KR102420017B1 - 광학필터 및 이를 포함하는 전자장치 - Google Patents

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Abstract

광학필터 및 이를 포함하는 전자장치에 관해 개시되어 있다. 개시된 광학필터는 멀티-밴드 패스 필터(multi-band pass filter)일 수 있다. 상기 멀티-밴드 패스 필터는 입사면과 출사면 사이에 순차로 배열된 서로 다른 복수의 물질층을 포함하는 필터층을 구비할 수 있다. 상기 복수의 물질층은 서로 다른 ENZ(epsilon-near-zero) 물질층일 수 있다. 상기 멀티-밴드 패스 필터는 상기 필터층의 입사면에 배치된 개구한정층(aperture-defining layer)을 더 포함할 수 있다. 상기 복수의 물질층에 의해 다중 대역의 광이 출사될 수 있다.

Description

광학필터 및 이를 포함하는 전자장치{Optical filter and electronic device including the same}
개시된 실시예들은 광학필터 및 전자장치, 보다 상세하게는 멀티-밴드 패스 필터 및 이를 포함하는 전자장치에 관한 것이다.
일반적인 밴드 패스 필터(band pass filter)는 높은 굴절률을 갖는 유전층과 낮은 굴절률을 갖는 유전층을 교대로 반복 적층한 구조를 여러 개 붙여서 제조할 수 있다. 이러한 밴드 패스 필터를 투과하는 광의 파장은 프레넬 계수(Fresnel coefficient)를 기반으로 한 트랜스퍼 매트릭스(transfer matrix)를 이용해서 계산할 수 있다.
그러나 종래의 밴드 패스 필터는 비교적 두꺼운 많은 수의 유전층들을 사용하기 때문에, 수십 밀리미터(mm) 수준의 큰 두께를 갖는다. 이러한 필터 구조는 박막형/소형 장치에 적용하기가 용이하지 않을 수 있다. 또한, 종래의 밴드 패스 필터의 경우, 투과도 등의 성능을 확보하기 위해, 구성 층들의 두께와 적층수 등을 매우 정교하게 제어할 필요가 있다. 따라서, 설계 자체가 어렵고, 타겟 투과 파장에 따라 독립적인 설계 공정이 요구된다. 또한, 종래의 밴드 패스 필터로는 멀티-밴드 패스 필터(multi-band pass filter)를 구현하기가 어려울 수 있다.
우수한 성능을 갖는 멀티-밴드 패스 필터를 제공한다.
얇은 두께를 갖는 멀티-밴드 패스 필터를 제공한다.
설계가 용이한 멀티-밴드 패스 필터를 제공한다.
ENZ(epsilon-near-zero) 물질을 포함하는 멀티-밴드 패스 필터를 제공한다.
투과 파장에 대한 '합의 규칙'이 적용된 멀티-밴드 패스 필터를 제공한다.
상기 멀티-밴드 패스 필터를 포함하는 전자장치/광학장치를 제공한다.
일 측면(aspect)에 따르면, 입사면과 출사면을 갖고, 상기 입사면과 출사면 사이에 순차로 배열된 서로 다른 복수의 ENZ(epsilon-near-zero) 물질층을 포함하는 필터층; 및 상기 필터층의 입사면에 배치된 것으로, 적어도 하나의 개구를 갖는 개구한정층(aperture-defining layer);을 포함하고, 상기 복수의 ENZ 물질층에 의해 복수 파장 영역의 광을 출사하도록 구성된 멀티-밴드 패스 필터(multi-band pass filter)가 제공된다.
상기 복수의 ENZ 물질층은 서로 다른 공명 주파수(resonance frequency)를 가질 수 있다.
상기 복수의 ENZ 물질층은 서로 다른 ENZ 파장을 가질 수 있다.
상기 복수의 ENZ 물질층 중 적어도 하나는 단일 물질층(single material layer)일 수 있다.
상기 복수의 ENZ 물질층 중 적어도 하나는 메타물질(metamaterial)을 포함할 수 있다.
상기 복수의 ENZ 물질층 중 적어도 하나는 두 종류 이상의 이차원 물질(two-dimensional material)(2D material)을 포함할 수 있다.
상기 복수의 ENZ 물질층 각각은, 예컨대, 약 10∼1000nm 정도의 두께를 가질 수 있다.
상기 복수의 ENZ 물질층은 적어도 제1 및 제2 ENZ 물질층을 포함할 수 있고, 상기 제1 ENZ 물질층은 제1 두께를 가질 수 있고, 상기 제2 ENZ 물질층은 상기 제1 두께보다 작은 제2 두께를 가질 수 있으며, 상기 제1 ENZ 물질층은 제1 공명 주파수를 가질 수 있고, 상기 제2 ENZ 물질층은 상기 제1 공명 주파수보다 큰 제2 공명 주파수를 가질 수 있다.
상기 적어도 하나의 개구는 입사광의 파장보다 작은 폭을 가질 수 있다.
상기 적어도 하나의 개구는 복수의 슬릿(slit)을 포함할 수 있다.
상기 복수의 슬릿의 폭은, 예컨대, 약 5∼1000nm 정도일 수 있다.
상기 복수의 슬릿 사이의 간격은, 예컨대, 약 1∼10㎛ 정도일 수 있다.
상기 개구한정층은 금속 또는 금속성 물질을 포함할 수 있다.
상기 개구한정층은, 예컨대, 약 30∼300nm 정도의 두께를 가질 수 있다.
기판 상에 상기 복수의 ENZ 물질층이 순차로 적층될 수 있고, 상기 복수의 ENZ 물질층 상에 상기 개구한정층이 구비될 수 있다.
다른 측면에 따르면, 전술한 멀티-밴드 패스 필터를 포함하는 전자장치가 제공된다.
다른 측면에 따르면, 입사면과 출사면을 갖고, 상기 입사면과 출사면 사이에 순차로 배열된 복수의 물질층을 포함하는 필터유닛;을 구비하고, 상기 복수의 물질층은 제1 파장 대역의 광을 통과시키도록 구성된 제1 물질층과 상기 제1 파장 대역과 다른 제2 파장 대역의 광을 통과시키도록 구성된 제2 물질층을 포함하고, 상기 필터유닛은 상기 제1 파장 대역과 제2 파장 대역을 합한 다중 대역의 광을 통과시키도록 구성된 멀티-밴드 패스 필터(multi-band pass filter)가 제공된다.
상기 복수의 물질층 중 적어도 하나는 ENZ(epsilon-near-zero) 물질을 포함할 수 있다.
상기 복수의 물질층은 서로 다른 복수의 ENZ 물질층을 포함할 수 있고, 이 경우, 상기 제1 물질층은 제1 ENZ 물질층일 수 있고, 상기 제2 물질층은 제2 ENZ 물질층일 수 있다.
상기 제1 물질층은 제1 두께를 가질 수 있고, 상기 제2 물질층은 상기 제1 두께보다 작은 제2 두께를 가질 수 있으며, 상기 제1 물질층은 제1 공명 주파수를 가질 수 있고, 상기 제2 물질층은 상기 제1 공명 주파수보다 큰 제2 공명 주파수를 가질 수 있다.
상기 복수의 물질층은 세 개 혹은 그 이상의 물질층을 포함할 수 있다.
상기 필터유닛의 입사면에, 적어도 하나의 개구를 갖는 개구한정층(aperture-defining layer)이 더 구비될 수 있다.
상기 적어도 하나의 개구는 복수의 슬릿(slit)을 포함할 수 있다.
상기 개구한정층은 금속 또는 금속성 물질을 포함할 수 있다.
기판 상에 상기 복수의 물질층이 순차로 적층될 수 있고, 상기 복수의 물질층 상에 상기 개구한정층이 구비될 수 있다.
다른 측면에 따르면, 전술한 멀티-밴드 패스 필터를 포함하는 전자장치가 제공된다.
우수한 성능을 갖는 멀티-밴드 패스 필터를 구현할 수 있다. 얇은 두께를 갖는 멀티-밴드 패스 필터를 구현할 수 있다. 설계가 용이한 멀티-밴드 패스 필터를 구현할 수 있다. ENZ(epsilon-near-zero) 물질을 포함하는 멀티-밴드 패스 필터를 구현할 수 있다. 투과 파장에 대한 '합의 규칙'이 적용된 멀티-밴드 패스 필터를 구현할 수 있다. 실시예들에 따른 멀티-밴드 패스 필터를 이용하면, 우수한 성능을 갖는 다양한 전자장치/광학장치를 구현할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 멀티-밴드 패스 필터(multi-band pass filter)를 보여주는 단면도이다.
도 2는 다른 실시예에 따른 멀티-밴드 패스 필터를 보여주는 단면도이다.
도 3은 비교예에 따른 것으로, 일반적인 밴드 패스 필터에 적용되는 규칙을 설명하기 위한 개념도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 멀티-밴드 패스 필터에 적용되는 규칙을 설명하기 위한 개념도이다.
도 5는 서로 다른 공명 파수(resonance wavenumber)를 갖는 물질층을 독립적으로 적용한 필터에 대한 입사광의 파수(wavenumber) 변화에 따른 굴절률(n, k) 변화 및 투과도(transmission) 변화를 보여주는 그래프이다.
도 6은 공명 파수(resonance wavenumber)에 따른 최대 투과도(Max transmission) 지점과 ENZ(epsilon-near-zero) 지점 사이의 관계를 보여주는 그래프이다.
도 7은 필터층을 구성하는 단위물질층과 그 위에 배치된 개구한정층 사이의 간격 변화에 따른 특성 변화를 측정하기 위한 필터 구조를 보여주는 개념도이다.
도 8은 도 7의 구조에서 단위물질층과 개구한정층 사이의 간격 변화에 따른 최대 투과도(Max transmission) 변화를 보여주는 그래프이다.
도 9는 도 7의 구조에서 단위물질층의 두께 변화에 따른 최대 투과도 변화를 보여주는 그래프이다.
도 10 내지 도 13은 실시예들에 따른 멀티-밴드 패스 필터의 광 투과 특성을 보여주는 그래프이다.
도 14는 실시예에 따른 멀티-밴드 패스 필터가 복수의 개구를 갖는 경우, 복수의 개구 사이의 피치(pitch) 변화에 따른 광 투과 특성의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 15는 다른 실시예에 따른 멀티-밴드 패스 필터를 보여주는 단면도이다.
도 16은 다른 실시예에 따른 멀티-밴드 패스 필터를 보여주는 단면도이다.
도 17은 다른 실시예에 따른 멀티-밴드 패스 필터를 보여주는 단면도이다.
도 18은 다른 실시예에 따른 멀티-밴드 패스 필터를 보여주는 단면도이다.
도 19는 다른 실시예에 따른 멀티-밴드 패스 필터를 보여주는 단면도이다.
도 20은 다른 실시예에 따른 멀티-밴드 패스 필터를 보여주는 단면도이다.
도 21은 일 실시예에 따른 멀티-밴드 패스 필터를 포함하는 전자장치(광학장치)를 예시적으로 보여주는 개념도이다.
이하, 실시예들에 따른 광학필터 및 이를 포함하는 전자장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부된 도면에 도시된 층이나 영역들의 폭 및 두께는 명세서의 명확성 및 설명의 편의성을 위해 다소 과장되어 있을 수 있다. 상세한 설명 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1은 일 실시예에 따른 멀티-밴드 패스 필터(multi-band pass filter)를 보여주는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 멀티-밴드 패스 필터는 다층 구조의 필터층(FL10)을 포함할 수 있다. 필터층(FL10)은 기판(SUB10) 상에 구비될 수 있다. 필터층(FL10)은 서로 다른 복수의 물질층(EM10, EM20)을 포함할 수 있다. 예컨대, 복수의 물질층(EM10, EM20)은 제1 물질층(EM10) 및 제2 물질층(EM20)을 포함할 수 있다. 필터층(FL10)은 광이 입사되는 면(이하, 입사면)과 출사되는 면(이하, 출사면)을 가질 수 있고, 복수의 물질층(EM10, EM20)은 상기 입사면과 출사면 사이에 순차로 배열될 수 있다. 다시 말해, 제1 물질층(EM10)과 제2 물질층(EM20)은 입사광의 진행 방향에 따라 순차로 배치될 수 있다. 기판(SUB10) 상에 적층되는 순서를 고려하여, 복수의 물질층(EM10, EM20)의 순번을 반대로 정할 수도 있다. 즉, 기판(SUB10) 상에 적층되는 순서대로 물질층(EM20)을 제1층이라 할 수 있고, 물질층(EM10)을 제2층이라 할 수 있다. 여기서는, 입사광의 진행 방향에 따라 순차대로 붙여진 층 번호를 사용한다.
복수의 물질층(EM10, EM20)은 서로 다른 ENZ(epsilon-near-zero) 물질층일 수 있다. 즉, 제1 물질층(EM10)은 제1 ENZ 물질층일 수 있고, 제2 물질층(EM20)은 상기 제1 ENZ 물질층과 다른 제2 ENZ 물질층일 수 있다. ENZ 물질은 특정 파장에서 유전율(permittivity)(dielectric constant)(ε)이 제로(0)에 매우 가까운 값을 가지는 물질일 수 있다. 예컨대, 특정 파장에서 ENZ 물질은 0.2 보다 작은, 0에 매우 가까운 유전율(ε)을 가질 수 있다. 매질 속에서의 빛의 파장 λ1은 λ/n (여기서, λ = 입사광의 파장, n = 매질의 굴절력)이고, 매질 속에서의 빛의 속도 υ는 c/n (여기서, c = 자유공간/진공에서의 빛의 속도, n = 매질의 굴절력)이며, 매질의 유전율(ε)과 굴절력(n)은 ε = n2 의 관계를 가질 수 있다. 따라서, ENZ 물질의 유전율(ε)을 거의 0이 되게 하는 빛이 ENZ 물질 내에서 이동할 때, ENZ 물질 내에서 빛의 파장은 거의 무한대가 될 수 있고, 빛의 위상 속도(phase velocity)도 매우 커질 수 있다. 이와 관련해서, ENZ 물질은 독특한 광학적 특성들을 나타낼 수 있다. 본 실시예에서는 이러한 ENZ 물질의 특성들을 이용할 수 있다.
복수의 물질층(EM10, EM20)이 ENZ 물질층인 경우, 이들은 서로 다른 ENZ(epsilon-near-zero) 파장을 가질 수 있다. 여기서, ENZ 파장이란, ENZ 물질의 유전율(ε)을 거의 0이 되게 하는 빛의 파장을 의미한다. 즉, 앞서 언급한 '특정 파장'이 ENZ 파장일 수 있다. 이러한 ENZ 파장에 따라, ENZ 물질층의 특성이 달라질 수 있다. ENZ 파장은 ENZ 물질의 공명 주파수(resonance frequency)에 따라 달라질 수 있다. 예컨대, ENZ 파장은 상기 공명 주파수(resonance frequency)에 근접한 특정 주파수에 대응하는 파장일 수 있다. 따라서, 복수의 물질층(EM10, EM20)은 서로 다른 공명 주파수(resonance frequency)를 가질 수 있다. 공명 주파수(resonance frequency)는 공명 파수(resonance wavenumber)에 대응되므로, 복수의 물질층(EM10, EM20)은 서로 다른 공명 파수(resonance wavenumber)를 갖는다고 할 수 있다. 한편, 복수의 물질층(EM10, EM20) 각각의 두께는, 예컨대, 약 10∼1000nm 정도일 수 있다. 복수의 물질층(EM10, EM20) 각각의 두께는 입사광의 파장보다 작을 수 있다.
본 실시예의 멀티-밴드 패스 필터는 필터층(FL10)의 입사면 측에 구비된 개구한정층(aperture-defining layer)(AL10)을 더 포함할 수 있다. 개구한정층(AL10)은 적어도 하나의 개구(A10)를 한정할 수 있고, 상기 적어도 하나의 개구(A10)에 의해 필터층(FL10)의 입사면이 노출될 수 있다. 복수의 개구(A10)가 어레이를 이루도록 마련될 수 있다. 개구(A10)는, 예컨대, 슬릿(slit) 형상을 가질 수 있다. 따라서, 복수의 개구(A10)는 슬릿 어레이(slit array)일 수 있다. 복수의 개구(A10)는 규칙적으로 배열될 수 있지만, 경우에 따라서는, 그렇지 않을 수도 있다.
개구한정층(AL10)은 금속(metal)이나 금속성 물질(metallic material)로 형성될 수 있다. 예컨대, 개구한정층(AL10)은 Au, Ag, Cu, Al, Ni, Co, W, Mo, Ti, Ta, Pt, Pd, Ir 등으로 형성될 수 있다. 그러나, 개구한정층(AL10)의 물질은 이에 한정되지 않고 다양하게 변화될 수 있다. 금속이나 금속성 물질이면 어느 것이든 개구한정층(AL10) 물질로 적용될 수 있다. 개구(A10)는 입사광의 파장보다 작은 폭, 즉, 서브파장 폭(subwavelength width)을 가질 수 있다. 개구(A10)의 폭은 약 5∼1000nm, 예컨대, 약 10∼500nm 정도일 수 있다. 복수의 개구(A10)가 마련된 경우, 인접한 두 개의 개구(A10) 사이의 간격(피치)은 약 1∼10㎛, 예컨대, 약 1.5∼6㎛ 정도일 수 있다. 그러나, 전술한 개구(A10)의 폭이나 간격은 예시적인 것이고, 경우에 따라, 달라질 수 있다. 한편, 개구한정층(AL10)의 두께는, 예컨대, 약 30∼300nm 정도일 수 있다. 개구한정층(AL10)의 두께는 입사광의 파장보다 작을 수 있다.
필터층(FL10)이 ENZ 물질을 포함하는 경우, 개구한정층(AL10)의 개구(A10)에 의해 필터층(FL10)의 ENZ 특성이 잘 발현될 수 있다. 이에 대해 보다 구체적으로 설명하면, 빛은 개구(A10)에 의해 노출된 필터층(FL10) 부분으로 강하게 집속(focusing)될 수 있고, 집속된 빛에 의해 필터층(FL10)의 ENZ 특성이 잘 발현될 수 있다. 일반적으로, 빛은 그 파장보다 작은 폭(즉, subwavelength width)을 갖는 개구부(ex, 슬릿)를 투과할 수 없다. 그러나 ENZ 물질이 개구부 아래에 존재할 때, 빛은 개구부 아래의 ENZ 물질로 강하게 집속될 수 있고, ENZ 지점(즉, ENZ 파장)에서 강한 투과성을 나타낼 수 있다. 또한, 개구(A10) 영역에서 개구한정층(AL10)과 필터층(FL10) 사이에 표면 플라즈몬(surface plasmon)이 발생할 수 있고, 이러한 표면 플라즈몬이 필터층(FL10)을 통한 빛의 투과 특성(필터링 특성)에 영향을 줄 수 있다.
본 실시예에 따르면, 필터층(FL10)을 구성하는 복수의 물질층(EM10, EM20)에 의해 복수 파장 영역의 광이 출사될 수 있다. 다시 말해, 복수의 물질층(EM10, EM20)에 의해 다중 대역의 광이 출사될 수 있다. 제1 물질층(EM10)이 제1 파장 대역의 광을 통과시키기에 적합한 ENZ 물질로 구성되고, 제2 물질층(EM20)이 제2 파장 대역의 광을 통과시키기에 적합한 ENZ 물질로 구성된 경우, 이들을 포함하는 필터층(FL10)은 상기 제1 파장 대역과 상기 제2 파장 대역을 합한 다중 대역의 광을 통과시킬 수 있다. 따라서, 투과 파장에 대한 '합의 규칙'이 적용된 멀티-밴드 패스 필터를 구현할 수 있다. 상기 '합의 규칙'에 대해서는 추후에 도 4를 참조하여 보다 상세히 설명한다.
본 실시예에 따른 멀티-밴드 패스 필터에는 '합의 규칙'이 적용될 수 있으므로, 필터층(FL10)을 구성하는 단위층(요소층)의 개수를 증가시키면, 필터를 통해 투과되는 파장 대역의 수가 늘어날 수 있다.
도 2는 다른 실시예에 따른 것으로, 세 개의 서로 다른 물질층(EM10, EM20, EM30)으로 구성된 필터층(FL11)을 포함하는 멀티-밴드 패스 필터를 보여준다.
도 2를 참조하면, 필터층(FL11)은 그 입사면에서 출사면을 향하여 순차로 배열된 제1 물질층(EM10), 제2 물질층(EM20) 및 제3 물질층(EM30)을 포함할 수 있다. 제1 물질층(EM10)은 제1 ENZ 물질층일 수 있고, 제2 물질층(EM20)은 제2 ENZ 물질층일 수 있으며, 제3 물질층(EM30)은 제3 ENZ 물질층일 수 있다. 이 경우, 제1 내지 제3 물질층(EM10, EM20, EM30)은 서로 다른 공명 주파수(resonance frequency)를 가질 수 있고, 서로 다른 ENZ 파장을 가질 수 있다. 제1 물질층(EM10)은 제1 파장 대역의 광을 통과시키기에 적합한 물질층일 수 있고, 제2 물질층(EM20)은 제2 파장 대역의 광을 통과시키기에 적합한 물질층일 수 있으며, 제3 물질층(EM30)은 제3 파장 대역의 광을 통과시키기에 적합한 물질층일 수 있다. 제1 내지 제3 물질층(EM10, EM20, EM30)을 포함하는 필터층(FL11)은 상기 제1 파장 대역, 제2 파장 대역 및 제3 파장 대역을 합한 다중 대역의 광을 통과시킬 수 있다.
도 1 및 도 2에서는 이중층 구조 및 삼중층 구조를 갖는 필터층(FL10, FL11)에 대해서 도시하고 설명하였지만, 4개 또는 그 이상의 다층 구조를 갖는 필터층을 사용하는 것도 가능하다.
한편, 도 1 및 도 2에서 기판(SUB10)은 관심 파장 영역의 빛에 대해서 우수한 투과 특성을 갖고, 상기 관심 파장 영역에서 굴절률이 변하지 않는(혹은, 거의 변하지 않는) 물질로 구성될 수 있다. 이러한 조건을 만족하는 물질이면 어느 물질이든 기판(SUB10) 물질로 적용될 수 있다.
부가해서, 도 1 및 도 2의 멀티-밴드 패스 필터에 입사하는 광(즉, 입사광)은, 예컨대, 중적외선(Mid-Infrared)(MIR) 영역의 광을 포함할 수 있다. 이 경우, 필터층(FL10, FL11)을 구성하는 복수의 물질층(EM10, EM20, EM30)은 중적외선 범위 내에 존재하는 ENZ 파장을 가질 수 있다. 중적외선의 파장 범위는 약 2.5㎛ ∼ 25㎛ 또는 약 2.5㎛ ∼ 20㎛ 정도일 수 있다. 그러나, 입사광의 파장 범위는 중적외선 영역으로 한정되지 않고 변화될 수 있다. 또한, 복수의 물질층(EM10, EM20, EM30)의 ENZ 파장은 중적외선 영역이 아닌 다른 영역에 존재할 수 있다.
일반적인 밴드 패스 필터(즉, 종래의 밴드 패스 필터)의 경우, 위에서 언급한 '합의 규칙'이 적용되지 않기 때문에, 멀티-밴드 패스 필터를 구현하기가 어려울 수 있다. 일반적인 밴드 패스 필터에 대해서는 도 3을 참조하여 설명한다.
도 3은 비교예에 따른 것으로, 일반적인 밴드 패스 필터에 적용되는 규칙을 설명하기 위한 개념도이다.
도 3을 참조하면, 제1 파장 대역(R1)을 통과시키도록 구성된 제1 밴드 패스 필터(F1)와 제2 파장 대역(R2)을 통과시키도록 구성된 제2 밴드 패스 필터(F2)를 결합하여 하나의 다중 필터구조(multiple filter structure)(FF1)를 제조할 수 있다. 이 경우, 제1 파장 대역(R1)의 광은 제2 밴드 패스 필터(F2)에 의해서는 통과되지 않고, 제2 파장 대역(R2)의 광은 제1 밴드 패스 필터(F1)에 의해서는 통과되지 않기 때문에, 결과적으로, 다중 필터구조(FF1)는 제1 및 제2 파장 대역(R1, R2)의 광들을 모두 통과시키지 못하게 된다. 만약, 제1 밴드 패스 필터(F1)가 제3 파장 대역(R3)을 통과시키도록 구성되고, 제2 밴드 패스 필터(F2)가 제4 파장 대역(R4)을 통과시키도록 구성되며, 제3 파장 대역(R3)과 제4 파장 대역(R4)이 상호 오버랩된 영역이 존재하는 경우, 다중 필터구조(FF1)는 상기 오버랩된 영역에 해당되는 대역의 파장만을 통과시킬 수 있다.
도 3의 일반적인 밴드 패스 필터에 적용되는 규칙은 '곱의 규칙'이라 할 수 있다. 예컨대, 제1 밴드 패스 필터(F1)에 의해 투과되는 제1 파장 대역(R1)의 광 투과 강도가 0.8 이고, 제2 밴드 패스 필터(F2)를 통한 제1 파장 대역(R1)의 광 투과 강도가 0 인 경우(즉, 투과되지 않는 경우), 0.8×0 = 0 이므로, 다중 필터구조(FF1)는 제1 파장 대역(R1)의 광을 통과시키지 못하게 된다. 또한, 제2 밴드 패스 필터(F2)에 의해 투과되는 제2 파장 대역(R2)의 광 투과 강도가 0.8 이고, 제1 밴드 패스 필터(F1)를 통한 제2 파장 대역(R2)의 광 투과 강도가 0 인 경우(즉, 투과되지 않는 경우), 0.8×0 = 0 이므로, 다중 필터구조(FF1)는 제2 파장 대역(R2)의 광을 통과시키지 못하게 된다. 결과적으로, 다중 필터구조(FF1)는 제1 및 제2 파장 대역(R1, R2)의 광들을 모두 통과시키지 못하게 된다. 따라서, 일반적인 밴드 패스 필터로는 다중 대역의 광을 통과시키는 멀티-밴드 패스 필터를 구현하기가 어려울 수 있다.
또한, 일반적인 밴드 패스 필터, 즉, 제1 및 제2 밴드 패스 필터(F1, F2)는 비교적 두꺼운 많은 수의 유전층들을 사용하기 때문에, 수십 밀리미터(mm) 수준의 큰 두께를 가질 수 있다. 따라서, 다중 필터구조(FF1)는 입사광의 파장보다 상당히 큰 두께를 가질 수 있다. 이러한 구조는 박막형/소형 장치에 적용하기가 어려울 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 멀티-밴드 패스 필터에 적용되는 규칙을 설명하기 위한 개념도이다.
도 4를 참조하면, 제1 파장 대역(R1)을 통과시키도록 구성된 제1 밴드 패스 필터(F10)와 제2 파장 대역(R2)을 통과시키도록 구성된 제2 밴드 패스 필터(F20)를 결합하여 하나의 멀티-밴드 패스 필터(FF10)를 제조할 수 있다. 제1 밴드 패스 필터(F10)는 제1 물질층(EM11)을 포함할 수 있고, 제2 밴드 패스 필터(F20)는 제2 물질층(EM22)을 포함할 수 있다. 멀티-밴드 패스 필터(FF10)는 제1 및 제2 물질층(EM11, EM22)의 적층 구조(필터층)를 포함할 수 있다. 상기 적층 구조(즉, EM11 + EM22)는 기판(SUB11)과 개구한정층(AL11) 사이에 배치될 수 있다. 이러한 멀티-밴드 패스 필터(FF10)는 도 1과 동일하거나 유사한 구성을 가질 수 있다. 이 경우, 멀티-밴드 패스 필터(FF10)는 제1 파장 대역(R1)의 광과 제2 파장 대역(R2)의 광을 모두 통과시킬 수 있다. 만약, 제1 밴드 패스 필터(F10)가 제3 파장 대역(R3)의 광을 통과시키도록 구성되고, 제2 밴드 패스 필터(F20)가 제4 파장 대역(R4)의 광을 통과시키도록 구성되며, 제3 파장 대역(R3)과 제4 파장 대역(R4)이 상호 오버랩된 영역이 존재하는 경우, 멀티-밴드 패스 필터(FF10)는 상기 오버랩된 영역뿐 아니라 제3 및 제4 파장 대역(R3, R4)의 전체 영역(혹은, 거의 전체 영역)을 통과시키도록 구성될 수 있다.
이러한 멀티-밴드 패스 필터(FF10)에 적용된 규칙을 '합의 규칙'이라 할 수 있다. 제1 파장 대역(R1)의 광과 제2 파장 대역(R2)의 광이 합해진 다중 대역(R1, R2)의 광이 멀티-밴드 패스 필터(FF10)를 통해 투과될 수 있다. 이러한 '합의 규칙'은 도 3에서 설명한 일반적인 밴드 패스 필터에 적용되는 규칙(즉, 곱의 규칙)과 전혀 다른 것일 수 있다.
또한, 실시예에 따른 멀티-밴드 패스 필터(FF10)는 매우 얇은 두께를 가질 수 있다. 기판(SUB11)을 제외하고 필터층(EM11, EM22) 및 개구한정층(AL11)의 두께는 입사광의 파장보다 작을 수 있기 때문에, 서브파장(subwavelength) 두께를 갖는 필터를 제조할 수 있다. 필터층(EM11, EM22)과 개구한정층(AL11)의 두께의 합은 입사광의 파장보다 작을 수 있고, 경우에 따라, 월등히 작을 수 있다. 기판(SUB11)을 포함하더라도 멀티-밴드 패스 필터(FF10)의 두께는 수십 마이크로미터(㎛) 이내로 작을 수 있다. 이는 수십 밀리미터(mm) 수준의 기존 필터 두께보다 약 1000배 이상 얇은 두께일 수 있다. 따라서, 실시예에 따른 멀티-밴드 패스 필터(FF10)는 박막형/소형 장치에 용이하게 적용될 수 있다. 다시 말해, 다양한 전자장치 및 광학장치의 소형화/박막화에 유리하게 적용될 수 있다.
도 5는 서로 다른 공명 파수(resonance wavenumber)를 갖는 물질층 각각을 독립적으로 적용한 필터에 대한 입사광의 파수(wavenumber) 변화에 따른 굴절률(n, k) 변화 및 투과도(transmission) 변화를 보여주는 그래프이다. 공명 파수(resonance wavenumber)가 625 cm-1, 666 cm-1, 714 cm-1, 769 cm-1, 833 cm-1, 909 cm-1, 1000 cm-1, 1111 cm-1, 1250 cm- 1 인 ENZ 물질을 각각 도 4의 필터(F10)의 제1 물질층(EM11)으로 적용했을 때, 입사광의 파수에 따른 각 필터의 굴절률(n, k) 및 투과도(transmission) 변화를 평가하였다. 여기서, 공명 파수(resonance wavenumber)는 공명 주파수(resonance frequency)에 대응될 수 있다. 또한, 공명 파수(resonance wavenumber)는 바인딩 파수(binding wavenumber)라고 칭할 수도 있다.
도 5의 (A)그래프는 굴절률의 실수(real) 값(n)을 보여주고, (B)그래프는 굴절률의 허수(imaginary) 값(k)을 보여주고, (C)그래프는 FDTD(finite-difference time-domain) 시뮬레이션에 의한 투과도 변화를 보여주고, (D)그래프는 해석적 계산(analytic calculation) 법에 의한 투과도 변화를 보여준다.
도 5의 (A)그래프를 참조하면, 굴절률의 실수 값(n)이 0에 가까운 지점(파수)들이 존재하는 것을 알 수 있다. 공명 파수에 따라, 이 지점들의 위치가 다르게 나타날 수 있다. 공명 파수가 증가할수록, 굴절률의 실수 값(n)이 0에 가까운 지점(파수)은 오른쪽으로 시프트(shift)할 수 있다.
도 5의 (B)그래프를 참조하면, 굴절률의 허수(imaginary) 값(k)이 최대가 되는 지점(파수)들이 나타날 수 있다. 이 지점들의 위치는 공명 파수에 대응하거나 그와 유사할 수 있다. 공명 파수가 증가할수록, 굴절률의 허수(imaginary) 값(k)이 최대가 되는 지점(파수)은 오른쪽으로 시프트할 수 있다.
도 5의 (C)그래프를 참조하면, 각각의 공명 파수에 대응하는 투과도 곡선에서 투과도가 최대가 되는 지점(파수)이 나타날 수 있다. 공명 파수에 따라, 이 지점들의 위치는 달라질 수 있다. 이 지점들은 ENZ 파장에 대응하는 ENZ 파수일 수 있다. 또한, 이 지점들은 (A)그래프의 굴절률 실수 값(n)과 (B)그래프의 굴절률 허수 값(k)이 일치하는 지점에 대응될 수 있다. 예컨대, 공명 파수가 1250 cm- 1 인 경우에 대해서, (A)그래프의 해당 곡선과 (B)그래프의 해당 곡선이 상호 일치하는 지점이 (C)그래프의 해당 곡선의 최대값에 대응하는 지점일 수 있다. 굴절률 실수 값(n)과 허수 값(k)이 일치하는 지점(파수)은 ENZ 지점(파수)이므로, ENZ 지점에서 최대 투과도가 나타나는 것을 알 수 있다. 한편, (C)그래프의 2200∼2500 cm-1 영역에서 나타난 피크(peak)는 일종의 노이즈 피크(noise peak)일 수 있다.
도 5의 (D)그래프를 참조하면, (C)그래프와 거의 유사한 결과가 나타난 것을 확인할 수 있다. 이는 해석적 계산(analytic calculation) 법에 의한 결과(D)가 FDTD 시뮬레이션에 의한 결과(C)와 잘 일치하는 것을 보여준다.
도 6은 공명 파수(resonance wavenumber)에 따른 최대 투과도(Max transmission) 지점과 ENZ(epsilon-near-zero) 지점 사이의 관계를 보여주는 그래프이다. 도 6의 최대 투과도 지점은 도 5의 (C)그래프로부터 얻어진 것이다.
도 6을 참조하면, 최대 투과도(Max transmission) 지점이 ENZ 지점과 거의 정확하게 일치하는 것을 알 수 있다. 이러한 결과로부터, 빛이 서브파장 폭(subwavelength width)을 갖는 개구(ex, 슬릿)를 투과하는데 있어서, ENZ 물질의 ENZ 특성이 중요한(결정적인) 역할을 할 수 있다는 것을 알 수 있다. 즉, ENZ 물질의 특성에 의해 특정 파장(파수의 역수)에서 빛이 투과된다는 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 6의 결과에서, 공명 파수가 증가할수록, ENZ 지점(파수) 및 그에 대응하는 최대 투과도 지점(파수)이 증가하는 것을 알 수 있다. ENZ 지점(파수)과 최대 투과도 지점(파수)은 정비례할 수 있다.
도 7은 필터층을 구성하는 단위물질층(EM1)과 그 위에 배치된 개구한정층(AL1) 사이의 간격 변화에 따른 특성 변화를 측정하기 위한 필터 구조를 보여주는 개념도이다.
도 7을 참조하면, 기판(SUB1) 상에 단위물질층(EM1)이 구비될 수 있고, 단위물질층(EM1) 위에 단위물질층(EM1)과 소정 간격(d)을 두고 배치된 개구한정층(AL1)이 구비될 수 있다. 단위물질층(EM1)과 개구한정층(AL1) 사이의 간격(d)은 에어 갭(air gap)일 수 있다. 개구한정층(AL1)은 슬릿(slit) 형상을 갖는 복수의 개구(A1)를 포함할 수 있다. 참조부호 w는 개구(A1)의 폭을 나타내고, p는 복수의 개구(A1) 사이의 피치(pitch)를 나타낸다. 한편, 참조부호 t1은 단위물질층(EM1)의 두께를 나타낸다.
도 8은 도 7의 구조에서 단위물질층(EM1)과 개구한정층(AL1) 사이의 간격(d) 변화에 따른 최대 투과도(Max transmission) 변화를 보여주는 그래프이다. 공명 파수(resonance wavenumber)가 625 cm-1, 666 cm-1, 714 cm-1, 769 cm-1, 833 cm-1, 909 cm-1, 1000 cm-1, 1111 cm-1, 1250 cm- 1 인 ENZ 물질을 각각 단위물질층(EM1)에 적용했을 때, 그에 대응하는 결과를 평가하였다.
도 8을 참조하면, 간격(d)이 0인 경우(즉, 단위물질층과 개구한정층이 접촉된 경우), 비교적 높은 최대 투과도를 보이고, 간격(d)이 점차 증가할수록 최대 투과도는 일부 증가했다가 감소하는 경향이 나타나는 것을 볼 수 있다. 특히, 공명 파수가 625 cm-1, 666 cm-1, 714 cm-1, 769 cm- 1 인 경우, 간격(d)이 약 200nm가 될 때까지 최대 투과도가 증가하는 경향을 보였다. 또한, 공명 파수가 625 cm- 1 인 경우, 약 450nm의 간격(d)에서의 최대 투과도와 접촉된 경우(즉, d=0인 경우)의 최대 투과도가 거의 동일하게 나타났고, 공명 파수가 666 cm- 1 인 경우, 약 400nm의 간격(d)에서의 최대 투과도와 접촉된 경우(즉, d=0인 경우)의 최대 투과도가 거의 동일하게 나타났으며, 공명 파수가 714 cm- 1 인 경우, 약 350nm의 간격(d)에서의 최대 투과도와 접촉된 경우(즉, d=0인 경우)의 최대 투과도가 거의 동일하게 나타났다.
이러한 도 8의 결과로부터, 단위물질층(EM1)과 개구한정층(AL1)이 이격되어 있더라도, 이들 사이의 광학적 커플링(optical coupling)이 유지될 수 있음을 확인할 수 있다. 또한, 경우에 따라서는, 단위물질층(EM1)과 개구한정층(AL1)이 소정 간격 이격되어 있을 때, 접촉된 경우보다 우수한 투과도 특성을 나타낼 수 있음을 알 수 있다. 따라서, 도 1의 실시예에서와 같이, 개구한정층(AL10)이 제2 물질층(EM20)과 이격되어 있더라도 이들 사이의 광학적 커플링(optical coupling)이 유지될 수 있고, 제2 물질층(EM20)에 의한 필터링 특성이 확보될 수 있다. 이와 유사하게, 도 2의 실시예에서와 같이, 개구한정층(AL10)이 제2 및 제3 물질층(EM20, EM30)과 이격되어 있더라도, 제2 및 제3 물질층(EM20, EM30) 각각에 의한 필터링 특성이 확보될 수 있다.
도 9는 도 7의 구조에서 단위물질층(EM1)의 두께(t1) 변화에 따른 최대 투과도 변화를 보여주는 그래프이다. 이때, 간격(d)은 0 nm 이었다. 즉, 단위물질층(EM1)과 개구한정층(AL10)이 접촉된 조건에서, 단위물질층(EM1)의 두께(t1)를 변화시키면서 최대 투과도 변화를 평가하였다. 도 8과 유사하게, 다양한 공명 파수(resonance wavenumber)를 갖는 ENZ 물질들에 대해서 평가를 수행하였다.
도 9를 참조하면, 단위물질층(EM1)의 두께(t1)가 증가할수록, 최대 투과도는 증가하다가 감소하는 경향을 보이는 것을 확인할 수 있다. 또한, 공명 파수가 작을수록, 최대 투과도가 감소하기 시작하는 두께 지점이 커지는 것을 알 수 있다. 따라서, 단위물질층(EM1)의 두께(t1)를 조절함으로써, 멀티-밴드 패스 필터의 특성을 제어할 수 있다. 단위물질층(EM1)의 공명 파수(혹은, 그에 대응하는 공명 주파수)에 따라서, 최적 두께를 적절히 선택할 수 있다. 예컨대, 단위물질층(EM1)의 공명 파수가 감소할수록, 최대 투과도를 확보하기 위한 두께는 증가할 수 있다. 공명 파수(resonance wavenumber)는 공명 주파수(resonance frequency)와 정비례 관계를 가질 수 있으므로, 단위물질층(EM1)의 공명 주파수가 감소할수록, 최대 투과도를 확보하기 위한 두께는 증가한다고 할 수 있다. 이와 관련해서, 도 1에서 제1 및 제2 물질층(EM10, EM20)의 두께는 서로 다르게 제어할 수 있고, 또한, 도 2에서 제1 내지 제3 물질층(EM10, EM20, EM30)의 두께도 서로 다르게 제어할 수 있다. 이러한 두께 제어에 대해서는 추후에 도 15 및 도 16을 참조하여 보다 자세히 설명한다.
도 10 내지 도 13은 실시예들에 따른 멀티-밴드 패스 필터의 광 투과 특성을 보여주는 그래프이다. 각각의 그래프에는 그에 해당되는 다층 구조의 필터층이 개략적으로 도시되어 있다. 도 10은 공명 파수가 1111 cm-1인 제1 물질층과 625 cm-1인 제2 물질층이 적층된 필터층을 사용한 경우의 결과이고, 도 11은 공명 파수가 1000 cm-1인 제1 물질층과 1111 cm-1인 제2 물질층이 적층된 필터층을 사용한 경우의 결과이고, 도 12는 공명 파수가 909 cm-1인 제1 물질층과 1000 cm-1인 제2 물질층과 1111 cm-1인 제3 물질층이 적층된 필터층을 사용한 경우의 결과이고, 도 13은 공명 파수가 769 cm-1인 제1 물질층과 909 cm-1인 제2 물질층과 1111 cm-1인 제3 물질층이 적층된 필터층을 사용한 경우의 결과이다. 도 10 및 도 11의 필터는 도 1에 대응하는 구조를 갖고, 도 12 및 도 13의 필터는 도 2에 대응하는 구조를 갖는다.
도 10 내지 도 13을 참조하면, 공명 파수에 따라 그에 대응하는 투과 피크(peak)들이 분명히 나타나는 것을 확인할 수 있다. 도 10의 제1 피크(P10)는 공명 파수가 625 cm-1인 제2 물질층에 의한 것이고, 제2 피크(P20)는 공명 파수가 1111 cm-1인 제1 물질층에 의한 것이다. 도 11의 제1 피크(P11)는 공명 파수가 1000 cm-1인 제1 물질층에 의한 것이고, 제2 피크(P21)는 공명 파수가 1111 cm-1인 제2 물질층에 의한 것이다. 제1 피크(P11)와 제2 피크(P21)는 서로 인접하게 배치되어 오버랩될 수 있다. 도 12의 제1 피크(P12)는 공명 파수가 909 cm-1인 제1 물질층에 의한 것이고, 제2 피크(P22)는 공명 파수가 1000 cm-1인 제2 물질층에 의한 것이며, 제3 피크(P32)는 공명 파수가 1111 cm-1인 제3 물질층에 의한 것이다. 도 13의 제1 피크(P13)는 공명 파수가 769 cm-1인 제1 물질층에 의한 것이고, 제2 피크(P23)는 공명 파수가 909 cm-1인 제2 물질층에 의한 것이며, 제3 피크(P33)는 공명 파수가 1111 cm-1인 제3 물질층에 의한 것이다.
도 10 내지 도 13의 결과로부터, 도 4를 참조하여 설명한 바와 같은 '합의 규칙'에 따라 멀티-밴드의 투과 특성이 나타난 것을 확인할 수 있다. 아울러, 설계 조건에 따라, 복수의 파장 영역이 서로 오버랩되거나 연속되어 있는 멀티-밴드(multi-band) 또는 브로드밴드(broadband)의 광 투과 특성을 확보할 수 있음을 알 수 있다. 여기서, 상기 브로드밴드(broadband)도 멀티-밴드의 일종으로 볼 수 있다.
도 14는 실시예에 따른 멀티-밴드 패스 필터가 복수의 개구를 갖는 경우, 복수의 개구 사이의 피치(pitch) 변화에 따른 광 투과 특성의 변화를 보여주는 그래프이다. 피치가 2.5㎛, 3.5㎛, 4.5㎛인 경우 각각에 대해서 광 투과 특성을 평가하였다. 각 개구의 폭은 약 500nm 였다. 상기 멀티-밴드 패스 필터는 서로 다른 공명 파수(공명 주파수)를 갖는 두 개의 ENZ 물질층을 포함한다.
도 14를 참조하면, 개구들 사이의 피치가 변화됨에 따라, 그래프들의 높이가 변화되는 것을 알 수 있다. 이는 피치에 따라 최대 투과도가 달라질 수 있음을 의미한다. 따라서, 개구한정층에 복수의 개구를 형성하고 이들의 피치를 조절함으로써, 멀티-밴드 패스 필터의 특성을 제어할 수 있다. 목적하는 필터 특성에 따라, 적절한 크기의 피치를 선택할 수 있다. 이러한 결과는 오직 하나의 개구(ex, 슬릿)를 사용하는 경우보다 복수의 개구(ex, 슬릿)를 사용할 때, 필터의 특성을 제어하기가 용이하다는 것을 보여준다고 할 수 있다.
한편, 도 14에서 피치가 변화하더라도 투과 피크들의 X축 방향 위치(파수)는 변하지 않을 수 있다. 피크들의 위치(파수)는 개구 사이의 피치가 아닌 필터층을 구성하는 물질층들의 특성에 의해 결정될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 실시예들에 따르면, 원하는 특성에 맞게 설계가 용이한 멀티-밴드 패스 필터를 구현할 수 있다. 예컨대, 도 1 및 도 2의 구조에서 필터층을 구성하는 복수의 물질층의 물질 및 층수 등을 적절히 선택하면 매우 다양한 필터링 특성을 용이하게 확보할 수 있다. 종래의 밴드 패스 필터의 경우, 타겟 투과 파장에 따라 독립적인 설계 공정이 요구된다. 또한, 종래의 밴드 패스 필터로는 멀티-밴드 패스 필터의 구현 자체가 용이하지 않았다. 그러나, 본 실시예에 따른 멀티-밴드 패스 필터는 구조가 단순하고, 투과 파장 별로 전체적인 디자인은 크게 달라지지 않을 수 있다. 때문에, 목적하는 특성에 맞게 필터를 설계하기가 매우 용이할 수 있다. 이런 측면에서, 실시예들에 따른 멀티-밴드 패스 필터는 '설정 가능한 필터(configurable filter)'라고 할 수 있다. 또한, 종래의 밴드 패스 필터는 수십 밀리미터(mm) 수준의 큰 두께를 갖는 반면, 본 실시예에 따른 멀티-밴드 패스 필터는 수십 마이크로미터(㎛) 이내의 두께를 가질 수 있다. 이런 점에서, 실시예들에 따른 멀티-밴드 패스 필터는 소형(초소형) 필터 또는 박막형 필터라고 할 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 필터층(필터유닛)을 구성하는 복수의 물질층들의 두께를 서로 다르게 제어할 수 있다. 그 예들이 도 15 및 도 16에 도시되어 있다.
도 15는 다른 실시예에 따른 멀티-밴드 패스 필터를 보여주는 단면도이다.
도 15를 참조하면, 필터층(FL10a)은 복수의 물질층(EM10a, EM20b, EM30a)을 포함할 수 있다. 복수의 물질층(EM10a, EM20b, EM30a) 중 적어도 두 개는 서로 다른 두께를 가질 수 있다. 일례로, 제1 물질층(EM10a)은 제1 두께(t11)를 가질 수 있고, 제2 물질층(EM20a)은 상기 제1 두께(t11)보다 작은 제2 두께(t21)를 가질 수 있다. 또한, 제3 물질층(EM30a)은 상기 제2 두께(t21)보다 작은 제3 두께(t31)를 가질 수 있다. 이 경우, 제1 물질층(EM10a)의 공명 주파수(또는, 공명 파수)는 제2 물질층(EM20a)의 공명 주파수(또는, 공명 파수)보다 작을 수 있고, 제2 물질층(EM20a)의 공명 주파수(또는, 공명 파수)는 제3 물질층(EM30a)의 공명 주파수(또는, 공명 파수)보다 작을 수 있다. 다시 말해, 물질층의 공명 주파수(또는, 공명 파수)가 클수록 그 두께는 얇아질 수 있다. 도 9를 참조하여 설명한 바와 같이, 공명 주파수(또는, 공명 파수)가 큰 물질일수록 상대적으로 얇은 두께를 갖는 것이 투과도 확보 측면에서 유리할 수 있다.
도 16은 다른 실시예에 따른 멀티-밴드 패스 필터를 보여주는 단면도이다.
도 16을 참조하면, 필터층(FL10b)은 복수의 물질층(EM10b, EM20b, EM30b)을 포함할 수 있다. 제1 물질층(EM10b)은 제1 두께(t12)를 가질 수 있고, 제2 물질층(EM20b)은 상기 제1 두께(t12)보다 큰 제2 두께(t22)를 가질 수 있다. 또한, 제3 물질층(EM30b)은 상기 제2 두께(t22)보다 큰 제3 두께(t32)를 가질 수 있다. 이 경우, 제1 물질층(EM10b)의 공명 주파수(또는, 공명 파수)는 제2 물질층(EM20b)의 공명 주파수(또는, 공명 파수)보다 클 수 있고, 제2 물질층(EM20b)의 공명 주파수(또는, 공명 파수)는 제3 물질층(EM30b)의 공명 주파수(또는, 공명 파수)보다 클 수 있다.
도 15 및 도 16에 도시된 구조는 예시적인 것에 불과하고, 물질층들(EM10a, EM20a, EM30a / EM10b, EM20b, EM30b)의 위치는 다양하게 변화될 수 있다. 예컨대, 중간에 위치하는 제2 물질층(EM20a, EM20b)이 가장 두꺼운 두께를 갖거나 가장 얇은 두께를 가질 수도 있다. 또한, 세 개의 물질층(EM10a, EM20a, EM30a / EM10b, EM20b, EM30b) 중 두 개는 서로 동일한 두께를 가질 수도 있다. 그 밖에도 다양한 변형이 가능할 수 있다.
도 17은 다른 실시예에 따른 멀티-밴드 패스 필터를 보여주는 단면도이다.
도 17을 참조하면, 필터층(FL15)은 복수의 물질층들(EM10, EM20, EM30) 사이에 구비된 적어도 하나의 삽입층을 더 포함할 수 있다. 예컨대, 필터층(FL15)은 제1 물질층(EM10)과 제2 물질층(EM20) 사이에 구비된 제1 삽입층(N10) 및 제2 물질층(EM20)과 제3 물질층(EM30) 사이에 구비된 제2 삽입층(N20)을 더 포함할 수 있다. 제1 및 제2 삽입층(N10, N20)은 필터링 특성에 영향을 주지 않거나 거의 주지 않는 물질 및 두께로 형성될 수 있다. 예컨대, 제1 및 제2 삽입층(N10, N20)은 관심 파장 영역의 빛에 대해서 우수한 투과 특성을 갖고, 상기 관심 파장 영역에서 굴절률이 변하지 않는(혹은, 거의 변하지 않는) 물질로 형성될 수 있다. 이러한 조건을 만족하는 물질이면 어느 물질이든 제1 및 제2 삽입층(N10, N20)에 적용될 수 있다. 도시하지는 않았지만, 기판(SUB10)과 제3 물질층(EM30) 사이 및 제1 물질층(EM10)과 개구한정층(AL10) 사이 중 적어도 하나에도 삽입층이 더 구비될 수 있다.
도 18은 다른 실시예에 따른 멀티-밴드 패스 필터를 보여주는 단면도이다. 본 실시예는 도 2에서 변형된 구조를 보여준다.
도 18을 참조하면, 개구한정층(AL10)의 개구(A10) 내에 이를 매립하는 개구매립요소(D10)가 더 구비될 수 있다. 개구매립요소(D10)는 관심 파장 영역의 빛에 대해서 우수한 투과 특성을 갖고, 상기 관심 파장 영역에서 굴절률이 변하지 않는(혹은, 거의 변하지 않는) 물질로 형성될 수 있다. 이러한 조건을 만족하는 물질이면 어느 물질이든 개구매립요소(D10)에 적용될 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 개구한정층(AL10)과 개구매립요소(D10) 상에 이들을 덮는 커버층(cover layer)이 더 구비될 수 있다. 그 일례가 도 19에 도시되어 있다. 도 19를 참조하면, 개구한정층(AL10)과 개구매립요소(D10) 상에 커버층(CL10)이 구비될 수 있다. 개구매립요소(D10)와 유사하게, 커버층(CL10)은 관심 파장 영역의 빛에 대해서 우수한 투과 특성을 갖고, 상기 관심 파장 영역에서 굴절률이 변하지 않는(혹은, 거의 변하지 않는) 물질로 형성될 수 있다. 커버층(CL10)은 일종의 보호층의 역할을 할 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 도 19에서 개구매립요소(D10)와 커버층(CL10)을 동일한 물질로 일체형으로 형성할 수도 있다. 그 일례가 도 20에 도시되어 있다. 도 20을 참조하면, 개구(A10)를 매립하면서 개구한정층(AL10)을 덮는 커버층(CL15)이 구비될 수 있다. 커버층(CL15)은 도 18의 개구매립요소(D10) 또는 도 19의 커버층(CL10)과 동일한 물질이나 유사한 물질로 형성될 수 있다.
도 18 내지 도 20에서는 개구매립요소(D10), 커버층(CL10, CL15)을 도 2의 구조에 적용한 경우를 예시적으로 도시하고 설명하였지만, 이들은 도 1, 도 15 내지 도 17 및 이들로부터 변형된 다양한 구조에도 동일하게 적용될 수 있다.
이상에서 설명한 다양한 실시예들에 따른 멀티-밴드 패스 필터에서 필터층에 적용되는 복수의 물질층에 대해서 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
필터층에 적용되는 복수의 물질층 각각이 ENZ 물질층인 경우, 이들은 단일 물질층(single material layer)일 수 있다. 이때, 복수의 물질층은, 예컨대, SiN(ex, Si3N4), SiO2, Al2O3, TiO2 등과 같은 유전물질로 구성될 수 있다. 이들은 일반적인 비정질(amorphous)의 유전물질과 달리, ENZ 특성을 위한 결정질(crystalline phase)을 가질 수 있다. 결정질을 포함하는 상기 유전물질들은, 예컨대, 중적외선(Mid-Infrared)(MIR) 영역에서 유전율(permittivity)(ε)이 거의 0이 되는 파장, 즉, ENZ 파장을 가질 수 있다. 그러나, 여기서 개시한 구체적인 유전물질들은 예시적인 것이고, 그 밖에 다른 다양한 물질들이 사용될 수 있다.
다른 경우, 필터층에 적용되는 복수의 물질층 중 적어도 하나는 메타물질(metamaterial)을 포함할 수 있다. 메타물질(metamaterial)을 이용해서 ENZ 물질을 구현할 수 있고, 이를 복수의 물질층 중 적어도 하나에 적용할 수 있다. 메타물질(metamaterial)은, 예컨대, 소정의 형상을 갖는 금속 패턴 어레이와 이에 접촉된 유전층을 포함할 수 있다. 금속 패턴 어레이 상에 유전층을 형성하거나, 반대로, 유전층 상에 금속 패턴 어레이를 형성할 수 있다. 메타물질(metamaterial)의 구성은 매우 다양할 수 있다.
또 다른 경우, 필터층에 적용되는 복수의 물질층 중 적어도 하나는 적어도 하나는 두 종류 이상의 이차원 물질(two-dimensional material)(2D material)을 포함할 수 있다. 두 종류 이상의 이차원 물질(2D material)을 조합하여 ENZ 물질을 구현할 수 있고, 이를 복수의 물질층 중 적어도 하나에 적용할 수 있다. 일례로, 그래핀(graphene)과 h-BN(hexagonal boron nitride)을 교대로 반복 적층한 구조를 이용해서, ENZ 물질을 구현할 수 있다. 그 밖에도, 이차원 물질(2D material)을 이용해서 구현한 ENZ 물질의 구성은 다양하게 변화될 수 있다. 이차원 물질(2D material)은 극히 얇은 두께를 갖기 때문에, 이를 이용하면, 얇은 필터층을 구현할 수 있다.
도 21은 일 실시예에 따른 멀티-밴드 패스 필터(100)를 포함하는 전자장치(광학장치)를 예시적으로 보여주는 개념도이다.
도 21을 참조하면, 실시예에 따른 멀티-밴드 패스 필터(100)가 마련될 수 있다. 멀티-밴드 패스 필터(100)는 도 1, 도 2, 도 15 내지 도 20을 참조하여 설명한 구조나 이로부터 변형된 구조를 가질 수 있다. 입사광(L1)이 멀티-밴드 패스 필터(100)에 조사될 수 있고, 멀티-밴드 패스 필터(100)를 통해 출사광(L2)이 출사될 수 있다. 출사광(L2)은 다중 파장 대역의 광일 수 있다. 출사광(L2)을 수신하는 수광소자부(200)가 구비될 수 있다. 수광소자부(200)에 연결된 회로부(300)가 더 구비될 수 있다. 회로부(300)는 제어부를 포함할 수 있다.
도 21에서는 멀티-밴드 패스 필터(100)를 포함하는 전자장치(광학장치)를 개략적으로 단순하게 도시하였지만, 전자장치(광학장치)의 종류에 따라 그 구성은 다양하게 변화될 수 있고 복잡해질 수 있다. 멀티-밴드 패스 필터(100)는 칩(chip) 형태로 구현될 수 있고, 예컨대, 휴대폰이나 디스플레이(ex, TV), 카메라 등 다양한 전자장치(광학장치)에 탑재될 수 있다. 또한, 멀티-밴드 패스 필터(100)는 다양한 이미징 소자(imaging device) 분야에도 적용될 수 있다. 광학적 필터를 사용하는 모든 분야에 멀티-밴드 패스 필터(100)를 적용할 수 있다. 실시예들에 따른 멀티-밴드 패스 필터(100)를 이용하면, 전자장치(광학장치)의 소형화 및 박막화에 유리할 수 있다. 또한, 멀티-밴드 패스 필터(100)는 원하는 특성에 맞게 설계하기가 용이하고, 매우 다양한 필터링 특성을 용이하게 확보할 수 있기 때문에, 전자장치(광학장치)의 성능 개선 및 특성 제어에 유리하게 적용될 수 있다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 구체적인 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 예들 들어, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 도 1, 도 2, 도 15 내지 도 20을 참조하여 설명한 멀티-밴드 패스 필터의 구성은 다양하게 변형될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 예컨대, 개구(A10)의 형상이나 개구한정층(AL10)의 형성 위치가 달라질 수 있고, 경우에 따라서는, 기판(SUB10)이 구비되지 않을 수도 있다. 또한, 도 21을 참조하여 설명한 멀티-밴드 패스 필터를 포함하는 전자장치(광학장치)의 구성도 다양하게 변화될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 때문에 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호설명 *
A10 : 개구 AL10 : 개구한정층
CL10, CL15 : 커버층 D10 : 개구매립요소
EM10, EM20, EM30 : 물질층 FL10, FL11, FL15 : 필터층
N10, N20 : 삽입층 SUB10 : 기판
L1 : 입사광 L2 : 출사광
100 : 멀티-밴드 패스 필터 200 : 수광소자부
300 : 회로부

Claims (25)

  1. 입사면과 출사면을 갖고, 상기 입사면과 출사면 사이에 순차로 배열된 서로 다른 복수의 ENZ(epsilon-near-zero) 물질층을 포함하는 필터층; 및
    상기 필터층의 입사면에 배치된 것으로, 상기 필터층을 노출하는 적어도 하나의 개구를 가지며 금속 또는 금속성 물질로 이루어진 개구한정층(aperture-defining layer);을 포함하고,
    상기 복수의 ENZ 물질층은 서로 다른 공명 주파수(resonant frequency)를 갖도록 각각의 재질과 두께가 구성되어, 상기 복수의 ENZ 물질층에 의해 복수 파장 영역의 광을 출사하는, 멀티-밴드 패스 필터(multi-band pass filter).
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 ENZ 물질층은 서로 다른 ENZ 파장을 갖는 멀티-밴드 패스 필터.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 ENZ 물질층 중 적어도 하나는 단일 물질층(single material layer)인 멀티-밴드 패스 필터.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 ENZ 물질층 중 적어도 하나는 메타물질(metamaterial)을 포함하는 멀티-밴드 패스 필터.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 ENZ 물질층 중 적어도 하나는 두 종류 이상의 이차원 물질(two-dimensional material)(2D material)을 포함하는 멀티-밴드 패스 필터.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 ENZ 물질층 각각은 10∼1000nm의 두께를 갖는 멀티-밴드 패스 필터.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 ENZ 물질층은 적어도 제1 및 제2 ENZ 물질층을 포함하고,
    상기 제1 ENZ 물질층은 제1 두께를 갖고, 상기 제2 ENZ 물질층은 상기 제1 두께보다 작은 제2 두께를 가지며,
    상기 제1 ENZ 물질층은 제1 공명 주파수를 갖고, 상기 제2 ENZ 물질층은 상기 제1 공명 주파수보다 큰 제2 공명 주파수를 갖는 멀티-밴드 패스 필터.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 개구는 입사광의 파장보다 작은 폭을 갖는 멀티-밴드 패스 필터.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 개구는 복수의 슬릿(slit)을 포함하는 멀티-밴드 패스 필터.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 복수의 슬릿의 폭은 5∼1000nm 이고,
    상기 복수의 슬릿 사이의 간격은 1∼10㎛ 인 멀티-밴드 패스 필터.
  12. 삭제
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 개구한정층은 30∼300nm의 두께를 갖는 멀티-밴드 패스 필터.
  14. 제 1 항에 있어서,
    기판 상에 상기 복수의 ENZ 물질층이 순차로 적층되고,
    상기 복수의 ENZ 물질층 상에 상기 개구한정층이 구비된 멀티-밴드 패스 필터.
  15. 제1항, 제3항 내지 제11항, 제13항, 제14항 중 어느 하나에 기재된 멀티-밴드 패스 필터를 포함하는 전자장치.
  16. 입사면과 출사면을 갖고, 상기 입사면과 출사면 사이에 순차로 배열된 복수의 물질층을 포함하는 필터유닛;을 구비하고,
    상기 복수의 물질층은 제1 파장 대역의 광을 통과시키도록 구성된 제1 물질층과 상기 제1 파장 대역과 다른 제2 파장 대역의 광을 통과시키도록 구성된 제2 물질층을 포함하고,
    상기 복수의 물질층은 서로 다른 복수의 ENZ 물질층을 포함하고,
    상기 제1 물질층은 제1 ENZ 물질층이고, 상기 제2 물질층은 제2 ENZ 물질층이며,
    상기 제1 물질층은 제1 두께를 갖고, 상기 제2 물질층은 상기 제1 두께보다 작은 제2 두께를 가지며,
    상기 제1 물질층은 제1 공명 주파수를 갖고, 상기 제2 물질층은 상기 제1 공명 주파수보다 큰 제2 공명 주파수를 가지며,
    상기 필터유닛은 상기 제1 파장 대역과 제2 파장 대역을 합한 다중 대역의 광을 통과시키는, 멀티-밴드 패스 필터(multi-band pass filter).
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 제 16 항에 있어서,
    상기 복수의 물질층은 세 개 혹은 그 이상의 물질층을 포함하는 멀티-밴드 패스 필터.
  21. 제 16 항에 있어서,
    상기 필터유닛의 입사면에 구비된 것으로, 적어도 하나의 개구를 갖는 개구한정층(aperture-defining layer)을 더 포함하는 멀티-밴드 패스 필터.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 개구는 복수의 슬릿(slit)을 포함하는 멀티-밴드 패스 필터.
  23. 제 21 항에 있어서,
    상기 개구한정층은 금속 또는 금속성 물질을 포함하는 멀티-밴드 패스 필터.
  24. 제 21 항에 있어서,
    기판 상에 상기 복수의 물질층이 순차로 적층되고,
    상기 복수의 물질층 상에 상기 개구한정층이 구비된 멀티-밴드 패스 필터.
  25. 제16항, 제20항 내지 제24항 중 어느 하나에 기재된 멀티-밴드 패스 필터를 포함하는 전자장치.
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