KR20190136906A - 레이저 광 전파 방향 제어 장치 및 방법 - Google Patents

레이저 광 전파 방향 제어 장치 및 방법 Download PDF

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알렉산더 세르게비치 쇼오크호브
막심 블라디미로비치 리아브코
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알렉산드르 이고레비치 무솔린
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Abstract

개시된 레이저 광 전파 방향을 제어하는 장치는: 상기 장치로 입사되고 회절되는 레이저 광의 파장 범위를 투과시키는 물질로 만들어진 기판; 및 상기 기판의 일면 상에 배치된 메타표면을 포함하며, 상기 메타표면은 상기 기판 상에 어레이로 배열된 복수의 나노안테나를 포함하며, 상기 나노안테나는 상기 기판의 상기 일면 상에 배치되며, 적어도 레이저 광의 파장 범위를 투과시키는 전기적 도전성 물질로 만들어진 제1 콘택; 상기 제1 콘택 상에서 상기 레이저 광의 편향을 제어하는 적어도 하나의 나노공진기; 및 상기 나노공진기 상에 배치되며, 적어도 상기 레이저 광의 파장 범위를 투과시키며 전기적으로 도전성 물질로 만들어진 제2 콘택;을 포함한다상기 나노공진기는 적어도 상기 레이저 광의 파장 범위에 대해 낮은 흡수성을 가진 p영역, i영역, 및 n영역을 포함하는 p-i-n 헤테로구조 반도체다. 상기 콘택들을 통해서 상기 나노공진기에 인가되는 전압으로 연속된 상기 나노공진기의 위상 쉬프트가 하나의 평면에 위치한 위상 구배를 형성하며, 상기 레이저 광은 상기 형성된 위상 구배에 따라 편향된다.

Description

레이저 광 전파 방향 제어 장치 및 방법{Apparatus and method for controlling laser light propagation direction}
실시예는 레이저 기술, 특히 레이저 광 전파 방향을 제어하는 것에 관한 것이다.
레이저 빔 전파 방향 제어기술은 레이저 프린팅, 레이저 3차원 원격 센싱, 레이저 위치탐사장치 (LIDARs), 디지털 광 표시기, 레이저 프로젝터 및 광 전파 제어가 이미지 디스플레이를 제공하는 다른 시스템에 사용된다.
레이저 빔을 채용한 대부분의 현대의 스캐너는 전자 모터 또는 갈바노미터로 구동되는 미러를 사용하여 레이저 빔을 제어한다. 비록 상기 스캐너는 단순하고 경제적이지만, 기계적 노이즈가 있으며 수명이 짧다. 현재, 빔 전파 방향의 비기계적 제어방법은 여러가지가 있다. 그러나, 이들 방법은 콤팩트 장치에 채용되지 못하며, 빔 편향 스위칭 속도가 제한적인 데, 이는 스캐닝 속도가 중요한 장치에 치명적이다. 그러므로, 레이저 빔 전파 방향의 비기계적 제어 장치이면서 동시에 소형이며 빠른 빔 편향 스위칭을 하는 것은 도전이다.
빔 전파 방향의 제어를 제공하는 선행기술로는 다음과 같이 알려져 있다.
2013년 2월 19일 발행된 미국 특허 US 8380025 B2 "LIQUID CRYSTAL WAVEGUIDE HAVING REFRACTIVE SHAPES FOR DYNAMICALLY CONTROLLING LIGHT"는 광의 굴절을 동적으로 제어하는 액정 웨이브가이드를 개시한다. 상기 액정 물질이 배치되면, 굴절 형상 또는 렌즈 형상의 형성이 보장된다. 그러나, 상기 개시된 기술적 방법은 단점들을 가지며, 특히 상기 액정 웨이브가이드가 상대적으로 크며, 빔 편향의 스위칭 시간이 길며, 광 편향이 1차원적으로, 즉 하나의 축만 따라서 이루어진다.
2017년 6월 1일 발행된 미국 특허출원 20170153528 A1"BEAM STEERING APPARATUS AND SYSTEM INCLUDING THE SAME"은 빔 스티어링 장치와 이를 포함하는 시스템을 개시한다. 상기 빔 스티어링은 빌트인 광원에 의해 방출된 광으로 변환층을 노출하여 상기 변환층의 굴절률을 변경함으로써 수행된다. 그러나, 개시된 기술적 해결방법은 약점들이 있다. 특히, 상기 장치 및 시스템은 반사 모드에서만 작동하며 회절 효율이 낮다.
1973년 8월 14일 발행된 미국 특허 US3752563 A "MAGNETIC FILM STRIPE DOMAIN DIFFRACTION"는 광학적 활성 매체에 자기력을 적용하여 상기 활성 매체를 통해 회절된 빔이 통과하면서 회절한다. 그러나, 개시된 기술적 해결방법은 여러 약점을 가진다. 특히, 회절 효율이 낮고 상대적으로 스위칭 시간이 길다.
실시예는 레이저 광 전파 방향을 제어하는 장치 및 방법을 제공한다.
실시예에 따른 레이저 광 전파 방향을 제어하는 장치는:
장치로 입사되고 회절되는 레이저 광의 파장 범위를 투과시키는 물질로 만들어진 기판; 및
상기 기판의 일면 상에 배치된 메타표면을 포함하며,
상기 메타표면은 상기 기판 상에 어레이로 배열된 복수의 나노안테나를 포함하며,
상기 나노안테나는 상기 기판의 상기 일면 상에 배치되며, 적어도 레이저 광의 파장 범위를 투과시키는 전기적 도전성 물질로 만들어진 제1 콘택;
상기 제1 콘택 상에서 상기 레이저 광의 편향을 제어하는 적어도 하나의 나노공진기; 및
상기 나노공진기 상에 배치되며, 적어도 상기 레이저 광의 파장 범위를 투과시키며 전기적으로 도전성 물질로 만들어진 제2 콘택;을 포함하며,
상기 각 나노공진기는 적어도 상기 레이저 광의 파장 범위에 대해 낮은 흡수성을 가진 p영역, i영역, 및 n영역을 포함하는 p-i-n 헤테로구조 반도체이며, 상기 p-i-n 헤테로구조 반도체의 p영역, i영역, 및 n영역의 층들은 상기 기판에 대해서 평행하게 배치되며;
상기 제1 콘택 및 상기 제2 콘택을 통해서 상기 나노공진기에 인가되는 전압은 상기 나노공진기에 캐리어 주입을 유발시켜 상기 나노공진기의 공진 성질을 변화시키며, 상기 나노공진기에서 상기 레이저 광의 파장의 위상 쉬프트를 일으키며, 연속된 상기 나노공진기들의 상기 위상 쉬프트가 하나의 평면에 위상 구배를 형성하며, 상기 레이저 광은 상기 위상 구배에 따라 편향된다.
일 국면에 따르면, 상기 기판의 상기 일면과 마주보는 다른 면 상에 배치되며 상기 메타표면과 실질적으로 동일한 다른 메타표면을 더 포함한다.
다른 국면에 따르면, 상기 메타표면의 상기 제2 콘택 상에 배치된 절연층; 및
상기 메타표면의 상기 제2 콘택들 상에 배치되며 상기 메타표면과 실질적으로 동일한 다른 메타표면을 더 포함한다.
또 다른 국면에 따르면, 적어도 상기 장치에 입사되어 회절되는 상기 레이저 광의 파장 범위를 투과시키는 물질로 만들어지며 상기 기판과 일정한 간격으로 이격된 적어도 하나의 다른 기판; 및
상기 적어도 하나의 다른 기판의 일면 상에 배치되며 상기 메타표면과 실질적으로 동일한 적어도 하나의 다른 메타표면을 더 포함한다.
상기 기판의 상기 일면과 마주보는 상기 기판의 다른 면 상에 배치된 반사층을 더 포함할 수 있다.
상기 각 나노안테나는 3개의 p-i-n 헤테로구조 반도체를 포함하며, 상기 각 p-i-n 헤테로구조 반도체는 블루, 그린, 레드의 3색 중 서로 다른 하나의 색의 파장 범위에 대해서 낮은 흡수성을 가지며, 상기 3개의 p-i-n 헤테로구조 반도체는 컬러 영상을 표시하며, 상기 3개의 p-i-n 헤테로구조 반도체의 p영역, i영역 및 n영역의 층들은 상기 기판에 대해서 평행하게 배치될 수 있다.
또 다른 국면에 따르면, 적어도 상기 장치에 입사되어 회절되는 상기 레이저 광의 파장 범위를 투과시키는 물질로 만들어지며 상기 기판 상으로 소정 간격으로 이격된 2개의 다른 기판; 및
상기 2개의 다른 기판의 일면 상에 각각 배치된 상기 메타표면과 실질적으로 동일한 2개의 다른 메타표면을 더 포함한다.
상기 하나의 위상 구배를 형성하는 인접한 나노공진기에서 생성된 위상들 사이의 차이는 2
Figure pat00001
/N 이며, N은 상기 하나의 위상 구배를 형성하는 나노공진기의 수이며, 상기 레이저 광의 편향 각은 상기 하나의 위상 구배를 형성하는 상기 나노공진기의 수에 의존한다.
상기 나노공진기는 Ⅲ/V족 반도체 화합물을 포함할 수 있다.
상기 나노공진기는 기판의 평면과 평행한 단면을 가지며, 정사각형, 직사각형, 삼각형, 원형, 타원형 중 적어도 하나의 형상을 포함할 수 있다.
상기 나노공진기는 중앙에 형성된 캐버티를 포함할 수 있다.
상기 제1 콘택은 상기 복수의 나노안테나의 나노공진기들에 공통으로 연결된 연속층일 수 있다.
상기 제2 콘택은 스트립 형상이며, 상기 제2 콘택은 상기 나노안테나 어레이의 하나의 로우 또는 컬럼의 나노공진기들에 대해 공통 콘택일 수 있다. 또한, 일 국면에 따르면, 상기 제1 콘택은 스트립 형상이며, 상기 제1 콘택은 상기 나노안테나 어레이의 하나의 로우 또는 컬럼의 나노공진기들에 공통 콘택이며, 상기 기판 상에 배치된 상기 제1 콘택과 상기 제2 콘택과 서로 직교하는 장치.
상기 복수의 나노안테나 각각은 복수의 나노공진기를 포함할 수 있다.
실시예에 따른 레이저 광 전파 방향을 제어하는 방법은:
나노공진기에 전압을 인가하는 단계를 포함하며,
각 나노공진기는 p-i-n 헤테로구조 반도체이며, 상기 나노공진기에 인가된 전압은 상기 나노공진기에 캐리어 주입을 하여 상기 나노공진기의 공진 특성의 변화를 일으키며, 상기 나노공진기에서 상기 나노공진기를 통과하는 레이저 광의 파장의 위상 쉬프트를 일으키며, 연속된 상기 나노공진기에서의 위상 쉬프트가 하나의 평면에 위치한 위상 구배를 형성하도록 선택되며, 상기 레이저 광은 상기 형성된 위상 구배에 따라서 편향된다.
실시예에 따른 레이저 광 전파 방향을 제어하는 장치는 레이저 광 전파 방향을 비기계적으로 제어하는 소형 장치이며, 회절 효율이 향상되며, 반사 모드뿐만 아니라 투과 모드로 동작할 수 있으며, 레이저 광 편향의 스위칭 시간이 1 나노초 보다 빠를 수 있으며, 온칩으로 제조할 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 레이저 광 전파 방향을 제어하는 장치의 구조를 개략적으로 보여주는 단면도다.
도 2는 실시예에 따른 레이저 광 전파 방향을 제어하는 장치의 작용을 보여주는 도면이다.
도 3은 실시예에 따른 레이저 광 전파 방향을 제어하는 장치(의 나노공진기의 구조를 보여주는 평면도다.
도 4는 실시예에 따른 레이저 광 전파 방향을 제어하는 장치의 콘택들의 배치를 보여주는 평면도다.
도 5 및 도 6은 실시예에 따른 레이저 광 전파 방향을 제어하는 장치의 나노안테나의 구조를 개략적으로 보여주는 평면도다.
도 7-12는 레이저 광 전파 방향을 제어하는 장치의 다른 실시예를 보여주는 도면이다.
이하에서, 다르게 기술되지 않으면 동일한 참조번호는 다른 도면에서 보일 때 동일한 구성요소에 사용되며 관련된 설명은 주어지지 않는다.
이하에서 첨부된 도면을 참조한 설명은 일 실시예들의 완전한 이해를 위해 제공된 것이며 본 사상의 진정한 보호범위는 첨부된 특허청구범위 및 균등한 것에 의해서만 정해져야 할 것이다. 상세한 설명은 이러한 이해를 용이하게 하기 위해 여러 특정 상세를 포함하나, 이러한 상세는 예시적인 것으로 이해해야 한다. 따라서, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 출원에 기술된 다양한 실시예의 다양한 변형이 발명의 범위로부터 벗어나지 않고 가능한 것으로 이해할 것이다. 추가로 잘 알려진 기능과 구조는 명료성 및 간결성을 위해 생략될 수 있다.
이하의 상세한 설명 및 청구항에서 사용된 단어 및 공식은 서지학적 의미에 제한되지 않고, 발명자에 의해 발명의 명료한 이해를 제공하기 위해 사용된다. 따라서, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 명세서의 다양한 실시예의 상세한 설명이 이해를 돕기 위해 제공된 것을 알 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다.
도 1은 실시예에 따른 레이저 광 편향 방향을 제어하는 장치(100)의 구조를 개략적으로 보여준다. 레이저 광 편향 방향을 제어하는 장치(100)는 기판(101)과 기판(101)의 일면 상에 배치된 하나의 메타표면(MS1)을 포함한다. 기판(101)은 적어도 장치(100)에 입사되고 회절되는 레이저 광의 파장 범위를 투과시키는 물질로 만들어진다. 기판(101) 물질은 예를 들어 유리, 석영, Al2O3 등일 수 있다. 상기 물질들은 기판(101) 물질의 선택을 명료하게 하기 위한 것으로 발명의 특징을 한정하려는 것은 아니다. 메타표면(MS1)은 어레이 형태로 배치된 복수의 나노안테나(NA)를 포함한다. 각 나노안테나(NA)는 p영역(105), i영역(104), 및 n영역(103)을 포함하는 p-i-n 헤테로구조 반도체 형태로 만들어진 하나의 나노공진기(NR)와 나노공진기(NR)에 전압을 인가하는 제1 콘택(102) 및 제2 콘택(106)을 포함한다. 상기 p-i-n 헤테로구조 반도체의 p영역(105), i영역(104), 및 n영역(103)의 층들은 기판(101)에 대해서 나란하게 배치된다. 제1 콘택(102)은 나노공진기(NR)와 기판(101) 사이에 배치되며, 제2 콘택(106)은 상기 나노광진기 상에서 제1 콘택(102)과 마주보게 배치된다. 제1 콘택(102) 및 제2 콘택(106)은 상기 레이저 광의 파장 범위를 투과시키는 전기적 도전성 물질로 만들어진다. 제1 콘택(102) 및 제2 콘택(106)은 예를 들어 ITO(indium tin oxide), FTO(fluorine-doped tin oxide), 도핑된 아연산화물, 도전성 폴리머, 금속 그리드, 카본 나노튜브, 그래핀, 나노와이어 메쉬, 초박막 금속 등을 포함하는 물질 등으로 이루어질 수 있다. 이들 물질은 상기 콘택 물질의 선택을 명료하게 하기 위한 일 예이며, 발명의 특징을 위 물질로 제한하려는 것은 아니다.
파장 λ의 레이저 광이 장치(100)를 통해서 투과할 수 있다. 상기 레이저 광은 상기 p-i-n 헤테로구조 반도체와 관계된 캐리어와 작용하여 공진시킨다. p영역(105), i영역(104), 및 n영역(103)의 물질은 상기 투과되는 레이저 광의 파장에 낮은 흡수성을 가지도록 선택된다. 상기 투과된 레이저 광은 상기 선택된 물질과 작용시 공진을 일으킨다. 예를 들어, 적색 레이저 광을 위해, p영역(105)과 n영역(103)은 AlGaAs로 만들 수 있으며, i영역(104)은 GaAs로 만들 수 있다. 청색 레이저 광을 위해 p영역(105), i영역(104), 및 n영역(103)은 InGaN으로 만들 수 있다. 녹색 레이저 광을 위해 p영역(105), i영역(104), 및 n영역(103)은 GaP로 만들 수 있다. 이들 물질은 p영역(105), i영역(104), 및 n영역(103) 물질의 선택을 명료하게 하기 위해 제공된 것이며 발명의 특징을 위 물질로 제한하려는 의도는 아니다. p영역(105), i영역(104), 및 n영역(103)의 물질은 상기 광의 특정 파장에 낮은 흡수성을 가지며 물질의 선택은 상기 투과 레이저 광의 파장에 따른다.
p영역(105), i영역(104), 및 n영역(103) 물질은 자외선 스펙트럼으로부터 적외선 스펙트럼까지의 광 파장의 넓은 범위 또는 상기 투과 레이저 광이 구성하는 스펙트럼의 원하는 부분에 낮은 흡수성을 가지도록 선택된다. 이러한 물질의 선택으로, 나노공진기(NR)의 형상 및 크기가 상기 레이저 광이 상기 레이저 광의 필요 파장 λ에서 공진을 일으키도록 선택된다. 나노공진기(NR)의 크기는 상기 레이저 광의 필요 파장 λ과 비교되며 상기 레이저 광의 필요 파장 λ 보다 작다. 나노공진기(NR)가 클수록, 편향되는 레이저 광의 파장은 길어진다. 예를 들면, 적색 레이저 광 파장 범위에서 상기 크기는 900 나노미터 보다 작다.
도 1에서, 상기 p-i-n 헤테로구조 반도체 영역은 기판(101)에 대해서 n영역(103), i영역(104), p영역(105) 순으로 배치된다. 그러나, 본 발명은 상기 영역들이 상기 순서에 제한되지 않는다. 상기 p-i-n 헤테로구조 반도체 영역은 기판(101)에 대해서 p영역(105), i영역(104), 및 n영역(103) 순으로 배치될 수 있다.
상기 p-i-n 헤테로구조 반도체의 p영역(105), i영역(104), 및 n영역(103) 각각은 하나 또는 그 이상의 반도체층을 포함한다.
상기 p-i-n 헤테로구조 반도체의 p영역(105) 및 n영역(103) 각각은 적어도 서로 다른 2 이상의 반도체층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 서로 다른 2 이상의 반도체층은 GaN, InGaN, GaP, InGaP, GaAs, InGaAs, GaAsP 중 적어도 2 이상의 물질로 만들어질 수 있다.
장치(100)의 나노안테나들(NA)은 어레이 형태로 배치된다. 상기 나노안테나(NA) 어레이는 NxM 매트릭스일 수 있으며, N은 M과 동일하거나 다를 수 있다. 하나의 로우(row) 및/또는 컬럼(column)의 나노안테나(NA)의 위치는 다른 로우 및/또는 컬럼의 나노안테나(NA)의 위치에 대해 상대적으로 쉬프트될 수 있다. 이웃하는 나노안테나(NA)의 간격은 수백 나노미터일 수 있다.
장치(100)가 레이저 광 편향 방향을 제어하기 위해 편향시킬 수 있는 레이저 광의 파장 범위는 약 350nm 내지 10,000nm다.
기판(101) 및 하나의 메타표면(MS1)을 포함하는 장치(100)를 통과하는 레이저 광의 투과는 80% 이상이다. 만일 장치(100)가 2개의 기판을 포함하며, 각 기판은 하나의 메타표면을 가지고 하나의 기판이 다른 기판 위로 배치되면, 장치(100)를 통한 레이저 광의 투과는 약 60% 이다.
하나의 메타표면(MS1)을 포함하는 장치(100)에서, 일 축에 대한 레이저 광 편향 각의 범위는 -15°(345°) 내지 15°이며, 다른 축에 대한 상기 레이저 광 편향각의 범위는 -5° (355°) 내지 5°다. 레이저 광 편향각을 증가시키기 위해, 장치(100)는 적어도 하나의 다른 메타표면(미도시)을 포함할 수 있다.
도 2는 실시예에 따른 장치(100)의 작용을 설명하는 도면이다.
도 2를 참조하면, 전압 V1, V2 및 V3 이 나노공진기(NR)들의 제2 콘택들(106)에 인가된다. 나노공진기들의 제1 콘택들(102)에는 그라운드 전압 또는 상대적으로 네거티브 전압이 인가될 수 있다. 전압 V1, V2 및 V3 는 상대적으로 포지티브 전압일 수 있다. 특히 전압 V1이 하나의 나노공진기(NR)에 인가되고, 전압 V2가 다른 나노공진기(NR)에 인가되고 전압 V3 이 제3 나노공진기(NR)에 인가되며, 전압 V1, V2 및 V3 는 서로 다르다.
각 전압 V1, V2 및 V3 은 나노 공진기에 캐리어 주입을 이끈다. 상기 캐리어 주입은 나노공진기(NR)의 흡수율 k와 굴절률 n의 변화를 이끈다. 나노공진기(NR)의 흡수율 k와 굴절률 n의 변화는 공진 변위(resonance shift)를 유발하며, 이는 대응되는 나노공진기(NR)의 레이저 광 파장의 위상 쉬프트(phase shift)를 이끈다. 상기 공진 변위는 레이저 광 파장의 위상 쉬프트를 0 부터 2π 까지 허용한다. 각 나노공진기(NR)에는 다른 공진기들과 다른 전압이 공급되므로, 각 나노공진기(NR)의 자유 캐리어의 농도는 다른 나노공진기(NR)의 자유 캐리어의 농도와 다르다. 그러므로, 나노공진기(NR)들의 흡수율 k와 굴절률 n의 변화는 서로 다르며, 상기 레이저 광 파장의 위상 쉬프트는 서로 다르다. 전압 V1, V2 및 V3 은 각 나노공진기(NR)의 위상 쉬프트가 위상 구배(phase gradient)를 형성하도록 선택된다.
레이저 광은 나노공진기(NR)의 레이저 광 파장의 위상 쉬프트에 의해 형성된 위상 구배에 따라서 편향된다. 레이저 광의 편향각 α은 atan(λ/G)와 같으며, λ은 상기 레이저 광의 파장이며, G는 상기 위상 구배를 형성하는 나노공진기(NR)가 그 위에 배치된 기판(101)의 일부의 길이다.
레이저 광이 하나의 위상 구배로 편향될 때, 상기 위상 구배를 형성하는 인접한 나노공진기(NR)에서 생성된 위상들 사이의 차이는 2
Figure pat00002
/N 이 될 수 있으며, N은 상기 하나의 위상 구배를 형성하는 나노공진기(NR)의 수이며, 상기 레이저 광의 편향 각도는 상기 위상 구배를 형성하는 나노공진기(NR)의 수에 의존한다. 하나의 나노공진기(NR)가 유발하는 위상 쉬프트는 2
Figure pat00003
/N 이므로, 기판(101)의 동일한 길이(G)에서 나노공진기(NR)의 수가 증가하면 상기 레이저 광의 편향각도 비례적으로 증가한다.
나노공진기(NR)는 Ⅲ/V족 반도체 화합물로 이루어질 수 있며, Ⅲ/V족 반도체 화합물은 낮은 광 흡수성을 가지며 따라서 낮은 광 손실률을 가진 물질이다. 게다가, Ⅲ/V족 반도체 화합물은 반도체 밴드갭에 근접한 광학 성질을 현저히 조절할 수 있다.
나노공진기(NR)는 기판(101)의 평면과 평행한 단면을 가지며, 정사각형, 직사각형, 삼각형, 원형, 타원형 중 하나의 형상을 가진다. 그러나, 본 발명은 이들 형상에 한정되지 않는다.
나노공진기(NR)는 도 3에 예시된 대로 가운데 원형 캐버티가 형성된 형태로 만들어질 수 있다. 그러나, 본 발명은 도 9에 도시된 실시예에 한정되지 않으며, 중앙에 다른 형상의 캐버티를 가질 수 있다.
도 4는 실시예에 따른 장치(100)의 콘택들의 변형을 보여주는 평면도다.
도 4를 참조하면, 기판(101) 상에 배치된 제1 콘택(102)은 제1 콘택(102)을 통해 전압이 인가되는 모든 나노공진기(NR)에 공통인 연속층 형태로 만들어질 수 있다. 기판(101)으로부터 이격된 제2 콘택(106)은 스트립 형태로 만들어질 수 있으며, 각 스트립은 나노안테나 어레이의 하나의 로우 또는 컬럼의 나노공진기(NR)에 공통 콘택일 수 있다. 이러한 콘택(106) 구조를 가진 메타표면은 1차원으로만 상기 레이저 광을 편향시킬 수 있다.
제1 콘택(102)은 스트립 형태로도 만들어 질 수 있으며, 상기 스트립은 나노안테나 어레이의 하나의 로우 또는 컬럼의 나노공진기(NR)에 공통 콘택일 수 있다. 기판(101) 상에 배치된 제1 콘택(102)을 형성하는 스트립과 제2 콘택(106)을 형성하는 스트립은 서로 직교할 수 있다. 이러한 메타표면은 레이저 광을 1차원으로만 편향시킬 수 있다.
각 나노안테나는 복수의 나노공진기(NR)를 포함할 수 있다. 도 5는 레이저 광 편향 방향을 제어하는 장치(100)의 실시예를 보여준다. 각 나노안테나는 사각형 단면을 가진 2개의 나노공진기(NR)를 포함한다. 도 6은 레이저 광 편향 방향을 제어하는 장치(100)의 실시예를 보여주며, 각 나노안테나는 사각형 단면을 가진 3개의 나노공진기(NR)를 포함한다. 그러나, 레이저 광 편향 방향을 제어하는 장치(100)의 구조는 상기 실시예에 한정되지 않는다. 레이저 광 편향 방향을 제어하는 장치(100)는 상술한 대로 많은 수의 나노공진기(NR)를 가진 나노안테나를 포함할 수 있으며, 나노공진기(NR)의 형상은 사각형 단면에 한정되지 않는다.
실시예에 따른 레이저 광 전파 방향 제어장치(100)는 빔 제어를 비기계적으로 하므로 소형으로 제작될 수 있다. 장치(100)는 1 나노초 보다 작은 빠른 레이저광 편향 스위칭 시간과, 낮은 전력 소비와 10% 이상의 높은 회절 효율(장치(100) 입사광 강도에 대한 회절광 강도의 비)을 제공한다.
레이저 광 전파 방향을 제어하는 장치의 실시예들이 도면들을 참조하여 상세하게 설명된다.
도 7의 다른 실시예에서, 레이저 광 편향 방향을 제어하는 장치(300)는 도 1에 관한 상술한 구조에 더해서 도 1의 메타표면(MS1)이 배치된 기판(101)의 일면과 마주보는 다른 면 상에 배치된 다른 메타표면(MS2)을 포함한다. 다른 메타표면(MS2)은 도 1의 실시예에서 기술된 메타표면(MS1)과 그 구성이 실질적으로 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.
도 8의 다른 실시예에서, 레이저 광 편향 방향을 제어하는 장치(400)는 도 1에 관한 상술한 구조에 더해서 도 1에 기술된 메타표면(MS1)의 제2 콘택(106) 상에 배치된 절연층(408)과, 절연층(408) 상의 나노안테나((NA)를 포함한다. 도 1에 기술된 상기 메타표면(MS1)에 대해서 정렬된 다른 메타표면(MS2)을 포함한다. 상기 다른 메타표면(MS2)은 도 1의 실시예에서 기술된 상기 메타표면(MS1)과 실질적으로 동일하다. 상기 다른 메타표면(MS2)은 복수의 나노안테나(NA)를 포함하며 각 나노안테나(NA)는 대응되는 절연층(408) 상에 배치된다.
도 9의 다른 실시예에서, 레이저 광 편향 방향을 제어하는 장치(500)는 도 1에 관한 상술한 구조에 더해서 적어도 장치(500)에 입사되고 편향되는 상기 레이저 광의 파장 범위를 투과시키는 물질로 만들어진 다른 기판(501)과, 도 1에 기술된 상기 메타표면(MS1)과 유사한 적어도 하나의 다른 메타표면(MS4)을 포함한다. 상기 각 적어도 하나의 다른 메타표면(MS4)은 상기 적어도 하나의 다른 기판(501)의 일면 상에 배치된다.
기판(101) 상에는 절연층(150), 예컨대 SiO2층이 나노안테나들을 덮도록 형성되어 메타표면(MS2)가 그 위에 배치되는 구조를 제공할 수 있다. 실시예는 이에 한정되지 않는다. 예컨대, 기판(101) 및 다른 기판(501) 사이에 스페이서(미도시)가 배치되어서 다른 기판(501)이 메타표면(MS1) 상에 기판(101)과 일정한 간격으로 배치되게 할 수도 있다.
도 7, 8, 9에 도시된 장치의 각 실시예의 상기 메타표면들은 기판(101)의 평면에 대해서 2차원적으로 레이저 광을 편향시키거나, 각 메타표면은 기판(101)의 평면에 대해서 1차원적으로 레이저 광을 편향시키기 위한 것이다. 상기 레이저 광이 편향되는 면들이 서로 나란하게 배치되면, 상기 레이저 광의 편향각의 범위는 2배로 증가할 수 있다.
도 7, 8, 9에 도시된 장치의 각 실시예의 각 메타표면이 기판(101)의 평면에 대해서 1차원적으로 레이저 광을 편향시키기 위해 고안되며, 상기 레이저 광이 편향되는 상기 면들이 서로 평행하면, 이들 실시예에서 장치(100)는 상기 기판(101)의 평면에 대해서 2차원적으로 레이저 광을 편향시킬 수 있으며, 각 메타표면의 부담은 감소한다.
도 10의 다른 실시예에서, 레이저 광 편향 방향을 제어하는 장치(600)는 도 1에 관한 상술한 구조에 더해서 상기 메타표면(MS1)이 배치된 상기 기판(101)의 일면과 마주보는 면 상에 적용된 반사층(607)을 더 포함한다. 이 실시예의 장치(600)는 상기 메타표면(MS1)의 상기 일면으로부터 장치(100) 상으로 레이저 광이 입사하는 반사 모드로 작동하기 위한 것이다.
도 11에 도시된 레이저 광 편향 방향을 제어하는 장치(700)는 기판(101) 상에 배치된 메타표면(MS7)을 포함한다. 메타표면(MS7)은 복수의 나노안테나(NA)를 포함한다. 각 나노안테나(NA)는 3개의 p-i-n 헤테로구조 반도체(HS)를 포함한다. 3개의 p-i-n 헤테로구조 반도체(HS)는 각각 3색, 예컨대 레드광, 그린광, 블루광 중 서로 다른 하나의 광의 파장 범위에 대해서 낮은 흡수성을 가진다. 3개 p-i-n 헤테로구조 반도체(HS)는 컬러 영상을 표시할 수 있으며 p-i-n 헤테로구조 반도체(HS)의 p영역(105), i영역(104), 및 n영역(103)의 층들은 기판(101)에 대해서 평행하다.
컬러 영상을 표시하는 장치(700)의 구조는 도 11에 도시된 실시예에 한정되지 않는다. 도 8, 9, 10에 도시된 장치의 실시예에서, 각 나노안테나는 3개 반도체 p-i-n 헤테로구조(HS)를 포함한다. 3 개의 p-i-n 헤테로구조 반도체(HS)는 각각 3색, 예컨대 레드광, 그린광, 블루광 중 서로 다른 하나의 파장 범위에 대해서 낮은 흡수성을 가진다. 3개 p-i-n 헤테로구조 반도체는 컬러 영상을 표시할 수 있으며 상기 p-i-n 헤테로구조 반도체의 p영역(105), i영역(104), 및 n영역(103)의 층들은 기판(101)에 대해서 평행하다.
도 12의 다른 실시예에서, 레이저 광 편향 방향을 제어하는 장치(800)는 도 1에 관한 상술한 구조에 더해서 상기 장치에 입사되고 편향되는 상기 레이저 광의 파장 범위를 투과시키는 물질로 만들어진 2개의 다른 기판(801, 802)과, 도 2에 기술된 메타표면(MS1)과 유사한 2개의 다른 메타표면(MS2, MS3)을 포함한다. 다른 메타표면(MS2, MS3)은 각각 대응되는 다른 기판(801, 802)의 일면 상에 배치된다. 기판들(101, 801, 802)이 서로 나란하게 배치된다. 이들 기판(101, 801, 802) 사이에 절연층을 채우거나, 미도시된 스페이서로 기판들(101, 801, 802)의 간격이 일정하게 유지될 수 있다.
장치(800)에 따르면, 3개의 기판(101, 801, 802)의 평면에서 레이저 광을 편향시킬 수 있으므로, 레이저 광의 편향각의 범위는 하나의 기판을 사용하는 장치와 비교하여 3배로 증가될 수 있다.
레이저 광 편향 방향을 제어하는 방법은 p-i-n 헤테로구조 반도체인 나노공진기에 전압을 인가하는 것을 포함한다. 대응되는 나노공진기에 인가된 전압은 상기 인가된 전압에 의해 생성된 나노공진기의 캐리어 주입으로 대응되는 나노공진기의 공진 특성의 변화를 일으키며, 상기 인가된 전압은 상기 전압이 인가된 나노공진기에서 나노공진기를 통과하는 레이저 광의 파장의 위상 쉬프트를 일으키며, 상기 전압은 나노공진기에서의 위상 쉬프트가 하나의 평면에 위치한 위상 구배를 형성하도록 선택되며, 상기 레이저 광은 상기 형성된 위상 구배에 따라서 편향된다.
하나의 위상 구배에서, 상기 기울기를 형성하는 인접한 나노공진기에서 생성된 위상들 사이의 차이는 2ð/N 이 될 수 있으며, N은 상기 하나의 위상 구배를 형성하는 나노공진기의 수이며, 상기 레이저 광의 편향 각도는 상기 하나의 위상 구배를 형성하는 나노공진기의 수에 의존한다.
실시예에 따른 레이저 광 전파 방향을 제어하는 장치는 예컨대, 라이다, 레이저 스캐너, spatial light modulators, 홀로그래픽 장치, 망막(retian) 상에 프로젝션하는 프로젝터를 포함하는 프로젝터, 레이저 의학 장치, 레이저 가공 장치 등 에도 적용될 수 있다.
이상에서 첨부된 도면을 참조하여 설명된 실시예들은 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 비록 실시예들이 도 2-11과 연결되어 기술되었으나 이는 예시적인 것이다. 비록 본 발명의 주제가 구조적 특징 또는 방법론적인 동작들의 언어 특징으로 기술되었으나, 첨부된 청구항드로 정의된 본 발명의 주제는 상술한 특정 특징들과 동작들에 한정될 필요가 없다. 게다가, 상기 특정 특징들과 동작들은 청구항의 예시적 실시예로서 개시된다. 따라서 본 사상의 진정한 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
100: 레이저 광 편향 방향 제어장치 101: 기판
102: 제1 콘택 103: n영역
104: i영역 105: p영역
106: 제2 콘택 MS1: 메타표면
NA: 나노안테나 NR: 나노공진기

Claims (19)

  1. 장치로 입사되고 회절되는 레이저 광의 파장 범위를 투과시키는 물질로 만들어진 기판; 및
    상기 기판의 일면 상에 배치된 메타표면을 포함하며,
    상기 메타표면은 상기 기판 상에 어레이로 배열된 복수의 나노안테나를 포함하며,
    상기 나노안테나는 상기 기판의 상기 일면 상에 배치되며, 적어도 레이저 광의 파장 범위를 투과시키는 전기적 도전성 물질로 만들어진 제1 콘택;
    상기 제1 콘택 상에서 상기 레이저 광의 편향을 제어하는 적어도 하나의 나노공진기; 및
    상기 나노공진기 상에 배치되며, 적어도 상기 레이저 광의 파장 범위를 투과시키며 전기적으로 도전성 물질로 만들어진 제2 콘택;을 포함하며,
    상기 각 나노공진기는 적어도 상기 레이저 광의 파장 범위에 대해 낮은 흡수성을 가진 p영역, i영역, 및 n영역을 포함하는 p-i-n 헤테로구조 반도체이며, 상기 p-i-n 헤테로구조 반도체의 p영역, i영역, 및 n영역의 층들은 상기 기판에 대해서 평행하게 배치되된, 레이저 광 전파 방향을 제어하는 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 기판의 상기 일면과 마주보는 다른 면 상에 배치되며 상기 메타표면과 실질적으로 동일한 다른 메타표면을 더 포함하는 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 메타표면의 상기 제2 콘택 상에 배치된 절연층; 및
    상기 메타표면의 상기 제2 콘택들 상에 배치되며 상기 메타표면과 실질적으로 동일한 다른 메타표면을 더 포함하는 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    적어도 상기 장치에 입사되어 회절되는 상기 레이저 광의 파장 범위를 투과시키는 물질로 만들어지며 상기 기판과 일정한 간격으로 이격된 적어도 하나의 다른 기판; 및
    상기 적어도 하나의 다른 기판의 일면 상에 배치되며 상기 메타표면과 실질적으로 동일한 적어도 하나의 다른 메타표면을 더 포함하는 장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 기판의 상기 일면과 마주보는 상기 기판의 다른 면 상에 배치된 반사층을 더 포함하는 장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 각 나노안테나는 3개의 p-i-n 헤테로구조 반도체를 포함하며, 상기 각 p-i-n 헤테로구조 반도체는 블루, 그린, 레드의 3색 중 서로 다른 하나의 색의 파장 범위에 대해서 낮은 흡수성을 가지며, 상기 3개의 p-i-n 헤테로구조 반도체는 컬러 영상을 표시하며, 상기 3개의 p-i-n 헤테로구조 반도체의 p영역, i영역 및 n영역의 층들은 상기 기판에 대해서 평행하게 배치된 장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    적어도 상기 장치에 입사되어 회절되는 상기 레이저 광의 파장 범위를 투과시키는 물질로 만들어지며 상기 기판 상으로 소정 간격으로 이격된 2개의 다른 기판; 및
    상기 2개의 다른 기판의 일면 상에 각각 배치된 상기 메타표면과 실질적으로 동일한 2개의 다른 메타표면을 더 포함하는 장치
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 하나의 위상 구배를 형성하는 인접한 나노공진기에서 생성된 위상들 사이의 차이는 2
    Figure pat00004
    /N 이며, N은 상기 하나의 위상 구배를 형성하는 나노공진기의 수이며, 상기 레이저 광의 편향 각은 상기 하나의 위상 구배를 형성하는 상기 나노공진기의 수에 의존하는 장치.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 나노공진기는 Ⅲ/V족 반도체 화합물을 포함하는 장치.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 나노공진기는 기판의 평면과 평행한 단면을 가지며, 정사각형, 직사각형, 삼각형, 원형, 타원형 중 적어도 하나의 형상을 포함하는 장치.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 나노공진기는 중앙에 형성된 캐버티를 포함하는 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 콘택은 상기 복수의 나노안테나의 나노공진기들에 공통으로 연결된 연속층인 장치.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 콘택은 스트립 형상이며, 상기 제2 콘택은 상기 나노안테나 어레이의 하나의 로우 또는 컬럼의 나노공진기들에 대해 공통 콘택인 장치.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 제1 콘택은 스트립 형상이며, 상기 제1 콘택은 상기 나노안테나 어레이의 하나의 로우 또는 컬럼의 나노공진기들에 공통 콘택이며, 상기 기판 상에 배치된 상기 제1 콘택과 상기 제2 콘택과 서로 직교하는 장치.
  15. 제1 항에 있어서,
    상기 p-i-n 헤테로구조 반도체의 상기 p영역은 적어도 하나의 반도체층을 포함하며, 상기 p-i-n 헤테로구조 반도체의 상기 i영역은 적어도 하나의 반도체층을 포함하며, 상기 p-i-n 헤테로구조 반도체의 상기 n영역은 적어도 하나의 반도체층을 포함하는 장치.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 p-i-n 헤테로구조 반도체의 상기 p영역은 적어도 서로 다른 2개의 반도체층을 포함하며, 상기 p-i-n 헤테로구조 반도체의 상기 n영역은 적어도 서로 다른 2개의 반도체층을 포함하는 장치.
  17. 제1 항에 있어서,
    상기 복수의 나노안테나 각각은 복수의 나노공진기를 포함하는 장치.
  18. 나노공진기에 전압을 인가하는 단계를 포함하며,
    각 나노공진기는 p-i-n 헤테로구조 반도체이며, 상기 나노공진기에 인가된 전압은 상기 나노공진기에 캐리어 주입을 하여 상기 나노공진기의 공진 특성의 변화를 일으키며, 상기 나노공진기에서 상기 나노공진기를 통과하는 레이저 광의 파장의 위상 쉬프트를 일으키며, 연속된 상기 나노공진기에서의 위상 쉬프트가 하나의 평면에 위치한 위상 구배를 형성하도록 선택되며, 상기 레이저 광은 상기 형성된 위상 구배에 따라서 편향되는 레이저 광 편향 방향을 제어하는 방법.
  19. 제18 항에 있어서,
    상기 위상 구배를 형성하는 인접한 나노공진기에서 생성된 위상들 사이의 차이는 2
    Figure pat00005
    /N 이 될 수 있으며, N은 상기 하나의 위상 구배를 형성하는 나노공진기의 수이며, 상기 레이저 광의 편향 각도는 상기 하나의 위상 구배를 형성하는 나노공진기의 수에 의존하여 레이저 광 편향 방향을 제어하는 방법.
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