KR102603484B1 - 편광제어로 향상된 빔 조향을 가능케 하는 유전체 메타표면 더블렛 장치 - Google Patents

편광제어로 향상된 빔 조향을 가능케 하는 유전체 메타표면 더블렛 장치 Download PDF

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Abstract

입사광에 대해 TM 모드의 편광 및 TE 모드의 편광이 출력되는 메타표면 더블렛장치는,
유전체 스페이서;
상기 유전체 스페이서의 일측 면에 형성되며, 일정 주기의 정사각형 격자로 구획된 중앙부에 상기 정사각형 격자의 x축과 y축에 평행한 가로변(dx)과 세로변(dy)의 단면을 가진 직육면체 형상의 제1나노 포스트가 형성된 메타원자셀의 집합으로 형성된 전면부 메타표면; 및
상기 유전체 스페이서의 타측 면에 형성되며, 상기 일정 주기의 정사각형 격자로 구획된 중앙부에 상기 정사각형 격자의 x축과 y축에 평행한 가로변(dx)과 세로변(dy)의 단면을 가진 직육면체 형상의 제2 나노 포스트가 상기 제1나노포스트와 반대 방향으로 형성된 메타원자셀의 집합으로 형성된 후면부 메타표면을 포함하는 것을 특징으로 하며,
상기 메타표면 더블렛장치는 상기 전면부 메타표면으로 입사되는 입사광에 대해 상기 후면부 메타표면으로 출력되는 TM 모드의 편광 및 TE 모드의 편광이 각각 다른 각도로 편향되어 형성되는 것을 특징으로 한다.

Description

편광제어로 향상된 빔 조향을 가능케 하는 유전체 메타표면 더블렛 장치{All-dielectric metasurface doublelet device enabling polarization-controllable enhanced beam steering}
본 발명은 편광제어로 향상된 빔 조향을 가능케 하는 유전체 메타표면 더블렛 장치에 관한 것이다.
4차 산업혁명의 핵심기술로 떠오른 광 조향 기술은 LiDAR(Light Detection and Ranging), 자유공간 광통신, 가상/증강현실, 디스플레이 등 다양한 분야에 적용되고 있다. Liar 시스템에서 2차원(2D) 빔 조향을 가능하게 하는 기술로서 액정 및 평면 광파 회로를 기반으로 하는 고체 광학 위상 배열(OPA)은 빠르고 안정적인 응답의 이점을 제공하며, 컴팩트한 풋프린트, 얇은 평면 구조 및 저렴한 제조, 기계적 대응물에 대한 실행 가능한 대안으로 상당한 주목을 받았다. 그러나 기존의 OPA는 빔 조향의 핵심 요소인 시야각에 큰 한계가 있었다.
주로 발달된 기계 가공에 의해 준비된 기하학적 광학 기반 구성 요소는 Risley 프리즘, 구면 거울 및 렌즈를 구성하는 데 중요한 역할을 했다. 일반적으로 한 쌍의 렌즈로 구성된 망원경은 확대된 각 빔 조종을 달성하기 위해 효율적으로 사용되었다. 특히, 망원경 모듈과 결합된 고체 OPA는 상당히 확대된 시야를 특징으로 하는 빔 스캐닝을 달성하는 것으로 입증되었다(논문: C.S. Im, S.M. Kim, K.P. Lee, S.H. Ju, J.H. Hong, S.W. Yoon, T. Kim, E.S. Lee, B. Bhandari, C. Zhou, S.-Y. Ko, Y.-H. Kim, M.-C. Oh, and S.-S. Lee, “Hybrid integrated silicon nitride-polymer optical phased array for efficient light detection and ranging,”J.Lightwave Technol., vol. 39, pp. 4402-4409, 2021. 참조) 그러나 부피가 큰 지그에 내장된 망원경 모듈은 고정된 요소만큼 수직 조향 범위를 늘릴 수 밖에 없었다. 최근에 아나모픽 비구면 렌즈를 사용하는 망원경 모듈이 개발되어 빔 조향 방향에 따라 다른 배율을 허용하여 소형화, 무게 및 집적도가 향상되었다(논문: Y. Zhang, J. Chang, F. Dang, X. Bai, and G. Pan, “Dynamic aberrations correction of Roll-Nod conformal seeker based on the diffraction surface and anamorphic asphere surface,”Chin. Opt. Lett., vol. 18, p. 072201, 2020., C. Pruss, E. Garbusi, and W. Osten, “aspheres,”pp4-29, 2008. 참조).
진폭, 위상 및 편광 측면에서 광파의 파면을 조작하는 다양한 광학 메타 표면은 생물 의학 장치, 홀로그램 장치 및 금속 렌즈를 포함한 광범위한 응용 분야에 대해 광범위하게 연구되었다.
기하학적 광학 기반 구성 요소와 달리 하위 파장 편광에 민감한 메타 원자를 활용하는 메타 장치는 잠재적으로 보안 암호화, 편광 다중화(논문 L. Deng, J. Deng, Z. Guan, J. Tao, T. Chen, Y. Chen, Y. Yang, D. Zhang, J. Tang, Z. Li, Z. Li, S. Yu, G. Zheng, H. Xu, C.-W. Qiu, and S. Zhang, "Malus-metasurface-assistedp olarization multiplexing,”Light Sci. Appl. vol. 9, pp. 1-9, 2020. 참조) 또는 다양한 기능을 제공할 수 있다.
메타표면(metasurfaces) 소자는 평면으로 형성될 수 있는 구조적 특징에 비추어 볼 때, 초소형 집적 광학시스템을 구축하는데 불리한 종래의 굴절/회절 광학 요소를 보완하거나 대체하기 위한 효용성으로 인해 최근 이에 대한 꾸준한 연구가 이루어 지고 있다.
광학 메타표면은 특히 금속 또는 유전체 재료로 구성된 서브파장 나노 구조로 만들어지며 서브 파장 스케일에서 위상, 진폭 및 편광과 같은 광 특성을 국부적으로 제어할 수 있는 것으로 알려진 소위 메타원자로 구성된다.
메타표면은 광 파면을 형성하는 것 외에도 효율적인 편광 변환을 달성하기 위한 파장판과 같은 기존의 광학 구성 요소보다 광대역에 걸쳐 큰 장점을 가지고 있다.
대한민국 등록특허공보 10-2143535호에는 서로 다른 크기의 8개의 가로, 세로(dx, dy)의 나노브릭 집합으로 형성된 단위셀의 집합으로 형성되어 편향 또는 편광 튜닝된 포커싱 조절이 가능한 두 기능 유전체 메타표면 소자에 대해 소개된바 있다.
대한민국 등록특허공보 10-2143535호에서는 격자 주기의 평면 기판 위에 일정한 주기(P) 간격의 정사각형으로 구획되어 형성된 복수의 메타표면 단위셀(UC)이 사각평면을 형성하는 x-y 방향으로 배열되며, 상기 메타표면 단위셀은, 중심에 유전체로 형성된 수직 사각기둥으로 형성되는 가로세로(dx, dy)의 사각면으로 형성된 나노포스트가 전체적으로 각각 다르게 조합된 dx, dy 폭을 갖는 8개의 메타표면 단위셀 구조물로 형성되어 임의로 편광에 의해 조절이 가능한 파면을 유도하는데 사용된다. 슈퍼셀의 각 위치별로 다음 식에 따라 각 위상지연 범위를 커버할 수 있는 dx, dy의 나노포스트의 집합을 선택하여 배열된다.
(여기서, 은 TM 편광에 대한 위상을 의미하며, λ0는 입사된 빛의 파장을 의미하고, x0는 x 축 원점으로부터의 거리, f0는 투과 후의 초점거리를 의미함.)
상기 대한민국 등록특허공보 10-2143535호에서는 2π의 전체 위상 튜닝을 TE, TM 입사 편광에 대해 얻을 수 있는 투과 진폭(ATE) 및 위상(ψTE)의 산출결과로부터 매우 효율적인 방식으로 채택될 수 있음을 시사하고 있다.
또한, 논문: 「S. A. Miller, Y.-C. Chang, C. T. Phare, M. C. Shin, M. Zadka, S. P. Roberts, B. Stern, X. Ji, A. Mohanty, O. A. J. Gordillo, U. D. Dave, and M. Lipson, “Large-scale optical phased array using a low-power multi-pass silicon photonic platform,”pp 3-6, 2020.」에서는, 초소형 고체 라이더 및 자유 공간 통신 시스템을 위한 유망한 빔 조정 기술과 함께 저전력 다중 패스 실리콘 광자 플랫폼을 사용하는 대규모 광학 위상 어레이에 대한 내용을 소개하고 있다. 기존 OPA(optical phased array)의 성능은 대부분 빔 스캐닝 범위에 의해 결정된다는 점을 고려할 때 스캐닝 방향의 가변 각 배율이 바람직하다.
본 발명의 일 실시 예에서는 최첨단 LiDAR 시스템을 개발한다는 관점에서 편광 제어 메타표면 플랫폼은 편광 조정 기능과 방향 선택 각도 빔 확대를 통해 고급 빔 조종 기능을 제공할 가능성을 가질 것이라는 점이 고려되었다.
종래의 메타표면 광 소자의 경우, 복잡한 장치 설계와 섬세한 처리 기술의 결과로도 단 하나의 낮은 배율만 구현될 수 있었다.
대한민국 등록특허공보 10-2143535호(편향 또는 포커싱 조절이 가능한 두 기능 유전체 메타표면 소자)
C.S. Im, S.M. Kim, K.P. Lee, S.H. Ju, J.H. Hong, S.W. Yoon, T. Kim, E.S. Lee, B. Bhandari, C. Zhou, S.-Y. Ko, Y.-H. Kim, M.-C. Oh, and S.-S. Lee, "Hybrid integrated silicon nitride-polymer optical phased array for efficient light detection and ranging,"pp 4402-4409, 2021. Y. Zhang, J. Chang, F. Dang, X. Bai, and G. Pan, "Dynamic aberrations correction of Roll-Nod conformal seeker based on the diffraction surface and anamorphic asphere surface,"Chin. Opt. Lett., vol. 18, p. 072201, 2020. C. Pruss, E. Garbusi, and W. Osten, "Testing aspheres", Opt. Photon. News, vol. 19, pp. 24-29, 2008. L. Deng, J. Deng, Z. Guan, J. Tao, T. Chen, Y. Chen, Y. Yang, D. Zhang, J. Tang, Z. Li, Z. Li, S. Yu, G. Zheng, H. Xu, C.-W. Qiu, and S. Zhang, "Malus-metasurface-assisted polarization multiplexing", Light Sci. Appl., vol. 9, pp. 1-9, 2020. 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., vol. 8, p. 2000645, 2020. S. A. Miller, Y.-C. Chang, C. T. Phare, M. C. Shin, M. Zadka, S. P. Roberts, B. Stern, X. Ji, A. Mohanty, O. A. J. Gordillo, U. D. Dave, and M. Lipson, "Large-scale optical phased array using a low-power multi-pass silicon photonic platform,"Optica, vol. 7, pp. 3-6, 2020.
본 발명의 목적은 입사광의 조향방향에 따라서 다른 배율로, 편광에 대해 각각 다른 방향으로 출력시키는 유전체 메타표면 더블렛 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 실리카 유전체 스페이서의 양쪽에 수소화된 비정질 실리콘(a-Si: H) 나노포스트 어레이를 통합하여 평면 형태의 망원경 기능을 가진 유전체 메타표면 더블렛 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일측면에 따르면, 입사광에 대해 TM 모드의 편광 및 TE 모드의 편광이 출력되는 메타표면 더블렛장치는, 유전체 스페이서;
상기 유전체 스페이서의 일측 면에 형성되며, 일정 주기의 정사각형 격자로 구획된 중앙부에 상기 정사각형 격자의 x축과 y축에 평행한 가로변(dx)과 세로변(dy)의 단면을 가진 직육면체 형상의 제1나노포스트가 형성된 메타원자셀의 집합으로 형성된 전면부 메타표면;
및 상기 유전체 스페이서의 타측 면에 형성되며, 상기 일정 주기의 정사각형 격자로 구획된 중앙부에 상기 정사각형 격자의 x축과 y축에 평행한 가로변(dx)과 세로변(dy)의 단면을 가진 직육면체 형상의 제2 나노포스트가 상기 제1나노포스트와 반대 방향으로 형성된 메타원자셀의 집합으로 형성된 후면부 메타표면을 포함하는 것을 특징으로 하며,
상기 메타표면 더블렛장치는 상기 전면부 메타표면으로 입사되는 입사광에 대해 상기 후면부 메타표면으로 출력되는 TM 모드의 편광 및 TE 모드의 편광이 각각 다른 각도로 편향되어 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 유전체 스페이서의 두께는 902㎛이고, 상기 정사각형 격자는 800nm이며, 상기 나노포스트의 높이는 880nm이고, 상기 정사각형 격자의 격자 주기는 800nm이며, 상기 전면부 메타표면은 상기 입사광에 대해 0 ~ 2π범위의 위상편이를 할 수 있도록 상기 나노포스트의 단면이 200 ~ 650 nm 범위에서, 가로변(dx)과 세로변(dy)의 특정된 크기로 배열된 8Х8 단위셀 그룹으로 배열되어 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 유전체 스페이서는 실리카 재질로 형성되고, 상기 나노포스트는 a-Si:H 재질로 형성된 것을 특징으로 하고,
상기 단위셀 그룹의 가로변(dx)/세로변(dy)은 285.5/290, 272/312.5,267.5/335, 263/380, 258.5/465.5, 303.5/245의 메타원자셀 그룹을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 메타표면 더블렛장치는 입사광의 입사 각도를 조정함으로써, 출력빔의 TM 모드 편광 및 TE 모드의 편광의 조향각을 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 메타표면 더블렛장치는 고정된 입사광에 대해 상기 전면부 메타표면의 법선(z)을 기준으로 xz 방향, 또는 yz방향으로으로 회전하는 제어동작에 따라 출력 빔의 TM 모드 편광 및 TE 모드의 편광의 조향각이 제어되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 메타표면 더블렛장치는 상기 전면부 메타표면의 법선(z)을 기준으로 xz 방향으로 일정 각도의 입사각으로 입사된 광의 TE 편광모드 및 TM 편광모드의 편향된 출력빔의 편향 배율은, yz 방향으로 일정 각도의 입사각으로 입사된 빔의 TE 편광모드 및 TM 편광모드의 편향된 출력빔의 편향 배율과 다르게 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 메타표면 더블렛장치는, 상기 전면부 메타표면의 법선(z)을 기준으로 xz 평면에서 θin = +2°로 입사된 광은 TE 편광모드에서 각각 9.8°로 편향되어 출력되며, TM 편광 모드에서 -9.9° 각도로 편향되어 출력되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 메타표면 더블렛장치는, 상기 전면부 메타표면의 법선(z)을 기준으로 yz 평면에서 Ψin = +2° 로 입사된 광은 TE 편광모드에서 각각 4.1°로 편향되어 출력되며, TM 편광 모드에서 -4.2° 각도로 편향되어 출력되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 메타표면 더블렛장치는, 상기 전면부 메타표면의 법선(z)을 기준으로 입사된 입사광의 각도가 xz 평면에서 -6° ~ +6°로 변화될 경우, 출력 빔의 TE 편광은 -30° ~ +30° 의 선형으로 제어되고, TM 편광은 +30° ~ -30° 로 선형으로 제어되며, 입사된 입사광의 각도가 yz 평면에서 -6° ~ +6°로 변화될 경우, 출력 빔의 TE 편광은 -12° ~ +12° 로 선형으로 제어되고, TM 편광은 +12° ~ -12° 로 선형으로 제어되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 메타표면 더블렛장치에서 상기 입사광의 조정 가능한 입사 각도는 전면부 메타표면의 법선(z)을 기준으로 xz 평면에서 경우 -8° ~ +8° 범위이고, yz 평면에서 경우 -20° ~ +20° 범위인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 메타표면 더블렛장치는, 상기 입사광이 상기 전면부 메타표면에서 입사되어 후면부 메타표면으로 출력될 경우에는 편향 배율이 증가하고, 상기 입사광이 후면부 메타표면에서 입사되어 전면부 메타표면으로 출력될 경우에는 편향 배율이 감소하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 입사광에 대해 TM 모드의 편광 및 TE 모드의 편광이 출력되는 메타표면 더블렛장치의 제조방법은, a) SiO2 재질의 유전체 스페이서 기판 준비단계; b) 플라즈마 강화 화학기상 증착(PECVD) 방법에 의해 상기 기판의 전면부에 수소화 비정질 실리콘층을 증착하는 단계; c) 상기 수소화 비정질 실리콘층 상부에 제1 레지스트층을 형성하는 제1차 스핀코팅 단계; d) 상기 제1 레지스트층에 대해 전자 빔 리소그라피 공정을 통하여 설정된 메타표면 패턴에 대응하는 제1 레지스트 패턴층을 형성하는 단계; e) 상기 제1레지스트 패턴층 상부면 및 홈부에 AL을 증착시켜서 AL층을 형성하는 단계; f) lift-off 용매를 사용하여 상기 유전체 스페이서 기판 상부에 돌출된 제1 레지스트 패턴층을 모두 들어올려 제거하고, 상기 홈부에 남아 있는 AL 층으로 상기 유전체 스페이서 기판의 전면부를 패턴화된 AL층으로 형성하는 단계; g) 상기 패턴화된 AL층을 하드 마스크로 사용하여 상기 기판의 전면부에 상기 설정된 메타표면 패턴으로 수소화 비정질 실리콘층을 에칭하는 단계; h) 상기 에칭하는 단계 이후에 전면부 수소화 비정질 실리콘층의 종단에 남아 있는 패턴화된 AL층을 제거하여 전면부 메타표면을 형성하는 단계; i) 상기 h단계를 거친 유전체 스페이서 기판을 뒤집어서 상기 후면부 수소화 비정질 실리콘층에 전자빔 레지스트를 스핀 코팅하여 제2 레지스트층을 형성하는 제2차 스핀코팅 단계; j) 상기 제2 레지스트층에 대해 전자 빔 리소그라피 공정을 통하여 후면부 메타표면 패턴에 대응하는 제2 레지스트 패턴층을 형성하는 단계; k) 상기 제2 레지스트 패턴층 상부에 제2 AL층을 증착시키는 단계; l) 용매에 의해 상기 실리카 기판 상부의 제2 레지스트 패턴층을 모두 들어올려 후면부 메타표면 패턴에 맞춘 제2 패턴화된 AL 층으로 후면부를 패턴화하는 제2 lift-off 단계; m) 상기 제2 패턴화된 AL층을 하드 마스크로 사용하여 상기 후면부 메타표면 패턴으로 에칭하여 수소화 비정질 실리콘 패턴층을 형성하는 제2 에칭단계; 및 n) 상기 전면부 수소화 비정질 실리콘 패턴층 상부에 남아있는 제2 패턴화된 AL 알루미늄을 제거하는 잔여 알루미늄 제거단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛장치는 편광 조정을 통해 스캐닝 영역을 유연하게 확장함으로써, 빔 스캐닝 성능을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛 장치에서 xz 평면에서 θ in = +2°로 입사된 빔은 TE 및 TM 편광에 대해 각각 9.8° 및 -9.9° 각도에 해당하는 양방향 빔 스티어링을 렌더링하기 위해 편향된다. 또한, yz 평면에서 ψ in = +2° 로 입사된 빔은 TE 및 TM 편광에 대해 4.1° 및 -4.2°의 각도를 가지도록 편향된다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛장치에서 입사 빔이 θin과 ψin 모두에 대해 -6°에서 +6°로 변경되었을 때, TE편향각 θout은 수평 방향으로 -30°에서 +30°로 증가했고 ψout은 수직방향으로 -12°에서 +12°로 다양하게 변화될 수 있다. 또한 배율(M)은 TE 편광에 대해 양수이지만 TM 편광에 대해서는 음의 값으로 나타낸다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛장치는 입사각이 양방향에서 ±6°로 제한되었을 때, 수평 및 수직 방향에서 각각 ±30° 및 ±12°의 빔 조향 범위를 생성할 수 있다
본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛장치에서 최대 입사각은 수평 방향의 경우 ±8°, 수직 방향의 경우 ±20°로써, 80° × 80°의 조향 범위를 구현할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛 장치는 편향각이 포지티브 편향의 경우, 메타표면 더블렛장치의 법선에 대해 하향으로 편향되고, 네거티브 편향의 경우 더블렛장치의 법선으로부터 상향으로 편향된다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛장치는 종래 볼록 또는 오목 렌즈 조합에 의한 수차가 악화되는 경향이 완화되는 특징을 가진다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛 장치는 각각 TE 및 TM 편광에서 양 및 음으로 증폭된 빔 편향을 유도할 수 있으며, 양의 편향의 경우 편향된 출력빔과 입사 빔이 법선에 대해 반대 면에 형성되는 반면, 음의 편향의 경우 입사빔과 출력 빔이 같은 면에 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛장치는 종래의 렌즈 메커니즘을 사용하여 단방향 조향을 사용하는 기존의 망원경과 달리, 입사빔 방향을 변경하지 않고 양방향 빔 조향을 가능하게 할 수 있으며, 달성 가능한 조향 범위를 효과적으로 두 배로 늘릴 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛장치는 컴팩트한 초소형 사이즈로 제작될 수 있으며, 각 배율의 범위를 확장하기 위해 TE 및 TM 편광 모두에 대해 한 쌍의 오목 및 볼록 렌즈의 역할을 동시에 수행하며, 더 큰 스캔 영역을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛장치는 각 배율의 범위를 확장하기 위해 TE 및 TM 편광 모두에 대해 한 쌍의 오목 및 볼록 렌즈 기능의 역할을 동시에 수행하며, 종래 오목 또는 볼록 윤곽의 렌즈 메카니즘에 비해 더 큰 스캔 영역을 제공하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛장치는 각 배율의 범위를 확장하기 위해 TE 및 TM 편광 모두에 대해 한 쌍의 오목 및 볼록 렌즈 기능의 역할을 동시에 수행하며, 더 큰 스캔 영역을 제공하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따라 구현된 편광에 민감한 메타표면 더블렛장치는 특히 수평 방향에서 배율(M) = +2 및 +5 값을 가지며, 수직 방향에서 배율(M) = -2 및 -5 값을 가짐으로써, 양수 및 음수 배율을 가능하게 할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛장치는 소형화된 풋프린트, 다중 각도 배율 및 편광 제어 가능성과 같은 두드러진 이점으로 인해 고급 LiDAR 및 자유 공간 통신 송신기/수신기의 개발에 응용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 편광제어로 향상된 빔 조향이 가능케 하는 유전체 메타표면 더블렛 장치의 구조를 설명하기 위한 개략도를 도시한 것이다.
도 2는 도 1의 메타원자 셀의 나노포스트의 구조를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전면부 및 후면부 메타표면의 주사전자현미경(SEM) 이미지를 도시한 것이다
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 수직 입사된 광빔에 대해 특정된 단면 치수를 가진 나노포스트 메타원자셀들에 대한 광학특성을 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛장치의 구조의 이론적 배경을 설명하기 위한 종래의 아나모픽 렌즈 더블렛의 구조에 대한 예를 도시한 것이다.
도 6은 xz- 및 yz-평면에서 다른 비구면 모양을 나타내는 아나모픽 표면 볼록 윤곽(OS1TE)의 투시도를 도시한 것이다
도 7은 종래의 망원경 모듈의 초점 시스템을 도시한 예를 나타낸다.
도 8은 아나모픽구조의 볼록 윤곽(OS1TE)과 두 개의 미리 결정된 기준 평면(Ref1 및 Ref2)에서 입사빔에 부여되는 점 A(x0, y0, z0)에 의한 국부 위상( lo)이 결정되는 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 도 5의 4개의 광학 표면(OS1TE, OS2TE, OS1TM, OS2TM)과 관련하여 산출된 상대 위상 프로파일을 도시한 것이다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛장치의 전면부 메타표면(MS1) 및 후면부 메타표면(MS2)의 (a) TE 및 (b) TM 편광에 대해 이론상 및 구현된 위상 프로파일을 도시한 것이다.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따라 제작된 메타표면 더블렛 장치에서 TE 및 TM 편광에 대해 각각 시뮬레이션 결과를 도시한 것이다.
도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛 장치의 특성을 모니터링 하기 위한 모니터링 장치를 도시한 것이다.
도 13은 도 12의 모니터링 장치를 이용하여 측정된 (a) TE 및 (b) TM 편광에 대한 실험 각 배율과 장착된 궤적 간의 비교를 그래프로 도시한 것이다.
도 14는 본 발명의 일 실시 예에 따라 제조된 메타표면 더블렛 장치(100)에서 3개의 파장에 대해 (a) TE 및 (b) TM 편광에 대한 θin(또는 ψin)에 대한 원거리장 강도 프로파일을 도시한 것이다.
도 15는 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛장치에서 포지티브 및 네거티브 편향의 경우를 설명하기 위한 도면이다.
도 16은 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛장치에서 편광 맞춤형 2D 빔 스티어링의 특성화 특성의 분석을 위한 입사빔의 입사각 변화에 따른 출력빔 프로파일을 도시한 것이다.
도 17은 도 16과 다른 위치에서 캡처된 편향된 빔의 빔 프로파일을 도시한 것이다.
도 18은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 메타표면 더블렛장치에서 활성화된 TE 및 TM 편광에 대한 수평 및 수직 방향을 따라 산출된 원거리 빔 프로파일 그래프를 도시한 것이다.
도 19는 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛장치에서 빛이 역으로 입사한 경우의 E-field 전자장분포 및 원거리장 강도 분포를 도시한 것이다.
도 20은 본 발명의 일 실시 에에 따른 메타표면 더블렛장치의 제조방법에 대한 과정을 도시한 것이다.
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, 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.
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 편광제어로 향상된 빔 조향이 가능케 하는 유전체 메타표면 더블렛 장치에 대해 상세하게 설명한다.
본 명세서에서 편광(polarization)은 전자기파가 진행할 때 빛을 구성하는 전기장과 자기장이 특정한 방향으로 진동하는 현상을 의미한다. TE(Transverse Electric Field) 편광은 전기장 진동방향이 입사평면과 수직하는 수직편광을 의미하고, TM (Transverse Magnetic Field)편광은 전기장 진동방향이 입사평면과 평행한 수평편광을 의미한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛 장치는 입사광에 대해 TM 모드의 편광 및 TE 모드의 편광이 출력되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛 장치의 광 제어 동작은 횡방향 전기 편광 및 횡방향 자기 편광에 대해 메타표면에 인코딩된 위상 프로파일을 조정하는 것을 포함하여, 실행될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛 장치는 실리카 스페이서(silics spacer)의 양쪽에 수소화된 비정질 실리콘(a-Si:H) 나노포스트 어레이를 조합함으로써, 빔 조향 방향 및 편광 조정을 통한 다중 각도 배율 측면에서 빔 조향을 향상시킬 수 있다,
특히 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛 장치는 횡방향 전기(TE) 및 횡방향 자기(TM) 분극에서 각각 양방향(양 및 음) 편향을 가능하게 할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛 장치는 수평 및 수직 방향에서 다른 배율을 달성할 수 있다.
또한, 반도체 제조공정인 EBL(전자빔리소그래피)을 통해 제조할 수 있는 텔레스코프 기능을 가진 메타표면 더블렛 장치는 볼록렌즈 및 오목렌즈를 포함한 한 쌍의 렌즈를 사용하는 종래 렌즈 메카니즘의 망원경 모듈의 특징을 나타낼 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 한 쌍의 볼록 렌즈와 오목 렌즈의 기능에 대응되는 메타표면 더블렛 장치는 양으로 증폭된 빔 편향을 가능하게 하는 반면, 한 쌍의 볼록 렌즈의 기능에 대응되는 경우는 음으로 증폭된 빔 편향을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 더블렛 장치의 경우, 메타표면 구조(금속 렌즈)에 대한 위상 프로파일은 기하학적 렌즈 대응물의 구조로부터 효율적으로 파생될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 편광제어로 향상된 빔 조향이 가능케 하는 유전체 메타표면 더블렛 장치는 1550nm의 바람직한 통신 파장에서 2D 각도 빔 배율을 효과적으로 달성할 수 있음이 입증될 수 있었다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 편광제어로 향상된 빔 조향이 가능케 하는 유전체 메타표면 더블렛 장치의 구조를 설명하기 위한 개략도를 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 편광제어로 향상된 빔 조향이 가능케 하는 유전체 메타표면 더블렛 장치에 대해, 좌측은 입력된 빔에 의한 TE편광을 나타내고, 우측은 입력된 빔에 의한 TM 편광을 나타낸다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 편광제어로 향상된 빔 조향이 가능케 하는 유전체 메타표면 더블렛 장치(이하 '메타표면 더블렛 장치' 라 한다.)는 유전체 스페이서(110), 상기 유전체 스페이서(110)의 일측 면에 형성되며, 일정 주기(P)의 정사각형 격자로 구획된 중앙부에 상기 정사각형 격자의 x축과 y축에 평행한 가로변(dx)과 세로변(dy)의 단면을 가진 직육면체 형상의 나노포스트(150)가 형성된 메타원자셀의 집합으로 형성된 전면부 메타표면(MS1) 및 상기 유전체 스페이서(110, spacer)의 타측 면에 형성되며, 일정 주기(P)의 정사각형 격자로 구획된 중앙부에 상기 정사각형 격자의 x축과 y축에 평행한 가로변(dx)과 세로변(dy)의 단면을 가진 직육면체 형상의 제2 나노포스트가 상기 전면부 메타표면(MS1)에 형성된 나노포스트와 반대 방향으로 형성된 메타원자셀의 집합으로 형성된 후면부 메타표면(MS2)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛 장치는 입사광 빔이 TE 및 TM 편광에서 편향되고, E-필드가 각각 x축 및 y축을 따라 배향되는 한 쌍의 전면부 및 후면부 메타표면(MS1 및 MS2)을 포함한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛 장치의 전면부 및 후면부 메타표면(MS1 및 MS2)은 각각 입, 출력 렌즈 역할을 수행하도록 구성된다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛 장치의 입사 빔(20TE, 20TM)은 공간 방향에 따라 다른 각도 배율 M에 따라 편향된다. 특히, 출력 빔(30TE, 30TM)은 수평(x-축) 및 수직(y-축) 방향을 따라 각각 전파 각도 θout(=Mθ×θin) 및 ψout(=Mψ×ψin)를 나타내도록 편향되어 Mθ 및 Mψ 배율로 변환된다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛 장치는 각각 TE 및 TM 편광모드에서 양 및 음으로 증폭된 빔 편향을 유도한다. 양의 편향의 경우(도1의 좌측) 편향된 출력빔(30TE)과 입사 빔(20TE)이 중심 법선에 대해 반대 면에 형성되는 반면, 음의 편향의 경우(도 1의 우측) 편향된 출력 빔(30TM)과 입사 빔(20TM)의 두 개의 빔이 중심 법선과 같은 면에 형성되는 것을 특징으로 한다. 따라서, 단방향 조향을 사용하는 기존의 망원경과 달리 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛 장치는 입사빔 방향을 변경하지 않고 두 방향으로의 방향 빔 조향을 가능하게 할 수 있어서, 달성 가능한 조향 범위를 효과적으로 두 배로 늘릴 수 있다.
도 2는 도 1의 메타원자 셀의 나노포스트의 구조를 도시한 것이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛 장치의 나노포스트(150)는 1.44의 굴절률을 가진 실리카(SiO2)로 형성된 유전체 스페이서(110)의 각 정사각형 격자의 중심에서 일정 높이(h)의 수직의 사각기둥으로 형성되며, 그 횡단면은 정사각형 사각 격자의 x-y 방향과 대응하는 방향을 가지는 가로, 세로(dx, dy)의 사각면으로 형성된다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 메타원자셀의 나노포스트(150)는 수소화 비정질 실리콘(a-Si:H) 재질로 제조되며, 입력광에 대해 편광제어에 의한 빔 조향 기능이 수행되도록 특정 크기의 가로, 세로(dx, dy) 길이를 가지고 배열된다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 메타원자셀의 나노포스트(150)는 3.45의 굴절률을 가진 수소화 비정질 실리콘(a-Si:H) 재질로 형성되며, 낮은 광 흡수, λ= 1550nm (n = ~ 3.45) 부근의 높은 굴절률, 상보적인 금속 산화물 반도체 공정과의 호환성을 포함하는 특징을 가진다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전면부 및 후면부 메타표면의 주사전자현미경(SEM) 이미지를 도시한 것이다.
도 3a는 전면부 메티표면(MS1)의 배율별 SEM이미지를 도시한 것이다.
도 3b는 후면부 메타표면(MS2)의 배율별 SEM이미지를 도시한 것이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전면부 및 후면부 메타표면은 정사각형 격자에서 dx와 dy의 특정된 단면 치수를 가진 a-Si:H 나노포스트 메타원자셀들의 조합으로 배열된 것을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면에서 수직 입사된 광빔에 대해 특정된 단면 치수를 가진 나노포스트 메타원자셀들에 대한 광학특성을 도시한 것이다.
도 4는 전체 2π위상 편이를 부여하고 높은 투과율을 가능하게 하는 64개 단위 셀의 위상 프로파일을 나타낸다.
도 4(a)는 TE 편광의 입사빔에 대해, 도 4의 (b)는 TM 편광빔에 대해 각각 고정 높이 h = 880nm를 가진 나노포스트 메타원자셀들의 가로(dx) 및 세로(dy)의 단면 치수 측면에서 시뮬레이션된 투과 진폭(ATE, ATM) 및 위상이동(TE, TM)에 대한 광학특성 및 위상 프로파일을 나타낸다.
도 4를 참조하면, 전면부 및 후면부의 메타표면을 형성하기 위해 TE및 TM에 대해 각각 0~2π의 위상편이를 부여하고 80% 이상의 높은 투과율을 가능케 하는 메타원자셀은 흰색 별 기호들의 그룹으로 나타낸다.
TE 및 TM 편광에 대한 나노포스트 메타 원자들의 전송 진폭 및 위상은 각각 도 4의 (a) 및 (b)에 표시된 데로 시뮬레이션 도구인 FDTD 솔루션을 사용하여 계산될 수 있다. 도 4를 참조하면, 전면부 및 후면부의 메타표면을 형성하기 위해 TE 및 TM에 대해 각각 0~2π의 위상편이를 부여하고 80% 이상의 높은 투과율을 가능케 하는 메타원자셀들은 200~650nm의 dx, dy범위에서 단위셀 그룹으로 선택된다.
즉, 전면부 및 후면부의 메타표면에 배열되는 각 단위셀 그룹은 요구되는 특성에 따라 설정된 위상 프로파일에 따라 도 4의 (a) 및 (b)로부터 위상 편이 각이 0 ~ 2π의 범위의 위상편이를 부여할 수 있고, 전송 진폭 ATE, ATM, 비를 0~1범위를 부여할 수 있도록 하는 각각 메타원자 셀들의 가로(dx), 세로(dy)의 길이를 결정한다.
본 발명의 일 실시 예에서는 위상 영역에서 목표와 실현된 위상 사이의 최소 유클리드 거리를 기반으로 충분히 높은 투과율과 상, 하 8개로 2π위상 편이를 제공 할 수 있는 메타표면의 중심으로부터 형성된 총 64개의 나노포스트 메타원자셀로 단위셀 그룹을 선택하고, 선택된 단위셀 그룹으로 메타표면을 구성한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛 장치의 나노포스트(150)의 격자(p) 크기와 높이(h)는 입력 광파장 λ= 1550 nm에 대해 안정적인 제어를 나타내는 크기로 설정된다, 본 발명의 일 실시 예에 따른 나노포스트(150)의 높이(h)는 입력 광파장 λ= 1550nm에 대해 880nm로 형성되고, 격자 주기(P)는 800nm로 형성된다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛 장치의 전면부 메타표면(MS1) 및 후면부 메타표면(MS2)은 입력 광파장 λ= 1550 nm에 대해 전체 2π위상 편이를 부여하고 높은 투과율을 효과적으로 나타내도록 200~ 650nm의 범위에서 가로변(dx)과 세로변(dy)의 특정된 크기로 배열된 8×8 투과 단위셀 그룹으로 형성된다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, dx 및 dy의 단면 치수가 200 ~ 650nm인 실리카 유전체 스페이서에 형성된 a-Si:H 나노포스트의 후보로부터 MS1 및 MS2에 대한 8x8 메타원자 셀의 그룹이 도 4의 (a) 및 (b)에 표시된 흰색 별표 기호를 따라 단위셀 그룹으로 선택하여 전체 전면부 및 후면부의 메타표면으로 배치된다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 8×8 단위셀 그룹은 TE 및 TM 편광 모두에 대해 전체 2π위상 변이를 부여하여 수직 입사 빔에 대한 응답으로 80% 이상의 투과율을 생성할 수 있다.
표1은 본 발명의 일 실시 예에 따라 전면부 및 후면부의 메타표면을 형성하기 위해 TE및 TM에 대해 각각 0 ~ 2π의 위상편이를 부여하고 80% 이상의 높은 투과율을 가능케 하기 위해 선택된 64개의 메타원자셀의 가로(dx,) 세로(dy)의 특정된 단면 치수를 나타낸 것이다.
표 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 64개의 메타원자셀이 TE에 대해 제공하는 위상 편이를 나타낸 것이다.
다음 표 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 64개의 메타원자셀이 TM에 대해 제공하는 위상 편이를 나타낸 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 전면부 메타표면(MS1)의 메타원자셀 배열패턴은 후면부 메타표면(MS2) 메타원자셀 배열패턴과 요구되는 초점거리가 다르게 형성된다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 전면부 메타표면(MS1) 및 후면부 메타표면(MS2)의 메타원자셀 배열패턴은 도 9의 위상 파일(OS1TE, OS1TM 및 OS2TE, OS2TM)과 같이 배치될 수 있다.
표 1 내지 3을 참조하면, 64개의 메타원자셀 치수를 나타내는 표1의 메타원자셀이 제공하는 위상편이는 표2, 3에 나타나 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛 장치는 필요한 위상 프로파일이 종래 광학렌즈로 형성된 망원경(telescopes)의 구성을 에뮬레이트하는 기하학적 렌즈 더블렛의 특징에서 구체적으로 추출되는 방식으로 설계되었다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛장치의 구조의 이론적 배경을 설명하기 위한 종래의 아나모픽 렌즈 더블렛의 구조에 대한 예를 도시한 것이다.
도 5(a)와 5(b)는 4개의 광학 표면(OS1TE, OS2TE, OS1TM, OS2TM)과 맞물리는 두 개의 더블렛 렌즈를 도시한 것이다.
도 5(a)는 볼록 윤곽(OS1TE)및 오목 윤곽(OS2TE)를 활용하여 양의 방향으로 빔 편향을 증가시키는 이중 렌즈의 구조를 나타낸다.
도 5(b)는 이중 볼록 윤곽(OS1TM 및 OS2TM)을 활용하여 음의 방향으로 빔 편향을 증가시키는 이중 렌즈의 구조를 나타낸다.
도 5(a), (b)를 참조하면, 종래의 더블렛 렌즈 구조는 양의 방향과 음의 방향 모두에서 빔 편향을 높이도록 고안되었다. 또한 각 더블렛 렌즈는 수평(x축) 및 수직(y축) 방향을 따라 다른 M 계수를 허용하여 뚜렷한 편향 증폭을 생성한다.
구성 렌즈는 LightTools(Synopsys) 소프트웨어를 사용하여 3차원(3D) 광선 광학 시뮬레이션을 수행하여 설계되었다. 이중 렌즈는 볼록 및 오목, 볼록 및 볼록 두 개의 개별 렌즈 조합으로 간주할 수 있다. 두 렌즈는 동일한 초점면을 공유하며, 입력 렌즈의 유효 초점 거리(f1)는 출력 렌즈(f2)에 대해 M의 인수로 주어진다(G. Liu, Q. Lu, and W. Guo “Ultrafast speed, large angle, and high resolution optical beam steering using widely tunable lasers”, OSA Continuum, vol. 2, pp 1746-1753, 2019. 참조). 양의 편향을 생성하는 더블렛 렌즈는 볼록 및 오목 렌즈에 의해 시퀀싱되는 반면, 음의 편향을 생성하는 더블렛 렌즈는 두 개의 볼록 렌즈 구조로 형성된다. 구체적으로, 볼록 윤곽(OS1TE) 및 볼록 윤곽(OS1TM)은 빔 스폿 크기를 줄이는 역할을 하고, 수렴 빔은 각각 양 및 음의 빔 편향을 담당하는 오목 윤관(OS2TE) 및 볼록윤곽(OS2TM)에 도달하면 발산하기 시작한다.
편향된 빔의 전파 각도(θout)는 입사각(θin)과 비교하여 M = +2, -2, +5 및 -5의 계수만큼 증폭되며, 여기서 M의 부호는 편향 방향을 나타낸다. 더블렛 렌즈를 설계하기 위한 구조는 이전 논문(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., vol. 8, p. 2000645, 2020.)에서 공지된 바 있다.
도 6은 xz- 및 yz-평면에서 다른 비구면 모양을 나타내는 아나모픽 표면 볼록 윤곽(OS1TE)의 투시도를 도시한 것이다
도 6과 같이 수평 및 수직 방향으로 초점 거리가 동일하지 않게 하기 위해 볼록 윤곽(OS1TE)은 아나모픽 비구면을 기반으로 설계되었다. 이 표면은 x축과 y축을 따라 좌우 대칭을 나타내지만 항상 회전 대칭을 나타내지는 않는다.
도 6에서 볼록 윤곽의 원뿔 상수(Cx 및 Cy)의 경우, 두 반지름(Rx 및 Ry)이 각각 다르지만 렌즈 표면은 x축과 y축을 따라 좌우 대칭으로 구성된다. xy 평면의 아나모픽 윤곽은 다음 식1에 따라 설명될 수 있다.
여기서 Rx, Ry, Cx 및 Cy는 다음 표4에 나열된 대로 설계된 OS1TE, OS2TE, OS1TE 및 OS2TE에 해당한다.
도 7은 종래의 렌즈 메키니즘에 의한 망원경 모듈의 초점 시스템을 도시한 예를 나타낸다.
도 7을 참조하면, 종래의 렌즈 메키니즘에 의한 망원경 모듈은 일반적으로 두 구성 렌즈의 초점이 일치하는 갈릴레이 또는 케플러 망원경을 모방한 초점 시스템을 채택하는 것으로 알려져 있다.
도 7(a)는 양의 빔 편향을 유도하는 오목 렌즈와 함께 볼록 렌즈를 포함하는 더블렛 렌즈를 나타내고, 도 7(b)는 두 개의 볼록 렌즈를 통합하여 음의 빔 편향을 용이하게 하는 더블렛 렌즈구조를 나타낸다.
각각의 경우 두 개의 요소 렌즈는 동일한 초점면을 공유하는 것으로 간주되며 첫 번째 렌즈의 유효 초점 거리(f1)는 두 번째 렌즈(f2)의 유효 초점 거리보다 M배 더 길다. 여기서, 입력 렌즈의 초점 거리 f1은 양수이다.
한편, 출력 렌즈의 f2는 볼록 렌즈와 오목 렌즈에 대해 각각 양의 부호와 음의 부호를 가정하여 초점 평면이 이중 렌즈 내부 또는 외부에 있음을 나타낸다.
더블렛 렌즈의 배율은 다음 식 2로 나타낸다.
도 7의 종래의 망원경 모듈의 렌즈 윤곽면과 관련된 매개변수는 표 2와 동일하다.
도 8은 아나모픽 구조의 볼록 윤곽에서 입사빔에 부여되는 점 A(x0, y0, z0)에 의한 국부 위상( lo)이 결정되는 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 8을 참조하면, 입사빔에 부여되는 점 A(x0, y0, z0)에 의한 국부 위상( lo)은 서로 다음 매체를 통해 점 C에서 B와 점 B에서 A를 연결하는 경로에서 누적된 위상 기여도의 합에 의해 결정될 수 있다.
따라서, 8에 표시된 바와 같이 아나모픽 표면 볼록 윤곽(OS1TE)과 두 개의 미리 결정된 기준 평면(Ref1 및 Ref2)을 적용하여 국부 위상( lo)을 도출할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 메티표면 더블렛 장치의 경우, 메타표면(금속 렌즈)에 대한 위상 프로파일은 종래의 기하학적 렌즈 구조로부터 효율적으로 파생될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따라 빔 조향이 제어되는 제안된 메타표면 더블렛장치의 메타표면을 생성하는 데 필요한 위상을 결정하기 위한 볼록 윤곽(OS1TE) 구조는 주기(Λ)에 따라 여러 개의 작은 격자의 메타원자셀(grid cells)로 공간적으로 분할된 구조로 형성된다. 각 메타원자셀(grid cells)의 중심dl 원점으로 작용된다.
여기서, 격자 셀의 주기 Λ는 도 2의 a-Si:H 나노포스트로 이루어진 메타원자셀의 주기(p)와 동일하다.
아나모픽(anamorphic) 구조의 표면 볼록윤곽(OS1TE) 구조는 렌즈(lens)-공기(air) 인터페이스에서 굴절되는 과정에서 각 광선이 겪는 광학 경로 길이의 관점에서 파면을 적절하게 조절할 수 있도록 맞추어 조정될 수 있다. 예를 들어, 도 8에서 점 A (x 0, y 0, z 0) 에서 Ref2를 교차하는 광선은 매체에 따라 점 C(Ref1)에서 B(OS1TE와 교차)를 거쳐 점 A까지의 경로에 대한 전파 위상을 누적한다. 따라서 점 A에서 교차하는 광선이 누적되는 국부 위상( lo)는 다음 식3으로 산출될 수 있다.
여기서 k는 파동벡터이고 n1과 n2는 해당 매질의 굴절률을 의미한다.
기준 평면의 선택은 국부 위상( l)에 영향을 미칠 수 있으나, mod( lo, 2π에 의해 결정되는 상대 위상( re)에는 영향을 미치지 않는다. 볼록 윤곽(OS1TE)의 경우 n1 = nair 및 n2 = nlens 이다. 오목 윤곽(OS2TE)의 경우 n1 = nlens 및 n2 = nair로 산출된다.
도 9는 도 5의 4개의 광학 표면(OS1TE, OS2TE, OS1TM, OS2TM)과 관련하여 산출된 상대 위상 프로파일을 도시한 것이다.
발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛장치에서는 이와 같은 이론적 배경에 근거하여, 빔 조향 방향과 편광에 의해 제어되는 편향각 배율에 대하여 인코딩된 위상 프로파일을 조정하여 얻을 수 있다. 이러한 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛장치의 접근 방식은 구면/쌍곡선 표면 공식이 아닌, 사전 설계된 기하학적 이중 렌즈 구조에서 필요한 위상 프로파일이 추출된다는 점을 감안할 때, 더 효과적으로 사용자가 원하는 방식으로 정의되고, 제어될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛장치에 있어서, 전면부 메타표면의 유효 초점 거리(f1)는 후면부 메타표면의 유효 초점 거리(f2)에 대해 M의 인수로 주어질 수 있다.
전면부, 후면부 메타표면에서 요구되는 초점거리에 따라 메타표면의 배열패턴은 위상 프로파일에 맞추어 배열된다.
M 인수는 입력렌즈(메타표면 전면부에 해당)와 출력렌즈(메타표면 후면부에 해당)의 초점거리와 관련이 있으며 수학식 2에 f1/f2로서 표현된다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛장치의 전면부 메타표면(MS1) 및 후면부 메타표면(MS2)의 (a) TE 및 (b) TM 편광에 대해 이론상 및 구현된 위상 프로파일을 도시한 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛장치의 경우 도 9에서 흰색 점선으로 표시된 TE 및 TM 편광에 대한 x 및 y축을 따라 이론적인 위상 프로파일과 구현된 위상 프로파일이 각각 도 10(a) 및 도 10(b)에 도시된다. 도 10(a) 및 도 10(b)를 참조하면, 원하는 프로파일과 실현된 프로파일 사이의 강력한 상관 관계는 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛장치가 편광 제어 가능한 향상된 빔 스티어링을 가능하게 한다고 할 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따라 제작된 메타표면 더블렛 장치에서 TE 및 TM 편광에 대해 각각 시뮬레이션 결과를 도시한 것이다.
본 명세서에서 xz 평면에서 입사된 빔 및 출력된 빔의 각도는 θ in 및 θout로 표시되고, yz 평면에서 입사된 빔 및 출력된 빔의 각도는 ψ in 및 ψout로 표시된다.
도 11과 같은 E-field 분포 결과는 FDTD Solution을 이용하여 산출된다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛장치의 설계를 위해 x축과 z축을 따라 완전정합층의 경계조건을, y축을 따라 주기적인 경계조건을 적용하였다. 3D 전자기 시뮬레이션에서 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛장치는 제한된 계산 리소스로 인해 x축 및 y축을 따라 각각 250㎛ 및 0.8㎛의 치수를 갖도록 제작되었다.
도 11(a) 및 도 11(b)에서는 1550nm의 파장을 가진 광원이 z축을 따라 메타표면 더블렛장치에 비스듬히 충돌하도록 설정되었다.
도 11(a)는 메타표면 더블렛 장치의 xz 평면에서 θ in = +2°로 입사된 빔으로부터 출력된 빔의 E-field 분포를 도시한 것이다.
도 11(b)는 메타표면 더블렛 장치의 yz 평면에서 ψ in = +2° 로 입사된 빔으로부터 출력된 빔의 E-field 분포를 도시한 것이다.
도 11(c)와 도 11(d)는 x축과 y축을 따라 산출된 원거리장 강도 분포를 도시한 것이다,
도 11(a)를 참조하면, 메타표면 더블렛 장치의 xz 평면에서 θ in = +2°로 입사된 빔은 TE 및 TM 편광 모드에서 각각 9.8° 및 -9.9° 각도에 해당하는 양방향 빔 스티어링을 렌더링하기 위해 편향되는 것으로 관찰된다.
도 11(b)를 참조하면, 메타표면 더블렛 장치의 yz 평면에서 ψ in = +2° 로 입사된 빔은 TE 및 TM 편광모드에서 4.1° 및 -4.2°의 각도를 가지도록 편향된다.
도 11(a), (b)에서 도면 하부의 흰색 화살표는 입사빔의 전파 방향을 나타낸다.
도 11을 참조하면, 편향 각도(θ out ψ out)는, Mθ = ±5 및 Mψ = ±2의 원하는 편향 증폭에 따라 수평 및 수직 방향으로 각각 ~±4.9 및 ~±2.1의 계수로 확대되는 것을 알 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛 장치는 전면부 메타표면의 법선(Z)에 대해 xz 방향으로 일정 각도의 입사각으로 입사된 빔의 TE 편광모드 및 TM 편광모드의 편향된 출력빔의 편향 배율은, yz 방향으로 일정 각도의 입사각으로 입사된 빔의 TE 편광모드 및 TM 편광모드의 편향된 출력빔의 편향 배율과 다르게 형성되는 것을 특징으로 한다.
즉, xz 방향으로 일정 각도의 입사각으로 입사된 빔의 편향배율은 yz 방향으로 일정 각도의 입사각으로 입사된 빔의 편향배율보다 크게 형성된다.
도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛 장치(100)의 특성을 모니터링 하기 위한 모니터링 장치를 도시한 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 따라 메타표면 더블렛 장치(100)는 도 11과 같은 모니터링 장치를 모니터링되었다.
도 12를 참조하면, 광원은 분산 피드백 레이저(ALCATEL, A1905LMI)에 의해 공급되었고, 편광 스크램블러(FIBERPRO, PS 3300)는 레이저의 편광 변동의 영향을 방지하기 위해 사용되었다.
광선은 광섬유 콜리메이터에 의해 시준되고, 선형 편광자(Thorlabs, LPNIR050-MP2)에 의해 편광이 선택되고, ~250μm의 직경을 가진 대물 렌즈(Thorlabs, AC254-050-C-ML)를 통해 본 발명의 일 실시 예에 따라 제조된 메타표면 더블렛 장치(100)에 집속 시킨다. 다양한 입사각에서 단파 적외선(SWIR) 카메라(AVAL DATA, ABA-001IR)를 전동 선형 스테이지에 장착하고, 본 발명의 일 실시 예에 따라 제조된 메타표면 더블렛 장치(100)를 통해 전송된 빔을 모니터링하는 데 사용했다. 입사각은 회전 스테이지를 사용하여 본 발명의 일 실시 예에 따라 제조된 메타표면 더블렛 장치(100)를 기울여 가면서 조정하였다.
메타표면 더블렛 장치(100)는 모니터링 시스템과 함께 Visual Fault Locator(FIBERPIA, FP-VFL10N)를 활용하여 정확하게 위치를 설정하였다. 편향된 빔과 UDB(undeflected beam, 편향되지 않은 빔 라인)라인 사이의 각도(θmeas 및 ψmeas)는 입력된 빔의 입사가(θin과 ψin)을 0°에서 ±6°까지 수동으로 조정하여 측정되었다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, TE(TM) 편광을 위해 메타표면 더블렛장치(100)를 시계 방향으로 회전시키면 출력빔이 양(TM편광은 음) 방향으로 편향된다. 편향 각도는 z축을 따라 SWIR 카메라를 이동하여 모니터링된다.
도 13은 도 12의 모니터링 장치를 이용하여 측정된 (a) TE 및 (b) TM 편광에 대한 실험 각 배율과 장착된 궤적 간의 비교를 그래프로 도시한 것이다.
도 13을 참조하면, 도 12의 모니터링 장치를 이용하여 편향빔과 편향되지 않은 빔(UDB) 라인의 위치를 이용하여 출력빔의 (a) TE 및 (b) TM 편광모드에 대한 편향각(θout과 ψout) 특성을 알 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛 장치(100)의 편향각은 입사 편광에 따라 θout = θmeas ± θin(또는 ψout = ψmeas ± ψin)으로 주어진다.
도 13을 참조하면, 도 12에서. SWIR 카메라를 z축을 따라 움직이면 도 13(a) 및 도 13(b)와 같이 각각 TE 및 TM 편광에서 편향각이 관찰될 수 있다.
TE 편광 빔이 θin과 ψin 모두에 대해 -6°에서 +6°로 변경되었을 때 편향각 θout은 수평 방향으로 -30°에서 +30°로 증가했고 ψout은 수직방향으로 -12°에서 +12°로 다양하게 변화되었다, 또한 M은 TE 편광에 대해 양수이지만 TM 편광에 대해서는 음으로 나타낸다.
따라서 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛장치(100)는 법선(z)을 기준으로 입사 빔의 각도를 xz 평면에서 -6° ~ +6°로 제어함으로써, 출력 빔의 TE편광은 -30° ~ +30° 의 선형으로 제어되며, TM편광은 +30° ~ -30° 로 선행 제어될 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛장치(100)는 법선(z)을 기준으로 입사 빔의 각도를 yz 평면에서 -6° ~ +6°로 제어하면, 출력 빔의 TE편광은 -12° ~ +12° 로 선형으로 제어되며, TM편광은 +12° ~ -12° 로 선형 제어될 수 있다.
도 13(a) 및 도 13(b)를 참조하면, TE 편광모드에서 선형 기울기가 θ및 ψ에 대해 각각 +5 및 +2인 반면 TM 편광모드에서 선형(linear fittings) 기울기는 θ및 ψ에 대해 각각 -5 및 -2임을 나타낸다. 이러한 기울기는 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛장치의 예상 설계 결과와 잘 일치한다. 신뢰할 수 있는 편향 배율로 인해 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛장치는 입사각이 양방향에서 ±6°로 제한되었을 때 수평 및 수직 방향에서 각각 ±30° 및 ±12°의 빔 조향 범위를 생성할 수 있는 것으로 나타낸다.
도 12의 모니터링 시스템에서 본 발명의 일 실시 예에 따라 제작된 메타표면 더블렛장치가 더 큰 입사각을 처리할 수 있지만 달성된 조향 범위는 카메라에 의해 부과되는 편향 각도 및 그림자 효과 측면에서 실험 설정에 의해 실질적으로 제한되었다. 시뮬레이션 결과와 메타표면 더블렛장치의 후면부 메타표면(MS2)의 유효 풋프린트에 의해 제한되었던 최대 입사각은 대략 수평 방향(xz)의 경우 -8° ~+8°, 수직 방향(yz)의 경우 -20° ~+20°로 나타났으며, 이는 80°× 80°의 조향 범위를 도출할 수 있는 것으로 분석된다.
따라서 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛장치(100)는 고정된 입사 빔에 대해 메타표면 더블렛장치(100)를 법선(Z)에 대해 xz 방향, 또는 yz방향으로 우로 회전하는 제어동작에 따라 출력 빔의 조향각을 제어할 수 있다.
또한, 최대 범위를 초과하는 입사각에서 본 발명의 일 실시 예에 따라 제작된 메타표면 더블렛장치의 원치 않는 노이즈와 부정확한 각도 확대로 인해 성능이 저하되는 경향이 일부 나타나는 것으로 분석되었다.
편향된 빔의 발산 각도는 편향 각도와 유사한 방식으로 확대되어 타원형 빔 형성으로 렌더링될 수 있다.
도 14는 본 발명의 일 실시 예에 따라 제조된 메타표면 더블렛 장치(100)에서 3개의 파장에 대해 (a) TE 및 (b) TM 편광모드에 대한 θin(또는 ψin)에 대한 원거리장 강도 프로파일을 도시한 것이다.
도 14를 참조하면, 본 본 발명의 일 실시 예에 따라 제조된 메타표면 더블렛 장치(100)의 성능은 1500, 1550, 1600nm를 포함한 근적외선 영역의 다양한 파장에 대한 향상된 편향특성에 대해 알 수 있다. 2°의 입사각에 대한 응답으로 TE 및 TM 편광에 대해 최대 100nm 범위의 파장 변화에 관계없이 편향각을 거의 일정하게 의도한 대로 확대할 수 있음을 알 수 있다.
도 15는 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛장치에서 포지티브 및 네거티브 편향의 경우를 설명하기 위한 도면이다.
도 15(a)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛장치에서 포지티브 편향(TE 편광모드)의 경우 θin, θout 및 θmeas(ψin, ψout 및 ψmeas) 간의 관계를 나타낸다.
도 15(b)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛장치에서 네거티브 편향(TM 편광모드)의 경우 θin, θout 및 θmeas(ψin, ψout 및 ψmeas) 간의 관계를 나타낸다.
도 15를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛 장치(100)의 편향각은 입사 편광에 따라 θout = θmeas ± θin(또는 ψout = ψmeas ± ψin)으로 주어지며, 메타표면 더블렛장치에서 포지티브 편향의 경우, 메타표면 더블렛장치의 법선으로부터 하향으로 편향되고, 네거티브 편향의 경우 더블렛장치의 법선으로부터 상향으로 편향된다.
도 16은 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛장치에서 편광 맞춤형 2D 빔 스티어링의 특성화 특성의 분석을 위한 입사빔의 입사각 변화에 따른 출력빔 프로파일을 도시한 것이다.
LiDAR 응용 분야의 빔 스캐닝을 위해 메타표면 기반 각도 확대 시스템은 초박형 폼 팩터와 유연한 각도 확대에 비추어 강력한 솔루션으로 널리 받아들여질 수 있다. 이와 관련하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 편광에 민감한 메타표면 더블렛장치에 의해 활성화된 2D 빔 조향의 가능성을 조사하기 위해 도 16과 같이 메타표면 더블렛장치(MD)에서 측정된 출력 빔 프로파일을 z1 = 20.3mm에서 캡처되어 분석되었다.
도 16에서는 출력 빔을 분석하기 위해 도 16(a)은 입사빔의 입사각 θin 및 ψin이 3° 및 0°, 도 16(b)는 입사각 θin 및 ψin이 0° 및 2°, 도 16(c)는 입사각 θin 및 ψin이 3° 및 2°, 도 16(d)은 입사빔의 입사각 θin 및 ψin이 -3° 및 -2°로 설정하였다. 캡처된 각 이미지의 크기는 19.2mm × 5.12mm이다.
도 16을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛장치에 입사된 TE 편광 빔은 Mθ 및 Mψ의 각 배율에 따라 수평 및 수직 양의 방향을 따라 각각 편향되었고, TM 편광 빔은 그에 따라 음의 방향을 따라 편향되었다. 도 16에서 (ⅰ)열은 각 입사각에 대한TE편광을 나타내고, 45° 편광의 경우에 각 입사각에 대해 관찰된 결과는 열 (ii)에 나열되어 있으며, TM 편광의 경우는 각 입사각에 대해 (ⅲ)열에 배열되어 도시된다.
도 16을 참조하면, TM빔은 양의 방향과 음의 방향을 따라 동시에 편향되어 두 개의 별개의 편향된 빔을 생성하여 TE와 TM 편광 사이에 예상되는 중간 상태로 이어지는 것으로 나타낸다. 직교 편광에 해당하는 두 개의 조정된 빔은 도 15에서 나타낸 바와 같이 편향되지 않은 빔(undeflected beam, UDB) 라인이 아닌 법선을 기준으로 반대쪽으로 형성되는 것으로 나타낸다. 도 16(c) 및 16(d)에 나타난 바와 같이, 수평 및 수직 방향에 대해 기울어진 입사 빔은 해당 M에 따라 조향되어 부스트된 2D 빔 조향을 제공할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛장치는 편광 조정을 통해 스캐닝 영역을 유연하게 확장함으로써, 빔 스캐닝 성능을 향상시킬 수 있다.
도 17은 도 16과 다른 위치에서 캡처된 편향된 빔의 빔 프로파일을 도시한 것이다.
도 17(a)는 TE, 도 17(b)는 TM 편광에 대한 xy 평면의 강도 분포를 도시한 것이다.
도 17(c)는 TE, 도 17(d)는 TM 편광의 경우에 해당하는 수평(x축) 및 수직(y축) 방향을 따라 측정 및 계산된 강도 분포를 도시한 것이다.
도 17(a) 및 도 17(b)는 TE 및 TM 편광에 대해 z1 = 20.3mm 및 z2 = 30.3mm의 두 가지 다른 위치에서 기록된 빔 프로파일을 나타낸다. 도 17(a) 및 도 17(b)에서 입사각(θin 및 ψin)은 각각 3° 및 2°이다. 도 17(a) 및 도 17(b)에서 출력 빔의 발산각은 수평(x축) 및 수직(y축) 방향의 편향각과 거의 같은 비율로 증가하여 타원형 빔 형성이 된다.
θout/θin 및 ψout/ψin으로 정의되는 배율 M은 도 13에서 도시된 바와 같은 기울기로써, 대략 ±2 및 ±5로 결정된다.
여기서 두 개의 메타표면이 동시에 영향을 받는 발산각은 확대되어 나타난다. 빔의 중심을 통과하는 점선 중심선을 따른 강도 분포는 각각 TE 및 TM 편광 편향 빔의 발산을 산출한 도 17(c) 및 도 17(d)에 표시되었다. 양의 편향의 경우, 입사 빔 발산 0.52°에서 조정된 빔의 발산 각도는 수평 및 수직 방향을 따라 각각 2.52° 및 1.15°로 나타낸다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛장치의 경우 빔 발산은 그에 따라 TE 편광에 대해 +5 및 +2의 인수만큼 증가한다. 또한, 음의 방향으로 편향된 빔은 수평 및 수직 방향을 따라 각각 11배 및 5배 증분에 해당하는 5.6° 및 2.51°의 발산을 나타낸다. 시뮬레이션에서 TM 편광에 대한 빔 발산과 빔 편향 간의 배율 불일치는 부분적으로 광학 수차와 고정 스페이서 두께에 기인할 수 있다.
앞서 설명한 도 5(a)에 표시된 첫 번째 요소 렌즈 윤곽 OS2TE는 OS1TE로 인한 부분 수차를 상쇄할 수 있다. 그러나 도 5(b)에 표시된 OS1TM과 OS2TM의 두 볼록한 윤곽선의 조합은 불가피하게 수차를 악화시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따라 구현된 메타표면 더블렛장치의 경우 토폴로지 최적화 프레임워크에 의존하여 수차를 우회함으로써 종래 렌즈 조합에 의한 수차가 악화되는 경향이 완화될 수 있다.
또한 종래 렌즈의 조합의 경우에는 OS1TM과 OS2TM 사이의 간격은 중앙에서 측면으로 갈수록 점차 줄어들게 되나, 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛장치의 경우 스페이서는 902㎛의 일정한 두께를 유지할 수 있다. 이에 따라 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛장치의 경우, 전면부 메타표면(MS1)과 후면부 메타표면(MS2)은 종래 렌즈 조합시스템인 OS1TM과 OS2TM의 공간 분포를 정확하게 복제할 수는 없게 된다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛장치는 음의 편향 증폭의 경우 이러한 수차가 악화되는 경향이 완화시키는 특징을 가지며, 양의 증가된 빔 편향을 촉진하고 빔 발산을 더 잘 조절하는 효과를 가질 수 있다. 이에 따라 다양한 응용 분야에서 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛장치는 컴팩트한 초소형 사이즈로 제작될 수 있으며, 각 배율의 범위를 확장하기 위해 TE 및 TM 편광 모두에 대해 한 쌍의 오목 및 볼록 렌즈의 역할을 동시에 수행하며, 더 큰 스캔 영역을 제공할 수 있다.
이에 따른 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛장치의 평면 구조는 기존 렌즈의 곡면과 관련된 내부 전반사의 부정적인 영향을 완화하는 데 효과적으로 작용될 수 있다. .
본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛장치는 각 배율의 범위를 확장하기 위해 TE 및 TM 편광 모두에 대해 한 쌍의 오목 및 볼록 렌즈 기능의 역할을 동시에 수행하며, 더 큰 스캔 영역을 제공하는 것을 특징으로 한다.
도 18은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 메타표면 더블렛장치에서 활성화된 TE 및 TM 편광에 대한 수평 및 수직 방향을 따라 산출된 원거리 빔 프로파일 그래프를 도시한 것이다.
도 18(a)는 수평(xz 평면) 방향을 따라 θin = +2°로 입사된 빔에 의해 산출된 원거리 빔 프로파일 그래프를 도시한 것이다.
도 18(b)는 수직yz 평면) 방향을 따라 ψin = +2°로 입사된 빔에 의해 산출된 원거리 빔 프로파일 그래프를 도시한 것이다.
도 18(a), (b)에서 볼 수 있듯이 시뮬레이션에서 +3, +4.7, +7.7 및 +9.2의 사용자 지정 가능한 각도 증폭이 달성된 것을 알 수 있다.
각도 증폭은 출력각도에서 입사각도를 나누어 주어 산출될 수 있다. 예를 들면, 입사각도가 θin, ψin 모두 2도이고, 출력되는 각도가 6도(θout for TE), 9.4도(θout for TM), 15.3도(ψout for TE), 18.4도(ψout for TM)인 경우, 이를 나누어주면 3, 4.7, 7.7, 9.2 가 산출될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛장치에서의 메타표면 평면 구조는 종래 더블렛 렌즈 메커니즘의 곡면과 관련된 내부 전반사의 부정적인 영향을 효과적으로 완화할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛장치는 입사각이 큰 빔을 조작하기 위해 전면부 메타표면(MS1)과 후면부 메타표면(MS2)을 바꾸어서(뒤집어서) 사용될 수 있다.
예를 들면, 후면부 메타표면(MS2)으로 입사빔을 입사시켜서 전면부 메타표면(MS1)으로 출력된 빔을 얻을 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛장치는 빛이 역으로 입사될 경우, M의 각도 감소 계수를 전달하는 것을 특징으로 한다.
즉, 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛장치는 입사빔이 전면부 메타표면(MS1)에서 입사되어 후면부 메타표면(MS2)으로 출력될 경우에는 편향배율이 증가하고, 입사빔이 후면부 메타표면(MS2)에서 입사되어 전면부 메타표면(MS2)으로 출력될 경우에는 편향배율이 감소하는 것을 특징으로 한다.
도 19는 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛장치에서 빛이 역으로 입사한 경우의 E-field 전자장분포 및 원거리장 강도 분포를 도시한 것이다.
도 19는 입사 빔이 1550nm의 파장에서 후면부 메타표면(MS2)에서 입사될 경우에 (a) xz-평면 θin = -10° 로 입사되고, (b) yz-평면에서 ψ= -10°로 입사되어 TE 및 TM 편광에 대해 편향된 빔에 대한 전자장 분포를 나타낸다.
도 19(a), (b)에서 상측에 표시된 흰색 화살표는 입사빔의 전파 방향을 나타낸다.
또한, 19(c) 및 19(d)는 x 및 y축을 따라 해당 원거리장 강도 분포(far-field intensity distributions )가 그래프로 나타낸다.
도 19(a)를 참조하면, 편향된 빔의 전파 각도는 TE 및 TM 편광에 대해 각각 -2° 및 2°로 감소하는 것으로 관찰된다.
또한, 도 19(b)는 유사하게 ψin = 10°에 대한 편향각이 yz 평면에서 -4.9° 및 4.9°로 감소함을 보여준다. 도 19(c), (d)를 참조하면, 반대 방향으로 입사되는 빛의 경우 예상한 대로 수평 및 수직 방향에서 각각 ±5 및 ±2의 인수로 편향각을 대략적으로 줄일 수 있음을 의미한다.
앞서 설명한 바와 같이 본 발명의 일 실시 예에 따른 수소화 비정질 실리콘(a-Si:H) 나노포스트를 기반으로 하는 메타표면 더블렛장치는, λ= ~1550 nm에서 편광 제어 가능한 양방향 각 배율을 달성할 수 있다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛장치는 균등하지 않게 확대된 전파각도를 가정할 때, 입사되는 광선은 입사 편광의 조정을 통하여 두 방향으로 편향되도록 할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛장치와 관련된 위상 프로파일은 아나모픽 비구면과 맞물리는 기하학적 더블렛 렌즈를 이미테이팅(imitating) 함으로써, 효율적으로 구현될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따라 구현된 편광에 민감한 메타표면 더블렛장치는 특히 수평 및 수직 방향에서 각각 M = +2 및 +5 및 M = -2 및 -5의 양수 및 음수 배율을 가능하게 할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛장치는 소형화된 풋프린트, 다중 각도 배율 및 편광 제어 가능성과 같은 두드러진 이점으로 인해 고급 LiDAR 및 자유 공간 통신 송신기/수신기의 개발에 응용될 수 있다.
도 20은 본 발명의 일 실시 에에 따른 메타표면 더블렛장치의 제조방법에 대한 과정을 도시한 것이다.
도 20을 참조하면, 먼저 유전체 스페이서 기판 준비단계가 수행된다. 본 발명의 일 실시 예에서는 902㎛ 두께의 실리카(SiO2) 기판을 유전체 스페이서 기판으로 준비된다. 준비단계에서 실리카 기판은 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 실리카 기판 전면부 및 후면부에 수소화 비정질 실리콘(a-Si:H)층을 증착하는 단계(511단계)가 수행된다. 511단계에서는 880nm 두께의 a-Si:H 필름층이 최적의 조건에서 플라즈마 강화 화학 기상 증착(Oxford의 PlasmaLab 100)을 사용하여 기판의 양측 면에 a-Si:H 층이 증착된다. 511단계 후에 전면부 a-Si:H층 상부에 전자빔 레지스트(Zeon Chemicals의 ZEP 520A)를 스핀 코팅하여 제1 레지스트층을 형성하는 제1차 스핀코팅 단계(512단계)가 수행된다. 512단계 후에 상기 제1 레지스트층에 대해 전자 빔 리소그라피(EBL, Electron Beam Lithography) 공정을 통하여 전면부 메타표면 패턴에 대응하는 제1 레지스트 패턴층을 형성하는 단계(513단계)가 수행된다. 513단계에서 메타표면 패턴과 정렬 마크는 후속 현상(ZED-N50)과 함께 e- 빔 리소그래피 (Raith150 EBL)를 통해 제1 레지스트층에 기록된다. 다음은 513단계에서 형성된 제1레지스트 패턴층 상부면에 제1 AL층을 증착시키는 AL 증착단계(514)가 수행된다. 514단계에서 60nm 두께의 알루미늄층을 오목패턴이 포함되도록 각각 전자빔 증발(Temescal BJD-2000)에 의해 증착한다.
다음은 용매(Zeon Co.의 ZDMAC)에 의해 기판 상부의 제1 레지스트 패턴층을 모두 들어올려서 남아있는 오목부 패턴에 형성된 AL층 패턴에 의해 전면부 메타표면 패턴에 맞춘 제1 패턴화된 AL 층으로 전면부를 패턴화하는 제1 lift-off 단계(515 단계)가 수행된다.
lift-off 단계(515단계) 이후에 상기 제1패턴화된 AL층을 하드 마스크로 사용하여 설계된 전면부 메타표면 패턴으로 건식 에칭하여 전면부 a-Si:H 층을 형성하는 제1 에칭단계(516)가 수행된다. 516단계에서는 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:H 을 형성한다.
다음은 상기 전면부 a-Si:H층 패턴층 상부에 남아있는 제1 패턴화된 AL 을 제거하는 잔여 알루미늄 제거단계(517)가 수행된다. 517단계에서는 습식 에칭방법이 적용된다.
다음은 상기 517단계를 거친 샘플을 뒤집어서 후면부 수소화 비정질 실리콘(a-Si:H)에 전자빔 레지스트(Zeon Chemicals의 ZEP520A)를 스핀 코팅하여 제2 레지스트층을 형성하는 제2차 스핀코팅 단계(518단계)가 수행된다.
518단계 후에 제2 레지스트층에 대해 전자 빔 리소그라피(EBL, Electron Beam Lithography) 공정을 통하여 후면부 메타표면 패턴에 대응하는 제2 레지스트 패턴층을 형성하는 단계(519단계)가 수행된다. 519단계에서 후면부 메타표면 패턴과 정렬 마크는 후속 현상(ZED-N50)과 함께 e- 빔 리소그래피 (Raith150 EBL)를 통해 레지스트에 기록된다. 다음은 519단계에서 형성된 제2 레지스트 패턴층 상부면에 제2 AL을 증착시키는 AL 증착단계(520단계)가 수행된다. 520단계에서 60nm 두께의 알루미늄층을 오목패턴이 포함되도록 각각 전자빔 증발기(Temescal BJD-2000)에 의해 증착한다.
다음은 상기 용매(Zeon Co.의 ZDMAC)에 의해 기판 상부의 제2 레지스트층을 모두 들어올려 남아있는 오목부 패턴에 형성된 AL층 패턴에 의해 후면부 메타표면 패턴에 맞춘 제2 패턴화된 AL 층으로 후면부를 패턴화하는 제2 lift-off 단계(521 단계)가 수행된다.
제2 lift-off 단계(521단계) 이후에 패턴화된 AL층을 하드 마스크로 사용하여 설계된 후면부 메타표면 패턴으로 후면부 a-Si:H 패턴층을 형성하는 제2 에칭단계(522)가 수행된다. 522단계에서는 설계된 패턴을 불소 기반 유도 결합 플라즈마 반응성 이온 에칭(Oxford PlasmaLab System)을 통해 후면부 a-Si:H 층을 에칭하여 패턴화된 후면부 a-Si:H층을 형성한다.
다음은 습식 에칭을 수행하여 후면부 a-Si:H 패턴층의 종단에 남아있는 하드 마스크로 사용된 패턴화된 AL층을 제거하는 AL층 제거단계(523)가 수행된다.
523단계를 거쳐서 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛장치가 완성된다.ㅈ제조과정 중에서 MS1과 MS2 사이의 오정렬은 스테이지의 초기 각도를 조정하여 쉽게 극복할 수 있다.
20TE, 20TM: 입사빔
30TE, 30TM: 출력빔
110: 유전체 스페이서
150: 나노포스트
MS1:전면부 메타표면
MS2: 후면부 메타표면

Claims (12)

  1. 입사광에 대해 TM 모드의 편광 및 TE 모드의 편광이 출력되는 메타표면 더블렛장치에 있어서,
    상기 메타표면 더블렛장치는,
    유전체 스페이서,
    상기 유전체 스페이서의 일측 면에 형성되며, 일정 주기의 정사각형 격자로 구획된 중앙부에 상기 정사각형 격자의 x축과 y축에 평행한 가로변(dx)과 세로변(dy)의 단면을 가진 직육면체 형상의 제1나노 포스트가 형성된 메타원자셀의 집합으로 형성된 전면부 메타표면;
    및 상기 유전체 스페이서의 타측 면에 형성되며, 상기 일정 주기의 정사각형 격자로 구획된 중앙부에 상기 정사각형 격자의 x축과 y축에 평행한 가로변(dx)과 세로변(dy)의 단면을 가진 직육면체 형상의 제2 나노 포스트가 상기 제1나노포스트와 반대 방향으로 형성된 메타원자셀의 집합으로 형성된 후면부 메타표면을 포함하는 것을 특징으로 하며,
    상기 메타표면 더블렛장치는,
    상기 전면부 메타표면으로 입사되는 입사광에 대해 상기 후면부 메타표면으로 출력되는 TM 모드의 편광 및 TE 모드의 편광이 각각 다른 각도로 편향되어 형성되는 것을 특징으로 하되,
    상기 입사광이 상기 전면부 메타표면에서 입사되어 상기 후면부 메타표면으로 출력될 경우에는 편향 배율이 증가하고, 상기 입사광이 상기 후면부 메타표면에서 입사되어 상기 전면부 메타표면으로 출력될 경우에는 편향 배율이 감소하는 것을 특징으로 하는 메타표면 더블렛장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유전체 스페이서의 두께는 902㎛이고, 상기 정사각형 격자는 800nm이며, 상기 나노포스트의 높이는 880nm이고, 상기 정사각형 격자의 격자 주기는 800nm이며, 상기 전면부 메타표면은 상기 입사광에 대해 0 ~ 2π범위의 위상편이를 할 수 있도록 상기 나노포스트의 단면이 200 ~ 650 nm 범위에서, 가로변(dx)과 세로변(dy)의 특정된 크기로 배열된 8Х8 단위셀 그룹으로 배열되어 형성되는 것을 특징으로 하는 메타표면 더블렛장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 유전체 스페이서는 실리카 재질로 형성되고, 상기 나노포스트는 a-Si:H 재질로 형성된 것을 특징으로 하고,
    상기 단위셀 그룹의 가로변(dx)/세로변(dy)은 285.5/290, 272/312.5, 267.5/335, 263/380, 258.5/465.5, 303.5/245의 메타원자셀 그룹을 포함하는 것을 특징으로 하는 메타표면 더블렛장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 메타표면 더블렛장치는 입사광의 입사 각도를 조정함으로써, 출력빔의 TM 모드 편광 및 TE 모드 편광의 조향각을 제어하는 것을 특징으로 하는 메타표면 더블렛장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 메타표면 더블렛장치는 고정된 입사광에 대해 상기 전면부 메타표면의 법선(z)을 기준으로 xz 방향, 또는 yz 방향으로으로 회전하는 제어동작에 따라 출력 빔의 TM 모드 편광 및 TE 모드의 편광의 조향각이 제어되는 것을 특징으로 하는 메타표면 더블렛장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 메타표면 더블렛장치는
    상기 전면부 메타표면의 법선(z)을 기준으로 xz 방향으로 일정 각도의 입사각으로 입사된 광의 TE 편광모드 및 TM 편광모드의 편향된 출력빔의 편향 배율은, yz 방향으로 일정 각도의 입사각으로 입사된 빔의 TE 편광모드 및 TM 편광모드의 편향된 출력빔의 편향 배율과 다르게 형성되는 것을 특징으로 하는 메타표면 더블렛장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 메타표면 더블렛장치는
    상기 전면부 메타표면의 법선(z)을 기준으로 xz 평면에서 θin = +2°로 입사된 광은 TE 편광모드에서 각각 9.8°로 편향되어 출력되며, TM 편광 모드에서 -9.9° 각도로 편향되어 출력되는 것을 특징으로 하는 메타표면 더블렛장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 메타표면 더블렛장치는
    상기 전면부 메타표면의 법선(z)을 기준으로 yz 평면에서 Ψin = +2° 로 입사된 광은 TE 편광모드에서 각각 4.1°로 편향되어 출력되며, TM 편광 모드에서 -4.2° 각도로 편향되어 출력되는 것을 특징으로 하는 메타표면 더블렛장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 메타표면 더블렛장치는
    상기 전면부 메타표면의 법선(z)을 기준으로 입사된 입사광의 각도가 xz 평면에서 -6° ~ +6°로 변화될 경우, 출력 빔의 TE 편광은 -30° ~ +30° 의 선형으로 제어되고, TM 편광은 +30° ~ -30° 로 선형으로 제어되며,
    입사된 입사광의 각도가 yz 평면에서 -6° ~ +6°로 변화될 경우, 출력 빔의 TE 편광은 -12° ~ +12° 로 선형으로 제어되고, TM 편광은 +12° ~ -12° 로 선형으로 제어되는 것을 특징으로 하는 메타표면 더블렛장치.
  10. 제4항에 있어서,
    상기 메타표면 더블렛장치에서 상기 입사광의 조정 가능한 입사 각도는 전면부 메타표면의 법선(z)을 기준으로 xz 평면에서 경우 -8° ~ +8° 범위이고, yz 평면에서 경우 -20° ~ +20° 범위인 것을 특징으로 하는 메타표면 더블렛장치.
  11. 삭제
  12. 입사광에 대해 TM 모드의 편광 및 TE 모드의 편광이 출력되는 메타표면 더블렛장치의 제조방법에 있어서,
    a) SiO2 재질의 유전체 스페이서 기판 준비단계;
    b) 플라즈마 강화 화학기상 증착(PECVD) 방법에 의해 상기 기판의 전면부에 수소화 비정질 실리콘층을 증착하는 단계;
    c) 상기 수소화 비정질 실리콘층 상부에 제1 레지스트층을 형성하는 제1차 스핀코팅 단계;
    d) 상기 제1 레지스트층에 대해 전자 빔 리소그라피 공정을 통하여 설정된 메타표면 패턴에 대응하는 제1 레지스트 패턴층을 형성하는 단계;
    e) 상기 제1레지스트 패턴층 상부면 및 홈부에 AL을 증착시켜서 AL층을 형성하는 단계;
    f) lift-off 용매를 사용하여 상기 유전체 스페이서 기판 상부에 돌출된 제1 레지스트 패턴층을 모두 들어올려 제거하고, 상기 홈부에 남아 있는 AL 층으로 상기 유전체 스페이서 기판의 전면부를 패턴화된 AL층으로 형성하는 단계;
    g) 상기 패턴화된 AL층을 하드 마스크로 사용하여 상기 기판의 전면부에 상기 설정된 메타표면 패턴으로 수소화 비정질 실리콘층을 에칭하는 단계;
    h) 상기 에칭하는 단계 이후에 전면부 수소화 비정질 실리콘층의 종단에 남아 있는 패턴화된 AL층을 제거하여 전면부 메타표면을 형성하는 단계;
    i) 상기 h단계를 거친 유전체 스페이서 기판을 뒤집어서 후면부 수소화 비정질 실리콘층에 전자빔 레지스트를 스핀 코팅하여 제2 레지스트층을 형성하는 제2차 스핀코팅 단계;
    j) 상기 제2 레지스트층에 대해 전자 빔 리소그라피 공정을 통하여 후면부 메타표면 패턴에 대응하는 제2 레지스트 패턴층을 형성하는 단계;
    k) 상기 제2 레지스트 패턴층 상부에 제2 AL층을 증착시키는 단계;
    l) 용매에 의해 상기 실리카 기판 상부의 제2 레지스트 패턴층을 모두 들어올려 후면부 메타표면 패턴에 맞춘 제2 패턴화된 AL 층으로 후면부를 패턴화하는 제2 lift-off 단계;
    m) 상기 제2 패턴화된 AL층을 하드 마스크로 사용하여 상기 후면부 메타표면 패턴으로 에칭하여 수소화 비정질 실리콘 패턴층을 형성하는 제2 에칭단계; 및
    n) 상기 전면부 수소화 비정질 실리콘 패턴층 상부에 남아있는 제2 패턴화된 AL 알루미늄을 제거하는 잔여 알루미늄 제거단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 메타표면 더블렛장치의 제조방법.
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