Extreme miniaturization of optical devices using multi-layered metasurfaces

Abstract

The evolution of artificial intelligence and communication technologies have enabled to provide various technological devices in a form that is accessible anytime and anywhere. Thus, this trend requires the convergence of various complicated optical devices. However, not only the bulky size but also the difficulties in the integration of the conventional optical components such as polarizers, spatial light modulators, and optical mirrors are significant obstacles to develop the mobile optical devices.

In order to overcome the limitations of conventional optical devices, the development of compact optical devices using metamaterials and metasurfaces has been actively studied. However, the weak light-matter interaction of the metasurface and the complex fabrication process of the metamaterials hinder to develop practical optical systems.

In this dissertation, the miniaturized various optical devices are demonstrated using the multi-layered metasurfaces that are achieved by stacking multiple metasurfaces with subwavelength distances among the layers. Compared with the single layer of metasurfaces, the multi-layered metasurface can enhance the light-matter interaction and combine multiple functions through allowing additional degrees of freedom to manipulate the light. Moreover, it can be a promising solution for practical applications because the fabrication is relatively easier than the three-dimensional metamaterials. Therefore, in this dissertation, novel optical devices that combine the multiple roles of various optical elements within subwavelength scales are demonstrated using the multi-layered metasurfaces.

Firstly, a novel optical device capable of independently controlling the amplitude and polarization angle of the transmitted light is proposed. The proposed structure consists of anisotropic nanorods and grating layers. The nanorods serve to rotate the polarization of light according to the rotated angle of their axes, and the grating layer acts as a linear polarizer. The polarization rotation angle of the transmitted light is determined by the rotated angle of the grating structure, and the final transmittance is determined by controlling the rotated angle of the nanorods. Thus, the proposed structure can transmit linearly polarized light with an arbitrary polarization angle and amplitude when unpolarized light is incident. The proposed structure is expected to be applicable to various optical devices because the function of polarization rotator and amplitude modulator can be realized with thickness of several hundred nanometers.

Secondly, ultracompact color pixel that can express high color depth with wide gamut. The proposed structure can be understood as a structure in which a polarizer, a color filter, and a liquid crystal in a liquid crystal display are combined. The proposed structure is achieved by stacking grating layer on the rotated nanorod metasurface. Each nanorod works as a polarization rotator only at a specific resonance wavelength determined by the Mie resonances of the nanorods. Therefore, when white the light polarized parallel to the grating axis is incident on the proposed structure, only the specific spectral response can be transmitted through the polarization rotation. Thus, the spectral resonance (resonance wavelength and bandwidth) and the intensity of the transmitted light can be independently controlled by the size and the rotated angle of the nanorods, respectively. Also, the cavity effect originating the metasurface layers permits an additional degree of freedom for manipulating the Mie resonances, and thus this effect is exploited to generate pure colors. The proposed structure is expected to be applicable to next-generation display devices because it has advantages of thin thickness and very small pixel size.

Finally, an ultrathin circular polarizer capable of operating over the entire visible light is implemented by the helically stacked metal nanogratings. The proposed structure transmits the circularly polarized light rotating in the opposite direction to that of the structure, but it reflects the light rotating in the same direction. In this configuration, the nanograting structures are not linear polarizers but anisotropic current sheets. The nanograting layers induce the electrical currents along the axis of each layer, which results in the non-resonant three dimensional chiral loop. The proposed structure with a thin thickness is expected to be useful for miniaturization of various optical devices by replacing the conventional circular polarizers having narrow bandwidth and bulky size.

This dissertation is expected to contribute to the miniaturization of existing optical elements by developing ultrathin optical elements and multifunctional optical devices with a small form factor.

인공지능과 정보화 기술의 발전은 과학기술을 언제 어디서나 접근 가능하도록 만들고 있다. 이런 추세에 따라, 최신 정보화 기기들은 다양한 기술들을 융합하여 개발되고있으며 여러 복잡하고 다양한 기기들의 집적화를 통하여 제작된다. 하지만 기존의 광학 소자들은 두꺼운 부피를 가질 뿐만 아니라 집적화에 어려움 때문에 초소형 광학 소자 개발에 병목현상이 되고있다.

이러한 기존의 광학 소자의 한계점을 극복하기 위해서, 메타물질 및 메타표면을 이용한 초소형 광학 소자 개발이 활발히 연구되고있다. 하지만 메타표면은 빛과 물질의 상호작용이 약하고, 메타물질은 공정법이 제한적이고 복잡하여 실용화가 어렵기 때문에 초소형 광소자를 개발하는데 어려움을 겪고 있다.

본 박사학위 논문에서는 다양한 초소형 광학 소자들을 적층형 메타표면을 이용하여 개발하는 것을 목표로 한다. 적층형 메타표면은 여러 개의 메타표면을 파장이하의 간격을 두고 적층한 형태를 말한다. 이런 적층형 메타표면은 단일 메타표면과 비교하여 강한 빛과 구조의 상호작용을 유도할 수 있으며, 빛을 제어함에 있어서 높은 자유도를 갖기 때문에 다기능성의 광학소자 개발에 유리하다. 또한, 3차원 메타물질에 비하여 공정 방법이 쉽고 기존의 반도체 공정을 이용할 수 있어 상용화 가능한 응용 소자를 제작하는데 용이하다. 본 박사학위 논문에서는 편광자와 같은 개별 광학 소자 뿐만 아니라 여러 광학 소자의 역할이 결합된 초소형 광학 소자를 개발한다.

첫째로, 투과 광의 진폭과 편광 회전을 독립적으로 조절 가능한 광학 소자를 제안한다. 제안된 소자의 구조는, 축의 회전 각도에 따라 빛의 편광을 회전시키는 역할을 하는 비등방성 나노막대와, 선형 편광자 역할을 하는 금속 격자구조가 회전하며 적층되어있는 구조이다. 투과광의 편광 회전 각도는 금속 격자구조의 회전각에 의하여 결정되며, 최종 투과율은 나노막대의 각도를 조절하여 결정된다. 따라서, 제안된 구조는 편광되지 않은 빛이 입사할 때, 임의의 편광 각도와 진폭을 갖는 선형편광을 투과시킨다. 제안된 구조는 편광 회전자와 진폭 변조기의 기능을 수백 나노미터의 두께에서 구현이 가능하여 다양한 광소자에 적용 가능할 것이라 기대된다.

두번째로, 투과광의 파장과 세기가 독립적으로 제어가능하고, 넓은 색영역이 표현 가능한 초소형 컬러 픽셀을 제안한다. 제안된 구조는 액정표시장치에서 편광자, 컬러필터, 액정이 결합된 구조로 이해할 수 있다. 제안된 구조는 높은 굴절률의 나노막대 메타표면 위에 금속 격자구조 메타표면이 적층된 구조이며, 나노막대는 Mie 공진을 이용하여 특정 공진 파장에서만 편광 회전자로 동작한다. 이때, 공진 파장은 나노막대의 크기에 따라 결정되고, 회전자로의 동작 정도는 나노막대의 회전각에 의존한다. 따라서 제안된 적층형 구조에서, 최상층의 나노격자구조의 격자 축에 평행하게 편광된 백색광을 입사시키면, 나노막대와 격자구조 층간의 상호작용을 통하여 회전된 빛만이 투과되어 색이 결정된다. 또한, 제안된 구조를 이용하여 높은 색심도를 갖는 초소형 픽셀 구현 방법을 제안하였다. 제안된 구조는 얇은 두께와 초소형의 픽셀 크기에 장점이 있어 차세대 디스플레이 소자에 응용 가능할 것이라 기대된다.

마지막으로, 전체 가시광선 대역에서 동작 가능한 원형편광자를 금속 격자구조의 비공진적 특성을 이용하여 구현하였다. 제안된 구조는 금소 나노격자구조가 나선형으로 적층된 구조로, 구조의 회전 반향과 반대로 회전하는 광은 투과시키고 같은 방향으로 회전하는 광은 반사시키는 원리를 이용한다. 이때, 나노격자구조는 격자구조를 따라서 유도 전류를 비공진적으로 유도하여 광대역에 동작 가능하도록 만든다. 얇은 두께의 제안된 구조는 기존의 두꺼운 원형편광자를 대체하여 다양한 광학기기의 소형화에 도움이 될 것이라 기대된다.

본 박사학위 논문은 개별 광학소자 및 다기능이 결합된 광학 소자를 개발하여, 기존의 광학소자의 초소형화에 기여할 수 있을 뿐만 아니라 높은 자유도를 제공하여 새로운 광학소자 개발에도 활용될 수 있을 것이라 기대된다.