KR20230049514A - Metaoptics and electric device including the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 개시는 메타 광학 소자 및 이를 포함하는 전자 장치에 관한 것이다.The present disclosure relates to a meta-optical device and an electronic device including the same.
메타표면은 파장보다 작은 임의의 크기 및 모양으로 패터닝된 인공적인 메타구조를 포함한다. 메타표면에 포함된 각 메타구조는 메타표면에 인가된 전자기파 또는 음파에 대한 응답으로 소정의 특성을 나타낸다. 메타표면은 광의 반사위상 또는 투과위상을 변조할 수 있어, 광 변조기로 사용될 수 있다.Metasurfaces include artificial metastructures patterned into arbitrary sizes and shapes smaller than the wavelength. Each metastructure included in the metasurface exhibits predetermined characteristics in response to electromagnetic waves or sound waves applied to the metasurface. The metasurface can modulate the reflection phase or the transmission phase of light, so it can be used as an optical modulator.
종래에는, 위상변조 어레이를 구성하기 위해, 광학적 손실이 큰 굴절률 변조 물질을 사용하고 있으며, 종래 기술의 구조 특성 상 흡수에 의한 손실(absorption loss)이 크다는 단점이 있다. 이에 따라, Q 인자(Q-factor)가 낮아 효율적인 변조가 어려운 문제가 있다.In the prior art, refractive index modulation materials having high optical loss are used to construct the phase modulation array, and there is a disadvantage in that absorption loss is large due to the structural characteristics of the prior art. Accordingly, there is a problem in that efficient modulation is difficult due to a low Q-factor.
종래 기술 중 하나로, 금속 안테나 사이에 상변이 물질 중 하나인 이산화바나듐(VO2)을 상변이물질로 이용하여, 금(Au) 안테나에 전류를 인가하여 VO2의 상을 변화시키고, 이를 이용해 위상을 변조하였다. 다만, 종래 기술은 금속 반사판을 이용하기 때문에, 광 흡수(optical absorption)이 많이 일어나게 되고, 그 결과 공진기의 Q 인자가 낮아지게 된다. 예를 들어, Q 인자(공진파장/반측폭(full width at half-maximum, FWHM))은 약 5 내지 20의 범위를 가질 수 있다. 종래 기술은 Q 인자가 작은 문제뿐만 아니라, 공진 파장에서 최대 변조 위상도 180도 정도로 작은 범위를 갖는 문제가 있다.As one of the prior art, vanadium dioxide (VO 2 ), which is one of the phase change materials between metal antennas, is used as a phase change material, and a current is applied to a gold (Au) antenna to change the phase of VO 2 , and the phase is changed using this. falsified. However, since the prior art uses a metal reflector, a lot of optical absorption occurs, and as a result, the Q factor of the resonator is lowered. For example, the Q factor (resonant wavelength/full width at half-maximum (FWHM)) may range from about 5 to about 20. In the prior art, there is a problem in that the Q factor is small, and the maximum modulation phase at the resonance wavelength also has a small range of about 180 degrees.
예시적인 실시예에 따른 메타 광학 소자는 비기계식으로 광을 변조하는 것으로, 우수한 성능을 가지는 메타 광학 소자를 제공해줄 수 있다.A meta-optical element according to an exemplary embodiment modulates light non-mechanically, and may provide a meta-optical element having excellent performance.
예시적인 실시예에 따른 메타 광학 소자 제조방법은 능동 소자를 포함하는 메타 광학 소자를 제조하는 방법을 제공해줄 수 있다.A method of manufacturing a meta-optical device according to an exemplary embodiment may provide a method of manufacturing a meta-optical device including an active device.
예시적인 실시예에 따른 메타 광학 소자는 제1 면 및 제1 면과 마주하는 제2 면을 포함하는 도파관층 및 도파관층 상에 배치되며, 2차원 물질을 포함하는 격자(grating), 격자 하부에 배치된 제1 전극, 격자 상부에 배치된 유전체층 및 유전체층 상에 배치된 제2 전극을 각각 포함하는 복수 개의 메타유닛을 포함할 수 있으며, 제1 전극 및 제2 전극에 전압을 인가되면 격자의 유전율이 변하고, 입사되는 광에 대한 반사율이 변할 수 있다.A meta-optical element according to an exemplary embodiment is disposed on a waveguide layer including a first surface and a second surface facing the first surface, and a grating including a two-dimensional material, and a grating below the grating. It may include a plurality of meta units each including a disposed first electrode, a dielectric layer disposed on the lattice, and a second electrode disposed on the dielectric layer, and when a voltage is applied to the first electrode and the second electrode, the dielectric constant of the lattice This changes, and the reflectance for the incident light may change.
그리고, 격자의 유전율의 변화는 격자의 엑시톤 밀도(exciton density)의 변화에 기인하며, 전압은 격자의 엑시톤 공진(exciton resonance)을 발생시키는 크기를 가질 수 있다.In addition, the change in the permittivity of the lattice is due to the change in the exciton density of the lattice, and the voltage may have a magnitude that generates exciton resonance of the lattice.
또한, 복수 개의 메타유닛 각각에 포함된 격자는 제1 방향으로 이격되어 배치되며, 도파관층은 격자에 의해 회절된 광이 제1 면과 제2 면 사이에서 반사되어 격자가 배열된 제1 방향을 향해 가이디드 모드 공진(guided mode resonance)하도록 구성될 수 있다.In addition, the gratings included in each of the plurality of meta units are disposed apart from each other in a first direction, and the waveguide layer reflects light diffracted by the grating between the first and second surfaces to change the first direction in which the gratings are arranged. It can be configured to guide the mode resonance (guided mode resonance) towards.
그리고, 복수 개의 메타유닛은 제1 방향 및 제1 방향과 수직인 제2 방향으로 배열될 수 있다.Also, the plurality of meta units may be arranged in a first direction and a second direction perpendicular to the first direction.
또는, 광은 격자가 포함하는 물질의 엑시톤(exciton) 흡수 파장이면서 가이디드 모드 공진 파장인 제1 파장의 광을 포함하며, 격자의 주기는 제1 파장 보다 작아 고차 모드 회절(high order diffraction)이 차단될 수 있다.Alternatively, the light includes light of a first wavelength that is an exciton absorption wavelength of a material included in the grating and is a bonded mode resonance wavelength, and the period of the grating is smaller than the first wavelength so that high order mode diffraction (high order diffraction) may be blocked.
그리고, 제1 파장보다 큰 제2 파장의 광이 입사하면, 가이디드 모드 공진 파장이 블루 시프트(blue-shift)되며, 제1 파장보다 작은 제3 파장의 광이 입사하면, 가이디드 모드 공진 파장이 레드 시프트(red-shift)될 수 있다.And, when the light of the second wavelength greater than the first wavelength is incident, the bonded mode resonance wavelength is blue-shifted (blue-shift), and when the light of the third wavelength smaller than the first wavelength is incident, the bonded mode resonance wavelength may be red-shifted.
또한, 격자는 그래핀, 전이 금속 디칼코게나이드(Transition Metal Dichalcogenide, TMDc), 2차원 반도체 물질 중 적어도 하나를 포함하며, 광의 파장은 10 nm 내지 3000 μm일 수 있다.In addition, the lattice includes at least one of graphene, transition metal dichalcogenide (TMDc), and a two-dimensional semiconductor material, and the wavelength of light may be 10 nm to 3000 μm.
예를 들어, 격자는 이황화텅스텐(WS2)을 포함하며, 광의 파장은 600 nm 내지 630 nm일 수 있다.For example, the grating includes tungsten disulfide (WS 2 ), and the wavelength of light may be 600 nm to 630 nm.
그리고, 복수 개의 메타유닛 각각은 복수 개의 메타유닛 각각이 포함하는 제1 전극 및 제2 전극을 통해 독립적으로 전압이 인가될 수 있다.Voltage may be independently applied to each of the plurality of meta units through the first electrode and the second electrode included in each of the plurality of meta units.
또한, 광에 대한 반사율 또는 투과율 중 적어도 하나는 전압을 인가한 경우와 전압을 인가하지 않은 경우가 20% 이상 차이를 가질 수 있다.In addition, at least one of light reflectance and transmittance may have a difference of 20% or more between the case where voltage is applied and the case where voltage is not applied.
그리고, 메타 광학 소자는 100 이상의 Q 인자(Q-factor)를 가질 수 있다.Also, the meta-optical element may have a Q-factor of 100 or more.
예를 들어, 제1 전극 또는 제2 전극은 인듐 주석 산화물(ITO), 알루미늄 아연 산화물(AZO), 인듐 아연 산화물(IZO), 또는 인듐 갈륨 아연 산화물(IGZO) 중 적어도 하나를 포함하며, 도파관층은 산화실리콘(SiO2), 산화하프늄(HfO2), 산화타이타늄(TiO2) 또는 산화알루미늄(Al2O3) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.For example, the first electrode or the second electrode includes at least one of indium tin oxide (ITO), aluminum zinc oxide (AZO), indium zinc oxide (IZO), or indium gallium zinc oxide (IGZO), and the waveguide layer Silver may include at least one of silicon oxide (SiO 2 ), hafnium oxide (HfO 2 ), titanium oxide (TiO 2 ), or aluminum oxide (Al 2 O 3 ).
또한, 복수 개의 메타유닛 중 일 메타유닛이 포함하는 제2 전극은 일 메타유닛이 포함하는 격자의 상부면 및 측면을 감싸며, 도파관층을 따라 연장될 수 있다.In addition, the second electrode included in one meta-unit among the plurality of meta-units surrounds the upper and side surfaces of the lattice included in the meta-unit and may extend along the waveguide layer.
그리고, 도파관층은 슬랩(slab), 릿지(ridge), 채널(channel), 스트립로드(strip-loaded), 배리드(buried), 또는 광결정(photonic crystal) 중 적어도 하나의 형태일 수 있다.And, the waveguide layer may have at least one form of a slab, a ridge, a channel, a strip-loaded, a buried, or a photonic crystal.
또한, 메타 광학 소자는 전기적 조율(electrical tuning)이 가능할 수 있다.In addition, the meta-optical device may be capable of electrical tuning.
예시적인 실시예에 따른 메타 광학 소자는 도파관층 및 도파관층 상에 배치되며, 2차원 물질을 포함하는 격자 및 격자에 자극을 인가하는 능동 요소를 각각 포함하는 복수 개의 메타유닛을 포함할 수 있고, 복수 개의 메타유닛 각각이 포함하는 격자는 이격되어 배치되며, 능동 요소에 의해 능동 요소에 대응되는 격자에 전압이 인가되면 격자의 유전율이 변하고, 입사되는 광에 대한 반사율이 변할 수 있다.A meta-optical element according to an exemplary embodiment may include a waveguide layer and a plurality of metaunits disposed on the waveguide layer, each including a lattice containing a two-dimensional material and an active element for applying a stimulus to the lattice, The lattices included in each of the plurality of metaunits are spaced apart, and when a voltage is applied to the lattice corresponding to the active element by the active element, the permittivity of the lattice may change and the reflectance of the incident light may change.
그리고, 능동 요소는 2차원 물질에 엑시톤 공진(exciton resonance)을 발생시키고, 전기적 게이팅(electrical gating) 구조, 광학적 자극(optical stimulation) 구조, 화학적 반응(chemical reaction) 구조, 자기장 인가 구조, 가열(heating) 구조, 또는 기계적 변형 구조 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.In addition, the active element generates exciton resonance in the two-dimensional material, electrical gating structure, optical stimulation structure, chemical reaction structure, magnetic field application structure, heating ) structure, or at least one of a mechanical deformation structure.
또한, 복수 개의 메타유닛은 복수 개의 메타유닛 각각에 포함된 능동 요소에 의해 독립적으로 자극을 인가받을 수 있다.In addition, the plurality of metaunits may receive stimuli independently by active elements included in each of the plurality of metaunits.
그리고, 능동 요소의 자극 여부에 따라 광에 대한 반사율 또는 투과율 중 적어도 하나는 20% 이상 차이를 가지며, 메타 광학 소자는 Q 인자가 100 이상일 수 있다.Also, depending on whether the active element is stimulated, at least one of light reflectance and transmittance may have a difference of 20% or more, and the meta-optical element may have a Q factor of 100 or more.
예시적인 실시예에 따른 전자 장치는 상기 메타 광학 소자를 포함할 수 있다.An electronic device according to an exemplary embodiment may include the meta-optical element.
예시적인 실시예에 따른 메타 광학 소자는 그래핀, 전이금속 디칼코게나이드(TMDc), 또는 2차원 물질을 이용하여 높은 Q 인자의 메타 광학 소자를 제공해줄 수 있다.A meta-optical device according to an exemplary embodiment may provide a high Q factor meta-optical device using graphene, transition metal dichalcogenide (TMDc), or a two-dimensional material.
예시적인 실시예에 따른 메타 광학 소자는 능동 구조를 통한 외부 자극에 의해 격자의 특성, 예를 들어 격자의 반사율 또는 투과율의 변화가 큰 메타 광학 소자를 제공해줄 수 있다. A meta-optical device according to an exemplary embodiment may provide a meta-optical device having a large change in grating characteristics, for example, reflectance or transmittance of a grating, by an external stimulus through an active structure.
예시적인 실시예에 따른 메타 광학 소자는 광의 변조 범위가 넓으며, 고속으로 동작할 수 있는 메타 광학 소자를 제공해줄 수 있다.A meta-optical device according to an exemplary embodiment may provide a meta-optical device that has a wide light modulation range and can operate at high speed.
예시적인 실시예에 따른 메타 광학 소자 제조방법은 능동 요소를 포함하는 메타 광학 소자를 제조할 수 있다.The method for manufacturing a meta-optical device according to an exemplary embodiment may manufacture a meta-optical device including an active element.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 메타 광학 소자를 나타낸 단면도이다.
도 2는 파장에 따라서 변하는 이황화텅스텐(WS2)의 엑시톤(exciton) 공진 상태에 따른 유전 상수의 실수부 및 허수부 그래프이다.
도 3a는 예시적인 실시예에 따른 메타 광학 소자를 나타낸 단면도이다.
도 3b는 도 3a의 메타 광학 소자의 사시도이다.
도 4는 메타 광학 소자에 입사하는 광의 광경로(optical path)를 나타낸 개념도이다.
도 5는 도 3a의 메타 광학 소자의 입사광의 파장에 따라서 변하는 WS2의 엑시톤 공진 상태에 따른 반사율 그래프 및 페이저(phasor)이다.
도 6은 도 3a의 메타 광학 소자의 입사광의 파장에 따라서 변하는 WS2의 엑시톤 공진 상태에 따른 투과율 그래프 및 페이저이다.
도 7은 광 펌핑(optical pumping)을 위한 예시적인 실시예에 따른 메타 광학 소자의 단면도이다.
도 8은 예시적인 실시예에 따른 메타 광학 소자의 광 펌핑 측정 셋업(set-up) 개념도이다.
도 9a는 도 8에서 펌프 빔이 조사되지 않은 경우에 입사각, 광 파장에 따른 산란 세기를 나타낸 실험 결과 그래프이다.
도 9b는 TE 모드에서 펌프 빔이 조사되지 않은 경우에 입사각 및 광 파장에 따른 광 흡수를 나타낸 시뮬레이션 결과 그래프이다.
도 9c는 TM 모드에서 펌프 빔이 조사되지 않은 경우 입사각 θi, 광 파장 및 광 흡수를 나타낸 시뮬레이션 결과 그래프이다.
도 10은 도 9a에서 약 13도 내지 약 20도의 입사각 범위 및 약 590 nm 내지 약 620 nm의 파장 대역의 2차 TM 모드 브랜치를 확대한 그래프이다.
도 11a는 펌프빔이 조사되지 않은 경우 파장에 따른 선폭 변화를 나타낸 실험 그래프이다.
도 11b는 펌프 빔이 조사된 경우와 조사되지 않은 경우 파장에 따른 선폭 변화를 나타낸 시뮬레이션 그래프이다.
도 12는 2D로 배열된 메타유닛을 나타낸 평면도이다.
도 13은 WS2를 포함하는 격자의 파장에 따른 상대 유전율을 나타낸 그래프이다.
도 14a 내지 도 14e는 예시적인 실시예에 따른 메타 광학 소자의 제조방법을 나타낸 도면이다.
도 15는 제조된 메타 광학 소자의 평면도를 나타낸 현미경 사진이다.
도 16은 예시적인 실시예에 따른 메타 광학 소자를 포함하는 빔 스티어링 소자(beam steering device)를 설명하기 위한 개념도이다.
도 17은 예시적인 실시예에 따른 메타 광학 소자를 포함하는 빔 스티어링 소자(beam steering device)를 설명하기 위한 개념도이다.
도 18는 예시적인 실시예에 따른 메타 광학 소자를 적용한 빔 스티어링 소자를 포함하는 전자 장치의 전체적인 시스템을 설명하기 위한 블럭도이다.
도 19 및 도 20는 예시적인 실시예에 따른 메타 광학 소자를 포함하는 라이다(LiDAR) 장치를 차량에 적용한 경우를 보여주는 개념도이다. 도 19은 측방에서 바라본 도면이고, 도 20는 위에서 바라본 도면이다.
도 21는 예시적인 실시예에 따른 전자 장치의 개략적인 구성을 보이는 블록도이다.
도 22은 도 21의 전자 장치에 구비되는 카메라 모듈의 개략적인 구성을 예시적으로 보이는 블록도이다.
도 23은 도 21의 전자 장치에 구비되는 3D 센서의 개략적인 구성을 보이는 블록도이다.
도 24는 예시적인 실시예에 따른 전자 장치의 개략적인 구성을 보이는 블록도이다.
도 25은 도 24의 전자 장치에 구비되는 시선 추적 센서의 개략적인 구성을 보이는 블록도이다.1 is a cross-sectional view showing a meta-optical element according to an exemplary embodiment.
2 is a graph of a real part and an imaginary part of a dielectric constant according to an exciton resonance state of tungsten disulfide (WS 2 ) that varies with wavelength.
3A is a cross-sectional view illustrating a meta-optical device according to an exemplary embodiment.
FIG. 3B is a perspective view of the meta-optical device of FIG. 3A.
4 is a conceptual diagram illustrating an optical path of light incident on a meta-optical element.
FIG. 5 is a reflectance graph and a phasor according to an exciton resonance state of WS 2 that changes according to the wavelength of incident light of the meta-optical device of FIG. 3A.
6 is a transmittance graph and a phasor according to an exciton resonance state of WS 2 that changes according to the wavelength of incident light of the meta-optical device of FIG. 3A.
7 is a cross-sectional view of a meta-optical device according to an exemplary embodiment for optical pumping.
8 is a conceptual diagram of a light pumping measurement set-up of a meta-optical device according to an exemplary embodiment.
FIG. 9A is a graph of experimental results showing scattering intensity according to an incident angle and a light wavelength when a pump beam is not irradiated in FIG. 8 .
9B is a simulation result graph showing light absorption according to an incident angle and a light wavelength when a pump beam is not irradiated in a TE mode.
9C is a graph of simulation results showing the incident angle θ i , light wavelength, and light absorption when the pump beam is not irradiated in the TM mode.
FIG. 10 is an enlarged graph of secondary TM mode branches in the incident angle range of about 13 degrees to about 20 degrees and a wavelength band of about 590 nm to about 620 nm in FIG. 9A.
11A is an experimental graph showing line width change according to wavelength when a pump beam is not irradiated.
11B is a simulation graph showing a change in line width according to wavelength when a pump beam is irradiated and when it is not irradiated.
12 is a plan view showing meta units arranged in 2D.
13 is a graph showing the relative permittivity according to the wavelength of a grating including WS 2 .
14A to 14E are diagrams illustrating a method of manufacturing a meta-optical element according to an exemplary embodiment.
15 is a photomicrograph showing a plan view of the manufactured meta-optical device.
16 is a conceptual diagram illustrating a beam steering device including a meta-optical device according to an exemplary embodiment.
17 is a conceptual diagram for explaining a beam steering device including a meta-optical device according to an exemplary embodiment.
18 is a block diagram for explaining an overall system of an electronic device including a beam steering device to which a meta-optical device is applied according to an exemplary embodiment.
19 and 20 are conceptual views illustrating cases in which a LiDAR device including a meta-optical element according to an exemplary embodiment is applied to a vehicle. 19 is a view viewed from the side, and FIG. 20 is a view viewed from above.
Fig. 21 is a block diagram showing a schematic configuration of an electronic device according to an exemplary embodiment.
FIG. 22 is a block diagram showing a schematic configuration of a camera module included in the electronic device of FIG. 21 as an example.
FIG. 23 is a block diagram showing a schematic configuration of a 3D sensor included in the electronic device of FIG. 21 .
Fig. 24 is a block diagram showing a schematic configuration of an electronic device according to an exemplary embodiment.
FIG. 25 is a block diagram showing a schematic configuration of an eye tracking sensor included in the electronic device of FIG. 24 .
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The described embodiments are merely illustrative, and various modifications are possible from these embodiments. In the following drawings, the same reference numerals denote the same components, and the size of each component in the drawings may be exaggerated for clarity and convenience of description.
이하에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다. 마찬가지로, “하부” 나 “아래”라고 기재된 것은 접촉하여 바로 밑에 있는 것뿐 만 아니라 비접촉으로 아래에 있는 것도 포함할 수 있다.Hereinafter, what is described as "above" or "above" may include not only what is directly on top of contact but also what is on top of non-contact. Similarly, references to “below” or “below” may include directly under contact as well as under non-contact.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수 개의 표현을 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Expressions in the singular number include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In addition, when a certain component is said to "include", this means that it may further include other components without excluding other components unless otherwise stated.
“상기”의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다.The use of the term “above” and similar denoting terms may correspond to both singular and plural.
“연결”의 의미는 물리적 연결은 물론, 광학적 연결, 전기적 연결 등을 포함할 수 있다.The meaning of “connection” may include not only a physical connection, but also an optical connection, an electrical connection, and the like.
또한, 모든 예시적인 용어(예를 들어, 등등)의 사용은 단순히 기술적 사상을 상세히 설명하기 위한 것으로서 청구항에 의해 한정되지 않는 이상 이러한 용어로 인해 권리 범위가 한정되는 것은 아니다.In addition, the use of all exemplary terms (for example, etc.) is simply for explaining technical ideas in detail, and the scope of rights is not limited due to these terms unless limited by claims.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성 요소들은 용어들에 의하여 한정되어서는 안된다. 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.Terms such as first and second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. Terms are used only to distinguish one component from another.
높이, 깊이, 두께 등의 길이 단위가 실질적으로 같거나 동일하다는 것은 당업자에게 인정되는 오차 범위 내의 차이가 있는 것도 포함할 수 있다.The fact that length units such as height, depth, and thickness are substantially the same or the same may include differences within the error range recognized by those skilled in the art.
"및/또는"의 용어는 나열된 요소 중 일 요소 또는 여러 요소를 포함하는 모든 조합을 포함할 수 있다. 또한, 예를 들어, "A, B 또는 C 중 적어도 하나"의 표현은 A 하나, B 하나, C 하나, A 및 B를 포함하는 둘, A 및 C를 포함하는 둘, B 및 C를 포함하는 둘, 또는 A, B, 및 C를 포함하는 전부를 포함하는 것을 의미할 수 있다.The term "and/or" can include any combination that includes one or more of the listed elements. Also, for example, the expression “at least one of A, B, or C” means one A, one B, one C, two including A and B, two including A and C, and one including B and C. It can mean including both, or all including A, B, and C.
2차원 물질은 수 나노미터의 원자가 한 층으로 배열되어 있는 물질으로, 다시 말하면, 한 층의 원자로 구성된 결정성 물질을 의미할 수 있다.A two-dimensional material may refer to a material in which atoms of several nanometers are arranged in one layer, that is, a crystalline material composed of one layer of atoms.
메타 광학 소자(Meta-Optics)는 메타표면(Metasurface)을 포함하는 광학 소자를 의미할 수 있다.Meta-optics may mean an optical device including a metasurface.
도면의 exciton on의 선(on-exc.)은 엑시톤 흡수 가능한 상태, 또는 엑시톤 공진이 가능한 상태를 의미할 수 있고, 도면의 exction off의 선(off-exc.)은 엑시톤 흡수가 억제된 상태, 또는 엑시톤 공진이 억제된 상태를 의미할 수 있다.A line of exciton on (on-exc.) in the figure may mean a state in which exciton absorption is possible or a state in which exciton resonance is possible, and a line of exciton off (off-exc.) in the figure indicates a state in which exciton absorption is suppressed, Alternatively, it may mean a state in which exciton resonance is suppressed.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 메타 광학 소자를 나타낸 단면도이고, 도 2는 파장에 따라서 변하는 이황화텅스텐(WS2)의 엑시톤(exciton) 공진 상태에 따른 유전 상수의 실수부 및 허수부 그래프이다. 도 3a는 예시적인 실시예에 따른 메타 광학 소자를 나타낸 단면도이고, 도 3b는 도 3a의 메타 광학 소자의 사시도이다.1 is a cross-sectional view showing a meta-optical device according to an exemplary embodiment, and FIG. 2 is a graph of a real part and an imaginary part of a dielectric constant according to an exciton resonance state of tungsten disulfide (WS 2 ) that varies with wavelength. 3A is a cross-sectional view of a meta-optical device according to an exemplary embodiment, and FIG. 3B is a perspective view of the meta-optical device of FIG. 3A.
예시적인 실시예에 따른 메타 광학 소자(10)는 도파관층(100) 및 도파관층(100) 상에 배치되며 소정 파장의 입사광을 회절시키는 격자(grating)(210)와 격자(210)에 자극을 인가하는 능동 요소(active element)(AE)을 각각 포함하는 복수 개의 메타유닛(200)을 포함할 수 있다. 각 능동 요소(AE)에 의해 각 능동 요소(AE)와 대응되는 각 격자(210)에 자극이 인가되어 각 격자(210)의 유전율을 변화시킬 수 있고, 이에 따라 각 격자(210)의 입사되는 광에 대한 반사율을 변화시킬 수 있다. 예를 들어, 능동 요소(AE)는 2차원 물질에 엑시톤 공진(exciton resonance)을 발생시킬 수 있고, 격자(210)의 유전율의 변화는 격자(210)의 엑시톤 밀도(exction density)의 변화에 기인한 것일 수 있다. 예시적인 실시예에 따른 메타 광학 소자(10)의 능동 요소(AE)는 격자(210) 하부에 배치된 제1 전극(221), 격자(210) 상부에 배치된 유전체층(230) 및 유전체층(230) 상부에 배치된 제2 전극(222)을 포함할 수 있다. 복수 개의 메타유닛(200) 각각 또는 복수 개의 메타유닛(200) 각각에 포함된 격자(210)에 복수 개의 메타유닛(200) 각각이 포함하는(또는, 복수 개의 메타유닛(200) 각각에 대응되는) 제1 전극(221) 및 제2 전극(222)을 통해 독립적으로 전압이 인가될 수 있다. 능동 요소(AE)에 의해 자극을 인가받은 격자(210)에 의해, 예를 들어, 제1 전극(221) 및 제2 전극(222)을 통해 전압을 인가받은 격자(210)에 의해 메타 광학 소자(10)의 특성(예를 들어, 반사율 또는 투과율)이 변할 수 있다. 예를 들어, 격자(210)가 외부로부터 자극을 인가받아 격자(210)를 포함하는 물질의 엑시톤 공진 여부가 결정될 수 있고, 이에 따라 엑시톤 밀도가 변할 수 있고, 메타 광학 소자(10)의 특성이 변할 수 있다. 예시적인 실시예에 따른 메타 광학 소자(10)는 능동 요소(AE)를 포함함으로써, 입사광을 변조할 수 있는 능동 소자로 구현될 수 있다. 같은 파장의 입사광에 대해, 능동 요소(AE)를 포함하는 능동 소자인 메타 광학 소자(10)는 능동 요소(AE)를 포함하지 않는 수동 소자인 메타 광학 소자와 다른 출력 또는 다른 변조 특성을 제공해줄 수 있다. 예시적인 실시예에 따른 메타 광학 소자(10)는 격자(210)에 자극을 인가하여 메타 광학 소자(10)의 특성을 변화시킬 수 있는 능동 구조를 포함할 수 있고, 상기 특성 변화 폭이 상대적으로 클 수 있으며, 광의 변조 범위가 넓고 고속으로 동작하며 높은 Q 인자(Q-factor)를 제공해주는 메타표면을 포함하는 광학 소자, 즉 메타 광학 소자(10)를 제공해줄 수 있다.The meta-
도 1에 따르면, 예시적인 실시예에 따른 메타 광학 소자(10)는 기판(50)을 포함할 수 있다. 기판(50)은 유전체 물질 또는 반도체 물질을 포함할 수 있으며, 예를 들어 이산화규소(SiO2)를 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 기판(50) 상에 도파관층(100)이 배치될 수 있다. 기판(50)은 메타 광학 소자(10) 제조 과정 후에도 남아 있을 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않고, 기판(50)은 메타 광학 소자(10)의 제조 과정에서만 사용되고, 메타 광학 소자(10) 제조 후 제거될 수 있다. 기판(50)은 소정 파장 영역대에서 투과도가 높은, 예를 들어 약 85% 이상의 투과도를 가지는 투광성 물질을 포함할 수 있다. 상기 소정 파장 영역대에 입사광의 파장이 포함될 수 있으며, 예를 들어 입사광이 가시광선 범위에 속한다면, 기판(50)은 가시광선 범위에서 약 85% 이상의 투과도를 가지는 투광성 물질을 포함하거나, 투명한 물질을 포함할 수 있다. 가시광선 범위에 속하는 입사광은 일 예시에 불과하고, 이에 한정되지 않고 극자외선(deep UV) 내지 테라헤르츠(THz)의 입사광이 사용될 수 있다. 예를 들어, 입사광의 파장은 약 10 nm 내지 약 3000 μm일 수 있다.Referring to FIG. 1 , a meta-
예시적인 실시예에 따른 메타 광학 소자(10)는 도파관층(100)을 포함할 수 있다. 도파관층(100)은 절연 물질(유전체 물질)을 포함할 수 있으며, 입사된 광이 가이디드 모드(guided mode)로 진행하는 광도파관을 구성할 수 있다. 도파관층(100)은 도파관층(100) 상에 다른 매질과 접하는 제1 면(110)을 포함할 수 있으며, 도파관층(100) 하부에 제2 면(120)을 포함할 수 있다. 제1 면(110)과 제2 면(120)은 서로 마주할 수 있다. 제1 면(110)은 도파관층(100)의 상부면을 가리킬 수 있다. 제2 면(120)은 도파관층(100) 하부에 위치한 면을 가리킬 수 있으며, 도파관층(100) 하부에 배치된 다른 매질과 접하는 면일 수 있다. 메타유닛(200)이 기판(50)을 포함한다면, 제2 면(120)은 도파관층(100)과 기판(50) 사이의 계면일 수 있다. 또는, 형성된 메타유닛(200)에서 기판(50)이 제거된다면, 제2 면(120)은 공기(air) 등 다른 매질과 도파관층(100) 사이의 계면일 수 있다. The meta-
제1 면(110) 및 제2 면(120)에서 입사광이 반사될 수 있으며, 이를 통해 도파관층(100) 내부에서 광이 가이디드 모드 공진(guided mode resonance)을 하며 도파관층(100)의 측면 방향으로 도파될 수 있다. 이 때, 측면 방향은 도파관층(100)의 두께 방향과 수직인 방향일 수 있으며, 또는 복수 개의 메타유닛(200)이 배치되는 방향인 제1 방향과 평행한 방향일 수 있다. Incident light may be reflected on the
제1 면(110)에서, 광이 도파관층(100) 상에 위치하는 제1 매질에서 도파관층(100) 내부로 입사할 수 있다. 제1 면(110)에 입사하는 광은 굴절되거나 또는 회절될 수 있다. 굴절되는 광은 회절되는 광과 법선 기준으로 다른 각도를 가지고 진행할 수 있다. 또는, 제1 매질에서 도파관층(100)을 향해 진행하는 광이 제1 면(110)에서 반사될 수 있다. 입사된 광은 제1 면(110)에서 반사 또는 회절되거나, 제1 매질로 굴절되어 투과될 수 있다. 회절되는 광은 굴절되는 광과 법선 기준으로 다른 각도를 가지고 진행할 수 있다. 제2 면(120)에서, 광이 도파관층(100) 하부에 위치하는 제2 매질로 굴절되어 입사할 수 있다. 또는, 제2 면(120)에서 광이 다시 제1 면(110)을 향해 도파관층(100) 내부로 반사될 수 있다. 도파관층(100)에 의해 회절된 광은 제1 면(110) 및 제2 면(120)에서 반사되어 제1 방향으로 도파될 수 있다.In the
도파관층(100)은 소정 파장 영역대에서 투과도가 높은, 예를 들어 약 85% 이상의 투과도를 가지는 투광성 물질을 포함할 수 있다. 상기 소정 파장 영역대는 입사광의 파장을 포함할 수 있으며, 예를 들어 입사광이 가시광선 범위에 속한다면, 도파관층(100)은 가시광선 범위에서 약 85% 이상의 투과도를 가지는 투광성 물질을 포함하거나, 투명한 물질을 포함할 수 있다. 가시광선 범위에 속하는 입사광은 일 예시에 불과하고, 이에 한정되지 않고 극자외선(deep UV) 내지 테라헤르츠(THz)의 입사광이 사용될 수 있다.The
도파관층(100)은 절연 물질(유전체 물질)을 포함할 수 있다. 도파관층(100)은 절연성 실리콘 화합물 또는 절연성 금속 화합물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 이산화규소(SiO2), 산화하프늄(HfO2), 산화타이타늄(TiO2) 또는 산화알루미늄(Al2O3), 질화규소(Si3N4) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 도파관층(100)이 포함하는 물질의 굴절률은 1 보다 클 수 있으며, 기판(50)의 굴절률보다 클 수 있다.The
도파관층(100)에 입사된 광이 가이디드 모드 공진(guided mode resonance)하며 도파관층(100)의 측면 방향으로 도파할 수 있으며, 이는 즉 도파관층(100)이 광도파관(waveguide)을 구성한다고 할 수 있다. 광도파관은 예를 들어, 슬랩(slab), 릿지(ridge), 채널(channel), 스트립로드(strip-loaded), 배리드(buried), 또는 광결정(photonic crystal)의 형태를 가질 수 있다. 광이 도파관을 따라 가이디드 모드 공진하면서 제1 면(110) 또는 제2 면(120)을 투과하여 제1 매질 또는 제2 매질로 입사할 수 있다. 예를 들어, 광이 광도파관 내부에서 도파되다가 제2 면(120)을 통과하여 기판(50)으로 투과될 수 있고, 여기서 기판(50)은 제2 매질일 수 있다. 상기 내부에서의 공진을 통해 매질로 투과된 광의 성분과 회절 없이 매질로 직접 투과된 성분은 서로 간섭을 일으킬 수 있고, 그 간섭이 상쇄간섭 또는 보강간섭인가에 따라서 투과 및 반사 스펙트럼이 변할 수 있다. 이에 대한 자세한 설명은 후술하도록 한다.Light incident on the
예시적인 실시예에 따른 메타 광학 소자(10)는 도파관층(100) 상에 배치되며, 소정 파장의 입사광을 변조하는 복수 개의 메타유닛(200)을 포함할 수 있다. 복수 개의 메타유닛(200) 중 적어도 하나는 입사광을 회절시키는 격자(210)(grating), 격자(210) 하부에 배치된 제1 전극(221), 격자(210) 상부에 배치된 유전체층(230), 유전체층(230) 상부에 배치된 제2 전극(222)을 포함할 수 있다.The meta-
격자(210)는 광을 회절시킬 수 있으며, 회절된 광의 일부는 도파관층(100)을 따라 가이디드 모드 공진할 수 있다. 광이 소정 각도로 입사 시, 격자(210)에 의해 회절되지 않고 도파관층(100)에 굴절되어 입사된 광(0차 회절 모드의 광, m=0) 중 제2 면(120)에서 제2 매질로 투과되는 성분과, 격자(210)에 의해 회절된 후 공진을 하다가 다시 회절된 광(1차 회절 모드의 광, m=1) 중 제2 면(120)에서 제2 매질로 투과되는 성분은 간섭을 일으킬 수 있다. 예를 들어, 상기 두 성분이 상쇄간섭을 일으키는 경우 도파관층(100)의 제2 면(120)에서 제2 매질로 광의 투과가 억제될 수 있다. 이 경우, 제1 면(110)에서 광에 대한 반사율이 상대적으로 높아질 수 있다. 또는, 예를 들어 상기 두 성분이 보강간섭을 일으키는 경우 도파관층(100)의 제2 면(120)에서 입사광의 투과가 덜 억제될 수 있고, 이에 따라 제1 면(110)에서의 입사광에 대한 반사율이 상대적으로 낮아질 수 있다.The grating 210 may diffract light, and a portion of the diffracted light may resonate with the bonded mode along the
복수 개의 메타유닛(200) 각각이 포함하는 격자(210) 및 이와 접하는 제1 전극(221)은 이격되어 배치될 수 있다. 복수 개의 메타유닛(200) 각각이 포함하는 격자(210)의 주기(Λ)는 복수 개의 메타유닛(200)의 주기라고 할 수 있다. 도 1에 나타난 격자(210)의 주기(Λ)는 300 nm 이고, 메타유닛(200)의 높이(t)는 30 nm 이며, 메타유닛(200)의 폭(w)은 83 nm 이며, 도파관층(100)의 두께는 300 nm일 수 있다. 이격되어 배치된 격자(210)는 주기적으로 배치될 수 있으며, 격자(210)의 주기(Λ)는 입사되는 광의 파장보다 작을 수 있다. 예를 들어, 입사광의 파장이 공기(air)에서 약 610 nm 내지 약 620 nm이라면, 격자(210)의 주기(Λ)는 공기에서의 입사광의 파장보다 작을 수 있다. 예를 들어 약 10 nm 내지 약 600 nm 일 수 있지만, 이에 한정되지 않는다. 또는, 격자(210)의 주기(Λ)는 도파관층(100)에서의 광의 파장보다 작을 수도 있다. The
상기 격자(210)의 주기(Λ)가 입사광의 파장보다 작다면, 상기 격자(210)에 광이 입사 시 고차 모드 회절(high order diffraction)이 차단될 수 있다. 고차 회절 모드는 n차 회절 모드(여기서, n의 절대 값은 1보다 큰 정수)를 의미할 수 있다. 즉, 0차 회절(0th order mode, m=0) 모드(회절이 없이 굴절되는 모드), -1차 회절 모드(-1st order mode, m=-1) 및 1차 회절 모드(first order mode, m=1)만 발생할 수 있다. If the period Λ of the grating 210 is smaller than the wavelength of incident light, high order mode diffraction may be blocked when light is incident on the
복수 개의 메타유닛(200) 각각은 도파관층(100) 상에 배치되며, 소정 높이(t)를 가질 수 있다. 메타유닛(200)의 소정 높이(t)는 격자(210)의 높이보다 클 수 있다. 도파관층(100) 상부면 중 메타유닛(200)이 배치된 부분에는 도파관층(100) 상부면의 높이가 메타유닛(200)이 배치되지 않은 부분보다 높게 형성되어 돌출부가 배치될 수 있으며, 도파관층(100)이 포함하는 절연 물질로 형성된 돌출부의 일부 또는 전체는 메타유닛(200)에 포함될 수 있다. 예를 들어, 메타유닛(200)의 높이(t)는 약 5 nm 내지 약 100 nm일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. Each of the plurality of
또한, 메타유닛(200)의 폭(w)은 입사되는 광의 파장보다 작을 수 있다. 예를 들어, 메타유닛(200)의 폭(w)은 약 10 nm 내지 약 500 nm일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.Also, the width w of the
격자(210)는 외부 자극에 의해 격자(210)의 특성이 변화될 수 있는 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 격자(210)의 특성은 격자(210)의 상(phase), 유전율, 굴절률, 반사율, 투과율 또는 흡수율 중 적어도 하나일 수 있으며, 이는 단순히 예시이고 다른 물리적 특성, 화학적 특성, 광학적 특성일 수도 있다. 격자(210)의 특성을 변화시키기 위해 능동 요소(AE)가 메타유닛(200)에 더 포함될 수 있으며, 예를 들어, 외부 자극에 의해 격자(210)가 포함하는 물질이 엑시톤이 흡수가 가능한 상태(엑시톤 공진 가능 상태), 또는 엑시톤이 흡수가 억제된 상태(엑시톤 공진 억제 상태)가 될 수 있다. 이 외에 외부 자극에 의해 격자(210)가 포함하는 물질의 상이 변화될 수도 있다. 격자(210)는 능동 요소(AE)에 의한 특징 변화에 가역적(reversible)인 물질을 포함할 수 있다.The grating 210 may include a material whose characteristics may be changed by external stimuli. For example, the characteristics of the grating 210 may be at least one of a phase, permittivity, refractive index, reflectance, transmittance, or absorption of the grating 210, which is merely an example, and other physical properties, chemical properties, and optical properties. may be a characteristic. In order to change the characteristics of the
격자(210)는 2차원 물질을 포함할 수 있고, 예를 들어 그래핀, 전이 금속 디칼코게나이드(TMDc, Transtion Metal Dichalcogenide), 또는, 2차원 반도체 물질 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 격자(210)는 전이 금속 디칼코게나이드인 이황화몰리브데넘(MoS2), 이셀렌화몰리브데넘(MoSe2), 이텔루륨화몰리브데넘(MoTe2), 이황화텅스텐(WS2), 이셀렌화텅스텐(WSe2), 이텔루륨화텅스텐(WTe2) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 전이 금속 디칼코게나이드는 엑시톤(exciton) 흡수가 가능한 상태(또는, 엑시톤 공진이 가능한 상태)와 엑시톤 흡수가 억제(suppressed)된 상태(또는, 엑시톤 공진이 억제된 상태)에서 그 광학적 특성이 다를 수 있다. 예를 들어 유전율, 굴절률, 투과율, 반사율 또는 흡수율 중 적어도 하나가 다를 수 있다. 도 2에 따르면, WS2의 경우 소정 파장, 약 613.7 nm에서 엑시톤 흡수가 가능한 상태와 엑시톤 흡수가 억제된 상태의 유전율의 실수부는 같을 수 있다. 다만, 약 613.7 nm 보다 작은 파장을 가진 광에 대해서는 엑시톤 흡수가 가능한 상태가 엑시톤 흡수가 억제된 상태보다 WS2의 유전율의 실수부는 작을 수 있으며, 약 613.7 nm 보다 큰 파장을 가진 광에 대해서는 엑시톤 흡수가 가능한 상태가 엑시톤 흡수가 억제된 상태보다 WS2의 유전율의 실수부가 클 수 있다. 이 때, 제1 상태일 때 제2 상태일 때보다 물질의 유전율의 실수부가 크다면 제1 상태에서의 굴절률이 제2 상태에서의 굴절률보다 큰 것을 의미할 수 있다. 또한, 엑시톤 흡수가 가능한 상태일 때 WS2의 유전율의 허수부는 엑시톤 흡수가 억제된 상태일 때 WS2의 유전율의 허수부보다 클 수 있다. 이 때, 제1 상태일 때 제2 상태일 때보다 물질의 유전율의 허수부가 크다면 제1 상태에서의 광 흡수율이 제2 상태의 광 흡수율보다 큰 것을 의미할 수 있다. The
복수 개의 메타유닛(200) 각각이 포함하는 격자(210)는 제1 방향으로 이격되어 배치될 수 있으며, 각각의 이격된 격자(210)는 격자 구조(grating structure)를 이룰 수 있다. 여기서, 제1 방향은 도파관층(100)의 두께 방향과 실질적으로 수직인 방향일 수 있다. 다만, 상기 예에 한정되지 않고 도파관층(100)의 형상에 따라 다를 수 있다. 도파관층(100)의 제1 면(110)에서 회절되어 입사되는 광은 제1 면(110)과 제2 면(120)에 의해 반사되어 제1 방향으로 도파될 수 있다. 복수 개의 메타유닛(200) 각각이 포함하는 격자(210)가 제1 방향으로 이격되어 배치된 것은, 복수 개의 메타유닛(200)이 1차원적으로 배열된 것을 의미할 수 있다. 1차원적으로 복수 개의 메타유닛(200)을 포함하는 메타 광학 소자(10)는 격자(210)가 이격된 방향인 제1 방향으로 빔을 스티어링(steering) 할 수 있다. 상기 예와 같이 복수 개의 메타유닛(200)은 1차원적으로 배열될 수도 있지만, 이에 한정되지 않고, 복수 개의 메타유닛(200)은 2차원으로 배열될 수도 있다. 이 경우 복수 개의 메타유닛(200)은 제1 방향 및 제1 방향과 수직인 제2 방향으로 배열될 수 있다. 즉, 복수 개의 메타유닛(200) 각각이 포함하는 격자(210)가 제1 방향 및 제2 방향으로 이격되어 배치될 수 있다. 이 경우, 2차원의 복수 개의 메타유닛(200)을 포함하는 메타 광학 소자(10)는 격자(210)가 이격된 방향인 제1 방향 및 제2 방향으로 빔을 스티어링할 수 있다. 여기서, 제1 방향은 제2 방향과 서로 수직한 방향일 수 있다.The
예시적인 실시예에 따른 복수 개의 메타유닛(200) 중 적어도 하나는 격자(210)에 자극을 인가하는 능동 요소(AE)를 포함할 수 있다. 능동 요소(AE)에 의해 격자(210)가 자극을 인가받으면, 격자(210)의 유전율, 굴절률, 흡수율이 변할 수 있으며, 이에 따라 광에 대한 메타 광학 소자(10)의 반사율 및 투과율이 변할 수 있다. 능동 요소(AE)가 가하는 자극은, 예를 들어 전기장 인가, 자기장 인가, 전압 인가, 광 펌핑(optical pumping), 화학 반응, 온도 가변(가열), 기계적 변형 등일 수 있다. 능동 요소(AE)는, 예를 들어 전기적 게이팅(electrical gating) 구조, 광학적 자극(optical stimulation) 구조, 화학적 반응(chemical reaction) 구조, 자기장 인가 구조, 가열(heating) 구조, 또는 기계적 변형 구조 등일 수 있다. At least one of the plurality of
능동 요소(AE)는 격자(210)에 전압 인가, 광 인가, 화학적 반응 유도, 자기장 인가, 가열 또는 냉각, 기계적 힘 인가 등을 통해 격자(210)의 특성을 변화시킬 수 있다. 예를 들어, 격자(210)가 포함하는 2차원 물질의 특성(예를 들어, 유전율, 굴절률, 흡수율, 엑시톤 밀도)을 변화시켜, 소정 파장의 광에 대한 메타 광학 소자(10)의 반사율, 투과율, 및/또는 흡수율을 변화시킬 수 있다. 다만, 2차원 물질의 변하는 특성은 상기 나열한 예시적인 특성에 한정되지 않고, 물질의 다른 물리적 성질 또는 화학적 성질이 변할 수 있다. 예를 들어 전기적 성질, 광학적 성질, 자기적 성질, 열적 성질, 결정구조적 성질 등이 변할 수 있다. 상기 성질들 중에는 열 전도도, 전기 전도도, 격자 상수, 자기 저항 등이 포함될 수 있다. 능동 요소(AE)를 통한 격자(210)의 특성 변화는 가역적(reversible)일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.The active element AE may change the characteristics of the grating 210 by applying a voltage, applying light, inducing a chemical reaction, applying a magnetic field, heating or cooling, or applying mechanical force to the
복수 개의 메타유닛(200)의 능동 요소(AE)를 통한 자극에 따라 격자(210)에 포함된 엑시톤(exciton)의 공진 가능 여부가 결정될 수 있다. 능동 요소(AE)를 스위칭 온(switching on)하면, 격자(210)에서 엑시톤 흡수가 억제(엑시톤 공진이 억제)될 수 있으며, 능동 요소(AE)를 스위칭 오프(switching off)하면, 격자(210)에서 엑시톤 흡수가 가능(엑시톤 공진이 가능)할 수 있다. 능동 요소(AE)를 통해 자극의 크기를 적절히 조절하면, 엑시톤 밀도(exciton density)가 조절될 수 있다. 이에 따라 스위칭 온 상태 중 특정 임계값(예를 들어, 엑시톤 밀도가 최대일 때)에서 격자(210) 특성 상태와 스위칭 오프 상태의 격자(210) 특성 상태 사이의 중간 상태 특성을 얻을 수 있고, 이러한 특징은 예시적인 실시예에 따른 메타 광학 소자(10) 및 이를 포함하는 전자 장치에 적용될 수 있다.Whether or not resonance of excitons included in the
능동 요소(AE)는, 예를 들어, 제1 전극(221), 제2 전극(222) 및 제1 전극(221)과 제2 전극(222)을 전기적으로 절연시키는 유전체층(230)을 포함할 수 있다. 여기서, 능동 요소(AE)는 전기적 게이팅 구조로, 격자(210)의 양단에 전압을 인가하는 구조일 수 있다.The active element AE may include, for example, a
예시적인 실시예에 따른 메타 광학 소자(10)에 능동 요소(AE)가 포함된 경우, 메타 광학 소자(10)의 도파관층(100)에서 광의 가이디드 모드 공진 파장이 바뀔 수 있다. 따라서, 능동 요소(AE)를 포함하지 않는 수동 소자의 메타 광학 소자가 보이는 광학적 특성을 능동 요소(AE)를 포함하는 능동 소자의 메타 광학 소자(10)에 그대로 적용하기 힘들 수 있다. When the active element AE is included in the meta-
도 3a의 예시적인 실시예에 따른 메타 광학 소자(10)의 격자(210)의 주기(Λ)는 300 nm, 메타유닛(200)의 높이(t)는 30 nm, 메타유닛(200)의 폭(w)은 83 nm, 도파관층(100)의 두께는 300 nm이고, 제1 전극(221) 및 제2 전극(222)의 두께는 10 nm이며, 유전체층(230)의 두께는 15nm 이다. 격자(210)는 이황화텅스텐(WS2)을 포함하고, 도파관층(100)은 질화규소(Si3N4)를 포함하며, 기판(50)은 이산화규소(SiO2)를 포함하며, 제1 전극(221) 및 제2 전극(222)은 알루미늄 아연 산화물(AZO)을 포함하며, 유전체층(230)은 산화알루미늄(Al2O3)을 포함한다. 이 경우 가이디드 모드 공진 파장은 약 615.8 nm이다. 다만, 이는 메타유닛(200)의 높이(t), 격자(210)의 주기(Λ), 도파관층(100)의 두께 등 다양한 요인에 의해 바뀔 수 있다. 상기 예에서 제1 전극(221), 제2 전극(222), 유전체층(230)이 없는 수동 소자의 메타 광학 소자(10)의 가이디드 모드 공진 파장은 약 613.7nm일 수 있고, 이러한 차이는 능동 소자의 유무 차이 때문일 수 있다. 다시 말하면, 이러한 변화는 능동 요소(AE) 추가로 인해, 상기 예에서는 추가된 전극층과 유전체층(230)에 의해 가이디드 모드 공진(GMR)의 조건이 변경되기 때문일 수 있다. 이러한 가이디드 모드 공진 파장의 변화는 예시적인 것이고, 이 외에도 엑시톤 흡수 시, 또는 엑시톤 흡수 억제시의 격자(210)의 유전율, 굴절률, 메타 광학 소자(10)의 반사율, 투과율 등 다양한 특성이 변화될 수 있다. According to the exemplary embodiment of FIG. 3A , the period Λ of the grating 210 of the meta-
도 3a 및 3b를 참조하면, 예시적인 실시예에 따른 메타 광학 소자(10)의 복수 개의 메타유닛(200)은, 능동 요소(AE)로서, 격자(210) 하부에 배치된 제1 전극(221), 격자(210) 상부에 배치된 제2 전극(222)을 포함할 수 있다. 제1 전극(221), 제2 전극(222) 및 유전체층(230)은 격자(210)에 전압을 인가할 수 있는 능동 요소(AE)를 구성할 수 있다. 복수 개의 메타유닛(200) 각각에 포함된 격자(210)는 서로 이격되어 배치될 수 있으며, 복수 개의 메타유닛(200) 각각에 포함된 제1 전극(221)도 서로 이격되어 배치될 수 있다. 복수 개의 메타유닛(200) 중 하나에 포함된 격자(210)와 제1 전극(221)은 서로 접할 수 있다. 복수 개의 메타유닛(200) 중 하나에 포함된 격자(210)와 제1 전극(221)은 서로 일대일 대응될 수 있으며, 이에 따라 복수 개의 메타유닛(200) 각각마다 독립적으로 전압을 인가해줄 수 있다. 즉, 복수 개의 메타유닛(200) 각각마다 전압이 조절될 수 있으므로, 예시적인 실시예에 따른 메타 광학 소자(10)는 메타유닛(200)마다 선택적으로 전압을 인가할 수 있는 능동 소자일 수 있다.Referring to FIGS. 3A and 3B , the plurality of meta-
복수 개의 메타유닛(200) 각각에 포함된 제1 전극(221)은 서로 전기적으로 연결되지 않을 수 있다. 제2 전극(222)은 격자(210) 상부에 배치될 수 있으며, 복수 개의 메타유닛(200) 각각에 포함된 제2 전극(222)은 서로 이격되어 배치될 수 있다. 또는, 복수 개의 메타유닛(200) 각각에 포함된 제2 전극(222)은 격자(210)의 상부면 및 격자(210) 측면을 감쌀 수 있고, 제1 방향으로 도파관층(100) 상부면 상에 연장되어 서로 연결될 수 있다. 격자(210)의 상부면 및 격자(210) 측면을 감싸는 제2 전극(222)에 의해 가이디드 모드 공진에 방해되는 광의 흡수나 산란이 줄어들 수 있으며, 이에 따라 가이디드 모드 공진이 상대적으로 잘 일어날 수 있다. The
제1 전극(221)과 제2 전극(222)은 서로 이격될 수 있으며, 전기적으로 서로 절연될 수 있다. 제1 전극(221) 및 제2 전극(222) 사이에 두 층 간의 전기적 절연을 위한 유전체층(230)이 배치될 수 있다. 제1 전극(221)과 제2 전극(222) 각각에 전압이 인가될 수 있으며, 두 전극층 사이의 전위차가 격자(210)에 인가될 수 있다. 제1 전극(221)과 제2 전극(222)에 의한 전위차로 인하여 격자(210)가 포함하는 물질의 엑시톤이 흡수가 가능한 상태(또는, 엑시톤 공진이 가능한 상태)에서 엑시톤 흡수가 억제된 상태(또는, 엑시톤 공진이 억제된 상태)가 될 수 있다. 복수 개의 메타유닛(200) 각각에 인가되는 전위차는 서로 독립적일 수 있다.The
제1 전극(221) 및 제2 전극(222)은 광학적으로 투과도가 높고, 전기적 저항이 작은, 예를 들어 전기적으로 도전체인 투명 전극(Transparent conducting film, TCO)일 수 있다. 예를 들어, 인듐 주석 산화물(Indium Tin Oxide, ITO), 인듐 아연 산화물(Indium Zinc Oxide, IZO), 알루미늄 아연 산화물(Aluminum Zinc Oxide, AZO), 인듐 갈륨 아연 산화물(Indium Gallium Zinc Oxide, IGZO) 등을 포함할 수 있다. 도 3a 및 도 3b의 예에서 제1 전극(221) 및 제2 전극(222)에 포함된 물질은 AZO이다. 도 3a 및 도 3b에 배치된 제1 전극(221) 및 제2 전극(222)의 두께는 약 10 nm일 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않고 수 나노미터 내지 수십 나노미터의 두께를 가질 수 있다.The
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 복수 개의 메타유닛(200)은 유전체층(230)을 포함할 수 있다. 유전체층(230)은 제1 전극(221)과 제2 전극(222)을 전기적으로 절연시킬 수 있다. 유전체 층은 제1 전극(221)과 제2 전극(222) 사이에 배치될 수 있다. 복수 개의 메타유닛(200) 각각에 포함된 유전체층(230)은 서로 이격되어 배치될 수 있다. 또는, 복수 개의 메타유닛(200) 각각에 포함된 유전체층(230)은 격자(210) 상부면 및 측면을 감쌀 수 있고, 도파관층(100) 상부면으로 연장되어 서로 연결될 수 있다. 제2 전극(222)도 격자(210) 측면을 감쌀 수 있고, 제1 방향으로 도파관층(100) 상부면 상에 연장되어 서로 연결될 수 있다. 도파관층(100) 상부면으로 연장된 경우 연장되는 제2 전극(222)의 하부를 따라 유전체층(230)이 연장되어 배치될 수 있다.Referring to FIGS. 3A and 3B , the plurality of
유전체층(230)은 유전체 물질을 포함하며, 예를 들어 산화실리콘(SiO2), 산화하프늄(HfO2), 산화타이타늄(TiO2), 산화알루미늄(Al2O3) 등을 포함할 수 있다. 도 3a 및 도 3b의 예에서 유전체층(230)에 포함된 물질은 Al2O3이며, Al2O3는 최대 인가 가능 전압(breakdown field)이 7MV/cm 수준으로 그 수치가 높은 편이며, 유전 강도(dielectric strength)가 높으므로 유전체층(230)에 적절할 수 있다. 도 3a 및 도 3b의 유전체층(230)의 두께는 약 15 nm일 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않고 수 나노미터 내지 수십 나노미터의 두께를 가질 수 있다.The
예시적인 실시예에 따른 메타 광학 소자(10)는 격자(210)층 및 능동 요소(AE)를 포함한 능동 소자일 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 능동 소자는 능동 요소(AE)를 포함하므로, 수동 소자와 같은 격자(210)를 가지고 있다고 하더라도 그 물리적 특성, 예를 들어 광학적 특성이 수동 소자와 다를 수 있다. 또한, 능동 요소(AE)로 격자(210)의 특성을 변형할 수 있음으로써 복수 개의 메타유닛(200) 중 일부, 또는 복수 개의 메타유닛(200) 각각을 조율(tuning)할 수 있다. 도 3a 및 도 3b와 같이, 능동 요소(AE)로 제1 전극(221) 및 제2 전극(222)을 포함하는 전압 인가 구조를 포함하는 경우, 복수 개의 메타유닛(200)의 격자(210) 각각을 독립적으로 전기적 조율(electrical tuning)할 수 있다.The meta-
다음은, 가이디드 모드 공진(GMR)에 따른 광경로(optical path)에 관하여 설명한다.Next, the optical path according to the bonded mode resonance (GMR) will be described.
도 4는 메타 광학 소자에 입사하는 광의 광경로(optical path)를 나타낸 개념도이다. 도 5는 도 3a의 메타 광학 소자의 입사광의 파장에 따라서 변하는 WS2의 엑시톤 공진 상태에 따른 반사율 그래프 및 페이저(phasor)이며, 도 6는 도 3a의 메타 광학 소자의 입사광의 파장에 따라서 변하는 WS2의 엑시톤 공진 상태에 따른 투과율 그래프 및 페이저이다.4 is a conceptual diagram illustrating an optical path of light incident on a meta-optical element. 5 is a reflectance graph and a phasor according to an exciton resonance state of WS 2 that varies according to the wavelength of incident light of the meta-optical element of FIG. 3A, and FIG. 2. Transmittance graph and phasor according to the exciton resonance state.
도 4에 따르면, 도파관층(LA3)은 도파관층(LA) 상에 격자 구조(LA2)가 형성된 제1 면을 포함하고, 제2 매질(LA4)과 접하는 제2 면을 포함할 수 있다. 격자 구조(LA2)에 입사각 θi로 입사하는 광(i)의 일부는 도파관층(LA3)의 제1 면에서 회절 없이(0차 회절 모드, m=0) 투과될 수 있다. 도파관층(LA3)의 굴절률(n3)은 격자 구조(LA2) 상부의 제1 매질(LA1)의 굴절률(n1)보다 크므로, 굴절각은 θt는 입사각 θi보다 작을 수 있다. 회절 없이 투과된 광(t1)은 도파관층(LA3)을 가로질러 제2 면에서 굴절되어 도파관층(LA3)을 빠져나갈 수 있으며, 빠져나간 광(t2)은 도파관층(LA3) 하부의 제2 매질(LA4)로 입사될 수 있다. 또한, 격자 구조(LA2)에 입사하는 광의 일부(s1)는 도파관층(LA3)의 제1 면에서 격자 구조(LA2)에 의해 회절될 수 있다. 회절각 Ψ은 굴절각 θt와 다를 수 있다. 회절된 광(s1)은 가이디드 모드(guided mode)로 커플링(coupling)되어 도파관층(100)(LA3)의 측면 방향으로 도파될 수 있고, 이를 가이디드 모드 공진(guided mode resonance, GMR)이라고 한다. 가이디드 모드로 측면 방향으로 진행하는 광은 제1 면 또는 제2 면에서 약간씩 방출(slightly leak out)될 수 있다. 가이디드 모드 공진을 하는 광(s1) 중 제2 면에서 방출된 광(s2)은 도파관층(LA3) 하부의 제2 매질(LA4)로 입사될 수 있으며, 회절 없이 도파관층(LA3)에 입사된 광(t1) 중 제2 면에서 굴절되어 상기 매질(LA4)로 나가는 광(t2)과 간섭할 수 있다. 이 때, 특정 각도 또는 특정 각도 범위에서 가이디드 모드 공진을 하다가 제1 면에서 회절되는 광(s2)의 법선에 대한 회절각 θs 은 상기 굴절각 θt과 실질적으로 같을 수 있다. 격자 구조(LA2)에 입사각 θi로 입사하는 광(i)의 일부는 제1 면에서 반사될 수 있다. 제1 면에서 반사된 광(r)의 반사각 θr은 입사각 θi와 같을 수 있으며, 반사 시 광의 변조될 수 있다.According to FIG. 4 , the waveguide layer LA3 may include a first surface on which the lattice structure LA2 is formed, and may include a second surface in contact with the second medium LA4. A portion of light i incident on the grating structure LA2 at an incident angle θ i may be transmitted through the first surface of the waveguide layer LA3 without diffraction (0th-order diffraction mode, m=0). Since the refractive index (n 3 ) of the waveguide layer LA3 is greater than the refractive index (n 1 ) of the first medium LA1 above the grating structure LA2 , the angle of refraction θ t may be smaller than the angle of incidence θ i . Light transmitted without diffraction (t 1 ) may cross the waveguide layer (LA3) and be refracted on the second surface to pass through the waveguide layer (LA3), and the exited light (t 2 ) may pass through the lower part of the waveguide layer (LA3). It may be incident to the second medium LA4. Also, a portion of light s 1 incident to the grating structure LA2 may be diffracted by the grating structure LA2 on the first surface of the waveguide layer LA3. The diffraction angle Ψ may be different from the refraction angle θ t . The diffracted light (s 1 ) is coupled to the guided mode (guided mode) can be coupled (coupling) and guided in the lateral direction of the waveguide layer 100 (LA3), this guided mode resonance (guided mode resonance, GMR ) is called Light traveling in the lateral direction in this bonded mode may be slightly emitted from the first surface or the second surface (slightly leak out). Of the light (s 1 ) to bond mode resonance, the light (s 2 ) emitted from the second surface may be incident to the second medium (LA4) under the waveguide layer (LA3), and the waveguide layer (LA3) without diffraction Of the light t 1 incident to the
도 3a, 도 3b, 도 5 및 도 6에 따른 예시적인 실시예에 메타 광학 소자(10)는, 능동 요소(AE)로서, 격자(210)에 전압을 인가하는 제1 전극(221), 제2 전극(222)을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에 따른 메타 광학 소자(10)에 능동 요소(AE)가 포함된 경우와 능동 요소(AE)의 격자(210)가 포함하는 물질의 가이디드 모드 공진 파장이 바뀔 수 있다. 따라서, 능동 요소(AE)를 포함하지 않는 수동 소자의 메타 광학 소자가 보이는 광학적 특성을 능동 요소(AE)를 포함하는 능동 소자의 메타 광학 소자(10)에 그대로 적용하기 힘들다. 예를 들어, 능동 요소(AE)가 제1 전극(221), 제2 전극(222), 및 유전체층(230)을 포함한다면, 제1 전극(221), 제2 전극(222) 및 유전체층(230)에 의해 가이디드 모드 공진 조건이 변경되기 때문일 수 있다.3A, 3B, 5 and 6, the meta-
예를 들어, 메타 광학 소자(10)가 WS2를 포함하는 도파관층(100)과 격자(210)를 포함하고, 능동 요소(AE)를 포함하지 않는 경우, WS2의 공진 파장은 약 613.7 nm일 수 있으며, 메타 광학 소자(10)가 WS2를 포함하는 도파관층(100), 격자(210), 및 격자(210)에 전위차를 줄 수 있는 전극층 및 유전체층(230)을 포함한다면, 도 5 및 도 6와 같이 WS2의 공진 파장은 약 615.8 nm으로 바뀔 수 있다. 이러한 공진 파장의 변화는 예시에 불과하고, 이 외에도 엑시톤 흡수 시, 또는 엑시톤 흡수 억제 시의 각 유전율, 굴절률, 반사율, 투과율 등 다양한 특성이 변화될 수 있다. For example, when the meta-
도 2 내지 도 3B, 도 5, 및 도 6에 따르면, 격자(210)에 외부 자극이 인가되어, WS2의 엑시톤의 흡수가 억제되는 경우, WS2의 유전상수 허수부는 소정 파장을 포함하는 범위에서 5 이하의 상대적으로 값을 가질 수 있다. 이 경우, WS2는 소정 파장에서 광 흡수가 상대적으로 낮아, 도파관층(100)에서 광의 가이디드 모드 공진이 방해되지 않을 수 있다. 광이 가이디드 모드 공진되는 경우, 제2 면(120)에서 방출된 광과 제2 면(120)에서 굴절되는 광의 위상차는 (2n+1)*π(rad)(이때, n은 1 이상의 정수)일 수 있으며, 이 경우 두 광은 상쇄간섭을 일으켜 제2 면(120)에서 투과가 억제될 수 있다. 도 5에 따르면, 투과가 억제되는 결과에 따라 소정 파장에서 실선 반사율 그래프가 위로 피크(peak)를 가짐을 확인할 수 있고, 도 6에 따르면 소정 파장 근처 범위에서 실선 투과율 그래프가 아래로 딥(dip)을 가짐을 확인할 수 있다. 2 to 3B, 5, and 6, when an external stimulus is applied to the
격자(210)에 외부 자극이 인가되지 않아, 격자(210)가 포함하는 물질(예를 들어, WS2)의 엑시톤의 흡수가 가능한 경우, 도 2에 따르면, WS2의 유전상수 허수부는 소정 파장에서 약 20을 넘는 상대적으로 큰 값을 가질 수 있다. 이 경우, WS2는 소정 파장의 광을 흡수할 수 있으며, 광 흡수에 의해 가이디드 모드 공진이 방해되어 공진이 약해지거나 또는 일어나지 않을 수 있다. 이로 인하여 가이디드 모드 공진에 의한 광과 메타 광학 소자(10)를 직접 투과한 광 간의 상쇄간섭이 일어나지 않을 수 있고, 앞서 설명한 투과 억제가 되지 않을 수 있다. 또한, 공진이 일어나지 않게되어, 높은 광 흡수에 의해 반사율이 낮아질 수 있다. 도 5에 따르면, 광 흡수가 됨에 따라 소정 파장에서 쇄선 반사율 그래프가 아래로 딥을 가짐을 확인할 수 있고, 도 6에 따르면 소정 파장 근처에서 쇄선 투과율 그래프가 아래로 딥을 가지지만, 광 흡수가 증가하여 실선 투과율 그래프보다 딥의 깊이가 작아지고 딥의 프로파일(profile)이 넓어지는(broad) 것을 확인할 수 있다. When an external stimulus is not applied to the grating 210, and excitons of a material included in the grating 210 (eg, WS 2 ) can be absorbed, according to FIG. 2, the imaginary part of the dielectric constant of WS 2 is a predetermined wavelength may have a relatively large value of about 20 or more. In this case, WS 2 may absorb light of a predetermined wavelength, the bonded mode resonance is hindered by the light absorption, and the resonance may be weakened or may not occur. Due to this, destructive interference between light and light directly transmitted through the meta-
또한, 도 5의 반사율 페이저에 따르면, 엑시톤 흡수가 억제된 경우의 페이저(실선)와 엑시톤 흡수가 가능한 경우의 페이저(쇄선)를 확인할 수 있다. 약 615.8 nm의 파장에서 엑시톤 흡수가 억제된 경우의 페이저의 일 점이 원에서 가장 멀리 위치할 수 있으며, 이는 반사율 피크를 의미할 수 있다. 약 615.8nm 파장에서 엑시톤 흡수가 가능한 경우의 페이저의 일 점이 원과 상대적으로 가까이 위치할 수 있다.In addition, according to the reflectance phasor of FIG. 5 , a phasor (solid line) when exciton absorption is suppressed and a phasor (dashed line) when exciton absorption is possible can be confirmed. A point of the phasor when exciton absorption is suppressed at a wavelength of about 615.8 nm may be located farthest from the circle, which may mean a reflectance peak. One point of the phasor in which exciton absorption is possible at a wavelength of about 615.8 nm may be located relatively close to the circle.
또한, 도 6의 투과율 페이저에 따르면, 엑시톤 흡수가 억제된 경우의 페이저(실선)와 엑시톤 흡수가 가능한 경우의 페이저(쇄선)를 확인할 수 있다. 약 615.8 nm의 파장에서 엑시톤 흡수가 억제된 경우의 페이저의 일 점이 원에서 가장 가까이 위치할 수 있으며, 이는 반사율 딥을 의미할 수 있다. 약 615.8nm 파장과 약 0.5 nm 이하의 미세한 차이를 가지는 파장에서 엑시톤 흡수가 가능한 경우의 페이저의 일 점이 원과 가장 가까이 위치할 수 있으며, 이는 반사율 딥을 의미할 수 있다.In addition, according to the transmittance phasors of FIG. 6 , a phasor (solid line) when exciton absorption is suppressed and a phasor (dashed line) when exciton absorption is possible can be confirmed. A point of the phasor when exciton absorption is suppressed at a wavelength of about 615.8 nm may be located closest to the circle, which may indicate a reflectance dip. When exciton absorption is possible at a wavelength having a minute difference of about 0.5 nm or less from about 615.8 nm, a point of the phasor may be located closest to the circle, which may mean a reflectance dip.
예시적인 실시예에 따른 메타 광학 소자(10)가 포함하는 능동 요소(AE)의 자극 여부에 따라 각 능동 요소(AE)에 대응되는 격자(210)의 소정 파장에 대한 반사율 또는 투과율 중 적어도 하나는 20% 이상의 차이를 가질 수 있다.At least one of reflectance or transmittance for a predetermined wavelength of the grating 210 corresponding to each active element AE according to whether the active element AE included in the meta-
도 5 및 도 6을 참고하면, 예시적인 실시예에 따른 제1 전극(221), 제2 전극(222) 및 유전체층(230)을 포함하는 메타 광학 소자(10)의 입사되는 광에 대한 반사율은 소정 전압을 인가하는 경우와 전압을 인가하지 않는 경우 20% 이상의 차이를 가질 수 있으며, 또는 메타 광학 소자(10)의 입사되는 광에 대한 투과율은 소정 전압을 인가하는 경우와 전압을 인가하지 않는 경우 20% 이상의 차이를 가질 수 있다. 도 5 및 도 6를 참고하면, 약 615.8 nm의 파장에서 WS2의 엑시톤 흡수 억제 시에 반사율은 약 40%이고, WS2의 엑시톤 흡수 가능 시에 반사율은 약 10%으로, 거의 30% 정도의 차이를 가질 수 있다. 또한, 약 615.8 nm의 파장에서 WS2의 엑시톤 흡수 억제 시에 투과율은 약 10%이고, WS2의 엑시톤 흡수 가능 시에 투과율은 약 55% 정도로, 20% 이상의 차이를 가질 수 있다. 격자(210)의 특성 변화 전과 변화 후의 반사율 또는 투과율의 차이가 충분히 큰 경우 공진 파장에서 큰 변조 위상차를 제공하는 좋은 광 변조기로 역할을 할 수 있다. 상기 격자(210)의 유전율 변화에 따른 메타 광학 소자(10)의 상기 최소 반사율 또는 상기 최대 반사율 사이의 값은 상기 설명한 중간 상태에 의해 구현될 수 있고, 마찬가지로, 메타 광학 소자(10)의 상기 최소 투과율과 최대 투과율 사이의 값은 상기 설명한 중간 상태에 의해 구현될 수 있다.5 and 6, the reflectance of the meta-
반사율 및 투과율의 Q 인자(Q-factor)는 하기와 같은 수학식(1)을 통해 계산할 수 있다.The Q-factor of reflectance and transmittance can be calculated through Equation (1) as follows.
상기 수학식(1)에서 은 공진 파장이고, 은 반치전폭(full width at half maximum, FWHM)이다. 격자(210)가 포함하는 물질의 엑시톤 억제 시에, 상기 물질에 대한 광 흡수가 줄어들어, 가이디드 모드 공진이 일어날 수 있고, 또한 상쇄 간섭이 일어날 수 있으므로, Q 인자가 증가될 수 있다. 높은 Q 인자를 가진 메타 광학 소자(10)는 공진 파장에서 큰 변조 위상차를 제공하며, 광 손실이 적은 좋은 광 변조기로 역할을 할 수 있다.In Equation (1) above is the resonant wavelength, is the full width at half maximum (FWHM). Upon suppression of excitons of a material including the grating 210, light absorption for the material is reduced, bonded mode resonance may occur, and destructive interference may occur, so the Q factor may be increased. The meta-
도 3a, 도 3b, 도 5, 도 6의 예시적인 실시예에 따른 메타 광학 소자(10)는 수백 내지 수천의 Q 인자를 가질 수 있다. 예를 들어, 예시적인 실시예에 따른 메타 광학 소자(10)의 Q 인자는 100 이상일 수 있다. 도 6의 투과율에 대한 Q 인자는 약 1000으로 매우 높은 값을 가지며, 반사율에 대한 Q 인자도 투과율에 대한 Q 인자와 같은 양상으로 높을 수 있다. 예를 들어, 반사율에 대한 Q 인자는 약 300 내지 약 1500의 값을 가질 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않고 반사율의 Q 인자 또는 투과율의 Q 인자는 1000 이상의 높은 값을 가질 수 있다.The meta-
이와 같이, 예시적인 실시예에 따른 메타 광학 소자(10)는 격자(210)에 능동 요소(AE)로 자극을 인가하거나 인가하지 않음에 따라 반사광 및/또는 투과광의 진폭 및/또는 위상을 변조할 수 있는 메타 광학 소자(10)를 제공해 줄 수 있다. 또한, 예시적인 실시예에 따른 메타 광학 소자(10)는 광의 변조 범위가 넓고, 고속으로 동작할 수 있으며, 높은 Q 인자를 가진 광 변조기를 제공해줄 수 있다.In this way, the meta-
도 7은 광 펌핑(optical pumping)을 위한 예시적인 실시예에 따른 메타 광학 소자의 단면도이고, 도 8은 예시적인 실시예에 따른 메타 광학 소자의 광 펌핑 측정 셋업(set-up) 개념도이다.7 is a cross-sectional view of a meta-optical device according to an exemplary embodiment for optical pumping, and FIG. 8 is a conceptual diagram of an optical pumping measurement set-up of the meta-optical device according to an exemplary embodiment.
예시적인 실시예에 따른 메타 광학 소자(30)가 포함하는 격자(210)의 특성은 광 펌핑(optical pumping) 등의 자극을 통해 변할 수 있다. 도 7은 광 펌핑을 위한 예시적인 실시예에 따른 메타 광학 소자(30)의 구조일 수 있고, 도파관층(100)은 질화규소(Si3N4)를 포함하고, 격자(210)는 이황화텅스텐(WS2)을 포함하며, 유전체층(230)은 산화알루미늄(Al2O3)을 포함할 수 있다. 또한, 도파관층(100) 및 유전체층(230) 하부에 기판(60)이 배치될 수 있다. 기판(60)은 투광성 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 기판(60)은 이산화규소(SiO2)를 포함하는 석영(quartz) 기판일 수 있다. 이 경우, 복수 개의 메타유닛(200)은 기판(60)의 일 돌출부를 포함할 수 있으며, 격자(210)는 기판(60)의 일 돌출부와 접하며 배치될 수 있다. 또한, 격자(210)와 도파관층(100)은 유전체층(230)에 의해 이격될 수도 있다. 상기 예에서, 광은 기판(60)을 통해 도파관층(100) 내부로 입사될 수 있다. The characteristics of the grating 210 included in the meta-
광 펌핑을 이용하므로, 능동 요소(AE)는 전극층 대신 광원을 포함할 수 있다. 도파관층(100)은 입사광이 잘 집속될 수 있는 두께를 가질 수 있고, 이러한 두께는 적절하게 선택될 수 있다. 광이 가이디드 모드로 공진 시 도파관층(100) 안에서 Q/2π 만큼 머문 후 방사될 수 있으며, 광과 격자(210)의 상호작용은 (λQ)/(2πng) 만큼 할 수 있다. 여기서 λ는 광의 파장이며, ng는 가이디드 모드 광의 군굴절률(group index)이다. 군 굴절률을 가지는 격자(210)가 나노미터 단위의 얇은 구조를 갖는다면 높은 Q 값을 얻을 수 있으며, 이만큼 광과 격자(210)의 상호작용은 커질 수 있다. 도 7의 메타 광학 소자(30)에서는 메타유닛(200)이 배치된 도파관층(100)의 돌출부 두께를 50 nm으로 하여 방사 Q 인자(radiation Q)와 흡수 Q 인자(absorption Q)를 거의 비슷한 값으로 맞출 수 있다. 이와 같은 조건에서, 광이 공진 시 반사율 또는 투과율이 거의 0이거나 아주 작은 값이 될 수 으며, 이에 따라, 엑시톤 흡수 가능 상태와 엑시톤 흡수 억제 상태의 산란 특성이 효율적으로 변조될 수 있다. 상기 돌출부 두께는 예시적인 것이고, 여러 조건에 따라 돌출부 두께가 적절히 선택될 수 있다.Since optical pumping is used, the active element AE may include a light source instead of an electrode layer. The
펌프/프로브 분광법(pump/probe spectroscopy)를 이용하여 예시적인 실시예에 따른 메타 광학 소자(30)의 광 특성이 측정될 수 있다. 도 7 및 도 8의 실험예에서, 메타 광학 소자(30)의 격자(210)는 WS2를 포함할 수 있으며, 도파관층(100)은 질화규소(Si3N4)를 포함할 수 있으며 도파관층(100)의 두께는 약 300 nm일 수 있으며, 유전체층(230)은 산화알루미늄(Al2O3)을 포함할 수 있으며, 유전체층(230)의 두께는 약 5 nm일 수 있다. 도 7 및 도 8의 실험예에서, 펌프 빔(pump beam)(B1)이 메타 광학 소자(30)의 수직 방향에 약 5.3도 정도 기울어진 입사각 θp로 조사될 수 있고, 펌프 빔(B1)은 약 532 nm의 파장을 가질 수 있으며, 펌프 빔(B1) 세기(intensity)는 약 300mW/mm2일 수 있다. 도 7 및 도 8의 메타 광학 소자(30)의 가이디드 모드 공진 파장은 약 615 nm 일 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않고, 메타 광학 소자(30)의 구성에 따라 상기 펌프 빔(B1)의 파장 세기, 펌프 빔(B1) 세기, 또는 가이디드 모드 공진 파장은 달라질 수 있다.Optical characteristics of the meta-
펌프 빔(B1)은 펌프 빔(B1)이 조사되는 샘플(예를 들어, 메타 광학 소자(30))을 여기시키는 역할을 할 수 있으며, 예를 들어, 메타 광학 소자(30)의 격자(210)가 포함하는 물질의 엑시톤 흡수가 억제되도록 할 수 있다. 반대로, 펌프 빔(B1)이 조사되지 않으면 엑시톤 흡수가 가능할 수 있다. 펌프 빔(B1)을 조사하는 광원은 능동 요소(AE) 중 하나로, 앞서 설명한 제1 전극(221) 및 제2 전극(222)에 대응될 수 있으며, 펌프 빔(B1)을 통한 광 펌핑은 전극층을 이용하여 전위차를 주는 것에 대응될 수 있다. 프로브 빔(probe beam)(B2)은 펌프 빔(B1)으로 유도된 샘플의 광 특성(예를 들어, 반사율 또는 투과율 등) 변화를 모니터링하는데 사용될 수 있다. 프로브 빔(B2)은 메타 광학 소자(30)에 대하여 입사각 θi으로 입사할 수 있다. 프로브 빔(B2)은 super continuum 광원으로부터 나오며, 따라서 여러 파장의 광을 포함할 수 있다. 프로브 빔(B2)은 메타 광학 소자(30)에 입사하기 전에 메타 광학 소자(30)의 두께 방향과 약 -45도 방향을 가지는 제1 편광기(POL1)를 통과할 수 있다. 제1 편광기(POL1)를 통과한 프로브 빔(B2)은 TE(transverse electric, TE-pol) 모드와 TM(transverse magnetic, TM-pol) 모드를 모두 포함할 수 있다. 메타 광학 소자(30)와 상호작용한 후에 출광된 광은 메타유닛(200)의 두께 방향과 약 45도 방향을 가지는 제2 편광기(POL2)를 통과할 수 있다. 제1 편광기(POL1)와 제2 편광기(POL2)의 방향은 90도 차이가 나므로, 광 중에 메타 광학 소자(30)와 상호작용하지 않고 직접 통과하는 성분(0차 회절 모드, m=0)은 광 검출에서 제거될 수 있다. 이에 따라, 파장과 프로브 빔(B2) 입사각도에 따른 산란 세기(scattering intensity)가 측정될 수 있다.The pump beam B1 may serve to excite a sample (eg, the meta-optical device 30) to which the pump beam B1 is irradiated, and, for example, the grating 210 of the meta-optical device 30. ) can suppress the exciton absorption of the material containing it. Conversely, when the pump beam B1 is not irradiated, exciton absorption may be possible. A light source irradiating the pump beam B1 is one of the active elements AE, and may correspond to the
도 9a는 도 8에서 펌프 빔이 조사되지 않은 경우에 입사각, 광 파장에 따른 산란 세기를 나타낸 실험 결과 그래프이고, 도 bB는 TE 모드에서 펌프 빔이 조사되지 않은 경우에 입사각 및 광 파장에 따른 광 흡수를 나타낸 시뮬레이션 결과 그래프이고, 도 9c는 TM 모드에서 펌프 빔이 조사되지 않은 경우 입사각 θi, 광 파장 및 광 흡수를 나타낸 시뮬레이션 결과 그래프이다.9A is a graph of experimental results showing the scattering intensity according to the incident angle and light wavelength when the pump beam is not irradiated in FIG. 8, and FIG. It is a simulation result graph showing absorption, and FIG. 9c is a simulation result graph showing the incident angle θ i , light wavelength, and light absorption when the pump beam is not irradiated in TM mode.
도 9a를 참조하면, 강한 산란 세기를 나타내는 여러 브랜치(branch)를 확인할 수 있으며, 각 브랜치는 n차 TE 모드(n은 1 이상의 정수), 또는 m차 TM모드(m은 1 이상의 정수)를 나타낼 수 있다. 도 9a에는 1차 TE 모드 브랜치, 2차 TE 모드 브랜치, 1차 TM 모드 브랜치, 2차 TM 모드 브랜치가 나타난다. 브랜치를 통해 다른 입사 각도에 따른 각 파장에 따른 산란 피크(peak)를 확인할 수 있으며, 산란 크기가 클수록 가이디드 모드 공진에 의해 더 많은 양의 광이 산란됨을 의미할 수 있다. 2차 TE 모드 브랜치는 WS2의 엑시톤이 해당하는 약 615 nm 근처의 파장 대역에서 17도 입사각을 가지며 입사하는 광에 대하여, 엑시톤 흡수가 가능하게 되며, 이 경우 가이디드 모드 공진 파장 근처에서 산란 피크의 선폭(linewidth)이 증가함을 알 수 있다. 도 9b는 TE 모드의 흡수를 나타내는 브랜치를 확인할 수 있으며, 도 9c는 TM 모드의 흡수를 나타내는 브랜치를 확인할 수 있다. 여기서도, 2차 TE 모드 브랜치는 WS2의 엑시톤이 흡수 파장에 해당하는 약 615 nm 파장 대역에서 광 흡수가 잘 일어날 수 있다. 광 흡수가 커짐에 따라 공진이 잘 일어나지 않을 수 있다. 도 9b와 도 9c에 따르면, 약 615 nm 근처의 파장에서 입사각과 관련 없이 광 흡수가 높은 것을 확인할 수 있다. 이는, 메타 광학 소자(30)의 격자(210)가 포함하는 물질의 엑시톤 공진 파장이 약 615 nm 근처이기 때문일 수 있다. 2차 TE 모드 브랜치가 약 615 nm 파장 대역에서 엑시톤 흡수(엑시톤 공진)와 오버랩되어 약 17도의 입사각에서 선폭이 증가한 것일 수 있다.Referring to FIG. 9A, several branches showing strong scattering intensity can be identified, and each branch represents an n-order TE mode (n is an integer greater than or equal to 1) or an m-order TM mode (m is an integer greater than or equal to 1). can 9A shows a first order TE mode branch, a second order TE mode branch, a first order TM mode branch, and a second order TM mode branch. It is possible to check the scattering peak (peak) according to each wavelength according to different angles of incidence through the branch, the larger the scattering size may mean that a larger amount of light is scattered by the bonded mode resonance. The secondary TE mode branch has an incident angle of 17 degrees in the wavelength band of about 615 nm corresponding to the exciton of WS 2 , and for incident light, exciton absorption is possible, and in this case, the scattering peak near the bonded mode resonance wavelength It can be seen that the linewidth of increases. In FIG. 9B , a branch representing TE mode absorption can be identified, and in FIG. 9C , a branch representing TM mode absorption can be identified. Here, in the second TE mode branch, light absorption may well occur in a wavelength band of about 615 nm corresponding to an absorption wavelength of an exciton of WS 2 . As light absorption increases, resonance may not occur well. 9b and 9c, it can be seen that light absorption is high at a wavelength of about 615 nm regardless of the incident angle. This may be because the exciton resonance wavelength of the material included in the grating 210 of the meta-
도 10은 도 9a에서 약 13도 내지 약 20도의 입사각 범위 및 약 590 nm 내지 약 620 nm의 파장 대역의 2차 TM 모드 브랜치를 확대한 그래프이고, 도 11a는 펌프빔이 조사되지 않은 경우 파장에 따른 선폭 변화를 나타낸 실험 그래프이고, 도 11b는 펌프 빔이 조사된 경우와 조사되지 않은 경우 파장에 따른 선폭 변화를 나타낸 시뮬레이션 그래프이다.FIG. 10 is an enlarged graph of a secondary TM mode branch in the incident angle range of about 13 degrees to about 20 degrees and a wavelength band of about 590 nm to about 620 nm in FIG. 9A, and FIG. 11B is a simulation graph showing linewidth change according to wavelength when a pump beam is irradiated and when it is not irradiated.
도 11a에서 각 점은 파장 및/또는 입사각이 다른 광에 대한 선폭 값을 나타낼 수 있다. 도 10 내지 11B에 따르면, 펌프 빔(B1)이 조사되지 않은 경우 프로브 빔(B2)의 입사각이 약 17도인 경우에 2차 TM 모드 브랜치와 엑시톤 흡수가 오버랩될 수 있다. 여기서, 엑시톤 흡수가 가능하여 가이디드 모드 공진과 엑시톤 흡수(엑시톤 공진)가 함께 일어날 수 있고, 엑시톤 흡수 가능 여부 또는 엑시톤 흡수 억제 여부는 능동 요소(AE)를 통한 자극에 의해 조절될 수 있다. 엑시톤 흡수가 가능한 경우에는, 광흡수 산란 피크의 선폭이 증가할 수 있고, 이때 산란 피크의 선폭은 약 4 nm 내지 약 6 nm일 수 있다. 엑시톤 공진에 의한 흡수는 비발광성 감쇠(non-radiative decay)를 증가시킬 수 있다. 반대로, 펌프 빔(B1)이 조사되는 경우 엑시톤 흡수가 억제되어(엑시톤 공진이 억제되어), 도 2에서 확인한 바에 따라 소정 파장에서 광 흡수가 줄어들 수 있고, 가이디드 모드 공진이 더 잘 일어날 수 있다. 엑시톤이 흡수가 억제됨에 따라 선폭이 엑시톤이 흡수가 가능한 경우보다 선폭이 낮을 수 있으며, 선폭의 변화율도 아주 낮을 수 있다. 예를 들어, 산란 피크의 선폭은 약 0.5 nm 내지 약 1.5 nm 일 수 있다. 이에 따라 높은 Q 인자를 가진 메타 광학 소자(30)를 구현할 수 있다. 펌프 빔(B1)이 조사되는 경우의 선폭은 펌프 빔(B1)이 조사되지 않는 경우의 선폭보다 작을 수 있다.In FIG. 11A , each dot may represent a line width value for light having different wavelengths and/or incident angles. 10 to 11B, when the pump beam B1 is not irradiated and the incident angle of the probe beam B2 is about 17 degrees, the secondary TM mode branch and exciton absorption may overlap. Here, exciton absorption is possible so that bonded mode resonance and exciton absorption (exciton resonance) can occur together, and whether exciton absorption is possible or whether exciton absorption is inhibited can be controlled by stimulation through an active element (AE). When exciton absorption is possible, the line width of the light absorption and scattering peak may increase, and in this case, the line width of the scattering peak may be about 4 nm to about 6 nm. Absorption by exciton resonance can increase the non-radiative decay. Conversely, when the pump beam (B1) is irradiated, exciton absorption is suppressed (exciton resonance is suppressed), light absorption can be reduced at a predetermined wavelength as confirmed in FIG. 2, and bonded mode resonance can occur better . As the absorption of excitons is suppressed, the line width may be lower than when the exciton is absorbed, and the change rate of the line width may be very low. For example, the line width of the scattering peak may be about 0.5 nm to about 1.5 nm. Accordingly, the meta
위와 같이 광 펌핑 구조를 사용하여, 펌프 빔(B1) 조사여부에 따라서 엑시톤 흡수 가능/억제 상태를 구현할 수 있고, 이를 통해 메타 광학 소자(30)의 광학적 특성, 반사율 또는 투과율이 조절될 수 있다. 예시적인 실시예에 따른 메타 광학 소자(30)는 광원을 가지는 광 펌핑 구조를 능동 요소(AE)로서 포함하여 능동 소자로 구현될 수 있으며, 광의 변조 범위가 넓고, 고속으로 동작할 수 있으며, 높은 Q 인자를 가진 광 변조기를 제공해줄 수 있다.As described above, using the light pumping structure, an exciton absorption enabled/suppressed state may be implemented depending on whether the pump beam B1 is irradiated, and through this, the optical characteristics, reflectance, or transmittance of the meta
도 12는 2D로 배열된 메타유닛을 나타낸 평면도이다.12 is a plan view showing meta units arranged in 2D.
도 12를 참조하면, 예시적인 실시예에 따른 메타 광학 소자(10)의 메타유닛(200)이 1차원적으로 배열되는 경우, 복수 개의 메타유닛(200)이 나열된 방향(제1 방향)으로 반사된 광을 변조할 수 있다. 메타유닛(200)이 2차원 적으로 배열되는 경우, 메타유닛(200)의 나열된 두 방향(제1 방향 및 제2 방향)으로 반사된 광을 변조할 수 있다. 이 때, 상기 두 방향은 서로 수직일 수 있고, 두 방향은 메타 광학 소자(10)의 두께 방향의 수직한 방향일 수 있다.Referring to FIG. 12 , when the
도 13은 WS2를 포함하는 격자의 파장에 따른 상대 유전율을 나타낸 그래프이다.13 is a graph showing the relative permittivity according to the wavelength of a grating including WS 2 .
도 13을 참조하면, 엑시톤 흡수 가능 상태 또는 엑시톤 흡수 억제 상태에 의해 격자(210)에 포함된 물질의 굴절률 변화될 수 있고, 굴절률 변화에 따라 공진 파장이 이동될 수 있다. 엑시톤 공진 파장인 약 615 nm보다 큰 파장을 가지는 영역(블루 시프트 영역(blue-shift region))에서, 엑시톤 흡수 가능 상태의 유전 상수의 실수부는 엑시톤 흡수 억제 상태의 유전 상수의 실수부보다 클 수 있다. 따라서, 블루 시프트 영역에서, 자극을 인가하여 엑시톤 흡수를 억제시키면 WS2를 포함하는 격자(210)의 굴절률이 낮아질 수 있다. 굴절률이 낮아짐에 따라 가이디드 모드 공진 파장이 작아질 수 있으며, 즉 공진 파장이 블루 시프트될(blue-shifted) 수 있다.Referring to FIG. 13 , the refractive index of a material included in the grating 210 may be changed due to an exciton absorption enabled state or an exciton absorption inhibited state, and a resonant wavelength may be shifted according to the refractive index change. In a region having a wavelength greater than about 615 nm, which is the exciton resonance wavelength (blue-shift region), the real part of the dielectric constant in the exciton absorption enabled state may be greater than the real part of the dielectric constant in the exciton absorption inhibited state. . Accordingly, in the blue shift region, when exciton absorption is suppressed by applying a stimulus, the refractive index of the grating 210 including WS 2 may be lowered. As the refractive index is lowered, the bonded mode resonance wavelength may be reduced, that is, the resonance wavelength may be blue-shifted.
엑시톤 공진 파장인 약 615 nm 보다 작은 파장을 가지는 영역(레드 시프트 영역(red-shift region))에서, 엑시톤 흡수 가능 상태의 유전 상수의 실수부는 엑시톤 흡수 억제 상태의 유전 상수의 실수부보다 작을 수 있다. 따라서, 레드 시프트 영역에서, 자극을 인가하여 엑시톤 흡수를 억제시키면 WS2를 포함하는 격자(210)의 굴절률이 높아질 수 있다. 굴절률이 낮아짐에 따라 가이디드 모드 공진 파장이 커질 수 있으며, 즉 공진 파장이 레드 시프트될(red-shifted) 수 있다.In a region having a wavelength smaller than about 615 nm, which is the exciton resonance wavelength (red-shift region), the real part of the dielectric constant in the exciton absorption enabled state may be smaller than the dielectric constant in the exciton absorption inhibited state. . Therefore, in the red shift region, when exciton absorption is suppressed by applying a stimulus, the refractive index of the grating 210 including WS 2 may be increased. As the refractive index decreases, the bonded mode resonance wavelength may increase, that is, the resonance wavelength may be red-shifted.
도 14a 내지 도 14e는 예시적인 실시예에 따른 메타 광학 소자의 제조방법을 나타낸 도면이고, 도 15는 제조된 메타 광학 소자의 평면도를 나타낸 현미경 사진이다.14A to 14E are diagrams illustrating a method of manufacturing a meta-optical device according to an exemplary embodiment, and FIG. 15 is a photomicrograph showing a plan view of the manufactured meta-optical device.
예시적인 실시예에 따른 메타 광학 소자(10)의 제조방법은 기판(50) 상에 도파관층(100)을 증착하는 단계, 도파관층(100) 상에 제1 전극(221)을 증착하는 단계, 제1 전극(221) 상에 격자 물질을 포함하는 격자 물질층(210l)을 전사하는 단계, 격자 물질층을 패터닝하여 격자 구조를 형성하는 단계, 격자 구조 상에 캡핑층을 증착하는 단계, 및 캡핑 레이어 상에 제2 전극(222)을 증착하는 단계를 포함할 수 있다.A method of manufacturing a meta-
도 14a에 따르면, 준비된 기판(50)에 도파관층(100)이 증착될 수 있다. 도파관층(100)은 여러 증착방법 중 적어도 하나를 사용하여 증착될 수 있고, 예를 들어, 물리 기상 증착법(Physical Vapor Deposition, PVD), 화학 기상 증착법(Chemical Vapor Depostion, CVD), 플라즈마 화학 기상 증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD), 원자층 증착(Atomic Layer Deposition, ALD) 등의 증착방법이 사용될 수 있다.According to FIG. 14A , a
도 14b에 따르면, 도파관층(100) 상에 제1 전극(221)이 증착될 수 있다. 제1 전극(221) 증착은 여러 증착방법 중 적어도 하나를 사용하여 증착될 수 있고, 앞서 설명한 예시적인 증착방법이 사용될 수 있다.According to FIG. 14B , a
도 14c에 따르면, 제1 전극(221) 상에 격자 물질층(210l)이 전사(transfer)될 수 있다. 전사는 여러 증착방법 중 적어도 하나를 사용하여 증착될 수 있고, 앞서 설명한 예시적인 증착방법이 사용될 수 있다. 또는 격자 물질의 전구체 필름(precursor film)이 스핀 코팅(spin coating) 등을 다른 물질과 결합하고, 이를 통해 격자 물질층(210l)에 전사될 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않고 다양한 전사 방법이 사용될 수 있다.Referring to FIG. 14C , the grid material layer 210l may be transferred on the
도 14d에 따르면, 격자 물질층을 패터닝하여 격자(210)를 포함하는 격자 구조를 형성할 수 있다. 격자 물질층(210l)을 패터닝하기 위해 리소그래피(lithography), 식각 기술 등이 사용될 수 있다. 리소그래피는, 예를 들어, 포토리소그래피(photolithography)를 포함하고, 포토 마스크 등이 배치된 후 기판(50)과 수직한 방향으로 광을 쏘아 원하는 패턴 구조를 형성할 수 있다. 또는, 식각 기술은, 예를 들어, 건식 식각(dry etching), 습식 식각(wet etching), 반응성 이온 식각(reactive ion etching, RIE)을 포함할 수 있다. 식각을 이용하여 원하는 패턴 구조를 형성할 수 있다. 다만, 위의 설명한 예에 한정되지 않고, 다양한 패터닝 방법이 사용되어 격자 구조가 형성될 수 있다.Referring to FIG. 14D , a lattice structure including a
격자 구조를 패터닝하여 격자 구조를 형성하는 단계에서, 격자(210)가 형성되는 부분을 제외한 영역의 격자 물질층, 제1 전극(221)이 제거될 수 있다. 또한, 격자(210)가 형성되는 부분을 제외한 영역의 도파관층(100)도 일부 제거될 수 있다. 각 격자(210) 사이의 주기(Λ), 각 메타유닛(200)의 높이(t), 및/또는 메타유닛(200)의 폭(w)이 일정한 격자 구조가 형성될 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않고 일 영역은 격자(210) 사이의 주기(Λ), 메타유닛(200)의 높이(t), 또는 메타유닛(200)의 폭(w) 중 적어도 하나가 다르도록 형성될 수도 있다.In the step of patterning the lattice structure to form the lattice structure, the lattice material layer and the
도 14e에 따르면, 캡핑층 및 제2 전극(222)이 순차적으로 증착될 수 있다. 캡핑층은 유전체를 포함하는 층일 수 있으며, 제1 전극(221)과 제2 전극(222)을 전기적으로 절연시키는 역할을 할 수 있다. 캡핑층 및 제2 전극(222)의 증착은 여러 증착방법 중 적어도 하나를 사용하여 증착될 수 있고, 앞서 설명한 예시적인 증착방법이 사용될 수 있다.According to FIG. 14E , the capping layer and the
도 14a 내지 도 14e의 예시적인 메타 광학 소자(10) 제조방법을 통해, 도 15와 같이 나노 구조를 포함하는 메타 광학 소자(10)가 제작될 수 있다. 도 15에 따르면, 제작된 메타 광학 소자(10)의 주기(Λ)는 약 300 nm 내지 약 400 nm일 수 있다. 다만, 제작되는 메타 광학 소자(10)의 주기(Λ)는 상기 범위에 한정되지 않는다.A meta-
도 16은 예시적인 실시예에 따른 메타 광학 소자를 포함하는 빔 스티어링 소자(beam steering device)를 설명하기 위한 개념도이다. 16 is a conceptual diagram illustrating a beam steering device including a meta-optical device according to an exemplary embodiment.
도 16을 참조하면, 빔 스티어링 소자(1000A)를 이용해서 빔(beam)을 1차원적 방향으로 조향할 수 있다. 즉, 소정의 피사체(OBJ)를 향하여 빔을 제1 방향(DD1)에 따라 조향할 수 있다. 빔 스티어링 소자(1000A)는 예시적인 실시예들에 따른 복수 개의 메타 광학 소자(10)(30)의 1차원적 어레이를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 16 , a beam may be steered in a one-dimensional direction using a
도 17은 예시적인 실시예에 따른 메타 광학 소자를 포함하는 빔 스티어링 소자(beam steering device)를 설명하기 위한 개념도이다. 17 is a conceptual diagram for explaining a beam steering device including a meta-optical device according to an exemplary embodiment.
도 17을 참조하면, 빔 스티어링 소자(1000B)를 이용해서 빔(beam)을 2차원적 방향으로 조향할 수 있다. 즉, 소정의 피사체(OBJ)를 향하여 빔을 제1 방향(DD1) 및 이와 수직한 제2 방향(DD2)에 따라 조향할 수 있다. 빔 스티어링 소자(1000B)는 예시적인 실시예들에 따른 복수 개의 메타 광학 소자(10)(30)의 2차원적 어레이를 포함할 수 있다. 도 16 및 도 17을 참조하여 설명한 빔 스티어링 소자(1000A, 1000B)는 비기계식 빔 스캔 장치(non-mechanical beam scanning apparatus)일 수 있다. Referring to FIG. 17 , a beam may be steered in a two-dimensional direction using a
도 18는 예시적인 실시예에 따른 메타 광학 소자를 적용한 빔 스티어링 소자를 포함하는 전자 장치의 전체적인 시스템을 설명하기 위한 블럭도이다. 18 is a block diagram for explaining an overall system of an electronic device including a beam steering device to which a meta-optical device is applied according to an exemplary embodiment.
도 18를 참조하면, 전자 장치(A1)는 빔 스티어링 소자(1000)를 포함할 수 있다. 빔 스티어링 소자(1000)는 도 1 내지 도 15를 참조하여 설명한 예시적인 실시예에 따른 메타 광학 소자(10)(30)를 포함할 수 있다. 전자 장치(A1)는 빔 스티어링 소자(1000) 내에 광원부를 포함하거나, 빔 스티어링 소자(1000)와 별도로 구비된 광원부를 포함할 수 있다. 전자 장치(A1)는 빔 스티어링 소자(1000)에 의해 조향된 광이 피사체(미도시)에 의해 반사된 광을 검출하기 위한 검출부(1100)를 포함할 수 있다. 검출부(1100)는 복수 개의 광검출요소를 포함할 수 있고, 그 밖에 다른 광학 부재를 더 포함할 수 있다. 또한, 전자 장치(A1)는 빔 스티어링 소자(1000) 및 검출부(1100) 중 적어도 하나에 연결된 회로부(1200)를 더 포함할 수 있다. 회로부(1200)는 데이터를 획득하여 연산하는 연산부를 포함할 수 있고, 구동부 및 제어부 등을 더 포함할 수 있다. 또한, 회로부(1200)는 전원부 및 메모리 등을 더 포함할 수 있다. Referring to FIG. 18 , the electronic device A1 may include a
도 18에서는 전자 장치(A1)가 하나의 장치 내에 빔 스티어링 소자(1000) 및 검출부(1100)를 포함하는 경우를 도시하였지만, 빔 스티어링 소자(1000) 및 검출부(1100)는 하나의 장치로 구비되지 않고, 별도의 장치에 분리되어 구비될 수도 있다. 또한, 회로부(1200)는 빔 스티어링 소자(1000)나 검출부(1100)에 유선으로 연결되지 않고, 무선 통신으로 연결될 수 있다. 그 밖에도 도 18의 구성은 다양하게 변화될 수 있다. 18 illustrates a case where the electronic device A1 includes the
이상에서 설명한 실시예에 따른 메타 광학 소자(10)(30) 또는 이를 포함하는 빔 스티어링 소자는 다양한 전자 장치에 적용될 수 있다. 일례로, 상기 빔 스티어링 소자는 라이다(Light Detection And Ranging, LiDAR) 장치에 적용될 수 있다. 상기 라이다(LiDAR) 장치는 phase-shift 방식 또는 TOF(time-of-flight) 방식의 장치일 수 있다. 또한, 실시예에 따른 메타 광학 소자(10)(30) 또는 이를 포함하는 빔 스티어링 소자는 스마트폰, 웨어러블 기기(증강 현실 및 가상 현실 구현 안경형 기기 등), 사물 인터넷(Internet of Things(IoT)) 기기, 가전 기기, 태블릿 PC(Personal Computer), PDA(Personal Digital Assistant), PMP(portable Multimedia Player), 네비게이션(navigation), 드론(drone), 로봇, 무인자동차, 자율주행차, 첨단 운전자 보조 시스템(Advanced Drivers Assistance System; ADAS) 등과 같은 전자 기기에 탑재될 수 있다.The meta-
도 19 및 도 20는 예시적인 실시예에 따른 메타 광학 소자를 포함하는 라이다(LiDAR) 장치를 차량에 적용한 경우를 보여주는 개념도이다. 도 19은 측방에서 바라본 도면이고, 도 20는 위에서 바라본 도면이다. 19 and 20 are conceptual views illustrating cases in which a LiDAR device including a meta-optical device according to an exemplary embodiment is applied to a vehicle. 19 is a view viewed from the side, and FIG. 20 is a view viewed from above.
도 19을 참조하면, 차량(70)에 라이다(LiDAR) 장치(71)를 적용할 수 있고, 이를 이용해서 피사체(80)에 대한 정보를 획득할 수 있다. 차량(70)은 자율 주행 기능을 갖는 자동차일 수 있다. 라이다(LiDAR) 장치(71)를 이용해서, 차량(70)이 진행하는 방향에 있는 물체나 사람, 즉, 피사체(80)를 탐지할 수 있다. 또한, 송신 신호와 검출 신호 사이의 시간 차이 등의 정보를 이용해서, 피사체(80)까지의 거리를 측정할 수 있다. 또한, 도 20에 도시된 바와 같이, 스캔 범위 내에 있는 가까운 피사체(81)와 멀리 있는 피사체(82)에 대한 정보를 획득할 수 있다. Referring to FIG. 19 , a
다양한 실시예에 따른 메타 광학 소자(10)(30)는 라이다(LiDAR) 이외에 다양한 전자 장치에 적용될 수 있다. 예컨대, 다양한 실시예에 따른 메타 광학 소자(10)(30)를 이용하면 스캐닝을 통해 공간 및 피사체의 3차원적인 정보를 획득할 수 있기 때문에, 3차원 이미지 획득 장치나 3차원 카메라 등에 적용될 수 있다. 또한, 상기 메타 광학 소자(10)(30)는 홀로그래픽(holographic) 디스플레이 장치 및 구조광(structured light) 발생 장치에 적용될 수 있다. 또한, 상기 메타 광학 소자(10)(30)는 다양한 빔 스캔 장치, 홀로그램(hologram) 생성 장치, 광 결합 장치, 가변 초점 렌즈, 깊이 센서(depth sensor) 등 다양한 광학 성분/장치에 적용될 수 있다. 또한, 상기 메타 광학 소자(10)(30)는 "메타표면" 또는 "메타 구조"가 이용되는 다양한 분야에 적용될 수 있다. 그 밖에도 예시적인 실시예에 따른 메타 광학 소자(10)(30)는 및 이를 포함하는 전자 장치는 다양한 광학 및 전자기기 분야에 여러 가지 용도로 적용될 수 있다. The meta-
도 21는 예시적인 실시예에 따른 전자 장치의 개략적인 구성을 보이는 블록도이다.Fig. 21 is a block diagram showing a schematic configuration of an electronic device according to an exemplary embodiment.
도 21을 참조하면, 네트워크 환경(2200)에서 전자 장치(2201)는 제1 네트워크(2298)(근거리 무선 통신 네트워크 등)를 통하여 다른 전자 장치(2202)와 통신하거나, 또는 제2 네트워크(2299)(원거리 무선 통신 네트워크 등)를 통하여 또 다른 전자 장치(2204) 및/또는 서버(2208)와 통신할 수 있다. 전자 장치(2201)는 서버(2208)를 통하여 전자 장치(2204)와 통신할 수 있다. 전자 장치(2201)는 프로세서(2220), 메모리(2230), 입력 장치(2250), 음향 출력 장치(2255), 표시 장치(2260), 오디오 모듈(2270), 센서 모듈(2210), 인터페이스(2277), 햅틱 모듈(2279), 카메라 모듈(2280), 전력 관리 모듈(2288), 배터리(2289), 통신 모듈(2290), 가입자 식별 모듈(2296), 및/또는 안테나 모듈(2297)을 포함할 수 있다. 전자 장치(2201)에는, 이 구성요소들 중 일부(표시 장치(2260) 등)가 생략되거나, 다른 구성요소가 추가될 수 있다. 이 구성요소들 중 일부는 하나의 통합된 회로로 구현될 수 있다. 예를 들면, 센서 모듈(2210)의 지문 센서(2211)나 또는, 홍채 센서, 조도 센서 등은 표시 장치(2260)(디스플레이 등)에 임베디드되어 구현될 수 있다.Referring to FIG. 21 , in a
프로세서(2220)는, 소프트웨어(프로그램(2240) 등)를 실행하여 프로세서(2220)에 연결된 전자 장치(2201) 중 하나 또는 복수 개의 다른 구성요소들(하드웨어, 소프트웨어 구성요소 등)을 제어할 수 있고, 다양한 데이터 처리 또는 연산을 수행할 수 있다. 데이터 처리 또는 연산의 일부로, 프로세서(2220)는 다른 구성요소(센서 모듈(2210), 통신 모듈(2290) 등)로부터 수신된 명령 및/또는 데이터를 휘발성 메모리(2232)에 로드하고, 휘발성 메모리(2232)에 저장된 명령 및/또는 데이터를 처리하고, 결과 데이터를 비휘발성 메모리(2234)에 저장할 수 있다. 프로세서(2220)는 메인 프로세서(2221)(중앙 처리 장치, 어플리케이션 프로세서 등) 및 이와 독립적으로 또는 함께 운영 가능한 보조 프로세서(2223)(그래픽 처리 장치, 이미지 시그널 프로세서, 센서 허브 프로세서, 커뮤니케이션 프로세서 등)를 포함할 수 있다. 보조 프로세서(2223)는 메인 프로세서(2221)보다 전력을 작게 사용하고, 특화된 기능을 수행할 수 있다. The
보조 프로세서(2223)는, 메인 프로세서(2221)가 인액티브 상태(슬립 상태)에 있는 동안 메인 프로세서(2221)를 대신하여, 또는 메인 프로세서(2221)가 액티브 상태(어플리케이션 실행 상태)에 있는 동안 메인 프로세서(2221)와 함께, 전자 장치(2201)의 구성요소들 중 일부 구성요소(표시 장치(2260), 센서 모듈(2210), 통신 모듈(2290) 등)와 관련된 기능 및/또는 상태를 제어할 수 있다. 보조 프로세서(2223)(이미지 시그널 프로세서, 커뮤니케이션 프로세서 등)는 기능적으로 관련 있는 다른 구성 요소(카메라 모듈(2280), 통신 모듈(2290) 등)의 일부로서 구현될 수도 있다. The
메모리(2230)는, 전자 장치(2201)의 구성요소(프로세서(2220), 센서모듈(2276) 등)가 필요로 하는 다양한 데이터를 저장할 수 있다. 데이터는, 예를 들어, 소프트웨어(프로그램(2240) 등) 및, 이와 관련된 명령에 대한 입력 데이터 및/또는 출력 데이터를 포함할 수 있다. 메모리(2230)는, 휘발성 메모리(2232) 및/또는 비휘발성 메모리(2234)를 포함할 수 있다.The
프로그램(2240)은 메모리(2230)에 소프트웨어로 저장될 수 있으며, 운영 체제(2242), 미들 웨어(2244) 및/또는 어플리케이션(2246)을 포함할 수 있다. The
입력 장치(2250)는, 전자 장치(2201)의 구성요소(프로세서(2220) 등)에 사용될 명령 및/또는 데이터를 전자 장치(2201)의 외부(사용자 등)로부터 수신할 수 있다. 입력 장치(2250)는, 마이크, 마우스, 키보드, 및/또는 디지털 펜(스타일러스 펜 등)을 포함할 수 있다. The
음향 출력 장치(2255)는 음향 신호를 전자 장치(2201)의 외부로 출력할 수 있다. 음향 출력 장치(2255)는, 스피커 및/또는 리시버를 포함할 수 있다. 스피커는 멀티미디어 재생 또는 녹음 재생과 같이 일반적인 용도로 사용될 수 있고, 리시버는 착신 전화를 수신하기 위해 사용될 수 있다. 리시버는 스피커의 일부로 결합되어 있거나 또는 독립된 별도의 장치로 구현될 수 있다.The
표시 장치(2260)는 전자 장치(2201)의 외부로 정보를 시각적으로 제공할 수 있다. 표시 장치(2260)는, 디스플레이, 홀로그램 장치, 또는 프로젝터 및 해당 장치를 제어하기 위한 제어 회로를 포함할 수 있다. 표시 장치(2260)는 터치를 감지하도록 설정된 터치 회로(Touch Circuitry), 및/또는 터치에 의해 발생되는 힘의 세기를 측정하도록 설정된 센서 회로(압력 센서 등)를 포함할 수 있다. The
오디오 모듈(2270)은 소리를 전기 신호로 변환시키거나, 반대로 전기 신호를 소리로 변환시킬 수 있다. 오디오 모듈(2270)은, 입력 장치(2250)를 통해 소리를 획득하거나, 음향 출력 장치(2255), 및/또는 전자 장치(2201)와 직접 또는 무선으로 연결된 다른 전자 장치(전자 장치(2102) 등)의 스피커 및/또는 헤드폰을 통해 소리를 출력할 수 있다.The
센서 모듈(2210)은 전자 장치(2201)의 작동 상태(전력, 온도 등), 또는 외부의 환경 상태(사용자 상태 등)를 감지하고, 감지된 상태에 대응하는 전기 신호 및/또는 데이터 값을 생성할 수 있다. 센서 모듈(2210)은, 지문 센서(2211), 가속도 센서(2212), 위치 센서(2213), 3D 센서(2214)등을 포함할 수 있고, 이 외에도 홍채 센서, 자이로 센서, 기압 센서, 마그네틱 센서, 그립 센서, 근접 센서, 컬러 센서, IR(Infrared) 센서, 생체 센서, 온도 센서, 습도 센서, 및/또는 조도 센서를 포함할 수 있다. The
3D 센서(2214)는 대상체에 소정의 광을 조사하고 대상체에서 반사된 광을 분석하여 대상체의 형상, 움직임등을 센싱하는 것으로, 전술한 실시예들에 따른 메타 광학 소자(10)(30) 중 어느 하나를 구비할 수 있다. The
인터페이스(2277)는 전자 장치(2201)가 다른 전자 장치(전자 장치(2102) 등)와 직접 또는 무선으로 연결되기 위해 사용될 수 있는 하나 이상의 지정된 프로토콜들을 지원할 수 있다. 인터페이스(2277)는, HDMI(High Definition Multimedia Interface), USB(Universal Serial Bus) 인터페이스, SD카드 인터페이스, 및/또는 오디오 인터페이스를 포함할 수 있다.The
연결 단자(2278)는, 전자 장치(2201)가 다른 전자 장치(전자 장치(2102) 등)와 물리적으로 연결될 수 있는 커넥터를 포함할 수 있다. 연결 단자(2278)는, HDMI 커넥터, USB 커넥터, SD 카드 커넥터, 및/또는 오디오 커넥터(헤드폰 커넥터 등)를 포함할 수 있다.The
햅틱 모듈(2279)은 전기적 신호를 사용자가 촉각 또는 운동 감각을 통해서 인지할 수 있는 기계적인 자극(진동, 움직임 등) 또는 전기적인 자극으로 변환할 수 있다. 햅틱 모듈(2279)은, 모터, 압전 소자, 및/또는 전기 자극 장치를 포함할 수 있다.The
카메라 모듈(2280)은 정지 영상 및 동영상을 촬영할 수 있다. 카메라 모듈(2280)은 하나 이상의 렌즈를 포함하는 렌즈 어셈블리, 이미지 센서들, 이미지 시그널 프로세서들, 및/또는 플래시들을 포함할 수 있다. 카메라 모듈(2280)에 포함된 렌즈 어셈블리는 이미지 촬영의 대상인 피사체로부터 방출되는 빛을 수집할 수 있으며, 이러한 렌즈 어셈블리에는 전술한 실시예들에 따른 메타 광학 소자(10)(30) 중 어느 하나가 포함될 수 있다. The
전력 관리 모듈(2288)은 전자 장치(2201)에 공급되는 전력을 관리할 수 있다. 전력 관리 모듈(2288)은, PMIC(Power Management Integrated Circuit)의 일부로서 구현될 수 있다.The
배터리(2289)는 전자 장치(2201)의 구성 요소에 전력을 공급할 수 있다. 배터리(2289)는, 재충전 불가능한 1차 전지, 재충전 가능한 2차 전지 및/또는 연료 전지를 포함할 수 있다.The
통신 모듈(2290)은 전자 장치(2201)와 다른 전자 장치(전자 장치(2102), 전자 장치(2104), 서버(2108) 등)간의 직접(유선) 통신 채널 및/또는 무선 통신 채널의 수립, 및 수립된 통신 채널을 통한 통신 수행을 지원할 수 있다. 통신 모듈(2290)은 프로세서(2220)(어플리케이션 프로세서 등)와 독립적으로 운영되고, 직접 통신 및/또는 무선 통신을 지원하는 하나 이상의 커뮤니케이션 프로세서를 포함할 수 있다. 통신 모듈(2290)은 무선 통신 모듈(2292)(셀룰러 통신 모듈, 근거리 무선 통신 모듈, GNSS(Global Navigation Satellite System 등) 통신 모듈) 및/또는 유선 통신 모듈(2294)(LAN(Local Area Network) 통신 모듈, 전력선 통신 모듈 등)을 포함할 수 있다. 이들 통신 모듈 중 해당하는 통신 모듈은 제1 네트워크(2298)(블루투스, WiFi Direct 또는 IrDA(Infrared Data Association) 같은 근거리 통신 네트워크) 또는 제2 네트워크(2299)(셀룰러 네트워크, 인터넷, 또는 컴퓨터 네트워크(LAN, WAN 등)와 같은 원거리 통신 네트워크)를 통하여 다른 전자 장치와 통신할 수 있다. 이런 여러 종류의 통신 모듈들은 하나의 구성 요소(단일 칩 등)로 통합되거나, 또는 서로 별도의 복수 개의 구성 요소들(복수 칩들)로 구현될 수 있다. 무선 통신 모듈(2292)은 가입자 식별 모듈(2296)에 저장된 가입자 정보(국제 모바일 가입자 식별자(IMSI) 등)를 이용하여 제1 네트워크(2298) 및/또는 제2 네트워크(2299)와 같은 통신 네트워크 내에서 전자 장치(2201)를 확인 및 인증할 수 있다. The
안테나 모듈(2297)은 신호 및/또는 전력을 외부(다른 전자 장치 등)로 송신하거나 외부로부터 수신할 수 있다. 안테나는 기판(PCB 등) 위에 형성된 도전성 패턴으로 이루어진 방사체를 포함할 수 있다. 안테나 모듈(2297)은 하나 또는 복수 개의 안테나들을 포함할 수 있다. 복수 개의 안테나가 포함된 경우, 통신 모듈(2290)에 의해 복수 개의 안테나들 중에서 제1 네트워크(2298) 및/또는 제2 네트워크(2299)와 같은 통신 네트워크에서 사용되는 통신 방식에 적합한 안테나가 선택될 수 있다. 선택된 안테나를 통하여 통신 모듈(2290)과 다른 전자 장치 간에 신호 및/또는 전력이 송신되거나 수신될 수 있다. 안테나 외에 다른 부품(RFIC 등)이 안테나 모듈(2297)의 일부로 포함될 수 있다.The
구성요소들 중 일부는 주변 기기들간 통신 방식(버스, GPIO(General Purpose Input and Output), SPI(Serial Peripheral Interface), MIPI(Mobile Industry Processor Interface) 등)을 통해 서로 연결되고 신호(명령, 데이터 등)를 상호 교환할 수 있다.Some of the components are connected to each other through communication methods (bus, GPIO (General Purpose Input and Output), SPI (Serial Peripheral Interface), MIPI (Mobile Industry Processor Interface), etc.) and signal (command, data, etc.) ) are interchangeable.
명령 또는 데이터는 제2 네트워크(2299)에 연결된 서버(2108)를 통해서 전자 장치(2201)와 외부의 전자 장치(2204)간에 송신 또는 수신될 수 있다. 다른 전자 장치들(2202, 2204)은 전자 장치(2201)와 동일한 또는 다른 종류의 장치일 수 있다. 전자 장치(2201)에서 실행되는 동작들의 전부 또는 일부는 다른 전자 장치들(2202, 2204, 2208) 중 하나 이상의 장치들에서 실행될 수 있다. 예를 들면, 전자 장치(2201)가 어떤 기능이나 서비스를 수행해야 할 때, 기능 또는 서비스를 자체적으로 실행시키는 대신에 하나 이상의 다른 전자 장치들에게 그 기능 또는 그 서비스의 일부 또는 전체를 수행하라고 요청할 수 있다. 요청을 수신한 하나 이상의 다른 전자 장치들은 요청과 관련된 추가 기능 또는 서비스를 실행하고, 그 실행의 결과를 전자 장치(2201)로 전달할 수 있다. 이를 위하여, 클라우드 컴퓨팅, 분산 컴퓨팅, 및/또는 클라이언트-서버 컴퓨팅 기술이 이용될 수 있다.Commands or data may be transmitted or received between the
도 22은 도 21의 전자 장치에 구비되는 카메라 모듈의 개략적인 구성을 예시적으로 보이는 블록도이다.22 is a block diagram showing a schematic configuration of a camera module included in the electronic device of FIG. 21 as an example.
도 22을 참조하면, 카메라 모듈(2280)은 렌즈 어셈블리(2310), 플래쉬(2320), 이미지 센서(2330), 이미지 스태빌라이저(2340), 메모리(2350)(버퍼 메모리 등), 및/또는 이미지 시그널 프로세서(2360)를 포함할 수 있다. 렌즈 어셈블리(2310)는 이미지 촬영의 대상인 피사체로부터 방출되는 빛을 수집할 수 있으며, 전술한 메타 광학 소자(10)(30) 중 어느 하나가 포함될 수 있다. 렌즈 어셈블리(2310)는 하나 이상의 굴절 렌즈와 광 변조기를 포함할 수 있다. 이에 구비되는 광 변조기는 소정의 위상 프로파일을 가지며 보상구조물을 구비하여 위상 불연속성이 감소하는 렌즈로 설계될 수 있다. 이러한 광 변조기를 구비하는 렌즈 어셈블리(2310)는 원하는 광학 성능을 구현하며 짧은 광학 전장을 가질 수 있다. Referring to FIG. 22 , a
카메라 모듈(2280)은 이외에도, 액츄에이터를 더 구비할 수 있다. 액츄에이터는 예를 들어, 주밍(zooming) 및/또는 오토포커스(AF)를 위해 렌즈 어셈블리(2310)를 구성하는 렌즈 요소들의 위치를 구동하고 렌즈 요소들간 이격 거리를 조절할 수 있다. The
카메라 모듈(2280)은 복수 개의 렌즈 어셈블리(2310)들을 포함할 수도 있으며, 이런 경우, 카메라 모듈(2280)은, 듀얼 카메라, 360도 카메라, 또는 구형 카메라(Spherical Camera)가 될 수 있다. 복수 개의 렌즈 어셈블리(2310)들 중 일부는 동일한 렌즈 속성(화각, 초점 거리, 자동 초점, F 넘버(F Number), 광학 줌 등)을 갖거나, 또는 다른 렌즈 속성들을 가질 수 있다. 렌즈 어셈블리(2310)는, 광각 렌즈 또는 망원 렌즈를 포함할 수 있다. The
플래쉬(2320)는 피사체로부터 방출 또는 반사되는 빛을 강화하기 위하여 사용되는 빛을 방출할 수 있다. 플래쉬(2320)는 하나 이상의 발광 다이오드들(RGB(Red-Green-Blue) LED, White LED, Infrared LED, Ultraviolet LED 등), 및/또는 Xenon Lamp를 포함할 수 있다. 이미지 센서(2330)는 피사체로부터 방출 또는 반사되어 렌즈 어셈블리(2310)를 통해 전달된 빛을 전기적인 신호로 변환함으로써, 피사체에 대응하는 이미지를 획득할 수 있다. 이미지 센서(2330)는, RGB 센서, BW(Black and White) 센서, IR 센서, 또는 UV 센서와 같이 속성이 다른 이미지 센서들 중 선택된 하나 또는 복수 개의 센서들을 포함할 수 있다. 이미지 센서(2330)에 포함된 각각의 센서들은, CCD(Charged Coupled Device) 센서 및/또는 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 센서로 구현될 수 있다.The
이미지 스태빌라이저(2340)는 카메라 모듈(2280) 또는 이를 포함하는 전자 장치(2301)의 움직임에 반응하여, 렌즈 어셈블리(2310)에 포함된 하나 또는 복수 개의 렌즈 또는 이미지 센서(2330)를 특정한 방향으로 움직이거나 이미지 센서(2330)의 동작 특성을 제어(리드 아웃(Read-Out) 타이밍의 조정 등)하여 움직임에 의한 부정적인 영향이 보상되도록 할 수 있다. 이미지 스태빌라이저(2340)는 카메라 모듈(2280)의 내부 또는 외부에 배치된 자이로 센서(미도시) 또는 가속도 센서(미도시)를 이용하여 카메라 모듈(2280) 또는 전자 장치(2301)의 움직임을 감지할 수 있다. 이미지 스태빌라이저(2340)는, 광학식으로 구현될 수도 있다. The
메모리(2350)는 이미지 센서(2330)를 통하여 획득된 이미지의 일부 또는 전체 데이터가 다음 이미지 처리 작업을 위하여 저장할 수 있다. 예를 들어, 복수 개의 이미지들이 고속으로 획득되는 경우, 획득된 원본 데이터(Bayer-Patterned 데이터, 고해상도 데이터 등)는 메모리(2350)에 저장하고, 저해상도 이미지만을 디스플레이 해준 후, 선택된(사용자 선택 등) 이미지의 원본 데이터가 이미지 시그널 프로세서(2360)로 전달되도록 하는데 사용될 수 있다. 메모리(2350)는 전자 장치(2201)의 메모리(2230)로 통합되어 있거나, 또는 독립적으로 운영되는 별도의 메모리로 구성될 수 있다.The
이미지 시그널 프로세서(2360)는 이미지 센서(2330)를 통하여 획득된 이미지 또는 메모리(2350)에 저장된 이미지 데이터에 대하여 하나 이상의 이미지 처리들을 수행할 수 있다. 하나 이상의 이미지 처리들은, 깊이 지도(Depth Map) 생성, 3차원 모델링, 파노라마 생성, 특징점 추출, 이미지 합성, 및/또는 이미지 보상(노이즈 감소, 해상도 조정, 밝기 조정, 블러링(Blurring), 샤프닝(Sharpening), 소프트닝(Softening) 등)을 포함할 수 있다. 이미지 시그널 프로세서(2360)는 카메라 모듈(2280)에 포함된 구성 요소들(이미지 센서(2330) 등)에 대한 제어(노출 시간 제어, 또는 리드 아웃 타이밍 제어 등)를 수행할 수 있다. 이미지 시그널 프로세서(2360)에 의해 처리된 이미지는 추가 처리를 위하여 메모리(2350)에 다시 저장 되거나 카메라 모듈(2280)의 외부 구성 요소(메모리(2230), 표시 장치(2260), 전자 장치(2202), 전자 장치(2204), 서버(2208) 등)로 제공될 수 있다. 이미지 시그널 프로세서(2360)는 프로세서(2220)에 통합되거나, 프로세서(2220)와 독립적으로 운영되는 별도의 프로세서로 구성될 수 있다. 이미지 시그널 프로세서(2360)가 프로세서(2220)와 별도의 프로세서로 구성된 경우, 이미지 시그널 프로세서(2360)에 의해 처리된 이미지는 프로세서(2220)에 의하여 추가의 이미지 처리를 거친 후 표시 장치(2260)를 통해 표시될 수 있다.The
전자 장치(2201)는 각각 다른 속성 또는 기능을 가진 복수 개의 카메라 모듈(2280)들을 포함할 수 있다. 이런 경우, 복수 개의 카메라 모듈(2280)들 중 하나는 광각 카메라이고, 다른 하나는 망원 카메라일 수 있다. 유사하게, 복수 개의 카메라 모듈(2280)들 중 하나는 전면 카메라이고, 다른 하나는 후면 카메라일 수 있다.The
도 23은 도 21의 전자 장치에 구비되는 3D 센서의 개략적인 구성을 보이는 블록도이다.FIG. 23 is a block diagram showing a schematic configuration of a 3D sensor included in the electronic device of FIG. 21 .
3D 센서(2214)는 대상체에 소정의 광을 조사하고 대상체에서 반사된 광을 수신, 분석하여 대상체의 형상, 움직임 등을 센싱하는 것이다. 3D 센서(2214)는 광원(2420), 광 변조기(2410), 광 검출부(2430), 신호처리부(2440) 메모리(2450)를 포함한다. 광 변조기(2410)로는 전술한 실시예들에 따른 메타 광학 소자(10)(30) 중 어느 하나가 채용될 수 있고, 빔 디플렉터 또는 빔 쉐이퍼로 기능하도록 타겟 위상 지연 프로파일이 설정될 수 있다. The
광원(2420)은 대상체의 형상이나 위치 분석에 사용할 광을 조사한다. 광원(2420)은 소장 파장의 광을 생성, 조사하는 광원을 포함할 수 있다. 광원(2420)은 대상체의 위치, 형상 분석에 적합한 파장 대역의 광, 예를 들어, 적외선 대역 파장의 광을 생성 조사하는 LD(laser diode), LED(light emitting diode), SLD(super luminescent diode)등의 광원을 포함할 수 있다. 광원(2420)은 파장 가변의 레이저 다이오드일 수 있다. 광원(2420)은 복수 개의 서로 다른 파장 대역의 광을 생성 조사할 수도 있다. 광원(2420)은 펄스광 또는 연속광을 생성 조사할 수 있다.The
광 변조기(2410)는 광원(2420)에서 조사한 광을 변조하여 대상체로 전달한다. 광 변조기(2410)가 빔 디플렉터인 경우, 광 변조기(2410)는 입사광을 소정 방향으로 편향시켜 대상체를 향하게 할 수 있다. 광 변조기(2410)가 빔 쉐이퍼인 경우, 광 변조기(2410)는 입사광이 소정 패턴을 가지는 분포를 갖도록 입사광을 변조한다. 광 변조기(2410)는 3차원 형상 분석에 적합한 구조광(structured light)을 형성할 수도 있다.The
광 변조기(2410)는 전술한 바와 같이, 위상 지연 분산(∂φ/∂λ)을 0 또는 양수, 음수로 설정하고, 연속적인 위상 지연 프로파일을 구현할 수 있다. 따라서, 파장에 따른 편차가 없는(achromatic) 광 변조를 수행할 수 있다. 또는 반대로, 파장에 따른 편차가 강화되게 하여, 파장별로 편향 방향을 달리하거나, 파장별로 다른 빔 패턴을 형성하여 대상체에 조사할 수도 있다. As described above, the
광검출부(2430)는 광 변조기(2410)를 경유하여 대상체에 조사된 광의 반사광을 수신한다. 광검출부(24430)는 광을 센싱하는 복수 개의 센서들의 어레이를 포함할 수 있고 또는 하나의 센서만으로 이루어질 수도 있다. The
신호처리부(2440)는 광검출부(2430)에서 센싱된 신호를 처리하여 대상체의 형상 등을 분석할 수 있다. 신호처리부(2440)는 대상체의 깊이 위치를 포함하는 3차원 형상을 분석할 수 있다. The
3차원 형상 분석을 위해, 광 비행 시간(Time of Flight) 측정을 위한 연산이 수행될 수 있다. 광비행시간 측정을 위해 다양한 연산법이 사용될 수 있다. 예를 들어, 직접 시간 측정 방법은 대상체에 펄스광을 투사하고 피사체에 반사되어 광이 돌아오는 시간을 타이머로 측정하여 거리를 구한다. 상관법(correlation)은 펄스광을 대상체에 투사하고 대상체로부터 반사되어 돌아오는 반사광의 밝기로부터 거리를 측정한다. 위상지연 측정 방법은 사인파와 같은 연속파(continuous wave) 광을 대상체에 투사하고 반사되어 돌아오는 반사광의 위상차를 감지하여 거리로 환산하는 방법이다. For 3D shape analysis, an operation for measuring the time of flight of light may be performed. Various algorithms can be used to measure the optical time-of-flight. For example, in the direct time measurement method, a distance is obtained by projecting pulsed light onto an object and measuring the time for the light to return after being reflected by the object with a timer. In the correlation method, pulsed light is projected onto an object and a distance is measured from brightness of reflected light reflected from the object and returned. The phase delay measurement method is a method of projecting continuous wave light such as a sine wave onto an object and detecting a phase difference of reflected light that is reflected back and converting it into a distance.
대상체에 구조광이 조사된 경우, 대상체에서 반사된 구조광의 패턴 변화, 즉, 입사된 구조광 패턴과 비교한 결과로부터 대상체의 깊이 위치를 연산할 수 있다. 대상체에서 반사된 구조광의 좌표별 패턴 변화를 추적하여 대상체의 깊이 정보를 추출할 수 있고, 이로부터 대상체의 형상, 움직임과 관련된 3차원 정보를 추출할 수 있다. When the structured light is irradiated to the object, the depth position of the object may be calculated from a result of comparison with a pattern change of the structured light reflected from the object, that is, an incident structured light pattern. Depth information of the object may be extracted by tracking a pattern change for each coordinate of the structured light reflected from the object, and 3D information related to the shape and motion of the object may be extracted therefrom.
메모리(2450)에는 신호처리부(2440)의 연산에 필요한 프로그램 및 기타 데이터들이 저장될 수 있다. The
신호처리부(2440)에서의 연산 결과, 즉, 대상체의 형상, 위치에 대한 정보는 전자 장치(2200)내의 다른 유닛으로 또는 다른 전자 장치로 전송될 수 있다. 예를 들어, 메모리(2230)에 저장된 어플리케이션(2246)에서 이러한 정보가 사용될 수 있다. 결과가 전송되는 다른 전자 장치는 결과를 출력하는 디스플레이 장치나 프린터일 수도 있다. 이외에도, 무인자동차, 자율주행차, 로봇, 드론 등과 같은 자율 구동 기기, 스마트 폰(smart phone), 스마트 워치(smart watch), 휴대폰, PDA(personal digital assistant), 랩톱(laptop), PC, 다양한 웨어러블(wearable) 기기, 기타 모바일 또는 비모바일 컴퓨팅 장치 및 사물 인터넷 기기일 수 있으며, 이에 제한되지 않는다.An operation result of the
도 24는 예시적인 실시예에 따른 전자 장치의 개략적인 구성을 보이는 블록도이다.Fig. 24 is a block diagram showing a schematic configuration of an electronic device according to an exemplary embodiment.
도 24의 전자 장치(3000)는 안경형 증강 현실(Augmented Reality, AR) 장치일 수 있다. 전자 장치(3000)는 디스플레이 엔진(3400), 프로세서(3300), 시선 추적 센서(3100), 인터페이스(3500), 및 메모리(3220)를 포함한다. The
프로세서(3300)는 운영체제 또는 응용 프로그램을 구동하여 디스플레이 엔진(3400)을 포함한 증강 현실 장치의 전반적인 동작을 제어할 수 있고, 영상 데이터를 포함한 각종 데이터 처리 및 연산을 수행할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(3300)는 양안 시차를 갖도록 랜더링된 좌안 가상 이미지와 우안 가상 이미지를 포함하는 영상 데이터를 처리할 수 있다. The
인터페이스(3500)는 외부로부터 데이터나 조작명령이 입출력되는 것으로서, 예를 들어 사용자가 조작 가능한 터치 패드, 컨트롤러, 조작 버튼 등과 같은 사용자 인터페이스를 포함할 수 있다. 인터페이스(3500)는 USB 모듈과 같은 유선통신 모듈이나, 블루투스와 같은 무선통신 모듈을 포함하고 이들을 통해 외부 기기에 포함된 인터페이스로부터 전달되는 사용자의 조작 정보나 가상 이미지의 데이터를 수신할 수도 있다.The
메모리(3200)는 휘발성 메모리나 비휘발성 메모리와 같은 내장 메모리를 포함할 수 있다. 메모리(3200)는 프로세서(3300)의 제어에 의해 증강 현실 장치를 구동하고 제어하는 다양한 데이터, 프로그램 또는 어플리케이션과, 입력/출력되는 신호 또는 가상 이미지의 데이터를 저장할 수 있다.The
디스플레이 엔진(3400)은 프로세서(3300)에서 생성되는 영상 데이터를 전달받아 가상 이미지의 광을 생성하도록 구성된 것으로서, 좌안 광학 엔진(3410), 우안 광학 엔진(3420)을 포함한다. 좌안 광학 엔진(3410), 우안 광학 엔진(3420) 각각은 광을 출력하는 광원과 광원으로부터 출력되는 광을 이용하여 가상 이미지를 형성하는 디스플레이 패널로 구성되며 소형 프로젝터와 같은 기능을 가진다. 광원은 예를 들어 LED로 구현 가능하며, 디스플레이 패널은 예를 들어 LCoS (Liquid Crystal on Silicon)로 구현 가능하다.The
시선 추적 센서(3100)는 증강 현실 장치를 착용한 사용자의 동공이 추적 가능한 위치에 장착되어, 사용자의 시선 정보에 대응되는 신호를 프로세서(3100)에 전송할 수 있다. 이와 같은 시선 추적 센서(3100)는 사용자 눈이 향하는 시선 방향, 사용자 눈의 동공 위치 또는 동공의 중심점 좌표 등 시선 정보를 검출할 수 있다. 프로세서(3300)는 시선 추적 센서(3100)에서 검출된 사용자의 시선 정보에 기초하여, 안구 움직임(eye movement) 형태를 판단할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(3300)는 시선 추적 센서로부터 획득된 시선 정보에 기초하여, 어느 한 곳을 주시하는 고정(fixation), 움직이는 객체를 쫓는 추적(pursuit), 한 응시 지점에서 다른 응시 지점으로 신속하게 시선이 이동하는 도약(saccade) 등을 포함한 다양한 형태의 시선 움직임을 판단할 수 있다.The
도 25은 도 24의 전자 장치에 구비되는 시선 추적 센서의 개략적인 구성을 보이는 블록도이다. FIG. 25 is a block diagram showing a schematic configuration of an eye tracking sensor included in the electronic device of FIG. 24 .
시선 추적 센서(3100)는 조명 광학부(3110), 검출 광학부(3120), 신호처리부(3150), 메모리(3160)를 포함한다. 조명 광학부(3110)는 대상체(사용자의 눈) 위치에 광, 예를 들어, 적외선 광을 조사하는 광원을 포함할 수 있다. 검출 광학부(3150)는 반사된 광을 검출하는 것으로, 메타 렌즈(3130), 센서부(3140)를 포함할 수 있다. 신호처리부(3150)는 검출 광학부(3120)에서 센싱한 결과로부터 사용자 눈의 동공 위치 등을 연산한다.The
메타 렌즈(3130)로는 전술한 실시예들에 따른 메타 광학 소자(10)(30) 중의 어느 하나 또는 조합, 변형된 예가 사용될 수 있다. 메타 렌즈(3130)는 대상체로부터의 광을 센서부(3140)에 집광할 수 있다. 사용자의 눈에 매우 가깝게 위치하게 되는 시선 추적 센서(3100)에서 센서부(3140)에 입사하는 광의 입사각은 예를 들어, 30도 이상, 또는 그 이상으로 클 수 있다. 메타 렌즈(3130)는 보상 영역을 구비한 구조를 가지며 입사각이 큰 광에 대해서도 효율 저하가 감소한다. 따라서, 시선 추적의 정확성이 높아질 수 있다. As the
안경형 장치는, 증강 현실(AR)뿐만 아니라 안경형 가상 현실(Virtual Reality, VR) 장치로도 사용되어, 장치로부터 제공되는 가상 현실 이미지(VR image)에 대한 사용자의 시선을 추적도 가능할 수 있다.The glasses-type device may be used as a glasses-type virtual reality (VR) device as well as an augmented reality (AR) device, and may track a user's gaze with respect to a VR image provided from the device.
상술한 메타 광학 소자(10)(30) 및 이를 포함하는 전자 장치는 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 명세서의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다. The above-described meta-
10,30: 메타 광학 소자
50,60: 기판
100: 도파관층
110: 제1 면
120: 제2 면
200: 복수 개의 메타유닛
210: 격자
221: 제1 전극
222: 제2 전극
230: 유전체층
Λ: 주기
t: 메타유닛의 높이
w: 메타유닛의 폭
AE: 능동 요소10,30: meta-
100: waveguide layer 110: first surface
120: second side 200: multiple metaunits
210
222: second electrode 230: dielectric layer
Λ: period t: height of metaunit
w: the width of the metaunit
AE: active element
Claims (20)
상기 도파관층 상에 배치되며, 2차원 물질을 포함하는 격자(grating), 상기 격자 하부에 배치된 제1 전극, 상기 격자 상부에 배치된 유전체층 및 상기 유전체층 상에 배치된 제2 전극을 각각 포함하는 복수 개의 메타유닛;을 포함하며,
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에 전압이 인가되면 상기 격자의 유전율이 변하고, 입사되는 광에 대한 반사율이 변하는 메타 광학 소자.a waveguide layer including a first surface and a second surface facing the first surface; and
It is disposed on the waveguide layer and includes a grating including a two-dimensional material, a first electrode disposed under the grating, a dielectric layer disposed above the grating, and a second electrode disposed on the dielectric layer, respectively. A plurality of meta units; including,
A meta-optical device in which a permittivity of the grating is changed and a reflectance of incident light is changed when a voltage is applied to the first electrode and the second electrode.
상기 격자의 유전율의 변화는 상기 격자의 엑시톤 밀도(exciton density)의 변화에 기인하며,
상기 전압은 상기 격자의 엑시톤 공진(exciton resonance)을 발생시키는 크기를 갖는 메타 광학 소자.According to claim 1,
The change in the permittivity of the lattice is due to a change in the exciton density of the lattice,
The meta-optical element of claim 1, wherein the voltage has a size that generates exciton resonance of the lattice.
상기 복수 개의 메타유닛 각각에 포함된 상기 격자는 제1 방향으로 이격되어 배치되며,
상기 도파관층은 상기 격자에 의해 회절된 상기 광이 상기 제1 면과 상기 제2 면 사이에서 반사되어 격자가 배열된 제1 방향을 향해 가이디드 모드 공진(guided mode resonance)하도록 구성되는 메타 광학 소자.According to claim 1,
The grids included in each of the plurality of meta units are spaced apart from each other in a first direction,
The waveguide layer is a meta-optical element configured such that the light diffracted by the grating is reflected between the first surface and the second surface to form guided mode resonance toward a first direction in which the grating is arranged .
상기 복수 개의 메타유닛은,
상기 제1 방향 및 상기 제1 방향과 수직인 제2 방향으로 배열되는 메타 광학 소자.According to claim 3,
The plurality of meta units,
Meta-optical elements arranged in the first direction and in a second direction perpendicular to the first direction.
상기 광은 상기 격자가 포함하는 물질의 엑시톤(exciton) 흡수 파장이면서 가이디드 모드 공진 파장인 제1 파장의 광을 포함하며,
상기 격자의 주기는 상기 제1 파장보다 작아 고차 모드 회절(high order diffraction)이 차단되는 메타 광학 소자.According to claim 3,
The light includes light of a first wavelength that is an exciton absorption wavelength of a material included in the grating and is a bonded mode resonance wavelength,
The meta-optical element in which the period of the grating is smaller than the first wavelength and high order mode diffraction is blocked.
상기 제1 파장보다 큰 제2 파장의 광이 입사하면, 가이디드 모드 공진 파장이 블루 시프트(blue-shift)되며,
상기 제1 파장보다 작은 제3 파장의 광이 입사하면, 가이디드 모드 공진 파장이 레드 시프트(red-shift)되는 메타 광학 소자.According to claim 5,
When light of a second wavelength greater than the first wavelength is incident, the bonded mode resonance wavelength is blue-shifted,
When light of a third wavelength smaller than the first wavelength is incident, the meta-optical element in which the bonded mode resonance wavelength is red-shifted (red-shift).
상기 격자는 그래핀, 전이 금속 디칼코게나이드(Transition Metal Dichalcogenide, TMDc), 2차원 반도체 물질 중 적어도 하나를 포함하며,
상기 광의 파장은 10 nm 내지 3000 μm인 메타 광학 소자.According to claim 1,
The lattice includes at least one of graphene, transition metal dichalcogenide (TMDc), and a two-dimensional semiconductor material,
The wavelength of the light is 10 nm to 3000 μm meta-optical device.
상기 격자는 이황화텅스텐(WS2)을 포함하며,
상기 광의 파장은 600 nm 내지 630 nm인 메타 광학 소자.According to claim 1,
The grid includes tungsten disulfide (WS 2 ),
The wavelength of the light is 600 nm to 630 nm meta-optical device.
상기 복수 개의 메타유닛 각각은,
상기 복수 개의 메타유닛 각각이 포함하는 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극을 통해 독립적으로 전압이 인가되는 메타 광학 소자.According to claim 1,
Each of the plurality of meta units,
A meta-optical element to which voltages are independently applied through the first electrode and the second electrode included in each of the plurality of meta-units.
상기 광에 대한 반사율 또는 투과율 중 적어도 하나는 전압을 인가한 경우와 전압을 인가하지 않은 경우가 20% 이상 차이를 가지는 메타 광학 소자.According to claim 9,
At least one of the reflectance or transmittance of the light has a difference of 20% or more between a case where a voltage is applied and a case where a voltage is not applied.
상기 메타 광학 소자는 100 이상의 Q 인자(Q-factor)를 갖는 메타 광학 소자.According to claim 1,
The meta-optical element has a Q-factor of 100 or more.
상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극은,
인듐 주석 산화물(ITO), 알루미늄 아연 산화물(AZO), 인듐 아연 산화물(IZO), 또는 인듐 갈륨 아연 산화물(IGZO) 중 적어도 하나를 포함하며,
상기 도파관층은 산화실리콘(SiO2), 산화하프늄(HfO2), 산화타이타늄(TiO2) 또는 산화알루미늄(Al2O3) 중 적어도 하나를 포함하는 메타 광학 소자.According to claim 1,
The first electrode or the second electrode,
at least one of indium tin oxide (ITO), aluminum zinc oxide (AZO), indium zinc oxide (IZO), or indium gallium zinc oxide (IGZO);
The waveguide layer includes at least one of silicon oxide (SiO 2 ), hafnium oxide (HfO 2 ), titanium oxide (TiO 2 ), or aluminum oxide (Al 2 O 3 ).
상기 복수 개의 메타유닛 중 일 메타유닛이 포함하는 제2 전극은 상기 일 메타유닛이 포함하는 격자의 상부면 및 측면을 감싸며,
상기 도파관층을 따라 연장되는 메타 광학 소자.According to claim 1,
A second electrode included in one meta-unit among the plurality of meta-units surrounds the upper and side surfaces of the lattice included in the one meta-unit;
A meta-optical element extending along the waveguide layer.
상기 도파관층은,
슬랩(slab), 릿지(ridge), 채널(channel), 스트립로드(strip-loaded), 배리드(buried), 또는 광결정(photonic crystal) 중 적어도 하나의 형태인 메타 광학 소자.According to claim 1,
The waveguide layer,
A meta-optical element in the form of at least one of a slab, ridge, channel, strip-loaded, buried, or photonic crystal.
상기 메타 광학 소자는 전기적 조율(electrical tuning)이 가능한 메타 광학 소자.According to claim 1,
The meta-optical element is a meta-optical element capable of electrical tuning.
상기 도파관층 상에 배치되며, 2차원 물질을 포함하는 격자 및 상기 격자에 자극을 인가하는 능동 요소를 각각 포함하는 복수 개의 메타유닛;을 포함하고,
상기 능동 요소에 의해 상기 능동 요소에 대응되는 상기 격자에 자극이 인가되면 상기 격자의 유전율이 변하고, 입사되는 광에 대한 반사율이 변하는 메타 광학 소자.waveguide layer; and
A plurality of metaunits disposed on the waveguide layer and each including a lattice comprising a two-dimensional material and an active element for applying a stimulus to the lattice;
When a stimulus is applied to the grating corresponding to the active element by the active element, the permittivity of the grating changes and the reflectance of incident light changes.
상기 능동 요소는,
상기 2차원 물질에 엑시톤 공진(exciton resonance)을 발생시키고,
전기적 게이팅(electrical gating) 구조, 광학적 자극(optical stimulation) 구조, 화학적 반응(chemical reaction) 구조, 자기장 인가 구조, 가열(heating) 구조, 또는 기계적 변형 구조 중 적어도 하나를 포함하는 메타 광학 소자.According to claim 16,
The active element is
Generating exciton resonance in the two-dimensional material,
A meta-optical device including at least one of an electrical gating structure, an optical stimulation structure, a chemical reaction structure, a magnetic field application structure, a heating structure, and a mechanical deformation structure.
상기 복수 개의 메타유닛은,
상기 복수 개의 메타유닛 각각에 포함된 상기 능동 요소에 의해 독립적으로 자극을 인가받는 메타 광학 소자.According to claim 16,
The plurality of meta units,
A meta-optical element to which stimuli are independently applied by the active element included in each of the plurality of meta-units.
상기 능동 요소의 자극 여부에 따라 상기 광에 대한 반사율 또는 투과율 중 적어도 하나는 20% 이상 차이를 가지며,
상기 메타 광학 소자는 Q 인자가 100 이상인 메타 광학 소자.According to claim 16,
Depending on whether the active element is stimulated, at least one of the reflectance or transmittance for the light has a difference of 20% or more,
The meta-optical element has a Q factor of 100 or more.
An electronic device comprising a; meta-optical element according to any one of claims 1 to 19.
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2021
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