KR20200141443A

KR20200141443A - 이중 재료 구조체를 포함하는 회절 격자

Info

Publication number: KR20200141443A
Application number: KR1020207027368A
Authority: KR
Inventors: 아템 보리스킨; 미트라 담가니안; 옥사나 쉬람코바; 발터 드라직; 로랑 브론드
Original assignee: 인터디지털 씨이 페이튼트 홀딩스
Priority date: 2018-03-13
Filing date: 2019-03-07
Publication date: 2020-12-18
Also published as: US20210041609A1; KR102579589B1; WO2019175010A1; CN112601990A; EP3765873A1; CN112601990B; EP3765873B1; EP3540479A1; US11573356B2

Abstract

본 개시의 하나의 실시형태에서, 기판 및 기판 표면 상에 위치되는 복수의 격자 단위 셀을 포함하는 광을 회절시키기 위한 회절 격자가 제안된다. 격자 단위 셀은, 상기 기판 표면 상에서 서로 평행하거나 또는 동일한 축을 따라 있는 격자 단위 셀의 주기적 어레이를 형성한다. 회절 격자는 축(x, y 및 z)에 의해 정의되는 삼차원 직교 좌표 시스템과 연관되는데, 여기서 z 축은 상기 회절 격자에 수직이다. 수직 xz 평면에 있는 격자 단위 셀의 단면은 제1 굴절률(n₁)을 갖는 균질한 유전체 호스트 매질을 포함하되, x 축을 따라 제1 폭(W₁)을, z 축을 따라 높이(H)를 그리고 제2 굴절률(n₂)을 갖는 제1 유전체 재료의 적어도 제1 블록을 임베딩하고, 상기 z 축을 따르는 제1 블록의 에지는, 상기 x 축을 따라 제2 폭(W₂)을, 상기 z 축을 따라 상기 높이(H)를 그리고 제3 굴절률(n₃)을 갖는 제2 유전체 재료의 적어도 제2 블록과 직접적으로 접촉하고, 상기 제1, 제2 및 제3 굴절률(n₁, n₂, n₃)은 n₁ < n₃ < n₂이도록 서로 상이하다. 제1 블록 및 제2 블록은 상기 수직 xz 평면에서 사다리꼴 단면을 갖는다. 제1 및 제2 블록은 기판의 상부면에 평행하게 이어지는 상부면 및 두 개의 측벽을 가지고, 사다리꼴 단면은 베이스 각도를 정의한다. 복수의 격자 단위 셀은, 상기 회절 격자에 수직으로 입사하며, 동작 파장으로 칭해지는 자유 공간 파장(λ) - 상기 자유 공간 파장(λ)은 가시광 도메인에 속함 - 을 가지고 수직 xz 평면에서 상기 기판에 대향하는 측으로부터 유래하는 전자기파로부터의 양의 제1 회절 차수 및 음의 제1 회절 차수에 대해, 상기 파라미터(H, n₁, n₃ , n₂) 및 상기 밑각의 값에 의해 정의되는 나노젯 핫 스팟 위치에 기초하여, 비대칭 응답을 제공하되, 상기 나노젯은 상이한 굴절률을 갖는 유전체 재료 사이의 에지에서 생성된다.

Description

이중 재료 구조체를 포함하는 회절 격자

본 개시는 광학 및 포토닉스(photonics)의 분야에 관한 것으로, 더 구체적으로는, 평면형 광학 디바이스에 관한 것이다.

더 구체적으로, 그러나 배타적이지는 않게, 본 개시는 광범위한 디바이스(예를 들면, AR(Augmented Reality; 증강 현실) 및 VR(Virtual Reality; 가상 현실) 안경용의 헤드 마운트형 디스플레이 및 아이웨어(eyewear) 전자 디바이스, 광/비디오/라이트필드 카메라용의 광학 센서, 랩 온 칩(lab-on-chip) 센서를 비롯한 바이오/화학 센서, 현미경 검사법, 분광법 및 계측 시스템, 태양 전지 패널, 등등을 위한 도파관에서의 광의 입력 및 출력 커플링을 포함하는 디스플레이)에서 사용될 수 있는, 근거리장 구역 엘리먼트(near-field zone element)에서의 근거리장 포커싱 및 빔 포밍을 포함하는, 회절 격자에 관한 것이다.

근거리장 구역(near-field zone)은, 여기에서는, 그리고 본 문서 전반에 걸쳐, 그 치수가 호스트 매질에서의 파장의 분율에서부터 약 10 개의 파장까지 확장될 수 있는 본 개시에 따른 디바이스 주변의 영역을 의미한다. 그것은 비 방사(반응) 구역으로 명백하게 제한되지 않을 수도 있지만, 그러나, 디바이스의 사이즈에 따라, Fresnel(프레넬) 방사, 전이, 및 부분적으로 원거리장 구역을 또한 포함할 수 있다.

이 섹션은, 하기에서 설명되는 및/또는 청구되는 본 발명의 다양한 양태에 관련될 수도 있는 기술의 다양한 양태를 독자에게 소개하도록 의도된다. 이 논의는, 본 발명의 다양한 양태의 더 나은 이해를 용이하게 하는 배경 정보를 독자에게 제공함에 있어서 도움이 될 것으로 믿어진다. 따라서, 이들 진술은, 선행 기술의 인정으로서가 아니라, 이 측면에서 판독되어야 한다는 것이 이해되어야 한다.

나노기술의 출현과 함께, 나노 스케일로 광학 세계를 탐구하려는 계속 증가하는 관심은, 가시광을 파장 미만 스케일(subwavelength scale)에서 조작하려는 요구를 제시하였다. 연구자들은 바로 이 목적을 위해 광학 렌즈의 사이즈를 미크론 및 서브미크론 스케일로 감소시키기 위해 상당한 노력을 기울였다; 그러나, 회절 한계에 기인하여, 렌즈의 사이즈가 광의 파장에 근접할 때, 그들의 노력은 방해를 받는다.

평면 렌즈는, 그것의 작은 두께 및 우수한 포커싱 성능 덕분에, 모범이 되는 나노광자 컴포넌트(nanophotonic component)로서 그것의 유전체 대응물을 대체하기 위해 개발되었다. 지금까지, 여러 가지 타입의 평면 렌즈, 예를 들면, 구역 플레이트, 나노 슬릿 및 나노 홀 어레이, 포토닉스 크리스탈(photonics crystal) 및 메타표면(metasurface)이 연구되고 있다. 비록 상기 언급된 기술에서 상이한 전문 용어가 사용되지만, 그들은, 입사 평면파의 동위상면(phase front)을 굴곡시켜 초점에서 보강 간섭을 생성하는 것인 동일한 초점 원리를 공유한다. 실제로, 전자기파의 포커싱(즉, 빔 포밍)은, 전기장의 크기를 국소적으로 증가시키기 위한, 그리고, 그러한 방식으로, 센서, 예를 들면, 그 동작 원리가, 공간에서 전자기파의 형태로 전파하는 에너지의 출력 전압 또는 전류로의 변환에 의존하는 전자-광학 센서의 효율성을 향상시키기 위한 확립된 방식이다.

평면 렌즈의 성능은 정교한 설계를 통해 최적화되었다. 그러나, 지금까지의 대부분의 제안은, 초점 스팟 위치를 제어할 또는 전자기 빔의 방위를 변경할 가능성은 없다.

광 포커싱 및 편향 기능을 가능하게 하는 컴포넌트를 포함하는 다수의 광학 디바이스가 존재한다. 그들 중에는, 다양한 사진/비디오 카메라에서 사용되는 디지털 이미지 센서, AR/VR 안경에서 사용되는 광학 결합기, 및 다양한 광 캡쳐 및 광 프로세싱 디바이스의 필수 부품인 도광 시스템(light guiding system)이 있다. 또한, 비대칭 유전체 렌즈와 회절 렌즈 및 회절 격자와 같은, 기능 둘 모두를 동시에 수행할 수 있는 몇몇 컴포넌트도 또한 존재한다.

변환 광학기기(Transformation Optics; TO)는, 공간적으로 변하는 파라미터를 갖는 신중하게 엔지니어링된 재료의 사용을 통해 전례 없이 믿을 수 없는 방식으로 전자기(electromagnetic; EM) 필드를 제어하는 가능성을 허용한다. EM 파를 제어함에 있어서의 그러한 유연성은, 달성하기 어려운 성능 또는 특별히 소망되는 속성(property)을 가진 신규의 디바이스의 설계에서 편리한 것으로 보이고, 따라서, 파동 전파의 분야에서 상당한 연구 관심을 불러 일으켰다.

전자기 방사 빔의 전파의 방향을 변경할 가능성을 제공하는 렌즈가, ["Coherent beam control with an all-dielectric transformation optics based lens", Scientific Reports, Vol. 6, Article number : 18819 (2016)]에서 J. Yi 등등에 의해 제안되었다.

여기 소스(excitation source)는 변환된 매질에 대응하는 렌즈를 통해 투과하는데, 그 렌즈는 빔을 법선 방향으로부터 멀어지게 굴절시킨다. 등급화된 유전율 프로파일을 제시하는 전 유전체 소형 저가 렌즈 프로토타입(all-dielectric compact low-cost lens prototype)은 삼차원(3D) 폴리젯(polyjet) 프린팅 기술을 통해 제조되었다. 방사체(radiator)의 어레이는 표준 리소그래피 기술을 사용하여 실현되는 네 개의 평면 마이크로스트립 안테나로 구성되었고 렌즈에 대한 여기 소스로서 사용되었다.

파장 미만 스케일에서의 가시광의 조작을 가능하게 하는 한 가지 가능한 방법은 표면 플라즈몬(surface plasmon)을 사용한다; 이들 표면 플라즈몬 기반의 렌즈, 또는 소위 플라즈몬 렌즈(plasmonic lens)는 파장 미만 스케일의 초점 구역을 달성할 수 있다. 그러나, 플라즈몬 렌즈의 잠재성을 완전히 실현하기 위해서는, 광을 포커싱하는 것뿐만 아니라, 또한, 작은 스케일에서 광을 조작하고 정확하게 배치하는 것이 필요하다. ["Beam bending via plasmonic lenses", Opt. Expr., Vol. 18, No. 22 23458 (2010)]에서, Ya. Zhao 등등은 플라즈몬 렌즈를 사용하여 방향 조절을 달성하기 위한 더욱 실용적이고 구현하기 쉬운 방법을 제공하는 것을 목표로 하였다. 전파 방향을 가로지르는 방향을 따라 광을 굴곡시킬 수 있는 플라즈몬 렌즈에 대한 설계 원리가 제안되었다. 가벼운 굴곡은 플라즈몬 렌즈에 대한 신중하게 설계된 곡선의 동위상면을 구성하는 것에 의해 달성된다. 동위상면 프로파일의 제어는 다음의 두 가지 메커니즘을 통해 달성된다: 렌즈에 있는 개개의 슬릿의 폭과 형상에 의해 야기되는 위상 지연, 및 이들 슬릿의 위치. 제안된 단일 층 렌즈는 집속 이온 빔(Focused Ion Beam; FIB) 기술을 사용하여 편리하게 제조될 수 있고, 따라서, 그들의 현존하는 렌즈보다 훨씬 더 편리하다.

최근에는, 플라즈몬 안테나 구조체를 사용한 오브젝트의 근거리장 광학 트래핑(near-field optical trapping)이 큰 주목을 끌고 있다. 그러나, 금속 나노구조체는 또한, 중간 및 원거리장(far-field) 빔의 일반적인 파면(wavefront) 엔지니어링을 위한 소형 플랫폼을 제공한다. ["Optical Manipulation with Plasmonic Beam Shaping Antenna Structures" (Advances in Optoelectronics, vol. 2012, Article ID 595646)]에서, Yo. C. Jun 등은, 플라즈몬 빔 성형 안테나 구조체에 의해 생성되는 광학적 힘을 분석하고, 선형 또는 곡선 궤적을 따라 유전체 입자를 안내하는 것과 같은 일반적인 광학 조작에서 그들이 사용될 수 있다는 것을 나타낸다. 비대칭 슬릿홈 구조체(asymmetric slitgroove structure)가 일정한 각도로 시준되는 빔을 생성한다. 양쪽의 상이한 홈 주기(groove period)는 축외(off-axis) 방향에서 보강 간섭을 생성한다. 저자는 또한 상이한 파장이 상이한 간섭 조건 및 빔 방향을 초래한다는 것을 증명하였다.

메타표면은, 컴팩트하고 평면인 구성에서 복잡한 광학 시스템을 실현하는 고유의 솔루션을 제공할 수 있다. 전례없는 스펙트럼 분해능으로 상이한 파장의 광을 동시에 포커싱하고 분산시키는 축외 메타렌즈(off-axis meta-lens)가 M. Koharasaninejad 등등에 의한 ["Super-Dispersive Off-Axis Meta-Lenses for Compact High Resolution Spetrcoscopy" (Nano Lett., Vol. 16, No. 6, 3732 (2016))]에서 제시되었다. 그들은 회전된 실리콘 나노핀(nanofin)을 통해 기하학적 위상에 기초하여 설계되며 80°만큼 큰 각도에서 광을 포커싱할 수 있다.

미리 정의된 구조체로부터의 투과된 동위상면을 조작하기를 원하는 평면 렌즈의 조정 가능성을 가능하게 하기 위해 다양한 전략이 등장하였다. 예를 들면, ["Tuning the focus of a plasmonic lens by the incident angle" (Appl. Phys. Lett., Vol. 88, 171108 (2006))]에서 Liu Z. 등등에 의해, 입사광의 각도를 변경시키는 것이 플라즈몬 렌즈의 초점 위치를 조정하는 것이 입증되었다. 정적인 플라즈몬 디바이스에 능동적인 조정 가능성을 포함시키는 것은 그들의 기능성을 크게 향상시킨다. 액정, 바나듐 이산화물, 실리콘 및 다른 재료를 비롯한 인덱스 가변 재료는, 종종, 플라즈몬 디바이스 및 광학 메타표면에서 통합된다. 따라서, 광자 디바이스의 포커싱 거동에서 소정 정도의 조정 가능성을 달성하기 위해, 등급 지수형 메타렌즈(graded-index metalens)에서 여기되는 가이드 모드의 광학 위상을 조작할 수도 있다. 원거리장 포커싱 패턴을 엔지니어링하기 위해 위상 변화 재료인 Ge₂ SB₂ Te₅(GST)로 채워지는 슬릿의 어레이로 구성되는 신규의 평면 메타렌즈가 ["Engineering the phase front of light with phase-change material based planar lenses" by Y. Chen et al (Sci. Rep., Vol. 5, Article number: 8660 (2015))]에서 또한 제안되었다.

그러나, 광학 파장 범위에서 플라즈몬 렌즈의 기능성은 높은 흡수 손실로부터 문제를 겪는다는 것을 유의해야 한다. 또한, 제안된 토폴로지의 효율성을 감소시키는 몇몇 제조 어려움이 있다. 전자기 빔의 위치와 편향 둘 모두를 제어하는 필수 기능성을 가능하게 하는 이 문제의 가능한 솔루션은 유전체 재료를 사용하여 발견될 수 있다.

또한, 파장 미만 분해능(현재의 그리고 미래의 많은 나노광자 애플리케이션에 대해 중요함)을 가능하게 하는 그러나 필수 광 편향 기능을 완전히 생성할 수는 없는 다수의 근거리장 포커싱 컴포넌트가 또한 존재한다. 광자 나노젯(nanojet; NJ)은, 입사 광학 방사선의 파장과 동등한 또는 다소 더 큰 직경을 갖는 조명된 투명 유전체 대칭 바디의 음영 표면(shadow surface )에 근접하여 형성되는 폭이 좁은 고강도 광학 방사선 플럭스이다. 광자 NJ 형성의 물리적 기원은, 회절되고 입자를 통과한 방사선 네트 플럭스(radiation net flux)의 간섭(보강 및 상쇄 둘 모두)으로부터 발생한다(예를 들면, ["Photonic nanojet-enabled optical data storage" by S.-C. Kong et al., (Opt. Express, Vol. 16, No. 18, 2008)], 특허 문헌 [US 7 394 535, "Terajets produced by dielectric cuboids" by V. Pacheco-Pena et al., (Applied Phys. Lett., Vol. 105, 084102, 2014)], 및 ["Multifrequency focusing and wide angular scanning of terajets" by V.Pacheco-Pena et al., (Opt. Lett. Vol. 40, No. 2, pp. 245-248, 2015)] 참조).

광자 NJ의 가장 눈에 띄고 특정한 피쳐는 (입사의 방향에 비해) 길이 방향에서의 광 필드의 극도로 높은 공간적 국소화인데, 이것은, 종래의 높은 NA(Numerical Aperture; 개구수) 포커싱 광학기기와는 대조적으로, 광자 제트(photonic jet)의 파장 미만 치수로 이어질 수 있다. NJ 효과에 대한 일반적인 관심은, 나노포토닉스, 생물학, 의학, 및 나노전자공학에서의 그것의 실제 적용의 가망에 의해 주로 야기된다. 몇몇 디바이스의 기능의 원리는, 미립자 근처의 국소화된 공간 영역에서 NJ가 높은 강도의 전자기장을 제공할 수 있고 필드 및 재료 기원 둘 모두의 교란에 대해 높은 감도를 가질 수 있다는 사실에 기초한다.

제어된 NJ 특성(characteristic)의 조작, 마이크로렌즈 광학 속성의 변화에 의한 더 얇은 또는 더 긴 그리고 집중적인 제트의 생성의 문제가 증가하는 관심을 끌고 있다. 최근 연구는, NJ 형상 및 강도 둘 모두가 생성되는 마이크로입자의 사이즈 및 광학적 속성에 크게 의존한다는 것을 나타내었다(예를 들면, ["Optics of photonic nanojets" by A. V. Itagi et al., (J. Opt. Soc. Am. A, Vol. 22, 2847 (2005))], ["Subdiffraction optical resolution of a gold nanosphere located within the nanojet of a Mie-resonant dielectric microsphere" by A. Heifetz et al. (Opt. Express, Vol. 15, 17334 (2007)], 및 ["Three-dimensional subwavelentgh confinement of light with dielectric microspheres" by A. Devilez et al., (Opt. Express, Vol. 17, 2089 (209)] 참조).

또한, NJ가 상이한 굴절률(예를 들면, ["Ultralong photonic nanojet formed by a two-layer dielectric microsphere" by Yu Shen et al., (Opt. Lett., Vol. 39, No. 14, 4120 (2014)], ["Detection of embedded ultrasubwavelength-thin dielectric features using elongated photonic nanojets" by C.M. Riuz et al., (Opt. Express, Vol. 18, No. 16, 16805 (2010)], ["Photonic nanojet calculations in layered radially inhomogeneous micrometer-sized spherical particles" by Yu E. Geints et al., (J. Opt. Soc. Am. B, Vol. 28, No. 8, 1825 (2011)], 및 ["Super-long photonic nanojet generated from liquid-filled hollow microcylinder" by G. Gu et al., (Opt. Lett., Vol. 40, No. 4, 625 (2015)] 참조) 또는 등급화된 굴절률 재료(["Tunable photonic nanojet formed by generalized Luneburg lens" by X. Mao et al., (Opt. Expre. Vol. 23, No. 20, 026426 (2015))]를 갖는 여러 가지 동심 쉘로 구성되는 복합적인 반경 방향 불균질 입자(composite radially inhomogeneous particle)에 의해 생성되는 경우, NJ 특성은 크게 변경될 수 있고, 특히, 광자 제트를 비정상적으로 연장시키고 또한 전기장을 추가로 증폭하는 것이 가능하게 된다.

그러므로, 편향 컴포넌트의 설계를 위한 이용 가능한 개념에 대한 개요는, 광 편향 기능을 제공할 수 있는 신뢰할 수 있는 솔루션이 없다는 것을 드러낸다.

그러므로, 근거리장 구역에서 전자기 빔의 편향 기능을 달성하는 것을 가능하게 할 신규의 타입의 광학 디바이스를 제공하는 것이 바람직할 것이다.

성능 특성 및 제조 어려움의 관점에서 새로 출현하는 나노 광자 애플리케이션의 요구를 완전히 충족시킬 그러한 신규의 광학 디바이스를 제공하는 것이 또한 바람직할 것이다. 다시 말하면, 확립된 마이크로 및 나노 제조 기술과 호환되는 간단한 토폴로지를 나타낼 그러한 신규의 광학 디바이스를 제공하는 것이 또한 바람직할 것이다.

제로 차 이외의 회절 차수에서 최대 격자 효율성을 달성하도록 최적화되는 회절 격자는, 원거리장 구역에서 광 편향 기능을 제공할 수 있다. 신규의 회절 격자를 설계하기 위해, 원거리장 구역에서의 목표로 된 광 분배의 목적을 위해 근거리장 구역에서 입사광을 편향시키고 포커싱하는 이중 재료 마이크로렌즈를 사용할 것을 제안한다.

명세서에서, "하나의 실시형태", "한 실시형태", "예시적인 실시형태" 에 대한 언급은, 설명되는 실시형태가 특정한 피쳐, 구조, 또는 특성을 포함할 수도 있지만, 그러나, 모든 실시형태가 반드시 그 특정한 피쳐, 구조, 또는 특성을 포함하지는 않을 수도 있다는 것을 나타낸다. 또한, 그러한 어구는 반드시 동일한 실시형태를 가리키는 것은 아니다. 게다가, 특정한 피쳐, 구조, 또는 특성이 실시형태와 관련하여 설명될 때, 명시적으로 설명되든 또는 설명되지 않든 간에, 다른 실시형태와 관련하여 그러한 피쳐, 구조, 또는 특성에 영향을 끼치는 것이 기술 분야의 숙련된 자의 지식 내에 있다는 것이 제출된다.

그러므로, 본 개시는, 기판 및 상기 기판 표면 상에 위치되는 복수의 격자 단위 셀을 포함하는, 광을 회절시키기 위한 회절 격자를 제공한다. 격자 단위 셀은, 상기 기판 표면 상에서 서로 평행하거나 또는 동일한 축을 따라 있는 격자 단위 셀의 주기적 어레이를 형성한다는 점에서 주목할 만한데, 격자의 주기는, 300 nm에서부터 1000 nm까지의 범위에 속하는 d이고, 상기 회절 격자는, 축(x, y 및 z)에 의해 정의되는 삼차원 직교 좌표 시스템(Cartesian coordinates system)과 연관되고, 상기 z 축은 상기 회절 격자에 수직이고, 수직 xz 평면에 있는 격자 단위 셀의 단면은 제1 굴절률(n₁)을 갖는 균질한(homogeneous) 유전체 호스트 매질을 포함하되, x 축을 따라 제1 폭(W₁)을, z 축을 따라 높이(H)를 그리고 제2 굴절률(n₂)을 갖는 제1 유전체 재료의 적어도 제1 블록을 임베딩하고, 상기 z 축을 따르는 제1 블록의 에지는, 상기 x 축을 따라 제2 폭(W₂)을, 상기 z 축을 따라 상기 높이(H)를 그리고 제3 굴절률(n₃)을 갖는 제2 유전체 재료의 적어도 제2 블록과 직접적으로 접촉하고, 상기 제1, 제2 및 제3 굴절률(n₁, n₂, n₃)은 n₁ < n₃ < n₂이도록 서로 상이하고, 상기 제1 블록 및 상기 제2 블록은 상기 수직 xz 평면에서 사다리꼴 단면을 가지고, 상기 제1 및 제2 블록은 기판의 상부면(top surface)에 평행하게 이어지는 상부면 및 두 개의 측벽을 가지되, 상기 사다리꼴 단면은 밑각(base angle)을 정의하고, 상기 복수의 격자 단위 셀은, 상기 회절 격자에 수직으로 입사하며, 동작 파장으로 칭해지는 자유 공간 파장(λ) - 상기 자유 공간 파장(λ)은 가시광 도메인에 속함 - 을 가지고 수직 xz 평면에서 상기 기판에 대향하는 측(side)으로부터 유래하는 전자기파로부터의 양의 제1 회절 차수 및 음의 제1 회절 차수에 대해, 상기 파라미터(H, n₁, n₃ , n₂) 및 상기 밑각의 값에 의해 정의되는 나노젯 핫 스팟 위치에 기초하여, 비대칭 응답을 제공하고, 상기 나노젯은 상이한 굴절률을 갖는 유전체 재료 사이의 에지에서 생성된다.

변형예에서, 상기 단면은:

- 근거리장 구역에서 제1 나노젯인 제1 빔을 형성하도록 타겟팅되는 상기 z 축을 따르는 상기 호스트 매질과 상기 제1 블록 사이의 제1 에지;

- 상기 근거리장 구역에서 제2 나노젯인 제2 빔을 형성하도록 타겟팅되는 상기 z 축을 따르는 상기 제1 블록과 상기 제2 블록 사이의 제2 에지;

- 상기 근거리장 구역에서 제3 나노젯인 제3 빔을 형성하도록 타겟팅되는 상기 z 축을 따르는 상기 제2 블록과 상기 호스트 매질 사이의 제3 에지를 포함하되,

상기 제1, 제2 및 제3 빔의 적어도 부분적 조합으로부터 유래하는 빔의 상기 수직 xz 평면에서의 상기 x 축을 따르는 위치의 시프트 및/또는 상기 z 축으로부터의 편향의 각도는, 상기 제1, 제2 및 제3 굴절률(n₁, n₂ n₃), 상기 단면에서의 상기 제1 및 제2 블록의 상기 폭 및 높이 및 상기 밑각에 의존한다.

변형예에서, 상기 제1 빔은 기울어진 빔이고, 앙각(elevation angle)로 칭해지는, 상기 수직 xz 평면에서의 상기 제1 빔의 투영의 각위치(angular position)는 상기 제1 굴절률(n₁)과 상기 제2 굴절률(n₂) 사이의 비율에 의존한다.

변형예에서, 상기 제2 빔은 기울어진 빔이고, 앙각으로 칭해지는, 상기 수직 xz 평면에서의 상기 제2 빔의 투영의 각위치는 상기 제2 굴절률(n₂)과 상기 제3 굴절률(n₃) 사이의 비율에 의존한다.

변형예에서, 상기 제3 빔은 기울어진 빔이고, 앙각으로 칭해지는 상기 수직 xz 평면에서의 상기 제3 빔의 투영의 각위치는 상기 제1 굴절률(n₁)과 상기 제3 굴절률(n₃) 사이의 비율에 의존한다.

변형예에서, 상기 제1 폭(W₁) 및 상기 제2 폭(W₂)은 동일하고, 상기 x 축을 따르는 상기 총 빔의 위치의 상기 시프트는, 상기 제1, 제2 및 제3 굴절률(n₁, n₂ 및 n₃) 및 상기 단면에서의 상기 제1 및 제2 블록의 상기 폭 및 높이에 의존한다.

변형예에서, 상기 x 축을 따르는 상기 제1 및 제2 블록의 총 폭(W = W₁ + W₂)은 상기 동작 자유 공간 파장보다 더 작거나 또는 동일하다(W ≤ λ).

변형예에서, 상기 제1 및 제2 유전체 재료는 다음의 것을 포함하는 그룹에 속한다:

- 유리;

- 플라스틱;

- 폴리머 재료;

- 산화물;

- 질화물.

변형예에서, 상기 균질한 유전체 호스트 매질은 일련의 제1 및 제2 블록을 임베딩한다.

변형예에서, 상기 복수의 격자 단위 셀은, 범위 [1, 2.4], [1.3, 2.4] 및 [1.3, 2.4]에 각각 속하는 파라미터(n₁, n₃ 및 n₂)를 사용하여, 제1 회절 차수에 대한 비대칭 응답을 수정한다.

본 개시는, 예로서 주어지며 보호의 범위를 제한하지 않는, 다음의 도면 및 설명을 참조하여 더 잘 이해될 수 있는데, 도면에서:
도 1은, 본 개시의 한 실시형태에 따른, 회절 격자 유닛 셀의 엘리먼트를 나타내는 이중 재료 구조체(double-material structure)의 XZ 평면에서의 단면도를 예시한다;
도 2는 도 1의 이중 재료 구조체의 파라미터에 대한 포커싱된 빔의 편향 각도의 종속성을 나타낸다;
도 3의 (a) 및 (b)는 각각 xz 평면에서의 전력 밀도 분포 및 도 1의 제1 예시적인 구조체에 의해 생성되는 다수의 NJ의 개략적 분포를 예시한다;
도 4의 (a) 및 (b)는 각각 xz 평면에서의 전력 밀도 분포 및 도 1의 제2 예시적인 구조체에 의해 생성되는 다수의 NJ의 개략적 분포를 예시한다;
도 5는 도 1의 예시적인 구조체에 대한 굴절률(n₃)의 상이한 값에 대한 X 좌표를 따르는 전력 밀도 분포를 나타낸다;
도 6은 수직이 아닌 에지를 갖는 이중 재료 구조체의 단면도를 제공한다;
도 7은 도 6의 예시적인 시스템에 대한 x 축을 따르는 전력 밀도 분포를 예시한다;
도 8의 (a) 및 (b)는 본 개시의 하나의 실시형태에 따른 격자 라인 또는 단위 셀의 상이한 단면을 나타낸다;
도 9의 (a) 및 (b)는 본 개시의 하나의 실시형태에 따른 회절 격자의 상이한 가능한 기하학적 형상(geometry)을 나타낸다;
도 10(a) 내지 도 10(c)는 도 1에서 12로 참조되며, 블록의 반사율 및 투과율 대 굴절률 사이의, 그리고 입사 파장(λ) = 620 nm, d = 500 nm, W₁ = W₂ = 140 nm, H = 250 nm에서의 관계를 나타내는데; 도 10(a)에서는 n₃ = n₄ = 1.3이고, 도 10(b)에서는 n₃ = n₄ = 1.5이고, 도 10(c)에서는 n₃ = n₄ = 1.8이다;
도 11(a) 내지 도 11(e)는, 그러한 파라미터: λ = 620 nm, d = 500 nm, W₁ = W₂ = 140 nm, H = 250 nm, n₃ = n₄ = 1.3을 갖는 시스템에 대한 xz 평면에서의 시간 평균 전력 흐름 분포(time averaged power flow distribution)를 나타내는데; 도 11(a)는 단일의 이중 재료 마이크로렌즈에 대한 것이고; 도 11(b)는 이중 재료 엘리먼트를 갖는 회절 격자의 단위 셀에 대한 것이고; 도 11(c)는 단일의 이중 재료 엘리먼트에 대한 NJ 핫 스팟의 X 좌표 대 n₂에 대한 것이고; 도 11(d)는 단일의 이중 재료 엘리먼트에 대한 NJ 핫 스팟 Z 좌표 대 n₂에 대한 것이고; 도 11(e) 단일의 이중 재료 엘리먼트에 대한 시간 평균 전력 흐름의 Z 성분 대 n₂에 대한 것이다;
도 12(a) 및 도 12(b)는 d = 500 nm, n₂ = 2.0, W₁ = W₂ = 140 nm를 갖는 회절 격자에 대한 λ = 620 nm에서의 이중 재료 엘리먼트의 반사율 및 투과율 대 높이를 나타내는데, 도 12(a)에서는 -n₃ = n₄ = 1.3이고, 도 12(b)에서는 n₃ = n₄ = 1.5이다;
도 13(a) 및 도 13(b)는 그러한 파라미터: λ = 620 nm, d = 500 nm, W₁ = W₂ = 140 nm, n₂ = 2.0, n₃ = n₄ = 1.5를 갖는 이중 재료 엘리먼트를 갖는 회절 격자의 단위 셀에 대한 xz 평면에서의 시간 평균 전력 흐름 분포를 나타내는데, 도 13(a)에서 -H = 390 nm이고, 도 13(b)에서 -H = 1100 nm이다;
도 14는 d = 500 nm, n₃ = n₄ = 1.5, n₂ = 2.0, H = 250 nm를 갖는 회절 격자에 대한 λ = 620 nm에서의 이중 재료 엘리먼트의 구성 부분(W₁ = W₂)의 반사율 및 투과율 대 폭을 나타낸다.
도면에서의 컴포넌트는 반드시 일정한 비율일 필요는 없으며, 대신, 본 발명의 원리를 예시할 때 강조가 이루어진다.

본 개시의 일반적인 원리는 포커싱된 나노젯 빔의 위치를 제어하고, NJ 빔 방위의 방향을 변경하기 위해, 상이한 유전체 재료를 결합하는 구조체 또는 단위 셀을 포함하는 회절 격자의 설계에 의존한다. 이 기능성을 가능하게 하기 위해, 마이크로구조체의 (상이한 블록/층과 연관되는) 상이한 에지로부터 발생하는 모든 NJ 빔이 재결합하고 법선 방향으로부터 굴절되는 NJ 빔의 형성에 기여하는 그러한 방식으로, 상이한 굴절률을 갖는 두 개 이상의 유전체 재료를 결합하는 것이 제안된다. 본 개시에 따르면, 그러한 디바이스의 구성 부분의 재료 및 치수를 변경하는 것에 의해 소망되는 회절 차수에서 최대 효율성을 달성하는 것이 가능하다.

다시 말하면, 그러한 일반적인 원리는, 수직 단면에서 비대칭 시스템을 갖는 상이한 굴절률을 갖는 적어도 두 개의 유전체 재료의 조합으로서의 회절 격자 단위 셀의 엘리먼트로서 간주될 NJ 빔 포밍 엘리먼트(이하, 마이크로렌즈로 또한 칭해짐)를 설계함에 있어서 존재한다. 이하, 그러한 토폴로지를 갖는 마이크로렌즈는, 특허 문헌 EP 3 223 063에서 제시되는 단일 재료 NJ 마이크로렌즈와는 대조적으로, 상이한 재료의 조합에 기초하는 마이크로렌즈, 또는 또한 이중 재료 마이크로렌즈로 지칭된다. 이 변환은 포커싱된 NJ 빔의 편향을 초래한다. NJ 빔 방향에 대한 제어를 가능하게 하는 그러한 컴포넌트는, 정확한 근거리장 패턴화 및/또는 입사 전자기파(예를 들면, 가시광) 전파 방향의 편향을 필요로 하는 다수의 애플리케이션의 경우 중요할 수도 있다. 제안된 결합된 마이크로렌즈의 잠재적인 추가적 이점은 NJ 핫 스팟의 위치를 변경시킬 가능성이다. 그러한 타입의 엘리먼트를 포함하는 회절 격자는, 예를 들면, 유리 또는 솔라 패널에서 애플리케이션을 찾을 수도 있다.

제안된 NJ 마이크로렌즈의 향상된 성능 특성은 다양한 현재 및 미래의 모바일 애플리케이션에 대해 그들을 매력적으로 만든다.

5.1 토폴로지

도 1은, 본 개시의 한 실시형태에 따른, 회절 격자의 구성 부분을 나타내는 이중 재료 마이크로렌즈 또는 단위 셀(10)의 XZ 평면에서의 단면도를 예시한다.

그러한 이중 재료 마이크로렌즈 또는 단위 셀(10)은, 단면도에서, 12와 13로 참조되는 재료의 두 개의 상이한 블록의 조합에 대응한다. 그들의 단면은 (도 1에서 예시되는 바와 같이) 직사각형이지만, 그러나 또한 사다리꼴 또는 직육면체 형상일 수 있다.

굴절률(n₁ < n₃)을 갖는 균질한 유전체 호스트 매질(11)에 임베딩되는 12 및 13으로 참조되는 블록은 각각 굴절률 n₂ 및 n₃(n₂ > n₃)을 갖는다. 단순화를 위해, 모든 재료는 무손실이고 비분산성인 것으로 가정한다.

블록(12 및 13)은 또한 지지층으로서 작용하는 유전체 기판(예시되지 않음) 상에 배치될 수 있다.

블록(12)은 폭(W₁) 및 높이(H)를 가지고, 한편, 블록(13)은 폭(W₂) 및 동일한 높이(H)를 갖는다.

이하, 블록(12, 13)은 z 축에 평행한 수직 에지 및 xy 평면에 평행한 상단/하단 표면을 갖는다는 것을 고려하는데, 이것은 밑각(α) = 90°에 대응한다. 그러나, 몇몇 프리즘 구조체(임의의 밑각을 가짐)가 또한 사용될 수 있다. 도 16 내지 도 21과 관련하여 이하에서 논의되는 바와 같이, 밑각 값의 변동은 NJ 빔 방사의 제어에서 추가적인 자유도를 제공한다.

이중 재료 마이크로렌즈(10)는, 광학 디바이스(10)의 동작 파장인 자유 공간 파장(λ)을 갖는 입사 전자기파(14)에 의해 아래로부터 조명된다. 도 1 상에서, 전자기파는 z 축에 평행한 방향을 가지고 예시된다. 그러나, 더 일반적으로, xz 평면에서 아래에서부터 입사하는 입사 전자기파(14)를 고려한다. 더 일반적으로, 이중 재료 마이크로렌즈(10)는 입사 전자기파(14)에 의해 아래에서부터 조명되고: 실제로, 단색(단일의 파장) 파는 상이한 편파, 즉 TE 및 TM 편파 둘 모두를 갖는 두 개의 파의 중첩으로서 간주될 수도 있다. 파(14)는 그것의 전파 방향 및 편파에 따라 정의된다.

도 1의 특이한 예 상에서, 렌즈는 선형적으로 편파된 평면 파(linearly-polarized plane wave)(E = {0,1,0})에 의해 조명된다.

본 개시에 따르면, 구성 부분(11, 12, 및 13)의 재료 및 사이즈는, NJ 핫 스팟의 위치, NJ 빔의 강도, 방향 및 편향의 각도를 관리하기 위해, 최적화될 수 있다.

실제로, 본 개시의 발명자는, 상이한 유전체 재료의 조합에 기초한 마이크로렌즈(10) 상에서의 평면파의 회절이 법선 방향으로부터 멀어지는 NJ의 편향을 초래할 수 있다는 것을 밝혀내었다. NJ 빔의 초점 스팟의 위치, 편향의 각도, 강도 및 형상은 구성 부분/블록(12, 13)의 굴절률(n₁, n₂, n₃) 및 사이즈(W₁, W₂, H)의 변동에 의해 제어될 수 있다. 그러므로, NJ 빔은 블록(12, 13)의 파라미터를 조정하는 것에 의해, 시스템의 대칭 축으로부터 시프트될 수 있다.

생성된 NJ의 파라미터에 대한 구성 블록의 형태, 사이즈 및 굴절률의 영향은 다음 섹션에서 조사된다.

5.2 회절 격자의 엘리먼트의 설계 원리 및 주요 성능 특성

이 섹션에서는, NJ 빔 시프트 및 편향에 대한 블록(12, 13)의 재료 및 치수의 최적의 조합을 추정하기 위한 수학식의 세트를 제시한다. 빔 편향의 방향 및 핫 스팟 위치는 구성 부분의 사이즈(W₁, W₂, H)에 민감하다. 몇 개의 파장보다 더 큰 치수를 갖는 마이크로렌즈(10)의 경우, 프레넬 회절 현상은 큰 영향을 끼칠 것이다.

5.2.1 생성된 NJ 빔의 주요 특성

동일한 출원인의 이름의 특허 문헌 EP 3 223 063에서 입증되는 바와 같이, 빔 포밍 현상은 상이한 굴절률의 두 개의 재료 사이의 에지 상에서 나타나며, 이 에지와 전적으로 관련된다. 양 재료 사이의 굴절률의 비율은, 수직 xz 평면에서의 NJ 빔의 투영의 각위치인, 생성된 나노젯 빔의 앙각을 제어하는 데 기여한다. 실제로, NJ 빔 방사선 각도는 Snell(스넬)의 법칙에 의해 정의되며 다음의 근사식을 사용하여 결정할 수 있는데:

여기서,

는 임계 굴절 각도이고, n₁은 호스트 매질(11)의 굴절률이고, n₂는 마이크로렌즈 재료의 굴절률이다. 엘리먼트의 양쪽에서 방사되는 두 개의 동일한 NJ 빔의 교차점은 NJ 마이크로렌즈의 초점 거리를 결정한다. 제1 근사에서, 단일 재료 엘리먼트의 경우, NJ 렌즈의 초점 거리는, 렌즈 내부 및 외부의 매질의 사이즈(폭) 및 지수 비율(index ratio)의 함수로서 특성 묘사될 수 있다. 총 방사된 NJ 빔은 시스템의 대칭 축을 따라 지향될 것이다.

그러한 마이크로렌즈의 초점 거리는 다음과 같이 추정될 수 있는데:

여기서,

이고, W₁은 단일 엘리먼트의 폭이다.

도 1에서 예시되는 바와 같이, 굴절률(n₃) 및 폭(W₂)을 갖는 제2 엘리먼트(13)가 굴절률(n₂)을 갖는 제1 엘리먼트(12)와 직접 접촉하여 부착되는 경우, 양 엘리먼트(12, 13) 사이의 경계로부터의 NJ 빔 방사선의 각도는

와 동일하게 유지되지 않을 것이다. 신규의 NJ 빔은 각도(

)에서 더 높은 굴절률을 갖는 매질 안으로 굴절될 것이다. n₂> n₃이면, 각도(

)를 다음으로서 결정할 것인데:

여기서

이다.

블록(13)과 호스트 매질(11) 사이의, 제3 에지에서의 NJ 빔 방사선 각도는 다음에 대응하는데:

여기서

이다.

상이한 굴절률을 갖는 재료(11, 12, 및 13) 사이의 세 개의 에지에 의해 생성되는 이들 세 개의 NJ의 길이 및 강도는 상이할 것이다는 것을 유의한다. 최대 강도 및 최소 길이는 굴절률 사이의 비율이 가장 높은 비율을 갖는 빔에 대응한다. 도 1에서 예시되는 예시적인 경우에서, 그것은, 블록(12)와 호스트 매질(11) 사이의 경계에서 생성되는 각도(

)에서 굴절되는 NJ일 것이다.

광학 디바이스(10)의 상이한 굴절률의 재료 사이의 경계에서 생성되는 세 개의 나노젯 빔은 부분적으로 또는 전체적으로 결합되어, 디바이스(10)의 세 개의 에지와 연관되는 세 개의 1차(primary) 나노젯 빔에 의해 야기되는 간섭 패턴에 대응하는 총 포커싱된 빔(total focused beam)을 생성할 수도 있다.

이중 재료 마이크로렌즈(10)에 의해 방사되는 총 NJ의 거동을 설명하기 위해, 시스템(10)의 에지와 연관되는 그리고 각도(

,

, 및

)에서 방사되는 이들 초기의, 또는 1차 NJ의 교차점(도 1 상에서 A, B 및 C로 표시됨)을 결정해야 한다.

제1(NJ1) 및 제2(NJ2) NJ의 교차의 지점(A)은 좌표 (W_A, H_A)를 갖는데, 여기서:

이고, 각도(

)는 폭(W₁)을 갖는 제1 블록(12)에 대한 z 축에 평행한 대칭 축으로부터의 초점(A)의 편향의 각도를 나타낸다:

제1(NJ1) 및 제3(NJ3) NJ는 좌표 (W_B, H_B)를 갖는 지점(B)에서 교차하는데, 여기서:

이고, 각도(

)는, 총 폭(W₁ + W₂)을 갖는 전체 마이크로렌즈(10)에 대한 z 축에 평행한 대칭 축으로부터의 초점(B)의 편향의 각도를 나타낸다:

제2(NJ2) 및 제3(NJ3) 나노젯은,

인 경우에만 교차할 것이다는 것을 유의하는 것이 필요하다. 이 경우, 지점(C)의 좌표는 다음과 같이 결정될 것이고:

폭(W₂)의 블록(13)에 대한 초점 편향의 각도(

)는 다음과 같이 결정된다:

호스트 매질(11) 및 구성 부분(12, 13)의 고정된 굴절률의 경우 동일한 지점에서의 모든 NJ의 교차의 특별한 경우는, 구성 부분의 기하학적 사이즈의 변동의 결과로서 획득될 수 있다. 한 지점에서의 모든 NJ의 교차를 얻기 위해서는, 비율(W₁/W₂)가 다음과 동일해야 한다는 것이 얻어졌다:

이 경우, 모든 세 개의 빔(NJ1, NJ2 및 NJ3)은 마이크로렌즈(10)에 의해 총 생성된 빔(total generated beam)으로의 입력을 만든다. 그러므로, 총 생성된 빔의 강도는 최대가 될 것이다.

고정된 값(n₂ = 1.8) 및 W₁ = W₂의 경우 굴절률(n₃)에 대한 편향 각도(

)의 종속성은 도 2에서 제시된다. 선택된 파라미터의 경우, 굴절률(n₃)의 임계 값은

이다. 제2 및 제3 나노젯(NJ2 및 NJ3)은 n₃ > n_3cr인 경우에만 교차할 것이다.

5.2.2 파라메트릭(parametric) 연구

디바이스(10)의 세 개의 에지와 연관되는 세 개의 1차 나노젯 빔에 의해 야기되는 간섭 패턴에 대응하는 총 생성된 NJ 빔의 피쳐를 예시하기 위해, 2D 이중 재료 마이크로렌즈(10)에 대해 CST(Computer Simulation Technology; 컴퓨터 시뮬레이션 기술) 소프트웨어를 사용하여 파라메트릭 연구가 수행되었다. 시스템(10)은 선형적으로 편파된 파(14)에 의해 조명된다는 것을 가정한다.

구조체(10)는, 먼저, 동일한 치수의 구성 부분(12, 13)(W₁ = W₂)을 사용하여 시뮬레이팅되었다. 도 3의 (a)는 다음의 파라미터를 갖는 마이크로렌즈(10)에 대한 λ = 550 nm에서의 xz 평면에서의 전력 밀도 분포를 예시한다: n₂ = 1.8, n₃ = 1.3, W₁ = W₂ = 300 nm, H = 300 nm(H < H_A). 마이크로렌즈(10)의 호스트 매질(11)은 n₁ = 1인 공기이다. 도 3의 (a) 상에서, 여러 가지 나노젯 빔 또는 핫 스팟이 관찰될 수도 있다. 실제로, 세 개의 1차 나노젯(NJ1, NJ2 및 NJ3)의 상호 작용은 도 3의 (a)의 예에서 세 개의 빔(30, 31, 32)을 생성한다. 빔(31 및 32)은 블록(12, 13) 외부에서 관찰되는 2차(secondary) 빔이다. 빔(30)은 세 개의 1차 나노젯 빔(NJ1, NJ2 및 NJ3)의 간섭의 결과이며, 따라서, 마이크로렌즈(10) 내부에서 생성되지만 그러나 블록(12, 13) 외부에서 또한 관찰되는 메인 생성 포커싱 빔(main generated focused beam)으로 간주된다.

도 3의 (a)의 빔(30)을 고려할 때, 생성된 NJ 빔(30)의 위치가 x 축을 따라 이동됨에 따라, 좌측으로의 NJ 빔 시프트가 관찰될 수 있다.

그러므로, 총 생성된 포커싱된 빔의 위치의 시프트에 의해, 여기에서는, 그리고 이 문서 전반에 걸쳐, x 축을 따른 시프트를 의미한다.

도 3의 (b)는 마이크로렌즈(10)에 의해 생성되는 다수의 NJ의 개략적인 분포를 예시한다.

의 경우, 총 생성된 NJ 빔(30)의 핫 스팟(나노젯 빔 내의 필드 강도의 피크에 대응함)의 위치는 지점(A)(제1 및 제2 NJ(NJ1 및 NJ2)의 교차의 지점)에 가까울 것이다는 결론을 내릴 수 있다. 시스템(10)의 제2 블록(13)의 굴절률(n₃)을 변경시키면, 총 생성된 빔(30)의 핫 스팟의 위치를 조정할 수 있다. 굴절률(n₃)을 증가시키는 경우, 생성된 NJ(30)의 시프트를 증가시키고(W_A 감소) 및 H_A를 증가시킨다. 결과적으로 나타나는 빔(30)은 NJ3의 영향에 거의 민감하지 않을 것이다. 이 사실은 NJ3의 상대적으로 작은 강도에 의해 설명될 수 있다.

도 4의 (a)는 다음의 파라미터를 갖는 마이크로렌즈(10)에 대한 λ = 550 nm에서의 xz 평면에서의 전력 밀도 분포를 예시한다: n₂ = 1.8, n₃ = 1.6, W₁ = W₂ = 300 nm, H = 300 nm. 마이크로렌즈(10)의 호스트 매질(11)은 n₁ = 1인 공기이다.

도 4의 (a) 및 (b)는, n₃ = 1.6(

)인 경우, NJ 빔(30)의 핫 스팟 위치는, 도 3과 비교하여, 변경될 것이다는 것을 도시한다. 그러나, 그것은, 제1 블록(12)의 수직 대칭축으로부터의 초점(A)의 편향을 결정하는 일점쇄선(dash-dot line)(40)에 여전히 가깝다(편향의 각도는

와 동일함). 이 경우, NJ3의 영향을 고려해야 한다. 이제, 이 나노젯(NJ3)의 강도는 제1의 것(NJ1)의 강도에 더 가까울 것이다. 사실, 총 생성된 포커싱된 빔(30)의 핫 스팟의 위치는 약간 시프트될 것이다; 이제 그것은 일점쇄선의 곡선(40)과 일점쇄선의 곡선(41) 사이에 있을 것인데, 이것은 제2 블록(13)의 수직 대칭 축으로부터의 초점(C)의 변위를 결정한다(각도 편차는

와 동일함).

Z₀ = 450 nm(Z₀은 시스템(10)의 저부로부터의 거리임)에서 굴절률(n₃)의 상이한 값에 대한 X 좌표를 따르는 전력 밀도 분포가 도 5에서 제시된다. 점선(50)은, 총 생성된 포커싱된 빔이 시스템(10)의 z 대칭 축(51)을 따라 배향되는 단일의 블록 마이크로렌즈(10)(n₃ = 1.0, 따라서 제2 블록(13)은 호스트 매질(11)과 병합됨)의 경우에 대응하고; 실선(52)은 동일한 굴절률(n₂ = n₃ = 1.8)을 갖는 두 개의 블록(13, 12)의 조합에 대한 의존성을 도시하고, 총 생성된 NJ는 이중 층(이중 블록) 시스템(10)의 z 대칭 축(53)을 따라 배향된다.

앞서 언급되는 바와 같이, 구성 엘리먼트(12, 13)의 사이즈는 총 생성된 NJ 빔(30)의 거동에 강한 영향을 끼친다. 생성된 NJ의 파라미터에 대한 구성 블록(12, 13)의 높이(H)의 영향이 분석되었다. 전체 폭(

)을 갖는 시스템(10)의 경우, NJ 핫 스팟의 위치는, 유전체 재료의 굴절률(n₂, n₃)의 모든 값에 대해 시스템(10)의 높이(H)에 민감하지 않다는 것이 얻어졌다. 감도는 폭(W)의 증가와 함께 상승한다.

5.2.3 비 수직 에지를 갖는 이중 재료 마이크로렌즈에 대한 설계 원리 및 주요 성능 특성

이 하위 섹션에서는, 수직이 아닌 에지 및 xy 평면에 평행한 상단/하단 표면을 갖는 구조체를 고려한다. α_1,2,3가 이중 재료 시스템의 밑각이다는 것을 가정한다. 이중 재료 NJ 렌즈의 일반적인 토폴로지는 도 6에서 예시되어 있다. 이 단면도는, 굴절률(n₁< n₂ < n₃)을 갖는 균질한 유전체 호스트 매질에 임베딩되는 이중 재료 프리즘 시스템에 대응할 수도 있다.

본 발명자에 의해 입증되는 바와 같이, 밑각(

)(여기서 j = 1,2,3은 에지의 수임)을 갖는 시스템의 경우, NJ 빔 방사선 각도는 근사식 (12)를 사용하여 결정될 수 있다:

여기서,

는 수직이 아닌 에지로부터의 임계 굴절각이다.

에 대한 근사식을 얻기 위해, 에지의 위치의 변경을 고려해야 한다. 결과적으로, NJ 빔 방사선 각도는 다음과 같이 추정될 수 있다:

이중 재료 마이크로렌즈(10)에 의해 방사되는 총 NJ의 거동을 설명하기 위해, NJ 방사선 각도에 대한 이들 표현을 공식 (4) 내지 (11)로 대체해야 한다.

NJ의 파라미터에 대한 수정된 마이크로렌즈 토폴로지의 영향을 예시하기 위해, W₁ = W₂인 구조체를 시뮬레이팅한다. 도 7은,

및 H < H_A를 갖는 이중 재료 시스템에 대한 λ = 550 nm에서 Z₀ = 430 nm에서의 굴절률(n₃)의 상이한 값에 대한 X 좌표를 따르는 전력 밀도 분포를 예시한다. 일반적인 밑각을 갖는 시스템의 경우에서와 같이, 총 생성된 빔(30)의 핫 스팟의 위치는 시스템(10)의 제2 블록(13)의 굴절률에 의존한다는 것을 알 수 있다.

수직이 아닌 에지를 갖는 시스템의 경우, 앞서 논의되는 이중 재료 시스템의 주요 성능 특성은 유지된다.

5.2.4 결론

따라서, 이 파라미터 연구에 대한 결론으로서, 상이한 유전체 재료의 조합에 의존하는 비대칭 구조체에 기초하는 본 개시에 따른 광학 디바이스(10)는, 포커싱 및 시프팅을 비롯한, 광학 기능의 고유의 세트를 제공하는 것으로 생각된다. 또한, 그것은, 확립된 평면 마이크로/나노 제조 방법, 예를 들면, 나노임프린팅 및 포토리소그래피와 호환되는 간단한 토폴로지를 나타낸다.

그러한 광학 디바이스(10)의 동작은, 마이크로구조체의 상이한 에지(상이한 블록/층과 관련됨)로부터 유래하는 세 개의 NJ 빔이 재결합되고 법선 방향으로부터 굴절되는 총 NJ 빔의 형성에 기여한다는 사실에 의존한다.

그러한 마이크로렌즈는 xz 평면에서의 디바이스(10)의 단면의 중심 수직 대칭 축에 대해, NJ 빔 시프트를 생성하는 것을 허용한다. 총 생성된 포커싱된 빔의 위치는 디바이스(10)의 구성 부분의 사이즈 및 굴절률에 의해 결정된다: 동일한 사이즈의 구성 부분(W₁ = W₂) 및 W ≤ λ를 갖는 시스템의 경우, 더 낮은 굴절률(n₃)을 갖는 부분(13)을 향한 NJ 빔 시프트가 관찰된다. 굴절률(n₃)을 변경하는 것은 핫 스팟의 위치의 조정을 허용한다(n₃을 증가시키면, 마이크로렌즈의 대칭 축과 핫 스팟 위치 사이의 거리를 감소시킴). NJ 핫 스팟 위치는, 유전체 재료의 모든 굴절률 값에 대해, 시스템의 높이(H)에 민감하지 않다. 시스템의 총 응답은 입사 전자기파(14)의 파장(λ)에 거의 독립적이다.

5.3 이중 재료 엘리먼트를 포함하는 회절 격자의 주요 특성

하나의 이중 재료 엘리먼트/구조체에 의해 광을 편향시키는 그러한 속성은 회절 격자에서 유리하게 사용될 수 있다. 도 8의 (a)는 굴절률(n₁)을 갖는 유전체 재료에 이중 재료 엘리먼트가 임베딩되는 회절 격자를 도시한다. 격자 상수 또는 격자의 주기는 d이다. 선형적으로 편파된 평면 파는 격자에 수직인 평면에서 상단으로부터 격자에 수직으로 입사한다. 회절 빔의 각도는 이중 재료 엘리먼트의 구조체에 의해 영향을 받지 않는다. 그들은 격자의 주기, 입사 평면파의 파장 및 파동 입사각에 의해 결정된다. 그러므로, 그들은 격자 방정식(grating equation)에 따라 계산될 수 있다.

격자의 성능은 입사 파의 편파 및 엘리먼트의 파라미터(치수, 형태 및 재료)에 의존한다. 대칭의 단일 재료 엘리먼트(동일한 간격의 규칙적인 구조체)를 포함하는 회절 격자와는 달리, 이중 재료 엘리먼트에 기초한 제안된 회절 격자는, 소망되는 회절 차수에 대한 최대 격자 효율성으로 이어지는 강도의 비대칭 분포(Tj ≠ T-j, Rj ≠ R-j, ..., 여기서 j 회절 차수의 수임)를 달성한다. W ≤ λ를 갖는 엘리먼트의 경우, 최대 입력은 차수 ±1에 대응한다.

도 8의 (b)의 실시형태에서, 회절 격자는 이중 재료 엘리먼트에 대한 기판을 형성하는 층을 포함한다. 기판의 굴절률은 n₄이다. 3D 공간에서의 격자의 가능한 실현은 도 9의 (a) 및 (b)에서 제시된다.

TE 입사에 대한 계산된 반사율 및 투과율은 도 10(a) 내지 도 10(c)에서 플롯된다. 그것은, 다음의 파라미터: n₃ = n₄, W₁ = W₂ = 140 nm, H = 250 nm를 갖는 이중 재료 엘리먼트 및 주기(d = 500 nm)를 갖는 그리고 기판(도 8의 (b))을 갖는 격자에 대한 λ = 620 nm에서의 0 차에 대한 반사율 및 0차 및 ±1차에 대한 투과율을 예시한다. 이중 재료 엘리먼트의 2D 어레이에 대해 전파 전자기 분석이 행해졌다(도 9의 (a)). 시스템은 X 방향으로 무한하다는 것을 가정하였다. 굴절률(n₂)을 변경하면, 격자의 성능을 수정할 수 있고 1차에 대한 굴절 투과율을 극적으로 증가시킬 수 있다는 것을 알 수 있다. 강도 재분배의 효과는 1.3 < n₃ < 2.4 및 n₃ < n₂를 유전체 재료에 대해 관찰될 것이다.

재분배 현상으로의 NJ 입력을 이해하기 위해, 파라미터: λ = 620 nm, d = 500 nm, W₁ = W₂ = 140 nm, H = 250 nm, n₃ = n₄ = 1.3 및 4 가지 상이한 값의 굴절률(n₂)을 갖는 유전체 기판 상에 배치되는 단일의 이중 재료 엘리먼트(도 11(a)) 및 유전체 기판 상에 배치되는 이중 재료 엘리먼트의 주기적 어레이(도 11(b)) 시스템에 대한 xz 평면에서의 전력 흐름 분포를 고려한다. 굴절률(n₂)에 대한 기판 상에 배치되는 단일 이중 재료 엘리먼트의 경우에 위치의 의존성(X 및 Z 좌표(기판과 엘리먼트 사이의 경계는 Z = 0에 대응하고, 엘리먼트의 대칭 축은 X = 0에 대응함) 도 11(c), 도 11(d)) 및 NJ 핫 스팟의 피크 전력 밀도의 분석은, 핫 스팟의 위치가 엘리먼트와 기판 사이의 경계에 가깝고 핫 스팟이 최대인 경우에 회절된 광이 최대치를 갖는다는 것을 나타낸다(T1에 대한 곡선(도 11(a))과 시간 평균 전력 흐름의 Z 성분(도 11(e)) 사이의 유사점 참조).

또한, 엘리먼트의 사이즈에 대한 격자 효율성의 의존성을 결정하기 위해, 이중 재료 엘리먼트 격자 상으로 입사되는 광의 반사율 및 투과율에 대한 높이(H)(도 12) 및 폭 W₁(도 14)의 영향을 고려한다. 굴절률(n₂)을 갖는 층의 벽에 의한 제트 파(jet wave)의 굴절에 기인하여, 엘리먼트와 기판 사이의 경계에서 NJ 빔의 위치 및 방향을 변경할 수 있다는 것을 알 수 있는데(도 13 참조) 1차 회절 차수와 -1차 회절 차수 사이의 회절된 효율성의 재분배로 이어진다. 마지막으로, 무손실 재료의 경우, 높이(H)에 대한 어떠한 제한도 갖지 않는다는 결론을 내릴 수 있다. 엘리먼트의 폭(W)은 격자의 주기(

)에 의해 제한되는데, 여기서 β'는 ±1차수에 대응하는 각도이다. 엘리먼트의 최적의 사이즈는

인데, 여기서 λ1 = λ/n₄(기판 재료에서의 파의 길이)이다.

그러한 회절 격자는 평평한 얕은 구조체에 있다. 이점은 구조체의 제조의 용이성 및 견고성이다.

시스템은, 마이크로구조체를 사용하여 이미지 또는 일부 광을 편향시킬 필요가 있을 모든 광학 시스템에서 사용될 수 있는데, 이점은 제조의 단순성 및 견고성이다. 통상적인 애플리케이션 도메인은, 많은 다른 것들 중에서도, 헤드 업 디스플레이, 집광을 극대화하기 위한 태양 전지 패널, OLED 디스플레이 광 추출이다.

Claims

광을 회절시키기 위한 회절 격자에 있어서,
기판, 및 상기 기판 표면 상에 위치되는 복수의 격자 단위 셀(10)을 포함하고,
격자 단위 셀(10)은, 상기 기판 표면 상에서 서로 평행하거나 또는 동일한 축을 따라 있는 격자 단위 셀의 주기적 어레이를 형성하고, 상기 격자의 주기는 300 nm 내지 1000 nm의 범위에 속하는 d이고, 상기 회절 격자는 축(x, y 및 z)에 의해 정의되는 삼차원 직교 좌표 시스템(Cartesian coordinates system)과 연관되고, 상기 z 축은 상기 회절 격자에 수직이고, 수직 xz 평면의 격자 단위 셀의 단면은 제1 굴절률(n₁)을 갖는 균질한(homogeneous) 유전체 호스트 매질(11)을 포함하고, 상기 유전체 호스트 매질(11)은 x 축을 따른 제1 폭(W₁), z 축을 따른 높이(H), 및 제2 굴절률(n₂)을 갖는 제1 유전체 재료의 적어도 제1 블록(12)을 임베딩하고, 상기 z 축을 따른 상기 제1 블록의 에지는 상기 x 축을 따른 제2 폭(W₂), 상기 z 축을 따른 상기 높이(H), 및 제3 굴절률(n₃)을 갖는 제2 유전체 재료의 적어도 제2 블록(13)과 직접 접촉하고, 상기 제1, 제2 및 제3 굴절률(n₁, n₂, n₃)은 n₁ < n₃ < n₂이도록 서로 상이하고,
상기 제1 블록(12) 및 상기 제2 블록(13)은 상기 수직 xz 평면에서 사다리꼴 단면을 가지며,
상기 제1 및 제2 블록은 상기 기판의 상부면에 평행하게 이어지는 상부면 및 두 개의 측벽을 가지고, 상기 사다리꼴 단면은 밑각(base angle)을 정의하고, 상기 복수의 격자 단위 셀(10)은, 상기 회절 격자에 수직으로 입사하고 동작 파장으로 칭해지는 자유 공간 파장(λ) ― 상기 자유 공간 파장(λ)은 가시광 도메인에 속함 ― 을 가지고 수직 xz 평면에서 상기 기판에 대향하는 측(side)으로부터 유래하는 전자기파로부터의 양의 제1 회절 차수 및 음의 제1 회절 차수에 대해, 상기 파라미터(H, n₁, n₃ , n₂) 및 상기 밑각의 값에 의해 정의되는 나노젯 핫 스팟 위치에 기초하여 비대칭 응답을 제공하고, 상기 나노젯은 상이한 굴절률을 갖는 유전체 재료 사이의 에지에서 생성되는 것인, 광을 회절시키기 위한 회절 격자.
제1항에 있어서,
상기 단면은:
근거리장 구역(near field zone)에서 제1 나노젯인 제1 빔을 형성하도록 타겟팅되는 상기 z 축을 따르는 상기 호스트 매질(11)과 상기 제1 블록(12) 사이의 제1 에지;
상기 근거리장 구역에서 제2 나노젯인 제2 빔을 형성하도록 타겟팅되는 상기 z 축을 따르는 상기 제1 블록(12)과 상기 제2 블록(131) 사이의 제2 에지;
상기 근거리장 구역에서 제3 나노젯인 제3 빔을 형성하도록 타겟팅되는 상기 z 축을 따르는 상기 제2 블록(13)과 상기 호스트 매질(11) 사이의 제3 에지
를 포함하고, 상기 제1, 제2 및 제3 빔의 적어도 부분적 조합으로부터 초래되는 빔의 상기 수직 xz 평면에서의 상기 x 축을 따르는 위치의 시프트 및/또는 상기 z 축으로부터의 편향의 각도는, 상기 제1, 제2 및 제3 굴절률(n₁, n₂ n₃), 상기 단면에서의 상기 제1 및 제2 블록의 상기 폭 및 높이, 및 상기 밑각에 의존하는 것인, 광을 회절시키기 위한 회절 격자.
제2항에 있어서,
상기 제1 빔은 기울어진 빔이고, 앙각(elevation angle)으로 칭해지는, 상기 수직 xz 평면에서의 상기 제1 빔의 투영의 각위치(angular position)는 상기 제1 굴절률(n₁)과 상기 제2 굴절률(n₂) 간의 비율에 의존하는 것인, 광을 회절시키기 위한 회절 격자.
제2항에 있어서,
상기 제2 빔은 기울어진 빔이고, 앙각으로 칭해지는, 상기 수직 xz 평면에서의 상기 제2 빔의 투영의 각위치는 상기 제2 굴절률(n₂)과 상기 제3 굴절률(n₃) 사이의 비율에 의존하는 것인, 광을 회절시키기 위한 회절 격자.
제2항에 있어서,
상기 제3 빔은 기울어진 빔이고, 앙각으로 칭해지는 상기 수직 xz 평면에서의 상기 제3 빔의 투영의 각위치는 상기 제1 굴절률(n₁)과 상기 제3 굴절률(n₃) 사이의 비율에 의존하는 것인, 광을 회절시키기 위한 회절 격자.
제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 폭(W₁) 및 상기 제2 폭(W₂)은 동일하고, 상기 x 축을 따르는 상기 총 빔의 위치의 상기 시프트는, 상기 제1, 제2 및 제3 굴절률(n₁, n₂ 및 n₃) 및 상기 단면에서의 상기 제1 및 제2 블록의 상기 폭 및 높이에 의존하는 것인, 광을 회절시키기 위한 회절 격자.
제6항에 있어서,
상기 x 축을 따르는 상기 제1 및 제2 블록의 총 폭(W = W₁ + W₂)은 상기 동작 자유 공간 파장보다 더 작거나 또는 동일한(W ≤ λ) 것인, 광을 회절시키기 위한 회절 격자.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 및 제2 유전체 재료는:
- 유리;
- 플라스틱;
- 폴리머 재료;
- 산화물; 및
- 질화물
을 포함하는 그룹에 속하는 것인, 광을 회절시키기 위한 회절 격자.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 균질한 유전체 호스트 매질은 일련의 제1 및 제2 블록을 임베딩하는 것인, 광을 회절시키기 위한 회절 격자.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 복수의 격자 단위 셀은, 각각 범위 [1, 2.4], [1.3, 2.4] 및 [1.3, 2.4]에 속하는 파라미터(n₁, n₃ 및 n₂)를 사용하여, 제1 회절 차수에 대한 상기 비대칭 응답을 수정하는 것인, 광을 회절시키기 위한 회절 격자.