KR102620194B1 - 광 변조 소자 및 이를 이용한 위상 변조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반사판, 상기 반사판 상의 절연막, 상기 절연막 상에서 제1 방향을 따라 배열되고, 서로 평행하게 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 연장되는 유전체 패턴들, 및 상기 유전체 패턴들 사이에 제공되며, 상기 제1 방향을 따라 교번적으로 배열되는 제1 그래핀 패턴들 및 제2 그래핀 패턴들을 포함하되, 상기 유전체 패턴들 및 상기 제1 및 제2 그래핀 패턴들은 상기 절연막의 상면을 완전히 덮고, 상기 제1 그래핀 패턴들 중 하나를 사이에 두고 상기 제1 방향으로 인접하는 두 개의 유전체 패턴들은 하나의 유전체 패턴 쌍을 이루고, 상기 유전체 패턴 쌍은 복수로 제공되고, 상기 유전체 패턴 쌍들은 상기 제2 그래핀 패턴들 중 하나를 사이에 두고 상기 제1 방향으로 이격되고, 상기 제1 그래핀 패턴들 각각의 상기 제1 방향으로의 폭은 상기 제2 그래핀 패턴들 각각의 상기 제1 방향으로의 폭과 다른 광 변조 소자 및 이를 이용한 위상 변조 방법을 개시한다.

Description

광 변조 소자 및 이를 이용한 위상 변조 방법{OPTICAL MODULATING DEVICE AND PHASE MODULATING METHOD USING THE SAME}
본 발명은 광 변조 소자에 관한 것으로, 보다 구체적으로 균일한 진폭을 유지하면서 능동 2π 위상 변조를 가능케 하는 광 변조 소자 및 이를 이용한 위상 변조 방법에 관한 것이다.
입사광의 투과/반사, 편광, 위상, 세기, 경로 등을 변경하는 광학 소자는 다양한 광학 장치에서 활용된다. 또한, 광학 시스템 내에서 원하는 방식으로 상기한 성질을 제어하기 위해 다양한 구조의 광 변조기들이 제시되고 있다.
종래의 파면 변조기는, 액정을 사용하거나 마이크로 단위의 크기를 가진 작은 거울을 사용하였다. 액정을 사용하는 변조기는, 전기적 혹은 열적 신호를 인가함으로써 동작한다. 액정을 사용하는 변조기는, 신호에 따라 액정의 정렬 방향이 결정되는 성질을 이용하여, 입사광에 대한 반응을 조절한다. 작은 거울을 사용하는 변조기(예를 들어, DMDs: Digital mirror devices)는, 마이크로 거울들의 방향을 각각 조절하여 입사광을 원하는 방향으로 반사시키는 원리를 이용한다.
메타 표면은 입사광의 특징을 변화시키는, 얇은 두께를 가진 광학 구조를 의미한다. 메타 표면은 액정이나 마이크로 거울을 사용하는 종래의 기술들보다 향상된 변조 성능을 보이며 그 요소(element)의 크기를 파장보다 수십 배 작은 크기로 줄일 수 있는 이점이 있다. 또한 메타 표면은 그 특성에 따라 원하는 형태의 반사광 혹은 투과광을 얻을 수 있기 때문에 다양한 분야에서 활발히 연구되고 있다.
그래핀은 메타 표면을 구성하는 물질로서 좋은 특징들을 가지고 있다. 첫째, 인가된 전압에 의해 그 특성이 변한다. 그래핀을 이용해 메타 표면을 구성하면 전기적 신호를 가하는 것으로 변조 정도를 조절할 수 있다. 이 방식은 그래핀의 페르미 에너지를 조정하는 방식이기 때문에, 기존에 사용되던 액정을 이용한 방식보다 빠른 변조 속도를 얻을 수 있다. 둘째, 그래핀 플라즈몬은 자유 공간의 광자보다 수백 배 작은 크기를 가지고 있다. 이는 메타 표면의 소형화로 이어지는 중요한 특성이다.
본 발명의 일 기술적 과제는 교차 회피 현상을 통해 균일한 진폭을 유지하면서 능동 2π 위상 변조를 가능케 하는 광 변조 소자 및 이를 이용한 위상 변조 방법을 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 기술적 과제들을 해결하기 위하여 본 발명의 실시예들에 따른 광 변조 소자는 반사판, 상기 반사판 상의 절연막, 상기 절연막 상에서 제1 방향을 따라 배열되고, 서로 평행하게 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 연장되는 유전체 패턴들, 및 상기 유전체 패턴들 사이에 제공되며, 상기 제1 방향을 따라 교번적으로 배열되는 제1 그래핀 패턴들 및 제2 그래핀 패턴들을 포함하되, 상기 유전체 패턴들 및 상기 제1 및 제2 그래핀 패턴들은 상기 절연막의 상면을 완전히 덮고, 상기 제1 그래핀 패턴들 중 하나를 사이에 두고 상기 제1 방향으로 인접하는 두 개의 유전체 패턴들은 하나의 유전체 패턴 쌍을 이루고, 상기 유전체 패턴 쌍은 복수로 제공되고, 상기 유전체 패턴 쌍들은 상기 제2 그래핀 패턴들 중 하나를 사이에 두고 상기 제1 방향으로 이격되고, 상기 제1 그래핀 패턴들 각각의 상기 제1 방향으로의 폭은 상기 제2 그래핀 패턴들 각각의 상기 제1 방향으로의 폭과 다를 수 있다.
상기 제1 및 제2 그래핀 패턴들 각각은 상기 유전체 패턴들의 측벽들과 양쪽에서 직접 접촉할 수 있다.
상기 유전체 패턴들은 상기 절연막의 상면과 직접 접촉할 수 있다.
상기 제1 및 제2 그래핀 패턴들 각각은 단일 층 구조 또는 2개 내지 10개의 층들이 적층된 다층 구조를 가질 수 있다.
상기 유전체 패턴 쌍들은 상기 제1 방향을 따라 주기적으로 배열될 수 있다.
상기 제1 그래핀 패턴들 각각의 상기 제1 방향으로의 폭 및 상기 제2 그래핀 패턴들 각각의 상기 제1 방향으로의 폭은 그래핀 플라즈몬이 상기 유전체 패턴들 사이에서 패브리 페로(Fabry-Perot) 공진하도록 미리 결정될 수 있다.
상기 유전체 패턴들은 제1 유전체 패턴들 및 상기 제1 유전체 패턴들과 상기 제2 방향으로 마주보며 상기 제2 방향으로 서로 이격되는 제2 유전체 패턴들을 포함할 수 있다.
상기 반사판은 금속 물질 또는 도전성 금속 질화물을 포함할 수 있다.
상기 유전체 패턴들은 실리콘(Si)을 포함할 수 있다.
상기 유전체 패턴들 각각의 두께 및 상기 제1 방향으로의 폭은 동일할 수 있다.
상술한 기술적 과제들을 해결하기 위하여 본 발명의 실시예들에 따른 광 변조 소자의 위상 변조 방법은 반사판, 상기 반사판 상의 절연막, 상기 절연막 상에서 제1 방향을 따라 배열되고, 서로 평행하게 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 연장되는 유전체 패턴들, 및 상기 유전체 패턴들 사이에 제공되며, 상기 제1 방향을 따라 교번적으로 배열되는 제1 그래핀 패턴들 및 제2 그래핀 패턴들을 포함하는 광 변조 소자를 이용할 수 있다. 위상 변조 방법은 상기 광 변조 소자로 광을 입사시키는 것, 상기 광 변조 소자 상에 서로 다른 제1 공진 및 제2 공진을 형성하는 것, 상기 제1 공진 및 상기 제2 공진의 교차 회피 현상을 이용하는 것, 및 공진 주파수를 능동적으로 크게 바꾸는 제1 조건, 공진 스펙트럼의 반치전폭(FWHM)을 줄이는 제2 조건 및 진폭을 일정하게 유지하는 제3 조건을 동시에 만족시키며 광의 위상을 변조하는 것을 포함할 수 있다.
상기 제1 공진은 상기 제2 공진에 비해 빨리 움직이고, 상기 제1 공진은 그래핀 플라즈몬(graphene plasmon)일 수 있다.
상기 제2 공진은 상기 제1 공진에 비해 스펙트럼이 얇고, 상기 제2 공진은 qBIC(quasi-bound states in the continuum)일 수 있다.
상기 제1 공진의 전기장 분포 및 상기 제2 공진의 전기장 분포는 적어도 일부가 서로 겹칠 수 있다.
광의 위상의 변화량은 2π 내지 4π일 수 있다.
상기 제1 및 제2 그래핀 패턴들의 그래핀 이동도(graphene mobility)가 커질수록 광의 복소 진폭의 절댓값이 커질 수 있다.
상기 제1 그래핀 패턴들 각각의 상기 제1 방향으로의 폭은 상기 제2 그래핀 패턴들 각각의 상기 제1 방향으로의 폭과 다를 수 있다.
상기 제1 그래핀 패턴들 각각의 상기 제1 방향으로의 폭 및 상기 제2 그래핀 패턴들 각각의 상기 제1 방향으로의 폭은 그래핀 플라즈몬이 상기 유전체 패턴들 사이에서 패브리 페로(Fabry-Perot) 공진하도록 미리 결정될 수 있다.
상기 유전체 패턴들 및 상기 제1 및 제2 그래핀 패턴들은 상기 절연막의 상면을 완전히 덮을 수 있다.
상기 제1 및 제2 그래핀 패턴들 각각은 상기 유전체 패턴들의 측벽들과 양쪽에서 직접 접촉하고, 상기 유전체 패턴들은 상기 절연막의 상면과 직접 접촉할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 광 변조 소자는 트레이드 오프 문제에도 불구하고 교차 회피 현상을 통해 균일한 진폭을 유지하면서 능동 2π 위상 변조를 가능케 할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따른 광 변조 소자 및 이를 이용한 위상 변조 방법은 균일한 진폭을 유지하면서 능동적으로 2π 이상의 위상 변조를 가능케 하므로, 파면 성형(wavefront shaping), 홀로그래피(holography), 투명 망토(invisibility cloak)뿐만 아니라 중적외선 스펙트럼을 이용하는 분광학, 보안 산업, 화학, 생화학 및 생태학 등 다양한 학문 분야에 활용될 수 있다.
도 1a는 본 발명의 실시예에 따른 광 변조 소자를 설명하기 위한 사시도이다.
도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 광 변조 소자를 설명하기 위한 단면도로, 도 1a를 Ⅰ-Ⅰ'선으로 자른 단면에 대응된다.
도 2a는 비교예에 따른 광 변조 소자를 설명하기 위한 사시도이다.
도 2b는 비교예에 따른 광 변조 소자를 설명하기 위한 단면도로, 도 2a를 Ⅰ-Ⅰ'선으로 자른 단면에 대응된다.
도 3a, 도 3b 및 도 3c는 도 2a 및 도 2b에 따른 광 변조 소자를 이용한 위상 변조를 설명하기 위한 도면들이다.
도 4a, 도 4b 및 도 4c는 본 발명의 실시예에 따른 광 변조 소자를 이용한 위상 변조를 설명하기 위한 도면들이다.
도 5a, 도 5b 및 도 5c는 본 발명의 실시예에 따른 광 변조 소자를 이용한 위상 변조 방법을 설명하기 위한 그래프들이다.
도 6a는 도 2a 및 도 2b에 따른 광 변조 소자를 이용한 위상 변조 시의 전기장 분포를 설명하기 위한 도면으로, 도 3b 및 도 3c의 a 지점의 전기장 분포를 나타낸다.
도 6b, 도 6c 및 도 6d는 본 발명의 실시예에 따른 광 변조 소자를 이용한 위상 변조 시의 전기장 분포를 설명하기 위한 도면들로, 각각 도 4b 및 도 4c의 b, c 및 d 지점의 전기장 분포를 나타낸다.
도 7a는 도 2a 및 도 2b에 따른 광 변조 소자를 이용한 위상 변조의 이동도(mobility) 의존성을 설명하기 위한 도면이다.
도 7b는 본 발명의 실시예에 따른 광 변조 소자를 이용한 위상 변조의 이동도 의존성을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 광 변조 소자를 설명하기 위한 사시도이다.
도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 광 변조 소자를 이용한 위상 변조 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라, 여러 가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 수정 및 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시예의 설명을 통해 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 첨부된 도면에서 설명의 편의를 위하여 각 구성 요소의 비율은 과장되거나 축소될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예를 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 또한 본 명세서에서 사용되는 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 통상적으로 알려진 의미로 해석될 수 있다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 ‘포함한다(comprises)’ 및/또는 ‘포함하는(comprising)’은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 영역, 방향, 형상 등을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 영역, 방향, 형상이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 소정 영역, 방향 또는 형상을 다른 영역, 방향 또는 형상과 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시예에서 제1 부분으로 언급된 부분이 다른 실시예에서는 제2 부분으로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예는 그것의 상보적인 실시예도 포함한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 광 변조 소자 및 이를 이용한 위상 변조 방법에 대하여 상세히 설명한다.
도 1a는 본 발명의 실시예에 따른 광 변조 소자를 설명하기 위한 사시도이다. 도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 광 변조 소자를 설명하기 위한 단면도로, 도 1a를 Ⅰ-Ⅰ'선으로 자른 단면에 대응된다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 본 발명에 따른 광 변조 소자는 기판(100), 반사판(110), 절연막(130), 유전체 패턴들(SR) 및 제1 및 제2 그래핀 패턴들(GR1, GR2)을 포함할 수 있다.
기판(100)은, 예를 들어, 실리콘 기판과 같은 반도체 기판일 수 있다. 기판(100)은 제1 방향(D1) 및 제1 방향(D1)과 교차하는 제2 방향(D2)과 나란하고, 제3 방향(D3)과 직교하는 상면을 가질 수 있다. 제1 내지 제3 방향들(D1, D2, D3)은, 예를 들어, 서로 직교하는 방향들일 수 있다. 실시예들에 따라 기판(100)은 제공되지 않을 수도 있다.
기판(100) 상에 반사판(110)이 제공될 수 있다. 반사판(110)은 기판(100)의 상면과 나란하게 연장되는 평판 형태를 가질 수 있다. 반사판(110)은 금속 물질 또는 도전성 금속 질화물을 포함할 수 있다. 반사판(110)은, 예를 들어, 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W), 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 티타늄 질화물(TiN) 또는 탄탈륨 질화물(TaN) 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 도시되지 않았으나, 기판(100)과 반사판(110) 사이에 추가적인 막(예를 들어, 절연막)이 개재될 수도 있다. 반사판(110)은 본 발명에 따른 광 변조 소자로 입사되는 광을 반사시킬 수 있고, 반사되는 광이 후술하는 메타 표면에 형성된 광학적 공진 모드와 다시 상호 작용하게 할 수 있다.
반사판(110) 상에 절연막(130)이 제공될 수 있다. 절연막(130)은, 예를 들어, 실리콘 산화물(SiO2), 실리콘 질화물(SiN), 실리콘 산화질화물(SiON) 또는 염화은(AgCl)을 포함할 수 있으나, 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 절연막(130)은 제3 방향(D3)으로 제1 두께(T1)를 가질 수 있다. 제1 두께(T1)는 반사판(110)의 제3 방향(D3)으로의 두께보다 클 수 있다. 이하에서, 두께는 제3 방향(D3)으로의 두께를 의미한다.
절연막(130) 상에 복수의 유전체 패턴들(SR), 제1 및 제2 그래핀 패턴들(GR1, GR2)이 제공될 수 있다. 복수의 유전체 패턴들(SR), 제1 및 제2 그래핀 패턴들(GR1, GR2)은 절연막(130) 상에서 메타 표면을 구성할 수 있다.
메타 표면에 광이 입사되는 경우, 메타 표면의 주기적 구조에 의해 유전체 패턴들(SR) 각각의 내부의 전하들이 재분포되고, 이에 따라 유전체 패턴들(SR) 각각의 내부 또는 유전체 패턴들(SR) 사이에 다중극자들(주로 쌍극자들)이 형성되며, 전기장이 국소적으로 증폭될 수 있다. 즉, 메타 표면은 광학적 공진 모드를 형성할 수 있다. 광학적 공진 모드에서, 재분포된 전하들은 입사되는 전자기파(즉, 입사광)에 맞게 시간에 따라 진동하게 되고, 진동하는 전하들은 외부로 다시 광을 방출할 수 있다. 이때, 전하들이 어떻게 진동하는지에 따라(즉, 메타 표면의 구조 및 물질 특성에 따라) 방출광의 위상은 입사광의 위상과 달라질 수 있다. 이론적으로, 광학적 공진 모드에 의한 입사광과 방출광의 위상 차이는 반사판(110)이 없는 경우 0 내지 π일 수 있고, 반사판(110)이 있는 경우 0 내지 2π일 수 있다.
평면적 관점에서, 유전체 패턴들(SR)은 라인 형태 또는 바 형태를 가질 수 있다. 유전체 패턴들(SR)은 제1 방향(D1)을 따라 배열되고, 서로 평행하게 제2 방향(D2)으로 연장될 수 있다. 유전체 패턴들(SR)은 제1 방향(D1)으로 서로 이격될 수 있다. 유전체 패턴들(SR)의 하면들은 절연막(130)의 상면(130t)과 직접 접촉할 수 있다. 유전체 패턴들(SR)은, 예를 들어, 실리콘(Si)을 포함할 수 있다.
유전체 패턴들(SR) 각각은 제1 방향(D1)으로 제1 폭(W1)을 가질 수 있다. 유전체 패턴들(SR) 각각의 제1 방향(D1)으로의 폭은 실질적으로 동일할 수 있다. 유전체 패턴들(SR) 각각은 제2 두께(T2)를 가질 수 있다. 유전체 패턴들(SR) 각각의 두께는 실질적으로 동일할 수 있다. 제2 두께(T2)는 절연막(130)의 제1 두께(T1)보다 작을 수 있다.
제1 및 제2 그래핀 패턴들(GR1, GR2) 각각은 서로 인접하는 유전체 패턴들(SR) 사이에서 절연막(130) 상에 제공될 수 있다. 평면적 관점에서, 제1 및 제2 그래핀 패턴들(GR1, GR2)은 라인 형태 또는 바 형태를 가질 수 있다. 제1 및 제2 그래핀 패턴들(GR1, GR2)은 제1 방향(D1)을 따라 교번적으로 배열되고, 서로 평행하게 제2 방향(D2)으로 연장될 수 있다. 즉, 제1 방향(D1)으로 서로 인접하는 제1 그래핀 패턴들(GR1) 사이에는 제2 그래핀 패턴들(GR2) 중 하나가 제공될 수 있고, 제1 방향(D1)으로 서로 인접하는 제2 그래핀 패턴들(GR2) 사이에는 제1 그래핀 패턴들(GR1) 중 하나가 제공될 수 있다. 제1 및 제2 그래핀 패턴들(GR1, GR2)의 하면들은 절연막(130)의 상면(130t)과 직접 접촉할 수 있다. 제1 및 제2 그래핀 패턴들(GR1, GR2) 각각은 유전체 패턴들(SR)의 측벽들(SW)과 양쪽에서 직접 접촉할 수 있다. 즉, 유전체 패턴들(SR)과 제1 및 제2 그래핀 패턴들(GR1, GR2)은 절연막(130)의 상면(130t)을 완전히 덮을 수 있고, 절연막(130)의 상면(130t)은 외부로 노출되지 않을 수 있다.
제1 그래핀 패턴들(GR1) 각각은 제1 방향(D1)으로 제2 폭(W2)을 가질 수 있다. 제2 그래핀 패턴들(GR2) 각각은 제1 방향(D1)으로 제3 폭(W3)을 가질 수 있다. 제2 폭(W2)과 제3 폭(W3)은 서로 다를 수 있다. 예를 들어, 제3 폭(W3)은 제2 폭(W2)보다 클 수 있다. 제2 폭(W2)과 제3 폭(W3)이 서로 다른 점으로 인해, 후술하는 qBIC(quasi-bound states in the continuum)가 형성될 수 있다. 다만, 제1 폭(W1)은 제2 폭(W2)보다 크고 제3 폭(W3)보다 작은 것처럼 도시되었으나, 이는 설명의 편의를 위한 것일 뿐 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
제2 폭(W2)과 제3 폭(W3)의 차이가 커질수록(즉, 대칭성이 크게 깨질수록) 광학적 공진 모드를 형성함에 있어서 알짜 쌍극자가 더욱 잘 형성될 수 있다. 제2 폭(W2) 및 제3 폭(W3) 각각은 후술하는 그래핀 플라즈몬(graphene plasmon)이 유전체 패턴들(SR) 사이에서 패브리 페로(Fabry-Perot) 공진하도록 미리 결정될 수 있다.
제1 및 제2 그래핀 패턴들(GR1, GR2) 각각의 두께는 제2 두께(T2)보다 작을 수 있다. 제1 및 제2 그래핀 패턴들(GR1, GR2) 각각은 단일 층 구조(monolayer) 또는 2개 내지 10개의 층들이 적층된 다층 구조(multi-layer)를 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 그래핀 패턴들(GR1, GR2) 각각은 이차원 구조를 가질 수 있다.
제1 그래핀 패턴들(GR1) 중 하나를 사이에 두고 제1 방향(D1)으로 인접하는 두 개의 유전체 패턴들(SR)은 하나의 유전체 패턴 쌍(a pair of dielectric pattern, SRP)을 이룰 수 있다. 유전체 패턴 쌍(SRP)은 복수로 제공될 수 있다. 복수의 유전체 패턴 쌍들(SRP)은 제2 그래핀 패턴들(GR2) 중 하나를 사이에 두고 제1 방향(D1)으로 이격될 수 있다. 복수의 유전체 패턴 쌍들(SRP)은 제1 방향(D1)을 따라 주기적으로 배열되며, 서로 평행하게 제2 방향(D2)으로 연장될 수 있다. 복수의 유전체 패턴 쌍들(SRP)의 피치(P)는 제1 폭(W1)의 두 배, 제2 폭(W2) 및 제3 폭(W3)의 합으로 정의될 수 있다(즉, P=W1×2+W2+W3).
이하에서, 능동 2π 위상 변조를 위한 광학적 공진 모드의 이상적인 조건들, 여기서 발생하는 트레이드 오프(trade-off) 문제 및 본 발명에 따른 광 변조 소자의 메타 표면 구조가 트레이드 오프 문제에도 불구하고 이상적인 조건들을 만족시키기 위한 방법에 대하여 상세히 설명한다.
먼저, 능동 2π 위상 변조를 위한 광학적 공진 모드의 이상적인 조건들 및 여기서 발생하는 트레이드 오프 문제에 대하여 설명한다. 본 발명에 따른 광 변조 소자의 광학적 공진 모드에서, 위상은 공진 주파수(resonance frequency)를 중심으로 0 내지 2π의 범위를 가질 수 있다.
메타 표면에서 광이 공진할 때, 에너지 손실이 클수록 스펙트럼의 반치전폭(full width at half maximum; FWHM)이 커질 수 있고(즉, 공진 스펙트럼이 상대적으로 넓고(broad) 뭉툭해질(blunt) 수 있고), 반대로 에너지 손실이 작을수록 반치전폭(FWHM)이 작아질 수 있다(즉, 공진 스펙트럼은 좁고(narrow) 뾰족해질(sharp) 수 있다). 반치전폭(FWHM)이 작을수록 기준 주파수(즉, 측정 주파수)와 공진 주파수의 차이가 작더라도 위상 차이가 0 또는 2π에 가까워질 수 있고, 반치전폭(FWHM)이 클수록 기준 주파수와 공진 주파수의 차이가 더 커져야만 위상 차이가 0 또는 2π에 가까워질 수 있다.
하나의 미리 결정된 기준 주파수에서, 0 내지 2π까지의 위상 변화를 측정하기 위해서는 제1 조건 및 제2 조건을 모두 만족시켜야 한다. 제1 조건은 공진 주파수를 능동적으로 크게 바꾸는 것이고, 제2 조건은 공진 스펙트럼의 반치전폭(FWHM)을 줄이는 것(즉, 공진의 에너지 손실을 최소화하는 것)이다.
하지만, 여기서 트레이드 오프 문제가 발생한다. 공진이란 한쪽으로 쏠린 전하들의 진동이기 때문에, 능동적으로 공진을 바꿔주려면 더 많은 전자를 메타 표면 구조로 넣어주거나(즉, 메타 표면의 전자(음전하) 밀도를 높이거나), 반대로 전자를 빼주어야(즉, 메타 표면의 홀(양전하) 밀도를 높이거나) 하는데, 이때 전하들의 에너지 손실도 함께 커질 수 밖에 없다(즉, 공진 스펙트럼의 반치전폭(FWHM)이 커질 수 밖에 없다).
상술한 내용을 수학적으로 설명한다. 먼저 공진 주파수의 변화(frequency shift of resonance; )는 하기 [수학식 1]로 주어지고,
[수학식 1]
반치전폭(FWHM)은 하기 [수학식 2]로 주어지는 에너지 손실률(dissipative loss rate; 1/)과 비례한다.
[수학식 2]
공진 주파수를 크게 바꾸기 위해서는 [수학식 1]에서 분자가 커지고 분모가 작아져야 하고, 공진 스펙트럼의 반치전폭(FWHM)을 줄이기 위해서는(즉, 공진 스펙트럼이 좁고(narrow) 뾰족해지게(sharp) 하려면) [수학식 2]에서 분자가 작아지고 분모가 커져야 한다. 먼저, [수학식 1] 및 [수학식 2]의 분모가 동일하므로, [수학식 1]의 분모가 작아지는 것과 [수학식 2]의 분모가 커지는 것은 동시에 달성될 수 없다. 또한, [수학식 1]에서 분자가 커지려면 전하 밀도를 크게 바꿔야 하는데, 이 경우 [수학식 2]의 분자도 함께 커지기 때문에, [수학식 1]의 분자가 커지는 것과 [수학식 2]의 분자가 작아지는 것은 동시에 달성될 수 없다. 즉, 상술한 제1 조건 및 제2 조건을 동시에 만족시키기 어렵다.
제1 조건 및 제2 조건을 동시에 만족시키는 것(즉, 트레이드 오프 문제를 해결하는 것)은 능동 2π 위상 변조를 위한 광학적 공진 모드의 이상적인 조건들 중 하나이다.
이와 별개로, 위상 제어와 동시에 진폭을 일정하게 유지시키기 위해서는 공진 주파수를 능동적으로 변조하며 스펙트럼 상에서의 공진의 깊이가 달라져야 한다. 공진 주파수가 기준 주파수와 일치하는 순간(즉, 공진 주파수가 기준 주파수를 지나가는 순간), 공진의 깊이가 가장 얕아야 반사(또는 투과)되는 광의 진폭이 일정하게 유지될 수 있다. 반사용 메타 표면의 경우 공진의 깊이(또는 반사율)(depth of reflectivity(or reflectivity); R)는 하기 [수학식 3]으로 주어진다.
[수학식 3]
이때, 은 복사 손실률(radiation loss rate)이고, 는 내부 에너지 손실률(internal dissipative loss rate)이다. 보다 구체적으로, 은 입사광이 공진과 커플링되는 정도를 나타내는 척도이고, 는 공진의 에너지 손실을 나타내는 척도이다.
[수학식 3]을 참조하면, 공진의 깊이(또는 반사율)(R)를 잘 조절하기 위해서는 제어 매개변수(control parameter, )를 잘 조절해야 한다는 것을 알 수 있다. 는 물질의 특성과 큰 관련이 있기 때문에 조절하는 데 한계가 있고 결국 에 대한 조절이 가능해야 한다는 것을 알 수 있다.
위상을 능동적으로 제어하는 동시에 진폭을 일정하게 유지하는 것은 능동 2π 위상 변조를 위한 광학적 공진 모드의 이상적인 조건들 중 다른 하나이다. 진폭을 일정하게 유지하는 것은 제3 조건으로 지칭될 수 있다. 결론적으로, 능동 2π 위상 변조를 위해서 광학적 공진 모드는 제1 조건, 제2 조건 및 제3 조건을 동시에 만족시킬 수 있어야 한다.
본 발명에 따른 광 변조 소자를 이용한 위상 변조 방법은 두 가지 공진들과 이 공진들의 교차 회피(avoided crossing) 현상을 이용하여 광학적 공진 모드의 이상적인 조건들을 만족시킬 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 광 변조 소자를 이용한 위상 변조 방법은 두 가지 공진들과 이 공진들의 교차 회피 현상을 이용하여 트레이드 오프 문제를 해결하고 진폭을 일정하게 유지할 수 있다. 이때, 교차 회피 현상이란 두 개의 서로 다른 공진들이 서로 근접할 때(즉, 서로 다른 공진들의 공진 주파수가 비슷해질 때), 공진 주파수들이 서로 겹치지 않고 교차하면서 하나의 공진이 다른 공진을 '밀어내는(push)' 현상을 의미한다.
보다 구체적으로, 본 발명에 따른 광 변조 소자를 이용한 위상 변조 방법은 상술한 제1 조건을 만족시키는(즉, 공진 주파수가 능동적으로 크게 바뀌는) 제1 공진과 상술한 제2 조건을 만족시키는(즉, 공진 스펙트럼의 반치전폭(FWHM)이 작은) 제2 공진의 교차 회피 현상을 이용한다. 제1 공진은 빨리 움직이는 공진(fast-moving resonance)으로 지칭될 수 있고, 제2 공진은 얇은 공진(narrow resonance)으로 지칭될 수 있다. 교차 회피 현상이 발생하기 위해서 제1 공진의 전기장 분포 및 제2 공진의 전기장 분포는 적어도 일부가 서로 겹칠 수 있다. 수학적으로 말하면, 제1 공진 및 제2 공진은 하기 [수학식 4]를 만족시킬 수 있다.
[수학식 4]
이때, 는 제1 공진의 전기장 벡터이고, 는 제2 공진의 전기장 벡터이며, k는 상수이다. 보다 우수한 변조 성능을 위해서 값은 0보다 크고 미리 결정된 값을 가질 수 있다.
제1 공진은 제2 공진을 옆으로 '밀어내서' 기준 주파수를 빠르게 넘어가도록 만들 수 있고, 이 경우 제1 조건 및 제2 조건을 동시에 만족시킬 수 있다(즉, 트레이드 오프 문제를 해결할 수 있다).
제1 공진은, 예를 들어, 그래핀 플라즈몬일 수 있다. 그래핀 플라즈몬은 2차원 물질인 그래핀 상에서 일어나는 것이므로, 공진의 모드 부피를 나타내는 [수학식 1]의 분모를 매우 작아지게 할 수 있고, 전하 밀도가 빠르게 바뀌어 [수학식 1]의 분자를 커지게 할 수 있다. 즉, 그래핀 플라즈몬은 [수학식 1]을 극대화할 수 있기 때문에 빨리 움직이는 공진(fast-moving resonance)에 이용될 수 있다.
제2 공진은, 예를 들어, qBIC(quasi-bound states in the continuum)일 수 있다. 즉, qBIC는 얇은 공진(narrow resonance)에 이용될 수 있다.
본 발명에 따른 광 변조 소자의 메타 표면으로 광이 입사되는 경우, 유전체 패턴들(SR) 각각의 내부 또는 유전체 패턴들(SR) 사이에 다중극자들(주로 쌍극자들)이 형성되며 이들이 진동함에 따라 광이 외부로 방출될 수 있다. BIC(bound states in the continuum)는 다중극자들이 외부로 방출하는 전자기파들이 대칭성에 의해 서로 상쇄되어 외부로 광이 방출되지 않는 모드를 의미한다. 즉, BIC가 형성되는 경우, 광이 메타 표면으로 입사되더라도 외부로 방출(또는 반사)되는 광은 영향을 받지 않을 수 있다(즉, 위상이 변조되지 않을 수 있다). 따라서, 방출광의 위상을 변조하기 위해서는 이 대칭성을 깨야 한다. 대칭성을 깨는 것은 구조적인 변수를 바꾸는 것을 통해 수행될 수 있다. 예를 들어, 유전체 패턴들(SR) 사이에 제공되는 제1 및 제2 그래핀 패턴들(GR1, GR2) 각각의 폭을 서로 다르게 하는 것을 통해 대칭성을 깰 수 있다. qBIC는 대칭성이 깨져서 외부로 광을 방출하는 모드를 의미한다. qBIC를 이용하는 경우, 구조적인 변수를 통해 메타 표면 내에 다중극자들이 형성되는 정도를 조절할 수 있다. 또한, qBIC는 진폭을 일정하게 유지하는 것(즉, 제3 조건을 만족시키는 것)을 도울 수 있다.
본 발명에 따른 광 변조 소자는 균일한 진폭을 유지하면서 능동적으로 2π 이상의 위상 변조를 가능케 하므로, 파면 성형(wavefront shaping), 홀로그래피(holography), 투명 망토(invisibility cloak)뿐만 아니라 중적외선 스펙트럼을 이용하는 분광학, 보안 산업, 화학, 생화학 및 생태학 등 다양한 학문 분야에 활용될 수 있다.
도 2a는 비교예에 따른 광 변조 소자를 설명하기 위한 사시도이다. 도 2b는 비교예에 따른 광 변조 소자를 설명하기 위한 단면도로, 도 2a를 Ⅰ-Ⅰ'선으로 자른 단면에 대응된다. 이하에서, 설명의 편의를 위하여 도 1a 및 도 1b를 참조하여 설명한 것과 실질적으로 동일한 사항에 대한 설명을 생략하고, 차이점에 대하여 상세히 설명한다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 절연막(130) 상에 그래핀층(GR)이 제공될 수 있다. 그래핀층(GR)은 절연막(130)의 상면(130t)을 완전히 덮을 수 있다. 그래핀층(GR) 상에 복수의 유전체 패턴들(SR)이 제공될 수 있다. 유전체 패턴들(SR)과 절연막(130) 사이에 그래핀층(GR)이 개재될 수 있다. 유전체 패턴들(SR)은 절연막(130)과 직접 접촉하지 않을 수 있다. 그래핀층(GR)은 유전체 패턴들(SR)의 측벽들(SW)과 접촉하지 않을 수 있다. 다만, 유전체 패턴들(SR)이 배열되는 방식은 도 1a 및 도 1b를 참조하여 설명한 것과 실질적으로 동일할 수 있다.
도 2a 및 도 2b를 참조하여 설명한 것과 같은 비교예에 따른 광 변조 소자는 qBIC를 이용할 수 있으나, 교차 회피 현상을 이용할 수 없다는 점에서 도 1a 및 도 1b를 참조하여 설명한 본 발명의 실시예에 따른 광 변조 소자와 차이가 있다.
도 3a, 도 3b 및 도 3c는 도 2a 및 도 2b에 따른 광 변조 소자를 이용한 위상 변조를 설명하기 위한 도면들이다. 도 4a, 도 4b 및 도 4c는 본 발명의 실시예에 따른 광 변조 소자를 이용한 위상 변조를 설명하기 위한 도면들이다. 보다 구체적으로, 도 3a 및 도 4a는 페르미 레벨의 변화(0 eV부터 1 eV까지)에 따른 위상 변조 결과를 복소 평면 상에 나타낸 그래프들로, 가로 축은 복소 진폭(complex amplitude, r)의 실수부를 나타내고 세로 축은 복소 진폭(r)의 허수부를 나타낸다. 도 3b 및 도 4b는 페르미 레벨(Fermi level) 및 주파수(frequency)에 대한 반사율(reflectivity)의 변화를 나타내는 그래프들로, 가로 축의 단위는 eV이고 세로 축의 단위는 THz이며 반사율은 0 내지 1의 값을 갖는다. 도 3c 및 도 4c는 페르미 레벨(Fermi level) 및 주파수(frequency)에 대한 위상(phase)의 변화를 나타내는 그래프들로, 가로 축의 단위는 eV이고 세로 축의 단위는 THz이며 위상은 -π 내지 π의 값을 갖는다. 도 3b 및 도 3c에서 a 지점을 지나가는 직선 및 도 4b 및 도 4c에서 b 지점을 지나가는 직선은 qBIC를 나타내고, 도 4b 및 도 4c에서 각각 c 지점 및 d 지점을 지나가는 직선들(GP1, GP2)은 그래핀 플라즈몬을 나타낸다.
먼저 도 1b 및 도 2b를 참조하면, 도 3a 내지 도 3c 및 도 4a 내지 도 4c는 제1 폭(W1)이 약 2480 nm, 제2 폭(W2)이 약 40 nm, 제3 폭(W3)이 약 320 nm, 피치(P)가 약 5320 nm, 제1 두께(T1)가 약 640 nm, 제2 두께(T2)가 약 160 nm으로 설계된 광 변조 소자를 이용하여 측정된 결과들이다. 다만, 이는 최적화된 설계의 일 예일 뿐이며 본 발명에 따른 광 변조 소자는 상기 수치들에 제한되지 않는다.
도 3a 및 도 4a를 비교하여 참조하면, 비교예에 따른 광 변조 소자는 완전한(complete) 2π 위상 변조를 구현하지 못하는 데 반해, 본 발명의 실시예에 따른 광 변조 소자는 약 3π에 가까운 위상 변조를 구현할 수 있다. 이를 통해, 완전한 2π 위상 변조를 위해 그래핀 플라즈몬의 충분한 여기(excitation) 및 교차 회피 현상을 이용하는 것이 필요함을 알 수 있다.
도 3b 및 도 4b 또는 도 3c 및 도 4c를 비교하여 참조하면, 비교예와 달리, 본 발명의 실시예들에 따른 광 변조 소자에서 교차 회피 현상이 발생함을 확인할 수 있다.
도 5a, 도 5b 및 도 5c는 본 발명의 실시예에 따른 광 변조 소자를 이용한 위상 변조 방법에 이용되는 교차 회피 현상을 설명하기 위한 그래프들이다. 보다 구체적으로, 도 5a는 제어 매개변수()에 대한 주파수의 변화를 나타내는 그래프이고, 도 5b는 주파수에 대한 반사율(R)(또는 투과율(T))을 나타내는 그래프이며, 도 5c는 주파수에 대한 위상을 나타내는 그래프이다. 위상은 -2π 내지 2π의 값을 갖는다.
도 5a를 참조하면, 제어 매개변수(p)가 제1 값(i)으로부터 제2 값(ii)을 거쳐 제3 값(iii)으로 변화함에 따라 제1 공진(R1) 및 제2 공진(R2)의 교차 회피가 발생할 수 있다. 제1 공진(R1)은 상술한 빨리 움직이는 공진(fast-moving resonance)에 해당할 수 있고, 제2 공진(R2)은 상술한 얇은 공진(narrow resonance)에 해당할 수 있다.
도 5b를 참조하면, 제어 매개변수(p)가 제1 값(i)으로부터 제2 값(ii)으로 변화함에 따라 제1 공진(R1)과 제2 공진(R2)은 주파수 축 상에서 서로 가까워질 수 있다. 또한, 제어 매개변수(p)가 제2 값(ii)으로부터 제3 값(iii)으로 변화함에 따라 제1 공진(R1)과 제2 공진(R2)은 주파수 축 상에서 서로 가까워질 수 있다. 제1 공진(R1)이 제2 공진(R2)을 '밀어냄'에 따라 제2 공진(R2)은 기준 주파수(RF)를 빠르게 넘어갈 수 있고, 상술한 트레이드 오프 문제가 해결될 수 있다.
도 5c를 참조하면, 기준 주파수(RF) 상에서 위상의 변화량은 2π 이상일 수 있다. 보다 구체적으로, 기준 주파수(RF) 상에서 위상의 변화량은 2π 내지 4π일 수 있다.
도 6a는 도 2a 및 도 2b에 따른 광 변조 소자를 이용한 위상 변조 시의 전기장 분포를 설명하기 위한 도면으로, 도 3b 및 도 3c의 a 지점의 전기장 분포를 나타낸다. 도 6b, 도 6c 및 도 6d는 본 발명의 실시예에 따른 광 변조 소자를 이용한 위상 변조 시의 전기장 분포를 설명하기 위한 도면들로, 각각 도 4b 및 도 4c의 b, c 및 d 지점의 전기장 분포를 나타낸다. 보다 구체적으로, 도 6a 내지 도 6d의 세로 축은 이고, 절연막(130)의 굴절률은 약 2일 수 있다. 또한, 도 1b 또는 도 2b를 함께 참조하면, 도 6a, 도 6b 및 도 6c는 제2 폭(W2)에 대응되는 유전체 패턴들(SR) 사이 공간인 X를 확대한 것이고, 도 6d는 제3 폭(W3)에 대응되는 유전체 패턴들(SR) 사이 공간인 Y를 확대한 것이다.
도 6a를 참조하면, 비교예에 따른 광 변조 소자의 경우에도 그래핀 플라즈몬 및 qBIC가 공존함을 알 수 있다. 유전체 패턴들(SR)의 하부에 나타나는 반복적인 전기장 분포가 그래핀 플라즈몬에 해당하고, 유전체 패턴들(SR) 각각의 측벽에 나타나는 전기장 분포가 qBIC에 해당한다.
도 6b 및 도 6c를 도 6a와 비교하여 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 광 변조 소자에서도 그래핀 플라즈몬 및 qBIC가 공존하며, 도 6b 및 도 6c에서 그래핀 플라즈몬에 해당하는 유전체 패턴들(SR) 사이의 전기장은 도 6a에서 그래핀 플라즈몬에 해당하는 전기장보다 크다는 것을 알 수 있다. 참고로, 도 6c 및 도 6d를 참조하면, c 지점에 해당하는 제1 그래핀 플라즈몬(GP1)은 유전체 패턴들(SR) 사이 공간의 바닥에서 주로 여기되며, d 지점에 해당하는 제2 그래핀 플라즈몬(GP2)은 유전체 패턴들(SR) 각각의 측벽에서 주로 여기됨을 알 수 있다.
도 7a는 도 2a 및 도 2b에 따른 광 변조 소자를 이용한 위상 변조의 그래핀 이동도(graphene mobility, μs) 의존성을 설명하기 위한 도면이다. 도 7b는 본 발명의 실시예에 따른 광 변조 소자를 이용한 위상 변조의 그래핀 이동도(μs) 의존성을 설명하기 위한 도면이다. 보다 구체적으로, 도 7a 및 도 7b는 페르미 레벨의 변화 및 그래핀 이동도(μs) 변화에 따른 위상 변조 결과를 복소 평면 상에 나타낸 그래프들로, 가로 축은 복소 진폭(complex amplitude, r)의 실수부를 나타내고 세로 축은 복소 진폭(r)의 허수부를 나타낸다.
도 7a 및 도 7b를 참조하면, 공통적으로 그래핀 이동도(μs)가 커질수록 복소 진폭(r)의 절댓값이 커질 수 있다. 또한, 도 3a 및 도 4a에서 확인한 바와 같이 비교예에 따른 광 변조 소자는 완전한(complete) 2π 위상 변조를 구현하지 못하는 데 반해, 본 발명의 실시예에 따른 광 변조 소자는 약 3π에 가까운 위상 변조를 구현할 수 있다. 이를 통해, 완전한 2π 위상 변조를 위해 그래핀 플라즈몬의 충분한 여기(excitation) 및 교차 회피 현상을 이용하는 것이 필요함을 알 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 변조 소자를 설명하기 위한 사시도이다. 이하에서, 설명의 편의를 위하여 도 1a 및 도 1b를 참조하여 설명한 것과 실질적으로 동일한 사항에 대한 설명을 생략하고, 차이점에 대하여 상세히 설명한다.
도 8을 참조하면, 절연막(130) 상에 제1 유전체 패턴들(SR1) 및 제2 유전체 패턴들(SR2)이 제공될 수 있다. 제1 유전체 패턴들(SR1)은 제1 방향(D1)을 따라 배열되며 제1 방향(D1)으로 서로 이격될 수 있다. 제2 유전체 패턴들(SR2)도 제1 방향(D1)을 따라 배열되며 제1 방향(D1)으로 서로 이격될 수 있다. 제1 유전체 패턴들(SR1)은 두 개씩 제1 유전체 패턴 쌍(SRP1)을 이룰 수 있고, 제2 유전체 패턴들(SR2)은 두 개씩 제2 유전체 패턴 쌍(SRP2)을 이룰 수 있다. 제1 유전체 패턴들(SR1)(또는 제1 유전체 패턴 쌍(SRP1))이 제1 방향(D1)으로 배열되는 방식 및 제2 유전체 패턴들(SR2)(또는 제2 유전체 패턴 쌍(SRP2))이 제1 방향(D1)을 따라 배열되는 방식은 도 1a 및 도 1b를 참조하여 설명한 유전체 패턴들(SR)이 제1 방향(D1)을 따라 배열되는 방식과 실질적으로 동일할 수 있다. 제1 유전체 패턴들(SR1) 각각은 제2 유전체 패턴들(SR2) 중 어느 하나와 제2 방향(D2)으로 마주볼 수 있다. 제2 방향(D2)으로 마주보는 제1 유전체 패턴들(SR1) 및 제2 유전체 패턴들(SR2)은 제2 방향(D2)으로 서로 이격될 수 있다.
그래핀층(GR)은 제1 및 제2 유전체 패턴들(SR1, SR2)에 의해 노출된 절연막(130)의 상면(130t)을 덮을 수 있다. 제1 및 제2 유전체 패턴들(SR1, SR2) 및 그래핀층(GR)에 의해 절연막(130)의 상면(130t)은 완전히 덮일 수 있다. 도 8을 참조하여 설명한 광 변조 소자는 제1 방향(D1)으로 편광된 광뿐만 아니라 제2 방향(D2)으로 편광된 광에 대해서도 위상을 변조할 수 있다.
본 명세서에서 설명한 광 변조 소자의 실시예들에도 불구하고, 본 발명에 따른 광 변조 소자는 특정한 구조에 제한되지 않으며 두 가지 공진들과 이 공진들의 교차 회피 현상을 이용하여 광학적 공진 모드의 이상적인 조건들을 만족시키도록 설계된 다양한 구조들을 가질 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 광 변조 소자를 이용한 위상 변조 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 9를 참조하면, 본 발명에 따른 광 변조 소자를 이용한 위상 변조 방법은 광 변조 소자로 광을 입사시키는 것(S100), 광 변조 소자 상에 제1 공진 및 제2 공진을 형성하는 것(S200), 제1 공진 및 제2 공진의 교차 회피 현상을 이용하는 것(S300), 및 제1 조건, 제2 조건 및 제3 조건을 동시에 만족시키며 광의 위상을 변조하는 것(S400)을 포함할 수 있다.
이때, 제1 공진은 제2 공진에 비해 빨리 움직이는 공진(fast-moving resonance)으로, 예를 들어, 그래핀 플라즈몬일 수 있고, 제2 공진은 상기 제1 공진에 비해 스펙트럼이 얇은 공진(narrow resonance)으로, 예를 들어, qBIC일 수 있다. 제1 조건은 공진 주파수를 능동적으로 크게 바꾸는 것이고, 제2 조건은 공진 스펙트럼의 반치전폭(FWHM)을 줄이는 것(즉, 공진의 에너지 손실을 최소화하는 것)이며, 제3 조건은 진폭을 일정하게 유지하는 것이다. 본 발명에 따른 광 변조 소자를 이용한 위상 변조 방법에 따르면 위상의 변화량은 2π 이상일 수 있다. 보다 구체적으로, 위상의 변화량은 2π 내지 4π일 수 있다.
이상, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (20)

  1. 반사판;
    상기 반사판 상의 절연막;
    상기 절연막 상에서 제1 방향을 따라 배열되고, 서로 평행하게 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 연장되는 유전체 패턴들; 및
    상기 유전체 패턴들 사이에 제공되며, 상기 제1 방향을 따라 교번적으로 배열되는 제1 그래핀 패턴들 및 제2 그래핀 패턴들을 포함하되,
    상기 유전체 패턴들 및 상기 제1 및 제2 그래핀 패턴들은 상기 절연막의 상면을 완전히 덮고,
    상기 제1 그래핀 패턴들 중 하나를 사이에 두고 상기 제1 방향으로 인접하는 두 개의 유전체 패턴들은 하나의 유전체 패턴 쌍을 이루고,
    상기 유전체 패턴 쌍은 복수로 제공되고,
    상기 유전체 패턴 쌍들은 상기 제2 그래핀 패턴들 중 하나를 사이에 두고 상기 제1 방향으로 이격되고,
    상기 제1 그래핀 패턴들 각각의 상기 제1 방향으로의 폭은 상기 제2 그래핀 패턴들 각각의 상기 제1 방향으로의 폭과 다른 광 변조 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 그래핀 패턴들 각각은 상기 유전체 패턴들의 측벽들과 양쪽에서 직접 접촉하는 광 변조 소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 유전체 패턴들은 상기 절연막의 상면과 직접 접촉하는 광 변조 소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 그래핀 패턴들 각각은 단일 층 구조 또는 2개 내지 10개의 층들이 적층된 다층 구조를 갖는 광 변조 소자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 유전체 패턴 쌍들은 상기 제1 방향을 따라 주기적으로 배열되는 광 변조 소자.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 그래핀 패턴들 각각의 상기 제1 방향으로의 폭 및 상기 제2 그래핀 패턴들 각각의 상기 제1 방향으로의 폭은 그래핀 플라즈몬이 상기 유전체 패턴들 사이에서 패브리 페로(Fabry-Perot) 공진하도록 미리 결정되는 광 변조 소자.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 유전체 패턴들은 제1 유전체 패턴들 및 상기 제1 유전체 패턴들과 상기 제2 방향으로 마주보며 상기 제2 방향으로 서로 이격되는 제2 유전체 패턴들을 포함하는 광 변조 소자.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 반사판은 금속 물질 또는 도전성 금속 질화물을 포함하는 광 변조 소자.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 유전체 패턴들은 실리콘(Si)을 포함하는 광 변조 소자.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 유전체 패턴들 각각의 두께 및 상기 제1 방향으로의 폭은 동일한 광 변조 소자.
  11. 반사판, 상기 반사판 상의 절연막, 상기 절연막 상에서 제1 방향을 따라 배열되고, 서로 평행하게 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 연장되는 유전체 패턴들, 및 상기 유전체 패턴들 사이에 제공되며, 상기 제1 방향을 따라 교번적으로 배열되는 제1 그래핀 패턴들 및 제2 그래핀 패턴들을 포함하는 광 변조 소자를 이용한 위상 변조 방법에 있어서,
    상기 광 변조 소자로 광을 입사시키는 것;
    상기 광이 상기 광 변조 소자로 입사된 후, 상기 광 변조 소자 상에 서로 다른 제1 공진 및 제2 공진을 형성하는 것; 및
    상기 제1 공진 및 상기 제2 공진이 형성된 후, 상기 제1 공진 및 상기 제2 공진의 교차 회피 현상을 이용하여, 공진 주파수를 능동적으로 크게 바꾸는 제1 조건, 공진 스펙트럼의 반치전폭(FWHM)을 줄이는 제2 조건 및 진폭을 일정하게 유지하는 제3 조건을 동시에 만족시키며 광의 위상을 변조하는 것을 포함하는 위상 변조 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제1 공진은 상기 제2 공진에 비해 빨리 움직이고,
    상기 제1 공진은 그래핀 플라즈몬(graphene plasmon)인 위상 변조 방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 제2 공진은 상기 제1 공진에 비해 스펙트럼이 얇고,
    상기 제2 공진은 qBIC(quasi-bound states in the continuum)인 위상 변조 방법.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 제1 공진의 전기장 분포 및 상기 제2 공진의 전기장 분포는 적어도 일부가 서로 겹치는 위상 변조 방법.
  15. 제 11 항에 있어서,
    광의 위상의 변화량은 2π 내지 4π인 위상 변조 방법.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 그래핀 패턴들의 그래핀 이동도(graphene mobility)가 커질수록 광의 복소 진폭의 절댓값이 커지는 위상 변조 방법.
  17. 제 11 항에 있어서,
    상기 제1 그래핀 패턴들 각각의 상기 제1 방향으로의 폭은 상기 제2 그래핀 패턴들 각각의 상기 제1 방향으로의 폭과 다른 위상 변조 방법.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 제1 그래핀 패턴들 각각의 상기 제1 방향으로의 폭 및 상기 제2 그래핀 패턴들 각각의 상기 제1 방향으로의 폭은 그래핀 플라즈몬이 상기 유전체 패턴들 사이에서 패브리 페로(Fabry-Perot) 공진하도록 미리 결정되는 위상 변조 방법.
  19. 제 11 항에 있어서,
    상기 유전체 패턴들 및 상기 제1 및 제2 그래핀 패턴들은 상기 절연막의 상면을 완전히 덮는 위상 변조 방법.
  20. 제 11 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 그래핀 패턴들 각각은 상기 유전체 패턴들의 측벽들과 양쪽에서 직접 접촉하고,
    상기 유전체 패턴들은 상기 절연막의 상면과 직접 접촉하는 위상 변조 방법.
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