KR20010043706A - 회절선택적인 편광빔 스플리터 및 이 스플리터에 의해제조된 빔 경로 선택 프리즘 - Google Patents

Abstract

상당한 편광선택성을 나타내는 격자주기를 가진 회절격자가 경사지게 입사하는 편광에 대한 편광 빔 스플리터로 사용된다. 회절격자는 조명빔의 서브웨이브렝스이고 어떤 파장이나 또는 입사각도에서 TM 편광을 실질적으로 투과하고 TE 편광을 실질적으로 반사하도록 설계되는 것이 바람직하다. 용이하게 제조하도록 편광빔 루터, 다이크로닉 콤바인더, 곡면상의 빔스플리터, 또는 광빔스플리터와 루터를 사용하는 광픽업장치를 형성하기 위하여 편광 빔 스플리터는 서브웨이브렝스 리타더와 같은 다른 광학 소자와 일체화될 수 있다.

Description

회절선택적인 편광빔 스플리터 및 이 스플리터에 의해 제조된 빔 경로 선택 프리즘{DIFFRACTIVE SELECTIVELY POLARIZING BEAM SPLITTER AND BEAM ROUTING PRISMS PRODUCED THEREBY}

다층 유전체 적층으로 형성되는 바의 편광빔 스플리터는 특정 편광의 광을 선택하기 위한 것으로 알려져 있다. 그러나 그와 같은 종래의 빔 스플리터는 제조하고 디자인하기가 상당히 어렵다. 또한 그와 같은 적층된 유전체 편광 스플리터는 다른 광학구성 부재와 일체화시키는 것이 특히 용이하지 않는다.

회절편광은 분광기에서 잘 알려진 문제이지만, 빔 분리, 빔 분할 또는 경로선택에서 회절의 이용은 이전에는 인식되지 않았다. 대신에 회절에 의해 나타나게 된 편광 선택은 억제되어야할 달갑지 않는 문제로 고려되었다.

회절구조에서 TE(Transverse Electric Mode) 및 TM(Transverse Magnetic Mode)편광의 투과차이는 역시 반사 방지와 관련해서 입증되었다. 그러나 그와 같은 회절의 서브웨이브렝스 구조에 대한 연구목적은 수직에 가까운 입사광에 대한 TE 및 TM광에서 투과차이를 최소화시키는 것이었다. 수직으로 입사하는 TE 및 TM 편광을 동등하게 투과하는 구조는 한 편광만의 선택이 요구될 때는 거의 이용되지 못하였다.

본 발명은 회절광학 구조에 지향되어 있으며, 더욱 구체적으로는 편광 선택성을 나타내는 회절 광학구조, 특히 서브웨이브렝스(Subwave length) 광학 격자 구조를 사용하는 회절 광학 구조에 관한 것이다. 본 발명에 따른 편광 선택성을 나타내는 회절광학 구조는 빔 분할을 위해 이롭게 사용될 수 있다.

첨부된 도면은 본 발명의 여러 가지 목적 및 장점에 대하여 본 발명의 기술분야에서 숙련된 자들에 의한 이해를 돕기 위해 제공되는 것으로써, 도 1은 직각 프로파일을 가진 본 발명에 따른 회절격자의 개략도,

도 2는 제 1 실시예의 편광자에 대한 격자깊이의 함수로써 TE 편광의 반사율을 나타낸 그래프,

도 3은 제 1 실시예의 편광자에 대한 격자깊이의 함수로써 TM 편광의 투과율을 나타낸 그래프,

도 4는 제 1 실시예의 편광자에 대한 입사각도의 전범위에 걸쳐 TE 및 TM 편광의 투과율을 나타낸 그래프,

도 5는 제 1 실시예의 편광자에 대한 파장범위에 걸쳐 45도로 입사하는 TE 및 TM 편광의 투과율을 나타낸 그래프,

도 6은 제 2 실시예의 편광자에 대한 입사각도의 전범위에 걸쳐 TE 및 TM 편광의 투과율을 나타낸 그래프,

도 7a 및 7b는 제 3 실시예에 따른 서브웨이브렝스 구조의 편광자와 서브웨이브렝스 구조의 리타더를 각각 포함하는 2개빔 루터의 측면도,

도 8은 제 4 실시예에 따른 서브웨이브렝스 구조의 다이크로닉 빔 스플리터의 측면도,

도 9는 제 5 실시예에 따른 곡면의 표면상에 형성되고 서브웨이브렝스 구조의 리타더와 일체화된 서브웨이브렝스 구조의 편광 빔 스플리터의 측면도,

도 10은 제 6 실시예에 따른 프리즘 빔 스플리터와 루터의 측면도,

도 11은 도 10의 프리즘 빔 스플리터와 루터를 통합한 광학장치의 측면도이다.

본 출원의 출원인은 회절광학 장치가 편광 빔 스플리터로 작용하는 입사빔을 분리하기 위해 이용될 수 있음을 발견하였다. 이들 특성은 서브웨이브렝스 구조에서 가장 뚜렷하지만, 조명빔의 파장보다 더 큰 주기를 가지는 회절 격자도 상당한 편광선택성을 표시할 수 있다.

편광 선택성은 서브웨이브렝스 구조에서 가장 잘 나타나기 때문에, 본 발명은 그와 같은 서브웨이브렝스 구조의 관점에서 주로 개시된 발명을 다루게 될 것이다. 그러나 본 명세서에 개시된 본 발명은 상당한 편광 선택성이 나타내는 한, 조명 빔의 파장보다도 큰 격자 주기를 사용하는 회절 장치에도 역시 적용된다.

회절구조는 전 구조에 걸쳐서 동일한 주기로 또는 구조의 다른 일부분들에서는 다른 주기로 하여 주기적으로 반복하는 특징을 가질 수 있다. 그러한 구조는 공간적으로 중첩되는 하나 이상의 주기를 가질 수 있다. 균일한 주기의 편광격자의 주기는 격자구조가 반복하는 가장 작은 거리로서 정의될 수 있다.

서브웨이브렝스 구조의 격자 주기가 입사 빔 파장의 1/2보다 더 작은 경우에 제 0 회절차수만이 전파하고, 다른 모든 회절차수는 점점 사라져 버린다. 서브웨이브렝스 구조는 반사방지막, 굴절 형성 및 분산된 인덱스 물질의 모방과 같은 성질을 나타낸다.

본 발명의 목적은 종래의 다층으로된 유전체 빔 스플리터의 하나이상의 문제점 또는 한계점을 실질적으로 방지하는 편광 빔 스플리터를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 회절 빔 스플리터를 사용하여 빔을 분리하기 위한 것이다.

본 발명의 또 하나의 다른 목적은 다른 광학 구성 부재와 조립체로 쉽게 일체화할 수 있는 빔 스플리터 또는 빔 루터를 개발하는데 있다.

본 발명의 다른 목적 및 장점은 다음의 설명에서 설명되거나 자명할 것이며 본 발명의 실시를 통하여 이해될 것이다. 본 발명의 목적 및 장점은 첨부된 청구범위에 구체적으로 지적된 요소 및 이 요소의 결합수단에 의하여 실현될 것이다.

본 발명의 목적을 달성하기 위하고 그 목적에 따라 한 표면상에 형성되고 입사광 빔에 대하여 경사진 각도로 배열되며, 광빔의 편광성분을 구별하여 다르게 투과 및 반사하도록 선택되는 주기를 가진 복수의 반복되는 융기부를 가지는 회절격자를 포함한 편광 빔 스플리터가 제공되어 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 이와같은 선택적인 투과이 서브웨이브렝스 격자 주기로 달성된다.

또한, 본 발명에 의하면 그위로 입사하는 광의 빔을 가지는 프리즘과, 상기 프리즘의 표면상에 일체화되어 편광 빔 스플리터로 작동하는 회절격자를 포함하는 빔 루터가 제공된다.

또한 본 발명에 의하면, 실질적으로 평면의 표면상에 광빔의 편광성분을 구별하여 다르게 투과 및 반사하도록 선택된 주기를 가진 복수개의 반복되는 융기부를 가지는 회절격자를 제공하는 단계와, 회절격자의 평면에 평행한 제 1 편광성분과 상기 제 1 편광성분에 수직한 제 2 편광성분을 가지며, 상기 제 1 편광성분은 실질적으로 회절격자에 의해 반사되는 반면에 제 2 편광성분을 실질적으로 투과하는 입사광 빔에 대하여, 90% 보다는 적고 0%보다는 큰 각도로 회절격자의 평면을 배향시키는 단계를 포함함으로써 편광 방향에 따라 입사광 빔을 분할하는 방법이 제공된다.

이전의 전반적인 설명 및 이후의 상세한 설명은 본 발명을 예시적으로 설명하기 위한 것으로 본 발명을 제한하고자하는 것이 아니며, 본 발명의 범위 및 기술사상은 청구범위에 따라 정하여짐을 이해하여야 한다.

본 발명의 명세서에 통합되고 본 발명의 명세서 일부를 구성하는 첨부도면은 본 발명의 여러 가지 실시예를 그 설명과 같이 예시한 것으로서 본 발명의 기술사상을 설명하기 위한 것이다.

첨부도면에 도시되어 있는 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다.

가능하다면, 동일 또는 유사부분에 대하여서는 전도면에 걸쳐 동일 예시 부호가 사용된다.

본 발명은 관련기술에서와 같이 수직입사광에 대한 TM 및 TE의 투과율 차이를 최소화하는데 있기 보다는 오히려 회절구조체상으로 경사되게 입사하는 TE 및 TM 편광의 투과율 차이를 개발하는데 있다.

이들 차이는 도 10을 참조하여 후술하는바와 같이, 조명빔의 주기보다 더 큰 격자주기를 가지는 회절구조체에 나타나며, 서브웨이브렝스(Subwavelength) 회절의 성능이 전형적으로 바람직하다.

본 발명의 다른 실시예는 다른 방법으로 이 투과율 차이를 이용한다.

본 발명의 한 실시예에서, 편광빔스플리터로서 서브웨이브렝스 구조체를 사용함으로써, 투과율은 TM 편광에 대하여 최대로되고, 반사율은 TE 편광에 대하여 최대로 된다. 그와 같은 빔 스플리터 장치는 빔 결합, 빔 편향, 빔 분할, 분포 궤환, 광신호처리, 파장 다중화 및 역 다중화, 빔 경로 선택을 포함하여, 적용분야가 넓다.

도 1은 편광 빔 스플리터로 사용되는 회절격자(10)을 개략적으로 도시한 것이다. 방향 K의 광빔은 회절격자(10)의 평면에 법선방향에 대하여 어느 한 각도로 회절격자(10)로 입사한다. 격자벡터K는 도시된 홈(12)에 대하여 수직한 방향을 가지며, 격자주기 2π/P와 같은 크기를 가지며, 여기서 P는 회절격자(10)의 한주기 이다. 입사광빔의 TE' 편광성분은 빔방향(K)과 격자벡터(K) 양자에 수직하게 전형적으로 편광된다. 즉, 도 1에서, TE 벡터는 예를 들어, 빔방향(K)과 격자벡터(K)에 의하여 정의되는 평면에 수직한 페이지의 밖으로 연장한다. 입사광빔의 TM 편광성분은 TE성분과 빔방향(K)양자에 수직하게 선형적으로 편광된다. 입사메디움의 굴절률은 n₁이고 격자의 굴절률은 n₂이다. n₁및 n₂양자는 일반적으로 편광빔스플리터(10)의 성능을 최적화시키기 위하여 복수수로 선택될수 있다.

격자의 깊이는 d이고, 격자필팩터(fill facfor)는 F이다. 필팩터 F는 격자의 주기 P로 나누어진 노치(15)의 폭FP로서 정의된다.

입사빔이 경사진 각도로 격자 상으로 입사된다면, TM편광빔의 투과율은 격자깊이 d, 필팩터 F 및 격자주기 P가 최적화되게 선택함으로써 1(즉 100%)에 접근할수 있다. TM 편광의 투과율이 높게되는 이유는 다음과 같다. 회절격자가 K에 각각 수직인 일련의 슬라이스로 나누어진다고 가정한다. 메디움 n₁에서 메디움 n₂까지의 복수개 슬라이스를 고려하면, 각 슬라이스의 평균 굴절률은 그위에 있는 슬라이스 보다 더욱 크게 될 것이다. 따라서, 광파가 격자로 침투할 때 이 광파는 평균 굴절률이 보다 점점 크게되는 물질과 점진적으로 만나게 될 것이다. 이와 같은 효과는 회절격자가 45도 각도로 기울어질 때 높아지게 된다. 이 각도에서, 입사하는 TM빔은 n₁에서 n₂까지 유효굴절률이 느리게 변하는 천이를 제공하는 프리즘배열을 만나게된다.

TE 편광에 대하여서는, 굴절률이 에칭깊이 d, 필팩터 F 및 격자의 기하학적 형상에 크게 좌우된다. TM 투과은 격자 구조에 약하게 좌우되지만 TE 투과은 강하게 좌우되기 때문에 격자 구조(10)는 TM편광에 대한 투과을 유지하는 동안 TE광을 많이 반사하도록 최적화 시킬수 있다. 그러한 편광빔 스플리터는 쌍방향대칭이며, 이 편광 빔 스플리터는 한방향에서 스플리터의 상부를 입사하는 광에 대하여, 반대방향에서 스플리터의 밑부분을 입사하는 광에 대하여 작용한 것과 동일한 작용을 하게된다.

상술한 편광빔스플리터(10)는 다층의 유전체적층으로 형성되는 다른 편광빔 스플리터에 대하여 여러 가지 장점을 가지고 있다.

첫째, 본 발명에 따른 편광빔 스플리터는 제조하는 비용이 종래의 편광빔 스플리터 보다 훨씬 적게된다. 예를들어, 마스터 격자는 니켈과 같은 금속기판으로 에칭하여 만들 수 있다.

또한, 마스터격자는 용적인 큰경우에는 부품당 적은 제조비등으로 격자구조를 프라스틱으로 주입몰드 하여 만들수도 있다. 또한 격자는 광학기판에 직접에칭하여 만들수도 있다.

둘째, 디자인방법은 에칭깊이 d, 필팩터 F 및 격자주기 P와 같은 여러 가지 자유도를 가진다. 또한 격자 형상은 직사각형패턴일 필요는 없다. 삼각형패턴이나 또는 2차원 회전격자 패턴과 같은 다른 패턴은 여러 가지 응용이나 실시예에서 최적화될수 있다. 패턴은 도1에 도시된 바와 같은 역속하여 변하는 2-레벨의 디지털 일수 있고, 상세설명의 가르침과 부합하는 어떤 다른 형태일수도 있다.

셋째, 격자구조는 RCWA(Rigorous Coupled Wave Analysis) 코드로 몰드하여 최적화될수 있고, 임의 형상의 서브웨이브렝스 구조에 특히적합한 해석방법으로 완성할수도 있다. RCWA코드는, 예로서, 본 명세서에 참조로서 편입되는 E.N. Glytsis and T.K Gaylord, "Rigorous 3-D coupled wave diffraction analysis of multiple superposed gratings in anisotropic media" Appl, Opt. 28, 2401-2421(1989),에 설명되어 있다.

넷째, 서브웨이브렝스구조는 밀러, 렌즈 또는 프리즘과 같은 특정의 광학기판상에 직접제조할수 있으므로 한 광학소자에서 여러 가지 기능을 일체화 할수 있다. 이와 같이 서브웨이브렝스 구조 및 회절비임 스플리팅구조는 다른 광학기판상에 직접 제조하는 것은 동등한 기능을 유지하면서도 공간이나 비용절감을 하여준다.

다음 실시예는 본 발명에 따른 회절구조가 어떻게 광범위한 여러 가지의 응용에 적용되는가를 나타낸 것이다.

도 2는 프라스틱(n₁=1, n₂=1.52)으로 제조되고 입사빔에 대하여 45각도로 배향되는 (a=45°)직사각형상의 서브웨이브렝스구조의 반사특성(20)을 나타낸 것이다.

광의 파장은 650nm이다. 격자주기 P는 0.25㎛이고 필팩터 F는 0.5이다. TE 광(20)의 반사율은 반사율이 최대가 되는 격자깊이를 결정하기 위하여 격자 깊이 d에 대하여 도시하였다. 반사률의 최대 값은 약 0.40㎛의 격자깊이에서 발견된다.

반사률은 TE 편광에 대하여 99.9%에 이른다.

도 3은 도 2에서 상술한바의 동일 구조의 TM 편광에 대한 투과특성(30)을 나타낸 것이다. 투과률은 모든 엣칭 깊이에 대하여 균일하게 높으며 98% 보다 더 크다.

따라서, 에칭깊이를 0.40㎛로 조정하여 TE 편광의 반사율을 최대로 함으로써, 편광 빔 스플리터의 효율이 최적화된다.

편광효율이 상기 디자인에 대하여 높더라도, 시야 및 파장대역폭이 좁게된다. 도 4는 격자의 각도 의존성을 나타낸 것으로, TM 투과률(40°)은 입사각의 전범위에 걸쳐 높게 유지되지만 TE 반사율(45)은 45도로부터 입사각이 멀어질수록 떨어지게된다.

도 5는 상기 디자인에 따른 편광빔 스플리터의 파장 의존성을 나타낸 것이다. 특정의 빔스폴리터 디자인은 TE 반사율(45)에 대하여 좁은 대역폭을 가진다.

TE 투과률(50)은 도시된 전파장 범위에 걸쳐 높게 유지하고 있다. 이와 같은 디자인은 레이저빔이 편광빔 스플리터를 입사하게 되면 평행광으로 되는 레이저빔을 사용하는 응용에 적합하다. 이와 같이 평행하게되는 레이저 구성은 많은 광시스템에서 조우하게된다.

동일한 직사각형 형상의 격자를 사용하고, F=0.5, d=0.375㎛, 그리고 P=0.25㎛로 선택하면, 격자의 시야가 확장될수 있다.

도 6은 62 및 74 도 사이의 입사각에 대한 TM 편광의 투과특성(60)과 TE 편광의 투과특성(65)을 나타낸 것이다. TM 편광빔의 투과율(60)은 균일하게 걸쳐 높고, 에칭깊이는 대략 55%의 균일한 반사율(즉 1 마이너스 투과율(65))이 되도록 선택되어 있다. 이 제 2 실시예의 디자인은 편광빔 스플리터를 통하여 레이저빔이 집속되는 시스템에 대하여 특히 유용하며 그이유는 TE 반사율은 레이저빔을 집속하는 데 필요한 상당히 넓은 범위의 각에 걸쳐 변하지 않기 때문이다.

RCWA를 사용하고 격자재료, 격자형상, 격자주기, 격자깊이 및 필팩터를 변경하며 서브웨이브렝스 구조의 편광빔 스플리터를 몰딩함으로써, 서브웨이브렝스 구조의 편광빔 스플리터가 주어진 응용에 대하여 최적화될수 있다.

특정의 응용에 대하여 격자를 최적화시키기 위해 사용될수 있는 다른 변형예 가 있을수 있다. 상술한 파라미터이외에 서브웨이브렝스구조의 편광빔 스플리터의 다른 격자 파라미터가 주어진 응용데 대한 성능을 최적화시키기 위해 수정이 있을수 있다. 예를 들면, 싱글격자상에 중첩되는 다중격자 주기가 어떤 응용에 대한 성능을 최적화 시키기 위해 필요하게 될 수 있다. 다중격자주기는, 또한 RCWA를 사용하며 몰드될수 있다. 게다가 성능을 향상시키기 위해 지금까지 설명한 직각형상 대신에 삼각형 또는 정현파형과 같은 다른 형상이 사용될수 있다.

본 발명에 따른 서브웨이브렝스 편광빔 스플리터의 장점은 다른 기능을 가진 장치와 일체화 시킬수 있다는데 있다. 예를 들면, 서브웨이브렝스 편광빔 스플리터는 편광빔 루터(router)를 형성하기 위해 서브웨이브렘스 1/4파장 리타더 (retarder)와 일체화시킬수 있다. TE 및 TM 편광에 대한 유효굴절률 차이를 토대로한, 서브웨이브렝스구조의 리타더는 상술한 바 있으며, 예를 들어 본 명세서에 편입되는 Richter, Peng-chen Sun, F. Xu, and T. fainman "Degian Considerations of form birefringent microstructures" Appl, Opt. 34. 2421-2429(1995)에 설명되어 있다.

도 7a 및 도 7b는 리타더(73)와 일체화된 편광빔 스플리터(72)를 사용하여 빔을 루팅하기 위한 2개예의 기하학적 형상을 나타낸 것이다.

2개의 도면은 하나로 일체화된 프리즘(각각 70과 71) 상에 형성된 서브웨이브렝스구조의 편광빔 스플리터(72)와 서브웨이브렝스구조의 리타더(73)을 포함한다.

여기서 사용된바와 같이, 프리즘은 서로에 대하여 경사진 적어도 2개면을 가지는 투명한 광학소자로서, 이 광학소자로부터 광이 반사되거나 또는 이 광학 소자를 통하여 광이 굴절되는 것을 의미한다.

도 7a에서, TM 평광빔은 프리즘의 윗부분 표면에 형성된 서브웨이브렝스 편광자(73)를 통하여 고효율로 투과된다.

1/4파장 서브웨이브렝스구조의 리타더(73)는 프리즘(70)의 하부전표면상에 형성되어 있다.

리타더 격자벡터 K의 방향은 입사하는 TM 편광빔이 오른쪽방향으로 순회하는 편광빔으로 변환하기 위해 TM 편광빔의 전계벡터에 대하여 명목상 45°이다.

반사표면(74)은 임의 타입의 반사된 예를들어, 거울반사면이거나 또는 부분확산 반사면 일수 있다. 오른쪽으로 순회하는 편향빔은 반사시에 왼쪽으로 순회하는 편광빔으로 비대칭되게(handedness) 변경시킨다. 반사되어 왼쪽으로 순회하는 편광빔은 1/4 파장리터더(73)를 통하여 후방으로 전파하고, TE 편광으로 변환된다.

TE 편광빔은 서브웨이 편광빔 스플리터 표면(72)를 반사한후 도시된 바와 같은 내부 전반사에 기인하여 프리즘벽(76)을 반사하여 밑부분표면(73)을 통하여 프리즘(70)을 반사하여 밑부분 표면(73)을 통하여 프리즘(70)을 빠져나온다.

도 7b에서, TM 편광빔이 프리즘의 윗 표면상에 형성된 서브웨이브렝스 편광자(72)를 통하여 투과된다. 1/4 파장 서브웨이브렝스구조의 리타더(73)는 프리즘(71)의 밑표면의 일부분에만 형성되어 있다. 리타더 격자 벡터(K)의 방향은 입사하는 TM 편광빔을 오른쪽으로 순회하는 편광빔으로 변환하도록 TM 편광빔의 전계벡터에 대하여 명목상 45도 이다. 오른쪽으로 순회하는 편광빔은 반사면(74)로부터 반사한다. 오른쪽으로 순회하는 편광빔은 반사시에 왼쪽으로 순회하는 편광빔으로 비대칭되게 변경시킨다.

변환하는 왼쪽 순회 편광빔은 1/4 파장 리타더(73)를 통하여 후방으로 전파하고 TE 편광으로 변환된다.

TE 편광빔은 서브웨이브렝스 편광빔 스플리터 표면(72)을 반사한 후 도시된 바와 같이 내부전반사로 인하여 프리즘(71)의 밑표면의 다른부분(77)을 반사한다.

그후 광빔은 입사빔의 방향의 후방쪽으로 오른쪽표면(76)을 통하여 프리즘(71)을 빠저나온다.

도 7a 및 7b에서 빔 루트의 기능은 컴팩디스크 플레이어 및 DVD 플레어어용의 광판독헤드를 포함하는 광범위한 여러 가지 응용에 사용될수 있다. 빔루터는 정보가 엔코드되는 표면을 조명한후 반대방향의 반사빔을 검출기로 향하여 방향을 돌릴수 있다. 여기에 도입된 서브웨이브렝스 구조의 프리즘(70 및 71)의 이점은 서브웨이브렝스구조의 편광자(72) 및 서브웨이브렝스구조의 리타더 (73)을 한기판상에 제조할수 있다는 점이다.

두 개의 구성부재인 편광빔 스플리터와 1/4 파장리타더로 흔히 이루어지는 모든 기능이 하나의 일체화된 광학장치로 행하여진다. 그러한 장치는 주입몰딩이나, 다른 체적이 큰 저비용의 제조기술을 사용하여 제조될수 있다.

서브웨이브렝스 편광빔 스플리터는 매우 좁은 파장의 대역폭을 가지도록 설계될수 있다. 예로서, 실시예1의 편광빔 스플리터는 도 1에 도시된 바와 같이, 좁은 파장의 대역폭을 가진다. 서브웨이브렝스 편광빔 스플리터의 이와 같은 성질은 다이크로닉 빔 콤바인너(Dichroic Beam Combiner)를 형성하기 위해 사용될수 있다.

서브웨이브렝스구조를 사용하는 다이크로닉 빔 콤바인너(80)는 도 8에 도시되어 있다. 이예에서, 파장 1의 빔은 TM 방향에서 편광되어 편광빔 스플리터를 통하여 투과된다. 파장 1과는 다른 파장 2가 TE 편광상태로 편광되고 편광빔 스플리터(80)로 반사한다.

도 8에서, 2개의 빔은 결합되어 동일 방향으로 진행되지만, 직각의 편광상태로 있다. 직각 편광상태에 있는 빔을 가지는 것은 광경로에서 컴바인너의 다운스트림으로 루틴하기위한 목적으로 빔을 분리하는 장점을 가질수 있다.

도 8에 예시적인 디자인의 다른 실시예에서, 반사되고 투과되는 빔 양자는 TE로 편광될수 있다. 이것은 예 1(도 5)에서 도시된 바와 같이, 서브웨이브렝스 편광빔 스플리터는 어떤 다른 파장에 대하여서는 반사율이 높지만 어떤 다른 파장의 TE 편광에 대하여서는 투과율이 높기 때문이다.

도 8를 다시참조하면, 스프리터는 파장1에서 TE 편광에 대하여서는 투과되지만 파장2에서 TE 편광에 대하여서는 반사한다. 본 발명에 따른 서브웨이브렝스구조의 편광빔 스플리터는 상술한 평면의 표면이외에 비-평면의 표면상에 제조될수 있다. 예를 들어, 광간섭 리소그래피 기술은 곡면의 표면상에 주기적인 구조를 형성하는데 아주적합하다.

곡면의 표면상에 편광빔 스플리터를 형성할수 있음으로써, 서브웨이브렝스구조의 편광빔 스플리터기능을, 예를 들어, 렌즈와 밀러 등의 곡면 표면의 기능과 함께 결합되게 하여준다. 도 9는 리타더(94)(예 3에서와 같이)에 결합된 서브웨이브렝스구조의 빔 스플리터(92)로서, 양자는 빔루팅큐브(beam routing cube)의 인터페이스에서 곡면의 표면(98)과 결합되는 예를 나타낸 것이다.

빔루팅큐브의 기능은 빔(윗쪽에서 입사되도록 도시되어있음)을 받아드려 이빔을 모듈레이터 또는 검출기와 같은 반사기 또는 부분반사기 상에 집속한다.

TE 편광빔(이경우에는 시준된)은 위에서 장치로 입사한다. 그리고 이 빔은 곡면의 빔스플리팅인터페이스(92)로부터 반사한다. 이 빔스플리팅 인터페이스(92)는 도시된바와 같이 빔이 장치외측에서 집속하기 위하여 들어오게 하여주도록 형성되어있다. 서브웨이브렝스 구조(92)는 TE 편광을 곡면의 표면상에서 높은 효율로 반사하며, TM 편광을 고효율로 투과한다. 서브웨이브렝스리타더(94)는 장치의 사출면(장치의 왼쪽)에 만들어저서 TE 편광을 오른쪽으로 순회하는 편광으로 변환한다.

오른쪽으로 순회하는 편광상태는 반사기(96)로부터 반사시에 왼쪽으로 순회하는 편광으로 변경된다. 빔은 서브웨이브렝스구조의 리타더(94)를 통하여 후방으로 투과할 때 TM 편광으로 변환된다. TM 편광빔은 서브웨이브렝스구조의 편광빔 스플리터(92)를 통하여 투과된다.

입면체의 윗부분의 굴절률 n₁은 입면체의 밑부분의 굴절률 n₂와 다르다. 이것으로 인하여 곡면의 인터페이스(92)는 파워를 집속시키게 된다.

결국, 입면체의 우측면(98)의 입면체를 통한 전파와 관련하여 파면수차의 정정을 위한 곡면을 가지고 있다.

조명빔의 파장 보다도 더 큰 공간 주파수의 회절격자는 역시 편광선택을 디스플레이할수 있다.

특히, 1차수빔만이 전파되고 다른 모든 고차수빔이 상쇄되도록 선택된 주기를 가진 회절격자는 효율적인 빔 경로선택 편광빔 스플리터에 대한 토대가 될 수 있다.

그러한 비-서브웨이브렝스 격자가 몰드되어 RCWA 코드 및 본 발명에 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자가 능히할수 있는 상술한 서브웨이브렝스구조의 디자인에서 사용된 이들과 유사한 해석방법으로 최적화될수 있다.

도 10은 직각프리즘의 직각삼각형의 빗변상에 제조된 격자(101)을 포함하는 빔루터(100)를 나타내고 있다.

이와 같은 기하학적형상은 제 0 회절차수 내의 모든 파워(즉 투과되는 제 0차수성분 및 반사되느 제 0차수성분 모두)가 프리즘면의 전반사로 인해 반사되는 이점을 가진다. 이것은 프리즘을 통한 반사경로의 효율을 상당히 증대시킬수 있다.

격자가 편광선택적이어서 예를 들어 TM 편광에 대한 회절효율이 TE 편광보다도 훨씬더 크다면, 모든 TE 편광은 거의 직삼각형 빗변에서 반사되어 TM 편광의 많은량이 반환 경로에서 회절된다.

이효과를 설명하기위해, 750nm 주기 및 격자깊이 120nm을 가진 연속의 정현파 격자(101)가, 도 10에서 도시된 바와 같은, 프리즘(102)의 직삼각형 빗변상에 제조되었다. 서브웨이브렝스 1/4 파장 리타더(102)가 도시된바와 같이, 프리즘의 윗사출면상에 설치되었다. 650nm의 레이저광이 프리즘(100)의 좌편 입사면으로부터 도입되었다.

수평으로 편광된 (TE)광에 대한 반사율(내부 전반사)은 73%이고, 수직으로 편광된(TM)량의 반사율은 21%이었다. 1/4 파장 리타더(102)를 통하여 투과되는 반사빔은 도시된 바와 같이 TE 편광을 오른쪽으로 순회하는 편광으로 변환하기위해 45도 배향되었다.

오른쪽으로 순회하는 편광빔은 밀러(도시않됨)에서 반사되고 이 반사빔을 왼쪽으로 순회하는 편광빔으로 변환한후 프리즘(102)의 사출면을 향하여 반대의 후방쪽으로 전파한다. 왼쪽으로 순회하는편광빔은 1/4 파장리타더(102)를 통해 후방으로 투과시 수직으로 편광되는(TM) 광으로 변환된다. 그다음 TM 편광은 편광격자(101)을 통해 검출기(103)로 통과하게된다. 수직으로 평광된(TM)광에 대한 회절효율은 39%이고 TE 편광에 대한 효율은 6%이다. 따라서 프리즘의 입사면으로부터 검출기까지의 전 주행효율은 반사경로의 효율 73%에 회절(반환)경로의 효율39%을 곱한 것 또는 73%×39%=28%이다.

루터(100)는 TM 편광에 대하여서는 최대 회절 효율을 가지고 TE 편광에 대하여서는 최소회절 효율을 가지는 격자 프로파일을 선택함으로써 최적화될수 있다. 격자에 대한 주기는 역시 중요하게 고려하여야할 사항중의 하나이다. 격자주기는 프리즘의 인터페이스 각(이경우는 45도)에서 다만 제 0회절 차수와 제 1 회절차수만이 레이저 빔의 파장에 대하여 전파만이 레이저 빔의 파장에 대하여 전파하도록 선택된다. 이것은 레이저의 파워가 회절아니면 반사되거나 더높은 2,3회절차수나 또는 -1.-2의 부의 회절차수에서는 파워가 전혀 낭비되지 않도록 하여준다. 그러나 높은 회절차수가 전파되게 하여주는 격자주기도 다른 광학 시스템의 고려하여야할 사항에 대하여서는 요구될 수도 있다. 예를들어, 반환경로 회절빔이 직선(반환빔에 평행)방향으로 전파하는 것이 요구되는 경우, 2차, 3차 또는 4차의 빔이 더욱 잘 전파하게 되는 것이어서 더욱 큰 주기가 필요하게 된다. 듀티사이클, 격자깊이, 격자 프로파일(바이너리, 정현파 또는 기타)과 같은 격자 파라미터는 주행효율을 최적화시키기 위해 조정될 수도 있다.

프리즘의 사용은 다른 광학기능(예를들어, 빔 분할이외의)프리즘의 다른 표면에 적용될 수 있다는 다른 이점이 있다. 예를들어, 서브웨이브렝스 구조의 리타더는 프리즘의 윗 표면상에 제조될 수 있다(예, 도 10). 파워가 집속되는 표면이 프리즘의 입사 또는 사출면상에 제조될 수 있다. 프리즘은 예를들어 주입몰드 기술을 사용하여 단일부로 제조될 수 있으며, 따라서 여러 가지 기능이 하나의 컴팩트하고, 일체화된 부분으로 통합된다.

도 11은, 도 10에 개략적으로 도시한 일체화된 검출기 레이저 및 광빔루팅 빔 스플리터를 일체화하기 위한 바람직한 실시예(110)를 나타낸 것이다. 레이저 다이오드(112)로부터의 광은 프리즘의 왼쪽면 상에 위치하는 시준렌즈(113)로 분산한다. 레이저 다이오드(112), 시준렌즈(113) 및 프리즘(119)은 모두 스페이셔(111)위에 설치되어 있다. 레이저(112)로부터의 광은 도면의 윗부분에 도시된 대물렌즈(117)를 넘치지 않도록 거의 시준되어 있다. 개구 스토퍼(116)는 오버필이 발생하지 않도록 방지하여준다.

3-빔 발생격자는 트랙킹 목적으로 세 개의 빔을 디스크상에 발생하기 위하여 시준렌즈(113)의 윗부분에 제조되어 있다.

편광격자(114)와 리타더 격자(115)는 상술한 바와 같이 작동한다. 반환경로에서, 편광격자(114)는 영상을 일체화된 검출기(118)로 방향을 바꾸어 준다.

도 7a 및 도 7b에서의 빔루터와 똑같이 도 10 및 11에서의 빔루터 기능은 컴팩트 디스크 플레이어와 DVD 플레이어용의 광판독 헤드를 포함하는 광범위한 여러 가지의 응용에 사용될 수 있다.

본 발명의 범위나 기술사상을 벗어남이 없이 본 발명의 편광빔 스플리터 및 관련된 광학 소자에 있어서 여러 가지 수정이나 변경이 이루어질 수 있음은 본 발명의 기술분야에서 숙련된 자라면 명백할 것이다.

예로서, 서브웨이브랭스 리타더는 명세서 전체에 걸쳐 인용되고 있지만, 액정표시장치(LCD)에서 통상적으로 사용되는 바와 같은 박막 리타더로 대치될 수 있다. 또한 광학소자상에 직접 빔 스플리터를 일체화하기 위한 상술한 바의 제조 기술 이외에 다른 제조 기술이 사용될 수 있다.

상술한 빔 스플리터 및 리타더는 이미 구체적으로 설명한 것과는 다른 광학 소자에 일체화될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예도 지금까지 개시한 상세 설명 및 실시예를 고려하면 본 발명의 기술분야에서 숙련된 자라면 명백할 것이다.

본 발명의 상세설명 및 실시예는 단지 예시적인 예로서 고려되어야 하며 본 발명은 첨부된 청구범위에 나타난 발명의 범위 및 기술사상에 의해서 정하여짐을 이해하여야 한다.

상기 내용에 포함되어 있음.

Claims (25)

1. 회절격자가 표면상에 제공되고 입사하는 광빔에 대하여 경사각도로 배열된 편광 빔 스플리터에 있어서,

   상기 회절 격자는 상기 광빔의 편광성분을 구별하여 다르게 투과하고 반사하기 위해서 선택된 주기를 가지는 복수개의 반복되는 융기부를 포함함을 특징으로 하는 편광 빔 스플리터.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 주기는 입사하는 광빔의 파장보다도 더 작음을 특징으로 하는 편광 빔 스플리터.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 복수의 융기부는 직사각형, 삼각형 또는 정현파 단면 형상 중의 어느 하나를 가지도록 구성됨을 특징으로 하는 편광 빔 스플리터.
4. 청구항 1에 있어서, 상기 회절격자가 제공된 표면은 평면임을 특징으로 하는 편광 빔 스플리터.
5. 청구항 1에 있어서, 상기 회질 격자가 제공된 표면은 곡면임을 특징으로 하는 편광 빔 스플리터.
6. 청구항 1에 있어서, 상기 입사광의 TE(Transverse Electric Mode)성분은 상기 편광 빔 스플리터에 의해 반사되고, 상기 입사광의 TM(Treansverse Magnetic Mode)성분은 상기 회절격자를 통하여 투과되도록 구성됨을 특징으로 하는 편광 빔 스플리터.
7. 청구항 1에 있어서, 상기 편광 빔 스플리터는 투과 매질에 제공되고, 상기 융기부는 투과 매질의 굴절률과 다른 굴절률을 가지는 물질로 형성됨을 특징으로 하는 편광 빔 스플리터.
8. 청구항 7에 있어서, 상기 회절격자는 입사광의 TE 성분을 적절히 반사시키고 입사광의 TM 성분을 어느 한 각도범위에 걸쳐 투과시키도록 설계됨을 특징으로 하는 편광 빔 스프리터.
9. 청구항 8에 있어서, 상기 회절 격자는 특정 각도에서 TE 성분을 최적으로 반사하고 TM 성분을 투과하도록 설계됨을 특징으로 하는 편광 빔 스플리터.
10. 청구항 10에 있어서, 상기 특정 각도는 실질적으로 45°임을 특징으로 하는 편광 빔 스플리터.
11. 청구항 1에 있어서, 상기 편광 빔 스플리터는 다이크로닉 편광 컴바인너로서 작동하도록 배열됨을 특징으로 하는 편광 빔 스플리터.
12. 청구항 11에 있어서, 상기 스플리터의 제 1 표면으로 입사하는 제 1 파장의 광은 투과되고 상기 제 1 표면에 대향하는 스플리터의 제 2 표면상에 입사하는 제 2 파장의 광은 반사되도록 구성됨을 특징으로 하는 편광 빔 스플리터.
13. 입사하는 빔을 가지는 프리즘을 포함하는 빔 루터에 있어서,

    회절격자가 프리즘의 표면상에 일체화되어 편광 빔 스플리터로서 작용하도록 구성됨을 특징으로 하는 빔 루터.
14. 청구항 13에 있어서, 상기 회절격자의 주기는 광빔의 파장보다 더 작고, 상기 회절 격자는 광빔의 편광성분을 선택적으로 다르게 투과하고 반사하도록 구성함을 특징으로 하는 빔루터.
15. 청구항 14에 있어서, 프리즘의 또 하나의 다른 표면상에 형성된 리타더를 더 구비하도록 함을 특징으로 하는 빔루터.
16. 청구항 15에 있어서, 상기 리타더는 서브웨이브렝스 리타더임을 특징으로 하는 빔 루터.
17. 청구항 16에 있어서, 상기 광빔은 회절격자를 가진 프리즘의 표면을 통하여 프리즘으로 입사하고 리타더에의해 투과된 후, 반사표면에 충돌하도록 구성됨을 특징으로 하는 빔 루터.
18. 청구항 14에 있어서, 입방체를 형성하기 위해 회절격자를 가진 표면에 접속되는 또 하나의 다른 프리즘을 더 구비함을 특징으로 하는 빔 루터.
19. 청구항 18에 있어서, 프리즘의 또 하나의 다른 표면상에 형성된 리타더를 더 구비함을 특징으로 하는 빔 루터.
20. 청구항 19에 있어서, 상기 광 빔은 회절격자를 가지는 프리즘의 표면에 의해 반사되고, 리타더에 의해 투과된 후 반사표면에 충돌하도록 구성됨을 특징으로 하는 빔 루터.
21. 청구항 13에 있어서, 상기 광빔은 프리즘의 입사표면상에 입사한 후 내부전반사에 의해 편광회절격자를 가진 표면으로부터 반사되도록 구성됨을 특징으로 하는 빔 루터.
22. 청구항 21에 있어서, 입사광빔의 회절차수의 모든 파워가 내부전반사에 기인하여 직삼각형 빗면으로부터 반사되게 구성됨을 특징으로 하는 빔 루터.
23. 편광의 방향에 좌우되게 입사광 빔의 분할 방법에 있어서,

    광빔의 편광성분을 구별하여 다르게 투과과 반사하도록 선택되는 주기를 가진 복수개의 반복되는 융기부를 가지는 회절격자를 실질적으로 평면의 표면상에 제공하는 단계와,

    상기 회절격자의 평면을 상기 회절격자의 평면에 평행한 제 1 편광성분과 제 1 편광성분에 수직한 제 2 편광성분을 가지는 입사광빔으로 90%보다 적고 0%보다는 큰 일정각도(a)에서 배향시키는 단계를 구비하고, 상기 제 1 편광성분은 실질적으로 회절격자에 의하여 반사되는 반면에 제 2 편광성분은 실질적으로 투과되도록 함을 특징으로 하는 입사광빔의 분할 방법.
24. 청구항 23에 있어서, 상기 반복되는 융기부의 주기는 입사광빔의 주파장(Principal Wavelength)보다 적은 것을 특징으로 하는 입사광빔의 분할방법.
25. 청구항 23에 있어서, 상기 회절격자의 평면에 따른 주축이 실질적으로 입사광빔의 제 1 편광성분과 평행하도록 상기 복수개의 반복되는 융기부를 배향시키는 단계를 더 구비함을 특징으로 하는 입사광빔의 분할 방법.