KR102208740B1

KR102208740B1 - Beam steering apparatus using plasmonics

Info

Publication number: KR102208740B1
Application number: KR1020190070938A
Authority: KR
Inventors: 오금윤; 홍영선; 김형찬; 고정범; 양영진
Original assignee: 한국생산기술연구원
Priority date: 2019-06-14
Filing date: 2019-06-14
Publication date: 2021-01-28
Anticipated expiration: 2039-06-14
Also published as: KR20200143083A

Abstract

본 발명은 빔 스티어링 장치에 관한 것으로서, 금속 재질의 도파로; 도파로를 감싸는 유전체 재질의 기판; 및 기판의 표면에 형성된 금속 재질의 패치;를 포함하며, 플라즈모닉스 현상에 따라 도파로와 기판의 계면에서 도파되는 빔이 패치를 통해 방사되는 것을 특징으로 한다. The present invention relates to a beam steering apparatus, comprising: a waveguide made of a metal material; A substrate made of a dielectric material surrounding the waveguide; And a patch made of a metal material formed on the surface of the substrate, wherein a beam waved at an interface between the waveguide and the substrate is radiated through the patch according to a plasmonic phenomenon.

Description

Beam steering apparatus using plasmonics TECHNICAL FIELD

본 발명은 빔 스티어링 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 플라즈모닉스 현상을 이용하는 비 기계식의 빔 스티어링 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a beam steering apparatus, and more particularly, to a non-mechanical beam steering apparatus using a plasmonic phenomenon.

빔 스티어링(beam steering)은 빔을 원하는 위치로 스티어링하는 기술로서, 기계식과 비 기계식으로 나뉜다. 기계식 빔 스티어링은 모터, 스캐너, 회전 프리즘, 압전 액츄에이터, 마이크로 전자 기계 시스템(MEMS) 등을 이용하여, 빔 조사부분을 기계적으로 회전시켜 스티어링하는 기술이나 그 기계적인 한계로 인해 여러 가지 문제점이 있다.Beam steering is a technology for steering a beam to a desired position, and is divided into mechanical and non-mechanical methods. Mechanical beam steering has various problems due to a technique of mechanically rotating and steering a beam irradiation part using a motor, a scanner, a rotating prism, a piezoelectric actuator, a microelectromechanical system (MEMS), or the like, or its mechanical limitations.

예를 들어, 모터를 이용한 기계식 빔 스티어링은 부품 전체를 회전시키면서 레이저 다이오드나 발광다이오드 등에서 조사되는 광을 스티어링 한다. 이러한 모터를 이용한 기계식 빔 스티어링은 스티어링 시스템의 부피가 커지고 가격이 상승할 뿐 아니라, 물리적인 속도 한계가 있으며, 모터의 적용으로 인해 소음이 발생하는 등의 문제점이 있다.For example, mechanical beam steering using a motor steers light irradiated from a laser diode or a light emitting diode while rotating the entire part. Mechanical beam steering using such a motor increases the volume of the steering system, increases the price, has a physical speed limit, and generates noise due to the application of the motor.

또한, 광 스캐너 및 액정 (Liquid Crystal, LC) 스캐너를 이용한 기계식 빔 스티어링은 레이저 빔을 효과적으로 스캔할 수 있지만 스캔 속도가 제한적이다. 특히, LC 스캐너를 이용한 기계식 빔 스티어링은 최근 연구되고 있는 분야로서, 높은 구동 전압 및 쉽게 제어하기 힘든 복굴절 플레이트 설계가 포함되어 있다. 또한, 광 스캐너를 이용한 기계식 빔 스티어링은 고속(㎱ 범위)에서 동작이 가능은 하지만, 높은 구동 전압을 필요로 하기 때문에 ㎱ 이내의 고속 동작을 시키는 것은 실제적으로 어려우며, LC의 특성상 빔 스티어링이 연속적이지 못한 문제점이 있다. In addition, mechanical beam steering using an optical scanner and a liquid crystal (LC) scanner can effectively scan a laser beam, but has a limited scan speed. In particular, mechanical beam steering using an LC scanner is a field of research recently, and includes a high driving voltage and a design of a birefringent plate that is difficult to control easily. In addition, mechanical beam steering using an optical scanner can operate at high speeds (in the ns range), but because it requires a high driving voltage, it is practically difficult to operate at high speeds within ns. Due to the nature of LC, beam steering is not continuous. There is a problem.

한편, 빔 스티어링은 다양한 빔 스캐너에 있어 필수적인 구성이다. 예를 들어, 이러한 빔 스티어링은 광통신, 라이다와 같은 광검출 및 거리 측정, 레이저 마이크로머시닝, 디스플레이, 마이크로스코피, 군사용, 분광학 등의 다양한 분야에서 적용될 수 있다. 이러한 분야에 빔 스티어링이 적용되기 위해서는 광범위에서 고해상도로 고속의 스캔이 가능해야 한다.Meanwhile, beam steering is an essential component for various beam scanners. For example, the beam steering can be applied in various fields such as optical communication, optical detection and distance measurement such as lidar, laser micromachining, display, microscopy, military use, and spectroscopy. In order for beam steering to be applied to these fields, it is necessary to enable high-speed scans from a wide range to high resolution.

예를 들어, 위성 간 통신을 위한 링크는 빠르게 움직이는 대상 위성을 추적하기 위해 고속에서 1 rad 정도의 미세 각도 조절이 필요하다. 또한, 군사적으로 레이저 빔 스캐너는 3D 공간에서 광선의 위치를 제어하는 미사일 LADAR 추적기를 위한 필수 장치로서, 광범위에서 고해상도로 보다 빠른 빔 제어가 가능해야 한다.For example, a link for inter-satellite communication requires fine angle adjustment of about 1 rad at high speed to track a fast moving target satellite. In addition, military laser beam scanners are essential devices for missile LADAR trackers that control the position of light rays in 3D space, and should enable faster beam control from a wide range to high resolution.

상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 플라즈모닉스 현상을 이용함으로써 광범위에서 고해상도로 고속 빔 제어가 가능한 새로운 비 기계식의 빔 스티어링 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.In order to solve the problems of the prior art as described above, an object of the present invention is to provide a new non-mechanical beam steering apparatus capable of high-speed beam control with high resolution in a wide range by using a plasmonic phenomenon.

다만, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the problem to be solved by the present invention is not limited to the problems mentioned above, and other problems that are not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 스티어링 장치는, (1) 금속 재질의 도파로, (2) 도파로를 감싸는 유전체 재질의 기판, (3) 기판의 표면에 형성된 금속 재질의 패치를 포함하며, 플라즈모닉스 현상에 따라 도파로와 기판의 계면에서 도파되는 빔이 패치를 통해 방사된다.The beam steering apparatus according to an embodiment of the present invention for solving the above problems includes (1) a waveguide made of a metal material, (2) a substrate made of a dielectric material surrounding the waveguide, and (3) a metal material formed on the surface of the substrate. It includes a patch of, and a beam waved at the interface between the waveguide and the substrate is radiated through the patch according to the plasmonic phenomenon.

본 발명의 일 실시예에 따른 빔 스티어링 장치는 상기 기판의 유전체 굴절률을 변화시켜 패치에서 방사되는 빔을 스티어링할 수 있다.The beam steering apparatus according to an embodiment of the present invention may steer a beam emitted from a patch by changing a dielectric refractive index of the substrate.

본 발명의 일 실시예에 따른 빔 스티어링 장치는 상기 기판에 가해지는 전기장을 변화시켜 그 유전체 굴절률을 변화시킬 수 있다.The beam steering apparatus according to an embodiment of the present invention may change a dielectric refractive index thereof by changing an electric field applied to the substrate.

상기 도파로는 2개의 밑면 및 이들 밑면 사이의 측면으로 이루어진 기둥 형상이되 그 측면이 기판 내에 삽입된 구조를 가지며, 그 어느 한 밑면으로 빔이 유입될 수 있다.The waveguide has a pillar shape consisting of two bottom surfaces and a side surface between the bottom surfaces, but has a structure in which the side surfaces are inserted into the substrate, and a beam may flow into either bottom surface.

상기 도파로는 길이 방향의 측면이 모서리를 가지는 다각 기둥 형상일 수 있다.The waveguide may have a shape of a polygonal column having a side surface in a longitudinal direction thereof.

상기 패치는 복수개가 구비되되 각각이 도파로의 길이 방향을 따라 서로 이격되게 배치될 수 있다.A plurality of patches may be provided, and each of the patches may be disposed to be spaced apart from each other along the length direction of the waveguide.

상기 복수개의 패치는 도파로를 사이에 두고 그 양측으로 대칭이 되게 배치될 수 있다.The plurality of patches may be disposed to be symmetrical to both sides thereof with a waveguide therebetween.

상기 패치는 기판의 표면으로부터 도출된 기둥 형상일 수 있다.The patch may have a pillar shape derived from the surface of the substrate.

상기와 같이 구성되는 본 발명은 비 기계식으로 빔을 스티어링할 수 있어, 종래 기계식 빔 스티어링에 따른 문제점을 해결할 수 있으며, 전기 신호를 통해 빔 제어가 가능하므로 집적화가 용이한 이점이 있다.The present invention constituted as described above can be non-mechanical to steer the beam, thereby solving the problems associated with conventional mechanical beam steering, and because the beam can be controlled through an electric signal, there is an advantage of easy integration.

또한, 본 발명은 플라즈모닉스 현상을 이용하고 특히 전기장 변화에 따른 기판의 유전체 굴절률 변화를 이용함에 따라, 광범위에서 고해상도로 보다 간편하게 고속 빔 제어가 가능할 뿐 아니라, 저전력이 소모되면서 연속적으로 빔 제어가 가능한 새로운 방식의 비 기계식 빔 스티어링을 수행할 수 있는 이점이 있다.In addition, the present invention uses a plasmonic phenomenon and, in particular, by using a change in the dielectric refractive index of a substrate according to a change in an electric field, it is possible to control a high-speed beam more easily from a wide range to a high resolution, and to continuously control the beam while low power is consumed. There is an advantage of being able to perform a possible new method of non-mechanical beam steering.

본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The effects obtainable in the present invention are not limited to the above-mentioned effects, and other effects not mentioned can be clearly understood by those of ordinary skill in the art from the following description. will be.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 스티어링 장치(100)의 사시도를 나타낸다.
도 2는 도 1에서 A-A'을 따라 평면에 수직하게 절단한 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 스티어링 장치(100)의 제1 절단면을 나타낸다.
도 3은 도 1에서 B-B'을 따라 평면에 수직하게 절단한 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 스티어링 장치(100)의 제2 절단면을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 스티어링 장치(100)에서 도파로(10)를 따라 진행하는 빔의 모드를 계산한 결과를 제2 절단면에서 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 스티어링 장치(100)에서 기판(20) 표면의 패치(30)에 형성되는 빔에 따른 필드의 세기를 분석한 결과를 그 평면 상에서 나타낸 도면이다.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 스티어링 장치(100)에서 기판(20)의 유전체 굴절률에 따라 방사되는 빔의 파 필드(far field) 패턴을 평면 상에서 나타낸 도면이다.1 shows a perspective view of a beam steering apparatus 100 according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a first cutaway view of the beam steering apparatus 100 according to an exemplary embodiment of the present invention cut perpendicular to the plane along A-A' in FIG. 1.
FIG. 3 is a second cutaway view of the beam steering apparatus 100 according to an embodiment of the present invention cut perpendicular to the plane along B-B' in FIG. 1.
4 is a view showing a result of calculating a mode of a beam traveling along the waveguide 10 in the beam steering apparatus 100 according to an embodiment of the present invention, in a second cut plane.
5 is a view showing a result of analyzing the intensity of a field according to a beam formed on a patch 30 on a surface of a substrate 20 in the beam steering apparatus 100 according to an exemplary embodiment of the present invention.
6 to 8 are diagrams illustrating a far field pattern of a beam emitted according to a dielectric refractive index of the substrate 20 in the beam steering apparatus 100 according to an exemplary embodiment of the present invention.

본 발명의 상기 목적과 수단 및 그에 따른 효과는 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.The above objects and means of the present invention, and effects thereof, will become more apparent through the following detailed description in connection with the accompanying drawings, and accordingly, a person having ordinary knowledge in the technical field to which the present invention belongs can facilitate the technical idea of the present invention. It will be possible to do it. In addition, in describing the present invention, when it is determined that a detailed description of known technologies related to the present invention may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, a detailed description thereof will be omitted.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 경우에 따라 복수형도 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다", “구비하다”, “마련하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 언급된 구성요소 외의 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.The terms used in this specification are for describing exemplary embodiments, and are not intended to limit the present invention. In the present specification, the singular form also includes the plural form in some cases, unless specifically stated in the phrase. In the present specification, terms such as "include", "include", "provision" or "have" do not exclude the presence or addition of one or more other elements other than the mentioned elements.

본 명세서에서, “또는”, “적어도 하나” 등의 용어는 함께 나열된 단어들 중 하나를 나타내거나, 또는 둘 이상의 조합을 나타낼 수 있다. 예를 들어, “또는 B”“및 B 중 적어도 하나”는 A 또는 B 중 하나만을 포함할 수 있고, A와 B를 모두 포함할 수도 있다.In the present specification, terms such as “or” and “at least one” may represent one of words listed together, or a combination of two or more. For example, “or B” “at least one of “and B” may include only one of A or B, and may include both A and B.

본 명세서에서, “예를 들어” 등에 따르는 설명은 인용된 특성, 변수, 또는 값과 같이 제시한 정보들이 정확하게 일치하지 않을 수 있고, 허용 오차, 측정 오차, 측정 정확도의 한계와 통상적으로 알려진 기타 요인을 비롯한 변형과 같은 효과로 본 발명의 다양한 실시 예에 따른 발명의 실시 형태를 한정하지 않아야 할 것이다.In this specification, the description following “for example” may not exactly match the information presented, such as the recited characteristics, variables, or values, and tolerances, measurement errors, limitations of measurement accuracy, and other commonly known factors. It should not be limited to the embodiments of the invention according to the various embodiments of the present invention to effects such as modifications including.

본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결되어’ 있다거나 '접속되어' 있다고 기재된 경우, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성 요소에 '직접 연결되어' 있다거나 '직접 접속되어' 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해될 수 있어야 할 것이다.In the present specification, when a component is described as being'connected' or'connected' to another component, it may be directly connected or connected to the other component, but other components exist in the middle. It should be understood that it may be possible. On the other hand, when a component is referred to as being'directly connected' or'directly connected' to another component, it should be understood that there is no other component in the middle.

본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소의 '상에' 있다거나 '접하여' 있다고 기재된 경우, 다른 구성요소에 상에 직접 맞닿아 있거나 또는 연결되어 있을 수 있지만, 중간에 또 다른 구성요소가 존재할 수 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면, 어떤 구성요소가 다른 구성요소의 '바로 위에' 있다거나 '직접 접하여' 있다고 기재된 경우에는, 중간에 또 다른 구성요소가 존재하지 않은 것으로 이해될 수 있다. 구성요소간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 예를 들면, '～사이에'와 '직접 ～사이에' 등도 마찬가지로 해석될 수 있다.In the present specification, when a component is described as being'on' or'adjacent' of another component, it may be directly in contact with or connected to another component, but another component exists in the middle. It should be understood that it is possible. On the other hand, when a component is described as being'directly above' or'directly' of another component, it may be understood that there is no other component in the middle. Other expressions describing the relationship between components, for example,'between' and'directly,' can be interpreted as well.

본 명세서에서, '제1', '제2' 등의 용어는 다양한 구성요소를 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소는 위 용어에 의해 한정되어서는 안 된다. 또한, 위 용어는 각 구성요소의 순서를 한정하기 위한 것으로 해석되어서는 안되며, 하나의 구성요소와 다른 구성요소를 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, '제1구성요소'는 '제2구성요소'로 명명될 수 있고, 유사하게 '제2구성요소'도 '제1구성요소'로 명명될 수 있다.In this specification, terms such as'first' and'second' may be used to describe various elements, but the corresponding elements should not be limited by the above terms. In addition, the terms above should not be interpreted as limiting the order of each component, and may be used for the purpose of distinguishing one component from another component. For example, the'first element' may be named'second element', and similarly, the'second element' may also be named'first element'.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다. Unless otherwise defined, all terms used in the present specification may be used with meanings that can be commonly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. In addition, terms defined in a commonly used dictionary are not interpreted ideally or excessively unless explicitly defined specifically.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예를 상세히 설명하도록 한다.Hereinafter, a preferred embodiment according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 스티어링 장치(100)의 사시도를 나타낸다. 또한, 도 2는 도 1에서 A-A'을 따라 평면에 수직하게 절단한 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 스티어링 장치(100)의 제1 절단면을 나타내며, 도 3은 도 1에서 B-B'을 따라 평면에 수직하게 절단한 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 스티어링 장치(100)의 제2 절단면을 나타낸다.1 shows a perspective view of a beam steering apparatus 100 according to an embodiment of the present invention. In addition, FIG. 2 shows a first sectional view of the beam steering apparatus 100 according to an embodiment of the present invention cut perpendicular to the plane along A-A' in FIG. 1, and FIG. 3 is B-B in FIG. It shows a second cut surface of the beam steering apparatus 100 according to an embodiment of the present invention cut perpendicular to the plane along'.

본 발명의 일 실시예에 따른 빔 스티어링 장치(100)는 비 기계식의 빔 스티어링 장치로서, 도 1에 도시된 바와 같이, 도파로(10), 기판(20) 및 패치(30)를 포함한다.The beam steering apparatus 100 according to an embodiment of the present invention is a non-mechanical beam steering apparatus, and includes a waveguide 10, a substrate 20, and a patch 30, as shown in FIG. 1.

도파로(10)는 그 표면이 금속 재질로 이루어진 구성으로서, 빔을 가이드(guide) 한다. 도파로(10)는 그 내부까지 모두 금속 재질로 이루어진 바(bar) 형상이거나, 그 내부가 유전체 재질로 채워진 관 형상일 수 있다. 예를 들어, 도파로(10)의 금속 재질은 플라즈모닉스(plasmonics) 현상을 일으킬 수 있는 재질로서, 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al) 등일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 플라즈모닉스 현상 발생을 위해, 도파로(10)의 두께는 수 ㎚ 내지 수백 ㎚ 이거나, 더욱 최적 조건으로 50 ㎚ 내지 200 ㎚ 일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The waveguide 10 has a surface made of a metal material and guides a beam. The waveguide 10 may have a bar shape made of a metal material all the way to the inside thereof, or may be a tubular shape filled with a dielectric material. For example, the metal material of the waveguide 10 is a material that can cause plasmonics, and may be gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), aluminum (Al), etc. It is not limited. In addition, in order to generate a plasmonic phenomenon, the thickness of the waveguide 10 may be several nm to several hundred nm, or 50 nm to 200 nm as a more optimal condition, but is not limited thereto.

특히, 도파로(10)는 2개의 밑면(즉, A측에서 보이는 제1 밑면과, A'측에서 보이는 제2 밑면)과, 그 밑면들 사이의 측면으로 이루어진 기둥 형상으로 형성될 수 있다. 이때, 그 기둥 형상은 그 측면이 다수의 모서리를 가지는 다각 기둥 형상(예를 들어, 삼각 기둥, 사각 기둥, 오각 기둥 등)인 것이 바람직할 수 있다. 이는 그 측면이 완만한 형상의 기둥 형상(예를 들어, 원 기둥, 타원 기둥 등) 보다 모서리를 가지는 다각 기둥 형상이 그 모서리의 형상적인 특징으로 인해 그 모서리에서 빔의 필드가 더 잘 형성될 수 있기 때문이다.In particular, the waveguide 10 may be formed in a columnar shape consisting of two bottom surfaces (ie, a first bottom seen from the A side and a second bottom seen from the A'side), and a side surface between the bottoms. In this case, the shape of the pillar may be preferably a polygonal pillar shape (eg, a triangular pillar, a square pillar, a pentagonal pillar, etc.) whose side surfaces have a plurality of corners. This is because a polygonal column shape with an edge can better form a field of a beam at the edge due to the geometrical characteristics of the edge than that of a column shape with a smooth side surface (for example, a circular column, an elliptical column, etc.). Because there is.

한편, 빔은 도파로(10)의 어느 한 밑면(제1 밑면 또는 제2 밑면)에 유입 전달된다. 예를 들어, 빔은 광학계(렌즈 등)를 통해 도파로(10)의 해당 밑면으로 포커싱(focusing)되어 전달되거나, 도파로(10)의 해당 밑면에 얼라인(align)된 광섬유(fiber)를 통해 전달될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.On the other hand, the beam is introduced and transmitted to any one bottom surface (the first bottom surface or the second bottom surface) of the waveguide 10. For example, the beam is focused and transmitted to the corresponding bottom of the waveguide 10 through an optical system (lens, etc.), or transmitted through an optical fiber aligned with the corresponding bottom of the waveguide 10. May be, but is not limited thereto.

기판(20)은 도파로(10)의 측면을 감싸는 유전체 재질의 구성이다. 즉, 기판(20)은 그 내부에 도파로(10)의 측면이 삽입된 형태의 구조를 가진다. 특히, 기판(20)은 주변 전기장에 따라 그 굴절률이 변화되는 SiO₂, SiN, TiO₂, ZnO, PMMA 등의 유전체 재질로 이루어지는 것이 바람직할 수 있다.The substrate 20 is made of a dielectric material surrounding the side surface of the waveguide 10. That is, the substrate 20 has a structure in which the side surface of the waveguide 10 is inserted therein. In particular, the substrate 20 may be preferably made of a dielectric material such as SiO ₂ , SiN, TiO ₂ , ZnO, PMMA, etc. whose refractive index is changed according to the surrounding electric field.

이와 같은 기판(20)의 구조에 따라, 도파로(10)의 어느 한 밑면에 유입된 빔은 플라즈모닉스 현상, 즉 표면 플라즈몬 폴라리톤(surface plasmon polariton) 현상에 의해, 도파로(10)(금속 재질)와 기판(20)(유전체 재질)의 계면에서 도파로(10)의 측면 방향을 따라 도파될 수 있다.According to the structure of the substrate 20, the beam flowing into one of the bottoms of the waveguide 10 is caused by a plasmonic phenomenon, that is, a surface plasmon polariton phenomenon, and the waveguide 10 (metal material ) And the substrate 20 (dielectric material) may be waved along the lateral direction of the waveguide 10.

패치(30)는 기판(20)의 표면에 형성된 금속 재질의 구성으로서, 플라즈모닉스 현상에 따라 도파로(10)와 기판(20)의 계면에서 도파된 빔을 외부 공간으로 최종 방사한다. 예를 들어, 패치(30)의 금속 재질은 플라즈모닉스(plasmonics) 현상을 일으킬 수 있는 재질로서, 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al) 등일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The patch 30 is made of a metal material formed on the surface of the substrate 20, and finally radiates a beam waved at the interface between the waveguide 10 and the substrate 20 to an external space according to a plasmonic phenomenon. For example, the metal material of the patch 30 is a material that can cause plasmonics, and may be gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), aluminum (Al), etc. It is not limited.

특히, 빔 방사가 일어나되 그 빔 방사 효율을 높일 수 있도록, 패치(30)는 기판(20)의 표면에서 도출된 기둥 형상인 것이 바람직할 수 있다. 즉, 패치(30)가 기판(20)에서 도출되지 않는 경우, 빔 방사가 잘 일어나지 않거나 그 빔 방사 효율이 매우 낮을 수 있다.In particular, it may be preferable that the patch 30 has a columnar shape derived from the surface of the substrate 20 so that beam radiation occurs but the beam radiation efficiency can be increased. That is, when the patch 30 is not derived from the substrate 20, beam radiation may not occur well or its beam radiation efficiency may be very low.

즉, 패치(30)는 2개의 밑면(즉, 평면 상에서 보이는 제1 밑면과, 기판(20)에 접한 제2 밑면)과, 그 밑면들 사이의 측면으로 이루어진 기둥 형상으로 형성될 수 있다. 다만, 그 기둥 형상의 종류는 특별히 한정되지 않으며, 원기둥, 타원 기둥, 다각 기둥 등일 수 있다. 다만, 플라즈몬의 여기를 위해, 패치(30)는 그 기둥 높이가 수 ㎚ 내지 수백 ㎚일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.That is, the patch 30 may be formed in a columnar shape consisting of two bottom surfaces (ie, a first bottom surface visible in a plan view and a second bottom surface in contact with the substrate 20) and a side surface between the bottom surfaces. However, the type of the pillar shape is not particularly limited, and may be a cylinder, an elliptical pillar, or a polygonal pillar. However, for the excitation of plasmon, the height of the patch 30 may be several to several hundred nm, but is not limited thereto.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 스티어링 장치(100)에서 도파로(10)를 따라 진행하는 빔의 모드를 계산한 결과를 제2 절단면에서 나타낸 도면이다. 또한, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 스티어링 장치(100)에서 기판(20) 표면의 패치(30)에 형성되는 빔에 따른 필드의 세기를 분석한 결과를 평면 상에서 나타낸 도면이다. 이때, 도 4 및 도 5에서, 빔의 필드가 강할수록 파란색 계열에서 붉은색 계열의 색이 나타난다.4 is a view showing a result of calculating a mode of a beam traveling along the waveguide 10 in the beam steering apparatus 100 according to an embodiment of the present invention, in a second cut plane. In addition, FIG. 5 is a plan view showing a result of analyzing the intensity of a field according to a beam formed on the patch 30 on the surface of the substrate 20 in the beam steering apparatus 100 according to an embodiment of the present invention. In this case, in FIGS. 4 and 5, as the field of the beam is stronger, the color of the blue color to the red color appears.

도 4 및 도 5를 참조하면, 플라즈모닉스 현상에 의해 도파로(10)와 기판(20)의 계면을 따라 빔이 도파되는 것을 알 수 있다. 특히, 도 4에서, 도파로(10)의 측면 모서리에서 더 강한 빔의 필드가 형성되는 것이 알 수 있다. 또한, 도 5에서, 도파로(10)와 기판(20)의 계면을 따라 도파된 빔이 패치(30)에까지 도파되는 것을 알 수 있으며, 패치(30)의 기둥 형상에 필드가 집중됨을 알 수 있다. 이에 따라, 이와 같이 패치(30)에 전달된 빔은 외부 공간에 위치한 패치(30)의 단부를 통해 방사될 수 있다.Referring to FIGS. 4 and 5, it can be seen that the beam is guided along the interface between the waveguide 10 and the substrate 20 due to the plasmonic phenomenon. In particular, in FIG. 4, it can be seen that a field of a stronger beam is formed at the side edge of the waveguide 10. In addition, in FIG. 5, it can be seen that the beam waved along the interface between the waveguide 10 and the substrate 20 is guided to the patch 30, and it can be seen that the field is concentrated in the pillar shape of the patch 30 . Accordingly, the beam transmitted to the patch 30 may be radiated through the end of the patch 30 located in the outer space.

특히, 기판(20)의 유전체 굴절률에 따라 패치(30)를 통해 방사되는 빔이 스티어링될 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 스티어링 장치(100)는 기판(20)의 유전체 굴절률을 변화시킴으로써, 빔의 최종 방사 방향, 각도, 분포 등을 제어할 수 있다. 이때, 기판(20)은 그 주변의 전기장으로 변화에 따라 그 유전체 굴절률이 변화될 수 있다. In particular, the beam radiated through the patch 30 may be steered according to the dielectric refractive index of the substrate 20. That is, the beam steering apparatus 100 according to an embodiment of the present invention may control the final radiation direction, angle, distribution, etc. of the beam by changing the dielectric refractive index of the substrate 20. In this case, the dielectric refractive index of the substrate 20 may be changed according to the change in the electric field around the substrate 20.

즉, 기판(20)의 유전체 굴절률이 변화하면 플라즈모닉스 현상에 따른 공진 파장, 공진 파장 폭, 공진 편광 특성, 공진 각도, 반사/흡수/투과 특성 등이 달라질 수 있다. 이러한 현상을 이용하면, 패치(30)를 통해 최종 방사되는 빔의 방향, 각도, 분포 등을 제어할 수 있다. That is, when the dielectric refractive index of the substrate 20 changes, a resonance wavelength, a resonance wavelength width, a resonance polarization characteristic, a resonance angle, reflection/absorption/transmission characteristics, etc. according to a plasmonic phenomenon may be changed. Using this phenomenon, the direction, angle, distribution, etc. of the beam finally radiated through the patch 30 can be controlled.

이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 스티어링 장치(100)는 기판(20)에 영향을 미치는 그 주변 전기장을 변화시키는 전기장 조절부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 전기장 조절부는 다수의 전극과, 이들 전극에 전압을 제공하되 그 전압을 조절하는 전압 공급부를 포함할 수 있다. 이 경우, 전극들의 사이(이하, “사이 공간”이라 지칭함)에는 전기장이 형성되는데, 이 사이 공간에 도파로(10) 및 패치(30)를 구비한 기판(20)이 배치된다. 즉, 전압 공급부에서 공급되는 전압을 조절함으로써, 사이 공간에 형성되는 전기장을 변화시키며, 그 전기장 변화에 따라 그 사이 공간에 위치한 기판(20)의 유전체 굴절률을 변화시킬 수 있다.Accordingly, the beam steering apparatus 100 according to an exemplary embodiment of the present invention may further include an electric field adjustment unit (not shown) that changes the peripheral electric field that affects the substrate 20. For example, the electric field control unit may include a plurality of electrodes, and a voltage supply unit that provides voltage to these electrodes but adjusts the voltage. In this case, an electric field is formed between the electrodes (hereinafter, referred to as “interval space”), and the substrate 20 including the waveguide 10 and the patch 30 is disposed in the space between the electrodes. That is, by adjusting the voltage supplied from the voltage supply unit, the electric field formed in the interspace is changed, and the dielectric refractive index of the substrate 20 located in the interspace can be changed according to the electric field change.

한편, 빔 방사의 발생을 위해, 패치(30)는 복수개가 구비될 수 있으며, 그 각각이 도파로(10)의 측면 길이 방향을 따라 서로 이격되게 배치될 수 있다. 이때, 빔 방사 효율의 향상을 위해, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 복수개의 패치(30)는 도파로(10)를 사이에 두고 그 양측으로 대칭이 되게 배치되는 것이 바람직할 수 있다.Meanwhile, in order to generate beam radiation, a plurality of patches 30 may be provided, and each of the patches 30 may be disposed to be spaced apart from each other along the side length direction of the waveguide 10. At this time, in order to improve the beam radiation efficiency, as shown in FIGS. 1 to 3, it may be preferable that the plurality of patches 30 are disposed to be symmetrical to both sides with the waveguide 10 interposed therebetween.

도 6 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 스티어링 장치(100)에서 기판(20)의 유전체 굴절률에 따라 방사되는 빔의 파 필드(far field) 패턴을 평면 상에서 나타낸 도면이다. 이때, 도 6은 기판(20)의 유전체 굴절률에 변화가 없는 경우를, 도 7은 기판(20)의 유전체 굴절률이 0.01 변화한 경우를, 도 8은 기판(20)의 유전체 굴절률이 0.02 변화한 경우를 각각 나타낸다. 특히, 도 6 내지 도 8에서, 방사 빔의 파 필드가 강할수록 파란색 계열에서 붉은색 계열의 색이 나타난다. 또한, 도 6 내지 도 8에서, 도파로(10)의 측면 길이 방향은 원형 뷰의 중심을 지나는 수평 선 방향과 일치한다.6 to 8 are diagrams illustrating a far field pattern of a beam emitted according to a dielectric refractive index of the substrate 20 in the beam steering apparatus 100 according to an exemplary embodiment of the present invention. At this time, FIG. 6 shows a case where there is no change in the dielectric refractive index of the substrate 20, FIG. 7 shows a case where the dielectric refractive index of the substrate 20 changes by 0.01, and FIG. 8 shows a case where the dielectric refractive index of the substrate 20 changes by 0.02. Each case is shown. In particular, in FIGS. 6 to 8, as the wave field of the radiation beam is stronger, the color from blue to red appears. In addition, in FIGS. 6 to 8, the lateral longitudinal direction of the waveguide 10 coincides with a horizontal line direction passing through the center of the circular view.

즉, 도 6 내지 도 8을 참조하면, 기판(20)의 유전체 굴절률의 변화에 따라 패턴(30)에서 최종 방사되는 빔의 방향, 각도, 분포 등이 조절됨을 알 수 있다. 즉, 도 7에서, 기판(20)의 유전체 굴절률이 0.01 변화하면, 방사 빔이 중심을 기준으로 수직되게 방사된다. 특히, 도 8에 도시된 바와 같이, 기판(20)의 유전체 굴절률이 더 커질수록, 방사 빔이 중심에서 더 이격된 형태로 방사되되 중심에서 우측으로 편향되어 방사된다. That is, referring to FIGS. 6 to 8, it can be seen that the direction, angle, distribution, etc. of the beam finally radiated from the pattern 30 are adjusted according to the change in the dielectric refractive index of the substrate 20. That is, in FIG. 7, when the dielectric refractive index of the substrate 20 changes by 0.01, the radiation beam is emitted perpendicularly to the center. In particular, as shown in FIG. 8, as the dielectric refractive index of the substrate 20 increases, the radiation beam is radiated further away from the center, but is deflected from the center to the right.

이로 보건대, 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 스티어링 장치(100)는 기판(20)의 유전체 굴절률을 조정하여 도파로(10) 및 기판(20)의 계면을 따라 도파되는 빔을 패턴(30) 밖으로 방사시킬 수 있으며, 특히 기판(20)의 유전체 굴절률을 변화시킴으로써 방사 빔의 방향, 각도, 분포 등을 스티어링할 수 있다.Accordingly, the beam steering apparatus 100 according to an exemplary embodiment of the present invention adjusts the dielectric refractive index of the substrate 20 so that the beam guided along the interface of the waveguide 10 and the substrate 20 is removed from the pattern 30. Radiation can be performed, and in particular, the direction, angle, distribution, etc. of the radiation beam can be steered by changing the dielectric refractive index of the substrate 20.

이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 스티어링 장치(100)는 비 기계식으로 빔을 스티어링할 수 있어, 종래 기계식 빔 스티어링에 따른 문제점을 해결할 수 있으며, 전기 신호를 통해 빔 제어가 가능하므로 집적화가 용이한 이점이 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 스티어링 장치(100)는 플라즈모닉스 현상을 이용하고 특히 전기장 변화에 따른 기판의 유전체 굴절률 변화를 이용함에 따라, 광범위에서 고해상도로 보다 간편하게 고속 빔 제어가 가능할 뿐 아니라, 저전력이 소모되면서 연속적으로 빔 제어가 가능한 새로운 방식의 비 기계식 빔 스티어링을 수행할 수 있는 이점이 있다.Accordingly, the beam steering apparatus 100 according to an embodiment of the present invention can non-mechanically steer the beam, thereby solving the problems associated with conventional mechanical beam steering, and since it is possible to control the beam through an electric signal, it is integrated. It has the advantage of being easy. In addition, the beam steering apparatus 100 according to an embodiment of the present invention uses a plasmonic phenomenon and, in particular, uses a change in the dielectric refractive index of a substrate according to a change in an electric field. In addition, there is an advantage of performing a new type of non-mechanical beam steering capable of continuously controlling beams while low power is consumed.

본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관하여 설명하였으나 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되지 않으며, 후술되는 청구범위 및 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.In the detailed description of the present invention, specific embodiments have been described, but various modifications may be made without departing from the scope of the present invention. Therefore, the scope of the present invention is not limited to the described embodiments, and should be defined by the claims to be described later and equivalents to the claims.

10: 도파로 20: 기판
30: 패치 100: 빔 스티어링 장치10: waveguide 20: substrate
30: patch 100: beam steering device

Claims

A waveguide made of a metal material having a pillar shape consisting of two undersides and side surfaces between the undersides and through which the beam flows into one underside;
A substrate made of a dielectric material surrounding the waveguide; And
Includes; a metal patch formed on the surface of the substrate,
A beam steering apparatus, wherein the introduced beam is waved along a lateral direction of the waveguide at an interface between the waveguide and the substrate according to a plasmonic phenomenon, and the waved beam is radiated through the patch.

The method of claim 1,
A beam steering apparatus, comprising steering a beam emitted from a patch by changing a dielectric refractive index of the substrate.

The method of claim 2,
A beam steering apparatus, characterized in that the electric field applied to the substrate is changed to change the dielectric refractive index thereof.

The method of claim 3,
A beam steering apparatus, characterized in that, as the dielectric refractive index increases, the beam radiated from the patch is radiated further away from the center.

The method of claim 1,
The waveguide is a beam steering apparatus, characterized in that the shape of a polygonal column having a side surface in the longitudinal direction.

The method of claim 1,
The plurality of patches are provided, each of which is arranged to be spaced apart from each other along a length direction of the waveguide.

The method of claim 6,
The plurality of patches are arranged to be symmetrical to both sides of the waveguide interposed therebetween.

The method of claim 6,
The patch is a beam steering apparatus, characterized in that the column shape derived from the surface of the substrate.