KR20220168091A - All-Dielectric Metasurface-based Fiber Meta-Tip Device Enabling Vortex Generation and Beam Collimation - Google Patents

All-Dielectric Metasurface-based Fiber Meta-Tip Device Enabling Vortex Generation and Beam Collimation Download PDF

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KR20220168091A
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광운대학교 산학협력단
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Abstract

A dielectric metasurface-based optical fiber meta-tip device comprises: a metasurface formed by a combination of nanobrick unit cells, wherein one surface is formed with a substrate of the nanobrick unit cells and the other surface is formed with nanobricks of the nanobrick unit cells; an optical fiber connected to the center of the one surface of the metasurface and having an input or output optical signal transmitted thereto; and a fiber block which surrounds the end of the optical fiber, is connected to the one surface of the metasurface together with the optical fiber, and maintains the connection with the metasurface. The substrate is formed of silicon dioxide (SiO_2), and the nanobrick is formed of hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H). The present invention can achieve sufficiently high transmission efficiency due to the low optical loss of a dielectric material.

Description

소용돌이빔 및 시준빔 생성이 가능한 유전체 메타표면 기반의 광섬유 메타팁 장치{All-Dielectric Metasurface-based Fiber Meta-Tip Device Enabling Vortex Generation and Beam Collimation}[0001] All-Dielectric Metasurface-based Fiber Meta-Tip Device Enabling Vortex Generation and Beam Collimation}

본 발명은 소용돌이빔 및 시준빔 생성이 가능한 유전체 메타표면 기반의 광섬유 메타팁 장치 및 이를 적용한 데이터 전송시스템에 관한 것이다.The present invention relates to an optical fiber metatip device based on a dielectric metasurface capable of generating a vortex beam and a collimated beam, and a data transmission system to which the same is applied.

메타표면(metasurfaces) 소자는 평면 구조적 구성에 비추어 볼 때, 초소형 집적 광학 시스템을 구축하는데 불리한 종래의 굴절/회절 광학 요소를 보완하거나 대체하기 위해 이용될 수 있기 때문에 최근 꾸준한 연구가 이루어지고 있다.In view of the planar structural configuration, metasurface elements have recently been steadily researched because they can be used to supplement or replace conventional refractive/diffractive optical elements, which are disadvantageous in constructing a miniaturized integrated optical system.

광학 메타표면은 특히 금속 또는 유전체 재료로 구성된 서브파장 나노 구조로 만들어지며 서브 파장 스케일에서 위상, 진폭 및 편광과 같은 광 특성을 국부적으로 제어할 수 있는 것으로 알려진 소위 메타원자로 구성된다. Optical metasurfaces are made of subwavelength nanostructures, especially composed of metallic or dielectric materials, and consist of so-called metaatoms known to be capable of locally controlling optical properties such as phase, amplitude and polarization at subwavelength scales.

메타표면은 광 파면을 형성하는 것 외에도 효율적인 편광 변환을 달성하기 위한 파장판과 같은 기존의 광학 구성 요소보다 광대역에 걸쳐 큰 장점을 가지고 있다. In addition to forming an optical wavefront, metasurfaces have great advantages over conventional optical components such as waveplates for achieving efficient polarization conversion over a broadband.

이러한 뛰어난 광 변조 특성을 가진 플랫폼은 장치 소형화를 실현할 수 있을 뿐만 아니라 기존의 방식으로 달성할 수 없는 다목적/다기능 평면 광학 구성 요소를 구현할 수 있는 길을 열어준다. 최근에 멀티 태스킹을 수행할 수 있는 단일 장치의 유형인 다기능 메타표면 소자의 생성에 많은 연구 노력이 기울여져 왔다.A platform with such excellent optical modulation properties not only enables device miniaturization, but also opens the way to realizing multipurpose/multifunctional planar optical components that cannot be achieved with conventional methods. Recently, much research effort has been devoted to the creation of multifunctional metasurface devices, which are a type of single device that can perform multitasking.

Metamaterials는 인공 합성물로 화학적 조성보다는 유전체 및/또는 금속 하위 파장 크기의 구성 요소를 주의 깊게 구조적으로 정렬하여 고유한 특성을 얻을 수 있다. . 무선 주파수에서의 반사 어레이 및 송신 어레이와 마찬가지로, 광학 메타표면은 2 차원 어레이의 공진 소자를 이용하여 입사파 필드의 위상 및 진폭 분포를 공간적으로 조정하는 기능이 수행될 수 있다. 광학 구현은 고주파 구현과는 달리, 플라즈몬(plasmonic) 또는 유전체 소자(dielectric element)에 의존하여 깊은 파장 이하의 프로파일을 나타낼 수 있다. Metamaterials are man-made composites whose unique properties can be achieved through careful structural alignment of dielectric and/or metallic subwavelength-sized components rather than chemical composition. . Like the reflection array and transmission array in radio frequency, the optical metasurface can perform a function of spatially adjusting the phase and amplitude distribution of the incident wave field using a two-dimensional array of resonant elements. Optical implementations, unlike high-frequency implementations, may rely on plasmonic or dielectric elements to exhibit deep subwavelength profiles.

대한민국 등록특허공보 10-2143535호에는 서로 다른 크기의 8개의 가로, 세로(dx, dy)의 나노브릭 집합으로 형성된 단위셀의 집합으로 형성되어 편향 또는 편광 튜닝된 포커싱 조절이 가능한 두 기능 유전체 메타표면 소자에 대해 소개된 바 있다.Korean Patent Registration No. 10-2143535 discloses a two-function dielectric metasurface formed by a set of unit cells formed of a set of 8 horizontal and vertical (dx, dy) nanobricks of different sizes and capable of adjusting deflection or polarization tuned focusing It has been introduced about the element.

또한, 메타표면 상에 전방(forward) 또는 후방(backward)으로 비춰지는 입사광의 편광을 처리함으로써, 투과 또는 반사 공간에서 세 가지 별개의 기능이 획득될 수 있다. In addition, by processing the polarization of incident light projected forward or backward on the metasurface, three distinct functions can be obtained in the transmissive or reflective space.

여러 기능을 통합하는 과정을 단순화하기 위해, 이전의 두 공간 멀티플렉싱 접근법 (세분화 및 인터리빙)과 고조파 응답의 조합에 많은 연구가 진행되었다.In order to simplify the process of integrating multiple functions, a lot of research has been devoted to the combination of the two previous spatial multiplexing approaches (segmentation and interleaving) with the harmonic response.

예를 들어 논문([E. Arbabi, A. Arbabi, S. Mahsa Kamali, Y. Horie, A. Faraon, Sci. Rep. 2016, 6, 32803.], [E. Arbabi, A. Arbabi, S. M. Kamali, Y. Horie, A. Faraon, Optica 2016, 3, 628.], [D. Lin, A. L. Holsteen, E. Maguid, G. Wetzstein, P. G. Kik, E. Hasman, M. L. Brongersma, Nano Lett. 2016, 16, 7671.]) 및 ([B. Wang, F. Dong, Q.-T. Li, D. Yang, C. Sun, J. Chen, Z. Song, L. Xu, W. Chu, Y.-F. Xiao, Q. Gong, Y. Li, Nano Lett. 2016, 16, 5235.], [ W. Zhao, B. Liu, H. Jiang, J. Song, Y. Pei, Y. Jiang, Opt. Lett. 2016, 41, 147.])에서는 이러한 기술들이 소개되고 있다.For example, the paper [E. Arbabi, A. Arbabi, S. Mahsa Kamali, Y. Horie, A. Faraon, Sci. Rep. 2016, 6, 32803.], [E. Arbabi, A. Arbabi, S. M. Kamali , Y. Horie, A. Faraon, Optica 2016, 3, 628.], [D. Lin, A. L. Holsteen, E. Maguid, G. Wetzstein, P. G. Kik, E. Hasman, M. L. Brongersma, Nano Lett. 2016, 16 , 7671.]) and ([B. Wang, F. Dong, Q.-T. Li, D. Yang, C. Sun, J. Chen, Z. Song, L. Xu, W. Chu, Y.- F. Xiao, Q. Gong, Y. Li, Nano Lett. 2016, 16, 5235.], [W. Zhao, B. Liu, H. Jiang, J. Song, Y. Pei, Y. Jiang, Opt. Lett. 2016, 41, 147.]) introduces these technologies.

또한 논문([K. Yang, M. Pu, X. Li, X. Ma, J. Luo, H. Gao, X. Luo, Nanoscale 2016, 8, 12267.], [M. Q. Mehmood, S. Mei, S. Hussain, K. Huang, S. Y. Siew, L. Zhang, T. Zhang, X. Ling, H. Liu, J. Teng, A. Danner, S. Zhang, C.-W. Qiu, Adv. Mater. 2016, 28, 2533.])에서 멀티플렉스 소용돌이빔(optical vortices beam)를 위한 파장 및 헬리시티-제어된(Helicity-controlled) 메타장치 기술이 소개된 바 있다.Also papers ([K. Yang, M. Pu, X. Li, X. Ma, J. Luo, H. Gao, X. Luo, Nanoscale 2016, 8, 12267.], [M. Q. Mehmood, S. Mei, S. Hussain, K. Huang, S. Y. Siew, L. Zhang, T. Zhang, X. Ling, H. Liu, J. Teng, A. Danner, S. Zhang, C.-W. Qiu, Adv. Mater. 2016 , 28, 2533.]), a wavelength and helicity-controlled metadevice technology for a multiplex optical vortices beam has been introduced.

또한, 궤도각 운동량(orbital angular momentum)을 전달하고 방위각 위상(azimuthal phase)항

Figure pat00001
(여기서 Φ는 방위각을 나타내고 l은 소용돌이 강도 프로파일의 링 반경을 결정하는 위상적 전하(topological charge)를 나타낸다.)을 갖는 나선형 파면(helical wavefront)을 나타내는 소용돌이빔(optical vortex beam.)에 관해 소개되고 있다. (Y. Zhang, W. Liu, J. Gao, X. Yang, Adv. Opt. Mater. 2018, 6, 1701228. 참조).In addition, the orbital angular momentum is transmitted and the azimuthal phase term
Figure pat00001
(Where Φ denotes the azimuthal angle and l denotes the topological charge that determines the ring radius of the vortex intensity profile.) An introduction to an optical vortex beam representing a helical wavefront. It is becoming. (See Y. Zhang, W. Liu, J. Gao, X. Yang, Adv. Opt. Mater. 2018, 6, 1701228.).

또한, 최근에는, 원형 편광에 대한 세 개의 초점을 발생시키기 위해 공간적으로 변화하는 배향을 갖는 동일한 플라즈몬 나노로드로 구성된 투과형 메타렌즈가 제안된 바 있다. 여기서 메타렌즈 영역은 세 개의 영역으로 분할되며, 각 영역은 지정된 초점면에서 입사 왼쪽 또는 오른쪽 원형 편광된 빛을 집중시키는 것으로 간주되는 하나의 서브 메타렌즈로 구성된다.Also, recently, a transmissive metalens composed of identical plasmon nanorods having spatially varying orientations has been proposed to generate three focal points for circularly polarized light. Here, the metalens area is divided into three areas, each area consisting of one sub-metalens that is considered to focus incident left or right circularly polarized light at a designated focal plane.

광섬유는 데이터 전송 용량이 크고 전자기 간섭에 대한 불침투성 및 가벼운 무게로 인해 광통신, 원격 감지, 내시경과 같은 여러 분야에서 중요한 역할을 한다.한편, 광섬유에서 발생하는 빔은 발산되어 빔 조작에 불리한 면이 있다. 이러한 단점을 완화하기 위해 광섬유 콜리메이터, 렌즈형 광섬유 및 확장된 빔 커넥터를 포함한 컴팩트한 광학 부품을 활용하여 광섬유 끝 면에서 나오는 빔을 제어하는 방법이 수행되었다. “lab-on-fiber”라고 불리는 새로운 통합 포토닉스 플랫폼의 관점에서 볼 때 광섬유의 측면에 구축된 메타표면(metasurfaces)은 공간 모드, 위상, 진폭 및 편광 측면에서 이동하는 빛의 조작을 가능하게 할 수 있다. 특히, “lab-on-fiber”방식을 기반으로 하여 광섬유 팁렌즈(fiber-tip lens), 표면 플라즈몬 공명 센서, 광학 핀셋(optical tweezer), 편광계 및 편광 컨버터를 포함하는 연구가 진행되었다.그러나 이러한 연구 결과물은 금속 구조와 관련되어 본질적인 옴 손실에 취약한 문제가 존재한다. Optical fiber plays an important role in many fields such as optical communication, remote sensing, and endoscopy because of its large data transmission capacity, imperviousness to electromagnetic interference, and light weight. there is. In order to alleviate these disadvantages, a method of controlling the beam emitted from the end face of the optical fiber has been performed by utilizing compact optical components including an optical fiber collimator, a lensed optical fiber and an expanded beam connector. From the point of view of a new integrated photonics platform called “lab-on-fiber,” metasurfaces built on the sides of optical fibers could enable the manipulation of traveling light in terms of spatial modes, phase, amplitude and polarization. there is. In particular, based on the “lab-on-fiber” method, research including fiber-tip lenses, surface plasmon resonance sensors, optical tweezers, polarimeters, and polarization converters has been conducted. However, these The research results are vulnerable to inherent ohmic losses associated with the metal structure.

대한민국 등록특허공보 10-2143535호(편향 또는 포커싱 조절이 가능한 두 기능 유전체 메타표면 소자)Republic of Korea Patent Registration No. 10-2143535 (Double functional dielectric metasurface element capable of deflection or focusing control)

Khant Minn, Ho Wai Howard Lee, and Zhenrong Zhang, "Enhanced subwavelength coupling and nano-focusing with optical fiber-plasmonic hybrid probe: erratum," Opt. Express 28, 21855-21855 (2020).Khant Minn, Ho Wai Howard Lee, and Zhenrong Zhang, "Enhanced subwavelength coupling and nano-focusing with optical fiber-plasmonic hybrid probe: erratum," Opt. Express 28, 21855-21855 (2020).

본 발명의 목적은 소용돌이빔 및 시준 빔 생성이 가능한 유전체 메타표면 기반의 광섬유 메타팁 장치를 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide an optical fiber metatip device based on a dielectric metasurface capable of generating a vortex beam and a collimated beam.

본 발명의 또 다른 목적은 광 인터커넥팅을 위한 편광 선택형 광학 상호 연결 특징을 가지는 광섬유 메타팁 장치를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a fiber optic metatip device having a polarization selective optical interconnection feature for optical interconnection.

본 발명의 일측면에 따르면, 유전체 메타표면 기반의 광섬유 메타팁 장치는, 나노브릭 유닛셀들의 조합으로 형성되되, 일측면이 나노브릭 유닛셀들의 기판으로 형성되고, 타측면이 나노브릭 유닛셀들의 나노브릭으로 형성된 메타표면; 상기 메타표면의 일측면의 중심에 접속되며, 입력 또는 출력 광신호가 전송되는 광섬유; 및 상기 광섬유의 끝단부에서 상기 광섬유의 끝단부를 둘러싸며, 상기 광섬유와 함께 상기 메타표면의 일측면에 접속되며, 상기 메타표면과의 접속상태를 유지시키는 파이버 블록을 포함하는 것을 특징으로 하되, 상기 기판은 이산화규소(SiO2)로 형성되고, 상기 나노브릭은 수소화 비정질 실리콘(a-Si:H)로 형성된 것을 특징으로 한다.According to one aspect of the present invention, a dielectric metasurface-based optical fiber metatip device is formed of a combination of nanobrick unit cells, one side of which is formed as a substrate of nanobrick unit cells, and the other side of nanobrick unit cells. a metasurface formed of nanobricks; an optical fiber connected to the center of one side of the metasurface and transmitting an input or output optical signal; and a fiber block surrounding the end of the optical fiber at the end of the optical fiber, connected to one side of the metasurface together with the optical fiber, and maintaining a connection state with the metasurface. The substrate is formed of silicon dioxide (SiO 2 ), and the nanobricks are formed of hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H).

또한, 상기 광섬유 메타칩 장치는 상기 광섬유로 입력되는 광신호의 TE편광(E-) 또는 TM 편광(H-)에 따라 소용돌이빔 또는 시준빔으로 출력되는 것을 특징으로 하는 광섬유 메타칩 장치.In addition, the optical fiber metachip device is characterized in that the optical fiber metachip device is output as a vortex beam or a collimated beam according to the TE polarization (E-) or TM polarization (H-) of the optical signal input to the optical fiber.

또한, 상기 메타표면의 나노브릭 유닛셀의 TE편광(E-) 또는 TM 편광(H-)에 대한 위상 프로파일(profile)은 다음 식으로 산출되는 것을 특징으로 하는 광섬유 메타칩 장치.In addition, the optical fiber metachip device characterized in that the phase profile for TE polarization (E-) or TM polarization (H-) of the nanobrick unit cell of the metasurface is calculated by the following formula.

Figure pat00002
Figure pat00002

Figure pat00003
Figure pat00003

여기서 (x, y)는 메타표면(MS)의 중심에 대한 각 유닛셀의 중심에 해당하는 좌표(중심좌표x0, y0일때, x=x0-x1, y= x0-x1)를 나타내고

Figure pat00004
Figure pat00005
은 각각 TE 및 TM에 대한 초점 거리이고, n은 주변 매체의 굴절률이며
Figure pat00006
은 소용돌이의 위상 전하를 의미하는 것임.Where (x, y) is the coordinates corresponding to the center of each unit cell relative to the center of the metasurface (MS) (when the center coordinates x 0 , y 0 , x=x 0 -x 1 , y= x 0 -x 1 ) and
Figure pat00004
and
Figure pat00005
are the focal lengths for TE and TM respectively, n is the refractive index of the surrounding medium and
Figure pat00006
represents the topological charge of the vortex.

또한, 상기 나노브릭 유닛셀의 나노브릭은 막대기둥 형으로 형성되며, 높이는 900nm, 상기 나노브릭 유닛셀은 700mm의 정사각형으로 형성되며, 상기 나노브릭의 가로 및 세로 길이는 150 ~ 600nm 범위에서, 상기 메타표면의 위치에 따른 위상 프로파일에 따라 설정되는 것을 특징으로 한다.In addition, the nano brick of the nano brick unit cell is formed in a bar shape, the height is 900 nm, the nano brick unit cell is formed in a square of 700 mm, and the horizontal and vertical length of the nano brick is in the range of 150 to 600 nm, It is characterized in that it is set according to the phase profile according to the position of the metasurface.

또한, 상기 광섬유 메타칩 장치는, 상기 입력 광신호에 대해 상기 메타표면 상에서 위상 편이(

Figure pat00007
)각을 0 ~ 2π 범위로 변화하도록 제어하고, 입사광에 대한 전송 진폭(ATE, ATM) 비를 0~1범위로 제어하는 것을 특징으로 하는 광섬유 메타칩 장치.In addition, the optical fiber metachip device has a phase shift on the metasurface with respect to the input optical signal (
Figure pat00007
) Angle is controlled to change in the range of 0 to 2π, and the transmission amplitude (A TE, A TM ) ratio for incident light is controlled in the range of 0 to 1.

또한, 상기 광섬유 메타칩 장치는, 파장 λ= 1550 nm의 광신호가 입력될 때, TE편광(E-)에 대하여는 소용돌이빔이 출력되고, TM편광(H-)에 대하여는 시준빔으로 출력되는 것을 특징으로 한다.In addition, when an optical signal having a wavelength of λ = 1550 nm is input, the optical fiber metachip device outputs a vortex beam for TE polarized light (E-) and outputs a collimated beam for TM polarized light (H-). to be

또한, 상기 광섬유 메타칩 장치는, 상기 광섬유가 상기 메타표면의 일측면에 접속되는 것은 에폭시에 의해 접착하는 것을 특징으로 하며, 상기 나노브릭 유닛셀의 기판 두께는 430㎛이고, 상기 에폭시의 접착 두께는 30㎛인 것을 특징으로 한다.In addition, the fiber optic metachip device is characterized in that the optical fiber is bonded to one side of the metasurface by epoxy, the substrate thickness of the nano-brick unit cell is 430 μm, and the adhesive thickness of the epoxy is characterized in that 30㎛.

또한, 상기 광섬유 메타칩 장치는, 파장 λ= 1550 nm의 광신호가 입력될 때, 전송효율은 57%인 것을 특징으로 한다.In addition, the optical fiber metachip device is characterized in that transmission efficiency is 57% when an optical signal having a wavelength of λ = 1550 nm is input.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 유전체 메타표면 기반의 광섬유 메타팁 장치를 이용한 데이터 전송시스템은, 입력 광신호를 발생시키는 레이저장치; 상기 레이저장치로부터 상기 압력 광신호를 전송하는 제1 광섬유; 상기 제1 광섬유와 접속된 제1 광섬유 메타팁 장치; 상기 제1광섬유 메타팁 장치와 일정 간격을 가지며, 나노브릭을 포함하는 메타표면이 마주 보도록 설치되는 제2 광섬유 메타팁 장치; 상기 제2 광섬유 메타팁 장치로부터 출력 광신호를 전송하는 제2 광섬유 및 상기 제2 광섬유로부터 전송된 출력 광신호를 받아서 출력 신호를 발생시키는 광수신기; 를 포함하되, 상기 제1광섬유 메타칩 장치는, 나노브릭 유닛셀들의 조합으로 형성되되, 일측면이 나노브릭 유닛셀들의 기판으로 형성되고, 타측면이 나노브릭 유닛셀들의 나노브릭으로 형성된 메타표면; 및c상기 제1광섬유의 끝단부에서 상기 제1광섬유의 끝단부를 둘러싸며, 상기 메타표면과의 접속상태를 유지시키는 파이버 블록을 포함하는 것을 특징으로 하며, 상기 기판은 이산화규소(SiO2)로 형성되고, 상기 나노브릭은 수소화 비정질 실리콘(a-Si:H)로 형성된 것을 특징으로 한다.According to another aspect of the present invention, a data transmission system using a dielectric metasurface-based optical fiber metatip device includes a laser device for generating an input optical signal; a first optical fiber transmitting the pressure optical signal from the laser device; A first optical fiber meta tip device connected to the first optical fiber; a second fiber optic meta tip device having a predetermined distance from the first fiber optic meta tip device and installed so that the meta surface including the nano brick faces each other; a second optical fiber transmitting an output optical signal from the second optical fiber meta tip device and an optical receiver receiving an output optical signal transmitted from the second optical fiber and generating an output signal; Including, but the first fiber optic metachip device is formed by a combination of nano-brick unit cells, one side is formed of a substrate of nano-brick unit cells, and the other side is formed of nano-brick of nano-brick unit cells metasurface ; and c a fiber block surrounding the end of the first optical fiber at the end of the first optical fiber and maintaining a connection state with the metasurface, wherein the substrate is made of silicon dioxide (SiO 2 ). formed, and the nanobricks are characterized in that they are formed of hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H).

또한, 상기 제1 광섬유 메타팁 장치와 제2 광섬유 메타팁 장치 사이에 편광을 제어하는 편광판(Polarizer)를 더 포함하며, 상기 편광판(Polarizer)의 편광 제어에 따라 데이터 전송의 on/off를 제어하는 것을 특징으로 한다.In addition, further comprising a polarizer for controlling polarization between the first fiber optic meta tip device and the second fiber optic meta tip device, and controlling on / off of data transmission according to the polarization control of the polarizer characterized by

또한, 상기 데이터 전송시스템은,상기 입력 광신호의 TM 편광에 대하여는 "on" 신호가 전송이 되고, 상기 입력 광신호의 TM 편광에 대하여는 "off" 신호가 전송이 되는 것을 특징으로 한다.In addition, the data transmission system is characterized in that an “on” signal is transmitted for the TM polarization of the input optical signal, and an “off” signal is transmitted for the TM polarization of the input optical signal.

또한, 상기 데이터 전송시스템은, 상기 레이저장치 및 제1 광섬유 메타팁 장치에 편광제어기(polarization controller) 및 신호발생기(signal generator)와 전기적으로 연결된 전기광학 변조기를 포함하며, 상기 신호발생기에 의해 상기 레이저장치에서 발생하는 광신호와 변조하여 데이터를 전송하며, 상기 편광제어기(polarization controller)에 의해 TE, TM편광에 따른 on/off 제어를 수행하는 것을 특징으로 한다.In addition, the data transmission system includes an electro-optical modulator electrically connected to a polarization controller and a signal generator to the laser device and the first optical fiber meta tip device, and the signal generator includes the laser It is characterized in that data is transmitted by modulating an optical signal generated from a device, and on/off control is performed according to TE and TM polarization by the polarization controller.

또한, 상기 데이터 전송시스템은, 1 ~ 5Gbps 범위의 데이터 속도에 대한 소광비(extinction ratios)는 9 ~ 11dB인 것을 특징으로 한다.In addition, the data transmission system is characterized in that extinction ratios for data rates in the range of 1 to 5 Gbps are 9 to 11 dB.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 광섬유 메타칩 장치의 제조방법은, a) SiO2 재질의 기판 준비단계; b) 플라즈마 강화 화학기상 증착(PECVD) 방법에 의해 상기 기판의 전면부에 수소화 비정질 실리콘층을 증착하는 단계; c) 상기 수소화 비정질 실리콘층 상부에 제1 레지스트층을 형성하는 제1차 스핀코팅 단계; d) 상기 제1 레지스트층에 대해 전자 빔 리소그라피 공정을 통하여 설정된 메타표면 패턴에 대응하는 제1 레지스트 패턴층을 형성하는 단계; e) 상기 제1레지스트 패턴층 상부면 및 오목홈부에 Al을 증착시켜서 Al층을 형성하는 단계; f) lift-off 용매를 사용하여 상기 기판 상부에 돌출된 제1 레지스트 패턴층을 모두 들어올려 제거하고, 상기 오목홈부에 남아 있는 Al층으로 상기 기판의 전면부를 패턴화된 Al층으로 형성하는 단계; g) 상기 패턴화된 Al층을 하드 마스크로 사용하여 상기 기판의 전면부에 상기 설정된 메타표면 패턴으로 수소화 비정질 실리콘층을 에칭하는 단계; h) 상기 에칭하는 단계 이후에 전면부 수소화 비정질 실리콘층의 종단에 남아 있는 패턴화된 Al층을 제거하여 메타표면을 형성하는 단계; i) 광섬유 끝단부에 파이버블록을 장착하는 단계; 및 j) 상기 형성된 메타표면 기판의 중심을 파이버 블록을 장착한 광섬유 끝단과 일치하도록 정렬한 후, UV 경화형 에폭시로 상기 메타표면 기판과 상기 파이버 블록을 접착하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.According to another aspect of the present invention, a method of manufacturing a fiber optic metachip device, a) preparing a substrate made of SiO 2 material; b) depositing a hydrogenated amorphous silicon layer on the front surface of the substrate by a plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) method; c) a first spin coating step of forming a first resist layer on the hydrogenated amorphous silicon layer; d) forming a first resist pattern layer corresponding to a metasurface pattern established on the first resist layer through an electron beam lithography process; e) forming an Al layer by depositing Al on the top surface of the first resist pattern layer and on the concave groove; f) lifting and removing all of the first resist pattern layer protruding from the top of the substrate using a lift-off solvent, and forming a patterned Al layer on the front surface of the substrate with the Al layer remaining in the concave groove portion; ; g) etching a hydrogenated amorphous silicon layer on the front surface of the substrate with the set metasurface pattern using the patterned Al layer as a hard mask; h) forming a metasurface by removing the patterned Al layer remaining at the end of the hydrogenated amorphous silicon layer on the front surface after the etching step; i) mounting a fiber block on an end of an optical fiber; and j) aligning the center of the formed metasurface substrate to coincide with the end of the optical fiber to which the fiber block is mounted, and bonding the metasurface substrate and the fiber block with UV curable epoxy; It is characterized in that it includes.

본 발명의 일 실시 예에서는 소용돌이빔 및 시준빔 생성을 포함하는 이중 기능의 광 제어를 유닛셀들의 특정 패턴으로 배열된 유전체 메타표면을 단일모드 광섬유에 연결한 것을 특징으로 하는 광섬유 메타팁(optical fiber meta-tip, FMT) 장치를 제공한다.In an embodiment of the present invention, a dielectric metasurface arranged in a specific pattern of unit cells is connected to a single-mode optical fiber for optical control of dual functions including generating a vortex beam and a collimated beam. meta-tip, FMT) device.

본 발명의 일 실시 예에 따른 단일모드 광섬유에 연결하여 구성된 광섬유 메타팁(optical fiber meta-tip, FMT) 장치에서 소용돌이빔 및 시준빔 생성을 포함한 뚜렷한 광 제어 동작은 횡방향 전기 편광 및 횡방향 자기 편광에 대해 메타표면에 인코딩된 위상 프로파일을 조정하여 실행될 수 있다. In the optical fiber meta-tip (FMT) device configured by connecting to a single-mode optical fiber according to an embodiment of the present invention, distinct light control operations including generation of vortex beams and collimated beams include transverse electric polarization and transverse magnetic This can be done by adjusting the phase profile encoded in the metasurface for polarization.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 단일모드 광섬유에 연결하여 구성된 광섬유 메타팁(optical fiber meta-tip, FMT) 장치는, 먼저 리소그래피 나노 제조를 통해 편광 선택 메타표면(metasurface)을 제조한 다음, 맞춤형 비전시스템(customized vision system)으로 초점 간격을 고려한 간격을 부여하여 광섬유에 부착될 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 메타팁(optical fiber meta-tip, FMT) 장치는 광 인터커넥팅과 같은 애플리케이션 장치로 적용될 수 있다.In addition, in the optical fiber meta-tip (FMT) device configured by connecting to a single-mode optical fiber according to an embodiment of the present invention, first, a polarization selection metasurface is manufactured through lithography nano-manufacturing, and then, As a customized vision system, it can be attached to the optical fiber by giving an interval considering the focal interval. In addition, an optical fiber meta-tip (FMT) device according to an embodiment of the present invention may be applied as an application device such as optical interconnection.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 메타팁(optical fiber meta-tip, FMT) 장치는 광통신, 광학 트래핑 및 생물학적 감지와 같은 애플리케이션을 위한 랩온 파이버(lab-on-fiber) 기술에 적용될 수 있다.In addition, an optical fiber meta-tip (FMT) device according to an embodiment of the present invention can be applied to lab-on-fiber technology for applications such as optical communication, optical trapping, and biological sensing. .

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 메타팁(optical fiber meta-tip, FMT) 장치는 복합 기능 메타표면과 광섬유의 통합을 활용하여 다양한 조명제어 및 기능적 다양성을 촉진할 수 있다. 이것은 기존의 광섬유 기술과 새로운 "평면(flat)" 광학 및 포토닉스 사이에 유망한 브릿지를 구축할 수 있다.In addition, an optical fiber meta-tip (FMT) device according to an embodiment of the present invention can promote various lighting control and functional diversity by utilizing the integration of a multifunctional metasurface and an optical fiber. This could build a promising bridge between existing fiber optic technologies and new "flat" optics and photonics.

본 발명의 일 실시 예에서는 단일 모드 광섬유(single-mode fiber, SMF)에 이중 기능성 유전체 메타표면(MS)를 통합하는 새로운 광섬유 메타팁(optical fiber meta-tip, FMT)의 이론적 분석을 제공하며, 이러한 이론적 분석은 소용돌이빔(vortex beam) 생성 및 빔 시준을 포함한 다양한 조명 조작 및 통신제어를 가능하게 할 수 있다.In one embodiment of the present invention, we provide a theoretical analysis of a new optical fiber meta-tip (FMT) that integrates a dual-functional dielectric meta-surface (MS) in a single-mode fiber (SMF), This theoretical analysis can enable various lighting manipulations and communication controls including vortex beam generation and beam collimation.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 메타팁(optical fiber meta-tip, FMT) 장치는 데이터 전송에 대한 잠재적인 응용을 추구하기 위해 한 쌍의 광섬유 메타팁(FMT)이 결합되어 효율적인 편광 선택형 광 상호 연결을 구축할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 메타팁(optical fiber meta-tip, FMT) 장치에 포함된 메타표면(MS)을 구성하는 서브 파장 엘레멘트의 나노브릭은 직사각형 모양으로 설계되어 횡 방향 전기장(TE) 및 횡방향 자기장(TM) 편광에 대해 뚜렷한 전파 위상을 생성할 수 있다. 또한, 유전체 재료의 낮은 광학 손실로 인해 충분히 높은 전송 효율을 얻을 수 있다.In addition, an optical fiber meta-tip (FMT) device according to an embodiment of the present invention is an efficient polarization selective type in which a pair of optical fiber meta-tips (FMT) are combined to pursue potential applications for data transmission. Optical interconnection can be established. In addition, the nanobricks of the sub-wavelength elements constituting the metasurface (MS) included in the optical fiber meta-tip (FMT) device according to an embodiment of the present invention are designed in a rectangular shape and have a transverse electric field ( TE) and transverse magnetic field (TM) polarization. In addition, a sufficiently high transmission efficiency can be obtained due to the low optical loss of the dielectric material.

도 1, 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 단일모드 광섬유를 포함하는 광섬유 메타팁(optical fiber meta-tip, FMT) 장치의 구조를 설명하기 위한 구조도를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광섬유 메타팁(optical fiber meta-tip, FMT) 장치의 경우, 특정 패턴으로 형성된 나노브릭을 포함하는 유닛셀로 배열된 메타표면(200)의 제2측면의 전자 주사 현미경 이미지를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 메타팁(FMT) 장치의 메타표면을 형성하는 나노브릭 유닛셀의 구조를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 메타팁(optical fiber meta-tip, FMT) 장치의 나노브릭 유닛셀의 나노브릭의 가로(w)와 세로(l) 길이에 따른 TE 편광빔의 위상 편이(

Figure pat00008
)의 변화를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 메타팁(optical fiber meta-tip, FMT) 장치의 메타표면을 구성하는 나노브릭 유닛셀의 나노브릭의 가로(w)와 세로(l) 길이에 따른 입사광에 대한 TE 편광빔의 전송 진폭(ATE) 변화를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 메타팁(FMT) 장치의 메타표면을 구성하는 나노브릭 유닛셀의 나노브릭의 가로(w)와 세로(l) 길이에 따른 TM 편광 빔의 위상 편이(
Figure pat00009
)의 변화를 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 메타팁(FMT) 장치의 메타표면을 구성하는 나노브릭 유닛셀의 나노브릭의 가로(w)와 세로(l) 길이에 따른 입사광에 대한 TM 편광빔의 전송 진폭(ATM) 변화를 도시한 것이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 메타팁 장치의 선택된 나노브릭 유닛셀에서 TE 편광에 대한 전기장(E-) 필드 및 자기장(H-) 필드 프로파일을 도시한 것이다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 메타팁(optical fiber meta-tip, FMT) 장치의 메타표면의 선택된 나노브릭 유닛셀에서 TM 편광에 대한 E- 필드 및 H- 필드 프로파일을 도시한 것이다.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타팁(FMT) 장치에서 편광 맞춤형 위상 프로파일을 도시한 것이다.
도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타팁(FMT) 장치에 입사되는 TE- 및 TM 편광에 응답하여 메타표면의 제1 전방(z= 200㎛)의 yz- 평면에 있는 EX 장 강도 분포를 도시한 것이다.
도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타팁(FMT) 장치에 입사되는 TE- 및 TM 편광에 응답하여 메타표면의 제2 전방(z= 315㎛)의 yz- 평면에 있는 Ey 장 강도 분포를 도시한 것이다.
도 14는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 메타팁(FMT) 장치의 광 출력 특성의 테스트를 위한 측정 시스템을 도시한 것이다.
도 15는 도 14의 시스템으로부터 본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 메타팁(optical fiber meta-tip, FMT) 장치 제1 샘플의 측정된 이미지의 yz 평면의 TE 편광에 대한 광 강도 분포를 나타낸다.
도 16은 본 발명의 일 실시 예에서는 소용돌이빔(vortex beam)의 특성의 분석을 위해 광학 축(z)을 따라 이미징 시스템을 100㎛ 단위로 이동하여 일련의 이미지를 연속적으로 측정한 것이다.
도 17은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 메타팁(FMT) 제1샘플 장치에서 TM 편광에 대한 yz- 및 xy- 평면에서 측정된 광 강도 프로파일을 도시한 것이다.
도 18은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 메타팁(FMT) 제1샘플 장치에서 TM 편광에 대해 z = 9mm에서 측정된 시준된 빔 프로파일을 도시한 것이다.
도 19는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 메타팁(FMT) 제1샘플 장치에서 메티표면을 제거한 상태에서 TM 편광에 대한 yz- 및 xy- 평면에서 측정된 광 강도 프로파일을 도시한 것이다.
도 20은 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 메타팁 장치를 이용한 데이터 전송시스템을 간략한 구조를 도시한 것이다.
도 21은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 메타팁 장치를 이용한 데이터 전송시스템에 광학펄스를 송신하여 수신된 광신호를 도시한 것이다.
도 22는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 광섬유 메타팁 장치를 이용한 데이터 전송시스템에 대한 구조를 도시한 것이다.
도 23은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 광섬유 메타팁 장치를 이용한 데이터 전송시스템에 의한 데이터 전송 속도에 따른 아이 패턴(eye pattern)을 도시한 것이다.
도 24는 도 23에서 전송된 1 ~ 5Gbps 범위의 데이터 속도에 대해 측정된 소광비(extinction ratios)을 도시한 것이다.
도 25는 본 발명의 일 실시 에에 따른 광섬유 메타팁 장치에서 유전체 메타표면의 제조 과정을 도시한 것이다.1 and 2 are structural diagrams for explaining the structure of an optical fiber meta-tip (FMT) device including a single-mode optical fiber according to an embodiment of the present invention.
3 is a second side surface of a metasurface 200 arranged in unit cells including nanobricks formed in a specific pattern in the case of an optical fiber meta-tip (FMT) device according to a preferred embodiment of the present invention. It shows a scanning electron microscope image of .
4 illustrates the structure of a nanobrick unit cell forming a metasurface of an optical fiber metatip (FMT) device according to an embodiment of the present invention.
5 is a phase of a TE polarized beam according to the horizontal (w) and vertical (l) lengths of nanobricks of a nanobrick unit cell of an optical fiber meta-tip (FMT) device according to an embodiment of the present invention. side (
Figure pat00008
) is shown.
6 is a graph showing the horizontal (w) and vertical (l) lengths of nanobricks of nanobrick unit cells constituting the metasurface of an optical fiber meta-tip (FMT) device according to an embodiment of the present invention. It shows the change in the transmission amplitude (A TE ) of the TE polarized beam with respect to the incident light.
7 is a phase shift of a TM polarized beam according to the horizontal (w) and vertical (l) lengths of nanobricks of nanobrick unit cells constituting the metasurface of a fiber optic metatip (FMT) device according to an embodiment of the present invention. (
Figure pat00009
) is shown.
8 is a TM polarized beam for incident light according to the horizontal (w) and vertical (l) lengths of the nanobricks of the nanobrick unit cells constituting the metasurface of the fiber optic metatip (FMT) device according to an embodiment of the present invention. It shows the change in the transmission amplitude (A TM ) of
9 illustrates electric (E-) field and magnetic (H-) field profiles for TE polarization in a selected nanobrick unit cell of an optical fiber metatip device according to an embodiment of the present invention.
10 illustrates E-field and H-field profiles for TM polarization in selected nanobrick unit cells of the metasurface of an optical fiber meta-tip (FMT) device according to an embodiment of the present invention. .
11 illustrates a polarization tailored phase profile in a meta tip (FMT) device according to an embodiment of the present invention.
12 is an E X field intensity in the yz-plane of the first front (z = 200 μm) of the metasurface in response to TE- and TM polarization incident on the metatip (FMT) device according to an embodiment of the present invention. distribution is shown.
13 is an E y field intensity in the yz- plane of the second front (z = 315 μm) of the metasurface in response to TE- and TM polarization incident on the metatip (FMT) device according to an embodiment of the present invention. distribution is shown.
14 illustrates a measurement system for testing light output characteristics of a fiber optic metatip (FMT) device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 15 shows a light intensity distribution for TE polarization in a yz plane of a measured image of a first sample of an optical fiber meta-tip (FMT) device according to an embodiment of the present invention from the system of FIG. 14 .
FIG. 16 shows a series of images continuously measured by moving the imaging system in units of 100 μm along the optical axis z for analyzing characteristics of a vortex beam according to an embodiment of the present invention.
17 illustrates light intensity profiles measured in yz- and xy-planes for TM polarization in a first sample device of an optical fiber metatip (FMT) according to an embodiment of the present invention.
18 illustrates a collimated beam profile measured at z = 9 mm for TM polarization in a first sample device of a fiber optic metatip (FMT) according to an embodiment of the present invention.
FIG. 19 illustrates light intensity profiles measured in yz- and xy-planes for TM polarized light in a state in which the MET surface is removed from a first sample device of a fiber optic meta tip (FMT) according to an embodiment of the present invention.
20 shows a simple structure of a data transmission system using an optical fiber meta tip device according to an embodiment of the present invention.
21 illustrates an optical signal received by transmitting an optical pulse to a data transmission system using an optical fiber metatip device according to an embodiment of the present invention.
22 shows the structure of a data transmission system using an optical fiber meta tip device according to another embodiment of the present invention.
23 illustrates an eye pattern according to a data transmission rate by a data transmission system using an optical fiber metatip device according to another embodiment of the present invention.
FIG. 24 shows measured extinction ratios for data rates in the range of 1 to 5 Gbps transmitted in FIG. 23 .
25 illustrates a manufacturing process of a dielectric metasurface in an optical fiber metatip device according to an embodiment of the present invention.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.Terms used in this application are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise.

본 출원에서, 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. In this application, when a certain component is said to "include", it means that it may further include other components without excluding other components unless otherwise stated.

또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈", "장치" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.In addition, terms such as "...unit", "...unit", "module", and "device" described in the specification mean a unit that processes at least one function or operation, which is hardware or software, or a combination of hardware and software. can be implemented as

또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 '연결', '결합' 또는 '접속'된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속될 수 있지만, 그 구성 요소와 그 다른 구성요소 사이에 또 다른 구성 요소가 '연결', '결합' 또는 '접속'될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.Also, terms such as first and second may be used in describing components of an embodiment of the present invention. These terms are only used to distinguish the component from other components, and the nature, order, or order of the corresponding component is not limited by the term. When an element is described as being 'connected', 'coupled' or 'connected' to another element, the element may be directly connected, coupled or connected to the other element, but not between the element and the other element. It should be understood that another component may be 'connected', 'coupled' or 'connected' between elements.

이하 본 발명의 구현에 따른 소용돌이빔 및 시준 빔 생성이 가능한 유전체 메타표면 기반의 광섬유 메타팁 장치에 대하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, an optical fiber metatip device based on a dielectric metasurface capable of generating a vortex beam and a collimated beam according to an embodiment of the present invention will be described in detail.

동시 작업을 용이하게 하는 소형 다기능 메타표면(metasurface)은 다초점 메타렌즈(multifocal metalenses), 홀로그램, 소용돌이빔 생성 및 다양한 빔조작을 구현할 수 있는 잠재력으로 인해 통합 광 모듈 및 시스템에 대해 중요한 연구과제이다.Small multifunctional metasurfaces that facilitate simultaneous operation are an important research challenge for integrated optical modules and systems due to their potential to realize multifocal metalenses, holograms, vortex beam generation, and various beam manipulations. .

이에 대한 연구 중에서 프레임 워크 내에서 'lab-on-fiber' 패러다임은 나노 스케일의 광을 제어할 수 있는 나노 구조의 광자 및/ 또는 플라즈몬 물질과 통합 된 광섬유 플랫폼을 구상할 수 있는 것으로 보고되었다. 이는 기존의 광섬유 기능을 파괴적으로 확대할 수 있는 초소형 'all-in-fiber' 기능을 추구할 수 있는 장점이 있다. 또한, 광학 처리, 환경 및 생명 과학, 고향 보안 등 광섬유 팁과 같은 비정상적인 기판을 처리하기 위해 여러 가지 제조 공정이 개발되어 광섬유 핀셋, 생체 내 단일 분자 이미징 등의 애플리케이션을 위한 다기능 및 다중 응답 나노 프로브의 실현이 가능하게 되었다.Among the studies on this, it has been reported that within the framework, a 'lab-on-fiber' paradigm can envision an optical fiber platform integrated with nanostructured photonic and/or plasmonic materials capable of controlling light at the nanoscale. This has the advantage of being able to pursue the ultra-small 'all-in-fiber' function that can destructively expand the function of the existing optical fiber. In addition, several fabrication processes have been developed to process anomalous substrates such as fiber tips for optical processing, environmental and life sciences, home security, etc., resulting in multifunctional and multi-response nanoprobes for applications such as fiber optic tweezers, in vivo single molecule imaging, etc. realization became possible.

플라즈몬 기반 광섬유 메타팁(FMT)은 금속 구조의 고유한 옴 손실로 인해 광 조작 효율이 제한될 수 있으나, 광섬유의 고유한 장점과 나노 광자 플랫폼을 결합한 “Lab-on-fiber” 기술은 기존 섬유의 기능을 크게 향상시킨 나노 스케일에서 빛을 제어하는 향상된 능력을 가지는 것으로 분석되었다.Plasmon-based fiber metatips (FMTs) may have limited light manipulation efficiency due to the inherent ohmic loss of metal structures, but “Lab-on-fiber” technology, which combines the inherent advantages of optical fibers with nanophotonic platforms, is It was analyzed to have an improved ability to control light at the nanoscale, which greatly improved its function.

광섬유 기술과 함께 메타표면을 통합하는 것은 전략적으로 중요한 시도이다.Integrating metasurfaces with fiber optic technology is a strategically important endeavor.

본 발명의 일 실시 예에서는 소용돌이빔 및 시준빔 생성을 포함하는 이중 기능의 광 제어를 유닛셀들의 특정 패턴으로 배열된 유전체 메타표면을 단일모드 광섬유에 연결한 것을 특징으로 하는 광섬유 메타팁(optical fiber meta-tip, FMT) 장치를 제공한다.In an embodiment of the present invention, a dielectric metasurface arranged in a specific pattern of unit cells is connected to a single-mode optical fiber for optical control of dual functions including generating a vortex beam and a collimated beam. meta-tip, FMT) device.

본 명세서에서 편광(polarization)은 전자기파가 진행할 때 빛을 구성하는 전기장과 자기장이 특정한 방향으로 진동하는 현상을 의미한다. TE(Transverse Electric Field) 편광은 전기장 진동방향이 입사평면과 수직하는 수직 편광을 의미하고, TM (Transverse Magnetic Field)편광은 전기장 진동방향이 입사평면과 평행한 수평편광을 의미한다.In this specification, polarization refers to a phenomenon in which electric and magnetic fields constituting light vibrate in a specific direction when electromagnetic waves propagate. TE (Transverse Electric Field) polarization means vertical polarization in which the electric field vibration direction is perpendicular to the incident plane, and TM (Transverse Magnetic Field) polarization means horizontal polarization in which the electric field vibration direction is parallel to the incident plane.

본 발명의 일 실시 예에 따른 단일모드 광섬유에 연결하여 구성된 광섬유 메타팁(optical fiber meta-tip, FMT) 장치에서 소용돌이빔 및 시준빔 생성을 포함한 뚜렷한 광 제어 동작은 횡방향 전기 편광 및 횡방향 자기 편광에 대해 메타표면에 인코딩된 위상 프로파일을 조정하여 실행될 수 있다. In the optical fiber meta-tip (FMT) device configured by connecting to a single-mode optical fiber according to an embodiment of the present invention, distinct light control operations including generation of vortex beams and collimated beams include transverse electric polarization and transverse magnetic This can be done by adjusting the phase profile encoded in the metasurface for polarization.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 단일모드 광섬유에 연결하여 구성된 광섬유 메타팁(optical fiber meta-tip, FMT) 장치는, 먼저 리소그래피 나노 제조를 통해 편광 선택 메타표면(metasurface)을 제조한 다음, 맞춤형 비전시스템(customized vision system)으로 초점 간격을 고려한 간격을 부여하여 광섬유에 부착될 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 메타팁(optical fiber meta-tip, FMT) 장치는 광 인터커넥팅과 같은 애플리케이션 장치로 적용될 수 있다.In addition, in the optical fiber meta-tip (FMT) device configured by connecting to a single-mode optical fiber according to an embodiment of the present invention, first, a polarization selection metasurface is manufactured through lithography nano-manufacturing, and then, As a customized vision system, it can be attached to the optical fiber by giving an interval considering the focal interval. In addition, an optical fiber meta-tip (FMT) device according to an embodiment of the present invention may be applied as an application device such as optical interconnection.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 메타팁(optical fiber meta-tip, FMT) 장치는 광통신, 광학 트래핑 및 생물학적 감지와 같은 애플리케이션을 위한 랩온 파이버(lab-on-fiber) 기술에 적용될 수 있다.In addition, an optical fiber meta-tip (FMT) device according to an embodiment of the present invention can be applied to lab-on-fiber technology for applications such as optical communication, optical trapping, and biological sensing. .

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 메타팁(optical fiber meta-tip, FMT) 장치는 복합 기능 메타표면과 광섬유의 통합을 활용하여 다양한 조명제어 및 기능적 다양성을 촉진할 수 있다. 이것은 기존의 광섬유 기술과 새로운 "평면(flat)" 광학 및 포토닉스 사이에 유망한 브릿지를 구축할 수 있다.In addition, an optical fiber meta-tip (FMT) device according to an embodiment of the present invention can promote various lighting control and functional diversity by utilizing the integration of a multifunctional metasurface and an optical fiber. This could build a promising bridge between existing fiber optic technologies and new "flat" optics and photonics.

본 발명의 일 실시 예에서는 단일 모드 광섬유(single-mode fiber, SMF)에 이중 기능성 유전체 메타표면(MS)를 통합하는 새로운 광섬유 메타팁(optical fiber meta-tip, FMT)의 이론적 분석을 제공하며, 이러한 이론적 분석은 소용돌이빔(vortex beam) 생성 및 빔 시준을 포함한 다양한 조명 조작을 가능하게 할 수 있다.In one embodiment of the present invention, we provide a theoretical analysis of a new optical fiber meta-tip (FMT) that integrates a dual-functional dielectric meta-surface (MS) in a single-mode fiber (SMF), This theoretical analysis can enable a variety of lighting manipulations including vortex beam generation and beam collimation.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 메타팁(optical fiber meta-tip, FMT) 장치는 데이터 전송에 대한 잠재적인 응용을 추구하기 위해 한 쌍의 광섬유 메타팁(FMT)이 결합되어 효율적인 편광 선택형 광 상호 연결을 구축할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 메타팁(optical fiber meta-tip, FMT) 장치에 포함된 메타표면(MS)을 구성하는 서브 파장 엘레멘트의 나노브릭은 직사각형 모양으로 설계되어 횡 방향 전기장(TE) 및 횡방향 자기장(TM) 편광에 대해 뚜렷한 전파 위상을 생성할 수 있다. 또한, 유전체 재료의 낮은 광학 손실로 인해 충분히 높은 전송 효율을 얻을 수 있다.In addition, an optical fiber meta-tip (FMT) device according to an embodiment of the present invention is an efficient polarization selective type in which a pair of optical fiber meta-tips (FMT) are combined to pursue potential applications for data transmission. Optical interconnection can be established. In addition, the nanobricks of the sub-wavelength elements constituting the metasurface (MS) included in the optical fiber meta-tip (FMT) device according to an embodiment of the present invention are designed in a rectangular shape and have a transverse electric field ( TE) and transverse magnetic field (TM) polarization. In addition, a sufficiently high transmission efficiency can be obtained due to the low optical loss of the dielectric material.

도 1, 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 단일모드 광섬유를 포함하는 광섬유 메타팁(optical fiber meta-tip, FMT) 장치의 구조를 설명하기 위한 구조도를 도시한 것이다.1 and 2 are structural diagrams for explaining the structure of an optical fiber meta-tip (FMT) device including a single-mode optical fiber according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 단일모드 광섬유를 포함하는 광섬유 메타팁(optical fiber meta-tip, FMT) 장치(10)는 입력 또는 출력 광신호가 전송되는 광섬유(110), 중심부에 상기 광섬유(100)의 끝단과 연결이 되며, 나노브릭 유닛셀들의 조합으로 형성된 메타표면(200)을 포함한다.Referring to FIG. 1, an optical fiber meta-tip (FMT) device 10 including a single-mode optical fiber according to an embodiment of the present invention includes an optical fiber 110 through which an input or output optical signal is transmitted, a center It is connected to the end of the optical fiber 100 and includes a metasurface 200 formed by a combination of nano-brick unit cells.

또한, 상기 광섬유(110)의 끝단부에는 상기 광섬유(110)의 끝단부를 둘러싸며, 상기 광섬유와 함께 상기 메타표면의 일측면에 접속되며, 상기 광섬유를 `가이드하고, 접속상태를 유지시키는 파이버 블록(fiber block, 120)을 더 포함한다.In addition, the end of the optical fiber 110 surrounds the end of the optical fiber 110, is connected to one side of the metasurface together with the optical fiber, and guides the optical fiber and maintains the connection state. (fiber block, 120) is further included.

본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면은 일측면이 나노브릭 유닛셀들의 기판으로 형성되고, 타측면이 나노브릭 유닛셀들의 나노브릭으로 형성되는 것을 특징으로 한다.,The metasurface according to an embodiment of the present invention is characterized in that one side is formed of a substrate of nano-brick unit cells and the other side is formed of nano bricks of nano-brick unit cells.

상기 파이버 블록(fiber block, 120)은 상기 광섬유(110)의 끝단부의 외부를 감싸고, 끝단면은 상기 광섬유의 끝 단면과 맞추어 정렬되며, 상기 메타표면(200)의 평면 기판(210)의 제1 측면인 기판면에 접착제에 의해 부착된다.The fiber block 120 surrounds the outside of the end of the optical fiber 110, the end surface is aligned with the end surface of the optical fiber, and the first surface of the flat substrate 210 of the metasurface 200 It is attached to the side surface of the substrate by means of an adhesive.

메타표면(200)의 평면 기판(210)의 제2 측면은 특정 패턴으로 배열된 나노브릭을 포함하는 유닛셀(250)의 조합으로 형성된다.The second side of the flat substrate 210 of the metasurface 200 is formed by a combination of unit cells 250 including nanobricks arranged in a specific pattern.

도 1, 2는 수소화된 비정질 실리콘(a-Si: H)으로 제조된 유전체 나노브릭을 포함하는 유닛셀의 조합으로 형성된 제1 메타표면(200)에 연결된 SMF(단일 모드 광섬유(single-mode fiber)를 포함하는 광섬유 메타팁(optical fiber meta-tip, FMT) 장치의 구조를 나타낸다. 1 and 2 show an SMF (single-mode fiber) connected to a first metasurface 200 formed by a combination of unit cells including dielectric nanobricks made of hydrogenated amorphous silicon (a-Si: H). ) Represents the structure of an optical fiber meta-tip (FMT) device including a.

도 1, 2를 참조하면, 단일 모드 광섬유(SMF)의 끝 면에서 나오는 입력광(λ= 1550nm)으로부터 TE- 및 TM- 편광된 광빔은 제1 메타표면(200)에 의해 전기장(E-)이 x- 축과 y- 축을 따라 배향되어 출력되는 것으로 분석된다.1 and 2, the TE- and TM-polarized light beams from the input light (λ = 1550 nm) emitted from the end surface of the single-mode optical fiber (SMF) generate an electric field (E-) by the first metasurface 200. is parsed as output oriented along the x-axis and y-axis.

본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 메타팁(optical fiber meta-tip, FMT) 장치에서 입력광(λ= 1550 nm)으로부터 TE- 및 TM- 편광된 광빔 중, TE의 경우, 위상 전하가 l0 = +15인 발산 소용돌이빔이 얻어지는 반면, TM 경우에는 시준된 빔이 얻어진다.Among the TE- and TM-polarized light beams from the input light (λ = 1550 nm) in the optical fiber meta-tip (FMT) device according to an embodiment of the present invention, in the case of TE, the phase charge is l 0 = +15, a collimated beam is obtained for the TM case, whereas a divergent vortex beam is obtained.

본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 메타팁(optical fiber meta-tip, FMT) 장치의 메타표면은 볼록렌즈와 광학적 소용돌이 위상판(optical vortex phase plate)의 기능을 수행한다.The metasurface of an optical fiber meta-tip (FMT) device according to an embodiment of the present invention performs functions of a convex lens and an optical vortex phase plate.

본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 메타팁(optical fiber meta-tip, FMT) 장치는 횡방향 전기 편광 및 횡방향 자기 편광에 대해 메타표면에 인코딩된 위상 프로파일을 조정하여 집중된 소용돌이 및 빔 시준을 실현할 수 있다.An optical fiber meta-tip (FMT) device according to an embodiment of the present invention can realize focused vortex and beam collimation by adjusting the phase profile encoded on the metasurface for transverse electric polarization and transverse magnetic polarization. can

따라서 본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 메타팁(optical fiber meta-tip, FMT) 장치에서 시준된 빔과 높은 전하의 발산 소용돌이빔 사이의 뚜렷한 대비는 편광 선택형 광학 상호 연결에서 특징적인 기능을 가지는 것으로 분석된다.Therefore, the sharp contrast between the collimated beam and the highly charged divergent vortex beam in the optical fiber meta-tip (FMT) device according to an embodiment of the present invention is considered to have a characteristic function in polarization selective optical interconnection. analyzed

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 단일모드 광섬유(SMF)에서 발생하는 빔은 발산각(θ)을 나타내는 가우스 프로파일로 모델링될 수 있다. 또한, 단일모드 광섬유(SMF)의 주어진 발산각에 대해 제1 메타표면(200)의 유효 면적은 기판의 두께에 따라 결정될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, a beam generated from a single-mode optical fiber (SMF) may be modeled as a Gaussian profile representing a divergence angle θ. In addition, the effective area of the first metasurface 200 for a given divergence angle of the single-mode optical fiber (SMF) may be determined according to the thickness of the substrate.

도 2를 참조하면, 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 광섬유 메타팁(optical fiber meta-tip, FMT) 장치의 경우, 메타표면(200)의 면적(foot print)은 직경 d = 85㎛의 원판으로 제작되었다.Referring to FIG. 2, in the case of an optical fiber meta-tip (FMT) device according to a preferred embodiment of the present invention, the foot print of the meta-surface 200 is a disc having a diameter of d = 85 μm. was made with

도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광섬유 메타팁(optical fiber meta-tip, FMT) 장치의 경우, 특정 패턴으로 형성된 나노브릭을 포함하는 유닛셀로 배열된 메타표면(200)의 제2측면의 전자 주사 현미경 이미지를 도시한 것이다.3 is a second side surface of a metasurface 200 arranged in unit cells including nanobricks formed in a specific pattern in the case of an optical fiber meta-tip (FMT) device according to a preferred embodiment of the present invention. It shows a scanning electron microscope image of .

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 메타팁(optical fiber meta-tip, FMT) 장치의 메타표면(200)은 소용돌이 및 빔 시준을 위해 특정 패턴의 나노브릭의 유닛셀(250)들의 조합으로 형성된다.Referring to FIG. 3 , the metasurface 200 of an optical fiber meta-tip (FMT) device according to an embodiment of the present invention is a nanobrick unit cell 250 having a specific pattern for vortex and beam collimation. ) is formed by a combination of

도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 메타팁(optical fiber meta-tip, FMT) 장치의 메타표면을 형성하는 나노브릭 유닛셀의 구조를 도시한 것이다.4 illustrates the structure of a nanobrick unit cell forming a metasurface of an optical fiber meta-tip (FMT) device according to an embodiment of the present invention.

도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 나노브릭 유닛셀(250)은 SiO2 형성된 사각 기판 상부의 중심에서 일정 높이(h)의 수직의 사각기둥으로 형성되며, 그 횡단면은 사각 기판 x-y 방향과 대응하는 방향을 가지는 가로, 세로(w, l)의 사각면으로 형성된 나노브릭을 포함한다.Referring to FIG. 4, the nanobrick unit cell 250 according to an embodiment of the present invention is made of SiO 2 formed It is formed as a vertical square pillar of a certain height (h) at the center of the upper part of the square substrate, and the cross section includes nanobricks formed of horizontal and vertical (w, l) square faces having a direction corresponding to the xy direction of the square substrate. do.

본 발명의 일 실시 예에 따른 나노브릭 유닛셀(250)의 나노브릭은 막대 기둥형으로 형성되며, 수소화 비정질 실리콘(a-Si:H)으로 제조되며, 입력광에 대해 소용돌이 및 빔 시준을 위한 기능이 수행되도록 가로, 세로(w, l) 길이를 특정된 크기로 배열된다.The nano-brick of the nano-brick unit cell 250 according to an embodiment of the present invention is formed in a columnar shape, made of hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H), and for vortexing and beam collimation for input light. The horizontal and vertical (w, l) lengths are arranged in a specified size so that the function is performed.

본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 메타팁(optical fiber meta-tip, FMT) 장치의 메타표면을 구성하는 나노브릭 유닛셀의 경우 나노브릭의 높이(h)는 입력 광파장의 약 0.58

Figure pat00010
에 해당하는 900nm로 형성되었다. 또한, 나노브릭의 가로(w)와 세로(l) 길이는 150 ~ 600nm 범위에서 요구되는 위상 프로파일 특성에 따라 각각 특정된 크기로 형성된다. 또한, 나노브릭 유닛셀(250)은 정사각형으로 Λ = 700nm의 동일한 피치로 형성된다.In the case of a nanobrick unit cell constituting the metasurface of an optical fiber meta-tip (FMT) device according to an embodiment of the present invention, the height (h) of the nanobrick is about 0.58 of the input light wavelength.
Figure pat00010
was formed at 900 nm corresponding to In addition, the horizontal (w) and vertical (l) lengths of the nanobricks are each formed to a specific size according to phase profile characteristics required in the range of 150 to 600 nm. In addition, the nanobrick unit cells 250 are formed in a square shape with the same pitch of Λ = 700 nm.

도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 메타팁(optical fiber meta-tip, FMT) 장치의 나노브릭 유닛셀의 나노브릭의 가로(w)와 세로(l) 길이에 따른 TE 편광빔의 위상 편이(

Figure pat00011
)의 변화를 도시한 것이다.5 is a phase of a TE polarized beam according to the horizontal (w) and vertical (l) lengths of nanobricks of a nanobrick unit cell of an optical fiber meta-tip (FMT) device according to an embodiment of the present invention. side (
Figure pat00011
) is shown.

도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 메타팁(optical fiber meta-tip, FMT) 장치의 메타표면을 구성하는 나노브릭 유닛셀의 나노브릭의 가로(w)와 세로(l) 길이에 따른 입사광에 대한 TE 편광빔의 전송 진폭(ATE) 변화를 도시한 것이다.6 is a graph showing the horizontal (w) and vertical (l) lengths of nanobricks of nanobrick unit cells constituting the metasurface of an optical fiber meta-tip (FMT) device according to an embodiment of the present invention. It shows the change in the transmission amplitude (A TE ) of the TE polarized beam with respect to the incident light.

도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 메타팁(FMT) 장치의 메타표면을 구성하는 나노브릭 유닛셀의 나노브릭의 가로(w)와 세로(l) 길이에 따른 TM 편광 빔의 위상 편이(

Figure pat00012
)의 변화를 도시한 것이다.7 is a phase shift of a TM polarized beam according to the horizontal (w) and vertical (l) lengths of nanobricks of nanobrick unit cells constituting the metasurface of a fiber optic metatip (FMT) device according to an embodiment of the present invention. (
Figure pat00012
) is shown.

도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 메타팁(FMT) 장치의 메타표면을 구성하는 나노브릭 유닛셀의 나노브릭의 가로(w)와 세로(l) 길이에 따른 입사광에 대한 TM 편광빔의 전송 진폭(ATM) 변화를 도시한 것이다.8 is a TM polarized beam for incident light according to the horizontal (w) and vertical (l) lengths of the nanobricks of the nanobrick unit cells constituting the metasurface of the fiber optic metatip (FMT) device according to an embodiment of the present invention. It shows the change in the transmission amplitude (A TM ) of

본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 메타팁(optical fiber meta-tip, FMT) 장치의 위상 특성에 대한 시뮬레이션은 상업적으로 이용 가능한 유한 차분 시간 영역 도구 인 FDTD Solutions (Lumerical, Canada)를 사용하여 수행되었다.Simulation of the phase characteristics of an optical fiber meta-tip (FMT) device according to an embodiment of the present invention was performed using FDTD Solutions (Lumerical, Canada), a commercially available finite-difference time-domain tool. .

도 5, 6을 참조하면, 입사되는 TE 편광 평면파의 경우 누적된 위상 편이(

Figure pat00013
) 및 전송 진폭(A TE)이 각각 도 4, 5와 같이 w 및 l의 함수로 표시될 수 있다.5 and 6, in the case of an incident TE polarized plane wave, the accumulated phase shift (
Figure pat00013
) and transmission amplitude ( A TE ) can be expressed as functions of w and l as shown in FIGS. 4 and 5, respectively.

한편, 입사되는 TM 편광 빔에 대한 위상 지연 및 진폭 특성은 도 4, 5 도면의 점선을 기준선으로 접은 것으로 표현될 수 있다.Meanwhile, the phase delay and amplitude characteristics of the incident TM polarized beam can be expressed by folding the dotted lines in FIGS. 4 and 5 as reference lines.

도 7, 8을 참조하면, 입사되는 TM 편광 평면파의 경우 누적된 위상 편이

Figure pat00014
및 전송 진폭 A TM은 각각 도 6, 7과 같이 w 및 l의 함수로 표시될 수 있다.7 and 8, in the case of an incident TM polarized plane wave, the accumulated phase shift
Figure pat00014
and transmission amplitude A TM can be expressed as a function of w and l as shown in FIGS. 6 and 7, respectively.

본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 메타팁(optical fiber meta-tip, FMT) 장치는 원하는 위상 편이 및 전송 진폭 특성을 가지도록 나노브릭 유닛셀들의 가로 너비(w)와 세로 길이(l)를 선택적으로 적용하여 배열을 하는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 나노브릭 유닛셀들의 가로(w)와 세로(l) 길이를 각각 150 ~ 600nm 범위에서 선택적으로 적용하여 배열을 함으로써, 메타표면 상에서 위상 편이(

Figure pat00015
,
Figure pat00016
) 각을 0 ~ 2π 범위로 변화하도록 제어하고, 입사광에 대한 전송 진폭(ATE, ATM) 비를 0~1범위로 제어할 수 있다.An optical fiber meta-tip (FMT) device according to an embodiment of the present invention selectively selects the horizontal width (w) and vertical length (l) of nanobrick unit cells to have desired phase shift and transmission amplitude characteristics. It is characterized in that the array is applied by applying. According to an embodiment of the present invention, the phase shift (
Figure pat00015
,
Figure pat00016
) angle can be controlled to change in the range of 0 to 2π, and the ratio of transmission amplitude (A TE, A TM ) to incident light can be controlled in the range of 0 to 1.

이는 나노브릭의 유전체 재질인 a-Si: H와 공기 사이의 높은 굴절률 차이에 의해 전체 2*?* 위상 제어를 할 수 있는 것으로 분석된다. 이에 따라 본 발명의 일 실시 예에서는 위상 영역에서 목표와 실현된 위상 사이의 최소 유클리드 거리를 기반으로 충분히 높은 투과율과 8단계의 2π 위상 편이를 제공할 수 있는 64개의 나노브릭 유닛셀을 선택적으로 배열하여 구성한 것을 특징으로 한다It is analyzed that full 2*?* phase control is possible due to the high refractive index difference between a-Si: H, the dielectric material of nanobricks, and air. Accordingly, in an embodiment of the present invention, 64 nano-brick unit cells capable of providing sufficiently high transmittance and 8-step 2π phase shift are selectively arranged based on the minimum Euclidean distance between the target and the realized phase in the phase domain. It is characterized by being composed of

도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 메타팁 장치의 선택된 나노브릭 유닛셀에서 TE 편광에 대한 전기장(E-) 필드 및 자기장(H-) 필드 프로파일을 도시한 것이다.9 illustrates electric (E-) field and magnetic (H-) field profiles for TE polarization in a selected nanobrick unit cell of an optical fiber metatip device according to an embodiment of the present invention.

도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 메타팁(optical fiber meta-tip, FMT) 장치의 메타표면의 선택된 나노브릭 유닛셀에서 TM 편광에 대한 E- 필드 및 H- 필드 프로파일을 도시한 것이다.10 illustrates E-field and H-field profiles for TM polarization in selected nanobrick unit cells of the metasurface of an optical fiber meta-tip (FMT) device according to an embodiment of the present invention. .

도 9, 10은 선택된 나노브릭 유닛셀(w = 348 nm and l= 209 nm, 도 5, 6, 도 7, 8에서 별 모양으로 표시된 부분임)에서 관찰된 TE 편광 및 TM 편광에 대한 E- 필드 및 H- 필드 프로파일을 도시한 것이다.9 and 10 are E- for TE polarization and TM polarization observed in selected nanobrick unit cells (w = 348 nm and l = 209 nm, which are marked with stars in FIGS. 5, 6, 7, and 8). Field and H-field profiles are shown.

도 5 내지 10의 위상 특성 시뮬레이션의 작동 파장은 1550nm이다.The operating wavelength of the phase characteristic simulations of FIGS. 5 to 10 is 1550 nm.

도 9, 10을 참조하면, 나노브릭 유닛셀의 단면에서 소용돌이 모양의 전기장 및 강화된 자기장 분포는 도 9, 10과 같이 입사광이 TE 편광 또는 TM 편광일 때 발생하는 것으로 분석된다.Referring to FIGS. 9 and 10 , it is analyzed that the spiral electric field and enhanced magnetic field distribution in the cross section of the nanobrick unit cell occurs when the incident light is TE polarized light or TM polarized light, as shown in FIGS. 9 and 10 .

또한, a-Si: H 재질의 나노브릭을 포함하는 유닛셀에서 두 편광에 대한 전자기 응답 차이는 공진 나노브릭이 뚜렷한 위상 편이를 나타내는 결과를 가져오는 것으로 분석된다.In addition, it is analyzed that the difference in electromagnetic response for the two polarizations in the unit cell including the nanobrick of a-Si:H material results in the resonant nanobrick exhibiting a distinct phase shift.

도 9, 10에 도시된 바와 같이 소용돌이형(vortex-like) E- 필드 및 강화된(reinforced) H- 필드 프로파일은 TE- 및 TM- 편광 입사 광선 모두에 대한 응답으로 나노브릭 유닛셀의 단면에서 관찰될 수 있다. 따라서 시뮬레이션 결과는 나노브릭 유닛셀은 두 분극에 대해 서로 다른 전자기 반응을 일으킬 수 있음을 나타낸다. 결국, 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면으로 인코딩된 위상 프로파일은 편광에 따라 조정될 수 있는 것으로 분석된다.As shown in Figs. 9 and 10, vortex-like E-field and reinforced H-field profiles are observed at the cross-section of the nanobrick unit cell in response to both TE- and TM-polarized incident light rays. can be observed. Therefore, the simulation results indicate that the nanobrick unit cell can generate different electromagnetic responses for the two polarizations. As a result, it is analyzed that the phase profile encoded by the metasurface according to an embodiment of the present invention can be adjusted according to polarization.

본 발명의 일 실시 예에 따른 메타팁(optical fiber meta-tip, FMT) 장치는 나노브릭의 가로(w)와 세로(l) 길이에 대한 수치 시뮬레이션을 통해 편광 제어 빔 조작을 용이하게 할 수 있다. 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 볼록 렌즈 역할을 하는 메타표면은 시준된 평면파를 초점으로 수렴한다. 반대로, 광섬유의 끝 면이 볼록렌즈 메타표면의 초점면에 해당하면 나오는 빔이 메타표면과 시준될 수 있다. 그렇지 않으면 빔이 크게 발산하게 된다. 빔 시준은 광섬유와 메타표면 사이의 간격에서 상대적인 초점 거리에 따라 달라진다. An optical fiber meta-tip (FMT) device according to an embodiment of the present invention can facilitate manipulation of a polarization control beam through numerical simulation of the horizontal (w) and vertical (l) lengths of nanobricks. . According to an embodiment of the present invention, a metasurface serving as a convex lens converges a collimated plane wave to a focal point. Conversely, if the end face of the optical fiber corresponds to the focal plane of the metasurface of the convex lens, the outgoing beam can be collimated with the metasurface. Otherwise, the beam diverges greatly. Beam collimation depends on the relative focal length in the gap between the fiber and the metasurface.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 메타팁(FMT) 장치의 메타표면은 나선형 위상 프로파일(spiral phase profile) 기능을 더 부과하여 빔이 궤도 각운동량(orbital angular momentum)을 유도할 수 있다.In addition, the metasurface of the fiber optic metatip (FMT) device according to an embodiment of the present invention further imposes a spiral phase profile function so that the beam can induce orbital angular momentum.

본 발명의 일 실시 예에 따른 메타팁(FMT) 장치에서 TE 및 TM 편광에 대한 원하는 위상 프로파일(profile)은 다음 식으로 나타낼 수 있다. In the metatip (FMT) device according to an embodiment of the present invention, the desired phase profile for TE and TM polarization can be expressed by the following equation.

Figure pat00017
Figure pat00017

Figure pat00018
Figure pat00018

여기서 (x, y)는 메타표면(MS)의 중심에 대한 각 유닛셀의 중심에 해당하는 좌표(중심좌표 x0, y0일때, x=x0-x1, y= x0-x1)를 나타내고

Figure pat00019
Figure pat00020
은 각각 TE 및 TM에 대한 초점 거리이고, n은 주변 매체의 굴절률이며
Figure pat00021
은 소용돌이의 위상 전하를 나타낸다.Where (x, y) is the coordinates corresponding to the center of each unit cell relative to the center of the metasurface (MS) (when the center coordinates x 0 , y 0 , x=x 0 -x 1 , y= x 0 -x 1 ) and
Figure pat00019
and
Figure pat00020
are the focal lengths for TE and TM respectively, n is the refractive index of the surrounding medium and
Figure pat00021
represents the topological charge of the vortex.

도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타팁(FMT) 장치에서 편광 맞춤형 위상 프로파일을 도시한 것이다.11 illustrates a polarization tailored phase profile in a meta tip (FMT) device according to an embodiment of the present invention.

도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타팁(FMT) 장치에서 a)

Figure pat00022
= 200㎛,
Figure pat00023
= +15 나타내는 집중된 소용돌이 및 b)
Figure pat00024
= 315 ㎛를 나타내는 광 포커싱을 얻기 위해 계산된 위상 프로파일에 나타낸다. 11 is a) in a meta tip (FMT) device according to an embodiment of the present invention
Figure pat00022
= 200 μm,
Figure pat00023
= +15 indicating concentrated eddies and b)
Figure pat00024
= 315 μm is shown in the calculated phase profile to obtain an optical focusing.

도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타팁(FMT) 장치에 입사되는 TE- 및 TM 편광에 응답하여 메타표면의 제1 전방(z= 200㎛)의 yz- 평면에 있는 EX 장 강도 분포를 도시한 것이다.12 is an E X field intensity in the yz-plane of the first front (z = 200 μm) of the metasurface in response to TE- and TM polarization incident on the metatip (FMT) device according to an embodiment of the present invention. distribution is shown.

도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타팁(FMT) 장치에 입사되는 TE- 및 TM 편광에 응답하여 메타표면의 제2 전방(z= 315㎛)의 yz- 평면에 있는 Ey 장 강도 분포를 도시한 것이다.13 is an E y field intensity in the yz- plane of the second front (z = 315 μm) of the metasurface in response to TE- and TM polarization incident on the metatip (FMT) device according to an embodiment of the present invention. distribution is shown.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 1550nm의 지정된 파장에서 시준된 빔을 조명할 때, 도 11 내지 13에 도시된 바와 같은 메타표면(MS) 앞의 yz- 및 xy- 평면의 편광 의존 전계 강도 분포로부터 vortex 생성 및 light focusing의 기능에 대한 특성을 알 수 있다.According to an embodiment of the present invention, when illuminating a collimated beam at a designated wavelength of 1550 nm, polarization dependent electric field intensity distributions in the yz- and xy- planes in front of the metasurface (MS) as shown in FIGS. 11 to 13 From this, the characteristics of the function of vortex generation and light focusing can be found.

따라서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타팁(FMT) 장치에서 메타표면은 광섬유의 끝 면에서 나오는 빛을 TE와 TM 편광에 대해 각각 발산 소용돌이빔과 중심축을 따라 시준된 평행빔으로 변환하는 역할을 한다.Therefore, in the metatip (FMT) device according to an embodiment of the present invention, the metasurface converts the light emitted from the end surface of the optical fiber into a divergent vortex beam for TE and TM polarization, respectively, and a collimated parallel beam along the central axis. do

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타팁(FMT) 장치에서 나노브릭 유닛셀의 기판의 두께는 단일 모드 광섬유(SMF)의 끝 면에서 메타표면으로 전파되는 동안 발생하는 빔의 발산 특징을 가지기 위한 간격으로 결정될 수 있다.In addition, in the metatip (FMT) device according to an embodiment of the present invention, the thickness of the substrate of the nanobrick unit cell has a divergence characteristic of the beam generated while propagating from the end surface of the single-mode optical fiber (SMF) to the metasurface. intervals can be determined.

본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 메타팁(FMT) 장치에서 광섬유 끝 면과 메타표면 전면 사이의 간격은

Figure pat00025
460㎛의 간격으로 형성되었다. 이 간격의 크기는 공기 대신 기판 재료인 고 굴절률 이산화규소(SiO2)로 대체하여 결정된다.In the fiber optic metatip (FMT) device according to an embodiment of the present invention, the distance between the end face of the optical fiber and the front face of the metasurface is
Figure pat00025
It was formed at intervals of 460 μm. The size of this gap is determined by replacing air with high refractive index silicon dioxide (SiO 2 ) as the substrate material.

본 발명의 일 실시 예에 따른 메타팁(FMT) 장치에서 나노브릭 유닛셀의 기판은 석영 기판(굴절률(

Figure pat00026
)= 1.44) 제조되었으며, 광섬유 끝 면과 메타표면 전면 사이는 입력 파장(λ= 1550 nm)을 고려하여 기판 430㎛ 두께 및 접착용 에폭시 두께 30㎛가 포함하여 형성된다.In the meta tip (FMT) device according to an embodiment of the present invention, the substrate of the nanobrick unit cell is a quartz substrate (refractive index (
Figure pat00026
) = 1.44), and the space between the end face of the optical fiber and the front surface of the metasurface is formed by including a substrate of 430 μm thickness and an adhesive epoxy thickness of 30 μm in consideration of the input wavelength (λ = 1550 nm).

도 1, 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 메타팁(FMT) 장치에서 광섬유의 단부를 둘러쌓은 파이버블럭(120)은 확장된 접촉 영역으로 인해 광섬유의 끝 면과 메타표면과의 조립을 용이하게 하고, 안정적으로 장치를 유지시킬 수 있다.1 and 2, the fiber block 120 surrounding the end of the optical fiber in the fiber optic metatip (FMT) device according to an embodiment of the present invention is connected to the end face of the optical fiber and the metasurface due to the expanded contact area. It is easy to assemble and can stably maintain the device.

본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 메타팁(FMT) 장치의 제조과정에서 메타표면은 홀더를 사용하여 단단히 고정되었으며, 파이버블럭 (길이: 3.3mm, 너비: 10.5mm, 높이: 2.0mm)은 동력 변환 스테이지 위에 진공 마운트로 고정되었다. 단일모드 광섬유(SMF)는 50cm 길이로 준비되었다. 마지막으로 ~ 2cm2의 면적(footprint)을 가진 메타표면 기판을 UV 경화형 에폭시로 파이버 블록에 접착하였다.In the manufacturing process of the fiber optic metatip (FMT) device according to an embodiment of the present invention, the metasurface was firmly fixed using a holder, and the fiber block (length: 3.3mm, width: 10.5mm, height: 2.0mm) was powered by power. It was fixed with a vacuum mount above the translation stage. A single-mode optical fiber (SMF) was prepared with a length of 50 cm. Finally, the metasurface substrate with a footprint of ~ 2 cm 2 was bonded to the fiber block with UV curable epoxy.

도 14는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 메타팁(FMT) 장치의 광 출력 특성의 테스트를 위한 측정 시스템을 도시한 것이다.14 illustrates a measurement system for testing light output characteristics of a fiber optic metatip (FMT) device according to an embodiment of the present invention.

도 14를 참조하면, 광원은 파장 1550nm의 광빔을 출력하는 분산 피드백 레이저(M-TECH, MSMT-10A)를 사용하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 메타팁(optical fiber meta-tip, FMT) 장치에 조사되었으며, 통과된 출력 광빔은 10×/ 20× 대물 렌즈(SEIWA OPTICAL, PEIR-Plan-10)가 장착된 단파 적외선 카메라 (AVAL DATA, ABA-001IR) × / Mitutoyo, 20 × Plan Apo NIR)로 입력되어 연결된 컴퓨터를 통해 빔 프로파일을 모니터링 하였다.Referring to FIG. 14, the light source is an optical fiber meta-tip (FMT) according to an embodiment of the present invention using a distributed feedback laser (M-TECH, MSMT-10A) outputting a light beam with a wavelength of 1550 nm. The device was irradiated, and the output light beam passed was a shortwave infrared camera (AVAL DATA, ABA-001IR) equipped with a 10×/20× objective lens (SEIWA OPTICAL, PEIR-Plan-10) × / Mitutoyo, 20 × Plan Apo NIR ) and monitored the beam profile through the connected computer.

또한, 소용돌이 생성 및 빔 시준을 포함한 편광 선택적 이중 기능은 선형 편광판 (Thorlabs, LPNIR050-MP2)을 사용하여 측정되었다. In addition, polarization-selective dual functions including vortex generation and beam collimation were measured using a linear polarizer (Thorlabs, LPNIR050-MP2).

또한, 일련의 이미지(xy 평면의 강도 분포)는 5㎛ 단위로 광축(z 축)을 따라 이미징 시스템을 변환하여 측정하였다.In addition, a series of images (intensity distribution in the xy plane) was measured by translating the imaging system along the optical axis (z-axis) in increments of 5 μm.

본 발명의 일 실시 예에 따라 제1샘플로 제조된 광섬유 메타팁 장치에서 메타표면의 나노브릭 유닛셀의 배치는 TE편광에 대한 발산 및 TM편광에 대한 시준빔 형성 특성을 가지기 위한 각 나노브릭 유닛셀의 가로, 세로 길이에 대해 나타낸 것이다.In the optical fiber metatip device manufactured as the first sample according to an embodiment of the present invention, the arrangement of nanobrick unit cells on the metasurface is each nanobrick unit to have divergence for TE polarized light and collimated beam formation for TM polarized light. It shows the width and height of the cell.

메타표면에 배열되는 각 나노브릭 유닛셀은 요구되는 특성에 따라 설정된 위상 프로파일에 따라 도 5, 6, 7, 8의 위상 편이

Figure pat00027
Figure pat00028
및 전송 진폭 ATE, ATM, 으로부터 각각 가로(w), 세로(l)의 길이를 결정한다.Each nanobrick unit cell arranged on the metasurface has a phase shift of FIGS. 5, 6, 7, and 8 according to the phase profile set according to the required characteristics.
Figure pat00027
Figure pat00028
And the horizontal (w) and vertical (l) lengths are determined from transmission amplitudes A TE , A TM , respectively.

표1은 위상 영역에서 목표와 실현된 위상 사이의 최소 유클리드 거리를 기반으로 충분히 높은 투과율과 8단계 2π 위상 편이를 제공 할 수 있는 메타표면의 중심으로부터 형성된 총 64개의 나노브릭(nanobricks)을 선택하여 구성한 것이다.Table 1 selects a total of 64 nanobricks formed from the center of the metasurface that can provide a sufficiently high transmittance and an 8-step 2π phase shift based on the minimum Euclidean distance between the target and the realized phase in the phase domain. it is composed

Figure pat00029
Figure pat00029

도 15는 도 14의 시스템으로부터 본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 메타팁(optical fiber meta-tip, FMT) 장치 제1 샘플의 측정된 이미지의 yz 평면의 TE 편광에 대한 광 강도 분포를 나타낸다. FIG. 15 shows a light intensity distribution for TE polarization in a yz plane of a measured image of a first sample of an optical fiber meta-tip (FMT) device according to an embodiment of the present invention from the system of FIG. 14 .

도 15에서 광섬유의 끝 면에서 메타표면으로 입력되는 입력각(θ)은 16°이다.In FIG. 15, the input angle (θ) input from the end face of the optical fiber to the metasurface is 16°.

도 15를 참조하면, 중심에 해당하는 yz 평면의 TE 편광에 대한 광 강도 분포는 발산하는 형태로 나타난다.Referring to FIG. 15 , the light intensity distribution of the TE polarized light in the yz plane corresponding to the center appears in a diverging form.

본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 메타팁(optical fiber meta-tip, FMT) 제1 샘플 장치의 기판 두께는 초점거리

Figure pat00030
와 일치하지 않는다. 결과적으로 제1샘플의 메타표면은 입사광의 TE 편광에 대해 시준하지 못하고 발산 소용돌이빔을 생성하게 된다.The substrate thickness of the first sample device of an optical fiber meta-tip (FMT) according to an embodiment of the present invention is the focal length
Figure pat00030
does not match As a result, the metasurface of the first sample fails to collimate the TE polarization of the incident light and generates a diverging vortex beam.

도 16은 샘플1에 대해 z 축을 따라 각각 다른 위치에서 yz 평면에서 관찰된 공간 강도 분포를 나타낸다.16 shows the spatial intensity distribution observed in the yz plane at different positions along the z axis for Sample 1.

도 16은 본 발명의 일 실시 예에서는 소용돌이빔(vortrx beam)의 특성의 분석을 위해 광학 축(z)을 따라 이미징 시스템을 100㎛ 단위로 변환하여 일련의 이미지를 연속적으로 측정한 것이다. FIG. 16 shows a series of images continuously measured by transforming the imaging system in units of 100 μm along the optical axis (z) in order to analyze the characteristics of a vortex beam in an embodiment of the present invention.

도 16에서 나선형 무늬는 발산하는 광학 소용돌이와 원하지 않는 들어오는 빛 사이의 간섭 때문일 수 있는데, 이는 아마도 제작된 샘플1의 메타표면(MS)의 풋 프린트보다 더 컸을 것으로 추정된다. 생성된 광 소용돌이에 해당하는 간섭무늬의 수는 의도한 대로 15개로 산출되었다. 샘플1 장치에서 TM 편광의 경우 소형 빔 콜리메이터 역할을 수행하는 것으로 분석된다.The spiral pattern in Fig. 16 may be due to the interference between the divergent optical vortex and the unwanted incoming light, which is presumably larger than the footprint of the metasurface (MS) of the fabricated sample 1. The number of interference fringes corresponding to the generated optical vortex was calculated as 15 as intended. In the case of TM polarization in the sample 1 device, it is analyzed that it serves as a small beam collimator.

도 15, 16을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 메타팁의 제1샘플 장치에서 TE 편광에 대한 광 강도 분포는 위상 전하(topological charge) l0 = 15인 소용돌이빔(vortex beam)이 생성되는 것으로 측정되었으며, 메티표면은 볼록 렌즈와 광학 소용돌이 위상판(optical vortex phase plate)의 역할을 수행하는 것으로 분석되었다. 도 15, 16에서 측정된 전송 효율은 ~ 57 % 이었다.15 and 16, the light intensity distribution for TE polarization in the first sample device of the optical fiber metatip according to an embodiment of the present invention is a vortex beam with a topological charge l 0 = 15 was measured to be generated, and the MET surface was analyzed to play the role of a convex lens and an optical vortex phase plate. The transmission efficiency measured in FIGS. 15 and 16 was ~57%.

도 17은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 메타팁(FMT) 제1샘플 장치에서 TM 편광에 대한 yz- 및 xy- 평면에서 측정된 광 강도 프로파일을 도시한 것이다.17 illustrates light intensity profiles measured in yz- and xy-planes for TM polarization in a first sample device of an optical fiber metatip (FMT) according to an embodiment of the present invention.

도 18은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 메타팁(FMT) 제1샘플 장치에서 TM 편광에 대해 z = 9mm에서 측정된 시준된 빔 프로파일을 도시한 것이다.18 illustrates a collimated beam profile measured at z = 9 mm for TM polarization in a first sample device of a fiber optic metatip (FMT) according to an embodiment of the present invention.

도 18에서 a는 xy 평면에서 캡처된 강도 분포를 나타낸 것이고, b는 x 축 및 y 축을 따라 측정된 강도분포를 도시한 것이다.In FIG. 18, a shows the intensity distribution captured in the xy plane, and b shows the intensity distribution measured along the x and y axes.

도 17, 18을 참조하면, 메타표면(MS)에서 ~ 10mm 거리 내에서 확립된 광섬유 메타팁 장치는 광섬유에서 발산하는 발산 가우스 유사 빔을 효율적으로 시준하여 잘 정의된 대칭 원거리 장 패턴을 생성하는 것으로 분석된다. Referring to Figs. 17 and 18, a fiber optic metatip device established within a distance of ~10 mm from the metasurface (MS) is shown to efficiently collimate a diverging Gaussian-like beam emanating from an optical fiber to produce a well-defined symmetric far-field pattern. analyzed

도 19는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 메타팁(FMT) 제1샘플 장치에서 메티표면을 제거한 상태에서 TM 편광에 대한 yz- 및 xy- 평면에서 측정된 광 강도 프로파일을 도시한 것이다.FIG. 19 illustrates light intensity profiles measured in yz- and xy-planes for TM polarized light in a state in which the MET surface is removed from a first sample device of a fiber optic meta tip (FMT) according to an embodiment of the present invention.

도 19를 참조하면, 메티표면이 없는 장치에서 TM 편광에 대한 광빔은 빠르게 확산되는 것으로 관찰된 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 19, it can be seen that in the device without the MET surface, the light beam for TM polarization is rapidly diffused.

도 17, 18을 참조하면, 시준 빔의 발산각(θdiv)은 z1 = 0mm 및 z2 = 10mm를 포함하여 다른 위치에서 빔 너비(w1

Figure pat00031
d= 85㎛ 및 w2 = 452㎛)를 참조하여 측정하였다. 시준된 빔의 발산각은 θdiv.
Figure pat00032
2.1°였다.17 and 18, the divergence angle (θ div ) of the collimated beam is the beam width (w1) at different positions, including z1 = 0 mm and z2 = 10 mm.
Figure pat00031
d = 85 μm and w2 = 452 μm). The divergence angle of the collimated beam is θ div .
Figure pat00032
It was 2.1°.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 각 목표 편광에 대해 정규화된 입사 power에 대한 투과광 power의 비율로 정의되는 광섬유 메타팁 장치의 투과 효율은 TE 및 TM 편광 모두에 대해

Figure pat00033
57%로 측정되었다.In addition, the transmission efficiency of the optical fiber metatip device, which is defined as the ratio of transmitted light power to normalized incident power for each target polarization according to an embodiment of the present invention, for both TE and TM polarizations
Figure pat00033
measured at 57%.

관련 삽입 손실(insertion loss)은 광섬유, 에폭시, SiO2 및 공기를 포함하는 인터페이스와 관련된 프레넬 손실에 의해 설명될 수 있다The associated insertion loss can be accounted for by the Fresnel loss associated with interfaces including fiber, epoxy, SiO 2 and air.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 광섬유 끝 면과 메타표면(MS) 사이의 간격의 변화가 발산에 직접적인 영향을 미치는 것으로 분석되었다. 이에 따라 메타표면(MS) 기판 두께와 에폭시의 두께를 조절하여 빔 시준을 제어할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, it was analyzed that the change in the distance between the end surface of the optical fiber and the metasurface (MS) has a direct effect on the divergence. Accordingly, beam collimation can be controlled by adjusting the thickness of the metasurface (MS) substrate and the thickness of the epoxy.

본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 메타팁 장치는 편광 매개 기능, 소형화된 공간면적, 향상된 광학 처리량 등의 눈에 띄는 기능을 고려하면, 광학 트래핑, 광학 계측, 광학 프로세서 및 광학 통신의 개발을 가능하게 할 것으로 예상된다.The optical fiber metatip device according to an embodiment of the present invention enables the development of optical trapping, optical measurement, optical processor, and optical communication, considering prominent features such as polarization mediating function, miniaturized spatial area, and improved optical throughput. expected to do

본 발명의 일 실시 예에서는 도 14와 같이 각 대상 편광에 대해 정규화된 입사 파워에 대한 투과광 파워의 비율로 정의되는 구현된 광섬유 메타팁(FMT) 장치의 투과 효율은 편광 컨트롤러와 편광기를 사용하여 측정하였다. In one embodiment of the present invention, as shown in FIG. 14, the transmission efficiency of the implemented fiber optic metatip (FMT) device, which is defined as the ratio of transmitted light power to normalized incident power for each target polarization, is measured using a polarization controller and a polarizer. did

TE- 편광의 경우 측정 절차는 다음과 같이 요약된다.For TE-polarized light, the measurement procedure is summarized as follows.

i) 메타표면(MS)에 새겨진 정렬 표시를 참조하여 편광자를 대상 편광으로 설정한다.i) Referring to the alignment mark engraved on the metasurface (MS), set the polarizer to the target polarization.

ii) 투과된 빔 프로파일을 모니터링하고 편광 컨트롤러를 조작하여 관찰된 광학 소용돌이 강도를 최대화한다..ii) monitor the transmitted beam profile and manipulate the polarization controller to maximize the observed optical vortex intensity.

iii) 포토 다이오드 파워 센서(Thorlabs, S132C)를 사용하여 FMT(PTE-out)의 투과광 파워를 측정한다.iii) Using a photodiode power sensor (Thorlabs, S132C), the transmitted light power of the FMT (P TE - out ) is measured.

iv) 동일한 편광 상태에서 광섬유 메타팁(FMT) 장치를 메타표면이 제거된 베어 파이버 블록으로 교체한다.iv) Replace the fiber optic metatip (FMT) device with a bare fiber block with the metasurface removed in the same polarization state.

v) 광섬유 블록 (PTE-in)의 출력 광 파워를 측정한다.v) Measure the output optical power of the fiber block (P TE-in ).

vi) TE- 편광에 대한 결과 전송 효율은 PTE-out / PTE-in에서 얻는다.vi) The resulting transmission efficiency for TE-polarized light is obtained from P TE - out /P TE-in .

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 메타팁(FMT) 장치의 수치시뮬레이션은 다음과 같이 산출되었다.In addition, the numerical simulation of the fiber optic meta tip (FMT) device according to an embodiment of the present invention was calculated as follows.

i) FDTD 솔루션을 사용하여 나노브릭 유닛셀(UC)을 특성화하기 위해 도 7, 8에 표시된 진폭 및 위상 등고선 맵은 석영 기판 상단의 a-Si: H 나노브릭을 기반으로 유닛셀(UC)의 단면 치수를 스캔하여 산출된다.i) To characterize the nanobrick unit cell (UC) using the FDTD solution, the amplitude and phase contour maps shown in Figs. It is calculated by scanning the cross-sectional dimensions.

주기적인 경계 조건은 x 축과 y 축을 따라 적용되는 반면, 완벽하게 일치하는 레이어 PML(perfectly matched layer) 경계 조건은 z 축을 따라 적용되었다. 유닛셀(UC)은 λ = 1550 nm의 평면파 소스로 조명되었다.Periodic boundary conditions were applied along the x- and y-axes, while perfectly matched layer (PML) boundary conditions were applied along the z-axis. The unit cell UC was illuminated with a plane wave source of λ = 1550 nm.

ii) 편광제어 이중 기능 메타표면(MS)의 시뮬레이션을 위해, 각각 설계된 가로, 세로 길이 및 높이를 가진

Figure pat00034
80000 나노브릭으로 구성된 메타표면(MS)이 스크립트를 통해 가상으로 구성된다.ii) for the simulation of the polarization control dual function metasurface (MS), with the horizontal, vertical length and height respectively designed
Figure pat00034
A metasurface (MS) composed of 80000 nanobricks is virtually constructed through a script.

PML 경계 조건은 x, y, z 축을 따라 설정된다. 계산 영역은 x 축과 y 축을 따라 200㎛, z 축을 따라 10㎛로 동일하게 설정되어 확대된 메타표면(MS)를 직경 d = 200㎛로 덮는다.PML boundary conditions are set along the x, y, and z axes. The computational domain is set equal to 200 μm along the x-axis and y-axis and 10 μm along the z-axis to cover the enlarged metasurface (MS) with a diameter d = 200 μm.

입력광(λ= 1550 nm)에 대한 전체 필드 산란 필드 소스는 SiO2 측으로부터 MS를 공급하는데 사용된다. 도 12, 13에 묘사된 원거리 강도 분포는 FDTD 시뮬레이션 도구에서 제공하는 표면 동등성 정리에 기반한 스크립트 명령을 사용하여 얻었다.A full-field scattering field source for the input light (λ = 1550 nm) is used to feed the MS from the SiO 2 side. The far-field intensity distributions depicted in Figs. 12 and 13 were obtained using script commands based on the surface equivalence theorem provided by the FDTD simulation tool.

iii) 본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 메타팁 장치(FMT)와 관련된 시뮬레이션의 경우, 사용된 광섬유(모델 SMF-28)의 코어 및 클래딩은 각각 1.449 및 1.444의 굴절률과 8.2 및 125μm의 직경을 가지는 것으로 제조되었다.iii) In the case of simulation related to the fiber optic metatip device (FMT) according to an embodiment of the present invention, the core and cladding of the used optical fiber (model SMF-28) have refractive indices of 1.449 and 1.444 and diameters of 8.2 and 125 μm, respectively. It was made with eggplant.

광섬유의 끝단면과 메타표면 사이의 간격은 석영기판의 두께를 포함하여 460㎛로 고정되었다. 주기적인 경계 조건은 y 축을 따라 적용되는 반면 PML(perfectly matched layer) 경계 조건은 x 축과 z 축을 따라 부과된다.The distance between the end face of the optical fiber and the metasurface was fixed at 460 μm including the thickness of the quartz substrate. Periodic boundary conditions are applied along the y-axis, while perfectly matched layer (PML) boundary conditions are imposed along the x- and z-axes.

도 20은 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 메타팁 장치를 이용한 데이터 전송시스템을 간략한 구조를 도시한 것이다.20 shows a simple structure of a data transmission system using an optical fiber meta tip device according to an embodiment of the present invention.

도 20을 참조하면 본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 메타팁 장치를 이용한 데이터 전송시스템은 입력 광신호를 발생시키는 레이저장치(Laser), 상기 레이저장치로부터 상기 압력 광신호를 전송하는 제1 광섬유, 상기 제1 광섬유와 연결된 제1 광섬유 메타팁 장치(FMT#1), 상기 광섬유 메타팁 장치(FMT#1)와 일정 간격을 가지며, 나노브릭을 포함하는 메타표면이 마주보도록 설치되는 제2 광섬유 메타팁 장치(FMT#2), 상기 제2 광섬유 메타팁 장치(FMT#2)로부터 출력 광신호를 전송하는 제2 광섬유 및 상기 제2 광섬유로부터 전송된 출력 광신호를 받아서 출력 신호를 발생시키는 광수신기(Photoreceiver)를 포함한다.Referring to FIG. 20, a data transmission system using an optical fiber meta tip device according to an embodiment of the present invention includes a laser device generating an input optical signal, a first optical fiber transmitting the pressure optical signal from the laser device, A first fiber optic meta tip device (FMT#1) connected to the first optical fiber, a second fiber optic meta tip device (FMT#1) and the second fiber optic meta tip device (FMT#1) are installed so that the meta surfaces including nano bricks face each other. A tip device (FMT#2), a second optical fiber that transmits an output optical signal from the second fiber meta tip device (FMT#2), and an optical receiver that receives the output optical signal transmitted from the second optical fiber and generates an output signal (Photoreceiver) included.

또한, 데이터 전송시스템은 제1 광섬유 메타팁 장치(FMT#1)와 제2 광섬유 메타팁 장치(FMT#2) 사이에 편광을 제어하는 편광판(polarizer)을 설치하여 데이터 전송을 제어하는 것을 특징으로 한다.In addition, the data transmission system is characterized by controlling data transmission by installing a polarizer for controlling polarization between the first fiber optic meta tip device (FMT # 1) and the second fiber optic meta tip device (FMT # 2) do.

본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 메타팁 장치를 이용한 데이터 전송시스템은 데이터 전송에 대한 on/off 상태가 편광 상태에 의해 제어될 수 있다.In the data transmission system using the fiber optic meta tip device according to an embodiment of the present invention, the on/off state for data transmission can be controlled by the polarization state.

도 21은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 메타팁 장치를 이용한 데이터 전송시스템에 광학펄스를 송신하여 수신된 광신호를 도시한 것이다.21 illustrates an optical signal received by transmitting an optical pulse to a data transmission system using an optical fiber metatip device according to an embodiment of the present invention.

도 21을 참조하면, 입력광 펄스에 대한 응답으로 TM 및 TE 편광에 대해 전송된 출력 광신호를 나타낸다.Referring to FIG. 21, output optical signals transmitted for TM and TE polarizations in response to input optical pulses are shown.

도 21은 레이저장치, 제1 광섬유 메타팁 장치(FMT#1)와 편광판이 결합된 송신부(transmitter)와 제2 광섬유 메타팁 장치(FMT#2), 광수신기(New Focus, 2011-FC-M) 그리고 오실로스코프(Keysight, EDUX1002A)로 구성된 수신부(receiver) 사이의 거리를 10 cm의 거리로 형성하여 측정한 것이다.21 shows a laser device, a first fiber optic meta tip device (FMT#1) and a transmitter combined with a polarizer, a second fiber optic meta tip device (FMT#2), and an optical receiver (New Focus, 2011-FC-M). ) and the receiver composed of an oscilloscope (Keysight, EDUX1002A) was measured by forming a distance of 10 cm.

송신부에서에서 λ = 1550nm에서 일련의 광학 펄스로 공급되어 TE 및 TM 편광 구성 요소가 고르게 분포되도록 전송되었으며, 데이터 전송 상태는 입력되는 광신호의 편광상태를 조정함으로써, 제어될 수 있다.In the transmitter, a series of optical pulses at λ = 1550 nm are supplied and transmitted so that the TE and TM polarization components are evenly distributed, and the data transmission state can be controlled by adjusting the polarization state of the input optical signal.

도 21을 참조하면, TM 편광의 경우 레이저 장치(Laser)에서 발생된 TM 편광의 빔은 제1 광섬유 메타팁 장치(FMT#1)와 제2 광섬유 메타팁 장치(FMT#2)를 통하여 고도로 시준된 빔이 광수신부(Photoreceiver)에 안전하게 엑세스할 수 있으므로 상호 펄스 연결이 "on" 상태가 된다. TEQ 편광의 경우, 레이저 장치(Lazer)에서 발생된 TE 편광의 빔은 제1 광섬유 메타팁 장치(FMT#1)에서 소용돌이빔으로 발산되므로 빔 축에서 강도가 0을 나타낸다. 따라서 TE 편광의 경우 제2 광섬유 메타팁 장치(FMT#2)를 통하여 출력된 빔이 수신부에 도달하지 못하여 상호 연결이 "off" 상태가 된다Referring to FIG. 21, in the case of TM polarization, the TM polarized beam generated by the laser device is highly collimated through the first fiber optic metatip device (FMT#1) and the second fiber optic metatip device (FMT#2) The reciprocal pulse connection is "on" since the beam can safely access the photoreceiver. In the case of TEQ polarization, since the TE-polarized beam generated by the laser device (Lazer) is diverged as a vortex beam from the first fiber optic metatip device (FMT#1), the intensity is 0 along the beam axis. Therefore, in the case of TE polarization, the beam output through the second fiber optic metatip device (FMT#2) does not reach the receiver, and the interconnection becomes "off".

on/off 콘트라스트는 TE 및 TM 편광 케이스에 대해 감지된 광학 파워를 참조하여 제어될 수 있다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 시뮬레이션 결과 달성된 콘트라스트는 약 15dB로써, 광학 상호 연결을 기반으로 한 데이터 전송이 의도 한대로 충분히 편광 선택적(즉, TM 편광은 “on”, TE 편광은 “off”)으로 제어될 수 있음을 알 수 있다.The on/off contrast can be controlled with reference to the sensed optical power for TE and TM polarization cases. The contrast achieved as a result of the simulation according to an embodiment of the present invention is about 15 dB, which means that data transmission based on optical interconnection is sufficiently polarization selective as intended (ie, TM polarization is “on” and TE polarization is “off”). It can be seen that it can be controlled by

또한, 이에 대한 편광 선택적 제어는 편광판에 의해 수행될 수 있다.In addition, polarization selective control for this may be performed by a polarizer.

도 22는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 광섬유 메타팁 장치를 이용한 데이터 전송시스템에 대한 구조를 도시한 것이다.22 shows the structure of a data transmission system using an optical fiber meta tip device according to another embodiment of the present invention.

도 22를 참조하면 본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 메타팁 장치를 이용한 데이터 전송시스템은 입력 광신호를 발생시키는 레이저장치(Laser), 상기 레이저장치로부터 상기 압력 광신호를 전송하는 제1 광섬유, 상기 제1 광섬유와 연결된 전기광학 변조기(electro-optic modulator, EOM)- 상기 전기광학 변조기(EOM)와 연결된 제1 광섬유 메타팁 장치(FMT#1), 상기 광섬유 메타팁 장치(FMT#1)와 일정 간격을 가지며, 나노브릭을 포함하는 메타표면이 마주보도록 설치되는 제2 광섬유 메타팁 장치(FMT#2), 상기 제2 광섬유 메타팁 장치(FMT#2)로부터 출력 광신호를 전송하는 제2 광섬유 및 상기 제2 광섬유로부터 전송된 출력 광신호를 받아서 출력 신호를 발생시키는 광수신기(Photoreceiver)를 포함한다.Referring to FIG. 22, a data transmission system using an optical fiber meta tip device according to an embodiment of the present invention includes a laser device for generating an input optical signal, a first optical fiber for transmitting the pressure optical signal from the laser device, An electro-optic modulator (EOM) connected to the first optical fiber - a first fiber optic meta tip device (FMT#1) connected to the electro-optic modulator (EOM), and the fiber optic meta tip device (FMT#1) A second optical fiber metatip device (FMT#2) having a predetermined interval and installed so that the metasurfaces including the nano bricks face each other, and a second optical fiber metatip device (FMT#2) that transmits an output optical signal. and a photoreceiver receiving an optical fiber and an output optical signal transmitted from the second optical fiber and generating an output signal.

전기광학 변조기(EOM)는 신호발생기(signal generator)와 전기적으로 연결된다.An electro-optical modulator (EOM) is electrically connected to a signal generator.

또한, 상기 전기광학 변조기(EOM)는 편광제어기(polarization controller) 및 광신호를 증폭하는 광섬유 증폭기(Erbium Doped Fiber Amplifier, EDFA)를 더 포함할 수 있다.In addition, the electro-optic modulator (EOM) may further include a polarization controller and an erbium doped fiber amplifier (EDFA) for amplifying an optical signal.

본 발명의 일 실시 예에서는 도 21과 같은 광섬유 메타팁 장치를 이용한 데이터 전송시스템을 이용하여 광학 상호 연결에 대한 실험을 실시하였다.In one embodiment of the present invention, an experiment for optical interconnection was conducted using a data transmission system using an optical fiber metatip device as shown in FIG. 21.

본 발명의 일 실시 예에 따른 시뮬레이션에서는 레이저 장치(laser)로부터 λ = 1550nm의 광빔을 발생시키고, 이를 제1 광섬유를 거쳐서 전기광학 변조기(iXblue, MX-LN-10)에 연결하고 상기 전기광학 변조기(iXblue, MX-LN-10)는 제1 광섬유 메타팁 장치(FMT#1)와 연결된다. 상기 제1 광섬유 메타팁 장치(FMT#1)와 5mm 간격으로 제2 광섬유 메타팁 장치(FMT#2)를 설치한 다음, 상기 제2 광섬유 메타팁 장치(FMT#2)는 제2 광섬유로 광수신기(Photoreceiver)에 연결된다. In the simulation according to an embodiment of the present invention, a light beam of λ = 1550 nm is generated from a laser device, connected to an electro-optical modulator (iXblue, MX-LN-10) through a first optical fiber, and the electro-optical modulator (iXblue, MX-LN-10) is connected to the first optical fiber meta tip device (FMT#1). After installing the second fiber optic meta tip device (FMT#2) at a distance of 5 mm from the first fiber optic meta tip device (FMT#1), the second fiber optic meta tip device (FMT#2) transmits light to the second optical fiber. It is connected to the photoreceiver.

본 발명의 일 실시 예에서는 광신호 분석을 위해 상기 수신부(Receiver)로 digital communication analyzer((Agilent, DAC-J 86100C))를 사용하였다.In one embodiment of the present invention, a digital communication analyzer ((Agilent, DAC-J 86100C)) was used as the receiver for optical signal analysis.

본 발명의 일 실시 예에 따른 시뮬레이션에서 λ = 1550nm의 레이저에서 나온 빛은 무선 주파수 증폭기와 함께 신호 발생기에 의해 구동되는 전기 광학 변조기(EOM)로 변조되고, 제1 광섬유 메타팁 장치(FMT#1)와 제2 광섬유 메타팁 장치(FMT#2)를 통하여 전송된 광신호는 디지털 통신 분석기(DCA)에서 분석된다.In the simulation according to an embodiment of the present invention, light from a laser of λ = 1550 nm is modulated by an electro-optical modulator (EOM) driven by a signal generator together with a radio frequency amplifier, and a first fiber optic metatip device (FMT#1). ) and the optical signal transmitted through the second optical fiber meta tip device (FMT#2) is analyzed in a digital communication analyzer (DCA).

도 22를 참조하면, 상기 신호발생기로 전송 대상 신호를 발생하여 전기광학 변조기(EOM)로 레이저 광신호와 변조하여 데이터를 전송할 수 있다.Referring to FIG. 22, data can be transmitted by generating a signal to be transmitted by the signal generator and modulating it with a laser light signal by an electro-optical modulator (EOM).

또한, 편광제어기에 의해 TE, TM편광에 따른 on/off 제어를 할 수 있다.In addition, on/off control according to TE and TM polarization can be performed by the polarization controller.

도 23은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 광섬유 메타팁 장치를 이용한 데이터 전송시스템에 의한 데이터 전송 속도에 따른 아이패턴(eye pattern)을 도시한 것이다.23 illustrates an eye pattern according to a data transmission rate by a data transmission system using an optical fiber metatip device according to another embodiment of the present invention.

도 23은 광학 상호 연결의 성능을 측정하기 위해 231-1 의사랜덤 비트(pseudorandom bit) 시퀀스 신호가 'on' 상태를 유지하여 제1 광섬유 메타팁 장치(FMT#1)와 제2 광섬유 메타팁 장치(FMT#2)를 통하여 ~5 Gbps의 고속데이터로 전송된 것이다.23 shows the first fiber optic metatip device (FMT# 1) and the second fiber optic metatip by maintaining the 'on' state of the 2 31 -1 pseudorandom bit sequence signal to measure the performance of the optical interconnection. It is transmitted as high-speed data of ~5 Gbps through the device (FMT#2).

도 23을 참조하면, ~ 5Gbps의 데이터 속도에서 명확한 아이(eye) 패턴을 보여 주며 이는 안정적인 데이터 전송을 의미하는 것으로 분석된다Referring to FIG. 23, it shows a clear eye pattern at a data rate of ~ 5 Gbps, which is analyzed to mean stable data transmission.

도 24는 도 23에서 전송된 1 ~ 5Gbps 범위의 데이터 속도에 대해 측정된 소광비(extinction ratios)을 도시한 것이다.FIG. 24 shows measured extinction ratios for data rates in the range of 1 to 5 Gbps transmitted in FIG. 23 .

도 24를 참조하면, 1 ~ 5Gbps 범위의 데이터 속도에 대해 전송된 디지털 신호에 대해 측정된 소강비(extinction ratio)를 보여준다. 출력 광강도를 취할 수 있는 최솟값과 최댓값과의 비인 소광비(extinction ratios)는 1 ~ 5Gbps 범위의 데이터 속도에 대해 10dB 부근인 9 ~11dB에 형성되어 안정적인 데이터 전송으로 분석된다.Referring to FIG. 24, it shows extinction ratios measured for digital signals transmitted for data rates ranging from 1 to 5 Gbps. Extinction ratios, which are the ratio of the minimum and maximum values that can take the output light intensity, are formed at 9 to 11 dB, which is around 10 dB for data rates in the range of 1 to 5 Gbps, and analyzed for stable data transmission.

또한, 광섬유에 통합된 유전체 메타표면(MS)은 앞서 설명한 소용돌이 생성 및 빔 시준 외에 데이터 전송의 다른 두드러진 기능을 더 수용할 수 있다.In addition, a dielectric metasurface (MS) integrated into an optical fiber may further accommodate other salient functions of data transmission besides vortex generation and beam collimation described above.

예를 들어, 컴퓨터 생성 홀로그램 또는 높은 개구수를 나타내는 렌즈에 따라 나노브릭을 배열함으로써 본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 메타팁(FMT)은 광섬유 이미징 또는 광학 트래핑에 적용될 수 있다.For example, a fiber optic metatip (FMT) according to an embodiment of the present invention can be applied to fiber optic imaging or optical trapping by arranging nanobricks according to a computer-generated hologram or a lens exhibiting a high numerical aperture.

그리고 기계 가공, 화학 에칭, 집속 이온빔(FIB) 에칭, 레이저 가공, 자가 조립, 화학/물리 증착 및 재료 전달과 같은 고급 제조 기술을 적용하여 다양한 유형의 광섬유 팁이 제조될 수 있다.And by applying advanced manufacturing techniques such as machining, chemical etching, focused ion beam (FIB) etching, laser machining, self-assembly, chemical/physical deposition, and material transfer, various types of fiber optic tips can be fabricated.

예를 들어, 플라즈 모닉 광섬유 메타팁(FMT)의 경우 focused ion beam(FIB)을 통해 준비된 금속 나노 구조가 섬유 코어 위에 정확하게 위치하여 가혹한 환경에서 작동할 수 있는 나노 프로브를 활성화할 수 있다.For example, in the case of a plasmonic fiber metatip (FMT), a metal nanostructure prepared through a focused ion beam (FIB) can be precisely positioned on a fiber core to activate nanoprobes that can operate in harsh environments.

EBL은 또한, 섬유면에 금속 나노 링 또는 하이브리드 금속 유전체 나노 구조를 직접 생성하는 데 사용되었다.EBL has also been used to directly create metal nanorings or hybrid metal-dielectric nanostructures on fiber faces.

전자 빔 리소그라피(EBL)는 일반적으로 집속 이온빔(FIB) 리소그래피보다 선호된다[44]. 또한, 모든 유전체 MS는 EBL을 통해 대규모 제조가 가능한 것으로 입증되었습니다.Electron beam lithography (EBL) is generally preferred over focused ion beam (FIB) lithography [44]. Additionally, all-dielectric MS has been demonstrated to be amenable to large-scale manufacturing via EBL.

광섬유(fiber) 팁의 직접 쓰기 패터닝과 비교하면, 별도의 분리된 기판에 메타표면을 독립적으로 제작하고 파이버 팁에 테더링(tethering 묶는 것)하는 것이 더 유리하다. 파이버의 크기가 표준화되고 피그 테일링 공정이 잘 확립되어 있다는 점을 고려할 때 본 발명의 일 실시 예에 따른 제조방법은 매우 적합한 형태로 생산될 수 있다.Compared to direct writing patterning of fiber tips, it is more advantageous to fabricate the metasurface independently on a separate substrate and tether it to the fiber tip. Considering that the size of the fiber is standardized and the pigtailing process is well established, the manufacturing method according to an embodiment of the present invention can be produced in a very suitable form.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 제조방법에서는 여러 메타표면(MS)을 광섬유 묶음(bundle)에 동시에 추가함으로써 초소형 풋프린트에서 다중 채널 광학 인터커넥트 또는 fiberscope를 안정적으로 구현할 수 있다.In addition, in the manufacturing method according to an embodiment of the present invention, a multi-channel optical interconnect or fiberscope can be stably implemented in a subminiature footprint by simultaneously adding several metasurfaces (MS) to an optical fiber bundle.

본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 메타팁 장치는 저손실 나노브릭에 의해 가능해진 편광 맞춤형 전파 위상 변조로 인해, 소용돌이 생성 및 빔 시준을 포함한 매우 효율적인 이중 기능 공간 광 조작이 1550nm 파장의 통신 대역에서 광통신에 효과적으로 적용될 수 있다.The fiber optic metatip device according to an embodiment of the present invention, due to the polarization-tailored propagation phase modulation enabled by the low-loss nanobrick, highly efficient dual-function spatial light manipulation, including vortex generation and beam collimation, is suitable for optical communication in the communication band of 1550 nm wavelength. can be applied effectively.

또한 한 쌍의 광섬유 메타팁 장치를 배치하여 편광 선택형 광 상호 연결을 구성하여 5Gbps의 고속 데이터 전송을 위한 만족스러운 온 / 오프 대비 및 소멸 비율을 제공할 수 있다.Additionally, a pair of fiber optic metatip devices can be deployed to form a polarization-selective optical interconnect, providing satisfactory on/off contrast and extinction ratios for high-speed data transmission of 5 Gbps.

본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 메타팁(FMT) 장치는 광섬유 상의 유전체 메타표면(MS)에 대한 구현에 의해 광섬유 기술과 새로운 평면광학 및 포토닉스 분야 사이에 유망한 가교 역할을 하여 고집적 소형 포토닉스 개발을 위한 방향을 제시할 수 있다.A fiber optic metatip (FMT) device according to an embodiment of the present invention serves as a promising bridge between fiber optic technology and new planar optics and photonics fields by implementing a dielectric metasurface (MS) on an optical fiber, thereby enabling the development of highly integrated miniaturized photonics. direction can be given.

도 25는 본 발명의 일 실시 에에 따른 광섬유 메타팁 장치에서 유전체 메타표면의 제조 과정을 도시한 것이다.25 illustrates a manufacturing process of a dielectric metasurface in an optical fiber metatip device according to an embodiment of the present invention.

도 25를 참조하면, 먼저 기판 준비단계가 수행된다. 본 발명의 일 실시 예에서는 430㎛ 두께의

Figure pat00035
2cm2의 면적을 가진 석영(이산화 규소, SiO2)이 준비된다. 준비단계에서 기판은 석영 기판과 a-Si: H 층 사이의 접착을 촉진하기 위해 먼저 아세톤/ 이소 프로필 알코올 /탈 이온수로 세척하는 과정을 포함한다.Referring to FIG. 25, first, a substrate preparation step is performed. In one embodiment of the present invention, the thickness of 430㎛
Figure pat00035
Quartz (silicon dioxide, SiO 2 ) with an area of 2 cm 2 is prepared. In the preparation step, the substrate is first cleaned with acetone/isopropyl alcohol/deionized water to promote adhesion between the quartz substrate and the a-Si:H layer.

다음은 플라즈마 강화 화학기상 증착(PECVD) 방법에 의한 상기 석영 기판 전면부 및 후면부에 수소화 비정질 실리콘(a-Si: H)층을 증착하는 단계(PECVD)가 수행된다. PECVD 단계에서는 900nm 두께의 a-Si: H 필름층이 최적의 조건에서 플라즈마 강화 화학 기상 증착(Oxford의 PlasmaLab 100)을 사용하여 석영기판 면에 a-Si: H 층이 증착된다. PECVD 단계 후에 전면부 a-Si: H층 상부에 전자빔 레지스트(Zeon Chemicals의 ZEP520A)를 스핀 코팅하여 제1 레지스트층을 형성하는 스핀코팅 단계(Spin coating 단계)가 수행된다. 본 발명의 일 실시 예에서는 전자빔 (e-beam) 레지스트 (Zeon Chemicals의 ZEP520A)를 a-Si : H 층에 스핀 코팅 한 다음, EBL 공정중의 충전되는 것을 방지하기 위해 e-spacer의 얇은 층 (Showa Denko의 300Z)을 구축하는 공정이 더 포함된다. Next, a step (PECVD) of depositing a hydrogenated amorphous silicon (a-Si: H) layer on the front and rear surfaces of the quartz substrate by a plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) method is performed. In the PECVD step, a 900 nm thick a-Si:H film layer is deposited on the quartz substrate side using plasma-enhanced chemical vapor deposition (PlasmaLab 100, Oxford) under optimal conditions. After the PECVD step, a spin coating step (Spin coating step) of forming a first resist layer by spin-coating an electron beam resist (ZEP520A from Zeon Chemicals) on the front surface a-Si:H layer is performed. In one embodiment of the present invention, an electron beam (e-beam) resist (ZEP520A from Zeon Chemicals) is spin-coated on the a-Si:H layer, and then a thin layer of e-spacer ( The process of building Showa Denko's 300Z) is further included.

Spin coating 단계 후에 상기 제1 레지스트층에 대해 전자 빔 리소그라피(EBL, Electron Beam Lithography) 공정을 통하여 기판 전면부에 설정된 메타표면 패턴에 대응하는 제1 레지스트 패턴층을 형성하는 단계(전자빔 리소그라피(EBL 단계))가 수행된다. Forming a first resist pattern layer corresponding to the metasurface pattern set on the front surface of the substrate through an electron beam lithography (EBL) process on the first resist layer after the spin coating step (electron beam lithography (EBL step) )) is performed.

EBL 단계에서 메타표면 패턴과 정렬 마크는 후속 현상(ZED-N50)과 함께 e- 빔 리소그래피 (Raith150 EBL)를 통해 제1 레지스트층에 기록된다. In the EBL step, the metasurface pattern and alignment marks are written to the first resist layer via e-beam lithography (Raith150 EBL) with subsequent development (ZED-N50).

다음은 오목홈부가 포함된 상기 제1레지스트 패턴층 상부면에 hard mask를 형성하기 위한 Al deposition이 수행된다. Hard mask로서 사용되는 60 nm 두께의 Al 층은 전자빔 증발에 의해 레지스트가 현상된 부분에 증착된다.Next, Al deposition is performed to form a hard mask on the upper surface of the first resist pattern layer including the concave groove. A 60 nm thick Al layer used as a hard mask is deposited on the resist developed area by electron beam evaporation.

다음은 상기 lift-off 용매(Zeon Co.의 ZDMAC)에 의해 기판 상부에 돌출된 제1 레지스트 패턴층을 모두 들어올려 제거하고, 상기 오목홈부에 남아있는 Al 층으로 전면부를 패턴화하는 lift-off 단계(Lift-off 단계)가 수행된다.Next, the first resist pattern layer protruding from the top of the substrate is lifted and removed by the lift-off solvent (ZDMAC of Zeon Co.), and the front surface is patterned with the Al layer remaining in the concave groove. Lift-off step (lift-off step) is performed.

lift-off 단계 이후에 패턴화된 Al층을 하드 마스크로 사용하여 설계된 전면부 메타표면 패턴으로 전면부 a-Si: H층을 에칭하는 에칭단계(Etching 단계)가 수행된다. Etching 단계에서는 패턴화된 Al이 건식 에칭 중에 하드 마스크로 활용되어, 설계된 패턴을 불소 기반 유도 결합 플라즈마 반응성 이온 에칭 (Oxford Plasmalab System 100)을 통해 기본 a-Si: H 층으로 전달한다. 예를 들면, 단계에서는 설계된 패턴을 불소 기반 유도 결합 플라즈마 반응성 이온 에칭(Oxford PlasmaLab System 100)을 통해 a-Si: H층을 에칭하여 패턴화된 전면부 a-Si: H층을 형성한다.After the lift-off step, an etching step (Etching step) of etching the front-side a-Si:H layer with the front-side metasurface pattern designed using the patterned Al layer as a hard mask is performed. In the etching step, the patterned Al is utilized as a hard mask during dry etching to transfer the designed pattern to the underlying a-Si:H layer via fluorine-based inductively coupled plasma reactive ion etching (Oxford Plasmalab System 100). For example, in the step, the a-Si:H layer is etched with the designed pattern through fluorine-based inductively coupled plasma reactive ion etching (Oxford PlasmaLab System 100) to form a patterned front a-Si:H layer.

에칭 조건은 a-Si: H 나노브릭에 대한 수직 측면 프로파일을 보장하도록 최적화된다.Etching conditions are optimized to ensure a vertical side profile for the a-Si:H nanobrick.

다음은 습식 에칭을 수행하여 a-Si: H층의 종단에 남아있는 하드 마스크로 사용된 패턴화된 AL층을 제거하여 메타표면을 형성하는 Al 제거단계(Al removing 단계)가 수행된다.Next, an Al removing step (Al removing step) of forming a metasurface by performing wet etching to remove the patterned AL layer used as a hard mask remaining at the end of the a-Si:H layer is performed.

위와 같은 공정으로 기판에 나노브릭이 형성된 메타표면이 제조되면, 이후 광섬유를 부착하는 광섬유 부착 공정이 수행된다.After the metasurface on which the nanobricks are formed is manufactured by the above process, an optical fiber attachment process for attaching an optical fiber is performed.

광섬유 부착공정은 먼저, 광섬유 끝단부에 파이버블록을 장착하는 단계가 수행된다.In the optical fiber attachment process, first, a step of mounting a fiber block to an end of an optical fiber is performed.

다음은, 완성된 평면 메타표면(MS)을 비전 시스템(vision system)을 이용하여 파이버블록이 장착된 광섬유(SMF)에 정확하게 정렬시킨다. 본 발명의 일 실시 예에서 광섬유(SMF)는 50cm 길이로 준비되었다.Next, the completed planar metasurface (MS) is accurately aligned with the fiber block-mounted optical fiber (SMF) using a vision system. In one embodiment of the present invention, the optical fiber (SMF) was prepared in a length of 50 cm.

완성된 메타표면은 홀더를 사용하여 단단히 고정한 다음, 상기 광섬유를 감싸는 파이버 블록(길이: 3.3mm, 너비: 10.5mm 및 높이: 2.0mm)을 동력변환 스테이지(motorized translation stage) 위에 진공 마운트에 의해 정위치에 고정시켜서 정렬하는 단계가 수행된다. 정렬하는 단계에서는 메타표면(MS) 기판 후면부의 중심을 파이버 블록을 장착한 광섬유 끝단과 일치하도록 정렬된다.The completed metasurface is firmly fixed using a holder, and then a fiber block (length: 3.3mm, width: 10.5mm, and height: 2.0mm) surrounding the optical fiber is fixed by vacuum mounting on a motorized translation stage. A step of fixing in position and aligning is performed. In the aligning step, the center of the rear surface of the metasurface (MS) board is aligned to coincide with the end of the optical fiber to which the fiber block is mounted.

그리고 마지막으로

Figure pat00036
2cm2의 풋프린트의 메타표면을 UV 경화형 에폭시로 파이버블록에 접착하여 완성시킨다. 에폭시 두께는 30㎛이다.And lastly
Figure pat00036
The metasurface of the 2cm 2 footprint is completed by bonding to the fiber block with UV curing epoxy. The epoxy thickness is 30 μm.

완성된 광섬유 메타팁 장치에서 광섬유 끝 면과 나노브릭 사이의 간격은 석영 기판의 높이와 에폭시 두께를 포함하여 460㎛로 형성된다.In the completed optical fiber metatip device, the distance between the end surface of the optical fiber and the nanobricks is 460 μm, including the height of the quartz substrate and the thickness of the epoxy.

10: 광섬유 메타팁 장치
110: 광섬유
120: 파이버 블럭
200: 메타표면
250: 유닛셀
10: fiber optic metatip device
110: optical fiber
120: fiber block
200: metasurface
250: unit cell

Claims (14)

유전체 메타표면 기반의 광섬유 메타팁 장치에 있어서,
상기 광섬유 메타칩 장치는
나노브릭 유닛셀들의 조합으로 형성되되, 일측면이 나노브릭 유닛셀들의 기판으로 형성되고, 타측면이 나노브릭 유닛셀들의 나노브릭으로 형성된 메타표면;
상기 메타표면의 일측면의 중심에 접속되며, 입력 또는 출력 광신호가 전송되는 광섬유;
상기 광섬유의 끝단부에서 상기 광섬유의 끝단부를 둘러싸며, 상기 광섬유와 함께 상기 메타표면의 일측면에 접속되며, 상기 메타표면과의 접속상태를 유지시키는 파이버 블록을 포함하는 것을 특징으로 하되,
상기 기판은 이산화규소(SiO2)로 형성되고, 상기 나노브릭은 수소화 비정질 실리콘(a-Si:H)로 형성된 것을 특징으로 하는 광섬유 메타칩 장치.
In the dielectric metasurface-based optical fiber metatip device,
The optical fiber metachip device
A metasurface formed by a combination of nano-brick unit cells, one side of which is formed of a substrate of nano-brick unit cells, and the other side of which is formed of nano-brick of nano-brick unit cells;
an optical fiber connected to the center of one side of the metasurface and transmitting an input or output optical signal;
A fiber block surrounding the end of the optical fiber at the end of the optical fiber, connected to one side of the metasurface together with the optical fiber, and maintaining a connection state with the metasurface,
The optical fiber metachip device, characterized in that the substrate is formed of silicon dioxide (SiO 2 ), and the nanobrick is formed of hydrogenated amorphous silicon (a-Si: H).
제1항에 있어서,
상기 광섬유 메타칩 장치는 상기 광섬유로 입력되는 광신호의 TE 편광(E-) 또는 TM 편광(H-)에 따라 소용돌이빔 또는 시준빔으로 출력되는 것을 특징으로 하는 광섬유 메타칩 장치.
According to claim 1,
The fiber optic metachip device is characterized in that the optical fiber metachip device is output as a vortex beam or a collimated beam according to the TE polarization (E-) or TM polarization (H-) of the optical signal input to the optical fiber.
제2항에 있어서,
상기 메타표면의 나노브릭 유닛셀의 TE편광(E-) 또는 TM 편광(H-)에 대한 위상 프로파일(profile)은 다음 식으로 산출되는 것을 특징으로 하는 광섬유 메타칩 장치.
Figure pat00037

Figure pat00038

여기서 (x, y)는 메타표면(MS)의 중심에 대한 각 유닛셀의 중심에 해당하는 좌표(중심좌표x0, y0일때, x=x0-x1, y= x0-x1)를 나타내고
Figure pat00039
Figure pat00040
은 각각 TE 및 TM에 대한 초점 거리이고, n은 주변 매체의 굴절률이며
Figure pat00041
은 소용돌이의 위상 전하를 의미하는 것임.
According to claim 2,
The optical fiber metachip device, characterized in that the phase profile for TE polarization (E-) or TM polarization (H-) of the nanobrick unit cell of the metasurface is calculated by the following equation.
Figure pat00037

Figure pat00038

Where (x, y) is the coordinates corresponding to the center of each unit cell relative to the center of the metasurface (MS) (when the center coordinates x 0 , y 0 , x=x 0 -x 1 , y= x 0 -x 1 ) and
Figure pat00039
and
Figure pat00040
are the focal lengths for TE and TM respectively, n is the refractive index of the surrounding medium and
Figure pat00041
represents the topological charge of the vortex.
제3항에 있어서,
상기 나노브릭 유닛셀의 나노브릭은 막대기둥 형으로 형성되며,
높이는 900nm, 상기 나노브릭 유닛셀은 700mm의 정사각형으로 형성되며,
상기 나노브릭의 가로 및 세로 길이는 150 ~ 600 nm 범위에서, 상기 메타표면의 위치에 따른 위상 프로파일에 따라 설정되는 것을 특징으로 하는 광섬유 메타칩 장치.
According to claim 3,
The nano-brick of the nano-brick unit cell is formed in a bar shape,
The height is 900 nm, the nanobrick unit cell is formed in a square of 700 mm,
The optical fiber metachip device, characterized in that the horizontal and vertical lengths of the nanobricks are set according to the phase profile according to the position of the metasurface in the range of 150 to 600 nm.
제4항에 있어서
상기 광섬유 메타칩 장치는
상기 입력 광신호에 대해 상기 메타표면 상에서 위상 편이(
Figure pat00042
)각을 0 ~ 2π 범위로 변화하도록 제어하고, 입사광에 대한 전송 진폭(ATE, ATM) 비를 0 ~1범위로 제어하는 것을 특징으로 하는 광섬유 메타칩 장치.
According to claim 4
The optical fiber metachip device
Phase shift on the metasurface for the input optical signal (
Figure pat00042
) Angle is controlled to vary in the range of 0 to 2π, and the transmission amplitude (A TE, A TM ) ratio for incident light is controlled in the range of 0 to 1.
제4항에 있어서,
상기 광섬유 메타칩 장치는,
파장 λ= 1550nm의 광신호가 입력될 때,
TE 편광(E-)에 대하여는 소용돌이빔이 출력되고,
TM 편광(H-)에 대하여는 시준빔으로 출력되는 것을 특징으로 하는 광섬유 메타칩 장치.
According to claim 4,
The optical fiber metachip device,
When an optical signal of wavelength λ = 1550 nm is input,
For TE polarization (E-), a vortex beam is output,
An optical fiber metachip device characterized in that output as a collimated beam for TM polarization (H-).
제4항에 있어서,
상기 광섬유 메타칩 장치는
상기 광섬유가 상기 메타표면의 일측면에 접속되는 것은 에폭시에 의해 접착하는 것을 특징으로 하며,
상기 나노브릭 유닛셀의 기판 두께는 430㎛이고, 상기 에폭시의 접착 두께는 30㎛인 것을 특징으로 하는 광섬유 메타칩 장치.
According to claim 4,
The optical fiber metachip device
Connecting the optical fiber to one side of the metasurface is characterized in that it is bonded by epoxy,
The optical fiber metachip device, characterized in that the substrate thickness of the nano-brick unit cell is 430㎛, and the adhesive thickness of the epoxy is 30㎛.
제7항에 있어서,
상기 광섬유 메타칩 장치는
파장 λ= 1550nm의 광신호가 입력될 때,
전송효율은 57%인 것을 특징으로 하는 메타팁 장치
According to claim 7,
The optical fiber metachip device
When an optical signal of wavelength λ = 1550 nm is input,
Meta tip device characterized in that the transfer efficiency is 57%
유전체 메타표면 기반의 광섬유 메타팁 장치를 이용한 데이터 전송시스템에 있어서,
상기 데이터 전송시스템은,
입력 광신호를 발생시키는 레이저장치;
상기 레이저장치로부터 상기 압력 광신호를 전송하는 제1 광섬유;
상기 제1 광섬유와 접속된 제1 광섬유 메타팁 장치;
상기 제1광섬유 메타팁 장치와 일정 간격을 가지며, 나노브릭을 포함하는 메타표면이 마주 보도록 설치되는 제2 광섬유 메타팁 장치; 및
상기 제2 광섬유 메타팁 장치로부터 출력 광신호를 전송하는 제2 광섬유 및 상기 제2 광섬유로부터 전송된 출력 광신호를 받아서 출력 신호를 발생시키는 광수신기; 를 포함하되,
상기 제1광섬유 메타칩 장치는,
나노브릭 유닛셀들의 조합으로 형성되되, 일측면이 나노브릭 유닛셀들의 기판으로 형성되고, 타측면이 나노브릭 유닛셀들의 나노브릭으로 형성된 메타표면; 및 상기 제1광섬유의 끝단부에서 상기 제1광섬유의 끝단부를 둘러싸며, 상기 메타표면과의 접속상태를 유지시키는 파이버 블록을 포함하는 것을 특징으로 하며,
상기 기판은 이산화규소(SiO2)로 형성되고, 상기 나노브릭은 수소화 비정질 실리콘(a-Si:H)로 형성된 것을 특징으로 하는 데이터 전송시스템.
In a data transmission system using an optical fiber metatip device based on a dielectric metasurface,
The data transmission system,
a laser device generating an input optical signal;
a first optical fiber transmitting the pressure optical signal from the laser device;
A first optical fiber meta tip device connected to the first optical fiber;
a second fiber optic meta tip device having a predetermined distance from the first fiber optic meta tip device and installed so that the meta surface including the nano brick faces each other; and
a second optical fiber transmitting an output optical signal from the second optical fiber meta tip device and an optical receiver receiving an output optical signal transmitted from the second optical fiber and generating an output signal; Including,
The first optical fiber metachip device,
A metasurface formed by a combination of nano-brick unit cells, one side of which is formed of a substrate of nano-brick unit cells, and the other side of which is formed of nano-brick of nano-brick unit cells; and a fiber block surrounding the end of the first optical fiber at the end of the first optical fiber and maintaining a connection state with the metasurface,
The data transmission system, characterized in that the substrate is formed of silicon dioxide (SiO 2 ), and the nano-brick is formed of hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H).
제9항에 있어서,
상기 제1 광섬유 메타팁 장치와 제2 광섬유 메타팁 장치 사이에 편광을 제어하는 편광판(Polarizer)를 더 포함하며,,
상기 편광판(Polarizer)의 편광 제어에 따라 데이터 전송의 on/off를 제어하는 것을 특징으로 하는 데이터 전송시스템.
According to claim 9,
Further comprising a polarizer for controlling polarization between the first fiber optic meta tip device and the second fiber optic meta tip device,
A data transmission system characterized in that on / off of data transmission is controlled according to the polarization control of the polarizer.
제9항에 있어서,
상기 데이터 전송시스템은,
상기 입력 광신호의 TM 편광에 대하여는 "on" 신호가 전송이 되고,
상기 입력 광신호의 TM 편광에 대하여는 "off" 신호가 전송이 되는 것을 특징으로 하는 데이터 전송시스템.
According to claim 9,
The data transmission system,
An “on” signal is transmitted for the TM polarization of the input optical signal,
A data transmission system characterized in that an “off” signal is transmitted for the TM polarization of the input optical signal.
제9항에 있어서,
상기 데이터 전송시스템은
상기 레이저장치 및 제1 광섬유 메타팁 장치에 편광제어기(polarization controller) 및 신호발생기(signal generator)와 전기적으로 연결된 전기광학 변조기를 포함하며,
상기 신호발생기에 의해 상기 레이저장치에서 발생하는 광신호와 변조하여 데이터를 전송하며,
상기 편광제어기(polarization controller)에 의해 TE, TM편광에 따른 on/off 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 데이터 전송시스템.
According to claim 9,
The data transmission system
An electro-optical modulator electrically connected to a polarization controller and a signal generator to the laser device and the first fiber optic metatip device,
Transmitting data by modulating an optical signal generated from the laser device by the signal generator,
A data transmission system characterized in that on / off control is performed according to TE and TM polarization by the polarization controller.
제9항에 있어서,
상기 데이터 전송시스템은
1 ~ 5Gbps 범위의 데이터 속도에 대한 소광비(extinction ratios)는 9 ~ 11dB인 것을 특징으로 하는 데이터 전송시스템.
According to claim 9,
The data transmission system
A data transmission system characterized in that extinction ratios for data rates in the range of 1 to 5 Gbps are 9 to 11 dB.
광섬유 메타칩 장치의 제조방법에 있어서,
상기 제조방법은,
a) SiO2 재질의 기판 준비단계;
b) 플라즈마 강화 화학기상 증착(PECVD) 방법에 의해 상기 기판의 전면부에 수소화 비정질 실리콘층을 증착하는 단계;
c) 상기 수소화 비정질 실리콘층 상부에 제1 레지스트층을 형성하는 제1차 스핀코팅 단계;
d) 상기 제1 레지스트층에 대해 전자 빔 리소그라피 공정을 통하여 설정된 메타표면 패턴에 대응하는 제1 레지스트 패턴층을 형성하는 단계;
e) 상기 제1레지스트 패턴층 상부면 및 오목홈부에 Al을 증착시켜서 Al층을 형성하는 단계;
f) lift-off 용매를 사용하여 상기 기판 상부에 돌출된 제1 레지스트 패턴층을 모두 들어올려 제거하고, 상기 오목홈부에 남아 있는 Al층으로 상기 기판의 전면부를 패턴화된 Al층으로 형성하는 단계;
g) 상기 패턴화된 Al층을 하드 마스크로 사용하여 상기 기판의 전면부에 상기 설정된 메타표면 패턴으로 수소화 비정질 실리콘층을 에칭하는 단계;
h) 상기 에칭하는 단계 이후에 전면부 수소화 비정질 실리콘층의 종단에 남아 있는 패턴화된 Al층을 제거하여 메타표면을 형성하는 단계;
i) 광섬유 끝단부에 파이버블록을 장착하는 단계; 및
j) 상기 형성된 메타표면 기판의 중심을 파이버 블록을 장착한 광섬유 끝단과 일치하도록 정렬한 후, UV 경화형 에폭시로 상기 메타표면 기판과 상기 파이버 블록을 접착하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 메타칩 장치의 제조방법.
In the manufacturing method of the optical fiber metachip device,
The manufacturing method,
a) preparing a substrate of SiO 2 material;
b) depositing a hydrogenated amorphous silicon layer on the front surface of the substrate by a plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) method;
c) a first spin coating step of forming a first resist layer on the hydrogenated amorphous silicon layer;
d) forming a first resist pattern layer corresponding to a metasurface pattern established on the first resist layer through an electron beam lithography process;
e) forming an Al layer by depositing Al on the top surface of the first resist pattern layer and on the concave groove;
f) lifting and removing all of the first resist pattern layer protruding from the top of the substrate using a lift-off solvent, and forming a patterned Al layer on the front surface of the substrate with the Al layer remaining in the concave groove portion; ;
g) etching a hydrogenated amorphous silicon layer on the front surface of the substrate with the set metasurface pattern using the patterned Al layer as a hard mask;
h) forming a metasurface by removing the patterned Al layer remaining at the end of the hydrogenated amorphous silicon layer on the front surface after the etching step;
i) mounting a fiber block on an end of an optical fiber; and
j) aligning the center of the formed metasurface substrate to coincide with the end of the optical fiber to which the fiber block is mounted, and bonding the metasurface substrate and the fiber block with UV curable epoxy; Method of manufacturing a fiber optic metachip device comprising a.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102143535B1 (en) 2019-05-29 2020-08-11 광운대학교 산학협력단 bifunctional dielectric metasurface element enabling polarization-tuned focusing or deflection

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Khant Minn, Ho Wai Howard Lee, and Zhenrong Zhang, "Enhanced subwavelength coupling and nano-focusing with optical fiber-plasmonic hybrid probe: erratum," Opt. Express 28, 21855-21855 (2020).

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116449490A (en) * 2023-06-19 2023-07-18 南昌大学 Preparation method of three-dimensional light quantum chip module and three-dimensional light quantum chip module
CN116449490B (en) * 2023-06-19 2023-09-05 南昌大学 Preparation method of three-dimensional light quantum chip module and three-dimensional light quantum chip module

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