KR20170069253A - 방향-선택적 간섭계형 광필터 - Google Patents

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하르트무트 프뢰브
바딤 지. 리쎈코
마르카스 수드지우스
칼 레오
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테크니셰 유니베르시테트 드레스덴
테크니셰 유니베르시테트 드레스덴
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Abstract

본 발명은 분광 장치용 (방향-선택적 간섭계형 광 필터(30)에 관한 것이고, 2개의 층형 1차원적 광구조(36, 37; 25a, 25b)의 배열을 적어도 하나 포함하고, 각각의 2개의 광 구조(36, 37; 25a, 25b)는 결함층(32, 34)을 포함하고, 각각의 광 구조(36, 37; 25a, 25b)는 에너지 모멘텀 공간(E, kx, ky)에서 분산 함수(f1, f2)를 가지며, 이때 kx 및 ky는 에너지 모멘텀 공간(E, kx, ky)에서 한정된 에너지(주파수/파장)(E)에 대해 광 구조들(36, 37; 25a, 25b)의 투과된 광자들의 모멘텀 컴포넌트이며, 2개의 광구조들(36, 37; 25a, 25b)은 모두 서로로부터 평면적으로 평행인 거리(DD)에 있는 대향하는 계면(42, 43)을 구비한다. 이 경우, 2개의 광구조(36, 37; 25a, 25b)의 분산 함수(f1, f2)는 에너지 모멘텀 공간(E, kx, ky)에서 가로지르거나 교차하여, 특정 에너지(E)에서 분산 함수(f1, f2)의 표면상에 파동들의 광선의 컷 세트(A)를 생성하며, 파동들의 광선(A)은 한 각도에서 필터(30)에 의해 선택적으로 선택된 파동(11a, 11b)를 포함하고, 다른 각도에서의 다른 파동들(13a, 13b)은 필터(30)에 의해 반사된다.

Description

방향-선택적 간섭계형 광필터{DIRECTION-SELECTIVE INTERFEROMETRIC OPTICAL FILTER}
본 발명은 분광 장치에 대한,　방향성 간섭계형 광필터　(또는　DIOF)로도 지칭되는 방향 선택적인 간섭계형 광필터에 관한 것이다.
빛의 전파의 각도를 제한하는 재료 시스템은 자연-효과 조명(자연채광 효과),　프라이버시(디스플레이)　보호,　자동 이미지 분석,　감지기 및 해당 광원,　등을 포함하는 복수의 어플리케이션을 갖는다.
이전의 솔루션은 설계적으로 복잡하거나(예를 들어,　광자　3D　구조),　부적절한 특성(시각적 프라이버시 필름: ~30°의 각도 범위,　가시적인 선 구조)을 가지고 있다.
일반적으로,　이러한 광특성은 특정 전파 방향에 대해 밴드-갭을 갖고,　상기 밴드에서 적어도 하나의 이산 모드를 갖는 현실적인 3차원적 광학 구조에 의해 실현될 수 있다.　이러한 시스템에는,　일반적으로 다수의 이산 모드가 모멘텀 공간에 존재한다.　이러한 구조의 제조는 기술적으로 매우 까다롭고 비경제적이기 때문에,　모멘텀 공간에서의 모드 이산화는 가능한 어플리케이션들을 제한한다.
특허문헌 US　6,130,780 A1은 표면과,　상기 표면에 수직인 방향을 따라 굴절률이 달라지는 구조체를 포함하는 전방향성 반사체(omni-directional reflector) 및 그 제조 방법을 개시한다.　설명된 다층 구조의 결과로서 유도된 광학 밴드 구조는,　주어진 재료 및 특정 층 구조의 적절한 선택에 대해,　광자가 어떠한 입사각에서도 거의　100%　반사되는 주파수 범위가 존재한다는 것을 의미한다.
특허문헌　US 6,130,780 A1에 설명된 장치의 단점은,　반사된 주파수 범위 내에 좁은 밴드 또는 통과할 수 있는 밴드를 정의(방향 및 빛의 주파수)하는 장비가 없다는 것이다.
특허문헌 US 6 624 9454 B2에 설명된 전자기파 필터는 좁은 파장 범위 내에서 전자기 에너지의 투과를 허용하되,　다른 인접한 파장의 입사 전자기 에너지는 반사하며,　상기 필터는 결함으로서 적어도 하나의 공극　영역을 포함하며-　즉,　적어도　2개의 반사체 사이에 내장되는 주기적으로 구조화되는 층 스택(layer stack)　내에서의 층 두께 변화를 포함하며,　적어도 하나의 층 스택이 특허문헌　US 6,130,780 A에 따라 구현될 수 있다.
이러한 필터의 단점은 고정된 한정된 좁은 파장 범위의 투과에 대한 방향 제한이 없다는 것이다.　즉,　각각의 입사각에서 필터의 분산 조건을 만족하는 별도의 투과 범위가 있다.　결과적으로,　동일한 작동 원리로 파장 또는 방향의 사전-필터링이 발생할 수 있다.
다양한 파장을 필터링 하기 위한 유전체 재료로 된 층 스택들을 사용하는 또 다른 설비가 특허문헌 US 7,310,454 B2에 기술되어 있다.　이러한 경우,　두 광자 결정체는 반사체로서 소위 결함층(캐비티 공간/단층과 대등함)　주위에 배치된다.　광자 결정들은 층의 광학 두께(
Figure pct00001
)가 각각 일반적으로 설정 파장의　1/4과 동일한,　굴절률이 높은 재료와 낮은 재료를 교차함으로써 제조된다.　전술된 표현에서, di는 해당 층의 물리적 층의 두께이고, ni는 해당 층의 굴절률이다.　설정 파장은 장치의 원하는 동작점　(즉,　예를 들어,　최대 반사 또는 최대 투과의 영역)을 한정한다.
특허문헌 US 7,810,454 B2에 개시된 장치에서, 일 실시예에서는 광섬유를 통한 수직 결합과 함께, 가변적이고 변환 가능한 필터가 개시된다. 이를 달성하기 위해, 결함층은 전자적으로 또는 유사한 수단으로 제어 가능한 재료로 형성된다. 이로 인해, 투과 모드, 즉 필터 구조의 최대로 반사적인 광 정지 밴드(Maximally reflective optical stop band) 내에서 거의 방해 받지 않고 통과할 수 있는 필터 구조인 좁은 파장 범위는 전자기장 스펙트럼 내 특정 한계 내에서 시프트될 수 있다. 따라서, 가능한 파장 범위와 (광 섬유를 통한) 방향의 사전 제한을 감안하여, 전기적으로 제어 가능한 광 스위치가 생성될 수 있다. 추가적인 설계에서, 이산적으로 정의된 파장의 합성 신호가 상이하게 설계된 필터들의 시스템을 사용하여 그 구성요소로 분해된다.
이러한 모든 설계의 공통점은 방향 또는 파장과 관련하여 필터링될 신호의 사전 선택이 이루어져야 한다는 것이다.
또한, 넓은 파장 범위에서 최대한 균일한 투과 레벨을 제공하는 유전체 층으로 형성된 광필터의 이상적인 층 구조를 기술하는 문서, 예컨대 특허문헌 US 5,719,989 A가 존재한다. 이들은 고도의 정밀도로 적용되어야 하는 다수의 층(최대 몇 백 층)을 필요로 한다. 넓은 스펙트럼의 투과 범위 외에도, 예상한 대로 이 구조는 방향 제한을 구현하지 않는다.
특허문헌 US 6,859,321 B2에 결함층으로서 기술된 장치는 광자 결정으로서 설계된 두 반사체 사이의 공기층을 사용한다. 두 반사체는 일종의 커페시터 플레이트의 한 면에 각각 적용되기 때문에, 두 반사체 사이의 거리는 정전기적 인력에 따라 달라질 수 있다. 이 거리가 수㎛이기 때문에, 반사되는 파장 범위 내에서 모든 일련의 투과되는 모드가 있다. 또한, 방향 제한이 제거된다.
특허문헌 DE 10 2005 042 952 B3에서, 마이크로 공진기, THz 범위의 주파수를 갖는 방사선의 광도 조절을 생성하는 결함층과 두 반사체로 구성된 구조체가 사용된다. 이러한 장치에서 유전체 층의 스택의 사용은 비용 효율적이며, 단일 구조(monolithic design)는 콤팩트하고 견고한 광학 요소가 될 수 있도록 한다. 결함층 내의 광학적 이방성에 의해 광도 조절이 생성된다.
최종적으로, 특허문헌 US 6,115,401 A는 외부적인 레이저 공진기에서 공진 모드를 필터링하기 위한 유전체 층 스택들로 구성되는 필터 요소의 사용을 기술한다. 이러한 경우, 필터는 프리즘에 적용되고, 방사 빔에서 가변적으로 조정 가능한 (측면적/각도적) 위치에서 사용된다. 또한, 이때, 반사되는 파장 범위 내의 주어진 파장에서 각도가 지정되거나 또는 투과된 파장이 주어진 각도에서 지정되지만, 이 두 가지의 조합은 아닐 때, 마이크로 공동(micro-cavity)의 일반적으로 적용 가능한 분산 특성이 사용된다.
본 발명의 목적은 방향-선택적 간섭계형 광필터로서, 간단히 대량 생산될 수 있는 콤팩트한 필터를 나타내는 방식으로 적절하게 설계되고, 선택된 특정 구조에 따라 달라지고, 넓은 스펙트럼 밴드의 광 신호(수백nm)를 반사시키고, 좁은 스펙트럼 파장 범위(2nm 내지 5nm)만이 설정된 제한된 각도 범위(5° 내지 10°) 내에서 통과할 수 있도록 하는, 방항-선택적 간섭계형 광필터를 특정하는 것이다. 점 모양의 광원의 경우, 선택된 필터의 설계에 따라, 투과되는 파장 범위는 0도의 제한적인 경우가지, 정확하게 정의된 개방 각도를 갖는 공간상의 원 추형(원뿔형) 표면을 나타낸다.
　본 발명의 목적은, 두 층의 1차원적 광구조의 배열을 적어도 하나 포함하는 방향-선택적 간섭계형 광필터로서, 두 구조의 각각이 결함층을 포함하고, 각각의 광구조는 에너지 모멘텀 공간(E, kx, ky)에서 분산 함수(f1, f2)를 포함하고, 여기서 kx 와 ky는 에너지 모멘텀 공간(E, kx, ky)에서 한정된 에너지(E)에 대한 광구조들의 투과된 광자들의 모멘텀 컴포넌트이고, 두 광구조는 모두 서로에게서 평면적으로 평행한 거리에 있는 대향하는 계면들을 가지며, 특허청구범위 제1항의 특징부에 따라 두 광구조의 분산 함수(f1, f2)는 에너지 모멘텀 공간(E, kx, ky)에서 가로지르거나 교차하여, 특정 에너지(E)에서 분산 함수(f1, f2)의 표면상에 파동의 광선의 컷 세트(cut set, A)를 생성하며, 파동의 컷 세트(A)로부터의 광선은 필터를 통해 선택적으로 선택된 한 각도에서의 파동들은 포함하고, 다른 각도에서의 파들은 필터에 의해 반사되는, 방향-선택적 간섭계형 광필터에 의해 달성된다.
서로 마주보는 계면들 사이의 평행한 평면의 간극에, 예를 들어 광 구조들의 계면에 인접하는 공극 또는 공기 쿠션의 형태로, 스페이서 또는 매질이 선택적으로 배치될 수 있다. 기체 매질의 경우, 계면 사이의 평면적인 평행 간극은 예를 들어 스페이서들을 사용하여 생성될 수 있다.
본 발명에 따른 필터는 두 층의 1차원적 광구조를 포함할 수 있으며, 두 구조들은 각각 적어도 두 반사층을 구비하며, 광 구조의 두 거울 층은 적어도 하나의 결함층에 의해 연결되고, 스페이서 또는 매질가 두 구조체를 일정간격으로 평면적으로 평행한 방식으로 연결 및 가간섭적으로 분리하며, 공진 모드에 대해 두 광구조들에 의해 유도되는 분산 포물선들은 일반적으로
Figure pct00002
및
Figure pct00003
를 만족하고, 선택된 에너지에 대한 함수
Figure pct00004
및
Figure pct00005
는 포물선 영역들의 교차 영역(A) - 각 교차 영역(26) (
Figure pct00006
인 영역) - 을 산출하며, 각도로 입사하는 파들에 대한 빔 경로(A)가 방향-선택적으로 필터를 통해 투과하는 파들을 포함한다.
본 발명의 범위 내에서, 본 발명에 따른 방향-선택적 간섭계형 광필터는 UV/VIS 내의 전자기적 방사선의 광대역 연속체로부터 수nm의 좁은 밴드IR 범위가 선택되도록 하는 필수 구성요소/장치를 나타내며, 입사각이 5° 내지 10°의 좁은 각도 범위 내에 있을 때, 그 구성요소가 사실상 방해받지 않고 통과할 수 있고, 그 외 스펙트럼은 전방향으로 거의 완전히 반사된다.
사용된 작용원리는 간섭계이다. 즉, 장치의 광학적 특성(투과반사, 위상적 거동(phase behavior))은 부분파의 다중의 중첩과 그들의 상호 부분 상쇄 및 증폭으로부터 발생한다.
본 발명에 따르면, 광구조들은 광자들과 상호작용하고 통상적으로 적어도 일부 구간에서 규칙적이거나 공간적 또는 기하학적 주기성을 포함하는 물질, 메타물질 또는 마이크로-구조체의 배열을 나타낸다. 이들은 자연적으로(예를 들어, 나비의 날개), 또는 인위적으로(예를 들어, 안경용 반사 방지층) 생성될 수 있다. 이들의 전형적인 특징은 빛의 파장의 동일한 크기(즉, 수십nm에서 수백nm까지)의 적어도 한 공간적 방향을 따른 특성의 변화(예를 들어, 광학적 굴절률)이다.
규칙성/주기성에 의해, 고체상 이론에서 결정체 구조들의 처리와의 유사성이 만들어질 수 있기 때문에, 광구조들은 광자 결정이라는 용어로도 지정될 수 있다. 이들의 차원은 광자적으로 유효한 변화를 갖는 공간적 방향의 수를 나타낸다. 즉, 1차원적 광자 결정은 한 공간적 방향으로만(예를 들어, 위쪽) 굴절률 변화를 겪고, 다른 두 공간적 방향으로는(평면에서) 변화가 없다.
본 발명의 범위 내에서, 층을 이루는 구조들은 서로 연결된 일련의 재료층(예를 들어, 금속 산화물, 금속, 폴리머, 유기 분자들 등)으로, 각각의 재료층은 수mm2 내지 수백cm2의 표면적과 10nm 미만으로부터 수백nm의 크기의 일정한 두께를 가지며, 두 재료들 사이에는 각각에 정확하게 하나의 계면이 생성되고, 그 면적은 그로부터 아주 약간만 벗어난다. 두개 이상의 층을 구비하는 광구조의 연속적인 계면은 서로에 대해 평면적으로 평행하다. 이들 층의 크기의 비율 때문에, 층들은 필름으로서도 지정된다.
이러한 필름들의 제조 과정은 예컨대 진공 승화, 스퍼터링 방법, 원심 분리 방법 및 액침법과 같은, 최신 기술의 모든 방법을 포함할 수 있다.
본 발명의 범위 내의 반사 거울층은 유전체 거울로도 지칭되는 고도로 반사성인 광구조를 나타내며, 간섭 효과로 인해 넓은 스펙트럼 밴드(수십nm 내지 수백nm) 내에서 높은 비율의 방사선(거의 100%)이 완전히 반사된다. 금속성 거울과는 달리, 효율은 100%에 가까우며, 이는 방사선이 전혀, 거의 전혀 흡수되지 않기 때문이다. 단순하게 설계된 유전체 거울은 관련 파장범위에 대해 투명하고 각각의 굴절률이 서로 다른 재료로 구성된 층들의 교대 시퀀스로 구성된다. 예를 들어, 가시 스펙트럼에서, 이들은 이산화규소(n_SiO2=1.46) 및 이산화티탄(n_TiO2=2.4 - 2.6)재료들이며, 각각의 경우 반사되는 최대 파장의 1/4의 광학 두께(
Figure pct00007
)로 조정된다. 교대 층의 쌍의 수가 7 내지 9인 경우, 99%보다 큰 반사값을 획득할 수 있다. 수백nm의 넓은 스펙트럼 범위에서 특정 반사 거동을 조정하기 위해 정밀하게 계산된 층 두께 편차를 갖는 추가적인 층 또는 층 스택이 추가될 수 있다.
본 발명의 내용의 결함층은 광자 결정 내의 결함을 나타낸다. 이상적인 결정체는 규칙적이고 주기적으로 반복되는 기하학적 구조를 구비한다. 주기성의 붕괴는 결함으로 지정되고, 그로 인해 층 구조로 전환되면, 이것은 예를 들어 물질의 규칙적인 배열 및/또는 두께에서의 결함이 있음을 뜻하게 된다. 이 결함은, 예를 들어 전술한 바와 같이, 유전체 거울의 경우, 파장의 1/4의 광학 두께 층을 파장의 1/2 두께 층으로 대체될 수 있다.
본 발명의 내용에서, 스페이서 또는 매질은 한편으로는 필터링 될 빛의 파장에 대해 충분히 투명한, 서로 평면적으로 평행하게 정렬된 적어도 두 평면을 구비하는 고체를 지칭하며, 예를 들어 이는 유리판, 폴리머 층, 반도체 웨이퍼 또는 그와 유사한 것들을 포함한다. 다른 한편으로, 두 광구조가 서로로부터 평행한 거리를 두고 고정된 평면에 배열되기만 한다면, 기체 또는 액체 매질이 이들 사이에 위치할 수 있다. 예를 들어, 이것은 규칙적으로 삽입된 스페이서들에 의해 구현될 수 있다.
본 발명과 관련하여, 분산 포물선은 전술된 결함층과 광구조들의 분산 관계의 곡선에 대한 설명을 지칭한다. 일반적으로, 분산 관계는 에너지(주파수/파장)와 광자들의 모멘텀(그들의 방향) 사이의 관계를 설명한다. 진공 상태에서 상호작용이 없는 광자들의 경우, 그래프는 선형적으로 증가하는 직선이지만, 결함층을 갖는 광구조는 포물선 모양을 유도한다.
본 발명과 관련하여, 공진 모드는 결함층에 의해 유도되는 광구조의 고유 진동을 지칭한다. 이는 예를 들어, 높은 좁은 밴드 투과로써 표현되고, 예를 들어, 공간적 크기 또는 결함층의 구성에 의해 스펙트럼 적으로 조정될 수 있다. 광구조는 하나 이상의 공진 모드를 가질 수 있으며, 이들은 일반적으로, 유전체 거울들이 완전히 반사시키는 스펙트럼 밴드의 중심에 위치하도록 하는 구조의 설계 및 구현에서 조정된다.
계면층에서의 내부 전반사 조건에서의 각각 관찰 방향에 대해, 공진 모드는 분산 관계에 따라 더 높은 에너지로 시프트된다.
본 발명과 관련하여, 포물선 영역들의 교차 영역은 제2 광구조의 분산 함수(f2)와 제1 광구조의 분산 함수(f1)가, f2가 f2보다 에너지 모멘텀 공간(E-kx-ky)에서 더 개방된 포물선을 나타내는 방식으로 구성된다는 사실에 의해 발생되며, 이때 f2의 꼭짓점은 f1의 꼭짓점보다 에너지적으로 더 높거나 f1의 꼭짓점과 일치한다. 거리는 광자들의 모멘텀 컴포넌트들의 교차영역이 여전히 내부 전반사 조건에 있도록 선택되어야 한다. f1의 꼭짓점과 f2의 꼭짓점이 일치하는 제한적인 경우에 있어서, 두 광구조는 직각으로 입사되는 빛 투과시키지만, 경사지도록 입사되는 빛은 조건 f1 또는 f2를 만족하지 못하므로 반사된다.
매질이 층형의 스페이서 층으로서 설계되는 경우, 스페이서 층은 두 광구조의 마주보는 계면 층 사이에 배치되며, 두 광구조는 층형 스페이서 부재의 양측 표면에 적용된다.
적어도 하나의 광 구조와 면적으로 접촉하는 적어도 하나의 기판이 있을 수 있다.
스페이서는 또한, 층을 나타낼 수 있다.
층형 1-차원적 광구조는 교대로 배열되고 반사성 유전체 거울층을 나타내는 적어도 두 개의 유전체 재료 층으로 구성되며, 재료층들은 필터의 전체 작동 스펙트럼에 걸쳐 서로 다른 유전체 특성을 가지며, 재료층들의 두께(D)는 특정 필터 모드 주변의 광학 차단 영역을 유도하는 방식으로 설계된다.
광자 결정의 형태의 층형 1차원적 광구조는 특정 필터 모드의 증폭을 야기하는 적어도 하나의 결함층을 구비하고, 특정 굴절률을 갖는 유전체 재료층으로서 설계되는 두 유전체 거울 사이에 결함층이 위치된다.
결함층은 고정된 광학 두께(d) 또는 가변적 광학 두께(d)를 가질 수 있다.
두 층형 1차원적 광구조 내의 결함층들은 서로 다른 굴절률을 가질 수 있다.
두 층형 1차원적 광구조 내의 결함층들의 광학 두께(d)는 동일한 광학 두께(d)를 가질 수 있거나, 1/2 파장의 정수 배수만큼 차이날 수 있거나, 또는 이러한 값들과 다르게 설계될 수 있다.
두 광구조 사이에 평면의 평행한 간극을 형성하는 장치인 스페이서 또는 매질은 방향-선택적 간섭계형 광필터의 공진 주파수 조건에서 광학적으로 투명하고, 광학두께(DD)를 갖는다. 광학 두께(DD)는 두 광구조의 결합 메커니즘을 제어한다. 이 두께(DD)가 필터에 의해 분석될 광원으로부터의 입사 광빔의 가간섭성 길이(LED: 수십㎛, 레이저: mm-km)보다 매우 작은 경우, 두 광구조는 가간섭적으로 결합되어, 단일 복합 광 시스템(single complex photonic system)으로서 작용한다. 이는 일반적으로, 두 배로 열화되는 DIOF 모드를 야기하고, 스펙트럼과 방향-의존적 공진을 넓힌다. 이는 시스템의 필터 효과를 상당히 감소시킨다. 광학 두께(DD)가 두 광구조의 공진 조건을 만족하는 입사 광빔의 가간섭성 길이보다 큰 경우, 두 광자구조는 서로로부터 분리되어 두 개의 독립적인 시스템으로서 작용한다. 도시된 시뮬레이션과 측정 결과들에 대해서는, 후자의 경우로 가정된다.
스페이서/매질은 필터의 특정 동작 모드를 보장하는 기계적 특성을 가질 수 있으며, 스페이서는 그 양 표면에 각각 부착되는 두 광구조에 대해 투명 기판으로서 장착된다.
기판/매질은 특정 필터 모드의 공진 주파수 조건에서 광학적으로 투명하고, 이 특정 필터 모드에서/에 따라 방향-선택적 간섭계형 광필터가 생성 또는 부착될 수 있다.
청구범위 제12항의 특징부에 따른, 방향-선택적 간섭계형 광필터를 구비하는 장치는 적어도 하나의 광원과 검출기를 포함하며, 그 사이에 방향-선택적 간섭계형 광필터가 배치되고, 방향-선택적 간섭계형 광필터는, 필터와 상호작용 적인 정합 진행방향의 필터에 대한 공진 광자의 파동, 필터와 상호작용 후인 정합 진행방향의 필터에 대한 공진 광자의 파동, 필터와 상호작용 전인 정합 진행방향의 필터에 대한 비-공진 광자의 파동, 필터와 상호작용 후인 정합 진행방향의 필터에 대한 비-공진 광자의 파동, 필터와 상호작용 전인 비-정합 진행방향의 필터에 대한 공진 광자의 파동, 그리고 필터와 상호작용 후인 비-정합 진행방향의 필터에 대한 공진 광자의 파동이 있도록 설계된다.
중심 아이디어는 스페이서로서 작용하는 기판을 통해 연결되는 적어도 두 개의 광자 결정의 형태의 광자 구조의 간섭계적 효과를 이용하는 것이다. 이 과정은 광자 결정이 특정 구조와 재료 및 재료의 광학 특성들에 따라 형상이 달라지는 방향-의존적 투과 곡선(분산)을 갖는 투명 파장 밴드(모드)를 갖는다는 사실을 이용한다. 다른 분산 관계를 갖는 광자 결정들이 결합되면, 두 분산 관계의 오버랩의 비-대응/부재의 경우에 투과된 신호의 상호 상쇄에 의해 좁은 각도 범위 및 좁은 파장 범위(즉, 분산 곡선들의 교차점)에서만 필터를 투명하게 할 수 있게 된다. 그 외 모든 방향 및 공간적 범위는 방사 광원의 방향으로 다시 반사된다.
본 발명에 따른 필터를 사용할 때, 검출기 장치는 적어도 큰-면적 광 검출기와 본 발명에 따른 필터로 구성될 수 있으며, 필터는 광 검출기의 표면에 직접적으로 장착되거나, 광 검출기에 고정되며, 필터는 광-방출 매체와 광 검출기 사이에 배치된다.
광자 구조들은 서로 유사한 각도-의존성 분산 관계를 가지면서, 동시에 필터에 수직인 평면에서 서로 다른 전파 속도를 가지도록 설계된다. 두 광자 구조의 컷오프 주파수(시스템의 최저 공진 주파수)는 결함층의 두께와 그 굴절률에 의해 한정된다. 다른 한편으로, 평면에서 진행방향 컴포넌트는 결함층의 환경에서의 위상 지연의 진폭에 따라 달라진다. 이는 광학 층 구조의 정확한 선택과 재료의 선택에 의해 제어될 수 있다.
이는 평면에 구조가 없고, 내부에 전자기장의 추가 증폭이 없더라도, 필터가 실제로 삼-차원적 광 구조로서 작동함을 의미한다.
본 발명의 확장 및 추가적인 실시예들은 청구범위의 종속항에서 특정된다.
본 발명은 예시적인 실시예와 다수의 도면을 참조하여,　더욱 상세하게 설명된다.
도　1은 본 발명에 따른 방향 선택적 간섭계형 광필터의 동작 원리에 대한 개략도이다.
도　2는 본 발명에 따른 방향 선택적 간섭계형 광필터의 개략적인 측면도이다.
도　3은,　1차원적 광구조들의 분산 의존성(분산 함수(f1, f2))이　
Figure pct00008
로써 주어질 때, 각 분산(angular dispersion)의 서로 다른 포물선 영역들　간의 관계를 도　3A에,　그리고 일반적인 경우에 필터에서의 빔 경로들을 도　3B에 나타낸다.
도　4는, 2개의 1차원적 광구조의 분산 의존성이　
Figure pct00009
으로써 주어질 때,　각 분산의 서로 다른 영역들 간의 관계를 도　4A에,　그리고 특별한 경우에 필터에서의 빔 경로들을 도　4B에 나타낸다.
도 5는 공기에서 전파각도와 광자 에너지의 함수로서 편광된 빛에 대한 방향-선택적 간섭계형 광필터의 계산된 투과 곡선이며, 방향-선택적 간섭계형 광필터는 그 공진 모드가 거울의 광자 차단 범위의 중앙에 위치되고 12°의 제한된 수용각 범위를 갖도록 설계된다.
도 6은 공기에서 전파각도와 광자 에너지의 함수로서 편광된 빛에 대한 방향-선택적 간섭계형 광필터의 계산된 투과 곡선이며, 방향-선택적 간섭계형 광필터는 그 공진 모드가 약 40°에 위치하고 12°의 수용각 범위를 갖도록 설계된다.
도　7은　SiO2/TiO2　구조로 측정되고 필터에 기초하는 각도에 따른 스펙트럼 함수를 나타낸 것이며,　필터는　25°에서 최대이고,　모든 다른 각도에서 강하게 약화되는 공진 투과를 나타내는 방식으로 설계된다.
도　8은　SiO2/TiO2　구조로 측정되고 필터에 기초하는 각도에 따른 스펙트럼 함수를 나타낸 것이며,　필터는 약　0°에서 최대이고, 25°의 수광각을 가지며,　더 높은 각도에서 강하게 약화되는 공진 투과를 나타내는 방식으로 설계된다.
이후 내용에서,　도　1,　도　2　및 도　3은 함께 설명될 것이다.　도　1은 본 발명에 따른　(예를 들어,　분광장치에 대한)　방향 선택적 간섭계형 광필터(30)의 실시예와 작동원리를 개략적으로 도시한다.　분광 장치에 대한 방향-　선택적 간섭계형 광필터(30)는 두 층의　1-차원적 광구조(photonic structure)(36, 37; 25a, 25b)의 배열을 적어도 하나 포함하고,　이들 구조(36, 37; 25a, 25b)　각각은 결함층(32, 35)를 포함하고,　각각의 광구조(36, 37; 25a, 25b)는 도　3에 도시된,　에너지 모멘텀 공간(E, kx, ky)에서의 분산 함수(f1, f2)를 가지며,　이때kx　및　ky는 에너지 모멘텀 공간(E, kx, ky)에서 특정 에너지(주파수/파장)(E)에 대한 광구조(36, 37; 25a, 25b)의 통과된 광자들의 모멘텀 성분을 나타내고,　두 광자 구조(36, 37; 25a, 25b)는 모두 서로에게서 거리(DD)만큼 이격된 평행한 평면을 구비하는,　대향하는 경계면을 구비한다.
본 발명에 따르면,　도　3에 도시된 두 광자 구조(36, 37; 25a, 25b)의 분산 함수(f1, f2)들은 에너지 모멘텀 공간(E, kx, ky)에서 가로지르거나 교차하여,　특정 에너지(E)에서의 분산 함수(f1, f2)의 표면 상에 파동의 광선에 대한 컷 세트(A)를 생성하며,　한 각도에서 파동의 컷 세트(A)로부터의 광선은 필터(30)를 통해 선택적으로 선택된 파동(11a, 11b)을 포함하며,　다른 각도에서의 다른 파동(13a, 13b)은 필터(30)에 의해 반사된다.
도1에 도시된,　방향 선택적 간섭계형 광필터(30)를 구비하는 장치(1)는 광원(10a)　및 검파기(detector, 10b)을 포함하며,　광원(10a)　및 검파기(10b)　사이에 적어도 방향-선택적 간섭계형 광필터(30)가 배치된다.
방향 선택적 간섭계형 광필터(30)는,　필터(30)와의 상호작용 전인 정합(matching)　진행 방향의,　필터에 대한 공진 광자의 파동(11a),　필터(30)와의 상호작용 후인 정합 진행 방향의,　필터에 대한 공진 광자의 파동(11b),　필터(30)와의 상호작용 전인 정합 진행 방향의,　필터에 대한 비-공진 광자의 파동(12a),　필터(30)와의 상호작용 후인 정합 진행 방향의,　필터에 대한 비-공진 광자의 파동(12b),　필터(30)와의 상호작용 전인 비-정합 진행 방향의,　필터에 대한 공진 광자의 파동(13a),　필터(30)와의 상호작용 후인 비-정합 진행 방향의,　필터에 대한 공진 광자의 파동(13b)가 있도록 설계된다.
필터(30)에 수직으로 입사하고,　특정 에너지로 충전되며,　특정한 파향(진행방향)이 주어지는,　광원(10a)으로부터의 광자 빔(11a)만이,　필터(30)를 통과할 수 있다.　이외의 모든 광자 빔들은 필터(30)에 의해 반대 방향으로 반사된다.　예를 들어,　통과된 광자 빔(11a)과 동일한 에너지를 갖지만,　통과된 광자 빔(11a)과는 다르게 입사면(40)에 경사진 방향으로 전파되는 광자 빔(13a)은 필터(30)에 의해 광원(10a)의 방향으로 파동(13b)으로서 반사된다.
본 발명에 따른 필터(30)의 예시적인 구조는 도　2에 개시적으로 도시된다.
도　2의 방향-선택적 간섭계형 광필터(30)는　2개의 층의 1차원적 광구조(36, 37)의 배열을 적어도 하나 포함하며,　그 중 하나의 구조(36)는 적어도　2개의 반사 거울층(31a, 31b)을 포함하고,　다른 하나의 구조(37)는 적어도　2개의 반사 거울층(31c, 31d)을 포함하며, 2개의 광구조(36, 37)를 연결하는 층형 스페이서 부재는 거리(DD)에 동일한 두께(33)를 가지며,　이들　2개의 광구조(36, 37)는 스페이서피스(33)의 양 측면(38, 39)에 접한다.
대안적으로,　광구조(37)의 외측 표면(41)에 직접 접촉하는 기판(35)이 적용될 수 있다.
그러므로,　도　2는,　교대로 배열되는 반사 유전체 거울들을 나타내는적어도　2개의 층(31a, 31b; 31c, 31d)으로 구성되는 층형 1차원적 광 구조(36, 37)를 도시하며,　거울층들(31a, 31b)의 사이 및 거울층들(31c, 31d)의 사이에는 각각 하나의 결함층(32, 34)이 배치되고,　거울층들(31a, 31b)　및 거울층들(31c, 31d)은 필터(30)의 작동 스펙트럼 전체에 걸쳐,　서로 다른 굴절률과,　서로 다른 유전체 특성을 가지며,　거울층들(31a, 31b)의 두께는 특정 필터 모드(60)　주위의 차단 영역(52)의 확대를 유도하는 방식으로 설계된다.
도　2에 도시된 층형 1차원적 광구조들(36, 37)은 특정 필터 모드(60)의 증폭을 초래하는 결함층(32; 34)을 구비하고,　각각 하나의 결함층(32, 34)이　2개의 유전체 거울층(31a, 31b　및　31c, 31d)　사이에 배치되며,　거울층들(31a, 31b　및　31c, 31d)은 각각 특정 굴절률을 갖는 유전체로서 설계된다.
결함층(32, 34)은 고정된 광학 두께(d)　또는 가변적 광학 두께(d)를 갖는다.
2개의 층형 1차원적 광구조(36, 37)　내에 사용되는 결함층들(32, 34)은 서로 다른 굴절률을 가질 수 있다.
2개의 층형 1차원적 광구조(36, 37)　내의 결함층들(32, 34)의 광학 두께(d)는 동일한 광학 두께이거나,　반 파장에 정수를 곱한 만큼 차이가 나거나,　또는 이들과는 다른　(몇%만큼 차이 나는)값으로 설계될 수 있다.　도　2에서,　예를 들어 결함층들(32, 34)은 각각 서로 다른 두께(d32, d34)를 갖는다.
2개의 광구조(36, 37)　사이의 스페이서(33)는 필터(30)의 공진 주파수 조건에서 광학적으로 투명하며, 필터(30)에 의해 분석되는 광원(10a)으로부터의 입사 광빔(11a)의 가간섭성 길이보다 큰 광학 두께(DD)를 가질 수 있다.
방향-선택적 간섭계형 광필터(30)에 따라(또는,　방향-선택적 간섭계형 광필터(30)에)　생산되는 또는 부착되는 기판(35)은 특정 필터 모드(60)의 공진 주파수 조건에서 광학적으로 투명하다.　기판(35)은 반드시 필요한 것은 아니지만,　필터(30)에 대한 안정화 지지체로서의 기능을 할 수 있다.
스페이서(33)는 필터(30)의 특정 작동 모드를 보장하는 기계적 특성을 가지며,　스페이서(33)의 양측 표면(38, 39)에 각각 부착되는　2개의 광 구조(36, 37)　모드에 대한 투명 기판으로서 설치된다.
아래에서,　작동 원리에 대해 구체적으로 설명된다.
필터(30)를 구현하기 위해, 2개의 큰 면적의 1차원적 광자 결정 형태의 광구조(36, 37)의 배열이 사용되며, 2개의 광구조(36, 37)는 모두 결함층(32, 34)을 포함하며,　각각의 결함층(32, 34)은 공극층으로서 표현될 수 있다. 2개의 구조물(36, 37)　모두에서,　도　3　및 도　4에 따른 전자기장(E)은 거울층(31a, 31b　및31c, 31d)에 수직인 공간 방향을 따라 감쇠하며,　기본 특정 필터 모드(60)(fundamental specified filter mode)는 공극면에 분산된 광자 모드의 연속체의 시작(부)이다.
하지만,　1차원적 광자 결정(36, 37)의 특정 배열에 따라,　그에 대응하는 내부 평면-진행 벡터들은 외부 진행각도의 함수와는 다른 특성(behavior)을 나타낼 수 있고,　기본 필터 모드(60)와 관련하여 다른 분산 조건을 유도할 수 있다.　결과적으로,　빛이 이러한　2개의 평행하게 배치된 광구조(36, 37)의 배열을 통해 진행하면,　상기 배열에 대한 분산 관계는 이산되고,　조절을 특정각도에 제한한다.　이러한 의미에서,　이러한 배열은 실제로 광 리미터의 내부 표면을 구비하지 않고,　내부 전자기장(C)의 추가 증가를 유발하지 않지만,　단순하게 실제　3D-제한적 광 배열과 정확히 똑같이 동작한다.　하지만,　이러한 준　3D-제한적인 1차원적 배열은 실제　3D-광자 결정과 비교하여 매우 명확하고,　식별 가능한 이점을 갖는다.　큰 면적의 준-3D　광필터는 광구조(36, 37)가　1차원(배열에서 가장 짧음)을 통해서만 제어될 수 있기 때문에,　생산하기가 쉽다.
도　3은,　1차원적 광구조(36, 37)의 분산 의존성(분산 함수(f1, f2))이　
Figure pct00010
로써 주어질 때, 각 분산(angular dispersion)의 서로 다른 포물선 영역들(25a, 25b)　간의 관계를 도　3A에,　그리고 일반적인 경우에 필터(30)에서의 빔 경로(A, B, C)를 도　3B에 나타낸다.　이때, kx　및　ky는 평면에서 광자들의 모멘텀 컴포넌트이다.
포물선 영역(25a, 25b)의 교차 영역(A)에서,　각 교차 영역(angular intersection region, 26)이 획득되며,이 영역에서 한 각도로 입사된 파(11a)에 대한 빔 경로(A)는 필터(30)를 통과한 파(11b)를 갖는다.
본 발명의 내용 내의 포물선 영역의 교차 영역(A)은,　도　3에 도시된 제2　광구조(결정체)의 함수(f2)와 제1　광구조(결정체)의 함수(f1)에 있어서,　함수(f2)가 에너지 모멘텀 공간(E, kx　, ky)에서 함수(f1)의 꼭짓점보다 에너지적으로 더 높거나 일치하는 꼭짓점을 갖고,　더 개방된 포물선을 나타내도록 구성되기 때문에 발생한다.　거리는 광자들의 모멘텀 컴포넌트의 교차 영역이 여전히 전체 내부 반사 조건 아래에 있도록 선택되어야 한다.　꼭짓점(f1)과 꼭짓점(f2)의 일치가 제한되는 경우, 2개의 광 구조(결정체)는 모두,　수직 입사광은 통과시키지만,　비스듬한 입사광은　f1　또는　f2의 조건을 만족하지 못하므로 반사된다.
도　4는, 2개의 1차원적 광 구조의 분산 의존성이　
Figure pct00011
으로써 주어질 때,　각 분산의 서로 다른 영역들 사이의 관계를 도　4A에,　그리고 특별한 경우에 필터(30)에서의 빔 경로(A, B, C)를 도　4B에 나타낸다.
포물선 영역들(25a, 25b)의 교차 영역(A)에서,　각 교차 영역(26)이 포물선 영역들(25a, 25b)의 꼭짓점에 획득되고,　이 영역(26)에서 수직으로 입사되는 파동(11a)에 대한 빔 경로(A)는 필터(30)를 통과하는 파동(11b)을 가지며 수직 입사에서 특별한 경우를 나타낸다.
도　3　및 도　4에서,　광구조(36, 37)는 결정체를 나타내며,　제1　광구조(36)는 제1　분산을 갖는 제1　큰-면적 1차원적 광 결정체(20a)이고,　제2　광구조(37)는 제2　분산을 갖는 제2　큰-면적 1차원적 광 결정체(20b)이다.
도　5는 편광에 대한 방향-선택적 간섭계형 광필터(30)의 계산된 투과 곡선을 공기 중 광자 에너지와 진행 각도의 함수로서 도시하며,　방향-선택적 간섭계형 광필터(30)는 필터(30)의 공진 모드가 거울의 광 차단 범위(52)의 중앙에 놓이고, 12도(°)의 제한된 수용각을 갖도록 설계된다.　이 계산에는 전달행렬법(transfer matrix method)이 사용된다.　이러한 모델의 필터들은 가시 스펙트럼에서 과학적으로 투명한 유전체 재료만으로 구성된다.　전체　DIOF　구조는 서로 다른 두께의 이산화규소(SIO2)층들과 이산화티탄(TiO2)층들의 배열로 구성된다. 이러한 시뮬레이션에서,　유전체 마이크로　공진기(dielectric microresonators)들이,　두꺼운 이산화규소(SiO2)층으로 이루어진 스페이서(33)의 양 측면에 1차원적 광 구조(36, 37)를 형성한다.　모든 거울들은 각각 650nm의 설계 파장에서　7층 쌍을 갖는　DBR로서 설계된다.　공진층(결함층)은 이산화규소와 이산화티탄으로 구성되며,　광학 층 두께가　(650nm에서)　λ/2　또는 λ이다.
도　6도 편광에 대한 방향-선택적 간섭계형 광필터(30)의 계산된 투과 곡선을 공기 중 광자 에너지와 진행 각도의 함수로서 도시하며,　방향-선택적 간섭계형 광필터(30)는,　필터(30)의 공진 모드가 약　40도(°)에 위치하고,약　40도(°)의 각 수용 범위(71)를 갖도록 설계된다.　이러한 경우,　공진층의 층 두께는,　이산화티탄의 경우2.07　λ/4,　이산화규소의 경우　1.93　λ/4이다.　이러한, 2개의 마이크로　공진기의 차단 주파수의 이조 외에도,　두 구조의 상당히 다른 굴절률(650nm에서 이산화 티탄의 경우　~2.2,　이산화규소의 경우　~1.46)은　k>0　에서 두 분산 포물선의 서로 다른 곡률을 보장한다.
도　5　및 도　6은 저-에너지 측 밴드(51)와 고-에너지 측 밴드(53)를 도시한다.　이들 사이에는 차단 영역(52)이 있다.　차단 영역(52)은 각도 비-수용 범위(72)와 각도 수용 범위(71)를 포함한다.　도　5에서 각도 수용 범위(71)는 약　12도(12°)이고,　각도 비-수용 범위(72)는 약　46도(46°)이다.　도　6에서 각도 수용 범위(71)는 약　4도(4°)이고,　각도 비-수용 범위는 형성된 영역(72a)에서는 약　38도(38°),　형성된 영역(72b)에서는 약33도(33°)이다.
도　6에서,　약　4도(4°)의 수용 범위(71)는 두 영역(72c, 72b)　사이에 위치한다.　수용 범위(71)는 또한,　필터 모드(60)를 포함한다.
도　7은　SiO2/TiO2　구조(36, 37)로 측정되고,　본 발명에 따른 필터(30)에 기초하는 각도-분해된 스펙트럼 함수의 예시를 나타내며,　필터(30)는　10°의 수용각으로 약　25°에서 공진 투과 최대치를 나타내고,　그 외 모든 각도에서 강하게 감쇠하는 방식으로 설계된다.
도　8은　SiO2/TiO2　구조(36, 37)로 측정되고,　본 발명에 따른 필터(30)에 기초하는 각도-분해된 스펙트럼 함수의 예시를 나타내며,　필터(30)는　20도의 수용각으로 약　0도에서 공진 투과 최대치를 나타내고,　그보다 높은 각도에서 강하게 감쇠하는 방식으로 설계된다.
본 발명에 따른 필터(30)의 작동 모드에 독점적으로 기초하는,　광범위한 다양한 어플리케이션이 가능하다. 예를 들어,　특정 필터 모드의 작은 수용각을 갖는 큰-면적 필터들을 생산하기 위해서 원형 대칭이 제한되고, 예를 들어, (가장 일반적인 어플리케이션으로)　프라이버시 보호,　민감도 상승,　그리고 에러 검출을 위한 큰 각도 범위를 거쳐 큰-면적 필터를 제어하기 위해서 사용될 수 있다.
이 필터는 적어도 두 큰-면적 광 구조를 구비한다.　이 필터는 파장 및 편광 선택성 이외에, 방향성 제한이 추가된다는 점을 제외하면 종래의 간섭계형 광필터와 많은 면에서 동일하게 작동한다. 이는, 이 필터가 제한된 각도 범위에 대한 공명 조건을 만족하는 광자들을 투과하고, 그 외의 각도에서는 투과(propagation)를 효과적으로 억제할 수 있음을 의미한다. 투과 방향은 필터 법선에 축 대칭이며, 광 구조의 설계에 의해 (능동적으로 또는 수동적으로) 조정될 수 있다. 이는, 광자들이 수직 입사할 때만 투과되는 특수한 경우를 포함한다.
거울들(31a, 31b; 31c, 31d)은 필터(30)에 있어서 매우 중요한 역할을 한다. 엄밀히 말하면, 거울들은 빛이 거울의 특정 침투 깊이까지 침투할 수 있고 그 과정에서 반사 후에 위상 시프트를 겪는, 광 구조(예를 들어, 유전체 거울)여야 한다. 두 구조(36, 37)에서, 빛의 위상에 대한 영향은 서로 달라야 하며, 이는 서로 다른 분산관계 곡선을 유도한다. 거울들(31a, 31b; 31c, 31d)은 완벽한 광구조(예를 들어, 정확하게 정의된 설계 파장에 대한 λ/4 층들)일 필요는 없다. 필터 효과의 최상의 결과는, 두 광 구조(36, 37) 모두가 그들의 이상적인 값으로부터 약간 벗어나 다를 때(예를 들어, λ/4 또는 λ/2의 정확한 배수 만큼) 달성된다.
거울들(31a, 31b; 31c, 31d)은 필터(광구조들과 광학 스페이서)(30)가 두 평면 유전체 마이크로 공진기로 구성되는 경우, 특수한 경우로서 사용된다.
곡률은 빛이 공진 층 내에서 진동하는 경우, 빛의 거울들(31a, 31b; 31c, 31d)로의 침투 깊이와 위상 시프트의 특별한 상호작용에 의해 제어될 수 있다. 하지만, 엄밀히 말하면, 이는 동시에 분산 특성을 비-포물선으로 묘사하며, 이들이 서로 교차할 수 있음을 의미한다.
스페이서 층(33)의 두께(DD)가 빛의 가간섭성 길이보다 큰 경우, 두 광구조(36, 37)는“가간섭적으로 분리"되며, 필터(3)는 단일 공진 만을 갖는다. 예를 들어, 햇빛이 경우, 수 m의 가간섭성 길이를 갖는, 예를 들어 100㎛의 스페이서(33)는 필터(30)가“가간섭적으로 분리"되는 방식으로 동작하기에 충분하다.
1 장치
10a 광자 방출 매체/광원
10b 광자 검출 매체/광검출기
11a 필터와의 상호작용 전인 정합 전파 방향의 필터 공진 광자의 파동
11b 필터와의 상호작용 후인 정합 전파 방향의 필터 공진 광자의 파동
12a 필터와의 상호작용 전인 정합 전파 방향의 필터 비-공진 광자의 파동
12b 필터와의 상호작용 후인 정합 전파 방향의 필터 비-공진 광자의 파동
13a 필터와의 상호작용 전인 비-정합 전파 방향의 필터 공진 광자의 파동
13b 필터와의 상호작용 후인 비-정합 전파 방향의 필터 공진 광자의 파동
20a 제1 분산을 갖는 제1 큰-면적 1차원적 광자 결정체
20b 제2 분산을 갖는 제2 큰-면적 1차원적 광자 결정체
25a 필터를 형성하는 제1 1차원적 결정의 분산율
25b 필터를 형성하는 제2 1차원적 결정의 분산율
26 필터의 분산율
30 방향-선택적 간섭계형 광필터
31a 반사성 유전체 거울층/유전체 재료층
31b 반사성 유전체 거울층/유전체 재료층
31c 반사성 유전체 거울층/유전체 재료층
31d 반사성 유전체 거울층/유전체 재료층
32 제1 결함층
33 스페이서 또는 기판
34 제2 결함층
35 기판
36 제1 광구조
37 제2 광구조
38 제1 표면
39 제2 표면
40 입사면 평면
41 구조의 외측 표면
42 제1 광구조의 계면
43 제2 광구조의 계면
51 필터의 저-에너지 측 밴드
52 차단 영역
53 필터의 고-에너지 측 밴드
60 필터의 지정된 필터 모드
71 수광각 범위
72 블라인드 각도 범위/비-수광각 범위
72a 비-수광각 범위
72b 비-수광각 범위
90 큰-면적 광검출기
91 에너지 범위에서 필터 모드와 오버랩되고 필터 표면에 수직으로 전파되는 평행한 광빔
92a 필터와 상호작용 전이고 산란 과정 전인 필터 공진 광자의 파동
92b 필터와 상호작용 전이고 산란 과정 후인 필터 공진 광자의 파동
92c 필터와 상호작용 후인 비-정합 전파 방향의 필터 공진 광자의 파동
92d 필터와 상호작용 후인 비-정합 전파 방향 필터 공진 광자의 파동
D 유전체 거울/유전체 재료층의 두께
d 결함층의 두께
DD 스페이서 또는 기판/간극의 두께
A 제1 빔 경로
B 제2 빔 경로
C 제3 빔 경로
f1 분산 함수
f2 분산 함수

Claims (15)

  1. 분광 장치(1)용 방향-선택적 간섭계형 광필터(30)로서,
    2개의 층형 1차원적 광구조(layered one-dimensional photonic structures) (36, 37; 25a, 25b)의 배열을 적어도 하나 포함하고, 2개의 구조들(36, 37; 25a, 25b) 각각은 결함층(32, 34)을 포함하고, 각각의 광구조(36, 37; 25a, 25b)는 에너지 모멘텀 공간(E, kx, ky)에서 분산 함수(f1, f2)를 가지며, kx 및 ky는 상기 에너지 모멘텀 공간(E, kx, ky)에서 특정 에너지(주파수/파장)에 대한 광구조들(36, 37; 25a, 25b)의 투과된 광자들의 모멘텀 컴포넌트이며, 2개의 광구조들(36, 37; 25a, 25b)은 모두 서로로부터 평면적으로 평행한 거리(DD)에 있는 대향하는 계면(42, 43)을 구비하는, 방향-선택적 간섭계형 광필터(30)에 있어서,
    2개의 광구조들(36, 37; 25a, 25b)의 분산 함수(f1, f2)는 에너지 모멘텀 공간(E, kx, ky)에서 가로지르거나 교차하여, 특정 에너지(E)에서 분산 함수(f1, f2)의 표면상에 파동의 광선의 컷 세트(cut set, A)를 생성하며, 파동의 컷 세트(A)로부터의 광선은 한 각도에서 상기 필터(30)를 통과하도록 선택적으로 선택된 파동들(11a, 11b)을 포함하고, 다른 각도에서 다른 파동들(13a, 13b)은 상기 필터(30)에 의해 반사되는 것을 특징으로 하는 방향-선택적 간섭계형 광필터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 대향하는 계면(42, 43) 사이의 평면적으로 평행한 거리(DD)에, 공기 챔버 또는 공기 쿠션의 형태로, 상기 계면들에 접촉하는 스페이서(33) 또는 매질이 배치되며, 기체 매질의 경우, 상기 광구조들(36, 37)의 상기 계면들(42, 43) 사이의 평면적으로 평행한 거리(DD)는 스페이서들에 의해 설정되는 것을 특징으로 하는 방향-선택적 간섭계형 광필터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 1차원적 광구조들(36, 37)은 각각 적어도 두 개의 반사성 거울층(31a, 31b; 31c, 31d)을 포함하고, 상기 두 개의 반사성 거울층(31a, 31b; 31c, 31d)은 각각 결함층(32, 34)을 포함하고 스페이서(33) 또는 매질을 포함하며, 상기 결함층(32, 34)은 고정된 거리를 두고 평면적으로 평행하도록 2개의 거울층(31a, 31b; 31c, 31d)을 연결하여 이들을 가간섭적으로 분리(coherently decoupling)하며, 공진 모드에 대해 상기 2개의 광구조(36, 37)에 의해 유도되는 분산 포물선은 일반적으로
    Figure pct00012
    및
    Figure pct00013
    를 만족하며, 선택된 에너지에 대한 상기 함수
    Figure pct00014
    및
    Figure pct00015
    는 포물선 영역들(25a, 25b)의 각 교차 영역(A) - 각 교차 영역(26) (c1=c2와 등가인 영역)-을 산출하며, 한 각도에서 입사되는 파동(11a)에 대한 빔 경로(A)가 상기 필터(30)를 통해 방향-선택적으로 투과되는 파동(11b)을 포함하는 것을 특징으로 하는 방향-선택적 간섭계형 광필터.
  4. 제1항에 있어서,
    적어도 하나의 기판(35)이 존재하고, 상기 기판(35)은 상기 광구조(36, 37) 중 적어도 하나에 접촉하는 것을 특징으로 하는 방향-선택적 간섭계형 광필터.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 층형 1차원적 광구조(36, 37)는 교대로 배열되고 반사성 유전체 거울층들을 나타내는 적어도 2개의 유전체 재료층(31a, 31b; 31c, 31d)으로 구성되며, 상기 재료층들(31a, 31b; 31c, 31d)은 상기 필터(30)의 전체 작동 범위에 걸쳐 서로 다른 유전특성을 가지며, 상기 재료 층(31a, 31b; 31c, 31d)의 두께(D)는 상기 재료층이 지정된 필터 모드(60) 주위에 광학 차단 영역(52)을 유도하는 방식으로 설계되는 것을 특징으로 하는 방향-선택적 간섭계형 광필터.
  6. 제1항에 있어서,
    광자 결정체(20a, 20b) 형태의 층형 1차원적 광 구조(36, 37)가 적어도 하나의 결함층(32, 34)을 구비하고, 상기 적어도 하나의 결함층(32, 34)은 지정된 필터 모드(60)의 증폭을 초래하며, 상기 결함층(32, 34)은 지정된 굴절률을 갖는 유전체 재료층으로서 설계되는 2개의 유전체 거울층(31a, 31b; 31c, 31d) 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 방향-선택적 간섭계형 광필터.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 2개의 결함층(32, 34)은 모두 고정된 광학 두께(d) 또는 가변적 광학 두께(d)를 갖는 것을 특징으로 하는 방향-선택적 간섭계형 광필터.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    2개의 층형 1차원적 광구조(36, 37) 내의 상기 결함층들(32, 34)은 서로 다른 굴절률을 갖는 것을 특징으로 하는 방향-선택적 간섭계형 광필터.
  9. 제1항 내지 제8항에 있어서,
    2개의 층형 1차원적 광구조(36, 37) 내의 결함층들(32, 34)의 광학 두께(d32, d34)는 동일한 광학 두께(d=d32=d34)를 가지거나, 파장의 1/2의 정수 배수만큼 차이가 나거나, 이러한 값들과 사소한 차이를 갖도록 설계되는 것을 특징으로 하는 방향-선택적 간섭계형 광필터.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 결함층들(32, 34)은 결함으로써 적어도 공극을 포함하는 것을 특징으로 하는 방향-선택적 간섭계형 광필터.
  11. 제2항에 있어서,
    상기 2개의 광구조(36, 37) 사이의 상기 층형 스페이서(33)는 상기 방향-선택적 간섭계형 광필터(30)의 공진 주파수 조건에서 광학적으로 투명하고, 상기 필터(30)에 의해 분석되는 광원(10a)으로부터의 입사 광빔(11a)의 가간섭성 길이(coherence length)보다 크거나 작은 광학 두께(DD)를 갖는 것을 특징으로 하는 방향-선택적 간섭계형 광필터.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 층형 스페이서(33)는 상기 필터(30)의 한정된 작동 모드를 보장하는 기계적 특성을 가지며, 상기 스페이서(33)는 2개의 광구조(36, 37)에 모두 대해 투명한 기판으로서 장착되고, 상기 2개의 광구조(36, 37)는 각각 상기 스페이서(33)의 양측 표면(38, 39)에 부착되는 것을 특징으로 하는 방향-선택적 간섭계형 광필터.
  13. 제4항에 있어서,
    상기 기판(35)은 지정된 필터 모드(60)의 공진 주파수 조건에서 광학적으로 투명하고, 상기 방향-선택적 간섭계형 광필터(30)는 상기 지정된 필터 모드(60)에 따라 또는 상기 지정된 필터 모드(60)에서 생성되거나 부착되는 것을 특징으로 하는 방향-선택적 간섭계형 광필터.
  14. 제1항 내지 제13항에 따른 방향-선택적 간섭계형 광필터(30)를 구비하는 장치(1)에 있어서,
    상기 장치(1)는 적어도 하나의 광원(10a)과 검출기(10b)를 구비하고, 상기 광원(10a)과 검출기(10b) 사이에 상기 방향-선택적 간섭계형 광필터(30)가 배치되며, 상기 방향-선택적 간섭계형 광필터(30)는 적어도, 상기 필터(30)와 상호작용 하기 전의 정합 전파방향의 상기 필터에 대한 공진 광자의 파동(photonic wave, 11a)과, 상기 필터(30)와 상호작용한 후의 정합 전파방향의 상기 필터에 대한 공진 광자의 파동(11b)과, 상기 필터(30)와 상호작용 하기 전의 정합 전파방향의 상기 필터에 대한 비-공진 광자의 파동(12a)과, 상기 필터(30)와 상호작용한 후의 정합 전파방향의 상기 필터에 대한 비-공진 광자의 파동(12b)과, 상기 필터(30)와 상호작용 하기 전의 비-정합 전파방향의 상기 필터에 대한 공진 광자의 파동(13a)과, 상기 필터(30)와 상호작용한 후의 비-정합 전파방향의 상기 필터에 대한 공진 광자의 파동(13b)이 존재하는 방식으로 설계되는 것을 특징으로 하는 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    -큰-면적 광검출기(10b)와
    -본 발명에 따른 상기 필터(30)가 존재하고,
    상기 광검출기(10b)와 상기 필터(30)는 복합 검출기 장치를 형성하며, 상기 필터(30)는 상기 광검출기(10b)의 표면에 직접적으로 장착되거나 상기 광검출기(10b)에 고정되며, 상기 필터(30)는 광자-방출 매체(10a)와 상기 광검출기(10b) 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
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