입사광의 편광 상태를 조절한다. As described above, in the embodiment of the present invention, a metal slit is formed in a three-layer thin film made of a metal-dielectric-metal, and a light having a plane formed by a direction vector of the metal slit and a vertical vector of the metal surface serves as an incident surface And excites a surface plasmon that proceeds in a unidirectional manner by controlling the polarization state of the incident light so that light of two different wavelength bands in the same polarization state can be excited in directions opposite to each other. In particular, the polarization condition of the incident light does not change as much as the magnitude of the coupling coefficient for the two wavelength bands, so that the unidirectional excitation of the surface plasmon appears in opposite directions in two different wavelength bands, 2n + 1) < / RTI >), so that the polarization state of the incident light is adjusted.

본 발명의 실시 예에 따른 파장 분할 방법은 무한한 길이의 금속 슬릿에 대해서 적용되는 경우를 토대로 기술되었으나, 실질적으로 무한한 길이의 금속 슬릿을 금속 표면 위에 새기는 것은 불가능하다. 그러나 본 발명의 실시 예에 따른 파장 분할 방법은 유한한 길이의 금속 슬릿에 대해서도 동일하게 적용될 수 있다. Although the wavelength division method according to the embodiment of the present invention is described based on a case where the method is applied to a metal slit having an infinite length, it is impossible to engrave a metal slit having a substantially infinite length on a metal surface. However, the wavelength division method according to the embodiment of the present invention can be similarly applied to a metal slit having a finite length.

도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 파장 분할 장치의 구조를 나타낸 도이다. 6 is a diagram illustrating a structure of a wavelength division device according to another embodiment of the present invention.

첨부한 도 6과 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 파장 분할 장치가 도 1과 같이, 제1 금속층(10), 유전체층(20), 그리고 제2 금속층(30)을 포함하는 3층 구조로 이루어지고, 무한한 금속 슬릿이 아닌, 세로 길이가 가로 길이에 비해 충분히 긴 직사각형 개구 구조를 가지는 슬릿(S1)이 형성된다. As shown in FIG. 6, a wavelength division device according to an embodiment of the present invention has a three-layer structure including a first metal layer 10, a dielectric layer 20, and a second metal layer 30, as shown in FIG. A slit S1 having a rectangular opening structure whose longitudinal length is sufficiently longer than the transverse length is formed, not the infinite metal slit.

이와 같이, 유한한 길이를 가지는 금속 슬릿이 형성되어 있는 3층 도파로 구조에서도, 위에 기술된 바와 같은 수학식들을 만족하는 조건 등이 거의 동등하게 적용될 수 있다. Thus, even in a three-layered waveguide structure in which a metal slit having a finite length is formed, conditions satisfying the above-described equations can be applied almost equally.

한편, 본 발명의 실시 예에서는 FP 공진이 일어나기 위한 현상을 하단 금속층의 영향으로 인한 것으로 기술하였으나, 본 발명은 이것에 한정되지 않으며, 슬릿으로 입사하는 입사광이 좌우로 공진할 수 있어 강한 FP 공진을 만들어낼 수 있는 다른 구조에도 적용될 수 있다. However, the present invention is not limited to this, and the incident light incident on the slit can resonate to the left and right, so that a strong FP resonance can be obtained. It can also be applied to other structures that can be created.

도 7은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 파장 분할 장치의 구조를 나타낸 도이다. 7 is a diagram illustrating a structure of a wavelength division device according to another embodiment of the present invention.

첨부한 도 7에서와 같이, 금속-유전체-금속 도파로의 구조에서 상단 금속층에 슬릿이 형성되는 구조를 기본으로 하면서, 슬릿으로 입사하는 빛이 좌우로 공진할 수 있어 강한 FP 공진을 만들어낼 수 있도록, 서로 다른 형태의 표면 플라즈몬 공진 영역을 형성하는 구조라면, 본 발명의 실시 예에 따른 파장 분할 방법이 적용될 수 있다. As shown in FIG. 7, a slit is formed in the upper metal layer in the structure of the metal-dielectric-metal waveguide, and the light incident on the slit can be resonated to the left and right to produce a strong FP resonance. , The wavelength division method according to the embodiment of the present invention can be applied to a structure in which different types of surface plasmon resonance regions are formed.

도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 표면 플라즈몬 파장 분할 방법의 흐름도이다. 8 is a flowchart of a surface plasmon wavelength division method according to an embodiment of the present invention.

파장 분할 장치(1)는 금속-유전체-금속 도파로를 형성하면서 상단 금속층에 슬릿이 형성되는 구조에서, 입사광을 금속 슬릿으로 입사시킨다. 먼저 분리하고자 하는 두 파장 대역을 정의하고, 두 파장 대역별로 공진 조건을 일으키는 금속 슬릿의 너비 조건들을 수학식 5를 토대로 각각 산출하고, 최종적으로 금속 슬릿의 너비 가 산출된 두 파장 대역에 대한 너비 조건들 사이의 값을 가지도록 금속 슬릿을 설계한다(S100).The wavelength division device 1 causes incident light to enter the metal slit in a structure in which a slit is formed in the upper metal layer while forming a metal-dielectric-metal waveguide. First, the two wavelength bands to be separated are defined, and the width conditions of the metal slits causing the resonance conditions for the two wavelength bands are calculated based on Equation (5). Finally, the width of the metal slit is calculated based on the width condition A metal slit is designed to have a value between the slits (S100).

특히, 입사광은 전기장 방향이 입사면과 수직한 성분만 존재하는 TE 편광과, 자기장 방향이 입사면과 수직한 성분만 존재하는 TM 편광이 선형 결합으로 이루어진 편광 상태를 가진다. 이러한 입사광의 편광 상태가 즉, TE 편광과 TM 편광의 선형 결합 비율이 제1 파장 대역에서는 제1 편광 조건을 만족하도록 입사광의 편광 상태를 조절하고(S110), 제2 파장 대역에서는 제2 편광 조건을 만족하도록 입사광의 편광 상태를 조절하여(S120), 제1 파장 대역에서 단방향 표면 플라즈몬이 여기되는 방향과, 제2 파장 대역에서 단방향 표면 플라즈몬이 여기되는 방향이 달라지도록 한다. In particular, the incident light has a polarization state in which TE polarized light in which the electric field direction is perpendicular to the incident surface and TM polarized light in which the magnetic field direction is perpendicular to the incident surface are linearly coupled. The polarization state of the incident light, that is, the linear combination ratio of the TE polarized light and the TM polarized light satisfies the first polarized condition in the first wavelength band (S110). In the second wavelength range, the second polarized condition (S120) so that the excitation direction of the unidirectional surface plasmon in the first wavelength band and the excitation direction of the unidirectional surface plasmon in the second wavelength band are changed.

이때, 입사광에 의하여, 서로 다른 두 파장 대역에 대하여, 금속-유전체-금속 도파로에 여기되는 표면 플라즈몬의 세기와 위상 정보를 나타내는 결합 계수의 크기가 위의 수학식 3에 따른 결합 계수의 세기 조건을 만족하도록 한다. 그리고 결합 계수의 위상이 위의 수학식 4에 따른 결합 계수의 위상 조건을 만족하도록 한다. 이 조건들이 만족되는 경우, 제1 파장 대역의 편광 조건과 제2 파장 대역에서의 편광 조건은 동일하게 되어, 동일 편광 조건에서 파장 분할이 가능하게 된다.At this time, the magnitude of the coupling coefficient indicating the intensity and phase information of the surface plasmon excited by the metal-dielectric-metal waveguide for the two different wavelength bands by the incident light satisfies the condition of the coupling coefficient according to Equation (3) Satisfaction. And the phase of the coupling coefficient satisfies the phase condition of the coupling coefficient according to Equation (4). If these conditions are satisfied, the polarization condition in the first wavelength band and the polarization condition in the second wavelength band become the same, and wavelength division is possible under the same polarization condition.

이러한 조건들을 만족하는 편광 상태를 가지는 제1 파장 대역의 입사광이 금속 슬릿으로 입사되면서, 금속-유전체-금속 도파로 내에서 제1 방향(예를 들어, 좌측 방향)의 단방향 표면 플라즈몬을 여기시킨다(S130). 그리고 이러한 조건들을 만족하는 편광 상태를 가지는 제2 파장 대역의 입사광이 금속 슬릿으로 입사되면서, 금속-유전체-금속 도파로 내에서 제2 방향(예를 들어, 우측 방향)의 단방향 표면 플라즈몬을 여기시킨다(S140). The unidirectional surface plasmon in the first direction (for example, the left direction) is excited in the metal-dielectric-metal waveguide while the incident light of the first wavelength band having the polarization state satisfying these conditions is incident on the metal slit (S130 ). Then, incident light in a second wavelength band having a polarization state satisfying these conditions is incident on the metal slit to excite a unidirectional surface plasmon in a second direction (for example, rightward direction) in the metal-dielectric-metal waveguide S140).

이상에서 본 발명의 실시 예에 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 (14)

제1 금속층;
상기 제1 금속층 위에 형성된 유전체층,
상기 유전체층 위에 형성되어 있으며, 금속 슬릿이 형성되어 있는 제2 금속층
을 포함하고,
상기 제1 금속층, 유전체층, 그리고 제2 금속층에 대응하는 금속-유전-금속의 도파로 내에서, 상기 금속 슬릿으로 입사되는 입사광의 편광 상태에 따라, 제1 파장 대역에 대하여 제1 방향의 단방향 표면 플라즈몬이 여기되고, 제2 파장 대역에 대하여 제2 방향의 단방향 표면 플라즈몬이 여기되며, 상기 제1 방향과 제2 방향은 서로 반대인, 파장 분할 장치.A first metal layer;
A dielectric layer formed on the first metal layer,
A second metal layer formed on the dielectric layer and having a metal slit,
/ RTI >
And a first unidirectional surface plasmon in a first direction with respect to a first wavelength band in accordance with a polarization state of incident light entering the metal slit in a metal-dielectric-metal waveguide corresponding to the first metal layer, the dielectric layer, And the unidirectional surface plasmon in the second direction is excited with respect to the second wavelength band, and the first direction and the second direction are opposite to each other. 제1항에 있어서
상기 입사광은, 상기 제1 금속층, 유전체층, 그리고 제2 금속층에 대응하는 3층 박막의 수직 벡터와 상기 금속 슬릿의 방향 벡터가 이루는 평면을 입사면으로 하여, 상기 금속 슬릿으로 입사되는, 파장 분할 장치.The method of claim 1, wherein
The incident light is incident on the metal slit with a plane formed by a vertical vector of the three-layer thin film corresponding to the first metal layer, the dielectric layer, and the second metal layer and a direction vector of the metal slit as an incident surface, . 제2항에 있어서
상기 입사광은 전기장 방향이 상기 입사면과 수직한 성분만 존재하는 제1 편광 편광인 TE(transverse electric) 편광과, 자기장이 상기 입사면에 수직한 성분만을 가지는 제2 편광인 TM(transverse magnetic) 편광의 선형 결합으로 이루어지는, 파장 분할 장치.The method according to claim 2, wherein
The incident light has a transverse electric (TE) polarized light, which is a first polarized light polarized in a direction perpendicular to the incident surface, and a transverse magnetic polarized light (TM), which is a second polarized light having a magnetic polarized component only perpendicular to the incident surface. Of the wavelength division multiplexing optical signal. 제3항에 있어서
상기 입사광의 편광 조건이 상기 제1 방향의 표면 플라즈몬 여기를 위하여, 다음의 선형 결합 비율을 만족하는, 파장 분할 장치.
Figure pat00042

여기서,
Figure pat00043
는 단위 크기의 TE 편광 상태를 가지는 입사광에 의하여 상기 도파로에 여기되는 표면 플라즈몬의 세기와 위상 정보를 나타내는 결합 계수(coupling coefficient)의 세기이며,
Figure pat00044
는 해당 결합 계수의 위상을 나타냄.
Figure pat00045
는 단위 크기의 TM 편광 상태를 가지는 입사광에 의하여 상기 도파로에 여기되는 표면 플라즈몬의 세기와 위상 정보를 나타내는 결합 계수의 세기이고,
Figure pat00046
는 해당 결합 계수의 위상을 나타냄.The method of claim 3, wherein
Wherein the polarization condition of the incident light satisfies the following linear combination ratio for surface plasmon excitation in the first direction.
Figure pat00042

here,
Figure pat00043
Is an intensity of a coupling coefficient indicating intensity and phase information of a surface plasmon excited by the waveguide by incident light having a TE polarized state of a unit size,
Figure pat00044
Represents the phase of the coupling coefficient.
Figure pat00045
Is the intensity of the coupling coefficient indicating the intensity and phase information of the surface plasmon excited by the waveguide by the incident light having the TM polarization state of the unit size,
Figure pat00046
Represents the phase of the coupling coefficient. 제3항에 있어서
상기 입사광의 편광 조건이 상기 제2 방향의 표면 플라즈몬 여기를 위하여, 다음의 선형 결합 비율을 만족하는, 파장 분할 장치.
Figure pat00047

여기서,
Figure pat00048
는 단위 크기의 TE 편광 상태를 가지는 입사광에 의하여 상기 도파로에 여기되는 표면 플라즈몬의 세기와 위상 정보를 나타내는 결합 계수(coupling coefficient)의 세기이며,
Figure pat00049
는 해당 결합 계수의 위상을 나타냄.
Figure pat00050
는 단위 크기의 TM 편광 상태를 가지는 입사광에 의하여 상기 도파로에 여기되는 표면 플라즈몬의 세기와 위상 정보를 나타내는 결합 계수의 세기이고,
Figure pat00051
는 해당 결합 계수의 위상을 나타냄.The method of claim 3, wherein
Wherein the polarization condition of the incident light satisfies the following linear combination ratio for surface plasmon excitation in the second direction.
Figure pat00047

here,
Figure pat00048
Is an intensity of a coupling coefficient indicating intensity and phase information of a surface plasmon excited by the waveguide by incident light having a TE polarized state of a unit size,
Figure pat00049
Represents the phase of the coupling coefficient.
Figure pat00050
Is the intensity of the coupling coefficient indicating the intensity and phase information of the surface plasmon excited by the waveguide by the incident light having the TM polarization state of the unit size,
Figure pat00051
Represents the phase of the coupling coefficient. 제3항에 있어서
서로 다른 두 파장 대역에 대하여, 상기 금속-유전체-금속 도파로에 여기되는 표면 플라즈몬의 세기와 위상 정보를 나타내는 결합 계수의 크기가 다음의 결합 계수의 세기 조건을 만족하는, 파장 분할 장치.
Figure pat00052

Figure pat00053
는 제1 파장 대역 λ1에 대하여, TE 편광 상태를 가지는 입사광에 의한 결합 계수의 세기,
Figure pat00054
는 제2 파장 대역 λ2에 대하여 TE 편광 상태를 가지는 입사광에 의한 결합 계수의 세기,
Figure pat00055
는 제1 파장 대역 λ1에 대하여, TM 편광 상태를 가지는 입사광에 의한 결합 계수의 세기,
Figure pat00056
는 제2 파장 대역 λ2에 대하여, TM 편광 상태를 가지는 입사광에 의한 결합 계수의 세기를 나타냄.The method of claim 3, wherein
Wherein, for two different wavelength bands, the magnitude of the coupling coefficient indicating the intensity and phase information of the surface plasmon excited by the metal-dielectric-metal waveguide satisfies the following coupling condition intensity condition.
Figure pat00052

Figure pat00053
With respect to the first wavelength band? 1 , the intensity of the coupling coefficient by the incident light having the TE polarization state,
Figure pat00054
Is the intensity of the coupling coefficient by the incident light having the TE polarization state with respect to the second wavelength band? 2 ,
Figure pat00055
With respect to the first wavelength band? 1 , the intensity of the coupling coefficient by the incident light having the TM polarization state,
Figure pat00056
Represents the intensity of the coupling coefficient due to the incident light having the TM polarization state with respect to the second wavelength band? 2 . 제3항에 있어서
서로 다른 두 파장 대역에 대하여, 상기 금속-유전체-금속 도파로에 여기되는 표면 플라즈몬의 세기와 위상 정보를 나타내는 결합 계수의 위상이 다음의 결합 계수의 위상 조건을 만족하는, 파장 분할 장치.
Figure pat00057

Figure pat00058
는 제1 파장 대역 λ1에 대하여, TE 편광 상태를 가지는 입사광에 의한 결합 계수의 위상,
Figure pat00059
는 제2 파장 대역 λ2에 대하여, TE 편광 상태를 가지는 입사광에 의한 결합 계수의 위상,
Figure pat00060
는 제1 파장 대역 λ1에 대하여, TM 편광 상태를 가지는 입사광에 의한 결합 계수의 위상,
Figure pat00061
는 제2 파장 대역 λ2에 대하여, TM 편광 상태를 가지는 입사광에 의한 결합 계수의 위상을 나타냄.The method of claim 3, wherein
Wherein, for two different wavelength bands, the phase of the coupling coefficient indicating the intensity and phase information of the surface plasmon excited by the metal-dielectric-metal waveguide satisfies the phase condition of the following coupling coefficient.
Figure pat00057

Figure pat00058
With respect to the first wavelength band? 1 , the phase of the coupling coefficient by the incident light having the TE polarization state,
Figure pat00059
With respect to the second wavelength band? 2 , the phase of the coupling coefficient by the incident light having the TE polarization state,
Figure pat00060
With respect to the first wavelength band? 1 , the phase of the coupling coefficient by the incident light having the TM polarization state,
Figure pat00061
Represents the phase of the coupling coefficient due to the incident light having the TM polarization state with respect to the second wavelength band? 2 . 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서
상기 금속 슬릿의 너비(
Figure pat00062
)는 다음의 조건을 만족하는, 파장 분할 장치.
Figure pat00063

여기서 nSPP는 공진 영역 내의 표면 플라즈몬 모드의 유효 굴절율을 나타냄8. The method according to any one of claims 1 to 7
The width of the metal slit (
Figure pat00062
) Satisfies the following condition.
Figure pat00063

Where n SPP represents the effective refractive index of the surface plasmon mode in the resonance region. 표면 플라즈몬 파장 분할 방법에서,
제1 파장 대역에서는 제1 편광 조건을 만족하도록 입사광의 편광 상태를 조절하는 단계;
제2 파장 대역에서는 제2 편광 조건을 만족하도록 입사광의 편광 상태를 조절하는 단계;
상기 편광 상태가 조절된 제1 파장 대역의 입사광을, 금속 슬릿이 형성되어 있는 3층 박막 구조로 입사시켜 제1 방향의 단방향 표면 플라즈몬을 여기시키는 단계; 및
상기 편광 상태가 조절된 제2 파장 대역의 입사광을, 금속 슬릿이 형성되어 있는 3층 박막 구조로 입사시켜 제2 방향의 단방향 표면 플라즈몬을 여기시키는 단계
를 포함하며,
상기 입사광은 전기장 방향이 상기 입사면과 수직한 성분만 존재하는 제1 편광 편광인 TE(transverse electric) 편광과, 자기장이 상기 입사면에 수직한 성분만을 가지는 제2 편광인 TM(transverse magnetic) 편광의 선형 결합으로 이루어지는, 파장 분할 방법.In the surface plasmon wavelength division method,
Adjusting a polarization state of incident light so as to satisfy a first polarization condition in a first wavelength band;
Adjusting a polarization state of incident light so as to satisfy a second polarization condition in a second wavelength band;
Exciting a unidirectional surface plasmon in a first direction by causing the incident light of the first wavelength band in which the polarization state is controlled to enter a three-layer thin film structure having a metal slit; And
Exciting the unidirectional surface plasmon in the second direction by causing the incident light of the second wavelength band in which the polarization state is adjusted to enter the three-layer thin film structure having the metal slit
/ RTI >
The incident light has a transverse electric (TE) polarized light, which is a first polarized light polarized in a direction perpendicular to the incident surface, and a transverse magnetic polarized light (TM), which is a second polarized light having a magnetic polarized component only perpendicular to the incident surface. Wherein the wavelength division multiplexing method comprises: 제9항에 있어서
상기 제1 방향의 표면 플라즈몬 여기를 위하여, 상기 제1 편광 조건은 다음의 선형 결합 비율을 만족하는, 파장 분할 방법.
Figure pat00064

여기서,
Figure pat00065
는 단위 크기의 TE 편광 상태를 가지는 입사광에 의하여 상기 도파로에 여기되는 표면 플라즈몬의 세기와 위상 정보를 나타내는 결합 계수(coupling coefficient)의 세기이며,
Figure pat00066
는 해당 결합 계수의 위상을 나타냄.
Figure pat00067
는 단위 크기의 TM 편광 상태를 가지는 입사광에 의하여 상기 도파로에 여기되는 표면 플라즈몬의 세기와 위상 정보를 나타내는 결합 계수의 세기이고,
Figure pat00068
는 해당 결합 계수의 위상을 나타냄.The method of claim 9, wherein
Wherein for the surface plasmon excitation in the first direction, the first polarization condition satisfies the following linear combination ratio.
Figure pat00064

here,
Figure pat00065
Is an intensity of a coupling coefficient indicating intensity and phase information of a surface plasmon excited by the waveguide by incident light having a TE polarized state of a unit size,
Figure pat00066
Represents the phase of the coupling coefficient.
Figure pat00067
Is the intensity of the coupling coefficient indicating the intensity and phase information of the surface plasmon excited by the waveguide by the incident light having the TM polarization state of the unit size,
Figure pat00068
Represents the phase of the coupling coefficient. 제9항에 있어서
상기 제2 방향의 표면 플라즈몬 여기를 위하여, 상기 제2 편광 조건은 다음의 선형 결합 비율을 만족하는, 파장 분할 방법.
Figure pat00069

여기서,
Figure pat00070
는 단위 크기의 TE 편광 상태를 가지는 입사광에 의하여 상기 도파로에 여기되는 표면 플라즈몬의 세기와 위상 정보를 나타내는 결합 계수(coupling coefficient)의 세기이며,
Figure pat00071
는 해당 결합 계수의 위상을 나타냄.
Figure pat00072
는 단위 크기의 TM 편광 상태를 가지는 입사광에 의하여 상기 도파로에 여기되는 표면 플라즈몬의 세기와 위상 정보를 나타내는 결합 계수의 세기이고,
Figure pat00073
는 해당 결합 계수의 위상을 나타냄.The method of claim 9, wherein
And for the surface plasmon excitation in the second direction, the second polarization condition satisfies the following linear combination ratio.
Figure pat00069

here,
Figure pat00070
Is an intensity of a coupling coefficient indicating intensity and phase information of a surface plasmon excited by the waveguide by incident light having a TE polarized state of a unit size,
Figure pat00071
Represents the phase of the coupling coefficient.
Figure pat00072
Is the intensity of the coupling coefficient indicating the intensity and phase information of the surface plasmon excited by the waveguide by the incident light having the TM polarization state of the unit size,
Figure pat00073
Represents the phase of the coupling coefficient. 제9항에 있어서
상기 제1 및 제2 파장 대역에 대하여, 상기 금속-유전체-금속 도파로에 여기되는 표면 플라즈몬의 세기와 위상 정보를 나타내는 결합 계수의 크기가 다음의 결합 계수의 세기 조건을 만족하는, 파장 분할 방법.
Figure pat00074

Figure pat00075
는 제1 파장 대역 λ1에 대하여, TE 편광 상태를 가지는 입사광에 의한 결합 계수의 세기,
Figure pat00076
는 제2 파장 대역 λ2에 대하여 TE 편광 상태를 가지는 입사광에 의한 결합 계수의 세기,
Figure pat00077
는 제1 파장 대역 λ1에 대하여, TM 편광 상태를 가지는 입사광에 의한 결합 계수의 세기,
Figure pat00078
는 제2 파장 대역 λ2에 대하여, TM 편광 상태를 가지는 입사광에 의한 결합 계수의 세기를 나타냄.The method of claim 9, wherein
Wherein a magnitude of a coupling coefficient indicating intensity and phase information of a surface plasmon excited by the metal-dielectric-metal waveguide satisfies the following coupling condition intensity condition with respect to the first and second wavelength bands.
Figure pat00074

Figure pat00075
With respect to the first wavelength band? 1 , the intensity of the coupling coefficient by the incident light having the TE polarization state,
Figure pat00076
Is the intensity of the coupling coefficient by the incident light having the TE polarization state with respect to the second wavelength band? 2 ,
Figure pat00077
With respect to the first wavelength band? 1 , the intensity of the coupling coefficient by the incident light having the TM polarization state,
Figure pat00078
Represents the intensity of the coupling coefficient due to the incident light having the TM polarization state with respect to the second wavelength band? 2 . 제12항에 있어서
상기 제1 및 제2 파장 대역에 대하여, 상기 금속-유전체-금속 도파로에 여기되는 표면 플라즈몬의 세기와 위상 정보를 나타내는 결합 계수의 위상이 다음의 결합 계수의 위상 조건을 만족하는, 파장 분할 방법.
Figure pat00079

Figure pat00080
는 제1 파장 대역 λ1에 대하여, TE 편광 상태를 가지는 입사광에 의한 결합 계수의 위상,
Figure pat00081
는 제2 파장 대역 λ2에 대하여, TE 편광 상태를 가지는 입사광에 의한 결합 계수의 위상,
Figure pat00082
는 제1 파장 대역 λ1에 대하여, TM 편광 상태를 가지는 입사광에 의한 결합 계수의 위상,
Figure pat00083
는 제2 파장 대역 λ2에 대하여, TM 편광 상태를 가지는 입사광에 의한 결합 계수의 위상을 나타냄.The method of claim 12, wherein
The phase of the coupling coefficient indicating the intensity and phase information of the surface plasmon excited by the metal-dielectric-metal waveguide satisfies the phase condition of the following coupling coefficient with respect to the first and second wavelength bands.
Figure pat00079

Figure pat00080
With respect to the first wavelength band? 1 , the phase of the coupling coefficient by the incident light having the TE polarization state,
Figure pat00081
With respect to the second wavelength band? 2 , the phase of the coupling coefficient by the incident light having the TE polarization state,
Figure pat00082
With respect to the first wavelength band? 1 , the phase of the coupling coefficient by the incident light having the TM polarization state,
Figure pat00083
Represents the phase of the coupling coefficient due to the incident light having the TM polarization state with respect to the second wavelength band? 2 . 제9항에 있어서
상기 금속 슬릿의 너비는 상기 제1 파장 대역에 대하여 공진 조건을 일으키는 너비 조건의 값과, 상기 제2 파장 대역에 대하여 공진 조건을 일으키는 너비 조건의 값 사이의 값을 가지는, 파장 분할 방법.


















The method of claim 9, wherein
Wherein the width of the metal slit has a value between a value of a width condition causing a resonance condition with respect to the first wavelength band and a value of a width condition causing a resonance condition with respect to the second wavelength band.


















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