CN107728341A - 使用相变材料的光学调制器及包括其的三维图像获取设备 - Google Patents

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Abstract

提供了光学调制器和包括光学调制器的三维图像获取设备。光学调制器可以包括含相变材料的光学调制层。第一电极可以被提供在光学调制层的第一表面上。第二电极可以被提供在光学调制层的第二表面上。第一相控制层可以布置为面对光学调制层，第一电极设置在第一相控制层与光学调制层之间。第二相控制层可以布置为面对光学调制层，第二电极设置在第二相控制层与光学调制层之间。第一相控制层和第二相控制层的每个可以具有对应于λ/4的奇数倍的光学厚度，其中λ是待被调制的入射光的目标波长。光学调制器还可以包括布置为面对光学调制层的至少一个反射层。光学调制层可以具有约10nm以下的厚度。光学调制器的工作电压可以为约10V以下。

Description

使用相变材料的光学调制器及包括其的三维图像获取设备
技术领域
本公开涉及光学调制器以及包括光学调制器的设备。
背景技术
除了拍摄功能之外，三维(3D)照相机还包括测量从物体表面上的多个点到3D照相机的距离的功能。已经提出了用于测量物体与3D照相机之间的距离的各种算法，并且主要使用飞行时间(TOF)方法。TOF方法是测量光照射到物体之后并且直到从该物体反射的光被光接收单元接收为止的飞行时间的方法。可以主要通过测量光的相延迟来获得光的飞行时间，并且为该目的，使用了光学调制器。
根据相关技术的光学调制器通过在GaAs基板上生长III-V族化合物半导体的晶体的晶体生长法而被制造。基于III-V族化合物半导体的光学调制器具有其中多量子阱(MQW)结构布置于P电极与N电极之间的P-I-N二极管结构。然而，在基于III-V族化合物半导体的光学调制器中，由于约几微米或更大的厚吸收层以及用于改善性能的复杂堆叠结构，会增大工艺难度，会降低器件的再现性，并且会增加制造成本。
发明内容
提供了使用相变材料的光学调制器。
提供了具有相对简单的结构和优秀性能的光学调制器。
提供了可以减小光学调制层的厚度的光学调制器。
提供了可以减小工作电压的光学调制器。
提供了可以确保高光学调制率和高对比度(例如，解调对比度)的光学调制器。
提供了包括光学调制器的装置/设备。
额外的方面将在以下描述中被部分地阐述且部分将自该描述明显或者可以通过所给出的实施方式的实践而被了解。
根据一实施方式的方面，一种光学调制器包括：含相变材料的光学调制层；在光学调制层的第一表面上的第一电极；在光学调制层的第二表面上的第二电极；面对光学调制层的第一相控制层，第一电极设置在第一相控制层与光学调制层之间；面对光学调制层的第二相控制层，第二电极设置在第二相控制层与光学调制层之间；以及布置为面对光学调制层的至少一个反射层，其中，当待被调制的入射光的目标波长为λ时，第一相控制层和第二相控制层的每个具有对应于λ/4的奇数倍的光学厚度，并且光学调制器被构造为通过利用光学特性根据相变材料的相变而变化来调制光。
光学调制层可以包括约10nm以下的厚度。
光学调制层可以包括约7nm以下的厚度。
光学调制器可以被配置为在约10V以下的工作电压下运行。
光学调制器可以被配置为在约5V以下的工作电压下运行。
相变材料可以包括Ge40Sb10Te50。
第一电极和第二电极中的至少一个可以包括透明导电氧化物(TCO)。
光学调制层与第一电极和第二电极的总光学厚度可以满足λ/2的整数倍的条件。
第一相控制层和第二相控制层中的至少一个可以包括TiO2、SiO2、SiNx、Al2O3、AlN、HfO2、SiC和MgO中的一种。
所述至少一个反射层可以包括第一分布式布拉格反射器(DBR)和第二DBR中的至少一个，第一DBR可以布置为面对光学调制层，第一相控制层设置在第一DBR与光学调制层之间，第二DBR可以布置为面对光学调制层，第二相控制层设置在第二DBR与光学调制层之间。
第一DBR和第二DBR中的至少一个可以具有其中有不同折射率的第一材料层和第二材料层交替地且重复地堆叠一次或更多次的堆叠结构。
光学调制器还可以包括对入射光透明的基板，其中第一相控制层、第一电极、光学调制层、第二电极和第二相控制层顺序地堆叠在基板上。
光学调制器可以是利用根据透射率相变材料的相变而变化的透射式光学调制器。
光学调制器的透射率变化量可以为约40％以上。
光学调制器的透射率变化量可以为约50％以上。
光学调制器的解调对比度(D.C.)可以为约70％以上。
光学调制器的D.C.可以为约80％以上。
根据另一个实施方式的方面，一种光学设备包括以上限定的光学调制器。
根据另一实施方式的方面，一种三维(3D)图像获取设备包括：光源单元，其向物体发射光；光学调制单元，其调制从物体反射的光并包括以上限定的光学调制器；以及光探测单元，其探测由光学调制单元调制的光。
根据另一实施方式的方面，一种光学调制器包括：含相变材料的光学调制层；在光学调制层的第一表面上的第一电极；在光学调制层的第二表面上的第二电极；面对光学调制层的第一相控制层，第一电极设置在第一相控制层与光学调制层之间；面对光学调制层的第二相控制层，第二电极设置在第二相控制层与光学调制层之间，其中，当待被调制的入射光的目标波长为λ时，第一相控制层和第二相控制层的每个具有对应于λ/4的奇数倍的光学厚度，并且光学调制层与第一电极和第二电极的总光学厚度满足λ/2的整数倍的条件，并且光学调制器被构造为通过利用光学特性根据相变材料的相变而变化来调制光。
光学调制层的厚度可以为约10nm到约40nm。
相变材料可以包括Ge40Sb10Te50。
第一电极和第二电极中的至少一个可以包括透明导电氧化物(TCO)。
第一相控制层和第二相控制层中的至少一个可以包括TiO2、SiO2、SiNx、Al2O3、AlN、HfO2、SiC和MgO中的一种。
光学调制器还可以包括布置为面对光学调制层的第一分布式布拉格反射器(DBR)和布置为面对光学调制层的第二DBR中的至少一个，第一相控制层设置在第一DBR与光学调制层之间，第二相控制层设置在第二DBR与光学调制层之间。
光学调制层可以具有约10nm以下的厚度。
光学调制层可以具有约7nm以下的厚度。
光学调制器的工作电压可以为约10V以下。
光学调制器的工作电压可以为约5V以下。
光学调制器的透射率变化量可以为约40％以上。
光学调制器的透射率变化量可以为约50％以上。
光学调制器的解调对比度(D.C.)可以为约70％以上。
光学调制器的D.C.可以为约80％以上。
根据另一实施方式的方面，一种包括以上限定的光学调制器的光学设备。
根据另一实施方式的方面，一种3D图像获取设备包括：光源单元，其向物体发射光；光学调制单元，其调制从物体反射的光并包括以上限定的光学调制器；以及光探测单元，其探测由光学调制单元调制的光。
附图说明
这些和/或另外的方面将由以下结合附图对实施方式的描述变得明显且更易被理解，附图中：
图1是根据一实施方式的光学调制器的剖视图；
图2是示出根据一实施方式的应用于光学调制器的相变材料的相变的概念图；
图3A是示出根据一实施方式的施加到用于光学调制器的相变材料的电压以及根据其的相变的图；
图3B是示出根据另一实施方式的施加到用于光学调制器的相变材料的电压以及根据其的相变的图；
图4是用于说明通过图1的光学调制器的对入射光的调制的剖视图；
图5是示出根据一实施方式的光学调制器的由相变材料的相变引起的透射特性变化的曲线图；
图6是根据另一实施方式的光学调制器的剖视图；
图7是根据另一实施方式的光学调制器的剖视图；
图8是示出根据另一实施方式的光学调制器的由于相变材料的相变而引起的透射特性变化的曲线图；
图9是根据另一实施方式的光学调制器的剖视图；
图10是示出根据另一实施方式的光学调制器的由于相变材料的相变而引起的透射特性变化的曲线图；
图11是根据另一实施方式的光学调制器的剖视图；
图12是根据另一实施方式的光学调制器的剖视图；
图13是根据另一实施方式的光学调制器的剖视图；
图14是示意性地示出根据一实施方式的包括光学调制器的3D图像获取设备的示例性结构的框图；以及
图15是示意性地示出根据另一实施方式的包括光学调制器的3D图像获取设备的示例性结构的框图。
具体实施方式
现在将参照其中示出了示例实施方式的附图更充分地描述各种各样的示例实施方式。
将理解，当一元件被称为“连接”或“联接”到另一元件时，它可以直接连接或联接到所述另一元件，或者可以存在居间元件。相反，当一元件被称为“直接连接”或“直接联接”到另一元件时，没有居间元件存在。当在此使用时，术语“和/或”包括相关所列举项目的一个或更多个的任何和所有组合。
将理解，虽然可以在这里使用术语“第一”、“第二”等来描述各种各样的元件、部件、区域、层和/或部分，但是这些元件、部件、区域、层和/或部分不应受这些术语限制。这些术语仅用于将一个元件、部件、区域、层或部分与另一元件、部件、区域、层或部分区分开。因此，下面讨论的第一元件、部件、区域、层或部分可以被称为第二元件、部件、区域、层或部分，而不背离示例实施方式的教导。
为了描述的方便，在此可以使用诸如“在……之下”、“在……下面”、“下”、“在……之上”、“上”等的空间关系术语来描述如图中所示的一个元件或特征与另外的元件(们)或特征(们)的关系。将理解，除了图中所绘的取向之外，空间关系术语旨在还涵盖装置在使用或操作中的其它不同取向。例如，如果图中的装置被翻转，则被描述为“在”另外的元件或特征“下面”或“之下”的元件将取向为“在”所述另外的元件或特征“之上”。因此，示例性术语“在……下面”能包含上和下两个方向。装置可以被另行取向(旋转90度或处于另外的取向)，且在这里使用的空间关系描述语被相应地解释。
在此使用的术语仅出于描述特定实施方式的目的，不旨在限制示例实施方式。当在此使用时，单数形式“一”和“该”也旨在包括复数形式，除非上下文清楚地另有所指。还将理解，当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”指明所陈述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其组的存在或添加。
在这里参照剖视图描述了示例实施方式，所述剖视图是示例实施方式的理想化实施方式(以及中间结构)的示意图。照此，将预期到作为例如制造技术和/或公差的结果的相对于图示的形状的变化。因此，示例实施方式不应被解释为限于在此示出的区域的特别形状，而将包括例如由制造引起的形状的偏离。例如，被示为矩形的注入区将通常在其边缘处具有圆化的或弯曲的特征和/或注入浓度的梯度，而非从注入区到非注入区的二元变化。同样地，由注入形成的埋入区可以引起埋入区与通过其发生注入的表面之间的区域中的某些注入。因此，图中所示的区域本质上是示意性的，并且它们的形状不旨在示出器件的区域的实际形状，且不旨在限制示例实施方式的范围。
除非另外规定，在此使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与示例实施方式所属的领域的普通技术人员通常理解的相同含义。还将理解，术语，诸如通用词典中定义的那些，应被解释为具有与在相关技术的背景下的它们的含义相一致的含义，且将不在理想化或过度形式化的意义上被解释，除非在此明确地如此界定。
在下文中，将参照附图详细描述根据实施方式的光学调制器以及包括光学调制器的设备/装置。附图中所示的层或区域的宽度和厚度可能为了描述的清楚和方便而被稍微夸大。相同的附图标记在整个说明书中表示相同的元件。
图1是根据一实施方式的光学调制器M10的剖视图。
参照图1，光学调制器M10可以包括含相变材料的光学调制层ML10以及用于向光学调制层ML10施加电压的电极E10和E20。第一电极E10和第二电极E20可以分别被提供在第一表面例如光学调制层ML10的下表面和第二表面例如光学调制层ML10的上表面上。第一电极E10和第二电极E20可以连接到某个电压施加装置V，并通过向光学调制层ML10施加电压而改变相变材料的相。如下面参照图2至5所详细描述地，随着相变材料的相改变，光学调制层ML10的光学特性改变。
光学调制层ML10中包括的相变材料可以是例如Ge-Sb-Te基材料。Ge-Sb-Te基材料可以由GexSbyTez表示，其中x、y和z可以是正(+)整数。x、y和z可以满足x>y、y<z和x<z。在一详细示例中，相变材料可以是Ge40Sb10Te50。当使用相变材料时，可以容易地获得高光学调制特性和低电压驱动特性。
第一电极E10和第二电极E20中的至少一个可以包括透明导电氧化物(TCO)。在一详细示例中，第一电极E10和第二电极E20中的至少一个可以包括从由铟锡氧化物(ITO)、铟锌氧化物(IZO)、铝锌氧化物(AZO)等组成的组中选择的材料。例如，虽然第一电极E10和第二电极E20两者可以是ITO层，但这是示例性的，并因为可以采用对入射光透明的任何电极材料。考虑到形成电极的材料的折射率，第一电极E10和第二电极E20的每个的厚度可以被确定为例如约几百纳米(nm)或更小。
光学调制器M10可以包括面对光学调制层ML10的第一相控制层PL10，其间具有第一电极E10。此外，光学调制器M10可以包括面对光学调制层ML10的第二相控制层PL20，其间具有第二电极E20。第一相控制层PL10和第二相控制层PL20可以被称为相匹配层。当待被调制的入射光的目标波长(中心波长)为λ时，第一相控制层PL10和第二相控制层PL20的每个可以具有对应于λ/4的奇数倍的光学厚度。在这种情况下，第一相控制层PL10和第二相控制层PL20可以因此通过匹配透过光学调制器M10或从光学调制器M10反射的电磁波(光)的相位而提高光学调制效率。换言之，因为透过第一相控制层PL10和第二相控制层PL20或从第一相控制层PL10和第二相控制层PL20反射的电磁波(光)的相位匹配，所以可以大大提高光学调制效率。
第一相控制层PL10和第二相控制层PL20可以是电介质层。例如，第一相控制层PL10和第二相控制层PL20中的至少一个可以包括TiO2、SiO2、SiNx、Al2O3、AlN、HfO2、SiC和MgO中的一种。然而，在此所提出的材料是示例性的，并且第一相控制层PL10和第二相控制层PL20的材料可以以各种各样的方式改变。
光学调制器M10还可以包括布置为面对光学调制层ML10的第一反射层RL10和第二反射层RL20中的至少一个。在图1中，第一反射层RL10被提供为面对光学调制层ML10，其间具有第一相控制层PL10和第一电极E10，第二反射层RL20被提供为面对光学调制层ML10，其间具有第二相控制层PL20和第二电极E20。第一反射层RL10和第二反射层RL20中的至少一个可以具有例如分布式布拉格反射器(DBR)结构。当第一反射层RL10和第二反射层RL20两者具有DBR结构时，第一反射层RL10可以被称为第一DBR，第二反射层RL20可以被称为第二DBR。第一DBR，也就是，第一反射层RL10可以具有其中具有不同折射率的两个材料层(在下文中被称为第一材料层10a和第二材料层10b)交替地且重复地堆叠一次或更多次的结构。类似地，第二DBR，也就是，第二反射层RL20可以具有其中具有不同折射率的两个材料层(在下文中被称为第三材料层20a和第四材料层20b)交替地且重复地堆叠一次或更多次的结构。虽然第一材料层10a和第二材料层10b被提供成一对并且第三材料层20a和第四材料层20b被提供为一对，但是它们可以具有两对或更多对的堆叠结构。第一材料层10a和第二材料层10b可以是从由例如TiO2、SiO2、SiNx、Al2O3、AlN、HfO2、SiC和MgO组成的组中选择的不同的电介质。类似地，第三材料层20a和第四材料层20b可以是从由例如TiO2、SiO2、SiNx、Al2O3、AlN、HfO2、SiC和MgO组成的组中选择的不同电介质。第三材料层20a的材料可以与第二材料层10b的材料相同，第四材料层20b的材料可以与第一材料层10a的材料相同。此外，第一材料层10a的材料可以与第一相控制层PL10的材料相同，第四材料层20b的材料可以与第二相控制层PL20的材料相同。第一材料层10a和第二材料层10b的每个可以具有对应于λ/4的整数倍的光学厚度。类似地，第三材料层20a和第四材料层20b的每个可以具有对应于λ/4的整数倍的光学厚度。第一相控制层PL10可以被认为与第一材料层10a和第二材料层10b构成一个DBR结构。类似地，第二相控制层PL20可以被认为与第三材料层20a和第四材料层20b构成一个DBR结构。
根据一实施方式，包括相变材料的光学调制层ML10与第一电极E10和第二电极E20的总光学厚度可以满足λ/2的整数倍的条件。换言之，光学调制层ML10与第一电极E10和第二电极E20的堆叠结构可以具有对应于λ/2的整数倍的光学厚度。在这种情况下，光学调制层ML10以及第一电极E10和第二电极E20可以构成一个谐振结构或腔结构。腔结构可以被称为法布里-珀罗腔(Fabry-Perot)结构。
光学调制器M10可以包括对入射光透明的基板SUB10。例如，当入射光在红外线(IR)范围内时，基板SUB10可以是例如玻璃基板、GaAs基板或InP基板。此外，基板SUB10可以是电介质膜或半导体膜。此外，基板SUB10可以是有机(聚合物)基板。在这种情况下，基板SUB10可以具有柔性特性。然而，基板SUB10的材料不限于以上描述，并因此可以采用各种其它材料。第一反射层RL10以及与第一反射层RL10分离的第二反射层RL20被提供在基板SUB10上。包括相变材料的光学调制层ML10可以被提供在第一反射层RL10与第二反射层RL20之间。第一电极E10可以被提供在光学调制层ML10与第一反射层RL10之间，第二电极E20可以被提供在光学调制层ML10与第二反射层RL20之间。第一相控制层PL10可以被提供在第一电极E10与第一反射层RL10之间，第二相控制层PL20可以被提供在第二电极E20与第二反射层RL20之间。
在一详细示例中，光学调制器M10可以使用具有约500μm的厚度的玻璃基板作为基板SUB10，并且TiO2层10a、SiO2层10b、TiO2层PL10、ITO层E10、Ge40Sb10Te50层ML10、ITO E20、TiO2层PL20、SiO2层20a和TiO2层20b可以被顺序地提供在玻璃基板上。然而，以上材料的组合仅是示例性的，并且可以以各种各样的方式改变。
在本实施方式中，包括相变材料的光学调制层ML10可以具有优良的光学调制特性。因为反射层RL10和RL20中的至少一个以及第一相控制层PL10和第二相控制层PL20被提供在光学调制层ML10之上和之下，所以光学调制层ML10可以具有优良的谐振特性并且其光学调制特性可以被进一步改善。因此，即使当光学调制层ML10的厚度减小时，也可以容易地确保优良的光学调制特性。例如，光学调制层ML10的厚度可以为约10nm以下或约7nm以下。照此，当光学调制层ML10的厚度薄时，用于引起光学调制层ML10的光学调制的驱动电压可以相当低。因此，光学调制器M10的工作电压可以为约10V以下。例如，光学调制器M10的工作电压可以为约5V以下。在一些情况下，光学调制器M10的工作电压可以为约3V以下或约2V以下。
此外，根据本实施方式，光学调制器M10可以是利用透射率根据相变材料的相变的变化的器件。在这种情况下，光学调制器M10的透射率的变化量可以高达例如约40％以上或约50％以上。此外，光学调制器M10的解调对比度(D.C.)可以为约70％以上或约80％以上。因此，可以实现具有优良的光学调制特性同时具有小厚度和简单堆叠结构的光学调制器M10。光学调制器M10可以用作具有优良性能的空间光学调制器(SLM)。
图2是示出根据一实施方式的应用于光学调制器的相变材料的相变的概念图。
参照图2，相变材料的相可以在非晶相与晶相之间改变。相变可以根据所施加电压的强度和持续时间而可逆地进行。这将在下面参照图3A和3B被详细描述。
图3A是示出根据一实施方式的施加到用于光学调制器的相变材料的电压以及根据其的相变的图。
参照图3A，第一电压V1可以被施加到处于非晶相的相变材料达第一持续时间T1。第一电压V1可以是设定电压，第一持续时间T1可以是例如约几十纳秒(ns)到约几百纳秒。当相变材料层(光学调制层)薄时，第一持续时间T1可以短至约10ns以下，例如约几纳秒。随着第一电压V1被施加到相变材料，处于非晶相的相变材料被加热和结晶化从而被改变至晶相。
图3B是示出根据另一实施方式的施加到用于光学调制器的相变材料的电压以及根据其的相变的图。
参照图3B，第二电压V2可以被施加到处于晶相的相变材料达第二持续时间T2。第二电压V2可以是复位电压，并且可以大于图3A的第一电压V1。第二持续时间T2可以短于图3A的第一持续时间T1。例如，第二持续时间T2可以为约10ns以下，并且随着第二电压V2被施加到相变材料，处于晶相的相变材料可以被熔融淬火从而被改变至非晶相。
参照图3A和3B描述的用于引起相变的第一电压V1和第二电压V1可以低至约10V以下、约5V以下、或约3V以下。
折射率和吸收率可以根据相变材料例如Ge40Sb10Te50的相变而被大大改变。例如，当相变材料处于非晶相时，复折射率可以是4.19+i0.81(780nm处)，当处于晶相时，复折射率可以是4.94+i4.41(780nm处)。因此，吸收系数可以根据相变从0.81改变至4.41。此外，在另外的波长的示例中，当相变材料处于非晶相时，复折射率可以是4.32+i0.37(850nm处)，当处于晶相时，复折射率可以是5.67+i4.21(850nm处)。因此，吸收系数可以根据相变从0.37显著改变至4.21。照此，因为吸收系数根据相变材料的相变的变化大，所以小厚度可以导致大透射变化。
图4是用于说明通过图1的光学调制器M10对入射光的调制的剖视图。
参照图4，在入射光L1照射到光学调制器M10之后，可以放出透过光学调制器M10的出射光L2。由于光学调制层ML10的相通过在第一电极E10与第二电极E20之间施加某电压而被改变，因此出射光L2的特性可以被改变。当光学调制层ML10的相变材料处于非晶相时，吸收系数可以是低的，并且光学调制器M10的透射率可以是高的。该状态下的透射率可以被称为OFF状态的透射率Toff。相反，当光学调制层ML10的相变材料处于晶相时，吸收系数可以是高的，并且光学调制器M10的透射率可以是低的。该状态下的透射率可以被称为ON状态下的透射率Ton。OFF状态下的透射率Toff与ON状态下的透射率Ton之间的差可以是透射率变化量Tdiff或ΔT，并且根据本实施方式，可以高达约40％以上或约50％以上。
图5是示出根据图5的曲线图中的实施方式的由于光学调制器的相变材料的相变而引起的透射特性变化的曲线图，X轴表示入射光的波长，Y轴表示光学调制器的透射率。图5的结果从光学调制器M10获得，该光学调制器M10具有图4的结构，并且在其中具有约500μm的厚度的玻璃基板用作基板SUB10且TiO2层10a、SiO2层10b、TiO2层PL10、ITO层E10、Ge40Sb10Te50层ML10、ITO E20、TiO2层PL20、SiO2层20a和TiO2层20b顺序地提供在玻璃基板上。在这种状态下，Ge40Sb10Te50层ML10的厚度为约5nm，ITO层E10和E20的每个的厚度为138nm。
参照图5，当相变材料处于晶相时，光学调制器M10的透射率Ton表现得非常低。当相变材料处于非晶相时，光学调制器M10的透射率Toff表现得相对非常高。具体地，当入射光的波长为约820nm以上时，OFF状态下的透射率Toff表现为约30％以上。当波长为约830nm以上时，OFF状态下的透射率Toff表现为约40％以上。当入射光的波长在约840nm到约860nm的范围内时，OFF状态下的透射率Toff表现为高达约50％以上。同时，ON状态下的透射率Ton在测量波长范围内表现得非常低达到约5％以下。透射率变化量Tdiff，其为OFF状态下的透射率Toff与ON状态下的透射率Ton之间的差的，在约835nm以上的波长范围内表现为高达约40％。
可以从图5的结果看出，当使用根据本实施方式的光学调制器M10时，可以容易地获得高达约40％以上或约50％以上的透射率变化量Tdiff。此外，当从图5的结果计算D.C.时，D.C.可以为约70％以上。从图5获得的最大D.C.值可以为约86.6％。
在根据相关技术的光学调制器中，光学调制器通过使用III-V族化合物半导体的晶体生长(即，外延生长)法被制造。基于III-V族化合物半导体的光学调制器具有其中MQW结构布置于P电极与N电极之间的P-I-N二极管结构。然而，基于III-V族化合物半导体的光学调制器需要约几微米以上的厚吸收层结构以及用于改善性能的复杂堆叠结构。因此，会增大工艺难度，会降低器件的再现性，并且会增加制造成本。此外，当使用外延生长法时，因为在将堆叠于GaAs基板上的半导体材料的厚度上存在限制，所以性能的改善被限制。此外，即使当使用复杂的堆叠结构时，在增大光学调制率上存在限制，并且工作电压高是个问题。例如，根据相关技术，光学调制器的工作电压可以为约20V，透射率变化量可以为约30％以下，D.C.可以为约30％。当工作电压高时，由于器件的驱动热，功率消耗增加并且光学调制性能劣化。
与根据相关技术的光学调制器相比，根据本实施方式的光学调制器可以具有小的厚度和简单的结构，可以具有约40％以上的高透射率变化率和约70％以上的高D.C.值，并且可以在约10V以下或约5V以下的低工作电压下被驱动。此外，因为光学调制器可以通过一般沉积工艺例如物理气相沉积、化学气相沉积、原子层沉积等被容易地制造，而没有精细的和困难的外延工艺，所以制造工艺可以是容易的并且制造成本可以被降低。此外，因为光学调制器可以在各种各样的基板上被容易地制造而不限于基板的类型，所以可以降低制造成本并且可以确保工艺的容易性。
虽然在图1至4的实施方式中描述了其中第一反射层RL10和第二反射层RL20被提供在光学调制层ML10的相反侧(下侧和上侧)的情况，但是根据另一实施方式，反射层可以仅被提供在光学调制层ML10的一侧(下侧或上侧)，其示例在图6和7中被示出。
图6的光学调制器M11可以在光学调制层ML10下方包括第一反射层RL10，并且没有反射层可以被提供在光学调制层ML10之上。第一反射层RL10可以被提供在基板SUB10与第一相控制层PL10之间。图6的结构可以与其中不包括第二反射层RL20的图1的结构相同。在图6的结构中，第二相控制层PL20可以在一定程度上执行上反射层的功能或与其类似的功能。
图7的光学调制器M12可以在光学调制层ML10之上包括第二反射层RL20，并且没有反射层可以被提供在光学调制层ML10下方。第二相控制层PL20可以被提供在第二反射层RL20与第二电极E20之间。图7的结构可以与其中不包括第一反射层RL10的图1的结构相同。在图7的结构中，第一相控制层PL10可以在一定程度上执行下反射层的功能或与与其类似的功能。
图8是示出根据另一实施方式的光学调制器的由于相变材料的相变而引起的透射特性变化的曲线图。图8的数据是对图6的光学调制器M11执行的测量的结果。换言之，图8显示了对光学调制器M11执行的测量的结果，在该光学调制器M11中具有约500μm的厚度的玻璃基板用作基板SUB10并且TiO2层10a、SiO2层10b、TiO2层PL10、ITO层E10、Ge40Sb10Te50层ML10、ITO层E20和TiO2层PL20顺序地提供在玻璃基板上。在这种状态下，Ge40Sb10Te50层ML10的厚度为5nm，ITO层E10和E20的每个的厚度为138nm。
参照图8，当相变材料处于晶相时，光学调制器M11的透射率Ton表现得非常低。当相变材料处于非晶相时，光学调制器M11的透射率Toff表现得相对非常大。透射率变化量Tdiff，其为OFF状态下的透射率Toff与ON状态下的透射率Ton之间的差，在约820nm以上的波长范围内表现为高达约40％以上。根据本实施方式，当使用光学调制器M11时，可以容易地确保约40％以上或约50％以上的高透射率变化量Tdiff。此外，当从图8计算D.C.时，D.C.可以为约70％以上。最大D.C.为约86.9％。因此，根据本实施方式，光学调制器M11可以具有优秀的光学调制特性。
图9是根据另一实施方式的光学调制器M20的剖视图。
参照图9，光学调制器M20可以包括含相变材料的光学调制层ML15。第一电极E15可以被提供在光学调制层ML15的第一表面例如下表面上。第二电极E25可以被提供在光学调制层ML15的第二表面例如上表面上。第一相控制层PL15可以被提供为面对光学调制层ML15，其间具有第一电极E15。第二相控制层PL25可以被提供为面对光学调制层ML15，其间具有第二电极E25。对入射光透明的基板SUB15可以被提供。第一相控制层PL15、第一电极E15、光学调制层ML15、第二电极E25和第二相控制层PL25可以被顺序地提供在基板SUB15上。
根据本实施方式的光学调制器M20可以具有与其中不包括第一反射层RL10和第二反射层RL20的图1的光学调制器M10的结构相似的结构。光学调制器M20的光学调制层ML15可以具有比图1的光学调制层ML10的厚度大的厚度。例如，光学调制层ML15可以具有约10nm到约40nm或约10nm到约30nm的厚度。考虑到光学调制层ML15的厚度，包括光学调制层ML15的光学调制器M20的驱动电压可以高于图1的光学调制器M10的驱动电压。然而，因为光学调制层ML15的厚度低至约40nm以下或约30nm以下，所以光学调制器M20的驱动电压(工作电压)可以为约10V以下。此外，光学调制器M20的透射率变化量可以为约40％以上或约50％以上，D.C.为约70％以上或约80％以上。
图9的光学调制层ML15、第一电极E15、第二电极E25、第一相控制层PL15、第二相控制层PL25和基板SUB15的材料可以分别与图1的光学调制层ML10、图1的第一电极E10、第二电极E20、第一相控制层PL10、第二相控制层PL20和基板SUB10的材料基本上相同。
图10显示了对图9的光学调制器M20执行的测量的结果。图10的结果是对具有图9的结构的光学调制器M20执行的测量的结果，在该结构中，具有约500μm的厚度的玻璃基板用作基板SUB15并且TiO2层PL15、ITO层E15、Ge40Sb10Te50层ML15、ITO层E25和TiO2层PL25被顺序地提供在玻璃基板上。在该状态下，Ge40Sb10Te50层ML15的厚度为25nm，ITO层E15和E25的厚度为385nm。
参照图10，当相变材料处于晶相时，光学调制器M20的透射率Ton表现得非常低。当相变材料处于非晶相时，光学调制器M20的透射率Toff表现得相对非常大。透射率变化量Tdiff，其为OFF状态下的透射率Toff与ON状态下的透射率Ton之间的差，在约820nm以上的波长范围内表现为高达约40％以上。当使用根据本实施方式的光学调制器M20时，可以容易地确保约40％以上或约50％以上的高透射率变化量Tdiff。此外，当从图10计算D.C.时，D.C.可以为约70％以上。最大D.C.可以为约80.2％。
根据上述实施方式的光学调制器的透射率变化量Tdiff和D.C.值总结如下面的表1所示。
[表1]
实施方式1(图1) 实施方式2(图6) 实施方式3(图9)
Tdiff ～52.2％ ～57％ ～57.8％
D.C. ～86.6％ ～86.9％ ～80.2％
如可从表1所看到的，根据实施方式的光学调制器的透射率变化量Tdiff可以高达约40％以上并且D.C.高达约70％以上。照此，根据上述实施方式，可以实现具有优秀的光学调制特性的光学调制器。
虽然上述光学调制器可以是透射式光学调制器，但也可以使用反射式光学调制器。例如，在图4的结构中，高透射率可以意味着低反射率，而低透射率可以意味着高反射率。因此，在一些情况下，可以使用具有高透射率变化量的光学调制器作为反射型光学调制器。此外，通过调节构成光学调制器的材料层的设计条件，可以实现具有大的反射率变化量的光学调制器。
根据参照图1、6、7和9描述的实施方式的光学调制器M10、M11、M12和M20的结构可以以各种各样的方式被改变，并且其示例在图11至13中示出。
图11是根据另一实施方式的光学调制器M16的剖视图。
参照图11，光学调制器M16可以在第一反射层RL11与第二反射层RL20之间具有不对称结构。构成第一反射层RL11的材料层10a和10b的堆叠层的数量可以不同于构成第二反射层RL20的材料层20a和20b的堆叠层的数量。因此，第一反射层RL11的厚度和第二反射层RL20的厚度可以彼此不同。例如，虽然第一反射层RL11可以具有两对或更多对的材料层的堆叠结构，但是第二反射层RL20可以具有比第一反射层RL11更少数量对的材料层的堆叠结构。在一些情况下，虽然第二反射层RL20可以具有两对或更多对的堆叠结构，但是第一反射层RL11可以具有比第二反射层RL20更少数量对的材料层的堆叠结构。
如在本实施方式中，因为第一反射层RL11和第二反射层RL20形成为不对称结构，所以可以在光学调制层ML10的上下方向上实现不同的光学特性，因此，可以通过利用其来改善或调节光学调制特性。
图12是根据另一实施方式的光学调制器M17的剖视图。
参照图12，光学调制器M17的第一反射层RL11和第二反射层RL22可以具有对称结构。在这种状态下，虽然第一反射层RL11可以具有两对或更多对的堆叠结构，但是第二反射层RL22也可以具有两对或更多对的堆叠结构。第一反射层RL11和第二反射层RL22可以具有相对于光学调制层ML10的对称结构。
图13是根据另一实施方式的光学调制器M18的剖视图。
参照图13，光学调制器M18可以包括第一反射层RL10并且还包括第二反射层RL25。虽然第一反射层RL10可以具有DBR结构，但是第二反射层RL25可以具有除DBR结构之外的结构。换言之，虽然第一反射层RL10可以具有其中有不同折射率的第一材料层10a和第二材料层10b交替地且重复地堆叠一次或更多次的堆叠结构，但是第二反射层RL25可以具有单层结构。第二反射层RL25可以具有除单层结构之外的结构。
尽管未在图13中示出，但是在第二反射层RL25可以形成为DBR结构时，但第一反射层RL10可以形成为除DBR结构之外的结构。换言之，在图13中，第一反射层RL10和第二反射层RL25的位置可以被调换。此外，在一些情况下，第一反射层RL10和第二反射层RL25两者可以形成为除DBR结构之外的结构。此外，根据上述实施方式的光学调制器M10、M11、M12、M16、M17、M18和M20的结构可以以各种各样的方式被改变。
根据上述实施方式的光学调制器M10、M11、M12、M16、M17、M18和M20可以应用于各种光学设备。光学调制器可以在能够通过外部电压调节光量的装置中、此外在能够调节光的方向的光束转向装置中被实现。此外，光学调制器可以应用于使用大面积透射式光学调制器的基于TOF的3D照相机或3D传感器用来获取深度/距离信息。此外，光学调制器可以应用于用于自主移动机器人/汽车、显示器、3D打印等的距离探测传感器的领域。此外，光学调制器可以用于需要高速/低功率的光学通信系统、光学信号处理装置或需要高速运算的光学算术单元等。此外，因为光学调制器可以在柔性基板上被容易地制造，所以光学调制器可以应用于柔性设备或可穿戴设备的领域。
图14是示意性地示出根据一实施方式的包括光学调制器的3D图像获取设备的示例性结构的框图。根据本实施方式的3D图像获取设备可以是基于TOF的3D成像设备。
参照图14，3D图像获取设备可以包括向物体OBJ发射光的光源单元100。光源单元100可以产生具有一定波长的光。可以提供用于驱动光源单元100的第一驱动器110。
3D图像获取设备可以包括用于调制从物体OBJ反射的光的光学调制单元200。光学调制单元200可以包括根据参照图1至13的上述实施方式的光学调制器中的任何一个。在一些情况下，光学调制单元200可以包括多个光学调制器。可以提供用于驱动光学调制单元200的第二驱动器210。此外，还可以提供用于控制第一驱动器110和第二驱动器210的操作的控制器250。
3D图像获取设备可以包括用于探测由光学调制单元200调制的光的光探测单元300。光探测单元300可以包括用于从调制后的光产生图像的成像装置。还可以提供连接到光探测单元300并计算到物体OBJ的距离的运算单元(计算单元)400。
虽然未示出，但是还可以在物体OBJ与光学调制单元200之间和/或光学调制单元200与光探测单元300之间提供诸如透镜、过滤器和镜子的至少一个光学元件。
光源单元100可以是例如用于出于安全的目的而发射对人眼不可见的约940nm波长的红外线(IR)的发光二极管(LED)或激光二极管(LD)。第一驱动器110可以根据从控制器250接收到的控制信号而驱动光源单元100发射周期波，例如正弦波。从光源单元100发射到物体OBJ的光可以从物体OBJ反射，然后入射到光学调制单元200上。当透镜(物镜，未示出)布置在光学调制单元200与物体OBJ之间时，光(从物体反射的光)可以由透镜(物镜)聚焦在光学调制单元200处。光学调制单元200可以通过第二驱动器210的控制将入射光调制成具有一定波形的光学调制信号。第二驱动器210可以根据从控制器250接收到的控制信号而控制光学调制单元200的光学调制信号。由光学调制单元200调制的光可以入射到光探测单元(成像装置)300。当某个过滤器(未示出)布置在光学调制单元200与光探测单元(成像装置)300之间时，除940nm IR的外来成分可以通过过滤器被去除。光探测单元(成像装置)300可以通过拍摄由光学调制单元200调制的光而生成包含距离信息的图像。例如，光探测单元(成像装置)300可以包括电荷耦合器件(CCD)图像传感器或具有2D阵列的互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。运算单元400可以基于光探测单元(成像装置)300的输出根据众所周知的距离计算算法而计算到物体OBJ的距离。
虽然在图14的实施方式中，光学调制单元200是透射型，但根据另一实施方式，可以使用反射式光学调制单元并且其示例在图15中示出。在图15中，光学调制单元200a可以是反射型，并且由光学调制单元200a调制的光可以入射到光探测单元(成像装置)300上。虽然未示出，但是如有必要，诸如镜子、过滤器或透镜的一个或更多个光学元件可以设置在光学调制单元200a与光探测单元300之间。除光学调制单元200a之外的其它结构以及光学调制单元200a与光探测单元300之间的相对布置关系可以与图14的结构基本上相同。
在图14和15中，组成元件的相对布置或连接关系仅是示例性的，并且3D图像获取设备的结构可以以各种各样的方式被改变。此外，根据上述实施方式的光学调制器不仅可以应用于图14和15的3D图像获取设备，也可以应用于各种其它光学设备。此外，虽然在以上描述中，光学调制器主要用在IR波长范围内，但是可用的波长范围可以被改变而不限于IR范围。
本说明书中详细描述了许多细节，但是它们应被解释成具体实施方式的说明性示例，而不是限制本发明的范围。例如，本领域技术人员将理解，参照图1至13描述的光学调制器的构造能以各种各样的方式变化。在一详细示例中，可以看到，相变材料和另外的材料可以应用于光学调制器的光学调制层，并且插塞结构可以应用于第一电极和第二电极(即，下电极和上电极)中的至少一个。此外，光学调制器的构造和光学调制器阵列的构造可以以各种各样的方式被改变。光学调制器或光学调制器阵列应用于其的光学设备可以以各种各样的方式被改变，而不限于图14和15的设备。因此，本发明的范围不是由上述实施方式确定，而是由权利要求中所阐明的技术概念确定。
应理解，在此描述的实施方式应仅在描述性的意义上被考虑，并且不是为了限制的目的。对每个实施方式内的特征或方面的描述通常应被认为可用于其它实施方式中的其它类似特征或方面。
虽然已经参照附图描述了一个或更多个实施方式，但是本领域普通技术人员将理解，可以在此作出形式和细节上的各种各样的改变而不背离由所附权利要求所限定的精神和范围。
本申请要求2016年8月10日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2016-0101887号以及2016年11月21日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2016-0154888号的权益，以上两个韩国专利申请的公开通过引用全文合并于此。

Claims (27)

1.一种光学调制器，包括：
包括相变材料的光学调制层；
在所述光学调制层的第一表面上的第一电极；
在所述光学调制层的第二表面上的第二电极；
面对所述光学调制层的第一相控制层，所述第一电极设置在所述第一相控制层与所述光学调制层之间；
面对所述光学调制层的第二相控制层，所述第二电极设置在所述第二相控制层与所述光学调制层之间；以及
布置为面对所述光学调制层的至少一个反射层，
其中，当待被调制的入射光的目标波长为λ时，所述第一相控制层和所述第二相控制层的每个具有对应于λ/4的奇数倍的光学厚度，以及
所述光学调制器被构造为通过利用光学特性根据所述相变材料的相变的变化来调制光。
2.根据权利要求1所述的光学调制器，其中所述光学调制层具有10nm以下的厚度。
3.根据权利要求1所述的光学调制器，其中所述光学调制器被配置为在10V以下的工作电压下工作。
4.根据权利要求3所述的光学调制器，其中所述光学调制器被配置为在5V以下的工作电压下工作。
5.根据权利要求1所述的光学调制器，其中所述相变材料包括Ge40Sb10Te50。
6.根据权利要求1所述的光学调制器，其中所述第一电极和所述第二电极中的至少一个包括透明导电氧化物。
7.根据权利要求1所述的光学调制器，其中所述光学调制层与所述第一电极和所述第二电极的总光学厚度满足λ/2的整数倍的条件。
8.根据权利要求1所述的光学调制器，其中所述第一相控制层和所述第二相控制层中的至少一个包括TiO2、SiO2、SiNx、Al2O3、AlN、HfO2、SiC和MgO中的一种。
9.根据权利要求1所述的光学调制器，其中所述至少一个反射层包括第一分布式布拉格反射器和第二分布式布拉格反射器中的至少一个，
所述第一分布式布拉格反射器布置为面对所述光学调制层，所述第一相控制层设置在所述第一分布式布拉格反射器与光学调制层之间，以及
所述第二分布式布拉格反射器布置为面对所述光学调制层，所述第二相控制层设置在所述第二分布式布拉格反射器与所述光学调制层之间。
10.根据权利要求9所述的光学调制器，其中所述第一分布式布拉格反射器和所述第二分布式布拉格反射器中的至少一个具有其中有不同折射率的第一材料层和第二材料层交替地且重复地堆叠一次或更多次的堆叠结构。
11.根据权利要求1所述的光学调制器，还包括对入射光透明的基板，
其中所述第一相控制层、所述第一电极、所述光学调制层、所述第二电极和所述第二相控制层顺序地堆叠在所述基板上。
12.根据权利要求1所述的光学调制器，其中所述光学调制器是利用透射率根据所述相变材料的相变而变化的透射式光学调制器。
13.根据权利要求1所述的光学调制器，其中所述光学调制器的透射率变化量为40％以上。
14.根据权利要求1所述的光学调制器，其中所述光学调制器的解调对比度为70％以上。
15.一种光学设备，包括根据权利要求1至14的其中之一的所述光学调制器。
16.一种三维图像获取设备，包括：
光源单元，其将光发射到物体；
光学调制单元，其调制从所述物体反射的光并包括根据权利要求1至14的其中之一的所述光学调制器；以及
光探测单元，其探测由所述光学调制单元调制的光。
17.一种光学调制器，包括：
包括相变材料的光学调制层；
在所述光学调制层的第一表面上的第一电极；
在所述光学调制层的第二表面上的第二电极；
面对所述光学调制层的第一相控制层，所述第一电极设置在所述第一相控制层与所述光学调制层之间；以及
面对所述光学调制层的第二相控制层，所述第二电极设置在所述第二相控制层与所述光学调制层之间，
其中，当待被调制的入射光的目标波长为λ时，所述第一相控制层和所述第二相控制层的每个具有对应于λ/4的奇数倍的光学厚度，并且所述光学调制层与所述第一电极和所述第二电极的总光学厚度满足λ/2的整数倍的条件，以及
所述光学调制器被构造为通过利用光学特性根据所述相变材料的相变的变化来调制光。
18.根据权利要求17所述的光学调制器，其中所述光学调制层的厚度为10nm到40nm。
19.根据权利要求17所述的光学调制器，其中所述相变材料包括Ge40Sb10Te50。
20.根据权利要求17所述的光学调制器，其中所述第一电极和所述第二电极中的至少一个包括透明导电氧化物。
21.根据权利要求17所述的光学调制器，其中所述第一相控制层和所述第二相控制层中的至少一个包括TiO2、SiO2、SiNx、Al2O3、AlN、HfO2、SiC和MgO中的一种。
22.根据权利要求17所述的光学调制器，还包括布置为面对所述光学调制层的第一分布式布拉格反射器和布置为面对所述光学调制层的第二分布式布拉格反射器中的至少一个，所述第一相控制层设置在所述第一分布式布拉格反射器与所述光学调制层之间，所述第二相控制层设置在所述第二分布式布拉格反射器与所述光学调制层之间。
23.根据权利要求22所述的光学调制器，其中所述光学调制层具有10nm以下的厚度，并且所述光学调制器的工作电压为10V以下。
24.根据权利要求17所述的光学调制器，其中所述光学调制器的透射率变化量为40％以上。
25.根据权利要求17所述的光学调制器，其中所述光学调制器的解调对比度为70％以上。
26.一种光学设备，包括根据权利要求17至25的其中之一的所述光学调制器。
27.一种三维图像获取设备，包括：
光源单元，其将光发射到物体；
光学调制单元，其调制从所述物体反射的光并包括根据权利要求17至25的其中之一的所述光学调制器；以及
光探测单元，其探测由所述光学调制单元调制的光。
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