Development of novel surface plasmon-based metal coated fiber-facets and their applications

Abstract

본 논문은 표면 플라즈몬 (surface plasmon, SP) 기반의 금속 코팅된 독창적인 광섬유 단면 구조들을 다룬다. 이 광섬유-플라즈모닉이 결합된 구조는 신뢰성이 높으며 소형화된 광섬유 기반 플랫폼에서 SP의 독특한 효과들을 보였다. 논문의 첫 부분에서는 금속 나노슬릿에 기반한 광섬유 단면 구조들을 제안하였다. 이를 위하여 먼저 저잡음 원통형 SP (cylindrical SP, CSP) 핫스팟을 발생시키는 광섬유 플랫폼 위에 제작 가능한 독창적 참호가 첨가된 원형 금속 나노슬릿 (trench-assisted circular metal nano-slit, TA-CMNS)을 소개하였다. 원형 슬릿 안팎의 참호들은 다중극자 상쇄이론에 입각하여 설계되어 CSP 신호가 집속되는 지점에서 함께 전파되는 NCDL을 최소화시킨다. 해당 구조의 플라즈모닉, 광학 특성은 수치해석으로 계산하였다. 최적화된 TA-CMNS는 상대적으로 높은 신호 대 잡음비를 보이며 저잡음 플라즈모닉 핫스팟을 생성하였다. 다음으로 나노슬릿에 기반한 파장-의존 특성 구조를 소개하였다. 본 논문에서는 단순하고 소형화된 구조에서 파장 대비 축외 방향 비밍 (wavelength dependent off-axis directional beaming, WODB)이 가능한 광섬유-플라즈모닉이 결합된 금속 코팅된 격자 첨가 나노슬릿 광섬유 (metal coated fiber with grating-assisted nano-slit, MCF-GANS) 구조를 제안하였다. 소자는 수치해석적으로 설계되었으며, 실제로 제작되어 그 특성이 입증되었다. 추가로, 파장을 변화시킴으로써 초점 거리가 조절 가능한 자유 공간에서 집속된 원편광 빛 (radially polarized focused light, RPFL)을 생성할 수 있는 광섬유화된 플라즈모닉 프레넬 띠판 (fiberized plasmonic Fresnel zone-plate, FPFZP)을 제안하였다. FPFZP의 파장 변환에 따른 초점거리 변화는 수치해석적으로 입증되었으며, 예상한 결과를 보여주었다. 또한, 덫치기 (trapping) 특성 역시 수치해석적으로 계산되었다. 이 FPFZP 구조를 실제로 제작, 그 특성을 측정하였고, 실험적 결과들은 수치해석 결과들과 일치하였다. 논문의 두 번째 부분에서는 광섬유 모드에서 SP 모드로의 커플링이 가능한 독창적인 구조 – 경사진 광섬유 단면 커플링 방식 – 를 제안하고 그 구조의 적용들도 함께 보였다. 이 특별한 커플링 구조는 조정이 필요 없으며, 효율이 높고, 단방향으로 SP를 진행시키며 작은 점에서 SP를 야기시킬 수 있다. 금속 코팅된 경사진 광섬유 단면 커플링 (metal coated angled fiber-facet, MCAFF) 구조는 수치해석과 실험으로 입증되었다. 마지막으로 MCAFF를 기반으로 한 두 가지 응용방법을 소개하였다. 하나는 MCF-GANS의 향상된 형태로, 기존의 나노슬릿 기반을 MCAFF 기반으로 변경한 구조이다. 이 SP 생성 기반 변경으로 반대 방향으로 진행하는 SP를 제거하여 커플링 효율을 높일 수 있다. MCAFF 상부에 격자를 위치함으로써 SP를 자유 공간 빛으로 파장에 따라 다른 방향으로 전파하게 만든다. 이를 통해 전광섬유화된 구조에서 간략하고 소형화된 WODB를 이룩하였다. 두 번째 응용 구조는 다용도의 광섬유 기반 SP 송수신기이다. 이 구조는 한 쌍의 MCAFF로 이루어져 있다. 수치해석으로 이 구조의 금속-유전체 사이의 플라즈모닉 센싱 능력을 입증하였다. 금속 코팅된 광섬유 단면 구조는 다양한 플라즈모닉 응용분야에 유용할 것이며, 광섬유의 특성에 의해 소형화, 유연성, 경제성 등의 장점을 지닐 것이다. 특히 MCAFF 구조는 고효율성, 단방향성, 그리고 광섬유 광원간의 호응 등의 장점으로 인해 뛰어난 SP 생성의 대안책이 될 잠재력이 있다. 본 논문은 광섬유의 탁월한 유연성과 플라즈모닉스의 독특한 물리 현상을 융합하여, 광섬유 광학과 플라즈모닉스의 연구 지평을 넓힐 것으로 기대된다.

In this dissertation, novel surface plasmon (SP)-based, metal coated fiber-facet structures are proposed and demonstrated. Various novel effects caused by SP are achieved by these fiber-optic-plasmonic hybridized schemes in a reliable and compact fiber-optics based platform. The first part of the dissertation introduces metallic nano-slit based fiber-facet structures. First, a novel trench-assisted circular metal nano-slit (TA-CMNS) structure implementable on a fiber platform for the generation of a low-noise cylindrical surface plasmon (CSP) hotspot is introduced. The nearby trenches are designed based on the multi-pole cancellation method in order to separate a converging CSP signal from co-propagating NCDL at the hotspot location. The plasmonic and optical characteristics of the structure are verified through full-vectorial numerical analyses. The optimized TA-CMNS could generate low-noise plasmonic hotspots with substantial high performance characteristics. Then, wavelength-dependent characteristics via nano-slit structures are discussed. A fiber-optical-plasmonic hybrid, metal coated fiber with a grating-assisted nano-slit (MCF-GANS) structure for wavelength dependent, off-axis directional beaming (WODB) in a simple and compact format is proposed and demonstrated. The device is designed based on the results of numerical analysis, and it is experimentally demonstrated. In addition, the fiberized plasmonic Fresnel zone plate (FPFZP) is proposed. The proposed FPFZP can efficiently generate a radially polarized focused light (RPFL) on the free space, where the focal length is tunable by controlling the wavelength. The focal length shift due to the wavelength of the FPFZP model is analyzed via numerical calculations. In addition, the trapping characteristics of the FPFZP are analyzed. The FPFZP structure is also fabricated and its characteristics are demonstrated. Good agreement between experimental and numerical results is obtained. In the second part of the dissertation, a novel fiber mode to SP mode coupling configuration – angled fiber-facet coupling method – is presented and its applications are also introduced. The novel coupling configuration enables alignment-free, high-efficiency, unidirectional propagation, and small spot SP generation. The metal coated, angled fiber-facet (MCAFF) structure is verified by means of numerical simulations and experiments. Two applications based on MCAFF are introduced. One is an improved version of MCF-GANS, in which an MCAFF base is used to substitute for the nano-slit base. This change will increase the coupling efficiency by eliminating the anti-propagating SP. The grating structure on the top of the MCAFF decouples the SP mode into a free-space, optical radiation mode in different directions, depending on the wavelength of the input optical radiation. Therefore, a novel SP-based WODB functionality is realized in a simple, compact, and all-fiberized format. The other is a versatile fiber-based SP transmitter-receiver. The device consists of two MCAFF schemes. Numerical simulations have verified that the proposed device is capable of sensing various plasmonic effects induced at the metal-dielectric interface. A structured metal coated fiber-facet scheme will be very useful for various plasmonic applications, which could be achieved in a compact, flexible, and cost-effective optical fiber-based format. In particular, the proposed MCAFF scheme (fiber-to-SP coupling scheme) has great potential to be an excellent, alternative SP generation method that can provide high efficiency, unidirectionality, and full compatibility with fiber-based optical sources. It is expected that the dissertation will broaden the fiber-optic and plasmonic research fields, which are invariably seeking novel opportunities for combining the extraordinary characteristics of plasmonics and the outstanding flexibility of fiber-optics.