이중 레이어의 복잡한 공간 광 변조 기능

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 8277(2022) 이 기사 인용

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광파의 진폭과 위상을 동시에 제어할 수 있는 복합공간광변조기(SLM)는 홀로그램 3차원 디스플레이를 비롯한 광범위한 파동광학 기술의 핵심 기술이다. 본 논문에서는 전압 입력의 자유도가 2배인 이중 평면 내 스위칭 액정 패널로 구성된 평면 패널 복합 공간 광 변조기를 제시합니다. 제안된 아키텍처는 전체 자유 공간에서 복잡한 광 변조를 가능하게 하는 단일 픽셀 수준의 복합 광 변조를 특징으로 하며 이는 기존의 매크로 픽셀 기반 복합 변조 기술과 가장 대조적입니다. 복잡한 광 변조 기능은 이론적 시뮬레이션과 실험적 특성화, 공액 노이즈가 없는 3차원 홀로그램 이미지 재구성을 통해 검증되었습니다. 제안된 평면 패널 복합 SLM은 광범위한 첨단 파동 광학 기술을 위한 필수 장치가 될 수 있다고 믿어집니다.

파동장 합성은 기초기술이다. 광파의 파면을 직접 변조하는 필수 장치인 공간 광 변조기(SLM)는 설계 수준에서 파동장 합성 및 수정 방법을 제공합니다. 홀로그램 이미징, 홀로그램 디스플레이와 같은 디지털 홀로그래피 기술은 SLM 기술1,2,3,4,5,6의 혜택을 받는 대표적인 분야입니다. 또한 SLM은 빔 스티어링7, 광통신8,9, 고급 현미경 및 생체 의학 이미징10,11과 같은 파장 광학 기술에 광범위하게 사용되었습니다.

SLM의 변조 성능은 파동 광학 기반 기술의 전반적인 성능에 근본적인 제한을 설정합니다. 투과형 SLM과 반사형 SLM12,13,14,15,16,17에서는 일반적으로 높은 효율과 낮은 잡음으로 파동 광학장 분포의 제어 가능성을 달성하는 것이 매우 바람직합니다. SLM 기술의 발전은 투과형 액정패널1,2,11,18,19, 반사형 액정온실리콘(LCoS)5,8,20, 반사형 디지털 마이크로 등 다양한 방향으로 발전해 왔다. -거울 장치(DMD)4,10, 그리고 최근에 떠오르는 능동 메타포토닉스 SLM21,22,23. 진폭 또는 위상 전용 변조를 사용하는 다양한 SLM 접근 방식이 도입되었지만 대부분은 DC 및 공액 잡음과 같은 여러 유형의 잡음 문제로 어려움을 겪고 있습니다. 이러한 문제를 극복하기 위해 많은 연구가 시도되었습니다. 일부 접근 방식에서는 잡음을 필터링하기 위해 추가 시스템을 구현했지만26,27 대부분의 경우 시스템의 효율성이 떨어지거나 부피가 커졌습니다. 다른 잘 알려진 접근 방식은 추가 컴퓨터 생성 홀로그램(CGH) 설계 알고리즘을 위상 전용 SLM으로 인코딩하는 것이지만 시스템 시간이 많이 걸리거나 제한된 필드에서만 변조를 제공합니다. 이 문제를 극복하기 위한 근본적인 해결책은 단일 픽셀 수준에서 진폭과 위상을 동시에 제어하는 ​​진정한 복합 광 변조라는 데 동의했습니다.

특히, 입사광의 진폭과 위상을 변조하는 복잡한 SLM은 디스플레이 응용 분야를 포함한 다양한 엔지니어링 분야에 적용 가능성이 높습니다. 복잡한 SLM은 디지털 3차원(3D) 홀로그램 디스플레이에 매우 중요합니다. 최근 메타버스 또는 혼합 현실을 위한 증강 현실 기반의 고급 홀로그램 비전과 모든 광 신경망과 같은 새로운 광 컴퓨팅 기술이 복잡한 SLM 기술의 유망한 응용 분야가 되었습니다.

그러나 복잡한 SLM에 대한 실용적인 솔루션은 수십 년 동안 어려운 문제였습니다. 빛의 진폭과 위상을 별도로 변조하려면 두 개의 독립적으로 제어 가능한 전압 전극과 같은 두 개 이상의 독립적인 제어 자유도가 필요하기 때문에 복잡한 변조 특성을 갖는 단일 패널 LC SLM을 만드는 과제를 고려해야 합니다. 현재 LCD 제조 인프라에서는 두 개의 독립적인 전압 전극을 단일 LC 패널 구조에 통합하는 것이 허용되지 않습니다.