금속 선 도파로에서의 표면파 전파 특성 연구

Abstract

도파로(waveguide)의 크기를 작게 하면서도 손실을 줄이는 것은 광 집적회로 구현을 위해 필수적인 일이다. 금속과 유전체의 경계를 따라 전파하는 표면 플라즈몬 폴라리톤 (SPP : surface plasmon-polaritons)은 에너지 집중도(energy localization)가 매우 뛰어난 것으로 잘 알려져 있다. 일반적으로 SPP를 도파로에 응용하고자 할 때 가장 크게 문제가 되는 것은 금속 자체에서 발생하는 손실이다. 금속을 얇게 제작할수록 손실이 줄어서 전파거리도 늘어나지만 현재의 나노 공정 기술로는 한계가 있다. 본 논문에서는 SPP의 전파 특성을 향상시키기 위해 도파로를 구조적으로 개선하고자 이중 금속선(double metal stripe) 구조를 제안하였으며, 단일 금속선(single metal stripe)과 비교 분석하였다. 특히, 직선과 곡선 형태의 금속선 도파로의 구조에 따른 여러 가지 전파 특성을 분석하고 이를 위해 유한차분 방식(Finite Difference Method) 기법을 이용한 전산모사(simulation)를 사용하였다. 내부 굴절률이 외부보다 더 작은 이중 금속선 곡선형 도파로의 경우에 곡률 반경이 매우 크면 금속선 간의 분리 간격이 넓을수록 모드의 크기는 커지는 반면 손실은 감소하여 특정 간격을 넘어서면 단일 금속선 구조보다 손실을 작게 할 수 있음을 확인하였다. 이는 직선형 구조가 많이 요구되는 집적회로에서는 이중 구조가 단일 구조에 비해 효율적일 수 있음을 의미한다. 하지만 반대로 곡률 반경이 매우 작아지면 금속 손실(metallic loss)에 비해 곡선형 구조 자체에 의한 방사손실(radiation loss)이 급격하게 증가하였다. 이러한 경향은 금속 두께가 두껍거나 간격이 좁을수록 둔화됨을 알았다. 결과적으로 곡선형 도파로는 최적 반경과 최소 손실이 존재하게 되며 그 값들은 금속의 영향이 클수록 작아짐을 알 수 있었다. 특히, 직선형 도파로에서 손실이 거의 같도록 설정된 다양한 구조를 그대로 곡선형 도파로에서 비교 분석했을 때에 내부 굴절률이 외부보다 작은 이중 금속선 구조가 단일 금속선 구조에 비해 최적 반경과 최소 손실 면에서 더 효율적이고, 내부 굴절률이 외부와 같은 이중 금속선 구조보다는 좋지 않음을 확인하였다. 이는 내부와 외부 물질이 같은 이중 구조가 곡선형 구조가 많이 필요한 집적 회로에 적합함을 의미한다. 결과적으로 광 집적회로 설계시에 사용될 광 도파로의 최적 구조를 선택함에 있어서 곡선 도파로와 직선 도파로의 손실간의 상호절충(tradeoff)이 절대적으로 필요하다.