KR20230075212A

KR20230075212A - Metasurface doublet-based flat retroreflector enabling free-space optical link method

Info

Publication number: KR20230075212A
Application number: KR1020210161595A
Authority: KR
Inventors: 이상신; 이홍량; 이우빈
Original assignee: 광운대학교 산학협력단
Priority date: 2021-11-22
Filing date: 2021-11-22
Publication date: 2023-05-31
Also published as: KR102611087B1

Abstract

According to one aspect of the present invention, a flat retroreflector based on a metasurface doublet is provided. The flat retroreflector comprises: a dielectric layer substrate; a front metasurface formed on a front surface part of the dielectric layer substrate and formed as a set of first unit cells in which a first group of cylindrical nanopillars are formed at the center; a rear metasurface formed on a rear surface part of the dielectric layer substrate and formed as a set of second unit cells including a second group of cylindrical nanopillars; and an aluminum layer formed on a lower part of the rear surface part metasurface, thereby enabling reliable, angular and tolerant free-space optical links.

Description

Metasurface doublet-based flat retroreflector device and free-space optical communication link method using the same

본 발명은 메타표면 더블렛 기반의 평면 역반사기 장치 및 이를 이용한 자유공간 광통신 링크 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a planar retroreflector device based on a metasurface doublet and a free-space optical communication link method using the same.

역반사기(RetroReflector)는 그 특별한 기능을 살려 도로 교통안전, 특수 블라인드, 광소자, resonator 등 다양한 분야에서 활용 영역이 넓어져 가고 있다. 특히 근래에는 '역반사구조체'를 창문의 차양 및 채광 구조물로서 도입하여 조명을 스마트화하는 경우도 제시되고 있다. The use of retroreflectors is expanding in various fields such as road traffic safety, special blinds, optical devices, and resonators by taking advantage of their special functions. In particular, in recent years, a case of smart lighting by introducing a 'reverse reflection structure' as a window shading and lighting structure has been proposed.

광학 역반사기는 입사광을 광원으로 정확하게 재지향하고 5G 및 6G 네트워크, 증강/혼합 현실, 광학 센서, 및 레이저 추적에 사용된다.Optical retroreflectors accurately redirect incident light to light sources and are used in 5G and 6G networks, augmented/mixed reality, optical sensors, and laser tracking.

이동식(예: 항공기, 선박, 위성)과 고정식 단말기 간의 무선 데이터 전송의 경우 및 자유 공간 광통신의 경우에 수동 및 능동 변조 역반사기가 광범위하게 사용된다. Passive and active modulation retroreflectors are widely used in the case of wireless data transmission between mobile (eg aircraft, ship, satellite) and stationary terminals and in the case of free space optical communication.

기하학적 광학 장치와 관련된 파면은 상대적으로 긴 전파 거리에 걸쳐 축적된 위상 편이에 의해 매개된다. The wavefront associated with geometrical optics is mediated by the phase shift accumulated over relatively long propagation distances.

화성에 착륙할 퍼서비어런스(Perseverance) 로버에는 공처럼 생긴 작은 레이저 반사경이 달려 있다. 손바닥 만한 크기의 Laser Retroreflector Array(LaRA)는 여러 방향에서 오는 레이저를 반사해 거리를 측정하는데 쓰인다.The Perseverance rover, which will land on Mars, is equipped with a small ball-shaped laser reflector. The palm-sized Laser Retroreflector Array (LaRA) is used to measure distance by reflecting lasers coming from multiple directions.

또한, 이스라엘의 베레시트 탐사선에는 NASA가 제공한 '소형 역반사기 어레이(Laser Retroreflector Arrays, LRA)'가 장착되어 있다. 아폴로에서 사용된 역반사기와 유사한 프리즘이 사용되었고 그 숫자가 8개에 불과하다. 그간 기술이 발전해서 작은 반사경으로도 실험이 가능해졌다.In addition, Israel's Beresheet probe is equipped with 'Laser Retroreflector Arrays (LRA)' provided by NASA. Prisms similar to the retroreflectors used in Apollo were used, and there were only eight of them. In the meantime, technology has developed and experiments have become possible with small reflectors.

대한민국 등록특허 10-1479783호(가시광 통신에서 역반사기를 이용한 통신 링크 정렬 방법 및 장치)에서는 가시광 통신(Visible Light Communication)에서의 통신 링크 정렬에 관한 것으로서, 특히 역반사기(Retro-reflector)를 이용하여 양방향으로 통신 링크를 정렬하기 위한 방법 및 장치에 관한 기술이 소개된 바 있다.Korean Patent Registration No. 10-1479783 (Communication link alignment method and apparatus using retro-reflector in visible light communication) relates to communication link alignment in visible light communication. Techniques have been introduced for methods and apparatus for aligning communication links in both directions.

또한, 대한민국 공개특허공보 10-2020-0053492호에서는 다각형 개구로 역반사기 프리즘을 제조하는 방법 및 그 장치가 개시된 바 있다.In addition, Korean Patent Publication No. 10-2020-0053492 discloses a method and apparatus for manufacturing a retro-reflector prism with a polygonal aperture.

상기 역반사기는 단일 포인트 다이아몬드 툴, 기판, 또는 상기 단일 포인트 다이아몬드 툴과 상기 기판 모두를 적어도 하나의 축을 따라 이동 방향으로 이동시키면서 상기 기판의 표면을 통해 상기 단일 포인트 다이아몬드 툴을 삽입(inserting) 및 후퇴(retracting)를 지시하여 상기 단일 다이아몬드 포인트 툴 또는 상기 기판 중 적어도 하나의 상기 이동 방향에 평행한 면 페이스(facet face)를 갖는 기판에 면(facet)을 생성하고 상기 기판의 표면에 역반사성 미세 구조의 어레이를 형성하는 방법으로 제조된다.The retroreflector inserts and retracts the single point diamond tool through the surface of the substrate while moving the single point diamond tool, the substrate, or both the single point diamond tool and the substrate in a direction of motion along at least one axis. directed to retracting to create a facet in the substrate having a facet face parallel to the direction of motion of at least one of the single diamond point tool or the substrate and retroreflective microstructures on the surface of the substrate. It is prepared by a method of forming an array of.

대한민국 등록특허 10-1041886호에서는 코너 큐브형 역반사기 및 그 제조 방법이 개시된 바 있다.Republic of Korea Patent Registration No. 10-1041886 discloses a corner cube retro-reflector and a manufacturing method thereof.

입사 방향을 따라 방사선을 반사하는 능력에 의해 촉진된 역반사기는 신뢰할 수 있는 자유 공간 광학 링크를 구축하기 위한 중추 구성요소로 인식되어 왔다.Facilitated by their ability to reflect radiation along the direction of incidence, retroreflectors have been recognized as pivotal components for building reliable free-space optical links.

캣츠아이(cat 's eye), 코너 큐브(corner-cube)와 같은 류의 역반사기 장치는 특히 부피가 크고 무게가 무거우며 평면이 아닌 형태의 단점이 있다.Retroreflector devices, such as cat's eye and corner-cube, are particularly bulky, heavy, and have the disadvantage of being non-planar.

위와 같은 종래의 역사반사기는 부피가 크고 무게가 무거우며 평면이 아닌 모양으로 인해 통합에 제한이 있었다.The above conventional retro reflectors are bulky, heavy, and have limitations in integration due to their non-flat shape.

특별히 설계된 서브파장 나노구조를 통합한 메타표면, 위상, 진폭, 편광 및 광선의 스펙트럼을 조정하기 위해 널리 활용되었다.Metasurfaces incorporating specially designed subwavelength nanostructures have been widely utilized to tune the phase, amplitude, polarization and spectrum of light rays.

나노 공진기를 기반으로 한 메타 표면 기반 장치는 분산 특성을 허용할 수 있다.Metasurface-based devices based on nanoresonators may allow dispersive properties.

주로 기하학적 매개변수와 구조적 배열에 의해 결정되며 기존의 기하학적 광학 기반 구성 요소와 달리 손쉬운 파면 조작을 용이하게 제어할 수 있다. It is mainly determined by geometrical parameters and structural arrangements and, unlike conventional geometrical optics-based components, allows for easy control of wavefront manipulation.

최근에는 단일 중항 메타표면을 기반으로 하는 역반사기 장치에 대한 연구가 있었으나, 제한된 작동 각도로 인해 연속적인 빔 조작이 곤란한 점이 있다.Recently, a retroreflector device based on a singlet metasurface has been studied, but continuous beam manipulation is difficult due to a limited operating angle.

대한민국 등록특허 10-1479783호Republic of Korea Patent No. 10-1479783 대한민국 등록특허 10-1041886호Republic of Korea Patent No. 10-1041886 대한민국 공개특허공보 10-2020-0053492호Republic of Korea Patent Publication No. 10-2020-0053492

본 발명의 목적은 입사방향에 따라 반사하는 기능을 가지며, 신뢰할 수 있는 각도 허용범위가 넓고 허용 자유 공간 광학 링크를 가능하게 하는 메타표면 더블렛에 기반한 역반사기 장치 및 이를 이용한 자유공간 광통신 링크 방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a retroreflector device based on a metasurface doublet that has a function of reflecting according to the incident direction and enables a reliable free-space optical link with a wide range of reliable angles and a free-space optical communication link method using the same. is to provide

본 발명은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The present invention is not limited to the purpose mentioned above, and other objects not mentioned will be clearly understood from the description below.

본 발명의 일 측면에 따르면, 메타표면 더블렛을 기반으로 한 평판 역반사기는 유전층 기판; 상기 유전층 기판의 전면부에 형성되며, 제1군의 원통기둥 형상의 나노 기둥이 중앙부에 형성된 제1유닛셀의 집합으로 형성되는 전면부 메타표면; 상기 유전층 기판의 후면부에 형성되며 제2군의 원통 기둥 형상의 나노 기둥이 포함된 제2유닛셀의 집합으로 형성되는 후면부 메타표면; 및 상기 후면부 메타표면의 하부에 형성된 알루미늄층을 포함하는 것을 특징으로 한다.According to one aspect of the present invention, a flat retro-reflector based on a metasurface doublet includes a dielectric layer substrate; a front surface metasurface formed on the front surface of the dielectric layer substrate and formed by a set of first unit cells in which a first group of cylindrical columnar nanocolumns are formed in the central portion; a back side metasurface formed on the rear side of the dielectric layer substrate and formed by a set of second unit cells including a second group of cylindrical columnar nanopillars; and an aluminum layer formed under the metasurface of the rear surface.

또한, 상기 유전체 기판은 실리카 물질로 형성되며, 상기 나노 기둥은 수소화 비정질 실리콘(a-Si: H) 물질로 형성된 것을 특징으로 한다.In addition, the dielectric substrate is formed of a silica material, and the nanocolumns are formed of a hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) material.

또한, 상기 제1유닛셀 및 제2유닛셀은 일정 주기의 정사각형 격자로 형성되며, 상기 전면부 메타표면의 나노기둥 주변 및 상부는 폴리머 물질로 충전되고, 상기 후면부 메타표면의 나노기둥 주변 및 하부는 폴리머 물질로 충진되는 것을 특징으로 한다.In addition, the first unit cell and the second unit cell are formed in a square lattice of a certain period, the periphery and upper part of the nanocolumn of the metasurface of the front part is filled with a polymer material, and the periphery and lower part of the nanocolumn of the metasurface of the rear part are filled. is characterized in that it is filled with a polymer material.

또한, 상기 유전층 기판의 두께는 상기 전면부 메타표면의 초점거리에 맞추어 형성되는 것을 특징으로 한다.In addition, the thickness of the dielectric layer substrate is characterized in that it is formed to match the focal length of the metasurface of the front surface.

또한, 상기 전면부 메타표면은 직경이 480㎛의 원형으로 형성되며, 상기 후면부 메타표면은 직경이 600㎛의 원형으로 형성되며, 상기 알루미늄층의 면적은 직경이 후면부 메타표면의 직경보다 상기 제2 유닛셀의 1 격자 이상 넓게 형성되는 것을 특징으로 한다.In addition, the front meta-surface is formed in a circular shape with a diameter of 480 μm, the rear meta-surface is formed in a circular shape with a diameter of 600 μm, and the area of the aluminum layer is smaller than the diameter of the rear meta-surface. It is characterized in that it is formed wider than one grid of unit cells.

또한, 상기 전면부 메타표면의 제1군의 나노기둥 및 후면부 메타표면의 제2군의 나노기둥은 0 ~ 2π의 위상 편이를 가지기 위해 각각 직경이 다른 8개의 그룹이 배열되어 형성되는 것을 특징으로 한다.In addition, the first group of nanocolumns of the front metasurface and the second group of nanocolumns of the rear metasurface are formed by arranging eight groups of different diameters to have a phase shift of 0 to 2π. do.

또한, 상기 평판 역반사기는 통신 파장 λ= 1550nm의 광 통신 영역에 대한 링크 구축을 위하여, 상기 제1군의 나노기둥은 106, 1126.5, 138.5, 148, 155.5, 162.5, 180nm의 직경을 가진 그룹으로 형성되고, 상기 제2군의 나노기둥은 106, 1126.5, 138.5, 148, 155.5, 162.5, 180nm의 직경을 가진 그룹으로 형성된 것을 특징으로 한다.In addition, the planar retroreflector has a diameter of 106, 1126.5, 138.5, 148, 155.5, 162.5, and 180 nm in order to build a link in the optical communication region of the communication wavelength λ = 1550 nm. and the second group of nanopillars are formed in groups having diameters of 106, 1126.5, 138.5, 148, 155.5, 162.5, and 180 nm.

또한, 상기 제1유닛셀 및 제2유닛셀은 주기 800nm의 정사각형 격자로 형성되며,상기 제1군의 나노기둥 및 제2군의 나노 기둥의 높이는 1000nm로 형성되고,In addition, the first unit cell and the second unit cell are formed in a square lattice with a period of 800 nm, and the height of the first group of nanocolumns and the second group of nanocolumns is formed at 1000 nm,

상기 유전체의 두께는 428㎛인 것을 특징으로 한다.The thickness of the dielectric is characterized in that 428㎛.

또한, 상기 전면부 메타표면의 위상 프로파일은 다음 식과 같이 산출되는 것을 특징으로 한다.In addition, the phase profile of the front metasurface is characterized in that it is calculated by the following equation.

- 여기서 (x, z)는 상기 전면부 메타표면의 중앙에 있는 제1유닛셀의 중심에 해당하는 좌표를 나타내고, f는 전면부 메타표면의 초점 거리이고, n은 상기 유전체의 굴절률임.- Where (x, z) represents the coordinates corresponding to the center of the first unit cell at the center of the front metasurface, f is the focal length of the front metasurface, and n is the refractive index of the dielectric.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 평판 역반사기를 이용한 자유공간 광통신 링크 방법은, 광원으로부터 발생된 광 빔과 광통신을 위한 데이터신호를 합성하여, 광입력 포트에 따라 광빔을 분배하는 빔 스플리터 또는 광 써큘레이터를 통해 상기 평판 역반사기에 조사시킨 후, 상기 평판 역반사기로부터 역 반사된 광신호를 상기 빔 스플리터 또는 광 써큘레이터를 통하여 자유 공간으로 전파하고 상기 전파된 광신호를 광수신기로 수신하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.According to another aspect of the present invention, the free-space optical communication link method using the planar retroreflector includes a beam splitter for synthesizing a light beam generated from a light source and a data signal for optical communication, and distributing the light beam according to optical input ports; or After irradiating the flat retroreflector through an optical circulator, the optical signal retroreflected from the flat retroreflector is propagated to a free space through the beam splitter or the optical circulator, and the propagated optical signal is received by an optical receiver. It is characterized by including steps.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 메타표면 더블렛을 기반으로 한 평판 역반사기의 제조방법은, a) 실리카 기판 준비단계; b) 플라즈마 강화 화학기상 증착(PECVD) 방법에 의해 상기 실리카 기판 전면부 및 후면부에 수소화 비정질 실리콘 물질을 증착하여 전면부 수소화 비정질 실리콘층 및 후면부 수소화 비정질 실리콘층을 형성하는 단계; c) 상기 b) 단계 후에 상기 전면부 수소화 비정질 실리콘층 상부에 전자빔 레지스트를 스핀 코팅하여 제1 레지스트층을 형성하는 단계; d) 상기 제1 레지스트층에 대해 전자 빔 리소그라피(EBL) 공정을 통하여 전면부 메타표면 패턴에 대응하는 제1 레지스트 패턴층을 형성하는 단계; e) 상기 제1레지스트 패턴층 상부면에 제1AL층을 증착시키는 단계; f) 용매에 의해 상기 실리카 기판 상부의 제1 레지스트 패턴층을 모두 들어올려 전면부 메타표면 패턴에 맞춘 제1 패턴화된 AL 층으로 전면부를 패턴화하는 제1 lift-off 단계; g) 상기 제1 패턴화된 AL층을 하드 마스크로 사용하여 상기 전면부 메타표면 패턴으로 에칭하여 전면부 수소화 비정질 실리콘 패턴층을 형성하는 제1 에칭단계; h) 상기 전면부 수소화 비정질 실리콘 패턴층 상부에 남아있는 제1 패턴화된 AL 알루미늄을 제거하는 잔여 알루미늄 제거단계; i) 상기 전면부 수소화 비정질 실리콘 패턴층의 사이 공간 및 상부에 폴리머 물질로 충진하여 전면부 메타표면을 형성하는 제1폴리머층 증착단계; j) 상기 i단계를 거친 유전체 기판을 뒤집어서 상기 후면부 수소화 비정질 실리콘층에 전자빔 레지스트를 스핀 코팅하여 제2 레지스트층을 형성하는 제2차 스핀코팅 단계; k) 상기 제2 레지스트층에 대해 전자 빔 리소그라피 공정을 통하여 후면부 메타표면 패턴에 대응하는 제2 레지스트 패턴층을 형성하는 단계; l) 상기 제2 레지스트 패턴층 상부에 제2 AL층을 증착시키는 단계; m) 용매에 의해 상기 실리카 기판 상부의 제2 레지스트 패턴층을 모두 들어올려 후면부 메타표면 패턴에 맞춘 제2 패턴화된 AL 층으로 후면부를 패턴화하는 제2 lift-off 단계; n) 상기 제2 패턴화된 AL층을 하드 마스크로 사용하여 상기 후면부 메타표면 패턴으로 에칭하여 수소화 비정질 실리콘 패턴층을 형성하는 제2 에칭단계; o) 상기 전면부 수소화 비정질 실리콘 패턴층 상부에 남아있는 제2 패턴화된 AL 알루미늄을 제거하는 잔여 알루미늄 제거단계; p) 상기 후면부 수소화 비정질 실리콘 패턴층의 사이 공간 및 상부에 폴리머 물질로 충진하여 후면부 메타표면을 형성하는 제2폴리머층 증착단계; 및 q) 상기 제2폴리머층 상부에 알루미늄층을 증착시키는 알루미늄 증착단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.According to another aspect of the present invention, a method for manufacturing a flat retro-reflector based on a metasurface doublet includes: a) preparing a silica substrate; b) depositing a hydrogenated amorphous silicon material on the front and rear surfaces of the silica substrate by a plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) method to form a front hydrogenated amorphous silicon layer and a rear hydrogenated amorphous silicon layer; c) forming a first resist layer by spin-coating an electron beam resist on the front surface hydrogenated amorphous silicon layer after step b); d) forming a first resist pattern layer corresponding to the front metasurface pattern on the first resist layer through an electron beam lithography (EBL) process; e) depositing a first AL layer on an upper surface of the first resist pattern layer; f) a first lift-off step of patterning the front surface with a first patterned AL layer aligned with the metasurface pattern of the front surface by lifting all the first resist pattern layers on the silica substrate with a solvent; g) a first etching step of etching the front surface metasurface pattern using the first patterned AL layer as a hard mask to form a front surface hydrogenated amorphous silicon pattern layer; h) a residual aluminum removal step of removing the first patterned AL aluminum remaining on the front-side hydrogenated amorphous silicon pattern layer; i) depositing a first polymer layer to form a front metasurface by filling a space between and above the hydrogenated amorphous silicon pattern layer with a polymer material; j) a second spin coating step of inverting the dielectric substrate that has undergone step i and spin-coating an electron beam resist on the hydrogenated amorphous silicon layer on the rear surface to form a second resist layer; k) forming a second resist pattern layer corresponding to the metasurface pattern of the rear surface through an electron beam lithography process on the second resist layer; l) depositing a second AL layer on the second resist pattern layer; m) a second lift-off step of patterning the rear surface with a second patterned AL layer aligned with the metasurface pattern of the rear surface by lifting all the second resist pattern layers on the silica substrate with a solvent; n) a second etching step of forming a hydrogenated amorphous silicon pattern layer by etching the backside metasurface pattern using the second patterned AL layer as a hard mask; o) a residual aluminum removal step of removing the second patterned AL aluminum remaining on the front-side hydrogenated amorphous silicon pattern layer; p) depositing a second polymer layer to form a metasurface of the rear surface by filling the space between and above the hydrogenated amorphous silicon pattern layer with a polymer material; and q) an aluminum deposition step of depositing an aluminum layer on the second polymer layer; It is characterized in that it includes.

본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛을 기반으로 한 평판 역반사기(100)는 편광에 영향을 받지 않는 효과를 가진다.The flat retroreflector 100 based on the metasurface doublet according to an embodiment of the present invention has an effect that is not affected by polarization.

본 발명의 일 실시 예에 따른 전면부 메타표면(MS1) 및 후면부 메타표면(MS2)의 8개의 유닛셀은 전체 2π 위상 변이를 커버하여 비스듬히 입사하는 빛에 대해서도 각각 높은 투과율과 높은 반사율을 제공할 수 있다.Eight unit cells of the front metasurface (MS1) and the rear metasurface (MS2) according to an embodiment of the present invention cover the entire 2π phase shift to provide high transmittance and high reflectance, respectively, even for obliquely incident light. can

본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛을 기반으로 한 평판 역반사기(100)는 입사각에 불변인 위상 응답 특성에 의해 입사각에 관계없이 비스듬한 입사각에서도 효과적으로 작동할 수 있다. The flat plate retroreflector 100 based on the metasurface doublet according to an embodiment of the present invention can operate effectively even at an oblique incident angle regardless of the incident angle due to phase response characteristics that are invariant to the incident angle.

본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛을 기반으로 한 평판 역반사기는 반도체 제조공정인 전자빔 리소그라피(EBL) 공정으로 쉽게 제조가 용이하다.A flat plate retroreflector based on a metasurface doublet according to an embodiment of the present invention can be easily manufactured by an electron beam lithography (EBL) process, which is a semiconductor manufacturing process.

리소그래피 나노 공정을 통해 제조된 메타표면 더블렛을 기반으로 한 평판 역반사기는 ±25°의 향상된 입사광의 각도 허용 오차 범위를 수용할 수 있어서, 실질적으로 안정적인 자유 공간 광학 링크를 연출하는 데 다양하게 적용될 수 있다.Flat retroreflectors based on metasurface doublets fabricated through lithographic nanoprocessing can accommodate an enhanced angular tolerance of incident light of ±25°, which can be applied in a variety of applications to create practically stable free-space optical links. can

본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛을 기반으로 한 평판 역반사기(100)는 1550nm의 통신 파장에서 작동하는 입력 광신호를 최적의 상태로 역반사 기능을 수행할 수 있다.The flat plate retroreflector 100 based on the metasurface doublet according to an embodiment of the present invention can optimally perform a retroreflection function of an input optical signal operating at a communication wavelength of 1550 nm.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛을 기반으로 한 평판 역반사기의 구조를 도시한 것이다.
도 2는 도 1의 전면부 메타표면(MS1)의 주사 전자 현미경 사진의 평면도 및 투시도를 도시한 것이다.
도 3은 도 1의 후면부 메타표면(MS2)의 주사 전자 현미경 사진의 평면도 및 투시도를 도시한 것이다.
도 4는 전면부 메타표면(MS1)의 유닛셀 구조 및 제1군 나노 기둥의 직경에 관한 위상 시프트 및 투과율을 도시한 것이다.
도 5는 전면부 메타표면(MS1)의 위상프로파일을 도시한 것이다.
도 6은 후면부 메타표면(MS2)의 유닛셀 구조 및 제2군 나노 기둥의 직경에 관한 위상 시프트 및 반사율을 도시한 것이다.
도 7은 후면부 메타표면(MS21)의 위상프로파일을 도시한 것이다.
도 8, 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛을 기반으로 한 평판 역반사기의 반사 특징을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛을 기반으로 한 평판 역반사기의 역반사 빔 프로파일을 분석하기 위한 실험장치이다.
도 11은 도 10의 빔 프로파일러(320)에서 캡처된 입사각에 따른 빔프로파일을 도시한 것이다.
도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛을 기반으로 한 평판 역반사기의 자유공간에서의 광 링크 특성을 분석하기 위한 분석 장치이다.
도 13은 도 12의 광수신기에서 수신된 광 펄스를 도시한 것이다.
도 14는 본 발명의 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛을 기반으로 한 평판 역반사기의 자유공간에서의 광 링크 구축을 위한 또 다른 실시 예인 테스트 장치를 도시한 것이다.
도 15 a)는 도 14의 장치에서 입력된 비트오류울(BER)과 데이터 속도를 나타내고 15 b)는 수신신호의 함수로 관찰된 비트오류율(BER)을 나타낸다.
도 16 a)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 평판 역반사기를 이용한 광각 광 링크에 대해 입력된 입사각에 대한 비트오류률(BER)을 나타내고, 도 16 b)는 데이터 속도에 대한 입사각의 소광비(extinction ratio)를 나타낸다.
도 18은 본 발명의 일 실시 에에 따른 메타표면 더블렛에 기반한 평판 역반사기의 제조방법을 도시한 것이다.
도 17은 본 발명의 일 실시 예에 따른 평판 역반사기를 이용한 광각 광 링크에 대해 9Gbps의 데이터 속도로 입사각이 0 ~ 25° 사이에서 변하는 수신된 역 반사된 빔에서 관찰된 아이 다이어그램을 도시한 것이다.1 shows the structure of a flat retroreflector based on a metasurface doublet according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 shows a plan view and a perspective view of a scanning electron micrograph of the front metasurface MS1 of FIG. 1 .
FIG. 3 shows a plan view and a perspective view of a scanning electron micrograph of the backside metasurface MS2 of FIG. 1 .
FIG. 4 shows the phase shift and transmittance of the unit cell structure of the front metasurface MS1 and the diameter of the first group nanocolumns.
5 shows a phase profile of the front metasurface MS1.
FIG. 6 shows the phase shift and reflectance of the unit cell structure of the rear metasurface MS2 and the diameter of the second group nanocolumns.
7 shows the phase profile of the rear metasurface MS21.
8 and 9 are diagrams for explaining reflection characteristics of a flat retroreflector based on a metasurface doublet according to an embodiment of the present invention.
10 is an experimental apparatus for analyzing a retroreflection beam profile of a flat plate retroreflector based on a metasurface doublet according to an embodiment of the present invention.
FIG. 11 shows a beam profile according to an incident angle captured by the beam profiler 320 of FIG. 10 .
12 is an analysis device for analyzing optical link characteristics in free space of a flat retroreflector based on a metasurface doublet according to an embodiment of the present invention.
FIG. 13 illustrates light pulses received by the optical receiver of FIG. 12 .
FIG. 14 illustrates a test device according to another embodiment for constructing an optical link in a free space of a flat retroreflector based on a metasurface doublet according to an embodiment of the present invention.
FIG. 15 a) shows the bit error rate (BER) and data rate input from the device of FIG. 14, and FIG. 15 b) shows the observed bit error rate (BER) as a function of the received signal.
16 a) shows the bit error rate (BER) for the input angle of incidence for a wide-angle optical link using a planar retroreflector according to an embodiment of the present invention, and FIG. 16 b) shows the extinction ratio of the angle of incidence to the data rate ( represents the extinction ratio).
18 illustrates a method of manufacturing a flat retroreflector based on a metasurface doublet according to an embodiment of the present invention.
17 illustrates an eye diagram observed on a received retroreflected beam with an angle of incidence varying between 0 and 25° at a data rate of 9 Gbps for a wide-angle optical link using a flat retroreflector 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 메타표면 더블렛 기반의 평면 역반사기 장치 및 이를 이용한 자유공간 광통신 링크 장치에 대해 상세하게 설명한다.Hereinafter, a planar retroreflector device based on a metasurface doublet and a free-space optical communication link device using the same according to an embodiment of the present invention will be described in detail.

서브파장 나노구조로 구성된 메타표면 기반 장치는 반도체 제조 방법과 나노포토닉스를 결합하여 기하학적 광학을 능가하는 새로운 플랫폼으로 간주될 수 있다.Metasurface-based devices composed of subwavelength nanostructures can be considered as new platforms beyond geometric optics by combining semiconductor fabrication methods and nanophotonics.

본 발명의 일 실시 예에서는 1550nm의 통신 파장에서 메타표면 더블렛을 기반으로 한 평판 역반사기(flat retro reflector, FRR) 및 이를 이용한 자유 공간 광 링크를 구현한다. In an embodiment of the present invention, a flat retro reflector (FRR) based on a metasurface doublet at a communication wavelength of 1550 nm and a free space optical link using the flat retro reflector are implemented.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 세심하게 조정된 실리카 유전체 스페이서를 기반으로 한 수소화 비정질 실리콘 나노기둥으로 구성된 전면부 메타표면 및 후면부 메타표면은 각각 투과 푸리에 렌즈와 오목 거울의 기능을 수행할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the front metasurface and the rear metasurface composed of hydrogenated amorphous silicon nanopillars based on carefully adjusted silica dielectric spacers can function as a transmission Fourier lens and a concave mirror, respectively. .

전면부 메타표면은 공간 푸리에 변환과 그 역을 수행하는 반면, 후면부 메타표면은 입사 방향을 따라 빔을 반사하기 위해 공간적으로 다양한 모멘텀을 부과한다.The front metasurface performs a spatial Fourier transform and vice versa, while the back metasurface imposes a spatially variable momentum to reflect the beam along the incident direction.

본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛을 기반으로 한 평판 역반사기를 이용하여 안정적이고 각도 허용이 높은 광 링크를 구축할 수 있다. 일 실시 예에서는 λ= 1550nm를 중심으로 하는 통신 영역에서 자유공간 광통신 링크를 시뮬레이션 하였다.A stable optical link with high angular tolerance can be constructed using a flat retroreflector based on a metasurface doublet according to an embodiment of the present invention. In one embodiment, a free space optical communication link was simulated in a communication domain centered on λ = 1550 nm.

본 발명의 일 실시 예에 따른 전면부 메타표면(MS1)은 공간 푸리에 변환뿐만 아니라 역변환도 수행할 수 있으며, 후면부 메타표면(MS2)은 입사광의 푸리에 변환에 따라 공간적으로 변하는 모멘텀을 부과할 수 있다. The front metasurface MS1 according to an embodiment of the present invention can perform inverse transform as well as spatial Fourier transform, and the rear metasurface MS2 can apply momentum that varies spatially according to the Fourier transform of incident light. .

본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛을 기반으로 한 평판 역반사기는 매우 효율적인 자유 공간 광통신을 가능하게 하는 중추적인 역할을 할 수 있다.A flat retroreflector based on a metasurface doublet according to an embodiment of the present invention can play a pivotal role in enabling very efficient free space optical communication.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛을 기반으로 한 평판 역반사기의 구조를 도시한 것이다.1 shows the structure of a flat retroreflector based on a metasurface doublet according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛을 기반으로 한 평판 역반사기(100)는 유전층 기판(150), 상기 유전층 기판의 전면부에 형성되며, 제1군의 원통기둥 형상의 나노 기둥이 중앙부에 형성된 제1유닛셀의 집합으로 형성되어 초점렌즈 기능을 수행하는 전면부 메타표면(MS1) 및 상기 유전층 기판(150)의 후면부에 형성되며 제2군의 원통 기둥 형상의 나노 기둥이 포함된 제2유닛셀의 집합으로 형성되어 오목 거울 기능을 수행하는 후면부 메타표면(MS2); 상기 후면부 메타표면(MS2)의 하부에 형성된 금속반사층(121)을 포함한다.A flat plate retroreflector 100 based on a metasurface doublet according to an embodiment of the present invention is formed on a dielectric layer substrate 150 and a front side of the dielectric layer substrate, and a first group of cylindrical columnar nanocolumns are formed. A front metasurface (MS1) formed by a set of first unit cells formed in the central portion to perform the function of a focusing lens and formed on the rear portion of the dielectric layer substrate 150, including a second group of cylindrical columnar nanopillars a rear surface metasurface (MS2) formed of a set of second unit cells and performing a concave mirror function; A metal reflective layer 121 formed under the rear meta surface MS2 is included.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 유전층 기판(150)은 실리카(silica) 물질로 형성되며, 상기 금속반사층(121)은 알루미늄 금속층인 것을 특징으로 한다.Referring to FIG. 1 , a dielectric layer substrate 150 according to an embodiment of the present invention is formed of a silica material, and the metal reflection layer 121 is an aluminum metal layer.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 전면부 메타표면(MS1)은 공간 푸리에 변환과 그 역을 전달하는 기능을 수행하며, 후면부 메타표면(MS2)은 입사광의 푸리에 변환에 공간적으로 변화하는 모멘텀을 수행하는 기능을 수행한다.According to an embodiment of the present invention, the front metasurface MS1 performs a function of transmitting a spatial Fourier transform and its inverse, and the rear metasurface MS2 performs a spatially varying momentum in a Fourier transform of incident light. perform the function of

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛을 기반으로 한 평판 역반사기(100)는 초점 렌즈 기능을 수행하는 전면부 메타표면(MS1)과 오목 거울 기능을 수행하는 후면부 메타표면(MS2)이 결합되어 입사 방향을 따라 빛을 다시 반사하는 캣츠 아이(cat's eye) 역반사기와 유사한 광 경로를 형성한다.Referring to FIG. 1 , a flat retroreflector 100 based on a metasurface doublet according to an embodiment of the present invention has a front metasurface MS1 functioning as a focusing lens and a rear part performing a concave mirror function. The metasurface MS2 is combined to form an optical path similar to a cat's eye retroreflector that reflects light back along the direction of incidence.

본 발명의 일 실시 예에 따른 전면부 메타표면(MS1)의 초점거리는 통신 파장 λ = 1550nm의 광 통신 영역에 대한 링크 구축에 효과적으로 적용하기 위해 428㎛로 형성된다. The focal length of the front metasurface MS1 according to an embodiment of the present invention is formed to be 428 μm in order to be effectively applied to link construction in an optical communication area of a communication wavelength λ = 1550 nm.

이에 따라 초점 거리가 428㎛인 투과형 금속 렌즈 역할을 하는 전면부 메타표면(MS1)은 반사 오목 거울 역할을 하는 후면부 메타표면(MS2)에 입사광을 수렴하게 된다. Accordingly, the front metasurface MS1 serving as a transmissive metal lens having a focal length of 428 μm converges incident light on the rear metasurface MS2 serving as a reflective concave mirror.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 전면부 메타표면(MS1)은 입사각에 의해 결정된 공간 주파수 성분에 따라 후면부 메타표면(MS2)에 들어오는 빛을 투사하는 공간 푸리에 변환을 수행한다. 후면부 메타표면(MS2)은 역반사를 효과적으로 달성하기 위해서 반사파에 들어오는 파동의 접선 모멘텀을 두 배로 부여하도록 전면부 메타표면(MS1)의 초점 평면에 배치된다.According to an embodiment of the present invention, the front metasurface MS1 performs spatial Fourier transform to project light entering the rear metasurface MS2 according to the spatial frequency component determined by the incident angle. The rear metasurface MS2 is disposed on the focal plane of the front metasurface MS1 so as to impart twice the tangential momentum of the incoming wave to the reflected wave in order to effectively achieve retroreflection.

본 발명의 일 실시 예에 따른 도 1의 메타표면 더블렛을 기반으로 한 평판 역반사기(100)는 1550nm의 통신 파장에서 작동하는 입력 광신호를 최적의 상태로 역반사하도록 설계되었다.The flat plate retroreflector 100 based on the metasurface doublet of FIG. 1 according to an embodiment of the present invention is designed to optimally retroreflect an input optical signal operating at a communication wavelength of 1550 nm.

도 1을 참조하면, 전면부 메타표면(MS1)에서 나오는 광을 후면부 메타표면(MS2)에서 안정하게 수용할 수 있도록 전면부 메타표면(MS1)은 상기 유전층 기판(150)의 전면부에 직경이 480㎛의 원형으로 형성되며, 후면부 메타표면(MS2)은 유전층 기판(150)의 후면부에 직경이 600㎛의 원형으로 형성된다.Referring to FIG. 1, the front meta-surface MS1 has a diameter on the front surface of the dielectric layer substrate 150 so that light emitted from the front meta-surface MS1 can be stably received by the rear meta-surface MS2. It is formed in a circular shape of 480 μm, and the rear surface metasurface MS2 is formed in a circular shape with a diameter of 600 μm in the rear portion of the dielectric layer substrate 150 .

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전면부 메타표면(MS1) 및 후면부 메타표면(MS2)의 제1군 나노기둥 및 제2군 나노기둥은 저렴한 비용, n = 3.45의 높은 굴절률, 상보적인 금속 산화물 반도체 공정과의 호환성 때문에 수소화된 비정질 실리콘(a-Si:H) 재질로 형성한 것을 특징으로 한다.In addition, the first group nanopillars and the second group nanopillars of the front metasurface (MS1) and the rear metasurface (MS2) according to an embodiment of the present invention are low cost, high refractive index of n = 3.45, and complementary metals. It is characterized in that it is formed of a hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) material due to compatibility with the oxide semiconductor process.

단글링본드(dangling bond)가 풍부한 비정질 실리콘과 달리 비정질 실리콘(a-Si: H) 재질의 경우, 수소는 결합을 치유하는 역할을 하며, 파장 λ= 1550nm 부근에서 광흡수를 효과적으로 방지할 수 있다. Unlike amorphous silicon, which is rich in dangling bonds, in the case of amorphous silicon (a-Si: H) material, hydrogen plays a role in healing the bond, and can effectively prevent light absorption in the vicinity of wavelength λ = 1550 nm .

C 밴드 대역의 1550nm 파장은 광섬유의 최소 감쇠, 시각적 안정성 및 EDFA(에르븀 도핑된 광섬유 증폭기)와의 호환성의 관점에서 장거리 광통신에 바람직한 파장이다.The 1550 nm wavelength of the C-band is a preferred wavelength for long-distance optical communication from the viewpoint of minimum attenuation of optical fiber, visual stability, and compatibility with EDFA (Erbium Doped Fiber Optic Amplifier).

또한, 비정질 실리콘(a-Si:H) 은 수소를 통해 부동 태화되어 제조 과정에서 결함의 발생을 방지할 수 있다.In addition, amorphous silicon (a-Si:H) can be passivated through hydrogen to prevent defects during manufacturing.

실리카 재질(굴절률 n = 1.44)로 형성된 유전체 기판(150)은 n = 1.44의 굴절률을 제공하는 유전체 스페이서 역할을 동시에 수행한다. 유전체 기판(150)의 두께는 전면부 메타표면(MS1)의 초점거리에 맞추어 428㎛로 형성된다.The dielectric substrate 150 formed of a silica material (refractive index n = 1.44) simultaneously serves as a dielectric spacer providing a refractive index of n = 1.44. The dielectric substrate 150 has a thickness of 428 μm according to the focal length of the front metasurface MS1.

본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛을 기반으로 한 평판 역반사기(100)는 전자 빔 리소그라피(EBL, Electron Beam Lithography) 공정으로 제조될 수 있다.The flat retroreflector 100 based on the metasurface doublet according to an embodiment of the present invention may be manufactured by an electron beam lithography (EBL) process.

도 2는 도 1의 전면부 메타표면(MS1)의 주사 전자 현미경 사진의 평면도 및 투시도를 도시한 것이다.FIG. 2 shows a plan view and a perspective view of a scanning electron micrograph of the front metasurface MS1 of FIG. 1 .

도 3은 도 1의 후면부 메타표면(MS2)의 주사 전자 현미경 사진의 평면도 및 투시도를 도시한 것이다.FIG. 3 shows a plan view and a perspective view of a scanning electron micrograph of the backside metasurface MS2 of FIG. 1 .

도 2, 3은 전면부 메타표면(MS1) 및 후면부 메타표면(MS2)의 나노기둥 기반 단위 셀과 함께 완성된 평판 역반사기의 주사 전자 현미경 이미지를 보여준다.2 and 3 show scanning electron microscopy images of the completed planar retroreflector with nanopillar-based unit cells on the front metasurface (MS1) and the back metasurface (MS2).

도 4는 전면부 메타표면(MS1)의 유닛셀 구조 및 제1군 나노 기둥의 직경에 관한 위상 시프트 및 투과율을 도시한 것이다.FIG. 4 shows the phase shift and transmittance of the unit cell structure of the front metasurface MS1 and the diameter of the first group nanocolumns.

도 4를 참조하면, 전면부 메타표면(MS1)의 유닛셀은 유전체 기판(150)의 전면 상에 서로 다른 직경 d를 갖는 제1군의 원통기둥 형상의 나노기둥이 정사각형 격자의 중앙에 배열된다. 격자의 주기는 x 및 z 방향 모두에서 p = 800nm로 형성된다. 나노 기둥은 비정질 실리콘(a-Si:H)으로 형성되며, 나노기둥 주변 및 나노 기둥 상부는 전면부 메타표면의 오염방지 및 외부 영향으로부터 보호를 위해 폴리머 물질로 충진된다.Referring to FIG. 4, in the unit cell of the front metasurface MS1, a first group of cylindrical columnar nanopillars having different diameters d are arranged at the center of a square lattice on the front surface of a dielectric substrate 150. . The period of the grating is formed with p = 800 nm in both the x and z directions. The nanocolumns are formed of amorphous silicon (a-Si:H), and the periphery of the nanocolumns and the top of the nanocolumns are filled with polymer materials to prevent contamination of the front metasurface and to protect them from external influences.

본 발명의 일 실시 예에 따른 폴리머 물질은 에폭시 기반의 폴리머(SU-8) 물질이 적용될 수 있다.As the polymer material according to an embodiment of the present invention, an epoxy-based polymer (SU-8) material may be applied.

폴리머(SU-8) 물질은 유기용매(제형에 따라 감마-부티로락톤 GBL 또는 사이클로펜타논)에 용해된 비스페놀 A 노볼락 에폭시와 광산 발생제로서 최대 10 중량%의 혼합 트라이아릴설포늄/헥사플루오로안티모네이트 염으로 구성되는 물질이다.The polymer (SU-8) material is a mixture of up to 10% by weight of bisphenol A novolak epoxy and photoacid generator dissolved in an organic solvent (gamma-butyrolactone GBL or cyclopentanone depending on the formulation) triarylsulfonium/hexadecimal It is a substance composed of fluoroantimonate salts.

제1군 나노기둥의 높이는 h = 1000nm로 고정된다. 폴리머(SU-8) 물질은 메타표면을 보호하기 위해 나노기둥 높이보다 100nm 더 높게 형성되어 충진된다. The height of group 1 nanopillars is fixed at h = 1000 nm. A polymer (SU-8) material is formed and filled 100 nm higher than the nanopillar height to protect the metasurface.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 전면부 메타표면(MS1)의 제1군의 a-Si:H 나노기둥은 0 ~ 2π의 위상 편이를 가지기 위해 106, 143, 158.5, 177.5, 188.5, 203, 224, 252.5nm 그룹으로 배열되어 형성되는 것을 특징으로 한다.According to an embodiment of the present invention, the a-Si:H nanocolumns of the first group of the front metasurface MS1 have phase shifts of 0 to 2π: 106, 143, 158.5, 177.5, 188.5, 203, It is characterized in that it is formed by being arranged in groups of 224 and 252.5 nm.

도 5는 전면부 메타표면(MS1)의 위상프로파일을 도시한 것이다.5 shows a phase profile of the front metasurface MS1.

도 6은 후면부 메타표면(MS2)의 유닛셀 구조 및 제2군 나노 기둥의 직경에 관한 위상 시프트 및 반사율을 도시한 것이다.FIG. 6 shows the phase shift and reflectance of the unit cell structure of the rear metasurface MS2 and the diameter of the second group nanocolumns.

도 6을 참조하면, 후면부 메타표면(MS2)의 유닛셀은 유전체 기판(150) 후면에 서로 다른 직경(d)을 갖는 제2군의 원통기둥 형상의 나노기둥이 정사각형 격자의 중앙에 배열된다. 격자의 주기는 x 및 z 방향 모두에서 p = 800nm로 형성된다. 나노 기둥은 비정질 실리콘(a-Si:H)으로 형성되며, 나노 기둥 주변 및 나노 기둥 하부는 전면부 메타표면의 오염 방지 및 외부 영향으로부터 보호를 위해 폴리머 물질로 충진된다.Referring to FIG. 6 , in the unit cell of the rear surface metasurface MS2, a second group of cylindrical columnar nanopillars having different diameters d are arranged at the center of a square lattice on the rear surface of a dielectric substrate 150. The period of the grating is formed with p = 800 nm in both the x and z directions. The nanocolumns are formed of amorphous silicon (a-Si:H), and the periphery of the nanocolumns and the lower part of the nanocolumns are filled with polymer materials to prevent contamination of the front metasurface and to protect from external influences.

a-Si:H 나노기둥의 높이는 h = 1000nm로 형성되며, 메타표면을 보호하기 위해 에폭시 기반의 폴리머(su-8)층은 a-Si:H 나노기둥보다 100nm 더 높게 형성되어 충진된다. The height of the a-Si:H nanopillars is formed as h = 1000 nm, and the epoxy-based polymer (su-8) layer is formed 100 nm higher than the a-Si:H nanopillars to protect the metasurface.

이에 따라 상기 제2군의 원통 기둥 형상의 나노 기둥의 일단부에는 100nm의 폴리머층이 형성된다.Accordingly, a 100 nm polymer layer is formed at one end of the second group of cylindrical columnar nanocolumns.

상기 폴리머층 하부에는 금속반사층(121)이 형성된다.A metal reflection layer 121 is formed below the polymer layer.

본 발명의 일 실시 예에 따른 평판 역반사기(100)의 금속반사층은 알루미늄 물질로 형성되는 것을 특징으로 한다.The metal reflection layer of the flat retroreflector 100 according to an embodiment of the present invention is characterized in that it is formed of an aluminum material.

알루미늄층에 조사된 광은 거의 동일한 파장과 진동수를 방출하는 반사특성을 가지고 있어서, 복 반사된 광의 특성을 분석하는 데 효과적이다.The light irradiated onto the aluminum layer has a reflection characteristic of emitting substantially the same wavelength and frequency, and thus it is effective in analyzing the characteristics of the reflected light.

상기 알루미늄 금속반사층은 이와 유사한 특성 가지는 은 등과 같은 금속으로 대체하여 적용할 수 있다. The aluminum metal reflective layer may be replaced with a metal having similar characteristics, such as silver.

본 발명의 일 실시 예에 따른 후면부 투과 메타표면(MS2)의 하부에 형성된 알루미늄층(121)의 두께는 100nm로 형성된다.The thickness of the aluminum layer 121 formed under the rear transmission metasurface MS2 according to an embodiment of the present invention is 100 nm.

본 발명의 일 실시 예에 다른 메타표면 더블렛을 기반으로 한 평판 역반사기(100)의 금속반사층(121)은 후면부 메타표면(MS2)의 유닛셀들로 형성된 면적보다 직경이 1격자 이상 넓게 형성되는 것을 특징으로 한다.According to an embodiment of the present invention, the metal reflection layer 121 of the flat plate retroreflector 100 based on another metasurface doublet has a diameter larger than that of the unit cells of the rear metasurface MS2 by one grid or more. characterized by being

전면부 메타표면(MS1)의 제1군의 나노기둥 및 후면부 메타표면(MS2)의 제2군의 나노기둥은 0 ~ 2π의 위상 편이를 가지기 위해 각각 직경이 다른 8개의 그룹이 배열되어 형성된다The first group of nanocolumns of the front metasurface (MS1) and the second group of nanocolumns of the rear metasurface (MS2) are formed by arranging eight groups of different diameters to have a phase shift of 0 to 2π.

다음 표1은 각 위상편이에 대응하는 전면부 메타표면(MS1)의 제1군 나노기둥의 직경 그룹 및 후면부 메타표면(MS2의 제2군 나노 기둥 직경 그룹을 나타낸다.Table 1 below shows the first group of nanocolumn diameters of the front metasurface (MS1) and the second group of nanocolumn diameters of the rear metasurface (MS2) corresponding to each phase shift.

[단위:nm][Unit: nm]

전면부 메타표면(MS1)의 제1군 나노기둥은 x축을 따라 배열된 8개의 나노기둥으로 형성되는 제1슈퍼셀들로 배열되어 배치된다.The first group nanopillars of the front metasurface MS1 are arranged and arranged as first supercells formed of eight nanocolumns arranged along the x-axis.

본 발명의 일 실시 예에 따른 제1슈퍼셀은 0 ~ 2π의 위상 편이를 가지기 위해 106, 1126.5, 138.5, 148, 155.5, 162.5, 180nm의 직경을 가진 8개의 유니셀로 정의된다.The first supercell according to an embodiment of the present invention is defined as 8 unicells having diameters of 106, 1126.5, 138.5, 148, 155.5, 162.5, and 180 nm to have a phase shift of 0 to 2π.

또한, 후면부 메타표면(MS2)의 제2군 나노 기둥은 x축을 따라 배열된 8개의 나노기둥으로 형성되는 제2 슈퍼셀들로 배열되어 배치된다.In addition, the second group nanopillars of the rear surface metasurface MS2 are arranged in second supercells formed of eight nanocolumns arranged along the x-axis.

본 발명의 일 실시 예에 따른 제2슈퍼셀은 0 ~ 2π의 위상 편이를 가지기 위해 106, 1126.5, 138.5, 148, 155.5, 162.5, 180nm의 직경을 가진 8개의 유닛셀로 정의된다.The second super cell according to an embodiment of the present invention is defined as eight unit cells having diameters of 106, 1126.5, 138.5, 148, 155.5, 162.5, and 180 nm to have a phase shift of 0 to 2π.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 8개의 투과 유닛셀로 형성된 제1슈퍼셀 및 8개의 반사 유닛셀로 형성된 제2슈퍼셀은 전체 2π 위상 편이를 부여하고 수직 입사 빔에 대한 응답으로 시뮬레이션된 자기장(|H_y|)과 함께 높은 투과율 또는 반사율을 가능하게 할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, a first supercell formed of 8 transmissive unit cells and a second supercell formed of 8 reflective unit cells give a total 2π phase shift and simulate a magnetic field in response to a normally incident beam. (|H _y |) can enable high transmittance or reflectance.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 전면부 메타표면(MS1) 및 후면부 메타표면(MS2)에 대한 각 제1, 2 슈퍼셀은 각각 수직 입사 빔에 대한 응답으로 90% 이상의 높은 투과율과 거의 완벽한 반사율을 발생시키는 전체 2π위상 변이를 부여할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, each of the first and second supercells on the front metasurface MS1 and the rear metasurface MS2 have high transmittance of 90% or more and almost perfect reflectance in response to a normally incident beam, respectively. can be given a full 2π phase shift that causes

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 잘린 도파관과 같은 공동에서 공진의 경우와 같이, 광학 필드는 주로 나노기둥에 국한되는 것으로 분석된다. 따라서 국부 위상 이동은 관심 나노기둥에 의해 지배적으로 지배되지만 인접한 나노기둥과 단위 셀의 주기성에 의해 거의 영향을 받지 않는 것으로 분석되었다.According to an embodiment of the present invention, as in the case of resonance in a cavity such as a truncated waveguide, the optical field is analyzed to be mainly confined to the nanopillar. Therefore, it was analyzed that the local phase shift is dominantly dominated by the nanopillar of interest, but is hardly affected by the periodicity of adjacent nanopillars and unit cells.

또한, 나노기둥의 원형 대칭으로 인해 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛을 기반으로 한 평판 역반사기(100)는 편광에 영향을 받지 않는 효과를 가진다.In addition, due to the circular symmetry of the nanocolumns, the flat retroreflector 100 based on the metasurface doublet according to an embodiment of the present invention has an effect that is not affected by polarization.

본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛을 기반으로 한 평판 역반사기(100)는 입사각에 불변인 위상 응답 특성에 의해 입사각에 관계없이 비스듬한 입사각에서 정상적으로 작동할 수 있다. The flat plate retroreflector 100 based on the metasurface doublet according to an embodiment of the present invention can normally operate at an oblique incident angle regardless of the incident angle due to phase response characteristics that are invariant to the incident angle.

구면 수차를 효과적으로 완화할 수 있는 전면부 메타표면(MS1) 및 후면부 메타표면(MS2)과 관련된 원하는 위상 프로파일은 다음 수학식1과 같이 나타낼 수 있다.A desired phase profile related to the front metasurface MS1 and the rear metasurface MS2 that can effectively mitigate spherical aberration can be expressed as Equation 1 below.

여기서 (x, z)는 전면부 메타표면(MS1) 및 후면부 메타표면(MS2)의 중앙에 있는 유닛셀의 중심에 해당하는 좌표를 나타내고, f는 메타표면(MS1)의 초점 거리이고, n은 두 메타표면 사이의 유전체의 굴절률이다.Here, (x, z) represents the coordinates corresponding to the center of the unit cell at the center of the front metasurface MS1 and the rear metasurface MS2, f is the focal length of the metasurface MS1, and n is is the refractive index of the dielectric between the two metasurfaces.

도 7은 후면부 메타표면(MS21)의 위상프로파일을 도시한 것이다.7 shows the phase profile of the rear metasurface MS21.

본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛을 기반으로 한 평판 역반사기(100)는 도 7의 위상프로파일에 대한 수치해석 결과(도 7의 파란색 점선으로 표시된 평판 역반사기의 중앙열이 실제로 고려되었음.), 각도가 0°에서 25°로 증가할 때 입사 광선을 입사 방향으로 다시 역 반사시키는 역할을 하는 특성을 가진다.The flat plate retro-reflector 100 based on the metasurface doublet according to an embodiment of the present invention is the numerical analysis result for the phase profile of FIG. 7 (the central column of the flat plate retro-reflector indicated by the blue dotted line in FIG. ), has the property of retroreflecting the incident ray back to the incident direction when the angle increases from 0° to 25°.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 후면부 메타표면(MS2)의 제2 슈퍼셀들로 배열된 유효 면적에 의해 제한되는 최대 입사각은 약 35°인 것으로 분석되었다. 입사각이 더 큰 경우 그림자 효과로 인해 평판 역반사기의 성능이 저하되는 것으로 분석되었다.According to an embodiment of the present invention, it was analyzed that the maximum angle of incidence limited by the effective area of the rear surface metasurface MS2 arranged with the second supercells was about 35°. It was analyzed that the performance of the flat retroreflector deteriorated due to the shadow effect when the incident angle was larger.

한편, 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛을 기반으로 한 평판 역반사기(100)는 각도 분산이 없는 위상 지연을 용이하게 하기 위해 푸리에 렌즈 방식을 사용하여 허용 가능한 각도를 높일 수 있다.Meanwhile, the flat retroreflector 100 based on the metasurface doublet according to an embodiment of the present invention can increase the allowable angle by using a Fourier lens method to facilitate phase delay without angular dispersion.

도 8, 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛을 기반으로 한 평판 역반사기의 반사 특징을 설명하기 위한 도면이다.8 and 9 are diagrams for explaining reflection characteristics of a flat retroreflector based on a metasurface doublet according to an embodiment of the present invention.

도 8을 참조하면, 거울(Mirror)은 입사광의 모멘텀(momentum)(i)의 면내 성분을 변경하지 않는 특징(도 8에서

: 반사된 빛의 모멘텀임)을 가진다.Referring to FIG. 8, the mirror is characterized by not changing the in-plane component of the momentum (i) of the incident light (in FIG.

: is the momentum of the reflected light).

역반사기(retroreflector)는 모멘텀

의 방향부호를

로 변경한다.The retroreflector is momentum

the direction sign of

change to

일반적인 메타표면(metasurface)은 특정 각도에서 입사광을 반사할 수 있다(추가 모멘텀

포함).A generic metasurface can reflect incident light at a specific angle (add momentum).

include).

본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛 기반 역반사기의 경우, 전면부 메타표면(MS1)은 공간 푸리에 변환을 수행하여 입사각이 다른 빛을 후면부 메타표면(MS2)의 다른 위치로 향하게 하는 특징을 가진다.In the case of the metasurface doublet-based retroreflector according to an embodiment of the present invention, the front metasurface MS1 performs spatial Fourier transform to direct light having different incident angles to different positions on the rear metasurface MS2. have

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 입사 방향을 따라 빛을 반사하기 위해 후면부 메타표면(MS2)은 전면부 메타표면(MS1)의 초점면에 배치되고 반사된 빛이 역반사를 하도록 들어오는 광원에 두 배의 접선 운동량(

)을 부여하는 특징을 가진다.According to an embodiment of the present invention, in order to reflect light along the incident direction, the rear metasurface MS2 is disposed on the focal plane of the front metasurface MS1, and the reflected light is placed on the incoming light source so as to be retroreflected. The ship's tangential momentum (

) has the characteristic of giving

도 9와 같이 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛을 기반으로 한 평판 역반사기의 경우, 메타표면의 좌, 우의 외곽으로 빛이 의도적으로 조명될 때(예: 메타표면이 없는 위치 1 및 3), 반사광의 경로가 입사광의 경로와 완전히 다르기 때문에 정반사를 포토리시버에서 감지하지 못하게 된다.As shown in FIG. 9, in the case of a flat retroreflector based on a metasurface doublet according to an embodiment of the present invention, when light is intentionally illuminated to the left and right outer edges of the metasurface (e.g., position 1 without the metasurface) and 3), since the path of the reflected light is completely different from the path of the incident light, the photoreceiver cannot detect the regular reflection.

도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛을 기반으로 한 평판 역반사기의 역반사 빔 프로파일을 분석하기 위한 실험장치이다.10 is an experimental apparatus for analyzing a retroreflection beam profile of a flat plate retroreflector based on a metasurface doublet according to an embodiment of the present invention.

입사각이 있는 역반사 빔의 프로파일은 도 10의 실험 설정을 사용하여 특성을 분석할 수 있다.The profile of the retroreflected beam with angle of incidence can be characterized using the experimental setup of FIG. 10 .

도 10을 참조하면, λ = 1550nm에서 분산 피드백 레이저 광원(ALCATEL, A1905LMI, 310))의 광선을 빔 스플리터(313)로 시준 및 분할하고, 투과된 빔은 대물 렌즈(314)로 메타표면 더블렛을 기반으로 한 평판 역반사기(100)에 초점을 맞춰 빔 직경이 ~100μm가 되도록 조사한다.Referring to FIG. 10, a beam from a distributed feedback laser light source (ALCATEL, A1905LMI, 310) at λ = 1550 nm is collimated and split by a beam splitter 313, and the transmitted beam is metasurface doublet to an objective lens 314. Focused on the flat retroreflector 100 based on , the beam diameter was irradiated to ~100 μm.

역반사된 빔은 대물 렌즈(314)와 빔 스플리터(313)를 역방향으로 통과하고 빔 프로파일러(320)에 의해 캡처된다.The retroreflected beam passes through objective lens 314 and beam splitter 313 in reverse directions and is captured by beam profiler 320 .

대물렌즈(314)는 입사빔의 크기를 줄이기 위해 사용되었다. 평판 역반사기(100) 후측에 배치된 카메라(330)는 입사빔과 평면 역반사체(100)를 정렬하기 위해 사용된다.An objective lens 314 was used to reduce the size of the incident beam. A camera 330 disposed behind the flat retroreflector 100 is used to align the incident beam with the flat retroreflector 100.

본 발명의 일 실시 예에서는 평면 역반사기(100)를 회전시켜 입사각 θ를 증가시켰다. 본 발명의 일 실시 예에 따르면, θ가 증가하여도 역반사된 광선의 광로가 변하지 않기 때문에 역반사된 광선을 감지할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the incident angle θ is increased by rotating the planar retroreflector 100 . According to an embodiment of the present invention, since the optical path of the retro-reflected light beam does not change even when θ increases, the retro-reflected light beam can be sensed.

본 발명의 일 실시 예에서 역 반사된 빔은 ±25°의 작동 각도 내에서 감지될 수 있었다. 도 11은 도 10의 빔 프로파일러(320)에서 캡처된 입사각에 따른 빔프로파일을 도시한 것이다.In one embodiment of the present invention, the retroreflected beam could be detected within a working angle of ±25°. FIG. 11 shows a beam profile according to an incident angle captured by the beam profiler 320 of FIG. 10 .

도 11을 참조하면, 빔 프로파일은 θ_in = 0°에서 25° 범위의 입사각에 대해 5° 단위로 기록된다. 빔 프로파일러를 이동하지 않고도 다양한 입사각에서 변경되지 않은 광 경로의 도움으로 역 반사된 빔을 감지할 수 있다. 반사각(θ_r)은 예상한 입사각과 동일한 것으로 관찰되었다.Referring to FIG. 11, the beam profile is recorded in units of 5° for angles of incidence ranging from θ _in = 0° to 25°. It is possible to detect the retroreflected beam with the help of the unaltered optical path at various angles of incidence without moving the beam profiler. The angle of reflection (θ _r ) was observed to be equal to the expected angle of incidence.

본 발명의 일 실시 예에 따른 평판 역반사기가 들어오는 빛을 송신기로 다시 리디렉션하는 점을 고려하면 전자와 후자 사이의 광학 링크를 설정하여 물체의 위치를 실시간으로 식별하고 추적하는데 효과적으로 적용될 수 있다.Considering that the flat retroreflector according to an embodiment of the present invention redirects incoming light back to the transmitter, it can be effectively applied to identify and track the position of an object in real time by establishing an optical link between the former and the latter.

도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛을 기반으로 한 평판 역반사기의 자유공간에서의 광 링크 특성을 분석하기 위한 분석 장치이다.12 is an analysis device for analyzing optical link characteristics in free space of a flat retroreflector based on a metasurface doublet according to an embodiment of the present invention.

도 12를 참조하면, 광 링크를 특성화하기 위해 광원(410, Fiberpia, LS-35)에서 나오는 광 펄스 열이 광축을 교정하는 레이저 콜리메이터(412)를 통하여 광축이 수평으로 조사되어, 대물렌즈(414)로 평판 역반사기(100)로 전달되고, 상기 평판 역반사기(100)에서 역반사된 빔은 대물 렌즈(414)와 레이저 콜리메이터(412)를 역방향으로 통과하고 써큘레이터(415, Thorlabs, 6015-3- APC)를 통하여 후방으로 전달된 전파 광 신호는 ~0.3m 거리에 걸쳐 자유 공간을 이동하여 광수신기(420, New Focus, 2011-FC-M)에 도달된다.Referring to FIG. 12, in order to characterize the optical link, a light pulse train from a light source 410 (Fiberpia, LS-35) is irradiated horizontally through a laser collimator 412 for calibrating the optical axis, and the objective lens 414 ) to the flat retroreflector 100, and the beam retroreflected from the flat retroreflector 100 passes through the objective lens 414 and the laser collimator 412 in the reverse direction and passes through the circulator 415 (Thorlabs, 6015- The propagating optical signal propagated backward through the 3- APC) travels in free space over a distance of ~0.3 m and reaches the optical receiver 420 (New Focus, 2011-FC-M).

본 발명의 일 실시 예에는 1550nm의 광 펄스 파장이 사용되었다.In one embodiment of the present invention, a light pulse wavelength of 1550 nm was used.

본 발명의 일 실시 예에 따른 알루미늄 금속반사층(121) 영역이 MS2의 면적 넓게 형성되며, 역반사와 정반사는 각각 메타표면 내부와 외부의 조명 위치에 따라 주로 활성화될 수 있다.The area of the aluminum metal reflection layer 121 according to an embodiment of the present invention is formed in a wide area of MS2, and retro-reflection and regular reflection can be mainly activated depending on the illumination position inside and outside the metasurface, respectively.

도 13은 도 12의 광수신기에서 수신된 광 펄스를 도시한 것이다.FIG. 13 illustrates light pulses received by the optical receiver of FIG. 12 .

도 12를 참조하면, 붉은 선은 본 발명이 일 실시 예에 따른 역반사 기능을 수행하는 평판 역반사기를 적용한 것이고, 검은 선은 종래의 정반사 기능을 수행하는 반사기를 적용한 것이다.Referring to FIG. 12 , a red line is applied to a flat retroreflector performing a retroreflective function according to an embodiment of the present invention, and a black line is applied to a conventional reflector performing a regular reflection function.

평판 역반사기를 적용한 것이나, 종래 반사기를 적용한 반사된 광 펄스는 광 링크에 대해 각각 "ON" 및 "OFF" 상태의 펄스로 나타난다.The reflected light pulses applied with a flat retroreflector or a conventional reflector appear as “ON” and “OFF” state pulses for the optical link, respectively.

도 13을 참조하면, 수직 입사(θ_in=0°)의 경우에는 역반사 신호와 정반사 신호가 모두 감지된다.Referring to FIG. 13 , in the case of normal incidence (θ _in =0°), both retro-reflection and regular-reflection signals are sensed.

그러나 경사 입사(5° ~ 25°)에는 정반사된 신호는 감지되지 않았으며, 역반사된 신호만 감지되는 것을 알 수 있다.However, it can be seen that at oblique incidence (5° to 25°), the regular reflected signal is not detected, and only the retro-reflected signal is detected.

C = 10 log P_ON/P_OFF로 정의된 평판 역반사기와 종래 반사기 간의 대비는 ~20dB로 측정되었다. 여기서 P_on 및 P_off는 각각 "ON" 및 "OFF" 상태에 해당하는 감지된 피크 대 피크 전력을 나타낸다.The contrast between the flat retroreflector and the conventional reflector, defined as C = 10 log P _ON /P _OFF , was measured to be ~20 dB. where P _on and P _off denote the sensed peak-to-peak power corresponding to the "ON" and "OFF" states, respectively.

850 및 1300nm의 파장과 비교할 때 C-band에 속하는 1550nm의 파장은 광섬유에서 약 0.2dB km^-1의 최소 감쇠, 눈에 대한 보호 및 광섬유 증폭기(EDFA)의 문제점(신호대 잡음비에 따른 신호검출 에러율)를 포함하여 현저한 특징을 고려하여 광통신에 광범위하게 활용되고 있다.Compared to wavelengths of 850 and 1300 nm, the wavelength of 1550 nm belonging to the C-band has a minimum attenuation of about 0.2 dB km ^-1 in optical fiber, protection against eyes and problems with optical fiber amplifiers (EDFA) (signal detection error rate according to signal-to-noise ratio) It is widely used in optical communication considering its remarkable characteristics, including

본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛을 기반으로 한 역반사기는 크기, 무게 및 다른 구성 요소와의 통합의 한계를 극복할 수 있어서 자유 공간 광 데이터 전송에 적용될 수 있다.A retroreflector based on a metasurface doublet according to an embodiment of the present invention can overcome limitations in size, weight, and integration with other components, and thus can be applied to free space optical data transmission.

도 10 및 12를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 평판 역반사기를 이용한 광통신 링크 장치는 광빔을 발생시키는 광원, 광입력 포트에 따라 선택적으로 광빔을 분배하는 광 스플리터 또는 광 써큘레이터 및 메타표면 더블렛 기반의 평판 역반사기를 포함하여 구성될 수 있다, 이와 같은 본 발명의 일 실시 예에 따른 평판 역반사기를 이용한 광통신 링크 장치는 효과적으로 자유공간의 광통신 링크를 형성할 수 있다.10 and 12, an optical communication link device using a flat retroreflector according to an embodiment of the present invention includes a light source generating light beams, an optical splitter or optical circulator selectively distributing light beams according to light input ports, and a meta The optical communication link device using the flat retroreflector according to an embodiment of the present invention can effectively form a free space optical communication link.

이에 따라 본 발명의 일 실시 예에 따른 평판 역반사기를 이용한 광통신 링크 방법은 광원으로부터 광빔을 광입력 포트에 따라 광빔을 분배하는 빔 스플리터 또는 광 써큘레이터를 통해 상기 메타표면 더블렛 기반의 평판 역반사기에 조사시킨 후, 상기 평판 역반사기로부터 역 반사된 광신호를 상기 빔 스플리터 또는 광 써큘레이터를 통하여 공간으로 전파하고 전파된 광신호를 광수신기로 수신하는 단계를 포함함으로써, 효과적으로 자유공간을 통한 광통신 링크를 구축하는 것을 수행할 수 있다.Accordingly, in an optical communication link method using a flat retro-reflector according to an embodiment of the present invention, a light beam from a light source is transmitted through a beam splitter or an optical circulator that distributes light beams according to optical input ports, and the metasurface doublet-based flat retro-reflector After irradiating the flat plate retroreflector, the optical signal retroreflected from the flat plate retroreflector is propagated into space through the beam splitter or the optical circulator, and the propagated optical signal is received by an optical receiver, thereby effectively providing optical communication through free space. You can do link building.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 평판 역반사기를 이용한 광통신 링크 방법은 상기 광원으로부터 발생된 광빔과 광통신을 위한 데이터 신호와 합성하여 변조된 광 데이터 신호를 상기 빔 스플리터 또는 광 써큘레이터를 통해 상기 메타표면 더블렛 기반의 평판 역반사기에 조사시킨 후, 상기 평판 역반사기로부터 역 반사된 광 데이터신호를 상기 빔 스플리터 또는 광 써큘레이터를 통하여 공간으로 전파하고 전파된 광 데이터신호를 광수신기로 수신하는 단계를 포함할 수 있다.In addition, in an optical communication link method using a flat retro-reflector according to an embodiment of the present invention, an optical data signal modulated by combining a light beam generated from the light source with a data signal for optical communication is transmitted through the beam splitter or the optical circulator. After irradiating a metasurface doublet-based flat plate retroreflector, the optical data signal retroreflected from the flat plate retroreflector is propagated into space through the beam splitter or optical circulator, and the propagated optical data signal is received by an optical receiver steps may be included.

도 14는 본 발명의 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛을 기반으로 한 평판 역반사기의 자유공간에서의 광 링크 구축을 위한 또 다른 실시 예인 테스트 장치를 도시한 것이다.FIG. 14 illustrates a test device according to another embodiment for constructing an optical link in a free space of a flat retroreflector based on a metasurface doublet according to an embodiment of the present invention.

도 14를 참조하면, 레이저(510)의 발생된 광빔은 난수 비트 시퀀스 데이터신호를 발생시키는 제1 BERT(Bit Error Rate Testing) 스코프(540)에 의해 발생된 데이터 신호가 무선 주파수 증폭기(541)에 의해 증폭된 후, 전기 광학 변조기(542, iXblue, MX-LN-10)에 의해 적절하게 편광 및 변조된 광신호는 광섬유 증폭기(EDFA)를 거쳐서 광신호를 분배하는 기능을 수행하는 광 써큘레이터(515)의 1번 포트를 통하고 광섬유 결합 콜리메이터(512)를 거쳐서 평판 역반사기(100)로 조사된다.Referring to FIG. 14, the light beam generated by the laser 510 is generated by the first BERT (Bit Error Rate Testing) scope 540 that generates a random number bit sequence data signal, and the data signal generated by the radio frequency amplifier 541 After amplification by the electro-optic modulator (542, iXblue, MX-LN-10), the optical signal appropriately polarized and modulated by the optical fiber amplifier (EDFA) is used to distribute the optical signal to the optical circulator ( 515) and through the optical fiber coupling collimator 512, the flat plate retroreflector 100 is irradiated.

광섬유 결합 콜리메이터는 광섬유와 결합되어 광축을 교정하고 평행광선을 형성시키는 기능을 수행한다.The optical fiber coupling collimator is combined with an optical fiber to calibrate an optical axis and form parallel rays.

본 발명의 일 실시 예에 따른 제1 BERT(Bit Error Rate Testing) 스코프(540)에서는 2³¹-1 의사 난수 비트 시퀀스 데이터가 생성되어 사용된다.In the first BERT (Bit Error Rate Testing) scope 540 according to an embodiment of the present invention, 2 ³¹ -1 pseudo random number bit sequence data is generated and used.

그런 다음 평판 역반사기(100)에서 역반사된 광 신호는 광 써큘레이터(515)의 포트 3을 통해 제2 BERT 스코프(520)에 전달된다.Then, the optical signal retroreflected by the planar retroreflector 100 is transferred to the second BERT scope 520 through port 3 of the optical circulator 515 .

도 15 a)는 도 14의 장치에서 입력된 비트오류울(BER)과 데이터 속도를 나타내고 15 b)는 수신신호의 함수로 관찰된 비트오류율(BER)을 나타낸다.FIG. 15 a) shows the bit error rate (BER) and data rate input from the device of FIG. 14, and FIG. 15 b) shows the observed bit error rate (BER) as a function of the received signal.

도 15 a) 및 b)를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에서는 1Gbps 간격으로 1Gbps에서 9Gbps까지 데이터 속도를 변경하여 모니터링하였다. Referring to FIG. 15 a) and b), in an embodiment of the present invention, the data rate is changed and monitored from 1 Gbps to 9 Gbps at 1 Gbps intervals.

광링크의 통신 품질을 확인하기 위해 데이터 전송률과 전력을 조사하였다.To check the communication quality of the optical link, the data rate and power were investigated.

최대 3Gbps 범위의 데이터 속도에 대한 BER은 거의 무시할 수 있었으며 오류가 없는 전송으로 변환된다.The BER for data rates in the range of up to 3 Gbps was almost negligible, which translates into error-free transmission.

3 ~ 9Gbps 사이의 데이터 속도에서 BER은 FEC 임계값(3.8 × 10^-3)의 미만인 것으로 나타낸다.At data rates between 3 and 9 Gbps, the BER is shown to be below the FEC threshold (3.8 × 10 ^-3 ).

도 15 b)에서 BER은 1Gbps의 속도로 80 ~ 240㎼ 범위의 수신 전력에 대해 변하지 않는 것을 나타낸다. 5 ~ 9Gbps에서 실행되는 데이터 속도의 경우 예상대로 향상된 신호 전력으로 BER이 향상되었다.In FIG. 15 b), the BER does not change for received power in the range of 80 to 240 μW at 1 Gbps. For data rates running from 5 to 9 Gbps, the improved signal power improved the BER, as expected.

도 15 a) 및 b)는 데이터 속도가 1Gbps에서 9Gbps로 지속적으로 증가함에 따라 BER은 항상 FEC 임계값(BER = 3.8 × 10^-3) 미만으로 유지되는 것을 알 수 있다.15 a) and b) it can be seen that as the data rate continuously increases from 1 Gbps to 9 Gbps, the BER is always kept below the FEC threshold (BER = 3.8 × 10 ^-3 ).

이에 따라 본 발명의 일 실시 예에 따른 평면 역반사기(100)는 고속 광링크의 안정적인 통신 품질을 보여주는 것을 알 수 있다.Accordingly, it can be seen that the planar retroreflector 100 according to an embodiment of the present invention shows stable communication quality of a high-speed optical link.

따라서 본 발명의 일 실시 예에 따른 평판 역반사기는 종래의 장치들에 비하여 BER을 효과적으로 개선할 수 있으며, 고전력 조건에서 더 나은 성능을 발휘할 수 있는 효과를 가진다. Therefore, the flat retro-reflector according to an embodiment of the present invention can effectively improve BER compared to conventional devices, and has an effect of exhibiting better performance under high power conditions.

결론적으로 평면 역반사기는 고속 광링크의 안정적인 통신 품질을 보여준다.In conclusion, the planar retroreflector shows stable communication quality of high-speed optical link.

BER이 FEC 임계값 미만인 경우 일반적으로 채택된 코드를 데이터 신호에 적용하여 BER을 크게 향상시켜 96.8%의 효율성을 가져옴으로써 다양한 잠재적인 실제 응용을 가능하게 할 수 있다.When the BER is below the FEC threshold, the commonly adopted code can be applied to the data signal to significantly improve the BER, resulting in an efficiency of 96.8%, enabling a variety of potential practical applications.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 평판 역반사기(100)는 FEC 임계값보다 훨씬 낮은 BER을 허용하여 안정적인 고속 광 링크를 설정할 수 있다.In addition, the planar retroreflector 100 according to an embodiment of the present invention can establish a stable high-speed optical link by allowing a much lower BER than the FEC threshold.

또한, 효율적인 자유 공간 광 통신을 용이하게 하려면 큰 수용 각도가 주로 필요하다.Also, large acceptance angles are often required to facilitate efficient free-space optical communication.

본 발명의 일 실시 예에 따른 입사각은 θ_in = 0에서 25°까지 다양한 각도에서 안정적인 역반사 기능을 수행할 수 있다. 데이터 속도가 9Gbps로 증가함에 따라 BER은 약간 증가했지만 FEC 임계값 미만으로 유지되었습니다. 입사각에 따라 역반사 효율이 떨어지므로 BER이 저하될 수 있다.The incident angle according to an embodiment of the present invention may perform a stable retro-reflection function at various angles from θ _in = 0 to 25°. As the data rate increased to 9 Gbps, the BER increased slightly but remained below the FEC threshold. Since the retroreflection efficiency decreases depending on the incident angle, the BER may decrease.

도 16 a)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 평판 역반사기를 이용한 광각 광 링크에 대해 입력된 입사각에 대한 비트오류률(BER)을 나타내고, 도 16 b)는 데이터 속도에 대한 입사각의 소광비(extinction ratio)를 나타낸다.16 a) shows the bit error rate (BER) for the input angle of incidence for a wide-angle optical link using a planar retroreflector according to an embodiment of the present invention, and FIG. 16 b) shows the extinction ratio of the angle of incidence to the data rate ( represents the extinction ratio).

도 17은 본 발명의 일 실시 예에 따른 평판 역반사기를 이용한 광각 광 링크에 대해 9Gbps의 데이터 속도로 입사각이 0 ~ 25° 사이에서 변하는 수신된 역 반사된 빔에서 관찰된 아이 다이어그램을 도시한 것이다.17 illustrates an eye diagram observed on a received retroreflected beam with an angle of incidence varying between 0 and 25° at a data rate of 9 Gbps for a wide-angle optical link using a flat retroreflector according to an embodiment of the present invention. .

도 17에서는 아이 다이어그램에 대해 통계적으로 평균된 1-레벨과 0-레벨 간의 대비로 정의되는 소광비도 조사된다. . In FIG. 17, the extinction ratio defined as the contrast between the 1-level and the 0-level statistically averaged over the eye diagram is also investigated. .

도 16 b)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 평판 역반사기(100)의 각도 허용 오차를 확인하기 위해 서로 다른 입사각에서 BER과 소광비를 측정하였다. 데이터 전송률이 일반 입사에 대해 1Gbps에서 9Gbps로 증가했을 때 소광비는 11.9dB에서 9.2dB로 감소했다.16 b), BER and extinction ratio were measured at different incident angles to check the angular tolerance of the flat retroreflector 100 according to an embodiment of the present invention. When the data rate increased from 1Gbps to 9Gbps for normal incidence, the extinction ratio decreased from 11.9dB to 9.2dB.

도 16을 참조하면, 데이터 전송률이 1~5~9Gbps 범위일 때 BER은 약간 증가하고 소광비는 정상 입사에서 11.92~10.22~9.16dB로 변경되었음을 알 수 있다.Referring to FIG. 16, it can be seen that when the data rate ranges from 1 to 5 to 9 Gbps, the BER slightly increases and the extinction ratio is changed from normal incidence to 11.92 to 10.22 to 9.16 dB.

본 발명의 일 실시 예에 따른 평판 역반사기(100)의 현저한 각도 허용 오차는 소광비가 입사각에 대해 거의 일정하게 유지된다는 사실에 의해 뒷받침될 수 있다.The remarkable angular tolerance of the flat retroreflector 100 according to one embodiment of the present invention can be supported by the fact that the extinction ratio remains almost constant with angle of incidence.

도 17을 참조하면, 9Gbps에서 입사각 측면에서 clear-eye 다이어그램 그룹을 보여주며 이는 매우 안정적인 광 링크를 나타내는 것으로 분석된다..Referring to FIG. 17, it shows a group of clear-eye diagrams in terms of angle of incidence at 9 Gbps, which is analyzed to indicate a very stable optical link.

결과적으로 제안된 FRR의 그럴듯한 각도 허용 오차는 입사각에 대한 응답으로 BER 및 소광비의 미미한 변화의 맥락에서 검증될 수 있었다.As a result, the plausible angular tolerance of the proposed FRR could be verified in the context of minor changes in BER and extinction ratio in response to incident angle.

본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛에 기반한 평판 역반사기(100)는 자유 공간 광 링크에서 광각 허용 오차와 안정성을 보여주는 광 데이터 링크의 품질을 희생하지 않고도 경사 입사에서 안정적으로 작동할 수 있다.A flat plate retroreflector 100 based on a metasurface doublet according to an embodiment of the present invention can operate stably at oblique incidence without sacrificing the quality of an optical data link that exhibits wide angle tolerance and stability in a free space optical link. there is.

본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛에 기반한 평판 역반사기(100)는 1550nm의 통신 파장에서 안정적인 데이터 링크의 품질을 가지는 것을 실험적으로 입증되었다.It has been experimentally proven that the planar retroreflector 100 based on the metasurface doublet according to an embodiment of the present invention has stable data link quality at a communication wavelength of 1550 nm.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛에 기반한 평판 역반사기(100)는 MD는 각각 푸리에 초점 렌즈와 오목 거울 역할을 하는 전면부 메타표면(MS1)과 후면부 메타표면(MS2)을 결합하여 실리카 유전체 스페이서에서 EBL을 통해 정밀하게 제작될 수 있다.In addition, in the flat plate retroreflector 100 based on the metasurface doublet according to an embodiment of the present invention, MD includes a front metasurface MS1 and a rear metasurface MS2 serving as a Fourier focus lens and a concave mirror, respectively. Combined, they can be precisely fabricated via EBL in a silica dielectric spacer.

본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛에 기반한 평판 역반사기(100)는 전면부 메타표면(MS1)이 공간 푸리에 변환과 그 역을 수행하는 반면 후면부 메타표면(MS2)이 입사광의 푸리에 변환에 공간적으로 다양한 모멘텀을 부여하기 때문에 입사된 빔을 다시 광원으로 되돌리도록 성공적으로 작동될 수 있다.In the flat plate retroreflector 100 based on the metasurface doublet according to an embodiment of the present invention, the front metasurface MS1 performs spatial Fourier transform and vice versa, while the rear metasurface MS2 performs Fourier transform of incident light. It can be successfully operated to return the incident beam back to the light source because it imparts a spatially variable momentum to it.

도 18은 본 발명의 일 실시 에에 따른 메타표면 더블렛에 기반한 평판 역반사기의 제조방벙을 도시한 것이다.18 illustrates a manufacturing method of a flat retroreflector based on a metasurface doublet according to an embodiment of the present invention.

도 18을 참조하면, 먼저 기판 준비단계가 수행된다. 본 발명의 일 실시 예에서는 428㎛ 두께의 실리카(SiO₂)를 기판으로 준비된다. 준비단계에서 실리카 기판은 a-Si:H 층 사이의 접착을 촉진하기 위해 먼저 아세톤/ 이소프로필알코올/ 탈 이온수로 세척하는 과정을 포함한다.Referring to FIG. 18, first, a substrate preparation step is performed. In one embodiment of the present invention, silica (SiO ₂ ) having a thickness of 428 μm is prepared as a substrate. In the preparation step, the silica substrate is first washed with acetone/isopropyl alcohol/deionized water to promote adhesion between the a-Si:H layers.

다음은 플라즈마 강화 화학기상 증착(PECVD) 방법에 의한 상기 실리카 기판 전면부 및 후면부에 수소화 비정질 실리콘(a-Si:H)층을 증착하는 단계(511단계)가 수행된다. 511단계에서는 1000nm 두께의 a-Si:H 필름층이 최적의 조건에서 플라즈마 강화 화학 기상 증착기(Oxford의 PlasmaLab 100)를 사용하여 기판의 각 면에 a-Si:H 층이 증착된다. 511단계 후에 전면부 a-Si:H층 상부에 전자빔 레지스트(Zeon Chemicals의 ZEP 520A)를 스핀 코팅하여 제1 레지스트층을 형성하는 제1차 스핀코팅 단계(512단계)가 수행된다. 512단계 후에 상기 제1 레지스트층에 대해 전자 빔 리소그라피(EBL, Electron Beam Lithography) 공정을 통하여 전면부 메타표면 패턴에 대응하는 제1 레지스트 패턴층을 형성하는 단계(513단계)가 수행된다. 513단계에서 메타표면 패턴과 정렬 마크는 후속 현상(ZED-N50)과 함께 e- 빔 리소그래피 (Raith150 EBL)를 통해 제1 레지스트층에 기록된다. 다음은 513단계에서 형성된 제1 레지스트 패턴층 상부면에 제1 AL층을 증착시키는 AL 증착단계(514)가 수행된다. 514단계에서 60nm 두께의 알루미늄층을 오목패턴이 포함되도록 각각 전자빔 증발(Temescal BJD-2000)에 의해 증착한다.Next, a step (step 511) of depositing a hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) layer on the front and rear surfaces of the silica substrate by a plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) method is performed. In step 511, a 1000 nm thick a-Si:H film layer is deposited on each side of the substrate using a plasma enhanced chemical vapor deposition machine (Oxford's PlasmaLab 100) under optimal conditions. After step 511, a first spin coating step (step 512) of forming a first resist layer by spin-coating an electron beam resist (ZEP 520A from Zeon Chemicals) on the a-Si:H layer on the front surface is performed. After step 512, a step (step 513) of forming a first resist pattern layer corresponding to the front metasurface pattern is performed on the first resist layer through an electron beam lithography (EBL) process. In step 513, the metasurface pattern and alignment marks are written on the first resist layer through e-beam lithography (Raith150 EBL) with subsequent development (ZED-N50). Next, an AL deposition step 514 of depositing a first AL layer on the upper surface of the first resist pattern layer formed in step 513 is performed. In step 514, an aluminum layer having a thickness of 60 nm is deposited by electron beam evaporation (Temescal BJD-2000) to include a concave pattern.

다음은 용매(Zeon Co.의 ZDMAC)에 의해 기판 상부의 제1 레지스트 패턴층을 모두 들어올려 전면부 메타표면 패턴에 맞춘 제1 패턴화된 AL 층으로 전면부를 패턴화하는 제1 lift-off 단계(515 단계)가 수행된다.Next, a first lift-off step of patterning the front surface with a first patterned AL layer tailored to the front surface metasurface pattern by lifting all the first resist pattern layers on the upper surface of the substrate with a solvent (ZDMAC of Zeon Co.) (Step 515) is performed.

lift-off 단계(515단계) 이후에 패턴화된 AL층을 하드 마스크로 사용하여 설계된 전면부 메타표면 패턴으로 에칭하여 전면부 a-Si:H 층을 형성하는 제1 에칭단계(516)가 수행된다. 516단계에서는 설계된 패턴을 불소 기반 유도 결합 플라즈마 반응성 이온 에칭(Oxford PlasmaLab System 100)을 통해 전면부 a-Si:H 층을 에칭하여 패턴화된 전면부 a-Si:H 패턴층을 형성한다.After the lift-off step (step 515), a first etching step (516) of forming a front-side a-Si:H layer by etching the front-side metasurface pattern using the patterned AL layer as a hard mask is performed. do. In step 516, the front-side 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-side a-Si:H pattern layer.

다음은 상기 전면부 a-Si:H층 패턴층 상부에 남아있는 제1 패턴화된 AL을 제거하는 잔여 알루미늄 제거단계(517)가 수행된다.Next, a residual aluminum removal step 517 of removing the first patterned AL remaining on the front surface part a-Si:H layer pattern layer is performed.

다음은 상기 전면부 a-Si:H 패턴층의 사이 공간 및 전면부 a-Si:H 패턴층의 상단부에서 100nm 두께로 폴리머(SU-8) 물질로 충진하여 전면부 메타표면(MS1)을 형성하는 제1폴리머층 증착단계(518)가 수행된다.Next, the space between the front-side a-Si:H pattern layer and the upper end of the front-side a-Si:H pattern layer are filled with a polymer (SU-8) material to a thickness of 100 nm to form the front-side metasurface (MS1). A first polymer layer deposition step 518 is performed.

다음은 후면부 수소화 비정질 실리콘(a-Si:H)에 전자빔 레지스트(Zeon Chemicals의 ZEP520A)를 스핀 코팅하여 제2 레지스트층을 형성하는 제2차 스핀코팅 단계(519단계)가 수행된다. Next, a second spin coating step (step 519) of forming a second resist layer by spin-coating an electron beam resist (ZEP520A from Zeon Chemicals) on the rear hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) is performed.

519단계 후에 제2 레지스트층에 대해 전자 빔 리소그라피(EBL, Electron Beam Lithography) 공정을 통하여 후면부 메타표면 패턴에 대응하는 제2 레지스트 패턴층을 형성하는 단계(520단계)가 수행된다. 520단계에서 후면부 메타표면 패턴과 정렬 마크는 후속 현상(ZED-N50)과 함께 e- 빔 리소그래피 (Raith150 EBL)를 통해 레지스트에 기록된다. 다음은 520단계에서 형성된 제2 레지스트 패턴층 상부면에 제2 AL을 증착시키는 AL 증착단계(521단계)가 수행된다. 521단계에서 60nm 두께의 알루미늄층을 오목패턴이 포함되도록 각각 전자빔 증발기(Temescal BJD-2000)에 의해 증착한다.After step 519, a step (step 520) of forming a second resist pattern layer corresponding to the metasurface pattern of the rear surface is performed on the second resist layer through an electron beam lithography (EBL) process. In step 520, the backside metasurface pattern and alignment marks are written on the resist through e-beam lithography (Raith150 EBL) with subsequent development (ZED-N50). Next, an AL deposition step (step 521) of depositing a second AL on the upper surface of the second resist pattern layer formed in step 520 is performed. In step 521, an aluminum layer having a thickness of 60 nm is deposited by an electron beam evaporator (Temescal BJD-2000) to include a concave pattern.

다음은 상기 용매(Zeon Co.의 ZDMAC)에 의해 기판 상부의 제2 레지스트층을 모두 들어올려 후면부 메타표면 패턴에 맞춘 제2 패턴화된 AL 층으로 후면부를 패턴화하는 제2 lift-off 단계(523 단계)가 수행된다.Next, a second lift-off step of patterning the rear surface with a second patterned AL layer matching the metasurface pattern of the rear surface by lifting all the second resist layer on the substrate by the solvent (ZDMAC of Zeon Co.) ( Step 523) is performed.

제2 lift-off 단계(523단계) 이후에 패턴화된 AL층을 하드 마스크로 사용하여 설계된 후면부 메타표면 패턴으로 후면부 a-Si:H 패턴층을 형성하는 제2 에칭단계(524)가 수행된다. 524단계에서는 설계된 패턴을 불소 기반 유도 결합 플라즈마 반응성 이온 에칭(Oxford PlasmaLab System)을 통해 후면부 a-Si:H 층을 에칭하여 패턴화된 후면부 a-Si:H층을 형성한다.After the second lift-off step (step 523), a second etching step 524 is performed to form a backside a-Si:H pattern layer with a backside metasurface pattern designed using the patterned AL layer as a hard mask. . In step 524, the backside a-Si:H layer is etched with the designed pattern through fluorine-based inductively coupled plasma reactive ion etching (Oxford PlasmaLab System) to form a patterned backside a-Si:H layer.

다음은 습식 에칭을 수행하여 후면부 a-Si:H 패턴층의 종단에 남아있는 하드 마스크로 사용된 패턴화된 AL층을 제거하는 AL층 제거단계(525)가 수행된다.Next, an AL layer removal step 525 is performed to remove the patterned AL layer used as a hard mask remaining at the end of the backside a-Si:H pattern layer by performing wet etching.

다음은 상기 패턴화된 후면부 a-Si:H 패턴층의 사이 공간 및 후면부 a-Si:H 패턴층의 상단부에서 100nm 두께로 폴리머(SU-8) 물질로 증착 충진하여 후면부 메타표면(MS2)을 형성하는 제2폴리머층 증착단계(518)가 수행된다.Next, the space between the patterned backside a-Si:H pattern layer and the top of the backside a-Si:H pattern layer are deposited and filled with a polymer (SU-8) material to a thickness of 100nm to form the backside metasurface (MS2). A forming second polymer layer deposition step 518 is performed.

다음은, 518단계 후에 제2폴리머층 상부에 100nm 두께의 알루미늄을 증착하여 반사용 알루미늄층을 형성하는 알루미늄 증착단계(517)가 수행된다Next, after step 518, an aluminum deposition step 517 of forming an aluminum layer for reflection by depositing 100 nm thick aluminum on the second polymer layer is performed.

본 발명의 일 실시 예에 따른 알루미늄층은 상기 후면부 메타표면(MS2)가 형성된 면적보다 직경이 1격자 이상 넓게 형성되는 것을 특징으로 한다.The aluminum layer according to an embodiment of the present invention is characterized in that the diameter is formed wider than the area in which the rear surface metasurface MS2 is formed by one grid or more.

517단계 후 뒤집어서 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛을 기반으로 한 평판 역반사기(100)가 완성된다(528).After step 517, the flat plate retroreflector 100 based on the metasurface doublet according to an embodiment of the present invention is completed by turning it over (528).

100: 평판 역반사기
121: 금속 반사층
150: 유전체 기판
310, 410, 510: 광원
312, 412, 512: 콜리메이터
313: 빔 스플리터
314, 414: 대물렌즈
320: 빔 프로파일러
420: 광 수신기
330: 카메라
515: 광 써큘레이터
520, 540: BERT(Bit Error Rate Testing) 스코프
542: 전기 광학 변조기
EDFA: 광섬유 증폭기
MS1: 전면부 메타표면
MS2: 후면부 메타표면100: flat retroreflector
121: metal reflective layer
150: dielectric substrate
310, 410, 510: light source
312, 412, 512: collimator
313: beam splitter
314, 414: objective lens
320: beam profiler
420: optical receiver
330: camera
515: optical circulator
520, 540: BERT (Bit Error Rate Testing) scope
542 electro-optical modulator
EDFA: fiber optic amplifier
MS1: front metasurface
MS2: back side metasurface

Claims

In a flat retroreflector based on a metasurface doublet,
The flat retroreflector
dielectric layer substrate;
a front surface metasurface formed on the front surface of the dielectric layer substrate and formed by a set of first unit cells in which a first group of cylindrical columnar nanocolumns are formed in the central portion;
a back side metasurface formed on the rear side of the dielectric layer substrate and formed by a set of second unit cells including a second group of cylindrical columnar nanopillars; and
A flat plate retroreflector comprising an aluminum layer formed under the metasurface of the rear surface.

According to claim 1,
The dielectric substrate is formed of a silica material,
The flat plate retroreflector, characterized in that the nano-columns are formed of a hydrogenated amorphous silicon (a-Si: H) material.

According to claim 1,
The first unit cell and the second unit cell are formed in a square lattice of a certain period,
The periphery and top of the nanopillars of the front metasurface are filled with a polymer material,
The planar retroreflector, characterized in that the periphery and lower portion of the nanocolumn of the rear metasurface are filled with a polymer material.

According to claim 1,
The flat plate retroreflector, characterized in that the thickness of the dielectric layer substrate is formed to match the focal length of the front metasurface.

According to claim 1,
The front meta-surface is formed in a circular shape with a diameter of 480 μm, the rear meta-surface is formed in a circular shape with a diameter of 600 μm, and the area of the aluminum layer is smaller than the diameter of the rear meta-surface in the second unit cell. A flat plate retroreflector characterized in that it is formed wider than one lattice of.

According to claim 1,
The first group of nanocolumns of the front metasurface and the second group of nanocolumns of the rear metasurface are formed by arranging 8 groups of different diameters to have a phase shift of 0 to 2π. Flat plate, characterized in that retro reflector.

According to claim 6,
The planar retroreflector is for establishing a link in the optical communication area of the communication wavelength λ = 1550 nm,
The first group of nanopillars are formed in groups having diameters of 106, 1126.5, 138.5, 148, 155.5, 162.5, and 180 nm;
The flat plate retroreflector, characterized in that the second group of nanopillars are formed in groups having diameters of 106, 1126.5, 138.5, 148, 155.5, 162.5, and 180 nm.

According to claim 6,
The first unit cell and the second unit cell are formed of a square lattice having a period of 800 nm,
The height of the first group of nanocolumns and the second group of nanocolumns is 1000 nm,
The flat plate retroreflector, characterized in that the thickness of the dielectric is 428㎛.

According to claim 1,
The flat retroreflector, characterized in that the phase profile of the front metasurface is calculated by the following equation.

- Where (x, z) represents the coordinates corresponding to the center of the first unit cell at the center of the front metasurface, f is the focal length of the front metasurface, and n is the refractive index of the dielectric.

In the free space optical communication link method using the planar retroreflector of any one of claims 1 to 9,
The optical communication link method,
A light beam generated from a light source and a data signal for optical communication are synthesized and irradiated to the flat plate retro-reflector through a beam splitter or an optical circulator that distributes the light beam according to optical input ports, and then retro-reflected from the flat plate retro reflector. and propagating an optical signal to a free space through the beam splitter or optical circulator and receiving the propagated optical signal by an optical receiver.

In the manufacturing method of a flat retroreflector based on a metasurface doublet,
The method of manufacturing the flat retroreflector,
a) preparing a silica substrate;
b) depositing a hydrogenated amorphous silicon material on the front and rear surfaces of the silica substrate by a plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) method to form a front hydrogenated amorphous silicon layer and a rear hydrogenated amorphous silicon layer;
c) forming a first resist layer by spin-coating an electron beam resist on the front surface hydrogenated amorphous silicon layer after step b);
d) forming a first resist pattern layer corresponding to the front metasurface pattern on the first resist layer through an electron beam lithography (EBL) process;
e) depositing a first AL layer on an upper surface of the first resist pattern layer;
f) a first lift-off step of patterning the front surface with a first patterned AL layer aligned with the metasurface pattern of the front surface by lifting all the first resist pattern layers on the silica substrate with a solvent;
g) a first etching step of etching the front surface metasurface pattern using the first patterned AL layer as a hard mask to form a front surface hydrogenated amorphous silicon pattern layer;
h) a residual aluminum removal step of removing the first patterned AL aluminum remaining on the front-side hydrogenated amorphous silicon pattern layer;
i) depositing a first polymer layer to form a front metasurface by filling a space between and above the hydrogenated amorphous silicon pattern layer with a polymer material;
j) a second spin-coating step of inverting the dielectric substrate after step i and spin-coating an electron beam resist on the hydrogenated amorphous silicon layer on the rear surface to form a second resist layer;
k) forming a second resist pattern layer corresponding to the metasurface pattern of the rear surface through an electron beam lithography process on the second resist layer;
l) depositing a second AL layer on the second resist pattern layer;
m) a second lift-off step of patterning the rear surface with a second patterned AL layer aligned with the metasurface pattern of the rear surface by lifting all the second resist pattern layers on the silica substrate with a solvent;
n) a second etching step of forming a hydrogenated amorphous silicon pattern layer by etching the backside metasurface pattern using the second patterned AL layer as a hard mask;
o) a residual aluminum removal step of removing the second patterned AL aluminum remaining on the front-side hydrogenated amorphous silicon pattern layer;
p) depositing a second polymer layer to form a metasurface of the rear surface by filling the space between and above the hydrogenated amorphous silicon pattern layer with a polymer material; and
q) an aluminum deposition step of depositing an aluminum layer on the second polymer layer; A flat retroreflector manufacturing method comprising a.