유전체 구형 입자 ‘교통원’ 파동가이드에서의 편광자 모드 간섭

초록

다중구 Mie 산란 이론을 이용해 구형 유전체 입자로 이루어진 원형 파동가이드(‘교통원’)에서 편광자 모드가 양방향으로 순환하며 간섭하는 현상을 분석하였다. 파동이 전송대역에 있을 때는 두 개의 반대 방향 광빔이 원을 따라 전파되고, 그 합성 파형이 입자 위치에 따른 강도 분포를 정확히 설명한다. 이 간섭 효과는 광학 지연선, 고감도 센서 및 소형 회로 등에 활용 가능함을 논의한다.

상세 분석

본 연구는 직경이 수백 나노미터 수준인 고유전율을 가진 구형 입자들을 일정 간격으로 배열해 원형 고리 형태의 파동가이드를 구성하고, 그 내부에서 편광자(폴라리톤) 모드가 어떻게 전파되는지를 다중구 Mie 산란 공식으로 정밀히 계산하였다. 전통적인 단일 파동전파 모델과 달리, 원형 구조에서는 입자 간 상호작용이 순환 경로를 형성해 전자기장이 폐쇄 루프를 따라 순환한다. 특히 전송대역(패스밴드) 안의 주파수에서는 전파 상수가 복소수 실수부와 거의 동일한 값을 가지며 손실이 최소화된다. 이때 전자기장은 두 개의 독립적인 진행파, 즉 시계방향과 반시계방향으로 순환하는 파동으로 분해될 수 있다. 두 파동은 동일한 진폭과 위상속도를 갖지만 진행 방향이 반대이므로, 특정 입자 위치에서의 전기장 강도는 두 파동의 위상 차에 따라 건설적·파괴적 간섭을 만든다.

수치 시뮬레이션 결과는 입자 번호를 x축으로 하는 강도 프로파일이 $I(\phi)=I_0