KR20180024488A - 광학필터 및 이를 이용한 광학 디바이스 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 클래딩층과, 클래딩층 상부에 주기적으로 패터닝된 복수의 금속패턴들과, 복수의 금속패턴들 상부에 형성된 광도파로층을 구비하되, 광은 상기 광도파로층으로부터 상기 클래딩층으로 진행하는 광학필터 및 이를 이용한 광학 디바이스를 제공한다.
Description
본 발명은 광학필터에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 복수의 금속패턴들 상부에 형성된 광도파로층을 구비하는 광학필터 및 광학디바이스에 관한 것이다.
광학필터는 다양한 파장을 가지는 빛을 임의의 파장대역으로 필터링하기 위해서 필요한 구성이다. 특정 파장대역의 빛만을 투과시키거나 혹은 서로 다른 파장대역을 투과시키는 광학필터를 어레이 형태로 집적화함으로써 초소형 분광계를 구성하는 용도로 사용된다. 밴드투과필터로는 두 반사막 사이에 놓인 유전체 공진기의 광간섭효과를 이용하는 파브리-페롯 필터가 대표적이다. 또한, 금속박막표면에 주기적으로 배열된 나노홀 어레이구조에서 발생하는 특이 광 투과(Extraordinary optical transmission, EOT)현상을 이용한 투과필터가 사용되기도 한다.
광간섭 효과를 이용하는 파브리-페롯 필터는 투과중심파장과 투과밴드 폭의 제어가 비교적 용이하다는 장점이 있지만, 다중 투과밴드의 형성으로 자유스펙트럼범위(Free spectral range)가 제한되고 입사각 의존성이 높다는 단점이 있다. 금속 나노홀 어레이 구조는 파브리-페롯 필터와 달리 수평적 격자구조 제어만으로 중심투과파장을 가변할 수 있다는 장점이 있지만, 밴드폭이 넓고 표면플라즈몬파와 격자모드와의 커플링에 의해 다양한 투과모드가 발생하여 대역외 제거(out-of-band rejection) 특성이 열악하다는 단점이 있다.
분광계 구성을 위한 광학필터 어레이로는 선형가변필터(Linear Variable Filter, LVF)가 알려져 있다. 선형가변필터(Linear Variable Filter, LVF)는 일종의 파브리-페롯 공진기 구조의 광학필터로서 길이방향으로 유전체 공진층의 두께가 선형적으로 가변되는 구조로 이루어진다. 선형가변필터에는 유전체 공진층을 사이에 두고 하부 거울층과 상부 거울층이 각기 위치된다.
이러한 선형가변필터는, 길이방향으로 두께가 가변되는 선형구조로 인해 공정 재현성에 한계가 있었다. 또한, 종래의 선형가변필터를 이용한 분광계의 해상도는 선형가변필터의 높이 대 길이비로 결정되기에 분광계 소자를 소형화하는데 어려움이 있었다. 특히, 선형구조로 인해 2차원 이미징 센서기술과의 공정적합성이 부족하여 생산성 측면에서 불리하였다.
선형가변필터 위치별 투과스펙트럼이 연속적인 스펙트럼의 중첩으로 이루어지고, 선형가변필터와 광검출기 간의 집적화가 모놀리식(monolithic)하지 못하기 때문에 필터와 광 검출기들 어레이 사이에 거리가 존재하였으며, 이에 따른 미광(stray light) 효과로 인해, 필터성능이 저하되는 단점이 존재하였다.
금속나노홀 어레이의 격자주기를 연속적으로 가변되도록 구성함으로써 분광계용 투과밴드 필터어레이를 제작할 수 도 있다. 이 경우, 수평구조만 제어하면 되기 때문에 제작공정이 매우 단순해 진다는 장점이 있지만, 다중모드의 존재로 분광계 동작시 신호처리 과정에서 왜곡을 초래할 수 있다.
또한, 반가폭이 크고, 입사각 의존성이 높아서 광학필터에 대한 다양한 요구를 충족시키기에는 많은 문제점이 있었다.
상술한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 목적은 반가폭이 작은 밴드 투과 필터, 대역외 제거특성이 우수한 광학필터를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 공정상 단순하면서도 신뢰성이 우수한 광학필터를 제공하는 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제1 측면은 광학 필터에 있어서, 클래딩층; 상기 클래딩층 상부에 주기적 격자구조를 이루도록 패터닝된 복수의 금속패턴들; 및 상기 복수의 금속패턴들 상부에 형성된 광도파로층을 구비하되, 광은 상기 광도파로층으로부터 상기 클래딩층으로 진행하는 광학필터를 제공한다.
바람직하게는, 복수의 금속패턴들은 2차원 슬릿메쉬(slit mesh) 구조를 형성하도록 패터닝된다.
복수의 금속패턴들 주기 대비 슬릿 너비의 비율이 1/30내지 1/3인 것이 바람직하다.
본 발명의 제2 측면은 광학 필터에 있어서, 기판; 기판 상에 형성된 클래딩층; 상기 광도파로층 상부에 주기적 격자구조를 이루도록 패터닝된 복수의 금속패턴들; 및 상기 복수의 금속패턴들 상부에 형성된 제1 광도파로층을 구비하되, 광은 상기 기판으로부터 상기 제1 광도파로층으로 진행하는 광학필터를 제공한다.
본 발명의 제3 측면은 상술한 광학필터; 및 필터영역과 대응하여 광검출기가 구비되는 광학디바이스를 제공하는 것이다. 상기 광학디바이스는 비분산적외선센서, 분광기, CMOS 이미지 센서, 하이퍼 스펙트럴 이미지 센서 중 어느 하나일 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같은 발명에 의하면, 수평구조 제어만으로 투과밴드 중심파장의 제어가 용이하면서도 반가폭이 작고 대역외 제거특성이 우수한 광학필터를 제공할 수 있게 된다.
또한, 상부에 도파로층을 구비하는 공정이 비교적 단순한 공정 실현에 효과적일 수 있고, 광검출기와의 이격을 최소화 할 수 있으며, 금속격자패턴 식각공정시 발생할 수 있는 광도파로 구조손실 가능성을 최소화하고, 금속격자에 대한 보호층 기능을 부가함은 물론, 공정시 실시간으로 두께를 모니터링하고 최적화하는 것이 가능하게 되어 집적공정에 유리한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학필터의 단면을 도시하기 위한 도면이고, 도 2a는 본 광학필터의 사시도이고, 도 2b는 금속패턴들의 평면구조 예들을 도시하고 있는 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학필터의 단면을 도시하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 광학필터의 단면을 도시하기 위한 도면이다.
도 5 내지 도 12 는 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 광학필터의 단면을 도시하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학필터의 단면을 도시하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 광학필터의 단면을 도시하기 위한 도면이다.
도 5 내지 도 12 는 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 광학필터의 단면을 도시하기 위한 도면이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학필터의 단면을 도시하기 위한 도면이고, 도 2a는 본 광학필터의 사시도이고, 도 2b는 금속패턴들의 평면구조 예들을 도시하고 있는 도면이다.
광학필터(100)는 클래딩층(110)과 주기적 격자구조를 이루도록 패터닝된 복수의 금속패턴들(120), 그리고 복수의 금속패턴들(120) 상부에 형성된 광도파로층(130)을 구비한다. 본 발명의 특징적 구성 중 하나는 광도파로층(130)을 복수의 금속패턴들(120) 상부에 형성하는 점이다.
이때, 금속패턴의 격자주기는 광학필터가 필터링하고자 하는 중심파장 보다 작도록 구성하면, zero-order 회절격자로 작동하며, 이웃하는 금속패턴들과 매우 좁은 메쉬형 슬릿구조를 형성함으로써 대역외 제거효과가 우수하고 그 투과 중심파장이 격자주기에 지배적으로 의존함을 특징 중 하나로 한다. 본 구조에 의하면, 다수의 파장을 가지는 광이 광도파로층(130)을 통해 입사하여 복수의 금속패턴들(120)로 이루어진 회절격자를 만나게 되면, zero-order 특성의 공진파장 빛은 슬릿을 통해 투과하는 반면, 근접장(evanescent field) 형태로 회절된 ±1 order의 빛은 후방 도파로의 도파모드와 커플링된다. 도파모드로 커플링된 빛은 다시 금속패턴 격자구조와 만나 슬릿을 투과하는 전파모드로 전환되는 과정을 거쳐 특정 공진파장의 빛이 높은 투과도로 필터링되어 나오는 효과를 나타내게 된다.
투과밴드의 스펙트럼은 격자 주기외에도 슬릿 폭, 광도파로층의 굴절율, 두께와 같은 광학구조인자에 크게 영향을 받는다. 광 도파로층의 굴절율은 클래딩층의 굴절율보다 높아야 하며, 그 두께는 단일 도파모드 조건을 만족하도록 λ0/4nwg<twg<λ0/nwg 범위 이내인 것이 바람직하다. 여기서, λ0는 투과중심파장을 의미한다. 광 도파로층의 두께가 너무 작으면 도파모드가 형성되지 못하고, 이 범위를 벗어나게 되면 다중도파모드가 발생하게 되어 투과밴드의 반가폭이 증가하고 다중투과 밴드가 형성되어 대역외 제거특성이 나빠지게 된다.
금속패턴의 격자 주기 P는 투과중심파장 λ0와 P<λ0<nwgP 관계를 갖도록 결정된다. 금속패턴을 구성하는 금속물질은 Au, Ag, Al, Cu, Pt, Pd, Ni, Co, Fe, Mn, Cr, Mo, W, V, Ta, Nb, Hf, Zr, Ti, In, Sn, Pb, Sb, Bi 및 이들의 합금중에서 선택될 수 있다. 금속패턴들의 두께는 5 nm 내지 500 nm 로 제작할 수 있다. 두께가 5nm 이하로 작게 되면 전자의 표면산란효과로 금속자체에 의한 광손실이 심해지고, 두께가 너무 크게 되면 slit 구조의 수직방향으로 공진효과가 발생하여 단일 투과밴드형성에 좋지 못한 효과를 줄 수 있고 공정구현도 어려워지는 단점이 있다.
광도파로층(130)으로 사용되는 물질은 동작 파장범위에서 광학적으로 투명하고 클래드층보다 굴절율이 큰 물질이면 유기재료, 무기재료 및 이들의 혼합물, 화합물등 제한 없이 사용될 수 있다. 재료계의 예를 들면, SiO2, Al2O3, TiO2, MgO, ZnO, ZrO2, In2O3, SnO2, CdO, Ga2O3, Y2O3, WO3, V2O3, BaTiO3 및 PbTiO3 등의 산화물, Si3N4, Al3N4 등의 질화물, InP, GaP 등의 인화물, ZnS, As2S3 등의 황화물, MgF2, CaF2, NaF, BaF2, PbF2, LiF, LaF 등의 불화물, SiC등의 탄화물, ZnSe등의 셀레나이드, Si, Ge과 같은 반도체 및 이의 혼합물 또는 화합물로 구성된 무기재료, 폴리카보네이트(Polycarbonate), 폴리메틸 메타크릴레이트(Polymethyl methacrylate; PMMA), 폴리디메틸 실록산(Poly dimethyl siloxane; PDMS), 환형 폴리올레핀, 스티렌계 중합체 또는 테플론(Teflon) 등의 유기재료 및 이들의 혼합물 또는 복합물을 사용할 수 있다.
클래딩층(110)은 광도파로층(130)과 마찬가지로 동작파장대역에서 광학적으로 투명하고 광도파로층(130) 보다 굴절율이 낮은 물질이면 유기재료, 무기재료 및 이들의 혼합물등 제한 없이 사용될 수 있다. 바람직하게는 광도파로층(130)과의 굴절율 차이가 크게 나도록 클래딩층(110) 물질을 구성함으로써 대역외 제거특성이 향상되는 효과를 기대할 수 있다.
본 발명자들은 이와 같이 광도파로층(130)이 복수의 금속패턴들(120) 상부에 형성되고 입사광이 광도파로층으로부터 입사되는 조건에서도 도파모드와의 커플링을 이용한 공진형 투과밴드의 형성이 가능함을 발견하였다.
이와 같이 광도파로층(130)이 복수의 금속패턴들(120) 상부에 형성되는 구성에 의하면 광검출기와의 집적공정시 이격을 줄이는데 유리하고, 금속격자를 제작하기 위한 식각공정시 발생할 수 있는 광도파로 물질 및 구조의 손상을 배제할 수 있으며, 금속격자의 보호층으로서의 기능도 부가할 수 있다는 장점이 있다. 아울러, 광도파로층(130)을 형성하는 과정에서 실시간으로 광도파로층(130)의 두께를 모니터링하는 것이 가능해지므로 두께 최적화 공정에 유리한 측면이 있다.
도 2a를 통해서 보면, 복수의 금속패턴들(120)은 2차원 슬릿메쉬 형상으로 패터닝되어 있음을 예시로 볼 수 있다. 도 2a의 예시에서는 복수의 금속패턴들 사이에 직선의 슬릿들을 구비하는 것을 도시하고 있지만 슬릿은 반드시 직선만 해당되지는 않는다. 즉, 곡선 형태의 슬릿 그리고 직선과 곡선의 결합 서로 다른 각도를 가지고 굴절되는 슬릿 모든 형태가 가능하다.
한편, 바람직하게는 금속패턴들의 주기에 대한 슬릿 형상의 너비 비율이 1/3 이내로 제한되는 경우 특히 우수한 특성을 가질 수 있음을 확인하였다. 우수한 특성이라 함은 반가폭이 매우 작은 투과밴드 형성이 가능하고, 대역외 제거특성이 우수해짐을 의미한다. 금속패턴들은 사각형태로 패터닝되어 있으므로 슬릿은 메쉬형태로 형성되어 있다.
이에 대해서 좀 더 상세히 설명한다. 주기를 P1으로 정의하면, P1은 금속패턴들의 너비 D1과 슬릿의 너비 S1의 합과 같다. 이때 금속패턴들의 주기(P1) 대비 슬릿의 너비(S1)의 비율은 바람직하게는 1/30 내지 1/3 을 가진다. 슬릿의 너비가 상대적으로 작아지면, 투과밴드의 반가폭이 감소하고 대역외 제거효과가 향상되는 잇점이 있지만 투과도피크의 크기가 낮아지는 단점이 있다. 반면, 슬릿의 너비가 상대적으로 넓어지면, 투과밴드의 크기는 증가하지만 반가폭이 증가하고 대역외 제거효과가 줄어드는 단점이 발생한다.
도 2b는 금속패턴들의 평면구조 예들을 도시하고 있는 도면이다. 도 2b를 참조하면 1차원 선형격자 구조와 2차원 격자 구조 모두 적용가능하다. 1차원 선형격자구조의 경우, 입사광의 편광방향이 평행하게 뻗은 슬릿과 수직방향일 때에만 공진투과모드가 발생하기 때문에, 별도의 선형 편광판이 구비될 필요가 있다. 2차원 격자구조는 정사각 격자 혹은 육방정 격자구조가 가능하며 금속나노구조체 패턴은 사각 및 다각형 구조등 다양한 형상이 가능하다.
한편, 본 발명의 광학필터(100)에 대응하여 광검출기(200)가 대응되어 광학디바이스가 제조되는 것이 가능하다. 본 광학필터(100)는 광검출기(200)에 직접 집적되어 형성되는 것도 가능하고 별도의 모듈형태로 각각 제작되어 서로 부착되는 것도 가능하다. 별도로 제작되는 경우는 광학필터(100)가 별도의 기판 상에 제작되어 광검출기를 구비하는 모듈과 부착되는 것도 가능하다.
한편, 광검출기(200)와 광학필터(100) 사이에는 별도의 패시베이션층(210)이 형성되는 것이 가능한데, 이 경우는 본 광학필터(100)는 광검출기(200)에 직접 집적되어 형성되는 경우 더욱 효과적일 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학필터의 단면을 도시하기 위한 도면이다. 설명의 편의를 위하여, 도 1의 광학필터와의 차이점을 위주로 설명하면, 도 3에서는 광도파로층(130)의 상부에 별도의 저반사코팅층(140) 및/또는 보호층(미도시)이 더 추가되는 구조이다. 저반사 코팅(310)층은 광도파로층(130)과 이웃매질간에 graded index 조건을 만족시키는 굴절율을 갖는 박막층을 코팅하거나 motheye 형태의 나노콘 구조로 형성될 수도 있다.
도 4는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 광학필터의 단면을 도시하기 위한 도면이다. 도 4를 참조하면 복수의 금속패턴들은 서로 다른 주기를 가지는 적어도 2개의 영역을 구비하고 각 영역들은 서로 다른 파장을 필터링한다.
본 발명의 실시예에 따른 광학필터(100)는 다수의 필터영역들(F1,F2)로 구성되어 있다. 한편, 광학필터를 구비하여 구성되는 분광기는 다수의 필터영역들(F1,F2)과 이에 대응되는 광검출영역들(PD1, PD2)을 구비하여 구성된다. 필터영역들(F1,F2)은 각기 다른 파장의 광을 필터링하도록 구성되며, 필터영역들(F1,F2) 각각은 광검출영역들(PD1, PD2) 각각에 대응된다.
한편, 필터영역들(F1,F2) 각각은 금속패턴들의 듀티사이클(duty cycle) 혹은 충전률이 동일하게 구성하거나 혹은 금속패턴들 사이의 간극인 슬릿너비만 일정하게 유지한 상태로 구현될 수 있다. 다만, F1 필터영역과 F2 필터영역의 주기가 변화되는 것이 특징이다.
도 5는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 광학필터의 단면을 도시하기 위한 도면이다. 설명의 편의를 위하여, 도 4의 광학필터와의 차이점을 위주로 설명하면, 도 3에서는 광도파로층(130)의 상부에 별도의 저반사코팅층(140) 및/또는 보호층(미도시)이 더 추가되는 구조이다.
도 6a는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 광학필터의 단면을 도시하기 위한 도면이다. 설명의 편의를 위하여, 도 1의 광학필터와의 차이점을 위주로 설명한다. 도 6a를 참조하면, 기판(300)이 추가되는 구조이다. 이러한 구조는 기판(300)의 굴절률이 광도파로층의 굴절율보다 높은 경우에 적용되는 구조이다. 즉, 광도파로층보다 고굴절율의 기판을 이용할 경우, 기판과 금속패턴들 사이에 저굴절율의 클래딩층(110)이 삽입되어 있는 구조이다.
커플링층(210)은 기판(300)과 광검출기(200) 사이에 게재되는 것으로 공기 또는 굴절율을 매칭시키기 위한 오일 등을 사용할 수 있다.
도 6b는 도6a의 구조에 대해 유한차분시간영역법(FDTD)을 이용하여 계산한 예시를 보여준다. 주기 800 nm의 정사각 격자구조를 갖는 Au 사각 디스크위에 350 nm 두께의 광도파로를 형성하고, 입사광이 광도파로층을 통해 기판으로 진행한다고 가정하였을 때의 투과스펙트럼을 보여준다. Au 사각 디스크의 두께는 50 nm, 너비는 700 nm 였다. 광도파로층의 굴절율은 2.1 이며, Si 기판위에 굴절율 1.35, 두께 500 nm 의 클래딩층이 형성되어 있다고 가정하였다. 대략 1.46 μm 파장에서 비교적 높은 투과도를 갖고 반가폭이 좁은 공진모드 투과밴드를 형성함을 알 수 있다. 아울러, 1.1 μm 파장이상에서 우수한 대역외 제거 특성을 보임을 확인할 수 있다.
도 7은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 광학필터의 단면을 도시하기 위한 도면이다. 도 6a과 비교하여, 광도파로층보다 낮은 굴절율을 가지는 기판(310)을 사용하는 구조이다. 이 경우는 저굴절율 기판(310)이 클래딩층(110)의 역할을 수행가능하게 되는 구조이므로 별도의 클래딩층(110)이 필요하지 않게 된다. 저굴절율 기판(310)으로는 실리카, 석영, 유리 기판 등을 사용할 수 있다.
도 8은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 광학필터의 단면을 도시하기 위한 도면이다. 설명의 편의를 위하여, 도 1의 광학필터와의 차이점을 위주로 설명한다.
도 8의 광학필터는 금속패턴들(120)의 상부에 형성된 광도파로층(130)에 추가하여, 금속패턴들(120)과 클래딩층(110) 사이에 별도의 광도파로층(400)이 추가되는 구조이다. 이러한 구조에 의하면, 상부 광격자 도파로 구조의 도파모드와 하부 광격자 도파구조의 도파모드 사이의 커플링으로 인해 공진투과모드의 투과효율이 증대되고 대역외 제거와 같은 스펙트럼 정제 효과를 추가로 기대할 수 있게 되는 장점이 있다.
도 9는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 광학필터의 단면을 도시하기 위한 도면이다. 설명의 편의를 위해 중복 설명은 생략한다. 도 9의 광학필터는 도 6의 광학필터 구조에 별도의 광도파로층(400)이 추가되는 구조이다. 즉, 금속패턴들(120)과 클래딩층(110) 사이에 별도의 광도파로층(400)이 추가되는 구조이다. 기판(500)의 굴절율이 광도파로층보다 큰 경우, 즉 SiGe, Si, Ge 등의 비교적 고굴절율을 가지는 기판이 사용되는 경우 적합한 구조이다.
도 10은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 광학필터의 단면을 도시하기 위한 도면이다. 설명이 편의를 위해 중복 설명은 생략한다. 도 10의 광학필터는 도 7의 광학필터 구조에 별도의 광도파로층(400)이 추가되는 구조이다. 즉, 금속패턴들(120)과 기판(600) 사이에 별도의 광도파로층(400)이 추가되는 구조이다. 이 경우는 저굴절율 기판(310)이 클래딩층(110)의 역할을 수행가능하게 되는 구조이므로 별도의 클래딩층(110)이 필요하지 않게 된다. 이 경우, 기판(600)은 실리카, 석영, 유리 기판 등의 저굴절율 기판을 사용할 수 있다.
도 11a는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 광학필터의 단면을 도시하기 위한 도면이다. 도 11a의 광학필터 구조는 도 1 내지 도 10의 광학필터의 구조와는 차이점이 있는데, 광이 기판(700)으로 입사하여 내부로 진행되는 점이다.
즉, 도 11a의 광학필터는 기판(700)과, 기판 상에 형성된 클래딩층(710), 클래딩층(710) 상부의 광도파로층(740)을 구비하고, 광도파로층(740) 상부에 주기적으로 패터닝된 복수의 금속패턴들(720)을 포함한다. 또한, 복수의 금속패턴들(720) 상부에는 별도의 광도파로층(730)을 추가로 가진다. 그리고, 이들 전체 구조는 커플링층(250)을 사이에 두고 광검출기(200)와 대응되어 배치된다.
이와 같은 기판(700)을 통해서 입사하는 방식에 의하면 금속격자층의 외부 노출이 방지되어 내환경성이 강화될 수 있는 구조를 가진다.
한편, 복수의 금속패턴들(720)과 직접접촉되어 있는 광도파로층(730)은 저굴절율의 버퍼층(미도시)으로 대체되는 것도 가능하다. 광도파로층과 버퍼층의 차이점은 버퍼층은 도파모드가 형성되지 않도록 굴절율과 두께의 곱으로 표현되는 광학두께가 일정 크기 이하로 형성되는 점이 상이하다.
도 11b는 도11a의 구조에 대해 FDTD 전산모사법을 이용하여 계산한 예시를 보여준다. Si 기판상에 형성된 굴절율 1.45, 두께 500 nm의 클래딩층, 그 위에 형성된 굴절율 2.0, 두께 350 nm의 광도파로층을 구비하고, 그 상부에 두께 50 nm의 Au 사각 디스크가 정사각 격자구조를 이루고 있다고 가정하였다. 슬릿의 너비는 100 nm로 고정한 상태에서 격자주기를 700 nm부터 900 nm 까지 변화시킬 때, 기판면을 통해 입사한 빛의 투과스펙트럼을 보여준다. 비교적 높은 투과도의 반가폭이 좁은 공진모드 투과밴드가 잘 형성되었고, 그 중심파장은 주기 증가에 따라 일정한 간격으로 장파장 영역으로 이동하였음을 알 수 있다.
한편, 기판(700)의 상부에는 별도의 저반사코팅층(140) 및/또는 보호층(미도시)이 더 추가될 수 있다.
도 12는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 광학필터의 단면을 도시하기 위한 도면이다.
도 12의 광학필터는 도 9의 광학필터와 비교하여, 복수의 금속패턴들(120) 상부에 저굴절율 버퍼층(800)을 형성하는 점이 상이하다. 이 버퍼층(800)은 도파모드가 형성되지 않도록 일정 광학두께 이하로 형성하는 것이 특징이다. 이러한 버퍼층(800)은 투과밴드의 세기를 크게 증대시키고 보호층의 기능도 수행할 수 있다.
전술한 본 발명에 따른 광학필터에 대한 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명에 속한다.
Claims (16)
- 광학필터에 있어서,
클래딩층;
상기 클래딩층 상부에 주기적 격자구조를 이루도록 패터닝된 복수의 금속패턴들; 및
상기 복수의 금속패턴들 상부에 형성된 광도파로층을 구비하되,
광은 상기 광도파로층으로부터 상기 클래딩층으로 진행하는 것을 특징으로 하는 광학필터.
- 제1 항에 있어서,
상기 복수의 금속패턴들은 2차원 슬릿메쉬 구조를 형성하도록 패터닝된 광학필터.
- 제1 항에 있어서,
상기 복수의 금속패턴들의 주기 대비 슬릿 너비의 비율이 1/30내지 1/3인 것을 특징으로 하는 광학필터.
- 제1 항에 있어서,
상기 복수의 금속패턴들은 서로 다른 주기를 가지는 적어도 2개의 영역을 구비하고 각 영역들은 서로 다른 파장을 필터링하는 필터영역인 광학필터.
- 제1 항에 있어서,
상기 광도파로층 상부에는 반사방지층이 더 추가된 광학필터.
- 제1 항에 있어서,
상기 클래딩층은 기판인 것으로 특징으로 하는 광학필터.
- 제6 항에 있어서,
상기 클래딩층 하부에는 별도의 기판이 추가된 것으로 특징으로 하는 광학필터.
- 제1 항에 있어서,
상기 클래딩층과 상기 복수의 패턴들 사이에는 별도의 광도파로층이 더 구비되는 광학필터.
- 제1 항에 있어서,
상기 복수의 금속패턴들의 주기는 상기 광학필터가 필터링하고자 하는 중심파장 보다 작도록 구성되는 광학필터.
- 제1 항 내지 제9 항 중 어느 한 항의 평판형 광학필터; 및
상기 광학필터에 대응하여 광검출기가 구비되는 광학디바이스.
- 제10 항에 있어서,
상기 복수의 금속패턴들은 서로 다른 주기를 가지는 적어도 2개의 영역을 구비하고 각 영역들은 서로 다른 파장을 필터링하는 필터영역인 것을 특징으로 하는 광학필터.
- 제10 항에 있어서,
상기 광학필터와 상기 광검출기 사이에는 패시베이션층이 더 추가된 것을 특징으로 하는 광학필터.
- 제10 항에 있어서,
상기 광학디바이스는 비분산적외선센서, 분광기, CMOS 이미지 센서, 하이퍼 스펙트럴 이미지 센서 중 어느 하나인 광학디바이스.
- 광학필터에 있어서,
기판;
기판 상에 형성된 클래딩층;
상기 클래딩층 상부에 주기적으로 패터닝된 복수의 금속패턴들; 및
상기 복수의 금속패턴들 상부에 형성된 제1 광도파로층을 구비하되,
광은 상기 기판으로부터 상기 제1 광도파로층으로 진행하는 것을 특징으로 하는 광학필터.
- 제14항에 있어서,
상기 클래딩층과 상기 복수의 금속패턴들 사이에는 제2 광도파로층이 더 추가된 것을 특징으로 하는 광학필터.
- 제14 항 또는 제15항의 평판형 광학필터; 및
상기 광학필터에 대응하여 광검출기가 구비되는 광학디바이스.
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