전환 가능한 나노 안테나와 반사형 금속 렌즈를 이용한 통합 광빔 조향 장치

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 7099(2023) 이 기사 인용

756 액세스

12 알트메트릭

측정항목 세부정보

본 논문에서는 표준 통신 파장인 1550nm에서 광빔 조향을 제공하기 위해 반사형 메타 렌즈와 5개의 전환 가능한 나노 안테나가 결합된 통합 광학 장치를 제안합니다. 이를 위해 그래핀 기반의 전환 가능한 전력 분배기가 설계되고 나노 안테나와 통합되어 장치에 들어오는 빛의 흐름을 제어합니다. 방사된 빔의 각도 정확도를 높이기 위해 반사형 메타 렌즈에 따라 나노 안테나 공급 위치를 최적화하는 새로운 알고리즘이 제안되고 활용됩니다. 빔이 공간에서 회전할 때 빛 강도의 최소 변동을 달성하기 위해 엔지니어링된 메타 렌즈에 대한 최적의 단위 셀을 선택하는 알고리즘이 개발되었습니다. 전체 장치는 빔 방향의 높은 정확도(1도 이상)와 방사된 광 강도의 낮은 변화(1dB 미만)로 광학 빔 조향을 보여주는 전자기 전파 시뮬레이션을 사용하여 수치적으로 분석됩니다. 제안된 통합 장치는 칩 간 및 내부 칩 광 상호 연결, 광 무선 통신 시스템 및 고급 통합 LIDAR과 같은 다양한 애플리케이션에 사용될 수 있습니다.

광학 나노 안테나는 마이크로 및 나노미터 차원1,2,3,4의 빛 프로필을 제어하도록 설계된 장치입니다. 빛을 제어하는 ​​능력은 광 무선 통신 시스템5,6,7,8, 플라즈몬 바이오 센서9, 하위 파장 이미징 장비10,11,12, 태양 전지의 광 트래핑을 포함한 다양한 응용 분야에서 사용될 수 있습니다. 빔 조종 기능이라고 불리는 나노 안테나 방사 패턴의 동적 제어는 특히 인증15, 광통신6, 홀로그래피16, 이미징17 및 LIDAR18,19에 사용할 때 앞서 언급한 응용 분야에서 더 많은 유연성을 제공할 수 있습니다.

광 빔 조향을 실현하기 위해 위상 배열 안테나20,21,22,23, 누설파 안테나27,28,29,30,31,32 및 조정 가능한 단위 셀33,34,35,36,37,38이 있는 메타표면을 포함한 다양한 방법이 있습니다. 지금까지 제안되었습니다. 그러나 이전에 개발된 모든 기술에는 광학 빔 조향을 실현하기 위한 새로운 기술과 방법을 개발하는 지속적인 연구 흐름을 만드는 고유한 한계와 단점이 있습니다.

빔 스캐닝을 제공하기 위해 마이크로파 영역에서 널리 사용되는 위상 배열 안테나는 각 안테나 요소에 연결된 조정 가능한 위상 천이기에 의해 빔이 제어되는 동일한 광학 나노 안테나 세트로 구성됩니다. 좁은 빔 폭, 넓은 빔 스캐닝 및 높은 해상도는 광학 위상 배열 안테나의 장점입니다. 그러나 느리게 조정 가능한 위상 시프터20, 큰 치수20,21,22,23 및 높은 수준의 성가신 로브22,23와 같은 일부 제한 사항과 단점으로 인해 애플리케이션이 제한됩니다. Luneburg 렌즈24 또는 Rotman 렌즈25가 장착된 통합 구조는 위상 시프터가 필요하지 않으며 넓은 스캐닝 범위에서 빔 조종을 가능하게 합니다. 그러나 높은 손실과 제조 복잡성으로 인해 어려움을 겪습니다.

또 다른 접근 방식에서는 누설파 구조를 사용하여 크기를 줄이고 위상 천이기의 필요성을 제거합니다. 이러한 구조는 단일 톤 그룹과 다중 톤 그룹으로 분류될 수 있습니다. 다중 톤 누설파 안테나에서 빔의 회전은 고가의 고대역폭 레이저27,28,29,30에 대한 액세스가 필요한 방사 파장을 변경하여 달성됩니다. 그러나 단일 톤 구조는 단일 파장에 대한 굴절률의 변화를 기반으로 작동합니다. 이 방법에서는 굴절률이 주로 열적으로 변경되어 저속 기술이 됩니다. 또한, 작은 시야(FOV)와 높은 손실은 누설파 안테나의 다른 단점으로 간주될 수 있습니다.