KR101423155B1 - 광 처리용 메타물질 구조체 및 광 처리 방법 - Google Patents

광 처리용 메타물질 구조체 및 광 처리 방법 Download PDF

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Abstract

광을 처리하는 메타물질 구조체(100, 700a, 700b, 700c)는 도광부(104, 704a, 704b, 704c) 및 공진 주파수를 갖는 복합 공진 전자기(EM) 구조체(102, 202, 302, 402)를 포함한다. 복합 공진 EM 구조체는 도광부를 따라 전파하는 광과 상호 작용하도록 배치되어, 광 주파수를, 광 주파수의 제2 고조파 및/또는 더 높은 고조파를 생성하는 공진 주파수로 업변환시킨다. 또한 광을 처리하는 방법에 대하여 기재한다.
메타물질, 광, 도광부, 공진, 주파수, 업변환, 고조파

Description

광 처리용 메타물질 구조체 및 광 처리 방법{METAMATERIAL STRUCTURES FOR LIGHT PROCESSING AND METHODS OF PROCESSING LIGHT}
광 처리 시스템에서, 광의 주파수를 변경하고 그에 따라 파장도 변경하여 원하는 주파수의 광을 생성하는 데에 비선형 물질의 결정(crystal)을 이용할 수 있다. 예를 들어, 결정에 입사하는 광의 주파수를 체배하고 파장을 반으로 줄이는 주파수 체배기(doubler)로서 결정을 사용할 수 있다. 이러한 과정은 제2 고조파 발생이라 불린다. 이러한 결정에서, 제2 고조파 변환 효율은 입사광의 세기가 낮을 때 낮지만, 입사광의 세기가 커지면 증가한다. 하지만, 제2 고조파 발생 처리의 효율은 일반적으로 낮다.
따라서, 효율이 높은 고조파 변환을 행할 수 있는 광 처리 시스템 및 방법을 제공하는 것이 바람직하다.
광 처리용 메타물질 구조체의 예시적인 실시예는, 도광부; 및 공진 주파수 ωR을 갖는 복합 공진 전자기(EM) 구조체를 포함하고, 상기 복합 공진 EM 구조체는 상기 도광부를 따라 전파하는 광과 상호 작용하도록 위치하여, 상기 광의 주파수 ω를, ω의 제2 고조파 및/또는 더 높은 고조파를 생성하는 ωR로 업변환시킨다(upconvert).
광 처리용 메타물질 구조체의 다른 예시적인 실시예는, 제1 도광부; 제2 도광부; 제3 도광부; 제1 공진 주파수 ωR1을 갖는 제1 복합 공진 전자기(EM) 구조체 - 상기 제1 복합 공진 EM 구조체는 상기 제1 도광부를 따라 전파하는 광과 상호 작용하도록 위치하여, 상기 광의 주파수 ω1을, ω1의 제2 고조파 및/또는 더 높은 고조파를 생성하는 ωR1으로 업변환시킴 - ; 제2 공진 주파수 ωR2를 갖는 제2 복합 공진 전자기 구조체 - 상기 제2 복합 공진 EM 구조체는 상기 제2 도광부를 따라 전파하는 광과 상호 작용하도록 위치하여, 상기 광의 주파수 ω2를, ω2의 제2 고조파 및/또는 더 높은 고조파를 생성하는 ωR2로 업변환시킴 - ; 및 제3 공진 주파수 ωR3를 갖는 제3 복합 공진 전자기 구조체 - 상기 제3 복합 공진 EM 구조체는 상기 제3 도광부를 따라 전파하는 광과 상호 작용하도록 위치하여, 상기 광의 주파수 ω3를, ω3의 제2 고조파 및/또는 더 높은 고조파를 생성하는 ωR3로 업변환시킴-를 포함한다.
메타물질 구조체로 광을 처리하는 방법의 한 예시적인 실시예는, 제1 공진 주파수 ωR1을 갖는 제1 복합 공진 전자기(EM) 구조체를 통하여 연장되는 제1 도광부를 따라 광을 전파시키는 단계를 포함하고, 상기 제1 복합 공진 EM 구조체는 상기 제1 도광부를 따라 전파하는 광과 상호 작용하여, 상기 광의 주파수 ω1을, ω1의 제2 고조파 및/또는 더 높은 고조파를 생성하는 ωR1으로 업변환시킨다.
도 1은 메타물질 구조체를 포함하는 광 처리 시스템의 예시적인 실시예를 나타낸다.
도 2는 분할 고리(split-ring) 공진기를 포함하는 메타물질 구조체의 다른 예시적인 실시예를 나타낸다.
도 3은 인쇄된 나노공진기를 포함하는 메타물질 구조체의 다른 예시적인 실시예를 나타낸다.
도 4는 홀이 주기적으로 배열된 메타물질 구조체의 다른 예시적인 실시예를 나타낸다.
도 5는 금속-절연체-금속의 삼층 구조체를 포함하는 메타물질 구조체의 전자기 응답을 나타낸다.
도 6은 도 5의 우측에 도시한 메타물질 구조체 일부의 확대도이다.
도 7은 세 개의 메타물질 구조체와 세 개의 관련 광원을 포함하는 광 처리 시스템의 다른 예시적인 실시예를 나타낸다.
도 1에는 메타물질 구조체(100)의 예시적인 실시예가 도시되어 있다. 메타물질 구조체(100)는 도광부(light guide)(104)를 따라 배치된 복합 공진 전자기(EM) 구조체(102)를 포함한다. 도시한 바와 같이, 메타물질 구조체(100)는 또한 광원(106)을 포함하는 광 처리 시스템에 마련되어 있다. 광원(106)은 도광부(104)를 향해 발광하도록 배치되어 있다. 광원(106)의 유형에 따라, 광은 단색으로서(예를 들어, 레이저 광) 실질적으로 단일 주파수만을 포함하거나, 여러 주파수 범위(예를 들어, 광대역 광)를 포함할 수 있다. 광은 도광부(104)를 따라 전파하며 복합 공진 EM 구조체(102)와 상호 작용한다. 선택적인 공진기(108)는 복합 공진 EM 구조체(102)의 반대쪽 끝에 마련되어 있다. 선택적인 외부 클래딩(cladding)은 복합 공진 EM 구조체(102)를 둘러싸고 있다.
복합 공진 EM 구조체(102)는 고유 공진 주파수 ωR을 갖는다. 복합 공진 EM 구조체(102)는 입사광의 주파수 ω를 공진 주파수 ωR로 업변환시킨다(upconvert). 이러한 업변환 처리는 입사광의 고조파를 생성한다. 이러한 고조파는 제2 고조파 또는 더 높은 고조파일 수 있다. 복합 공진 EM 구조체(102)에 의해 변환되는 광 주파수 ω는 광대역 광원에 의해 방사되는 주파수 내에 포함되는 주파수이거나 단색 광원에 의해 방사되는 단일 주파수일 수 있다.
복합 공진 EM 구조체의 실시예는 공진 주기 메타물질 구조체를 포함한다. 도 1에 도시한 실시예에 있어서, 복합 공진 EM 구조체(102)는 도광부(104)의 적어도 일부의 길이를 따라 배치된 금속 나노공진기(metal nanoresonator)(112)를 포함한다. 나노공진기(112)는 높은 전계를 생성하여 복합 공진 EM 구조체(102)의 비선형 응답을 유도한다.
도 1에 도시한 실시예에서, 금속 나노공진기(112)는 나노 크기 입자이다. 나노 크기 입자는 충분히 높은 전기 도전성을 제공하는 임의의 금속으로 이루어질 수 있다. 금속은 손실을 최소화하도록 높은 도전성(낮은 저항률)을 갖는 것이 바람직하다. 예를 들어, 금속은 약 5μΩ·㎝ 보다 작은 낮은 저항률, 예를 들어, 약 4μΩ·㎝, 3μΩ·㎝, 2μΩ·㎝ 또는 1μΩ·㎝을 갖는 것이 바람직하다. 금속은 예를 들어, Ag, Au, Al 또는 Cu, 또는 이들의 합금일 수 있다. 나노 크기 입자는 또한 실리콘과 같은 반도체 물질 또는 탄소 나노 튜브와 같은 비금속 물질로 이루어질 수 있다. 나노 크기 입자는 입계 효과(grain boundary effect)를 없애기 위하여 단결정(single crystal)일 수 있다.
도 1에 도시한 나노 크기 입자는 구(spherical) 모양이다. 다른 실시예에서, 나노 크기 입자는 관(tube), 섬유(fiber), 와이어(wire), 판(plate), 막대(rod) 및 고리(ring)와 같은 다른 형태를 가질 수 있다. 나노 크기 입자는 최대 치수(예를 들어, 지름 또는 길이)가 예를 들어, 약 10nm 내지 약 200nm일 수 있다.
나노 크기 입자는 임의의 적절한 기술로 형성될 수 있다. 예를 들어, 나노 크기 입자는 핵 생성(nucleation)과 성장, 침전(precipitation), 레이저 애블레이션(laser ablation), 계면 활성제 보조 성장(surfactant-assisted growth), 전기화학 합성, 화학 기상 핵 생성, 전자빔 증착 또는 포토리소그라피 기술로 형성될 수 있다. 나노 크기 입자를 형성하는 특정 기술은 나노 크기 입자의 원하는 조성, 모양 및/또는 크기에 따라 달라진다.
본 실시예에서, 나노공진기(112)는 비선형 매체(114)에 포함되어 있다. 비선형 매체(114)는 도광부(104)의 테이퍼형 부분(tapered portion)(116)을 감싸고, 나노공진기(112)는 테이퍼형 부분(116)을 따라 위치한다. 비선형 매체(114)는 유기 물질, 무기 물질 또는 이들의 조합으로 이루어지는 전기적인 절연체이다. 예를 들어, 비선형 매체(114)는 세라믹 물질, 또는 플라스틱, 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA), 폴리에스테르와 같은 중합체일 수 있다. 몰딩(molding)과 같은 임의의 적절한 처리를 통해 도광부(104) 주변에 비선형 매체(114)를 형성할 수 있다. 이와는 달리, 도광부(104) 주변에 비선형 매체를 포장할 수 있다. 본 실시예에서, 비선형 매체(114)는 일반적으로 외부면(118)을 가진 원통 구조이다. 다른 실시예에서, 비선형 매체(114)는 정사각형, 직사각형, 삼각형 등과 같은 다른 외부면의 모습을 가질 수 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 나노공진기(112)는 플라스몬 도파관(plasmonic waveguide)의 형태로 복합 공진 EM 구조체(102)의 축 방향(길이 방향)을 따라 위치한다. 나노공진기 사이의 화살표는 전계 효과를 나타낸다. 나노공진기(112)는 복합 공진 EM 구조체(102)의 축 방향을 따라 실질적으로 동일하게 이격되어 있을 수 있다. 나노공진기(112)는 도광부(104)의 외부면으로부터 약 25㎛ 내지 약 100㎛ 정도만큼 이격되어 있을 수 있다. 복합 공진 EM 구조체(102)의 축 방향을 따른 나노공진기(112)의 개수는 약 5개 내지 약 100개 이상일 수 있다. 나노공진기(112)는 실질적으로 서로 선형적으로 정렬될 수 있다. 또한 나노공진기(112)는 도광부(104) 주위에 원주 형태로 배치될 수 있다. 예를 들어, 플라스몬 도파관을 형성하는 나노공진기(112) 그룹은 도광부(104)의 원주에 대하여 임의의 적절한 각도, 예를 들어 약 30°, 60° 또는 90°만큼 서로 원주 형태로 이격되어 있을 수 있다.
다른 실시예에서, 공진 주기 메타물질 구조체는 비선형 매체의 내부면 및/또는 외부면 상에 마련되는 나노공진기를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 2는 비선형 매체(214)의 외부면(218)에 마련된 나노공진기(212)(분할 고리)를 갖는 복합 공진 EM 구조체(202)의 다른 실시예를 나타낸다. 광의 전계 E와 자계 H의 방향을 나타내었다. 나노공진기(212)는 나노임프린트 리소그라피(nanoimprint lithography, NIL)에 의한 중합체(플라스틱) 상에 인쇄, 건식 식각 및 롤 투 롤 처리(roll-to-roll process)에서 섬유로의 전사에 의한 것을 포함하는 여러 기술로 외부면(218)에 형성될 수 있다. 비선형 매체(214)는 원통 구성을 갖는다. 도 2에서, 캐비티(cavity)(220)를 통하여 연장되는 도광부는 단순화를 위해 도시하지 않았다. 복합 공진 EM 구조체(202)는 도 1에 도시한 도광부(104)와 같이 나노공진기(212)가 테이퍼형 부분을 따라 배치되면서 도광부의 테이퍼형 부분을 감싸도록 도광부 상에 배치될 수 있다.
도 3은 나노공진기(312)(나노 막대)가 비선형 매체(302)의 외부면에 마련되어 공진 주기 메타물질 구조체를 형성하는 복합 공진 EM 구조체(302)의 다른 예시적인 실시예를 나타낸다. 본 실시예에서, 나노공진기(312)는 나노임프린트 리소그라피에 의한 것과 같은 기술로 외부면(318)에 인쇄된다. 비선형 매체(314)는 예를 들어, 인쇄가 가능한 임의의 적절한 중합체 물질로 이루어질 수 있다. 비선형 매체(314)는 시트 형태(sheet form)일 수 있다. 나노공진기(312)를 비선형 매체(314)에 인쇄한 후, 시트를 말아서 원하는 복합 공진 EM 구조체(302)의 구성을 형성할 수 있다. 비선형 매체(314)는 원통 구성을 갖는다. 도 3에서, 캐비티(320)를 통하여 연장되는 도광부는 단순화를 위해 도시하지 않았다. 복합 공진 EM 구조체(302)는 도 1에 도시한 도광부(104)와 같이 나노공진기(212)가 테이퍼형 부분을 따라 배치되면서 도광부의 테이퍼형 부분을 감싸도록 도광부 상에 배치될 수 있다.
도 4는 외부면(418)과 축 방향 연장 캐비티(axially-extending cavity)(420)를 구비한 격자(latticed) 또는 "어망(fishnet)" 구조를 갖는 복합 공진 EM 구조체(402)의 다른 예시적인 실시예를 나타낸다. 도 4에 도시한 바와 같이, 어망 구조는 복합 공진 EM 구조체(402)의 원주 주위로 연장되며 길이를 따른 홀(422)의 주기적인 어레이를 포함한다. 복합 공진 EM 구조체(402)는 도 1에 도시한 도광부(104)와 같이 도광부의 테이퍼형 부분을 감싸도록 도광부 상에 배치될 수 있다.
도 5는 복합 공진 EM 구조체(402)의 금속-절연체-금속의 삼층 구조체의 자기 응답을 나타낸다. 복합 공진 EM 구조체(402)는 홀(422)을 정의하는 축 방향 연장부(424)와 원주 방향 연장부(426)를 포함한다. 사각형 삼층 구조체(좌측)는 자기 공진을 제공하는 한편, 와이어 모양의 삼층 구조체(중앙)는 전기(플라스몬) 공진을 제공한다. 도 5의 우측에 도시한 구조(402)에서 이러한 삼층을 결합하면 동일 주파수 범위에서 자기 및 전기(플라스몬) 공진을 갖는 물질이 생성된다.
도 6에 도시한 바와 같이, 부분(424)은 통상 약 50nm 내지 약 150nm인 폭(Wy)을 가지며, 부분(426)은 통상 약 150nm 내지 약 400nm인 폭(Wx)을 갖는다. 홀(422)은 예를 들어, 서로 약 600㎛의 거리 만큼 원주 방향으로 이격되어 있을 수 있고, 축 방향으로 약 500nm 내지 약 600nm의 거리 만큼 서로 이격되어 있을 수 있다. 홀은 정사각형 및 직사각형을 포함하는 다양한 단면을 가질 수 있다. 홀(422)은 각각 예를 들어 약 300nm와 500nm의 길이와 폭을 가질 수 있다.
도 6에 도시한 바와 같이, 복합 공진 EM 구조체(402)의 실시예는 제1 금속층(428), 제1 금속층 위의 절연층(430) 및 절연층(430) 위의 제2 금속층(432)을 포함한다. 제1 및 제2 금속층은 충분히 높은 전기 도전성을 제공하는 임의의 금속으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 금속은 약 5μΩ·㎝ 보다 작은 낮은 저항률, 예를 들어, 약 4μΩ·㎝, 3μΩ·㎝, 2μΩ·㎝ 또는 1μΩ·㎝을 갖는 것이 바람직하다. 금속은 예를 들어, Ag, Au, Al 또는 Cu, 또는 이들의 합금일 수 있다. 제1 금속층(428)과 제2 금속층(432)은 두께가 예를 들어, 각각 약 20nm 내지 약 40nm일 수 있다.
절연층(430)은 예를 들어, SiO2, Al2O3, 중합체(예: 폴리이미드)로 이루어질 수 있다. 절연층(430)은 두께가 예를 들어, 약 30nm 내지 약 50nm일 수 있다. 다른 금속/절연체 물질 조합을 이용하여 어망 구조의 층 스택(layer stack)을 형성할 수 있다.
복합 공진 EM 구조체(402)의 층의 개수는 다를 수 있다. 예를 들어, 다른 예시적인 스택은 다음의 층 배열, 즉 금속층/절연체층/금속층/절연체층/금속층을 가질 수 있다.
도 5 및 6에 도시한 복합 공진 EM 구조체(402)의 경우, 홀(422)은 세 층(428, 430, 432) 모두를 형성한 후에 형성될 수 있다. 이 실시예에서, 홀(422)은 세 층 모두를 통과하여 배치되고 제1 금속층(428), 절연체층(430) 및 제2 금속층(432)의 두께를 더한 것과 동일한 깊이를 갖는다.
다른 실시예에서, 홀(422)은 복합 공진 EM 구조체(402)의 두께의 일부만을 통하여 연장될 수 있다. 예를 들어, 홀이 없는 절연체층을 홀이 있는 제1 금속층 위에 형성하고, 이어 홀이 있는 제2 금속층을 절연체층 위에 형성할 수 있다. 이 실시예에서, 제1 금속층의 홀은 제2 금속층의 홀과 실질적으로 정렬된다. 홀에 여분의 절연 물질이 있느냐의 여부에 따라, 공진 주파수는 홀에 여분의 절연 물질이 없는 구조에 비하여 변화할 수 있다.
복합 공진 EM 구조체(402)의 층은 나노임프린트 리소그라피(NIL)에 의한 중합체(예: 플라스틱) 상에 인쇄, 건식 식각 및 롤 투 롤 처리에서의 섬유로의 전사를 포함하는 여러 기술에 의해 형성될 수 있다.
메타물질 구조체에서, 도광부는 광원으로부터 방사되는 전파광을 제한하고 안내한다. 적외선 영역에서는 InP/gaInAsP/InP 등으로 이루어지는 저지수(low-index) 콘트라스트 평면 도파관과 같은 리지 도파관 구조(ridge waveguide structure)를 사용할 수 있다. 실리카 섬유를 이용하여 약 1.1㎛ 내지 1.6㎛ 범위의 적외선 파장을 반송할 수 있다. 광학 영역에서, 도파관은 단면이 원형인 광섬유와 같은 유전 물질로 이루어질 수 있다. 다른 실시예에서, 도광부는 광 밴드갭 결정(photonic bandgap crystal)에서 라인 디펙트 채널(line-defect channel)일 수 있다.
도 1에 도시한 실시예에서, 도광부(104)는 광섬유로서 단면이 원형이고 테이퍼형 부분(116)이 복합 공진 EM 구조체(102) 내에 위치한다. 광섬유는 지름이 예를 들어 약 1㎛ 내지 약 50㎛이고, 테이퍼형 부분은 지름이 예를 들어 약 0.3㎛ 내지 약 15㎛일 수 있다. 테이퍼형 부분(116)은 도광부(104)에 의해 반송되는 광과 복합 공진 EM 구조체(102)와의 결합을 강화시키도록 구성되어 있다.
메타물질 구조체에 있어서, 도광부는 단일 구조이거나, 이와는 달리 둘 이상이 함께 결합되는 부분을 포함할 수 있다. 도광부는 광원(106)이 방사하는 주파수 ω의 광을 복합 공진 EM 구조체(102)로 반송하며 업변환 처리로 인한 제2 및/또는 더 높은 고조파를 반송하는 다중 모드 섬유일 수 있다. 고조파를 활용하여 통신에 응용할 수 있다.
다른 실시예에서, 도광부는 복합 공진 EM 구조체(102)의 출구 단부(122)까지만 연장된다. 이 실시예에서, 복합 공진 EM 구조체(102)를 나온 광은 예를 들어, 디스플레이 또는 프로젝션의 응용 목적으로 섬유를 통하여 공기 중으로 방사되어 에어 커플러(air coupler)로 향할 수 있다.
복합 공진 EM 구조체(102)는 광이 출구 단부(124)를 나오기 전에 광원(106)에 의해 방사되는 광과 효율적으로 상호 작용하도록 입구 단부(124)에서 출구 단부(122)까지 충분한 길이를 갖는다. 예를 들어, 복합 공진 EM 구조체(102)는 약 5㎛ 내지 약 150㎛ 의 길이를 가질 수 있다.
도 1에 도시한 실시예에서, 복합 공진 EM 구조체(102)의 대향 단부에 위치한 공진기(108)는 예를 들어, 브래그 미러(Bragg mirror)일 수 있다.
도 1에 도시한 실시예에서, 외부 클래딩(110)은 광을 반사하여 복합 공진 EM 구조체(102) 내에 광 수용성을 제고한다. 클래딩(110)은 임의의 적절한 물질로 이루어질 수 있다.
메타물질 구조체의 실시예는 더 높은 고조파 증폭을 위하여 이득 매체, 펌핑되는 매체(pumped medium) 또는 기타 메커니즘을 선택적으로 포함할 수 있다.
복합 공진 EM 구조체는 이러한 구조체를 이루는 구성요소와 광학적 특성이 다르다. 복합 공진 EM 구조체는 주기 공진 구조로부터 전자기 물질 특성을 갖는다. 복합 공진 EM 구조체는 주파수 ω를 갖는 입사광을 제2 고조파 2ω(λ/2), 및/또는 더 높은 고조파(예를 들어, 제3 고조파 3ω(λ/3) 또는 더 높은 짝수 또는 홀수 번째 고조파)로 업변환하여 원하는 공진 주파수를 얻는다. 제2 고조파는 가시 스펙트럼 내에 있을 수 있다. 예를 들어, 제2 고조파는 약 400nm 내지 약 700nm 범위 내에서 어디든지 있을 수 있다.
복합 공진 EM 구조체에 의해 변환되는 입사광은 실질적으로 단일 파장 λ, 즉, 예를 들어 약 1.1㎛ 내지 약 1.6㎛의 적외선 범위 내의 실질적인 단색광일 수 있다. 예시적인 실시예에서, λ/2는 약 620nm 내지 740nm 범위(적색광), 약 445nm 내지 500nm 범위(청색광) 또는 약 500nm 내지 575nm 범위(녹색광) 내에 있을 수 있다. 따라서, 복합 공진 EM 구조체는 입사광(예를 들어, 적외선)을, 적색광, 청색광 또는 녹색광과 같은 가시 스펙트럼의 색 중 하나에 해당하는 제2 고조파 주파수를 갖는 가시광으로 업변환할 수 있다.
메타물질 구조체의 예시적인 실시예에서, 복합 공진 EM 구조체는 광 결합 효율(light coupling efficiency)이 적어도 약 50%이다. 여기서의 "광 결합 효율"은 결합하고 공진 EM 구조체의 공진 모드를 여기시키는 주파수 ω의 입사광 세기의 퍼센트로서 정의된다. 복합 공진 EM 구조체는 공진 주파수에 대하여 약 50% 내지 약 70%의 결합 효율을 갖는 것이 바람직하다. 복합 공진 EM 구조체의 비선형 물질은 선택된 입사 주파수의 변환 효율을 공진 EM 구조체의 공진 주파수까지 예를 들어, 약 50% 내지 약 70%까지 증가시킬 수 있다.
"퀄리티 팩터(quality factor)" Q는 Elocal=QE0으로 정의되고, 여기서 Elocal은 복합 공진 EM 구조체 근처의 로컬 전계이고, E0는 복합 공진 EM 구조체로 도입되어 공진 주파수로 변환되는 입사광의 전계 세기이다. 메타물질 구조체의 실시예는 Q값>>1을 제공할 수 있다. 즉, Elocal/E0>>1이 되도록 실질적으로 로컬 전계 E0를 강화할 수 있다.
도 7에 도시한 광 처리 시스템의 예시적인 실시예에서, 메타물질 구조체(700a, 700b, 700c)는 제1 도광부(704a), 제2 도광부(704b) 및 제3 도광부(704c)를 각각 포함한다. 또한, 메타물질 구조체(700a, 700b, 700c)는 공진 주파수 ωR1인 제1 복합 공진 EM 구조체(702a), 공진 주파수 ωR2인 제2 복합 공진 EM 구조체(702b), 공진 주파수 ωR3인 제3 복합 공진 EM 구조체(702c)를 포함한다. 제1, 제2 및 제3 복합 공진 EM 구조체(702a, 702b, 702c)는 제1, 제2 및 제3 도광 부(704a, 704b, 704c)를 따라 전파하는 입사광과 각각 상호 작용하도록 배치되어 광을 제1, 제2, 제3의 색으로 각각 업변환한다. 상이한 색을 동시에 생성하거나, 일부는 원하는 시간적 패턴으로 생성할 수 있다.
본 실시예에서, 제1, 제2 및 제3 복합 공진 EM 구조체(702a, 702b, 702c)는 각각 도 1에 도시한 복합 공진 EM 구조체(102), 또는 도 4 내지 도 6에 도시한 복합 공진 EM 구조체(402)와 동일한 구조를 가질 수 있다. 제1, 제2 및 제3 도광부는 각각 도 1에 도시한 도광부(104)와 동일한 구조를 가질 수 있다. 다른 실시예에서, 각 메타물질 구조체의 복합 공진 EM 구조체 및 도광부는 서로 다를 수 있다.
도 7에 도시한 바와 같이, 광원(706a, 706b, 706c)은 각각 제1, 제2 및 제3 복합 공진 EM 구조체(702a, 702b, 702c)와 동작 가능하게 연계된다. 예를 들어, 광원(706a, 706b, 706c)은 주파수 ω1, ω2 및 ω3를 각각 갖는 단색광을 방사하고, 이는 각 도광부(704a, 704b, 704c)를 전파하며, 제1, 제2 및 제3 복합 공진 EM 구조체(702a, 702b, 702c)에 의해 제2 및/또는 더 높은 고조파, 예를 들어 제2 고조파 2ω1, 2ω2 및 2ω3로 각각 업변환될 수 있다. 제2 고조파 2ω1, 2ω2 및 2ω3는 예를 들어 각각 제1, 제2 및 제3의 색일 수 있다.
세 개의 복합 공진 EM 구조체를 포함하는 메타물질 구조체에 의해 생성되는 색은 서로 선택적으로 결합되어 복수의 상이한 색을 만들 수 있다. 예를 들어, 메타물질 구조체에 의해 부가적인 적, 녹, 청의 1차 색을 생성하고 이들을 결합하여 부가적인 2차 색을 만들 수 있다. 녹색광과 청색광은 결합되어 시안을 만들고, 적 색광과 청색광은 결합되어 마젠타를 만들며, 녹색광과 적색광은 결합되어 노랑을 만들고, 적색, 녹색 및 청색의 광은 결합되어 흰색을 만든다.
메타물질 구조체의 실시예는 광 프로젝션, 디스플레이 및 광전자 회로(optoelectronic circuit)(광 상호접속)와 같은 다양한 응용을 위해 빛을 생성하는데 사용될 수 있음을 예상할 것이다.
메타물질 구조체는 양자 통신(quantum communication)을 위하여 얽히고 업변환된 광자(entangled, up-converted photon)의 고휘도 광원(bright source)을 제공하는데 사용될 수 있음을 예상할 것이다. 두 광자가 복굴절 결정을 통과하는 기술을 이용하여 가시 범위에서 얽힌 광자를 생성할 수 있다.
본 발명은 그 사상이나 필수적인 특징으로부터 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 실시될 수 있음을 당업자는 인식할 것이다. 따라서, 현재 기재된 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 제한적인 것이 아니다. 본 발명의 범위(scope)는 전술한 기재가 아닌 첨부된 청구범위에 의해 지정되며, 본 발명의 의미, 범위(range) 및 등가물 내의 모든 변경은 여기에 포함시키고자 한다.

Claims (10)

  1. 광 처리용 메타물질 구조체(100)로서,
    제1 도광부(104, 704a); 및
    복수의 금속 나노공진기(metal nanoresonator) 및 비선형 물질을 포함하고 제1 공진 주파수 ωR1을 갖는 제1 복합 공진 전자기(EM) 구조체(102, 202, 302, 402, 702a) - 상기 제1 복합 공진 EM 구조체는 상기 제1 도광부를 따라 전파하는 광과 상호 작용하도록 위치하여, 상기 광의 주파수 ω1을, ω1의 제2 고조파 및/또는 더 높은 고조파를 생성하는 ωR1으로 업변환시킴(upconvert) -
    를 포함하는 메타물질 구조체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복합 공진 EM 구조체(102, 402)는 공진 주기 메타물질 구조체를 포함하고,
    상기 공진 주기 메타물질 구조체는,
    (i) 상기 비선형 물질에 포함되어 있거나, 또는 (ii) 상기 비선형 물질의 표면에 배치되어 있는 상기 복수의 금속 나노공진기; 또는
    제1 금속층, 상기 제1 금속층 위의 절연체층 및 상기 절연체층 위의 제2 금속층을 포함하며, 적어도 상기 제1 및 제2 금속층을 관통하여 연장되어 있는 정렬 홀(aligned hole)이 주기적으로 배열되어 있는 다층 구조체를 포함하는 메타물질 구조체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 도광부(104)는 단면적이 감소하는 테이퍼형 부분(tapered portion)(116)을 갖는 광섬유를 포함하고, 상기 테이퍼형 부분은 상기 제1 도광부에 의해 반송되는 광과 상기 제1 복합 공진 EM 구조체와의 결합(coupling)을 강화하도록 상기 제1 복합 공진 EM 구조체(102) 내에 배치되어 있는 메타물질 구조체.
  4. 제1항에 있어서,
    제2 도광부(704b);
    제3 도광부(704c);
    제2 공진 주파수 ωR2를 갖는 제2 복합 공진 전자기 구조체(702b) - 상기 제2 복합 공진 EM 구조체는 상기 제2 도광부를 따라 전파하는 광과 상호 작용하도록 위치하여, 상기 광의 주파수 ω2를, ω2의 제2 고조파 및/또는 더 높은 고조파를 생성하는 ωR2로 업변환시킴 - ; 및
    제3 공진 주파수 ωR3를 갖는 제3 복합 공진 전자기 구조체(702c) - 상기 제3 복합 공진 EM 구조체는 상기 제3 도광부를 따라 전파하는 광과 상호 작용하도록 위치하여, 상기 광의 주파수 ω3를, ω3의 제2 고조파 및/또는 더 높은 고조파를 생 성하는 ωR3로 업변환시킴 -
    를 더 포함하는 메타물질 구조체.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 ω1, ω2 및 ω3 각각의 제2 고조파는 약 400nm 내지 약 700nm 범위 내에 있거나, 또는
    상기 ω1, ω2 및 ω3의 제2 고조파는 적색, 녹색 및 청색에 각각 대응되는 메타물질 구조체.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1, 제2 및 제3 복합 공진 EM 구조체 각각은 공진 주기 메타물질 구조체를 포함하고,
    상기 공진 주기 메타물질 구조체는,
    (i) 비선형 물질에 포함되어 있거나, 또는 (ii) 상기 비선형 물질의 표면에 배치되어 있는 복수의 금속 나노공진기; 또는
    제1 금속층, 상기 제1 금속층 위의 절연체층 및 상기 절연체층 위의 제2 금속층을 포함하며, 적어도 상기 제1 및 제2 금속층을 관통하여 연장되어 있는 정렬 홀이 주기적으로 배열되어 있는 다층 구조체를 포함하는 메타물질 구조체.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제1, 제2 및 제3 도광부 각각은 단면적이 감소하는 테이퍼형 부분을 갖는 광섬유를 포함하고, 상기 테이퍼형 부분은 상기 제1, 제2 및 제3 도광부에 의해 반송되는 광과 상기 제1, 제2 및 제3 복합 공진 EM 구조체와의 각각의 결합을 강화하도록 상기 제1, 제2 및 제3 복합 공진 EM 구조체 내에 배치되어 있는 메타물질 구조체.
  8. 광 처리 시스템으로서,
    제5항에 따른 메타물질 구조체;
    상기 제1 도광부를 따라 전파하는 광을 방사하도록 배치되어 있는 제1 광원(706a);
    상기 제2 도광부를 따라 전파하는 광을 방사하도록 배치되어 있는 제2 광원(706b); 및
    상기 제3 도광부를 따라 전파하는 광을 방사하도록 배치되어 있는 제3 광원(706c)
    을 포함하는 광 처리 시스템.
  9. 메타물질 구조체로 광을 처리하는 방법으로서,
    복수의 금속 나노공진기 및 비선형 물질을 포함하고 제1 공진 주파수 ωR1을 갖는 제1 복합 공진 전자기(EM) 구조체를 통하여 연장되는 제1 도광부를 따라 광을 전파시키는 단계 - 상기 제1 복합 공진 EM 구조체는 상기 제1 도광부를 따라 전파하는 광과 상호 작용하여, 상기 광의 주파수 ω1을, ω1의 제2 고조파 및/또는 더 높은 고조파를 생성하는 ωR1으로 업변환시킴 -
    를 포함하는 광 처리 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    제2 공진 주파수 ωR2를 갖는 제2 복합 공진 EM 구조체를 통하여 연장되는 제2 도광부를 따라 광을 전파시키는 단계 - 상기 제2 복합 공진 EM 구조체는 상기 제2 도광부를 따라 전파하는 광과 상호 작용하여, 상기 광의 주파수 ω2를, ω2의 제2 고조파 및/또는 더 높은 고조파를 생성하는 ωR2로 업변환시킴 - ; 및
    제3 공진 주파수 ωR3를 갖는 제3 복합 공진 EM 구조체를 통하여 연장되는 제3 도광부를 따라 광을 전파시키는 단계 - 상기 제3 복합 공진 EM 구조체는 상기 제3 도광부를 따라 전파하는 광과 상호 작용하여, 상기 광의 주파수 ω3를, ω3의 제2 고조파 및/또는 더 높은 고조파를 생성하는 ωR3로 업변환시킴 -
    를 더 포함하고,
    상기 ω1, ω2 및 ω3 각각의 제2 고조파는 약 400nm 내지 약 700nm 범위 내에 있거나, 또는
    상기 ω1, ω2 및 ω3의 제2 고조파는 적색, 녹색 및 청색에 각각 대응되는 광 처리 방법.
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