KR20150122626A - 광파면의 위상을 제어하기 위한 디바이스 - Google Patents

Abstract

한 양태에 따라서, 본 발명은 주어진 사용의 스펙트럼 띠에서 구성된 파장의 입사 광파면의 위상을 제어하기 위한 디바이스(20, 50)에 관한 것으로, 디바이스는, 상기 스펙트럼 띠에서 적어도 부분적으로 투과성인 기판(21)과, 상기 기판의 표면에 대해 실질적으로 직각으로 배열된 한 세트의 블레이드(22_i, 23_i, 24_i)들을 포함하며: 상기 세트의 블레이드들은, 서브파장 폭(w_i)의 병치된 금속-다중유전체-금속(MmultiDM) 구조(S_i)를 형성하도록 각각 금속(22_i), 제1 유전체 물질(23_i) 및 제1 유전체 물질과 다른 적어도 하나의 제2 유전체 물질(24_i)로 각각 만들어진 병치된 블레이드들의 교대를 포함하며, 각 구조는 하나 이상의 전파 모드를 가지는 캐비티를 형성하며, - 제1 유전체 물질 및 제2 유전체 물질(들)로 만들어진 블레이드들의 각각의 두께는 파면 위상에서 국부적인 변이(ΔΦ_i)를 유도하도록 각각의 상기 MmultiDM 구조들에서 조정되며, 국부적인 위상 변이는 상기 캐비티에서 전파할 수 있는 모드(들)의 유효 지수에 의존하는 것을 특징으로 한다.

Description

광파면의 위상을 제어하기 위한 디바이스{Device for controlling the phase of an optical wavefront}

본 발명은 광파면의 위상을 제어하기 위한 디바이스와 이러한 디바이스를 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.

직접적인 산업 응용을 기술상으로 실현하고 제공하는 특정 광학 성분(optical component)을 만들기 위하여 서브파장 스케일로의 광학 시스템의 소형화는 - 전형적으로 400 ㎚ 내지 100 ㎛에 놓이는 파장에 대하여 - 오늘날 산업상 쟁점이 되었다. 이는 특히 광학 시스템의 보다 양호한 통합, 광학 기기와 전자 기기 사이의 직접 결합의 보다 큰 견고성 및 가능성을 허용한다.

P. Lalanne 등에 의한 논문("구조적 컷오프보다 작은 샘플링 기간을 갖는 브레이즈형 이원 회절 소자(blazed binary diffractive elements)의 설계 및 제작", JOSA A, vol. 16, No. 5, 1999)은 유전체 물질의 라멜라 에칭(lamellar etching)을 사용하여 렌즈와 프리즘을 제조하기 위한 첫번째 기술을 제시한다. 한 구역의 광학 지수(optical index)는 사용된 유전체의 지수에 의해 부과된 최대값과 최소값, 공기의 지수 사이에서 변한다. 유전체 물질의 양과 공기의 양 사이의 비율은 상기 구역의 광학 지수를 정의한다. 유사한 디바이스가 특허출원 US2009/0020690에서 제시된다. 이러한 기술은 강한 지수 변조(index modulation)를 만드는 것을 가능하게 한편 제어된 기술학적 방법을 사용한다. 그러나, 평균 유효 지수를 파장 스케일로 유도하는 구조화 작업으로, 서브파장 스케일로의 광파면의 위상 변조는 나노미터 스케일로 유전체 물질을 간단히 구조화하는 것에 의해 얻어질 수 없다. 이러한 최근의 의견은 서브파장 스케일로의 파면의 위상 제어에 대한 주요 물리적 제한을 구성한다.

H. Shi 등에 의한 논문("가변 폭을 구비한 금속성 나노 슬릿에 의한 빔 조작", Optics Express, vol. 13, No. 18, 2005) 또는 특허 출원WO2011/100070에 기술된 또 다른 기술은 파장보다 작은 스케일로 파면의 위상의 변조를 허용한다. 이 기술에 따라서, 블레이드의 형태를 하는 두꺼운 금속층의 나노 구조화는 입사 광파면의 변조를 허용한다. 특히, 얻어진 각 슬릿은 결합된 플라조모닉(plasmonic) 모드드이 전파되는 다른 것들과 관계없는 도파관처럼 거동한다. 이러한 것은 적법하게 제조된 도파관에서 전파되는 모드에 의해 보여지는 유효 지수(n_eff)가 다음의 식 (1)에 의해 특정 조건 하에서 근사될 수 있는 함수에 따라서 슬립의 폭(w)에 의존한다는 것이 검증되었다(예를 들어, S. Collin 등, "나노스케일 금속 개구에서의 도파", Optics Express, vol. 15, No. 7, 2007 참조).

(1)

여기에서, n은 슬릿을 충전하는 유전체 물질의 지수이며, δ는 금속의 광 스킨(optical skin) 두께를 나타낸다. 그러므로, 도 1은 1 ㎛의 두께(h)를 가지는 층을 위한 650 ㎚의 파장에 대하여 슬릿의 폭의 함수로서 유효 지수의 추세를 나타낸다. 이 예에서, 슬릿들은 공기가 충전되고, 벽들은 금으로 만들어지고, 대략 25 ㎚의 광 스킨을 가진다. 도 1은 설명된 기술에 의해 12.5 ㎚ (δ/2) 내지 250 ㎚ (10δ)의 가이드 폭값(w)에 대하여 n 내지 3n의 범위에 놓이는 유효 지수 대역을 커버할 가능성을 보이며, 그러므로 슬릿의 폭(w)의 선택에 의해 하나의 슬릿으로부터 다른 슬릿으로 강한 위상 변화를 허용한다. 그러나, 큰 지수 변조(Δn > 0.5)는 단지 금속에서의 스킨 두께의 2배보다 작은 슬릿 폭(w < 2δ), 즉 전형적으로 광 및 적외선(IR) 파장에 대해 50 ㎚인 폭에 대해서만 가능하고, 이는 강한 기술적 제약을 구성한다. 또한, 도 1은 슬릿의 폭의 변화에 대한, 그러므로 제조 부정확성에 대한 유효 지수의 매우 강한 민감도를 나타낸다. 5 ㎚ ≤ w ≤ 40 ㎚와 같은 폭 범위 내에서, 슬릿의 폭의 1 ㎚의 변화는 Δn_eff/n_eff ≥ 0.13의 유효 지수 상에서의 에러를 유도한다.

본 발명은 디바이스의 구조적 변화의 함수로서 그 민감도가 낮은, 서브파장 스케일로의 파면의 위상을 제어하기 위한 디바이스를 제안하는 것을 목적으로 한다.

제1 양태에 따라서, 본 발명은, 유용한 주어진 스펙트럼 띠에 있는 파장을 가지는 입사 광파면의 위상을 제어하기 위한 디바이스에 관한 것으로, 디바이스는 상기 스펙트럼 띠에서 적어도 부분적으로 투과성인 기판과, 상기 기판의 표면에 대해 실질적으로 직각으로 배열된 한 세트의 블레이드들을 포함하며:

- 상기 세트의 블레이드들은, 서브파장 폭의 병치된 금속-다중유전체-금속(MmultiDM) 구조들을 형성하도록 금속 물질, 제1 유전체 물질, 및 제1 유전체 물질과 다른 적어도 하나의 제2 유전체 물질로 각각 만들어진 병치된 블레이드들의 교대를 포함하며, 각 구조는 하나 이상의 전파 모드를 보이는 캐비티를 형성하며,

- 제1 유전체 물질 및 제2 유전체 물질(들)로 만들어진 블레이드들의 각각의 두께는 파면 위상의 국부적인 변이를 도입하도록 각각의 상기 MmultiDM 구조에서 조정되며, 유도된 위상 변이는 상기 캐비티에서 전파될 수 있는 모드 또는 모드들의 유효 지수에 의존한다.

본 출원인은 이러한 디바이스가 보다 큰 폭, 전형적으로 금속 물질의 광 스킨 두께보다 10배 큰 폭의 구조로 작업할 수 있는 종래 기술에서 설명된 위상 제어 디바이스 이상의 이점을 특히 제공하고, 그러므로 기술적 제약을 완화시키는 한편 서브파장 스케일로의 파면 위상의 제어를 유지하는 것을 가능하게 한다는 것을 입증하였다. 또한, 구조적 결점에 대하여, 특히 블레이드 두께 또는 캐비티 폭의 변화에 대하여 감소된 민감도를 갖는 국부적 위상 변이값을 얻는 것이 가능하다. 그러므로, 유전체 물질로 만들어진 블레이드의 각각의 두께는 유용한 주어진 스펙트럼 띠에서 광학 함수(optical function))의 생성을 위해 추구된 광학 함수에 기초하여 계산된 위상 변위를 국부적으로 얻도륵 조정되며, 상기 광학 함수는 디바이스의 상기 수의 MMultiDM 구조들에서 샘플링될 수 있다.

변형예에 따라서, MMultiDM 구조들의 폭은 실질적으로 동일하도록 선택되며, 단지 유전체 물질로 만들어진 블레이드의 한 각각의 두께는 국부적 위상 변이를 제어하도록 하나의 구조로부터 다른 구조로 변한다. 이러한 것은 동등한 결과를 위하여 캐비티 폭들로 작업하는 것을 가능하게 하고, 캐비티 폭들은 동일하고 금속의 광 스킨 두께와 비교하여 충분히 크며, 그러므로 디바이스의 제조를 용이하게 한다.

유익하게, 적외선에서 디바이스의 작동을 위하여, 각 MMultiDM 구조의 폭은 금속 물질의 광 스킨 두께의 10배 이상이도록 선택된다.

변형예에 따라서, 또한 MMultiDM 구조들의 폭은 λ_min/2n_H 이하이도록 선택되며, 여기에서 λ_min은 유용한 스펙트럼 띠의 최소 파장이며, n_H는 가장 높은 지수의 유전체 물질의 굴절률이다. MMultiDM 구조들을 위한 폭의 이러한 선택은 단일 모드 캐비티들을 만드는 것을 가능하게 하고, 본 출원인은 이것들이 세로 모드의 양호한 억제에 의해 매우 양호한 전송 효율을 보이는 것을 입증하였다.

유익하게, 2개의 상이한 형태의 유전체 물질들이 상기 구조들을 형성하도록 선택될 것이며, 그러므로 각 구조는 금속-유전체-유전체-금속(MDDM) 구조를 형성하도록 제1 유전체 물질로 만들어진 제1 블레이드와, 제1 유전체 물질과 상이한 제2 유전체 물질로 만들어진 제2 블레이드를 포함한다. 본 출원인은 MDDM 구조가 추구된 결과와 기술적 제약 사이의 매우 우수한 균형을 나타낸다는 것을 입증하였다.

유익하게, 블레이드들은 실질적으로 동일한 주어진 높이를 가진다. 블레이드들의 높이는 입사 파면의 위상에 적용될 수 있는 국부적 위상 변이의 최대값을 결정한다. 유익하게, 높이(h)는 2π의 최대 국부적 위상 변이값을 얻도록 선택되고, 이것은 임의의 광학 함수를 발생시키는데 충분하고, 블레이드들의 최소 높이를 유지하고 결과적으로 낮은 종횡비(높이 대 폭 비율)를 갖는 캐비티를 형성하는 것을 가능하게 한다.

변형예에 따라서, 블레이드들은 실질적으로 직선으로 이루어지며, MMultiDM 구조들은 주 방향으로 배열된다. 이러한 구성은 예를 들어 광 프리즘형, 원통형 광 렌즈형, 및 대체로 대칭 렌즈형 또는 임의의 1차원 광학 함수의 광학 성분을 생성하는 것을 가능하게 한다. 이러한 성분들은 편광(polarization)에 민감하게 되고, 또한 편광 분할 디바이스를 형성하는 것을 가능하게 할 수 있다.

다른 변형예에 따라서, 블레이드들은 또한 실질적으로 직선으로 이루어지지만, MMultiDM 구조들은 적어도 2개의 주 방향, 유익하게 실질적으로 직각으로 배열된다. 이러한 구성은 이전과 같이 원통형 광학 렌즈 또는 광 프리즘형의 광학 함수를 생성하는 것을 가능하게 한다. 디바이스는 생성된 광학 함수의 프로파일들이 양 방향으로 동일한 방식으로 설계될 수 있으며, 디바이스가 편광에 둔감하게 하는 것을 가능하게 한다. 대안적으로, 두 방향에서 다른 프로파일들은 편광에 따라서 특정 특성을 발생시키는 것을 가능하게 할 것이다. 그러므로, 편광된 입사파의 TE 및 TM 성분, 예를 들어 편광의 TE 성분을 위한 제1 초점 거리, 및 편광의 TM 성분을 위한, 제1 초점 거리와 다른 제2 초점 거리를 갖는 렌즈를 분할하기 위한 디바이스를 무작위로 설계하는 것이 가능하다.

변형예에 따라서, 블레이드들은 곡선으로 이루어지며, MMultiDM 구조들은 변형예에 따라서 축선 대칭에 따라 배열될 수 있다. 이러한 구성은 회전 대칭, 예를 들어 구형 광학 렌즈, 볼록 또는 오목, 또는 임의의 다른 대칭 광학 함수를 갖는 광학 성분을 생성하는 것을 가능하게 한다. 이전과 같이, 축선 대칭을 갖는 광학 함수는 편광에 둔감한 디바이스를 제조하는 것을 가능하게 하는 반면에, 비대칭 광학 함수의 생성은 입사파의 편광의 성분들을 분리하는 것을 가능하게 한다.

변형예에 따라서, 기판은 유전체 물질로 만들어지고, 기판을 형성하는 유전체 물질은 블레이드들을 형성하는 상기 유전체 물질 중 하나와 동일하다. 기판과 상기 구조의 블레이드들 중 하나를 위한 동일한 물질의 사용은 제조 방법을 단순화하는 것을 가능하게 한다.

변형예에 따라서, 상기 유전체 물질 중 하나는 공기이다. 그런 다음, 제조 방법에서, 공기에 의해 형성되도록 의도된 블레이드들의 위치에서 슬릿들을 에칭하는데 충분할 것이다.

제2 양태에 따라서, 본 발명은, 상기 디바이스의 MMultiDM 구조들이 파면의 위상의 국부적인 변이를 도입하도록 치수화되고, 각 국부적 위상 변이가 볼록 렌즈의 광학 함수에 대응하는 광학 함수를 샘플링하는 것에 의해 결정되는, 제1 양태에 따른 입사파면의 위상을 제어하기 위한 디바이스와 검출기를 포함하는 검출 시스템에 관한 것이다.

제3 양태에 따라서, 본 발명은 제1 양태에 따른 디바이스의 수단에 의해 광파면의 위상을 제어하기 위한 방법에 관한 것으로, 방법은,

- 상기 디바이스의 모든 블레이드들을 커버하는 입사파면을 형성하도록 파면의 공간적 형상화(spatial shaping),

- 상기 파면 상에 국부적 위상 변이를 도입하는 것을 가능하게 하는 입사파면의 일부의 각각의 MMultiDM 구조에 의한 전송을 포함한다.

제4 양태에 따라서, 본 발명은 제1 양태에 따른 입사파면의 위상을 제어하기 위한 디바이스를 제조하는 방법에 관한 것으로, 방법은,

- 금속 물질로 만들어진 블레이드들의 부분에서 제1 세트의 슬릿들을 형성하도록 제1 유전체 물질의 층의 에칭,

- 상기 슬릿의 부분에서 금속의 증착,

- 제2 유전체 물질로 만들어진 블레이드들의 부분에서 제2 세트의 슬릿들을 형성하도록 상기 층의 에칭을 포함한다.

변형예에 따라서, 상기 방법은 제2 세트의 슬릿들의 상기 슬릿들의 부분에서, 유전체 물질로 만들어진 제2 물질의 증착을 포함한다.

변형예에 따라서, 제1 유전체 물질로 만들어진 층은 기판을 형성한다. 대안적으로, 상기 방법은 기판 상에서 제1 유전체 물질로 만들어진 상기 층의 증착의 예비 단계를 포함할 수 있다.

제5 양태에 따라서, 본 발명은 제1 양태에 따른 입사파면의 위상을 제어하기 위한 디바이스를 제조하기 위한 방법에 관한 것으로, 상기 방법은,

- 상기 세트의 블레이드들을 형성하기 위하여 금속 물질과 유전체 물질로 각각 만들어진 층들의 적층,

- 제조된 적층의 절단 및 폴리싱과 층들의 평면에 대해 실질적으로 직각으로 기판 상에 고정,

- 기판 반대의 면의 폴리싱을 포함한다.

본 발명의 다른 이점 및 특징은 상세한 설명을 읽는 것으로 명백하게 되며 다음의 도면들에 의해 예시된다:
도 1은 종래 기술에 따른 파면의 위상을 제어하기 위한 디바이스에서, 슬릿의 폭(w)의 함수로서 슬릿에서 유효 지수(n_eff)의 추세를 도시하는 그래프(이미 설명됨);
도 2는 본 발명에 따른 디바이스에서 예시적인 MDDM 구조의 원리를 예시하는 도면;
도 3은 구조의 상이한 폭(w)들에 대해 갈륨 비소(GaAs)에 의한 충전 인자(f)의 함수로서 공기와 GaAs가 충전된 MDDM형 구종에서의 지수 및 위상 변화의 디지털 시뮬레이션을 도시한 곡선;
도 4는 수렴 광학 렌즈 형태의 디바이스의 제조에 대한 적용의 경우에 추구된 위상 함수와 결과적인 샘플링된 함수를 도시하는 곡선;
도 5는 도 4에 도시된 광학 함수의 형태의 함수의 생성을 위한 본 발명에 따른 디바이스의 예시적인 실시예를 도시한 도면;
도 6은 도 5의 형태의 디바이스에서 입사파면의 위상의 변조 후에 계산된 빛의 세기의 맵핑을 도시한 도면;
도 7a 내지 도 7c는 상기로부터 보여진 블레이드들이 각각 각각 직선(도 7a 및 도 7b) 및 곡선(도 7c) 형태인 디바이스의 예를 도시한 도면.

도 2는 본 발명에 따른 예시적인 위상 제어 디바이스(20)에서 예시적인 금속-다중유전체-금속(MmultiDM) 구조의 원리를 예시하는 도면을 도시한다. 디바이스(20)는 디바이스의 유용한 주어진 스펙트럼 띠에서 파장을 보이는 파면의 위상을 제어하는데 적합하다. 디바이스(20)는 유용한 스펙트럼 띠에서 투과성 또는 부분적으로 투과성인 기판(21)과, 기판의 표면에 대해 실질적으로 직각으로 배열된 높이(h)의 한 세트의 블레이드(도 2에서 도면 부호 22_i, 23_i, 24_i, 22_j, 23_j, 24_j ,22_k 등)들을 포함한다. 블레이드들은 병치된 금속-다중유전체-금속(MmultiDM) 구조(S_i)를 형성하도록, 각각 금속 물질(22_i), 제1 유전체 물질(23_i) 및 제1 유전체 물질과 다른 제2 유전체 물질(24_i), 그런 다음 다시 금속 물질(22_j), 제1 유전체 물질(23_j) 및 제2 유전체 물질(24_j) 등으로 각각 만들어진 병치된 블레이드의 교대를 형성하는 방식으로 배열된다. 비록 도 2의 예에서, 각 구조(S_i)가 상이한 유전체 물질로 만들어진 단지 2개의 블레이드(23_i, 24_i)들을 포함할지라도, 각 구조에서, 상이한 유전체 물질로 만들어진 3개 이상의 블레이드들 중 금속 물질(22_i, 22_j)로 만들어진 2개의 블레이드들 사이의 교대를 갖는 디바이스를 형성하는 것을 고려하는 것이 또한 가능하다.

각 금속-다중유전체-금속 구조(S_i)는 즉 디바이스의 유용한 스펙트럼 띠의 최소 파장(λ_min)보다 작은 서브파장 폭(w_i)(2개의 금속 블레이드들(22_i 및 22_j) 사이에 한정된)을 가지며, 폭(w_i)은 유용한 스펙트럼 띠에서 하나 이상의 전파 모드들을 보이는 캐비티를 형성하도록 선택된다. 파장(λ)의 광파가 디바이스(20) 상에 입사할 때, 다음의 식에 따라서 구조에 의해 형성된 캐비티에서 모드의 전파로 인하여 각 구조(S_i)의 레벨에서 국부적으로 위상 변이(ΔΦ_i)를 겪는다.

(2)

여기에서, n_eff는 캐비티에서 전파된 모드의 유효 지수이며, n_L은 "낮은" 굴절률, 즉 가장 낮은 지수의 유전체 물질의 굴절률이다. 상기 식(2)에서, 위상 변이(ΔΦ_i)는 기준 위상 변이에 대해 측정되고, 입사파면이 두께(h) 및 굴절률(n_L)의 블레이드를 통과할 때 입사파면이 겪는 위상 변이에 의해 정의된다. 특히, 상기 구조에서 존재하는 유전체 물질의 특성은 전파되는 모드의 유효 지수를 수정한다. 각 구조(S_i)에서, 유전체 물질로 만들어진 각각의 블레이드들을 선택하는 것에 의해, 형성된 캐비티에서 전파되는 모드의 유효 지수, 그러므로 국부적으로 도입된 위상 변이를 수정하는 것이 가능하다.

특히, 낮은 블레이드 높이와 함께 충분한 국부적 위상 변이를 생성하기 위하여 상당한 굴절률 차이를 보이는 유전체 물질을 선택하는 것이 가능할 것이다. 그 후, 설명에서, "높은" 굴절률(n_H)은 가장 높은 굴절률을 보이는 유전체 물질의 굴절률를 인용하도록 사용될 것이며, "낮은" 굴절률(n_L)은 가장 낮은 굴절률을 보이는 유전체 물질의 굴절률을 인용하도록 사용될 것이다. 가장 높은 굴절률의 유전체 물질에 대하여, 예를 들어 디바이스의 유용한 스펙트럼 띠에서 투과성이고 이러한 스펙트럼 띠에서 높은 광학 지수를 보이는 유전체 물질을 선택하는 것이 가능할 것이다. 예를 들어, 대역(Ⅱ와 Ⅲ)에서 위상 제어 디바이스의 작동을 위하여, 비제한적인 방식으로, 굴절률이 3.3인 갈륨 비소(GaAs), 굴절률이 대략 4인 게르마늄(Ge), 굴절률이 3.7인 비결정성 실리콘(Si a), 5 ㎛ 미만의 파장에 대하여 굴절률이 1.5인 실리카(SiO₂), 굴절률이 2.2인 황화아연(ZnS)을 선택하는 것이 가능하다. 가시 및 적외선 대역에서 위상 제어 디바이스의 작동을 위하여, 비제한적인 방식으로, 굴절률이 2.2인 셀렌화아연(ZnSe) 또는 황화아연(ZnS)을 선택하는 것이 가능하다. 가장 낮은 굴절률의 유전체 물질을 위하여, 유익하게 공기를 선택하는 것이 가능하고, 가장 높은 굴절률과 가장 낮은 굴절률 사이의 차이를 최대화하는 것을 가능하게 한다.

최대 위상 변이는 블레이드들의 높이(h)에 의해 주어진다. 그러므로, 블레이드의 최소 높이(h)는 다음의 식에 의해 주어진 최대 위상 변이(ΔΦ_max)를 보장하도록 결정될 수 있다:

(3)

여기에서, λ_max는 유용한 스펙트럼 띠의 최대 파장이며, n_H와 n_L은 각각 높은 굴절률과 낮은 굴절률이다. 예를 들어, 블레이드들의 높이(h)는 최대 위상 변이(ΔΦ_max)가 2π이도록 선택될 수 있으며, 이는 모든 광학 함수를 정의하는데 충분하고 구조의 전체 높이를 제한하는 것을 가능하게 한다. 전형적으로, GaAs(n_H =3.3)의 높은 굴절률과 공기(n_L = 1)의 낮은 굴절률을 각각 선택하는 것에 의해 예를 들어 3 내지 5 ㎛의 적외선에서 유용한 대역의 경우에, 블레이드 높이 h = 2.2 ㎛는 2π의 최대 국부적 위상 변이를 달성하는데 충분할 것이다.

금속 벽들 또는 블레이드(22_i)들은 유익하게 사용된 금속의 스킨 두께보다 큰, 예를 들어 금속의 광 스킨 두께의 대략 2배의 두께(L_i)를 가지며, 그러므로 구조(S_i)에 의해 형성된 캐비티에서의 전파 모드가 이웃한 구조에 의해 형성된 캐비티들에 의해 방해받지 않는 것을 보장한다. 그러므로, 금속 물질로서 금의 경우에, MMultiDM 구조들에서 금속 물질로 만들어진 블레이드들은 대략 50 ㎚일 수 있을 것이다. 금의 사용은 취급 방법이 완벽히 제어되기 때문에 바람직하다. 그러나, 다른 금속 물질들, 예를 들어 구리, 알루미늄 또는 은이 디바이스의 구조의 제조를 위한 우수한 후보일 수 있다. 유익하게, 구조(S_i)의 폭(w_i)은 형성된 캐비티가 단일 모드이도록 선택되며, 이는 구조에 의해 형성된 캐비티에서 전파될 수 있는 세로 모드의 억제 유효성과 구조의 제한된 폭 사이의 양호한 균형을 얻는 것을 가능하게 한다. 예를 들어, 각 구조에서, 단일 모드 캐비티의 상태를 검증하도록, 폭(w_i)은 검증하는 방식으로 선택될 수 있다:

(4)

여기에서, λ_min은 디바이스를 위해 선택된 유용한 대역의 최소 파장이며, n_H는 높은 굴절률이다. 그러므로, 전형적으로 대략 λ/10의 폭(w_i)을 선택하는 것이 가능할 것이다. 또한, 적외선에서 유용한 경우에, 특히 기술적인 이유 때문에, 유익하게 금속의 광 스킨 두께의 10 이상인 캐비티 폭을 선택하는 것이 가능할 것이다.

도 2의 예는 금속-유전체(1)-유전체(2)-금속(MDDM) 구조, 즉 각 구조(S_i)에서, 상이한 유전체 물질로 만들어진 2개의 블레이드(23_i, 24_i)들을 사용하는 특정 위상 제어 디바이스를 도시한다. 이러한 변형은 다음에 도시된 바와 같이 파면의 위상의 제어의 정확성과 실시가 간단한 제조 방법을 위한 조사 사이의 매우 양호한 균형을 얻는 것을 가능하게 한다. 이 예에서, 구조(S_i)는 실질적으로 동일한 폭(w_i)을 가진다. 각 구조(S_i)는, 2개의 금속 블레이드(22_i, 22_j)들 사이에, 도면 부호 1과 2로 지시된 상이한 유전체 물질로 만들어진 2개의 블레이드(23_i, 24_i)들을 포함하고, 그러나, 유전체 물질(1과 2)의 특성은 각각의 구조에서 동일하다. 특히, 2개의 유전체 물질의 각각의 비율은 각각의 구조에서 변화된다. 그러므로, 예를 들어, 구조(S_i)에서 유전체 물질(2)의 충전률(f_i)을 정의하는 것이 가능하다. 유전체 물질(2)로 만들어진 블레이드(24_i)의 두께는 구조(S_i)를 위한 제품(f_i w_i)과 같고, 유전체 물질(1)로 만들어진 블레이드(23_i)의 두께는 제품(1 - f_i)w_i과 같다. 각 구조에서 전파된 모드의 유효 지수, 그러므로 국부적 위상 변이는 충전률(f_i)에 의존한다.

그러므로 도 3은 구조들의 폭(w_i)의 상이한 값에 대하여 도 2에 도시된 형태의 디바이스에서 충전 인자(f_i)의 함수로서 계산된 유효 지수를 보이는 곡선을 도시한다. 결과적인 위상 변이(식(2)에 의해 주어진)가 또한 제시된다(모듈로(modulo) 2π). 보다 상세하게, 곡선들은 블레이드의 높이 h = 1 ㎛, 금속벽들의 두께 L_i = 50 ㎚ 및 입사 매체(공기)에서의 파장 λ = 5 ㎛으로 계산된다. 곡선(31, 32, 33)들은 각각 w = δ (25 ㎚), w = 2δ (50 ㎚) 및 w = 20δ (500 ㎚)을 위해 얻어지며, 여기에서, δ는 사용된 금속, 예를 들어 금의 스킨 두께이다. 고려된 유전체 물질은 각각 유전체 물질(1)에 대해 공기(n_L = 1), 유전체 물질(2)에 대해 갈륨 비소(GaAs)(n_H = 3.3)이다. 공지된 바와 같이, 모드의 유효 지수는 예를 들어 모델 방법에 의해 캐비티에서 기초 모드의 전파를 모델링하는 것에 의해 계산된다. 유전체 물질에서의 전파와, 금속 벽들과의 경계면에서의 반사 뿐만 아니라 2개의 유전체 물질들 사이의 경계면에서의 반사 및 전송이 고려된다. 매트릭스 계산 소프트웨어(예를 들어 파이선 또는 matlab®을 사용하여)는 예를 들어 전파의 모델링 및 충전 인자(f_i)의 함수로서 유효 지수의 계산을 위해 사용된다.

도 3은 어떻게 전파 모드의 유효 지수, 그러므로 구조에 의해 형성된 캐비티의 폭(wi)을 조정하지 않고 충전 인자(f_i)를 조정하는 것에 의해 입사파면에 적용된 국부적 위상 변이를 변화시키는 것이 가능한지를 도시한다. 도 3에서 명백한 바와 같이, 위상 변이의 변화가 20δ(곡선 33)만큼 큰 캐비티 폭들에 대해서도 충전 인자의 함수로서 얻어질 수 있기 때문에 작은 캐비티 폭(wi)과 함께 작업하도록 강한 위상 변이를 얻는 것이 필요하지 않고, 이는 디바이스의 제조 시에 기술 제약을 완화시키는 것을 가능하게 한다. 또한, 도 3은 유효 모드 지수, 그러므로 캐비티의 폭(w_i)과 충전 인자(f_i)의 함수로서 입사파면에 적용된 국부적 위상 변이의 안정성을 보인다. 본 출원인은 특히 캐비티 폭 w_i = 500 ㎚ (즉, λ/10)을 선택하는 것에 의해, 폭(w_i)에서의 10 ㎚의 변화가 전파 모드의 유효 지수에서 무시할 수 있는 영향(< 1%)을 가지며 충전 인자의 2%의 변화에 대응하는 유전체 물질(2)로 만들어진 블레이드의 폭에서 10 ㎚의 변화가 유효 지수 Δn/n = 0.03의 변화를 유도하는 것을 입증하였다. H. Shi 등에서 설명된 종래 기술과 비교하여, 예를 들어, 전파 모드의 유효 지수에서의 안정성은 상당히 향상되고, 훨씬 신뢰할 수 있고 디바이스를 제조하도록 실시된 기술의 정밀성에 덜 의존하는 디바이스를 만드는 것을 가능하게 한다.

예를 들어 도 2에 도시된 바와 같은 다수의 구조(S_i)를 병치시키는 것에 의해, 그리고 각각을 위한 유전체 물질 중 하나의 충전 인자를 조정하는 것에 의해, MMultiDM 구조의 폭에 의존하는 피치를 가진 파면의 공간적 샘플링을 수행하는 것에 의해, 그리고 주어진 위상 변이를 국부적으로 적용하는 것에 의해, 필요한 광학 함수를 생성하도록 선택된 입사파면을 변조하는 것이 가능하다. 파면은 모든 구조를 커버하도록 사전에 공간적으로 연장될 수 있다.

그러므로, 도 4는 볼록 렌즈를 제조하는데 요구되는 샘플링을 도시한다. 특히, 곡선(41)은 λ□= 5 ㎛에서 6 ㎛의 초점 거리를 가지는 지름 11.5 ㎛ 및 높이 h = 2.2 ㎛를 가지는 렌즈의 위상 프로파일을 나타내고, 곡선(42)은 21개의 구조들에서 수행된 공간 샘플링을 나타낸다. 위상 프로파일은 다음과 같이 설명된다:

(5)

여기에서, F는 제조된 렌즈의 초점 거리이며, θ는 입사 각도이며(도 4의 예에서 θ = 0), x는 구조(S_i)를 형성하는 블레이드들의 평면에 대해 법선인 방향으로 측정된 거리이며, 그 기준(x = 0)은 디바이스의 중앙 구조의 레벨에서 취해진다.

도 5는 도 4의 곡선(42)에서 보여진 바와 같은 위상 프로파일을 만들기 위한 예시적인 디바이스(50)를 예시한다. 디바이스는 도 2에 도시된 바와 같은 MDDM형의 21개의 구조(S_i)들을 포함한다. 각 구조는 폭 w_i = 500 ㎚, 높이 h = 2.2 ㎛ 및 금속 블레이드들의 두께 L_i = 50 ㎚를 가진다. 디바이스는 3개의 구역, 각각 공기와 갈륨 비소에 의해 형성되는 상부 구역(53) 및 하부 구역(51)과, 21개의 MDDM 구조들을 포함하는 중간 구역(52)을 포함한다. 각각의 구조(S_i)의 블레이드(23_i 및 24_i)들을 형성하는 유전체 물질들은 공기와 갈륨 비소로 각각 형성된다. 그러므로, 높은 굴절률과 낮은 굴절률은 각각 n_H = 3.3 및 n_L = 1이다. 특히, 도 5의 예에서, MDDM 구조들은 각각의 구조에서 추구되는 위상 변이를 달성하는 것을 가능하게 하는 89%, 97%, 17%, 65%, 80%, 90%, 94%, 97%, 99%, 99%, 100%, 99%, 99%, 97%, 94%, 90%, 80%, 65%, 17%, 97% 및 89%의 공기에 대한 GaAs의 충전 인자를 보인다. 이러한 디바이스는, 디바이스를 통하여 전송되고 그 위상이 변조되는 입사광파의 에너지를 디바이스에서 초점화하도록 광검출기(54)의 상류에 위치될 수 있다.

도 6은 도 5에 도시된 디바이스(50)의 각각의 구역(51 내지 53)에서 계산된 빛의 세기의 맵핑을 나타낸다. 광 에너지의 수렴은 특히 구역(60)에서 검증되고, 서브파장 스케일로 볼록 렌즈의 제조를 확인한다.

도 4 내지 도 6의 예에서, 주 방향으로 배향된 실질적으로 직선으로 이루어진 블레이드들을 포함하는 디바이스가 가정되고, 위상 변이는 블레이드들의 이러한 배향 방향에 법선인 축(x)을 따라서 계산된다. 그러므로, 결과적인 광학 볼록 렌즈 함수는 원통형 렌즈 함수이다. 대안적으로, 블레이드들은 예를 들어 광학 구형 볼록 렌즈 함수를 생성하기 위하여 회전 대칭을 보이는 방식으로 병치된 2개의 주 방향으로 배향된 직선 또는 대체로 원형 형태의 곡선으로 이루어질 수 있다.

그러므로, 도 7a 내지 도 7c는 도 5에 도시된 디바이스의 평면도를 도시하며, 디바이스는 2개의 실질적으로 직교 방향으로 배열된 직선의 블레이드(도 7b), 및 원형 형태의 블레이드(도 7c)를 구비한다.

도 7b에서 평면도로 도시된 디바이스(60)는 제1 방향(x)으로 배열된 병치 구조(S_i)와, 제1 방향에 대해 실질적으로 직각인 제2 방향(y)으로 배열된 병치 구조(S'_i)를 갖는 대체로 직사각형 형태를 가진다. 도 5 또는 도 7a의 예에서와 같이, 각 구조 (S_i 또는 S'_i)는 금속 물질(22_i), 제1 유전체 물질(23_i), 제2 유전체 물질(24_i) 및 금속 물질(22_j)로 만들어진 블레이드들의 교대를 포함한다. 이전에 설명된 바와 같이, 이러한 디바이스 상의 입사파면은 각 구조에서 그 값이 제1 및 제 2 유전체 물질로 만들어진 블레이드들의 상대 두께와 관련된 국부적 위상 변이를 국부적으로 겪는다. 그러므로, 2차원 광학 함수, 예를 들어 수렴 광학 렌즈 함수를 만드는 것이 가능하다. 도 7b의 예에서, 축(x 및 y)의 한쪽 또는 다른쪽에 도입된 위상 변이의 프로파일은 동일하다. 이로부터, 디바이스가 입사파의 편광에 둔감하게 되는 것이 따른다. 대안적으로, 이에 대한 반응이 편광의 TE 또는 TM 성분의 함수와 다르게 될 위상 제어 디바이스를 형성하도록 축(x와 y)에서 그 배열이 변하는 구조를 형성하는 것이 가능하다. 그러므로, 예를 들어, 무작위로 편광된 입사파의 TE 또는 TM 성분을 분리하는 것이 가능할 것이다. 예를 들어, 그 초점 길이가 편광과 함께 변하는 수렴 광학 렌즈 함수가 얻어질 수 있다.

도 7c에 도시된 디바이스(70)는 축선 대칭으로 배열된 실질적으로 원형 형태의 곡선으로 이루어진 블레이드들을 포함한다. 선행의 예에서와 같이, 각 구조(S_i)는, 디바이스 상의 입사파면이 각 구조 상에서 그 값이 제1 및 제2 유전체 물질들로 만들어진 블레이드들의 상대 두께와 관련되는 국부적 위상 변이를 국부적으로 겪게 되도록 금속 물질(22_i), 제1 유전체 물질(23_i), 제2 유전체 물질(24_i) 및 금속 물질(22_j)로 만들어진 블레이드들의 교대를 포함한다. 축선 대칭 때문에, 디바이스(70)는 편광에 둔감하다. 예를 들어, 구조들은 주어진 초점 길이의 수렴 광학 렌즈 함수를 발생시키도록 배열된다. 대안적으로, 비대칭 광학 함수를 얻도록 블레이드들을 배열하는 것이 가능하다. 예를 들어, 블레이드들은 원형, 예를 들어 타원으로 이루어지지 않고 곡선으로 이루어지며, 입사파의 편광의 TE 및 TM 성분을 분리하는 것을 가능하게 한다.

그러므로, 파장과 비교하여 변화가 작은 가파른 프로파일을 포함하는 임의의 프로파일들을 갖는 위상 함수에 접근하는 것이 가능하다.

다수의 방법들이 본 발명에 따른 파면의 위상을 제어하기 위한 디바이스의 제조를 위해 가능하다.

도 5에 도시된 디바이스(50)의 예에서, 기판은 각 구조의 블레이드들들 중 하나를 위하여 사용된 것과 동일한 유전체 물질로 형성된다. 이러한 디바이스를 제조하는 방법은 금속 물질로 만들어진 블레이드(22i)들의 부분에서 제1 세트의 슬릿들을 형성하도록 기판(51)(도 5), 예를 들어 GaAs로 만들어진 기판의 에칭, 그런 다음 슬릿들의 위치에서 금속, 예를 들어 금의 성장을 포함할 수 있다. 기판은 그런 다음 제1 유전체 물질로 만들어진 블레이드(23_i)들의 부분에서 제2 세트의 슬릿들을 형성하도록 에칭된다. 그런 다음 도 5에 도시된 바와 같은 디바이스가 얻어지며, 제1 및 제2 유전체 물질은 각각 공기와 GaAs로 형성된다.

변형예에 따라서, 제1 유전체 물질이 공기와 다르면, 증착은 유전체 물질로 만들어진 제2 물질의 제2 세트의 슬릿들의 슬릿의 위치에서 수행될 수 있다. 또한, 제2 유전체 물질이 기판을 형성하는 물질과 다르면, 기판 상의 제2 유전체 물질의 층의 증착의 예비 단계가 수행될 수 있으며, 그런 다음 이전에 기술된 것과 동일한 단계들이 수행된다.

대안적으로, 병치된 직선 블레이드들을 포함하는 파면 제어 디바이스, 예를 들어 도 5 또는 도 7a에 도시된 형태의 디바이스의 경우에, 디바이스의 제조는 병치된 MmultiDM 구조들의 조립체를 형성할 블레이드들의 교대를 형성하기 위하여 금속 물질과 유전체 물질로 각각 만들어진 층들의 적층, 그런 다음 만들어진 적층의 절단 및 폴리싱, 및 층들의 평면에 대해 실질적으로 직각으로, 기판 상에 그 폴리싱된 면 상에서 적층의 고정을 포함한다. 그런 다음 기판 반대편의 적층의 면은 폴리싱될 수 있다.

비록 특정 수의 상세한 실시예들을 통해 기술되었을지라도, 파면의 위상을 제어하기 위한 디바이스와 이러한 디바이스를 제조하기 위한 방법은, 상이한 변형, 변경, 및 개선이 다음의 청구항들에 의해 한정된 바와 같은 본 발명의 범위의 부분을 형성하는 것을 고려하면, 당업자에게 자명한 상이한 변형, 변경, 및 개선을 포함할 수 있다.

Claims (18)

1. 유용한 주어진 스펙트럼 띠에 있는 파장을 가지는 입사 광파면의 위상을 제어하기 위한 디바이스로서, 상기 스펙트럼 띠에서 적어도 부분적으로 투과성인 기판(21)과, 상기 기판의 표면에 대해 실질적으로 직각으로 배열된 한 세트의 블레이드(22_i, 23_i, 24_i)들을 포함하는 디바이스(20, 50)에 있어서,
   - 상기 세트의 블레이드들은, 서브파장 폭(w_i)의 병치된 금속-다중유전체-금속(MmultiDM) 구조(S_i)들을 형성하도록 금속 물질(22_i), 제1 유전체 물질(23_i) 및 제1 유전체 물질과 다른 적어도 하나의 제2 유전체 물질(24_i)로 각각 만들어진 병치된 블레이드들의 교대를 포함하며, 각 구조는 하나 이상의 전파 모드를 보이는 캐비티를 형성하며,
   - 상기 제1 유전체 물질 및 제2 유전체 물질(들)로 만들어진 블레이드들의 각각의 두께는 파면 위상의 국부적인 변이(ΔΦ_i)를 유도하도록 각각의 상기 MmultiDM 구조들에서 조정되며, 국부적 위상 변이는 상기 캐비티에서 전파될 수 있는 모드 또는 모드들의 유효 지수에 의존하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
2. 제1항에 있어서, 상기 각 구조는 제1 유전체 물질로 만들어진 제1 블레이드와, 제1 유전체 물질과 다른 제2 유전체 물질로 만들어진 제2 블레이드를 포함하고, 금속-유전체-유전체-금속(MDDM) 구조를 형성하는 디바이스.
3. 제1항 또는 제2항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 MmultiDM 구조(S_i)들의 폭(w_i)은 실질적으로 동일한 디바이스.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 적외선에서 적절한 사용을 위하여, 각 MmultiDM 구조(S_i)의 폭은 금속 물질의 광 스킨 두께의 10배보다 큰 디바이스.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 각 MmultiDM 구조(S_i)의 폭은 λ_min/2n_H보다 작으며, λ_min는 상기 스펙트럼 띠의 최소 파장이며, n_H는 가장 높은 지수의 유전체 물질의 굴절률인 디바이스.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 블레이드들은 국부적 위상 변이의 최대값이 2π이도록 결정된 주어진 높이(h)를 가지는 디바이스.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판(21)은 유전체 물질로 만들어지며, 상기 기판을 형성하는 유전체 물질은 상기 유전체 물질들 중 하나와 동일한 디바이스.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유전체 물질들 중 하나는 공기인 디바이스.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 블레이드들은 실질적으로 직선으로 이루어지고, MmultiDM 구조들은 주 방향으로 배열되는 디바이스.
10. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 블레이드들은 실질적으로 직선으로 이루어지고, MmultiDM 구조들은 적어도 2개의 주 방향으로 배열되는 디바이스.
11. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 블레이드들은 곡선으로 이루어지고, MmultiDM 구조들은 축선 대칭에 따라서 배열되는 디바이스.
12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 유전체 물질로 만들어진 블레이드들의 각각의 두께는 유용한 주어진 스펙트럼 띠에서의 광학 성분의 생성을 위해 추구된 광학 함수에 기초하여 계산된 위상 변이를 국부적으로 얻도록 조정되며, 상기 광학 함수는 상기 디바이스의 상기 수의 MmultiDM 구조 상에서 샘플링되는 디바이스.
13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 입사파면의 위상을 제어하기 위한 디바이스와 검출기를 포함하는 검출 시스템으로서, 상기 디바이스의 MMultiDM 구조(S_i)들이 파면의 위상의 국부적 변이를 도입하도록 치수화되고, 각 국부적 위상 변이가 볼록 렌즈의 광학 함수에 대응하는 광학 함수를 샘플링하는 것에 의해 결정되는 검출 시스템.
14. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 디바이스의 수단에 의해 광파면의 위상을 제어하기 위한 방법으로서,
    - 상기 디바이스의 모든 블레이드들을 커버하는 입사파면을 형성하도록 파면의 공간적 형상화,
    - 상기 파면 상에 국부적 위상 변이를 도입하는 것을 가능하게 하는 입사파면의 일부의 각각의 MMultiDM 구조에 의한 전송을 포함하는 방법.
15. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 입사파면의 위상을 제어하기 위한 디바이스를 제조하는 방법으로서,
    - 금속 물질로 만들어진 블레이드들의 부분에서 제1 세트의 슬릿들을 형성하도록 제1 유전체 물질의 층의 에칭,
    - 상기 슬릿의 부분에서 금속의 증착,
    - 제2 유전체 물질로 만들어진 블레이드들의 부분에서 제2 세트의 슬릿들을 형성하도록 상기 층의 에칭을 포함하는 방법.
16. 제15항에 있어서, 상기 방법은 제2 세트의 슬릿들의 상기 슬릿들의 부분에서, 유전체 물질로 만들어진 제2 물질의 증착을 포함하는 방법.
17. 제15항 또는 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 기판 상에서 제1 유전체 물질로 만들어진 상기 층의 증착의 예비 단계를 포함하는 방법.
18. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 입사파면의 위상을 제어하기 위한 디바이스를 제조하는 방법으로서,
    - 상기 세트의 블레이드들을 형성하기 위하여 금속 물질과 유전체 물질로 각각 만들어진 층들의 적층,
    - 제조된 적층의 절단 및 폴리싱 및 층들의 평면에 대해 실질적으로 직각으로 기판 상에 고정,
    - 상기 기판 반대의 면의 폴리싱을 포함하는 방법.

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