KR102611087B1 - Metasurface doublet-based flat retroreflector enabling free-space optical link method - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 측면에 따르면, 메타표면 더블렛을 기반으로 한 평판 역반사기가 제공된다.
상기 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 retroreflector based on a metasurface doublet is provided.
The flat retroreflector includes a dielectric layer substrate; A front metasurface formed on the front of the dielectric layer substrate and formed by a collection of first unit cells in which a first group of cylindrical nanopillars are formed at the center; a rear metasurface formed on the rear surface of the dielectric layer substrate and formed as a set of second unit cells including a second group of cylindrical pillar-shaped nanopillars; and an aluminum layer formed on the lower part of the rear metasurface.
Description
본 발명은 메타표면 더블렛 기반의 평면 역반사기 장치 및 이를 이용한 자유공간 광통신 링크 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a metasurface doublet-based planar retroreflector device 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. RetroReflectors are being used 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, there have been cases of smartening lighting by introducing 'retro-reflective structures' as window shading and lighting structures.
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 the light source 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. In the case of wireless data transmission between mobile (e.g. aircraft, ships, satellites) and fixed terminals and in the case of free space optical communications, passively and actively modulated retroreflectors are widely used.
기하학적 광학 장치와 관련된 파면은 상대적으로 긴 전파 거리에 걸쳐 축적된 위상 편이에 의해 매개된다. The wavefront associated with geometric optics is mediated by phase shifts 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 various 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 'small retroreflector arrays (Laser Retroreflector Arrays, LRA)' provided by NASA. Prisms similar to the retroreflectors used in Apollo were used, but only eight in number. As technology has advanced, experiments have become possible even 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.Republic of Korea Patent No. 10-1479783 (Method and Device for Aligning Communication Links Using Retro-Reflectors in Visible Light Communication) relates to alignment of communication links in Visible Light Communication, especially using a retro-reflector. Technologies regarding methods and devices for aligning communication links in both directions have been introduced.
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 device for manufacturing a retroreflector prism with a polygonal opening.
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 is configured to insert and retract 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 movement along at least one axis. directing retracting to create a facet in the substrate having a facet face parallel to the direction of movement of at least one of the single diamond point tool or the substrate and a retroreflective microstructure on the surface of the substrate. It is manufactured by forming an array of.
대한민국 등록특허 10-1041886호에서는 코너 큐브형 역반사기 및 그 제조 방법이 개시된 바 있다.Republic of Korea Patent No. 10-1041886 discloses a corner cube-type retroreflector and its manufacturing method.
입사 방향을 따라 방사선을 반사하는 능력에 의해 촉진된 역반사기는 신뢰할 수 있는 자유 공간 광학 링크를 구축하기 위한 중추 구성요소로 인식되어 왔다.Facilitated by its ability to reflect radiation along the direction of incidence, retroreflectors have been recognized as a pivotal component 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 have the disadvantages of being bulky, heavy, and non-planar.
위와 같은 종래의 역사반사기는 부피가 크고 무게가 무거우며 평면이 아닌 모양으로 인해 통합에 제한이 있었다.The conventional reverse reflector as described above had limitations in integration due to its large volume, heavy weight, and 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 can allow for 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 geometric parameters and structural arrangement, and unlike conventional geometric optical-based components, facile wavefront manipulation can be easily controlled.
최근에는 단일 중항 메타표면을 기반으로 하는 역반사기 장치에 대한 연구가 있었으나, 제한된 작동 각도로 인해 연속적인 빔 조작이 곤란한 점이 있다.Recently, there has been research on retroreflector devices based on singlet metasurfaces, but continuous beam manipulation is difficult due to the limited operating angle.
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.The purpose of the present invention is to provide a retroreflector device based on a metasurface doublet that has a function of reflection according to the incident direction and enables a reliable free space optical link with a wide angular tolerance range and a free space optical communication link method using the same. It is provided.
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 purposes mentioned above, and other purposes not mentioned can 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 retroreflector based on a metasurface doublet includes a dielectric layer substrate; A front metasurface formed on the front of the dielectric layer substrate and formed by a collection of first unit cells in which a first group of cylindrical nanopillars are formed at the center; a rear metasurface formed on the rear surface of the dielectric layer substrate and formed as a set of second unit cells including a second group of cylindrical pillar-shaped nanopillars; and an aluminum layer formed on the lower part of the rear metasurface.
또한, 상기 유전층 기판은 실리카 물질로 형성되며, 상기 나노 기둥은 수소화 비정질 실리콘(a-Si: H) 물질로 형성된 것을 특징으로 한다.In addition, the dielectric layer substrate is formed of a silica material, and the nanopillars 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 with a certain period, the surrounding and upper portion of the nanopillars on the front metasurface are filled with a polymer material, and the surrounding and lower portion of the nanopillars on the rear metasurface are filled with a polymer material. 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 formed in accordance with the focal length of the front metasurface.
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 metasurface is formed in a circular shape with a diameter of 480㎛, the rear metasurface is formed in a circular shape with a diameter of 600㎛, and the area of the aluminum layer is larger in diameter than the diameter of the rear metasurface. It is characterized by being formed wider than one lattice 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 nanopillars on the front metasurface and the second group of nanopillars on the back 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, in order to establish a link in the optical communication area of the flat retroreflector with a communication wavelength λ = 1550 nm, the first group of nanopillars is divided into groups with diameters of 106, 1126.5, 138.5, 148, 155.5, 162.5, and 180 nm. The second group of nanopillars is formed in groups with 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 nanopillars and the second group of nanopillars is 1000 nm,
상기 유전층 기판의 두께는 428㎛인 것을 특징으로 한다.The thickness of the dielectric layer substrate is 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 by being calculated as follows.
- 여기서 (x, z)는 상기 전면부 메타표면의 중앙에 있는 제1유닛셀의 중심에 해당하는 좌표를 나타내고, f는 전면부 메타표면의 초점 거리이고, n은 상기 유전층 기판의 굴절률임.- Here, (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 layer substrate.
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 flat retroreflector includes a beam splitter or a beam splitter that synthesizes an optical beam generated from a light source and a data signal for optical communication and distributes the optical beam according to the optical input port. After irradiating the flat retroreflector through an optical circulator, the optical signal retroreflected from the flat retroreflector propagates into free space through the beam splitter or 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 유전층 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 of manufacturing a flat retroreflector based on a metasurface doublet includes: a) silica substrate preparation step; b) depositing a hydrogenated amorphous silicon material on the front and rear surfaces of the silica substrate by plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) 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 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 the upper surface of the first resist pattern layer; f) a first lift-off step of lifting all of the first resist pattern layer on the top of the silica substrate using a solvent and patterning the front portion with a first patterned AL layer matching the front metasurface pattern; g) a first etching step of forming a front-side hydrogenated amorphous silicon pattern layer by etching the front-side metasurface pattern using the first patterned AL layer as a hard mask; h) a residual aluminum removal step of removing the first patterned AL aluminum remaining on the front hydrogenated amorphous silicon pattern layer; i) depositing a first polymer layer of forming a front metasurface by filling the space between and above the front hydrogenated amorphous silicon pattern layer with a polymer material; j) a second spin coating step of turning over the dielectric layer substrate that has undergone step i and spin coating an electron beam resist on the rear hydrogenated amorphous silicon layer to form a second resist layer; k) forming a second resist pattern layer corresponding to the backside metasurface pattern on the second resist layer through an electron beam lithography process; l) depositing a second AL layer on the second resist pattern layer; m) a second lift-off step of lifting all of the second resist pattern layer on the top of the silica substrate using a solvent and patterning the backside with a second patterned AL layer matching the backside metasurface pattern; n) a second etching step of forming a hydrogenated amorphous silicon pattern layer by etching the rear 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 hydrogenated amorphous silicon pattern layer; p) depositing a second polymer layer to form a rear metasurface by filling the space between and on top of the rear 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 by including.
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 a 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.The 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 and provide high transmittance and high reflectance, respectively, even for light incident at an angle. You 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 retroreflector 100 based on a metasurface doublet according to an embodiment of the present invention can operate effectively even at an oblique angle of incidence regardless of the angle of incidence due to phase response characteristics that are invariant to the angle of incidence.
본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛을 기반으로 한 평판 역반사기는 반도체 제조공정인 전자빔 리소그라피(EBL) 공정으로 쉽게 제조가 용이하다.A flat retroreflector based on a metasurface doublet according to an embodiment of the present invention is easy to manufacture using the 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 manufactured through lithography nanoprocessing can accommodate an improved angular tolerance range of ±25° for incident light, and can be widely applied to create substantially stable free-space optical links. You 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 retroreflector 100 based on a metasurface doublet according to an embodiment of the present invention can optimally perform a retroreflection function for input optical signals 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.Figure 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 top and perspective view of a scanning electron micrograph of the rear metasurface MS2 of FIG. 1 .
Figure 4 shows the phase shift and transmittance related to the unit cell structure of the front metasurface (MS1) and the diameter of the first group of nanopillars.
Figure 5 shows the topology profile of the front metasurface (MS1).
Figure 6 shows the unit cell structure of the rear metasurface (MS2) and the phase shift and reflectance with respect to the diameter of the second group nanopillars.
Figure 7 shows the topology profile of the rear metasurface (MS21).
Figures 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.
Figure 10 is an experimental device for analyzing the retroreflection beam profile of a flat retroreflector based on a metasurface doublet according to an embodiment of the present invention.
FIG. 11 shows a beam profile according to the angle of incidence captured by the beam profiler 320 of FIG. 10.
Figure 12 is an analysis device for analyzing the 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 shows an optical pulse received by the optical receiver of FIG. 12.
Figure 14 shows another example of a test device for establishing an optical link in free space of a flat retroreflector based on a metasurface doublet according to an embodiment of the present invention.
Figure 15 a) shows the bit error rate (BER) and data rate input from the device of Figure 14, and Figure 15 b) shows the bit error rate (BER) observed as a function of the received signal.
Figure 16 a) shows the bit error rate (BER) for the input angle of incidence for a wide-angle optical link using a flat retroreflector according to an embodiment of the present invention, and Figure 16 b) shows the extinction ratio of the angle of incidence to the data rate ( extinction ratio).
Figure 18 shows a method of manufacturing a flat retroreflector based on a metasurface doublet according to an embodiment of the present invention.
Figure 17 shows an eye diagram observed in the received retro-reflected beam with the 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.The terms used in this application are only used to describe specific embodiments and are not intended to limit the 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 part “includes” a certain component, this means that it may further include other components rather than excluding other components unless specifically stated to the contrary.
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" used in the specification refer to a unit that processes at least one function or operation, which refers to hardware, software, or a combination of hardware and software. It 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.Additionally, when describing components of embodiments of the present invention, terms such as first and second may be used. These terms are only used to distinguish the component from other components, and the nature, sequence, or order of the component is not limited by the term. When a component is described as being 'connected', 'coupled' or 'connected' to another component, that component may be directly connected, coupled or connected to that other component, but that component and that other component It should be understood that another component may be 'connected', 'combined', 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 according to the implementation of the present invention and a free space optical communication link device using the same 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 a new platform to surpass 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 one embodiment of the present invention, a flat retro reflector (FRR) based on a metasurface doublet and a free space optical link using the same are implemented at a communication wavelength of 1550 nm.
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 one embodiment of the present invention, the front metasurface and the back metasurface composed of hydrogenated amorphous silicon nanopillars based on carefully tuned silica dielectric spacers can perform the functions of 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 the spatial Fourier transform and vice versa, while the back metasurface imposes a spatially varying momentum to reflect the beam along the incident direction.
본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛을 기반으로 한 평판 역반사기는 반도체 제조공정인 전자빔 리소그라피(EBL) 공정으로 쉽게 제조가 용이하다.A flat retroreflector based on a metasurface doublet according to an embodiment of the present invention is easy to manufacture using the 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 manufactured through lithography nanoprocessing can accommodate an improved angular tolerance range of ±25° for incident light, and can be widely applied to create substantially stable free-space optical links. You can.
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 angle tolerance can be built 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 at 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 not only the spatial Fourier transform but also the inverse transform, and the rear metasurface (MS2) can impose a momentum that changes spatially according to the Fourier transform of the 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 central role in enabling highly efficient free space optical communication.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛을 기반으로 한 평판 역반사기의 구조를 도시한 것이다.Figure 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 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 portion of the dielectric layer substrate, and has a first group of cylindrical nanopillars. A front metasurface (MS1) is formed as a set of first unit cells formed in the center and performs a focusing lens function, and is formed on the rear side of the dielectric layer substrate 150 and includes a second group of cylindrical pillar-shaped nanopillars. A rear metasurface (MS2) formed by a set of second unit cells and performing a concave mirror function; It includes a metal reflection layer 121 formed on the lower part of the rear metasurface MS2.
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, the dielectric layer substrate 150 according to an embodiment of the present invention is made 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 one embodiment of the present invention, the front metasurface (MS1) performs the function of transmitting the spatial Fourier transform and its inverse, and the rear metasurface (MS2) performs a spatially changing momentum in the Fourier transform of the incident light. performs 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) that performs a focus lens function and a rear portion that performs a concave mirror function. The metasurfaces (MS2) combine 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 set to 428 ㎛ in order to effectively apply it to link establishment in the optical communication area with 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), which acts as a transmissive metal lens with a focal length of 428㎛, converges the incident light on the rear metasurface (MS2), which acts 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 a spatial Fourier transform to project light entering the back metasurface MS2 according to the spatial frequency component determined by the angle of incidence. The rear metasurface (MS2) is placed at the focal plane of the front metasurface (MS1) to give twice the tangential momentum of the incoming wave to the reflected wave 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 retroreflector 100 based on the metasurface doublet of FIG. 1 according to an embodiment of the present invention is designed to optimally retroreflect input optical signals 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 metasurface (MS1) has a diameter at the front of the dielectric layer substrate 150 so that the light coming from the front metasurface (MS1) can be stably received by the rear metasurface (MS2). It is formed in a circular shape of 480㎛, and the rear metasurface MS2 is formed in a circular shape with a diameter of 600㎛ on the rear surface 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 back metasurface (MS2) according to an embodiment of the present invention have low cost, a high refractive index of n = 3.45, and are complementary metals. It is characterized by being made of hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) material for 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 bonds and can effectively prevent light absorption around the 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 in the C-band band is the preferred wavelength for long-distance optical communications in terms of minimum attenuation of the optical fiber, optical stability, and compatibility with EDFA (erbium-doped fiber amplifiers).
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) is passivated by hydrogen and can prevent the occurrence of defects during the manufacturing process.
실리카 재질(굴절률 n = 1.44)로 형성된 유전층 기판(150)은 n = 1.44의 굴절률을 제공하는 유전체 스페이서 역할을 동시에 수행한다. 유전층 기판(150)의 두께는 전면부 메타표면(MS1)의 초점거리에 맞추어 428㎛로 형성된다.The dielectric layer substrate 150 made of silica material (refractive index n = 1.44) simultaneously serves as a dielectric spacer providing a refractive index of n = 1.44. The thickness of the dielectric layer substrate 150 is set to 428㎛ in accordance with 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 a metasurface doublet according to an embodiment of the present invention can be manufactured using 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 top and perspective view of a scanning electron micrograph of the rear 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.Figures 2 and 3 show scanning electron microscopy images of the completed flat retroreflector with nanopillar-based unit cells on the front metasurface (MS1) and back metasurface (MS2).
도 4는 전면부 메타표면(MS1)의 유닛셀 구조 및 제1군 나노 기둥의 직경에 관한 위상 시프트 및 투과율을 도시한 것이다.Figure 4 shows the phase shift and transmittance related to the unit cell structure of the front metasurface (MS1) and the diameter of the first group of nanopillars.
도 4를 참조하면, 전면부 메타표면(MS1)의 유닛셀은 유전층 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, the unit cell of the front metasurface MS1 has a first group of cylindrical column-shaped nanopillars with different diameters d arranged in the center of a square lattice on the front surface of the dielectric layer substrate 150. . The period of the grating is set to p = 800 nm in both x and z directions. The nanopillars are formed of amorphous silicon (a-Si:H), and the area around the nanopillars and the top of the nanopillars is filled with a polymer material to prevent contamination of the front metasurface and protect it from external influences.
본 발명의 일 실시 예에 따른 폴리머 물질은 에폭시 기반의 폴리머(SU-8) 물질이 적용될 수 있다.The polymer material according to an embodiment of the present invention may be an epoxy-based polymer (SU-8) material.
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 consists of bisphenol A novolac epoxy dissolved in an organic solvent (gamma-butyrolactone GBL or cyclopentanone, depending on formulation) and mixed triarylsulfonium/hexamethylamine up to 10% by weight as photoacid generator. It is a substance composed of fluoroantimonate salt.
제1군 나노기둥의 높이는 h = 1000nm로 고정된다. 폴리머(SU-8) 물질은 메타표면을 보호하기 위해 나노기둥 높이보다 100nm 더 높게 형성되어 충진된다. The height of the first group of nanopillars is fixed at h = 1000 nm. 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 first group of a-Si:H nanopillars of the front metasurface (MS1) has 106, 143, 158.5, 177.5, 188.5, 203, and 0 to have a phase shift of 0 to 2π. It is characterized by being arranged in groups of 224 and 252.5 nm.
도 5는 전면부 메타표면(MS1)의 위상프로파일을 도시한 것이다.Figure 5 shows the topology 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.Figure 6 shows the unit cell structure of the rear metasurface (MS2) and the phase shift and reflectance with respect to the diameter of the second group nanopillars.
도 6을 참조하면, 후면부 메타표면(MS2)의 유닛셀은 유전층 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 metasurface MS2, a second group of cylindrical nanopillars with different diameters (d) are arranged in the center of a square lattice on the back of the dielectric layer substrate 150. The period of the grating is set to p = 800 nm in both x and z directions. The nanopillars are formed of amorphous silicon (a-Si:H), and the area around the nanopillars and the bottom of the nanopillars is filled with a polymer material to prevent contamination of the front metasurface and protect it from external influences.
본 발명의 일 실시 예에 따른 폴리머 물질은 에폭시 기반의 폴리머(SU-8) 물질이 적용될 수 있다.The polymer material according to an embodiment of the present invention may be an epoxy-based polymer (SU-8) material.
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 h = 1000nm, and to protect the metasurface, an epoxy-based polymer (su-8) layer is formed and filled 100nm higher than the a-Si:H nanopillars.
이에 따라 상기 제2군의 원통 기둥 형상의 나노 기둥의 일단부에는 100nm의 폴리머층이 형성된다.Accordingly, a 100 nm polymer layer is formed on one end of the second group of cylindrical pillar-shaped nanopillars.
상기 폴리머층 하부에는 금속반사층(121)이 형성된다.A metal reflective 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 reflective layer of the flat retroreflector 100 according to an embodiment of the present invention is characterized in that it is formed of aluminum material.
알루미늄층에 조사된 광은 거의 동일한 파장과 진동수를 방출하는 반사특성을 가지고 있어서, 복 반사된 광의 특성을 분석하는 데 효과적이다.The light irradiated to the aluminum layer has reflection characteristics that emit almost the same wavelength and frequency, making it effective in analyzing the characteristics of double-reflected light.
상기 알루미늄 금속반사층은 이와 유사한 특성 가지는 은 등과 같은 금속으로 대체하여 적용할 수 있다. The aluminum metal reflective layer can be replaced with a metal such as silver having similar characteristics.
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 on the lower part of the rear transparent 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.In one embodiment of the present invention, the metal reflection layer 121 of the flat retroreflector 100 based on another metasurface doublet is formed with a diameter more than 1 lattice wider than the area formed by the unit cells of the rear metasurface MS2. It is 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 nanopillars on the front metasurface (MS1) and the second group of nanopillars on the back 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.The following Table 1 shows the diameter group of the first group nanopillars of the front metasurface (MS1) and the second group nanopillar diameter group of the back 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 of nanopillars on the front metasurface (MS1) is arranged in an array of first supercells formed of eight nanopillars 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 eight Unicells with 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 of nanopillars on the rear metasurface (MS2) is arranged as second supercells formed of eight nanopillars 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 supercell according to an embodiment of the present invention is defined as eight unit cells with 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(|Hy|)과 함께 높은 투과율 또는 반사율을 가능하게 할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, a first supercell formed of eight transmission unit cells and a second supercell formed of eight reflective unit cells impart an overall 2π phase shift and simulated magnetic field in response to a normally incident beam. Together with (|H y |), high transmittance or reflectance can be achieved.
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 for the front metasurface (MS1) and the back metasurface (MS2) has a high transmittance of more than 90% and almost perfect reflectance in response to a normally incident beam. A total 2π phase shift that generates can be given.
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 one embodiment of the present invention, the optical field is analyzed to be mainly confined to the nanopillar, as in the case of resonance in a truncated waveguide-like cavity. Therefore, it was analyzed that the local phase shift is predominantly governed by the nanopillar of interest but is hardly affected by the periodicity of adjacent nanopillars and the unit cell.
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 nanopillars, the flat retroreflector 100 based on a metasurface doublet according to an embodiment of the present invention has the effect of being unaffected 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.The 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 and provide high transmittance and high reflectance, respectively, even for light incident at an angle. You can.
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 retroreflector 100 based on a metasurface doublet according to an embodiment of the present invention can operate normally at an oblique angle of incidence regardless of the angle of incidence due to phase response characteristics that are invariant to the angle of incidence.
구면 수차를 효과적으로 완화할 수 있는 전면부 메타표면(MS1) 및 후면부 메타표면(MS2)과 관련된 원하는 위상 프로파일은 다음 수학식1과 같이 나타낼 수 있다.The desired phase profile related to the front metasurface (MS1) and the back metasurface (MS2), which can effectively alleviate 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 유전층 기판의 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 back metasurface (MS2), f is the focal length of the metasurface (MS1), and n is the focal length of the metasurface (MS1). It is the refractive index of the dielectric layer substrate between the two metasurfaces.
도 7은 후면부 메타표면(MS21)의 위상프로파일을 도시한 것이다.Figure 7 shows the topology 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 retroreflector 100 based on a metasurface doublet according to an embodiment of the present invention is based on the results of numerical analysis of the phase profile of FIG. 7 (the central row of the flat retroreflector indicated by the blue dotted line in FIG. 7 is actually considered. ), it has the property of reflecting the incident light back in 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 one embodiment of the present invention, the maximum angle of incidence limited by the effective area arranged by the second supercells of the rear metasurface MS2 was analyzed to be about 35°. It was analyzed that when the angle of incidence is larger, the performance of the flat retroreflector deteriorates due to the shadow effect.
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 a 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.Figures 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 Figure 8, the mirror has the characteristic of not changing the in-plane component of the momentum (i) of the incident light (in Figure 8). : Momentum of reflected light).
역반사기(retroreflector)는 모멘텀 의 방향부호를 로 변경한다.Retroreflector is the momentum The direction sign of Change to
일반적인 메타표면(metasurface)은 특정 각도에서 입사광을 반사할 수 있다(추가 모멘텀 포함).A typical metasurface can reflect incident light at a certain angle (additional 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 with different incident angles to different positions on the back metasurface (MS2). has
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 one embodiment of the present invention, in order to reflect light along the incident direction, the rear metasurface MS2 is placed at the focal plane of the front metasurface MS1 and placed at the incoming light source so that the reflected light is retro-reflected. The tangential momentum of the ship ( ) 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 Figure 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 edges of the metasurface (e.g., position 1 where there is no metasurface) and 3), since the path of reflected light is completely different from the path of incident light, regular reflection cannot be detected by the photoreceiver.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛을 기반으로 한 평판 역반사기의 역반사 빔 프로파일을 분석하기 위한 실험장치이다.Figure 10 is an experimental device for analyzing the retroreflection beam profile of a flat 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 at any angle of incidence can be characterized using the experimental setup in Figure 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, the beam of a distributed feedback laser light source (ALCATEL, A1905LMI, 310) at λ = 1550 nm is collimated and split by the beam splitter 313, and the transmitted beam is divided into a metasurface doublet by the objective lens 314. Focus on a flat retroreflector (100) based on irradiation so that the beam diameter is ~100μm.
역반사된 빔은 대물 렌즈(314)와 빔 스플리터(313)를 역방향으로 통과하고 빔 프로파일러(320)에 의해 캡처된다.The retroreflected beam passes through the objective lens 314 and the beam splitter 313 in the reverse direction and is captured by the 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.The objective lens 314 was used to reduce the size of the incident beam. The camera 330 disposed behind the flat retroreflector 100 is used to align the incident beam and 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 angle of incidence θ is increased by rotating the planar retroreflector 100. According to one embodiment of the present invention, the retroreflected light ray can be detected because the optical path of the retroreflected light ray does not change even if θ increases.
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 invention the retroreflected beam could be detected within an operating angle of ±25°. FIG. 11 shows a beam profile according to the angle of incidence captured by the beam profiler 320 of FIG. 10.
도 11을 참조하면, 빔 프로파일은 θin = 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(θr)은 예상한 입사각과 동일한 것으로 관찰되었다.Referring to Figure 11, the beam profile is recorded in 5° increments for angles of incidence ranging from θ in = 0° to 25°. The retroreflected beam can be detected with the help of an unmodified 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 location 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.Figure 12 is an analysis device for analyzing the 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, the optical pulse train coming from the light source 410 (Fiberpia, LS-35) is irradiated horizontally to the optical axis through the laser collimator 412 that corrects the optical axis, and the objective lens 414 ) is transmitted 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 is transmitted to the circulator (415, Thorlabs, 6015- 3- The propagating optical signal transmitted backward through APC) travels in free space over a distance of ~0.3m and reaches the optical receiver (420, New Focus, 2011-FC-M).
본 발명의 일 실시 예에는 1550nm의 광 펄스 파장이 사용되었다.A light pulse wavelength of 1550 nm was used in one embodiment of the present invention.
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 over a large area of MS2, and retro-reflection and regular reflection can be mainly activated depending on the lighting positions inside and outside the metasurface, respectively.
도 13은 도 12의 광수신기에서 수신된 광 펄스를 도시한 것이다.FIG. 13 shows an optical pulse 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, the red line represents the application of a flat retroreflector performing a retroreflection function according to an embodiment of the present invention, and the black line represents the application of 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 using a flat retroreflector or a conventional reflector appear as pulses in the “ON” and “OFF” states, respectively, for the optical link.
도 13을 참조하면, 수직 입사(θin=0°)의 경우에는 역반사 신호와 정반사 신호가 모두 감지된다.Referring to FIG. 13, in the case of normal incidence (θ in =0°), both retroreflection signals and regular reflection signals are detected.
그러나 경사 입사(5° ~ 25°)에는 정반사된 신호는 감지되지 않았으며, 역반사된 신호만 감지되는 것을 알 수 있다.However, at oblique incidence (5° to 25°), the regularly reflected signal was not detected, and only the retroreflected signal was detected.
C = 10 log PON/POFF로 정의된 평판 역반사기와 종래 반사기 간의 대비는 ~20dB로 측정되었다. 여기서 Pon 및 Poff는 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 represent 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 the wavelengths of 850 and 1300nm, the wavelength of 1550nm, which belongs to the C-band, has a minimum attenuation of about 0.2dB km -1 in optical fiber, protection for eyes, and problems with optical fiber amplifier (EDFA) (signal detection error rate according to signal-to-noise ratio). It is widely used in optical communication in consideration of its salient features, 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 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.Referring to Figures 10 and 12, an optical communication link device using a flat retroreflector according to an embodiment of the present invention includes a light source that generates an optical beam, an optical splitter or optical circulator and a meta that selectively distributes the optical beam according to the optical input port. It may be configured to include a surface doublet-based flat plate retroreflector. The optical communication link device using the flat plate retroreflector according to an embodiment of the present invention can effectively form an optical communication link in free space.
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, the optical communication link method using a flat retroreflector according to an embodiment of the present invention is a flat retroreflector based on the metasurface doublet through a beam splitter or optical circulator that distributes the light beam from the light source according to the optical input port. After irradiating the flat retroreflector, the optical signal retroreflected from the flat retroreflector is propagated into space through the beam splitter or optical circulator, and the propagated optical signal is received by an optical receiver, thereby effectively achieving optical communication through free space. Link building can be done.
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, the optical communication link method using a flat retroreflector according to an embodiment of the present invention combines an optical beam generated from the light source with a data signal for optical communication and transmits the modulated optical data signal to the optical data signal through the beam splitter or optical circulator. After irradiating a flat retroreflector based on a metasurface doublet, the optical data signal retroreflected from the flat retroreflector is propagated into space through the beam splitter or optical circulator, and the propagated optical data signal is received by an optical receiver. May include steps.
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.Figure 14 shows another example of a test device for establishing an optical link in 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 a data signal generated by the first BERT (Bit Error Rate Testing) scope 540, which generates a random number bit sequence data signal, to the radio frequency amplifier 541. After being amplified, the optical signal appropriately polarized and modulated by the electro-optic modulator (542, iXblue, MX-LN-10) passes through an optical fiber amplifier (EDFA) to an optical circulator (which performs the function of distributing the optical signal). It is irradiated to the flat retroreflector 100 through the first port of 515) and the optical fiber coupled collimator 512.
광섬유 결합 콜리메이터는 광섬유와 결합되어 광축을 교정하고 평행광선을 형성시키는 기능을 수행한다.An optical fiber-coupled collimator is combined with an optical fiber and performs the function of correcting the optical axis and forming 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 pseudorandom 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 from the flat retroreflector 100 is transmitted 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.Figure 15 a) shows the bit error rate (BER) and data rate input from the device of Figure 14, and Figure 15 b) shows the bit error rate (BER) observed 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 Figures 15 a) and b), in one embodiment of the present invention, the data rate was monitored by changing from 1 Gbps to 9 Gbps at 1 Gbps intervals.
광링크의 통신 품질을 확인하기 위해 데이터 전송률과 전력을 조사하였다.To confirm the communication quality of the optical link, data transmission 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 to 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.Figure 15 b) shows that the BER does not change for received power in the range of 80 to 240 ㎼ at a rate of 1 Gbps. For data rates running from 5 to 9 Gbps, the BER improved with increased signal power, 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.Figures 15 a) and b) show that as the data rate continues to increase from 1 Gbps to 9 Gbps, the BER always remains 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 retroreflector according to an embodiment of the present invention can effectively improve BER compared to conventional devices and has the effect of demonstrating better performance under high power conditions.
결론적으로 평면 역반사기는 고속 광링크의 안정적인 통신 품질을 보여준다.In conclusion, the planar retroreflector demonstrates stable communication quality in high-speed optical links.
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, a 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.Additionally, the flat retroreflector 100 according to an embodiment of the present invention allows a BER that is much lower than the FEC threshold, allowing a stable high-speed optical link to be established.
또한, 효율적인 자유 공간 광 통신을 용이하게 하려면 큰 수용 각도가 주로 필요하다.Additionally, large acceptance angles are often required to facilitate efficient free-space optical communication.
본 발명의 일 실시 예에 따른 입사각은 θin = 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 can perform a stable retroreflection 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 retroreflection efficiency decreases depending on the angle of incidence, 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.Figure 16 a) shows the bit error rate (BER) for the input angle of incidence for a wide-angle optical link using a flat retroreflector according to an embodiment of the present invention, and Figure 16 b) shows the extinction ratio of the angle of incidence to the data rate ( 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.Figure 17 shows an eye diagram observed in the received retro-reflected beam with the 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 Figure 17 the extinction ratio, defined as the contrast between the 1-level and 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.In Figure 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 1 Gbps to 9 Gbps for typical incidence, the extinction ratio decreased from 11.9 dB to 9.2 dB.
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 Figure 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 changes to 11.92 to 10.22 to 9.16 dB at normal incidence.
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 significant 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 approximately constant with respect to the angle of incidence.
도 17을 참조하면, 9Gbps에서 입사각 측면에서 clear-eye 다이어그램 그룹을 보여주며 이는 매우 안정적인 광 링크를 나타내는 것으로 분석된다..Referring to Figure 17, it shows a group of clear-eye diagrams in terms of incidence angle at 9Gbps, 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 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 the optical data link, demonstrating 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 was experimentally proven that the flat retroreflector 100 based on a 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 retroreflector 100 based on a metasurface doublet according to an embodiment of the present invention, MD has a front metasurface (MS1) and a rear metasurface (MS2) that serve as a Fourier focus lens and a concave mirror, respectively. By combining them, they can be precisely manufactured through EBL on silica dielectric spacers.
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 retroreflector 100 based on a metasurface doublet according to an embodiment of the present invention, the front metasurface (MS1) performs the spatial Fourier transform and its converse, while the rear metasurface (MS2) performs the Fourier transform of the incident light. Because it gives spatially variable momentum, it can be successfully operated to return the incident beam back to the light source.
도 18은 본 발명의 일 실시 에에 따른 메타표면 더블렛에 기반한 평판 역반사기의 제조방벙을 도시한 것이다.Figure 18 shows 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 Figure 18, first, a substrate preparation step is performed. In one embodiment of the present invention, 428㎛ thick silica (SiO 2 ) is prepared as a substrate. The preparation step involves first washing the silica substrate 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 back sides 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 (PlasmaLab 100, Oxford) under optimal conditions. After step 511, a first spin coating step (step 512) is performed to form a first resist layer by spin coating an electron beam resist (ZEP 520A from Zeon Chemicals) on the top of the front a-Si:H layer. 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 into the first resist layer via e-beam lithography (Raith150 EBL) with subsequent development (ZED-N50). Next, an AL deposition step 514 is performed in which a first AL layer is deposited on the upper surface of the first resist pattern layer formed in step 513. In step 514, a 60 nm thick aluminum layer 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 in which all of the first resist pattern layer on the upper part of the substrate is lifted by a solvent (ZDMAC from Zeon Co.) and the front surface is patterned with a first patterned AL layer that matches the front metasurface pattern. (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) is performed to form a front-side a-Si:H layer by etching the front-side metasurface pattern designed using the patterned AL layer as a hard mask. do. In step 516, the designed pattern is etched through the front a-Si:H layer through fluorine-based inductively coupled plasma reactive ion etching (Oxford PlasmaLab System 100) to form a patterned front 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 is performed to remove the first patterned AL remaining on the upper part of the front a-Si:H layer pattern layer.
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 a-Si:H pattern layers and the top of the front a-Si:H pattern layer were filled with a polymer (SU-8) material to a thickness of 100 nm to form a front 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) is performed to form a second resist layer by spin coating an electron beam resist (ZEP520A from Zeon Chemicals) on the rear hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H).
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 back metasurface pattern 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 recorded in resist via e-beam lithography (Raith150 EBL) with subsequent development (ZED-N50). Next, an AL deposition step (step 521) is performed in which second AL is deposited on the upper surface of the second resist pattern layer formed in step 520. In step 521, a 60 nm thick aluminum layer is deposited using 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 ( 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 designed pattern is etched through fluorine-based inductively coupled plasma reactive ion etching (Oxford PlasmaLab System) to form a patterned back 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 rear 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 rear a-Si:H pattern layers and the top of the rear a-Si:H pattern layer were deposited and filled with a polymer (SU-8) material to a thickness of 100 nm to form a rear metasurface (MS2). A 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 is performed to form a reflective aluminum layer by depositing aluminum with a thickness of 100 nm on the second polymer layer.
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 at least one lattice wider than the area where the rear metasurface MS2 is formed.
517단계 후 뒤집어서 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛을 기반으로 한 평판 역반사기(100)가 완성된다(528).After step 517, the flat 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: 유전층 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 layer 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: rear metasurface
Claims (11)
상기 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 포함하며,
상기 전면부 메타표면은 직경이 480㎛의 원형으로 형성되고, 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 하는 평판 역반사기.In a flat retroreflector based on a metasurface doublet,
The flat retroreflector is
dielectric layer substrate;
A front metasurface formed on the front of the dielectric layer substrate and formed by a collection of first unit cells in which a first group of cylindrical nanopillars are formed at the center;
a rear metasurface formed on the rear surface of the dielectric layer substrate and formed as a set of second unit cells including a second group of cylindrical pillar-shaped nanopillars; and
It includes an aluminum layer formed on the lower part of the rear metasurface,
The front metasurface is formed in a circle with a diameter of 480㎛, the rear metasurface is formed in a circle with a diameter of 600㎛, and the area of the aluminum layer is larger in diameter than the diameter of the rear metasurface of the second unit cell. A flat retroreflector characterized in that it is formed wider than 1 grid.
상기 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 포함하며,
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 하는 평판 역반사기.In a flat retroreflector based on a metasurface doublet,
The flat retroreflector is
dielectric layer substrate;
A front metasurface formed on the front of the dielectric layer substrate and formed by a collection of first unit cells in which a first group of cylindrical nanopillars are formed at the center;
a rear metasurface formed on the rear surface of the dielectric layer substrate and formed as a set of second unit cells including a second group of cylindrical pillar-shaped nanopillars; and
It includes an aluminum layer formed on the lower part of the rear metasurface,
The first group of nanopillars on the front metasurface and the second group of nanopillars on the back metasurface are formed by arranging eight groups of different diameters to have a phase shift of 0 to 2π. Retroreflector.
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 하는 평판 역반사기.According to clause 6,
The flat retroreflector is used to establish a link in the optical communication area with a communication wavelength λ = 1550 nm,
The first group of nanopillars is formed in groups with diameters of 106, 1126.5, 138.5, 148, 155.5, 162.5, and 180 nm,
The second group of nanopillars is a flat retroreflector, characterized in that it is formed in groups with diameters of 106, 1126.5, 138.5, 148, 155.5, 162.5, and 180 nm.
상기 제1유닛셀 및 제2유닛셀은 주기 800nm의 정사각형 격자로 형성되며,
상기 제1군의 나노기둥 및 제2군의 나노 기둥의 높이는 1000nm로 형성되고,
상기 유전층 기판의 두께는 428㎛인 것을 특징으로 하는 평판 역반사기.According to clause 6,
The first unit cell and the second unit cell are formed in a square grid with a period of 800 nm,
The height of the first group of nanopillars and the second group of nanopillars is 1000 nm,
A flat retroreflector, characterized in that the thickness of the dielectric layer substrate is 428㎛.
상기 전면부 메타표면의 위상 프로파일은 다음 식과 같이 산출되는 것을 특징으로 하는 평판 역반사기.
- 여기서 (x, z)는 상기 전면부 메타표면의 중앙에 있는 제1유닛셀의 중심에 해당하는 좌표를 나타내고, f는 상기 전면부 메타표면의 초점 거리이고, n은 상기 유전층 기판의 굴절률임.According to clause 6,
A flat retroreflector, characterized in that the phase profile of the front metasurface is calculated as follows.
- Here, (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 layer substrate. .
상기 광통신 링크방법은,
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 하는 광통신 링크방법.In the free space optical communication link method using the flat retroreflector of any one of claims 5 to 9,
The optical communication link method is,
The optical beam generated from the light source and the data signal for optical communication are synthesized, irradiated to the flat retroreflector through a beam splitter or optical circulator that distributes the light beam according to the optical input port, and then retroreflected from the flat retroreflector. An optical communication link method comprising propagating an optical signal in free space through the beam splitter or an optical circulator and receiving the propagated optical signal with an optical receiver.
상기 평판 역반사기를 제조하는 방법은,
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 i 단계를 거친 유전층 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 하는 평판 역반사기 제조방법.
In the method of manufacturing a flat retroreflector based on a metasurface doublet,
The method of manufacturing the flat retroreflector is:
a) Silica substrate preparation step;
b) depositing a hydrogenated amorphous silicon material on the front and rear surfaces of the silica substrate by plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) 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 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 the upper surface of the first resist pattern layer;
f) a first lift-off step of lifting all of the first resist pattern layer on the top of the silica substrate using a solvent and patterning the front portion with a first patterned AL layer matching the front metasurface pattern;
g) a first etching step of forming a front-side hydrogenated amorphous silicon pattern layer by etching the front-side metasurface pattern using the first patterned AL layer as a hard mask;
h) a residual aluminum removal step of removing the first patterned AL aluminum remaining on the front hydrogenated amorphous silicon pattern layer;
i) depositing a first polymer layer of forming a front metasurface by filling the space between and above the front hydrogenated amorphous silicon pattern layer with a polymer material;
j) a second spin coating step of turning over the dielectric layer substrate that has undergone step i and spin coating an electron beam resist on the rear hydrogenated amorphous silicon layer to form a second resist layer;
k) forming a second resist pattern layer corresponding to the backside metasurface pattern on the second resist layer through an electron beam lithography process;
l) depositing a second AL layer on the second resist pattern layer;
m) a second lift-off step of lifting all of the second resist pattern layer on the top of the silica substrate using a solvent and patterning the backside with a second patterned AL layer matching the backside metasurface pattern;
n) a second etching step of forming a hydrogenated amorphous silicon pattern layer by etching the rear 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 hydrogenated amorphous silicon pattern layer;
p) depositing a second polymer layer to form a rear metasurface by filling the space between and on top of the rear hydrogenated amorphous silicon pattern layer with a polymer material; and
q) an aluminum deposition step of depositing an aluminum layer on top of the second polymer layer; A method of manufacturing a flat retroreflector comprising:
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