장거리 표면 플라즈몬 폴라리톤 도파로 센서

Abstract

본 논문에서는 금속선 도파로와 금속 평면으로 구성된 이중-금속 도파로 구조를 이용하여 이중-금속 장거리 표면-플라즈몬 도파로 센서를 제안하였으며, 측정 물질의 변화에 따른 센서 특성을 이론적으로 분석하고 실험적으로 검증하였다. 센서에 사용된 이중-금속 도파로 구조는 도파로 코어에 해당하는 두 금속 박막 사이의 유전체 굴절률이 변하더라도 코어 유전체 층의 두께를 조절함으로써 장거리 표면 플라즈몬을 여기시킬 수 있어 굴절률의 변화를 측정하는 센서의 응용에 용이하다. 제안된 이중-금속 장거리 표면-플라즈몬 센서는 측정 물질의 삽입과 소자로의 직접화가 쉽도록 소자 내에 m-fluidic 채널을 제작하였고 측정 물질의 변화를 관측하기 위하여 브래그 격자를 삽입하였다. 이중-금속 장거리 표면-플라즈몬 도파로 센서는 금속 층들을 둘러싸고 있는 유전체 층들이 열에 민감한 열-광학 폴리머로서 측정 시 발생하는 주변 온도 변화를 보정시켜 주어 측정의 정확도를 높일 수 있다. 제작된 센서의 굴절률과 온도 민감도는 130 nm/RIU와 27 pm/K이며, 이것은 1 pm의 측정 정확도를 고려할 때 ～10-6 RIU 민감도를 나타내며, 온도 부정확도는 0.04K이다. 또한, 제안된 센서는 바이오 분자를 측정할 수 있는 금속 층이 두 개라는 장점을 가지고 있어 바이오 분자의 측정에 유리하며, 전류 또는 전압의 인가가 쉬워 다른 전자 소자 및 광 소자와의 결합성을 용이하게 할 수 있다. 본 논문에서 제안된 이중-금속 도파로 장거리 표면-플라즈몬 도파로 센서는 1 nm 이하의 두께를 가지는 바이오 분자(nbio-molecule = 1.5) 층의 변화도 측정 가능하며, 계산된 바이오 분자 층의 측정 가능한 최소 두께 변화율은 0.36 nm 이다.