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광학 기술의 획기적인 혁명인 메타렌즈는 얇고 평평한 표면으로 다양한 응용 분야에서 기존 렌즈를 보강할 수 있습니다. 하지만 설계가 복잡하기 때문에 메타렌즈 개발은 쉽지 않습니다. 메타렌즈는 일반적으로 Meta-Atom이라고 하는 수백만 개의 서브 파장 단위 셀로 구성됩니다. Meta-Atom의 광학 속성을 시뮬레이션 하려면 맥스웰 방정식 솔버가 필요하지만 근사치 없이 밀리미터 규모의 면에서 이를 수행하기는 어렵습니다. Synopsys가 이 설계 워크 플로우를 정확하고 효율적으로 간소화 할 수 있는 솔루션을 제공합니다.
이 포스팅에서는 CODE V의 광선 기반 자동 설계 툴과 파동 기반 역설계 툴인 MetaOptic Designer를 결합하여 초광각 메타렌즈를 포함한 이미징 시스템을 설계함으로써 메타렌즈 설계 문제를 해결하는 방법을 공유합니다.
Calculate Meta-Atom Optical Properties
Meta-Atom 광학 속성 산출
메타렌즈는 나노 구조를 사용하여 파면을 수정하는 광학 소자입니다. 이러한 나노 구조는 Meta-Atom이라고도 합니다. Meta-Atom은 나노 구조에서 높은 차수의 회절을 제거하기 위해 메타 표면에 서브 파장 간격으로 배열되어 있습니다. Meta-Atom은 입사 필드의 Phase와 투과를 수정합니다. 이러한 광학 속성의 변화는 Meta-Atom의 재질, 형태, 방향과 같은 여러 요인에 따라 달라집니다. 설계 도구를 사용하면 Meta-Atom 설계 파라미터를 공간에서 변화시켜 파면 제어를 변경할 수 있습니다.
그림 1. 메타렌즈와 다양한 Meta-Atoms
메타렌즈 설계와 관련한 Meta-Atom 광학 속성은 양방향 산란 분포 함수 (BSDF) 데이터베이스로 설명할 수 있습니다. Synopsys는 RSoft DiffractMOD RCWA 또는 FullWAVE FDTD와 같은 Meta-Atom 데이터베이스 계산을 위한 도구를 제공합니다. 이 데이터베이스는 CODE V의 광선 기반 설계 방식과 파동 기반 역설계 툴인 MetaOptic Designer에서 모두 사용할 수 있습니다.
다음 예시에서는 SiO2 기판 위에 육각형으로 배열된 나노 필러를 Meta-Atom으로 사용합니다. Phase 지연을 얻기 위해 필러의 지름을 변경합니다. Meta-Atom의 광학 속성을 계산하기 위해 RSoft BSDF 생성 유틸리티를 사용하면 쉽게 계산할 수 있습니다.
Designing a Metalens with CODE V
CODE V를 활용한 메타렌즈 설계
메타렌즈 설계의 시작점을 생성하기 위해 CODE V 2024.03 에서 MetaOptic Design 기능을 사용합니다.
메타렌즈 표면의 Meta-Atom 설계 파라미터 분포를 다항식 함수로 표현합니다. CODE V는 BSDF 데이터베이스에 엑세스하여 Meta-Atom 트렌스퍼 함수의 각도 및 파장 의존성을 고려합니다.
CODE V 의 광선 기반 방식은 회절 광학 요소와 유사한 방식으로 메타렌즈를 처리합니다. 최적의 Phase를 설계하는 대신 CODE V는 Meta-Atom 설계 파라미터의 분포를 직접 설계합니다. 그림 2의 예에서 볼 수 있듯이 광학 성능을 최적화하기 위해 설계 파라미터를 나타내는 다항식의 계수를 다양하게 변경했습니다. CODE V의 광선 기반 설계 흐름의 두번째 단계는 메타렌즈의 최대 및 최소 설계 파라미터를 변경하여 투과를 최적화 하는것입니다. 최종적으로 제작에 필요한 GDS 파일이 CODE V에서 생성됩니다.
그림 2: 설계에 사용된 Meta-Atoms (왼쪽), MetaOptic Module을 사용하여 CODE V에서 설계한 170도 시야각의 초광각 메타렌즈의 측면도 (오른쪽)
Further Optimization with MetaOptic Designer
MetaOptic Designer를 통한 최적화
그림 3과 같이 CODE V의 광선 기반 설계를 MetaOptic Designer로 쉽게 가져와서 분석 및 추가 최적화를 수행할 수 있습니다.
그림 3: 분석을 위해 MetaOptic Designer로 가져온 CODE V 설계
역설계 기능을 사용하는 MetaOptic Designer에서는 면의 Meta-Atom 설계 파라미터 분포 함수를 자유롭게 변경할 수 있습니다. 이 설계의 자유로움 덕분에 메타렌즈를 한단계 더 최적화 할 수 있습니다. MetaOptic Designer에서 최적화 한 후에는 MTF와 초점 효율이 모두 향상됩니다. GDS 데이터 파일로 내보낸 최종 설계는 그림 4에 나와있습니다. GDS 파일은 최적화된 설계 파라미터를 기반으로 마스크 정보를 제공하며 육각형 배열로 생성됩니다.
그림 4: 1mm 두께 메타렌즈의 GDS 레이아웃
Validation with FDTD
FDTD를 통한 검증
CODE V MetaOptic Module과 MetaOptic Designer에서 가정한 로컬 주기 근사치를 사용하여 도입된 효과를 테스트하기 위해 유한 차분 시간 도메인 솔버 (Finite-Difference Time-Domain Solver)인 RSoft FullWave FDTD Tool을 사용하여 설계를 검증했습니다. 결과는 그림 5에 나와 있습니다. FullWave FDTD는 다양한 입사각 (이 경우는 0°,45°, 60° 가 평가됨)에 대해 필드의 잘 정의된 이미지 면을 보여줌으로써 CODE V MetaOptic Design 및 MetaOptic Designer로 진행한 최적화를 검증합니다.
그림 5: 최종 설계, FDTD 를 통한 검증
Conclusion
결론
본 포스팅에서는 Synopsys의 Tool을 활용하여 초광각 메타렌즈를 설계하는 방법과 예제를 보여드렸습니다. Synopsys는 Meta-Atom 데이터베이스를 계산하고 전체적 설계 워크플로우를 간소화 할 수 있는 전문 솔루션을 제공합니다. 광선 광학, 나노 포토닉스 및 리소그래피 전문가들이 함께 개발한 MetaOptic Designer는 설계자가 메타렌즈 설계를 효과적으로 탐색하고 활용할 수 있도록 도와줍니다. 광학 설계에 제조 인식을 도입하고 설계 워크 플로우를 간소화함으로써 광학 시스템 설계 진행 시 메타렌즈가 더 널리 채택될 수 있기를 바랍니다.