KR20130098651A - Wavelength filter based on a subwavelength metal grating - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: An optical wavelength filter of metal lattice base is provided to effectively control a core wavelength through various variation factors. CONSTITUTION: An optical wavelength filter (20) comprises a first waveguide layer (200) and a lattice layer (220). The first waveguide layer comprises a core layer (205), an upper clad layer (207), and a lower clad layer (203). The core layer is formed with a second dielectric body of a predetermined thickness and has a second refractivity. The upper clad layer is arranged at the upper part of the core layer and composed of a first dielectric body having a first refractivity less than the second refractivity of the core layer. The lower clad layer is arranged at the lower part of the core layer and composed of a third dielectric body having a third refractivity less than the second refractivity of the core layer. The lattice layer arranges multiple unit blocks consisting of the metal material on the first waveguide layer in the structure of lattice.

Description

금속 격자 기반의 광 파장 필터{Wavelength filter based on a subwavelength metal grating} Wavelength filter based on a subwavelength metal grating}

본 발명은 광 파장 필터에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 유전체로 형성되는 도파층 및 상기 도파층의 정면에 금속 재질로 이루어지는 금속 격자층을 구비함으로써, 간단한 구조의 투과형 광 파장 필터를 구현할 수 있으며, 효과적으로 중심 파장 및 대역폭 조절이 가능한 금속 격자 기반의 광 파장 필터에 관한 것이다. The present invention relates to an optical wavelength filter, and more particularly, by providing a waveguide layer formed of a dielectric and a metal lattice layer formed of a metal material on the front surface of the waveguide layer, thereby implementing a transmission type optical wavelength filter having a simple structure. The present invention relates to a metal grating based optical wavelength filter capable of effectively adjusting the center wavelength and bandwidth.

일반적으로 광 파장 필터는 디스플레이, 이미지센서, 색조명, 무선 광통신 등 수많은 분야에서 활용되고 있다. 종래에는 광 파장 필터로 포토레지스트에 안료를 분산시킨 용액을 기판 상에 도포하고, 이를 패터닝함으로써 각 색상의 픽셀들을 형성하는 안료형 광필터 또는 다중 박막층을 이용하는 박막층 광필터가 주로 사용되었다. 그러나 안료형 광 필터의 경우, 포토리소그라피(photolithography) 공정을 사용하기 때문에 대면적 구현이 가능하고, 열적, 화학적으로 안정할 뿐만 아니라 색 균일성을 확보할 수 있지만, 필터의 전달 특성이 사용되는 안료 고유의 광학적 특성에 의해서만 결정이 되며, 고색순도를 얻기 위해서는 안료의 두께를 두껍게 형성해야 하는데 두꺼워질수록 광 투과율이 감소하는 단점이 있다. 또한, 박막형 광 필터의 경우, 필터의 전달특성이 보다 자유롭게 제작되어 질 수 있으나 입사광의 입사각에 의해 전달 특성이 민감하게 변화할 수 있고, 박막의 두께에 민감하게 필터의 특성이 변화하므로, 정밀한 두께로 제작해야 하는 어려움이 있다. In general, the optical wavelength filter is used in many fields such as display, image sensor, color tone name, wireless optical communication. Conventionally, a thin film layer optical filter using a pigment type optical filter or a multi-layered thin film layer, which forms a pixel of each color by applying a solution obtained by dispersing a pigment in a photoresist with an optical wavelength filter on a substrate and patterning it, has been mainly used. However, the pigment type optical filter uses a photolithography process, so that a large area can be realized, thermally and chemically stable, and color uniformity can be obtained. It is determined only by the inherent optical properties, and in order to obtain high color purity, the thickness of the pigment must be formed thick, but the thicker it is, the light transmittance decreases. In addition, in the case of the thin-film optical filter, the transmission characteristics of the filter may be more freely manufactured, but the transmission characteristics may be sensitively changed by the incident angle of the incident light, and the characteristics of the filter may be sensitively affected by the thickness of the thin film. There is a difficulty to produce.

이러한 문제점을 해결하기 위한 방안으로 최근, 나노 격자 구조물을 기반으로 하는 광 파장 필터에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 나노 격자 구조물 기반의 광 파장 필터는 그 전달 특성이 사용되는 물질의 광학 특성에 의존하는 안료형 광 필터와 달리 구조 파라미터를 적절히 조절하여 원하는 전달 특성을 얻을 수 있다. 이러한 나노 격자 구조물 기반의 파장 필터의 대표적인 구조에는 유전체의 굴절률을 격자 형태로 배열하는 유전체 격자층과 유전체 박막이 혼합된 구조인 도파 공진 모드(Guided mode resonance;GMR) 필터와 표면 플라즈몬 공명(Surface plasmon resonance) 현상을 이용하는 금속 나노격자구조 기반의 광 필터가 있다. 여기서, 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용하는 금속 나노격자구조물 기반의 광 파장 필터의 경우, 특정 주기와 형태로 패터닝된 단일 금속 층으로 구현이 가능하여 그 구조가 다른 나노 격자 구조에 비하여 비교적 단순하지만, 대역폭이 넓고 조절이 어려운 단점이 있다. Recently, researches on optical wavelength filters based on nano grating structures have been actively conducted to solve these problems. The optical wavelength filter based on the nano lattice structure, unlike the pigment type optical filter whose transmission characteristics depend on the optical properties of the material used, can obtain desired transmission characteristics by appropriately adjusting the structural parameters. Representative structures of the wavelength filter based on the nano-grating structure include a guided mode resonance (GMR) filter and a surface plasmon resonance (GMR) filter in which a dielectric lattice layer and a dielectric thin film are arranged to arrange the refractive index of the dielectric in a lattice form. There is an optical filter based on a metal nanogrid structure using a resonance phenomenon. Here, in the case of the metal nanolattice-based optical wavelength filter using the surface plasmon resonance phenomenon, it can be implemented as a single metal layer patterned in a specific period and shape, the structure is relatively simple compared to other nano-lattice structure, but the bandwidth is It has a wide and difficult adjustment.

한편, 도파 공진 모드를 이용한 광 파장 필터는 일반적으로 굴절률이 서로 다른 유전체가 광 파장 이하의 주기를 갖는 1차원 또는 2차원 격자 층과 일정 두께를 갖는 유전체 층들이 반복적으로 형성되는 구조로 이루어진다. 이러한 구조에 백색광이 입사되면 주기적인 나노 격자 층에 의해 회절되고, 특정 파장대역의 광만 유전체 층의 도파 모드와 일치하여 구조상에 도파되게 된다. 도파되는 광은 다시 격자층에 의해 회절되어 다른 파장들과 공진하여 투과 또는 반사하는 현상이 일어난다. 여기서, 격자 주기를 조절하면 격자층에 의해 회절되는 광의 회절 성분의 크기가 파장별로 변화하여 도파층의 도파모드와 결합되는 광파장이 바뀌게 되고, 이에 따라 공진 주파수가 바뀌게 된다. 이러한 특성을 이용하면 격자 주기의 조절을 통해 투과 또는 반사하는 광의 중심 파장을 조절할 수 있다. 하지만, 이러한 종래의 도파 공진 모드를 이용한 광 파장 필터는 투과형 광 파장 필터를 구현하는 경우, 원하는 전달 특성을 얻기 위해서 많은 층의 유전체 층이 요구되고, 그 구조 또한 복잡하여 구현에 많은 어려움이 따른다. On the other hand, the optical wavelength filter using the waveguide resonant mode generally has a structure in which dielectrics having different refractive indices are repeatedly formed with one-dimensional or two-dimensional lattice layers having a period below the optical wavelength and dielectric layers having a predetermined thickness. When white light enters such a structure, it is diffracted by a periodic nano lattice layer, and only light of a specific wavelength band is guided on the structure in accordance with the waveguide mode of the dielectric layer. The waveguided light is diffracted by the lattice layer and resonates with other wavelengths to transmit or reflect light. Here, by adjusting the grating period, the size of the diffraction component of the light diffracted by the grating layer is changed for each wavelength to change the optical wavelength coupled with the waveguide mode of the waveguide layer, thereby changing the resonance frequency. Using this characteristic, the center wavelength of the transmitted or reflected light can be adjusted by adjusting the lattice period. However, when the optical wavelength filter using the conventional waveguide resonance mode implements a transmission type optical wavelength filter, many layers of dielectric layers are required in order to obtain desired transmission characteristics, and the structure thereof is also complicated, which causes many difficulties in implementation.

전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 유전체로 형성되는 도파층 및 상기 도파층의 정면에 금속 재질로 이루어지는 금속 격자층을 구비함으로써, 간단한 구조의 투과형 광 파장 필터를 구현할 수 있으며, 효과적으로 중심 파장 및 대역폭 조절이 가능한 금속 격자 기반의 광 파장 필터를 제공하고자 하는 것이다. An object of the present invention for solving the above problems, by providing a waveguide layer formed of a dielectric and a metal grid layer made of a metal material on the front of the waveguide layer, it is possible to implement a transmission type optical wavelength filter of a simple structure, effectively It is an object of the present invention to provide a metal grating based optical wavelength filter capable of adjusting the center wavelength and the bandwidth.

전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 특징은 사전에 설정된 두께의 유전체로 이루어지고 제2 굴절률을 갖는 코어층을 포함하는 제1 도파층; 및 상기 제1 도파층 상에 다수 개의 단위 블록이 격자 구조로 배열되는 격자층;을 구비하고, 상기 단위 블록은 금속 재질로 이루어지는 것을 특징으로 한다.Features of the present invention for achieving the above-described technical problem is a first waveguide layer comprising a core layer of a dielectric having a predetermined thickness and having a second refractive index; And a lattice layer in which a plurality of unit blocks are arranged in a lattice structure on the first waveguide layer, wherein the unit blocks are made of a metal material.

전술한 특징을 갖는 본 발명에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터에 있어서, 상기 제1 도파층은 상기 코어층의 상부에 배치되며, 상기 코어층의 제2 굴절률보다 작은 제1 굴절률을 갖는 유전체로 이루어지는 상부 클래드 층; 및 상기 코어층의 하부에 배치되며, 상기 코어층의 제2 굴절률보다 작은 제3 굴절률을 갖는 유전체로 이루어지는 하부 클래드 층;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 제1 굴절률 및 제3 굴절률은 동일할 수 있다.In the metal grating-based optical wavelength filter according to the present invention having the above-mentioned characteristics, the first waveguide layer is disposed on the core layer, and has a dielectric index having a first refractive index smaller than the second refractive index of the core layer. An upper clad layer; And a lower clad layer disposed below the core layer, the lower clad layer comprising a dielectric having a third refractive index smaller than the second refractive index of the core layer. In addition, the first refractive index and the third refractive index may be the same.

전술한 특징을 갖는 본 발명에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터에 있어서, 상기 단위 블록은 1차원 격자 구조 및 2차원 격자 구조 중 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.In the metal lattice-based optical wavelength filter according to the present invention having the above-mentioned characteristics, the unit block is preferably formed of any one of a one-dimensional grating structure and a two-dimensional grating structure.

전술한 특징을 갖는 본 발명에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터에 있어서, 상기 단위 블록은 정사각형 및 직사각형 중 어느 하나의 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.또한, 상기 단위 블록은 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au), 크롬(Cr), 구리(Cu) 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 한다.In the metal lattice-based optical wavelength filter according to the present invention having the above-mentioned characteristics, the unit block is preferably formed in one of a square and a rectangular shape. The unit block may be formed of aluminum ( Al), silver (Ag), gold (Au), chromium (Cr), copper (Cu), characterized in that made of any one.

전술한 특징을 갖는 본 발명에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터에 있어서, 상기 유전체는 Si, SiC, ZnS, AlN, BN, GaTe, AgI, TiO2, SiON 중 어느 하나로 이루어지거나, 둘 이상의 화합물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.In the metal lattice-based optical wavelength filter according to the present invention having the above characteristics, the dielectric is made of any one of Si, SiC, ZnS, AlN, BN, GaTe, AgI, TiO2, SiON, or made of two or more compounds. It is preferable to characterize.

전술한 특징을 갖는 본 발명에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터에 있어서, 상기 제1 및 제3 유전체는 각각 Si, SiC, ZnS, AlN, BN, GaTe, AgI, TiO2, SiON 중 어느 하나로 이루어지거나, 둘 이상의 화합물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.In the metal lattice-based optical wavelength filter according to the present invention having the above-mentioned characteristics, the first and third dielectrics may be formed of any one of Si, SiC, ZnS, AlN, BN, GaTe, AgI, TiO 2, and SiON, respectively. It is preferable that it consists of two or more compounds.

전술한 특징을 갖는 본 발명에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터에 있어서, 상기 광 파장 필터는 상기 격자층의 상부에 제2 도파층을 더 구비하며, 상기 제2 도파층은 상기 제1 도파층과 동일한 구조 및 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.In the metal lattice-based optical wavelength filter according to the present invention having the above-mentioned characteristics, the optical wavelength filter further includes a second waveguide layer on the grating layer, and the second waveguide layer is the first waveguide layer. It is preferable to be formed of the same structure and material.

전술한 특징을 갖는 본 발명에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터에 있어서, 상기 격자층은 상기 단위블록들의 사이 공간을 상기 상부 클래드 층과 동일한 유전체 물질로 채워넣는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.In the metal lattice-based optical wavelength filter according to the present invention having the above-mentioned characteristics, the lattice layer is preferably characterized by filling the space between the unit blocks with the same dielectric material as the upper clad layer.

전술한 특징을 갖는 본 발명에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터에 있어서, 상기 코어층은 1㎛ 이하의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.In the metal lattice-based optical wavelength filter according to the present invention having the above characteristics, the core layer is preferably characterized in that formed to a thickness of 1㎛ or less.

전술한 특징을 갖는 본 발명에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터에 있어서, 상기 코어층은 공기층의 굴절률보다 큰 제1 굴절률을 갖는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.In the metal lattice-based optical wavelength filter according to the present invention having the above-mentioned characteristics, the core layer is preferably characterized in that it has a first refractive index larger than the refractive index of the air layer.

본 발명에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터는 제1 도파층 및 상기 제1 도파층 정면에 배치되며 금속 재질로 이루어지는 격자층을 구비함으로써, 단위 블록들의 배열주기, 상부 클래드층 및 코어층의 두께, 코어층의 굴절률과 같은 다양한 변화 요인을 통해 중심파장을 효과적으로 조절이 가능한 광 파장 필터를 구현할 수 있다. 특히 격자층의 단위 블록을 금속 재질로 형성하는 것에 의해, 종래에 많은 유전체층을 이용하던 투과형 광 파장 필터보다 훨씬 간단한 구조의 투과형 광 파장 필터를 구현할 수 있어, 제작 및 응용이 용이하다는 장점을 갖게 된다. 또한, 본 발명에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터는 반도체 공정에 호환되는 물질을 이용하여 제작할 수 있어, 기존의 반도체 공정을 통해서 용이하게 제작이 가능하다. The metal lattice-based optical wavelength filter according to the present invention includes a first waveguide layer and a lattice layer disposed in front of the first waveguide layer and made of a metal material, thereby arranging unit blocks, thicknesses of an upper clad layer, and a core layer. In addition, various wavelengths such as the refractive index of the core layer may be used to implement an optical wavelength filter capable of effectively adjusting the center wavelength. In particular, by forming the unit block of the grating layer made of a metal material, it is possible to implement a transmissive optical wavelength filter having a structure much simpler than the transmissive optical wavelength filter using a large number of dielectric layers, it is easy to manufacture and apply . In addition, the metal lattice-based optical wavelength filter according to the present invention can be manufactured using a material compatible with the semiconductor process, it can be easily manufactured through the existing semiconductor process.

본 발명에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터는 1차원 격자 구조로 단위 블록을 배치시킴으로써, 편광되지 않은 입사광에 대해 전기장의 방향이 단위 불록의 배열 방향과 수평한 편광 성분만을 투과시키는 광 파장 필터의 구현이 가능하게 된다. 따라서, 현재 액정 디스플레이에서 요구되는 편광판과 컬러필터의 기능을 동시에 수행할 수 있어, 액정 디스플레이의 구조를 단순화시킬 수 있다. The metal lattice-based optical wavelength filter according to the present invention has a one-dimensional lattice structure in which the unit blocks are arranged. Implementation is possible. Therefore, the polarizer and the color filter required in the current liquid crystal display can be simultaneously performed, so that the structure of the liquid crystal display can be simplified.

본 발명에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터는 격자층을 2차원 격자 구조로 형성함으로써, 입사 편광에 의해 중심 파장을 변화시킬 수 있는 광 필터 소자를제작할 수 있게 있으며, 편광되지 않은 입사광이 입사하는 경우, 2개의 중심 파장을 갖는 필터를 제작할 수 있다는 장점을 갖는다. In the metal lattice-based optical wavelength filter according to the present invention, by forming a lattice layer in a two-dimensional lattice structure, it is possible to manufacture an optical filter element capable of changing the center wavelength by incident polarization, and the incident light that is not polarized is incident. In this case, there is an advantage that a filter having two center wavelengths can be manufactured.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 금속격자 기반의 광 파장 필터의 다른 형태를 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터에 있어서, 투과중심파장에 대한 FDTD 시뮬레이션 결과와 수학식 1 및 2에 의해 계산된 결과를 비교한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터를 이용하여 컬러필터를 구현하는 경우, 광 투과 특성을 FDTD 시뮬레이션으로 나타낸 결과 그래프이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터에 있어서, 상부 클래드층의 두께가 변화하였을 때 필터의 광 투과 특성 시뮬레이션 결과 그래프이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터에 있어서, 코어층의 두께에 따른 광 파장 필터의 특성 변화에 대한 시뮬레이션 그래프이다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터에 있어서, 입사광의 편광 상태에 따른 광 투과 특성을 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터에 있어서, 제1 배열주기와 제2 배열주기가 서로 다른 경우 입사광의 편광 방향에 따른 투과 특성을 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 금속 격자 기반의 광 파장필터의 다른 실시형태를 개략적으로 도시한 사시도이다.1 is a perspective view schematically showing a metal grating-based optical wavelength filter according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 schematically illustrates another form of the metal lattice based optical wavelength filter according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a graph comparing FDTD simulation results for transmission center wavelengths with results calculated by Equations 1 and 2 in the metal lattice-based optical wavelength filter according to the first embodiment of the present invention.
4 is a result graph showing the light transmission characteristics by FDTD simulation when the color filter is implemented using the metal lattice-based optical wavelength filter according to the first embodiment of the present invention.
5 is a graph showing light transmission characteristics of the filter when the thickness of the upper cladding layer is changed in the metal lattice-based optical wavelength filter according to the first embodiment of the present invention.
6 is a simulation graph of a characteristic change of an optical wavelength filter according to a thickness of a core layer in the metal lattice based optical wavelength filter according to the first embodiment of the present invention.
7 is a graph showing light transmission characteristics according to polarization states of incident light in the metal lattice-based optical wavelength filter according to the first embodiment of the present invention.
8 is a perspective view schematically showing a metal grating based optical wavelength filter according to a second embodiment of the present invention.
9 is a view showing transmission characteristics according to polarization directions of incident light when the first and second array periods are different in the metal lattice-based optical wavelength filter according to the second embodiment of the present invention.
10 is a perspective view schematically showing another embodiment of the metal lattice based optical wavelength filter according to the second embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터의 구조 및 동작 원리에 대하여 구체적으로 설명한다.
Hereinafter, a structure and an operation principle of a metal grating based optical wavelength filter according to various embodiments of the present disclosure will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

제1 1st 실시예Example

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터를 개략적으로 도시한 사시도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터(10)는 제1 도파층(100) 및 상기 제1 도파층(100) 상에 다수 개의 단위 블록(125)이 격자 구조로 배열되는 격자층(120)을 구비하고, 상기 단위블록(125)은 금속 재질로 이루어진다. 상기 격자 구조는 1차원 격자 구조 또는 2차원 격자 구조로 이루어질 수 있으며, 본 발명의 제1 실시예는 상기 격자층(120)의 격자 구조가 1차원인 것을 특징으로 한다. 1 is a perspective view schematically showing a metal grating-based optical wavelength filter according to a first embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, the metal lattice-based optical wavelength filter 10 according to the first embodiment of the present invention includes a plurality of unit blocks 125 on the first waveguide layer 100 and the first waveguide layer 100. ) Has a lattice layer 120 arranged in a lattice structure, and the unit block 125 is made of a metal material. The lattice structure may be formed of a one-dimensional lattice structure or a two-dimensional lattice structure. The first embodiment of the present invention is characterized in that the lattice structure of the lattice layer 120 is one-dimensional.

상기 격자층(120)은 다수 개의 단위 블록들이 1차원적으로 배열되는 것으로 형성된다. 이때, 상기 단위 블록(125)들은 정사각형 또는 직사각형과 같이 어떤 형태로든 형성될 수 있으나, 도 1에서와 같이 1차원 격자 구조를 형성하기 위해서는 직사각형으로 형성하는 것이 바람직하다. 여기서, 1차원 격자 구조를 갖는 다수 개의 단위 블록들은 일 방향으로 일정한 격자 주기를 갖고 배열된다. 이러한 일방향의 격자 주기를 제1 배열주기(Λ)라고 명칭한다. 상기 제1 배열주기(Λ)를 조절함으로써, 상기 광 파장 필터는 투과 대역 또는 반사 대역을 조절할 수 있다. 예를 들면, 상기 광 파장 필터의 투과 중심 파장을 가시광선 대역으로 설정하고자 하는 경우, 상기 제1 배열주기(Λ)는 대략 100nm ~ 500nm로 설정한다. 본 발명에서는 이러한 제1 배열주기(Λ)뿐만 아니라 후술하는 도파층(100)의 굴절률, 두께 등과 같은 변수에 의해서도 조절이 가능하므로, 이에 대한 구체적인 설명은 후술하기로 한다. The grid layer 120 is formed by arranging a plurality of unit blocks in one dimension. In this case, the unit blocks 125 may be formed in any shape, such as a square or a rectangle, but in order to form a one-dimensional lattice structure as shown in FIG. Here, a plurality of unit blocks having a one-dimensional lattice structure are arranged with a constant lattice period in one direction. This lattice period in one direction is referred to as a first array period Λ. By adjusting the first array period Λ, the optical wavelength filter may adjust a transmission band or a reflection band. For example, when the transmission center wavelength of the optical wavelength filter is to be set to the visible light band, the first array period Λ is set to about 100 nm to 500 nm. In the present invention, since not only the first array period Λ but also a variable such as a refractive index and a thickness of the waveguide layer 100 to be described later can be adjusted, a detailed description thereof will be described later.

또한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 금속 격자 기반의 광 파장필터의 단위블록은 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au), 크롬(Cr), 구리(Cu)와 같은 금속 재질로 형성된다. 이러한 금속 재질의 단위 블록을 통해 본 발명은 격자층 및 제1 도파층의 구성만으로 투과형 광 파장 필터를 구현이 가능하게 되어, 구조를 간단히 할 수 있다는 장점을 갖게 된다. 이는 금속 재질로 형성되는 격자층에서 대부분의 파장 대역을 반사시키고, 격자 주기에 해당하는 특정 파장 대역만을 투과시키기 때문에, 간단한 구조를 통해서도 투과형 광 파장 필터를 구현할 수 있는 것이다. 종래에는 유전체 재질의 단위 블록으로 형성되는 격자층를 이용하기 때문에, 특정한 파장 대역만을 투과시키기 위하여 투과형 광 파장 필터의 도파층에 많은 유전체층이 요구되었다. 그로 인해 광 파장 필터의 구조가 복잡하여 제작이나 응용에 어려움이 많았으나, 본 발명에 따른 금속 격자 기반의 광 파장필터는 간단한 구조를 통해서도 효과적으로 빛을 투과시킴으로써, 제작 및 응용이 용이한 투과형 광 파장 필터를 구현할 수 있게 된다. 하지만, 이는 투과형 광 파장 필터에만 국한된 것이 아니며, 후술하는 본 발명에 따른 광 파장 필터의 다양한 변수들을 통해 광 파장 필터의 다양한 투과 또는 반사 특성을 설계할 수 있다.
In addition, the unit block of the metal lattice-based optical wavelength filter according to the first embodiment of the present invention is a metal material such as aluminum (Al), silver (Ag), gold (Au), chromium (Cr), copper (Cu) Is formed. The present invention enables the transmission type optical wavelength filter to be implemented only by the configuration of the grating layer and the first waveguide layer, thereby simplifying the structure. This reflects most of the wavelength band in the grating layer formed of a metal material, and transmits only a specific wavelength band corresponding to the grating period, so that a transmission type optical wavelength filter can be realized even through a simple structure. In the related art, since a lattice layer formed of unit blocks made of dielectric material is used, many dielectric layers are required in the waveguide layer of the transmission type optical wavelength filter to transmit only a specific wavelength band. As a result, the structure of the optical wavelength filter is complicated, and thus it is difficult to manufacture or apply. However, the metal lattice-based optical wavelength filter according to the present invention effectively transmits light through a simple structure, thereby making it easy to manufacture and apply. You can implement filters. However, this is not limited to the transmission type optical wavelength filter, and various transmission or reflection characteristics of the optical wavelength filter may be designed through various parameters of the optical wavelength filter according to the present invention described below.

한편, 상기 제1 도파층(100)은 사전에 설정된 두께의 유전체로 이루어지는 코어층(105)을 포함한다. 상기 제1 도파층(100)은 단일의 코어층(105)만으로 이루어질 수 있으며, 또는 상기 코어층(105)의 상부 및 하부에 각각 상부 클래드층(107) 및 하부 클래드층(103)을 배치하여 구성할 수 있다. 상기 제1 도파층(100)은 광 파장 필터에 있어서, 투과되거나 반사되는 특정 파장의 빛을 제외한 나머지 다른 파장의 빛을 도파(guided)하게 된다. Meanwhile, the first waveguide layer 100 includes a core layer 105 made of a dielectric having a predetermined thickness. The first waveguide layer 100 may be formed of a single core layer 105 only, or the upper clad layer 107 and the lower clad layer 103 may be disposed on and under the core layer 105, respectively. Can be configured. In the optical wavelength filter, the first waveguide layer 100 guides light having a wavelength other than that of a specific wavelength that is transmitted or reflected.

도 1을 참조하면, 상기 제1 도파층(100)은 상부 클래드층(107), 코어층(105), 하부클래드층(103)으로 순차적으로 배치된다. 여기서, 상기 상부 클래드층(107) 및 하부 클래드층(103)의 제1 굴절률은 상기 코어층(105)의 제2 굴절률보다 작은 것이 바람직하다. 이러한 굴절률 차이로 인하여 빛은 상기 코어층(105)에서 도파되어 진행하게 된다. 이때, 상기 코어층(105)의 제2 굴절률을 공기층의 굴절률보다 큰 값을 갖는 물질로 구성하는 경우, 상부 클래드층 및 하부 클래드층의 기능을 공기층으로 대체할 수 있다. 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 금속격자 기반의 광 파장 필터의 다른 형태를 개략적으로 도시한 것으로서, 도 2를 참조하면, 상기 제1 도파층(100)은 단일의 코어층(105)으로 구성됨을 알 수 있다. 상기 코어층(105)의 상부 및 하부에는 공기층이 항상 존재하기 때문에, 상기 코어층(105)에 비해 굴절률이 작은 공기층은 전술한 상부 클래드층 및 하부 클래드층의 역할을 대신하여 도파 모드 공진(GMR; guided mode resonance)이 가능하게 된다. Referring to FIG. 1, the first waveguide layer 100 is sequentially disposed as an upper clad layer 107, a core layer 105, and a lower clad layer 103. Here, the first refractive index of the upper cladding layer 107 and the lower cladding layer 103 is preferably smaller than the second refractive index of the core layer 105. Due to the difference in refractive index, the light is guided by the core layer 105 and proceeds. In this case, when the second refractive index of the core layer 105 is formed of a material having a value larger than that of the air layer, the functions of the upper clad layer and the lower clad layer may be replaced with the air layer. FIG. 2 schematically illustrates another form of the metal lattice based optical wavelength filter according to the first embodiment of the present invention. Referring to FIG. 2, the first waveguide layer 100 may be a single core layer 105. It can be seen that consists of). Since there is always an air layer above and below the core layer 105, the air layer having a smaller refractive index than the core layer 105 replaces the above-described upper cladding layer and the lower cladding layer. guided mode resonance is possible.

여기서, 본 발명에 따른 코어층의 두께는 1 ㎛ 이하로 형성하는 것이 바람직하다. 코어층의 두께를 한정짓는 것은 도파층에 하나의 도파 모드만을 형성하기 위함이다. 일반적으로 도파층에서의 도파 모드의 수는 일반적으로 코어층의 두께와 굴절률에 매우 큰 영향을 받는다. 예를 들면, 코어층의 두께가 두꺼워지거나, 굴절률이 커질수록 도파 모드의 수가 많아지게 된다. 굴절률이 매우 작은 물질을 코어층으로 사용하는 경우에는 그 두께가 두꺼워도 무방하나, 코어층의 두께는 광 파장 필터의 광 특성에 밀접한 영향을 미치므로, 공기층의 굴절률보다 큰 값의 굴절률을 갖는 도파층을 사용하는 본 발명에서는 이러한 코어층의 두께를 1 ㎛ 이하로 함으로써, 도파 모드의 수를 최소화할 수 있게 된다.Here, it is preferable that the thickness of the core layer which concerns on this invention is 1 micrometer or less. Limiting the thickness of the core layer is to form only one waveguide mode in the waveguide layer. In general, the number of waveguide modes in the waveguide layer is generally greatly influenced by the thickness and refractive index of the core layer. For example, the thicker the core layer or the larger the refractive index, the greater the number of waveguide modes. When the material having a very small refractive index is used as the core layer, the thickness may be thick. However, since the thickness of the core layer has a close influence on the optical properties of the optical wavelength filter, the waveguide having a refractive index larger than that of the air layer is used. In the present invention using a layer, the number of waveguide modes can be minimized by setting the thickness of the core layer to 1 µm or less.

또한, 상기 제1 도파층(100)의 코어층, 상부 클래드층 및 하부 클래드층은 각각 광 손실이 적은 제2 유전체, 제1 유전체 및 제3 유전체로 이루어지며, 상기 제1 유전체 내지 제3 유전체는 Si, SiC, ZnS, Aln, BN, GaTe, AgI, TiO2, SiON 중 어느 하나로 이루어지거나, 이들 중 둘 이상의 화합물로 이루어지는 것이 바람직하다. 또한, 상기 제1 유전체 및 제3 유전체는 동일한 유전체로 이루어질 수 있다.
In addition, the core layer, the upper cladding layer, and the lower cladding layer of the first waveguide layer 100 may be formed of a second dielectric, a first dielectric, and a third dielectric having low light loss, respectively. Is preferably made of any one of Si, SiC, ZnS, Aln, BN, GaTe, AgI, TiO 2, SiON, or two or more of these compounds. In addition, the first dielectric and the third dielectric may be made of the same dielectric.

이하, 본 발명의 제1 실시예에 따른 금속격자 기반의 광 파장 필터의 동작원리에 대하여 구체적으로 설명한다. Hereinafter, the operation principle of the metal lattice based optical wavelength filter according to the first embodiment of the present invention will be described in detail.

본 발명의 제1 실시예에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터는 격자층의 제1 배열주기(Λ), 상기 제1 도파층(100)을 형성하는 물질의 굴절률, 코어층(105)의 두께에 의해 투과 중심 파장이 결정된다. 즉, 제1 도파층(100)을 형성한 후 상부의 격자층의 제1 배열주기(Λ)를 조절함으로써, 투과되는 광 파장필터의 중심 파장을 조절할 수 있다. 본 발명에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터의 중심파장은 하기의 수학식 1 및 수학식 2에 의해서 결정된다. In the metal lattice-based optical wavelength filter according to the first embodiment of the present invention, the first array period Λ of the grating layer, the refractive index of the material forming the first waveguide layer 100, and the thickness of the core layer 105 are described. The transmission center wavelength is determined by. That is, after forming the first waveguide layer 100, by adjusting the first array period Λ of the upper lattice layer, the center wavelength of the transmitted optical wavelength filter may be adjusted. The center wavelength of the metal lattice-based optical wavelength filter according to the present invention is determined by Equations 1 and 2 below.

[수학식 1][Equation 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

[수학식 2]&Quot; (2) "

Figure pat00002
Figure pat00002

수학식 1은 제1 도파층(100)의 분산관계 공식이며, 상부 클래드층(107)과 하부 클래드층(105)의 굴절률인 제1 굴절률과 제3 굴절률이 동일한 경우에만 적용된다. Hh는 코어층(105)의 두께이며, n1은 상부 및 하부 클래드층의 제1 굴절률, n2는 코어층의 제2 굴절률이다. 또한, kn1, kn2는 각각 제1 굴절률, 제2 굴절률에서의 파장별 전파 상수이며, βw는 도파 모드의 전파 상수를 나타낸다. ρ는 TE 모드의 경우에 0 이며, TM 모드의 경우에는 1로 나타내어진다. Equation 1 is a dispersion relation formula of the first waveguide layer 100 and is applied only when the first refractive index and the third refractive index, which are the refractive indices of the upper cladding layer 107 and the lower cladding layer 105, are the same. H h is the thickness of the core layer 105, n 1 is the first refractive index of the upper and lower clad layers, and n 2 is the second refractive index of the core layer. K n1 and k n2 are the propagation constants for each wavelength at the first and second refractive indices, respectively, and β w represents the propagation constant of the waveguide mode. ρ is 0 in TE mode and 1 in TM mode.

수학식 2는 격자층(120)에 수직 입사되는 광에 1차 회절 성분에 관한 공식이다.

Figure pat00003
는 격자층(120)에 회절되는 회절 성분의 크기를 의미하며, Λ는 격자층의 제1 배열주기를 나타낸다. Equation 2 is a formula relating to the first-order diffraction component to light incident perpendicularly to the grating layer 120.
Figure pat00003
Denotes the size of the diffraction component diffracted in the grating layer 120, and Λ represents the first arrangement period of the grating layer.

본 발명의 제1 실시예에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터는 상기 수학식 1의 도파모드의 전파 상수 βw와 수학식 2의 회절성분의 크기

Figure pat00004
가 같아지는 파장에서 투과 현상이 일어나게 된다.In the metal lattice-based optical wavelength filter according to the first embodiment of the present invention, the propagation constant β w of the waveguide mode of Equation 1 and the magnitude of the diffraction component of Equation 2 are given.
Figure pat00004
Transmittance occurs at the same wavelength.

도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터에 있어서, 투과중심파장에 대한 FDTD(Finite difference time domain) 시뮬레이션 결과(B1)와 상기 수학식 1 및 2에 의해 계산된 결과(A1)를 비교한 그래프이다. 도 3을 참조하면, 격자층의 제1 배열주기(Λ)를 200nm에서 600nm로 변화시킴에 따라 중심파장이 300 nm에서 900 nm 까지 거의 선형적으로 변화되는 것을 볼 수 있다. 이때, 코어층(105)의 두께는 150nm, 굴절률은 1.65이다. 도 3의 결과를 참조하면, 본 발명에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터는 중심파장을 원하는 값으로 설정하기 위해서, 수학식 1 및 2를 통해 제1 도파층의 정면에 배치되는 격자층의 제1 배열주기를 간단하게 계산할 수 있게 된다.FIG. 3 is a finite difference time domain (FDTD) simulation result (B1) of the transmission center wavelength in the metal lattice-based optical wavelength filter according to the first embodiment of the present invention, and calculated by Equations 1 and 2 It is a graph comparing the result (A1). Referring to FIG. 3, it can be seen that the center wavelength is changed almost linearly from 300 nm to 900 nm as the first array period Λ of the lattice layer is changed from 200 nm to 600 nm. At this time, the thickness of the core layer 105 is 150 nm and the refractive index is 1.65. Referring to the results of FIG. 3, the metal lattice-based optical wavelength filter according to the present invention includes a grid lattice disposed in front of the first waveguide layer through Equations 1 and 2 to set the center wavelength to a desired value. 1 The array cycle can be calculated easily.

예를 들면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터는 전술한 원리를 이용하여 적색(Red), 녹색(Green), 청색(Blue)에 해당하는 파장의 빛만을 투과시키는 컬러필터로 설계될 수 있다. 도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터를 이용하여 컬러필터를 구현하는 경우, 광 투과 특성을 FDTD 시뮬레이션으로 나타낸 결과 그래프이다. 여기서, 상기 광 파장 필터를 구성하는 물질은 반도체 공정에 호환될 수 있는 물질로 설계하였다. 상기 격자층의 단위블록은 알루미늄(Al)로 형성하고, 적, 녹, 청색에 해당하는 각각의 제1 배열주기는 260nm, 330nm, 410nm이다. 또한, 상부 클래드층 및 코어층은 각각 반도체 공정에 호환되는 물질인 SiO2 및 TiO2로 형성하였으며, 그 두께는 각각 110nm, 10nm이다. 전술한 조건을 통해 도 4에 도시된 바와 같이, 적, 녹, 청색의 광 투과 특성을 나타내는 광 파장 필터를 구현할 수 있다. For example, the metal lattice-based optical wavelength filter according to the first embodiment of the present invention transmits only light having a wavelength corresponding to red, green, and blue using the above-described principle. It can be designed as a color filter. 4 is a result graph showing the light transmission characteristics by FDTD simulation when the color filter is implemented using the metal lattice-based optical wavelength filter according to the first embodiment of the present invention. Here, the material constituting the optical wavelength filter is designed to be compatible with the semiconductor process. The unit block of the lattice layer is formed of aluminum (Al), and each of the first array periods corresponding to red, green, and blue is 260 nm, 330 nm, and 410 nm. In addition, the upper clad layer and the core layer are each SiO 2 , which is a material compatible with semiconductor processes. And with TiO 2 And the thicknesses were 110 nm and 10 nm, respectively. As shown in FIG. 4, through the above-described conditions, an optical wavelength filter exhibiting light transmission characteristics of red, green, and blue may be implemented.

한편, 도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터에 있어서, 상부 클래드층의 두께가 변화하였을 때 필터의 광 투과 특성 시뮬레이션 결과 그래프이다. 여기서, 상기 광 파장 필터는 녹색광만을 투과한다. 도 5를 참조하면, 상부 클래드층의 두께를 조절하여 광 파장 필터의 투과 대역폭을 조절할 수 있음을 알 수 있다. 다시 말해, 상부클래드층의 두께가 얇아질수록 광파장필터의 투과 대역폭이 좁아진다. Meanwhile, FIG. 5 is a graph showing light transmission characteristics simulation results of the filter when the thickness of the upper cladding layer is changed in the metal lattice-based optical wavelength filter according to the first embodiment of the present invention. Here, the optical wavelength filter transmits only green light. Referring to Figure 5, it can be seen that the transmission bandwidth of the optical wavelength filter can be adjusted by adjusting the thickness of the upper clad layer. In other words, the thinner the thickness of the upper cladding layer, the narrower the transmission bandwidth of the optical wavelength filter.

또한, 도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터에 있어서, 코어층의 두께에 따른 광 파장 필터의 특성 변화에 대한 시뮬레이션 그래프이다. 도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터는 코어층의 두께가 두꺼워질수록 중심파장이 길어짐을 알 수 있으며, 제0번째 모드(zeroth mode)와 더불어 굴절 모드(diffracted mode) 또한 형성됨을 알 수 있다. 6 is a simulation graph of a characteristic change of an optical wavelength filter according to a thickness of a core layer in the metal lattice-based optical wavelength filter according to the first embodiment of the present invention. Referring to FIG. 6, in the metal lattice-based optical wavelength filter according to the present invention, as the thickness of the core layer becomes thicker, the center wavelength becomes longer, and in addition to the zeroth mode, a refractive mode is used. It can be seen that also formed.

전술한 바와 같이 본 발명에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터는 제1 도파층 및 상기 제1 도파층 정면에 배치되며 금속 재질로 이루어지는 격자층을 구비함으로써, 단위 블록들의 배열주기, 상부 클래드층 및 코어층의 두께, 코어층의 굴절률과 같은 다양한 변화 요인을 통해 중심파장을 효과적으로 조절이 가능한 광 파장 필터를 구현할 수 있다. 특히 격자층의 단위 블록을 금속 재질로 형성하는 것에 의해, 종래에 많은 유전체층을 이용하던 투과형 광 파장 필터보다 훨씬 간단한 구조의 투과형 광 파장 필터를 구현할 수 있어, 제작 및 응용이 용이하다는 장점을 갖게 된다. 또한, 본 발명에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터는 반도체 공정에 호환되는 물질을 이용하여 제작할 수 있어, 기존의 반도체 공정을 통해서 용이하게 제작이 가능하다.
As described above, the metal lattice-based optical wavelength filter according to the present invention includes a first waveguide layer and a lattice layer disposed in front of the first waveguide layer and made of a metal material, thereby arranging the unit blocks, the upper clad layer, and Various wavelengths such as the thickness of the core layer and the refractive index of the core layer may be used to implement an optical wavelength filter capable of effectively adjusting the center wavelength. In particular, by forming the unit block of the grating layer made of a metal material, it is possible to implement a transmissive optical wavelength filter having a structure much simpler than the transmissive optical wavelength filter using a large number of dielectric layers, it is easy to manufacture and apply . In addition, the metal lattice-based optical wavelength filter according to the present invention can be manufactured using a material compatible with the semiconductor process, it can be easily manufactured through the existing semiconductor process.

한편, 본 발명에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터는 구조에 따라 입사하는 광의 편광 상태에 따른 전달 특성을 달리할 수 있다. 다시 도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터에 있어서, 상기 단위 블록(125)의 배열 방향과 수직인 입사광을 TE 편광이라 하고, 수평한 입사광은 TM 편광이라 한다. 도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터에 있어서, 입사광의 편광 상태에 따른 광 투과 특성을 나타낸 그래프이다. 도 7을 참조하면, 제1 실시예에 따른 광 파장 필터에 있어서, TE 편광은 대부분 차단하고, TM 편광에 대해서만 투과함을 알 수 있다. 이때, 적, 녹, 청색의 중심파장에 해당하는 제1 배열주기는 각각 405 nm, 365 nm, 290 nm이며, 코어층의 두께와 제2 굴절률은 100 nm와 2 이며, 상부 및 하부 클래드층의 두께와 굴절률은 110 nm와 1.5이다. 이러한 특성을 이용하면 편광되지 않은 입사광에 대해 전기장의 방향이 단위 불록(125)의 배열 방향과 수평한 편광 성분만을 투과시키는 광 파장 필터의 구현이 가능하게 된다. 이러한 구조를 갖는 본 발명에 따른 광 파장 필터를 통해, 현재 액정 디스플레이에서 요구되는 편광판과 컬러필터의 기능을 동시에 수행할 수 있어, 액정 디스플레이의 구조를 단순화시킬 수 있다.
On the other hand, the metal lattice-based optical wavelength filter according to the present invention may vary the transmission characteristics according to the polarization state of the incident light according to the structure. Referring back to FIG. 1, in the metal grating-based optical wavelength filter according to the first embodiment of the present invention, incident light perpendicular to the arrangement direction of the unit block 125 is called TE polarized light, and the horizontal incident light is TM It is called polarization. 7 is a graph showing light transmission characteristics according to polarization states of incident light in the metal lattice-based optical wavelength filter according to the first embodiment of the present invention. Referring to FIG. 7, it can be seen that in the optical wavelength filter according to the first embodiment, the TE polarization is mostly blocked and transmitted only for the TM polarization. In this case, the first array periods corresponding to the central wavelength of red, green, and blue are 405 nm, 365 nm, and 290 nm, respectively, and the thickness and the second refractive index of the core layer are 100 nm and 2, respectively. Thickness and refractive index are 110 nm and 1.5. Using this characteristic, it is possible to implement an optical wavelength filter that transmits only a polarization component in which the direction of the electric field is parallel to the arrangement direction of the unit block 125 with respect to unpolarized incident light. Through the optical wavelength filter according to the present invention having such a structure, it is possible to simultaneously perform the functions of the polarizing plate and the color filter required in the current liquid crystal display, it is possible to simplify the structure of the liquid crystal display.

제2 Second 실시예Example

이하, 본 발명의 제2 실시예에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터에 대하여 구체적으로 설명한다. Hereinafter, a metal lattice-based optical wavelength filter according to a second embodiment of the present invention will be described in detail.

도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터를 개략적으로 도시한 사시도이다. 도 8을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터(20)는 제1 도파층(200) 및 상기 제1 도파층(200) 상에 다수 개의 단위 블록(225)이 격자 구조로 배열되는 격자층(220)을 구비하고, 상기 단위블록(225)은 금속 재질로 이루어진다. 본 발명의 제2 실시예에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터(20)는 상기 격자층(120)의 격자 구조가 2차원인 것을 제외하고는 제1 실시예의 그것과 동일하므로 중복되는 설명은 생략한다. 8 is a perspective view schematically showing a metal grating based optical wavelength filter according to a second embodiment of the present invention. Referring to FIG. 8, the metal lattice-based optical wavelength filter 20 according to the second embodiment of the present invention includes a plurality of unit blocks 225 on the first waveguide layer 200 and the first waveguide layer 200. ) Has a lattice layer 220 arranged in a lattice structure, and the unit block 225 is made of a metal material. Since the metal lattice-based optical wavelength filter 20 according to the second embodiment of the present invention is the same as that of the first embodiment except that the lattice structure of the lattice layer 120 is two-dimensional, overlapping description is omitted. do.

본 발명의 제2 실시예에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터(20)는 상기 격자층의 단위블록을 2차원 구조로 배열하는 것을 특징으로 한다. 도 8을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 광 파장 필터는 x 방향과 y 방향으로 2가지 배열주기를 갖으며, x 방향의 배열주기를 제1 배열주기(Λx), y 방향의 배열주기를 제2 배열주기(Λy)라 명칭한다. 상기 제1 배열주기와 제2 배열주기는 같을 수 있으며, 다른 값을 가질 수도 있다. The metal grating-based optical wavelength filter 20 according to the second embodiment of the present invention is characterized in that the unit blocks of the grating layer are arranged in a two-dimensional structure. Referring to FIG. 8, the optical wavelength filter according to the second embodiment of the present invention has two array periods in the x direction and the y direction, and the array period in the x direction is the first array period Λ x and the y direction. An array period of is called a second array period Λ y . The first array period and the second array period may be the same or may have different values.

여기서, 상기 제1 배열주기와 제2 배열주기가 같은 경우에 상기 광 파장 필터는 입사광의 편광 성분과 무관한 편광 특성을 갖는다. 일반적인 광 파장 필터는 입사 편광과 무관한 투과 특성이 요구되어지는 경우가 많다. 이러한 경우 전술한 제1 실시예에 따른 광 파장 필터는 1차원 구조로 단위 블록을 배열하기 때문에, 특정 방향의 편광 성분을 차단하게 되어 투과 대역의 효율이 50 % 떨어지게 된다. 반면, 제1 배열주기와 제2 배열주기가 동일한 제2 실시예에 따른 광파장필터는 모든 방향의 편광에 대해 동일한 투과 특성을 갖기 때문에 보다 높은 투과 효율을 얻을 수 있게 된다.Here, when the first array period and the second array period are the same, the optical wavelength filter has a polarization characteristic independent of the polarization component of the incident light. A general optical wavelength filter often requires transmission characteristics irrelevant to incident polarization. In this case, since the optical wavelength filter according to the first embodiment of the present invention arranges the unit blocks in a one-dimensional structure, the polarization component in a specific direction is blocked, thereby reducing the transmission band efficiency by 50%. On the other hand, the optical wavelength filter according to the second embodiment having the same first and second array periods has the same transmission characteristics for polarization in all directions, and thus, a higher transmission efficiency can be obtained.

한편, 상기 제1 배열주기와 제2 배열주기가 다른 경우에는, 입사광의 편광 방향에 따라 광파장 필터의 투과 중심파장을 변화시킬 수 있다. 이하, 본 명세서에서는 편의상 전기장의 방향이 x 방향으로 편광된 입사광은 x 편광, y 방향으로 편광된 입사광은 y 편광이라 명칭한다. 본 발명의 제2 실시예에 따른 광 파장 필터(20)는 x 편광이 상기 광 파장 필터로 입사하는 경우 제1 배열주기(Λx)에 의해 중심 파장이 결정 되며, y 편광이 상기 광 파장 필터로 입사하는 경우 제2 배열주기(Λy)에 의해 중심 파장이 결정된다. 도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터에 있어서, 제1 배열주기와 제2 배열주기가 서로 다른 경우 입사광의 편광 방향에 따른 투과 특성을 나타낸 도면이다. 여기서, 코어층(205)의 두께와 굴절률은 100 nm와 2이며, 상부 및 하부 클래드층의 두께와 굴절률은 110 nm와 1.5이다. 도 9의 (a)에서의 제1 배열주기 및 제2 배열주기는 각각 405 nm, 290 nm 이며, 도 9의 (b)에서의 제1 배열주기 및 제2 배열주기는 각각 405 nm, 365nm 이다. 도 7을 참조하면, 제1 실시예에서 제1 배열주기가 405 nm, 290 nm 인 경우, 중심파장이 620 nm, 470 nm 임을 알 수 있다. 이를 참고하여, 도 9를 참조하면, 제1 배열주기(Λx)가 405 nm이고, x 편광이 입사하는 경우 x 방향의 제1 배열주기의 영향을 받아 중심 파장이 620 nm가 됨을 알 수 있다. 또한, y 편광이 입사하는 경우, y 방향의 제2 배열주기(Λy) 280 nm의 영향을 받아 중심파장이 470 nm가 된다. On the other hand, when the first array period and the second array period are different, the transmission center wavelength of the optical wavelength filter can be changed according to the polarization direction of the incident light. Hereinafter, for convenience, the incident light polarized in the x direction in the direction of the electric field is referred to as x polarized light, and the incident light polarized in the y direction is referred to as y polarized light. In the optical wavelength filter 20 according to the second exemplary embodiment of the present invention, when x polarization is incident on the optical wavelength filter, the center wavelength is determined by the first array period Λ x , and y polarization is determined by the optical wavelength filter. When incident to, the center wavelength is determined by the second array period Λ y . 9 is a view showing transmission characteristics according to polarization directions of incident light when the first and second array periods are different in the metal lattice-based optical wavelength filter according to the second embodiment of the present invention. Here, the thickness and refractive index of the core layer 205 are 100 nm and 2, and the thickness and refractive index of the upper and lower cladding layers are 110 nm and 1.5. The first and second array periods in FIG. 9A and 290 nm are respectively 405 nm and 290 nm, and the first and second array periods in FIG. 9B are 405 nm and 365 nm, respectively. . Referring to FIG. 7, when the first array period is 405 nm and 290 nm, the center wavelength is 620 nm and 470 nm. Referring to FIG. 9, it can be seen that the first array period Λ x is 405 nm, and when x polarization is incident, the center wavelength becomes 620 nm under the influence of the first array period in the x direction. . In addition, when y-polarized light is incident, the center wavelength is 470 nm under the influence of the second array period Λ y in the y direction.

전술한 특성을 이용하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터(20)는 격자층을 2차원 격자 구조로 형성함으로써, 입사 편광에 의해 중심 파장을 변화시킬 수 있는 광 필터 소자를제작할 수 있게 된다. 또한, 본 발명의 제2 실시예에 따른 광 파장 필터는 편광 되지 않은 입사광이 입사하는 경우, 2개의 중심 파장을 갖는 필터를 제작할 수 있으며, 이때, 2개의 중심파장은 서로 수직하는 편광 성분을 갖게 된다.
The metal grating-based optical wavelength filter 20 according to the second embodiment of the present invention by using the above-described characteristics is an optical filter that can change the center wavelength by incident polarization by forming a grating layer in a two-dimensional grating structure The device can be manufactured. In addition, the optical wavelength filter according to the second exemplary embodiment of the present invention may produce a filter having two center wavelengths when non-polarized incident light is incident, wherein the two center wavelengths have polarization components perpendicular to each other. do.

도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 금속 격자 기반의 광 파장필터의 다른 실시형태를 개략적으로 도시한 사시도이다. 도 10을 참조하면, 본 발명의 다른 실시형태에 따른 금속 격자 기반의 광 파장필터는 제1 도파층(200) 정면에 배치된 격자층(220)의 상부에 제2 도파층(240)을 더 구비하는 것을 특징으로 한다. 여기서, 제2 도파층(240)은 제1 도파층(200)과 동일한 구조로 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 격자층(220)은 상기 단위블록들의 사이 공간을 상기 상부 클래드 층(207)과 동일한 유전체 물질로 채워넣을 수 있다. 10 is a perspective view schematically showing another embodiment of the metal lattice based optical wavelength filter according to the second embodiment of the present invention. Referring to FIG. 10, in the metal lattice-based optical wavelength filter according to another embodiment of the present invention, the second waveguide layer 240 is further added on top of the lattice layer 220 disposed in front of the first waveguide layer 200. It is characterized by including. Here, the second waveguide layer 240 is preferably formed in the same structure as the first waveguide layer 200. In addition, the lattice layer 220 may fill the space between the unit blocks with the same dielectric material as the upper clad layer 207.

이러한 구조의 광 파장 필터는 상기 격자층의 상부 하부에 제2 도파층 및 제1 도파층을 각각 배치시킴으로써, 투과 중심 파장을 제외한 나머지 다른 파장에 대해서 더욱 확실하게 도파시킬 수 있게 되어, 특정 중심 파장만을 투과 또는 반사하게 되는 필터로서의 효율을 향상시킬 수 있다는 장점을 갖는다.
The optical wavelength filter having such a structure can be reliably guided to other wavelengths except the transmission center wavelength by disposing the second waveguide layer and the first waveguide layer on the upper and lower portions of the grating layer, respectively. It has the advantage that the efficiency as a filter that transmits or reflects only can be improved.

이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였으나, 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 그리고, 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.Although the present invention has been described above with reference to preferred embodiments thereof, this is merely an example and is not intended to limit the present invention, and those skilled in the art do not depart from the essential characteristics of the present invention. It will be appreciated that various modifications and applications are not possible in the scope. It is to be understood that the present invention may be embodied in many other specific forms without departing from the spirit or essential characteristics thereof.

본 발명에 따른 금속 격자 기반의 광 파장 필터는 특정 파장을 투과하거나 반사해야 하는 모든 분야에 적용이 가능하다. 특히, 컬러필터로서 다양한 디스플레이 분야에 응용이 가능하다. The metal lattice-based optical wavelength filter according to the present invention is applicable to all fields that need to transmit or reflect a specific wavelength. In particular, it can be applied to various display fields as color filters.

10, 20 : 광 파장 필터
100, 200 : 제1 도파층
103, 203 : 하부 클래드 층
105, 205 : 코어층
107, 207 : 상부 클래드 층
120, 220 : 격자층
125, 225 : 단위 블록
240 : 제2 도파층10, 20: optical wavelength filter
100, 200: first waveguide layer
103,203: lower clad layer
105,205: core layer
107, 207: upper clad layer
120, 220: lattice layer
125, 225: unit block
240: second waveguide layer

Claims (12)

사전에 설정된 두께의 제2 유전체로 이루어지고, 제2 굴절률을 갖는 코어층을 포함하는 제1 도파층; 및
상기 제1 도파층 상에 다수 개의 단위 블록이 격자 구조로 배열되는 격자층;
을 구비하고,
상기 단위 블록은 금속 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속 격자 기반의 광 파장 필터.A first waveguide layer made of a second dielectric having a predetermined thickness and comprising a core layer having a second refractive index; And
A lattice layer in which a plurality of unit blocks are arranged in a lattice structure on the first waveguide layer;
And,
The unit block is a metal grating based optical wavelength filter, characterized in that made of a metallic material. 제 1항에 있어서, 상기 제1 도파층은
상기 코어층의 상부에 배치되며, 상기 코어층의 제2 굴절률보다 작은 제1 굴절률을 갖는 제1 유전체로 이루어지는 상부 클래드 층; 및
상기 코어층의 하부에 배치되며, 상기 코어층의 제2 굴절률보다 작은 제3 굴절률을 갖는 제3 유전체로 이루어지는 하부 클래드 층;
을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 격자 기반의 광 파장 필터.The method of claim 1, wherein the first waveguide layer
An upper clad layer disposed on the core layer, the upper clad layer comprising a first dielectric having a first refractive index smaller than a second refractive index of the core layer; And
A lower clad layer disposed under the core layer, the lower clad layer comprising a third dielectric having a third refractive index smaller than a second refractive index of the core layer;
Metal grating based optical wavelength filter, characterized in that it further comprises. 제 2항에 있어서, 상기 제1 굴절률 및 제3 굴절률은
동일한 것을 특징으로 하는 금속 격자 기반의 광 파장 필터. The method of claim 2, wherein the first refractive index and the third refractive index are
A metal lattice based optical wavelength filter, characterized in that the same. 제 1항에 있어서, 상기 단위 블록은
1차원 격자 구조 및 2차원 격자 구조 중 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 금속 격자 기반의 광 파장 필터.The method of claim 1, wherein the unit block
A metal lattice-based optical wavelength filter, characterized in that formed in one of a one-dimensional grating structure and a two-dimensional grating structure. 제 1항에 있어서, 상기 단위 블록은
정사각형 및 직사각형 중 어느 하나의 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 금속 격자 기반의 광 파장 필터.The method of claim 1, wherein the unit block
Metal grid-based optical wavelength filter, characterized in that formed in the form of any one of square and rectangular. 제 1항에 있어서, 상기 단위 블록은
알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au), 크롬(Cr), 구리(Cu) 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속 격자 기반의 광 파장 필터.The method of claim 1, wherein the unit block
A metal lattice-based optical wavelength filter comprising any one of aluminum (Al), silver (Ag), gold (Au), chromium (Cr), and copper (Cu). 제 1항에 있어서, 상기 제2 유전체는
Si, SiC, ZnS, AlN, BN, GaTe, AgI, TiO2, SiON 중 어느 하나로 이루어지거나, 둘 이상의 화합물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속 격자 기반의 광 파장 필터.The method of claim 1, wherein the second dielectric is
A metal lattice-based optical wavelength filter comprising any one of Si, SiC, ZnS, AlN, BN, GaTe, AgI, TiO 2, SiON, or two or more compounds. 제 2항에 있어서, 상기 제1 및 제3 유전체는
각각 Si, SiC, ZnS, AlN, BN, GaTe, AgI, TiO2, SiON 중 어느 하나로 이루어지거나, 둘 이상의 화합물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속 격자 기반의 광 파장 필터.The method of claim 2, wherein the first and third dielectrics are
A metal lattice-based optical wavelength filter comprising at least one of Si, SiC, ZnS, AlN, BN, GaTe, AgI, TiO 2, and SiON, or two or more compounds, respectively. 제 1항에 있어서, 상기 광 파장 필터는
상기 격자층의 상부에 제2 도파층을 더 구비하며,
상기 제2 도파층은 상기 제1 도파층과 동일한 구조 및 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 금속 격자 기반의 광 파장 필터.The method of claim 1, wherein the optical wavelength filter
A second waveguide layer is further provided on the grating layer.
And the second waveguide layer is formed of the same structure and material as the first waveguide layer. 제 9항에 있어서, 상기 격자층은
상기 단위블록들의 사이 공간을 상기 상부 클래드 층과 동일한 유전체 물질로 채워넣는 것을 특징으로 하는 금속 격자 기반의 광 파장 필터.The method of claim 9, wherein the lattice layer
And a gap between the unit blocks filled with the same dielectric material as the upper clad layer. 제 1항에 있어서, 상기 코어층은
1㎛ 이하의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 금속 격자 기반의 광 파장 필터.The method of claim 1, wherein the core layer
Metal grid-based optical wavelength filter, characterized in that formed to a thickness of less than 1㎛. 제 1항에 있어서, 상기 코어층은
공기층의 굴절률보다 큰 제1 굴절률을 갖는 것을 특징으로 하는 금속 격자 기반의 광 파장 필터.

The method of claim 1, wherein the core layer
And a first refractive index greater than the refractive index of the air layer.

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