KR102441989B1 - 통신파장에서 다기능 빔 조작이 가능한 유전체 메타표면 더블렛 장치 - Google Patents

Abstract

빔 조작이 가능한 유전체 메타표면 더블렛 장치에 있어서, 상기 유전체 메타표면 더블렛 장치는, 기판; 상기 기판의 전면부에 복수의 막대형 직사각형 유전체 공진기가 일정 간격을 가지며 상기 기판의 세로방향(y)을 따라서 일정 간격으로 배열되도록 형성된 전면부 메타표면; 및 상기 기판의 후면부에 복수의 막대형 직사각형 유전체 공진기가 일정 간격을 가지며 상기 기판의 세로방향(y)을 따라서 일정 간격으로 배열되도록 형성된 후면부 메타표면; 을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

통신파장에서 다기능 빔 조작이 가능한 유전체 메타표면 더블렛 장치{All-dielectric metasurface doublet device enabling multifunctional beam manipulation at telecommunication wavelengths}

본 발명은 통신파장에서 다기능 빔 조작이 가능한 유전체 메타표면 더블렛 장치에 관한 것이다.

Risley 프리즘, 렌즈, 구면 거울 및 편광 빔 스플리터를 포함한 광학 부품은 광 감지 및 거리 측정(LiDAR) 시스템, 무한초점(afocal) 망원경, 레이저 통신 시스템 및 양자 컴퓨팅 시스템을 구성하는 데 광범위하게 사용되었다.

렌즈 무게와 부피를 줄이기 위해 전파되는 빛의 위상 또는 진폭을 조정하여 회절 기반 프레넬 광학 구성이 실현되었다. 그러나 빛의 제한된 제어 능력과 복잡한 다중 레벨 리소그래피 제조 공정으로 인해 그 실용화가 원활하지 않았다.

기존의 Fresnel 광학 방식의 핵심 대체물로 개발된 서브 파장 나노 공진기를 통합한 나노 구조 메타 표면은 기존의 굴절/회절 요소보다 더 손쉬운 파면 형성을 가능하게 하며 휴대용 및 웨어러블 장치의 개발을 촉진할 수 있었다.

예를 들어, 다른 파장에서 회절 제한 초점을 가능하게 하는 높은- 개구수 평면 메타 렌즈(metalenses)가 제안되었다. 직경 240㎛의 메타 렌즈가 170배의 높은 배율을 제공하는 것은 최첨단 상업용 대형 대물렌즈를 사용하여 얻을 수 있는 것과 동등한 이미지 품질을 제공 할 수 있다는 것이 실험적으로 입증되었다.

그러나 코메틱(comatic) 또는 크로메틱(chromatic) 수차(aberration)는 off-axis 또는 full-color 이미징을 제공하는 metalenses의 집적화를 방해할 수 있다. 최근 3D 프린팅으로 제작된 다양한 높이의 유전체 나노 링 구조로 구성된 comatic aberration-compensated metalens가 광각 이미징에 대해 시연 되었었다. 나노 링 구조를 단일 층으로 혼성 화하는 방식에 기반한 초박형 메타렌즈는 넓은 시야와 저비용의 대량 생산으로 이어질 수 있다. 게다가, 케스케이드식 메타 표면은 색수차를 완화하는 데 유용한 것으로 알려져 있다. 따라서 케스케이드식 방식을 활용하여 전자기파의 위상, 진폭 및 편파를 동시에 제어할 수 있다.

멀티-레이어 스태킹 방식은 동일한 메타 표면에서 공진기를 공간적으로 다중화하여 불충분한 빔 조작, 이미지 품질 저하 및 바람직하지 않은 회절 차수와 같은 문제를 완화할 수 있다.

특히, 두 개 이상의 메타 표면으로 구성된 광학 메타 시스템은 주로 역반사기, 분광기, 초 분광 이미저, 및 광학 평면 카메라 역할을 하는 소형 장치를 생산하는 데 사용되어 왔다.

앞서 언급한 메타 표면은 단일 기능을 제공하기 위해 개발되었지만, 여러 작업을 수행할 수 있는 다기능 메타표면은 다 초점 또는 무채색 렌즈, 고유한 파동 조작 기능을 제공하는 메타 장치, 이미징 시스템, 비선형 코딩 메타 표면, 및 벡터 소용돌이 빔(VVB) 생성기로 잠재적으로 사용되어 상당한 관심을 끌었다

예를 들어, 가시광선 또는 밀리미터파 영역의 메타표면은 서로 다른 기하학적 매개 변수를 가진 여러 나노 블록/ 층으로 구성된 단위 셀의 도움으로 서로 다른 위상 전하를 가진 와류 빔으로 이어지는 VVB 생성기를 구현하기 위해 적용되었다.

한편, 단일 레이어 메타표면은 기능적 다양성 측면에서 본질적으로 제한된다.

다양한 기능을 갖춘 평면 소자인 다기능 메타표면은 광소자의 고밀도 통합 및 소형화를 가능하게 하여 엄청난 관심을 받고 있다. 단일 메타표면에서 메타 원자의 공간/스펙트럼 다중화에 기반한 종래의 접근 방식은 기능적 다양성에서 필연적으로 제한이 된다.

다중 메타표면에 의한 편광제어기술은 대한민국 공개특허공보 2020-0108901호에 개시된 바 있다.

대한민국 공개특허공보 2020-0108901호(메타표면을 이용한 편광상태 생성)

본 발명은 빔 조작이 가능한 유전체 메타표면 더블렛 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 빔 편향, 빔 감소 및 편광 빔 분리의 빔 조작이 가능한 유전체 메타표면 더블렛 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 빔 조작이 가능한 유전체 메타표면 더블렛 장치에 있어서, 상기 유전체 메타표면 더블렛 장치는, 기판; 상기 기판의 전면부에 복수의 막대형 직사각형 유전체 공진기가 일정 간격을 가지며 상기 기판의 세로방향(y)을 따라서 일정 간격으로 배열되도록 형성된 전면부 메타표면; 및 상기 기판의 후면부에 복수의 막대형 직사각형 유전체 공진기가 일정 간격을 가지며 상기 기판의 세로방향(y)을 따라서 일정 간격으로 배열되도록 형성된 후면부 메타표면; 을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 기판은 석영(SiO₂)으로 제조되고,

상기 막대형 직사각형 유전체 공진기는 수소화 비정질 실리콘(a-Si: H)으로 제조된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 기판은 가로 250㎛, 세로 400㎛, 두께 902㎛의 크기로 형성되고, 막대형 직사각형 유전체 공진기는 높이 930㎚,의 크기로 형성되며, 상기 일정 간격은 800㎚인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 전면부 메타표면은 0 ~ 2π 각도의 위상 편이를 가지도록 각각 16개의 다른 크기의 폭을 가지는 막대형 직사각형 유전체 공진기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 16개의 다른 크기는 150~ 366nm의 범위에서 각각 다른 크기로 선택되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 유전체 메타표면 더블렛 장치의 전면부 메타표면은 0 ~ 2π 각도의 선형적 위상 편이를 가지기 위해 16개의 막대형 직사각형 유전체 공진기의 폭을 150, 179, 192, 204, 208, 214, 219, 226, 233, 240, 246, 258, 269, 294, 323, 366nm로 형성한 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 유전체 메타표면 더블렛 장치는, 상기 전면부 메타표면의 복수의 막대형 직사각형 유전체 공진기 중 직사각형 유전체 공진기의 폭이 클수록 위상 지연량이 크게 제어되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 유전체 메타표면 더블렛 장치를 통과한 출력광은 입사각에 비해 TM 편광 빔은 증가된 위상 편차를 가지며, 빔 폭은 감소하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 유전체 메타표면 더블렛 장치를 통과한 출력광의 TE 편광 빔은 위상 구배의 변화가 없는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 TM 편광 빔은 0° ~ 12°의 입사각에 대해 출력은 0° ~ 39.2°의 편향각을 가지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 빔 조작이 가능한 유전체 메타표면 더블렛 장치의 제조방법은, a) 기판 준비단계; b) 플라즈마 강화 화학기상 증착(PECVD) 방법에 의해 상기 기판 전면부 및 후면부에 수소화 비정질 실리콘층을 증착하는 단계; 전면부 수소화 비정질 실리콘층 상부에 제1 레지스트층을 형성하는 제1차 스핀코팅 단계; c) 상기 제1 레지스트층에 대해 전자 빔 리소그라피 공정을 통하여 전면부 메타표면 패턴에 대응하는 제1 레지스트 패턴층을 형성하는 단계; d) 상기 제1레지스트 패턴층 상부면에 AL을 증착시켜서 AL층을 형성하는 단계; e) 상기 기판 상부의 제1 레지스트 패턴층을 모두 들어올려 전면부 메타표면 패턴에 맞춘 패턴화된 AL 층으로 전면부를 패턴화하는 단계; f) 상기 패턴화된 AL층을 하드 마스크로 사용하여 전면부 메타표면 패턴으로 전면부 수소화 비정질 실리콘층을 에칭하는 제1 에칭단계; g) 후면부 수소화 비정질 실리콘층 상부에 제2 레지스트층을 형성하는 2차 스핀코팅 단계; h) 상기 제2 레지스트층에 대해 전자 빔 리소그라피 공정을 통하여 후면부 메타표면 패턴에 대응하는 제2 레지스트 패턴층을 형성하는 단계; i) 상기 제2레지스트 패턴층 상부면에 AL을 증착시켜서 AL층을 형성하는 단계; j) 상기 기판 상부의 제2 레지스트 패턴층을 모두 들어올려 후면부 메타표면 패턴에 맞춘 패턴화된 AL 층으로 후면부를 패턴화하는 단계; 및 k) 상기 패턴화된 AL층을 하드 마스크로 사용하여 후면부 메타표면 패턴으로 후면부 수소화 비정질 실리콘층을 에칭하는 제2 에칭단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 f) 단계에서 에칭된 전면부 수소화 비정질 실리콘층 및 상기 k) 단계에서 에칭된 전면부 수소화 비정질 실리콘층의 종단에 남아 있는 패턴화된 AL층을 제거하는 AL층 제거단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 d)단계에서는 60nm 두께의 AL층을 형성하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 a) 단계는 상기 기판과 수소화 비정질 실리콘층 사이의 접착을 촉진하기 위해 아세톤, 이소 프로필알코올, 및 탈 이온수로 세척하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 유전체 메타표면 더블렛 장치는 대규모 광자 통합, 광학 계측, 광 검출 및 거리 측정, 분광학 및 광학 처리를 위한 고급 기술의 개발에 적용될 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 유전체 메타표면 더블렛(MD) 장치는 편향각 증폭 기능, 빔 축소 기능 및 편광 빔 스플리터 기능을 가진다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 유전체 메타표면 더블렛 장치는 증가된 빔 편향, 빔 감소 및 편광 빔 분리와 함께 다기능 빔 제어 동작이 1550nm 근처의 통신 파장에서 달성될 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 유전체 메타표면 더블렛 장치는 횡방향 전기 편광 빔(TE 편광 빔)은 입사 각도를 따라 직선으로 이동하는 반면, 횡방향 자기 편광 빔(TM 편광 빔)은 입사 각도의 3배에 해당하는 각도로 효율적으로 라우팅되도록 제어할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 유전체 메타표면 더블렛 장치는 편평한 평면 플랫폼에서 통신 파장의 빔 편향의 증가, 편광 빔 분리와 함께 효율적인 빔 감소가 가능하게 할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 유전체 메타표면 더블렛 장치의 전면부 메타표면(MS1)은 볼록형 렌즈에 대응되는 기능을 수행하고, 후면부 메타표면(MS2)은 오목형 렌즈에 대응되는 기능을 수행할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 모놀리식(Monolithic) 유전체 메타표면 더블렛 장치를 도시한 것이다.
도 2는 석영 기판을 포함하여 제작된 유전체 메타표면 더블렛 장치(100)의 전면부 메타표면(MS1) 및 후면부 메타표면(MS2)의 평면 SEM 이미지를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 유전체 메타표면 더블렛 장치의 설계적 원리를 광학렌즈에 대응하여 설명하기 위한 개략도를 도시한 것이다.
도 4는 종래 더블렛 렌즈의 편향 메카니즘을 설명하기 위한 개략도를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 유전체 메타표면 더블렛 장치의 전면부 메타표면(MS1)과 후면부 메타표면(MS2)의 위상 프로파일을 도시한 것이다.
도 6은 TM 편광에 대해 λ= 1550nm에서 선택된 본 발명의 일 실시 예에 따른 16개 직사각형 유전체 공진기(rectangular dielectric resonators, RDR)에 대해 위상 편이 및 투과율을 도시한 것이다.
도 7은 0° ~ 12° 범위에서 θ에 대한 TM 편광에 대해 본 발명의 일 실시 예에 따라 선택된 16개의 직사각형 유전체 공진기(RDR)에 대한 위상 편이 및 전송 특성을 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 직사각형 유전체 공진기(rectangular dielectric resonators, RDR)의 TM 편광에 대한 굴절 메커니즘에 대해 도시한 것이다.
도 9는 직사각형 유전체 공진기(rectangular dielectric resonators, RDR)의 TE 편광에 대한 굴절 메커니즘을 도시한 것이다
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 유전체 메타표면 더블렛(MD) 장치에 있어서, λ= 1550nm에서 선택된 16 RDR에 대한 TE 편광의 위상 편이 및 강도 전송 및 전면부 및 후면부 메타표면의 위상프로파일을 도시한 것이다.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 유전체 메타표면 더블렛(MD) 장치의 계산된 강도 투과(T), 반사(R) 및 흡수(A)와 함께 θ_out과 θ_in간의 관계를 도시한 것이다.
도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 유전체 메타표면 더블렛(MD) 장치에 있어서, TM 편광 평면파에 의한 투과시 MS1 및 MS2에 대한 yz- 평면에서 계산된 전기장 Ey 분포를 도시한 것이다.
도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따른 유전체 메타표면 더블렛(MD) 장치의 유무에 따른 원거리 광 프로파일을 도시한 것이다.
도 14는 도 13에서 z=12mm에서 작동하는 점선을 따른 빔의 강도 프로파일을 도시한 것이다.
도 15는 본 발명의 일 실시 예에 따른 유전체 메타표면 더블렛(MD) 장치의 증가된 빔 편향 특성을 조사하기 위한 실험 장치의 예를 도시한 것이다
도 16은 도 15의 실험으로부터 입사각에 대해 증가된 편향각에 대한 굴절된 전달 특성을 나타낸 것이다.
도 17은 도 15의 실험에서 d = 35.6mm일 때, θ_st측면에서 xy 평면에 캡처된 빔 프로파일을 나타낸 것이다.
도 18은 본 발명의 일 실시 예에 따른 MD 장치에 대한 편광 빔의 분리 시연을 도시한 것이다.
도 19는 일반적인 통신파장 대역에 포함되는 1500~1600nm에 대해서 본 발명의 일 실시 예에 따른 MD 장치에 의해 촉진되는 빔 편향을 도시한 것이다.
도 20은 본 발명의 일 실시 예인 MD 장치를 통해 공기로 투과하는 2° 입사빔의 경우 yz 평면의 광도 프로파일을 도시한 것이다..
도 21은 본 발명의 일 실시 예인 MD 장치를 통해 공기로 투과하는 2° 입사빔이 10배의 편향 증폭률로 출력되는 빔 편향의 예를 도시한 것이다.
도 22는 본 발명의 일 실시 예에 따른 유전체 메타표면 더블렛(MD) 장치가 Risley 프리즘 광학 특성을 대체하는 빔 편향 기능을 설명한 도면이다.
도 23은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전유전체 메타표면 더블렛(MD)장치가 반원통형 광학렌즈 특성을 대체하는 빔 폭 감소 기능을 설명한 도면이다.
도 24는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전유전체 메타표면 더블렛(MD) 장치가 Rochon 프리즘 광학렌즈 특성을 대체하는 빔 스플리터 기능을 설명한 도면이다.

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.

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.

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.

이하 본 발명의 구현에 따른 통신파장에서 다기능 빔 조작이 가능한 유전체 메타표면 더블렛에 대하여 상세하게 설명한다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 다중 메타표면을 단일 메타 시스템으로 케스케이드식으로 연결하여 얻을 수 있는 추가 설계 자유도는 단일 레이어 메타표면으로는 달성할 수 없는 새로운 기능 조합을 가져다 줄 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에서는 횡 방향 자기 편광 및 횡 방향 전기 편광에 대해 별개의 위상 프로파일이 인코딩되는 석영 기판의 양쪽에 직사각형 나노 공진기의 두 배열을 수직으로 연결하여 유전체 메타표면 더블렛(MD) 장치를 개발하고 구현하였다.

본 발명의 일 실시 예에서는 증가된 빔 편향, 빔 감소 및 편광 빔 분리를 포함하여 근적외선(NIR) 영역에서 다기능 빔 조작을 가능하게 하는 유전체 메타표면 더불렛(MD)을 개발하였다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 직사각형 유전체 공진기의 경우 광학 전달 특성은 위상 및 진폭 측면에서 편광 맞춤화되어 횡 방향 전기(TE) 편광 및 횡 방향 자기(TM) 편광에 대해 구별되는 유전체 메타표면 더불렛(MD)에 대한 위상 프로파일을 엔지니어링 할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 바람직한 유전체 메타표면 더블렛 장치는 동시에 증가된 빔 편향, 빔 감소 및 편광 빔 분리와 함께 다기능 빔 제어 동작이 1550nm 근처의 통신 파장에서 원활하게 동작하는 것을 입증하였다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 유전체 메타표면 더블렛(MD) 장치는 리소그래피 나노 제조를 통해 정확하게 생성되므로 극도로 까다로운 제조 후의 정렬이 불필요한 장점이 있다.

메타표면의 결합은 단일 메타표면으로는 달성할 수 없는 새로운 기능들로 활용될 수 있다. 본 발명의 일 실시 예에 다른 제조과정에서는 두 개의 서로 다른 메타표면이 정밀하게 생성되고 각 면에 새겨진 해당 정렬 마커를 참조하여 얇은 glass기판의 양쪽에 정렬되는 과정을 포함한다.

제작 중 정렬의 관점에서 이러한 유전체 메타표면 더블렛 장치는 두 개의 개별 메타표면으로 구성된 장치보다 바람직한 것으로 분석되었다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 유전체 메타표면 더블렛 장치의 경우, 입사광은 두 개의 직교 편광 빔으로 분리될 수 있으며, 여기서 횡방향 전기(transverse electric, 이하 'TE' 이라 한다.) 편광 빔은 입사 각도를 따라 직선으로 이동하는 반면, 횡방향 자기(transverse magnetic, 이하 'TM' 이라 한다.) 편광 빔은 입사 각도의 3배에 해당하는 각도로 효율적으로 라우팅되는 것으로 분석되었다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 편향된 TM 편광의 빔 폭은 절반으로 줄어든다. 또한 1500 ~ 1600nm의 넓은 작동 파장 범위가 관찰되었다. 통신 파장에서 달성된 성능을 고려할 때, 본 발명의 일 실시 예에 따른 유전체 메타표면 더블렛 장치가 자유 공간 광 통신, 광 상호 연결 및 공간 분해 광 센서를 설정하는 데 중추적인 역할을 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 모놀리식(Monolithic) 유전체 메타표면 더블렛 장치를 도시한 것이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 유전체 메타표면 더블렛 장치(10)에서 근적외선 (NIR) 영역에서 작동되는 구조를 보여준다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 유전체 메타표면 더블렛 장치(10, MD)는 석영(SiO₂) 기판(11), 기판의 후면부에 상기 기판의 세로방향(y)을 따라서 일정 간격을 가지며, 세로방향(y)으로 배열되도록 형성된 후면부 메타표면(MS2) 및 기판의 전면부에 상기 기판의 세로방향(y)을 따라서 일정 간격을 가지며, 세로방향(y)으로 배열되도록 형성된 전면부 메타표면(MS1)에 복수의 긴 막대형 직사각형 유전체 공진기(RDR, 12)가 상기 기판의 세로방향(y)을 따라서 일정 간격을 가지며, 세로방향(y)으로 배열된다.

도 1에서 점선으로 표시된 삽입도는 석영(SiO₂)으로 제조된 기판(11)에 형성된 수소화 비정질 실리콘(a-Si:H)으로 제조된 긴 막대형 직사각형 유전체 공진기(RDR, 12)를 포함하는 메타표면 단위 셀의 구성을 도시한 것이다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 유전체 메타표면 더블렛 장치(10)는 기존의 마이크로 및 나노 제조 기술을 사용하여 제작될 수 있다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 유전체 메타표면 더블렛 장치(10)는 기존의 전자 빔(e-beam) 리소그래피 및 플라즈마 에칭을 사용하여 제작되었다

본 발명의 일 실시 예에 따른 석영(SiO₂) 기판(11)은 가로(L₂) 250㎛, 세로(L₁) 400㎛, 두께(t) 902㎛의 직육면체로 형성되며, 막대형 직사각형 유전체 공진기(12)는 높이(h) 930㎚, 폭(w) 150~366㎚의 크기로 상기 석영(SiO₂) 기판(11)에서 피치(p) 800㎚간격을 가지고 가로방향(L₂) 250㎛ 길이로 전, 후면에 배열된다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 유전체 메타표면 더블렛 장치는 빔 편향, 빔 감소 및 편광 빔 분리를 가능하게 한다. 도 1을 참조하면, 횡방향 전기(TE) 편광 및 횡방향 자기(TE) 편광은 각각 x 축과 y 축을 따라 배향된다.

도 1을 참조하면, 광학 필드는 주로 직사각형 유전체 공진기(RDR)에 국한된다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 유전체 메타표면 더블렛 장치(10)에서, 입사 TM 편광 빔은 증가된 전파 각도를 가정하기 위해 편향되는 반면, 나가는 빔의 폭은 감소하는 것을 특징으로 한다.

편향각(θ_out)은 θ_out = M × θ_in으로 주어진다. 여기서 M은 확대 계수이고 θ_in은 입사각이다.

동시에, TE 편광 빔은 일 실시 예에 따른 유전체 메타표면 더블렛 장치(10)를 통해 직선으로 이동하여 직교 편광 빔의 분할을 용이하게 한다. 즉, 본 발명의 일 실시 예에 따른 유전체 메타표면 더블렛 장치(10)는 편평한 평면 플랫폼에서 통신 파장의 세 가지 기능을 동시에 제공할 수 있다, 즉, 빔 편향이 효율적으로 증가하고 편광 빔 분배와 빔 감소를 가능하게 할 수 있다..

본 발명의 일 실시 예에 따른 수소화 비정질 실리콘(a-Si: H)에 있는 직사각형 유전체 공진기(RDR, 12)의 1D 어레이를 포함하는 한 쌍의 서브 파장 격자는 902㎛ 두께의 석영 기판(11)에 생성된다.

두 개의 격자 구조는 케스케이드식 메타 표면(MS1 및 MS2)으로 작동하도록 설계된다.

직사각형 유전체 공진기(RDR)는 금속 구조와 관련하여 옴 손실(ohmic)에 취약하지 않으며, 또한, 유전체 기반 메타표면을 플라즈몬 기반 메타표면보다 더 효율적으로 만들 수 있다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 유전체 메타표면 더블렛 장치(10, MD)는 L₁(=400㎛) x L₂(=250㎛)의 바닥면적 footprint)을 가지며, 각 직사각형 유전체 공진기(rectangular dielectric resonators, RDR)는 길이(L₂)를 가지고 일정 피치(P) 간격으로 배열된다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 유전체 메타표면 더블렛 장치(10)는 파장 λ=1550 nm 부근에서 바람직하게 작동하도록 설계되었다. 파장 λnm 에 바람직한 구조는 각각 h=930nm(

0.6 λ및 L₂ = 250㎛를 갖는 16 개의 직사각형 유전체 공진기(RDR)가 y를 따라 p =800 nm의 주기로 가로(x)로 배열된다.

직사각형 유전체 공진기 RDR의 막대 폭(w) 범위는 150 ~ 366nm이다. 도 1의 삽입도면을 참조하면, 일반적으로 입사되는 TM 편광 빔에 대한 시뮬레이션 자기장 강도는 빛이 주로 고 굴절률 직사각형 유전체 공진기(rectangular dielectric resonators, RDR) 내부에 갇혀 있음을 나타낸다.

도 2는 석영 기판을 포함하여 제작된 유전체 메타표면 더블렛 장치(100)의 전면부 메타표면(MS1) 및 후면부 메타표면(MS2)의 평면 SEM 이미지를 도시한 것이다.

도 2를 참조하면, SEM(Scanning Electron Microscope)을 통해 제작된 메타표면을 보여 주며, 각각 다른 스케일의 전면부 메타표면(MS1)과 후면부 메타표면(MS2)에서 메타표면 패턴을 관찰할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 유전체 메타표면 더블렛 장치의 설계적 원리를 광학렌즈에 대응하여 설명하기 위한 개략도를 도시한 것이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 유전체 메타표면 더블렛 장치의 개발은 볼록형 광학렌즈(OS1) 및 오목형 광학렌즈(OS2)를 포함한 이중 렌즈의 구성 요소를 함께 결합된 기능을 메타표면 대응 요소로 변환하는 것으로 제안되었다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 유전체 메타표면 더블렛 장치의 전면부 메타표면(MS1)은 볼록형 렌즈에 대응되고, 후면부 메타표면(MS2)은 오목형 렌즈에 대응요소로 변환될 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 MD 장치의 기본 작동 메커니즘은 광선 광학 동작에 따라 전면부 메타표면(MS1)에 충돌하는 빛과 함께 설명될 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 유전체 메타표면 더블렛(MD) 장치를 사용하여 입사광 편광에 따라 위상 프로파일을 선택적으로 트리거하여 실현할 수 있는 기능을 달성할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 유전체 메타표면 더블렛(MD) 장치를 구현하기 위해 도 3에 도시된 바와 같이 두 개의 광학 표면(OS1 및 OS2)을 통합하는 기존의 광학 표면의 기능이 포함되도록 설계되었으며, TM 편광의 경우 빔 편향 및 빔 감소를 제어하는 기능을 가지도록 설계되었다.

도 3의 더블렛 렌즈는 3D 광학 엔지니어링 및 설계 소프트웨어인 LightTools(Synopsys, USA)의 도움을 받아 정교하게 제작되었다. 첫 번째 표면 OS1은 빔 편향 각도를 제어하는 두 번째 표면 OS2에 도달하기 전에 약간 다른 각도의 입사 빔이 공간적으로 분리될 수 있도록 하기 위해 스폿 크기를 최소화하도록 특별히 설계되었다. 더블렛 렌즈는 초점 거리가 f인 볼록 렌즈가 초점 거리가 f/M 인 오목 렌즈에 연결되는 M의 각도 배율을 허용하는 광학 구성에서와 같이 입사광을 조작하는 데 사용된다.

yz 평면에서 비구면 윤곽을 정의하는 방정식은 다음 [수학식1]과 같다.

여기서 C와 k는 각각 곡률과 원뿔 상수를 나타냅니다. [50] 출사 광의 전파 각이 입사각에 비해 3배 증가하도록 입사광을 편향시키는 목적에 따라 설계된 OS1 및 OS2의 윤곽(contours 영역)은 다음 [수학식2], [수학식3]으로 결정된다.

렌즈는 기판의 양쪽에 두 개의 평면 서브 렌즈를 배치하여 동일하게 만들 수 있다.

도 3의 개략도에 표시된 바와 같이 이산화된 새그(sag) S는 윤곽의 가장 높은 지점에서 평면 표면까지의 수직 거리이다.

윤곽선에서 인접한 점 사이의 간격은 직사각형 유전체 공진기(RDR) 배열의 주기 p에 해당한다.

위상은 다음 [수학식 4]로 지정된다.

여기서 n은 렌즈의 굴절률이고 λ는 작동 대상 파장이다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 MD 설계의 경우 계산된

는 0에서 2π 각도까지 제어될 수 있다.

더불렛 렌즈는 초점 거리 f의 볼록 렌즈 1개와 초점 거리 f/M의 오목 렌즈 1개로 구성된 M 배 각도 배율 시스템의 경우와 같이 입사광을 조작한다.

도 4는 종래 더블렛 렌즈의 편향 메카니즘을 설명하기 위한 개략도를 도시한 것이다.

도 4의 (a)는 M

3의 빔 편향 메커니즘을 보여준다.

더블렛 렌즈와 관련하여 빛이 추적하는 경로를 더 잘 이해하기 위해 두 개의 광학 표면(OS1 및 OS2)으로 구성된 기존 더블렛 렌즈는 도 4의 (a)에서 검은색 프레임으로 표시된다.

θ_in = 10°인 광선이 좌표계의 원점 Q1에서 나온다고 가정하고 OS1이 Q1에서 1mm 떨어진 곳에 위치하면 광선은 더블렛 렌즈를 통해 공기 중으로 이동한다. Λ= n × l로 주어진 특정 광 경로 길이에서 n은 렌즈의 굴절률이고 l은 물리적 길이이며 n_lens = 4.5의 더 높은 굴절률을 사용하면 렌즈 두께를 g1 = 3mm로 줄이는 데 도움이 된다.

OS1과 OS2의 기하학적 모양을 정의하는 방정식은 각각 [수학식5] 와 [수학식6]으로 제공될 수 있다.

yz 평면에서 교차점 Q2 및 Q3의 좌표와 세 광선 궤적 R1, R2 및 R3에 대한 표현식은 다음과 같이 유도될 수 있다.

Q2: (1.0045, 0.17713), Q3: (4.0131, 0.17315), R1: y1=0.17713z, R2: y2= －0.00132z + 0.1786, R3: y3= 0.66264z －2.48609.

그런 다음 θ_out은 R3의 기울기에 따라 33.53°로 계산 될 수 있으며, 이는 원하는 데로 θ_in에 비해 빔 편향이 약 3 배 확대되었음을 의미한다.

y 방향에서 Q2와 Q3의 점 사이의 간격 h1은 도 4의 (b)에 명확하게 표시되어 있으며, 여기서 안쪽으로 구부러진 빛과 z 축 사이의 각도는 θ₁로 표시된다.

더블렛 렌즈는 도 4(c)에 표시된 것처럼 석영 기판(n_sub = 1.4440 @ λ= 1550nm)의 양쪽에 형성된 두 개의 초박형 하위 렌즈(n_lens = 4.5)로 구성된다.

기판이 굴절률이 낮은 재료로 대체되면 두 등방성 매체 사이의 경계를 통과하는 빛의 궤적이 Snell의 법칙에 따라 갑자기 변경될 것으로 예상된다. 기판을 통과하는 빛의 확대된 스케치는 도 4의 (d)에 나타낸다.

두 개의 서브 렌즈가 더 얇으면 θ₂와 θ_b는 더 가까워진다. 서브 렌즈가 무한히 들어가 있다고 가정하면 다음 수학식7과 일치될 수 있다.

기판을 교체한 후에도 렌즈의 변하지 않는 성능을 보장하려면 도 4 (c)의 Q2 '및 Q3'가 도 4 (b)의 Q2 및 Q3와 각각 일치해야 한다. 따라서 h1 = h2가 얻어지고 g2는 다음 수학식8로 구해진다.

두 개의 서브 렌즈의 기하학적 두께를 무시할 수 없기 때문에 석영 기판의 두께는 0.96mm 미만이어야 함을 고려하여야 한다. 이에 상용되는 유한 차이 시간 도메인 소프트웨어인, FDTD 솔루션(캐나다, Lumerica)을 사용하여 얻은 시뮬레이션 결과를 참조하여 최종적으로 기판 두께를 0.902mm로 하는 것이 바람직한 것으로 결정하였다.

도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 유전체 메타표면 더블렛 장치의 전면부 메타표면(MS1)과 후면부 메타표면(MS2)의 위상 프로파일을 도시한 것이다.

도 5를 참조하면, 전면부 메타표면(MS1)과 후면부 메타표면(MS2)은 TM(transverse magnetic) 편광에 의한 MD 장치의 위치 함수로 설명될 수 있다.

각각 1(TM) 및 2(TM)로 표시된 것은 앞서 설명한 식에 의한 OS1 및 OS2에 해당하는 위상 프로파일의 이산화된 새그(sag) S를 참조하여 도출되었으며 도 4에서 검은 색 실선으로 표시되었다.

도 5를 참조하면, MS1 과 MS2는 도 5와 같은 위상분포를 갖도록 16개 폭을 가지는 RDR이 기판 위에 적절히 선택되어 배치된다.

MS1 과 MS2는 각각 0 ~ 2π 각도의 위상 편이를 가지도록 16개의 다른 크기의 폭을 가지는 막대형 직사각형 유전체 공진기를 포함한다. 상기 MS1 과 MS2는 배열 패턴이 다르게 형성된다..

도 5에서 실선은 원하는 기능을 수행하기 위해 요구되는 위상분포이며, 측정된 시뮬레이션에서는 점으로 표현된 것과 같이 분포해 있다.

도 6은 TM 편광에 대해 λ= 1550nm에서 선택된 본 발명의 일 실시 예에 따른 16개 직사각형 유전체 공진기(rectangular dielectric resonators, RDR)에 대해 위상 편이 및 투과율을 도시한 것이다.

도 6을 참조하면, 직사각형 유전체 공진기(RDR)로 구성된 각 단위 셀의 투과와 병렬로 정상적으로 입사되는 TM 편광에 대해 투과 전기장에 대한 시뮬레이션 된 위상 변화를 보여준다. a-Si: H와 공기 사이의 높은 굴절률(high-index) 대비로 인해 직사각형 유전체 공진기(RDR)는 충분히 높은 투과율에서 전체 2π 각도 위상 편이를 제공할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 유전체 메타표면 더블렛 장치의 RDR은 도 6과 같이 0~2π 범위의 위상을 가지도록 150nm에서 366nm 사이의 폭을 가지며 16개의 폭이 선택되어 배치된다. 본 발명의 일 실시 예에 따르면, RDR의 폭이 커질수록 위상 지연량이 커지도록 제어된다. 바람직한 메타표면 구현을 위해서는 0 ~ 2π 각도만큼 상대적 위상을 조절할 수 있도록 폭이 설정되어야 한다.

도 7은 0° ~ 12° 범위에서 θ_in에 대한 TM 편광에 대해 본 발명의 일 실시 예에 따라 선택된 16 개의 직사각형 유전체 공진기(RDR)에 대한 위상 편이 및 전송 특성을 도시한 것이다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 유전체 메타표면 더블렛(MD) 장치에 있어서, 경사 입사광에 대한 RDR과 관련된 위상 편이 및 전송을 구성하는 RDR은 전체 2π 각도 위상 변이를 커버하고 정상 및 비스듬한 입사 조건에서 TM 편광에 대해 충분히 높은 투과율을 제공해야 한다.

도 7을 참조하면, 선택된 RDR에 대해 전달된 위상 편이가 상대적으로 일정하게 유지되는 반면 전송 특성은 θ_in이 증가함에 따라 약간 감소함을 나타낸다. 시물레이션된 RDR의 경우 그림자 효과로 인해 투과율이 약간 감소한 것으로 분석된다.

도 7에 도시된 바와 같이 위상 및 전송 응답에 대한 θ_in의 미약한 영향은 본 발명의 일 실시 예에 따른 유전체 메타표면 더블렛(MD) 장치가 의도한 데로 경사 입사광에 대해 작동할 수 있음을 확인할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 선택된 16 개의 직사각형 유전체 공진기(RDR)는 1D 서브 파장 격자의 구성으로 유전체 메타표면 더블렛(MD)에 사용되었다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 유전체 메타표면 더블렛(MD) 장치를 구성하는 긴 막대형 직사각형 유전체 공진기(RDR)의 막대 폭 치수는 다음 표 1과 같이 구성된다.

도 5에 도시된 위상분포를 가지기 위해서 MS1과 MS2가 배열 패턴은 다르며 막대 폭 치수는 MS1과 MS2가 동일하게 적용될 수 있다.

표 1에 의한 16개의 직사각형 유전체 공진기(RDR)의 막대 폭 치수에 의해 본 발명의 일 실시 예에 따른 유전체 메타표면 더블렛(MD) 장치는 도 6에 도시된 바와 같은 0 ~ 2π의 위상 편이를 가질 수 있다.

Metalens를 설계하는 방법에 기반하여, OS1 및 OS2는 MS1 및 MS2로 성공적으로 대체될 수 있으며, 선택된 긴 막대형 직사각형 유전체 공진기(RDR)는 각각 1(TM) 및 2(TM)로 표시되는 위상 프로파일을 에뮬레이트(emulate) 하도록 배열될 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 유전체 메타표면 더블렛(MD) 장치는 Metalens를 설계하는 방법에 기반하여 기판의 양면에 MS1과 MS2를 정확하게 정렬하여 장착되도록 설정하여 제조될 수 있다 본 발명의 일 실시 예에 따른 유전체 메타표면 더블렛(MD) 장치에 의해 매개되는 빔 편향의 확장은 종래 더블렛 렌즈와 거의 동일하며 렌즈 곡률을 조정하는 방법을 적용하여 제어할 수 있다.

도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 직사각형 유전체 공진기(rectangular dielectric resonators, RDR)의 TM 편광에 대한 굴절 메커니즘에 대해 도시한 것이다.

도 8은 TM 편광 광학 동작 측면에서 본 발명의 일 실시 예에 따른 유전체 메타표면 더블렛(MD) 장치의 작동 메카니즘을 보여준다.

도 8을 참조하면, TM 편광은 직사각형 유전체 공진기(rectangular dielectric resonators, RDR)의 막대 폭(width, W) 및 높이에 영향을 받는다.

입사 빔 파면은 검은색 화살표를 따라 yz- 평면에서 비스듬하게 전파된 다음, MS1에 의해 순차적으로 안쪽으로 구부러져 얇은 기판을 교차한 후 MS2에 도달하게 된다.

MS2는 적절한 위상 지연을 도입하여 광선의 축외 각도를 설정하고자 하는 데로 확대하고 시준 광선의 형태로 변경하여 편향할 수 있도록 제어한다.

두 메타표면 간의 협력으로 인해 TM 편광 빔은 증가된 전파 각도(θ_out

M× θ_in)에 해당되도록 예상되는 편차가 발생하고 빔 폭은 감소하게 된다.

도 9는 직사각형 유전체 공진기(rectangular dielectric resonators, RDR)의 TE 편광에 대한 굴절 메커니즘을 도시한 것이다.

도 9를 참조하면, TE 편광에 대해 MS1 및 MS2는 위상 구배없이 평평한 표면 역할을 합니다

TE- 편광의 경우 두 개의 메타 표면이 위상 구배를 일으키지 않는 것으로 분석된다. 따라서 들어오는 파면은 도 9와 같이 변화동작을 거치지 않는다. 즉, 시준된 빔은 MD 장치에서 변화 동작이 없이 자연스럽게 MD 장치를 통과한다.

결과적으로 본 발명의 일 실시 예에 따른 MD 장치는 편광에 따라 직교 편광된 입사 빔을 TM 편광 및 TE 편광 두 개의 개별 빔으로 효율적으로 분리할 수 있다.

도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 유전체 메타표면 더블렛(MD) 장치에 있어서, λ = 1550nm에서 선택된 16 개의 직사각형 유전체 공진기(RDR)에 대한 TE 편광의 위상 편이 및 강도 전송 및 전면부 및 후면부 메타표면의 위상 프로파일을 도시한 것이다.

TE 편광의 경우, 도 10 (a)의 각 RDR에 대해 전송된 전기장에 대한 시뮬레이션 된 위상 편이 및 강도 전송이 표시되었다. R DR의 경우 일정한 길이 L₂에 의해 결정된 일정한 위상 편이가 TE 편광에 대해 부여된 반면, TM 편광의 경우 전체 2π 위상이 축적된다.

MD 장치의 위치 측면에서 도 10 (b)는 MS1, 도 10 (c) 는 MS2에 대한 목표 및 실제 위상 프로파일을 도시한 것이다.

도 10을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 MD 장치는 TE편광 모드에 대해서는 위상 변화가 거의 없다. 이에 따라 빛에 TE, TM 모드 편광 성분이 모두 존재하게 되면 각 성분별로 광학 특성이 달라지며, 이러한 원리를 기반으로 하여 빔 스플리터 기능을 수행할 수 있다.

즉, 빛의 입사각이 0도 보다 클 때, TE 편광 성분은 그대로 MD를 통과하며, TM 편광 성분의 빛은 입사각 대비 3배의 편향각을 가진 채로 통과하게 된다. 이로써 편광 빔 스플리터로서의 기능이 구현될 수 있다.

TE 편광 케이스의 상황은 각각 도 10의 (b) 및 (c)에 도시된 바와 같이 MS1 및 MS2와 관련된 원하는 기울기 없는 위상 프로파일과 일치하게 된다.

이에 따라 본 발명의 일 실시 예에 따른 직사각형 유전체 공진기(RDR)는 입사 편광에 따라 두 가지 다른 유효 굴절률을 나타내어 위상 편이 조정성을 제공할 수 있다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 RDR은 균일하게 길도록 디자인되어 설계 및 제작이 간편하다. 이에 따라 TE 편광 케이스의 투과율은 어느 정도 희생될 수 있는 것으로 분석된다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, TE 편광에 대한 RDR이 기여하는 투과 및 위상 편이는 1D RDR이 아닌 2D 나노 포스트에 의존하여 더욱 향상될 수 있는 것으로 분석된다.

도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 유전체 메타표면 더블렛(MD) 장치의 계산된 강도 투과(T), 반사(R) 및 흡수(A)와 함께 θ_out과 θ_in간의 관계를 도시한 것이다.

도 11을 참조하면, TM 편광의 빔 편향에 대해 θ_in을 0°에서 12° 까지 변화시켜 조사했다.

편향된 빔의 각도 범위는 39.2°(≒ ~40°)까지 증가할 것으로 나타났으며, 그에 따라 빔 편향의 범위는 대칭 MD에서 80°(θ_out= -40°~40°) 만큼 제어될 수 있는 것으로 분석되었다.

본 발명의 일 실시 예에 따라 설계된 유전체 메타표면 더블렛(MD) 장치는 최대 82.9%의 투과율로 M

3에 해당하는 빔 편향 배율을 산출할 수 있는 효과를 가진다.

표 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 MD 장치에 있어서 입사각과 편광으로 계산된 특성을 도시한 것이다.

표 2에 요약된 MD의 성능을 기반으로, TM 편광에 대한 빔 편향의 3배 증가와 TE 편광에 대한 일정한 빔 전파가 0° ~12°의 θ_in에 대해 달성될 수 있음을 알 수 있다.

TE 편광의 효율은 도 10과 같이 RDR이 균일하게 긴 길이(L₂ = 250㎛)로 설계되었다는 점을 고려할 때 어느 정도 부정적인 영향을 받은 것으로 분석된다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 시뮬레이션에서는 장치 설계, 시뮬레이션 부하 및 제조 측면에서 실질적인 이점을 확보하기 위해 2D 요소가 아닌 1D 서브 파장 격자가 사용되었다. TE 편광 케이스의 효율은 이전에 보고된 메타 표면 장치의 경우와 같이 제안된 RDR을 2D 나노 포스트로 대체함으로써 개선될 것으로 분석되었다.

본 발명의 일 실시 예에 따라 제작된 유전체 메타표면 더블렛(MD) 장치의 경우 최대 수용 각도는 12°로 관찰되었으며, 그 이상에서는 MS1에서 나오는 빔이 MS2에 의해 완전히 수용되지 않은 것으로 분석되었다.

각도 범위는 L₁을 따라 증가 된 빔 편향이 발생한다는 점을 고려하여 장치, 특히 L₁의 치수를 확대하여 증가시킬 수 있다. 경사 입사 하에서 전송 효율이 저하된 것은 RDR의 흡수 증가 때문인 것으로 간주된다.

도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 유전체 메타표면 더블렛(MD) 장치에 있어서, TM 편광 평면파에 의한 투과시 MS1 및 MS2에 대한 yz- 평면에서 계산된 전기장 Ey 분포를 도시한 것이다.

도 12를 참조하면, 입사 빔 파면은 분명히 MS1에 의해 안쪽으로 구부러지고 MS2에 의해 바깥쪽으로 라우팅 된다. 이에 따라나가는 빔의 편향 각도가 결국 입사 각도의 3배에 해당한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 유전체 메타표면 더블렛(MD)과 관련된 a-Si: H RDR은 잘린 도파관으로 취급될 수 있으며 도파관의 양쪽 끝에서 프레넬 반사와 관련된 저품질 계수 Fabry-Perot (low-quality-factor Fabry-Perot) 공명으로 작동하는 것으로 분석된다.

특히 본 발명의 일 실시 예에 따른 유전체 메타표면 더블렛(MD)은 입사각의 3배에 해당하는 빔 편향을 유발할 수 있으며 RDR의 폭 조절에 의한 1(TM) 및 2(TM)를 조작하여 유연하게 제어할 수 있다.

도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따른 유전체 메타표면 더블렛(MD) 장치의 유무에 따른 원거리 광 프로파일을 도시한 것이다.

도 13은 MD 장치의 존재에 따른 yz 평면에서 TM 편광의 |E_y|²의 광도 프로파일을 나타낸 것으로써, 왼쪽 상단은 MD 장치가 없을 때 축상 입사 빔의 경우, 오른쪽 상단은 MD 장치가 없을 때 축외 입사 빔의 경우, 왼쪽 하단은 MD가 있는 축상 입사 빔의 경우 및 오른쪽 하단은 MD 장치가 있는 축외 입사 빔의 경우를 각각 나타낸다.

도 13을 참조하면, MD 장치가 작동하는 광 궤적을 고려하면 1/e² 빔 폭이 눈에 띄게 줄어든 것을 알 수 있으며, 오른쪽 상단과 하단 그림을 통해서 빔 폭이 줄어든 것 외에 편향 각도가 증가된 것을 알 수 있다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 MD 장치를 기반으로 한 빔 감소의 경우의 working distance는 MS1에서 입사 빔에 비해 나가는 빔의 크기가 절반으로 축소되는 위치까지의 거리로 정의되는 것으로 분석된다.

도 14는 도 13에서 z=12mm에서 작동하는 점선을 따른 빔의 강도 프로파일을 도시한 것이다.

도 13 및 14를 참조하면, on-axis 및 off-axis 양상의 단면의 빔 폭은

190㎛에서 동일하다. 이는 초점이 없는 afocal TM 편광 빔의 폭이 작동 거리에서 400에서 190㎛로 감소 함을 의미하는 것으로 분석된다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 MD 장치 기반 빔 감속기의 작동 거리는 MD의 MS1에서 빔 크기가 입사 빔 폭의 절반으로 효율적으로 축소되는 위치까지의 거리로 정의될 수 있다. 전파 빔의 z = 12mm에서의 단면이 도 14에 나타나 있다. 축상 및 축외 케이스의 빔 폭은 모두 약 190㎛이다. 따라서, 작동 거리 내에서 afocal TM 편광의 폭을 400㎛에서 190㎛로 줄여졌음을 알 수 있다.

즉, 본 발명의 일 실시 예에 따른 MD 장치는 TM 모드의 빛이 입사하면 빔 폭이 축소된다. 이는 MS1에 의해 빛이 모아지고 MS2에 의해서 모아진 빛이 시준(collimating)되면서 축소된 빛이 출력되는 것으로 분석된다.

이를 종합하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 유전체 메타표면 더블렛(MD) 장치는 축상 및 축외 입사 모두에 대한 빔 크기를 줄이는 데 적용이 될 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 MD에 의해 시작된 1D 빔 성형은 원통형 렌즈의 경우와 같이 타원형 빔을 원형화하는 데 적용이 될 수 있다.

따라서 이 장치는 광학 계측, 레이저 스캐닝, 분광학, 레이저 다이오드, 음향학 및 광학 프로세서의 응용 분야에서 적용될 수 있다.

도 15는 본 발명의 일 실시 예에 따른 유전체 메타표면 더블렛(MD) 장치의 증가된 빔 편향 특성을 조사하기 위한 실험 장치의 예를 도시한 것이다.

도 15를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 실험 장치는 레이저(Laser)에서 발생된 빔을 편광 조절기(PC, polarization controller)에서 λ=1550nm로 편광이 조정되어, 광섬유 시준기(FC, fiber collimator)를 통하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 유전체 메타표면 더블렛(MD)으로 시준 된다. MD를 통과한 빔은 빔 프로파일러(BP, beam profiler) 빔의 특성을 검출하였다.

도 15는 준비된 MD를 수동으로 회전했을 때 yz- 평면에서 광도 프로파일을 얻기 위한 실험되었다.

도 15를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 MD 장치에 대한 빔 편향 특성을 평가하기 위해 조정 가능한 레이저(Santec, ECL-200)가 광원 역할을 하고 빔 프로파일러가 검출기(CINOGY, CinCam CMOS-1202)로 사용되었다.

도 15를 참조하면, 편광 컨트롤러(KS Photonics, STPC)를 사용하여 편광이 조정된 λ=1550nm의 입력광은 광섬유 시준기(PMPFX6, Thorlabs)를 통해 시준된다.

도 15에서 MD 장치와 빔 프로파일러 내부의 감지 영역 사이의 거리는 d로 표시된다. MD가 있는 상태에서 θ_in이 MD를 수동으로 회전하여 0°에서 12°로 스캔될 때 전송된 빔의 스티어링 각도 θ_st가 기록될 수 있다.

빛의 편향 각도는 θ_out = θ_in + θ_st 로 산출된다. θ_st는 z 방향을 따라 빔 프로파일러를 이동하여 측정되었다.

도 15에서 MD 장치의 방향 사인은 조향 방향을 나타낸다. 즉, (-)는 왼쪽, (+)는 오른쪽을 나타낸다.

θ_st는 P1과 P2의 좌표를 모니터링하여 θ_st = arctan(Δy/s)로 산출될 수 있다.

도 15를 참조하면, z축에서 P1이 P2로 s 만큼 이동하였고, y축으로 Δ만큼 이동한 것으로써, Δy는 y축으로 이동한 변위이다.

여기서 d=20mm에서 측정된 것이다.

조정 가능한 레이저에서 출력되는 빛의 파장은 광학 스펙트럼 분석기(Anritsu, MS9710B)를 사용하여 사전에 확인되었다. 측정 중 편광 불안정성을 방지하기 위해 편광 유지 광섬유(polarization-maintaining fiber)를 사용하였다.

도 16은 도 15의 실험으로부터 입사각에 대해 증가된 편향각에 대한 굴절된 전달 특성을 나타낸 것이다.

도 16을 참조하면, 측정 및 시뮬레이션 결과에 해당하는 피팅 라인의 기울기는 각각 3.55 및 3.25로 나타낸다.

오차 막대와 관련된 평균값과 표준 편차는 모두 여러 반복된 측정에서 얻을 수 있었다. 제한된 감지 영역으로 인해 빔 프로파일러는 θ_in을 변경하면서 빔을 캡처하기 위해 동시에 변위된다.

도 16을 참조하면, 0° 이상의 입사각을 가진 TM 편광의 빛이 본 발명의 일 실시 예에 따른 MD로 입사하면, 입사각도의 3배 각도로 편향되어 출력되는 것으로 분석된다. 즉, 본 발명의 일 실시 예에 따른 MD는 입사각 각도의 3배 각도로 편향각이 증폭되는 것을 특징으로 한다.

도 17은 도 15의 실험에서 d = 35.6mm일 때, θ_st 측면에서 xy 평면에 캡처된 빔 프로파일을 나타낸 것이다.

메타표면을 기반으로 하는 편광 빔 스플리터는 다양한 편광 광학 구현에서 통합 플랫폼 역할을 하는 것으로 알려져 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 MD는 Rochon 프리즘을 모방한 평면 편광 빔 스플리터 역할을 할 것으로 예상되며, 이는 임의 편광 빔을 분해하여 두 개의 직교 편광 빔으로 라우팅하는 데 적용될 수 있다.

TE 편광 성분은 입력과 동일한 광축에 유지되고 TM 편광 성분은 θ_in에 따라 각도만큼 이탈된다. 직선으로 이동하는 빔은 주로 광학 시스템에서 후속 광학 부품의 정렬을 수행하는 데 유용하다.

도 18은 본 발명의 일 실시 예에 따른 MD 장치에 대한 편광 빔 분리 시연을 도시한 것이다. 도 18 (a)는 TE- 및 (b)는 θ_in = 2° 인 TM 편광 입사광에 대해 산출된 원거리 장 강도 분포(far-field intensity distributions)를 도시한 것이다. 내부에 삽입된 삽입도면은 각각 d = 28.0mm에서 두 개의 직교 편광에 대해 캡처된 빔 프로파일을 도시한 것이다.

도 18을 참조하면, 2° 입사 평면파는 각각 TE-편광 및 TM- 편광으로 MD 장치에 입사되어 투과됩니다. 원거리 장에서 산출된 |Ey|²의 강도는 도 18(a)와 (b)와 같이 개별적으로 정규화되고 가우스 분포에 맞춰진다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 MD 장치에 있어서, TE 편광 빔은 입사 θ_in 방향을 따라 위상구배 없이 진행을 하고, TM 편광 빔은 θ_in의 약 3배인 다른 방향으로 향하는 것을 특징으로 한다. 도 18의 내부 삽입도는 각각 TE 및 TM 편광 입사에 대해 원거리 장에서 캡처된 해당 실험 결과를 제공한다.

전송 및 조향된 빔은 시뮬레이션 결과와 잘 일치하는 것으로 나타낸다. 작은 각도 편차와 불완전한 빔 분리는 아마도 RDR의 표면/가장자리 거칠기 및 실현된 치수의 편차와 같은 제조 오류로 인해 발생할 수 있다.

도 18을 참조하면, 평면파가 2° 각도로 MD 장치에 충돌하여 TE 편광과 TM 편광을 모두 전달하는 경우

에 비례하는 계산된 원거리 장 강도 분포가 개별적으로 정규화하여 a, b에 각각 플롯되어 도시된다.

도 18을 참조하면, TE 편광 빔은 θ_in과 동일한 방향으로 계속 전파되는 반면, TM 편광 빔은 θ_in의 약 3배에 해당하는 다른 방향으로 편향되는 것으로 분석된다. 도 18의 내부 삽입도는 TE 및 TM 사례에 대해 관찰된 원거리 장 프로파일을 나타낸다.

도 18을 참조하면, θ_out의 함수로서 결과 강도가 빔 프로파일과 함께 표시된 것을 알 수 있다.

전송된 TE 편광 빔 및 편향된 TM 편광 빔의 경우 전체 측정 결과와 시뮬레이션 결과 간에 적절한 상관관계가 있는 것으로 분석되었다. 광섬유 콜리메이터(PMPFX6)에서 나오는 광선이 제작된 MD 장치 샘플(L₁(= 400㎛) x L₂(= 250㎛)의 풋 프린트보다 더 큰 직경인 약 500㎛라는 점을 고려하면 불완전한 빔 분리와 관련된 작은 각도 불일치는 허용될 수 있는 범위로 이해할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 MD 장치에 있어서, 외부의 입사 빔의 일부는 메타표면에 의해 매개되는 조작을 거치지 않고 MD 장치를 통해 전송되어 의도치 않게 출력 빔으로 누출되어 간섭을 일으키는 것으로 분석된다. 또한, 불완전한 빔 분리는 RDR의 표면/가장자리 거칠기, 실현된 구조 매개 변수와 설계된 구조 매개 변수 간의 불일치, 별도의 레이어에서 MS1과 MS2에 대해 채택된 RDR 간의 오정렬과 같은 제조 오류로 인한 것일 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 MD의 기술적 특징 중 하나는 입사각(θ_st = (M-1) × θ_in

2θ_in)을 적절하게 선택하여(MD의 로테이션 각도 조정 등) 두 빔 사이의 분리 각도를 쉽게 변경할 수 있다는 것이다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 소형 MD를 활용한 편광 빔 스플리터는 통합 편광 광학, 정보 보안 및 이미징을 구현하기 위해 다양한 방식으로 적용될 수 있다.

도 19는 통신파장에 있어서 본 발명의 일 실시 예에 따른 MD 장치에 의해 촉진되는 빔 편향을 도시한 것이다.

도 19는 본 발명의 일 실시 예에 따른 MD 장치가 다른 파장에서 관찰된 θ_in = 2° 와 함께 측정된 원거리 장 강도 분포를 도시한 것이다. a)는 계산된 분포이고, b)는 측정된 분포를 나타내며, b)에서 실선은 가우스 피팅 결과를 나타낸다.

에 비례하는 원거리 장 광 강도는 도 19에 나타나, 여기서 들어오는 입사광은 θ_in 2°에 대해 TM 편광된 것으로 간주될 수 있다.

도 19를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 MD 장치에 의한 파장별 빔 편향을 실험적으로 확인할 수 있다.

도 20은 본 발명의 일 실시 예인 MD 장치를 통해 공기로 투과하는 2° 입사빔의 경우 yz 평면의 광도 프로파일을 도시한 것이다..

도 20은 MD 장치와 빔 프로파일러 내부의 감지 영역 사이의 거리는 d=18.8mm 일 경우, MD가 NIR 영역에서 통합 구성 요소로 작용할 것을 가정하여, MD 성능을 검증하기 위해 수치 시뮬레이션에 3 개의 파장(1500, 1550 및 1600nm)에 대한 빔 프로파일을 도시한 것이다.

빔 프로파일러에 의해 캡처된 빔은 도 20과 같이 표시되며, 이는 도 19(b)에 표시된 바와 같이 가우스 분포가 적절하게 장착된 것으로 분석된다.

표 3은 3개 파장에 대한 계산 및 측정된 편향각 θ_out 및 반치전폭( FWHM)을 나타낸 것이다.

표 3에는 1500nm, 1550nm, 1600nm 세 가지 일반 통신 영역 파장에 대한 편향각과 반치전폭(FWHM)이 요약되어 있다.

표 3으로부터 MD의 편향된 빔은 거의 동일한 FWHM을 유지하면서 약간의 각도 이동을 나타내어 넓은 작동 파장 범위로 이어지는 것으로 분석될 수 있다. 유전체 메타표면의 스펙트럼 대역폭은 더 많은 층을 사용함으로써 확장될 수 있다. NIR(nearinfrared) 영역에서 100nm 스펙트럼 대역폭은 본 발명의 일 실시 예에 따른 MD를 자유공간 광 통신과 군사 및 민간 네트워크에 적용할 수 있음을 나타낸다.

더욱이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 장치는 강화된 각도 빔 스티어링(angular beam steering)을 특징으로 하는 비 기계적 LiDAR 모듈을 구축하는데 도움이 되도록 고체 광학 위상 어레이 칩과 잠재적으로 통합되어 적용될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 MD는 초소형 광학 시스템에 적용하기에 적합하다. 또 다른 실시 예에서 필요한 경우 풋 프린트를 밀리미터 미만 규모에서 수 센티미터로 확장할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 MD의 경우, 두 개의 메타표면을 지지하는 기판의 두께에 대한 허용 오차는 5㎛ 이내로 제어될 수 있다. 기존의 마이크로 가공 기술과의 호환성과 관련하여 MD는 마이크로 전자 기계 시스템에 쉽게 통합되어 조정 가능한 빔 조향을 위한 메타표면 기반 마이크로 광전자 기계 시스템을 구축하여 빠른 조정 속도, 작은 기계적 소음 및 쉬운 조립과 같은 이점을 제공할 수 있다.

빔 편향을 가능하게 하는 경사 메타표면과 비교하여 MD는 증가된 편향 각도, 감소 된 빔 크기 및 제어된 발산 각도 측면에서 고급 성능을 제공할 수 있다.

단일 레이어 그라디언트 메타 표면은 원하는 방향을 따라 입사 빔을 편향시키는 것으로 추정된다. 메타 표면에 충돌하는 빛의 경우 빔 전파는 다음 수학식 9로 표현되는 일반화 된 Snell의 법칙에 의해 제어되며, 이는 메타 표면에 의해 부여된 위상 기울기 d/dx가 편향 각도에 추가됨을 나타낸다. 이러한 단일 레이어 디플렉터의 경우 입사 및 편향된 빔의 크기가 동일하다.

단일 레이어 메타 표면과 달리, "발산-발산" 구성을 가진 본 발명의 일 실시 예에 따른 MD는 입사 빔을 연속적으로 라우팅하여 편향 각도를 상당히 증가시킬 수 있다.

그러나 해당 빔 발산 및 빔 스폿은 부정적인 영향을 받을 수도 있다. 빔 스캐너에서 작은 스폿이 있는 고도로 시준된 빔이 분명하게 선호됩니다. 이러한 맥락에서 "수렴-발산" 구성을 기반으로 하는 본 발명의 MD가 최상의 옵션으로 적용될 수 있다..

"수렴-발산" 되는 본 발명의 MD의 경우, 입사광은 각각 초점 거리가 f 및 f/M 인 볼록 및 오목 렌즈로 구성된 M배 각도 배율을 렌더링하는 시스템과 유사한 방식으로 매개된다. 편향각(θ_t)은 입사각(θ_in)에 비해 M 배 증가할 수 있다. 한편, 발산각은 편향각에 비례하여 커질 것으로 예상된다. 동시에 빔 크기를 줄일 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 MD를 사용하여 얻은 빔 편향은 이중 렌즈에서 파생된 위상 프로파일을 조작하는 것에 비해 더욱 향상될 수 있다. 예를 들어, M=10에 따른 MD 렌더링 빔 편향은 MS1 및 MS2에 해당하는 RDR을 적절히 배열하여 얻을 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따라 M = 10에 해당하는 10배 빔 편향 향상을 생성하는 MD를 구성할 경우, RDR은 위상에 따라 902㎛ 두께의 기판에 세밀하게 정렬될 수 있었다.

도 21은 본 발명의 일 실시 예인 MD 장치를 통해 공기로 투과하는 2° 입사빔이 10배의 편향 증폭률로 출력되는 빔 편향의 예를 도시한 것이다.

도 21 (a)는 2° 입사 빔에 대한 yz- 평면의 광 강도 프로파일 |Ey| ²를 나타낸 것이다. 도 21(a)을 참조하면, 분명히 상당한 빔 편향 특성에 대해 알 수 있다. 도 21(b)은 이에 대한 편향된 빔에 대한 원거리 장 프로파일을 나타낸 것이다. 도 21(b)을 참조하면, 입사 TM 편광이 원하는 대로 20°의 증가된 각도로 라우팅 되었음을 알 수 있다.

그러나 빔 시준과 빔 편향 사이에는 상충관계가 있는 것으로 분석된다. 굴절각의 증폭에 따라 발산각을 증가시켜야 하며, 이는 추가 렌즈를 수직으로 쌓아서 해결할 수 있을 것으로 분석된다.

본 발명의 또 다른 실시 예에서는 균일하게 긴 RDR을 편광 의존 2D 나노 포스트로 대체함으로써 장치 효율성을 높일 수 있으며, 렌즈 포커싱, 와류 빔 생성 및 홀로그램과 같은 다른 두드러진 기능을 수용하기 위한 유전체 메타표면 더블렛(MD)으로 개발할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, Risley 프리즘, 원통형 렌즈 및 편광 빔 스플리터와 같은 광학 부품의 기능을 대체하기 위해 NIR 대역에서 다기능 빔 조작을 가능하게 하는 전유전체 메타표면 더블렛(MD)을 제공할 수 있다.

도 22는 본 발명의 일 실시 예에 따른 유전체 메타표면 더블렛(MD)가 Risley 프리즘 광학 특성을 대체하는 빔 편향 기능을 가지는 것을 설명한 도면이다.

리즐리 프리즘(risley)은 같은 구조의 두 개의 경사 두께로 thin 프리즘을 서로 반대 방향으로 회전하여 결합한 것으로써, 도 22의 상단에 도시된 바와 같이 첫 번째 프리즘을 통과한 빛이 두 번째 프리즘을 통과하면서 편차가 한 번 더 생기게 되어 원하는 편향 각을 얻을 수 있다. 리즐리 프리즘(risley)의 경우 FOV(field of view)를 조정함으로써, beam-steering에 유용하게 활용된다.

도 22의 하단에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시 예에 따른 전유전체 메타표면 더블렛(MD) 장치의 rotation 각을 조정함으로써, beam-steering에 유용하게 활용될 수 있다.

도 22를 참조하면, MD를 회전하면 M배 확장된 빔 스티어링이 가능하다. MD를 시계 방향 또는 시계 반대 방향으로 회전하면 빔이 각각 왼쪽과 오른쪽으로 조정될 수 있다.

θ_out= m·θ_in= θ_in+ θ_st,, θ_st는 MD에 의해 추가적으로 도입된 것이다.

도 23은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전유전체 메타표면 더블렛(MD) 장치가 반원통형 광학렌즈 특성을 대체하는 빔 폭 감소 기능을 가지는 것을 설명한 도면이다.

앞서 도 13, 14는 빔폭이 400㎛에서 190㎛로 감소된 특징을 나타낸다.

도 23의 하단에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시 예에 따른 전유전체 메타표면 더블렛(MD) 장치는 beam-reduction에 유용하게 활용될 수 있다.

도 24는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전유전체 메타표면 더블렛(MD)장치가 Rochon 프리즘 광학렌즈 특성을 대체하는 빔 스플리터 기능을 가지는 것을 설명한 도면이다.

Rochon 프리즘은 도 24의 상단에 도시된 바와 같이 편광된 빔을 두 개의 직교, 선형, 편광 구성 요소로 분리하는 것으로써, 도 24의 하단에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시 예에 따른 전유전체 메타표면 더블렛(MD) 장치는 TE 편광 성분과 TM 편광 성분으로 분리하여 제어할 수 있다.

앞서 도 18은 본 발명의 일 실시 예에 따른 MD 장치에 의해 편광 분리된 빔의 TE 편광 성분과 TM 편광 성분의 세기 분포에 대한 특징을 나타낸다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 다목적 MD는 Risley 프리즘, 원통형 렌즈 및 Rochon 프리즘을 모방할 수 있으며, 빔 편향 증가, 빔 감소 및 편광 빔 분리와 같은 기능을 제공할 수 있다. 또한, 좁은 빔 폭과 증가 된 빔 편향 덕분에 MD는 자유 공간 광통신 분야에 권장된다. 또한, 편파 선택적 편향은 통신 보안에 필수적인 신뢰할 수 있는 암호화를 가능하게 할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 MD 장치는 16 개의 a-Si:H RDR을 활용하여 편광 제어 위상을 허용하여 기판의 양쪽에 두 개의 메타 표면을 생성한다.

또한, MD는 TM 편광용 이중 렌즈로 이어지는 위상 프로파일로 인코딩되었으며 TE 편광 케이스의 경우 위상 구배가 없는 일반 기판으로 인코딩될 수 있다..

본 발명의 일 실시 예에 따른 장치를 설계하고 분석하기 위해 수치 시뮬레이션이 실행되었으며, 실험에 사용된 각 쌍의 수직 케스케이드식 메타 표면은 투과 광학 현미경을 사용하여 양쪽의 정렬 마커를 참조하여 석영 기판에 패턴화되었다.

본 발명의 일 실시 예에 따라 제작된 MD의 경우, 빔 축소, 편광 빔 분리와 동시에 증폭된 빔 편향이 1500 ~ 1600nm의 스펙트럼 대역 내에서 확인될 수 있었다.

본 발명의 일 실시 예에 따라 제안된 방식을 활용하여 벌크 광학 부품 세트를 단일 초박형 장치에 통합하여 고집적 포토닉스 애플리케이션에 활용될 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 일 실시 예에 따른 유전체 메타표면 더블렛(MD)은 편향각 증폭 기능, 빔 축소 기능 및 편광 빔 스플리터 기능을 가지는 것을 특징으로 한다.

즉, 편향각 증폭 기능을 이용하여 LiDAR(light detection and ranging)에 적용될 수 있다. 조향 범위가 넒을 수록 좋은 성능을 가지는 LiDAR 에 있어서 본 발명의 일 실시 예에 따른 MD 장치를 적용함으로써 조향 범위가 증폭될 수 있다. 더불어 조향범위 증폭에 의해 LiDAR의 소비전력이 감소에도 기여할 수 있을 것으로 예상된다.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 MD 소자의 응용 범위는 라이다 시스템, 레이저 광통신, 광학센서 분야에서 응용될 수 있으며, 편광 빔 분배기, Risley prism, 광 인터커넥터 소자로서 적용될 수 있다.

도 25는 본 발명의 일 실시 에에 따른 유전체 메타표면 더블렛 장치의 제조 과정을 도시한 것이다.

도 25를 참조하면, 먼저 기판 준비단계(110단계)가 수행된다. 본 발명의 일 실시 예에서는 902㎛ 두께의 석영(Quarts; SiO₂)을 기판으로 준비된다. 준비단계에서 기판은 유리 기판과 a-Si: H 층 사이의 접착을 촉진하기 위해 먼저 아세톤/ 이소프로필알코올 /탈 이온수로 세척하는 과정을 포함한다.

다음은 플라즈마 강화 화학기상 증착(PECVD) 방법에 의한 상기 석영 기판 전면부 및 후면부에 수소화 비정질 실리콘(a-Si: H)층을 증착하는 단계(111단계)가 수행된다. 111단계에서는 930nm 두께의 a-Si: H 필름층이 최적의 조건에서 플라즈마 강화 화학 기상 증착(Oxford의 PlasmaLab 100)을 사용하여 기판의 각 면에 a-Si: H 층이 증착된다. 111단계 후에 전면부 a-Si:H층 상부에 전자빔 레지스트(Zeon Chemicals의 ZEP520A)를 스핀 코팅하여 제1 레지스트층을 형성하는 제1차 스핀코팅 단계(112단계)가 수행된다. 112단계 후에 상기 제1 레지스트층에 대해 전자 빔 리소그라피(EBL, Electron Beam Lithography) 공정을 통하여 전면부 메타표면 패턴에 대응하는 제1 레지스트 패턴층을 형성하는 단계(113단계)가 수행된다. 113단계에서 메타표면 패턴과 정렬 마크는 후속 현상(ZED-N50)과 함께 e- 빔 리소그래피 (Raith150 EBL)를 통해 제1 레지스트층에 기록된다. 다음은 113단계에서 형성된 제1레지스트 패턴층 상부면에 AL을 증착시키는 AL 증착단계(114)가 수행된다. 114단계에서 60nm 두께의 알루미늄층을 오목패턴이 포함되도록 각각 전자빔 증발(Temescal BJD-2000)에 의해 증착한다.

다음은 상기 용매(Zeon Co.의 ZDMAC)에 의해 기판 상부의 제1 레지스트 패턴층을 모두 들어올려 전면부 메타표면 패턴에 맞춘 패턴화된 AL 층으로 전면부를 패턴화하는 lift-off 단계(115 단계)가 수행된다.

lift-off 단계(115단계) 이후에 패턴화된 AL층을 하드 마스크로 사용하여 설계된 전면부 메타표면 패턴으로 전면부 a-Si: H 층을 에칭하는 제1 에칭단계(116)가 수행된다. 116단계에서는 설계된 패턴을 불소 기반 유도 결합 플라즈마 반응성 이온 에칭(Oxford PlasmaLab System 100)을 통해 전면부 a-Si: H 층을 에칭하여 패턴화된 전면부 a-Si: H층을 형성한다.

다음은 후면부 a-Si: H 층의 전자빔 레지스트(Zeon Chemicals의 ZEP520A)를 스핀 코팅하여 제2 레지스트층을 형성하는 제2차 스핀코팅 단계(117단계)가 수행된다.

본 발명의 일 실시 예에서 117단계는 116단계 후에 상부에 패턴화된 전면부 a-Si: H 층 형성된 기판을 뒤집어서 석영 기판의 가장자리를 따라 양면테이프를 사용하여 다른 지지대에 부착하여 수행하였다.

117단계 후에 전자 빔 리소그라피(EBL, Electron Beam Lithography) 공정을 통하여 후면부 메타표면 패턴에 대응하는 제2 레지스트 패턴을 형성하는 단계(118단계)가 수행된다. 118단계에서 메타표면 패턴과 정렬 마크는 후속 현상(ZED-N50)과 함께 e- 빔 리소그래피 (Raith150 EBL)를 통해 레지스트에 기록된다. 다음은 118단계에서 형성된 제2 레지스트 패턴층 상부면에 AL을 증착시키는 AL 증착단계(119단계)가 수행된다. 114단계에서 60nm 두께의 알루미늄층을 오목패턴이 포함되도록 각각 전자빔 증발(Temescal BJD-2000)에 의해 증착한다.

다음은 상기 용매(Zeon Co.의 ZDMAC)에 의해 기판 상부의 제2 레지스트층을 모두 들어올려 후면부 메타표면 패턴에 맞춘 패턴화된 AL 층으로 후면부를 패턴화하는 제2 lift-off 단계(120 단계)가 수행된다.

제2 lift-off 단계(120단계) 이후에 패턴화된 AL층을 하드 마스크로 사용하여 설계된 후면부 메타표면 패턴으로 후면부 a-Si: H 층을 에칭하는 제2 에칭단계(121)가 수행된다. 121단계에서는 설계된 패턴을 불소 기반 유도 결합 플라즈마 반응성 이온 에칭(Oxford PlasmaLab System 100)을 통해 후면부 a-Si: H 층을 에칭하여 패턴화된 후면부 a-Si: H층을 형성한다.

다음은 습식 에칭을 수행하여 전면부 a-Si:H층 및 후면부 a-Si:H층의 종단에 남아있는 하드 마스크로 사용된 패턴화된 AL층을 제거하는 AL층 제거단계(122)가 수행된다.

본 발명의 일 실시 예에서는 MS1과 MS2를 902㎛ 두께의 기판에 정확하게 배치하기 위해 113단계 및 118단계에서 양쪽에 새겨진 두 정렬 마커 사이의 상대 변위를 투과 광학 현미경을 사용하여 결정하여 MS1과 MS2의 위치를 표시했다

10; 유전체 메타표면 더블렛
11: 기판
12: 직사각형 유전체 공진기

Claims (14)

1. 빔 조작이 가능한 유전체 메타표면 더블렛 장치에 있어서,
   상기 유전체 메타표면 더블렛 장치는
   기판;
   상기 기판의 전면부에 복수의 막대형 직사각형 유전체 공진기가 일정 간격을 가지며 상기 기판의 세로방향(y)을 따라서 일정 간격으로 배열되도록 형성된 전면부 메타표면; 및
   상기 기판의 후면부에 복수의 막대형 직사각형 유전체 공진기가 일정 간격을 가지며 상기 기판의 세로방향(y)을 따라서 일정 간격으로 배열되도록 형성된 후면부 메타표면; 을 포함하는 것을 특징으로 하되,
   상기 유전체 메타표면 더블렛 장치를 통과한 출력광은 입사각에 비해 TM 편광 빔은 증가된 위상 편차를 가지며, 빔 폭은 감소하는 것을 특징으로 하는 유전체 메타표면 더블렛 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 기판은 석영(SiO₂)으로 제조되고,
   상기 막대형 직사각형 유전체 공진기는 수소화 비정질 실리콘(a-Si: H)으로 제조된 것을 특징으로 하는 유전체 메타표면 더블렛 장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 기판은 가로 250㎛, 세로 400㎛, 두께 902㎛의 크기로 형성되고, 상기 막대형 직사각형 유전체 공진기는 높이 930㎚,의 크기로 형성되며, 상기 일정 간격은 800㎚인 것을 특징으로 하는 유전체 메타표면 더블렛 장치.
4. 제 1항에 있어서,
   상기 전면부 메타표면은 0~2π 각도의 위상편이를 가지도록 각각 16개의 다른 크기의 폭을 가지는 막대형 직사각형 유전체 공진기를 포함하는 것을 특징으로 하는 유전체 메타표면 더블렛 장치.
5. 제4항에 있어서,
   상기 16개의 다른 크기는 150~ 366nm의 범위에서 각각 다른 크기로 선택되는 것을 특징으로 하는 유전체 메타표면 더블렛 장치.
6. 제3항에 있어서,
   상기 유전체 메타표면 더블렛 장치의 전면부 메타표면은 0~2 π각도의 선형적 위상 편이를 가지기 위해 16개의 막대형 직사각형 유전체 공진기의 폭을 150, 179, 192, 204, 208, 214, 219, 226, 233, 240, 246, 258, 269, 294, 323, 366nm로 형성한 것을 특징으로 하는 유전체 메타표면 더블렛 장치.
7. 제1항에 있어서,
   상기 유전체 메타표면 더블렛 장치는
   상기 전면부 메타표면의 복수의 막대형 직사각형 유전체 공진기중 직사각형 유전체 공진기의 폭이 클수록 위상 지연량이 크게 제어되는 것을 특징으로 하는 유전체 메타표면 더블렛 장치.
8. 삭제
9. 제1항에 있어서,
   상기 유전체 메타표면 더블렛 장치를 통과한 출력광의 TE 편광 빔은 위상 구배의 변화가 없는 것을 특징으로 하는 유전체 메타표면 더블렛 장치.
10. 제1항에 있어서,
    상기 TM 편광 빔은 0° ~ 12°의 입사각에 대해 출력은 0°~ 39.2°의 편향각을 가지는 것을 특징으로 하는 유전체 메타표면 더블렛 장치.
11. 빔 조작이 가능한 유전체 메타표면 더블렛 장치의 제조방법에 있어서,
    상기 유전체 메타표면 더블렛 장치는
    기판의 전면부에 복수의 막대형 직사각형 유전체 공진기가 일정 간격을 가지며 상기 기판의 세로방향(y)을 따라서 일정 간격으로 배열되도록 형성된 전면부 메타표면; 및
    상기 기판의 후면부에 복수의 막대형 직사각형 유전체 공진기가 일정 간격을 가지며 상기 기판의 세로방향(y)을 따라서 일정 간격으로 배열되도록 형성된 후면부 메타표면; 을 포함하되,
    상기 유전체 메타표면 더블렛 장치를 통과한 출력광은 입사각에 비해 TM 편광 빔은 증가된 위상 편차를 가지며, 빔 폭은 감소하는 것을 특징으로 하며,
    상기 제조방법은,
    a) 상기 기판 준비단계;
    b) 플라즈마 강화 화학기상 증착(PECVD) 방법에 의해 상기 기판 전면부 및 후면부에 수소화 비정질 실리콘층을 증착하는 단계;
    전면부 수소화 비정질 실리콘층 상부에 제1 레지스트층을 형성하는 제1차 스핀코팅 단계;
    c) 상기 제1 레지스트층에 대해 전자 빔 리소그라피 공정을 통하여 전면부 메타표면 패턴에 대응하는 제1 레지스트 패턴층을 형성하는 단계;
    d) 상기 제1레지스트 패턴층 상부면에 AL을 증착시켜서 AL층을 형성하는 단계;
    e) 상기 기판 상부의 제1 레지스트 패턴층을 모두 들어올려 전면부 메타표면 패턴에 맞춘 패턴화된 AL 층으로 전면부를 패턴화하는 단계;
    f) 상기 패턴화된 AL층을 하드 마스크로 사용하여 전면부 메타표면 패턴으로 전면부 수소화 비정질 실리콘층을 에칭하는 제1 에칭단계;
    g) 후면부 수소화 비정질 실리콘층 상부에 제2 레지스트층을 형성하는 2차 스핀코팅 단계;
    h) 상기 제2 레지스트층에 대해 전자 빔 리소그라피 공정을 통하여 후면부 메타표면 패턴에 대응하는 제2 레지스트 패턴층을 형성하는 단계;
    i) 상기 제2레지스트 패턴층 상부면에 AL을 증착시켜서 AL층을 형성하는 단계;
    j) 상기 기판 상부의 제2 레지스트 패턴층을 모두 들어올려 후면부 메타표면 패턴에 맞춘 패턴화된 AL 층으로 후면부를 패턴화하는 단계; 및
    k) 상기 패턴화된 AL층을 하드 마스크로 사용하여 후면부 메타표면 패턴으로 후면부 수소화 비정질 실리콘층을 에칭하는 제2 에칭단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 유전체 메타표면 더블렛 장치의 제조방법.
12. 제11항에 있어서,
    상기 f) 단계에서 에칭된 전면부 수소화 비정질 실리콘층 및 상기 k) 단계에서 에칭된 전면부 수소화 비정질 실리콘층의 종단에 남아 있는 패턴화된 AL층을 제거하는 AL층 제거단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유전체 메타표면 더블렛 장치의 제조방법.
13. 제11항에 있어서,
    상기 d)단계에서는 60nm 두께의 AL층을 형성하는 것을 특징으로 하는 유전체 메타표면 더블렛 장치의 제조방법.
14. 제11항에 있어서,
    상기 a) 단계는 상기 기판과 수소화 비정질 실리콘층 사이의 접착을 촉진하기 위해 아세톤, 이소 프로필 알코올, 및 탈 이온수로 세척하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유전체 메타표면 더블렛 장치의 제조방법.
    

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