KR20100113513A - 물질 합성물의 광 조절에 대한 서브 파장 구조, 장치 및 방법 - Google Patents
물질 합성물의 광 조절에 대한 서브 파장 구조, 장치 및 방법 Download PDFInfo
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Abstract
소정 파장에서 입사 전자기 방사의 전달 향상 장치는 얇은 필름에서 구멍 배열 구조를 포함한다. 상기 구조는 첫번째 구멍과 두번째 구멍을 포함하여 하나 이상의 리필링(repealing) 유닛 셀을 포함한다. 여기에서 첫번째 구멍의 파라미터는 두번째 구멍의 파라미터와 다르다. 상기 유닛 셀은 소정 파장보다 작거나 유사한 주기로 반복된다. 상기 구조 파라미터는 소정 파장에서 소정 편광 상태의 전달을 향상하고 연결하기 위하여 캐비티 모드를 우선적으로 지지하도록 구성된다. 적어도 하나 이상의 차원, 높이, 상기 구멍을 메우는 물징의 유전율, 형상에서 적절한 정도로 상이한 구멍으로 유닛 셀을 구조화함으로써, 상기 장치는 편광 및/또는 파장 필터링 및/또는 광 순환, 위빙, 채널링에 대해 구성될 수 있다.
Description
상기 발명은 일반적으로 편광 조절가능성 및 전달 향상에 대한 입사 광학적 방사의 전달 향상을 위한 서브 파장 주기적 구조, 서브 파장 구멍 배열 구조, 격자 구조에 관련한다. 상기 발명은 전달 향상, 광 채널링, 순환, 위빙을 위한 커플드(coupled) 모드 공진을 지지하도록 구성된 기하학적 구조를 갖는다. 본 발명은 더 나아가 상기 구조를 포함하는 장치에 관련된다.
미국 정부는 국제 과학 기구(National Science Foundation;NSF)에서 수상한 "광 로컬라이제이션 및 채널링을 이용한 진보된 실리콘 기반의 광검출기"로 명명된 본 발명에 대하여, 제한된 조건에서 타인에게 패이스 아이 스몰 비지니스 이노베이티브 리서치(Phase I Small Business Innovative Research;SBIR) 계약 번호 0539541에서 제공되는 온당한 조건으로 허가할 것을 특허권자에게 요구할 권리를 포함하는 소정의 권리를 가진다.
이 출원은 2006년 12월 8일 출원된 미국 가출원 시리얼 번호 60/874,037에 우선권을 주장하고, 또한 2008년 9월 8일 출원된 미국 특허 출원중인 명칭 "수평하게 분배된, 표면 플라즈몬과 공진 캐비티 모드를 이용한 탠덤 솔라 셀"의 시리얼 번호 61/191,292에 우선권을 주장하는 2007년 12월 10일 출원된 국제 특허 출원 PCT/US07/25351에 대하여 우선권을 주장한다. 전체 구성은 여기에 포함된다.
이차원적으로 주기적인 홀 어레이와 일차원적으로 주기적인 전달 격자 구조 모두에 대하여 주기적으로 무늬화된 금속 구조에서 전달 향상 현상에 대하여 많은 관심이 있어왔다. 도 1을 참조하면, 전달 향상은 빛이 주기적으로 무늬화된 광학적으로 두꺼운, 금속 접촉(12)을 갖는 격자 구조(10)에 입사하는 특정 조건에서 일어날 수 있다고 알려진 현상이다. 상기 격자 구조(10)에서 전자기장 입사(16)의 전형적인 포인팅 벡터(20)가 도 1에 도시되어 있다.
아래 방적식에 설명된 것처럼, 전달 향상은 입사광(16)이 상기 접촉(12)을 입사광(16)이 영향을 주는 상기 구조(10)의 전체 면적으로 나누는 그루브(14)의 면적(Agroove) 비율보다 높은 투과율(T)로 전달될 때 일어난다.
T > Agroove / Atotal (1)
그 결과, 입사광(16)은 금속 접촉(12) 주위와 상기 격자 구조(10)의 그루브(14)를 통과하여 채널되고 방사(18)를 전달한다. 필름 전체 면적의 오직 아주 작은 백분율을 차지하는 그루브 구조는 특정 파장, 편광 상태 및 입사각에서 입사광의 100%에 가깝게 전달하는 것으로 알려졌다.
광학적 전달 향상이 만일 다른 애플리케이션에 정확히 모델될 수 있다면, 이는 다양한 광학 장치에 이용될 수 있는 극도로 유용한 재산이다. 최근까지, 이러한 현상은 일차원적으로 주기적인 전달 격자 구조와 이차원적으로 주기적인 홀 어레이 모두에 대하여 수평으로 배향된 표면 플라즈몬(horizontally oriented surface plasmons;HSPs), 즉 표면에 평행하게 배향된 표면 플라즈몬에 기인하였다. 그런 이유로 이러한 전달 향상 격자 선행 기술은 HSP 커플링을 최적화하도록 설계된 특정 구성에 국한되어 있었다.
예를 들면, Ebbesen 등에 의한 미국 특허 제5,973,316호는 HSP 모드에 연결함으로써 광 전달을 향상하기 위한 얇은 금속 필름 또는 얇은 금속 플레이트에서 낮은 프로파일 서브 파장 구멍 배열을 밝혔다. 여기에서 배열의 주기는 특정 파장 범위 내에서 전달을 향상시키기 위해 선택된다. 에베센은 더 나아가 상기 배열이 포토리소그래픽(photolithographic) 애플리케이션에서 빛을 여과하고 모으는데 사용될 수 있음을 밝혀냈다.
다른 예에서, Brown에 의한 미국 특허 제 5,625,729호는 입사 방사를 국지적인 표면 플라즈몬 파장에 공진적으로(resonantly) 연결하기 위한 광전자 소자(optoelectronic device)를 밝혀냈다. 상기 소자, 즉 금속-반도체-금속 탐지기(MSM)는 HSP 모드 전파를 상기 격자와 상기 기질을 따라 공진적으로 연결하기 위해 반도체 기질 위에 대체적으로 평면적이고 규칙적으로 위치한 다수의 낮은 프로파일 전극을 포함한다.
상기 기술분야의 당업자는 오직 입사 횡자기파 방사만이 HSPs에 연결된다는 것을 인식할 것이다.(횡자기파 방사는 상기 격자 요소(예를 들어 와이어)와 평행하게 배향된 자기장을 갖는 전자기 방사로 정의된다.). 따라서 이 분야 및 타 분야의 서브 파장 전달 향상 격자 선행기술은 HSP 연결을 최적화하도록 설계된 특정 구성에 국한되고, 그 결과 횡자기파 방사의 전달을 향상시키는 격자에 제한된다.
본 발명은 선택적으로 소정 편광 상태를 전달하거나, 횡전계 및 횡자기파 방사 모두의 전달을 동시에 향상하도록 구성되고, 편광 조절 가능한 물질 합성물의 광 조절에 대한 서브 파장 구조, 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.
상기 본 발명은 선택적으로 소정 편광 상태를 전달하거나, 횡전계 및 횡자기파 방사 모두의 전달을 동시에 향상하도록 구성가능한, 편광 조절 가능한 전달 향상 서브파장 격자와 구멍 배열 구조에 관련한다. 상기 본 발명은 또한 캐비티 모드(CMs)를 지지하는 전달 향상 서브 파장 구조와 관련한다. 상기 캐비티 모드는 입사 방사 각에 따라 광 순환 또는 광 위빙 구조를 생산하는 하이브리드 캐비티 모드를 포함한다. 상기 본 발명의 서브 파장 구조는 제작하기 쉽고 따라서 편광 조절 가능한 전달을 필요로 하는 장치로 통합하기 쉽다. 그런 이유로 상기 본 발명은 더 나아가 본 발명의 어떠한 서브 파장 구조도 포함하는 장치와 관련한다.
소정 파장에서 입사 전자기 방사의 전달을 향상하는 장치는 얇은 필름에 구멍 배열을 갖는 구조를 포함한다. 상기 구조는 소정 파장에서 소정의 편광 상태의 전달을 향상하고 연결하기 위하여 우선적으로 캐비티 모드를 지지하는 데 구성되어 있다. 상기 구조는 소정 파장에서 전달된 소정의 편광 상태의 광 순환과 위빙을 유도하도록 구성되어 있다. 상기 구멍 배열은 소정 파장보다 작거나 그에 따른 주기를 가지고 배열된다.
소정 파장에서 입사 전자기 방사의 전달을 향상시키는 장치는 얇은 필름에서 구멍 배열을 포함하는 구조를 포함한다. 상기 구조는 적어도 첫번째 구멍과 두번째 구멍을 갖는 반복 유닛 셀을 포함한다. 여기에서 첫번째 구멍의 파라미터는 두번째 구멍의 파라미터와 다르다. 상기 유닛 셀은 소정 파장보다 작거나 그에 따른 주기로 반복된다. 상기 구조는 소정 파장에서 소정의 편광 상태의 전달을 향상하고 연결하기 위하여 우선적으로 캐비티 모드를 지지하도록 구성되어 있다.
이러한 구조는 그들 사이의 공기 공간 층 또는 광 순환, 채널링, 위빙 또는 여기에서 설명된 어떤 또 다른 전달 향상 효과를 향상시키는 어떠한 물질로도 구성되는 공간 층으로 쌓일 수 있다.
하나 이상의 소정 파장 대역 내에서 입사 전자기 방사의 전달을 향상시키는 장치는 얇은 필름에서 구멍 배열로 구성되는 구조를 포함한다. 상기 구조는 첫번째 구멍과 두번째 구멍을 포함하여 하나 이상의 구멍을 갖는 반복 유닛 셀을 포함한다. 여기에서 첫번째 구멍의 파라미터는 두번째 구멍의 파라미터와 다르다. 상기 유닛 셀은 소정 파장보다 작거나 그에 따른 주기로 반복된다. 상기 구조는 소정 파장 대역 내에서 편광되지 않은 빛의 전달을 향상하고 연결하기 위하여 우선적으로 캐비티 모드를 지지하도록 구성되어 있다. 상기 구조는 더 나아가 첫번째 소정 파장 대역 내에서 각 유닛 셀의 첫번째 구멍으로 빛을 채널링하고 두번째 소정 파장 대역 내에서 각 유닛 셀의 두번째 구멍으로 빛을 채널링하도록 구성되어 있다.
이러한 장치는 솔라 셀을 포함한다. 여기에서 첫번째 구멍은 첫번째 파장 대역 내에서 빛을 강하게 흡수하는 반도체 물질로 채워져 있고, 두번째 구멍은 두번째 파장 대역 내에서 빛을 강하게 흡수하는 반도체 물질로 채워져 있다. 상기 유닛 셀은 다른 소정의 파장 대역을 흡수하고 채널링하는데 최적화된 많을 구멍을 포함할 수 있다.
하기 설명된 이러한 구멍 배열 구조와 격자 구조는 어떠한 것이라도 더 나아가 광 순환 또는 위빙을 구성할 수 있다. 그러한 구멍 배열 구조로부터 형성될 수 있는 장치들은 편광자, 파장 필터, 파장 센서티브 채널링 장치(wavelength sensitive channeling devices), 집광, 기억, 조절장치, 파장 및/또는 편광 센서티브 광검출기(polarization sensitive photodetectors) 및 편광 센서를 포함한다.
상기 본 발명은 또한 선택적으로 소정 편광 상태를 전달하거나, 횡전계 및 횡자기파 방사 모두의 전달을 동시에 향상하도록 구성할 수 있는 편광 조절가능한 전달 향상 서브 파장(PETS) 격자에 관련한다. 상기 본 발명은 또한 캐비티 모드(CMs)를 지지하는 전달 향상 서브 파장 격자와 관련한다. 상기 캐비티 모드는 입사 방사 각에 따라 광 순환 또는 광 위빙 구조를 생산하는 하이브리드 캐비티 모드를 포함한다. 본 발명의 상기 격자는 이롭게도 제작하기 쉽고 따라서 편광 조절 가능한 전달을 필요로 하는 장치로 통합이 쉬운 작은 형성 요소(form factor)를 갖는다. 본 발명의 소정의 파장에서 입사 전자기 방사의 전달을 향상하는 격자는 입사 전자기 방사의 횡전계 편광 상태의 전달을 향상하고 연결하기 위하여 캐비티 모드를 우선적으로 지지하도록 구성되어 있는 격자 구조를 포함한다. 상기 격자 구조는 상기 소정의 파장보다 작거나 이와 동등한 주기를 가지고 배열된 다수의 와이어; 상기 다수의 각각의 근접한 와이어 쌍 사이의 그루브를 포함한다. 상기 그루브는 상기 와이어와 높이 사이에 폭을 갖는다. 여기에서 상기 그루브는 1보다 크거나 동일한 유전율을 갖는 유전 물질로 채워져 있다.
본 발명의 어떠한 격자 구조의 일 실시예에서 상기 유전율은 1.2보다 크거나 동일하다. 다른 실시예에서, 유전율은 2.0보다 크거나 동일하다. 그러나 다른 실시예에서 상기 유전율은 10보다 크거나 동일하고, 가급적 14와 동일하거나 크다.
본 발명의 어떠한 격자 구조도 적어도 1부터 10이하의 범위에서 그루브 폭 대역 주기의 종횡비를 포함한다.
본 발명의 어떠한 격자 구조도 하나 이상의 알루미늄, 실버, 골드, 구리 및 텅스텐을 포함하는 어떠한 높은 전도성 물질로부터 형성되는 와이어를 포함할 수 있다.
본 발명의 어떠한 격자 구조도 가급적 적어도 두 개의 층은 서로 다른 물질인 다수의 층을 포함할 수 있는 기질 위에 중첩될 수 있다. 본 발명의 격자 안에 어떠한 기질도 하나 이상의 실리카, 실리콘, 실리콘 디옥사이드, Ge, GeAs, InP, InAs, AlAs, GaN, InN, GaInN, GaAlAs, InSb, 혼성 실리카, 사파이어, 석영, 유리 및 BK7을 포함할 수 있다.
상기 본 발명의 어떠한 격자 구조의 상기 그루브 내의 유전 물질은 적어도 하나의 실리카, 실리콘, 실리콘 디옥사이드, 실리콘 나이트라이드, 알루미늄, 탄성중합체, 크리스탈린 파우더, 반도체 물질, 크리스탈린 디탄탈륨 펜톡사이드(crystalline ditantalum pentoxide), 크리스탈린 하프늄 옥사이드(crystalline hafnium oxide) 및 폴리 크리스탈린 해하늄 옥사이드를 포함할 수 있다.
상기 본 발명은 더 나아가 소정 파장에서 입사 전자기 방사의 전달을 향상하기 위한 격자를 포함한다. 상기 격자는 소정 파장에서 동시에 입사 전자기 방사의 횡전계 편광 상태 및 횡자기파 편광 상태의 전달을 향상하고 연결하기 위하여 캐비티 모드를 우선적으로 지지하도록 구성되어 있는 격자 구조를 포함한다. 상기 격자 구조는 소정 파장 이하의 주기로 정렬된 다수의 와이어와 각각의 다수의 근접한 와이어 쌍 사이의 그루브를 포함한다. 상기 그루브는 와이어와 높이 사이의 폭을 가지고 여기에서 상기 그루브는 1 이상의 유전율을 가진 유전 물질로 채워져 있다.
상기 격자의 일 실시예는 적어도 80%의 TE 및 TM 편광 상태 각각의 전달 효율을 갖는다.
본 발명은 더 나아가 첫번째 소정 파장에서 입사 전자기 방사의 횡전계 편광 상태의 전달을 향상하고 연결하기 위하여 첫번째 소정 파장에서 TE-여기가능(excitable) 캐비티 모드를 우선적으로 지지하고, 두번째 소정 파장에서 입사 전자기 방사의 횡자기파 편광 상태의 전달을 향상하고 연결하기 위하여 두번째 소정 파장에서 TM-여기가능(excitable) 캐비티 모드를 우선적으로 지지하도록 구성된 격자 구조를 포함하는 격자를 제공한다. 상기 격자 구조는 소정 파장 이하의 주기로 배열된 다수의 와이어; 및 각각의 다수의 근접한 와이어 쌍 사이의 그루브를 포함하며, 상기 그루브는 와이어와 높이 사이의 폭을 포함한다. 상기 격자 구조는 더 나아가 첫번째 소정 파장에서 횡자기파 편광 상태를 반사하고, 두번째 소정 파장에서 횡전계 편광 상태를 반사하도록 구성된다.
상기 본 발명은 여전히 소정 파장에서 입사 전자기 방사의 전달을 향상하기 위한 격자를 더 제공한다. 상기 격자는 소정 파장에서 동시에 횡전계 편광 상태 및 횡자기파 편광 상태의 전달을 향상하고 연결하기 위하여 캐비티 모드를 우선적으로 지지하도록 구성되어 있는 격자 구조를 포함한다. 상기 격자 구조는 하나의 세트 안에 첫번째 와이어의 리딩엣지로부터 다음 세트 안에 첫번째 와이어의 리딩엣지까지 확장하는 격자 구간을 포함하여서 적어도 두개의 와이어와 두개의 그루브 세트가 상기 격자 구간 내에서 발생하도록 한다. 즉, 상기 격자 구간은 구간당 두개의 그루브를 포함한다. 첫번째 그루브는 각각의 세트 내에서 근접한 와이어 쌍 사이에 있다. 각각 첫번째 그루브는 첫번째 그루브 폭, 첫번째 그루브 유전율 및 첫번째 그루브 높이를 포함한 격자 파라미터의 첫번째 세트와 연관된다. 두번째 그루브는 각각의 반복되는 와이어 세트 사이에 있다. 두번째 그루브는 두번째 그루브 폭, 두번째 그루브 유전율 및 두번째 그루브 높이를 포함한 격자 파라미터의 두번째 세트와 연관된다.
일 실시예에서, 적어도 하나의 첫번째 격자 파라미터는 포개지는 전달 스펙트럼(overlapping transmission spectra)을 갖는 근접한 그루브에서 캐비티 모드 생산을 방지하는데 충분한 양에서 이에 상응하는 두번째 격자 파라미터와 다르다.
다른 실시예에서, 두번째 폭과 다른 첫번째 폭 또는 두번째 유전율과 다른 첫번째 유전율 중 어느 하나 또는 폭과 유전율 모두가 포개지는 전달 스펙트럼(overlapping transmission spectra)을 갖는 근접한 그루브에서 캐비티 모드 생산을 방지하는데 충분한 양에서 다르다.
본 발명의 금속-반도체-금속 탐지기는 소정 파장에서 전달된 횡자기파 및 횡전계 편광 상태 각각의 강도를 측정하기 위한 센서와 소정 파장에서 동시에 횡전계 편광 상태 및 횡자기파 편광 상태의 전달을 향상하고 연결하기 위하여 캐비티 모드를 우선적으로 지지하고 또 우선적으로 첫번째 그루브를 통과하여 횡전계 편광 상태를 전달하고 두번째 그루브를 통과하여 횡자기파 편광 상태를 전달하도록 구성된 격자 구조를 포함하는 격자를 포함한다. 상기 격자 구조는 하나의 세트 안에 첫번째 와이어의 리딩엣지로부터 다음 세트 안에 첫번째 와이어의 리딩엣지까지 확장하는 격자 구간을 포함하여서 적어도 두개의 와이어와 두개의 그루브 세트가 상기 격자 구간 내에서 발생하도록 한다. 즉, 상기 격자 구간은 구간당 두개의 그루브를 포함한다. 첫번째 그루브는 각각의 세트 내에서 근접한 와이어 쌍 사이에 있다. 각각 첫번째 그루브는 첫번째 그루브 폭, 첫번째 그루브 유전율 및 첫번째 그루브 높이를 포함한 격자 파라미터의 첫번째 세트와 연관된다. 두번째 그루브는 각각의 반복되는 와이어 세트 사이에 있다. 두번째 그루브는 두번째 그루브 폭, 두번째 그루브 유전율 및 두번째 그루브 높이를 포함한 격자 파라미터의 두번째 세트와 연관된다.
본 발명은 소정 파장에서 입사 전자기 방사의 전달을 향상하는 격자를 더 포함한다. 상기 격자는 소정 파장에서 소정 편광 상태의 전달을 향상하고 연결하며 상기 소정 파장에서 소정의 전달된 편광 상태의 광 순환과 광 위빙을 유도하기 위하여 캐비티 모드를 우선적으로 지지하도록 구성되어 있는 격자 구조를 포함한다. 상기 격자 구조는 격자 구간당 적어도 두 그루브를 갖는 격자 구간, 각각의 구간 내에서 발생하는 적어도 두개의 와이어 세트를 포함한다. 상기 격자 구간은 하나의 세트 안에 첫번째 와이어의 리딩엣지로부터 다음 세트 안에 첫번째 와이어의 리딩엣지까지 확장한다. 상기 격자 구조는 각각의 세트 내에서 근접한 와이어 쌍 사이에 첫번째 그루브를 포함한다. 각각의 첫번째 그루브는 첫번째 그루브 폭, 첫번째 유전율을 가진 첫번째 그루브 물질 및 첫번째 그루브 높이를 포함하는 첫번째 격자 파라미터 세트와 연관된다. 두번째 그루브는 각각의 세트 내에서 근접한 와이어 쌍 사이에 있다. 두번째 그루브는 두번째 그루브 폭, 두번째 유전율을 가진 두번째 그루브 물질 및 두번째 그루브 높이를 포함하는 두번째 격자 파라미터 세트와 연관된다.
일 실시예에서 하나 이상의 상기 첫번째 격자 파라미터는 포개지는 전달 스펙트럼을 갖는 근접한 그루브에서 캐비티 모드 생산을 방지하는데 충분한 양에서 이에 상응하는 하나 이상의 두번째 격자 파라미터와 다르다.
또 다른 실시예에서 상기 첫번째 그루브 유전율은 상기 두번째 그루브 유전율과 다르고, 상기 첫번째 그루브 폭은 상기 두번째 그루브 폭과 다르다.
본 발명의 집광장치는 상기 본 발명의 광 순환 격자의 실시예를 포함한다.
상기 본 발명은 더 나아가 주파대 필터의 제작 방법을 제공한다. 상기 주파대 필터는 소정 파장을 포함하는 주파대 내에서 횡자기파 및 횡전계 모두의 편광된 입사 전자기 방사의 전달을 향상시키도록 구성된 격자 구조와 상기 격자 구조가 중첩되는 기질을 포함한다. 상기 격자 구조는 그루브 유전율εgroove, 격자 구간Λ, 그루브 폭 및 그루브 높이를 포함한다. 상기 방법은 다음 단계를 포함한다.
굴절률 지표 ns와 격자 구간Λ를 갖는 기질을 선택하여 제 1차 회절이 Λ/ns와 동일하고 소정 파장보다 작은 파장 λ에서 일어나는 단계;
각각의 횡자기파 및 횡전계 편광된 방사의 전달 곡선을 생성하는 그루브 폭, 그루브 높이, 그루브 유전율의 초기값을 선택하는 단계; 상기 전달 곡선은 주파대 내에서 적어도 부분적으로 떨어진다.
소정 파장에서 횡자기파 편광 상태의 전달을 향상시키는 광학적 그루브 높이를 결정하기 위하여 그루브 높이를 초기값으로부터 반복적으로 변화시키는 단계 및 상기 그루브 높이에 대하여 반복되는 값에서 횡자기파 편광 상태의 전달 강도가 최대가 되는 파장을 결정하는 단계;
광학적 그루브 높이 및 그루브 유전률의 초기값에 대하여, 소정 파장에서 그루브 폭을 초기값에서부터 횡전계 편광 상태의 전달 강도 최대치가 횡자기파 편광 상태의 전달 강도 최대치와 나란할 때까지 변화시켜 광학적 그루브 폭을 얻는 단계; 및
기질에서 그루브 유전률εgroove, 광학적 그루브 높이, 광학적 그루브 폭의 초기값을 갖는 격자 구조를 제작하는 단계.
일 실시예에서, 상기 방법은 그루브 폭으로 나뉘는 그루브 높이로 정의되는 종횡비(aspect ratio)를 결정하는 단계와 주파대의 폭을 조절하고 횡자기파 및 횡전계 편광 전달 커브를 상기 소정 파장과 나란하게 하기 위하여 상기 종횡비, 그루브 높이, 그루브 폭을 변화시키는 단계;를 더 포함한다.
그 결과, 상기 본 발명은 선택적으로 소정 편광 상태를 전달하거나, 횡전계 및 횡자기파 방사 모두의 전달을 동시에 향상하도록 구성할 수 있는 편광 조절가능한 전달 향상 서브 파장(PETS) 격자를 제공한다. 일부 실시예에서 이러한 PETS 격자는 더 나아가 광 순환 또는 위빙으로 구성되어 있다. 상기 본 발명은 또한 하이브리드 캐비티 모드를 포함하여 캐비티 모드를 지지하는 구조 및 상기 본 발명의 어떠한 서브 파장 격자도 포함하는 장치를 포함하는 향상된 전달 서브 파장 격자를 제공한다. 그러한 장치는 편광자, 파장 필터, 집광, 기억, 또는 조절 장치 및 금속-반도체-금속 광검출기와 편광센서를 포함한다.
비록 본 발명의 도식적인 실시예가 여기에서 수반되는 도면과 관련하여 설명되었지만, 상기 발명은 그러한 엄밀한 실시예에 한정되는 것은 아니고, 다양한 다른 변화와 변경이 영향을 줄 수 있음이 본 발명의 범위와 본질을 벗어남이 없이 당업자에게 이해되어야 한다.
본 발명에 따르면, 소정 편광 상태를 선택적으로 전달 가능하고, 횡전계 및 횡자기파 방사 모두의 전달을 향상하도록 구성할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 구간당 단일 그루브 격자의 단면을 통한 광 채널링을 나타내기 위하여 포인팅 벡터를 사용한 전달 향상 도면.
도 2는 상기 본 발명의 구간 격자 구조당 단일 그루브의 일 실시예의 단면도.
도 3은 도 2의 상기 실시예의 평면도.
도 4는 상기 본 발명의 구간 격자 구조당 단일 그루브의 일 실시예의 사시도.
도 5a-5c는 소정 파장에서 소정 편광 상태의 전달 향상에 대한 본 발명의 서로 다른 세 개의 격자구조 실시예의 도식적인 표현.
도 6은 도 5a-5c의 상기 실시예 중 어느 하나에 구성될 수 있는 본 발명 격자 구조의 단면도.
도 7은 본 발명의 구간 격자 구조당 단일 그루브의 실시예에서 입사 에너지와 그루브 폭 상의 횡전계 및 횡자기파 편광 상태에 대한 다른 차원 모드의 전달에서 정점 의존성(dependence of peaks)의 그래픽적인 표현.
도 8은 소정 파장에서 횡전계 및 횡자기파 편광된 빛의 동시 전달 향상에 대한 본 발명의 격자 구조 실시예의 전달/반사율 플롯.
도 9는 하나의 소정 파장에서 횡전계 편광된 빛 및 다른 소정 파장에서 횡자기파 편광된 빛의 전달 향상을 위한 상기 본 발명의 격자 구조 실시예의 전달/반사율 플롯.
도 10-12는 서로 다른 파장에 최적화된 파장 필터로 사용되는 도 5c의 상기 격자 구조의 특정 실시예의 전달/반사율 플롯.
도 13a는 구간당 하나 이상의 그루브를 갖는 상기 본 발명의 격자구조 실시예의 단면도.
도 13b는 도 13a의 상기 격자 구조의 서브 격자 구조에 대한 횡전계 및 횡자기파 편광된 상태의 전달 곡선.
도 14는 도 13a의 상기 격자 구조의 또 다른 서브 격자 구조에 대한 횡전계 및 횡자기파 편광된 상태의 전달 곡선.
도 15는 도 13a의 상기 격자 구조의 실시예에 대하여 횡전계 및 횡자기파 편광된 상태의 전달 곡선.
도 16a는 도 15에 상응하는 실시예에서 횡자기파 편광된 캐비티 모드에 대한 SIBC 모델의 자기장 밀도.
도 16b는 도 15에 상응하는 실시예에서 횡자기파 편광된 캐비티 모드의 포인팅 벡터 표현.
도 17a는 도 15에 상응하는 실시예에서 횡전계 편광된 캐비티 모드에 대한 SIBC 모델의 자기장 밀도.
도 17b는 도 15에 상응하는 실시예에서 횡전계 편광된 캐비티 모드의 포인팅 벡터 표현.
도 18은 상기 본 발명의 격자 구조 실시예를 포함하는 금속-반도체-금속 장치의 그림을 이용한 표현.
도 19a 및 19b는 상기 본 발명에 따라 광 순환을 지지하도록 구성된 격자 구조 실시예의 포인팅 벡터 표현.
도 20은 상기 본 발명에 따라 광 위빙을 지지하도록 구성된 격자 구조 실시예의 포인팅 벡터 표현.
도 21은 상기 본 발명에 따라 형성된 집광 장치 실시예의 도식적인 표현.
조 22는 상기 본 발명에 따라 형성된 적층 격자 구조 실시예의 단면도.
도 23은 상기 본 발명의 방법 실시예의 순서도 표현.
도 24는 본 발명에 따라 형성된 격자 구조 실시예의 일부에 대한 사시도. 상기 격자 구조를 설명하는데 사용되는 좌표계의 설명을 제공한다.
도 25는 상기 본 발명의 격자 구조 실시예에 대한 본 방법 발명에 따라 SIBC 알고리즘을 사용하여 유래된 횡자기파 편광 및 횡전계 편광된 캐비티 모드의 투과율 플롯.
도 26 및 27은 도 25에 상응하는 상기 실시예에 대하여 본 방법 발명에 따라 유래한 횡자기파 편광 및 횡전계 편광된 캐비티 모드 각각의 전체 ω-k 반사율과 투과율 프로파일의 플롯.
도 28 및 29는 도 25에 상응하는 상기 실시예에 대하여 본 방법 발명에 따라 유래한 횡자기파 편광 및 횡전계 편광된 캐비티 모드 각각의 25.188GHz의 자기장 및 전기장 강도의 표현.
도 30은 상기 본 발명에 따라 형성된 격자 구조 샘플에 대하여 얻어진 실험적 투과율 자료의 대표 플롯. 도 25-29에 설명된 모델화된 격자 구조에 상응한다.
도 31은 상기 본 발명에 따라 형성된 격자 구조 실시예의 단면도.
도 32는 상기 본 발명의 격자 구조 실시예의 횡전계 편광된 캐비티 모드에 대한 ω-k 반사율과 투과율 프로파일.
도 33a는 π공진을 지지하는 상기 본 발명의 격자 구조의 또 다른 실시예의 횡전계 편광된 캐비티 모드에 대한 ω-k 반사율과 투과율 프로파일.
도 33b는 도 33a에 상응하는 실시예의 포인팅 벡터 표현.
도 34a 및 b는 상기 본 발명의 격자 구조의 광 순환 실시예의 횡전계 및 횡자기파 포인팅 벡터 표현.
도 35는 상기 본 발명에 따라 형성된 격자 구조의 광 위빙 실시예의 포인팅 벡터 표현.
도 36은 상기 본 발명에 따라 형성된 구멍 배열 구조의 실시예의 정면도의 도시적인 표현.
도 37은 도 36의 구멍 배열 구조의 상기 실시예를 통하는 단면.
도 38은 상기 본 발명에 따라 형성된 적층된 구멍 배열 구조로 구성된 구멍 배열 상부 구조의 단면도의 도시화된 표현.
도 39는 상기 본 발명에 따라 형성된 솔라셀 장치의 도시적인 표현의 사시도.
도 40은 도 39에 나타난 단일 솔라셀 장치를 통하는 단면도.
도 41은 도 40의 상기 솔라셀이 위치한 캐비티로 모든 빛을 집중시키도록 구성된 광학적 캐비티 모드의 포인팅 벡터 표현.
도 2는 상기 본 발명의 구간 격자 구조당 단일 그루브의 일 실시예의 단면도.
도 3은 도 2의 상기 실시예의 평면도.
도 4는 상기 본 발명의 구간 격자 구조당 단일 그루브의 일 실시예의 사시도.
도 5a-5c는 소정 파장에서 소정 편광 상태의 전달 향상에 대한 본 발명의 서로 다른 세 개의 격자구조 실시예의 도식적인 표현.
도 6은 도 5a-5c의 상기 실시예 중 어느 하나에 구성될 수 있는 본 발명 격자 구조의 단면도.
도 7은 본 발명의 구간 격자 구조당 단일 그루브의 실시예에서 입사 에너지와 그루브 폭 상의 횡전계 및 횡자기파 편광 상태에 대한 다른 차원 모드의 전달에서 정점 의존성(dependence of peaks)의 그래픽적인 표현.
도 8은 소정 파장에서 횡전계 및 횡자기파 편광된 빛의 동시 전달 향상에 대한 본 발명의 격자 구조 실시예의 전달/반사율 플롯.
도 9는 하나의 소정 파장에서 횡전계 편광된 빛 및 다른 소정 파장에서 횡자기파 편광된 빛의 전달 향상을 위한 상기 본 발명의 격자 구조 실시예의 전달/반사율 플롯.
도 10-12는 서로 다른 파장에 최적화된 파장 필터로 사용되는 도 5c의 상기 격자 구조의 특정 실시예의 전달/반사율 플롯.
도 13a는 구간당 하나 이상의 그루브를 갖는 상기 본 발명의 격자구조 실시예의 단면도.
도 13b는 도 13a의 상기 격자 구조의 서브 격자 구조에 대한 횡전계 및 횡자기파 편광된 상태의 전달 곡선.
도 14는 도 13a의 상기 격자 구조의 또 다른 서브 격자 구조에 대한 횡전계 및 횡자기파 편광된 상태의 전달 곡선.
도 15는 도 13a의 상기 격자 구조의 실시예에 대하여 횡전계 및 횡자기파 편광된 상태의 전달 곡선.
도 16a는 도 15에 상응하는 실시예에서 횡자기파 편광된 캐비티 모드에 대한 SIBC 모델의 자기장 밀도.
도 16b는 도 15에 상응하는 실시예에서 횡자기파 편광된 캐비티 모드의 포인팅 벡터 표현.
도 17a는 도 15에 상응하는 실시예에서 횡전계 편광된 캐비티 모드에 대한 SIBC 모델의 자기장 밀도.
도 17b는 도 15에 상응하는 실시예에서 횡전계 편광된 캐비티 모드의 포인팅 벡터 표현.
도 18은 상기 본 발명의 격자 구조 실시예를 포함하는 금속-반도체-금속 장치의 그림을 이용한 표현.
도 19a 및 19b는 상기 본 발명에 따라 광 순환을 지지하도록 구성된 격자 구조 실시예의 포인팅 벡터 표현.
도 20은 상기 본 발명에 따라 광 위빙을 지지하도록 구성된 격자 구조 실시예의 포인팅 벡터 표현.
도 21은 상기 본 발명에 따라 형성된 집광 장치 실시예의 도식적인 표현.
조 22는 상기 본 발명에 따라 형성된 적층 격자 구조 실시예의 단면도.
도 23은 상기 본 발명의 방법 실시예의 순서도 표현.
도 24는 본 발명에 따라 형성된 격자 구조 실시예의 일부에 대한 사시도. 상기 격자 구조를 설명하는데 사용되는 좌표계의 설명을 제공한다.
도 25는 상기 본 발명의 격자 구조 실시예에 대한 본 방법 발명에 따라 SIBC 알고리즘을 사용하여 유래된 횡자기파 편광 및 횡전계 편광된 캐비티 모드의 투과율 플롯.
도 26 및 27은 도 25에 상응하는 상기 실시예에 대하여 본 방법 발명에 따라 유래한 횡자기파 편광 및 횡전계 편광된 캐비티 모드 각각의 전체 ω-k 반사율과 투과율 프로파일의 플롯.
도 28 및 29는 도 25에 상응하는 상기 실시예에 대하여 본 방법 발명에 따라 유래한 횡자기파 편광 및 횡전계 편광된 캐비티 모드 각각의 25.188GHz의 자기장 및 전기장 강도의 표현.
도 30은 상기 본 발명에 따라 형성된 격자 구조 샘플에 대하여 얻어진 실험적 투과율 자료의 대표 플롯. 도 25-29에 설명된 모델화된 격자 구조에 상응한다.
도 31은 상기 본 발명에 따라 형성된 격자 구조 실시예의 단면도.
도 32는 상기 본 발명의 격자 구조 실시예의 횡전계 편광된 캐비티 모드에 대한 ω-k 반사율과 투과율 프로파일.
도 33a는 π공진을 지지하는 상기 본 발명의 격자 구조의 또 다른 실시예의 횡전계 편광된 캐비티 모드에 대한 ω-k 반사율과 투과율 프로파일.
도 33b는 도 33a에 상응하는 실시예의 포인팅 벡터 표현.
도 34a 및 b는 상기 본 발명의 격자 구조의 광 순환 실시예의 횡전계 및 횡자기파 포인팅 벡터 표현.
도 35는 상기 본 발명에 따라 형성된 격자 구조의 광 위빙 실시예의 포인팅 벡터 표현.
도 36은 상기 본 발명에 따라 형성된 구멍 배열 구조의 실시예의 정면도의 도시적인 표현.
도 37은 도 36의 구멍 배열 구조의 상기 실시예를 통하는 단면.
도 38은 상기 본 발명에 따라 형성된 적층된 구멍 배열 구조로 구성된 구멍 배열 상부 구조의 단면도의 도시화된 표현.
도 39는 상기 본 발명에 따라 형성된 솔라셀 장치의 도시적인 표현의 사시도.
도 40은 도 39에 나타난 단일 솔라셀 장치를 통하는 단면도.
도 41은 도 40의 상기 솔라셀이 위치한 캐비티로 모든 빛을 집중시키도록 구성된 광학적 캐비티 모드의 포인팅 벡터 표현.
도 2-4를 참조하면 본 발명에 따라 형성된 서브 파장 격자의 일 실시예는 입사 방사의 소정 파장에 대하여 소정 편광 상태의 전달을 향상시키는 격자 구조(22)를 갖는 편광 조절가능 전달 향상 서브 파장(PETS) 격자(20)를 포함한다. 상기 격자 구조(22)는 1 이상의 굴절 지표 ngroove(또는 유전율εgroove, 여기에서 ngroove=√εg r oove)와 폭 c(26)를 갖는 다수의 그루브(24)와 소정 파장보다 작은 중심에 걸친 구간에 따라 배열된 그루브 높이(30)를 정의하는 다수의 와이어(28)를 포함한다.
일 실시예에서, 도 2-4에 보이는 것처럼 상기 격자 구조는 구간Λ당 단일 그루브(24)를 포함하는 격자 구조를 포함한다.
기질(36)위에 주로 중첩되어 있으나 기질 물질 내에 선택적으로 둘러싸여 있는 상기 격자 구조(22)는 특정한 소정 파장에서 캐비티 모드를 지지하도록 조직되어 있다.
본 발명의 상기 격자 구조는 특정한 소정 파장, 주로 상기 소정 파장을 포함하는 특정 대역 내에서 캐비티 모드를 지지하도록 최적화되어 있다. 이 기술분야의 당업자는 여기에서 제공된 특정 격자 구조의 예들은 특정 관심 파장 범위에 적절하게 조절된 차원을 가질 수 있고, 와이어와 그루브 및 기질 물질에 대해 상응하는 적절한 물질을 포함할 수 있다는 것을 인식할 것이다.
특히, 다양한 실시예에서 상기 본 발명의 어떠한 격자 구조도 1nm 와 400nm; 400nm 와 700nm; 7micron 과 100micron; 100micron 과 1mm; 1mm 와 400mm 사이의 소정 파장에서 공진 모드를 지지하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 어떠한 격자에서도 상기 기질은 특정 애플리케이션에 적합한 어떠한 유전체로도 구성될 수 있다. 상기 유전체는 BK7, 실리카, 혼성 실리카,실리콘 디옥사이드(SiO2), 실리콘(Si)(크리스탈린, 폴리 크리스탈린 또는 아몰퍼스(amorphous)를 포함한다.), 공기, 사파이어, 석영, 또는 Ⅲ-Ⅳ를 포함하는 어떠한 반도체 물질, Ge(게르마늄), 갈륨 아세나이드(Gallium Arsenide;GaAs), 인듐 포스파이드(Indium phosphide;InP), 인듐 아세나이드(Indium Arsenide;InAs), 알루미늄 아세나이드(Aluminum Arsenide;AlAs), 갈륨 나이트라이드(Gallium Nitride;GaN), 인듐 나이트라이드(Indium Nitride;InN), 인듐 안티모나이드(Indium Antimonide;InSb), 갈륨 인듐 아세나이드(Gallium Indium Ardenide;GaInAs), 갈륨 인듐 나이트라이드(Gallium Indium Nitride;GaInN), 갈륨 알루미늄 아세나이드(Gallium aluminum Arsenide;GaAlAs), 및 머큐리 카드뮴 텔루라이드(HgCdTe)를 포함하는 3원 화합물 반도체를 포함한다.
상기 기질은 하나 이상의 층을 포함한다. 각각의 다수 층은 다른 물질로 구성될 수 있다.
일 실시예에서 상기 기질은 반사 방지 물질을 포함한다.
여기에서 언급된 캐비티 모드는 격자 구조의 그루브 내에서 생성되는, 상기 그루브 내에서 잘 알려진 패브리-패로(Fabry-Perot) 공진 조건을 만족시키는 공진 모드이다. 캐비티 모드는 입사 횡전계 편광 방사의 도파관 모드(WGs)에 의해 생성된 공진 모드와 도파관 모드 또는 입사 횡자기파 편광 방사의 그루브 벽에 수직으로 배향된 표면 플라즈몬(VSPs)의 둘 중 하나에 의해 생성된 공진 모드를 포함한다. 상기 본 발명의 광 순환 구조와 관련하여 상기 캐비티 모드라는 용어는 또한 위상 공진(phase resonance)을 포함하는 하이브리드 캐비티 모드를 포함한다.
횡자기파 방사(p-polarized)는 전자기 방사 오리엔트(oriented)로 정의되어 자기장이 격자 와이어에 평행하다. 횡전계 방사(s-polarized)는 전자기 방사 오리엔트(oriented)로 정의되어 전기장이 격자 와이어에 평행하다.
상기 본 발명의 상기 전달 향상 격자는 소정 파장에서 입사 전자기 방사의 전달을 향상시키기 위한 "서브 파장" 격자이다. 여기에서 언급된 "서브 파장"은 격자 와이어의 주기가 소정 파장에 따라, 또는 이와 동일하거나 작아서 상기 와이어 사이의 간격이 소정 파장보다 작다는 것을 의미한다.
상기 본 발명에 따라 형성된, 다양한 애플리케이션에서 격자 장치를 생성하기 위한 하나 이상의 편광 상태의 전달을 향상시키는 격자 구조와 격자는 여기에서 편의상 총괄적으로 "편광 조절가능한 전달 향상 서브 파장(PETS)" 격자 구조와 격자로 언급된다. 이 두문자를 사용하는 것은 어쨌든 본 발명의 상기 격자 구조를 제한하는 것으로 해석되지는 않는다.
또한 접촉으로 언급된 본 발명의 상기 와이어는 격자 구조를 형성하기 위하여 어떠한 형태와 크기 및 어떠한 물질, 어떠한 기하학적 패턴으로도 배열될 수 있다. 상기 격자 구조는 본 발명의 실시예를 형성하기 위하여 소정의 입사 파장에서 소정의 편광 상태의 전달 향상을 위하여 캐비티 모드를 우선적으로 지지한다. 예를 들면, 소정의 편광 상태, 소정의 파장, 바람직한 애플리케이션에 따라, 상기 와이어는 상기 특정 격자 구조의 구간에 관하여 1%-95%의 폭 및 상기 격자 구조의 구간에 관하여 1%-1000%의 높이일 수 있다. 상기 격자 구조 안의 그루브는 대체로 상기 구간에 관하여 1%-1000%의 폭을 갖는다.
여기에서 언급된 높이 "h"는 그루브 높이를 나타낸다. 이는 근접한 와이어 높이와 대체로 동등하다. 그러나 발명의 범위 내에서 기질의 리세스(recesses) 내에서 상기 와이어를 배열하여 와이어의 높이가 근접한 그루브 높이보다 커질 수 있도록 고려되어야 한다. 그러한 경우에 여기에서 언급된 높이 h는 상기 그루브 높이이다. 또한 구간 구조당 다수의 그루브에는 서로 다른 높이를 갖는 서로 다른 와이어를 제공하도록 고려되어야 한다. 이러한 경우에, 여기에서 언급된 높이 h는 상기 근접한 와이어 중 하나에 상응하는 그루브 높이이다.
그 대신에, 본 발명의 상기 격자 구조는 얇은(금속의) 필름의 구멍 배열로부터 형성될 수 있다.
우선적으로, 어떠한 격자 구조의 상기 와이어는 예를 들어, 하나 이상의 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 텅스텐 등 어떠한 높은 전도성 금속도 포함할 수 있다.
일 실시예에서 각각의 와이어는 직사각형, 정사각형, 사다리꼴 같은 사각형 단면을 갖는다. 상기 와이어와 상기 기질 사이의 교차지점은 직선 모서리로 형성되지만, 생산 과정에서 곡선 또는 비탈진 접점이 발생할 수 있다. 접점의 상기 양간의 만곡(curvature)은 캐비티 모드의 자극에 영향을 미치지 않지만, 에너지를 공진이 발생한 곳으로 이동시킬 수 있다. 그러한 이동은 우선적으로 격자 구조 파라미터의 최적화의 이유가 된다.
도 4에 따라, 일 실시예에서, 상기 격자 구조(22)는 상기 와이어(28)와 그루브(24)의 상부 위에 소위 "슈퍼스트리트(superstrate)"층(38)에 중첩된 공기 이외의 물질을 포함할 수 있다. 상기 층(38)은 패시베이션(passivation) 또는 보호층을 포함하고, 또, 유리, 산화물(예를 들어, SiO2), 폴리머 또는 플라스틱 등의 물질로 구성될 수 있다.
실시예에서, 상기 그루브(24)는 적어도 1.2, 보다 바람직하게는 적어도 2의 유전율εgroove을 갖는 유전물질로 채워져 있다. 일 실시예에서 상기 물질의 유전율εgroove은 2-20의 범위를 갖는다.
다른 실시예에서, 그루브 내 물질의 유전율 εgroove은 적어도 10, 바람직하게는 적어도 14이다. 예를 들면 그루브 내 물질은 크리스탈린 혹은 폴리크리스탈린 디탄탈륨 펜톡사이드(crystalline or poly crystalline ditantalum pentoxide) 또는, 크리스탈린 혹은 폴리크리스탈린 하프늄 옥사이드(crystalline or poly crystalline hafnium oxide)가 될 수 있다. 이러한 "high-K" 물질, 즉 높은 유전율을 갖는 물질은 여기에서 설명된 것처럼 횡전계 전달 방사에서 특히 이롭다.
상기 그루브는 공기 또는 특정 애플리케이션에 유용한 물질로 채워져 있다. 일 실시예에서 상기 그루브(24)는 하나 이상의 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 및 다른 Ⅲ-Ⅴ반도체 혼합물을 포함하는 반도체 물질로 채워져 있다. 상기 그루브는 또한 실리카, 실리콘 디옥사이드, 실리콘 나이트라이드, 알루미나, 탄성 중합체, 및 크리스탈린 파우더 중 적어도 하나의 물질로 채워져 있다.
본 발명의 어떠한 격자 구조 또는 격자도 또한 격자 구조 또는 격자 내에서 특정 주파대 내의 소정파장에서 입사 전자기 방사의 소정 편광 상태의 위치를 알아내도록 구성될 수 있다.
부분적으로 상기 발명은 알려진 1차 서브 파장 격자에서 전달 향상의 원인이 되는 모드를 정확히 모델링하려는 출원인의 노력의 결과이다. 개선된 광 전송(enhanced optical transmission;EOT)의 주된 원인으로서 HSP에 관한 주제의 교리와는 반대로,출원인 Crouse 와 Keshavareddy는 "전송 향상과 애플리캐이션에서의 광학 및 표면 플라스몬 모드의 역할(The role of optical and surface plasmon mode in enhanced transmission and applications)", Optics express, Vol.13:Iss.20,pp.77607771(2005.10.3)("Crouse 2005")이라는 제목의 발행문에서, 전부가 여기에서 참조로서 포함되는데, HSPs는 그러한 서브 파장 격자에서 전달을 강하게 방해하고 동시에 약하게 향상시킨다는 것을 알아내고 보고하였다. 출원인은 더 나아가 두드러진 효과는 전달을 강하게 억제하고 상기 전달 향상 현상에 기여하는 다른 공진 모드의 전달 향상 속성을 간섭한다고 전했다.
최근에, 출원인은 라멜라(lamellar) 격자 구조에서 캐비티 모드는 입사광의 하나 또는 모든 편광에 대하여 선택적으로 전달 향상을 만들 수 있다는 것을 이론적으로 밝혀낼 수 있었다. 게다가, 출원인은 그러한 캐비티 모드 연결 격자 구조(예를 들면 대역폭, 전자기장 프로파일)와 그것들의 파장, 입사각, 기하학적 구조에 대한 의존의 특성들은 HSP-유도 전달에 최적화된 종래 기술의 격자들과 상당히 다르다는 것을 발견했다.
전달 향상에서 서브 파장 격자 파라미터의 의존성에 대한 공식은 "1차 격자와 장치 애플리케이션에서 편광 의존적 광학 전달 향상(Polarization independent enhanced optical transmission in one-dimensional grating and device applications)", Optics express, Vol.15, No.4,pp.1415-127(2007.2.19)("Crouse 2007")으로 Crouse and Keshavareddy에 보고되었다. 전부가 여기에서 참조로서 포함된다.
특히, 출원인은 횡전계 방사, 즉, 금속 와이어에 평행하게 편광된 방사의 EOT에서 주된 역할을 하는 것은 여기에서 정의된 상기 캐비티 모드라는 것을 알아냈다. 상기 캐비티 모드의 예를 들면 WGs에 의해 생성된 상기 공진 모드 또는 하이브리드 모드의 캐비티 모드 요소(캐비티 공진과 서브 플라즈몬 공진 모두로 구성된다)이다.
출원인은 횡자기파 방사, 즉 상기 와이어에 수직하게 편광된 방사에서 유사한 캐비티 공진이 발견될 수 있고, 이러한 공진은 본 발명의 상기 격자 구조의 그루브를 통해 빛이 채널되는 것을 도와 이 편광 상태에서 향상된 광학적 전달을 달성할 수 있다는 것을 알아냈다.
다시 말해, 출원인은 격자구조는 그루브 내에서 패브리 패롯 조건을 만족시키는 그러한 모드에 상응하는 캐비티 모드를 선택적으로 지지하기 위해 맞춰질 수 있다는 것을 알아냈다. 이것은 횡자기파 및 횡전계 편광 방사의 하나 또는 모두에 의해 우선적으로 여기(excited)될 수 있다. 발명자는 더 나아가 특정 소정의 에너지 또는 파장에서 이러한 캐비티 모드의 여기(excitation)가 그루브를 통해 횡자기파 및 횡전계 방사의 하나 또는 전부의 전달 향상을 예상대로 제공할 수 있다는 것을 알아냈다. 또한 상기 그루브 높이 또는 그루브의 유전율이 증가함에 따라 정점의 전달의 에너지 위치는 낮은 에너지로 이동한다는 것을 알아냈다.
편광 구성가능한 전달 향상을 제공하기 위하여 본 발명의 상기 격자 구조를 최적화하는데 있어서, 출원인은 횡전계 및 횡자기파 편광 상태 모두의 전달 향상의 정점을 구성하는데 필수적인 설계 파라미터는 와이어 또는 그루브 폭 c(26)사이에 위치한다는 것(예를 들면 도 2-4를 참조)을 알아냈다. 이는 종래 기술에 보고되어있지 않다. 주어진 편광 및 고정된 그루브 높이와 구간에 대하여 그루브 폭의 변화는 그루브 모드의 수, EOT가 발생하는 곳의 에너지, 그루브 내부에 분포된 전자기장을 바꾼다.
매우 협소한 그루브 입구에서 생성된 횡자기파 편광 빛 캐비티 모드에 대하여, 공진적으로 향상된 전자기장은 그루브 내내 상대적으로 균일하고, 그루브 폭이 증가함에 따라 장(field)은 넓은 입구에서 그루브 벽에 근접하게 유지되는 높은 강도의 전자기장으로 재분배한다. 반대로, 횡전계 편광에 대하여 그루브 내의 상기 전자기장은 사이드 벽에는 매우 낮은 장을 가진채 그루브의 중심부에 더 집중된다. 그루브 폭이 증가함에 따라 더 많은 공진 모드가 발생하기 시작하고, 상기 장을 높은 강도를 갖는 랍스(lobs)로 재분배한다.
격자 구조의 파라미터에 대한 이러한 특성들과 의존도는 격자 구조 파라미터가 소정 파장에서 소정 편광 상태(예를 들면 횡전계, 횡자기파 또는 모두)에 연결되는 상기 캐비티 모드를 선택적으로 지지하도록 구성하고 최적화함으로써 본 발명에 따른 편광 구성가능한 전달 향상 서브 파장(PETS) 격자 구조를 형성하는데 이용된다. 도 5a를 참조하면, 본 발명의 PETS 격자의 일 실시예는 소정 파장에서 횡자기파 편광 방사(44)의 전달을 향상시키는 격자 구조(42)를 포함하고, "횡전계 패스(pass)" 파장 필터를 제공하기 위해 횡전계 편광 방사(46)를 반사한다.
도 5b를 참조하면, 본 발명의 PETS 격자의 또 다른 실시예는 소정 파장에서 횡전계 편광 방사(52)의 전달을 향상시키는 격자 구조(50)를 포함하고, "횡자기파 패스(pass)" 파장 필터를 제공하기 위해 횡자기파 편광 방사(54)를 반사한다.
도 5c에서 도식적으로 보이는 본 발명의 PETS 격자의 다른 실시예(56)는 소정 파장에서 횡전계(60) 및 횡자기파 편광 방사(62)의 전달을 동시에 향상시키는 격자 구조(58)를 포함한다. 아래 도 6을 참조하여 구체적으로 설명되는 것처럼, 도 5a-5c에 나타난 PETS 격자 각각의 격자 구조는 캐비티 모드를 지지하는 1차 격자 구조에서 주로 직사각형의 단면으로 형성된 와이어를 포함한다. 도 5a-5c, 6에 나타난 실시예에서 상기 격자 구조는 구간당 단일 그루브를 포함한다.
도 6의 격자(70)는 소정 파장에서 소정 편광 상태의 전달을 향상시키도록 구성된 다수의 와이어(72)를 포함한다. 상기 와이어는 구조(78)의 구간(76)당 하나의 그루브(74)로 배열되어 있다. 각각의 그루브는 폭 c(80)를 갖고, 물질(88)로 채워지는데, 이는 공기 또는 굴절율 k 또는 1보다 큰 유전율 εgroove(여기에서 εg roo ve=k2) 의 지표를 갖는 물질이 될 수 있다. 각각의 와이어(72)는 그루브 높이(82)를 정의하고, 폭 w(84)를 갖고, 금으로 구성되어 있다. 도 7-8을 참조하여 설명된 특정 예 또는 플롯에 대하여, 상기 격자 구조(78)는 프리스탠딩(free standing)이다; "기질(36)"은 공기이다.
상기 격자(70)의 일 실시예에서 상기 주기 Λ(76)는 1.75 micron, 높이 h(82)는 1 micron이며, 실리콘, 11.9의 유전율εgroove을 갖는 물질이 그루브(74)를 채운다. 본 발명의 상기 방법을 PETS 격자 모델링에 사용하여, 이러한 파라미터를 갖는 격자 구조(78)에 대한 그루브 폭(96)의 기능으로서 도 7에 나타난 것처럼 횡자기파 편광(92) 및 횡전계 편광 빛(94)에 대한 전달 정점 파장(에너지)(90)의 플롯을 생성할 수 있다. 그루브 폭은 0.35 micron에서 0.66 micron까지 변한다. 도 7에서, 제 1 횡자기파(91), 제 2 횡자기파(92), 제 3 횡자기파(93) 곡선은 세 개의 다른 차원을 갖는 격자가 그리드에 평행하게 편광된 빛에 의해 밝혀질 때 발생하는 캐비티 모드 공진에 대응한다. 유사하게 제 1 횡전계(97), 제 2 횡전계(98), 제 3 횡전계(94) 곡선은 세 개의 다른 차원을 갖는 격자가 그리드에 수직하게 편광된 빛에 의해 밝혀질 때 발생하는 캐비티 모드 공진에 대응한다.
도 7에 보이는 바와 같이 EOT가 일어나는 정점(peak)은 횡자기파 편광 빛에서 높은 에너지로 이동하고, 횡전계 편광 빛에서 낮은 에너지로 이동한다. Λ(76)는 1.75 micron, 높이 h(82)는 1micron, 그루브ε는 11.9로 선택된 격자 구조(78)의 특정 파라미터에 대하여, 0.5 eV의 에너지(λ=2.5㎛)와 0.615 micron의 그루브 폭(80)은 상기 두 곡선 92와 94의 교차점에 대응한다. 따라서, 도 5c에 설명된 것처럼 2.5 micron(㎛)의 동일한 소정 파장에서 횡전계 및 횡자기파 편광의 동시의 EOT를 위하여 캐비티 모드를 지지하는 본 발명 격자 구조의 실시예가 달성되었다.
본 발명 격자 구조의 일 실시예에서, 그루브를 채우고 있는 상기 유전 물질은 적어도 10, 바람직하게 적어도 14의 유전율 εgroove을 갖는다. 출원인은 높은 유전율을 갖는 그루브에 대하여, 그것을 사용하지 않고서 가능한 것보다 낮은 에너지에서 횡전계 편광 전달 향상을 제공하는 단계; 횡전계 편광 캐비티 모드 여기(excited)가 아닐 경우 격자에서 횡자기파 편광을 억제하는 단계; 및 낮은 에너지에서 횡전계 편광 및 횡자기파 편광 캐비티 모드의 정렬을 허용하는 단계를 갖는 본 발명의 격자 구조를 결정하였다. 따라서 횡전계 및 횡자기파의 동시 전달을 위해 구성된 상기 격자 구조 실시예는 적어도 10, 바람직하게 적어도 14의 유전율εgroove을 포함한다.
도 8은 본 실시예에 대한 에너지의 기능으로서 횡자기파 0차 전달(100) 및 횡전계 0차 전달(102) 곡선의 플롯을 나타낸다. 상기 횡자기파 반사율(104) 및 횡전계 반사율(106) 곡선 또한 비교를 위해 구성되었다.
도 8을 참조하면, 편광 상태 모두(50% 횡자기파, 50% 횡전계)로부터 동등하게 분배된 비편광된 입사광에 대하여, 94% 만큼 높은 상기 입사광이 기질(86)(도 6)로 전달될 수 있다고 결론내릴 수 있다. 따라서, 본 발명의 방법은 다양한 광전자 장치, 특히 편광 독립적 방사의 탐지가 요구되는 장치에서 중요한 설계 향상에 영향을 주는데 적용될 수 있다.
도 6에 보이는 1.75 micron의 주기 Λ(76), 1 micron의 높이 h, 상기 그루브(74)를 채우는 11.9의ε의 실리콘을 갖는 상기 격자 구조의 실시예로 다시 구동하면, 상기 격자 구조(78)의 실시예는 소정 파장에서 횡전계 또는 횡자기파 편광 방사의 전달 향상을 위해 그루브 폭c(80)을 최적화 함으로서 얻어질 수 있다. 특히, 그루브 폭의 기능으로서, 0차 횡자기파 편광 전달의 정점 및 횡전계 편광 전달의 딥스(dips)를 플로팅 함으로써, 최적의 그루브 폭(상기 두 곡선의 교차점)을 얻을 수 있어 PETS 격자(40)(도 5a에 따라)에 소정 파장에서 횡자기파 편광 방사(44)의 전달 향상을 제공한다. 마찬가지로, 그루브 폭의 기능으로서, 횡전계 편광 전달의 정점 및 횡자기파 편광 전달의 딥스(dips)를 플로팅 함으로써, 최고의 그루브 폭을 결정할 수 있어 PETS 격자(40)(도 5b에 따라)에 소정 파장에서 횡전계 편광 방사(44)의 전달 향상을 제공한다.
특정 일 실시예에서, 0.45 micron의 그루브 폭이 선택되었다. 도 9는 방사의 입사 에너지의 기능으로서, 횡전계 편광 방사의 반사율(110) 및 투과율(112) 곡선과 횡자기파 편광 방사의 반사율(113) 및 투과율(114) 곡선을 보여준다. 도 9에서 볼 수 있듯이, 파라미터(0.45 micron의 c, 1.75 micron의 Λ(76), 1 micron의 높이 h, 그루브(74)를 채우고 있는 11.9의 ε을 갖는 실리콘)를 갖는 격자 구조(78)는 3.729 micron(hw=.333eV)의 소정 파장에 대하여, 도 5a에 보이는 것처럼 횡자기파 편광 빛의 전달을 우선적으로 향상시키도록 구성되어 있다. 동일한 배열과 구조적 파라미터를 갖는 상기 격자(70)의 다른 실시예에서, 상기 구조(78)은 2.992 micron(hw=.415eV)의 소정 파장에 대하여, 도 5b에 보이는 것처럼 횡전계 편광 빛의 전달을 향상시키도록 구성되어 있다.
따라서, 0.45 micron의 c, 1.75 micron의 Λ(76), 1 micron의 높이 h, 및 11.9 의 ε을 갖는 격자 구조(78)는 또한 제 1 소정 파장(이 예에서.45 micron)에서 횡자기파 편광 빛의 전달 향상 및 제 2 소정 파장(이 예에서 3.729 micron)에서 횡전계 편광 빛의 전달 향상을 제공하는 격자 구조를 나타낸다.
도 9를 참조하면, 비록 상기 구조의 횡전계(115) 및 횡자기파 편광 방사(116)의 정점 전달의 선 폭(line-width)이 두드러지게 다르지만, 관심 애플리케이션에 따라, 여기에서는 그루브 폭으로 나뉘는 그루브 높이로 정의되는, 그루브 종횡비(aspect ratio)를 변화시킴으로써, 좁거나 넓은 정점을 설계하는 것이 가능하다. 예를 들면, 광검출기는 일반적으로 그것이 파장 선택장치 또는 밴드 패스 필터(band pass filter)로 사용되는지에 따라 좁거나 넓은 전달 정점을 요한다.
실시예에서, 상기 종횡비는 적어도 1에서부터 10보다 적은 범위에 있다.
본 발명의 상기 PETS 격자 구조는 편광자 및 파장 필터를 포함하여 많은 장치 애플리케이션에 사용될 수 있다. 본 발명에 따라 형성된 편광자 또는 파장 필터의 실시예는 도 2-4, 5a-c 및 6 에 설명된 것처럼, 구간당 오직 하나의 그루브를 갖는 PETS 격자 구조를 포함한다.
도 5c 에 설명된 것처럼 횡전계 및 횡자기파 입사 방사 모두를 동시에 전달하기 위해 최적화된, 상기 본 발명의 PETS 격자 구조로부터 형성된 협소한 밴드 필터의 실시예의 사례들이 도 10-12에 제시되어 있다.
특히, 도 10은 파장(122)의 기능으로서, 상기 본 발명에 따라 형성된, 850나노미터(nm)에서 횡자기파 및 횡전계 편광 빛 모두에서 전달 향상에 최적화된, 협소한 밴드 광학적 파장 필터의 일 실시예에 대한 정규화된 강도(normalized intensity)(120)의 플롯을 제공한다. 비 편광 입사 방사에 대한 전체 투과율(124) 및 전체 반사율(126) 곡선은 95%만큼 높은 비 편광 빛은 상기 기질로 전달될 수 있음을 보여준다. 도 6을 참조하면 1-D의 이 실시예에서 상기 와이어(72)는 금으로 구성되고, 상기 격자는 Λ=530nm 의 구간(76)을 갖고, 와이어(72) 사이에 있는 상기 그루브 간격(80)은 w=333nm 이고, 금속 접촉으로 정의되는 높이(82)는 h=490nm이다. 상기 격자 구조(78)는 SiO2의 기질(86)의 상부에 위치하고, 와이어 사이의 공간은 유전 물질(88),SiO2로 채워져 있다.
도 11은 파장(132)의 기능으로서, 상기 본 발명에 따라 형성된, 1330nm의 텔레커뮤니케이션 파장에서 횡자기파 및 횡전계 편광 빛 모두에서 전달 향상에 최적화된, 협소한 밴드 광학적 파장 필터의 일 실시예에 대한 표준화된 강도(normalized intensity)(130)의 플롯을 제공한다. 비 편광 입사 방사에 대한 전체 투과율(134) 및 전체 반사율(136) 곡선은 82%만큼 높은 비 편광 빛은 상기 기질로 전달될 수 있음을 보여준다. 도 6을 참조하면 1-D의 이 실시예에서 상기 와이어(72)는 금으로 구성되고, 상기 격자는 Λ=850nm 의 구간(76)을 갖고, 와이어(72) 사이에 있는 상기 그루브 간격(80)은 w=260nm 이고, 금속 접촉으로 정의되는 높이(82)는 h=647nm이다. 상기 격자 구조(78)는 SiO2의 기질(86)의 상부에 위치하고, 와이어 사이의 공간은 유전 물질(88),실리콘으로 채워져 있다.
도 12는 파장(137)의 기능으로서, 상기 본 발명에 따라 형성된, 1550nm의 텔레커뮤니케이션 파장에서 횡자기파 및 횡전계 편광 빛 모두에서 전달 향상에 최적화된, 협소한 밴드 광학적 파장 필터의 일 실시예에 대한 표준화된 강도(normalized intensity)(133)의 플롯을 제공한다. 비 편광 입사 방사에 대한 전체 투과율(135) 및 전체 반사율(138) 곡선은 82%만큼 높은 비 편광 빛은 상기 기질로 전달될 수 있음을 보여준다. 도 6을 참조하면 1-D의 이 실시예에서 상기 와이어(72)는 금으로 구성되고, 상기 격자는 Λ=910nm 의 구간(76)을 갖고, 와이어(72) 사이에 있는 상기 그루브 간격(80)은 w=270nm 이고, 금속 접촉으로 정의되는 높이(82)는 h=575nm이다. 상기 격자 구조(78)는 SiO2의 기질(86)의 상부에 위치하고, 와이어 사이의 공간은 유전 물질(88), 실리콘으로 채워져 있다.
여기에서 설명된 것처럼, 상기 그루브 내에서 캐비티 모드 생성을 지지하도록 구성된 상기 본 발명의 PETS 격자 구조는 높은 정도의 파장, 대역폭 및 편광 구성 가능성을 갖고, 손실이 적은 금속으로 구성된 와이어와 그루브 및 손실이 적은 유전체로 구성된 기질을 사용하여 입사광의 100%에 가까운 원하던 편광 요소를 전달할 수 있다.
특히, 소정 파장에서 횡전계 또는 횡자기파 편광 둘 중 어느 하나의 전달 향상을 위한 PETS 격자 구조의 일 실시예에서, 각각의 상기 소정 파장에서 적어도 60%의 입사 횡전계 또는 횡자기파 방사가 전달되었다.
소정 파장에서 횡전계 또는 횡자기파 편광 둘 중 어느 하나의 전달 향상을 위한 PETS 격자 구조의 또 다른 실시예에서, 각각의 상기 소정 파장에서 적어도 80%의 입사 횡전계 또는 횡자기파 방사가 전달되었다.
소정 파장에서 횡전계 또는 횡자기파 편광 둘 중 어느 하나의 전달 향상을 위한 PETS 격자 구조의 또 하나의 실시예에서, 각각의 상기 소정 파장에서 적어도 90%의 입사 횡전계 또는 횡자기파 방사가 전달되었다.
소정 파장에서 횡전계 또는 횡자기파 편광 둘 중 어느 하나의 전달 향상을 위한 PETS 격자 구조의 또 다른 실시예에서, 각각의 상기 소정 파장에서 적어도 95%의 입사 횡전계 또는 횡자기파 방사가 전달되었다.
소정 파장에서 횡전계 및 횡자기파 편광 동시의 전달을 향상시키기 위한 PETS 격자 구조의 일 실시예에서 소정 파장에서 적어도 60%의 입사 횡전계 및 횡자기파 방사가 전달되었다.
소정 파장에서 횡전계 및 횡자기파 편광 동시의 전달을 향상시키기 위한 PETS 격자 구조의 또 다른 실시예에서 소정 파장에서 적어도 80%의 입사 횡전계 및 횡자기파 방사가 전달되었다.
소정 파장에서 횡전계 및 횡자기파 편광 동시의 전달을 향상시키기 위한 PETS 격자 구조의 또 하나의 실시예에서 소정 파장에서 적어도 90%의 입사 횡전계 및 횡자기파 방사가 전달되었다.
소정 파장에서 횡전계 및 횡자기파 편광 동시의 전달을 향상시키기 위한 PETS 격자 구조의 또 다른 실시예에서 소정 파장에서 적어도 95%의 입사 횡전계 및 횡자기파 방사가 전달되었다.
도 1-12에 관하여 상기 설명된 본 발명의 격자 구조와 이러한 격자 구조를 포함하는 편광자 및 파장 필터 장치는 우선적으로 구간당 하나의 그루브를 갖는 격자 구조를 포함한다. 도 13a를 참조하면, 상기 본 발명의 PETS 격자 구조(140)의 또 다른 실시예는 격자 구간Λ(142)당 하나 이상의 그루브를 포함한다. 이러한 형태의 구조(140)는 와이어의 반복 세트(144)의 패턴을 포함한다. 여기에서, 세트의 각각의 와이어는, 하나의 세트(144)의 제 1 와이어(145)는 다른 세트의 제 1 와이어(147)에 대하여 동일하다는 등 서로 다른 특성을 갖는다. 상기 격자 구간(142)은 격자 구간당 적어도 두 개의 그루브를 갖는다. 여기에서 예를 들면, 상기 격자 구간(142)은 하나의 세트(144) 안에 한 와이어의 리딩엣지(146)로부터 근접한 세트(150) 안에 이에 상응하는 와이어의 리딩엣지(148)로 확장한다. 각각의 세트는 각각의 세트(144) 내에서 근접한 와이어 쌍 사이의 제 1 폭 c 1 (154)과 제 1 유전율 ε1 groove로 정의되는 적어도 제 1 그루브(152)와, 하나의 세트(144) 안에 마지막 와이어(160)와 그 다음 와이어 세트(150) 안에 근접한 제 1 와이어(162) 사이의 제 2 유전율ε2 groove과 제 2 폭c 2 (158)으로 정의되는 제 2 그루브(156)을 갖는다.
상기 와이어 세트(144)는 서로 다른 물질, 높이, 모양의 와이어 패턴으로 구성된다. 일 실시예에서 상기 그루브는 동일한 물질로 구성되어 있다. 다른 실시예에서 상기 그루브는 서로 다른 물질로 구성되어 있다.
일 실시예에서, 상기 격자 구조(140)는 동일한 소정 파장에서 횡전계 편광 상태와 횡자기파 편광 상태의 전달을 동시에 향상시키고 연결하기 위하여 캐비티 모드를 우선적으로 지지하도록 구성되어 있다.
오히려, 상기 격자 구조는 상기 소정 파장에서 예를 들면 제 1(152) 좀 더 좁은 그루브 같은 하나의 그루브 세트를 통하여 횡자기파 편광 상태를 우선적으로 전달하고, 예를 들면 좀더 넓은 제 2(156) 그루브 같은 다른 그루브 세트를 통하여 횡전계 편광 상태를 우선적으로 전달하도록 더 구성되어 있다.
입사 방사의 편광 요소를 간단히 분리하는데 바람직한 그러한 일 실시예에서, 제 1 그루브의 하나 이상의 그루브 파라미터(예를 들면 그루브 폭, 유전율)는 그들의 전달 스펙트라 내에서 오버래핑 숄더(overlapping shoulder)를 갖는 인접한 캐비티 모드의 생성을 방해하는데 충분한 양에서 제 2 그루브의 하나 이상의 그루브 파라미터와 다르다. 일 실시예에서, 예를 들면, 도 13a에서 제 1 그루브 폭(154)과 제 2 그루브 폭(158)처럼, 오직 그루브 폭만이 다르다. 출원인은 놀랍게도 예상되는 것처럼 전달 향상의 대역폭을 넓히기보다, 그러한 오버랩(overlap)이 제 1, 제 2 그루브에서 생성된 캐비티 모드 사이에, 몇가지 애플리케이션에서는 바람직하지 않은 하이브리드 커플드 모드(hybrd coupled mode)를 생성한다는 것을 알아냈다. 그러나, 또 하나의 실시예와 관련하여 밑에서 더 자세하게 논의되는 바와 같이, 이러한 하이브리드 캐비티 모드는 독특한 장치 애플리케이션과 함께 소위 "순환모드(circulating mode)"라고 하는 새로움을 창조하는데 유리하게 이용될 수 있다.
도 13-15를 참조하면, 상기 격자 구조(140)의 실시예는 격자 구조(140)의 한 구간(142) 내에서 횡자기파 편광 상태는 하나의 그루브 세트를 통해, 횡전계 편광 상태는 제 2 그루브 세트를 통해 우선적으로 전달하기 위하여, 서로 다른 두 개의 그루브(152,156)에서 캐비티 모드를 지지하도록 구성될 수 있다. 이 실시예는 두 개의 심플(simple) 구간당 단일 그루브 라멜라(single-groove-per-period lamellar) "서브-격자"의 조합으로 설명될 수 있는데, 동일한 구간(142)을 갖지만, 그루브 폭 및/또는 유전율은 다르다; (c1,ε1 groove)와 (c2,ε2 groove). 구체적인 예가 도 13-15에 제시되어 있다. 도 13b는 금 와이어(172),그루브 폭(174) c=0.6㎛, 높이(176) h=0.645㎛, 구간(178)Λ=2.5㎛, 유전율(180)εgroove=22(이것은 대략 Ta2O5의 유전율이다) 및 기질과 수퍼스트리트(superstrate)는 공기에서 제 1 서브 격자(170)에 대한 횡자기파 편광(166) 및 횡전계 편광 투과율(168)을 나타낸다. 이러한 파라미터는 소정의 λ=5㎛에서 횡전계 편광 빛을 선택적으로 전달하는 횡전계 편광 캐비티 모드를 제공한다.
이 횡전계 편광 모드는 100% 국한된 캐비티 모드(캐비티 내에서)에 대하여 아래 방정식(2)에 제공된 공식에 따라 알게된 n = m = 1 모드에 상응한다.
여기에서 n 과 m 은 정수이고, ngroove(√εgroove)은 그루브 내 유전물질의 굴절률 지표이다.
도 14를 참조하면, 만약 다른 모든것은 불변하면서, 상기 그루브가 폭(184) c=0.3㎛, 유전율(186)εgroove=11.9(=εsilicon)을 갖도록 변한다면, 도 14에 보이는 것처럼 제 2 "서브 격자"(182)를 형성하기 위하여, 이러한 구간당 제 2 단일 그루브 (second single groove per period) 격자 는 λ=5㎛(방정식(2)의 상기 n=1,m=0 인 모드)에서 횡자기파 편광 빛을 선택적으로 전달하는 횡자기파 캐비티 모드(188)를 갖고, 횡전계 편광 투과율은 3-9㎛ 범위의 파장에서 0이다.
도 15를 참조하면, 만일 이러한 두 격자 170,182가 조합하여 격자당 두 그루브의 상기 격자 구조(190)를 형성한다면, 그에 따라 Λ=2.5㎛인 하나의 구간(192) 내에서, 폭(195) c=0.6㎛이고 ε1 groove=22 인 하나의 그루브(194)와 폭(198) c=0.3㎛이고 ε2 groove=11.9 인 하나의 그루브(196)가 있고, 성능은 예측이 가능하다. 그러한 격자 구조의 투과율은 하기 논의된 것처럼, 생성된 위상 공진이 없는 한, 대략적으로 도13b 와 14에 보이는 구간당 단일 그루브 격자 구성 성분의 투과율의 합으로 정상화된다. 각각, 도 16a 와 16b에서 장 밀도(field density)(204) 및 포인팅 벡터 플롯(206)에 의해 설명된 것처럼, 상기 λ=5㎛에서 횡자기파 편광 빛은 상기 협소한 그루브 세트를 통하여 전달된다. 각각, 도 17a 와 17b에서 장 밀도(field density)(208) 및 포인팅 벡터 플롯(210)에 의해 설명된 것처럼, 상기 λ=5㎛에서 횡전계 편광 빛은 상기 넓은 그루브 세트를 통하여 전달된다. 상기 격자 구조가, 서로 멀리 떨어져 위치하여 위상 상호작용이 일어나지 않는 횡자기파 편광 및 횡전계 편광 캐비티 모드를 우선적으로 지지하도록 구성되어 있는 한, 횡자기파 및 횡전계 편광 상태 모두의 전달 및 분리 향상을 위하여 구간당 단일 그루브 격자 구성요소의 정상화된 투과율 합계는 본 발명의 구간당 다수 그루브 격자 실시예의 투과율의 좋은 근사치를 제공한다.
소정 편광 상태의 전달 및 분리 향상을 위한 추가적인 구간당 다수 그루브 격자는 본 발명의 범위 안에서 고려된다. 그러한 실시예는 다수의 구간 서브 격자 구조당 단일 그루브를 포함하는 격자 구조를 포함한다. 여기에서 각 서브 격자 구조는 격자 파라미터(와이어 구성요소들, 기질 물질, 주기, 그루브 폭, 그루브 유전체, 구간, 와이어 높이와 형태 등을 포함)와 연관되어있다. 여기에서 적어도 하나의 서브 격자 구조는 그들의 연관 캐비티 모드 사이에서 발생하는 위상 상호작용 없이 향상된 전달을 생성하기 위하여 다른 서브 격자 구조와 다르다.
도 18를 참조하면, 본 발명에 따라 형성된 장치의 일 실시예에서, 소정 파장에서 입사 빔의 강도 및 편광 상태를 측정하는 금속-반도체-금속-광탐색기(MSM-PD)(212)는 본 발명의 구간 격자 구조당 다수 그루브를 포함한다. 상기 금속-반도체-금속-광검출기(212)는 흡수(absorbing) 반도체 기질(216)의 상부에서 제작된 격자 구조(214)를 포함한다. 상기 장치(212)는 번갈아서 편향된 와이어를 갖는다. 음으로 편향된 와이어(220)들 사이에 양으로 편향된 와이어(218)가 배치되어 있다. 이러한 구조(214)는 구간(222)당, 모든 점에서 동일하고 횡자기파 편광 빛을 선택적으로 전달하는 두 그루브(224)와 횡전계 편광 빛을 선택적으로 전달하는 하나의 그루브(226)의 세 그루브를 갖는다. 상기 전달된 빛은 입사 빔의 횡자기파 편광 및 횡전계 편광 구성요소 각각에 기인하는 전류 구성요소 Ip 와 Is를 생산하는 전자-정공 쌍(electron-hole pairs)을 발생한다. 취득 회로(Read-Out Integrated Circuit; ROIC)는 그 후 주어진 Ip 및 Ip + Is 로 Is 를 계산한다. 원한다면, 횡전계 편광 빛에 의해 발생한 전자-정공 쌍을 모으기 위한 하나의 접촉세트를 허용하기 위하여 추가적인 동일한 횡전계 편광된 빛 채널링 그루브가 삽입될 수 있다.
도 19a 및 19b를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예는 구간(232)당 다수 그루브를 갖는, 소위 위상 공진으로부터 기인하는 하이브리드 캐비티 모드 또는 "π"모드를 지지하도록 구성된 격자 구조(230)를 포함한다. 이것은 도 19a 및 19b의 포인팅 벡터 표현에 도시된 바와 같이, 소정 파장에서 소정 편광 상태의 전달을 우선적으로 향상하고, 상기 구조(230)를 통하여 전달된 방사의 소위 "광순환(light circulation)"(234)을 생산한다.
이러한 실시예에서, 상기 격자 구조는 구간당 다수의 그루브를 포함한다. 구간 내의 각각의 그루브는 격자 파라미터(와이어 구성요소들, 기질 물질, 주기, 그루브 폭, 그루브 유전체, 구간, 와이어 높이와 형태 등을 포함)를 포함하는 서브 격자 구조와 연관되어 있다고 여겨질 수 있다. 적어도 하나의 서브 격자 구조는 전달 향상과 광순환을 생산하기 위하여 다른 서브 격자 구조와 충분히 다르지만, 그들의 연관된 캐비티 모드 사이에서 일어나는 위상 상호작용을 억제하는데 충분하지 않다.
비록 횡자기파 편광 π모드는 종래 기술에 보고되었지만, 횡전계 편광 π모드와 광순환 효과는 그렇지 않다. 도 19a를 참조하면, 예를 들어, 여기에서 언급된 광순환은 입사광(234)이 하나의 그루브 세트(236)을 통하여 전달되고 이후 상이한 모양 또는 상이하게 구성된 두번째 그루브 세트(238)를 통하여 재전달되는 때 발생하여, 소정 파장, 편광, 입사각에서 빛의 높은 네트(net) 반사율을 야기한다. 추가적으로, 동일한 효과는 얇은(금속의) 필름에서 구멍 어레이를 사용하여 달성될 수 있다.
본 발명의 상기 광순환 격자 구조는 횡자기파 및 횡전계 편광 입사광 중 하나 또는 모두의 전달을 향상하고 광순환을 생성하는 격자를 포함한다. 도 19a는 하이브리드 캐비티 모드에서 최소 전달이 일어나는 곳 바로 아래의 파장에서 횡전계 편광 방사에 대한 순환 방사의 포인팅 벡터 표현(248)을 나타내고, 도 19b는 최소 전달이 일어나 순환 방향의 이동을 야기하는 곳보다 약간 더 작은 파장에서 횡전계 편광 방사에 대한 순환 방사의 포인팅 벡터 표현(250)을 나타낸다. 이러한 광순환 모드의 더 자세한 내용이 하기 실시예 섹션의 예 3에 제시되어 있다.
예 3에서, 본 발명에 따라 형성된 횡전계 편광 빛의 전달 향상 및 광 순환에 구성된 상기 격자구조의 일 실시예(230)는 구간(232)당 두 그루브를 갖는다. 폭(240) c1=0.755 micron 의 제 1 그루브와 폭(242) c2=0.735 micron 이고 ε1과 값이 같은 ε2=23 의 제 2 그루브이다. 상기 와이어는 금이다. 이 구조는 입사광의 수직 입사각(normal angle of incidence)에서 횡전계 모드에 대한 광 순환 구조이다.
예 3에 설명되어 있는 상기 격자 구조의 또 다른 실시예에서, 만일 상기 그루브 유전체가 바뀌어 ε1 groove 가 ε2 groove와 동일하지 않고, 더 정확히 말해 ε1 groove =25, ε2 groove=21 이라면, 횡자기파 편광 빛의 전달 향상 및 광 순환은 입사각에서 약간 일어난다. 따라서, 본 발명의 광 순환 격자 구조는 소정 파장의 어떠한 소정 편광 상태에서라도 광 순환에 대한 하이브리드 캐비티 모드 또는 π모드를 생성하도록 구성될 수 있다.
도 20을 참조하면, 어떠한 광 순환 격자 구조라도 비 수직 입사각(non-normal angle of incidence)에서 광 위빙(260)이 될 수 있다.
광 위빙은 비제로 평면 내 모멘텀(nonzero in plane momentum)(즉, 상기 와이어 표면에 편행한 방향의 모멘텀)으로 입사 전자기 방사(262)가 그것과 평행하게 이동하면서 상기 와이어 주위의 빛의 위치를 알아내는 얼터네이팅 그루브(264)를 통해 위빙될 때 일어난다.
본 발명의 광 위빙 격자 구조는 광 검출기 또는 신호 또는 데이터의 전파에 유용하다.
도 21을 참조하면, 일 실시예에서, 본 발명의 광 순환 격자 구조(266)을 포함하는 장치는 초고속 펄스 및 펨토세컨드보다 작고 마이크로세컨드에 이르는 시간 지속을 갖는 펄스를 포함하고, 짧은 지속시간 즉 순간 펄스의 입사 펄스 광 신호(270)를 사용하도록 구성되어 있어, 상기 광 순환 모드(268)는 빛이 그루브를 통해 격자에서 상기 와이어 주위를 계속적으로 순환하게 한다. 주로 금속 필름에서는 선택적으로 구멍이다. 광 순환은 여기(excitation) 빔(270)이 없어진 이후에도 계속될 것이다. 상기 순환하는 빛은 맨 위 또는 바닥 중 어느 하나로부터 나오는 탐침빔(probe beam,272)에 의해 상기 격자 구조(266)로부터 방출될 수 있고, 방출된 시그널 빔(274)의 조절가능한 "스톱핑(stopping)" 또는 "릴리징(releasing)"을 야기할 수 있다. 이것은 반사된 상기 탐침빔의 일부를 상기 구조(266)로부터 멀리 방사할 것이다. 상기 격자 구조(266)는 집광, 기억, 조절 장치 구조에 사용되도록 구성될 수 있다.
본 발명의 도 22에 보이는 상기 격자 구조의 다른 실시예에서, 예를 들면, 본 발명의 어떠한 격자 구조의 어떠한 층(282,284,286)의 조합도 기질과 무관하게 스페이서막(288 및 290)에 의해 조합되거나 분리될 수 있다. 즉, 바람직한 광 순환 모드를 생성할 수 있다.
여기에서 설명된 상기 광 순환 모드를 생성하기 위해 배열되고 구성된 얇은 필름, 주로 금속 필름에서 구멍 배열은 또한 본 발명의 범위 안에 있다.
방법
상기 본 발명의 어떠한 PETS 격자 구조를 구성(tailor)하는 방법의 일 실시예는 아래 "예시"섹션에 제시된 예시 1에서 설명된 것처럼, 잘 알려진 표면 임피던스 경계조건(surface impedance boundary condition;SIBC)을 사용하는 결합된 모드 알고리즘을 적용하는 방법을 포함한다.
예시 1은 수직한 입사 방사를 가정하지만, 본 발명의 격자 구조는 또한 특정 애플리케이션 및 원하는 결과에 따라, 어떠한 소정 입사각에서도 전달 향상에 최적화된 것들을 포함한다.
와이어 구성요소, 그루브 물질의 굴절율 지표, 기질 물질, 주기, 그루브 폭 및 높이를 포함하는 다양한 파라미터는 예시 1에 설명된 것처럼, 상기 격자 구조가 바람직한 소정 파장과 소정 대역폭에 대하여 바람직한 편광 상태의 전달 향상을 갖도록 파라미터를 최적화하기 위하여 변할 수 있다.
따라서 본 발명은 편광 독립적인 광학 전달 향상을 이루기 위하여 상기 와이어 사이의 공간, 피치, 광학 및 표면 플라즈몬 공진 효과를 이용하는 방향을 최적화하는 방법을 포함한다. 이러한 파라미터는 본 발명에 따른 우선 파장, 편광, 및 입사각에 따라 최적화될 수 있다. 금속 와이어에 의해 정의되는 높이는 전달 정점에서 서로 다른 라인 폭을 이루기 위하여 더욱 최적화될 수 있다.
특히, 본 발명 방법의 일 실시예는, 대략적으로 상기 캐비티 모드가 완벽하게 상기 그루브에 국한된다고 가정한다. 캐비티 모드가 완벽하게 상기 그루브에 국한되므로, 파장은 방정식 (3)으로 주어진다.
여기에서 n 과 m 은 정수이고, ngroove(=√εgroove )는 상기 그루브(74)의 유전 물질(88)의 굴절율 지표이다.
비록 캐비티 모드가 상기 그루브에 완벽하게 국한되지 않는다고 하더라도, 방정식(3)은 도파로 모드에 의해 생성된 캐비티 모드와 심지어 횡자기파 편광 VSPs에 의해 생성된 캐비티 모드에 대해서도 대략적으로 옳다. 더 중요하게, 방정식(3)에 내재하는 것은 본 발명 격자 구조의 상기 구조적 파라미터 n groove , h, c에 대한 캐비티 모드의 의존도이다. 각각 m=0 및m=1을 갖는 횡자기파 편광(또한 p-편광으로 언급된다.) 및 횡전계 편광(또한 s-편광으로 언급된다.)에 허용할 수 있는 가장 낮은 m 값이다. 이러한 사실 때문에 가장 낮은 차수의 횡전계 편광 캐비티 모드는 가장 낮은 에너지 p-편광 캐비티 모드보다 높은 에너지에서 발생한다. h/c의 비율에 따라, 가장 낮은 에너지 횡전계 편광 캐비티 모드보다 더 낮은 에너지를 갖는 다수의 횡자기파 편광 캐비티 모드가 있을 수 있고, 서로 다른 편광에 대하여 가장 낮은 차수의 캐비티 모드 사이에서 바람직하지 않은 큰 파장 분리를 야기한다.
구조적 파라미터(예를 들어, 그루브 폭, 높이 및 그루브 유전율)에서 상기 횡전계 편광 및 횡자기파 편광 캐비티 모드의 모든 의존성에 대한 전체적인 설명은 Crouse 2007 에 주어져 있고, 또한 하기 예시섹션 안에 예시 1에 주어져 있다. 이러한 의존성을 요약하면, 만일 m=0 인 모드를 사용한다면, 상기 횡자기파 편광 캐비티 모드는 h 와 εgroove 에서 강한 의존성을 갖고, c 에사 약한 의존성을 갖는다. 또한, 횡자기파 편광 캐비티 모드는 특히 Λ가 캐비티 모드의 그것과 근접한 값을 갖는 파장에서 Wood Rayleigh anomaly(WR) 또는 HSP를 생성하려고 할 때 Λ에 강한 의존성을 가질 수 있다. 상기 횡전계 편광 캐비티 모드는 h, c,ε groove 에서 강한 의존성을 갖고, Λ에서 약한 의존성을 갖는다. 캐비티 모드의 이러한 기본적인 특성들과 구조적인 의존성을 염두에 두면, 더 낮은 차수의 횡전계 편광 및 횡자기파 편광 캐비티 모드를 조절(파장에 대하여)하는 방법에 대한 일 실시예는 다음에 제시되어 있다.
본 발명의 상기 방법과 격자는 그루브에서 높은 지표(high-k)의 유전 물질의 사용을 허용한다. 이는 다음과 같은 이점이 있다. 방사의 입사 빔을 0차(straight through) 전달 빔으로 높은 정도로 전달하기 위하여, 횡자기파 및 횡전계 편광 모두의 캐비티 모드의 향상 전달은 1차 회절 발생보다 더 낮은 에너지에서 일어나야 한다. 유전율 nsubstrate=(√εsubstrate)의 기질(예를 들어 유리, 반도체 등) 위에 중첩된 본 발명의 상기 격자 구조에 대하여, 상기 1차 회절 발생은 λ1 st order=Λ/nsubstrate에서 일어난다. 공기가 아닌 다른 기질, 현실적인 종횡비(그루브의 높이/폭), 함께 붙어서있지 않은(즉, 전달 정점의 대역폭은 근접한 정점의 파장 구분의 적어도 두배이다.) 횡자기파 편광 캐비티 모드 전달 정점을 생성하기에 충분히 작은 h, 상기 그루브 내에서 적어도 상기 기질의 유전율만큼 큰 유전율을 갖는 물질은 전형적으로 횡전계 편광 캐비티 모드의 에너지를 1차 회절 발생 밑으로 낮추기 위해 바람직하다. 또한 높은 지표의 유전체(예를 들면, 하프늄 옥사이드 또는 디탄탈륨 펜톡사이드 같은 high-k 유전체)는, 횡자기파 편광 캐비티 모드가 여기되지 않을 때, 상대적으로 넓은 횡전계 편광 전달 그루브(횡자기파 편광 전달 그루브의 폭과 비교하여)를 통과하는 횡자기파 편광 전달을 억제한다.
따라서, 도 23을 참조하여, 구간당 오로지 하나의 그루브로 격자 구조에 입사하는 횡전계 편광 및 횡자기파 편광 빛에 대하여 캐비티 모드 생성된 전달 향상 정점을 조절하고 정렬하기 위한 본 발명 방법의 일 실시예(300)는 다음 일련의 단계를 포함한다.
1.격자 구간Λ를 선택(302)하여 제 1차 회절 온셋이 전달 향상이 바람직한 소정 파장보다 낮은 파장에서 일어나는 단계 ;상기 격자 구간 Λ는 또한 소정 파장보다 작도록 선택되어야 한다.
2.대략적인 요구 파장 범위에서 횡전계 편광 및 횡자기파 편광 캐비티 모드를 얻기 위하여 c, h,ε groove 의 초기 값을 선택하는 단계; 상기 논의된 것처럼 다음 관계를 이용한다. h가 클수록, 각각의 편광에 대하여 캐비티 모드의 위치(파장에서)는 더 가까워진다. 종횡비 h/c가 클수록, Q-팩터 캐비티 모드는 높다. 그러나 과도하게 큰 종횡비는 실제 금속에 대해서 큰 흡수를 생성한다. 중요하게, 횡전계 편광 캐비티 모드를 지지하는데 충분하게 넓은 그루브는 심지어 횡자기파 편광 캐비티 모드가 여기되지 않을 때에도, 일반적으로 횡자기파 편광 빛이 적절한 양으로 전달되는 것을 허용한다. 이러한 문제에서 한가지 방법은 두가지 일을 하는 높은 지표의 유전체를 사용하는 것이다.: (1)√εgroove의 요인으로 그루브의 효과적인 폭과 높이를 증가하고 (2)횡자기파 편광 빛에 대한 임피던스를 증가시켜 횡자기파 편광 캐비티 모드가 여기되지 않을 때 횡자기파 편광 전달을 감소시킨다.
3. 바람직한 파장에서 횡자기파 편광 캐비티 모드를 지지하는데 최적의 그루브 높이 h를 얻기 위하여 그루브 높이h를 초기값에서부터 변화시키는 단계(306)
4. 최적의 그루브 폭 c를 얻기 위하여 그루브 폭 c를 초기값에서부터 횡전계 편광 캐비티 모드가 횡자기파 편광 캐비티 모드와 나란할 때까지 변화시키는 단계(308). 상기 일직선은, 예를 들어 도 7에서 보이는 바와 같이 파장과 그루브 폭의 기능으로서 횡전계 정점 및 횡자기파 정점을 플로팅 함으로써 수행될 수 있다.
이 방법에 따라 형성된 격자 구조의 예는 하기 예시섹션의 예시 2에 제시되어 있다.
본 발명의 어떠한 방법을 따라서 결정된 최적화 파라미터는, 서브 파장 격자 제작에 대하여 이 기술분야의 당업자에게 공지된 적절한 제작 방법을 사용하여 본 발명의 어떠한 격자 구조라도 제작하는 데 사용될 수 있다.
예를 들어, 자외선, 가시광선, 근적외선, 중적외선, 장파장 적외선 및 매우 긴 파장 적외선(very long wavelength infrared)의 소정 파장에서 방사를 향상시키는 데 최적화된 상기 격자 구조에 대하여, 표준화된 미세가공(microfabrication) 기술이 사용될 수 있다. 그러한 가공방법은 열증착, 전자선 증착, 스퍼터링(sputtering), 또는 화학적 증기 퇴적물에 의하여 와이어, 그루브, 기질물질(금속, 산화물, 반도체같은)의 물리적 퇴적물을 포함할 수 있다.
본 발명의 상기 격자 구조는 습식 화학적 식각(wet chemical etching) 및/또는 반응이온에칭(reactive ion etching) 또는 이온 빔 밀링(ion beam milling)과 더불어 포토리소그래피(photolithography) 또는 전자 빔 리소그래피(electron beam lithography)를 사용하여 발생할 수 있다. 테라헤르츠 및 마이크로파과 같이 매우 긴 파장 적외선보다 긴 파장 범위에서 작동되는 구조에 대하여, CNC(computer numerical control) 마이크로 밀링머신(micro milling machines)를 포함하여 조금 덜 비싼 공정 기술이 사용될 수 있다.
예시
예시 1
본 발명의 그것과 같이 라멜라 격자의 광학적 전자기적 특성들은 표면 임피던스 경계 조건(SIBC) 근사화를 이용한 커플드 모드 알고리즘을 사용하여 이 예시에 모델링되었다. 이 방법은 D.Crouse, "복잡한 격자 구조 및 광전자 장치 애플리케이션에서 수학적 모델링 및 전자기적 공진 모드", IEEE Trans . Electron Devices 52:2365-2373(2005)에 자세하게 설명되어 있다. 전부가 여기에 참조로서 포함되어 있고, 여기에 요약되어 있을 뿐이다. 도 24를 참조하면, 이러한 방법은 유전체/금속 인터페이스에서 전기장 및 자기장의 탄젠트 요소와 관련된 다음의 근사치를 이용한다. 
여기에서 Z=1/n metal , n metal 은 금속의 복잡한 굴절율 지표이다. 이러한 근사화는 상기 금속의 유전율이 주위 유전체(적외선 및 가시광선 스펙트럴 지역에서 대체로 옳다)보다 훨씬 더 클 때 유효하다.
도 24는 계산에 사용된 좌표계를 정의한다. 상기 격자의 오직 한 구간만이 보인다. 상기 계산에서 최고층은 공기로 가정한다. 상기 전자기장은 다음과 같이 직교모드의 선형 조합으로 표현된다.
여기에서 f1(x,y)는 횡자기파 편광 또는 횡전계 편광이 각각 모델되었는지에 따라 자기장의 z 컴포넌트 또는 전기장의 z 컴포넌트이다. 다른 전기장 자기장 컴포넌트는 맥스웰 방정식으로부터 유래한 관계를 사용하여 얻을 수 있다. 또한, α n=k 0sin θ i ncide nt +nK, K=2π/d, β n=√k n 2-α n 2, β n =√ε substrate k a 2 -α2 에서 n은 정수, d는 구조의 구간, θ incident 는 입사각, λ는 파장, ε i 은 i번째 지역의 유전율. 방정식(A1) 및 (A3)에서, 모달 익스펜션(modal expansion)에 사용된 직교 모드는 공기 및 기질 층에서 평면파이고, 다음의 직교모드 Φn(x,y)는 상기 그루브에 사용되었다.
상기 그루브의 오른편 및 왼편에 SIBC 조건을 적용하면 각각 다음의 방정식이 유도된다.
여기에서 c 는 그루브의 폭이고, 횡자기파 편광에 대하여 η groove = k n ε groove Z /i, 횡전계 편광에 대하여η grooove = k a / iZ이다. 상기 방법에서 가장 필수적인 단계는 방정식(A10)의 해답이다. 이러한 방법에서 방정식 (A10)의 근원은 초기값에서부터 시작하는 적분에 의해 알 수 있다. Rouge-Kutta 방법으로 상기 적분을 수행하였다.
탄젠트 장 컴포넌트와 동일한 경계 조건과 SIBC 조건을 y = h/2 및y = -h/2에서 금속/유전체 인터페이스에 적용하는 것은 다음 방정식을 산출한다.
여기에서 γ air =ε air =1,γ groove =ε groove ,γ substrate =ε substrate ,η air =k a Z /i 이고, 횡자기파 편광에 대하여 η substrate =k a ε substrate Z /i, 횡전계 편광에 대하여, γ air =γ groove =γ s ubstra te =1,η air =η substrate =k a / iZ, φ m =e ivh /2 .
그 후, 방정식(A11) 및 (A13)을 Xm(x)에 곱하고, 0≤x≤c의 범위에서 적분하고, 방정식(A12) 및 (A14)를 ei αηx/d에 곱하고, 0≤x≤d의 범위에서 적분하는 것은 다음 행렬 방정식을 산출한다. 이는 미지의 계수 Rn,Tn,an 및 bn을 결정하는데 사용된다:
여기에서 행렬 φ,β,ν는 앞서 정의된 φ m ,β n ,ν m 으로 주어진 주 대각선을 따라 0이 아닌 컴포넌트를 갖는 정방행렬이다; G, N, J, K 는 이하 주어지는 컴포넌트를 가진 행렬이다:
전자기장 확장에 사용되는 모드의 수는 크고, 해(solution)는 수렴한다. 위의 접근법을 사용하여 얻은 결과는 상기 그루브 벽이 완벽히 전도성이라고 가정하는 다른 방법을 사용하여 확인된다. 이러한 결과들은 사실상 동일한 결과를 산출한다. 이는 비록 SIBC 근사치를 사용한 횡전계 편광 솔루션의 컨버젼스가 횡자기파 편광 솔루션의 컨버젼스보다 못하다고 하더라도, 횡자기파 및 횡전계 모두에 대하여 EOT가 보여주는 주된 결과는 더 정확한 방법이 계산에 사용될 때 딱 들어다는 것을 보여준다.
일단 방정식 (A15)가 모든 미지의 계수를 알아내기 위해 사용되면, 반사율(방정식 A23에서 i=공기), 투과율 및 회절 효율(방정식 A23에서 i= 기질)은 밖으로 향하는 전파 모드에 대한 포인팅 벡터의 y 컴포넌트와 입사 빔(표준화된 입사빔과 최상층은 공기라 가정한다)의 y 컴포넌트의 비율로서 계산될 수 있다.
여기에서 φ는 Rn 또는 Tn 중 어느 하나이고 θ는 밖으로 향하는 전파 모드의 각도이다.
예시 2
도 5a 및 6을 참조하면 구간 격자 구조당 단일 그루브(58)의 실시예는 25.188GHz(파장 λ=11.91mm)의 소정 주파수에서 횡전계 편광 및 횡자기파 편광 마이크로웨이브 모두의 전달 향상을 위하여 제작되었다. 상기 격자 구조는 알루미늄 컨택 또는 와이어(εAl=-104 +i＊107), 구간 10.3428mm, 그루브 폭 3.8211mm, 두께 6.045mm, 그루브 유전율 2.8, 공기로 된 기질 또는 수퍼서브스트릿을 갖는다. 이러한 단순 격자 구조의 실험적 결과는 여기에서 제공된 수치 모델 알고리즘의 정확성과 캐비티 모드 유도된 전달 향상의 개념을 증명하고, 그렇게 함으로써 이러한 알고리즘과 개념을, 예를 들어 도 22에 보이는 바와 같이 구간당 하나 이상의 그루브를 갖는 더 복잡한 격자 구조의 설계에 또한 사용할 수 있도록 한다.
두 개의 수치 모델링 방법이 사용되었고, 그 결과가 일치와 정확성을 보장하기위해 비교한다. 하나의 방법은 표면 임피던스 경계 조건 근사치을 사용하고 광범위한 격자 구조에의 모든 광학적 특성에 대한 매우 빠른 계산이 가능하다. 또 다른 방법은 Ansoft 회사로부터 상업적으로 이용가능한 유한요소법 솔버(finite element method solver;HFSSTM)이다. CMs, HSPs, VSPs, WRs, 회절 및 다른 모든 광학적 효과들이 적외선(IR) 및 가시광 스펙트럼 지역에서 그랬던 것처럼 마이크로 웨이브에서 일어나지만, CMs 및 회절 특성은 그루브 높이 폭, 격자 피치 또는 구간의 규모를 갖는 파장에서 일어난다는 것을 주목하라. 상기 투과율(도 25), 전체 ω-k 반사율 및 투과율 프로파일(도 26-29), 25.188GHz 횡자기파 편광 및 횡전계 편광 각각의 자기장 및 전기장 강도는 SIBC 알고리즘을 사용하여 얻어진다. 수직 입사 투과율 및 반사율은 또한 HFSSTM (결과는 명료성과 간결함을 위해 나타내지 않는다)을 이용하여 얻은 수 있고, SIBC 결과와 일치한다. 횡자기파 편광 및 횡전계 편광 캐비티 모드의 특성은 또한 Crouse 2005 및 Crouse 2007에 논의되어 있고, 도 26-29에서 볼 수 있다. 높은 투과율, 작은 입사각 의존도, 횡자기파 편광 CMs 및 WRs의 상호작용과 안티크로싱(anti-croosing)를 포함한다.
상기 제작된 장치는 11.91mm의 소정 파장에서 횡자기파 및 횡전계 편광 방사에 동시에 연결되는 캐비티 모드를 생성하기 위하여 여기에 나타난 상기 방법에 따라 형성되었다. 그러한 밀리미터 규모의 구조는 나노 규모의 그것보다 훨씬 싸고 제작이 빠르며, 그것은 상기 관련된 이론상 구조의 단지 양호한 실험적 증명을 제공한다. 왜냐하면 상기 효과와 WRs 및 CM 모드의 파장은 모든 규모의 장치 치수에서 장치 성능의 원인이 되기 때문이다. 예를 들면, 밀리미터 규모의 주기적 특징에서 이론은 마이크로웨이브 스펙트럼 지역에서 전달 향상이 관찰될 것이라고 예측하였다. IR에서 마이크로웨이브 스펙트럼 지역으로 이동하면서, 반사율과 전달율 곡선 사이의 유일한 차이는 HSP 및 CM 공진에 대하여 약간 높은 에너지와 강도이다. 마이크로 웨이브 내의 금속은 거의 완벽한 전도체로서 행동한다; 사용된 알루미늄의 유전율은 마이크로웨이브 λ=31㎛에 대하여 εAl= - 104+i*107이고, λ=31㎛에서 λ=600㎚에 이르기까지 data26 표로 만들어졌다. 게다가 가시광, 심지어 적외선에서 수행되었던 연구와는 달리, 우리는 사용된 물질의 유전율의 변화를 걱정할 필요가 없다; 필수적으로 상기 금속은 완벽하게 전도성이고 상기 그루브를 채우는 유전체는 실제로 이러한 파장에서 분산되지 않는다. 따라서 이러한 원리 증거 연구(proof-of-principle)를 장파장에서 수행하는 것은 매우 합리적인 접근이다.
실험적 표본은 한 세트의 동일한 그루브를 기계 공작함으로써 구성되었다. 각각의 그루브는 대략 400mm x 400mm 의 면적을 덮기 위하여, 주기 Λ=10.34mm로 위치한 폭 c=3.82mm 및 두께 h=6.05mm 의 알루미늄 합금 판으로 일관하여 가공되었다. 이후 빈 공간은 조심스럽게 진공상태에서 완벽하게 진공 될 때까지 혼합되고 남겨진 탄성중합체(Dow Corning® Sylgard® 184 silicon encapsulant)로 채워졌다. 상기 탄성중합체의 유전율의 실수부는 GHz 체제에서 ~2.8이다. 표준 이득 혼(standard gain horn)으로부터 선형적으로 편광된 마이크로웨이브 방사는 수직입사에서 표본에 영향을 주기 위해 구형 거울을 사용하여 조준되었다. 지속파 소스(continuous wave source)는 대역 18≤υ≤26.5 GHz 및 26.5≤υ≤40 GHz(즉, 7.5≤λ≤16.7mm)에서 주파수를 스윕하고, 고정 위치 안테나를 제공한다. 이들 샘플을 스트라이킹하기 전에, 상기 입사 빔은 광대역 마이크로웨이브의 구멍을 통해 이동하여, 입사 빔 스폿을 유용한 표본 지역에 제한시키기 위해 금속을 흡수한다. 게다가 다수의 격자 구간에 대하여 전달된 신호의 평균을 얻기 위하여, 상기 전달 빔은 두번째 혼 안테나 및 탐지기로 집중되기 전에 또 다른 구형 거울을 사용하여 수집된다. 입사 빔 및 탐지된 빔 모두의 편광은, 그것의 중심축에 대하여 각각의 혼 안테나의 단순 회전을 경유하여 이러한 구성으로 바뀔 수 있다.
상기 실험적 유전율 데이터, 입사 편광 및 탐지된 편광 모두를 횡자기파 편광(400) 또는 횡전계 편광(402) 중 어느 하나로 셋팅, 표본의 부재에 스펙트럼을 표준화가 도 30에 나타나 있다(+ 및 o 각각). 도 30에 보이는 것처럼, 실험적 투과율은 수치 모델링에 의해 얻어진 예상된 값 404 및 406 각각에 대하여 상당히 감소한다. 그러나 일단 중합체 및 불순물에 대응하는 드바이(Debye) 유전체와 관련된 작은 흡수 컴포넌트가 모델링에 사용된 탄성중합체의 유전율에 포함되면, 모델링된 408 및 410 각각 실험적 곡선 400 및 402와 잘 매치된다. 따라서, 실험적 데이터를 모델링에 맞춤으로써, 제작된 상기 구조는 3.824mm 의 그루브 폭, εgroove=2.75 + i*0.0945의 그루브 유전율을 갖는다는 것을 알 수 있다. 이러한 유전체 손실의 규모는 크리스탈린 파우더를 대신 사용함으로써 줄일 수 있다.
예시 3
횡자기파 편광된 입사 광에 대한 위상 공진은, 구성요소, 기하학적 구조, 방향에 따라 다른 구간당 다수 그루브를 갖는 격자에서 일어날 수 있다고 알려져 있다. 이러한 형태의 구조에서, 주변 그루브에서 횡자기파 편광 VSP-CMs는 연결할 수 있고, 동일한 규모이지만 Π 라디안 위상 차이가 나는 필드 프로파일을 생성한다;그러한 모드는 예를 들어, Alstair P. Hibbins, et al.,physics review letters 96 257402(2006)에 설명된 것처럼 Π모드 또는 공진으로 불린다. 그러나 광 순환은 어떠한 편광에 대해서도 기존에 보고되지 않았다.
횡전계 편광 빛에 대하여, 어떠한 금속/유전체 인터페이스에도 수직인 전기장의 구성요소는 없고, 따라서 SPs 및 VSP-CMs는 여기될 수 없다. 그러나, 출원인은 Rayleigh anomalis 와 마찬가지로 WG-CMs가 일어나고, 꽤 많은 향상된 효과 또는 이례적인 광학적 효과의 원인이 된다는 것을 알아냈다. 횡자기파 편광 Π모드의 특성과 유사한 특성을 가진 횡전계 편광 Π모드를 포함한다. 출원인은 본 발명에 따라 형성된 격자 구조당 다수 그루브의 상기 광 순환 및 위빙 효과는 s-편광 및 p-편광 입사 광 모두에 대하여 일어난다는 것을 알아냈다.
상기 본 발명에 따라 광 순환을 유도하기 위하여 하이브리드 캐비티 모드를 지지하도록 구성된 격자 구조를 증명하기 위하여, 도 31에 두 개의 격자 구조가 논의되었다. 이러한 두 개의 격자 구조는 횡자기파 편광(여기에서 p-편광으로 언급) 및 횡전계 편광(여기에서 s-편광으로 언급) 입사 광 모두에 대하여 많은 이례적 광학 특징을 보인다. 격자 1을 의미하는 첫번째 격자는 폭 c=0.745㎛, 높이 h=1㎛, 유전체 ε=23, 구간Λ=1.75㎛, 금 와이어, 수퍼스트리트와 기질은 공기인 동일한 그루브를 갖는다. 도 32에 보이는 것처럼, 이러한 구조는 s-편광 전달 향상을 생성하는 많은 WG-CM 대역을 나타낸다(이러한 구조는 p-편광 전달 향상 또한 나타낸다(도시시되지 않음)).
만일 그루브 폭이 동요되어 모든 다른 파라미터가 불변한 채로 다른 모든 그루브가 폭 c1=0.755㎛을 갖고, 나머지 그루브가 폭 c2=0.735㎛를 갖는다면, 결과 구조물은 도 31의 구간당 두 개의 그루브를 갖는 격자 2이다. 예를 들어 Crouse 2005에 설명되어있는 밴드 폴딩(band folding ) 기술은 결과 광자 및 플라즈몬의 밴드의 적절한 형상을 구성하는데 사용될 수 있다. s-편광에 대하여, WG-CM 밴드가 두 개의 서로 다른 이웃 그루브에서 상기 두 WG-CMs가 약간 다른 공진 주파수를 갖고, 구간당 단일 그루브 격자의 본래의 밴드를 서로 상호작용하는 두 개의 밴드로 나뉜다는 사실에 의해 만족스럽게 설명되기 때문에 그러한 밴드 폴딩은 필요하지 않다.
도 33a는 s-편광된 WG-CMs가 격자당 단일 그루브 구조에 대하여 도 32에 보이는 WG-CMs보다 더 복잡하다는 것을 보여주는 전체 ω-k 다이어그램을 나타낸다. 모든 CM 밴드는 0.24815eV의 에너지에서 최소 전달을 생성하는 s-편광 Π모드에 의해 분리된 두 개의 CM 밴드로 나뉜다. 또한 추가적인 회절 모드 및 CM/회절 상호작용이 생성된다.
s-편광 및 p-편광 Π모드 사이에 많은 유사점과 몇가지 중요한 차이점이 존재한다.도 33b의 포인팅 벡터 표현은 주변 그루브의 위상 H에서 Π 라디안의 차이를 갖는 s-편광 Π모드를 보여준다. 그것은 p-편광 Π모드에 대하여 주변 그루브의 위상 E에서 Π라디안의 차이와 유사하다. 그러나, 모든 s-편광 밴드의 확산은 p-편광 광자 밴드의 확산보다 훨씬 작다. 또 다른 중요한 차이는 필수적으로 s-편광 Π모드는 SPs의 부재때문에 연결된 WG-CMs에 의해 생성된다는 것이다.
상기 입사 빔은 모든 다른 그루브에 Π라디안 위상을 벗어난 필드에 직접적으로 연결하지 않는다. 이러한 사실 때문에 상기 Π공진은 항상 넓은 전달 정점의 어깨 부분에 위치할 것이다. 출원인은 수없이 많은 구간당 두 개 그루브 격자에서 s-편광 Π모드가 p-편광 Π모드보다 전달 정점의 중심부에 가까워지려는 경향이 있다는 것을 관찰하였다. 이러한 특징은 s-편광 및 p-편광 Π모드를 구성하는 서로 다른 구성요소 때문에 일어난다. 출원인은 s-편광 Π모드의 상기 구성요소는 두 개의 매우 유사한, 내재적으로 방사하는, WG-CM이라는 것을 알아냈다. 이는 약간 다른 공진 주파수를 갖는다. 교차하는 그루브 폭 변화(perturbation)는 단순히 본래의 WG-CM 밴드를 약간 비대칭적인 두 개의 밴드로 쪼갠다. 왜냐하면 상기 Π공진은 여전히 상기 본래의 WG-CM 전달 정점의 어깨 부분에서 일어나야 하기 때문이다. 그러나 전형적으로 p-편광 Π모드의 하나의 양쪽 면의 두 전달 정점보다 더 대칭적이다. 이러한 보다 큰 대칭은 Π모드에의해 생성된 광 순환에 영향을 미친다.
파워 흐름을 조사함으로써, 출원인은 Π모드에 의해 생성된 최소 전달 또는 그 주위에서, 빛은 두 개의 그루브 세트를 통해 높은 투과율로 전달되지만, 곧 원을 그리며, 주변 그루브를 통해 높은 투과율로 전달되어, 최대 반사를 야기한다는 것을 알아냈다. Π모드는 하이브리드 모드이고, 두 개의 연결된 s-편광 WG-CMs로 구성된다는 것은 명백하다. 더 나아가, 전달 최소에서 연결된 두 캐비티 모드에 의해 생성된 이러한 두 전달 채널은 규모에서 동일하지만 역전파 광 순환을 생성하고, 그루브에서 높은 장 밀도를 야기하는 각각의 그루브에서 오르내리는 파워 흐름의 양과 동일하게 상기 그루브에서 순 제로 파워 흐름을 야기한다.
도 34a 와 b는 전달 최소의 파장보다 각각 약간 더 작거나 더 큰 에너지에서 s-편광된 빛에 대하여 포인팅 벡터 프로파일을 보여준다. 이것이 p-편광 또는 s-편광 π모드인지에 따라, 두 가지 중 하나가 π공진 전달 최소의 어느 하나의 측부에서 일어난다. 그렇지만 두 가지 모두, 주변 그루브에서 두 개의 연결된 캐비티 모드에 의해 생성된 상기 두 전달 채널 사이에서 경쟁을 포함한다. s-편광에 초점을 맞추어보면, 좀 더 대칭적인 s-편광 π공진 전달 최소의 측면 중 어느 하나에서(p-편광 π모드와 비교하여 더 대칭적인), 하나의 그루브 세트에 연관된 하나의 전달 채널은 다른 그루브 세트에 연관된 또 다른 전달 채널보다 약해진다. 따라서, 입사광으로 presented 되는 상기 두 전달 채널 중에 더 많은 양의 파워는 더 약한 전달 채널과 비교하여(즉, 또 다른 그루브 세트) 더 단단한 전달 채널을 통해 전달된다(즉, 그루브의 한 세트).
그러나, 더 약한 전달 채널은 격자를 통하여 강하고 생존가능한 전달 채널인 기질 측면에 지금 막 전달된 빛을 나타나게 하기에 충분히 강하다. 전달된 빛이 180°곡선을 이루거나, 초기 전달되었던 동일한 그루브로 다시 돌아가지 않을 것이기 때문에 상기 더 약한 채널은 가능한 유일한 채널이다. 상기 과정의 순 결과는 높은 반사율이다. 에너지가 계속적으로 전달 최소로부터 더 멀어지기 때문에, 상기 더 약한 전달 채널은 더 강한 전달 채널을 경유하여 상기 기질에 전달되었던 빛을 더 적은 양으로 계속적으로 재전달한다. 이는 광 순환을 줄이고 전달율을 증가시키는 결과를 낳는다.
도 35를 참조하면 비 정상 입사각에 대하여, 이러한 광 순환은 빛이 한 방향으로 순수 파워 흐름을 가지면서 상기 구조를 통해 앞 뒤로 위브됨에 따라, 적용된 특정 격자 파라미터에 대하여 광 위빙으로 바뀐다. 구간당 두 개 이상의 그루브를 갖는 수많은 다른 구조들은 본 발명의 범위 안에 있고, 점점 더 복잡한 방법으로 금속 와이어 주위를 위브하고 순환하는, 구간당 다수의 그루브 격자를 갖는 다수 층을 포함한다.
비록 향상된 횡자기파, 횡전계 또는 동시의 향상된 횡자기파 전달 및 횡전계 전달, 또한 광 순환 및 광 위빙에 최적화된 이것들에 대하여, PETS격자의 구체적인 예가 여기에 설명되어 있지만, 당업자는 여기에 설명된 것처럼, 캐비티 모드를 지지하도록 구성된 어떠한 격자 구조의 설계를 최적화하기 위하여, 하나 이상의 격자 구조의 파라미터를 변화시키는데 다양한 알려진 방법들이 사용될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 그 결과, 본 발명의 범위는, "예시"섹션을 포함해 여기에서 설명된 상기 격자구조를 최적화하고 조절하기 위하여 본 발명 방법의 일 실시예에 따라 형성된 어떠한 격자 구조를 포함하여, 여기에서 설명된 소정 파장에서 캐비티 모드를 지지하도록 구성된 어떠한 서브 파장 격자 구조라도 포함한다고 이해되어야 한다.
본 발명은 또한 고 효율 편광을 생성하기 위하여 그런식으로 얇은 필름에서 형성된 서브 파장 구멍 배열 구조 및 파장 의존적 구조를 포함한다. 하나 이상의 소정 파장에서 입사된 편광 빛을 전달 및/또는 반사한다. 이러한 유닛 셀당 다수의 구멍 배열은 다음 기능을 수행하기 위하여 여기에서 설명된 방법에 따라 구성될 수 있다: 편광, 파장 필터링, 광 채널링, 로컬라이징 라이트(localizing light), 광 위빙 및 순환.
도 36,37을 참조하면, 본 발명의 구멍 배열 구조(418)의 실시예는 얇은 필름(440)의 두께(438)로 형성된 반복 유닛 셀(420)의 2차원 주기적 배열을 포함한다. 상기 유닛 셀(420)은 세 개의 구멍으로 된 베이시스(422)를 포함한다:하나(424)는 다른 두 구멍(425,426)보다 더 큰 지름d1(432)를갖는다. 이는 지름d2(434)와 동등하다. 변위벡터 v1(428) 및 v2(430)은 각각, 더 큰 구멍(424)으로부터 각각의 두 구멍(425,426)의 방향과 공간을 설명한다. 상기 유닛 셀(420)은 도 37에 보이는 것처럼 주기Λ(436)으로 반복한다. 상기 구멍 배열 구조(418)는 또한 세 개의 서브 배열의 구멍을 포함하는 것으로 편의상 특징지을 수 있다. 첫번째 서브 배열은 모든 동일한 구멍(424)으로부터 형성된다. 비슷하게, 두번째 및 세번째 서브 배열은 각각 동일한 구멍 425 및 426으로부터 형성된다. 서브 배열을 형성하는 상기 구멍은 구성요소를 포함하여 서로 동일하다: 서브 배열을 형성하는 상기 구멍은 동일한 유전물질로 채워질 수 있다. 상기 구멍을 채우고 있는 유전물질은 1과 동등하거나 훨씬 더 큰 유전율을 가질 수 있고 가급적 40과 동등하거나 더 작다.
본 발명의 고 효율 편광 빔-분리기(splitter)는 기질(444)에 놓인 구멍 배열 구조(418)을 포함하고 여기에서 설명된 것처럼 어떤 적절한 기질 물질의 단일 층 또는 다수 층을 포함한다. 각각의 유닛 셀(420)의 상기 구멍은 치수가 정해지고, 위치하고, 하나 이상의 소정 파장에서 작동할 수 있는 빔 분리기를 형성하기 위해 선택된 상기 배열 구조(418)의 주기가 될 수 있다. 여과될 수 있는 파장의 수는 유닛 셀(420) 내의 상기 구멍의 개수, 상대적인 방향과 규모(dimension)에 의존한다. 게다가, 전달 또는 반사를 위해 구멍의 형태를 구성함으로써 서로 다른 편광 상태가 선택될 수 있다. 이것은 다수의 서로 다른 애플리케이션에 유용한 서브 파장 구멍 배열 구조의 특성이다.
따라서, 본 발명의 구멍 배열 구조는 파장 필터로써 및 횡단 전자 통과 편광자(transverse electric pass polarizer)(흡수형 편광자 또는 빔-분리기 편광자 둘 중 어느 하나);횡단 자기 패스 편광자; (흡수형 편광자 또는 빔-분리기 편광자 둘 중 어느 하나); 강도 탐지기; 개별적 파장 또는 다수의 파장 또는 파장의 범위에서 위상 탐지기; 의 하나 또는 이들의 조합으로써 구성될 수 있다.
유사하게, 파장 및/또는 편광 센서티브 광검출기는 본 발명의 구멍 배열 구조(418)의 실시예를 포함할 수 있다. 상기 광검출기는 단일 또는 다수의 파장 필터링 및 편광 선택이 가능하다. 유닛 셀의 구조물 및 상기 배열 구조의 주기 선택은 탐지된 파장 및 편광 상태를 결정할 것이다. 유닛 셀 내에서 동일한 규모, 형태, 유전체 구성요소를 갖는 구멍은 동일 유닛 셀 내에서 상이하게 형태화되고 구성된 구멍을 통하여 전달된 것보다 다른 파장 및/또는 편광을 전달할 수 있다.
발명자는 만일 유닛 셀 내에서 적어도 하나의 구멍이 상기 유닛 셀 내의 다른 것과 충분히 다르다면, 광 순환이 생성될 수 있고, 유닛 셀당 하나 이상의 구멍을 가지는 그러한 구멍 배열 구조에서 유지되는 전달을 향상시키지만, 각각의 구멍에 연관된 캐비티 모드 사이에서 일어나는 위상 상호작용을 억제하기에 충분하지 않다는 예상치 못할 결과를 발견하였다.
여기(excited) 및 연결된 캐비티 모드에 기인하는 광 순환은 어떠한 주기적 구조에서도 종래 기술에 나타나지 않았다. 발명자는 구멍 배열 내의 캐비티 모드가 상기 구멍 내에서 도파관 또는 VSPs에 의해 생성된다는 것을 발견하였다. 게다가, 소정의 입사각, 파장 및 편광에서 입사 광은 여기된 캐비티 모드에 의하여 동일한 구멍(제 1 서브 배열)의 한 세트를 통하여 전달되고, 그 후 적절히 형상되고 위치하고 구성된, 그렇지 않으면 첫번째 구멍 세트와 상이하게 구성된 동일한 구멍의 적절히 구성된 두번째 세트를 통하여 재전달되어 여기에서 설명된 방법에 따라 소정의 파장, 편광, 및 입사각에서 빛의 높은 순 반사율을 야기한다는 것을 알아냈다. 재전달된 빛의 일부는 상기 첫번째 서브 배열 구멍을 통해 다시 보내질 수 있다. 상기 동일한 구멍 배열 구조는 적절하게 선택된 입사각에서 광 위빙을 보일 수 있다. 그것은 위에 설명된 것처럼 광 검출기의 인터알리아(inter alia) 및 신호 또는 데이터의 전파에 유용하다.
하나의 서브 배열 구멍의 다음에 나오는 하나 이상의 파라미터는 상기 구멍 배열 구조의 다른 서브 배열의 그것과 다를 수 있다:규모, 상기 구멍을 채우고 있는 물질의 유전율, 구멍의 높이(얇은 필름의 두께), 형상 및 방향. 본 발명의 따른 여기 캐비티 모드의 연결에 영향을 주기 위해 변화할 수 있는 다른 파라미터가 또한 본 발명의 범위 내에 있을 것이라 고려된다.
어떤 서브 배열을 형성하는 상기 구멍은 원형, 타원형, 정사각형, 나비넥타이(bowtie) 또는 8자 형상을 포함하여 어느 적절한 형상이 될 수 있다.
본 발명의 구멍 배열 구조의 반복 유닛 셀 내에서 각각 구멍의 규모는 상기 구멍 배열 구조 구간Λ의 적어도 0.25%이다. 구멍의 누적되는 규모는 95%까지 높아질 수 있다. 규모는 원형 구멍의 지름, 직사각형의 길이와 폭, 타원형의 장축과 단축 등에 관련된다.
구멍의 높이(438) 또는 상기 구멍을 둘러싸는 얇은 필름의 두께는 구간Λ의 0.05%-1000%가 될 수 있다.
변위 벡터의 크기, 또는 하나의 유닛 셀의 주위의 두 구멍 사이의 거리는 향상된 광학적 전달 또는 광 순환이 바람직한 최단 파장의 1% 에서 향상된 광학적 전달이 바람직한 최장 파장의 95% 까지의 범위에 있을 수 있다.
상기 구멍 배열 구조의 구간Λ는 대략 1mm-400mm 및 대략 입사 방사의 파장보다 적다. 작동 파장 또는 파장은 1mm-400mm의 범위에 있다.
본 기술분야의 당업자는 상기 배열 규모가 적절한 요인을 통해 측정할 수 있어, 결과 구멍 배열에서 공진 캐비티 모드가 일어나는 상기 파장은 소정의 작동 파장 레지미(regime)의 어떤 부분에도 중심부에 위치한다는 것을 인식할 수 있다: 예를 들면, 1nm-400nm의 전자기 스펙트럼의 원자외선 및 자외선 지역에서 작동하기 위하여 상기 구간Λ는 대략 1nm-400nm이다.
본 발명의 구멍 배열 구조의 상기 얇은 필름은 가급적으로, 예를 들면 금, 은, 알루미늄, 구리, 플라티늄, 텅스텐, 티타늄, 하프늄, 탄탈륨, 납, 주석, 철 또는 이러한 금속의 합금 중 하나 이상의 금속성이다.
본 발명의 구멍 배열 구조는 실리콘(폴리크리스탈린 또는 아마포스(amorphous)를 포함한다), 게르마늄, 실리카, 혼성 실리카, 실리콘 디옥사이드, 석영, 갈륨 아세나이드, 인듐 포스파이드, 인듐 아세나이드, 갈륨 나이트라이드, 인듐 나이트라이드, 갈륨 인듐 나이트라이드, 갈륨 알루미늄 아세나이드, 인듐 안티모나이드, 머큐리 카드뮴 텔루라이드, 머큐리 텔루라이드, 사파이어 카드뮴 텔루라이드, 카드뮴 설파이드, 카드뮴 셀레나이드, 유리, 탄성중합체, 폴리머, 크리스탈린 파우더, 또는 다른 적절한 유전체, 옥사이드 EH는 반도체 물질을 포함하여 어떠한 적절한 기질에 중첩될 수 있다.
서브 배열에서 상기 구멍을 채우고 있는 유전 물질은 어떤 적절한 물질(또는 공기 이외에는 없는)을 포함할 수 있다:실리카, 실리콘 옥사이드, 실리콘 디옥사이드, 폴리크리스탈린 실리콘, 하프늄 옥사이드, 또는 여기에 기질, 얇은 필름 물질 및 그들의 합금으로서 나열된 물질을 포함하는 다른 적절한 물질.
본 발명의 구멍 배열 구조는 또한 패시베이션(passivation) 또는 그것에 중첩된 보호막을 포함할 수 있다. 상기 보호막은 하나 이상의 폴리머, 플라스틱, 옥사이드 또는 유리를 포함하는 어떠한 적절한 물질을 포함할 수 있다.
도 38을 참조하면, "상부구조물(superstructure,450)"이라 불리는 구멍 배열은 본 발명의 어떠한 개수의 동일하거나 다른 구멍 배열 구조, 예를 들면 452, 454, 456를 적층함으로써 형성될 수 있다. 그러한 상부구조물은 독립한 편광 상태 및 다수의 파장의 향상 광학적 전달 및 광순환을 이루기 위하여 다수의 구멍 배열 구조 층으로 구성될 수 있다. 몇 개의 파장 또는 특정 파장에 대하여, 어떠한 편광 또는 구체적 편광의 빛은 전달 향상, 광 채널링, 광 순환 및 광 위치 인식(light localization)을 겪을 수 있다.
적층구조(452,454,456)는 각각 상대적으로 어떤 쪽으로도 향할 수 있다. 그것은 광 순환, 광 채널링, 또는 소정 파장, 편광 상태, 입사각에서 전달 향상을 생성하는데 적합한 어떤 유전 물질을 포함할 수 있는, 패턴된 또는 무패턴된 공간층(458,460), 어떠한 공기의 조합에 의해서도 분리될 수 있다. 상기 유전 물질은 크리스탈린 실리콘, 폴리 크리스탈린 실리콘, 아마포스 실리콘, 실리콘 옥사이드, 실리콘 나이트라이드, 갈륨 아세나이드, 알루미늄 아세나이드, 갈륨 알루미늄 아세나이드, 인듐 포스파이드, 인듐 안티모나이드, 인듐 포스파이드 안티모나이드, 갈륨 나이트라이드, 인듐 나이트라이드, 갈륨 인듐 나이트라이드, 실리카, 붕규산염 유리(borosilicate glass), 머큐리 카드뮴 텔루라이드, 카드뮴 설파이드, 카드뮴 텔루라이드, 또는 다른 반도체, 옥사이드, 폴리머, 또는 플라스틱 물질을 포함할 수 있다.
여기에서 논의된 것처럼, 본 발명에 따라 형성된 상기 구조는 우선적으로 하나의 소정 파장 및/또는 편광에서 입사광을 하나의 서브 배열 구멍(또는 격자)으로 채널링하고, 또 우선적으로 다른 소정 파장에서 입사광을 제 2 서브 배열 구멍으로 채널하도록 구성될 수 있다. 이러한 공간 분리 및 파장 및/또는 편광의 국부적인 집중은 특히 초점면 배열(focal plane array) 또는 파장 범위에 의한 입사 방사의 효과적인 분리로부터 이득을 갖는 다른 애플리케이션에 유용하다.
도 39를 참조하면 가격이 낮은 솔라 셀 장치(500)은 본 발명에 따라 형성된다. 상기 솔라 셀 장치(500)은 개별적인 솔라 셀이 형성되는 구멍의 배열, 또는 원주형의 캐비티를 포함한다. 상기 구멍은 반복 유닛 셀로서 구성되고, 각각의 유닛 셀(510)은 네 개의 다른 구멍을 갖는다. 그러므로, 네 개의 다른 서브 배열 구멍이 형성된다. 상기 구멍 배열은 여기에서 설명된 상기 방법에 따라 구성되어 표면 플라즈몬 또는 광학적 캐비티 모드를 여기하고 우선적으로 첫번째 파장 대역의 입사 비편광 빛을 첫번째 구멍(512, 첫번째 서브 배열의)으로 보내고, 두번째 파장 대역을 두번째 구멍(514, 두번째 서브 배열의)으로 보내고, 세번째 파장 대역을 세번째 구멍(516, 세번째 서브 배열의)으로 보내고, 네번째 파장 대역을 네번째 구멍(518, 네번째 서브 배열의)으로 보낸다. 가급적 상기 다른 파장 대역은 대략 250nm에서 2500nm 의 전 범위를 커버한다.
각각의 서브 배열로 지지되는 파장 대역에 상응하여, 각각의 서브 배열의 구멍 내에서 상기 솔라 셀은 동일 파장 대역 내에서 태양 방사를 효과적으로 흡수하는 물질로 구성되는 종래의 단일 접합 솔라 셀이다.
상기 솔라 셀은 실리콘(p-타입, n-타입 모두와 인트린식(intrinsic)), Ⅲ-Ⅴ 반도체 및 그들의 합금(즉, 3원 화합물 및 4원 화합물 Ⅲ-Ⅴ 반도체), Ⅱ-Ⅵ 반도체 및 그들의 합금(즉, 3원 화합물 및 4원 화합물 Ⅱ-Ⅵ 반도체), 또는 다른 물질을 초함하는 어느 적절한 물질로 구성될 수 있다.
상기 본 발명의 솔라 셀 장치는 종래 기술의 텐덤(tandem) 솔라 셀처럼 수직적으로 스택되기 보다 하나의 단일 층 위에 수평하게 분배된 다수의 서로 다른 단일 접합 솔라 셀로 구성된다. 이 장치의 하나의 주요한 이점은 반도체 솔라셀의 세트를 제작하기 위하여 화학조 침착법과 같은 전기 화학적 증착 기술의 사용을 허용한다는 것이다. 이러한 전기 화학적 기술은 분자성 성장(Molecular Beam Epitaxy) 및 유기 금속 화학 증착법(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition)과 같은 다른 제조 기술보다 상당히 쌀 수 있다.
다시 도 39를 참조하면, 하나의 유닛 셀(510)은, 여기에서 원주형 캐비티로 언급된, 솔라셀이 위치한 네 개의 다른 구멍 512, 514, 516, 및 518을 포함한다. 이러한 캐비티는 금속성 필름 안에 형성되고, 50 나노미터에서 5마이크로미터 사이의 깊이(필름에서의 두께)를 갖는다.
상기 캐비티를 둘러싼 금속 기둥(520)은 가급적 열려있거나 채워져 있는 공간(560)에 의하여 서로 분리되어 있다. 이러한 금속 기둥은 알루미늄, 금, 은, 구리, 티타늄, 텅스텐, 주석, 납을 포함하여 적절한 전도성 물질을 포함할 수 있다.
각각의 기둥은 50나노미터에서 100센티미터 사이의 길이를 갖는 단면을 가질 수 있고, 50 나노미터에서 10마이크로미터 사이의 폭을 가질 수 있다.
솔라 셀을 포함하는 캐비티의 전체 배열은 기질(530)에 중첩될 수 있다. 상기 기질은 예를 들면 유리, 석영, 혼성 실리카, 실리콘, 플라스틱, 또는 다른 폴리머 물질, 또는 다른 물질 같이 리지드(rigid)하거나 플렉시블(flexible)한 어떠한 물질도 될 수 있다. 상기 기질은 50나노미터에서 10센티미터의 두께를 가질 수 있다.
각각의 캐비티는 또한 서로 다른 목적(접착력 증진 또는 전기적 접촉)을 제공하는 하나 이상의 층(540)에 중첩될 수 있다. 예를 들면, 그러한 층은 구조에서 유해한 반응 또는 물질의 혼합을 제거하거나 다른 목적을 위하여, 정착제, 전기적 접촉으로서 추가될 수 있다. 이러한 층은 0.1나노미터에서 1센티미터 사이의 두께를 가질 수 있고, 플래티넘, 티타늄, 알루미늄, 크롬, 실리콘 디옥사이드, 폴리 크리스탈린 실리콘, 실리콘 나이트라이드, 구리 또는 다른 어떤 전도성 또는 절연 물질로 구성될 수 있다.
구멍을 정의하는 상기 기둥 캐비티 512, 514, 516, 518은 원통형, 타원형, 직사각형, 정사각형을 포함하는 어떠한 적절한 형태가 될 수 있고, 특정 파장 범위 내에서 전달 향상과 채널링하도록 구성될 수 있다.
상기 캐비티는 50나노미터에서 5마이크로미터 범위의 폭(즉, 원통형 캐비티의 경우 지름, 타원형 캐비티의 경우 장축과 단축의 길이, 직사각형 또는 정사각형 캐비티의 경우 폭과 너비, 그루브의 경우 폭)을 가질 수 있다. 이러한 캐비티의 규모는 캐비티 벽에 표면 플라즈몬을 생성하거나, 캐비티 내에서, 먼 지역으로부터 캐비티로 빛을 흡수(또는 어떤 파장 대역)하는 빛 월풀(light whirlpool)의 역할을 하는 광학적 캐비티 모드를 생성하기 위해 선택된다. 이러한 규모는 표면 플라즈몬 또는 광학적 캐비티 모드가 이러한 효과를 낳는지, 캐비티 내에 어떠한 물질이 있는지, 그리고 캐비티 기저에 어떤 물질이 있는지, 여기에서 설명된 상기 방법에 따라 변할 수 있다. 예를 들면, 원통형의 캐비티에서 반지름과 깊이 모두 50나노미터에서 5마이크로미터의 범위에 있을 수 있다.
또 다른 실시예에서, 본 발명의 솔라 셀 장치는 여기에서 설명된 격자 구조로 구성될 수 있다. 여기에서, 상기 그루브는 적절한 파장 센서티브 물질로 구성된 솔라 셀로 채워져 있다.
도 40을 참조하면, 솔라 셀의 하나의 단일 흡수 캐비티(570)는 바닥 전기 접촉(bottom electric contact,580), 흡수 반도체 물질(590), 윈도우 반도체 물질(610) 및 두번째 전기 접촉(611)으로 구성된다.
금속, 폴리머 또는 다른 물질의 추가적인 층(612)은 네가지 다른 목적으로 캐비티 벽에 위치할 수 있다. 예를 들면, 산화물, 폴리머, 금속, 절연체 또는 다른 물질 층은 전체 또는 부분적으로 캐비티 벽에 위치하여 전기적 절연, 전기 화학 석출법에 대한 화학적 프리커서(precursor)를 포함하는 다른 목적을 제공하고, 캐비티 모드 또는 다른 목적을 지지하는데 도움을 주기 위해 절연층을 제공한다. 이러한 층은 0.1나노미터에서 5마이크로미터의 두께를 가질 수 있다.
캐비티 모드와 표면 플라즈몬 모드 커플링에 의해 유도된 상기 광 채널링 또는 월풀 효과는 흡수를 잘하게 강한 광 집중을 제공하고, 분리된 파장 대역의 30%-100%의 빛이 솔라 셀 물질의 작은 부피 내에서 보내지고 흡수되는 결과를 낳는다.
도 41은 모든 빛을 도 40의 원주형 캐비티로 집중하도록 조절된 광학적 캐비티 모드(613)의 포인팅 벡터 표현이다. 화살표는 포인팅 벡터(614)이다. 컨투어 맵(616)은 또한 캐비티 내의 전기장 분포를 보여준다. 둘은 솔라 셀 내에서 빛이 어떻게 보내지고 흡수되는지를 보여준다.
비록 본 발명의 도식적인 실시예가 도면을 동반하여 설명되었지만, 발명이 그러한 구체적인 실시예에 제한되지 않고, 본 발명의 범위와 본질에 벗어나지 않게 당업자에 의해 다른 다양한 변화와 수정이 그곳에 영향을 줄 수 있다고 이해되어야 한다.
10 :격자 구조 20 : PETS 격자
12 : 금속 접촉 28 : 와이어
16 : 전자기장 입사 24 : 그루브
ε : 유전율 ω : 폭
h : 높이
12 : 금속 접촉 28 : 와이어
16 : 전자기장 입사 24 : 그루브
ε : 유전율 ω : 폭
h : 높이
Claims (30)
- 소정 파장에서 입사 전자기 방사의 전달 향상을 위한 장치에 있어서;
박 막에 구멍 배열을 포함하고, 우선적으로 상기 소정의 파장에서 소정 편광 상태의 전달 향상 및 커플링을 위하여 캐비티 모드를 지지하도록 구성됨과 더불어, 상기 소정의 파장에서 상기 전달된 편광 상태의 광 순환 또는 광 위빙을 유도하도록 구성된 구조를 구비하며,
상기 구멍 배열은 상기 소정 파장보다 작거나 동등한 주기로 배열되는 것을 특징으로 하는 소정 파장에서 입사 전자기 방사의 전달 향상을 위한 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 박 막은 금속 박 막으로 구성되는 것을 특징으로 하는 소정 파장에서 입사 전자기 방사의 전달 향상을 위한 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 박 막은 알루미늄, 은, 금, 구리 및 텅스텐 중 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 소정 파장에서 입사 전자기 방사의 전달 향상을 위한 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 구조는 기판 상에 중첩되는 것을 특징으로 하는 소정 파장에서 입사 전자기 방사의 전달 향상을 위한 장치. - 청구항 5에 있어서,
상기 기판은 적어도 하나의 실리카, 실리콘, 실리콘 디옥사이드, Ge, GaAs, InP, InAs, AlAs, GaN, InN, GaInN, GaAlAs, InSb, 혼성 실리카, 사파이어, 석영, 유리, 및 BK7으로 구성되는 것을 특징으로 하는 소정 파장에서 입사 전자기 방사의 전달 향상을 위한 장치. - 청구항 1의 장치로 구성되는 집광 장치.
- 청구항 1에 있어서,
상기 구멍은 1보다 큰 유전율을 가지는 유전물질로 채워지는 것을 특징으로 하는 소정 파장에서 입사 전자기 방사의 전달 향상을 위한 장치. - 소정의 파장에서 입사 전자기 방사의 전달 향상을 위한 장치에 있어서,
박 막에 구멍 배열을 포함하고, 첫번째 구멍 및 두번째 구멍을 포함한 하나 이상의 구멍을 갖는 반복 유닛 셀로 구성된 구조를 구비하며,
상기 첫번째 구멍의 파라미터는 상기 두번째 구멍의 파라미터와 상이하고,
상기 유닛 셀은 상기 소정의 파장보다 작거나 유사한 주기로 반복되고,
상기 구조는 우선적으로 상기 소정의 파장에서 소정 편광 상태의 전달 향상 및 커플링을 위하여 캐비티 모드를 지지하도록 구성된 것을 특징으로 하는 소정의 파장에서 입사 전자기 방사의 전달 향상을 위한 장치. - 청구항 8에 있어서,
상기 두번째 구멍의 파라미터와 상이한 상기 첫번째 구멍의 파라미터는 적어도 하나의 치수, 높이, 상기 구멍을 채우는 물질의 유전율, 형태, 및 방향을 포함하는 것을 특징으로 하는 소정의 파장에서 입사 전자기 방사의 전달 향상을 위한 장치. - 청구항 8에 있어서,
각각의 상기 반복 유닛 셀의 상기 첫번째 구멍은 1보다 큰 유전율을 가진 유전 물질로 채워지는 것을 특징으로 하는 소정의 파장에서 입사 전자기 방사의 전달 향상을 위한 장치. - 청구항 10에 있어서,
상기 유전율은 40보다 작은 것을 특징으로 하는 소정의 파장에서 입사 전자기 방사의 전달 향상을 위한 장치. - 청구항 10에 있어서,
각각의 상기 반복 유닛 셀의 상기 첫번째 구멍은 실리카, 실리콘 옥사이드, 실리콘 디옥사이드, 폴리 크리스탈린 실리콘, 및 하프늄 옥사이드 중 하나로 채워지는 것을 특징으로 하는 소정의 파장에서 입사 전자기 방사의 전달 향상을 위한 장치. - 청구항 8에 있어서,
상기 구조는 적어도 하나의 실리콘, 아몰퍼스 실리콘, 폴리크리스탈린 실리콘, 게르마늄, 실리카, 혼성 실리카, 실리콘 디옥사이드, 석영, 갈륨 아세나이드, 인듐 포스파이드, 인듐 아세나이드, 갈륨 나이트라이드, 인듐 나이트라이드, 갈륨 인듐 나이트라이드, 갈륨 알루미늄 아세나이드, 인듐 안티모나이드, 머큐리 카드뮴 텔루라이드, 머큐리 텔루라이드, 사파이어 카드뮴 텔루라이드, 카드뮴 설파이드, 카드뮴 셀레나이드, 유리, 탄성중합체, 폴리머, 크리스탈린 파우더, 및 어떤 다른 적절한 유전체, 산화물 또는 반도체 물질로 구성되는 기판 상에 중첩되는 것을 특징으로 하는 소정의 파장에서 입사 전자기 방사의 전달 향상을 위한 장치. - 청구항 8에 있어서,
편광 빔분리기로 사용되되도록 구성된 것을 특징으로 하는 소정의 파장에서 입사 전자기 방사의 전달 향상을 위한 장치. - 청구항 8에 있어서,
상기 소정 파장 및 두번째 소정 파장에 대한 편광 빔 분리기로 사용되도록 구성되며,
상기 첫번째 구멍은 상기 소정 파장으로 빛을 우선적으로 전달하도록 치수되어 위치되고,
상기 두번째 구멍은 상기 두번째 소정 파장으로 빛을 우선적으로 전달하도록 치수되어 위치되는 것을 특징으로 하는 소정의 파장에서 입사 전자기 방사의 전달 향상을 위한 장치. - 청구항 12에 있어서,
상기 청구항 12의 장치로 구성되는 파장 및 편광 센시티브 광검출기. - 청구항 8에 있어서,
상기 구조는 상기 소정 파장에서 전달된 상기 소정 편광 상태의 광 순환 또는 위빙을 유도하기 위하여 캐비티 모드를 우선적으로 지지하도록 더 구성됨을 특징으로 하는 소정의 파장에서 입사 전자기 방사의 전달 향상을 위한 장치. - 청구항 8에 있어서,
상기 첫번째 및 두번째 구멍의 적어도 하나의 형태가 원형, 타원형, 정사각형, 나비넥타이 및 8의 형상인 것을 특징으로 하는 소정의 파장에서 입사 전자기 방사의 전달 향상을 위한 장치. - 청구항 8에 있어서,
상기 첫번째 및 두번째 구멍의 적어도 하나의 치수가 상기 구멍 배열 주기의 적어도 0.25%인 것을 특징으로 하는 소정의 파장에서 입사 전자기 방사의 전달 향상을 위한 장치. - 청구항 8에 있어서,
상기 첫번째 및 두번째 구멍의 적어도 하나의 높이가 상기 주기의 0.05%와 동일하거나 더 크고, 상기 주기의 1000% 보다 작은 것을 특징으로 하는 소정의 파장에서 입사 전자기 방사의 전달 향상을 위한 장치. - 청구항 8에 있어서,
상기 박 막은 적어도 하나의 금, 은, 알루미늄, 구리, 플래티넘, 텅스텐, 티타늄, 하프늄, 탄탈륨, 란타늄, 납, 주석, 철 및 이러한 금속의 합금으로 구성되는 것을 특징으로 하는 소정의 파장에서 입사 전자기 방사의 전달 향상을 위한 장치. - 청구항 8에 있어서,
상기 구조에 중첩된 패시베이션 층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 소정의 파장에서 입사 전자기 방사의 전달 향상을 위한 장치. - 청구항 22에 있어서,
상기 패시베이션 층은 하나 이상의 폴리머, 플라스틱, 산화물, 및 유리로 구성되는 것을 특징으로 하는 소정의 파장에서 입사 전자기 방사의 전달 향상을 위한 장치. - 청구항 8에 있어서,
상기 소정 파장을 포함하는 범위의 파장 전달을 향상시키도록 더 구성되며,
상기 유닛 셀은 상기 첫번째와 두번째 구멍 간의 거리를 포함하고,
상기 거리는 상기 범위의 최단 파장의 1%와 상기 범위의 최장 파장의 95% 사이에 있는 것을 특징으로 하는 소정의 파장에서 입사 전자기 방사의 전달 향상을 위한 장치. - 첫번째 소정 파장 및 두번째 소정 파장에서 입사 전자기 방사의 전달을 향상시키는 장치에 있어서,
첫번째 박 막에 첫번째 구멍 배열을 포함하는 첫번째 구조;
두번째 박 막에 두번째 구멍 배열을 포함하는 두번째 구조; 및
상기 첫번째 구조와 상기 두번째 구조 사이에 위치된 공간층을 포함하며,
상기 첫번째 구조는 첫번째 구멍과 두번째 구멍을 포함한 하나 이상의 구멍을 가진 반복 유닛 셀로 구성되고,
상기 첫번째 구멍의 파라미터는 상기 두번째 구멍의 파라미터와 상이하고,
상기 유닛 셀은 상기 첫번째 소정 파장보다 작거나 유사한 첫번째 주기로 반복되고;
상기 첫번째 구조는 우선적으로 상기 첫번째 소정의 파장에서 첫번째 소정 편광 상태의 전달 향상 및 커플링을 위하여 캐비티 모드를 지지하도록 구성되며;
상기 두번째 구조는 첫번째 구멍과 두번째 구멍을 포함한 하나 이상의 구멍을 가진 반복 유닛 셀로 구성되고,
상기 첫번째 구멍의 파라미터는 상기 두번째 구멍의 파라미터와 상이하고,
상기 유닛 셀은 상기 두번째 소정 파장보다 작거나 유사한 두번째 주기로 반복되고;
상기 두번째 구조는 우선적으로 상기 두번째 소정의 파장에서 두번째 소정 편광 상태의 전달 향상 및 커플링을 위하여 캐비티 모드를 지지하도록 구성된 것을 특징으로 하는 입사 전자기 방사의 전달을 향상시키는 장치. - 청구항 25에 있어서,
상기 공간 층은 적어도 하나의 반도체, 산화물, 폴리머, 또는 플라스틱 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 입사 전자기 방사의 전달을 향상시키는 장치. - 청구항 26에 있어서,
상기 반도체 물질은 적어도 하나의 크리스탈린 실리콘, 폴리크리스탈린 실리콘, 아몰퍼스 실리콘, 실리콘 옥사이드, 실리콘 나이트라이드, 갈륨 아세나이드, 알루미늄 아세나이드, 갈륨 알루미늄 아세나이드, 인듐 포스파이드, 인듐 안티모나이드, 인듐 포스파이드 안티모나이드, 갈륨 나이트라이드, 인듐 나이트라이드, 갈륨 인듐 나이트라이드, 실리카, 붕규산염 유리, 머큐리 카드뮴 텔루라이드, 카드뮴 설파이드, 및 카드뮴 텔루라이드로 구성되는 것을 특징으로 하는 입사 전자기 방사의 전달을 향상시키는 장치. - 청구항 25에 있어서,
상기 첫번째 구조, 두번째 구조, 및 상기 공간 층은 상기 소정의 첫번째 및 두번째 파장, 적어도 하나의 소정 입사각에 대하여 첫번째 및 두번째 편광상태에서 광 순환, 위빙, 또는 채널링을 유도하도록 더 구성된 것을 특징으로 하는 입사 전자기 방사의 전달을 향상시키는 장치. - 적어도 첫번째 및 두번째 소정 파장 대역 내에서 입사 전자기 방사의 전달을 향상시키고, 상기 첫번째 및 두번째 소정 파장 대역에 따라 입사 전자기 방사를 공간적으로 분리하기 위한 장치에 있어서
박 막에 구멍 배열을 포함하고, 적어도 첫번째 구멍 및 두번째 구멍을 갖는 반복 유닛 셀을 포함하는 구조를 구비하며,
상기 첫번째 구멍의 파라미터는 상기 두번째 구멍의 파라미터와 상이하고,
상기 유닛 셀은 적어도 상기 첫번째 및 두번째 소정의 파장 대역보다 작거나 유사한 주기로 반복되고,
상기 구조는 우선적으로 상기 첫번째 소정의 파장 대역에서 입사 전자기 방사의 전달 향상 및 커플링을 위하여 캐비티 모드를 지지하고, 상기 첫번째 소정의 파장 대역 내에서 상기 방사를 우선적으로 상기 첫번째 구멍으로 보내도록 구성되고;
상기 구조는 우선적으로 상기 두번째 소정의 파장 대역에서 입사 전자기 방사의 전달 향상 및 커플링을 위하여 캐비티 모드를 지지하고, 상기 두번째 소정의 파장 대역 내에서 상기 방사를 우선적으로 상기 두번째 구멍으로 보내도록 구성된 것을 특징으로 하는 장치. - 청구항 29에 있어서,
솔라 셀 장치로 사용되도록 구성되고,
상기 박 막은 전기 전도성 박 막이고,
상기 첫번째 구멍은 상기 첫번째 소정 파장 대역 내에서 상기 입사 전자기 방사를 효율적으로 흡수하는 첫번째 반도체 물질로 채워지고,
상기 두번째 구멍은 상기 두번째 소정 파장 대역 내에서 상기 입사 전자기 방사를 효율적으로 흡수하는 두번째 반도체 물질로 채워진 것을 특징으로 하는 장치.
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