KR102611087B1 - 메타표면 더블렛 기반의 평면 역반사기 장치 및 이를 이용한 자유공간 광통신 링크 방법 - Google Patents

메타표면 더블렛 기반의 평면 역반사기 장치 및 이를 이용한 자유공간 광통신 링크 방법 Download PDF

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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.

Description

메타표면 더블렛 기반의 평면 역반사기 장치 및 이를 이용한 자유공간 광통신 링크 방법{Metasurface doublet-based flat retroreflector enabling free-space optical link method}
본 발명은 메타표면 더블렛 기반의 평면 역반사기 장치 및 이를 이용한 자유공간 광통신 링크 방법에 관한 것이다.
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.
광학 역반사기는 입사광을 광원으로 정확하게 재지향하고 5G 및 6G 네트워크, 증강/혼합 현실, 광학 센서, 및 레이저 추적에 사용된다.
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.
기하학적 광학 장치와 관련된 파면은 상대적으로 긴 전파 거리에 걸쳐 축적된 위상 편이에 의해 매개된다.
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.
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.
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.
또한, 대한민국 공개특허공보 10-2020-0053492호에서는 다각형 개구로 역반사기 프리즘을 제조하는 방법 및 그 장치가 개시된 바 있다.
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.
대한민국 등록특허 10-1041886호에서는 코너 큐브형 역반사기 및 그 제조 방법이 개시된 바 있다.
입사 방향을 따라 방사선을 반사하는 능력에 의해 촉진된 역반사기는 신뢰할 수 있는 자유 공간 광학 링크를 구축하기 위한 중추 구성요소로 인식되어 왔다.
캣츠아이(cat 's eye), 코너 큐브(corner-cube)와 같은 류의 역반사기 장치는 특히 부피가 크고 무게가 무거우며 평면이 아닌 형태의 단점이 있다.
위와 같은 종래의 역사반사기는 부피가 크고 무게가 무거우며 평면이 아닌 모양으로 인해 통합에 제한이 있었다.
특별히 설계된 서브파장 나노구조를 통합한 메타표면, 위상, 진폭, 편광 및 광선의 스펙트럼을 조정하기 위해 널리 활용되었다.
나노 공진기를 기반으로 한 메타 표면 기반 장치는 분산 특성을 허용할 수 있다.
주로 기하학적 매개변수와 구조적 배열에 의해 결정되며 기존의 기하학적 광학 기반 구성 요소와 달리 손쉬운 파면 조작을 용이하게 제어할 수 있다.
최근에는 단일 중항 메타표면을 기반으로 하는 역반사기 장치에 대한 연구가 있었으나, 제한된 작동 각도로 인해 연속적인 빔 조작이 곤란한 점이 있다.
대한민국 등록특허 10-1479783호 대한민국 등록특허 10-1041886호 대한민국 공개특허공보 10-2020-0053492호
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.
본 발명은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
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.
또한, 상기 유전층 기판은 실리카 물질로 형성되며, 상기 나노 기둥은 수소화 비정질 실리콘(a-Si: H) 물질로 형성된 것을 특징으로 한다.
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.
또한, 상기 유전층 기판의 두께는 상기 전면부 메타표면의 초점거리에 맞추어 형성되는 것을 특징으로 한다.
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.
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.
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.
또한, 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 한다.
또한, 상기 전면부 메타표면의 위상 프로파일은 다음 식과 같이 산출되는 것을 특징으로 한다.
- 여기서 (x, z)는 상기 전면부 메타표면의 중앙에 있는 제1유닛셀의 중심에 해당하는 좌표를 나타내고, f는 전면부 메타표면의 초점 거리이고, n은 상기 유전층 기판의 굴절률임.
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.
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.
본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛을 기반으로 한 평판 역반사기(100)는 편광에 영향을 받지 않는 효과를 가진다.
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.
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.
본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛을 기반으로 한 평판 역반사기는 반도체 제조공정인 전자빔 리소그라피(EBL) 공정으로 쉽게 제조가 용이하다.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
이하 본 발명의 구현에 따른 메타표면 더블렛 기반의 평면 역반사기 장치 및 이를 이용한 자유공간 광통신 링크 장치에 대해 상세하게 설명한다.
서브파장 나노구조로 구성된 메타표면 기반 장치는 반도체 제조 방법과 나노포토닉스를 결합하여 기하학적 광학을 능가하는 새로운 플랫폼으로 간주될 수 있다.
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.
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.
전면부 메타표면은 공간 푸리에 변환과 그 역을 수행하는 반면, 후면부 메타표면은 입사 방향을 따라 빔을 반사하기 위해 공간적으로 다양한 모멘텀을 부과한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛을 기반으로 한 평판 역반사기는 반도체 제조공정인 전자빔 리소그라피(EBL) 공정으로 쉽게 제조가 용이하다.
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.
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.
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.
본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛을 기반으로 한 평판 역반사기는 매우 효율적인 자유 공간 광통신을 가능하게 하는 중추적인 역할을 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛을 기반으로 한 평판 역반사기의 구조를 도시한 것이다.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
C 밴드 대역의 1550nm 파장은 광섬유의 최소 감쇠, 시각적 안정성 및 EDFA(에르븀 도핑된 광섬유 증폭기)와의 호환성의 관점에서 장거리 광통신에 바람직한 파장이다.
또한, 비정질 실리콘(a-Si:H) 은 수소를 통해 부동 태화되어 제조 과정에서 결함의 발생을 방지할 수 있다.
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.
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.
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 2, 3은 전면부 메타표면(MS1) 및 후면부 메타표면(MS2)의 나노기둥 기반 단위 셀과 함께 완성된 평판 역반사기의 주사 전자 현미경 이미지를 보여준다.
도 4는 전면부 메타표면(MS1)의 유닛셀 구조 및 제1군 나노 기둥의 직경에 관한 위상 시프트 및 투과율을 도시한 것이다.
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.
본 발명의 일 실시 예에 따른 폴리머 물질은 에폭시 기반의 폴리머(SU-8) 물질이 적용될 수 있다.
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.
제1군 나노기둥의 높이는 h = 1000nm로 고정된다. 폴리머(SU-8) 물질은 메타표면을 보호하기 위해 나노기둥 높이보다 100nm 더 높게 형성되어 충진된다.
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.
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 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.
본 발명의 일 실시 예에 따른 폴리머 물질은 에폭시 기반의 폴리머(SU-8) 물질이 적용될 수 있다.
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.
이에 따라 상기 제2군의 원통 기둥 형상의 나노 기둥의 일단부에는 100nm의 폴리머층이 형성된다.
상기 폴리머층 하부에는 금속반사층(121)이 형성된다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 평판 역반사기(100)의 금속반사층은 알루미늄 물질로 형성되는 것을 특징으로 한다.
알루미늄층에 조사된 광은 거의 동일한 파장과 진동수를 방출하는 반사특성을 가지고 있어서, 복 반사된 광의 특성을 분석하는 데 효과적이다.
상기 알루미늄 금속반사층은 이와 유사한 특성 가지는 은 등과 같은 금속으로 대체하여 적용할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 후면부 투과 메타표면(MS2)의 하부에 형성된 알루미늄층(121)의 두께는 100nm로 형성된다.
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.
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 형성된다
다음 표1은 각 위상편이에 대응하는 전면부 메타표면(MS1)의 제1군 나노기둥의 직경 그룹 및 후면부 메타표면(MS2의 제2군 나노 기둥 직경 그룹을 나타낸다.
[단위:nm]
전면부 메타표면(MS1)의 제1군 나노기둥은 x축을 따라 배열된 8개의 나노기둥으로 형성되는 제1슈퍼셀들로 배열되어 배치된다.
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.
또한, 후면부 메타표면(MS2)의 제2군 나노 기둥은 x축을 따라 배열된 8개의 나노기둥으로 형성되는 제2 슈퍼셀들로 배열되어 배치된다.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
구면 수차를 효과적으로 완화할 수 있는 전면부 메타표면(MS1) 및 후면부 메타표면(MS2)과 관련된 원하는 위상 프로파일은 다음 수학식1과 같이 나타낼 수 있다.
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.
도 7은 후면부 메타표면(MS21)의 위상프로파일을 도시한 것이다.
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.
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.
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.
도 8, 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛을 기반으로 한 평판 역반사기의 반사 특징을 설명하기 위한 도면이다.
도 8을 참조하면, 거울(Mirror)은 입사광의 모멘텀(momentum)(i)의 면내 성분을 변경하지 않는 특징(도 8에서 : 반사된 빛의 모멘텀임)을 가진다.
역반사기(retroreflector)는 모멘텀 의 방향부호를 로 변경한다.
일반적인 메타표면(metasurface)은 특정 각도에서 입사광을 반사할 수 있다(추가 모멘텀 포함).
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.
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.
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.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛을 기반으로 한 평판 역반사기의 역반사 빔 프로파일을 분석하기 위한 실험장치이다.
입사각이 있는 역반사 빔의 프로파일은 도 10의 실험 설정을 사용하여 특성을 분석할 수 있다.
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.
역반사된 빔은 대물 렌즈(314)와 빔 스플리터(313)를 역방향으로 통과하고 빔 프로파일러(320)에 의해 캡처된다.
대물렌즈(314)는 입사빔의 크기를 줄이기 위해 사용되었다. 평판 역반사기(100) 후측에 배치된 카메라(330)는 입사빔과 평면 역반사체(100)를 정렬하기 위해 사용된다.
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.
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.
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.
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.
도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛을 기반으로 한 평판 역반사기의 자유공간에서의 광 링크 특성을 분석하기 위한 분석 장치이다.
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.
본 발명의 일 실시 예에는 1550nm의 광 펄스 파장이 사용되었다.
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.
도 13은 도 12의 광수신기에서 수신된 광 펄스를 도시한 것이다.
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.
평판 역반사기를 적용한 것이나, 종래 반사기를 적용한 반사된 광 펄스는 광 링크에 대해 각각 "ON" 및 "OFF" 상태의 펄스로 나타난다.
도 13을 참조하면, 수직 입사(θin=0°)의 경우에는 역반사 신호와 정반사 신호가 모두 감지된다.
그러나 경사 입사(5° ~ 25°)에는 정반사된 신호는 감지되지 않았으며, 역반사된 신호만 감지되는 것을 알 수 있다.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 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.
광섬유 결합 콜리메이터는 광섬유와 결합되어 광축을 교정하고 평행광선을 형성시키는 기능을 수행한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 제1 BERT(Bit Error Rate Testing) 스코프(540)에서는 231-1 의사 난수 비트 시퀀스 데이터가 생성되어 사용된다.
그런 다음 평판 역반사기(100)에서 역반사된 광 신호는 광 써큘레이터(515)의 포트 3을 통해 제2 BERT 스코프(520)에 전달된다.
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 15 a) 및 b)를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에서는 1Gbps 간격으로 1Gbps에서 9Gbps까지 데이터 속도를 변경하여 모니터링하였다.
광링크의 통신 품질을 확인하기 위해 데이터 전송률과 전력을 조사하였다.
최대 3Gbps 범위의 데이터 속도에 대한 BER은 거의 무시할 수 있었으며 오류가 없는 전송으로 변환된다.
3 ~ 9Gbps 사이의 데이터 속도에서 BER은 FEC 임계값(3.8 × 10-3)의 미만인 것으로 나타낸다.
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.
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.
이에 따라 본 발명의 일 실시 예에 따른 평면 역반사기(100)는 고속 광링크의 안정적인 통신 품질을 보여주는 것을 알 수 있다.
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.
결론적으로 평면 역반사기는 고속 광링크의 안정적인 통신 품질을 보여준다.
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.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 평판 역반사기(100)는 FEC 임계값보다 훨씬 낮은 BER을 허용하여 안정적인 고속 광 링크를 설정할 수 있다.
또한, 효율적인 자유 공간 광 통신을 용이하게 하려면 큰 수용 각도가 주로 필요하다.
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.
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 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.
도 17에서는 아이 다이어그램에 대해 통계적으로 평균된 1-레벨과 0-레벨 간의 대비로 정의되는 소광비도 조사된다. .
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.
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.
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.
도 17을 참조하면, 9Gbps에서 입사각 측면에서 clear-eye 다이어그램 그룹을 보여주며 이는 매우 안정적인 광 링크를 나타내는 것으로 분석된다..
결과적으로 제안된 FRR의 그럴듯한 각도 허용 오차는 입사각에 대한 응답으로 BER 및 소광비의 미미한 변화의 맥락에서 검증될 수 있었다.
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.
본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛에 기반한 평판 역반사기(100)는 1550nm의 통신 파장에서 안정적인 데이터 링크의 품질을 가지는 것을 실험적으로 입증되었다.
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.
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.
도 18은 본 발명의 일 실시 에에 따른 메타표면 더블렛에 기반한 평판 역반사기의 제조방벙을 도시한 것이다.
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.
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.
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.
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.
다음은 상기 전면부 a-Si:H층 패턴층 상부에 남아있는 제1 패턴화된 AL을 제거하는 잔여 알루미늄 제거단계(517)가 수행된다.
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.
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.
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.
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.
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.
다음은 습식 에칭을 수행하여 후면부 a-Si:H 패턴층의 종단에 남아있는 하드 마스크로 사용된 패턴화된 AL층을 제거하는 AL층 제거단계(525)가 수행된다.
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.
다음은, 518단계 후에 제2폴리머층 상부에 100nm 두께의 알루미늄을 증착하여 반사용 알루미늄층을 형성하는 알루미늄 증착단계(517)가 수행된다
본 발명의 일 실시 예에 따른 알루미늄층은 상기 후면부 메타표면(MS2)가 형성된 면적보다 직경이 1격자 이상 넓게 형성되는 것을 특징으로 한다.
517단계 후 뒤집어서 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타표면 더블렛을 기반으로 한 평판 역반사기(100)가 완성된다(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 메타표면

Claims (11)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 메타표면 더블렛을 기반으로 한 평판 역반사기에 있어서,
    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.
  6. 메타표면 더블렛을 기반으로 한 평판 역반사기에 있어서,
    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.
  7. 제6항에 있어서,
    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.
  8. 제6항에 있어서,
    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.
  9. 제6항에 있어서,
    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.
  10. 제5항 내지 제9항 중 어느 한 항의 평판 역반사기를 이용한 자유공간 광통신 링크 방법에 있어서,
    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.
  11. 메타표면 더블렛을 기반으로 한 평판 역반사기의 제조방법에 있어서,
    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.


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