KR102503761B1 - Metasurface Doublet-integrated Bidirectional grating antenna and beam steering device using the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 메타표면 더블렛이 집적된 양방향 격자 안테나 및 이를 이용한 빔조향기에 관한 것이다.The present invention relates to a bidirectional grating antenna in which metasurface doublets are integrated and a beam steering device using the same.
광학 위상 어레이(OPA, Optical phased array)는 낮은 발산 빔, 및 가요성 2차원(2D) 빔 형성, 및 초고속 관성-무함유 조향을 포함하는 그의 두드러진 이점으로 인해 탁월한 빔 조향 전략으로서 널리 인식된다. 라이다(LiDAR)에 대한 두드러진 후보를 이해하는 광학 위상 어레이(OPA)의 집적 회로 유형은 감지, 3차원 맵핑, 자율 주행자동차에 대한 내비게이션, 및 자율적인 드론과 같은 응용에 대한 엄청난 관심을 끌어왔다. 그러나 고체-상태 빔 조향은 마이크로-전자-기계 시스템(MEMS), 거울, 짐벌, 및 프리즘과 같은 기계적 방법보다 더 좁은 시야로 처리된다. 광학 위상 어레이(OPA)의 길이 방향을 따른 스캐닝 범위는 광원의 파장 튜닝 범위뿐만 아니라 광학 위상 어레이(OPA)를 구성하는 회절 격자에 의해 결정된다. 도파관 회절 격자는 전형적으로 0.140°/nm 미만의 작은 각도 분산을 전달하는 것으로 보고되었다. 이에 따라, 100nm를 초과하는 튜닝 범위를 갖는 광대역 튜닝 가능한 레이저를 사용하여 조향 범위를 확장하는 방법이 제시되었다(H. Ito, Y. Kusunoki, J. Maeda, D. Akiyama, N. Kodama, H. Abe, R. Tetsuya, and T. Baba, “beam steering by slow-light waveguide gratings and a prism lens,”Optica 7, 47-52 (2020), 참조).Optical phased arrays (OPAs) are widely recognized as an excellent beam steering strategy due to their prominent advantages, including low divergence beams and flexible two-dimensional (2D) beam forming, and ultra-fast inertia-free steering. Optical Phased Array (OPA) integrated circuit types that make up a prominent candidate for LiDAR have attracted tremendous interest for applications such as sensing, three-dimensional mapping, navigation for self-driving cars, and autonomous drones. . However, solid-state beam steering addresses a narrower field of view than mechanical methods such as micro-electromechanical systems (MEMS), mirrors, gimbals, and prisms. A scanning range along the length of the optical phased array (OPA) is determined by a diffraction grating constituting the optical phased array (OPA) as well as a wavelength tuning range of a light source. Waveguide gratings have been reported to deliver small angular dispersion, typically less than 0.140°/nm. Accordingly, a method for extending the steering range using a broadband tunable laser with a tuning range exceeding 100 nm has been proposed (H. Ito, Y. Kusunoki, J. Maeda, D. Akiyama, N. Kodama, H. Abe, R. Tetsuya, and T. Baba, “beam steering by slow-light waveguide gratings and a prism lens,” Optica 7, 47-52 (2020), see).
그러나 광범위하게 조정 가능한 레이저는 구현하기가 매우 어렵고 모든 파장에 접근하기 위해 실질적으로 복잡한 제어 방식을 필요로 한다. 종방향의 빔 조향 범위는 광학 위상 어레이 기반 방사체의 고유한 한계를 극복하기 위한 연구가 필요하다.However, widely tunable lasers are very difficult to implement and require substantially complex control schemes to access all wavelengths. Longitudinal beam steering range requires research to overcome the inherent limitations of optical phased array-based emitters.
최근에, 자유 공간에서 빔을 조작하는 데 사용되는 렌즈 및 프리즘의 다양한 구성이 조향 효율을 증폭시킴으로써 광각 빔 조향을 실행하도록 고안되어 왔다. 이들 방법은 광각 조향을 입증하기 위해 공지되어 있지만, 부피가 큰 구성요소 및 수 센티미터의 치수를 갖는 마운트를 필요로 한다. 부피가 큰 렌즈 시스템과 비교하여, 초박형, 편평한 폼 팩터(form factor)를 특징으로 하는 메타표면 장치는 높은 디자인 유연성을 제공하도록 조작될 수 있다.Recently, various configurations of lenses and prisms used to manipulate beams in free space have been devised to achieve wide-angle beam steering by amplifying steering efficiency. These methods are known for demonstrating wide-angle steering, but require bulky components and mounts with dimensions of several centimeters. Compared to bulky lens systems, metasurface devices featuring ultra-thin, flat form factors can be engineered to provide high design flexibility.
이러한 메타표면을 실리콘 광자 회로에 직접 통합하여 방출 위치 및 방사선 방식의 측면에서 컴팩트한 빔 조작을 시도하려는 연구가 시도되었다.Research has been attempted to directly integrate these metasurfaces into silicon photonic circuits to attempt compact beam manipulation in terms of emission location and radiation method.
예를 들어 논문(「Y.-C. Chang, M. C. Shin, C. T. Phare, S. A. Miller, E. Shim, and M. Lipson, "2D beam steerer based on metalens on silicon photonics," Opt. Express 29, 854-864(2021).」, 「A. Yulaev, W. Zhu, C. Zhang, D. A. Westly, H. J. Lezec, A. Agrawal, and V. Aksyuk, "Metasurface-integrated photonic platform for versatile free-space beam projection with polarization control" ACS Photonics 6, 2902-2909, (2019).」 에서는 이러한 기술들이 소개되고 있다.For example, the paper (「Y.-C. Chang, M. C. Shin, C. T. Phare, S. A. Miller, E. Shim, and M. Lipson, "2D beam steerer based on metalens on silicon photonics," Opt. Express 29, 854- 864(2021).”, “A. Yulaev, W. Zhu, C. Zhang, D. A. Westly, H. J. Lezec, A. Agrawal, and V. Aksyuk, “Metasurface-integrated photonic platform for versatile free-space beam projection with polarization. control" ACS Photonics 6, 2902-2909, (2019).」 introduces these technologies.
그럼에도 불구하고, 광학 위상 어레이 계층의 시야를 증가시키는 것에는 단층의 메타표면에서 한계가 있다. Nonetheless, increasing the field of view of an optical phased array layer is limited at the monolayer metasurface.
이와 관련하여 본 발명자들의 이전 연구에서 보고된 바와 같이, 메타표면 더블렛에 의존하여 상당히 향상될 수 있었다(C. Zhou, W.-B. Lee, C.-S. Park, S. Gao, D.-Y. Choi, and S.-S. Lee,“Multifunctional beam manipulation at telecommunication wavelengths enabled by an all-dielectric metasurface doublet,”Adv. Opt. Mater. 8, 2000645-2000654 (2020) 참조). 이를 기반으로 빔 조향 효율을 더 효율적으로 향상시키기 위한 양방향 광학 위상 방사체에 대한 연구가 필요하다.In this regard, as reported in our previous study, a significant improvement could be achieved by relying on metasurface doublets (C. Zhou, W.-B. Lee, C.-S. Park, S. Gao, D. .-Y. Choi, and S.-S. Lee, “Multifunctional beam manipulation at telecommunication wavelengths enabled by an all-dielectric metasurface doublet,” Adv. Opt. Mater. 8, 2000645-2000654 (2020)). Based on this, it is necessary to study bidirectional optical phase emitters to improve beam steering efficiency more efficiently.
본 발명의 목적은 빔 조향효율이 개선된 메타표면 더블렛이 집적된 양방향 격자 안테나 및 이를 이용한 빔조향기를 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a bi-directional grating antenna in which metasurface doublets with improved beam steering efficiency are integrated and a beam steering device using the same.
본 발명의 일측면에 따르면, 양방향 격자 안테나에 집적된 메타표면 더블렛을 이용한 빔조향기에 있어서, 상기 양방향 격자 안테나는, 실리콘 기판 상에 SiO2 재질로 형성된 박스층; 상기 박스층 상부에 실리콘질화물(SiN)로 형성되며 격자 패턴을 가진 도파관 코어층: 상기 도파관층 상부에 SiO2로 형성된 클래딩층; 을 포함하는 안테나 칩을 포함하고, 상기 안테나 칩의 도파관 코어층의 일측 종단에 형성되고 제1입력광이 입력되는 제1입력포트; 및 상기 제1입력포트와 맞은 편 종단에 형성되고, 제1입력광이 입력되는 제2 입력포트; 및 입사된 광을 상기 제1입력광과 제2입력광의 입력으로 교대로 입사되도록 연결시키는 광학 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하며, 상기 메타표면 더블렛은, 석영기판의 전면부에서 중심부에 일정 높이를 가지는 원통형 나노-필러가 형성되며, 일정 주기의 제1 유닛셀이 배열되어 형성된 제1 메타표면; 및 상기 석영기판의 후면부에서 중심부에 일정 높이를 가지는 원통형 나노-필러가 형성되며, 일정 주기의 제2유닛셀이 배열되어 형성된 제2 메타표면; 을 포함하는 것을 특징으로 한다.According to one aspect of the present invention, in a beam steering device using a metasurface doublet integrated in a bidirectional grating antenna, the bidirectional grating antenna includes: a box layer formed of a SiO 2 material on a silicon substrate; a waveguide core layer formed of silicon nitride (SiN) on the box layer and having a lattice pattern; a cladding layer formed of SiO 2 on the waveguide layer; A first input port formed at one end of a waveguide core layer of the antenna chip and receiving a first input light; and a second input port formed at an end opposite to the first input port and receiving the first input light. and an optical switch that alternately connects the incident light to the inputs of the first input light and the second input light, wherein the metasurface doublet has a predetermined height from the front to the center of the quartz substrate. A first metasurface formed by arranging first unit cells of a certain period, on which cylindrical nano-pillars are formed; and a second metasurface in which a cylindrical nano-pillar having a certain height is formed in the center of the rear surface of the quartz substrate, and second unit cells of a certain period are arranged. It is characterized in that it includes.
또한, 상기 안테나 칩은, 상기 실리콘 기판 상에 4㎛ 두께의 SiO2 를 증착하여 상기 박스층을 형성하는 단계; 상기 박스층 상부에 450nm 두께를 갖는 SiN를 증착하여 SiN층을 형성하는 단계; 상기 SiN층을 심자외선 스테퍼를 사용하여 2㎛ 폭으로 패터닝하는 패터닝 단계; 상기 패터닝된 SiN층의 상부에 90nm의 홈 높이를 가지는 격자패턴이 생성되도록 부분적으로 에칭하여 상기 도파관 코어층을 형성하는 에칭단계; 및 상기 도파관 코어층 상부에 3㎛ 두께의 SiO2을 증착하여 상기 클래딩층을 형성하는 단계; 를 포함하는 제조방법에 의해 제조되는 것을 특징으로 한다.In addition, the antenna chip may include forming the box layer by depositing SiO 2 having a thickness of 4 μm on the silicon substrate; depositing SiN having a thickness of 450 nm on top of the box layer to form a SiN layer; A patterning step of patterning the SiN layer to a width of 2 μm using a deep ultraviolet stepper; an etching step of partially etching the patterned SiN layer to form a lattice pattern having a groove height of 90 nm on top of the patterned SiN layer to form the waveguide core layer; and forming the cladding layer by depositing 3 μm thick SiO 2 on the waveguide core layer. It is characterized in that it is produced by a manufacturing method comprising a.
또한, 상기 SiN 도파관 코어층의 길이는 500㎛로 형성되는 것을 특징으로 한다.In addition, the length of the SiN waveguide core layer is characterized in that formed to 500㎛.
또한, 상기 양방향 격자 안테나의 제1 입력광에 의한 빔 방출각도는 다음 식에 의해 산츨되는 것을 특징으로 한다.In addition, the beam emission angle of the first input light of the bidirectional grating antenna is characterized in that it is calculated by the following equation.
- 여기서 neff 는 상기 도파관코어층의 유효 굴절률이고, Λ는 상기 도파관코어층의 격자 주기임.- Here, n eff is the effective refractive index of the waveguide core layer, and Λ is the lattice period of the waveguide core layer.
또한, 상기 도파관코어층의 주기는 900nm이고, 상기 양방향 격자 안테나는 상기 빔 방출각도의 2배의 조향범위를 가지는 것을 특징으로 한다.In addition, the period of the waveguide core layer is 900 nm, and the bi-directional grating antenna has a steering range twice the beam emission angle.
또한, 상기 도파관코어층의 유효 굴절률은 λ= 1550nm에서 1.69인 것을 특징으로 한다.In addition, the effective refractive index of the waveguide core layer is characterized in that λ = 1.69 at 1550nm.
또한, 상기 양방향 격자 안테나의 조향 효율은 약 0.148 ˚인 것을 특징으로 한다.In addition, the steering efficiency of the bi-directional grating antenna is characterized in that about 0.148 °.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 양방향 격자 안테나에 집적된 메타표면 더블렛을 이용한 빔조향기는, 상기 양방향 격자 안테나 상부에 메타표면 더블렛이 장착되는 것을 특징으로 하며, 상기 메타표면 더블렛은, 석영 기판; 상기 석영기판의 전면부에서 중심부에 일정 높이를 가지는 원통형 나노-필러가 형성되며, 일정 주기의 제1유닛셀이 배열되어 형성된 제1 메타표면; 및 상기 석영기판의 후면부에서 중심부에 일정 높이를 가지는 원통형 나노-필러가 형성되며, 일정 주기의 제2유닛셀이 배열되어 형성된 제2 메타표면; 을 포함하는 것을 특징으로 한다.According to another aspect of the present invention, the beam steering device using the metasurface doublet integrated in the bidirectional grating antenna is characterized in that the metasurface doublet is mounted on the bidirectional grating antenna, and the metasurface doublet , quartz substrate; a first metasurface in which a cylindrical nano-pillar having a certain height is formed in the center of the front surface of the quartz substrate, and first unit cells of a certain period are arranged; and a second metasurface in which a cylindrical nano-pillar having a certain height is formed in the center of the rear surface of the quartz substrate and second unit cells of a certain period are arranged. It is characterized in that it includes.
또한, 상기 메타표면 더블렛 장치의 석영 기판은 902㎛의 두께로 형성되며, 상기 제1 메타표면 및 제2 메타표면에 형성된 상기 원통형 나노-필러는 880nm의 높이를 가지며, 수소화 비정질 실리콘(a-Si: H) 재질로 형성된 것을 특징으로 한다.In addition, the quartz substrate of the metasurface doublet device is formed to a thickness of 902 μm, the cylindrical nano-pillars formed on the first metasurface and the second metasurface have a height of 880nm, and hydrogenated amorphous silicon (a- It is characterized in that it is formed of Si: H) material.
또한, 상기 제1메타표면의 원통형 나-노필러의 직경을 200 내지 494 nm에서 조절하여 배열함으로써, 입사광에 대해 0 ~ 2π의 범위를 위상 편이를 가지도록 하는 것을 특징을 한다.In addition, by arranging the diameter of the cylindrical nano-pillars of the first metasurface by adjusting the diameter from 200 to 494 nm, it is characterized in that the incident light has a phase shift in the range of 0 to 2π.
또한, 상기 제1메타표면의 초점 길이는 0.986mm로 형성되며, 상기 제2메타표면의 초점 거리는 0.329 mm로 형성되는 것을 특징으로 한다.In addition, the focal length of the first meta-surface is formed as 0.986 mm, and the focal length of the second meta-surface is formed as 0.329 mm.
또한, 상기 메타표면 더블렛의 직경은 500㎛이고, 상기 양방향 격자 안테나와 상기 메타표면 더블렛 장치 사이의 거리는 0.5~1 mm 인 것을 특징으로 한다.In addition, the diameter of the metasurface doublet is 500 μm, and the distance between the bidirectional grating antenna and the metasurface doublet device is 0.5 to 1 mm.
또한, 상기 빔조향기의 조향 효율은 0.461°/nm이고 증폭 효율은 3배인 것을 특징으로 한다.In addition, the steering efficiency of the beam steering device is characterized in that 0.461 ° / nm and the amplification efficiency is three times.
본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛이 집적된 양방향 격자 안테나는 실리콘 광자 소자의 빔 조향 효율을 개선하는 유용한 효과를 가진다. A bidirectional grating antenna in which metasurface doublets are integrated according to an embodiment of the present invention has a useful effect of improving the beam steering efficiency of a silicon photonic device.
본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛이 집적된 양방향 격자 안테나의 방출된 빔은 30°의 세로 범위에 걸쳐 용이하게 조향될 수 있다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 시뮬레이션에서 3으로 설정된 메타표면 더블렛(MD)의 배율 M은 적절한 광 상호작용이 고정되는 어느 정도까지 상승될 수 있다.An emitted beam of a bidirectional grating antenna in which a metasurface doublet is integrated according to an embodiment of the present invention can be easily steered over a vertical range of 30°. The magnification of the metasurface doublet (MD) set to 3 in the simulation according to an embodiment of the present invention M can be raised to some extent where adequate light interaction is fixed.
또한, 양방향 격자 안테나(BDGA)의 제1입력포트 및 제2입력포트에 선택적으로 광을 공급하기 위해 외부 광학 스위치는 모놀리식 스위칭 소자로 대체할 수 있다.In addition, the external optical switch may be replaced with a monolithic switching element in order to selectively supply light to the first and second input ports of the bidirectional grating antenna (BDGA).
본 발명의 일 실시 예에 따른 SiN 기반 메타표면 더블렛이 집적된 양방향 격자 안테나는 컴팩트한 폼 팩터(form factor)로 광각 빔 조향기로서의 기능을 수행할 수 있다.A bidirectional grating antenna in which a SiN-based metasurface doublet is integrated according to an embodiment of the present invention can function as a wide-angle beam steering with a compact form factor.
본 발명의 일 실시 예에 따른 양방향 격자 안테나의 조향 효율은 약 0.148 ˚로 빛을 양방향으로 공급하여 2배로 증가되었고, 양방향 격자 안테나 구조는 두 배의 방출 스펙트럼 대역폭을 제공하는 효과를 가진다.The steering efficiency of the bi-directional grating antenna according to an embodiment of the present invention is doubled by supplying light in both directions at about 0.148 °, and the bi-directional grating antenna structure has an effect of providing twice the emission spectrum bandwidth.
또한, 메타표면 더블렛(MD)을 집적한 양방향 격자 안테나의 구조에 의해 파장 조정 조향 효율은 0.461°로 주어진 파장 조정 내에서 격자 안테나의 증폭 효율이 3배 로 증가하는 효과를 가진다.In addition, the structure of the bidirectional grating antenna in which the metasurface doublet (MD) is integrated has the effect of increasing the amplification efficiency of the grating antenna by a factor of 3 within the given wavelength tuning of 0.461°.
본 발명의 일 실시 예에 따른 양방향 격자 안테나 및 메타표면 더블렛은 공간 소비를 최소화하면서 빔 조향 효율을 크게 향상시키는 제안된 접근 방식으로써, 실용적인 고체 빔 조향의 개발을 촉진할 수 있다.The bidirectional grating antenna and metasurface doublet according to an embodiment of the present invention are a proposed approach that greatly improves beam steering efficiency while minimizing space consumption, and can promote the development of practical solid-state beam steering.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 빔 조향을 더 향상시키기 위해 메타표면 더블렛이 양방향 격자안테나의 상부에 집적된 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 양방향 격자 안테나 칩의 구조 및 작동 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 2b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 양방향 격자 안테나에서 박스층 4㎛에 대해 2D 모델링된 양방향 격자 안테나에 대한 격자 주기에 대한 산출된 스펙트럼 방출 응답을 도시한 것이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 양방향 격자 안테나의 조향각을 확대하기 위한 메타표면 더블렛 장치의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 3b는 본 발명의 일 실시 예에 따라 제조된 메타표면 더블렛 장치(MD)의 위상 프로파일을 도시한 것이다.
도 3c는 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛 장치(MD)의 제1메타표면(MS1) 및 제2메타표면(MS2)에 대한 주사 전자 현미경(SEM) 이미지를 도시한 것이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시 예에 따라 제조된 양방향 격자 안테나에 대한 실험 시스템을 도시한 것이다.
도 4b는 도 4a의 시스템으로부터 파장 조정된 메인 빔의 캡처된 강도 프로파일을 도시한 것이다.
도 4c는 도 4a의 시스템으로부터 파장 측면에서 메인 빔에 해당하는 관찰된 방출 각도를 도시한 것이다..
도 5는 도 4a의 시스템으로부터 1530-1600 nm의 파장에 대한 주 빔에 상응하는 빔 방출 효율을 도시한 것이다.
도 6a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛에 대해 입사각에 의한 빔 편향 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 6b는 도 6a의 빔 프로파일러에서 메타표면 더블렛(MD)에서 출력되는 빔의 편향각 및 편향 효율을 측정한 그래프이다.
도 6c는 메타표면 더블렛(MD)을 통과한 빔의 입사각의 함수로 상대적으로 편향된 빔 파워를 도시한 것이다.
도 7a는 메타표면 더블렛이 집적된 양방향 격자 안테나의 측면 및 평면 이미지를 도시한 것이다.
도 7b는 도 7a에서 파장으로 측정된 빔 방출 각도를 그래프로 도시한 것이다.1 is a diagram for explaining a structure in which metasurface doublets are integrated on top of a bidirectional grating antenna to further improve beam steering according to an embodiment of the present invention.
2A is a diagram for explaining the structure and operation principle of a bi-directional grating antenna chip according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2B shows the calculated spectral emission response with respect to the grating period for a 2D modeled bidirectional grating antenna for a box layer of 4 μm in a bidirectional grating antenna according to an embodiment of the present invention.
3A is a diagram for explaining the structure of a metasurface doublet device for enlarging the steering angle of a bi-directional grating antenna according to an embodiment of the present invention.
3B shows the phase profile of a metasurface doublet device (MD) manufactured according to an embodiment of the present invention.
3C shows scanning electron microscope (SEM) images of the first metasurface MS1 and the second metasurface MS2 of the metasurface doublet device MD according to an embodiment of the present invention.
4A shows an experimental system for a bi-directional grating antenna manufactured according to an embodiment of the present invention.
Figure 4b shows the captured intensity profile of the wavelength tuned main beam from the system of Figure 4a.
Fig. 4c shows the observed angle of emission corresponding to the main beam in terms of wavelength from the system of Fig. 4a.
FIG. 5 shows the beam emission efficiency corresponding to the main beam for wavelengths of 1530-1600 nm from the system of FIG. 4a.
6A is a diagram for explaining beam deflection characteristics according to an incident angle for a metasurface doublet according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6B is a graph obtained by measuring the deflection angle and deflection efficiency of a beam output from a metasurface doublet (MD) in the beam profiler of FIG. 6A.
6C shows the relative deflected beam power as a function of the angle of incidence of a beam passing through a metasurface doublet (MD).
7a shows side and plan images of a bi-directional grating antenna in which metasurface doublets are integrated.
FIG. 7B is a graphical representation of the beam emission angle measured in terms of wavelength in FIG. 7A.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.Terms used in this application are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise.
본 출원에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. In this application, when a certain component is said to "include", it means that it may further include other components without excluding other components unless otherwise stated.
또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈", "장치" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.In addition, terms such as "...unit", "...unit", "module", and "device" described in the specification mean a unit that processes at least one function or operation, which is hardware or software, or a combination of hardware and software. can be implemented as
또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 '연결', '결합' 또는 '접속'된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속될 수 있지만, 그 구성 요소와 그 다른 구성요소 사이에 또 다른 구성 요소가 '연결', '결합' 또는 '접속'될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.Also, terms such as first and second may be used in describing components of an embodiment of the present invention. These terms are only used to distinguish the component from other components, and the nature, order, or order of the corresponding component is not limited by the term. When an element is described as being 'connected', 'coupled' or 'connected' to another element, the element may be directly connected, coupled or connected to the other element, but not between the element and the other element. It should be understood that another component may be 'connected', 'coupled' or 'connected' between elements.
이하 본 발명의 구현에 따른 메타표면 더블렛이 집적된 양방향 격자 안테나 및 이를 이용한 빔조향기에 대하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, a bidirectional grating antenna in which a metasurface doublet is integrated according to an embodiment of the present invention and a beam steering device using the same will be described in detail.
본 발명의 일 실시 예에서는 효율적인 빔 조향을 위한 편평하고 초박형 형태 소자를 특징으로 하는 메타표면 더블렛을 포함하는 양방향 격자 안테나를 제시한다. 종래의 격자 안테나와 비교하여, 양방향 빔 조향이 가능한 메타표면 더블렛 양방향 격자 안테나는 주어진 파장 튜닝 범위 내에서 조향 범위의 2배 이상을 효과적으로 부여한다. 수직 방향으로 광을 방출하는 메타표면 더블렛 양방향 격자 안테나의 조향 성능은 길이 방향을 따른 주 빔의 조향 범위 및 스펙트럼 방출 응답의 관점에서 특성화된다. 또한, 스티어링 각도 확대 메타렌즈로서 작동하는 메타렌즈 더블렛은 양방향 격자 안테나에 통합되어 파장-조정 스티어링 효율을 3배 증폭시킨다. 2개의 상이한 메타표면을 구성하는 초박형 및 편광-비민감성 메타표면 더블렛은 성능 개선을 위해 실리콘 광자 회로와의 비교적 간단한 정렬을 가능하게 한다. In one embodiment of the present invention, a bi-directional grating antenna including a metasurface doublet characterized by flat and ultra-thin form elements for efficient beam steering is presented. Compared to the conventional grating antenna, the metasurface doublet bi-directional grating antenna capable of bi-directional beam steering effectively provides more than twice the steering range within a given wavelength tuning range. The steering performance of a metasurface doublet bi-directional grating antenna emitting light in the vertical direction is characterized in terms of the steering range of the main beam along the longitudinal direction and the spectral emission response. In addition, a metalens doublet, acting as a steering angle magnification metalens, is integrated into the bi-directional grating antenna to amplify the wavelength-steered steering efficiency by a factor of 3. The ultra-thin and polarization-insensitive metasurface doublets comprising two different metasurfaces allow for relatively simple alignment with silicon photonic circuits for improved performance.
본 발명의 일 실시 예에서는 메타표면 더블렛의 전달 특성을 평가한 후, 메타표면 더블렛 통합된 메타표면 더블렛 격자 안테나의 방출 반응을 분석하였다.In an embodiment of the present invention, after evaluating the transfer characteristics of the metasurface doublet, the emission response of the metasurface doublet grating antenna integrated with the metasurface doublet was analyzed.
본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛 격자 안테나는 높은 빔-스티어링 효율을 갖는 빔조향기를 실현하기 위한 기능적 플랫 폼 인자를 제공할 수 있다.A metasurface doublet grating antenna according to an embodiment of the present invention can provide a functional platform factor for realizing a beam steering device with high beam-steering efficiency.
비기계적 시스템에서의 좁은 빔 조향 범위는 렌즈 광학에 의지함으로써 극적으로 연장될 수 있다. 이러한 접근법은 주어진 파장 튜닝 범위 하에서 달성 가능한 스캐닝 범위를 실질적으로 확장하기 위해 빔 조향기의 조향 성능을 향상시키기 위해 유사하게 적용될 수 있다The narrow beam steering range in non-mechanical systems can be dramatically extended by relying on lens optics. This approach can be similarly applied to improve the steering performance of a beam steering machine to substantially extend the achievable scanning range under a given wavelength tuning range.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 빔 조향을 더 향상시키기 위해 메타표면 더블렛이 양방향 격자안테나의 상부에 집적된 빔조향기의 구조를 설명하기 위한 도면이다.1 is a diagram for explaining the structure of a beam steering device in which a metasurface doublet is integrated on top of a bidirectional grating antenna to further improve beam steering according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 양방향 격자 안테나는 실리콘 내의 형성된 양방향 격자 안테나(bidirectional grating antenna) 패턴 칩; 상기 격자 안테나 패턴 칩의 일측 종단에 형성되고 제1입력광이 입사되는 제1입력포트 및 상기 제1입력포트와 맞은 편 종단에 형성되고 제2입력광이 입사되는 제2 입력포트; 상기 제1입력포트 및 제 입력포트에 광 입력을 교번으로 연결시키는 광학 스위치; 상기 양방향 격자 안테나 칩 상부에 형성되며, 양방향 격자 안테나 칩으로부터 광이 통과하는 스폿이 형성된 변환기; 및 상기 변환기 상부에 형성되어 상기 변환기를 통과한 빔을 조향시키는 메타표면 더블렛(metasuface doublet)을 포함한다.Referring to FIG. 1, a bidirectional grating antenna according to an embodiment of the present invention includes a bidirectional grating antenna pattern chip formed in silicon; a first input port formed at one end of the lattice antenna pattern chip and into which first input light is incident, and a second input port formed at an end opposite to the first input port and into which second input light is incident; an optical switch alternately connecting optical inputs to the first input port and the second input port; a transducer formed on the bidirectional grating antenna chip and having a spot through which light from the bidirectional grating antenna chip passes; and a metasuface doublet formed on the transducer to steer a beam passing through the transducer.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 양방향 격자 안테나 칩은 한 세트의 도파관 격자 채널에 충돌하기 전에, 광이 스폿 크기 변환기를 통해 발사되고 1x2 다중모드 간섭 커플러의 5개의 스테이지로 분할되도록 구성된다. 이에 따라 궁극적으로, 32채널의 양방향 격자안테나를 포함하는 표면 릴리프 격자로부터 광 빔이 방사된다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛 양방향 격자안테나는 광학 스위치로 제1입력포트와 제2입력포트 사이에서 입사된 광을 상기 제1입력광과 제2입력광의 입력으로 교대로 입사되도록 광 경로를 교번시켜 광학 안테나의 조향 스캐닝 범위를 2배로 배가하는 효과를 가질 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the bidirectional grating antenna chip is configured such that before impinging on a set of waveguide grating channels, light is emitted through a spot size converter and split into five stages of a 1x2 multimode interference coupler. Accordingly, ultimately, a light beam is radiated from the surface relief grating including the 32-channel bi-directional grating antenna. The metasurface doublet bidirectional grating antenna according to an embodiment of the present invention is an optical switch so that light incident between a first input port and a second input port is alternately incident as the first input light and the second input light. It can have the effect of doubling the steering scanning range of the optical antenna by alternating the optical path.
본 발명의 일 실시 예에 따른 달성 가능한 조향 범위 Δθ는 광원의 λ1 내지 λ2의 파장 튜닝 범위에 달려있다. 광빔은 λ1의 경우에 수직으로 방사되는 것으로 추정되고, 이는 증가하는 파장으로 후방 방향으로 점진적으로 경사진다. 안테나로부터 발산되는 빔은 바로 위에 정렬된 메타표면 더블렛 상으로 통과되어 메타표면의 소자특성에 의해 입사 빔을 편향시키게 된다.The achievable steering range Δθ according to an embodiment of the present invention depends on the wavelength tuning range of λ 1 to λ 2 of the light source. The light beam is assumed to be emitted vertically in the case of λ 1 , which is progressively tilted in the backward direction with increasing wavelength. The beam emanating from the antenna is passed onto the metasurface doublet aligned directly above it, deflecting the incident beam by the device properties of the metasurface.
본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛이 양방향 격자안테나의 상부에 통합된 구조를 가지는 빔조향기는 길이 방향으로 향상된 빔-스티어링 효율을 가능하게 할 수 있다.A beam steering device having a structure in which a metasurface doublet is integrated on top of a bidirectional grating antenna according to an embodiment of the present invention can enable improved beam-steering efficiency in the longitudinal direction.
도 2a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 양방향 격자 안테나 칩의 구조 및 작동 원리를 설명하기 위한 도면이다.2A is a diagram for explaining the structure and operation principle of a bi-directional grating antenna chip according to an embodiment of the present invention.
도 2a를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 양방향 격자 안테나(bidirectional grating antenna)는 Si로 형성된 실리콘 기판; 상기 실리콘 기판 상부에 SiO2 재질로 형성된 박스층; 상기 박스층 상부에 실리콘질화물(SiN)로 형성되며 격자 패턴을 가진 도파관 코어층: 상기 도파관 코어층 상부에 SiO2로 형성된 클래딩층; 을 포함한다.Referring to FIG. 2A, a bidirectional grating antenna according to an embodiment of the present invention includes a silicon substrate made of Si; a box layer formed of a SiO 2 material on the silicon substrate; a waveguide core layer formed of silicon nitride (SiN) on the box layer and having a lattice pattern: a cladding layer formed of SiO 2 on the waveguide core layer; includes
본 발명의 일 실시 예에 따른 도파관코어층은 넓은 투명성 창, 낮은 손실 및 현저한 제작 신뢰성의 이점 때문에 실리콘 질화물(SiN)을 도파관 코어 재료로 선택되었다. In the waveguide core layer according to an embodiment of the present invention, silicon nitride (SiN) is selected as the waveguide core material because of its advantages of wide transparency window, low loss, and remarkable fabrication reliability.
본 발명의 일 실시 예에 따른 상기 도파관 코어층의 제조방법은, 먼저 상기 실리콘 기판 상에 4㎛의 두께(hBOX)를 갖는 박스(Box)층을 증착하여 형성하는 단계; 상기 박스(Box)층 상부에 저압 화학 증착을 통해 450nm의 두께(hSiN)를 갖는 SiN 층을 증착하는 SiN층 증착단계가 수행된다. 다음은 상기 증착된 SiN층을 심자외선(deep ultra-violet, DUV) 스테퍼를 사용하여 2㎛ 폭으로 패터닝하는 패터닝 단계가 수행된다. 이어서 상기 패터닝된 SiN층은 상부에 90nm의 홈 높이(groove height)를 가지는 격자 패턴이 생성하도록 부분적으로 에칭하여 도파관 코어층을 형성하는 에칭단계; 가 수행된다.The manufacturing method of the waveguide core layer according to an embodiment of the present invention includes first depositing and forming a box layer having a thickness (hBOX) of 4 μm on the silicon substrate; An SiN layer deposition step of depositing a SiN layer having a thickness (h SiN ) of 450 nm through low pressure chemical vapor deposition is performed on the box layer. Next, a patterning step of patterning the deposited SiN layer to a width of 2 μm using a deep ultra-violet (DUV) stepper is performed. Subsequently, an etching step of partially etching the patterned SiN layer to form a lattice pattern having a groove height of 90 nm thereon to form a waveguide core layer; is performed
본 발명의 일 실시 예에 따른 에칭단계에서는 캐스케이드 MMI 스플리터(cascaded MMI splitters)가 부착된 32-채널 양방향 격자 안테나 패턴이 4㎛의 균일한 간격을 가지는 도파관 코어층 패턴이 형성되도록 디자인되었다. 마지막으로, SiN 도파관 패턴은 상부에 3㎛ 두께의 SiO2을 증착하여 클래딩층을 형성하는 단계가 수행된다. 상기 클래딩층에 의해 도파관 코아층 패턴이 커버되어 외부적인 손상으로부터 이들을 보호할 수 있다.In the etching step according to an embodiment of the present invention, a 32-channel bidirectional grating antenna pattern to which cascaded MMI splitters are attached is designed to form a waveguide core layer pattern having a uniform interval of 4 μm. Finally, a step of forming a cladding layer by depositing 3 μm-thick SiO 2 on the SiN waveguide pattern is performed. The waveguide core layer pattern is covered by the cladding layer to protect them from external damage.
본 발명의 일 실시 예에 다른 양방향 격자 안테나는 종래의 격자 대응 기술들과는 다르게 2개의 포트에 광을 교대로 공급함으로써 양방향 빔 방사선을 지지할 수 있다.Unlike the conventional grating-corresponding technologies, the bi-directional grating antenna according to an embodiment of the present invention may support bi-beam radiation by alternately supplying light to two ports.
본 발명의 일 실시 예에 따른 SiN 도파관 코어층의 길이는 500㎛로 형성된다.The length of the SiN waveguide core layer according to an embodiment of the present invention is formed to 500 μm.
본 발명의 일 실시 예에 따른 양방향 격자 안테나의 빔 방출 각도(θ는 The beam emission angle (θ of the bidirectional grating antenna according to an embodiment of the present invention is
다음 수학식 1에 의한다.According to the following
여기서 neff 는 격자 도파관코어층의 유효 굴절률이고, Λ는 도파관코어층의 격자 주기이다.Here, n eff is the effective refractive index of the grating waveguide core layer, and Λ is the grating period of the waveguide core layer.
또한, 상기 도파관 코어층의 일측 종단에 제1입력광이 입력되는 제1입력포트(port1)가 형성되고, 상기 제1입력포트(port1)와 맞은 편 종단에 제2입력광이 입력되는 제2 입력포트(port2)가 형성되며, 상기 제1입력광 및 제2입력광은 광 입력을 교번으로 연결시키는 광학 스위치에 의해 광이 입력되는 것을 특징으로 한다.In addition, a first input port (port1) to which the first input light is input is formed at one end of the waveguide core layer, and a second input port (port1) to which the second input light is input is formed at the end opposite to the first input port (port1). An input port (port2) is formed, and the first and second input lights are characterized in that light is input by an optical switch that alternately connects the light inputs.
본 발명의 일 실시 예에 따른 방출 빔은 주어진 튜닝 범위의 최단 파장에 대해 정상적으로 방출되며(θ= 0°), 따라서 연속 빔 스캐닝은 광 개시 포트(port1, port2)를 교번으로 작동함으로써 수행될 수 있다. 고정된 파장 튜닝 범위 내에서, 양방향 격자 안테나는 제1입력포트 및 제2입력포트 각각에 대해 후방 방향의 +Δθ(λ 및 -Δθ(λ 빔 조향 범위를 달성할 수 있다. 이에 따라 본 발명의 일 실시 예에 따른 양방향 격자 안테나는 스캐닝 범위가 제1입력광의 2배 효과적으로 확장될 수 있다. 또한, 강한 격자 벡터에 의해 발생된 후방 방출은 전방 방출보다 높은 조향 효율을 초래할 수 있다.An emission beam according to an embodiment of the present invention is normally emitted for the shortest wavelength in a given tuning range (θ = 0°), so continuous beam scanning can be performed by alternately operating the light initiation ports (port1, port2). there is. Within a fixed wavelength tuning range, the bidirectional grating antenna can achieve +Δθ(λ and -Δθ(λ) beam steering ranges in the backward direction for the first and second input ports, respectively. Accordingly, the present invention In the bidirectional grating antenna according to an embodiment, the scanning range can be effectively expanded by twice that of the first input light, and the backward emission generated by the strong grating vector can result in higher steering efficiency than the forward emission.
도 2b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 양방향 격자 안테나에서 박스층 4㎛에 대해 2D 모델링된 양방향 격자 안테나에 대한 격자 주기에 대한 산출된 스펙트럼 방출 응답을 도시한 것이다.FIG. 2B shows the calculated spectral emission response with respect to the grating period for a 2D modeled bidirectional grating antenna for a box layer of 4 μm in a bidirectional grating antenna according to an embodiment of the present invention.
도 2b를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따라 2D 모델링된 SiN 안테나의 경우, 방출 스펙트럼은 일반적으로 Lumical FDTD Solutions(Canada, Lumerical)의 도움으로 빔을 조사하도록 수치적으로 설계되었다.Referring to FIG. 2B , in the case of a 2D modeled SiN antenna according to an embodiment of the present invention, an emission spectrum is generally numerically designed to irradiate a beam with the help of Lumical FDTD Solutions (Canada, Lumerical).
본 발명의 일 실시 예에 따른 500㎛ 길이의 SiN 도파관 코어층은 0.5의 충전율 및 90nm의 높이를 갖는 부분적으로 에칭된 표면 격자를 포함한다. 도파관코어층의 유효 굴절률은 λ= 1550nm에서 ~1.69로 계산되었다. A 500 μm long SiN waveguide core layer according to an embodiment of the present invention includes a partially etched surface grating having a fill factor of 0.5 and a height of 90 nm. The effective refractive index of the waveguide core layer was calculated to be ~1.69 at λ = 1550 nm.
도 2는 θ = 0°에 상응하는 수직 아웃-커플링에 대한 광학 강도가, 도파관 격자에 속하는 2차 회절에 상응하는 후방 반사가 방출 효율을 감소시킨다는 것을 고려하면, 격자 주기는 점선 백색 선을 따라 설정하는 것이 바람직한 것으로 보여준다. 이러한 특성을 감안하여 본 발명의 일 실시 예에서는 1530 내지 1600nm 파장의 주어진 스펙트럼 범위하에서, 격자 주기를 900nm로 설정하였고 이에 대한 연속적인 양방향 빔 스캐닝을 수행하였다. 격자 안테나에서 스펙트럼 방출 반응은 공동으로서 작동하는 BOX층의 두께에 의해 결정적으로 영향을 받는다(C.-S. Im, B. Bhandari, K.-P. Lee, S.-M. Kim, M.-C. Oh, and S.-S. Lee, “Silicon nitride optical phased array based on a grating antenna enabling wavelength-tuned beam steering,”Opt. Express 28, 3270-3279 (2020).).Figure 2 shows that the optical intensity for vertical out-coupling corresponding to θ = 0 °, considering that the back reflection corresponding to the second-order diffraction belonging to the waveguide grating reduces the emission efficiency, the grating period is indicated by the dotted white line It shows that it is desirable to set according to . In consideration of these characteristics, in an embodiment of the present invention, the grating period was set to 900 nm under a given spectral range of 1530 to 1600 nm wavelength, and continuous bi-beam scanning was performed for this. The spectral emission response in a grating antenna is critically influenced by the thickness of the BOX layer acting as a cavity (C.-S. Im, B. Bhandari, K.-P. Lee, S.-M. Kim, M. -C. Oh, and S.-S. Lee, “Silicon nitride optical phased array based on a grating antenna enabling wavelength-tuned beam steering,” Opt. Express 28, 3270-3279 (2020).).
본 발명의 일 실시 예에서는 방출 효율의 저하를 초래하는 공명 딥을 피하기 위해 4㎛ 두께의 BOX층을 채택하였고, 이는 일정한 스펙트럼 방출 응답을 나타낸다.In one embodiment of the present invention, a BOX layer with a thickness of 4 μm is adopted to avoid a resonance dip that causes a decrease in emission efficiency, which shows a constant spectral emission response.
수직 방출을 유도하는 양방향 격자 안테나 구조는 렌즈를 배치하게 되면, 조향 범위를 증폭시키는 관점에서 바람직하다. 오프-수직 빔은 정교한 오프-축(off-axis) 마운팅 시스템을 필요로 하고 많은 부피를 차지한다. 빔과 렌즈 광학 사이의 경사에 관련된 공간이 확대된 빔을 유발시킨다는 것을 고려하면, 렌즈는 그에 따라 크기가 증가되어야 한다. 그러나 수직 방사기로서 작동하는 본 발명의 일 실시 예에 따른 양방향 격자 안테나는 콤팩트한 형태 소자의 특성으로 조향 범위를 효율적으로 확장시킬 수 있다.A bidirectional grating antenna structure that induces vertical emission is preferable from the viewpoint of amplifying a steering range when a lens is disposed. Off-vertical beams require sophisticated off-axis mounting systems and take up a lot of volume. Given that the space associated with the tilt between the beam and the lens optics results in an enlarged beam, the lens must be increased in size accordingly. However, the bi-directional grating antenna according to an embodiment of the present invention, which operates as a vertical radiator, can efficiently expand the steering range due to the characteristics of a compact element.
도 3a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 양방향 격자 안테나의 조향각을 확대하기 위한 메타표면 더블렛 장치의 구조를 설명하기 위한 도면이다.3A is a diagram for explaining the structure of a metasurface doublet device for enlarging the steering angle of a bi-directional grating antenna according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛 장치는 초박형 평면 폼 펙터 렌즈 시스템(flat form lens)과 유사한 기능으로 작동될 수 있다.The metasurface doublet device according to an embodiment of the present invention can operate with a function similar to that of an ultra-thin flat form factor lens system.
도 3a를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛 장치는, 석영 기판; 상기 석영기판의 전면부에서 중심부에 일정 높이를 가지는 원통형상의 나노-필러가 형성되며, 일정 주기의 제1유닛셀이 배열되어 형성된 제1 메타표면(MS1); 및 상기 석영기판의 후면부에서 중심부에 일정 높이를 가지는 원통형상의 나노-필러가 형성되며, 일정 주기의 제2유닛셀이 배열되어 형성된 제2 메타표면(MS2)을 포함한다.Referring to Figure 3a, a metasurface doublet device according to an embodiment of the present invention, a quartz substrate; a first metasurface (MS1) in which a cylindrical nano-pillar having a certain height is formed in the center of the front surface of the quartz substrate, and first unit cells of a certain period are arranged; and a second metasurface MS2 in which a cylindrical nano-pillar having a certain height is formed at the center of the rear surface of the quartz substrate and second unit cells of a certain period are arranged.
본 발명의 일 실시 예에 따른 상기 메타표면 더블렛 장치의 석영 기판은 902㎛의 두께로 형성되며, 상기 제1 메타표면 및 제2 메타표면에 형성된 원통형상의 나노-필러는 880nm의 높이를 가지며, 수소화 비정질 실리콘(a-Si: H) 재질로 형성된 것을 특징으로 한다.The quartz substrate of the metasurface doublet device according to an embodiment of the present invention is formed to a thickness of 902 μm, and the cylindrical nano-pillars formed on the first metasurface and the second metasurface have a height of 880nm, It is characterized in that it is formed of a hydrogenated amorphous silicon (a-Si: H) material.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 제1 메타표면은 볼록렌즈 기능을 포함하고, 상기 제2메타표면은 오목렌즈 기능을 포함하는 것을 특징으로 한다.According to an embodiment of the present invention, the first metasurface includes a convex lens function, and the second metasurface includes a concave lens function.
또한, 상기 제1메타표면(MS1)과 제2메타표면(MS2)의 원통형 나노필러의 직경을 다음 표1과 같이 200 내지 494nm에서 조절하여 배열함으로써, 입사광에 대해 0 내지 2π의 범위를 커버하는 위상 편이 가지는 것을 특징으로 한다. In addition, by adjusting and arranging the diameters of the cylindrical nano-pillars of the first meta-surface MS1 and the second meta-surface MS2 from 200 to 494 nm as shown in Table 1 below, the range of 0 to 2π for incident light is covered. It is characterized by having a phase shift.
[단위: nm][Unit: nm]
또한, 입사 빔은 도 3(a)에 도시된 바와 같이 상기 제1메타표면(MS1)을 통해 안쪽으로 수렴하고, 이어서 제2메타표면(MS2)을 통해 바깥쪽으로 편향되어, 결과적으로 빔 조향이 향상된다. In addition, the incident beam converges inward through the first metasurface MS1 as shown in FIG. 3(a) and is then deflected outward through the second metasurface MS2, resulting in beam steering. It improves.
도 3a를 참조하면, 빔 편향에 대한 배율(M)은 2개의 메타표면의 초점 길이의 비(
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 제1메타표면(MS1)의 초점 길이(fMS1)는 0.986mm에 형성되도록 제조되었으며, 제2메타표면(MS2)의 초점 거리(fMS2)는 0.329mm에 형성되도록 제조되었다. 이는 대략 3배 배율을 제공한다. According to an embodiment of the present invention, the focal length fMS1 of the first metasurface MS1 is manufactured to be 0.986 mm, and the focal length fMS2 of the second metasurface MS2 is manufactured to be formed to be 0.329mm. was manufactured This gives approximately 3x magnification.
본 발명의 일 실시 예에 따른 빔조향기에서 양방향 격자 안테나(BDGA)와 메타표면 더블렛 장치(MD) 사이의 거리가 1mm 이내일 때(예를 들면 0.5 ~1mm), 양방향 격자 안테나(BDGA)로부터 나오는 빔은 주로 500㎛의 직경을 갖는 메타표면 더블렛 장치(MD)를 통해 수용된다. 이에 따라 메타표면 더블렛 장치(MD)를 통과하는 빔은 입사각의 3배를 취하도록 조향될 수 있다.In the beam steering device according to an embodiment of the present invention, when the distance between the bidirectional grating antenna (BDGA) and the metasurface doublet device (MD) is within 1 mm (for example, 0.5 to 1 mm), the bidirectional grating antenna (BDGA) The outgoing beam is mainly received through a metasurface doublet device (MD) with a diameter of 500 μm. Accordingly, the beam passing through the metasurface doublet device (MD) can be steered to take three times the angle of incidence.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛 장치(MD)는 기하학적으로 대칭적인 구조로 인해 입사 편광과 독립적으로 작동할 수 있다.In addition, the metasurface doublet device (MD) according to an embodiment of the present invention can operate independently of incident polarization due to its geometrically symmetrical structure.
도 3b는 본 발명의 일 실시 예에 따라 제조된 메타표면 더블렛 장치(MD)의 위상 프로파일을 도시한 것이다.3B shows the phase profile of a metasurface doublet device (MD) manufactured according to an embodiment of the present invention.
도 3b를 참조하면, 제1메타표면(MS1)의 위상분포는 동심원 패턴을 배열되며, 제2메타표면(MS2)의 위상분포는 4개의 동심원 패턴이 중심의 하나의 동심원 패턴과 원형 대칭을 가지는 패턴으로 설계된다. 도 3b에 예시된 바와 같이, 상 분포를 유도하고 재배치하여 원형 대칭을 얻을 수 있다.Referring to FIG. 3B , the phase distribution of the first metasurface MS1 is arranged in a concentric circle pattern, and the phase distribution of the second metasurface MS2 is four concentric circle patterns having circular symmetry with one central concentric circle pattern. designed in a pattern. Circular symmetry can be obtained by deriving and rearranging the phase distribution, as illustrated in FIG. 3B.
도 3c는 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛 장치(MD)의 제1메타표면(MS1) 및 제2메타표면(MS2)에 대한 주사 전자 현미경(SEM) 이미지를 도시한 것이다.3C shows scanning electron microscope (SEM) images of the first metasurface MS1 and the second metasurface MS2 of the metasurface doublet device MD according to an embodiment of the present invention.
도 4a는 본 발명의 일 실시 예에 따라 제조된 양방향 격자 안테나에 대한 실험 시스템을 도시한 것이다.4A shows an experimental system for a bi-directional grating antenna manufactured according to an embodiment of the present invention.
도 4a에서 TLS는 조정 가능한 레이저 장치를 나타낸다. 조정 가능한 레이저(Santec, TLS-210)는 1530 내지 1600nm의 넓은 범위의 파장을 제공하는 광원으로서 작용한다.In Figure 4a, TLS represents a tunable laser device. A tunable laser (Santec, TLS-210) serves as a light source providing a wide range of wavelengths from 1530 to 1600 nm.
EDFA는 에르븀-도핑된 fiber 증폭기이고, VRC는 선택적 광공급을 위한 커플러이다. 본 발명의 일 실시 예에서는 양방향 격자 안테나의 2개의 입력포트에 대한 선택적 광학 공급을 충족시키기 위해, 1x2 광학 스위치 대신에 커플러를 사용하였다. 2개의 입력포트(port1, port2)에는 편광 제어기(PC, Photonics)가 각각 배치되어 입사 횡방향 전기 편광을 제공하고, 이는 궁극적으로 렌즈형 fiber(LF)를 통해 양방향 격자안테나에 에지-커플링되어 입력된다.EDFA is an erbium-doped fiber amplifier, and VRC is a coupler for selective light supply. In one embodiment of the present invention, a coupler is used instead of a 1x2 optical switch to satisfy selective optical supply to two input ports of a bidirectional grating antenna. Polarization controllers (PC, Photonics) are respectively disposed in the two input ports (port1, port2) to provide incident transverse electrical polarization, which is ultimately edge-coupled to the bidirectional grating antenna through a lenticular fiber (LF). is entered
도 4a를 참조하면, 조정 가능한 레이저(TLS)에서 1530 내지 1600nm의 레이저 빔이 발생되고, EDFA 증폭기를 거쳐서 커플러(VRC)에서 선택적으로 교번되어 편광 제어기와 렌즈형 fiber(PC+LF)로 양방향 격자안테나(BDGA)에 입력된다. 이에 따라 양방향 격자 안테나는 광을 자유 공간으로 방출한다. 광의 주요 빔 성분은 주로 빔 프로파일러(Beam profiler, CINOGY, CMOS-1202)에 의해 포획된다. Referring to FIG. 4A, a laser beam of 1530 to 1600 nm is generated from a tunable laser (TLS), and is selectively alternated at a coupler (VRC) via an EDFA amplifier to form a bidirectional grating with a polarization controller and a lenticular fiber (PC+LF). It is input to the antenna (BDGA). Accordingly, the bi-directional grating antenna emits light into free space. The main beam component of the light is mainly captured by a beam profiler (CINOGY, CMOS-1202).
도 4b는 도 4a의 시스템으로부터 파장 조정된 메인 빔의 캡처된 강도 프로파일을 도시한 것이다.Figure 4b shows the captured intensity profile of the wavelength tuned main beam from the system of Figure 4a.
도 4b를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 양방향 격자 안테나는, 명확한 빔이 얻어지는 것을 나타내며, 각 횡방향 및 종방향을 따라 0.6° 및 0.2°의 반치전폭 발산각을 나타낸다. Referring to FIG. 4B, the bidirectional grating antenna according to an embodiment of the present invention shows that a clear beam is obtained, and has divergence angles at half maximum of 0.6° and 0.2° along the transverse and longitudinal directions, respectively.
도 4c는 도 4a의 시스템으로부터 파장 측면에서 메인 빔에 해당하는 관찰된 방출 각도를 도시한 것이다..Fig. 4c shows the observed angle of emission corresponding to the main beam in terms of wavelength from the system of Fig. 4a.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 도 4c는 도 4a의 시스템에서 빔 프로파일러(Beam profiler)로 측정된 방출각도를 나타낸다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 양방향 격자 안테나(BDGA)가 빔-스티어링 효율을 향상시키기 위한 강한 격자 벡터를 취하도록 설계된 것을 고려하면, 빔은 제1입력포트, 또는 제2입력포트 중 어느 하나를 통해 개시 방향과 반대의 후방으로 방사된다. 그 결과, 빔은 1530 내지 1600nm의 다양한 파장에 응답하여 + 5.4° 내지 - 5.4° 사이에서 스캐닝되었다. 제작 오차는 주 빔의 각도에 대해 0.2°의 약간의 예상치 못한 오프셋을 초래하는 것으로 분석되었다.According to an embodiment of the present invention, Figure 4c shows the emission angle measured by the beam profiler (Beam profiler) in the system of Figure 4a. Considering that the bidirectional grating antenna (BDGA) according to an embodiment of the present invention is designed to take a strong grating vector for improving beam-steering efficiency, the beam is transmitted through either the first input port or the second input port. It is radiated backward in the direction opposite to the starting direction. As a result, the beam was scanned between +5.4° and -5.4° in response to various wavelengths from 1530 to 1600 nm. Fabrication errors were analyzed to result in a slight unexpected offset of 0.2° relative to the angle of the main beam.
0.148°/nm의 달성된 조향 효율은 의도된 바와 같은 단일방향 안테나 케이스의 2배이며, 이는 최근에 보고된 후방 방출 SiN 안테나의 효율에 비해 우수한 것으로 나타낸다(C.-S. Im, B. Bhandari, S.-M. Kim, M.-C. Oh, K.-P. Lee, T. Kim, and S.-S. Lee, ““Backward-emitting silicon nitride optical phased array enabling efficient wavelength-tuned beam steering,”IEEE Photonics J. 12, 6601910 (2020). 참조).The achieved steering efficiency of 0.148°/nm is twice that of the unidirectional antenna case as intended, which is superior to that of a recently reported rear-emitting SiN antenna (C.-S. Im, B. Bhandari). , S.-M. Kim, M.-C. Oh, K.-P. Lee, T. Kim, and S.-S. Lee, ““Backward-emitting silicon nitride optical phased array enabling efficient wavelength-tuned beam steering,” see IEEE Photonics J. 12, 6601910 (2020).).
본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛이 집적된 양방향 격자 안테나 및 이를 이용한 빔조향기의 평면 크기는, 방사 빔을 안전하게 수용하면서, 양방향 격자안테나 칩과 메타표면 더블렛 사이의 간극을 줄임으로써, 현명하게 소형화될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the plane size of the bidirectional grating antenna in which the metasurface doublet is integrated and the beam steering device using the same can be reduced by reducing the gap between the bidirectional grating antenna chip and the metasurface doublet while safely accommodating the radiation beam. , can be miniaturized wisely.
도 5는 도 4a의 시스템으로부터 1530-1600 nm의 파장에 대한 주 빔에 상응하는 빔 방출 효율을 도시한 것이다.FIG. 5 shows the beam emission efficiency corresponding to the main beam for wavelengths of 1530-1600 nm from the system of FIG. 4a.
도 5를 참조하면, 더 긴 파장에서 단조된 공명 딥의 존재로 인해 파장이 증가함에 따라 효율이 약간 감소하였고, 피팅 곡선을 보면 70nm의 파장 범위를 변화시킬 때 3.6 dB의 강도 변동이 관찰되었다. Referring to Fig. 5, the efficiency decreased slightly with increasing wavelength due to the presence of a monotonic resonance dip at longer wavelengths, and the fitting curve showed an intensity fluctuation of 3.6 dB when changing the wavelength range of 70 nm.
따라서, 각도 스캐닝을 넓히기 위한 파장 튜닝 범위의 확장은, 증가하는 파장에 응답하여 효율의 저하로 인해 필연적으로 제한될 수 있다. Therefore, extension of the wavelength tuning range to widen the angular scanning may inevitably be limited due to a drop in efficiency in response to an increasing wavelength.
본 발명의 일 실시 예에 따른 양방향 격자 안테나(BDGA)를 적용하면, 이러한 문제는 개시 포트를 교번함으로써 효과적으로 회피될 수 있고, 이에 의해 3.6dB 미만의 효율 변동 하에서 ~10°의 빔 스캐닝 범위를 달성할 수 있다. Applying a bi-directional grating antenna (BDGA) according to an embodiment of the present invention, this problem can be effectively avoided by alternating initiation ports, thereby achieving a beam scanning range of ~10° under an efficiency variation of less than 3.6 dB. can do.
경과적으로 본 발명의 일 실시 예에 따른 양방향 격자 안테나(BDGA)는 빔 스티어링 효율을 향상시킬 뿐만 아니라, 단방향으로 방사하는 기존의 격자 안테나보다 더 넓은 스펙트럼 대역폭을 갖는다는 것이 입증된다.As a result, it has been proven that the BDGA according to an embodiment of the present invention not only improves beam steering efficiency, but also has a wider spectral bandwidth than a conventional grating antenna that radiates in one direction.
도 6a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛에 대해 입사각에 의한 빔 편향 특성을 설명하기 위한 도면이다.6A is a diagram for explaining beam deflection characteristics according to an incident angle for a metasurface doublet according to an embodiment of the present invention.
도 6a를 참조하면, 입력광을 시준기(collimator)에서 시준된 빔을 편광기(polarizer)에서 편광시키고, 300㎛의 내경을 갖는 핀홀(pinhole)을 통해 메타표면 더블렛(MD) 쪽으로 지향시켜 빔 크기를 수축시킨다. 그리고 메타표면 더블렛(MD)으로부터 출력되는 편향된 빔을 빔 프로파일러를 사용하여 모니터링하여 편향 특성을 분석하였다.Referring to FIG. 6A, a beam collimated by a collimator is polarized by a polarizer and directed toward a metasurface doublet (MD) through a pinhole having an inner diameter of 300 μm, thereby increasing the beam size. shrinks And, the deflected beam output from the metasurface doublet (MD) was monitored using a beam profiler to analyze the deflection characteristics.
도 6b는 도 6a의 빔 프로파일러에서 메타표면 더블렛(MD)에서 출력되는 빔의 편향각 및 편향 효율을 측정한 그래프이다.FIG. 6B is a graph obtained by measuring the deflection angle and deflection efficiency of a beam output from a metasurface doublet (MD) in the beam profiler of FIG. 6A.
도 6a는 메타표면 더블렛(MD)을 통과하는 빔의 입사각(θi)의 함수로서 편향의 각도(θd) 및 효율을 나타낸다. 6A shows the angle of deflection (θ d ) and efficiency as a function of the angle of incidence (θ i ) of a beam passing through a metasurface doublet (MD).
도 6c는 메타표면 더블렛(MD)을 통과한 빔의 입사각의 함수로 상대적으로 편향된 빔 파워를 도시한 것이다.6C shows the relative deflected beam power as a function of the angle of incidence of a beam passing through a metasurface doublet (MD).
도 6b를 참조하면, 메타표면 더블렛(MD)을 통과하는 빔의 θd/θi로 주어진 측정된 배율 인자 M은 3의 계산된 값에 상응하게 나타낸다. 또한, 메타표면 더블렛(MD)을 통과하는 빔의 입력 전력에 대한 편향 전력의 비로서 정의되는 파란색으로 표시된 편향 효율은 40~45%에 도달하는 것으로 나타낸다. 편향 효율은 입사각에 따라 감소하는 경향으로 나타나는데, 이는 증가된 반사, 흡수, 산란 손실, 및 경사를 갖는 코매틱 수차에 기인한 것으로 분석되었다.Referring to Fig. 6b, the measured magnification factor M given as θ d /θ i of the beam passing through the metasurface doublet MD corresponds to the calculated value of 3. In addition, the deflection efficiency indicated in blue, defined as the ratio of the deflection power to the input power of the beam passing through the metasurface doublet (MD), reaches 40-45%. The deflection efficiency tends to decrease with the incident angle, which was analyzed to be due to increased reflection, absorption, scattering losses, and comatic aberrations with slopes.
도 6c는 메타표면 더블렛(MD)을 통과한 빔의 입사각의 함수로 상대적으로 편향된 빔 파워를 도시한 것이다.6C shows the relative deflected beam power as a function of the angle of incidence of a beam passing through a metasurface doublet (MD).
도 6c를 참조하면, 편향된 빔의 파워는 입사각에 따라 약화되는 것으로 나타낸다. 원하지 않는 편향되지 않은 빔도 삽입도에 표시된 바와 같이 동시에 관찰이 되어 나타난다. 편향된 빔의 파워비(power ratio)는 편향되지 않은 빔 파워의 일부가 증가함에 따라 확실하게 악화된다. 이것은 코마 수차와 메타표면 더블렛(MD)을 초과하는 입사 빔 크기로 인해 더 높은 틸트 각도에서 악화되는 것으로 분석되었다.Referring to FIG. 6C, the power of the deflected beam is shown to be attenuated according to the incident angle. Unwanted undeflected beams are also observed simultaneously as indicated in the inset. The power ratio of the deflected beam obviously deteriorates as the fraction of the undeflected beam power increases. This was analyzed to be exacerbated at higher tilt angles due to coma aberrations and the incident beam size exceeding the metasurface doublet (MD).
입사 편광에 대한 편향된 빔의 흡광비는 0.3 dB 미만이며, 이는 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛(MD)의 성능이 양방향 격자 안테나(BDGA) 상에 장착된 메타표면 더블렛(MD)의 회전 정렬에 관계없이 정확하게 보존될 수 있음을 나타낸다. The absorption ratio of the deflected beam to the incident polarization is less than 0.3 dB, which indicates that the performance of the metasurface doublet (MD) according to an embodiment of the present invention is superior to that of the metasurface doublet (MD) mounted on a bidirectional grating antenna (BDGA). ) can be accurately preserved regardless of the rotational alignment of
본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛(MD)은 70nm의 파장 조정 범위를 특징으로 하는, 조향각 확대 메타렌즈(steering angle magnifying metalens)로서의 역할을 할 수 있는 것으로 분석되었다.It was analyzed that the metasurface doublet (MD) according to an embodiment of the present invention can serve as a steering angle magnifying metalens characterized by a wavelength adjustment range of 70 nm.
도 7a는 메타표면 더블렛이 집적된 양방향 격자 안테나의 측면 및 평면 이미지를 도시한 것이다.7a shows side and plan images of a bi-directional grating antenna in which metasurface doublets are integrated.
도 7a는 메타표면 더블렛이 집적된 양방향 격자 안테나의 측면 및 평면 이미지의 마이크로스코프(microscope) 영상 이미지를 도시한 것이다. 도 7a를 참조하면, 양방향 격자 안테나(BDGA)와 메타표면 더블렛(MD)의 간격은 XYZ 변환 스테이지를 사용하여 1mm 미만으로 장착하였다. FIG. 7A shows microscope video images of lateral and planar images of a bi-directional grating antenna in which metasurface doublets are integrated. Referring to FIG. 7A, the distance between the bidirectional grating antenna (BDGA) and the metasurface doublet (MD) was less than 1 mm using an XYZ conversion stage.
도 7b는 도 7a에서 파장으로 측정된 빔 방출 각도를 그래프로 도시한 것이다.FIG. 7B is a graphical representation of the beam emission angle measured in terms of wavelength in FIG. 7A.
메타표면 더블렛이 통합된 BDGA의 전달 특성은 도 7b에 나타낸 바와 같이, 1530 및 1595 nm의 파장 범위에서의 조향 각의 관점에서 정밀화되었다. The transfer characteristics of BDGA with integrated metasurface doublets were refined in terms of steering angles in the wavelength range of 1530 and 1595 nm, as shown in Fig. 7b.
광빔은 양방향 격자 안테나(BDGA)의 제1입력포트 및 제2입력포트에서 교대로 출시되고, 양방향 격자 안테나(BDGA)로부터 발산되는 빔은 그 위에 장착된 메타표면 더블렛(MD)에 의해 의도적으로 편향된다. Light beams are alternately emitted from the first input port and the second input port of the bi-directional grating antenna (BDGA), and the beam emitted from the bi-directional grating antenna (BDGA) is intentionally controlled by the metasurface doublet (MD) mounted thereon. biased
본 발명의 일 실시 예에서 메타표면 더블렛(MD)에 입사되는 빔의 각도 범위가 ±4.9°일 때, 출사 빔의 조향 범위가 ±15°로 증폭되는 것으로 분석되었다. 따라서, 조향 효율은 0.461°/nm로 나타났다. 이는 의도된 대로 메타표면 더블렛(MD)의 적용으로 3배 증가된 것으로 분석되었다.In one embodiment of the present invention, it was analyzed that the steering range of the outgoing beam is amplified to ±15° when the angular range of the beam incident on the metasurface doublet (MD) is ±4.9°. Therefore, the steering efficiency was found to be 0.461°/nm. This was analyzed to be increased 3-fold with the application of metasurface doublets (MD) as intended.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 메타표면 더블렛(MD)이 더 집적 통합되어 빔 발산(beam divergence)은 상응하게 3배 전방향으로 확대될 수 있다. 이는 아마도 각도 분해능(angular resolution)을 저하시킬 수 있다. 이러한 문제는 이미터에 더 큰 조리개를 사용하여 구경을 확대하거나, 격자 안테나 요소의 수를 증가시킴으로써 해결될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the metasurface doublet (MD) is further integrated so that the beam divergence can be correspondingly expanded three times in all directions. This may possibly degrade the angular resolution. This problem can be solved by enlarging the aperture by using a larger aperture in the emitter, or by increasing the number of grating antenna elements.
본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛이 집적된 양방향 격자 안테나는 실리콘 광자 소자의 빔 조향 효율을 개선하는 유용한 효과를 가진다. A bidirectional grating antenna in which metasurface doublets are integrated according to an embodiment of the present invention has a useful effect of improving the beam steering efficiency of a silicon photonic device.
본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛이 집적된 양방향 격자 안테나의 방출된 빔은 30°의 세로 범위에 걸쳐 용이하게 조향될 수 있다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 시뮬레이션에서 3으로 설정된 메타표면 더블렛(MD)의 배율 M은 적절한 광 상호작용이 고정되는 어느 정도까지 상승될 수 있다.An emitted beam of a bidirectional grating antenna in which a metasurface doublet is integrated according to an embodiment of the present invention can be easily steered over a vertical range of 30°. The magnification of the metasurface doublet (MD) set to 3 in the simulation according to an embodiment of the present invention M can be raised to some extent where adequate light interaction is fixed.
바람직한 실시 예에서 출력 이미터(emitter)의 개구는 빔 발산을 감소시키기 위해 확대되어야 하는 반면, 삽입 손실은 메타표면 더블렛(MD)을 최적화함으로써 축소될 수 있다.In a preferred embodiment, the aperture of the output emitter must be enlarged to reduce beam divergence, while the insertion loss can be reduced by optimizing the metasurface doublet (MD).
또한, 양방향 격자 안테나(BDGA)의 제1입력포트 및 제2입력포트에 선택적으로 광을 공급하기 위해 외부 광학 스위치는 모놀리식 스위칭 소자로 대체될 수 있다.In addition, the external optical switch may be replaced with a monolithic switching element in order to selectively supply light to the first and second input ports of the bidirectional grating antenna (BDGA).
본 발명의 일 실시 예에 따른 SiN 기반 메타표면 더블렛이 집적된 양방향 격자 안테나는 콤팩트한 폼 팩터(form factor)로 광각 빔 조향기로서의 기능을 수행할 수 있다.A bidirectional grating antenna in which a SiN-based metasurface doublet is integrated according to an embodiment of the present invention can function as a wide-angle beam steering device with a compact form factor.
본 발명의 일 실시 예에 따른 양방향 격자안테나의 조향 효율은 약 0.148° /nm로 빛을 양방향으로 공급하여 2배로 증가되었고, 양방향 격자 안테나 구조는 두 배의 방출 스펙트럼 대역폭을 제공하는 효과를 가진다.The steering efficiency of the bi-directional grating antenna according to an embodiment of the present invention is doubled by supplying light in both directions at about 0.148 ° /nm, and the bi-directional grating antenna structure has an effect of providing twice the emission spectrum bandwidth.
또한, 메타표면 더블렛(MD)을 집적한 양방향 격자 안테나의 구조에 의해 파장 조정 조향 효율은 0.461˚/nm로 주어진 파장 조정 내에서 격자 안테나의 조정 효율이 3배 증가하는 효과를 가진다.In addition, the structure of the bidirectional grating antenna in which the metasurface doublet (MD) is integrated has an effect of increasing the tuning efficiency of the grating antenna by a factor of 3 within a given wavelength tuning of 0.461˚/nm.
본 발명의 일 실시 예에 따른 양방향 격자 안테나 및 메타표면 더블렛은 공간 소비를 최소화하면서 빔 조향 효율을 크게 향상시키는 제안된 접근 방식으로써, 실용적인 고체 빔 조향의 개발을 촉진할 수 있다.The bidirectional grating antenna and metasurface doublet according to an embodiment of the present invention are a proposed approach that greatly improves beam steering efficiency while minimizing space consumption, and can promote the development of practical solid-state beam steering.
MD: 메타표면 더블렛
MS1: 제1메타표면,
MS2: 제2메타표면
port1, port2: 입력포트MD: metasurface doublet
MS1: first metasurface;
MS2: second metasurface
port1, port2: input port
Claims (13)
Si로 형성된 실리콘 기판;
상기 실리콘 기판 상에 SiO2 재질로 형성된 박스층;
상기 박스층 상부에 실리콘질화물(SiN)로 형성되며 격자 패턴을 가진 도파관 코어층; 상기 도파관 코어층 상부에 SiO2로 형성된 클래딩층; 을 포함하는 안테나 칩;
상기 안테나 칩의 도파관 코어층의 일측 종단에 형성되고 제1입력광이 입력되는 제1입력포트;
및 상기 제1입력포트와 맞은 편 종단에 형성되고, 제2입력광이 입력되는 제2 입력포트; 및
입사된 광을 상기 제1입력광과 제2입력광의 입력으로 교대로 입사되도록 연결시키는 광학 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 격자 안테나.A bidirectional grating antenna,
a silicon substrate formed of Si;
a box layer formed of a SiO 2 material on the silicon substrate;
a waveguide core layer formed of silicon nitride (SiN) on the box layer and having a lattice pattern; a cladding layer formed of SiO 2 on the waveguide core layer; An antenna chip including;
a first input port formed at one end of the waveguide core layer of the antenna chip and receiving first input light;
and a second input port formed at an end opposite to the first input port and receiving second input light. and
A bidirectional grating antenna comprising an optical switch that alternately connects the incident light to the inputs of the first and second input lights.
상기 안테나 칩은,
상기 실리콘 기판 상에 4㎛ 두께의 SiO2 를 증착하여 상기 박스층을 형성하는 단계;
상기 박스층 상부에 450nm 두께를 갖는 SiN를 증착하여 SiN층을 형성하는 단계;
상기 SiN층을 심자외선 스테퍼를 사용하여 2㎛ 폭으로 패터닝하는 패터닝 단계;
상기 패터닝된 SiN층의 상부에 90nm의 홈 높이를 가지는 격자패턴이 생성되도록 부분적으로 에칭하여 상기 도파관 코어층을 형성하는 에칭단계; 및
상기 도파관 코어층 상부에 3㎛ 두께의 SiO2을 증착하여 상기 클래딩층을 형성하는 단계; 를 포함하는 제조방법에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 양방향 격자 안테나.According to claim 1,
The antenna chip,
forming the box layer by depositing SiO 2 having a thickness of 4 μm on the silicon substrate;
depositing SiN having a thickness of 450 nm on top of the box layer to form a SiN layer;
A patterning step of patterning the SiN layer to a width of 2 μm using a deep ultraviolet stepper;
an etching step of partially etching the patterned SiN layer to form a lattice pattern having a groove height of 90 nm on top of the patterned SiN layer to form the waveguide core layer; and
forming the cladding layer by depositing SiO 2 having a thickness of 3 μm on top of the waveguide core layer; A bidirectional grating antenna, characterized in that manufactured by a manufacturing method comprising a.
상기 SiN 도파관 코어층의 길이는 500㎛로 형성되는 것을 특징으로 하는 양방향 격자 안테나..According to claim 2,
The bidirectional grating antenna, characterized in that the length of the SiN waveguide core layer is formed to 500㎛.
상기 양방향 격자 안테나의 제1 입력광에 의한 빔 방출각도는 다음 식에 의해 산츨되는 것을 특징으로 하는 양방향 격자 안테나.
여기서 neff 는 상기 도파관코어층의 유효 굴절률이고, Λ는 상기 도파관코어층의 격자 주기임.According to claim 3,
The bidirectional grating antenna, characterized in that the beam emission angle of the first input light of the bidirectional grating antenna is calculated by the following equation.
Here, n eff is the effective refractive index of the waveguide core layer, and Λ is the lattice period of the waveguide core layer.
상기 도파관코어층의 격자 주기는 900nm이며, 상기 양방향 격자 안테나는 상기 빔 방출각도의 2배의 조향범위를 가지는 것을 특징으로 하는 양방향 격자 안테나.According to claim 4,
The grating period of the waveguide core layer is 900 nm, and the bidirectional grating antenna has a steering range twice the beam emission angle.
상기 도파관코어층의 유효 굴절률은 λ= 1550nm에서 1.69인 것을 특징으로 하는 양방향 격자 안테나.According to claim 2,
The bidirectional grating antenna, characterized in that the effective refractive index of the waveguide core layer is 1.69 at λ = 1550 nm.
상기 양방향 격자 안테나의 조향 효율은 0.148 ˚인 것을 특징으로 하는 양방향 격자 안테나.According to claim 2,
The bidirectional grating antenna, characterized in that the steering efficiency of the bidirectional grating antenna is 0.148 °.
상기 빔조향기는
상기 양방향 격자 안테나 상부에 메타표면 더블렛이 장착되는 것을 특징으로 하며,
상기 메타표면 더블렛은,
석영 기판;
상기 석영기판의 전면부에서 중심부에 일정 높이를 가지는 원통형 나노-필러가 형성되며, 일정 주기의 제1유닛셀이 배열되어 형성된 제1 메타표면; 및
상기 석영기판의 후면부에서 중심부에 일정 높이를 가지는 원통형 나노-필러가 형성되며, 일정 주기의 제2유닛셀이 배열되어 형성된 제2 메타표면; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 빔조향기..In the beam steering device using the metasurface doublet integrated in the bidirectional grating antenna of any one of claims 1 to 4,
The beam steering
It is characterized in that a metasurface doublet is mounted on the bidirectional grating antenna,
The metasurface doublet,
quartz substrate;
a first metasurface in which a cylindrical nano-pillar having a certain height is formed in the center of the front surface of the quartz substrate, and first unit cells of a certain period are arranged; and
a second meta-surface in which a cylindrical nano-pillar having a certain height is formed at the center of the rear surface of the quartz substrate and second unit cells of a certain period are arranged; Beam steering machine characterized in that it comprises a..
상기 메타표면 더블렛 장치의 석영 기판은 902㎛의 두께로 형성되며, 상기 제1 메타표면 및 제2 메타표면에 형성된 상기 원통형 나노-필러는 880nm의 높이를 가지며, 수소화 비정질 실리콘(a-Si: H) 재질로 형성된 것을 특징으로 하는 빔조향기.According to claim 8,
The quartz substrate of the metasurface doublet device is formed to a thickness of 902 μm, the cylindrical nano-pillars formed on the first metasurface and the second metasurface have a height of 880nm, and hydrogenated amorphous silicon (a-Si: H) Beam steering machine, characterized in that formed of a material.
상기 제1메타표면의 원통형 나노-필러의 직경을 200 내지 494nm에서 조절하여 배열함으로써, 입사광에 대해 0 ~ 2π의 범위를 위상 편이를 가지도록 하는 것을 특징을 하는 빔조향기.According to claim 9,
The beam steering device, characterized in that by adjusting and arranging the diameter of the cylindrical nano-pillars of the first metasurface from 200 to 494 nm, to have a phase shift in the range of 0 to 2π with respect to incident light.
상기 메타표면 더블렛은,
상기 제1메타표면의 초점 길이는 0.986mm로 형성되며, 상기 제2메타표면의 초점 거리는 0.329 mm로 형성되는 것을 특징으로 하는 빔조향기.According to claim 9,
The metasurface doublet,
The beam steering device, characterized in that the focal length of the first meta-surface is formed as 0.986 mm, and the focal length of the second meta-surface is formed as 0.329 mm.
상기 메타표면 더블렛의 직경은 500㎛이고,
상기 양방향 격자 안테나와 상기 메타표면 더블렛 장치 사이의 거리는 0.5 ~ 1mm 인 것을 특징으로 하는 빔조향기.According to claim 9,
The diameter of the metasurface doublet is 500 μm,
The beam steering device, characterized in that the distance between the two-way grating antenna and the metasurface doublet device is 0.5 ~ 1mm.
상기 빔조향기의 조향 효율은 0.461°/nm 이고 증폭 효율은 3배인 것을 특징으로 하는 빔조향기.
According to claim 9
The steering efficiency of the beam steering device is 0.461 ° / nm and the amplification efficiency is 3 times, characterized in that the beam steering device.
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|---|---|---|---|
| KR1020210162029A KR102503761B1 (en) | 2021-11-23 | 2021-11-23 | Metasurface Doublet-integrated Bidirectional grating antenna and beam steering device using the same |
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Citations (4)
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| KR101698131B1 (en) | 2015-10-22 | 2017-01-19 | 아주대학교 산학협력단 | Broadband circularly polarized antenna using with metasurface |
| KR20170057802A (en) * | 2015-11-17 | 2017-05-25 | 한국과학기술원 | Nanophotonic radiators with tuneable grating structures for photonic phased array antenna |
| KR20170058219A (en) * | 2015-11-17 | 2017-05-26 | 한국과학기술원 | Nanophotonic radiators using grating structures for photonic phased array antenna |
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2021
- 2021-11-23 KR KR1020210162029A patent/KR102503761B1/en active
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