광학과 포토닉스의 물리 법칙을 사용하여 빛의 전파를 모델링할 수 있습니다. 기하 광학이라고도 하는 기존의 반사 및 굴절 광학은 빛을 광학 재료(예: 연마된 유리, 착색된 반투명 플라스틱, 인간 피부, 무광 백색 페인트 등)에 의해 반사, 굴절, 확산 또는 흡수될 수 있는 광선으로 설명합니다.

반대로, 회절 광학은 빛을 전자기파로 설명합니다. 빛의 회절은 광파가 파장과 크기가 비슷한 미세 구조(미세 광학 요소) 또는 개구부에 부딪힐 때 발생합니다. 빛이 수백 나노미터 크기의 이러한 구조를 통과하며 회절할 때, 빛은 초점을 맞추거나, 형태를 바꾸거나, 방향을 전환하거나, 분할될 수 있습니다.

회절을 통해 빛의 특성을 조작하는 구성 요소를 회절 광학 요소(DOE)라고 합니다. 이러한 요소 중 일부는 회절 격자와 같이 오늘날 광학 분야에서 사용되고 있으며, 다른 요소는 새롭고 차세대 광학 렌즈로 여겨집니다(예: 메타표면 및 메타렌즈).

DOE는 빛의 위상, 편광 및 강도를 정밀하게 제어할 수 있어 매우 바람직합니다. 또한 기존의 굴절 광학 요소에 비해 훨씬 얇고 가벼워 광학 시스템의 크기, 무게 및 비용을 줄일 수 있습니다.

광원 조작에 사용되는 다양한 유형의 회절 광학 요소(DOE)가 있습니다. 여기에는 회절 격자, 프레넬 존 플레이트, 회절 빔 분할기, 회절 빔 셰이퍼, 회절 디퓨저가 포함됩니다.

회절 격자

회절 격자는 매우 작고 주기적인 패턴으로 만들어진 광학 구조물로, 패턴 간의 간격은 빛의 파장만큼 짧습니다(즉, 마이크로미터 또는 나노미터 범위). 이러한 패턴은 입사광을 회절 차수라고 하는 여러 공간 방향으로 방향을 바꿀 수 있습니다. 회절 격자는 분광법부터 증강 현실(AR) 안경까지 다양한 응용 분야에서 사용됩니다. 

회절 격자에는 두 가지 유형이 있습니다.

• 표면 형상 격자
• 볼륨 홀로그래픽 격자

표면 형상 격자는 다이아몬드 선반 가공, 3D 프린팅 또는 리소그래피를 사용하여 기계적으로 제작된 작고 주기적인 홈을 포함합니다. 각 유형의 격자에 있는 홈은 서로 다르므로 설계자는 원하는 응용 분야와 파장 범위에 맞게 격자를 조정할 수 있습니다. 이러한 홈은 빛을 조작하는 역할을 합니다. 주기와 구조를 변경하면 격자의 회절 효율과 회절 차수가 변경됩니다. 이를 통해 빛을 조작할 때 더 나은 제어가 가능합니다.

볼륨 홀로그래픽 격자는 감광성 물질 내에 홀로그래픽 패턴을 기록하여 제작됩니다. 먼저, 감광성 물질(예: 폴리머 또는 유리)을 두 개의 정합 레이저 빔에 의해 생성된 간섭 패턴에 노출시킵니다. 이는 기판 내부에서 굴절률의 3차원 변조를 형성합니다.

빛이 격자의 원래 기록 각도 중 하나에 도달하면, 제작 과정에서 사용된 두 번째 기록 빔을 재현합니다. 응답 대역폭은 재료, 변조 지수 및 격자 두께에 따라 달라집니다.

프레넬 존 플레이트

프레넬 존 플레이트는 방사형으로 증가하는 선 밀도를 가진 원형 격자(즉, 바깥쪽 가장자리로 갈수록 점점 가까워지는 링)로 구성됩니다. 동심원 격자는 투명과 불투명을 번갈아 가며 배열됩니다. 투명한 링에 닿는 빛은 투과되고, 불투명한 링에 닿는 빛은 회절됩니다. 링 사이의 간격은 회절된 빛이 간섭하는 방식을 결정하여 초점을 맞춰 이미지를 형성합니다. 프레넬 존 플레이트는 다양한 파장에 걸쳐 사용할 수 있으므로 X선 이미징, 분광법, 사진, 망원경 등 다양한 응용 분야에서 유용하게 사용됩니다.

회절 빔 스플리터

회절 빔 스플리터는 입사광을 여러 개의 빔 출력, 즉 회절 차수로 분할하는 격자입니다. 각 출력 빔은 입력 빔과 동일한 광학 특성을 유지합니다. 이러한 장치는 일반적으로 레이저 빔과 같은 장치에서 단색광과 함께 사용되며 특정 파장과 회절 각도에 맞게 설계되었습니다.  

회절 빔 셰이퍼

회절 빔 셰이퍼는 가우시안 강도 분포를 가진 레이저 빔의 위상 프로필과 강도를 변경합니다. 즉, 빔의 중심에서 가장 밝고, 가장자리로 갈수록 점진적으로 감소하는 형태입니다. 회절 빔 셰이퍼는 입력 빔의 특성을 조작하여 출력 빔의 모양을 변경합니다. 출력 빔은 일반적으로 원형 또는 직사각형이지만, 다른 빔 형상 프로파일도 얻을 수 있습니다. 회절 빔 셰이퍼는 리소그래피, 홀로그램 조명, 광 센서, 생체 의학 응용 분야 및 레이저 재료 가공에 사용됩니다.

회절 디퓨저

회절 디퓨저도 입사한 레이저 빔을 여러 개의 출력 빔으로 변환하지만, 가장 큰 차이점은 이 빔들이 서로 겹쳐지고 간섭하여 균질한 분포를 형성한다는 것입니다. 일반적으로 빛의 회절 및 분포 방식을 결정하는 특정 미세 구조 패턴으로 구성됩니다. 엔지니어는 이러한 마이크로메트릭 구조를 설계하여 고유한 조명 패턴(예: 원형, 사각형 또는 십자)을 얻을 수 있습니다.

회절 디퓨저는 기존 굴절 광학 부품의 제약 없이 광원을 균질화하고 좁은 빔을 더 넓은 각도로 확산하는 데 사용됩니다. 이러한 응용 분야에는 더 나은 이미지 캡처를 위해 균일한 조명을 제공하는 머신 비전 시스템, 시야각을 개선하는 디스플레이, 레이저 빔을 넓은 영역에 균일하게 확산하는 플래시 라이다, 그리고 레이저 빔의 확산 정도(확산 각도라고도 함)를 제어하는 스캐닝 라이다 등이 있습니다. 

기존 DOE와 더불어 차세대 광학 기술을 대표하는 새로운 종류의 고급 회절 광학 부품이 등장하고 있습니다. 이러한 부품은 나노임프린팅 및 리소그래피와 같은 첨단 반도체 제조 기술을 사용하여 제작됩니다. 오늘날 가장 중요한 고급 DOE 중 두 가지는 광자 집적 회로(PIC)용 메타렌즈와 격자 커플러입니다.

메타렌즈

메타렌즈는 기판 전체에 배치된 수백만 개의 메타 원자(다양한 모양과 크기를 가진 나노스케일 구조)로 구성되어 렌즈를 형성합니다. 표면에서 메타 원자의 크기와 위치는 광파의 방향 전환 방식을 변화시킵니다. 메타렌즈는 머리카락 한 가닥만큼 얇고 훨씬 더 컴팩트하여 기존의 부피가 큰 렌즈에 비해 매우 얇은 대안을 제공합니다. 매우 가벼워 휴대기기에 이상적입니다. 또한, 반도체 칩 대량 생산에 이미 사용되는 공정과 장비를 사용하여 제조할 수 있습니다.

메타렌즈는 또한 특정 색상이나 파장을 집중시키거나 필터링하여 색수차를 크게 줄일 수 있습니다. 이러한 장점으로 인해 메타렌즈는 기존 굴절 렌즈를 대체할 유망한 기술로 자리 잡고 있으며, 증강 현실(AR) 안경의 투영 시스템, 내시경용 얇고 컴팩트한 투영 및 이미지 렌즈, 그리고 휴대전화 및 드론용 카메라 등 다양한 응용 분야에서 활용될 수 있습니다.

광 집적 회로용 격자 커플러

또 다른 분야는 공동 패키지 광학(Co-Packaged Optics, CPO)으로, 패키지된 기판 위에 광학 부품과 실리콘으로 구성된 통합 시스템을 말합니다. 공동 패키지 광학은 현대 전자 기기의 전력 및 대역폭 문제를 해결하기 위해 개발되었으며, 광자 집적 회로 개발의 중요한 디딤돌로 여겨집니다. 주요 응용 분야로는 증강 현실, 가상 현실, 이미지 센서, 광통신 등이 있습니다.

공동 패키지된 광학 장치를 사용하면 크기가 서로 다른 두 개의 도파관(입력 및 출력)을 결합하여 빛이 한 도파관에서 다른 도파관으로 낮은 감쇠 또는 최소한의 신호 손실로 전달될 수 있습니다. 이러한 접합은 PIC의 기본 구성 요소가 되어 전자 부품을 광자 부품으로 대체할 것으로 예상됩니다. PIC는 빛이 전자의 속도보다 빠르게 이동하기 때문에 미래에 수요가 높을 것으로 예상됩니다. 즉, 이론적으로 회로가 더 높은 데이터 전송 속도로 훨씬 더 빠르게 작동할 수 있다는 의미입니다.

회절 광학 요소는 복잡성과 작은 규모로 인해 3D 전자기 시뮬레이션 소프트웨어에 이상적입니다. 예를 들어, 메타렌즈의 경우, 시뮬레이션을 통해 연구자들은 메타 원자의 위치와 크기를 조사하여 다양한 배열을 통한 빛의 회절을 시뮬레이션할 수 있습니다. 시뮬레이션은 설계자가 회절 광학 구성 요소에 의해 조작될 때 필드 분포, 원거리장 패턴 및 파면의 변화를 분석하는 데 도움이 될 수 있습니다.

Ansys Lumerical 제품군, Ansys Speos 소프트웨어, Ansys Zemax OpticStudio 소프트웨어는 회절 광학 구성 요소를 시뮬레이션할 수 있습니다. Lumerical 제품군의 FDTD 및 RCWA 솔버를 사용하여 개별 구성 요소를 설계하고 OpticStudio 소프트웨어에서 DOE의 성능을 분석할 수 있습니다. 이러한 소프트웨어 패키지를 사용하면 단일 렌즈 또는 여러 렌즈를 동시에 시뮬레이션할 수 있습니다.

메타렌즈 설계 및 시뮬레이션

시뮬레이션 소프트웨어는 다양한 메타 원자 배열과 크기를 가진 메타렌즈를 빛이 어떻게 통과하는지 보여주고, 설계 데이터를 내보내 제작에 활용할 수 있습니다. 이러한 시뮬레이션은 증강 현실 및 소형 프로젝터 애플리케이션용 렌즈 개발에 활용될 수 있습니다. Ansys 소프트웨어의 다중 GPU 설정은 여러 GPU의 메모리와 처리 능력을 결합하여 시뮬레이션 성능을 가속화하고, 수백만 개의 메타 원자를 포함하는 대형 메타렌즈 시스템을 시뮬레이션할 수 있도록 지원합니다.

공동 패키지 광학 적용

Lumerical 제품군의 공동 패키지 광학 시뮬레이션은 빛이 도파관을 통해 어떻게 전파되는지 모델링하고, 도파관의 모양이 광파의 분할 및 방향 설정에 얼마나 중요한지 보여줍니다. 이러한 디지털 모델은 공동 패키지 광학이 PIC 개발을 어떻게 지원할 수 있는지 보여줍니다. 또한 광학 시뮬레이션은 설계자가 회절 격자가 빛을 도파관에 얼마나 효과적으로 결합시킬 수 있는지 평가하고, 후속 도파관의 모양과 크기에 맞게 파동 전파를 어떻게 수정할 수 있는지 보여주는 데 도움이 될 수 있습니다. 더 나아가, 파면을 결합하여 특정 패턴을 형성하는 방법을 모델링할 수 있습니다.

공동 패키지 광학 격자 커플러 인-아웃 설계

메타렌즈와 공동 패키지 광학은 다음과 같은 다양한 기술 발전의 기반이 됩니다.

• 더 얇고 컴팩트해진 휴대폰과 카메라
• CMOS 이미지 센서, 마이크로렌즈 어레이, Bayer 컬러 필터를 대체할 수 있는 메타표면
• 더 밝고 선명한 화질을 제공하는 가볍고 컴팩트한 증강 현실 안경
• 더 빠른 통신을 위해 기존 전자 부품을 대체할 수 있는 포토닉 구성 요소
• 공초점 레이저 주사 현미경, 광간섭단층촬영(OCT), 내시경, 인공수정체를 포함한 첨단 의료 광학 기술

Ansys 소프트웨어 도구는 기업이 제작을 시작하기 훨씬 전에 설계를 개선할 수 있도록 지원합니다. 회절 광학 부품 설계를 지원하는 Lumerical 제품군과 같은 도구는 이미 학계에서 널리 사용되고 있으며, 많은 글로벌 기업에서 제품 개선에 활용되고 있습니다.

회절 광학 부품의 설계 및 제작을 향상시키고 시장에서 앞서 나가려면 당사 기술팀에 문의하십시오.

관련 리소스