[논문] Frequency selective metal-insulator-metal splitters for surface plasmons

이번에 소개할 논문은 표면 플라즈몬 가르개를 제안한 논문이다.

하하. 그렇다. 또 내 논문이다. 하하.

일단 표지부터 어떻게 생겼는지 보고.

나와 지도교수님 두 분만 들어간 저자 구성이 깔끔한 논문이다. 지난 6월에 출판되었는데, 이제서야 살펴보기를 쓴다. 뭐 그 동안 바쁘기도 했고.

# 간단한 정보

글쓴이: 황용섭, 김재은, 박해용

제목: Frequency selective metal-insulator-metal splitters for surface plasmons

학술지: Optics Communications

발행년월: 2011년 6월

이어가기: http://dx.doi.org/10.1016/j.optcom.2011.05.069

카이스트 물리학과의 박해용 교수님과 김재은 교수님의 제자인 황용섭이 주저자로 쓴 논문이다. 학술지를 대량으로 가지고 있는 Elsevier에서 나오는 학술지 중 하나인 Optics Communications에 실렸다. 논문 투고하고 게재승인 되기까지 이야기는 다른 글에 써 두었다.

지난번 소개했던 금속-부도체-금속 거울 논문의 후속작이라고 할 수 있다. 밑에 보여줄 그림들을 보면 딱 봐도 뭔가 비슷하다는 걸 알 수 있을 것이다. 주파수 선택적으로 표면 플라즈몬 가르개로 작동하는 소자를 유한차 시간영역 (FDTD) 방법으로 계산하고 분석한 것이다.

1.
그럼 논문 내용을 좀 살펴보자.

 그림 1. (a) 표면 플라즈몬 가르개의 구조.
(b) 금속-부도체-금속 구조에서 표면 플라즈몬의 분산관계

 
그림 1(a)가 논문에서 제안한 표면 플라즈몬(표플) 가르개의 구조이다. 왼쪽에 있는 초록색 점이 광원이다. 거기에서 빛이 출발하여 표플이 된 뒤 왼쪽으로 가거나 아랫쪽으로 꺾어져 나가는 표플 소자이다. 회색은 은(Ag)이고 흰색은 공기, 노란색은 유전체이다.

그림 1(b)는 금속-부도체-금속 구조의 분산관계 그래프이다. 검정색 선이 은/공기/은 구조의 분산관계이고, 파란색 선이 은/유전체/은 구조의 분산관계이다. 이 두 구조를 잘 붙여서 그림 1(a)의 가르개를 만든 셈이다.


2.
그럼 만든 것이 정말 잘 작동하는지 살펴보자.
 

그림 2. 표플이 직진하거나 꺾이는 비율과 그 자기장 모양.

그림 2(a)에서 검정색 점선은 표플이 왼쪽에서 들어와서 오른쪽으로 직진하는 비율을 나타내며, 파란색 실선은 표플이 왼쪽에서 들어와서 중간에 꺾인 뒤 아래쪽으로 내려가는 비율을 나타낸다. 주파수 영역을 I, II, III으로 나누었는데, I 영역에서는 직진과 내려가는 표플이 모두 있지만, II와 III 영역에서는 직진하는 것이 거의 없음을 알 수 있다. 그러니 주파수 영역에 따라 표플이 두 갈래로 나누어져서 가거나, 아니면 꺾이기만 하는 셈이다. (b)를 보면 두 갈래로 갈라져서 가는 걸 볼 수 있고, (d)를 보면 꺾이기만 해서 가는 걸 볼 수 있다.

주파수에 따라 어떤 것은 갈라지고 어떤 것은 반사만 된다. 뭐, 사실 그게 대단히 특별한 건 아니다. 그래도 매우 복잡한 구조 없이 가르개를 만들어 보았다는 것에 그 뜻을 둔다.

그리고 위의 특징을 저 위에 있는 그림 1(b)의 분산관계를 이용해서 설명할 수 있다. 잘 보면 분산관계에도 I, II, III으로 주파수 영역을 나누어 둔 것을 볼 수 있다. 그 영역과 그림 2(a)에서 나눈 영역이 같다. 

3.
그림 하나 더 보면서 마무리 해볼까?

그림 3. 직진하는 것과 꺾이는 것의 비율을 반반으로 만들어보자.

그런데 직진하는 것과 꺾이는 것의 비율을 반반으로 만들어보고 싶으면 어쩌지? 양념반, 후라이드반 처럼 말이다. 그림 3(a)를 보면 직진하는 것 (T)와 꺾이는 것 (S)가 가로축의 값이 바뀜에 따라 달라지는 걸 알 수 있다. 그러니 가로축의 값을 적절하게 설정해주면 두 검정색과 파란색이 만나는 곳을 찾을 수 있다는 말이다. 그 가로축의 값은 나가는 쪽 도파로의 폭이며, 그 폭을 적당히 넓혀주면 표플을 5:5로 나눌 수 있다. 그렇게 반반을 만든 것이 바로 그림 3(d)이다. 뭐 눈으로 보기에는 직진하는 게 더 센 것처럼 보이지만 그건 당신 눈의 착각일뿐!

그렇게 해서 반반으로 나누는 것도 만들었다.

논문에는 그림이 하나 더 있는데 그건 생략.

5.
왜?
왜 이런 구조를 제안하는가?
표면 플라즈몬은 작다. 짧다. 그러니 가르개도 좀 더 작게 만들 수 있다. 그리고 주파수, 즉 파장에 따라 골라낼 수 있다. 그러니 뭐 나름 재미있지 않은가?

6. 총평
유한차 시간 영역 방법을 써서 주파수 선택적인 표면 플라즈몬 가르개의 구조를 제안한 연구이다. 첫 번째 논문의 연장선상에 있는 일이라 크게 어렵지는 않았다. 그런데 그러다보니 그 자체로 독립적이라기 보다는 앞의 일과 이어서 생각해야 하는 일이 되었다. 적당한 학술지를 만나 잘 출판되어서 다행이었다. 그리고 다른 사람의 도움 없이 나와 교수님과만 했다는 데에도 의미가 있다고 생각한다. 제안, 계산, 분석, 글쓰기를 다 내가 했고, 교수님은 교정만 봐 주셨으니 말이다. 여럿이 모여서 큰 일을 벌일 수도 있지만, 작은 일이라도 스스로 했다는 데 뿌듯함을 느껴도 좋지 않을까?