KR102061114B1 - 테라헤르츠파 대역에서 동작하는 단위셀 메타 구조 소자 및 이를 포함하는 편광 장치 - Google Patents

테라헤르츠파 대역에서 동작하는 단위셀 메타 구조 소자 및 이를 포함하는 편광 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 하나의 실시 예에 따른 테라헤르츠 대역에서 동작하는 단위셀 메타 구조 소자는 유전체 기판 및 상기 유전체 기판 상에서, 제1 패턴부 및 제2 패턴부를 포함하는 메타물질부를 포함하고, 상기 제1 패턴부는 X축 방향을 따라 제1 길이만큼 신장되고, Y축 방향을 따라 제2 길이만큼 신장되고, 상기 X축 방향을 따라 제1 간격만큼 이격되고, 상기 Y축 방향을 따라 제2 간격만큼 이격된 제1 패턴들을 포함하고, 상기 제2 패턴부는 상기 X축 방향을 따라 제3 길이만큼 신장되고, 상기 Y축 방향을 따라 제3 간격만큼 이격된 제2 패턴들을 포함한다.

Description

테라헤르츠파 대역에서 동작하는 단위셀 메타 구조 소자 및 이를 포함하는 편광 장치{UNIT CELL META STRUCTURE DEVICE OPERATING BANDWIDTH OF TERAHERTZ AND POLARIZING APPARATUS INCLUDING THE SAME}
본 발명은 단위셀 메타 구조 소자 및 이를 포함하는 편광 장치에 관한 것으로써, 좀 더 상세하게는 메타물질을 활용한 테라헤르츠파 대역에서 동작하는 단위셀 메타 구조 소자 및 이를 포함하는 편광 장치에 관한 것이다.
전자기파 스펙트럼에서 약 300GHz 내지 3THz 대역을 갖는 테라헤르츠파는 전파의 투과성 및 광파의 직진성을 동시에 갖고, 분자운동의 진동 주파수 영역이 테라헤르츠파 주파수 대역에 존재한다는 특성을 갖는다. 테라헤르츠파는 투과 특성과 함께 인체에 무해한 수준의 낮은 에너지를 갖기 때문에 암진단을 위한 메디컬 영상 기술에 적용 가능하며, 물질의 성분 분석에 활용될 수 있다. 또한, 이러한 테라헤르츠파 주파수 대역은 초고속 무선 통신 기술에도 활용될 수 있는데, 이를 위해서는 편파 특성을 제어하기 위한 기술이 필요하다.
테라헤르츠파 기술을 다양한 분야로 활용하기 위해서는, 테라헤르츠파 대역에서 사용 가능한 다양한 소자의 개발이 필수적이다. 테라헤르츠파 대역에서 사용 가능한 소자를 개발하기 위해, 메타물질이 개발되고 있다. 메타물질은 전자기파의 파장보다 매우 작은 크기의 유전체 또는 금속 공진기 구조를 주기적으로 배열하여 독특한 성질을 실현하는 인공 물질이다. 메타물질은 거시적 관점에서 균일한 물질로 인식될 수 있다. 하지만, 종래의 메타물질을 활용한 소자는 테라헤르츠 입사파에 대한 대역 특성이 고정되어 편파 특성을 변화시키기 어렵다.
본 발명은 상술된 기술적 과제를 해결하기 위한 것으로써, 본 발명의 목적은 메타물질 기반의 테라헤르츠 입사파의 편파 특성을 변환시킬 수 있는 테라헤르츠파 대역에서 동작하는 단위셀 메타 구조 소자 및 이를 포함하는 편광 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 하나의 실시 예에 따른 테라헤르츠 대역에서 동작하는 단위셀 메타 구조 소자는 유전체 기판 및 상기 유전체 기판 상에서, 제1 패턴부 및 제2 패턴부를 포함하는 메타물질부를 포함하고, 상기 제1 패턴부는 X축 방향을 따라 제1 길이만큼 신장되고, Y축 방향을 따라 제2 길이만큼 신장되고, 상기 X축 방향을 따라 제1 간격만큼 이격되고, 상기 Y축 방향을 따라 제2 간격만큼 이격된 제1 패턴들을 포함하고, 상기 제2 패턴부는 상기 X축 방향을 따라 제3 길이만큼 신장되고, 상기 Y축 방향을 따라 제3 간격만큼 이격된 제2 패턴들을 포함한다.
하나의 실시 예에 있어서, 상기 제2 패턴부는 상기 제1 패턴부와 이격되어 형성될 수 있다.
하나의 실시 예에 있어서, 상기 메타물질부는 상기 X축 방향으로 X-편광된 테라헤르츠 입사파에 대하여 병렬 LC 공진회로의 특성을 나타내고, 상기 Y축 방향으로 Y-편광된 테라헤르츠 입사파에 대하여 직렬 LC 공진회로의 특성을 나타낼 수 있다.
하나의 실시 예에 있어서, 상기 메타물질부는 상기 X축 방향으로 X-편광된 테라헤르츠파 성분에 대해서 대역통과 특성을 갖고, 상기 Y축 방향으로 Y-편광된 테라헤르츠파 성분에 대해서 대역소거 특성을 가질 수 있다.
하나의 실시 예에 있어서, 상기 대역통과 특성에 대한 제1 공진 주파수와 상기 대역소거 특성에 대한 제2 공진 주파수는 동일할 수 있다.
하나의 실시 예에 있어서, 상기 메타물질부는 상기 X축 방향으로 X-편광된 테라헤르츠파 성분 및 상기 Y축 방향으로 Y-편광된 테라헤르츠파 성분 간에 90도의 위상차를 갖도록 할 수 있다.
본 발명의 하나의 실시 예에 따른 테라헤르츠파 편광 장치는 유전체 기판 및 상기 유전체 기판 상에서, 복수의 제1 패턴부들 및 복수의 제2 패턴부들을 포함하는 메타물질층을 포함하고, 상기 복수의 제1 패턴부들 각각은 X축 방향을 따라 제1 길이만큼 신장되고, Y축 방향을 따라 제2 길이만큼 신장되고, 상기 X축 방향을 따라 제1 간격만큼 이격되고, 상기 Y축 방향을 따라 제2 간격만큼 이격된 제1 패턴들을 포함하고, 상기 복수의 제2 패턴부들 각각은 상기 X축 방향을 따라 제3 길이만큼 신장되고, 상기 Y축 방향을 따라 제3 간격만큼 이격된 제2 패턴들을 포함한다.
하나의 실시 예에 있어서, 상기 테라헤르츠파 편광 장치는 투과 모드에서, 상기 X축 방향으로 X-편광된 테라헤르츠파 성분에 대해서 대역통과 특성을 갖고, 상기 Y축 방향으로 Y-편광된 테라헤르츠파 성분에 대해서 대역소거 특성을 가질 수 있다.
하나의 실시 예에 있어서, 상기 테라헤르츠파 편광 장치는 반사 모드에서, 상기 X축 방향으로 X-편광된 테라헤르츠파 성분에 대해서 대역소거 특성을 갖고, 상기 Y축 방향으로 Y-편광된 테라헤르츠파 성분에 대해서 대역통과 특성을 가질 수 있다.
하나의 실시 예에 있어서, 상기 테라헤르츠파 편광 장치는 테라헤르츠 입사파에 대하여 상기 X축 방향으로 X-편광된 테라헤르츠파 성분 및 상기 Y축 방향으로 Y-편광된 테라헤르츠파 성분 간에 90도의 위상차를 갖도록 할 수 있다.
하나의 실시 예에 있어서, 상기 테라헤르츠 입사파는 원형 편광의 테라헤르츠파로 편파 변환될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 테라헤르츠파 대역에서 동작하는 단위셀 메타구조 소자는 광대역 주파수 범위에서 X 방향의 테라헤르츠파와 Y 방향의 테라헤르츠파 사이에 90도의 위상 차이가 발생하도록 편파 변환을 할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 단위셀 메타 구조 소자는 광대역에서 낮은 삽입 손실로 선형 편광의 테라헤르츠파를 원형 편광의 테라헤르츠파로 변환할 수 있다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시 예에 따른 테라헤르츠파 대역에서 동작하는 단위셀 메타 구조 소자의 블록도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 하나의 실시 예에 따른 편광 장치를 투과하는 선형 편광의 테라헤르츠파를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 3a 내지 도 3d는 도 1의 메타물질부의 제1 패턴부의 예시들을 나타낸다.
도 4a는 및 도 4b는 도 3a 내지 도 3d의 제1 패턴부의 응답 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 5a 및 도 5b는 도 1의 메타물질부의 제2 패턴부의 예시들을 나타내는 도면이다.
도 6a 내지 도 6c는 도 5a 및 도 5b의 제2 패턴부의 응답 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 7a 내지 도 7d는 도 1의 제1 패턴부 및 제2 패턴부를 포함하는 메타물질부의 예시를 나타내는 도면이다.
도 8a 내지 도 8d는 도 7a 내지 도 7d의 메타물질부의 응답 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 도 7a의 단위셀 메타 구조 소자를 도시한다.
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 하나의 실시 예에 따른 단위셀 메타 구조 소자의 X-편광된 테라헤르츠파 및 Y-편광된 테라헤르츠파에 대한 응답 특성을 비교하기 위한 도면이다.
도 11a 내지 도 11c는 단위셀 메타 구조 소자의 투과 특성을 보여주는 도면이다.
도 12a 내지 도 12c는 단위셀 메타 구조 소자의 반사 특성을 보여주는 도면이다.
도 13a 내지 도 13c는 단위셀 메타 구조 소자의 응답 특성의 테스트 결과를 나타낸다.
도 14는 본 발명의 하나의 실시 에에 따른 편광 장치를 나타내는 도면이다.
도 15는 도 14의 편광 장치에 의해 선형 편광의 테라헤르츠파가 원형 편광의 테라헤르츠파로 변환되는 예시를 나타내는 도면이다.
도 16은 본 발명의 하나의 실시 예에 따른 편광 장치가 양자 폭포 레이저(QCL; quantum cascade laser)에 적용되는 예시를 나타낸다.
도 17은 본 발명의 하나의 실시 예에 따른 편광 장치가 굴곡이 있는 객체에 적용되는 예시를 나타낸다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예들이 상세하게 설명된다. 이하의 설명에서, 상세한 구성들 및 구조들과 같은 세부적인 사항들은 단순히 본 발명의 실시 예들의 전반적인 이해를 돕기 위하여 제공된다. 그러므로 본 발명의 기술적 사상 및 범위로부터의 벗어남 없이 본문에 기재된 실시 예들의 변형들은 통상의 기술자 의해 수행될 수 있다. 더욱이, 명확성 및 간결성을 위하여 잘 알려진 기능들 및 구조들에 대한 설명들은 생략된다. 본 명세서에서 사용된 용어들은 본 발명의 기능들을 고려하여 정의된 용어들이며, 특정 기능에 한정되지 않는다. 용어들의 정의는 상세한 설명에 기재된 사항을 기반으로 결정될 수 있다.
이하의 도면들 또는 상세한 설명에서의 모듈들은 도면에 도시되거나 또는 상세한 설명에 기재된 구성 요소 이외에 다른 것들과 연결될 수 있다. 모듈들 또는 구성 요소들 사이의 연결은 각각 직접적 또는 비직접적일 수 있다. 모듈들 또는 구성 요소들 사이의 연결은 각각 통신에 의한 연결이거나 또는 물리적인 접속일 수 있다.
상세한 설명에서 사용되는 부 또는 유닛(unit), 모듈(module), 계층(layer) 등의 용어를 참조하여 설명되는 구성 요소들은 소프트웨어, 또는 하드웨어, 또는 그것들의 조합의 형태로 구현될 수 있다. 예시적으로, 소프트웨어는 기계 코드, 펌웨어, 임베디드 코드, 및 애플리케이션 소프트웨어일 수 있다. 예를 들어, 하드웨어는 전기 회로, 전자 회로, 프로세서, 컴퓨터, 집적 회로, 집적 회로 코어들, 압력 센서, 관성 센서, 멤즈(Micro Electro Mechanical System; MEMS), 수동 소자, 또는 그것들의 조합을 포함할 수 있다.
다르게 정의되지 않는 한, 본문에서 사용되는 기술적 또는 과학적인 의미를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 지닌 자에 의해 이해될 수 있는 의미를 갖는다. 일반적으로 사전에서 정의된 용어들은 관련된 기술 분야에서의 맥락적 의미와 동등한 의미를 갖도록 해석되며, 본문에서 명확하게 정의되지 않는 한, 이상적 또는 과도하게 형식적인 의미를 갖도록 해석되지 않는다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 테라헤르츠파 대역에서 동작하는 단위셀 메타 구조 소자 및 편광 장치에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시 예에 따른 테라헤르츠파 대역에서 동작하는 단위셀 메타 구조 소자의 블록도이다. 도 1을 참조하면, 단위셀 메타 구조 소자(10)는 메타물질부(100) 및 유전체 기판(200)을 포함할 수 있다.
메타물질부(100)는 유전체 기판(200) 상에서, 미리 정해진 패턴을 갖는 메타물질로 형성될 수 있다. 메타물질부(100)는 제1 패턴부(110) 및 제2 패턴부(120)를 포함하여 일정한 패턴을 형성할 수 있다. 메타물질부(100)는 제1 패턴부(110) 및 제2 패턴부(120)를 포함하는 2차원 배열일 수 있다. 메타물질부(100)는 제1 패턴부(110)와 제2 패턴부(120)를 통해 테라헤르츠파 대역의 입사파(이하, 테라헤르츠 입사파)를 편파 변환할 수 있다. 제1 패턴부(110) 및 제2 패턴부(120)에 대한 상세한 설명은 도 3a 내지 도 6c를 통해 후술될 것이다.
예시적으로, 유전체 기판(200)은 초박막 필름형 수지를 포함할 수 있다. 예를 들어, 유전체 기판(200)은 약 20 내지 30μm 두께의 초박막 필름형 수지로, 제오노아(zeonor) 필름일 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 단위셀 메타 구조 소자(10)는 메타물질부(100)를 통해 테라헤르츠 입사파를 편파 변환할 수 있고, 메타물질부(100)는 테라헤르츠 입사파에 대하여 독특한 응답 특성을 가질 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 하나의 실시 예에 따른 편광 장치를 투과하는 선형 편광의 테라헤르츠파를 예시적으로 보여주는 도면이다. 도 1, 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 편광 장치(1000)는 복수의 단위셀 메타 구조 소자(10)를 포함할 수 있다. 편광 장치(1000)는 테라헤르츠 입사파의 위상을 변경시켜 위상이 변경된 테라헤르츠 투과파를 출력할 수 있다.
도 2a에서는, X축 방향으로 X-편광된 테라헤르츠파가 편광 장치(1000)를 투과하는 예시가 도시된다. 제1 영역(a1)에 도시된 바와 같이, X-편광된 테라헤르츠파의 위상은 편광 장치(1000)를 통해 달라질 수 있다. 도 2b에서는, Y축 방향으로 Y-편광된 테라헤르츠파가 편광 장치(1000)를 투과하는 예시가 도시된다. 제2 영역(a2)에 도시된 바와 같이, Y-편광된 테라헤르츠파의 위상은 편광 장치(1000)를 통해 달라질 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 편광 장치(1000)는 X-편광된 테라헤르츠파와 Y-편광된 테라헤르츠파의 위상을 다르게 변경시킬 수 있다. 즉, X-편광된 테라헤르츠 입사파에 대한 투과 특성과 Y-편광된 테라헤르츠파에 대한 투과 특성은 서로 상이할 수 있다. 이에 대한 상세한 설명은 도 7a 내지 도 8d를 통해 후술될 것이다.
도 3a 내지 도 3d는 도 1의 메타물질부의 제1 패턴부의 예시들을 나타낸다. 도 3a 내지 도 3d에 도시된 제1 패턴부(110)는 각각 복수의 제1 패턴들(110-1)을 포함할 수 있다. 복수의 제1 패턴들(110-1)은 각각 X축 방향을 따라 제1 간격(d1)만큼 이격되고, Y축 방향을 따라 제2 간격(d2)만큼 이격될 수 있다.
도 3a를 참조하면, 제1 패턴(110-1)은 유전체 기판 상에서 X축 방향을 따라 제1 길이(l1)만큼 신장되고, Y축 방향을 따라 제2 길이(l2)만큼 신장될 수 있다. 제1 패턴(110-1)의 세로 메타물질 부재(V1)의 일단부는 가로 메타물질 부재(P1)의 중심부와 연결될 수 있다. 이에 따라, 도 3a의 제1 패턴부(110)는 컷와이어 공진기(cutwire resonator) 형상을 나타낼 수 있다.
도 3b를 참조하면, 제1 패턴부(110)는 제1 패턴(110-1) 및 사각형의 메타물질 부재(S)를 포함할 수 있다. 제1 패턴(110-1)은 유전체 기판 상에서 X축 방향을 따라 제1 길이(l1)만큼 신장되고, Y축 방향을 따라 제2 길이(l2)만큼 신장될 수 있다. 도 3b의 제1 패턴(110-1)은 도 3a의 제1 패턴(110-1)과 유사할 수 있으나, X축 방향의 제1 길이(l1)와 Y축 방향의 제2 길이(l2)가 서로 상이할 수 있다. 예를 들어, 도 3b의 제1 패턴(110-1)의 X축 방향의 제1 길이(l1)는 도 3a의 제1 패턴(110-1)의 X축 방향의 제1 길이(l1)보다 작을 수 있다. 제1 패턴(110-1)의 세로 메타물질 부재(V2)의 일단부는 가로 메타물질 부재(P2)의 중심부와 연결되고, 타단부는 사각형 메타물질 부재(S)와 연결될 수 있다. 이에 따라, 도 3b의 제1 패턴부(110)는 SRR(Split Ring Resonator) 형상을 나타낼 수 있다.
도 3c를 참조하면, 제1 패턴(110-1)은 유전체 기판 상에서 X축 방향을 따라 제1 길이(l1)만큼 신장되고, Y축 방향을 따라 제2 길이(l2)만큼 신장될 수 있다. 제1 패턴(110-1)은 루프(loop) 형상 또는 사각형일 수 있다. 즉, 제1 패턴(110-1)의 가로 메타물질 부재들(P3)은 X축 방향을 따라 제1 길이(l1)만큼 신장되고, 세로 메타물질 부재들(V3)은 Y축 방향을 따라 제2 길이(l2)만큼 신장될 수 있다.
도 3d를 참조하면, 제1 패턴(110-1)은 유전체 기판 상에서 X축 방향을 따라 제1 길이(l1)만큼 신장되고, Y축 방향을 따라 제2 길이(l2)만큼 신장될 수 있다. 제1 패턴(110-1)의 가로 메타물질 부재(P4)의 일단부 및 타단부는 각각 세로 메타물질 부재들(V4)의 중심부와 연결될 수 있다. 이에 따라, 제1 패턴(110-1)은 'Ⅰ' 형상일 수 있다.
상술한 바와 같이, 제1 패턴부(110)는 X축 방향을 따라 제1 길이(l1)만큼 신장되고, Y축 방향을 따라 제2 길이(l2)만큼 신장되는 복수의 제1 패턴들(110-1)을 포함할 수 있다. 또한, 복수의 제1 패턴들(110-1)은 X축 방향을 따라 제1 간격(d1)만큼 이격되고, Y축 방향을 따라 제2 간격(d2)만큼 이격될 수 있다. 여기서, 제1 길이(l1), 제2 길이(l2), 제1 간격(d1) 및 제2 간격(d2)은 메타물질부(100)의 형상에 따라 다르게 결정될 수 있다. 즉, 도 3a 내지 도 3d에 도시된 제1 패턴들(110-1)은 서로 다른 제1 길이(l1) 및 제2 길이(l2)를 가지며, 서로 다른 제1 간격(d1) 및 제2 간격(d2)에 따라 이격될 수 있다.
도 4a는 및 도 4b는 도 3a 내지 도 3d의 제1 패턴부의 응답 특성을 설명하기 위한 도면이다. 도 4a는 X-편광된 테라헤르츠파와 Y-편광된 테라헤르츠파에 대한 제1 패턴부(110)의 등가 회로를 보여준다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 제1 패턴부(110)는 X-편광된 테라헤르츠파 및 Y-편광된 테라헤르츠파에 대해 직렬 LC 회로의 특성을 나타낼 수 있다.
예시적으로, X-편광된 테라헤르츠파에 대하여, 도 3a 내지 도 3d의 X축 방향으로 이격된 제1 간격(d1)에 기초하여 커패시턴스(C)가 결정될 수 있다. X축 방향으로 신장된 길이(x1)에 기초하여 인덕턴스(L)가 결정될 수 있다. Y-편광된 테라헤르츠파에 대하여, 도 3a 내지 도 3d의 Y축 방향으로 이격된 제2 간격(d2)에 기초하여 커패시턴스(C)가 결정될 수 있다. Y축 방향으로 신장된 길이(l2)에 기초하여 인덕턴스(L)가 결정될 수 있다.
도 4b는 X-편광된 테라헤르츠파와 Y-편광된 테라헤르츠파에 대한 제1 패턴부(110)의 응답 특성을 보여준다. 도 4b에 도시된 바와 같이, 제1 패턴부(110)는 X-편광된 테라헤르츠파 및 Y-편광된 테라헤르츠파에 대해 대역소거(band stop) 특성을 가질 수 있다.
즉, 제1 패턴부(110)는 X-편광된 테라헤르츠파 및 Y-편광된 테라헤르츠파 모두에 대하여 직렬 LC 공진회로의 특성을 나타내며, 대역소거 특성을 가질 수 있다. 이와 같은 제1 패턴부(110)의 응답 특성은 제2 패턴부(120)와 결합되어 달라질 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 도 1의 메타물질부의 제2 패턴부의 예시들을 나타내는 도면이다. 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 제2 패턴부(120)는 복수의 제2 패턴들(120-1)을 포함할 수 있다. 제2 패턴들(120-1)은 X축 방향을 따라 제3 길이(l3)만큼 신장되고, Y축 방향을 따라 제3 간격(d3)만큼 이격될 수 있다. 즉, 제2 패턴부(120)는 복수의 제2 패턴들(120-1)이 일정한 간격으로 X축 방향과 평행하게 배치되도록 형성될 수 있다.
도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 제2 패턴(120-1)의 개수는 2개 또는 3개일 수 있지만, 제2 패턴부(120)가 포함하는 제2 패턴들(120-1)의 개수는 도 5a 및 도 5b에 도시된 바에 의해 한정되지 않는다. 제2 패턴(120-1)의 제3 길이(l3) 및 제3 간격(d3)은 메타물질부(100)의 형상에 따라 다르게 결정될 수 있다.
도 6a 내지 도 6c는 도 5a 및 도 5b의 제2 패턴부의 응답 특성을 설명하기 위한 도면이다. 구체적으로, 도 6a는 X-편광된 테라헤르츠파에 대한 제2 패턴부(120)의 등가 회로를 보여준다. 도 6b는 Y-편광된 테라헤르츠파에 대한 제2 패턴부(120)의 등가 회로를 보여준다. 도 6c는 X-편광된 테라헤르츠파 및 Y-편광된 테라헤르츠파에 대한 제2 패턴부(120)의 응답 특성을 보여준다.
도 6a에 도시된 바와 같이, 제2 패턴부(120)는 X-편광된 테라헤르츠파에 대해 직렬 LR 회로의 특성을 나타낼 수 있다. 예시적으로, X-편광된 테라헤르츠파에 대하여, 도 5a 및 도 5b의 X축 방향으로 신장된 제3 길이(l3)에 기초하여 인덕턴스(L)가 결정될 수 있다. 도 6b에 도시된 바와 같이, 제2 패턴부(120)는 Y-편광된 테라헤르츠파에 대해 R 회로의 특성을 나타낼 수 있다. 이에 따라 X-편광된 테라헤르츠파 및 Y-편광된 테라헤르츠파에 대한 제2 패턴부(120)의 응답 특성은 도 6c와 같이 주파수 크기가 증가할수록 응답 크기가 커질 수 있다.
상술한 바와 같이, 제1 패턴부(110)와 제2 패턴부(120)는 테라헤르츠 입사파에 대하여 다른 응답 특성을 가질 수 있다. 도 3a 내지 도 6c에서 설명한 응답 특성들은 메타물질부(100)가 각각의 패턴부만을 포함한 경우의 응답 특성일 수 있다. 이러한 응답 특성들을 가지는 제1 패턴부(110)와 제2 패턴부(120)가 결합되는 경우, 제1 패턴부(110 및 제2 패턴부(120)를 포함하는 메타물질부(100)의 응답 특성이 달라질 수 있다.
도 7a 내지 도 7d는 도 1의 제1 패턴부 및 제2 패턴부를 포함하는 메타물질부의 예시를 나타내는 도면이다. 구체적으로, 도 7a는 도 3a의 제1 패턴부(110) 및 도 5a의 제2 패턴부(120)를 포함하는 메타물질부(100)를 보여준다. 도 7b는 도 3b의 제1 패턴부(110) 및 도 5a의 제2 패턴부(120)를 포함하는 메타물질부(100)를 보여준다. 도 7c는 도 3c의 제1 패턴부(110) 및 도 5b의 제2 패턴부(120)를 포함하는 메타물질부(100)를 보여준다. 도 7d는 도 3d의 제1 패턴부(110) 및 도 5b의 제2 패턴부(120)를 포함하는 메타물질부(100)를 보여준다.
도 7a 내지 도 7d에 도시된 바와 같이, 제1 패턴부(110)는 제2 패턴부(120) 사이에 위치할 수 있다. 도 7a에 도시된 바와 같이, 제1 패턴부(110)는 제2 패턴부(120)와 직접적으로 연결되어 메타물질부(100)를 형성할 수 있다. 도 7b 내지 도 7d에 도시된 바와 같이, 제1 패턴부(110)는 제2 패턴부(120)와 이격되어 메타물질부(100)를 형성할 수 있다.
도 8a 내지 도 8d는 도 7a 내지 도 7d의 메타물질부의 응답 특성을 설명하기 위한 도면이다. 도 8a는 X-편광된 테라헤르츠파에 대한 메타물질부(100)의 등가 회로를 나타낸다. 도 8b는 X-편광된 테라헤르츠파에 대한 메타물질부(100)의 응답 특성을 나타낸다. X-편광된 테라헤르츠파에 대하여 메타물질부(100)는 병렬 LC 회로의 특성을 나타낼 수 있다.
메타물질부(100)는 제1 패턴부(110) 및 제2 패턴부(120)를 포함하고, X-편광된 테라헤르츠파에 대하여 제1 패턴부(110)는 직렬 LC 회로의 특성을 나타내며, 제2 패턴부(120)는 LR 회로의 특성을 나타낼 수 있다. 따라서, 제1 패턴부(110)와 제2 패턴부(120)를 모두 포함하는 메타물질부(100)는 X-편광된 테라헤르츠파에 대하여 병렬 LC 회로의 특성을 나타낼 수 있다. 즉, 메타물질부(100)의 응답 특성은 도 8b와 같이 대역통과(band pass) 특성을 나타낼 수 있다.
본 발명의 하나의 실시 예에 따른 메타물질부(100)는 제1 패턴부(110)만 포함하는 경우, X-편광된 테라헤르츠파에 대하여 대역소거 특성을 나타내지만, 제2 패턴부(120)를 더 포함함으로써 X-편광된 테라헤르츠파에 대하여 대역통과 특성을 나타낼 수 있다. 즉, X-편광된 테라헤르츠파에 대한 응답 특성이 달라질 수 있다.
도 8c는 Y-편광된 테라헤르츠파에 대한 메타물질부(100)의 등가 회로를 나타낸다. 도 8d는 Y-편광된 테라헤르츠파에 대한 메타물질부(100)의 응답 특성을 나타낸다. Y-편광된 테라헤르츠파에 대하여 메타물질부(100)는 직렬 LC 회로의 특성을 나타낼 수 있다.
메타물질부(100)는 제1 패턴부(110) 및 제2 패턴부(120)를 포함하고, Y-편광된 테라헤르츠파에 대하여 제1 패턴부(110)는 직렬 LC 회로의 특성을 나타내며, 제2 패턴부(120)는 R 회로의 특성을 나타낼 수 있다. 따라서, 제1 패턴부(110)와 제2 패턴부(120)를 모두 포함하는 메타물질부(100)는 Y-편광된 테라헤르츠파에 대하여 직렬 LC 회로의 특성을 나타낼 수 있다. 즉, 메타물질부(100)의 응답 특성은 도 8d와 같이 대역소거 특성을 나타낼 수 있다.
본 발명의 하나의 실시 예에 따른 메타물질부(100)는 제1 패턴부(110)만 포함하는 경우, Y-편광된 테라헤르츠파에 대하여 대역소거 특성을 나타내고, 제2 패턴부(120)가 더 포함되더라도 대역소거 특성을 유지할 수 있다. 즉, Y-편광된 테라헤르츠파에 대한 응답 특성은 달라지지 않을 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 단위셀 메타 구조 소자(10)는 제1 패턴부(110)와 제2 패턴부(120)를 포함하는 메타물질부(100)를 포함하고, 단위셀 메타 구조 소자(10)는 X-편광된 테라헤르츠파와 Y-편광된 테라헤르츠파에 대해 다른 응답 특성을 가질 수 있다. 즉, 단위셀 메타 구조 소자(10)는 상보적인 응답 특성을 가질 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 메타물질부(100)는 도 3a 내지 도 7d에 도시된 바에 한정되지 않으며, 본 발명의 사상을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 형상으로 형성될 수 있다.
이하에서는, 설명의 편의를 위해, 도 7a의 메타물질부(100)를 이용하여 단위셀 메타 구조 소자(10)에 대해 상세하게 설명하지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
도 9는 도 7a의 단위셀 메타 구조 소자를 도시한다. 도 9를 참조하면, 단위셀 메타 구조 소자(10)의 일부(10')는 제1 패턴부(110') 및 제2 패턴부(120')를 포함할 수 있다. 제2 패턴부(120')는 X축 방향으로 제1 길이(x1)를 갖는 최외곽 메타물질 부재(111, 112)를 포함할 수 있다. 제1 패턴부(110')는 Y축 방향으로 제1 길이(y1)를 갖는 내부 세로 메타물질 부재(121, 122)를 포함할 수 있다. 제1 패턴부(110')는 상기 내부 세로 메타물질 부재(121, 122)의 단부와 연결되는 내부 가로 메타물질 부재(123, 124)를 포함할 수 있다. 제1 패턴부(110')의 내부 가로 메타물질 부재(123, 124)는 제2 패턴부(120')의 최외곽 가로 메타물질 부재(111, 112)와 평행하도록 내부 세로 메타물질 부재(121, 122)로 연결될 수 있다. 이러한 내부 세로 메타물질 부재(121, 122)의 제1 길이(y1)는 λ/10 내지 λ/20의 범위에서 결정될 수 있다. 본 명세서에서, λ는 입사되는 테라헤르츠파의 파장을 지칭한다.
최외곽 가로 메타물질 부재(121, 122)의 제1 길이(x1)는 내부 가로 메타물질 부재(123, 124)의 제2 길이(x2)보다 유전체 기판(200)의 두께 이상으로 클 수 있다. 예를 들어, 유전체 기판(200)의 두께는 λ/20일 수 있고, 제1 길이(x1)는 제2 길이(x2)보다 λ/20 이상으로 클 수 있다. 내부 가로 메타물질 부재(123, 124)의 제2 길이(x2)는 λ/4 내지 λ/3의 범위에서 결정될 수 있다.
내부 가로 메타물질 부재(123, 124)는 Y축 방향으로 제2 길이(y2)만큼 이격될 수 있다. 이러한 이격 거리는 λ/50 내지 λ/30의 범위에서 결정될 수 있다.
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 하나의 실시 예에 따른 단위셀 메타 구조 소자의 X-편광된 테라헤르츠파 및 Y-편광된 테라헤르츠파에 대한 응답 특성을 비교하기 위한 도면이다. 도 10a를 참조하면, 단위셀 메타 구조 소자(10)는 X-편광된 테라헤르츠파에 대하여 대역통과 특성을 가지고, Y-편광된 테라헤르츠파에 대하여 대역소거 특성을 가질 수 있다. 도 10a에 도시된 바와 같이, 대역통과 응답에 대한 공진 주파수와 대역소거 응답에 대한 공진 주파수는 일치될 수 있다. 예를 들어, 도 9의 단위셀 메타 구조 소자(10)의 메타물질 부재들의 간격(y2) 또는 길이들(y1, x1, x2)에 기초하여 공진 주파수가 일치될 수 있다.
도 10b를 참조하면, X-편광된 테라헤르츠파 및 Y-편광된 테라헤르츠파에 대한 단위셀 메타 구조 소자(10)의 위상 응답이 도시된다. 도 10a에 도시된 바와 같이, X-편광된 테라헤르츠파에 대한 공진 주파수와 Y-편광된 테라헤르츠파에 대한 공진 주파수가 일치되는 경우, X-편광된 테라헤르츠파에 대한 위상 응답과 Y-편광된 테라헤르츠파에 대한 위상 응답의 차이는 광대역에서 90도가 될 수 있다.
도 10a 및 도 10b에 도시된 바와 같이, 공진 주파수가 일치되도록 단위셀 메타 구조 소자(10)가 설계되는 경우, 단위셀 메타 구조 소자(10)는 X-편광된 테라헤츠르파와 Y-편광된 테라헤르츠파에 대해 광대역에서 위상 차이가 90도가 되도록 할 수 있다. 광대역에서 위상 차이가 90가 되는 경우, 광대역에서 원형 편파 변환이 가능할 수 있다.
도 11a 내지 도 11c는 단위셀 메타 구조 소자의 투과 특성을 보여주는 도면이다. 도 12a 내지 도 12c는 단위셀 메타 구조 소자의 반사 특성을 보여주는 도면이다. 도 11a 및 도 12a를 참조하면, 단위셀 메타 구조 소자(10)는 투과 모드로 동작하는 경우, Y-편광된 테라헤르츠파에 대해 대역소거 특성을 나타내고, 반사 모드로 동작하는 경우, Y-편광된 테라헤르츠파에 대해 대역통과 특성을 나타낸다. 마찬가지로, 단위셀 메타 구조 소자(10)는 동작 모드에 따라 Y-편광된 테라헤르츠파에 대해 반대되는 위상 응답을 가질 수 있다.
도 11b 및 도 12b를 참조하면, 단위셀 메타 구조 소자(10)는 투과 모드로 동작하는 경우, X-편광된 테라헤르츠파에 대해 대역통과 특성을 나타내고, 반사 모드로 동작하는 경우, X-편광된 테라헤르츠파에 대해 대역소거 특성을 나타낸다. 마찬가지로, 단위셀 메타 구조 소자(10)는 동작 모드에 따라 X-편광된 테라헤르츠파에 대해 반대되는 위상 응답을 가질 수 있다.
도 11c를 참조하면, 단위셀 메타 구조 소자(10)가 투과 모드로 동작하는 경우, X-편광된 테라헤르츠파에 대한 위상 응답과 Y-편광된 테라헤르츠파에 대한 위상 응답의 차이는 90도가 될 수 있다. 도 12c를 참조하면, 단위셀 메타 구조 소자(10)가 반사 모드로 동작하는 경우, X-편광된 테라헤르츠파에 대한 위상 응답과 Y-편광된 테라헤르츠파에 대한 위상 응답의 차이는 90도가 될 수 있다.
도 11a 내지 도 12c에 도시된 바와 같이, 단위셀 메타 구조 소자(10)는 투과 모드 또는 반사 모드로 동작하더라도 X-편광된 테라헤츠르파와 Y-편광된 테라헤르츠파에 대해 위상 차이가 90도가 되도록 할 수 있다.
도 13a 내지 도 13c는 단위셀 메타 구조 소자의 응답 특성의 테스트 결과를 나타낸다. 도 13a을 참조하면, X-편광된 테라헤르츠파에 대한 측정 결과와 시뮬레이션 결과 모두 대역통과 특성이 나타난다. 도 13b를 참조하면, Y-편광된 테라헤르츠파에 대한 측정 결과와 시뮬레이션 결과 모두 대역소거 특성이 나타난다. 도 13c를 참조하면, X-편광된 테라헤츠르파와 Y-편광된 테라헤르츠파에 대한 위상 차이는 측정 결과와 시뮬레이션 결과에서 모두 광대역에서 90도가 된다.
도 14는 본 발명의 하나의 실시 에에 따른 편광 장치를 나타내는 도면이다. 도 14를 참조하면, 편광 장치(1000)는 메타물질층(300) 및 유전체 기판(400)을 포함할 수 있다. 메타물질층(300)은 유전체 기판(400) 상부에 형성될 수 있다.
메타물질층(300)은 복수의 제1 패턴부(310)와 복수의 제2 패턴부(320)를 포함할 수 있다. 제1 패턴부(310) 및 제2 패턴부(320)는 도 1의 단위셀 메타 구조 소자(10)의 제1 패턴부(110) 및 제2 패턴부(120)와 대응될 수 있다. 즉, 메타물질층(300)은 제1 패턴부(310) 및 제2 패턴부(320)가 반복되는 패턴을 갖는 메타물질로 이루어질 수 있다. 제1 패턴부(310) 및 제2 패턴부(320)는 도 1의 제1 패턴부(110) 및 제2 패턴부(120)와 유사하므로 상세한 설명은 생략된다.
편광 장치(1000)는 도 1의 단위셀 메타 구조 소자(10)가 X축 방향으로 이격없이 반복되고, Y축 방향으로 이격되어 반복됨으로써 형성될 수 있다. 예를 들어, Y축 방향으로 이격되는 거리(d)는 도 9의 내부 가로 메타물질 부재(123, 124)가 이격되는 제2 길이(y2)인 λ/50 내지 λ/30의 범위에서 결정될 수 있다.
도 15는 도 14의 편광 장치에 의해 선형 편광의 테라헤르츠파가 원형 편광의 테라헤르츠파로 변환되는 예시를 나타내는 도면이다. 도 15를 참조하면, 우측으로부터 좌측 방향으로 입사되는 선형 편광의 테라헤르츠 입사파는 편광 장치(1000)를 거쳐, 원형 편광의 테라헤르츠 투과파로 변환될 수 있다.
선형 편광의 테라헤르츠 입사파는 X축을 기준으로 Y축 방향으로 θ만큼 기울어진 각도로 편광 장치(1000)에 입사될 수 있다. 선형 편광의 테라헤르츠 입사파는 X-편광된 테라헤르츠 성분과 Y-편광된 테라헤르츠 성분으로 분리될 수 있다. X-편광된 테라헤르츠 성분과 Y-편광된 테라헤르츠 성분은 편광 장치(1000)를 거쳐 90도의 위상 차이가 될 수 있다. 따라서, 선형 편광의 테라헤르츠 입사파는 원형 편광의 테라헤르츠파로 변환될 수 있다.
테라헤르츠 입사파의 X-편광된 테라헤르츠 성분과 Y-편광된 테라헤르츠 성분의 크기가 동일한 경우, 정확한 원형 편파 변환이 이루어질 수 있다. 테라헤르츠 입사파의 각도(θ)를 조절함으로써 X-편광된 테라헤르츠 성분과 Y-편광된 테라헤르츠 성분의 크기를 동일하게 할 수 있다. 예를 들어, 테라헤르츠 입사파의 각도(θ)가 45도가 되는 경우, X-편광된 테라헤르츠 성분과 Y-편광된 테라헤르츠 성분의 크기가 동일할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 편광 장치(1000)는 4 내지 10dB의 낮은 삽입 손실을 가지며, 0.997의 이상적인 타원율을 보이는 원형 편파 변환을 가능하게 할 수 있다.
도 16은 본 발명의 하나의 실시 예에 따른 편광 장치가 양자 폭포 레이저(QCL; quantum cascade laser)에 적용되는 예시를 나타낸다. 양자 폭포 레이저(QCL)는 선형 편광된 테라헤르츠파를 생성할 수 있다. 본 발명의 실시 예에 따른 편광 장치(1000)는 양자 폭포 레이저(QCL)에 석판 인쇄술로(lithographically) 패턴화될 수 있다. 이에 따라, 양자 폭포 레이저(QCL)는 원형 편광을 생성할 수 있으며, 편광 성능이 향상될 수 있다.
본 발명의 하나의 실시 예에 따른 편광 장치(1000)는 양자 폭포 레이저(QCL)뿐만 아니라 선형 편광된 테라헤르츠파를 생성할 수 있는 모든 장치들에 적용될 수 있다. 예를 들어, 공진 터널링 다이오드(RTD; resonant tunneling diode)에 편광 장치(1000)가 적용될 수 있다.
도 17은 본 발명의 하나의 실시 예에 따른 편광 장치가 굴곡이 있는 객체에 적용되는 예시를 나타낸다. 본 발명의 편광 장치(1000)는 플랙서블(flexible) 기판을 이용하여 형성될 수 있다. 플랙서블 기판은 굴곡이 있는 객체에 부착될 수 있도록 스티커를 포함할 수 있다. 편광 장치(1000)는 스티커를 이용하여 굴곡이 있는 객체에 부착될 수 있다. 선형 편광된 테라헤르츠파를 편광 장치(1000)에 입사함으로써 굴곡이 있는 객체의 다양한 요소에 대한 측정이 가능할 수 있다.
상술된 내용은 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 실시 예들이다. 본 발명은 상술된 실시 예들뿐만 아니라, 단순하게 설계 변경되거나 용이하게 변경할 수 있는 실시 예들 또한 포함할 것이다. 또한, 본 발명은 실시 예들을 이용하여 용이하게 변형하여 실시할 수 있는 기술들도 포함될 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 상술된 실시 예들에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 발명의 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 할 것이다.
10: 단위셀 메타 구조 소자
100: 메타물질부
110: 제1 패턴부
120: 제2 패턴부
200, 400: 유전체 기판
300: 메타물질층
1000: 편광 장치

Claims (11)

  1. 유전체 기판; 및
    상기 유전체 기판 상에서, 제1 패턴부 및 제2 패턴부를 포함하는 메타물질부를 포함하고,
    상기 제1 패턴부는 X축 방향을 따라 제1 길이만큼 신장되고, Y축 방향을 따라 제2 길이만큼 신장되고, 상기 X축 방향을 따라 제1 간격만큼 이격되고, 상기 Y축 방향을 따라 제2 간격만큼 이격된 제1 패턴들을 포함하고,
    상기 제2 패턴부는 상기 X축 방향을 따라 제3 길이만큼 신장되고, 상기 Y축 방향을 따라 제3 간격만큼 이격된 제2 패턴들을 포함하고,
    상기 메타물질부는 상기 X축 방향으로 X-편광된 테라헤르츠파 성분 및 상기 Y축 방향으로 Y-편광된 테라헤르츠파 성분 간에 90도의 위상차를 갖도록 하는 테라헤르츠파 대역에서 동작하는 단위셀 메타 구조 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 패턴부는 상기 제1 패턴부와 이격되어 형성되는 테라헤르츠파 대역에서 동작하는 단위셀 메타 구조 소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 메타물질부는 상기 X축 방향으로 X-편광된 테라헤르츠 입사파에 대하여 병렬 LC 공진회로의 특성을 나타내고, 상기 Y축 방향으로 Y-편광된 테라헤르츠 입사파에 대하여 직렬 LC 공진회로의 특성을 나타내는 테라헤르츠파 대역에서 동작하는 단위셀 메타 구조 소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 메타물질부는 상기 X축 방향으로 X-편광된 테라헤르츠파 성분에 대해서 대역통과 특성을 갖고, 상기 Y축 방향으로 Y-편광된 테라헤르츠파 성분에 대해서 대역소거 특성을 갖는 테라헤르츠파 대역에서 동작하는 단위셀 메타 구조 소자.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 대역통과 특성에 대한 제1 공진 주파수와 상기 대역소거 특성에 대한 제2 공진 주파수는 동일한 테라헤르츠파 대역에서 동작하는 단위셀 메타 구조 소자.
  6. 삭제
  7. 유전체 기판; 및
    상기 유전체 기판 상에서, 복수의 제1 패턴부들 및 복수의 제2 패턴부들을 포함하는 메타물질층을 포함하고,
    상기 복수의 제1 패턴부들 각각은 X축 방향을 따라 제1 길이만큼 신장되고, Y축 방향을 따라 제2 길이만큼 신장되고, 상기 X축 방향을 따라 제1 간격만큼 이격되고, 상기 Y축 방향을 따라 제2 간격만큼 이격된 제1 패턴들을 포함하고,
    상기 복수의 제2 패턴부들 각각은 상기 X축 방향을 따라 제3 길이만큼 신장되고, 상기 Y축 방향을 따라 제3 간격만큼 이격된 제2 패턴들을 포함하고,
    상기 메타물질층은 테라헤르츠 입사파에 대하여 상기 X축 방향으로 X-편광된 테라헤르츠파 성분 및 상기 Y축 방향으로 Y-편광된 테라헤르츠파 성분 간에 90도의 위상차를 갖도록 하는 테라헤르츠파 편광 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 테라헤르츠파 편광 장치는 투과 모드에서, 상기 X축 방향으로 X-편광된 테라헤르츠파 성분에 대해서 대역통과 특성을 갖고, 상기 Y축 방향으로 Y-편광된 테라헤르츠파 성분에 대해서 대역소거 특성을 갖는 테라헤르츠파 편광 장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 테라헤르츠파 편광 장치는 반사 모드에서, 상기 X축 방향으로 X-편광된 테라헤르츠파 성분에 대해서 대역소거 특성을 갖고, 상기 Y축 방향으로 Y-편광된 테라헤르츠파 성분에 대해서 대역통과 특성을 갖는 테라헤르츠파 편광 장치.
  10. 삭제
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 테라헤르츠 입사파는 원형 편광의 테라헤르츠파로 편파 변환되는 테라헤르츠파 편광 장치.
KR1020170170719A 2016-12-12 2017-12-12 테라헤르츠파 대역에서 동작하는 단위셀 메타 구조 소자 및 이를 포함하는 편광 장치 KR102061114B1 (ko)

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