KR20230102812A

KR20230102812A - 반사형 복소수 공간 광 변조기

Info

Publication number: KR20230102812A
Application number: KR1020210193233A
Authority: KR
Inventors: 최재우; 최민호
Original assignee: 경희대학교 산학협력단
Priority date: 2021-12-30
Filing date: 2021-12-30
Publication date: 2023-07-07

Abstract

본 발명은 반사형 복소수 공간 광 변조기에 관한 것으로서, 일실시예에 따른 반사형 복소수 공간 광 변조기는 복수의 하부 전극을 구비하는 반사층, 반사층 상에 형성되고 복수의 복굴절층을 구비하는 복굴절 물질 및 복굴절 물질 상에 형성되는 편광 선택 소자를 포함하고, 여기서 복굴절 물질은 편광 선택 소자와의 인접면에 형성된 공통 전극을 구비하고 공통 전극과 복수의 하부 전극 각각에 인가되는 전기적 신호에 대응하여 변경되는 복수의 복굴절층의 분포에 기반하여 편광 선택 소자를 통해 입사하는 광의 복소 진폭이 조절될 수 있다.

Description

반사형 복소수 공간 광 변조기{REFLECTION-TYPE COMPLEX-SPATIAL LIGHT MODULATORS}

본 발명은 반사형 복소수 공간 광 변조기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 단일 화소로 복소 공간 전 영역의 복소 진폭을 조절하는 기술적 사상에 관한 것이다.

고도화된 사회 발전과 함께 광, 신호 등 다양한 영역에서 위상, 진폭 등 다양한 정보처리를 요하고 있다.

특히, 디지털 홀로그램과 광기반 양자 정보처리 기술은 빛의 위상과 진폭을 자유자제로 조절이 필요로 하며, 한 예로, 빛이 편광상태로 양자 얽힘이 있을 시 얽힘 상태에 게이팅 조절을 위해서는 빛의 편광과 무관하게 위상과 진폭을 독립적으로 조절할 필요성이 존재한다.

광공학적 분야에서 빛의 진폭, 위상, 편광과 같은 빛의 특성을 공간적으로 조절해 주는 장치를 공간 광 변조기라고 한다.

일반적인 공간 광 변조기(Spatial Light Modulator, SLM)는 진폭 혹은 위상 하나 만을 조절하거나, 진폭과 위상이 서로 결합되어 있다.

따라서, 복소 공간 전 영역(0pi 내지 2pi 위상 * 0 내지 최대 투과도 혹은 반사도)의 복소 진폭을 조절하기 위해서는 다수의 공간 광 변조기를 조합하거나, 여러 화소를 하나의 슈퍼 화소(super-pixel)로 조합하는 방식 등을 사용한다.

다시 말해, 일반적인, 대중적인 공간 광 변조기는 빛의 진폭 혹은 위상 정보 중 하나만을 조절하며, 일반적인 디스플레이 장치는 진폭과 위상이 서로 결합(couping)되어 있다.

복소 진폭이란, 빛의 위상과 진폭정보를 의미하며, 복소공간 또는 복소평면이란, 빛의 전기장 또는 자기장을 페이저(phasor) 형태로 표현했을 때, x 축을 전기장 또는 자기장의 Re 성분, y축을 Im성분으로 표현한 공간으로, 벡터의 크기는 진폭, 각도는 위상을 의미한다.

또한, 복소 공간 전 영역이란, 0pi 내지 2pi까지의 위상에 대하여, 0(즉, black) ~ 상대적으로 최대 값(투과도 또는 반사도)를 의미하며, 복소 공간 전 영역에서 복소 진폭의 조절이 가능함은, 복소공간에서 원점부터 일정 반지름 내의 모든 복소 진폭 값을 구현 가능 함을 의미할 수 있다.

일반적으로, 복소 진폭의 조절은 하나의 공간 광 변조기의 여러 화소들을 조합하거나, 여러 공간 광 변조기를 조합하여 구현이 가능하다.

하나의 공간 광 변조기의 여러 화소를 조합하는 경우, 여러 방식이 존재하나, 박막(thin film)형태 구조는 2개 내지 4개의 인접한 화소를 정밀하게 패턴된 광학 소자를 정밀하게 배열시켜 여러 화소를 통과한 빛을 하나로 합치는 구조이며, 비 박막형태 구조의 경우, PBS(Polarizing Beam Splitter), 렌즈, 거울 등을 이용하여 빛을 여러 번 통과시키는 형태를 가진다.

박막/비 박막 구조 모두 해상도 손실이 필연적이며, 박막구조는 정밀한 광학소자 기술 및 배열 기술이라는 단점과 비 박막구조는 빛이 이동할 공간과 추가적인 광학소자, 정밀한 배열이 필요하다는 단점을 갖는다.

진폭만을 조절하는 공간 광 변조기는 A-SLM (amplitude only-SLM)로 지칭되고, 위상만을 조절하는 공간 광 변조기는 P-SLM (Phase only-SLM) 지칭된다.

앞서 설명한 바와 같이, 여러 공간 광 변조기를 연결하는 방식은 일반적으로 진폭과 위상이 결합된 공간 광 변조기와 이를 보상하기 보상 및 추가적 위상 조절을 위한 P-SLM의 조합 혹은 A-SLM과 P-SLM으로 이루어진다고 볼 수 있다.

추가적으로, A-SLM으로써 가장 흔히 사용되는 방식은 DMD(Digital Micromirror Device) 방식으로 매우 작은 거울의 각도를 조절하여 입사 빛을 온 또는 오프(on-off) 시킨다.

광량은 시분할 방식으로, 온오프 각각의 횟수를 조절하여 단위 시간 당 평균 밝기로 평균 광량을 조절한다.

DMD 방식은 매우 높은 프레임율(frame rate)로 구동 가능하다는 장점이 있으나, 반사형 구조로 빛이 입사 및 반사를 위한 물리적 공간이 필요하며, 사용 구조가 제한이 된다.

또한, 디스플레이 용도로는 괜찮을 수도 있으나, 온오프의 형태로 진폭을 조절하기 때문에 빛의 진행방향과 시간에 따라 빛의 진폭을 조사해보면, 불연속적인 빛의 파동을 관찰할 수 있으며, 빛이 존재하는 영역은 빛의 진폭이 조절되지 않음에 따라 평균 광량보다 순간 광량이 중요한 소자에 사용이 불가능하다는 문제점이 존재한다.

A-SLM의 두 번째로 자주 사용되는 구조는 액정을 통한 구조로, 이들은 반사형 투과형 두 구조 모두 가능하다.

DMD와는 달리, 액정 구조는 시공간적으로도 연속적인 조절이 가능하며, 최대 밝기까지 연속적인 진폭조절이 가능하나, DMD보다 프레임율(frame rate)이 매우 낮다.

기존 대부분의 A-SLM의 경우, 이론상 완벽한 진폭(amplitude)에 대한 구동이 불가능하며, 일정양의 위상 변조(phase modulation)가 존재한다. 이를 해결하기 위하여 기존 대부분의 A-SLM은 추가적인 보상필름을 사용하거나, 추가적인 구조가 요구되는 실정이다.

즉, 단일 구조로 복소 공간 전 영역에서 복소 진폭 조절이 가능한 공간 광 변조기는 확인하기 어렵다.

한국등록특허 제10-1505927호, "광의 진폭 및 위상 변조 장치" 한국공개특허 제10-2020-0101044호, "홀로그래픽 영상을 제공하는 다중 영상 디스플레이 장치" 한국공개특허 제10-2017-0009255호, "공간 광 변조기 및 이를 이용한 디지털 홀로그래피" 한국등록특허 제10-1993566호, "위상 변조기와 상호 작용하는 광을 변조하는 위상 변조기"

본 발명은 비대칭적 분포의 복굴절층들과 편광 선택 소자를 사용하여, 추가적인 광학소자와 공간 광 변조기 없이 기존 해상도를 유지하며 단일 화소로 복소 공간 전 영역의 복소 진폭을 조절하는 반사형 복소수 공간 광 변조기를 제공하고자 한다.

또한, 본 발명은 홀로그램, 광학 핀셋(optical tweezer), 광통신, 양자통신 등 다양한 광학 및 양자광학 실험, 어플리케이션에서 광의 진폭과 위상을 동시에 조절할 수 있는 반사형 복소수 공간 광 변조기를 제공하고자 한다.

또한, 본 발명은 비대칭적 분포의 복굴절층들을 구비하는 복굴절 물질 하부에 반사층을 배치하여, 복굴절층들이 대칭적 분포일 때와 실질적으로 동일한 기능을 하여 단일 화소로 복소 공간 전 영역의 복소 진폭을 조절할 수 있는 반사형 복소수 공간 광 변조기를 제공하고자 한다.

또한, 본 발명은 적어도 두 개의 위상 공간 상에서 진폭을 조절함에 따라 배가(doubling)되는 정보량을 처리할 수 있는 반사형 복소수 공간 광 변조기를 제공하고자 한다.

또한, 본 발명은 위상공간의 상대적 위상차에 기반하여 위상공간 상에서 음의 진폭에서 양의 진폭까지 연속적으로 조절할 수 있는 반사형 복소수 공간 광 변조기를 제공하고자 한다.

본 발명의 일실시예에 따른 반사형 복소수 공간 광 변조기는 복수의 하부 전극을 구비하는 반사층, 반사층 상에 형성되고 복수의 복굴절층을 구비하는 복굴절 물질 및 복굴절 물질 상에 형성되는 편광 선택 소자를 포함하고, 여기서 복굴절 물질은 편광 선택 소자와의 인접면에 형성된 공통 전극을 구비하고 공통 전극과 복수의 하부 전극 각각에 인가되는 전기적 신호에 대응하여 변경되는 복수의 복굴절층의 분포에 기반하여 편광 선택 소자를 통해 입사하는 광의 복소 진폭이 조절될 수 있다.

일측에 따르면, 편광 선택 소자는 기설정된 제1 편광에 대응되는 제1 광이 입사되면 제1 광은 복굴절 물질로 입사 시키고, 제2 편광에 대응되는 제2 광이 입사되면 제2 광은 투과 시킬 수 있다.

일측에 따르면, 복굴절 물질은 입사되는 제1 광이 반사층을 통해 반사되고, 반사된 제1 광에 대응되는 제3 광 및 제4 광이 복굴절 물질로 입사될 수 있다.

일측에 따르면, 편광 선택 소자는 입사되는 제3 광 및 제4 광 중 제1 편광에 대응되는 제3 광은 제1 광의 입사 방향으로 출사 시키고, 제4 광은 투과 시킬 수 있다.

일측에 따르면, 복굴절 물질은 복수의 복굴절층의 극각 분포와 방위각 분포가 비대칭적인 분포를 이루도록 배치될 수 있다.

일측에 따르면, 복수의 복굴절층은 복굴절 물질 내에서 비대칭적으로 분포되되, 제1 광이 반사층으로 인해 복굴절 물질을 2회 통과함에 따라 대칭적으로 분포 되었을 때와 동일하게 복소 진폭이 조절될 수 있다.

일측에 따르면, 편광 선택 소자는 PBS (Polarizing beam spiltter)일 수 있다.

일측에 따르면, 복수의 복굴절층은 단축 복굴절층일 수 있다.

일측에 따르면, 복수의 복굴절층은 액정(Liquid Crystal; LC) 물질을 포함할 수 있다.

일측에 따르면, 반사층은 반사면을 구비하는 거울 및 기판 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

일실시예에 따르면, 본 발명은 비대칭적 분포의 복굴절층들과 편광 선택 소자를 사용하여, 추가적인 광학소자와 공간 광 변조기 없이 기존 해상도를 유지하며 단일 화소로 복소 공간 전 영역의 복소 진폭을 조절할 수 있다.

일실시예에 따르면, 본 발명은 홀로그램, 광학 핀셋(optical tweezer), 광통신, 양자통신 등 다양한 광학 및 양자광학 실험, 어플리케이션에서 광의 진폭과 위상을 동시에 조절할 수 있다.

일실시예에 따르면, 본 발명은 비대칭적 분포의 복굴절층들을 구비하는 복굴절 물질 하부에 반사층을 배치하여, 복굴절층들이 대칭적 분포일 때와 실질적으로 동일한 기능을 하여 단일 화소로 복소 공간 전 영역의 복소 진폭을 조절할 수 있다.

일실시예에 따르면, 본 발명은 반사형 복소수 공간 광 변조기는 적어도 두 개의 위상 공간 상에서 진폭을 조절함에 따라 배가(doubling)되는 정보량을 처리하고, 위상공간의 상대적 위상차에 기반하여 위상공간 상에서 음의 진폭에서 양의 진폭까지 연속적으로 조절할 수 있다.

도 1a 내지 도 1b는 본 발명의 일실시예에 따른 반사형 복소수 공간 광 변조기의 동작 개념을 설명하는 도면이다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 일실시예에 따른 반사형 복소수 공간 광 변조기를 설명하는 도면이다.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 일실시예에 따른 반사형 복소수 공간 광 변조기를 구성하는 복수의 복굴절층의 방향자 방향을 설명하는 도면이다.
도 4 내지 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 반사형 복소수 공간 광 변조기를 이용한 시뮬레이션을 설명하는 도면이다.

본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되지 않는다.

본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.

제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만, 예를 들면 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 표현들, 예를 들면 "~사이에"와 "바로~사이에" 또는 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 특허출원의 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.

도 1a 내지 도 1b는 본 발명의 일실시예에 따른 반사형 복소수 공간 광 변조기의 동작 개념을 설명하는 도면이다.

구체적으로, 도 1a는 본 발명의 일실시예에 따른 반사형 복소수 공간 광 변조기의 동작 개념도를 예시하고, 도 1b는 본 발명의 일실시예에 따른 반사형 복소수 공간 광 변조기의 복소진폭(진폭+위상)을 조절하는 특징을 설명하기 위한 타이밍도를 예시한다.

도 1a를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 반사형 복소수 공간 광 변조기(104)는 진폭만을 조절하는 공간 광 변조기인 A-SLM(101)과 바이너리(Binary)로 위상 조절이 가능한 공간 광 변조기인 BP-SLM(102)가 단순히 결합된 결합 공간 광 변조기(103)와 동일한 역할을 할 수 있다.

또한, 반사형 복소수 공간 광 변조기(104)는 0~2pi까지 조절가능한 P-SLM과 A-SLM(101)의 조합과 동일한 역할을 할 수 있다.

또한, 반사형 복소수 공간 광 변조기(104)는 수평 전계 신호만을 이용할 경우 결합 공간 광 변조기(103)와 동일한 역할을 할 수 있다.

일반적인 복소 진폭 조절 기술에 해당하는 결합 공간 광 변조기(103)는 복소 진폭의 조절은 하나의 공간 광 변조기의 여러 화소들을 조합하거나, 여러 공간 광 변조기를 조합하여 구현이 가능하다.

하나의 공간 광 변조기의 여러 화소를 조합하는 경우, 여러 방식이 존재하나, 박막(thin film)형태 구조는 2개 내지 4개의 인접한 화소를 정밀하게 패턴된 광학 소자를 정밀하게 배열시켜 여러 화소를 통과한 빛을 하나로 합치는 구조를 가질 수 있다.

여러 공간 광 변조기를 연결하는 방식은 일반적으로 진폭과 위상이 결합(coupling)된 SLM과 이를 보상하기 보상 및 추가적 위상 조절을 위한 P-SLM의 조합 혹은 A-SLM과 P-SLM으로 이루어질 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 반사형 복소수 공간 광 변조기(104)는 추가적인 광학 소자 없이, 단일 화소만으로 복소 진폭의 조절이 가능한데, 반사층과, 복굴절층의 비대칭적 분포 및 편광 선택 소자라는 조합을 수반하는 모든 구조를 포함한다.

도 1b의 타이밍도(110)를 참조하면, 제1 시간 구간(111), 제2 시간 구간(112), 제3 시간 구간(113) 및 제4 시간 구간(114)으로 구분이 가능하다.

일례로, 타이밍도(110)는 제2 시간 구간(112) 내지 제4 시간 구간(114)에서 진폭과 위상이 변화할 시 복소 진폭이 조절되는 결과를 예시한다.

본 발명의 일실시예에 따른 반사형 복소수 공간 광 변조기는 진폭과 위상을 포함하는 복소 진폭(즉, 진폭+위상)을 조절하는 C-SLM(complex amplitude-SLM)일 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 반사형 복소수 공간 광 변조기는 위상이 바이너리(binary)라는 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 특정 수평 전계에, 수직 전계를 조절하면서 위상 정보를 조절할 수 있고, 특정 수직 전계에, 수평 전계를 조절하면서, 바이너리 위상 공간에서 진폭을 조절할 수 있다.

타이밍도(110)는 본 발명의 하나의 실시예로서, 본 발명의 일실시예에 따른 반사형 복소수 공간 광 변조기의 진폭과 위상을 포함하는 복소 진폭을 조절하는 구성은 타이밍도(110)에 한정되지 않는다.

도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 일실시예에 따른 반사형 복소수 공간 광 변조기를 설명하는 도면이다.

구체적으로, 도 2a는 일실시예에 따른 반사형 복소수 공간 광 변조기의 구조를 예시하고, 도 2b 내지 도 2c는 일실시예에 따른 반사형 복소수 공간 광 변조기에서 광을 변조하는 과정을 예시한다.

도 2a 내지 도 2c를 참조하면, 일실시예에 따른 반사형 복소수 공간 광 변조기는 비대칭적 분포의 복굴절층들과 편광 선택 소자를 사용하여, 추가적인 광학소자와 공간 광 변조기 없이 기존 해상도를 유지하며 단일 화소로 복소 공간 전 영역의 복소 진폭을 조절할 수 있다.

또한, 반사형 복소수 공간 광 변조기는 홀로그램, 광학 핀셋(optical tweezer), 광통신, 양자통신 등 다양한 광학 및 양자광학 실험, 어플리케이션에서 광의 진폭과 위상을 동시에 조절할 수 있다.

또한, 반사형 복소수 공간 광 변조기는 비대칭적 분포의 복굴절층들을 구비하는 복굴절 물질 하부에 반사층을 배치하여, 복굴절층들이 대칭적 분포일 때와 실질적으로 동일한 기능을 하여 단일 화소로 복소 공간 전 영역의 복소 진폭을 조절할 수 있다.

또한, 반사형 복소수 공간 광 변조기는 적어도 두 개의 위상 공간 상에서 진폭을 조절함에 따라 배가(doubling)되는 정보량을 처리하고, 위상공간의 상대적 위상차에 기반하여 위상공간 상에서 음의 진폭에서 양의 진폭까지 연속적으로 조절할 수 있다.

이를 위해, 반사형 복소수 공간 광 변조기는 도면부호 200에 도시된 바와 같이, 반사층(201), 반사층(201) 상에 형성되는 복굴절 물질(202) 및 복굴절 물질(202) 상에 형성되는 편광 선택 소자(204)를 포함할 수 있다.

예를 들면, 반사층(201)은 반사면을 구비하는 거울 및 기판 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 기판은 실리콘 기판일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

이를 통해, 반사층(201)은 복굴절 물질(202)을 투과한 광을 반사시켜 다시 복굴절 물질(202)에 반사된 광을 제공할 수 있다.

반사층(201)은 복수의 하부 전극(201-1)을 구비하고, 복굴절 물질(202)은 복수의 복굴절층(202-1)을 구비할 수 있다.

여기서, 복굴절 물질(202)은 편광 선택 소자(204)와의 인접면에 형성된 공통 전극(즉, 상부 전극)(203)을 구비하고, 공통 전극(203)과 복수의 하부 전극(201-1) 각각에 인가되는 전기적 신호에 대응하여 변경되는 복수의 복굴절층(202-1)의 분포에 기반하여 편광 선택 소자(204)를 통해 입사하는 광의 복소 진폭이 조절될 수 있다.

일측에 따르면, 반사형 복소수 공간 광 변조기는 반드시 전기적 신호에 기반하여 복수 진폭을 조절하는 것은 아니고, 복수의 복굴절층(202-1)의 배열 조건 및 편광 선택 소자(204)의 편광 조건을 만족하는 경우 복소 진폭을 조절할 수도 있으며, 이러한 특성은 광학(optical) SLM에 적용할 수 있다.

이하에서는, 특별한 언급이 없다면 복굴절 물질(202)로 입사되는 광은 z축 평면에 평행하게 입사되는 것으로 가정할 수 있으며, 입사하는 광의 z축으로부터의 각도를 극각, x축으로부터 y축 방향으로의 각도를 방위각으로 정의한다.

일측에 따르면, 편광 선택 소자(204)는 기설정된 제1 편광에 대응되는 제1 광이 입사되면 제1 광은 복굴절 물질로 입사 시키고, 제2 편광에 대응되는 제2 광이 입사되면 제2 광은 투과 시킬 수 있다.

예를 들면, 제1 편광은 x 편광 및 y 편광 중 어느 하나의 편광일 수 있고, 제2 편광은 x 편광 및 y 편광 중 어느 하나의 편광을 제외한 다른 하나의 편광일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

다시 말해, 제1 편광은 x 편광이고 제2 편광은 y 편광일 수 있다. 또한, 제1 편광은 y 편광이고, 제2 편광은 x 편광일 수도 있다.

복굴절 물질(202)은 복수의 복굴절층(202-1)의 극각 분포와 방위각 분포가 비대칭적인 분포를 이루도록 배치될 수 있다.

일측에 따르면, 복수의 복굴절층(202-1)은 복굴절 물질(202) 내에서 비대칭적으로 분포되되, 제1 광이 반사층(201)으로 인해 복굴절 물질(202)을 2회 통과함에 따라 대칭적으로 분포 되었을 때와 동일한 기능을 하게 되어, 복소 진폭이 조절될 수 있다.

구체적으로, 복수의 복굴절층(202-1)은 반사층(201)을 기준으로 위상차항과 슬로우 축(slow axis)의 방위각 방향이 실질적으로 대칭적 분포를 이루어서 극각 분포에 의해 결정되는 공통위상항의 전체 합에 기반하여 위상을 조절할 수 있다.

또한, 복수의 복굴절층(202-1)은 반사층(201)을 기준으로 위상차항과 슬로우 축(slow axis)의 방위각 방향이 대칭적 분포에 기반하여 위상차항과 슬로우 축(slow axis)의 방위각 방향의 분포를 변화시켜 진폭을 조절 할 수 있다.

예를 들면, 비대칭적으로 분포된 복수의 복굴절층(202-1)들은 반사층(201)으로 인해, 입사하는 제1 광에 대한 z축으로부터의 각도인 극각과 x축 및 y축 방향으로의 각도인 방위각이 실질적으로 대칭 구조로 구현될 수 있다.

일례로, 특정 방위각 a에 대하여 a+-180도는 동일한 역할을 하며, 특정 방위각 a, 극각 b에 대하여 a, -b 또한 동일한 역할을 할 수 있다.

보다 구체적으로, 반사형 복소수 공간 광 변조기는 공통 전극(203)과 복수의 하부 전극(201-1) 각각을 통해 인가되는 전기적 신호에 따라 복굴절 물질(202) 내에서 수평 전계 또는 수직 전계가 형성될 수 있으며, 형성된 전계에 따라 복수의 복굴절층(202-1)의 방위각 분포 및 극각 분포가 변경되어, 결과적으로 복굴절 물질(202)로 입사되는 광의 복소 진폭을 조절할 수 있다.

예를 들면, 복수의 복굴절층(202-1)은 복수의 하부 전극(201-1) 중 제1 하부 전극에는 기설정된 제1 레벨의 전압을 인가하고, 제2 하부 전극에는 기설정된 제2 레벨의 전압을 인가하면, 방위각 분포가 변경될 수 있다.

또한, 복수의 복굴절층(202-1)은 공통 전극에 기설정된 제3 레벨의 전압이 인가되고, 제1 하부 전극 및 제2 하부 전극에 기설정된 제4 레벨의 전압이 인가되면 극각 분포가 변경될 수 있다.

일측에 따르면, 편광 선택 소자(204)는 PBS(Polarizing beam spiltter)일 수 있고, 복수의 복굴절층(202-1)은 광학적으로 단축 복굴절 특성을 보이는 균질성(homogeneous) 물질일 수 있으며, 이는 일종의 파장판에 해당할 수 있다.

예를 들면, 복수의 복굴절층(202-1)은 액정(Liquid Crystal; LC) 물질을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

여기서, 단축 복굴절 특성을 보이는 단축 복굴절층은 두 방향으로 굴절률(n_o, ordinary refractive index)이 같고 한 방향으로 굴절률(n_e, extraordinary refractive index)이 다른 물질을 의미하며, 방향자는 n_e를 나타낸다.

한편, 일실시예에 따른 반사형 복소수 공간 광 변조기는 일실시예에 따른 편광 선택 소자(204)를 복수의 편광판으로 대체하고, 반사층(201)을 삭제하여 투과형 복소수 공간 광 변조기로 구현될 수도 있다.

구체적으로, 투과형 복소수 공간 광 변조기는 복굴절 물질(202) 하부에 제1 편광판을 배치하고, 복굴절 물질(202) 상부에 제1 편광판에 대하여 90도 내지 -90도 회전되어 대향하는 제2 편광판을 배치될 수 있다.

다만, 상술한 투과형 복소수 공간 광 변조기는 일실시예에 따른 반사형 복소수 공간 광 변조기와 동일한 역할을 수행하기 위해서, 복수의 복굴절층(202-1)이 z=0에서 z=d까지 존재해야 하며(반사형 복소수 공간 광 변조기는 z=0~d/2 또는 z=d/2~d에만 존재), 단일 분포로 대칭성 조건을 만족하기 어려운 복수의 복굴절층의 분포의 경우 중간층을 삽입하여 두 층을 대칭적으로 만드는 방법 등을 적용해야만 한다.

반면, 일실시예에 따른 반사형 복소수 공간 광 변조기는 반사층(201), 복굴절 물질(202) 및 편광 선택 소자(204)의 심플한 구성을 통해 대칭성 조건에 대한 고려 없이 보다 작은 사이즈로 투과형 복소수 공간 광 변조기와 실질적으로 동일한 성능을 갖는 광 변조기를 구현할 수 있다.

이하에서는, 수식1 내지 수식7을 이용하여 일실시예에 따른 반사형 복소수 공간 광 변조기 및 투과형 복소수 공간 광 변조기의 유사성에 대해 설명하기로 한다.

광 변조기는 정반사를 기본으로 설계될 수 있으며, 사입사 또한 일부 오차나 보정 광학 컴포넌트(component)를 사용하는 경우 사입사 구조로도 구현될 수 있다.

구체적으로, 광 변조기는 정반사를 기준으로 실험실 좌표계 기준 광이 ±z 방향으로, 즉 복굴절 물질에서의 입사 광 및 반사 광의 진행 방향이 진행하고, 편광면이 x, y 평면으로 설정되도록 설계될 수 있다.

또한, 광 변조기는 복굴절 물질로의 입사 광이 반사층에 의해 반사되면, 즉 반사 광이 출력되면 광의 진행방향, 광 좌표계 축 방향들이 달라지므로, 입사 광 및 반사 광을 구성하는 성분들은 하기 수식1과 같이 정의될 수 있다.

[수식1]

여기서, J는 편광, M_i는 복굴절층, M_m은 복굴절 물질, P는 편광판을 의미한다.

광의 진행 방향은 광 좌표계 기준 입사 / 반사 모두 z축으로 설정될 수 있으며, 좌표계 기준 입사시에는 z축 방향으로, 반사시에는 -z축 방향으로 설정될 수 있으며, y축 좌표는 두 좌표계 동일한 방향으로 설정될 수 있다.

또한, x, y, z축 방향들은 오른손 좌표계를 기준으로 설정되었기에 입사시에는 두 좌표계의 축 방향들이 동일하지만, 반사시 실험실과 빛 좌표계의 x, z축 방향은 서로 반대가 될 수 있다.

편광면은 x, y 평면으로 정의하였기 때문에, 이후 편광과 복굴절층, 복굴절 물질 및 편광 선택 소자의 편광 방향은 y축 대칭이 될 수 있다.

상술한 바와 같이, 균질성 복굴절층을 M_i로 가정하면, 임의의 M_i들로 구성된 복굴절 물질(M_m)은 하기 수식2와 같이 정의할 수 있다.

[수식2]

이때, 일실시예에 따른 투과형 복소수 공간 광 변조기는 하기 수식3과 같이 정의될 수 있다.

[수식3]

여기서, J_in은 입사시 편광, J_out은 출사시 편광, P_in은 입사시 편광판, P_out은 출사시 편광판, M_m,ro는 M_m과 동일한 복굴절층으로 구성되지만 역순으로 배열된 복굴절 물질을 의미하며, M_m,ro는 하기 수식4와 같이 정의될 수 있다.

[수식4]

P_øin 및 P_øout이 서로 ±90도 회전된 편광판이라고 하면, 투과형 복소수 공간 광 변조기와 같으며, 약간 다르더라도 근사적 복소수 공간 광 변조기로 동작할 수 있다.

복수의 복굴절 물질의 중간 지점에서의 편광은 하기 수식5와 같이 정의할 수 있다.

[수식5]

상술한 바와 같이, 반사시에는 편광들과 복굴절 물질의 방향이 y축 된 것과 같이 작용하고, 입사시 통과한 복굴절 물질을 역순으로 통과할 수 있으며, 이는 하기 수식6과 같이 표현될 수 있으며, 수식6에서 Y는 y축 대칭 행렬을 의미한다.

[수식6]

반사부터 최종 출사 편광은 하기 수식7과 같이 정의할 수 있다.

[수식7]

즉, 반사구조의 최종 편광은 투과형 구조의 결과를 Y축 대칭한 것과 동일하며, Y축 대칭한 것을 제외하고, 진폭과 위상은 투과형 구조와 동일하다.

반사 시에 반사 물질에 따라 위상이 변화할 수 있으나, 특수한 물질을 제외하고, 편광에 비의존적으로 글로벌 위상을 모든 편광에 덧붙이는 것이기 때문에, 위상 조절범위, 진폭 조절범위에 두 구조(투과형 및 반사형)에 차이가 없다.

다만, 편광판, 복굴절 물질, 반사층 들이 모두 같은 레이어에 존재하며, 일반적인 편광판을 가정하는 경우 반사 편광판은 입사 편광판이 거울 반사된 것이기 때문에 P_øin 및 P_øout이 서로 ±90도 회전된 방향이라는 조건을 만족하기 어려우며, 이에 따라 반사형에서는 편광 선택 소자를 적용하는 것이 바람직하다.

수식1 내지 수식7에 따른 상술한 설명에서 극각과 방위각은 오직 z 위치의 함수를 가정하고 xy 평면에서 균일한 특성을 가정하여 설명 하였지만 이는 설명의 편의상 가정한 것으로, 각각의 광 경로상 방향자들의 극각, 방위각 분포들이 대칭성을 유지하면 동일하게 작동할 수 있다.

다시 말해, 출사되는 빛살들의 복소진폭이 xy 위치에 따라 불균일 하더라도 각각의 빛살들이 서술한 원리에 따르면 C-SLM으로 동작할 수 있으며, 이 경우, 각 빛살들의 합으로 effective한 출사 진폭을 결정할 수 있다.

이하에서는, 도면부호 210 내지 220을 통해 본 발명의 일실시예에 따른 반사형 복소수 공간 광 변조기에 대해 보다 구체적으로 설명하기로 한다.

도면부호 200 내지 220에 따르면, 반사형 복소수 공간 광 변조기에 구비된 편광 선택 소자(204)는 도면부호 '①'과 같이 기설정된 제1 편광에 대응되는 제1 광과 제2 편광에 대응되는 제2 광이 입사되면, 도면부호 '②'와 같이 제2 광은 투과시키고, 도면부호 '③'과 같이 제1 광은 복굴절층(202)으로 입사 시킬 수 있다.

다음으로, 복굴절층(202)은 입사된 제1 광이 반사층(201)에 의해 반사되면, 도면부호 '④'와 같이 제1 광에 대응되는 제3 광 및 제4 광을 편광 선택 소자(204)로 입사시킬 수 있으며, 여기서 제3 광은 제1 편광에 대응되고 제4 광은 제2 편광에 대응될 수 있다.

다음으로, 편광 선택 소자(204)는 복굴절층(202)으로부터 제3 광 및 제4 광이 입사되면, 도면부호 '⑤'과 같이 제2 편광에 대응되는 제4 광은 투과 시키고, 도면부호 '⑥'과 같이 제1 편광에 대응되는 제3 광은 제1 광의 입사 방향으로 출사 시킬 수 있다.

즉, 본 발명의 일실시예에 따른 반사형 복소수 공간 광 변조기는 도면부호 '①' 내지 '⑥'의 광 변조 과정에서, 복굴절층(202)에 구비된 복수의 복굴절 물질(202-1)의 분포 변화에 따라 광의 복소 진폭이 조절될 수 있다.

구체적으로, 복굴절층(202)의 특정방향의 선편광은 페이저의 형태로

와 같이 나타낼 수 있고, 진폭은 E₀, 위상은 복소값인 E의 각도를 나타낼 수 있으며, 복소진폭은 진폭과 위상으로 표현될 수 있다.

파장

의 빛은 z 축 방향으로 진행하며, x-y평면에 놓여있는 편광 선택 소자(204)를 통과할 수 있다.

복굴절층(202)의 방향자 n은 n_e (extraordinary refractive index)의 방향을 나타내며, 이는 슬로우 축(slow axis)방향과 같을 수 있다.

방향자 n은 오직 z의 함수이며,

와 같이 표현되고,

는 극각을,

는 방위각을 나타낼 수 있다.

복굴절층(202)의 굴절률들은 각각

와

이며, 여기서

로 가정할 수 있다.

복굴절층(202)이 x-y평면에 놓여져있고, 해당 평면 방향으로 균일하기 때문에 유효한 굴절률(effective refractive index)을 정의할 수 있으며, 방향자

에 대하여

로 표현할 수 있다.

여기서, 유효한 굴절률은 일반적으로 빛의 진행 방향에 수직하게 전지장이 존재하기 때문에 평면 내 방향(평면의 수직한 방향에 대하여 수직)으로 계산의 편의를 위하여 정의될 수 있다.

굴절률

는 오직 극각

의 함수이고, 단축 복굴절 계에서는

와 같을 수 있다.

일반적으로, 실험실 좌표계의 복굴절층(202)의 Jones행렬은

으로 표현되며, d는 두께이다. 주 좌표계에서 복굴절층(202)은

로 표현되며, 이들의 관계식은 수식8과 같을 수 있다.

[수식8]

수식8에서, M은 Jones 행렬을 나타내고, W는 주좌표계에서 복굴절층을 나타낼 수 있고, R은 회전 행렬을 나타낼 수 있고,

는 진공에서의 파수를 의미한다.

위상차항 (

)와 공통위상항 (

) 은 다음과 같이

,

로 나타낼 수 있다.

복굴절층(202)은 이름과 같이, 광학 비등방성 물질이기 때문에, 빛의 편광 방향에 따라 굴절률이 다르다.

빛이 z축으로 진행할 때, 방위각 방향의 편광은 상대적으로 느리게 지나가며 (n_e>n_o), 방위각 방향에 +90도 및 -90도 방향의 편광은 상대적으로 빨리 지나간다고 볼 수 있다.

즉, 방위각 방향의 편광은 복굴절 물질의 슬로우 축(slow axis) 방향의 편광일 수 있다.

해당 복굴절 물질(202)을 지나갈 때, 두 편광의 위상지연의 평균이 공통위상이며, 차이가 위상차항이다. 여기서, 두 편광은 방위각 방향 편광과 방위각 방향이 90도 또는 -90도의 편광일 수 있다.

공통위상항이 0인 경우, 수식8의 비대각(off-diagonal) 성분은 진폭을 제외하고 순허수 값을 나타낼 수 있다. 진폭과 위상은 위상차항 (

)과 방위각 (

)의 함수를 나타낼 수 있다.

도 2a 내지 도 2c와 같이 복굴절 물질(202)이 복수의 복굴절층(202-1)으로 이루어진 경우, 대칭성을 유지한 상태로 슬로우 축 분포를 변화시켜줄 수 있다.

즉, 수식8과 관련하여 복수의 복굴절층(202-1)으로 이루어진 경우, 반사층(201)을 기준으로 대칭성을 유지한 상태로 슬로우 축 분포를 변화시켜줄 수 있다.

또한, 비대각 성분은 수식8에서 제1 편광판은 x를 사용하고, 제2 편광판은 y를 사용하는 경우, 비대각 성분 값이 복소 진폭값으로 나올 수 있다.

공통위상항이 0인 경우, 복소 진폭이 순허수이고, 이는 위상값이 +-pi/2가 가능하다는 결과로 해석될 수 있다.

여기서, 위상값이 +-pi/2가 가능하다는 결과는 두 위상 공간에서 진폭 조절 가능한 구조를 나타낼 수 있다.

이때, 극각 조절이 추가되면 C-SLM 구조도 가능할 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 반사형 복소수 공간 광 변조기는 극각을 유지한 채, 복굴절 물질(202) 또는 편광 선택 소자(204)(즉, 제1 내지 제2 편광판)을 회전시키는 경우, 이중 위상 공간에서 진폭을 조절할 수 있다.

상술한 극각을 유지한 경우는 이중 위상 공간상에서 진폭 조절하는 경우에 해당하고, 복소수진폭 조절을 위해서는 극각 분포 및 방위각 분포가 모두 변경될 필요성이 있다.

수식 8과 같이 하나의 복굴절층으로 복소수 진폭 조절이 가능하다고 서술하긴 하였지만, 이 경우, 복소 진폭 조절 영역이 제한되고, 상대적으로 에너지 효율이 낮고, 조절 또한 어렵다.

그러나, 본 발명의 일실시예에 따른 반사형 복소수 공간 광 변조기와 같이, 복굴절층을 복수 개의 층으로 구성하는 경우 상술한 문제점을 해결할 수 있고, 구성 또한 보다 용이해질 수 있다. 이때 복수의 복굴절층은 하나의 복굴절층으로 구성되는 것과 유사하게 극각과 방위각 분포들을 조절하는 경우 복소 진폭의 조절이 가능하다.

구체적으로, 본 발명의 일실시예에 따른 반사형 복소수 공간 광 변조기는 극각을 변화시키는 경우, 공통위상항과 위상차항 모두 변화할 수 있다.

예를 들어, 반사형 복소수 공간 광 변조기는 룩업테이블을 이용할 수 있는데, 위상은 오직 극각만을 따르지만, 진폭은 극각과 방위각의 함수이고, 이에 따라 원하는 위상공간을 극각으로 고정시켜놓고, 특정 위상에 대한 방위각 진폭 룩업테이블을 사용하여 진폭을 찾는 방식을 이용할 수 있다.

한편, 복수의 복굴절층(202-1)은 고정된 방위각 하에 극각 변화를 가질 수 있다.

실제적으로 특정 방위각 분포와 특정 극각 분포를 형성하기 위해서는 방위각 분포의 변경을 위한 전압 인가 동작과 극각 분포의 변경을 위한 전압 인가 동작을 교번하여 수행하거나, 특정한 전압의 조합 사용이 요구될 수 있다.

이중 위상 공간에서 진폭을 조절하는 경우, 복굴절층들(202-1)로 이루어진 복굴절 물질(202)의 공통 위상항의 합 또는 적분값을 일정하게 하고, 방위각 분포를 변경시키면 되며, 복소수 SLM으로 동작하기 위해서는 공통 위상항의 합 또는 적분값을 조절하고, 방위각 분포를 변경시키면 된다.

또한, 투과형의 경우는 복굴절 물질이 중앙을 기준으로 거울상 대칭적 분포를 이루어야 하지만, 본 발명의 일실시예에 따른 반사형 복소수 공간 광 변조기는 근본적으로 반사층(201)을 기준으로 대칭적으로 설계되었기 때문에 투과형에서의 대칭 요건을 만족할 필요가 없다.

도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 일실시예에 따른 반사형 복소수 공간 광 변조기를 구성하는 복수의 복굴절층의 방향자 방향을 설명하는 도면이다.

도 3a 내지 도 3e는 다양한 단축 복굴절층의 방향자 방향을 예시하고, 여기서 단축 복굴절층은 두 방향으로 굴절률(refractive index)이 같고 한 방향으로 굴절률(refractive index)이 다른 물질을 지칭한다.

방향자는 한 방향으로 굴절률(refractive index)이 다른 물질의 방향을 나타낼 수 있다.

투과형 복소수 공간 광 변조기 구조에서 빛은 아래에서 위로 혹은 위에서 아래로 입사 및 출사한다.

여기서, z 축으로부터의 각도는 극각을 정의하고, x축으로부터 y축 방향으로의 각도를 방위각으로 정의될 수 있다.

그래프(300), 그래프(310), 그래프(320), 그래프(330) 및 그래프(340)는 복소수 공간 광 변조기의 복굴절 물질의 복굴절층의 분포에 해당하는 액정 부분만을 나타낸 실시 예로, 전기 등의 신호를 사용하여 그래프(300), 그래프(310), 그래프(320), 그래프(330) 및 그래프(340)와 같이 변화하며, 이를 통하여 반사형 복소수 공간 광 변조기는 복소 진폭을 조절할 수 있다.

다시 말해, 그래프(300), 그래프(310), 그래프(320), 그래프(330) 및 그래프(340)는 동일한 실시예의 반사형 복소수 공간 광 변조기의 액정 부분에 해당하는 복굴절 물질의 복굴절층들의 분포를 나타내고, 각 방향자의 극각 분포와 방위각 분포가 조절될 수 있는 것을 나타낸다.

본 발명의 일실시예에 따르면 반사형 복소수 공간 광 변조기는 극각 분포를 유지하면서 방위각 분포를 조절함에 따라 단일 위상 공간에서 진폭을 조절할 수 있으며, 방위각 분포를 유지하면서 극각 분포를 조절함에 따라 진폭과 위상을 조절할 수 있다.

예를 들면, 반사형 복소수 공간 광 변조기는 단일 위상 공간에서 음의 진폭부터 양의 진폭까지 조절할 수 있다.

여기서, 중앙기준은 그래프(300), 그래프(310), 그래프(320), 그래프(330) 및 그래프(340) 상에 z축의 중앙 부분에 해당할 수 있다.

반사형 복소수 공간 광 변조기는 반사층을 기준으로 하여 복굴절층들이 대칭적 분포를 가질 수 있으며, 여기서 대칭적 분포는 극각 분포와 방위각 분포 모두 대칭적 분포를 이루어야 한다. 단, 단축 복굴절층의 특성상, 극각을 a라 하고, 방위각을 b라고 한다면, 극각 a와 방위각b+180도가 동일 할 수 있다.

또한, 극각을 c라하고, 방위각을 d라고 하면, 극각 c는 180도에서 극각 c를 제외한 것과 방위각 d가 동일할 수 있다.

그래프(300), 그래프(310) 및 그래프(320)는 대칭적 방위각 변화를 나타내며, 그래프(300)과 그래프(330)은 대칭적 극각 변화를 나타내며, 그래프(340)는 극각과 방위각 모두 그래프(300)에 대비 대칭적으로 변화한 것을 나타낸다.

본 발명의 일실시예에 따르면 반사형 복소수 공간 광 변조기는 매우 얇은, 균질(homogeneous) 액정 물질에 해당하는 복굴절층을 나타낼 때, 극각, 방위각, 두께로 표시할 수 있으며, 다른 방법으로는 공통위상항과 위상차항, 슬로우 축(slow axis)의 방향으로 나타낼 수 있다.

더하여, 대칭적 분포는 중앙기준으로 위상차항과 슬로우 축(slow axis)의 방위각 방향이 대칭적 분포를 이루어야 하고, 공통위상항의 전체 합이 전체 위상을 조절하는데 기여할 수 있다.

또한, 극각분포에 결정과 관련된 공통위상항을 유지한 채로, 대칭성을 유지하며, 위상차항과 슬로우 축(slow axis)의 방위각 방향의 분포를 변화시키면 진폭이 조절될 수 있다.

도 4 내지 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 반사형 복소수 공간 광 변조기를 이용한 시뮬레이션을 설명하는 도면이다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 반사형 복소수 공간 광 변조기의 두께 변화와 정렬층의 극각 분포를 고정하고, 방위각 분포의 변화를 준 경우에 대한 시뮬레이션 결과를 예시한다.

도 4를 참조하면, 그래프(400), 그래프(410) 및 그래프(420)는 반사형 복소수 공간 광 변조기의 두께 변화에 따른 투과 진폭, 포화비율 및 방위각 분포와 관련된 위상의 변화를 예시한다.

또한, 도 4에서의 시뮬레이션 결과는 구조의 변조 특성이 액정(LC) 디렉터의 회전이 적용된 평면 전기장에 함수라고 가정한다.

극각 분포가 고정되면 위상값이 고정되고, 이 상태에서 방위각 분포를 조절할 경우, 위상값과 위상값에 180도를 더한 위상 공간에서 진폭이 조절될 수 있다.

즉, 극각은 위상을 변화시키고, 방위각은 이중 위상 공간에서 진폭을 변화시킨다.

더하여, 전기장 방향으로 디렉터 또는 액정에서 긴 방향이 전기장 방향으로 정렬되려 한다.

따라서, 면내 방향으로 전기장이 존재하고, 방위각이 변화하며, 면의 수직 방향으로 전기장이 존재함에 극각이 작게 변화할 수 있다. 여기서, 극각의 작은 변화는 면에 수직 방향 전기장을 이용하여 보정될 수 있다.

그래프(400)에서 반사형 복소수 공간 광 변조기의 두께는 1224nm이고, 그래프(410)에서 반사형 복소수 공간 광 변조기의 두께는 2232nm이며, 그래프(420)에서 반사형 복소수 공간 광 변조기의 두께는 4360nm일 수 있다.

그래프(400)에서 지시선(401)은 투과 진폭의 변화를 나타내고, 지시선(402)는 포화비율 변화를 나타내며, 지시선(403)은 위상 변화를 나타낸다.

또한, 그래프(410)에서 지시선(411)은 투과 진폭의 변화를 나타내고, 지시선(412)는 포화비율 변화를 나타내며, 지시선(413)은 위상 변화를 나타낸다.

또한, 그래프(420)에서 지시선(421)은 투과 진폭의 변화를 나타내고, 지시선(422)는 포화비율 변화를 나타내며, 지시선(423)은 위상 변화를 나타낸다.

그래프(400) 내지 그래프(420)에서 표시된 결과는 복굴절층들로 구성된 LC 디렉터는 입구 편광판 방향과 평행하지만 출구 편광판과 직교하여 정렬되어 있다. 즉, 입구 편광판과 출구 편광판은 x-y 평면에서 90도를 이룬다.

반사형 복소수 공간 광 변조기는 두께에 독립적인 일반적으로 블랙 작동을 보장할 수 있다.

그래프(400) 내지 그래프(420)를 참고하면, 방위각(δΦ(E_xy))이 증가하거나 인가된 바이어스 전압이 증가함에 따라 투과 계수의 투과 진폭이 증가하고 피크에 도달한 다음 투과 계수의 상대 위상이 0인 동안 투과 진폭이 0으로 감소한다. 예를 들면, 전속 진폭은 투과 계수의 진폭으로 지칭될 수 있다.

δΦ(Exy)는 전기장에 따른 방위각 변화폭으로, 전압이 복굴절층 맨 위와 아래에는 배향막 방향과 같이 복굴절층이 배향되지만, 전기장이 존재하는 경우 전기장 방향으로 회전하려고 한다.

따라서 맨 위와 맨 아래는 배향막 방향으로 존재하며, 중앙으로 갈수록 서서히 전기장 방향으로 돌아가게 되며, 서서히 돌아가는 정도는 전기장에 세기 (와 물질 특성)에 따라 다를 수 있다.

본 시뮬레이션은 특정한 예시로, 다른 형태로 방위각 분포가 변화해도 되지만 (대칭성 조건은 만족하면서) 본 시뮬레이션에서는 한 복굴절층에서 다음 복굴절층 간의 방위각 차이가δΦ(Exy) 라고 가정하였으며, 아무리 전기장이 강하더라도 전기장 방향으로 배열되려고 하기 때문에 최대 전기장 방향까지 복굴절층의 방위각 방향이 회전한다.

예를 들어, AL의 방위각 방향이 상하 모두 0도라고 하고, 전기장 방향이 90도라 하면, 전기장이 약할 때는 0 1 2 3 ---89 90 90 90 89 - 3 2 1 0 과 같이 된다.

또는 전기장이 더 약하면 0 0.1 0.2 0.3 --- 8.9 9 8.9 - 0.3 0.2 0.1 0와 같이 분포하고, 굉장히 쎄면 0 10 20 30 --- 90 90 90 --- 30 20 10 0과 같이 분포할 수 있다.

그래프(400) 내지 그래프(420)를 참고하면, 투과 진폭은 방위각 증가에 따라 증가하지만 투과 계수의 위상은 포화 영역의 일부가 증가하는 동안 상수로 점프한다. 이러한 변조 동작은 두께가 증가할 수록 더 많이 반복될 수 있다.

따라서, 0 또는 방위각이 변하거나 인가된 전계가 제어됨에 따라 투과 계수의 투과 진폭이 증가하거나 감소하는 동안 일정한 위상의 교대 영역이 존재할 수 있다.

위상의 크기가 0인 지점 사이의 영역은 전송 계수가 투과 계수보다 큰 경우로, 투과 계수의 진폭이 0이되는 부분에서 위상이 +- pi 점프를 함에 따라 진폭의 크기가 0인 지점 사이의 영역에 대해 일정한 위상으로 유지된다.

이것은 일정한 위상 영역에서 진폭 만 광 변조가 달성될 수 있음을 나타낸다.

동시에, 적용된 면내 전계를 동적으로 제어하여 위상차를 갖는 광 변조를 달성 할 수 있는데, 이것은 방위각의 동적 변조 폭이 충분히 넓을 때, 투과 진폭의 0에 걸쳐 이진 위상 복소 광 변조가 달성 될 수 있음을 나타낸다.

그래프(400) 내지 그래프(420)를 참고하면, 전체 셀 두께에 대한 포화 영역 두께의 비율은 적용된 바이어스 전압이 증가함에 따라 포화 영역이 더 넓어지고 낮은 바이어스 전압에서는 포화 영역이 없음을 명확하게 나타낸다. 즉, 셀 두께가 증가하면 포화 영역이 더 넓어진다.

도 5은 본 발명의 일실시예에 따른 반사형 복소수 공간 광 변조기의 두께 변화와 정렬층의 방위각을 45도 변경한 경우에 대한 시뮬레이션 결과를 예시한다.

도 5를 참고하면, 그래프(500), 그래프(510) 및 그래프(520)는 반사형 복소수 공간 광 변조기의 두께 변화에 따른 투과 진폭, 포화비율 및 위상의 변화를 예시한다.

도 5에서의 시뮬레이션 결과는 구조의 변조 특성이 LC 디렉터의 회전이 적용된 평면 전기장에 비례한다고 가정한다.

그래프(500)에서 반사형 복소수 공간 광 변조기의 두께는 600nm이고, 그래프(510)에서 복소수 공간 광 변조기의 두께는 1680nm이며, 그래프(520)에서 복소수 공간 광 변조기의 두께는 2732nm일 수 있다.

그래프(500)에서 지시선(501)은 투과 진폭의 변화를 나타내고, 지시선(502)는 포화비율 변화를 나타내며, 지시선(503)은 위상 변화를 나타낸다.

또한, 그래프(510)에서 지시선(511)은 투과 진폭의 변화를 나타내고, 지시선(512)는 포화비율 변화를 나타내며, 지시선(513)은 위상 변화를 나타낸다.

또한, 그래프(520)에서 지시선(521)은 투과 진폭의 변화를 나타내고, 지시선(522)는 포화비율 변화를 나타내며, 지시선(523)은 위상 변화를 나타낸다.

그래프(500) 내지 그래프(520)를 참고하면 반사형 복소수 공간 광 변조기의 구성은 오프 상태에서 더 이상 일반적으로 블랙 작동을 보장하지 못하지만, 0.5(도/nm) 이내에서 블랙에 가까운 상태를 얻을 수 있다.

특히, 그래프(500) 및 그래프(520)는 거의 완벽에 가까운 블랙 상태를 얻을 수 있는데, 투과 계수의 진폭이 거의 0에 가까운 것을 나타낸다.

투과 진폭이 그래프(500) 내지 그래프(520)와 같이 셀 두께를 제어하여 반사형 복소수 공간 광 변조기의 binary 위상 공간 하에서 진폭 조절하는 것이 두 구조 모두에서 달성 될 수 있다.

그래프(500) 내지 그래프(520)에서의 반사형 복소수 공간 광 변조기의 투과율은 그래프(400) 내지 그래프(420)의 결과를 제공하는 반사형 복소수 공간 광 변조기에 비교하여 셀 구성이 이는 더 유리할 수 있음을 나타낸다.

그래프(500) 내지 그래프(520)에서의 반사형 복소수 공간 광 변조기가 제한된 복합 공간 광 변조기 또는 이진 위상 복합 공간 광 변조기로 적용될 수 있음을 나타내고, 광학 정보의 제어 가능성을 두 배로 높일 수 있다고 볼 수 있다.

도 6a 내지 도 6b는 본 발명의 일실시예에 따른 복소수 공간 광 변조기를 이용한 시뮬레이션을 수행하기 위한 가정 조건을 예시한다.

구체적으로, 도 6a의 그래프(600)는 LC 층의 순서 변화와 극각(polar angle)의 변화의 관계를 나타내고, 도 9b의 그래프(610)는 LC 층의 순서 변화와 방위각(azimuth angle)의 변화의 관계를 나타낸다. 여기서, LC 층은 상술한 복굴절 물질을 지칭하며, LC 층은 복굴절 물질을 이루는 복굴절층들에 대한 다수의 층으로 형성될 수도 있다.

그래프(600)와 그래프(610)를 참고하면, 시뮬레이션 하기 위하여 입사 편광판을 0도, 출사 편광판을 90도로 설정하였으며, 배향막을 가정하여, 전압이 걸리기 전, 모든 LC의 director 방향을 극각 90도, 방위각 0도로 설정할 수 있다.

이후 수평 전계는 방위각 90도 극각 90도 방향으로 작용하며, 수직 전계는 방위각 0도 방향으로 설정할 수 있다.

또한, 개별 신호에 따라 두 전계의 강도는 각각 달라지며, 이에 따라 아래와 같이 선형적으로 변화하는 LC 디렉터 방향을 설정하고, 입사 빛의 편광은 0도로 가정할 수 있다.

시뮬레이션은 균질(homogeneous)하고 이방성(anisotropic) 다층의 LC층을 존스(Jones) 행렬을 통하여 계산한다.

그래프(900)와 그래프(910)의 x 축은 다층의 LC 층을 쌓은 순서로, z축 높이로 해석될 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 복소수 공간 광 변조기는 맨 위와 아래 평면에 배향막이 존재하기 때문에 각각 극각과 방위각의 맨위와 아래 부분이 각각 90도와 0도로 고정되어있다.

본 발명의 일실시예에 따른 반사형 복소수 공간 광 변조기는 수직 전계 및/또는 수평 전계로 인하여 중앙으로 갈수록 선형적으로 디렉터(director) 방향이 변화하며, 전기장 방향 이상으로 회전할 수 없기 때문에 수직, 수평 전계 방향으로 포화(satuarion)될 수 있다.

예를 들면, 실제 액정 혹은 복굴절층은 시뮬레이션과 같이 선형적으로 변화하지 않지만, 선형적으로 근사가능하고, 본 발명의 대칭성 조건들과 편광판 배열들을 만족하면 어떤 변화 (시뮬레이션의 선형적 변화 혹은 분포와 같이)에도 본 발명의 원리 및 구조가 적용이 가능하다.

z축 변화에 따른 극각 및 방위각 변화는

,

로 정의될 수 있다. 다만, 복굴절층이 연속적으로 변화하지 않고, 유한한 다층 균질(homogeneous) 복굴절층으로 계산되었기 때문에 effective한 z축 변화에 따른 극각 및 방위각 변화이며, 시뮬레이션 상 불연속적 구간이 존재할 수 있다.

예를 들어 각 복굴절층이 3 nm이며,

인 경우, 각 복굴절층의 방위각 값은 0, 3, 6, ~ 90, 90, 90, ~, 6, 3, 0 이지만, 1nm 단위의 방위각 값은 0, 0, 0, 3, 3, 3, ~ 90, 90, 90,~, 0, 0, 0, 3, 3, 3과 같을 수 있다.

도 7 내지 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 반사형 복소수 공간 광 변조기를 이용한 시뮬레이션 결과로 8가지 각도에 대하여 다양한 극각 및 방위각 변화의 결과 값을 복소 공간 상에서 플롯하여 예시한다.

다시 말해, 그래프(700) 내지 그래프(707) 및 그래프(800) 내지 그래프(807)에 나와있는 각도는 각 그래프에 모든 극각과 방위각 분포에 대하여 최대 위상차항의 값을 표현한 것으로, 위상차항은 유효한 굴절률의 차, 파수, 두께의 곱으로, 굴절률의 차와 파수는 모든 그래프에 대하여 동일함에 따라 그래프(700) 내지 그래프(707) 및 그래프(800) 내지 그래프(807)의 차이는 두께라고 볼 수 있다.

도 7의 그래프(700) 내지 그래프(707)을 참고하면, 각 점들은 극각 및 방위각의 변화 값인데, 극각은

로 표시하고, 방위각은

로 표시한다. 이는, 복굴절층에서 디렉터 분포가 얼마나 급격히 변화하는지를 나타낸다.

그래프(700)는 180도를 예시하고, 그래프(701)은 360도를 예시하며, 그래프(702)는 540도를 예시하고, 그래프(703)은 720도를 예시하며, 그래프(704)는 900도를 예시하고, 그래프(705)는 1080도를 예시하며, 그래프(706)은 1260도를 예시하고, 그래프(707)은 1440도를 예시한다.

각 두께는, 최대 위상 조절 범위 (

)가 각각 180도 ~ 1440도 까지에 해당하는 복굴절률 및 두께 조건을 사용하였다. 두께가 n 배가 되면 층의 수 또한 n 배로 증가시켜 LC 층당 두께를 동일하게 유지시켰다.

동일 각도의 점들은 동일 위상 값을 의미하며, 반경은 투과계수 혹은 반사계수를 의미한다. 동일

는 동일 색으로 플롯하였는데, 동일 색은 같은 위상 혹은 같은 위상

를 보인다. 즉, 동일

의 결과는

가 달라져도 이중 위상 공간 상에서 존재한다.

반지름이 1인 것은 입사 빛이 모두 반사 혹은 투과함을 의미하며, 작은 반지름은 0pi 내지 2pi의 범위까지 조절이 가능한 최대 반사, 투과계수를 의미하고, 작은 반지름이 커질수록 광효율이 증가함을 의미할 수 있다.

위 시뮬레이션은 일종의 IPS(in-plane switching)를 응용하여 만든 구조이지만, 다른 구조 혹은 두께를 이용하는 경우 광 효율이 증가할 수 있다.

또한 결과값들이 특정 위상 공간에 더 많이 퍼져 있는 것들을 볼 수 있는데, 해당 특성이 선호되거나, 일반 공간 광 변조기가 구현한 결과값에 큰 차이가 없는 경우에도 적용될 수 있다.

따라서, 본 발명은 적어도 두 개의 위상 공간 상에서 진폭을 조절함에 따라 배가(doubling)되는 정보량을 처리할 수 있다.

또한, 본 발명은 위상공간의 상대적 위상차에 기반하여 위상공간 상에서 음의 진폭에서 양의 진폭까지 연속적으로 조절할 수 있다.

도 8의 그래프(800) 내지 그래프(807)을 참고하면, 그래프(800)는 180도를 예시하고, 그래프(801)은 360도를 예시하며, 그래프(802)는 540도를 예시하고, 그래프(803)은 720도를 예시하며, 그래프(804)는 900도를 예시하고, 그래프(805)는 1080도를 예시하며, 그래프(806)은 1260도를 예시하고, 그래프(807)은 1440도를 예시한다.

그래프(800) 내지 그래프(807)는 그래프(700) 내지 그래프(707)과 시뮬레이션은 방법은 동일하나 극각과 방위각 분포가 상술한 시뮬레이션 방법과 다르게 시뮬레이션한 결과를 나타낸다.

구체적으로, 그래프(800) 내지 그래프(807)는 극각과 방위각 분포를 분자동역할을 고려하여 좀 더 현실적으로 시뮬레이션 한 것으로, 좀 더 높은 에너지 효율을 갖으며, 본 발명은 원리 및 조건을 서술한 것으로 상술한 두가지 시뮬레이션 이외에 다른 극각, 방위각 분포도 조건을 만족하면 여러 효율로 C-SLM의 기능을 구현할 수 있다.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들면, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 장치, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

200: 반사형 복소수 공간 광 변조기 201: 반사층
201-1: 하부 전극 202: 복굴절 물질
202-1: 복수의 복굴절층 203: 공통 전극
204: 편광 선택 소자

Claims

복수의 하부 전극을 구비하는 반사층;
상기 반사층 상에 형성되고, 복수의 복굴절층을 구비하는 복굴절 물질 및
상기 복굴절 물질 상에 형성되는 편광 선택 소자
을 포함하고,
상기 복굴절 물질은 상기 편광 선택 소자와의 인접면에 형성된 공통 전극을 구비하고, 상기 공통 전극과 상기 복수의 하부 전극 각각에 인가되는 전기적 신호에 대응하여 변경되는 상기 복수의 복굴절층의 분포에 기반하여 상기 편광 선택 소자를 통해 입사하는 광의 복소 진폭이 조절되는 것을 특징으로 하는
반사형 복소수 공간 광 변조기.
제1항에 있어서,
상기 편광 선택 소자는 기설정된 제1 편광에 대응되는 제1 광이 입사되면 상기 제1 광은 상기 복굴절 물질로 입사 시키고, 제2 편광에 대응되는 제2 광이 입사되면 상기 제2 광은 투과 시키는 것을 특징으로 하는
반사형 복소수 공간 광 변조기.
제2항에 있어서,
상기 복굴절 물질은 상기 입사되는 제1 광이 상기 반사층을 통해 반사되고, 상기 반사된 제1 광에 대응되는 제3 광 및 제4 광이 상기 복굴절 물질로 입사되는 것을 특징으로 하는
반사형 복소수 공간 광 변조기.
제3항에 있어서,
상기 편광 선택 소자는 상기 입사되는 제3 광 및 제4 광 중 상기 제1 편광에 대응되는 상기 제3 광은 상기 제1 광의 입사 방향으로 출사 시키고, 상기 제4 광은 투과 시키는 것을 특징으로 하는
반사형 복소수 공간 광 변조기.
제3항에 있어서,
상기 복굴절 물질은 상기 복수의 복굴절층의 극각 분포와 방위각 분포가 비대칭적인 분포를 이루도록 배치되는 것을 특징으로 하는
반사형 복소수 공간 광 변조기.
제3항에 있어서,
상기 복수의 복굴절층은 상기 복굴절 물질 내에서 비대칭적으로 분포되되, 상기 제1 광이 상기 반사층으로 인해 상기 복굴절 물질을 2회 통과함에 따라 대칭적으로 분포 되었을 때와 동일하게 상기 복소 진폭이 조절되는 것을 특징으로 하는
반사형 복소수 공간 광 변조기.
제1항에 있어서,
상기 편광 선택 소자는 PBS (Polarizing beam spiltter)인 것을 특징으로 하는
반사형 복소수 공간 광 변조기.
제1항에 있어서,
상기 복수의 복굴절층은 단축 복굴절층인 것을 특징으로 하는
반사형 복소수 공간 광 변조기.
제1항에 있어서,
상기 복수의 복굴절층은 액정(Liquid Crystal; LC) 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는
반사형 복소수 공간 광 변조기.
제1항에 있어서,
상기 반사층은 반사면을 구비하는 거울 및 기판 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는
반사형 복소수 공간 광 변조기.