Roles of Local and Nonlocal Resonances in Angle-Selective Plasmonic Metasurfaces and Spatial Filtering = 각도 선택적 플라즈모닉 메타표면 및 공간주파수 필터링에서의 국소 및 비국소 공진의 역할

국문 초록 (Abstract)

국 문 초 록
각도 선택적 플라즈모닉 메타표면 의 국소
및 비국소 공진의 역할과 공간주파수
필터링
서울대학교 대학원
전기정보공학부
장 한 별
본 논문에서는, 각도 선택적 플라즈모닉 메타표면에서 국소 공진과
비국소 공진의 역할을 분석하였고 공간주파수 필터링에 관하여
연구하였다. 서로 다른 기작으로 각도 선택성을 구현하는 EOT 현상과
플라즈모닉 나노 격자에 대하여 이론적 접근과 시뮬레이션을 통해 각도
선택성의 발생 원리를 분석하였다.
첫번째 챕터에서는, 나노포토닉 소자에서 각도 선택성의 의미와
의의를 명시하였고, 국소 및 비국소 메타표면의 개념적 정의에 대해
설명하였다. 각도 선택성 측면에서 바라본 플라즈모닉 도파로와
플라즈모닉 격자의 유전체 기반 소자에 대한 상대적 우위성을
설명하였다.
두번째 챕터에서는 EOT 현상이 발생하는 플라즈모닉 격자 구조에서
각도 선택성이 발현되는 원리를 분석하였다. 단일 모드에 의해서

９９
생성되는 공동 공진 현상과 격자 벡터와의 위상 맞음 현상에 의해
생기는 플라즈모닉 공진, Rayleigh-Wood anomaly 현상 간의 상호작용 및
커플링 현상에 주목하였으며, 3 개의 오실레이터 모델링 시스템을
구성하여 해당 격자 구조에서 각도 선택성이 발현되는 것을
시뮬레이션을 통해 검증하였다. 또한, 구조적 파라미터 값들의 조절을
통해 각도 선택성을 변조할 수 있음을 확인하였고, 이러한 메커니즘에
기반하여 저주파 및 밴드 주파 대역 필터링 기능을 하는 공간주파수
필터를 디자인하고 성능을 시뮬레이션을 통해 확인하였다. 더 나아가
유한한 크기의 공간주파수 필터 소자의 성능을 시뮬레이션을 통해
계산하였고 큰 성능 저하 없이 각도 선택성을 유지하는 소자의 디자인
및 개발에 대한 가능성을 엿보았다.
세번째 챕터에서는 이중 모드가 발현되는 테이퍼드 나노슬릿 구조에서
국소 및 비국소 공진의 각도 선택성 발현에 대한 역할을 분석하였다.
비대칭 공동 공진 현상, 플라즈모닉 공진, Rayleigh-Wood anomaly 현상,
수직적 모드의 공진 현상 간의 상호작용 및 커플링 현상에 주목하였으며,
4 개의 오실레이터 모델링 시스템을 구성하여 해당 격자 구조에서 각도
선택성이 발현되는 것을 시뮬레이션을 통해 검증하였다. 구조적
파라미터 값인 주기의 크기가 각도 선택적 필터링이 동작하는 영역 및
성능에 영향을 줄 수 있음을 시뮬레이션을 통해 확인하였다. 또한,
실험을 통해 제작된 공간주파수 필터의 성능을 검증하였으며 시뮬레이션
결과와의 비교를 통해 성능을 분석하였다.
종합하면, 본 연구에서는 국소 및 비국소적 공진에 의한 각도
선택성을 구현하는 플라즈모닉 메타표면 소자에 관하여 이론적 분석과
실험을 통한 검증을 진해하였고, 시뮬레이션을 통해 유한한 크기의
소자에서도 성능을 확인함으로서, 고성능 고효율의 실제 소자 개발에

１００
대한 가능성을 확인하였다. 특히 기존의 연구들과 달리, 국소 및
비국소적 공진 효과에 주목하여 각도 선택성 발현에 관하여 얻어낸
결과를 바탕으로 실제 제작이 가능한 소자를 제작, 성능을 검증했다는
측면에서 본 학위 논문의 연구는 의의를 지닌다. 보다 정교한 공정
과정과 최적화된 실험 환경에서 개선된 성능을 지니는 다양한 각도
선택성 기능 소자들의 개발이 이루어질 수 있을 것이라 믿고, 본 연구의
결과들이 향후 관련 연구 및 산업 발달에 이로운 발판으로써 작용할 수
있길 기대한다.
키 워 드: 국소 공진, 비국소 공진, 각도 선택성, 메타 표면, 플라즈모닉
격자, EOT, 플라즈모닉 공진, Rayleigh-Wood anomaly
학 번: 2015-22804

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Roles of Local and Nonlocal Resonances in Angle-Selective Plasmonic Metasurfaces and Spatial Filtering HANBYUL CHANG DEPARTMENT OF ELECTRICAL AND COMPUTER ENGINEERING COLLEGE OF ENGINEERING SEOUL NATIONAL UNIVERSITY With the advent of metamaterials, researches on the manipulation of light in sub- wavelength regime have drawn huge interests for the past few decades. Despite the high loss, highly dispersive characteristics, and fabrication difficulties in metamaterials, metasurfaces, the 2D counterpart of metamaterials, have alleviated these drawbacks, formerly thought to inevitable. In consequence, a number of researches to engineer the light characteristics, especially wavefront, amplitude, phase, and polarization, were conducted using metasurface structures for the past few decades. In contrary, the research on engineering spatial frequency has intrigued less attention. In this dissertation, spatial frequency filtering, namely the angle selectivity, of two different plasmonic metasurfaces are analyzed comprehensively based on the coupling phenomena of local and nonlocal resonances. In detail, the angle selectivity of one-dimensional periodic structures of a single mode nanoslit array and a bi- modal tapered nanoslit array, both of which made up of Ag on a quartz substrate are studied. For the bi-modal tapered nanoslit array structure, the angle-selective performance is presented by means of experiments. Prior to main discussion of my dissertation, in the first chapter, an overview on plasmonics is presented. Concepts of local and nonlocal devices are clarified. Then, the motivation of my dissertation is introduced. Last, the scope and organization of this dissertation are stipulated. In the second chapter, extraordinary optical transmission (EOT), one of the most fascinating phenomena of plasmonics, is revisited and rigorously studied in terms of the angle selectivity of the transmission resonance. In particular, the fundamental mechanisms of angle-selective transmission in one-dimensional plasmonic nanoslit metasurfaces are investigated. Based on temporal coupled mode theory and Fano resonances, it is elucidated that the angle selectivity is due to strong coupling between multiple local and nonlocal resonance channels. Using the theory explaining the origin of angle selectivity, the basic design rules for nonlocal lowpass and bandpass spatial filters based on infinite periodic metasurface structures are determined and verified numerically. Furthermore, the effect of the finite size of the metasurface structures on the nonlocality of the EOT is investigated and formulated by both a full-numerical calculation and a novel analytical scalar wave approximation based on the convolution theorem together with the optical transfer function obtained for the infinite periodic structures. In the third chapter, the roles of multiple resonances in tapered bi-modal plasmonic waveguide arrays in nonlocal spatial frequency filtering are investigated. The physical mechanisms and design guidelines are elucidated with respect to longitudinal waveguiding, momentum-matching of nanogratings, and incidence angle dependent light funneling effects. In particular, the interplay between multiple local and nonlocal resonance enable multi-functional nonlocal spatial filtering functions such as wavelength-dependent lowpass filtering or differentiation in a single device. The angular transmission spectra of the fabricated devices were measured and compared with those of simulations. In summary, the angle selectivity of EOT based one-dimensional periodic nanoslit array and bi-modal tapered nanoslit array are studied in terms of coupling between local and nonlocal resonances therein. Particularly, for the bi-modal tapered nanoslit array, the devices were fabricated and the angle selectivity performance was verified, presenting a high accordance with those of simulations. It is envisioned that the proposed plasmonic metasurface structures will be fruitfully exploited for the development of ultra-thin designer spatial filters required for coherent imaging processes in compact Fourier optics applications. It is expected that my dissertation will contribute not only to the development of such compact Fourier optic devices as wavefront sensors and holographic elements, but to presenting the ingenious physical insights into the field of nonlocal flat optics. Keyword: Metasurface, MIM waveguide, Angle selectivity, EOT, Local resonance, Nonlocal resonance, Fano resonance Student Number: 2015-22804

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• List of Figures vi
• List of Tables . xi
• Nomenclature xii
• 1. Introduction 13
• 1.1 Overview on plasmonic metasurfaces . 13
• 1.2 Motivation of this dissertation 16
• 1.3 Scope and organization 18
• 2. Engineering angle selectivity of extraordinary optical
• transmission and nonlocal spatial filtering 20
• 2.1 Introduction 20
• 2.2 Principles of angle-selective transmission 25
• 2.3 Engineering angle selectivity 38
• 2.4 Conclusion . 50
• 3. Role of plasmonic resonances in tapered bi-modal
• nanoslit arrays: multi-functional nonlocal spatial filtering 51
• 3.1 Introduction 51
• 3.2 Principles of angle-selective transmission 58
• 3.3 Engineering angle selectivity 70
• 3.4 Experimental verification 72
• 3.5 Conclusion . 86
• 4. Conclusion and outlook 87
• Bibliography 90
• Appendix 97
• Abstract in Korean 98