KR102623516B1 - 메타물질 기반의 반사체와 이를 포함한 광학적 캐비티 구조체 및 수직 공진형 표면 발광 레이저 - Google Patents

메타물질 기반의 반사체와 이를 포함한 광학적 캐비티 구조체 및 수직 공진형 표면 발광 레이저 Download PDF

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Abstract

메타물질 기반 반사체와 이를 포함한 광학적 캐비티 구조체 및 수직 공진형 표면 발광 레이저에 관해 개시되어 있다. 개시된 메타물질 기반 반사체는 복수의 제1 나노구조체의 어레이를 포함하는 제1 메타물질층 및 상기 제1 메타물질층 상에 배치된 것으로 복수의 제2 나노구조체의 어레이를 포함하는 제2 메타물질층을 구비할 수 있다. 상기 복수의 제2 나노구조체의 배열 방향 및 배열 방식은 상기 복수의 제1 나노구조체의 배열 방향 및 배열 방식과 다를 수 있다. 상기 복수의 제1 나노구조체는 제1 방향을 따라 서로 나란하게 배열될 수 있고, 상기 복수의 제2 나노구조체는 상기 제1 방향과 다른 방향으로 배열되거나 상기 복수의 제2 나노구조체의 배열 방향은 영역에 따라 변화될 수 있다.

Description

메타물질 기반의 반사체와 이를 포함한 광학적 캐비티 구조체 및 수직 공진형 표면 발광 레이저{Metamaterial-based reflector, optical cavity structure including the same and vertical cavity surface emitting laser}
개시된 실시예들은 반사체(미러)와 이를 포함하는 광학적 캐비티 구조체 및 수직 공진형 표면 발광 레이저에 관한 것이다.
수직 공진형 표면 발광 레이저(Vertical cavity surface emitting laser; 이하 VCSEL)는 측면 발광 레이저(Edge emitting laser; 이하 EEL)와 비교하여 광 이득 길이(gain length)가 짧아 저전력화가 가능하고 수직 발광으로 인해 이차원 어레이로 제작할 수 있어 고밀도 집적화 및 대량 생산에 유리하다. 기존 EEL은 광 출력이 비대칭적인데 반해, VCSEL은 원형 대칭적인 출력 모드를 제공하므로 효율적으로 광섬유에 연결하여 저잡음으로 안정적인 고속 변조가 가능하다.
VCSEL은 약 98% 이상의 높은 반사율을 갖는 분산 브래그 반사체(distributed Bragg reflector; 이하 DBR)를 레이저 공진기를 구성하기 위해 구비하고 있다. 굴절률이 서로 다른 두 물질의 쌍들로 구성된 DBR은, 높은 반사율을 얻기 위해, 통상 수십 쌍의 적층 구조가 요구된다. 또한, DBR은 두 물질의 경계에서 발생하는 포톤 산란(phonon scattering)에 의해 낮은 열전도도(또는, 높은 열저항)를 갖는다. DBR의 단점들을 보완하면서, 광의 제어 및 발광 특성을 개선할 수 있는 기술 및 방법이 요구된다.
나노구조체 어레이(nanostructure arrary)를 이용한 메타물질(metamaterial) 기반의 반사체를 제공한다.
편광 및 수렴/발산 등 광의 특성을 용이하게 제어할 수 있는 메타물질 기반의 반사체를 제공한다.
상기 메타물질 기반의 반사체를 적용한 광학적 캐비티 구조체(optical cavity structure) 및 수직 공진형 표면 발광 레이저(VCSEL)를 제공한다.
일 측면(aspect)에 따르면, 복수의 제1 나노구조체의 어레이를 포함하는 제1 메타물질층; 및 상기 제1 메타물질층 상에 배치된 것으로, 복수의 제2 나노구조체의 어레이를 포함하는 제2 메타물질층;을 구비하고, 상기 복수의 제2 나노구조체는 상기 복수의 제1 나노구조체와 다르게 배열된 메타물질 기반 반사체(metamaterial-based reflector)가 제공된다.
상기 복수의 제2 나노구조체의 배열 방향 및 배열 방식은 상기 복수의 제1 나노구조체의 배열 방향 및 배열 방식과 다를 수 있다.
상기 복수의 제1 나노구조체는 제1 방향을 따라 서로 나란하게 배열될 수 있고, 상기 복수의 제2 나노구조체는 상기 제1 방향과 다른 방향으로 배열되거나 상기 복수의 제2 나노구조체의 배열 방향은 영역에 따라 변화될 수 있다.
상기 제1 메타물질층은 투과형 파장판(transmissive wave plate)일 수 있고, 상기 제2 메타물질층은 반사형 파장판(reflective wave plate)일 수 있다.
상기 복수의 제1 나노구조체는 제1 방향을 따라 서로 나란하게 배열될 수 있고, 상기 복수의 제2 나노구조체는 상기 제1 방향에 대해 θ만큼 회전된 제2 방향을 따라 서로 나란하게 배열될 수 있으며, 상기 θ는 90° 미만일 수 있다.
상기 복수의 제1 나노구조체는 제1 방향을 따라 서로 나란하게 배열될 수 있고, 상기 복수의 제2 나노구조체는 상기 제1 방향에 대해 회전하여 배열될 수 있으며, 상기 제2 나노구조체의 회전 각도는 영역에 따라 변화될 수 있다.
상기 메타물질 기반 반사체는 이를 투과하는 광을 원편광(circularly polarized) 시키도록 구성될 수 있다.
상기 메타물질 기반 반사체가 수렴형 거울(converging mirror) 또는 발산형 거울(diverging mirror)로 작용하도록 상기 복수의 제2 나노구조체의 배열 규칙이 설계될 수 있다.
상기 제1 메타물질층은 제1 투과형 파장판(transmissive wave plate)일 수 있고, 상기 제2 메타물질층은 제2 투과형 파장판일 수 있으며, 상기 제2 메타물질층 상에 배치된 분산 브래그 리플렉터(distributed Bragg reflector)(DBR)를 더 포함할 수 있다.
상기 복수의 제1 나노구조체는 제1 방향을 따라 서로 나란하게 배열될 수 있고, 상기 복수의 제2 나노구조체는 상기 제1 방향에 대해 θ만큼 회전된 제2 방향을 따라 서로 나란하게 배열될 수 있으며, 상기 θ는 90° 미만일 수 있다.
상기 복수의 제1 나노구조체는 제1 방향을 따라 서로 나란하게 배열될 수 있고, 상기 복수의 제2 나노구조체는 상기 제1 방향에 대해 회전하여 배열될 수 있으며, 상기 제2 나노구조체의 회전 각도는 영역에 따라 변화될 수 있다.
상기 메타물질 기반 반사체는 이를 투과하는 광을 선편광(linearly polarized) 시키도록 구성될 수 있다.
상기 메타물질 기반 반사체가 수렴형 거울(converging mirror) 또는 발산형 거울(diverging mirror)로 작용하도록 상기 복수의 제2 나노구조체의 배열 규칙이 설계될 수 있다.
다른 측면에 따르면, 전술한 메타물질 기반 반사체를 하나 이상 포함하는 광학소자가 제공된다.
다른 측면에 따르면, 광을 생성하는 이득층; 상기 이득층의 제1면에 배치된 분산 브래그 리플렉터(distributed Bragg reflector); 및 상기 이득층의 제2면에 배치된 메타물질 기반 반사체(metamaterial-based reflector);를 포함하고, 상기 메타물질 기반 반사체는 복수의 제1 나노구조체의 어레이를 포함하는 제1 메타물질층; 및 상기 제1 메타물질층 상에 복수의 제2 나노구조체의 어레이를 포함하는 제2 메타물질층;을 구비하고, 상기 복수의 제2 나노구조체는 상기 복수의 제1 나노구조체와 다르게 배열된 광학적 캐비티 구조체(optical cavity structure)가 제공된다.
상기 복수의 제1 나노구조체는 제1 방향을 따라 서로 나란하게 배열될 수 있고, 상기 복수의 제2 나노구조체는 상기 제1 방향과 다른 방향으로 배열되거나 상기 복수의 제2 나노구조체의 배열 방향은 영역에 따라 변화될 수 있다.
상기 복수의 제1 나노구조체는 제1 방향을 따라 서로 나란하게 배열될 수 있고, 상기 복수의 제2 나노구조체는 상기 제1 방향에 대해 θ만큼 회전된 제2 방향을 따라 서로 나란하게 배열될 수 있으며, 상기 θ는 90° 미만일 수 있다.
상기 복수의 제1 나노구조체는 제1 방향을 따라 서로 나란하게 배열될 수 있고, 상기 복수의 제2 나노구조체는 상기 제1 방향에 대해 회전하여 배열될 수 있으며, 상기 제2 나노구조체의 회전 각도는 영역에 따라 변화될 수 있다.
상기 제1 메타물질층은 투과형 파장판(transmissive wave plate)일 수 있고, 상기 제2 메타물질층은 반사형 파장판(reflective wave plate)일 수 있다.
상기 제1 메타물질층은 제1 투과형 파장판(transmissive wave plate)일 수 있고, 상기 제2 메타물질층은 제2 투과형 파장판일 수 있으며, 상기 메타물질 기반 반사체는 상기 제2 메타물질층 상에 배치된 별도의 분산 브래그 리플렉터(DBR)를 더 포함할 수 있다.
상기 메타물질 기반 반사체는 이를 투과하는 광을 원편광(circularly polarized) 시키도록 구성될 수 있다.
상기 메타물질 기반 반사체는 이를 투과하는 광을 선편광(linearly polarized) 시키도록 구성될 수 있다.
상기 메타물질 기반 반사체가 수렴형 거울(converging mirror) 또는 발산형 거울(diverging mirror)로 작용하도록 상기 복수의 제2 나노구조체의 배열 규칙이 설계될 수 있다.
다른 측면에 따르면, 전술한 광학적 캐비티 구조체를 포함하는 수직 공진형 표면 발광 레이저(vertical cavity surface emitting laser)가 제공된다.
나노구조체 어레이를 이용한 메타물질(metamaterial) 기반의 반사체를 구현할 수 있다. 편광 및 수렴/발산 등 광의 특성을 용이하게 제어할 수 있는 메타물질 기반의 반사체를 구현할 수 있다. 상기한 메타물질 기반의 반사체를 적용한 광학적 캐비티 구조체 및 수직 공진형 표면 발광 레이저(VCSEL)를 구현할 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 일 실시예에 따른 메타물질 기반 반사체(metamaterial-based reflector)를 보여주는 단면도이다.
도 2a는 도 1a 및 도 1b의 제1 메타물질층에 포함된 제1 나노구조체의 어레이를 보여주는 평면도이고, 도 2b는 제2 메타물질층에 포함된 제2 나노구조체의 어레이를 보여주는 평면도이다.
도 3a 및 도 3b는 다른 실시예에 따른 메타물질 기반 반사체를 보여주는 단면도이다.
도 4a는 도 3a 및 도 3b의 제1 메타물질층에 포함된 제1 나노구조체의 어레이를 보여주는 평면도이고, 도 4b는 제2 메타물질층에 포함된 제2 나노구조체의 어레이를 보여주는 평면도이다.
도 5a 및 도 5b는 다른 실시예에 따른 메타물질 기반 반사체를 보여주는 단면도이다.
도 6a는 도 5a 및 도 5b의 제1 메타물질층에 포함된 제1 나노구조체의 어레이를 보여주는 평면도이고, 도 6b는 제2 메타물질층에 포함된 제2 나노구조체의 어레이를 보여주는 평면도이다.
도 7a 및 도 7b는 다른 실시예에 따른 메타물질 기반 반사체를 보여주는 단면도이다.
도 8a는 도 7a 및 도 7b의 제1 메타물질층에 포함된 제1 나노구조체의 어레이를 보여주는 평면도이고, 도 8b는 제2 메타물질층에 포함된 제2 나노구조체의 어레이를 보여주는 평면도이다.
도 9는 일 실시예에 따른 메타물질 기반 반사체를 적용한 광학적 캐비티 구조체(optical cavity structure)를 보여주는 단면도이다.
도 10은 다른 실시예에 따른 메타물질 기반 반사체를 적용한 광학적 캐비티 구조체를 보여주는 단면도이다.
도 11은 다른 실시예에 따른 메타물질 기반 반사체를 적용한 광학적 캐비티 구조체를 보여주는 단면도이다.
도 12는 다른 실시예에 따른 메타물질 기반 반사체를 적용한 광학적 캐비티 구조체를 보여주는 단면도이다.
도 13은 일 실시예에 따른 메타물질 기반 반사체를 적용한 광학적 캐비티 구조체를 포함하는 수직 공진형 표면 발광 레이저(vertical cavity surface emitting laser)(VCSEL)를 보여주는 단면도이다.
도 14는 다른 실시예에 따른 메타물질 기반 반사체를 적용한 광학적 캐비티 구조체를 포함하는 수직 공진형 표면 발광 레이저(VCSEL)를 보여주는 단면도이다.
도 15a는 다른 실시예에 따른 것으로, 메타물질 기반 반사체를 적용한 광학적 캐비티 구조체를 포함하는 수직 공진형 표면 발광 레이저(VCSEL)를 보여주는 단면도이다.
도 15b는 도 15a의 수직 공진형 표면 발광 레이저(VCSEL)를 분리해서 보여주는 분리 단면도이다.
도 15c는 도 15b의 메타물질층에 포함된 복수의 나노구조체의 어레이를 예시적으로 보여주는 평면도이다.
도 16은 도 15b의 VCSEL의 하부 구조체에 대한 반사율(reflectivity) 및 위상 변화를 보여주는 그래프이다.
도 17은 도 15b의 VCSEL의 상부 구조체에 대한 반사 위상을 보여주는 그래프이다.
도 18 및 도 19는 실시예에 따른 메타물질 기반 반사체에 적용될 수 있는 메타물질층의 나노구조체의 어레이를 보여주는 이미지이다.
이하, 실시예들에 따른 메타물질 기반의 반사체와 이를 포함한 광학적 캐비티 구조체 및 수직 공진형 표면 발광 레이저를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부된 도면에 도시된 층이나 영역들의 폭 및 두께는 명세서의 명확성 및 설명의 편의성을 위해 다소 과장되어 있을 수 있다. 상세한 설명 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1a 및 도 1b는 일 실시예에 따른 메타물질 기반 반사체(metamaterial-based reflector)(100A)를 보여주는 단면도이다. 도 1a는 입사광의 투과 특성을 보여주고, 도 1b는 반사광의 특성을 보여준다. 메타물질 기반 반사체(100A)는 메타표면 미러(metasurface mirror) 또는 나노구조체 기반의 미러(nanostructure-based mirror)라고 할 수 있다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 메타물질 기반 반사체(100A)는 복수의 제1 나노구조체(n10)의 어레이를 포함하는 제1 메타물질층(M10) 및 제1 메타물질층(M10) 상에 배치된 것으로, 복수의 제2 나노구조체(n20)의 어레이를 포함하는 제2 메타물질층(M20)을 구비할 수 있다. 복수의 제2 나노구조체(n20)는 복수의 제1 나노구조체(n10)와 다르게 배열될 수 있다. 복수의 제2 나노구조체(n20)의 배열 방향 및 배열 방식은 복수의 제1 나노구조체(n10)의 배열 방향 및 배열 방식과 다를 수 있다. 예컨대, 복수의 제1 나노구조체(n10)는 제1 방향을 따라 서로 나란하게 배열될 수 있고, 복수의 제2 나노구조체(n20)는 상기 제1 방향과 다른 방향으로 배열될 수 있다. 제1 메타물질층(M10)은 제1 나노구조체 어레이층이라 할 수 있고, 제2 메타물질층(M20)은 제2 나노구조체 어레이층이라 할 수 있다. 참조번호 m10은 제1 물질층을, m20은 제2 물질층을 나타낸다. 제1 물질층(m10)의 굴절률은 제1 나노구조체(n10)의 굴절률보다 작을 수 있고, 제2 물질층(m20)의 굴절률은 제2 나노구조체(n20)의 굴절률보다 작을 수 있다. 제1 및 제2 물질층(m10, m20)은 각각 복수의 제1 및 제2 나노구조체(n10, n20)의 주위에서 이들과 콘택될 수 있으므로, '인접층' 또는 '콘택층'이라 할 수 있다. 제1 메타물질층(M10)은 복수의 제1 나노구조체(n10) 및 이들을 덮는 제1 물질층(m10)을 포함한다고 할 수 있고, 이와 유사하게, 제2 메타물질층(M20)은 복수의 제2 나노구조체(n20) 및 이들을 덮는 제2 물질층(m20)을 포함한다고 할 수 있다. 제1 및 제2 물질층(m10, m20)은 유전체나 절연체일 수 있다.
본 실시예에서 제1 메타물질층(M10)은 투과형 파장판(transmissive wave plate)일 수 있고, 제2 메타물질층(M20)은 반사형 파장판(reflective wave plate)일 수 있다. 예컨대, 제1 메타물질층(M10)은 투과형 1/4 파장판(transmissive quarter wave plate)일 수 있고, 제2 메타물질층(M20)은 반사형 1/2 파장판(reflective half wave plate)일 수 있다. 이 경우, 메타물질 기반 반사체(100A)는 별도의 미러(mirror) 부재 없이도 반사체(즉, 미러)의 기능을 수행할 수 있다. 메타물질 기반 반사체(100A)는 "bilayer metasurface mirror"라고 할 수 있다. 제2 메타물질층(M20)은 제2 나노구조체(n20)의 물질이나 형태, 크기, 패턴 간격 등에 따라, 반사형으로 디자인될 수 있고, 반사형 1/2 파장판으로 작용할 수 있다.
도 1a를 참조하면, 메타물질 기반 반사체(100A)는 이를 투과하는 광, 즉, 투과광(L30)을 원편광(circularly polarized) 시키도록 구성될 수 있다. 입사광(L10)이 X축에 대해 +45° 만큼 선편광(linearly polarized)된 경우, 투과광(L30)은 메타물질 기반 반사체(100A)에 의해 원편광될 수 있다.
도 1b를 참조하면, 메타물질 기반 반사체(100A)에 의해 반사되는 광, 즉, 반사광(L20)은 입사광(도 1a의 L10)의 선편광 상태를 유지할 수 있다. 즉, 반사광(L20)은 X축에 대해 +45° 만큼 선편광된 상태를 가질 수 있다.
도 2a는 도 1a 및 도 1b의 제1 메타물질층(M10)에 포함된 제1 나노구조체(n10)의 어레이를 보여주는 평면도이고, 도 2b는 제2 메타물질층(M20)에 포함된 제2 나노구조체(n20)의 어레이를 보여주는 평면도이다.
도 2a를 참조하면, 복수의 제1 나노구조체(n10)는 제1 방향(예컨대, X축 방향)을 따라 서로 나란하게 배열될 수 있고, 이차원적으로 배열될 수 있다.
도 2b를 참조하면, 복수의 제2 나노구조체(n20)는 상기 제1 방향에 대해 θ만큼 회전된 제2 방향을 따라 서로 나란하게 배열될 수 있다. 여기서, 상기 θ는 90° 미만일 수 있다.
복수의 제1 나노구조체(n10)의 배열 방향에 대하여 복수의 제2 나노구조체(n20)의 배열 방향을 바꿔줌으로써, 이들로 구성된 메타물질 기반 반사체(100A)는 도 1a 및 도 1b를 참조하여 설명한 바와 같은 광학적 특성을 나타낼 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 다른 실시예에 따른 메타물질 기반 반사체(100B)를 보여주는 단면도이다. 도 3a는 입사광의 투과 특성을 보여주고, 도 3b는 반사광의 특성을 보여준다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 메타물질 기반 반사체(100B)는 복수의 제1 나노구조체(n11)의 어레이를 포함하는 제1 메타물질층(M11) 및 제1 메타물질층(M11) 상에 배치된 것으로, 복수의 제2 나노구조체(n21)의 어레이를 포함하는 제2 메타물질층(M21)을 구비할 수 있다. 복수의 제2 나노구조체(n21)는 복수의 제1 나노구조체(n11)와 다르게 배열될 수 있다. 예컨대, 복수의 제1 나노구조체(n11)는 제1 방향을 따라 서로 나란하게 배열될 수 있고, 복수의 제2 나노구조체(n21)의 배열 방향은 제2 메타물질층(M21)의 영역에 따라 변화될 수 있다. 참조번호 m11은 제1 물질층을, m21은 제2 물질층을 나타낸다. 제1 메타물질층(M11)은 복수의 제1 나노구조체(n11) 및 이들을 덮는 제1 물질층(m11)을 포함한다고 할 수 있고, 이와 유사하게, 제2 메타물질층(M21)은 복수의 제2 나노구조체(n21) 및 이들을 덮는 제2 물질층(m21)을 포함한다고 할 수 있다.
본 실시예에서 제1 메타물질층(M11)은 투과형 파장판(transmissive wave plate)일 수 있고, 제2 메타물질층(M21)은 반사형 파장판(reflective wave plate)일 수 있다. 예컨대, 제1 메타물질층(M11)은 투과형 1/4 파장판(transmissive quarter wave plate)일 수 있고, 제2 메타물질층(M21)은 반사형 1/2 파장판(reflective half wave plate)일 수 있다.
본 실시예의 메타물질 기반 반사체(100B)는 수렴형 거울(converging mirror) 또는 발산형 거울(diverging mirror)로 작용할 수 있다. 이를 위해, 복수의 제2 나노구조체(n21)의 배열 규칙이 설계될 수 있다.
도 3a를 참조하면, 메타물질 기반 반사체(100B)는 이를 투과하는 광, 즉, 투과광(L31)을 원편광 시키도록 구성될 수 있다. 입사광(L11)이 X축에 대해 +45° 만큼 선편광된 경우, 투과광(L31)은 메타물질 기반 반사체(100B)에 의해 원편광될 수 있다.
도 3b를 참조하면, 메타물질 기반 반사체(100B)에 의해 반사되는 광, 즉, 반사광(L21)은 입사광(도 3a의 L11)의 선편광 상태를 유지할 수 있다. 즉, 반사광(L21)은 X축에 대해 +45° 만큼 선편광된 상태를 가질 수 있다. 메타물질 기반 반사체(100B)는 +45° 만큼 선편광된 입사광(도 3a의 L11)에 대해 초점거리(focal length)(f)를 갖는 수렴형 거울(converging mirror)과 같이 작용할 수 있다. 이를 위해, 복수의 제2 나노구조체(n21)의 배열 방향은, 도 4b를 참조하여 설명할 바와 같이, 제2 메타물질층(M21)의 영역에 따라 변화될 수 있다. 반사광(L21)은 초점거리(f)를 갖는 converging wavefront를 가질 수 있다. 이러한 메타물질 기반 반사체(100B)는 -45° 만큼 선편광된 입사광에 대해서는 음(-)의 초점거리, 즉, -f를 갖는 발산형 거울(diverging mirror)로 작용할 수 있다.
다시 도 3a를 참조하면, +45° 만큼 선편광된 입사광(L11)에 대해 투과광(L31)은 초점거리(f)에 해당하는 converging wavefront를 갖는 원편광된 광일 수 있다.
도 4a는 도 3a 및 도 3b의 제1 메타물질층(M11)에 포함된 제1 나노구조체(n11)의 어레이를 보여주는 평면도이고, 도 4b는 제2 메타물질층(M21)에 포함된 제2 나노구조체(n21)의 어레이를 보여주는 평면도이다.
도 4a를 참조하면, 복수의 제1 나노구조체(n11)는 제1 방향(예컨대, X축 방향)을 따라 서로 나란하게 배열될 수 있다.
도 4b를 참조하면, 복수의 제2 나노구조체(n21)는 상기 제1 방향에 대해 회전하여 배열되며, 제2 나노구조체(n21)의 회전 각도(rotation angle)는 영역에 따라 변화될 수 있다. 제2 메타물질층(M21)의 소정의 지점(예컨대, 중심)을 기준으로 그 외곽으로 갈수록 제2 나노구조체(n21)의 회전 각도는 점진적으로 변화(증가)될 수 있다. 이와 같이, 복수의 제1 나노구조체(n11)의 배열 방향에 대하여 복수의 제2 나노구조체(n21)의 배열 방향을 바꿔주되 영역에 따라 회전 각도를 변화시킴으로써, 이들로 구성된 메타물질 기반 반사체(100B)는 도 3a 및 도 3b를 참조하여 설명한 바와 같은 광학적 특성을 나타낼 수 있다.
이상의 실시예에서는 제1 메타물질층(M10, M11)이 투과형 파장판(transmissive wave plate)이고, 제2 메타물질층(M20, M21)이 반사형 파장판(reflective wave plate)인 경우를 도시하고 설명하였지만, 다른 실시예에 따르면, 제1 메타물질층이 제1 투과형 파장판일 수 있고, 상기 제2 메타물질층이 제2 투과형 파장판일 수 있다. 이와 같이, 제1 및 제2 메타물질층이 모두 투과형 파장판인 경우, 제2 메타물질층 상에 별도의 미러 부재, 예컨대, 분산 브래그 리플렉터(distributed Bragg reflector)(DBR)가 더 구비될 수 있다. 이에 대해서는, 도 5a 내지 도 8b를 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
도 5a 및 도 5b는 다른 실시예에 따른 메타물질 기반 반사체(100C)를 보여주는 단면도이다. 도 5a는 입사광의 투과 특성을 보여주고, 도 5b는 반사광의 특성을 보여준다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 메타물질 기반 반사체(100C)는 복수의 제1 나노구조체(n12)의 어레이를 포함하는 제1 메타물질층(M12) 및 제1 메타물질층(M12) 상에 배치된 것으로, 복수의 제2 나노구조체(n22)의 어레이를 포함하는 제2 메타물질층(M22)을 구비할 수 있다. 복수의 제2 나노구조체(n22)는 복수의 제1 나노구조체(n12)와 다르게 배열될 수 있다. 예컨대, 복수의 제1 나노구조체(n12)는 제1 방향을 따라 서로 나란하게 배열될 수 있고, 복수의 제2 나노구조체(n22)는 상기 제1 방향과 다른 방향으로 배열될 수 있다. 참조번호 m12은 제1 물질층을, m22은 제2 물질층을 나타낸다.
본 실시예에서 제1 메타물질층(M12)은 제1 투과형 파장판(transmissive wave plate)일 수 있고, 제2 메타물질층(M22)은 제2 투과형 파장판일 수 있다. 이 경우, 메타물질 기반 반사체(100C)는 제2 메타물질층(M22) 상에 구비된 별도의 미러 부재, 예컨대, 분산 브래그 리플렉터(distributed Bragg reflector)(DBR)(R12)를 더 포함할 수 있다. 제2 메타물질층(M22)은 제2 나노구조체(n22)의 물질이나 형태, 크기, 패턴 간격 등에 따라, 투과형으로 디자인될 수 있고, 투과형 파장판으로 작용할 수 있다. 분산 브래그 리플렉터(R12)는 굴절률이 서로 다른 두 개의 물질층을 발진 파장의 약 1/4 두께로 교대로 반복 적층하여 형성할 수 있다. 분산 브래그 리플렉터(R12)의 두 물질층의 굴절률 차이 및 두 물질층의 쌍이 반복 적층된 회수를 조절하여 분산 브래그 리플렉터(R12)의 반사율을 제어할 수 있다. 분산 브래그 리플렉터(R12)는, 예를 들어, 비정질 실리콘(a-Si)과 실리콘 산화물(SiO2)을 교대로 적층하여 형성할 수 있지만, 이에 한정되지 않고, 사용 물질은 달라질 수 있다. 굴절률 차를 형성할 수 있는 다양한 물질들이 사용될 수 있다.
도 5a를 참조하면, 메타물질 기반 반사체(100C)는 이를 투과하는 광, 즉, 투과광(L32)을 선편광(linearly polarized) 시키도록 구성될 수 있다. 입사광(L12)이 X축에 대해 +45° 만큼 선편광된 경우, 투과광(L32)은 메타물질 기반 반사체(100C)에 의해 -45° 만큼 선편광될 수 있다.
도 5b를 참조하면, 메타물질 기반 반사체(100C)에 의해 반사되는 광, 즉, 반사광(L22)은 입사광(도 5a의 L12)의 선편광 상태를 유지할 수 있다. 즉, 반사광(L22)은 X축에 대해 +45° 만큼 선편광된 상태를 가질 수 있다.
도 6a는 도 5a 및 도 5b의 제1 메타물질층(M12)에 포함된 제1 나노구조체(n12)의 어레이를 보여주는 평면도이고, 도 6b는 제2 메타물질층(M22)에 포함된 제2 나노구조체(n22)의 어레이를 보여주는 평면도이다.
도 6a를 참조하면, 복수의 제1 나노구조체(n12)는 제1 방향(예컨대, X축 방향)을 따라 서로 나란하게 배열될 수 있다.
도 6b를 참조하면, 복수의 제2 나노구조체(n22)는 상기 제1 방향에 대해 θ만큼 회전된 제2 방향을 따라 서로 나란하게 배열될 수 있다. 여기서, 상기 θ는 90° 미만일 수 있다.
복수의 제1 나노구조체(n12)의 배열 방향에 대하여 복수의 제2 나노구조체(n22)의 배열 방향을 바꿔줌으로써, 이들로 구성된 메타물질 기반 반사체(100C)는 도 5a 및 도 5b를 참조하여 설명한 바와 같은 광학적 특성을 나타낼 수 있다. 제1 나노구조체(n12)의 배열 방향에 대해 제2 나노구조체(n22)의 배열 방향(회전 각도)을 조절하여 반사광(도 5b의 L22)의 위상을 제어할 수 있다.
입사광(입력광)이 메타물질 기반 반사체(100C)의 polarization eigenstates(편광 고유상태) 중 어느 하나를 따라 편광된 경우, 입사광이 제1 메타물질층(M12)을 통과할 때, 그의 편광은 "elliptical polarization(타원 편광)"으로 변화될 수 있다. 타원 편광된 광(elliptical polarized light)이 제2 메타물질층(M22)을 통과할 때, 그의 편광은 선편광(linear polarization)으로 전환될 수 있다. 제1 메타물질층(M12)이 1/4 파장판(quarter wave plate)으로 작용하는 특별한 경우에는, 제1 및 제2 메타물질층(M12, M22) 사이에서 광의 편광 상태는 원형(circular)일 수 있다.
도 7a 및 도 7b는 다른 실시예에 따른 메타물질 기반 반사체(100D)를 보여주는 단면도이다. 도 7a는 입사광의 투과 특성을 보여주고, 도 7b는 반사광의 특성을 보여준다.
도 7a 및 도 7b를 참조하면, 메타물질 기반 반사체(100D)는 복수의 제1 나노구조체(n13)의 어레이를 포함하는 제1 메타물질층(M13) 및 제1 메타물질층(M13) 상에 배치된 것으로, 복수의 제2 나노구조체(n23)의 어레이를 포함하는 제2 메타물질층(M23)을 구비할 수 있다. 복수의 제2 나노구조체(n23)는 복수의 제1 나노구조체(n13)와 다르게 배열될 수 있다. 예컨대, 복수의 제1 나노구조체(n13)는 제1 방향을 따라 서로 나란하게 배열될 수 있고, 복수의 제2 나노구조체(n23)의 배열 방향은 제2 메타물질층(M23)의 영역에 따라 변화될 수 있다. 참조번호 m13은 제1 물질층을, m23은 제2 물질층을 나타낸다.
본 실시예에서 제1 메타물질층(M13)은 제1 투과형 파장판일 수 있고, 제2 메타물질층(M23)은 제2 투과형 파장판일 수 있다. 이 경우, 메타물질 기반 반사체(100D)는 제2 메타물질층(M23) 상에 구비된 별도의 미러 부재, 예컨대, 분산 브래그 리플렉터(distributed Bragg reflector)(DBR)(R13)를 더 포함할 수 있다.
본 실시예의 메타물질 기반 반사체(100D)는 수렴형 거울(converging mirror) 또는 발산형 거울(diverging mirror)로 작용할 수 있다. 이를 위해, 복수의 제2 나노구조체(n23)의 배열 규칙이 설계될 수 있다.
도 7a를 참조하면, 메타물질 기반 반사체(100D)는 이를 투과하는 광, 즉, 투과광(L33)을 선편광 시키도록 구성될 수 있다. 입사광(L13)이 X축에 대해 +45° 만큼 선편광된 경우, 투과광(L33)은 +45° 만큼 선편광된 상태를 유지할 수 있다.
도 7b를 참조하면, 메타물질 기반 반사체(100D)에 의해 반사되는 광, 즉, 반사광(L23)은 입사광(도 7a의 L13)의 선편광 상태를 유지할 수 있다. 즉, 반사광(L23)은 X축에 대해 +45° 만큼 선편광된 상태를 가질 수 있다. 메타물질 기반 반사체(100D)는 +45° 만큼 선편광된 입사광(도 7a의 L13)에 대해 초점거리(f)를 갖는 수렴형 거울(converging mirror), 즉, 포커싱 미러(focusing mirror)와 같이 작용할 수 있다. 이를 위해, 복수의 제2 나노구조체(n23)의 배열 방향은, 도 8b를 참조하여 설명할 바와 같이, 제2 메타물질층(M23)의 영역에 따라 변화될 수 있다. 반사광(L23)은 초점거리(f)를 갖는 converging wavefront를 가질 수 있다. 이러한 메타물질 기반 반사체(100D)는 -45° 만큼 선편광된 입사광에 대해서는 음(-)의 초점거리, 즉, -f를 갖는 발산형 거울(diverging mirror)로 작용할 수 있다.
다시 도 7a를 참조하면, +45° 만큼 선편광된 입사광(L13)에 대해 투과광(L33)은 1/2의 초점거리(즉, f/2)에 해당하는 converging wavefront를 갖는 선편광된 광일 수 있다.
도 8a는 도 7a 및 도 7b의 제1 메타물질층(M13)에 포함된 제1 나노구조체(n13)의 어레이를 보여주는 평면도이고, 도 8b는 제2 메타물질층(M23)에 포함된 제2 나노구조체(n23)의 어레이를 보여주는 평면도이다.
도 8a를 참조하면, 복수의 제1 나노구조체(n13)는 제1 방향(예컨대, X축 방향)을 따라 서로 나란하게 배열될 수 있다.
도 8b를 참조하면, 복수의 제2 나노구조체(n23)는 상기 제1 방향에 대해 회전하여 배열되며, 제2 나노구조체(n23)의 회전 각도(rotation angle)는 영역에 따라 변화될 수 있다. 제2 메타물질층(M23)의 소정의 지점(예컨대, 중심)을 기준으로 그 외곽으로 갈수록 제2 나노구조체(n23)의 회전 각도는 점진적으로 변화(증가)될 수 있다. 이와 같이, 복수의 제1 나노구조체(n13)의 배열 방향에 대하여 복수의 제2 나노구조체(n23)의 배열 방향을 바꿔주되 영역에 따라 회전 각도를 변화시킴으로써, 이들로 구성된 메타물질 기반 반사체(100D)는 도 7a 및 도 7b를 참조하여 설명한 바와 같은 광학적 특성을 나타낼 수 있다.
본원의 실시예는 편광 및 수렴/발산 등 광의 특성을 용이하게 제어할 수 있는 메타물질 기반의 반사체를 구현할 수 있다. 두 개의 메타물질층을 포함하는 bilayer metasurface mirror에서, 두 개의 메타물질층 중 어느 하나의 나노구조체(즉, meta-atoms)의 배열 방향을 다른 하나의 나노구조체(즉, meta-atoms)의 배열 방향에 대해서 회전시킴으로써, 상기 bilayer metasurface mirror의 반사 위상을 변화시킬 수 있다. 상기 bilayer metasurface mirror는 패브리-페롯(Fabry-Perot) 공진기 캐비티를 형성하는데 사용될 수 있고, 패브리-페롯 공진기 캐비티의 공진 파장은 두 개의 메타물질층 중 하나의 나노구조체(즉, meta-atoms)의 회전 각도에 의해 조절될 수 있다. 또한, 두 개의 메타물질층 중 어느 하나의 나노구조체(즉, meta-atoms)의 배열 방향에 대해 다른 하나의 나노구조체(즉, meta-atoms)의 회전 각도를 영역에 따라 변화시킴으로써, 수렴형 미러 또는 발산형 미러를 제조할 수 있다.
도 5a 내지 도 6b를 참조하여 설명한 메타물질 기반의 반사체(100C)에서 제1 및 제2 메타물질층(M12, M22) 각각은 투과형이고 복굴절(birefringent) 특성을 가질 수 있으며, 따라서, 적어도 부분적으로 파장판(즉, 위상 지연자; phase retarder)으로 작용할 수 있다. 제2 메타물질층(M22) 상에는 별도의 미러 부재, 예컨대, 분산 브래그 리플렉터(DBR)(R12)가 더 구비될 수 있다. 도 1a 내지 도 2b의 메타물질 기반의 반사체(100A)와 같이 제2 메타물질층(M20)이 반사형으로 디자인되는 경우, 상기 별도의 미러 부재(ex, DBR)는 배제될 수 있다.
X축이 제1 메타물질층(M12)의 fast axis 이고, 제1 및 제2 메타물질층(M12, M22)의 fast axes 사이의 각도를 θ 라고 가정하면, 전체층을 위한 존스 행렬(Jones matrix)은 아래 수학식 1과 같이 주어진다.
수학식 1에서 Γ1는 제1 메타물질층(M12)에 의한 지연(retardation)을, Γ2는 제2 메타물질층(M22)에 의한 지연을, W(Γ)는 위상 지연을 갖는 파장판의 존스 행렬(Jones matrix)을, R(θ)는 회전 행렬(rotation matrix)을 의미한다. 입사광은 제1 메타물질층(M12)을 통과한 후, 제2 메타물질층(M22)을 통과한 다음, 제2 메타물질층(M22)을 반대 방향으로 통과한 후, 다시 제1 메타물질층(M12)을 통과할 수 있다. 여기서, W(Γ)는 아래 수학식 2와 같을 수 있다.
수학식 2는 Γ의 지연(retardation)을 갖는 파장판의 존스 행렬(Jones matrix)이다. 또한, R(θ)는 아래 수학식 3과 같을 수 있다.
수학식 3은 회전 행렬(rotation matrix)이다. 제1 및 제2 메타물질층(M12, M22) 모두가 1/4 파장판(quarter wave plate)으로 작용하는 경우, 즉, Γ1 = Γ2 = π/2 인 경우, T 행렬은 아래 수학식 4와 같이 표현될 수 있다.
T의 두 가지 편광 고유상태(polarization eigenstates)는 X축에 대해 ±45°에 따라 선편광될 수 있다. 이러한 두 개의 편광에 대한 반사 위상은 ±2θ와 동일할 수 있고, 제1 메타물질층(M12)의 광축에 대한 제2 메타물질층(M22)의 광축을 회전함으로써 조절할 수 있다. 제1 메타물질층(M12)이 1/4 파장판(quarter wave plate)이 아닌 경우, 즉, Γ1 ≠ π/2 인 경우, 편광 고유상태(polarization eigenstates)는 선형적으로 편광될 수 있지만, 2π 보다 작은 위상 시프트(phase shift)가 θ의 변화에 의해 달성될 수 있다.
도 5a 및 도 5b에서 메타물질 기반의 반사체(100C)의 X축에 대해 +45° 만큼 선편광된 입사광(L12)에 대한 반사 효율(reflection coefficient)은 e- j2θ 일 수 있다. 즉, 입사광(L12)이 1 이라면, 반사광(L22)은 e- j2θ 일 수 있다. 또한, 메타물질 기반의 반사체(100C)의 X축에 대해 -45° 만큼 선편광된 입사광에 대한 반사 효율도 e- j2θ 일 수 있다. 도 1a 및 도 1b에서 메타물질 기반의 반사체(100A)의 X축에 대해 +45°(또는 -45°) 만큼 선편광된 입사광(L10)에 대한 반사 효율도 e- j2θ 일 수 있다.
이상의 실시예에서 제1 나노구조체(n10∼n13) 및 제2 나노구조체(n20∼n23)는 서브파장(subwavelength)의 형상 치수를 가질 수 있다. 여기서, 서브파장의 형상 치수라 함은 나노구조체(n10∼n13, n20∼n23)의 형상을 정의하는 치수인 두께나 폭 등이 반사체(100A∼100D)의 동작 파장보다 작음을 의미한다. 반사체(100A∼100D)의 동작 파장은 발진 파장 또는 공진 파장을 의미할 수 있다. 나노구조체(n10∼n13, n20∼n23)의 두께, 폭, 배치 간격(즉, pitch) 중 적어도 어느 하나는 발진 파장 또는 공진 파장의 1/2 이하일 수 있다.
나노구조체(n10∼n13, n20∼n23)는 유전체나 반도체 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 나노구조체(n10∼n13, n20∼n23)는 단결정 실리콘(single crystal silicon), 다결정 실리콘(poly-crystalline Si), 비정질 실리콘(amorphous Si), Si3N4, GaP, TiO2, AlSb, AlAs, AlGaAs, AlGaInP, BP, ZnGeP2 중 어느 하나의 물질을 포함할 수 있다. 또는, 나노구조체(n10∼n13, n20∼n23)는 전도성 물질로 이루어질 수도 있다. 전도성 물질로는 표면 플라즈몬 여기(surface plasmon excitation)가 일어날 수 있는 도전성이 높은 금속 물질이 채용될 수 있다. 예컨대, Cu, Al, Ni, Fe, Co, Zn, Ti, Ru, Rh, Pd, Pt, Ag, Os, Ir, Pt, Au 중에서 선택된 적어도 어느 하나가 채용될 수 있고, 이들 중 어느 하나를 포함하는 합금으로 이루어질 수도 있다. 또한, 그래핀(graphene)과 같이 전도성이 좋은 이차원 물질, 또는, 전도성 산화물이 채용될 수도 있다. 나노구조체(n10∼n13, n20∼n23)는 Ⅲ-Ⅴ족 반도체 화합물로 이루어질 수도 있다. 또는, 복수의 나노구조체(n10∼n13, n20∼n23) 중 일부는 고굴절률의 유전체 물질로 이루어지고, 다른 일부는 전도성 물질로 이루어지는 것도 가능하다.
나노구조체(n10∼n13, n20∼n23)는 비등방성 나노요소(anisotropic nanoelements)이거나 비등방성 나노요소를 포함할 수 있다. 나노구조체(n10∼n13, n20∼n23)는 XY 평면 상에 장축 및 단축을 가질 수 있다. 장축 방향으로의 치수를 길이(L)라 할 수 있고, 단축 방향으로의 치수를 폭(W)이라 할 수 있다. 한편, Z축 방향으로의 치수는 두께(T) 또는 높이(H)라 할 수 있다. 길이(L)는 폭(W)보다 클 수 있고, XY 평면 상에서 나노구조체(n10∼n13, n20∼n23)는 직사각형 또는 그와 유사한 형태를 가질 수 있다. 나노구조체(n10∼n13, n20∼n23)는 대체로 직사각형 모양을 가지면서 그 모서리들이 라운드진 형태를 가질 수 있다. 나노구조체(n10∼n13, n20∼n23)는 타원형 또는 그와 유사한 형태를 가질 수 있다. 나노구조체(n10∼n13, n20∼n23)는 십자형 또는 그와 유사한 형태를 가질 수 있다.
실시예들에 따른 메타물질 기반 반사체는 광학적 패브리-페롯(Fabry-Perot) 캐비티 구조체에 적용될 수 있다. 복수의 패브리-페롯 캐비티 구조체를 배열하되, 서로 다른 파장 및/또는 서로 다른 빔 프로파일(beam profile)을 갖는 복수의 패브리-페롯 캐비티 구조체를 동일한 칩(chip) 상에 배열하여, 광학적 협대역 필터(optical narrowband filters), 레이저 캐비티(laser cavities) 또는 센서(sensors) 등으로 활용할 수 있다.
도 9는 일 실시예에 따른 메타물질 기반 반사체를 적용한 광학적 캐비티 구조체(optical cavity structure)를 보여주는 단면도이다. 본 실시예의 캐비티 구조체는 도 1a 및 도 1b를 참조하여 설명한 메타물질 기반 반사체를 적용한 것이다.
도 9를 참조하면, 광학적 캐비티 구조체는 활성층(70)과 활성층(70)의 제1면(예컨대, 하면)에 배치된 분산 브래그 리플렉터(distributed Bragg reflector)(DBR)(50) 및 활성층(70)의 제2면(예컨대, 상면)에 배치된 메타물질 기반 반사체(100A)를 포함할 수 있다. 여기서, 메타물질 기반 반사체(100A)는 도 1a 및 도 1b를 참조하여 설명한 반사체(100A)와 동일할 수 있다. 활성층(70)은 분산 브래그 리플렉터(50)와 메타물질 기반 반사체(100A) 사이에 배치될 수 있다. 활성층(70)은 이득 매질(gain medium)을 포함하는 이득층일 수 있고, 광을 생성하는 역할을 할 수 있다. 활성층(70)은, 예컨대, 양자우물(quantum well) 또는 양자점(quantum dot)을 포함할 수 있고, 단층 또는 다층구조를 가질 수 있다.
메타물질 기반 반사체(100A)는 복수의 제1 나노구조체(n10)의 어레이를 포함하는 제1 메타물질층(M10) 및 제1 메타물질층(M10) 상에 복수의 제2 나노구조체(n20)의 어레이를 포함하는 제2 메타물질층(M20)을 구비할 수 있고, 여기서, 복수의 제2 나노구조체(n20)는 복수의 제1 나노구조체(n10)와 다르게 배열될 수 있다. 메타물질 기반 반사체(100A)의 구체적인 구조 및 기능은 도 1a 내지 도 2b를 참조하여 설명한 바와 같으므로, 이에 대한 반복 설명은 배제한다.
도 9에서 활성층(70)에 도시된 화살표(L10a, L20a)는 분산 브래그 리플렉터(50)와 메타물질 기반 반사체(100A) 사이에서 공진되는 광을 나타내고, 광학소자(캐비티 구조체) 위쪽에 도시된 화살표(L30a)는 방출되는 광(레이저)을 나타낸다. 분산 브래그 리플렉터(50)와 메타물질 기반 반사체(100A) 사이에서 공진하며 증폭된 광(레이저)은 특정 조건이 되면 광학소자(캐비티 구조체) 외부로 방출될 수 있다. 출사광(L30a)은 원편광된 광일 수 있다. 캐비티 구조체의 공진 파장(resonant wavelength)은 복수의 제1 나노구조체(n10)에 대한 복수의 제2 나노구조체(n20)의 회전 각도에 의해 변화될 수 있다.
도 10은 다른 실시예에 따른 메타물질 기반 반사체를 적용한 광학적 캐비티 구조체를 보여주는 단면도이다. 본 실시예의 캐비티 구조체는 도 3a 및 도 3b를 참조하여 설명한 메타물질 기반 반사체를 적용한 것이다.
도 10을 참조하면, 광학적 캐비티 구조체는 활성층(70)과 활성층(70)의 제1면(하면)에 배치된 분산 브래그 리플렉터(DBR)(50) 및 활성층(70)의 제2면(상면)에 배치된 메타물질 기반 반사체(100B)를 포함할 수 있다. 여기서, 메타물질 기반 반사체(100B)는 도 3a 및 도 3b를 참조하여 설명한 반사체(100B)와 동일할 수 있다. 메타물질 기반 반사체(100B)는 복수의 제1 나노구조체(n11)의 어레이를 포함하는 제1 메타물질층(M11) 및 제1 메타물질층(M11) 상에 복수의 제2 나노구조체(n21)의 어레이를 포함하는 제2 메타물질층(M21)을 구비할 수 있고, 여기서, 복수의 제2 나노구조체(n21)는 복수의 제1 나노구조체(n11)와 다르게 배열될 수 있다. 메타물질 기반 반사체(100B)의 구체적인 구조 및 기능은 도 3a 내지 도 4b를 참조하여 설명한 바와 같을 수 있다.
도 10에서 활성층(70)에 도시된 화살표(L11a, L21a)는 분산 브래그 리플렉터(50)와 메타물질 기반 반사체(100B) 사이에서 공진되는 광을 나타내고, 광학소자(캐비티 구조체) 위쪽에 도시된 화살표(L31a)는 방출되는 광(레이저)을 나타낸다. 메타물질 기반 반사체(100B)에 의해 반사되는 반사광(L21a)은 converging wavefront를 가질 수 있다. 출사광(L31a)은 converging wavefront를 갖는 원편광된 광일 수 있다.
도 11은 다른 실시예에 따른 메타물질 기반 반사체를 적용한 광학적 캐비티 구조체를 보여주는 단면도이다. 본 실시예의 캐비티 구조체는 도 5a 및 도 5b를 참조하여 설명한 메타물질 기반 반사체를 적용한 것이다.
도 11을 참조하면, 광학적 캐비티 구조체는 분산 브래그 리플렉터(DBR)(50), 활성층(70) 및 메타물질 기반 반사체(100C)를 포함할 수 있다. 여기서, 메타물질 기반 반사체(100C)는 도 5a 및 도 5b를 참조하여 설명한 반사체(100C)와 동일할 수 있다. 메타물질 기반 반사체(100C)는 복수의 제1 나노구조체(n12)의 어레이를 포함하는 제1 메타물질층(M12) 및 제1 메타물질층(M12) 상에 복수의 제2 나노구조체(n22)의 어레이를 포함하는 제2 메타물질층(M22)을 구비할 수 있고, 또한, 제2 메타물질층(M22) 상에 구비된 별도의 분산 브래그 리플렉터(DBR)(R12)를 더 포함할 수 있다. 메타물질 기반 반사체(100C)의 구체적인 구조 및 기능은 도 5a 내지 도 6b를 참조하여 설명한 바와 같을 수 있다.
도 11에서 활성층(70)에 도시된 화살표(L12a, L22a)는 분산 브래그 리플렉터(50)와 메타물질 기반 반사체(100C) 사이에서 공진되는 광을 나타내고, 광학소자(캐비티 구조체) 위쪽에 도시된 화살표(L32a)는 방출되는 광(레이저)을 나타낸다. 출사광(L32a)은 선편광된 광일 수 있다.
도 12는 다른 실시예에 따른 메타물질 기반 반사체를 적용한 광학적 캐비티 구조체를 보여주는 단면도이다. 본 실시예의 캐비티 구조체는 도 7a 및 도 7b를 참조하여 설명한 메타물질 기반 반사체를 적용한 것이다.
도 12를 참조하면, 광학적 캐비티 구조체는 분산 브래그 리플렉터(DBR)(50), 활성층(70) 및 메타물질 기반 반사체(100D)를 포함할 수 있다. 여기서, 메타물질 기반 반사체(100D)는 도 7a 및 도 7b를 참조하여 설명한 반사체(100D)와 동일할 수 있다. 메타물질 기반 반사체(100D)는 복수의 제1 나노구조체(n13)의 어레이를 포함하는 제1 메타물질층(M13) 및 제1 메타물질층(M13) 상에 복수의 제2 나노구조체(n23)의 어레이를 포함하는 제2 메타물질층(M23)을 구비할 수 있고, 제2 메타물질층(M23) 상에 구비된 별도의 분산 브래그 리플렉터(DBR)(R13)를 더 포함할 수 있다. 메타물질 기반 반사체(100D)의 구체적인 구조 및 기능은 도 7a 내지 도 8b를 참조하여 설명한 바와 같을 수 있다.
도 10에서 활성층(70)에 도시된 화살표(L13a, L23a)는 분산 브래그 리플렉터(50)와 메타물질 기반 반사체(100D) 사이에서 공진되는 광을 나타내고, 광학소자(캐비티 구조체) 위쪽에 도시된 화살표(L33a)는 방출되는 광(레이저)을 나타낸다. 메타물질 기반 반사체(100D)에 의해 반사되는 반사광(L23a)은 converging wavefront를 가질 수 있다. 출사광(L33a)은 선편광된 광일 수 있고, flat wavefront를 가질 수 있다. 캐비티 구조체 내에서의 공진 특성에 의해, 출사광(L33a)은 converging wavefront가 아닌 flat wavefront를 가질 수 있다.
도 9 내지 도 12에서는 하부에 분산 브래그 리플렉터(DBR)(50)와 상부에 메타물질 기반 반사체(100A∼100D)를 이용해서 캐비티 구조체를 구성하는 경우를 도시하고 설명하였지만, 다른 실시예에 따르면, 하부에 제1 메타물질 기반 반사체를 적용하고 상부에 제2 메타물질 기반 반사체를 적용하여 하나의 캐비티 구조체를 구성할 수도 있다. 즉, 활성층(70)의 상하에 각각 실시예에 따른 메타물질 기반 반사체를 적용하여 캐비티 구조체를 구성할 수도 있다.
도 13은 일 실시예에 따른 메타물질 기반 반사체를 적용한 광학적 캐비티 구조체를 포함하는 수직 공진형 표면 발광 레이저(vertical cavity surface emitting laser)(VCSEL)를 보여주는 단면도이다.
도 13을 참조하면, 수직 공진형 표면 발광 레이저는 광을 생성하는 이득층(270), 이득층(270)의 하부에 배치된 분산 브래그 리플렉터(250), 이득층(270)의 상부에 배치되는 메타물질 기반 반사체(150)를 포함할 수 있다.
이득층(270)은 반도체 물질을 포함하는 활성층(active layer)을 포함할 수 있다. 상기 활성층은, 예컨대, Ⅲ-Ⅴ족 반도체 물질 또는 Ⅱ-Ⅵ족 반도체 물질을 포함할 수 있다. 구체적인 예로, 활성층은 InGaAs, AlGaAs, AlGaN, InGaAsP, InGaP 또는 AlGaInP 등을 포함하는 다중양자우물(multi-quantum well)(MQW) 구조를 포함할 수 있다. 또한, 활성층은 양자점(quantum dot)를 포함할 수도 있다. 활성층의 물질이나 구성은 예시된 바에 한정되지 않고 달라질 수 있다. 이득층(270)은 활성층의 하부 및 상부에 마련되는 제1 클래드층 및 제2 클래드층을 더 포함할 수 있다. 상기 제1 클래드층 및 제2 클래드층은 각각 n형 또는 p형 또는 진성(intrinsic) 반도체 물질을 포함할 수 있다. 제1 클래드층 및 제2 클래드층은 활성층과 같은 반도체 물질로 이루어질 수 있으며, n형 도펀트 또는 p형 도펀트를 더 포함할 수 있다.
이득층(270)의 상부 및 하부에 배치된 메타물질 기반 반사체(150) 및 분산 브래그 리플렉터(250)는 이득층(270)에서 생성된 광을 발진시켜 특정 파장 대역의 광이 증폭되어 출사되도록 마련될 수 있다. 이를 위해, 분산 브래그 리플렉터(250) 및 메타물질 기반 반사체(150)의 반사율은 대략 90% 이상으로 설정될 수 있다. 분산 브래그 리플렉터(250)의 반사율을 메타물질 기반 반사체(150)의 반사율보다 높게 할 수 있으며, 예컨대, 약 98% 이상으로 하여, 메타물질 기반 반사체(150)를 통해 광이 출사되도록 할 수 있다. 경우에 따라서는, 분산 브래그 리플렉터(250) 및 메타물질 기반 반사체(150)의 반사율을 조절하여 광이 출사되는 방향을 반대로 조절하는 것도 가능하다.
분산 브래그 리플렉터(250)는 굴절률이 서로 다른 제1 물질층(251) 및 제2 물질층(252)을 원하는 발진 파장의 약 1/4 두께로 교대로 반복하여 적층하여 형성될 수 있다. 분산 브래그 리플렉터(250)는 반도체 기판(200) 상에 형성될 수 있다. 분산 브래그 리플렉터(250)의 두 물질층(251, 252)의 굴절률 차이 및 두 물질층(251, 252)의 쌍이 반복 적층된 회수를 조절하여 분산 브래그 리플렉터(250)의 반사율을 원하는 값으로 설정할 수 있다. 분산 브래그 리플렉터(250)는 이득층(270)을 구성하는 반도체 물질과 동일하거나 유사한 계열의 물질을 포함하도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 물질층(251)은 AlxGa(1-x)As층(여기서, x는 0≤x≤1)일 수 있고 제2 물질층(252)은 AlyGa(1-y)As층(여기서, y는 0≤y≤1, x≠y)일 수 있지만, 이에 한정되지 않는다. 분산 브래그 리플렉터(250)는 n형으로 도핑되거나 p형으로 도핑될 수 있다. 분산 브래그 리플렉터(250)의 재질은 전술한 바에 한정되지 않고, 굴절률 차를 형성할 수 있는 다양한 물질들이 제1 물질층(251) 및 제2물질층(252)에 사용될 수 있다.
수직 공진형 표면 발광 레이저는 발진되는 광의 모드 조절이나 빔 크기를 조절하기 위한 개구층(aperture layer)(275)을 더 포함할 수 있다. 개구층(275)은 소정의 산화물로 형성될 수 있다. 여기서는, 개구층(275)이 이득층(270)의 상부에 형성된 것으로 도시하였으나, 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 개구층(275)은 분산 브래그 리플렉터(250) 내에 배치될 수도 있다. 또한, 개구층(275)은 복수 개가 구비될 수 있고, 생략될 수도 있다. 개구층(275) 상에 이득층(270)과 콘택된 콘택층(280)이 더 구비될 수 있다. 콘택층(280)은 이득층(270)과 동일한 계열 또는 유사한 계열의 반도체 물질로 형성될 수 있다. 콘택층(280)은 소정의 불순물로 도핑될 수 있다.
수직 공진형 표면 발광 레이저는 이득층(270)에 전류를 주입하기 위해, 이득층(270)을 사이에 두고 이격하여 배치된 제1 전극(210) 및 제2 전극(290)을 더 포함할 수 있다. 제1 전극(210)은 이득층(270)의 제1면에 전기적으로 연결되도록, 제2 전극(290)은 이득층(270)의 제2면에 전기적으로 연결되도록 배치될 수 있다. 분산 브래그 리플렉터(250)의 측방으로 노출된 기판(200) 상에 제1 전극(210)이 배치될 수 있다. 제2 전극(290)은 콘택층(280)의 가장자리 부분에 배치될 수 있고, 콘택층(280)을 통해서 이득층(270)에 전기적으로 연결될 수 있다. 그러나, 여기서 개시한 제1 및 제2 전극(210, 290)의 배치는 예시적인 것이고, 다양하게 변화될 수 있다. 예를 들어, 제1 전극(210)은 분산 브래그 리플렉터(250)의 하면 또는 기판(200)의 하면에 형성될 수도 있다.
메타물질 기반 반사체(150)는 복수의 제1 나노구조체(n15)의 어레이를 포함하는 제1 메타물질층(M15) 및 제1 메타물질층(M15) 상에 복수의 제2 나노구조체(n25)의 어레이를 포함하는 제2 메타물질층(M25)을 구비할 수 있고, 여기서, 복수의 제2 나노구조체(n25)는 복수의 제1 나노구조체(n15)와 다르게 배열될 수 있다. 메타물질 기반 반사체(150)의 구체적인 구조 및 기능은 도 1a 내지 도 2b를 참조하여 설명한 바와 같으므로, 이에 대한 반복 설명은 배제한다. 메타물질 기반 반사체(150)는 도 3a 내지 도 4b를 참조하여 설명한 반사체(100B)로 대체될 수 있다.
도 13에서 이득층(270)에 도시된 화살표는 분산 브래그 리플렉터(250)와 메타물질 기반 반사체(150) 사이에서 공진되는 광을 나타내고, 광학소자(즉, VCSEL) 위쪽에 도시된 화살표는 방출되는 광(레이저)을 나타낸다. 분산 브래그 리플렉터(250)와 메타물질 기반 반사체(150) 사이에서 공진하며 증폭된 광(레이저)은 특정 조건이 되면 광학소자 외부로 방출될 수 있다. 출사광은 원편광될 수 있다.
도 14는 다른 실시예에 따른 메타물질 기반 반사체를 적용한 광학적 캐비티 구조체를 포함하는 수직 공진형 표면 발광 레이저(VCSEL)를 보여주는 단면도이다.
도 14를 참조하면, 메타물질 기반 반사체(170)는 복수의 제1 나노구조체(n17)의 어레이를 포함하는 제1 메타물질층(M17) 및 제1 메타물질층(M17) 상에 복수의 제2 나노구조체(n27)의 어레이를 포함하는 제2 메타물질층(M27)을 구비할 수 있고, 또한, 제2 메타물질층(M27) 상에 구비된 별도의 분산 브래그 리플렉터(DBR)(R17)를 더 포함할 수 있다. 메타물질 기반 반사체(170)의 구체적인 구조 및 기능은 도 5a 내지 도 6b를 참조하여 설명한 바와 같을 수 있다. 메타물질 기반 반사체(170)는 도 7a 내지 도 8b를 참조하여 설명한 반사체(100D)로 대체될 수 있다. 메타물질 기반 반사체(170)를 제외한 나머지 구성은 도 13을 참조하여 설명한 바와 동일하거나 유사할 수 있다.
도 14에서 이득층(270)에 도시된 화살표는 분산 브래그 리플렉터(250)와 메타물질 기반 반사체(170) 사이에서 공진되는 광을 나타내고, 광학소자(즉, VCSEL) 위쪽에 도시된 화살표는 방출되는 광(레이저)을 나타낸다. 출사광은 선편광될 수 있다.
이상의 실시예들에서는 메타물질 기반 반사체가 두 개의 메타물질층을 포함하는 경우를 도시하고 설명하였지만, 메타물질 기반 반사체는 광의 진행 방향(도면상 수직 방향)으로 배열된 세 개 이상의 메타물질층을 포함할 수도 있다. 또한, 다른 실시예에 따르면, 메타물질 기반 반사체는 하나의 메타물질층과 미러 부재, 예컨대, 분산 브래그 리플렉터(DBR)를 포함할 수도 있다. 이에 대해서는, 도 15a 내지 도 15c를 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
도 15a는 다른 실시예에 따른 것으로, 메타물질 기반 반사체를 적용한 광학적 캐비티 구조체를 포함하는 수직 공진형 표면 발광 레이저(VCSEL)를 보여주는 단면도이다.
도 15a를 참조하면, 메타물질 기반 반사체(190)는 복수의 나노구조체(n19)의 어레이를 포함하는 메타물질층(M19) 및 메타물질층(M19) 상에 구비된 분산 브래그 리플렉터(DBR)(R19)를 포함할 수 있다. 메타물질층(M19)과 콘택층(280) 및 제2 전극(290) 사이에는 소정의 삽입층(N19)이 더 구비될 수 있다. 삽입층(N19)은 반사체(190)에 포함된 것으로 여길 수 있다. 경우에 따라, 삽입층(N19)은 구비되지 않을 수도 있다. 메타물질 기반 반사체(190)를 제외한 나머지 구성은 도 13을 참조하여 설명한 바와 동일하거나 유사할 수 있다. 메타물질 기반 반사체(190)는 하나의 메타물질층(M19)과 일반적인 미러 부재, 즉, 분산 브래그 리플렉터(DBR)(R19)를 포함한다. 이때, 메타물질층(M19)은 투과형 복굴절 메타표면층(transmissive birefringent metasurface layer)일 수 있다. 분산 브래그 리플렉터(DBR)(R19)는, 예컨대, a-Si과 SiO2가 교대로 적층된 구조를 가질 수 있지만, 구성 물질은 달라질 수 있다.
도 15a에서 이득층(270)에 도시된 화살표는 분산 브래그 리플렉터(250)와 메타물질 기반 반사체(190) 사이에서 공진되는 광을 나타내고, 광학소자(즉, VCSEL) 위쪽에 도시된 화살표는 방출되는 광(레이저)을 나타낸다. 출사되는 광은 선편광된 광일 수 있고, 그 파장은 메타물질 기반 반사체(190)의 디자인에 의해 조절될 수 있다.
도 15b는 도 15a의 수직 공진형 표면 발광 레이저(VCSEL)를 분리해서 보여주는 분리 단면도이다.
도 15b를 참조하면, 수직 공진형 표면 발광 레이저(VCSEL)는 코어(core)의 이득층(270)에 하부의 분산 브래그 리플렉터(250)와 상부의 메타물질 기반 반사체(190)가 부가된 구조를 갖는다고 할 수 있다. 이때, 분산 브래그 리플렉터(250)는 R1에 해당하는 반사율을 가질 수 있고, 메타물질 기반 반사체(190)는 R2에 해당하는 반사율을 가질 수 있다. 반사율 R1은 반사율 R2 보다 클 수 있다.
도 15c는 도 15b의 메타물질층(M19)에 포함된 복수의 나노구조체(n19)의 어레이를 예시적으로 보여주는 평면도이다.
도 15c를 참조하면, 복수의 나노구조체(n19)는 소정의 방향으로 배열될 수 있다. 복수의 나노구조체(n19)는 X축 방향으로 Wx의 폭을 갖고 Y축 방향으로 Wy의 폭을 갖는 직사각형 모양을 가질 수 있다. 예를 들어, 복수의 나노구조체(n19)는 비정질 실리콘(a-Si)으로 형성된 기둥 형상을 가질 수 있다. 그러나, 복수의 나노구조체(n19)의 구성 물질 및 형상은 다양하게 변화될 수 있다. 예를 들어, 복수의 나노구조체(n19)는 XY 평면 상의 평면 구조를 직사각형이나 타원 구조 또는 그와 유사한 비등방 구조로 만들 수 있다.
도 16은 도 15b의 VCSEL의 하부 구조체에 대한 반사율(reflectivity) 및 위상 변화를 보여주는 그래프이다. 즉, 분산 브래그 리플렉터(250)에 의한 반사율 및 위상 변화를 보여준다. 도 16을 참조하면, 분산 브래그 리플렉터(250)는 약 900nm 내지 1000nm의 파장 범위에서 높은 반사율을 나타낸다.
도 17은 도 15b의 VCSEL의 상부 구조체, 즉, 메타물질 기반 반사체(190)에 대한 반사 위상을 보여주는 그래프이다. (A)그래프는 X-polarized light에 대한 결과이고, (B)그래프는 Y-polarized light에 대한 결과이다.
도 17을 참조하면, X-polarized light에 대한 반사 위상(reflectivity phase)은 Wx를 변화시킴으로써 900nm 내지 1000nm의 파장에서 2π 이상으로 변화될 수 있다. 따라서, X-polarized light에 대한 메타물질 기반 반사체(190)의 공진 파장은 Wx를 변화시킴으로써 조절될 수 있다. 한편, 관심 파장 범위 내에서 Y-polarized resonance를 제거할 수 있는 조건으로 Wx를 변화시킴에 따라, Y-polarized light에 대한 반사 위상은 2 라디안(radians) 미만으로 변화될 수 있다. 이때, 나노구조체(n19)는 a-Si nano-posts이고, 420nm의 높이를 가지며, Wy는 100nm 이고, 격자 상수(lattice constant)는 400nm 이었다. 분산 브래그 리플렉터(R19)는 a-Si/SiO2의 4 pairs를 갖는다.
도 18 및 도 19는 실시예에 따른 메타물질 기반 반사체에 적용될 수 있는 메타물질층의 나노구조체의 어레이를 보여주는 이미지이다.
도 18 및 도 19를 참조하면, 메타물질층은 고굴절률을 갖는 실린더 형상의 나노구조체(meta-atoms)를 포함할 수 있다. 이때, 나노구조체(meta-atoms)는 직사각형 또는 타원형의 단면을 가질 수 있다. 도 18 및 도 19의 메타물질층은 투과형 복굴절 메타표면층일 수 있다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 구체적인 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 예들 들어, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 도 1a 내지 도 15c를 참조하여 설명한 메타물질 기반 반사체, 광학적 캐비티 구조체, 수직 공진형 표면 발광 레이저(VCSEL) 및 광학소자의 구성은 다양하게 변화될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 구체적인 예로, 제1 및 제2 메타물질층의 어레이 구성은 다양하게 변화될 수 있고, 3개 이상의 메타물질층이 조합될 수 있으며, 수직 공진형 표면 발광 레이저(VCSEL)의 구성도 다양하게 변화될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 때문에 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
M10∼M13 : 제1 메타물질층 M20∼M23 : 제2 메타물질층
m10∼m13 : 제1 물질층 m20∼m23 : 제2 물질층
n10∼n13 : 제1 나노구조체 n20∼n23 : 제2 나노구조체
L10∼L13 : 입사광 L20∼L23 : 반사광
L30∼L33 : 투과광 R12, R13 : 분산 브래그 리플렉터
100A∼100D : 메타물질 기반 반사체 150, 170 : 메타물질 기반 반사체
50 : 분산 브래그 리플렉터 70 : 활성층
200 : 기판 210 : 제1 전극
250 : 분산 브래그 리플렉터 270 : 이득층
280 : 콘택층 290 : 제2 전극

Claims (24)

  1. 메타물질 기반 반사체에 있어서,
    복수의 제1 나노구조체의 어레이를 포함하는 제1 메타물질층; 및
    상기 제1 메타물질층 상에 배치된 것으로, 복수의 제2 나노구조체의 어레이를 포함하는 제2 메타물질층;을 구비하고, 상기 복수의 제2 나노구조체는 상기 복수의 제1 나노구조체와 다르게 배열되고,
    상기 제1 메타물질층은 투과형 파장판(transmissive wave plate)이고,
    상기 제2 메타물질층은 반사형 파장판(reflective wave plate)이며,
    상기 메타물질 기반 반사체는 이를 투과하는 광을 원편광(circularly polarized) 시키도록 구성되거나,
    상기 메타물질 기반 반사체가 수렴형 거울(converging mirror) 또는 발산형 거울(diverging mirror)로 작용하도록 상기 복수의 제2 나노구조체의 배열 규칙이 설계된,
    메타물질 기반 반사체(metamaterial-based reflector).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 제2 나노구조체의 배열 방향 및 배열 방식은 상기 복수의 제1 나노구조체의 배열 방향 및 배열 방식과 다른 메타물질 기반 반사체.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 복수의 제1 나노구조체는 제1 방향을 따라 서로 나란하게 배열되고,
    상기 복수의 제2 나노구조체는 상기 제1 방향과 다른 방향으로 배열되거나 상기 복수의 제2 나노구조체의 배열 방향은 영역에 따라 변화되는 메타물질 기반 반사체.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 제1 나노구조체는 제1 방향을 따라 서로 나란하게 배열되고,
    상기 복수의 제2 나노구조체는 상기 제1 방향에 대해 θ만큼 회전된 제2 방향을 따라 서로 나란하게 배열되며, 상기 θ는 90° 미만인 메타물질 기반 반사체.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 제1 나노구조체는 제1 방향을 따라 서로 나란하게 배열되고,
    상기 복수의 제2 나노구조체는 상기 제1 방향에 대해 회전하여 배열되며, 상기 제2 나노구조체의 회전 각도는 영역에 따라 변화되는 메타물질 기반 반사체.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 복수의 제1 나노구조체의 어레이를 포함하는 제1 메타물질층; 및
    상기 제1 메타물질층 상에 배치된 것으로, 복수의 제2 나노구조체의 어레이를 포함하는 제2 메타물질층;을 구비하고,
    상기 복수의 제2 나노구조체는 상기 복수의 제1 나노구조체와 다르게 배열되고,
    상기 제1 메타물질층은 제1 투과형 파장판(transmissive wave plate)이고,
    상기 제2 메타물질층은 제2 투과형 파장판이며,
    상기 제2 메타물질층 상에 분산 브래그 리플렉터(distributed Bragg reflector)(DBR)가 구비된, 메타물질 기반 반사체.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 복수의 제1 나노구조체는 제1 방향을 따라 서로 나란하게 배열되고,
    상기 복수의 제2 나노구조체는 상기 제1 방향에 대해 θ만큼 회전된 제2 방향을 따라 서로 나란하게 배열되며, 상기 θ는 90° 미만인 메타물질 기반 반사체.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 복수의 제1 나노구조체는 제1 방향을 따라 서로 나란하게 배열되고,
    상기 복수의 제2 나노구조체는 상기 제1 방향에 대해 회전하여 배열되며, 상기 제2 나노구조체의 회전 각도는 영역에 따라 변화되는 메타물질 기반 반사체.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 메타물질 기반 반사체는 이를 투과하는 광을 선편광(linearly polarized) 시키도록 구성된 메타물질 기반 반사체.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 메타물질 기반 반사체가 수렴형 거울(converging mirror) 또는 발산형 거울(diverging mirror)로 작용하도록 상기 복수의 제2 나노구조체의 배열 규칙이 설계된 메타물질 기반 반사체.
  14. 청구항 1항 내지 3항, 5항, 6항, 9항 내지 13 항 중 어느 하나에 기재된 메타물질 기반 반사체를 하나 이상 포함하는 광학소자.
  15. 광을 생성하는 이득층;
    상기 이득층의 제1면에 배치된 분산 브래그 리플렉터(distributed Bragg reflector); 및
    상기 이득층의 제2면에 배치된 메타물질 기반 반사체(metamaterial-based reflector);를 포함하고,
    상기 메타물질 기반 반사체는 복수의 제1 나노구조체의 어레이를 포함하는 제1 메타물질층; 및 상기 제1 메타물질층 상에 복수의 제2 나노구조체의 어레이를 포함하는 제2 메타물질층;을 구비하고, 상기 복수의 제2 나노구조체는 상기 복수의 제1 나노구조체와 다르게 배열되고,
    상기 메타물질 기반 반사체는 이를 투과하는 광을 원편광(circularly polarized) 또는 선편광(linearly polarized) 시키도록 구성되거나, 상기 메타물질 기반 반사체가 수렴형 거울(converging mirror) 또는 발산형 거울(diverging mirror)로 작용하도록 상기 복수의 제2 나노구조체의 배열 규칙이 설계된,
    광학적 캐비티 구조체(optical cavity structure).
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 복수의 제1 나노구조체는 제1 방향을 따라 서로 나란하게 배열되고,
    상기 복수의 제2 나노구조체는 상기 제1 방향과 다른 방향으로 배열되거나 상기 복수의 제2 나노구조체의 배열 방향은 영역에 따라 변화되는 광학적 캐비티 구조체.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 복수의 제1 나노구조체는 제1 방향을 따라 서로 나란하게 배열되고,
    상기 복수의 제2 나노구조체는 상기 제1 방향에 대해 θ만큼 회전된 제2 방향을 따라 서로 나란하게 배열되며, 상기 θ는 90° 미만인 광학적 캐비티 구조체.
  18. 제 15 항에 있어서,
    상기 복수의 제1 나노구조체는 제1 방향을 따라 서로 나란하게 배열되고,
    상기 복수의 제2 나노구조체는 상기 제1 방향에 대해 회전하여 배열되며, 상기 제2 나노구조체의 회전 각도는 영역에 따라 변화되는 광학적 캐비티 구조체.
  19. 제 15 항에 있어서,
    상기 제1 메타물질층은 투과형 파장판(transmissive wave plate)이고,
    상기 제2 메타물질층은 반사형 파장판(reflective wave plate)인 광학적 캐비티 구조체.
  20. 제 15 항에 있어서,
    상기 제1 메타물질층은 제1 투과형 파장판(transmissive wave plate)이고,
    상기 제2 메타물질층은 제2 투과형 파장판이며,
    상기 메타물질 기반 반사체는 상기 제2 메타물질층 상에 배치된 별도의 분산 브래그 리플렉터(DBR)를 더 포함하는 광학적 캐비티 구조체.
  21. 삭제
  22. 삭제
  23. 삭제
  24. 청구항 15 내지 20 중 어느 하나에 기재된 광학적 캐비티 구조체를 포함하는 수직 공진형 표면 발광 레이저(vertical cavity surface emitting laser).
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017176921A1 (en) * 2016-04-05 2017-10-12 President And Fellows Of Harvard College Meta-lenses for sub-wavelength resolution imaging
US20180131100A1 (en) * 2015-08-03 2018-05-10 Zhengbiao OUYANG Left-handed circular-polarization conversion metamaterial film

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KR102629586B1 (ko) * 2016-03-30 2024-01-25 삼성전자주식회사 구조광 생성기 및 이를 포함하는 객체 인식 장치
KR102587958B1 (ko) * 2017-02-03 2023-10-11 삼성전자주식회사 메타 광학 소자 및 그 제조 방법

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20180131100A1 (en) * 2015-08-03 2018-05-10 Zhengbiao OUYANG Left-handed circular-polarization conversion metamaterial film
WO2017176921A1 (en) * 2016-04-05 2017-10-12 President And Fellows Of Harvard College Meta-lenses for sub-wavelength resolution imaging

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