광통신 대역의 음의 굴절률 메타 물질 설계

Abstract

메타 물질 (metamaterial)은 자연상에서 발견 되지 않는 특이하고 재미 있는 전자기적 성질을 가진 전자기파의 파장 보다 작은 단위구조로 구성된 인공적인 물질이다. 메타 물질 중에서 음의 유전율과 음의 투자율을 가진 구조를 설계할 수 있으며 동시에 음수가 될 때에 음의 굴절률 메타 물질 (Negative refractive Index Material: NIM)이라 한다. 일반적으로 자연상에 존재하는 물질의 자기적 응답은 매우 낮은 주파수에서만 보이지만, 메타 물질은 이런 자기적 반응을 조절할 수 있다. 또한 스넬의 법칙에서 자명하듯이 굴절률이 음수인 매질에서 전자기적 현상은 왼손 법칙을 따르게 된다. 음의 굴절률 구현의 중요성은 회절 한계에 국한되지 않고 근접장 이미지까지 복원할 수 있는 완전 렌즈 (perfect lens)로의 응용에 있다. 그러나 음의 굴절률 메타 물질의 자체적인 손실로 인해서 근접장 진폭의 증폭은 제한 되고 렌즈로 구현 했을 때 분해능이 떨어진다. 또한 굴절률이 음수가 되는 밴드의 폭 (bandwidth)이 좁고, 편광에 의존하는 구조적인 문제로 인해 실제로 완전렌즈의 구현은 어렵게 된다. 본 논문에서는 음의 굴절률 메타 물질의 손실을 줄이면서 편광 의존성이 없는 단일 구조에 관한 연구를 하였다. 메타 물질이 가진 구조적인 손실을 줄이기 위해 다양한 시도를 했다. 금속, 유전체의 폭과 두께를 조절하면서 최적화 값을 찾았으며, 변수를 조절했을 때 생기는 물리적 현상과 의미에 대해 원인을 고찰했다. 메타 물질 제작에서 따르는 추가적인 손실을 고려해 보다 현실에 근접한 전산 모사를 시도했으며, 유전체 선택에서 자유도를 부여하고자 다양한 유전체 물질에 관한 연구도 하였다. 전산모사 툴로는 유한 시간 차분법으로 구성된 CST-MWS를 이용했다. 투과, 반사 계수로부터 유전율, 투자율, 굴절률을 복원했고, 복원 과정을 상세하게 설명했다. 금속 물질은 광학영역에서 손실이 낮은 은 (silver)을, 적절한 굴절률 값을 가진 유전체로는 MgF2를 선택했다. 결과적으로 광통신 대역인 1550nm 부근에서 굴절률의 실수부 값은 -2.5를, 손실을 알아보는 척도인 FOM (Figure of merit)=-Re{n}/Im{n}은 4.5의 값을 얻을 수 있었다.