CN108072985B - 二维光调制器件和包括该二维光调制器件的激光雷达装置 - Google Patents

二维光调制器件和包括该二维光调制器件的激光雷达装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种二维(2D)光调制器件以及包括该2D光调制器件的激光雷达装置。该2D光调制器件可以包括多个相位调制元件和电路板。该多个相位调制元件可以包括具有纳米结构的超表面。该电路板可以包括配置为独立地控制分别传输到所述多个相位调制元件的电信号的多个像素电路单元。该多个像素电路单元的每个可以包括晶体管和电容器。

Description

二维光调制器件和包括该二维光调制器件的激光雷达装置
技术领域
本公开涉及用于调制入射光的光调制器件。
背景技术
用于改变入射光的透射/反射、偏振、相位、强度、路径等的光学器件用于各种光学装置。为了以期望的方式控制光学系统中的上述特性，已经提出了具有各种结构的光学调制器。
例如，具有光学各向异性的液晶、利用光阻挡/反射元件的精细机械运动的微型机电系统(MEMS)结构等已经广泛地用于一般的光学调制器。这样的光学调制器由于其驱动机制的特性而具有几微秒或更长的慢操作响应时间。
近来，已经试图应用超结构(meta structure)到光学调制器。超结构是其厚度、图案、周期等小于入射光的波长的结构。为了将光调制为期望的形状，需要制作各种图案的相位曲线。
发明内容
提供了用于通过产生期望的相位曲线而将光调制为各种形状的光调制器件。
额外的方面将在以下的描述中被部分地阐述，并将部分地从该描述而变得明显，或者可以通过示范性实施方式的实践而掌握。
根据一示范性实施方式的一方面，一种二维(2D)光调制器件可以包括：多个相位调制元件，包括具有纳米结构的超表面；以及电路板，配置有用于独立地控制分别传输到所述多个相位调制元件的电信号的多个像素电路单元。所述多个像素电路单元的每个可以包括晶体管和电容器。
所述多个相位调制元件的每个可以包括：金属层，电连接到所述多个像素电路单元当中的对应的像素电路单元；有源层，设置在金属层上，有源层具有基于从所述对应的像素电路单元传输的电信号而改变的折射率；导电纳米天线，设置在有源层上；以及第一绝缘层，设置在有源层和导电纳米天线之间。
有源层可以包括在该处载流子的浓度基于所施加的电压而改变的载流子可变区。
有源层可以包括透明导电氧化物、过渡金属氮化物、铌酸锂(LiNbO3)、钽酸锂(LiTaO3)、钽铌酸钾(KTN)、锆钛酸铅(PZT)和具有电光性质的聚合物材料中的至少一种。
所述多个相位调制元件的导电纳米天线中的至少一些可以电连接到彼此，并且均一的电势可以被施加到导电纳米天线中的所述至少一些。
有源层中的载流子可变区可以邻近第一绝缘层。
2D光调制器件还可以包括设置在金属层和有源层之间的第二绝缘层。
所述多个相位调制元件的有源层可以电连接到彼此，并且均一的电势可以被施加到有源层。
在有源层中的载流子可变区可以邻近第二绝缘层。
所述多个相位调制元件的每个可以包括：电介质纳米天线；金属层，与电介质纳米天线分离并电连接到所述多个像素电路单元当中的对应的像素电路单元；有源层，设置在金属层上，有源层具有根据来自所述对应的像素电路单元的电信号而改变的折射率；以及透明导电层，设置在有源层上。
有源层的折射率可以小于电介质纳米天线的折射率。
电介质纳米天线可以包括具有等于或大于10的介电常数的材料。
所述多个相位调制元件的透明导电层可以电连接到彼此，并且均一的电势可以被施加到透明导电层。
有源层、透明导电层和电介质纳米天线可以顺序地布置在金属层之上。
2D光调制器件还可以包括在金属层和有源层之间的间隔物层，该间隔物层包括电介质材料。
电介质纳米天线、有源层和透明导电层可以顺序地布置在金属层之上。
当从俯视图看时，有源层和透明导电层可以具有与电介质纳米天线相同的形状。
2D光调制器件还可以包括在金属层和电介质纳米天线之间的间隔物层，该间隔物层包括电介质材料。
纳米结构可以具有以下之一：圆形形状，椭圆形形状，多边形形状，十字形形状，星形形状，以及其中圆形形状、椭圆形形状、多边形形状、十字形形状和星形形状中的两个或更多结合的形状。
根据一示范性实施方式的方面，一种激光雷达装置可以包括：光源单元；2D光调制器件，配置为使从光源单元照射的光朝向物体转向，其中2D光调制器件包括多个相位调制元件和电路板，该多个相位调制元件包括具有纳米结构的超表面，该电路板包括用于独立地控制被分别传输到所述多个相位调制元件的电信号的多个像素电路单元，该多个像素电路单元的每个包括晶体管和电容器；以及传感器，配置为接收在被2D光调制器件转向并照射到物体上且从物体反射的光。
附图说明
从以下结合附图对示范性实施方式的描述，以上和/或其它的方面将变得明显并更易于理解，附图中：
图1是示意地示出根据一示范性实施方式的二维(2D)光调制器件的透视图；
图2是示出图1的2D光调制器件的电路结构的电路图；
图3是图1的2D光调制器件的像素电路单元和相位调制器件的一示例的截面图，相位调制器件连接到像素电路单元；
图4是用于说明通过图1的2D光调制器件实现2D光束转向的原理的概念图；
图5A至图5D是可适用于图1的2D光调制器件的纳米天线的示范性形状；
图6是示出根据一示范性实施方式的2D光调制器件的示意结构的截面图；
图7是示出图6的2D光调制器件的单元结构的截面图；
图8是示出根据一示范性实施方式的2D光调制器件的单元结构的截面图；
图9是示出根据一示范性实施方式的2D光调制器件的单元结构的截面图；
图10是示出根据一示范性实施方式的2D光调制器件的单元结构的截面图；
图11是示出根据一示范性实施方式的2D光调制器件的单元结构的截面图；以及
图12是示出根据一示范性实施方式的激光雷达装置的示意结构的框图。
具体实施方式
现在将详细参照附图中示出的各种示范性实施方式，其中相同的附图标记始终指代相同的元件。在这点上，示范性实施方式可以具有不同的形式，而不应当被解释为限于这里阐述的描述。因此，以下通过参照附图仅描述了示范性实施方式以说明各方面。当在这里使用时，术语“和/或”包括一个或更多个相关所列项目的任意和所有组合。诸如“……中的至少一个”的表述，当在一列元件之后时，修饰整列元件，而不是修饰该列中的个别元件。词语“示范性”在这里用于表示“用作示例或例子”。这里描述为“示范性”的任何方面或设计不必被解释为优先于或优于其它方面或设计。
现在将参照附图更全面地描述本公开，附图中示出本公开的示范性实施方式。附图中的同样的附图标记表示同样的元件，为了说明的方便，附图中的部件的尺寸和厚度被任意地示出。本公开可以被实施为许多不同的形式，而不应被解释为限于这里阐述的示范性实施方式。
将理解，当一部件诸如层、膜、区域或板被称为“在”另一个部件“上”时，该部件可以直接在所述另一个部件上或居间部件可以存在于其间。
将理解，尽管这里可以使用术语“第一”、“第二”等来描述各种部件，但是这些部件不应受这些术语限制。这些术语仅用于将一个部件与另一个部件区别开。
当在这里使用时，单数形式“一”和“该”旨在也包括复数形式，反之亦然，除非上下文另外清楚地指示。
此外，术语“单元”、“模块”、“元件”等是用于处理至少一个功能或操作的单元，并可以实现为硬件、软件、或硬件和软件的结合。
图1是示意地示出根据一示范性实施方式的二维(2D)光调制器件1000的透视图。图2是示出图1的2D光调制器件1000的电路结构的电路图。
2D光调制器件1000包括相位调制元件100，相位调制元件100具有包括导电纳米天线180的超表面(meta surface)并被独立地控制。超表面是包括纳米结构(例如纳米天线)的表面，该纳米结构的尺寸小于入射光Li的波长以便调制入射光Li。入射光Li在超表面上被调制为某一被调制光Lm，并且用于独立地控制每个相位调制元件100的电路结构用于使被调制光Lm的形状多样化。
相位调制元件100可以二维地布置在电路板1100上。电路板1100包括用于独立地控制分别传输到相位调制元件100的电信号的像素电路单元PU。包括在相位调制元件100中的导电纳米天线180中的一些或全部可以电连接到彼此以使得均一的电势可以被施加到导电纳米天线180。例如，如附图所示，导电纳米天线180可以在行方向上连接到相同的接地部分1400。在另一些示例中，导电纳米天线180可以在列方向上被连接。在又一些示例中，导电纳米天线180可以既在行方向又在列方向上连接成为网格。在一示范性实施方式中，每个相位调制元件100是如上所述的硬件部件。
如图2所示，像素电路单元PU被二维地布置并且每个包括晶体管TR和电容器Cst。
更详细地，在一个方向上延伸的栅线GL可以以某间隔彼此间隔开并可以交叉数据线DL。晶体管TR和电容器Cst位于栅线GL交叉数据线DL的区域中，因此形成像素电路单元PU。像素电路单元PU电连接到相位调制元件100。
此外，连接到栅线GL并发送栅信号到晶体管TR的栅极控制器1200可以被包括。此外，连接到数据线DL的像素电荷控制器1300可以被包括并可以通过晶体管TR发送用于充电电容器Cst的电信号到电容器Cst。
当栅电压在来自栅极控制器1200的栅信号经由栅线GL到达晶体管TR的栅电极GE时被施加时，沟道形成在晶体管TR的源电极和漏电极之间。当来自像素电荷控制器1300的充电信号经由数据线DL和沟道到达电容器Cst时，电容器Cst被充电。在这种情况下，栅极控制器1200和像素电荷控制器1300可以以不同的电荷被充电到每个像素电路单元PU中的电容器Cst这样的方式，分别发送栅信号和充电信号。电荷可以在整个2D光调制器件1000中产生期望的相位曲线，由于相位调制通过相位调制元件100不同地进行，因此产生期望的被调制光Lm。
图3是图1的2D光调制器件1000的像素电路单元PU和相位调制元件100的一示例的截面图，相位调制元件100连接到像素电路单元PU。
像素电路单元PU包括形成在基板10上的晶体管TR和电容器Cst。像素电路单元PU还可以包括覆盖晶体管TR和电容器Cst的钝化层30。晶体管TR可以包括栅电极GE、栅绝缘层GI、沟道层CH、源电极SE和漏电极DE。电容器Cst可以包括第一电极CE1、电介质层DL和第二电极CE2。栅绝缘层GI和电介质层DL可以包括相同的材料。
晶体管TR的漏电极DE和电容器Cst的第二电极CE2可以连接到彼此，并可以通过穿过钝化层30的导电通孔TH电连接到相位调制元件100。
连接到源电极SE的数据线和连接到栅电极GE的栅线可以进一步形成在基板10上。
图3中显示的像素电路单元PU包括一个晶体管TR和一个电容器Cst，相位调制元件100电连接到电容器Cst。然而，像素电路单元PU和相位调制元件100的结构不限于此，而是可以在满足以上条件的范围内改变。
相位调制元件100包括：金属层120，电连接到像素电路单元PU；有源层140，设置在金属层120上并具有根据来自像素电路单元PU的电信号改变的折射率；导电纳米天线180，在有源层140之上；以及第一绝缘层160，在有源层140和导电纳米天线180之间。
导电纳米天线180可以具有亚波长结构。“亚波长”表示具有小于光的波长的一个或更多个尺寸的特性。因此，导电纳米天线180的结构的尺寸中的任一个可以小于将被2D光调制器件1000调制的光的波长。导电纳米天线可以与某波长带中的光强烈地相互作用。
导电纳米天线180的操作基于在导电材料和电介质材料之间的边界上发生的表面等离子体激元共振，并且共振波长可以取决于导电纳米天线180的精确形状而不同。
如图1所示，导电纳米天线180可以具有其中两个十字形连接到彼此的形状，但是它的形状不限于此。
包括在导电纳米天线180中的导电材料可以是在其中发生表面等离子体激元激发的高导电性金属性材料。例如，从铜(Cu)、铝(Al)、镍(Ni)、铁(Fe)、钴(Co)、锌(Zn)、钛(Ti)、钌(Ru)、铑(Rh)、钯(Pd)、铂(Pt)、银(Ag)、锇(Os)、铱(Ir)和金(Au)当中选择的至少一种可以被采用，或者包括以上列出的材料中的任一种的合金可以被采用。具有优良的导电性的2D材料(例如石墨烯)或者导电氧化物可以被使用。
第一绝缘层160可以包括各种绝缘材料，例如硅氮化物(SiNx)、硅氧化物(SiOx)、铝氧化物(Al2O3)、铪氧化物(HfO2)等。
有源层140可以包括具有根据外部信号变化的光学性质的材料。外部信号可以是电信号。有源层140可以包括透明导电氧化物(TCO)，诸如铟锡氧化物(ITO)、铟锌氧化物(IZO)、锌铝氧化物(AZO)或镓锌氧化物(GZO)。此外，有源层140可以包括过渡金属氮化物，诸如钛氮化物(TiN)、锆氮化物(ZrN)、铪氮化物(HfN)或钽氮化物(TaN)。此外，有源层140可以包括具有根据电信号的传输而变化的有效介电常数的电光材料，也就是，铌酸锂(LiNbO3)、钽酸锂(LiTaO3)、钽铌酸钾(KTN)、锆钛酸铅(PZT)等，并可以包括具有电光性质的各种聚合物材料。
金属层120可以通过导电通孔TH连接到像素电路单元PU的电容器Cst。金属层120可以根据来自像素电路单元PU的信号而施加电压在金属层120和导电纳米天线180之间，并可以用作反射光的反射镜层。金属层120可以包括从可用于执行以上功能的各种金属材料例如Cu、Al、Ni、Fe、Co、Zn、Ti、Ru、Rh、Pd、Pt、Ag、Os、Ir和Au当中选择的至少一种。
有源层140可以包括电荷载流子的浓度取决于电压是否施加在导电纳米天线180和金属层120之间而改变的载流子可变区145。其中电荷载流子的浓度改变的载流子可变区145可以形成在有源层140的邻近于第一绝缘层160的部分中，也就是，在有源层140的邻近于第一绝缘层160和有源层140之间的边界的部分中。载流子可变区145的浓度根据施加的电压而变化。变化的浓度改变有源层140的介电常数，更具体地，关于波长的介电常数特性，因此入射到相位调制元件100的光的被调制形状可以被调整。
有源层140的介电常数具有随波长而变化的值。相对于真空的介电常数ε0的相对介电常数εr被称为介电常数，被表示为复数，并且有源层140的介电常数的实部在某波长带中表示0。其中介电常数的实部具有等于或非常接近0的值的波长带被称为近零(epsilonnear zero，ENZ)波长带。大部分材料的介电常数呈现为波长的函数，或者可以呈现为复数。真空的介电常数等于1。在一般电介质材料的情况下，介电常数的实部是大于1的正数。在金属的情况下，介电常数的实部可以是负数。在大部分波长带中，大部分材料的介电常数大于1，但是在某波长带中，介电常数的实部可以为0。
当介电常数的实部具有等于或非常接近0的值时，有源层140可以表现出独特的光学性质，并且用于根据一示范性实施方式的一方面的2D光调制器件1000中的每个相位调制元件100的工作波长带可以是包括有源层140的ENZ波长带的区域。也就是，通过设定导电纳米天线180的共振波长带类似于有源层140的ENZ波长带，其中光学调制能力根据施加的电压被调整的范围可以增大。
有源层140的ENZ波长带可以取决于载流子可变区145中的载流子的浓度而不同。为了使用有源层140的ENZ波长带，被传输到相位调制元件100的电信号可以以导电纳米天线180的共振波长带与表示有源层140的ENZ性质的波长带类似或相同这样的方式，被像素电路单元PU控制。
相位调制元件100包括导电纳米天线180和用作反射镜的金属层120，与导电纳米天线180相互作用的金属层120可以形成放大载流子可变区145的ENZ性质的共振模式。
图4是用于说明通过图1的2D光调制器件1000实现2D光束转向的原理的概念图。
如上所述，包括在2D光调制器件1000中的每个相位调制元件100可以取决于发送的电信号而不同地调制入射光Li的相位。由2D光调制器件1000调制后的被调制光Lm可以垂直于连接相邻的相位调制元件100的相位值的趋势线LL。
当相邻的相位调制元件100的相变趋势是线性的，相邻的相位之间的差异是
Figure BDA0001470327440000082
并且相邻的相位调制元件100之间的距离是d时，具有波长λ的入射光Li在如下定义的角度θ的方向上被转向。
Figure BDA0001470327440000081
根据以上条件，施加到每个相位调制元件100的电压被设定以形成期望的相位变化趋势。
根据一示范性实施方式的一方面，分别施加到相位调制元件100的电压可以被分别地控制。
如图4所示，电压V1至V9被施加到其的相位调制元件100由虚线框表示。相位调制元件100可以随着相位调制元件100在第一方向A1和第二方向A2上的角度被调整而被选择。也就是，由于由趋势线LL与第一方向A1形成的角度以及由趋势线LL和第二方向A2形成的角度可以被调整，所以其中通过使入射光Li转向而产生的被调制光Lm的方向可以被二维地调整。
图1的导电纳米天线180具有其中两个十字形被连接的形状，但是该形状不限于此。
图5A至图5D是可适用于图1的2D光调制器件1000的导电纳米天线180的示范性形状。
如图5A所示，导电纳米天线180可以具有十字形，并且形成该十字形的两个方向上的长度可以相同或可以不同。
如图5B所示，导电纳米天线180可以具有其中多个条彼此交叉的星形形状。
如图5C所示，导电纳米天线180可以具有圆柱形的形状。或者，导电纳米天线180可以具有多棱柱形状。
如图5D所示，导电纳米天线180可以具有其中具有十字形的纳米孔NH形成在金属材料层ML中的形状。图5D示出图5A的反转形状。然而，本公开不限于此。图5B或图5C的反转形状也是可以的。
导电纳米天线180可以具有其中以上形状中的两个或更多个结合的形状。
图6是示出根据一示范性实施方式的2D光调制器件1001的示意结构的截面图，图7是示出图6的2D光调制器件1001的单元结构的截面图。
如图6所示，不同于图1的2D光调制器件1000，在2D光调制器件1001中，各自的相位调制元件101的有源层140连接到彼此。
在电路板1100上，金属层120通过分隔件130彼此分隔，并且在金属层120之上，第二绝缘层170、有源层140、第一绝缘层160和导电纳米天线180可以顺序地布置。
不同于图1的描述(其陈述了电压被施加在导电纳米天线180和金属层120之间)，电压可以被施加在图6中的有源层140和金属层120之间。也就是，不同于图1的描述(其陈述了导电纳米天线180连接到接地部分1400)，有源层140可以电连接到彼此以使得均一的电势通过接地部分施加到有源层140。由于电势不施加到导电纳米天线180，所以导电纳米天线180彼此电分离。然而，本公开不限于此。导电纳米天线180可以连接到彼此。
为了施加电压在有源层140和金属层120之间，相位调制元件101还包括在有源层140和金属层120之间的第二绝缘层170。当电压被施加在有源层140和金属层120之间时，载流子可变区145形成在有源层140的靠近第二绝缘层170的位置，也就是，靠近有源层140和第二绝缘层170之间的边界的位置。根据载流子可变区145的载流子浓度变化，可以调整有源层140的光学能力。此外，由于二维地布置的相位调制元件101的相位变化可以通过分别连接到相位调制元件101的像素电路单元PU被调整，所以可以实现期望的相位曲线。
上述2D光调制器件1000和1001具有通过使用导电纳米天线180的超表面，但是超表面可以通过使用电介质纳米天线形成。这将在下面描述。
图8是示出根据一示范性实施方式的2D光调制器件2000的单元结构的截面图。
2D光调制器件2000包括像素电路单元PU和在像素电路单元PU上的相位调制元件200。
相位调制元件200包括：电介质纳米天线280；金属层220，与电介质纳米天线280分离并电连接到像素电路单元PU；有源层230，设置在金属层220上并具有根据来自像素电路单元PU的电信号而改变的折射率；以及在有源层230上的透明导电层240。
电介质纳米天线280可以通过使用由于位移电流发生的Mie共振而具有高天线效率。为此，电介质纳米天线280可以具有一个或更多个亚波长尺寸以及高介电常数(例如比有源层230的介电常数大的介电常数)。
亚波长描述了小于将被2D光调制器件2000调制的光的波长的尺寸。限定电介质纳米天线280的形状的尺寸中的至少一个可以是亚波长。例如，当将被2D光调制器件2000调制的光的波长是λ时，亚波长尺寸可以小于或等于λ/2。
电介质纳米天线280可以具有导电纳米天线180的上述形状或其组合。也就是，电介质纳米天线280可以具有圆柱形形状、多棱柱形状、多面体形状、十字形、星形形状或其组合。
电介质纳米天线280可以具有比有源层230的折射率大的折射率。电介质纳米天线280可以具有比有源层230的折射率根据电信号变化的范围内的最大折射率大的折射率。电介质纳米天线280的介电常数可以例如等于或大于10。
有源层230可以包括具有根据外部信号变化的光学性质的材料。外部信号可以是电信号。有源层230可以包括具有当电信号被传输时由于有效介电常数的变化而变化的折射率的电光材料。电光材料可以是例如LiNbO3、LiTaO3、KTN、PZT等，并且也可以是具有电光性质的各种聚合物材料。
透明导电层240和金属层220分别在有源层230上和下，并且是用于在有源层230中形成电场的电压被施加到的层。
金属层220可以用作用于施加电压的电极以及反射光的反射层。金属层220可以包括从Cu、Al、Ni、Fe、Co、Zn、Ti、Ru、Rh、Pd、Pt、Ag、Os、Ir和Au当中选择的至少一种。
透明导电层240可以包括TCO，诸如ITO、IZO、AZO或GZO。
有源层230的厚度t可以被确定为使从电介质纳米天线280到金属层220的距离D满足某个条件。当要被调制的波长是λ时，距离D可以是例如λ/4的整数倍。
像素电路单元PU包括晶体管TR和电容器Cst。晶体管TR的漏电极和电容器Cst的电极形成连接到彼此的连接电极，并且连接电极可以通过导电通孔电连接到相位调制元件200的金属层220。
为方便起见，图8仅示出2D光调制器件2000的一个相位调制元件200。当多个相位调制元件200被布置时，相位调制元件200的透明导电层240可以连接到彼此，并且其金属层220可以彼此隔开。相位调制元件200的透明导电层240可以连接到彼此，并且均一的电势可以施加到其。例如，透明导电层240可以连接到相同的接地部分。
像素电路单元PU可以包括栅线和数据线，并且栅线和数据线可以分别连接到栅极控制器和像素电荷控制器。像素电路单元PU可以如图2所示地布置。
当被施加为来自栅极控制器的栅信号的栅电压到达晶体管TR的栅电极GE时，沟道形成在晶体管TR的源电极和漏电极之间。当来自像素电荷控制器的充电信号通过沟道到达电容器Cst时，电容器Cst被充电。栅极控制器和像素电荷控制器可以以不同的电荷被充电到每个像素电路单元PU中的电容器Cst这样的方式，分别发送栅信号和充电信号。由于相位调制通过相位调制元件200不同地进行，电荷可以在整个2D光调制器件2000中产生期望的相位曲线，并因此产生期望的被调制光。
图9是示出根据一示范性实施方式的2D光调制器件2001的单元结构的截面图。
2D光调制器件2001包括像素电路单元PU和电连接到像素电路单元PU的相位调制元件201。
相位调制元件201在相位调制元件201还包括间隔物层250的方面不同于图8的相位调制元件200。
间隔物层250可以在金属层220和有源层230之间，包括电介质材料，并具有比电介质纳米天线280的折射率小的折射率。然而，本公开不限于此。间隔物层250设置为使电介质纳米天线280和金属层220之间的距离D匹配期望值。例如，当对于有源层230的厚度t的要求和对于电介质纳米天线280和金属层220之间的距离D的要求难以同时满足电介质纳米天线280的共振性质时，具有比电介质纳米天线280的折射率小的折射率的间隔物层250可以以适当的厚度插入在金属层220和有源层230之间，使得期望的共振性质可以被实现。
图10是示出根据一示范性实施方式的2D光调制器件2002的单元结构的截面图。
2D光调制器件2002包括像素电路单元PU和电连接到像素电路单元PU的相位调制元件202。
相位调制元件202在电介质纳米天线280、有源层231和透明导电层241布置在金属层220之上的次序方面不同于图8的2D光调制器件2000中包括的相位调制元件200。
电介质纳米天线280、有源层231和透明导电层241可以顺序地布置在金属层220之上。从俯视图(也就是平面图)，有源层231和透明导电层241的形状可以与电介质纳米天线280的形状相同。
均一的电势可以施加到相位调制元件202的透明导电层241，透明导电层241可以以类似于图1的导电纳米天线180的方式连接到接地部分。
图11是示出根据一示范性实施方式的2D光调制器件2003的单元结构的截面图。
2D光调制器件2003包括像素电路单元PU和电连接到像素电路单元PU的相位调制元件203。
相位调制元件203与图10的相位调制元件202的不同之处在于：相位调制元件203还包括间隔物层260。
间隔物层260可以在金属层220和电介质纳米天线280之间。间隔物层260可以包括电介质材料并可以具有比电介质纳米天线280的折射率小的折射率。如参照图9所述的，间隔物层260可以设置为使电介质纳米天线280和金属层220之间的距离D满足期望值。
在2D光调制器件1000、1001、2000、2001、2002和2003中，相位调制元件可以布置为分别连接到二维地布置的像素电路单元，并且因为可以独立地设定相位调制元件的相位变化，所以可以形成各种相位曲线。
2D光调制器件1000、1001、2000、2001、2002和2003可以用作例如能够二维地控制入射光的转向方向的光束转向器件。此外，由于2D光调制器件1000、1001、2000、2001、2002和2003可以用作用于使入射光在各种方向上分裂的分束器、用于形成射束形状的射束成形器、具有折射率的光学装置等，所以2D光调制器件1000、1001、2000、2001、2002和2003可以用于各种电子装置。
图12是示出根据一实施方式的激光雷达装置3000的示意结构的框图。
激光雷达装置3000可以包括照射光的光源单元3200、使从光源单元3200照射的光朝向物体OBJ转向的2D光调制器件3300、以及感测从物体OBJ反射的光的传感器单元3400。
激光雷达装置3000还可以包括控制2D光调制器件3300中的相位曲线的控制器3100和用于处理由传感器单元3400感测的信号的信号处理器3600。
光源单元3200照射将用于分析物体OBJ的位置和形状的光。光源单元3200可以包括用于产生并照射具有某波长的光的光源。光源单元3200可以包括产生并照射在适合于物体OBJ的位置和形状的分析的波长带中的光(例如具有红外波长的光)的光源，诸如激光二极管(LD)、发光二极管(LED)、超发光二极管(SLD)等。光源单元3200可以产生并照射不同的波长带中的光。光源单元1200可以产生并照射脉冲光或连续光。
2D光调制器件3300可以包括用于独立地调制入射光Li的相位的相位调制元件以及二维地布置以分别地控制相位调制元件的像素电路单元。2D光调制器件3300可以具有2D光调制器件1000、1001、2000、2001、2002和2003中的任何一个的结构或修改的结构。
在光源单元3200和2D光调制器件3300之间和/或在2D光调制器件3300和物体OBJ之间，还可以设置其它的光学构件，例如用于调整从光源单元3200照射的光的路径的构件、使照射的光的波长分裂的构件、或执行额外的调制的构件。
控制器3100可以控制输入到包括在2D光调制器件3300中的相位调制元件的输入信号，使得2D光调制器件3300可以具有执行光束转向功能的相位曲线。控制器3100还可以控制2D光调制器件3300的栅极控制器和像素电荷控制器从而按时间顺序地调整2D光调制器件3300的转向方向并扫描物体OBJ。2D光调制器件3300可以执行在2D方向上的光束转向并因此可以沿着2D方向扫描物体OBJ。当物体OBJ正在被扫描时，从物体OBJ反射的反射光Lr被传感器单元3400感测。感测的光信号可以被传输到信号处理器3600并用于OBJ的存在、位置、形状等的分析。
传感器单元3400可以包括用于感测从物体OBJ反射的光的光学探测的传感器的阵列。传感器单元3400还可以包括能够感测具有不同的波长的光的传感器的阵列。
信号处理器3600可以根据由传感器单元3400检测的光信号执行某操作(例如用于测量飞行时间的操作)，以及基于以上操作的物体OBJ的三维(3D)形状识别。信号处理器3600可以使用各种操作方法。例如，根据直接时间测量方法，脉冲光被照射到物体OBJ上，在从物体OBJ反射之后光的到达时间由计时器测量，从而计算距离。根据相关方法，脉冲光被照射到物体OBJ上，并且距离根据从物体OBJ反射的光的亮度来测量。根据相位延迟测量方法，具有连续波诸如正弦波的光照射到物体OBJ上，从物体OBJ反射的光的相位差被检测，因此相位差被转变为该距离。信号处理器3600可以包括在其中存储数据和该操作所需的程序的存储器。
信号处理器3600可以发送操作结果(也就是，关于物体OBJ的形状和位置的信息)到另一单元。例如，该信息可以被传输到采用激光雷达装置3000的自驱动装置(例如自动驾驶车辆)的驱动控制器、警报系统等。
激光雷达装置3000可以用作用于实时获得关于远处物体的3D信息的传感器，因此适合于自驱动装置(例如无人驾驶飞行器、自动驾驶车辆、机器人、无线电遥控飞机等)。激光雷达装置3000还可以被应用于黑盒子(例如，仪表板摄像机和/或记录仪)等以及自动驾驶装置，从而当物体难以仅通过图像传感器识别时在夜间识别前部或后部障碍物。
在上述2D光调制器件中，二维地布置的像素电路单元和分别连接到像素电路单元的相位调制元件被布置，因此可以产生各种相位曲线。
上述2D光调制器件可以二维地调制入射光的形状并实现各种光学能力。例如，2D光调制器件可以执行在2D方向上的光束转向。
上述2D光调制器件可以用于使用以上光学能力的各种电子装置。
应当理解，这里描述的各种示范性实施方式应当仅以描述性的含义理解，而不是为了限制的目的。在每个示范性实施方式内的特征或方面的描述应当通常被认为可用于其它示范性实施方式中的其它类似特征或方面。
尽管已经参照附图描述了一个或更多个示范性实施方式，但是本领域普通技术人员将理解，可以在其中进行形式和细节上的各种变化而没有背离由权利要求书限定的精神和范围。
本申请要求于2016年11月16日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2016-0152967号的优先权，其公开通过引用整体地结合于此。

Claims (19)

1.一种二维光调制器件，包括：
多个相位调制元件，包括具有纳米结构的超表面；和
电路板，配置有用于独立地控制分别传输到所述多个相位调制元件的电信号的多个像素电路单元，其中所述多个像素电路单元的每个包括晶体管和电容器，
其中所述多个相位调制元件的每个包括：
金属层，电连接到所述多个像素电路单元当中的对应的像素电路单元；
有源层，设置在所述金属层上，所述有源层具有基于从所述对应的像素电路单元传输的电信号而改变的折射率；
导电纳米天线，设置在所述有源层上；
第一绝缘层，设置在所述有源层和所述导电纳米天线之间；以及
第二绝缘层，设置在所述金属层和所述有源层之间。
2.如权利要求1所述的二维光调制器件，其中所述有源层包括在该处载流子的浓度基于所施加的电压改变的载流子可变区。
3.如权利要求1所述的二维光调制器件，其中所述有源层包括透明导电氧化物、过渡金属氮化物、铌酸锂(LiNbO3)、钽酸锂(LiTaO3)、钽铌酸钾(KTN)、锆钛酸铅(PZT)和具有电光性质的聚合物材料中的至少一种。
4.如权利要求1所述的二维光调制器件，其中所述多个相位调制元件的导电纳米天线中的至少一些电连接到彼此，以及
其中均一的电势被施加到所述导电纳米天线中的所述至少一些。
5.如权利要求1所述的二维光调制器件，其中所述多个相位调制元件的有源层被电连接到彼此，并且
其中均一的电势被施加到所述有源层。
6.如权利要求1所述的二维光调制器件，其中所述有源层包括在该处载流子的浓度基于所施加的电压改变的载流子可变区，以及
其中所述有源层中的所述载流子可变区邻近所述第二绝缘层。
7.如权利要求1所述的二维光调制器件，其中所述纳米结构具有以下之一：圆形形状，椭圆形形状，多边形形状，十字形形状，星形形状，以及其中所述圆形形状、所述椭圆形形状、所述多边形形状、所述十字形形状和所述星形形状中的两个或更多个结合的形状。
8.一种二维光调制器件，包括：
多个相位调制元件，包括具有纳米结构的超表面；和
电路板，配置有用于独立地控制分别传输到所述多个相位调制元件的电信号的多个像素电路单元，其中所述多个像素电路单元的每个包括晶体管和电容器，
其中所述多个相位调制元件的每个包括：
电介质纳米天线；
金属层，与所述电介质纳米天线分离并电连接到所述多个像素电路单元当中的对应的像素电路单元；
有源层，设置在所述金属层之上，所述有源层具有基于来自所述对应的像素电路单元的电信号而改变的折射率；以及
透明导电层，设置在所述有源层上。
9.如权利要求8所述的二维光调制器件，其中所述有源层的折射率小于所述电介质纳米天线的折射率。
10.如权利要求9所述的二维光调制器件，其中所述电介质纳米天线包括具有等于或大于10的介电常数的材料。
11.如权利要求8所述的二维光调制器件，其中所述多个相位调制元件的透明导电层电连接到彼此，以及
其中均一的电势被施加到所述透明导电层。
12.如权利要求8所述的二维光调制器件，其中所述有源层、所述透明导电层和所述电介质纳米天线顺序地布置在所述金属层之上。
13.如权利要求12所述的二维光调制器件，还包括在所述金属层和所述有源层之间的间隔物层，所述间隔物层包括电介质材料。
14.如权利要求8所述的二维光调制器件，其中所述电介质纳米天线、所述有源层和所述透明导电层顺序地布置在所述金属层之上。
15.如权利要求14所述的二维光调制器件，其中当从俯视图看时，所述有源层和所述透明导电层具有与所述电介质纳米天线相同的形状。
16.如权利要求14所述的二维光调制器件，还包括在所述金属层和所述电介质纳米天线之间的间隔物层，所述间隔物层包括电介质材料。
17.如权利要求8所述的二维光调制器件，其中所述纳米结构具有以下之一：圆形形状，椭圆形形状，多边形形状，十字形形状，星形形状，以及其中所述圆形形状、所述椭圆形形状、所述多边形形状、所述十字形形状和所述星形形状中的两个或更多个结合的形状。
18.如权利要求8所述的二维光调制器件，其中所述有源层包括铌酸锂(LiNbO3)、钽酸锂(LiTaO3)、钽铌酸钾(KTN)、锆钛酸铅(PZT)和具有电光性质的聚合物材料中的至少一种。
19.一种激光雷达装置，包括：
光源单元；
如权利要求1或8所述的二维光调制器件，配置为使从所述光源单元照射的光朝向物体转向；以及
传感器，配置为接收被所述二维光调制器件转向并照射到所述物体上、从所述物体反射的光。
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