KR102411663B1 - 광 변조 소자 및 이를 포함하는 전자 기기 - Google Patents

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Abstract

광 변조 소자는 금속층; 상기 금속층 상에 배치되며, 인가 전압에 의존하는 복수의 저항 상태를 가지는 가변 저항 물질층; 및 상기 가변저항 물질층 상에 배치되며, 서브 파장의 형상 치수를 가지는 나노 구조와 전도성 물질을 포함하는 메타 표면층;을 포함한다.

Description

광 변조 소자 및 이를 포함하는 전자 기기{Light modulating device and electronic apparatus including the same}
본 개시는 입사광을 변조하는 광 변조 소자에 대한 것이다.
입사광의 투과/반사, 편광, 위상, 세기, 경로 등을 변경하는 광학 소자는 다양한 광학 장치에서 활용된다. 또한, 광학 시스템 내에서 원하는 방식으로 상기한 성질을 제어하기 위해 다양한 구조의 광 변조기들이 제시되고 있다.
이러한 예로서, 광학적 이방성을 가지는 액정(liquid crystal), 광 차단/반사 요소의 미소 기계적 움직임을 이용하는 MEMS(microelectromechanical system) 구조 등이 일반적인 광 변조기에 널리 사용되고 있다. 이러한 광변조기들은 그 구동 방식의 특성상 동작 응답시간이 수 ㎲ 이상으로 느리다.
최근에는 메타 구조(meta structure)를 광 변조기에 적용하는 시도가 있다. 메타 구조는 입사광의 파장보다 작은 수치가, 두께, 패턴, 또는 주기 등에 적용된 구조이다. 원하는 다양한 형태로의 광 변조를 위해서는 위상 변조의 범위의 증가, 조절 용이성 등의 성능이 필요하다.
원하는 위상 프로파일을 형성하여 다양한 형태로 광을 변조할 수 있는 광 변조 소자를 제공한다.
일 유형에 따르면, 금속층; 상기 금속층 상에 배치되며, 인가 전압에 의존하는 복수의 저항 상태를 가지는 가변저항 물질층; 및 상기 가변저항 물질층 상에 배치되며, 서브 파장의 형상 치수를 가지는 나노 구조와 전도성 물질을 포함하는 메타 표면층;을 포함하는, 광 변조 소자가 제공된다.
상기 가변저항 물질층은 인가 전압에 의해 전도성의 나노 필라멘트(nano-filament)가 형성되는 물질일 수 있다.
상기 가변저항 물질층은 인가 전압에 의해 상기 전도성의 나노 필라멘트(nano-filament)의 개수나 크기 중 적어도 하나가 조절되는 물질일 수 있다.
상기 가변저항 물질층은 MOx(0<x<1)( M은 Ni, Ta, Ni, Hf, Fe, W, Mn, 또는 Co)를 포함할 수 있다.
인가 전압에 의해 상기 가변저항 물질층 내에 M으로 이루어진 저저항 영역과 MOx(0<x<1)로 이루어진 고저항 영역이 형성될 수 있다.
인가 전압에 따라 상기 저저항 영역의 면적이 조절될 수 있다.
상기 가변저항 물질층은 상기 금속층에 직접 접촉되게 배치될 수 있다.
상기 메타 표면층은 서브 파장의 형상 치수를 가지는 복수의 전도성 나노 안테나를 포함할 수 있다.
상기 복수의 전도성 나노 안테나는 상기 가변저항 물질층에 직접 접촉되게 배치될 수 있다.
상기 금속층은 길이 방향이 제1방향이고, 상기 제1방향과 교차하는 제2방향을 반복 배열되며, 서로 이격되게 배치된, 복수의 금속 라인을 포함할 수 있다.
상기 복수의 전도성 나노 안테나는 상기 제1방향 및 상기 제2방향을 따라 이차원적으로 배열되고, 상기 복수의 전도성 나노 안테나 중, 상기 제2방향으로 인접한 전도성 나노 안테나들은 서로 연결되어, 상기 제1방향을 따라 반복 배열되고 서로 이격되게 배치되는 복수의 전도성 나노 안테나 라인을 형성할 수 있다.
상기 가변저항 물질층은 상기 제1방향 및 제2방향을 따라 이차원적으로 이격 배열되는 복수의 화소로 구획되며, 상기 복수의 화소는 상기 복수의 금속 라인과 상기 복수의 전도성 나노 안테나 라인이 교차하는 위치에 배치될 수 있다.
상기 광 변조 소자는 상기 복수의 금속 라인 각각에 인가되는 전기 신호를 제어하는 제1 신호 제어부; 상기 복수의 금속 나노 안테나 라인 각각에 인가되는 전기 신호를 제어하는 제2 신호 제어부;를 더 포함할 수 있다.
상기 메타 표면층은 전도성 물질층과, 상기 전도성 물질층상에 배치되고 서브 파장의 형상 치수를 가지는 복수의 유전체 나노 안테나를 포함할 수 있다.
상기 전도성 물질층은 상기 가변저항 물질층에 직접 접촉되게 배치될 수 있다.
상기 금속층은 길이 방향이 제1방향이고, 상기 제1방향과 교차하는 제2방향을 따라 반복 배열되며, 서로 이격되게 배치된, 복수의 금속 라인을 포함할 수 잇다.
상기 전도성 물질층은 길이 방향이 상기 제2방향이고, 상기 제1방향을 따라 반복 배열되며, 서로 이격되게 배치된, 복수의 전도성 라인을 포함할 수 있다.
상기 가변저항 물질층은 상기 제1방향 및 제2방향을 따라 이차원적으로 이격 배열되는 복수의 화소로 구획되며, 상기 복수의 화소는 상기 복수의 금속 라인과 상기 복수의 전도성 라인이 교차하는 위치에 배치될 수 잇다.
상기 광 변조 소자는 상기 복수의 금속 라인 각각에 인가되는 전기 신호를 제어하는 제1 신호 제어부; 상기 복수의 전도성 라인 각각에 인가되는 전기 신호를 제어하는 제2 신호 제어부;를 더 포함할 수 있다.
또한, 일 유형에 따르면, 광원; 상기 광원으로부터의 광이 피사체를 향하도록 스티어링(steering) 하는 상술한 어느 하나의 광 변조 소자; 상기 광 변조 소자에서 스티어링 되며 상기 피사체에 조사된 후 상기 피사체에서 반사되는 광을 수신하는 센서;를 포함하는 라이다(lidar) 장치가 제공된다.
상술한 광 변조 소자는 인가 전압에 의존하는 복수의 저항 상태를 가지며 각 저항 상태에 따라 굴절률이 변하는 가변 저항 물질층을 채용하여, 빠른 응답 속도로 입사광의 위상 변화 폭을 다양화할 수 있다.
상술한 광 변조 소자는 이차원 어레이 구조를 채용하여 원하는 위상 프로파일을 형성할 수 있어, 다양한 광학 성능을 나타낼 수 있다.
상술한 광 변조 소자는 상기 광학 성능을 활용하는 다양한 전자 기기에 채용될 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 광 변조 소자의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.
도 2a, 도 2b 및 도 2c는 도 1의 광 변조 소자에 구비되는 전도성 나노 안테나의 예시적인 형상들을 보인다.
도 3a 내지 도 3c는 도 1의 광 변조 소자에 구비되는 가변 저항 물질층이 인가 전압에 따라 전도성 나노필라멘트가 형성되는 물질로 이루어진 것을 예시적으로 보인다.
도 4a 내지 도 4c는 도 1의 광 변조 소자에 구비되는 가변 저항 물질층이 인가 전압에 따라 저저항 영역의 면적이 증가하는 물질로 이루어진 것을 예시적으로 보인다.
도 5 내지 도 7은 도 1의 광 변조 소자에 구비되는 가변 저항 물질층이 인가 전압에 따라 위상 변조 특성이 조절됨을 보이는 전산 모사 그래프이다.
도 8은 다른 실시예에 따른 광 변조 소자의 개략적인 구성을 보이는 사시도이다.
도 9는 도 8의 광 변조 소자에 전기 신호를 인가하는 회로 구성을 개략적으로 보이는 평면도이다.
도 10은 또 다른 실시예에 따른 광 변조 소자의 개략적인 구성을 보이는 사시도이다.
도 11은 또 다른 실시예에 따른 광 변조 소자의 개략적인 구성을 보이는 사시도이다.
도 12는 또 다른 실시예에 따른 광 변조 소자의 개략적인 구성을 보이는 사시도이다.
도 13은 도 12의 광 변조 소자에 전기 신호를 인가하는 회로 구성을 개략적으로 보이는 평면도이다.
도 14는 또 다른 실시예에 따른 광 변조 소자의 개략적인 구성을 보이는 사시도이다.
도 15는 실시예에 따른 라이다 장치의 개략적인 구성을 보이는 블록도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 한편, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다.
이하에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다.
제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서에 기재된 “...부”, “모듈” 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 광 변조 소자(100)의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다. 도 2a, 도 2b 및 도 2c는 도 1의 광 변조 소자(100)에 구비되는 전도성 나노 안테나(150)의 예시적인 형상들을 보인다.
광 변조 소자(100)는 입사광(Li)을 소정의 변조광(Lm)으로 변조하는 것으로, 금속층(110), 금속층(110) 상에 배치되는 가변 저항 물질층(130) 및 가변 저항 물질층(130) 상에 배치되는 메타 표면층(MS)을 포함한다.
메타 표면층(MS)은 서브 파장(sub-wavelength)의 형상 치수를 가지는 복수의 전도성 나노 안테나(150)를 포함한다. 도면에서는 편의상 하나의 전도성 나노 안테나(150)을 도시하고 있다. 여기서, 서브 파장은 광 변조 소자(100)가 변조하고자 하는 입사광(Li)의 파장보다 작은 치수를 의미한다. 전도성 나노 안테나(150)의 형상을 정의하는 치수, 예를 들어, 폭(w)이나 두께(h) 중 적어도 어느 하나는 입사광(Li)의 파장 보다 작을 수 있다.
전도성 나노 안테나(150)는 서브 파장 형상 치수를 포함하는 다양한 형상을 가질 수 있다. 원기둥, 타원기둥, 다각기둥 형상을 가질 수 있고, 비대칭적인 형상을 가질 수도 있다.
도 2a에 도시한 바와 같이, 단면이 정사각형인 사각 기둥 형상을 가질 수 있고, 도 2b에 도시한 바와 같이, 단면이 십자 형태인 기둥 형상을 가질 수 있다. 또는, 도 2c에 도시한 바와 같이, 원기둥 형상을 가질 수 있다. 도시된 형상은 예시적인 것이며, 이에 한정되지 않는다.
전도성 나노 안테나(150)를 형성하는 전도성 물질로는 표면 플라즈몬 여기(surface plasmon excitation)가 일어날 수 있는 도전성이 높은 금속 물질이 채용될 수 있다. 예를 들어, Cu, Al, Ni, Fe, Co, Zn, Ti, 루세늄(ruthenium, Ru), 로듐(rhodium, Rh), 팔라듐(palladium, Pd), 백금(Pt), 은(Ag), 오스뮴(osmium, Os), 이리듐(iridium, Ir), 백금(Pt), 금(Au), 중에서 선택된 적어도 어느 하나가 채용될 수 있고, 이들 중 어느 하나를 포함하는 합금으로 이루어질 수 있다. 또한, 그래핀(graphene)과 같이 전도성이 좋은 이차원 물질, 또는, 전도성 산화물이 채용될 수도 있다.
전도성 나노 안테나(150)는 소정 파장 대역의 광의 위상을 변조할 수 있다. 이러한 기능은 전도성 물질과 유전체 물질의 경계에서 일어나는 표면 플라즈몬 공명(surface plasmon resonance)에 의한 것으로 알려져 있으며, 전도성 나노 안테나(150)의 세부적인 형상, 가변 저항 물질층(130)이 나타내는 굴절률 값에 따라 공진 파장, 위상 변조의 정도가 조절된다.
가변 저항 물질층(130)은 인가 전압에 의존하는 복수의 저항 상태를 가지는 물질로 이루어진다. 가변 저항 물질층(130)은 복수의 저항 상태에서 각각 나타내는 굴절률이 다르며, 이는 전도성 나노 안테나(150)의 거동에 영향을 준다. 즉, 가변 저항 물질층(130)의 저항 상태에 따라, 광 변조 소자(100)가 입사광(Li)의 위상을 변조하는 정도가 조절될 수 있다.
가변 저항 물질층(130)은 인가 전압에 의해 전도성 나노 필라멘트(nano-filament)가 형성되는 물질로 이루어질 수 있다. 이러한 물질은 나노 필라멘터리(nano-filamentary) 물질로 지칭될 수 있다. 나노 필라멘터리 물질은 물질에 고유한 특정값의 전압이 인가될 때, 전도성을 가지는 나노 필라멘트가 형성되는 물질이다. 나노 필라멘터리 물질은 예를 들어, TiOx를 포함할 수 있다. 금속층(110)과 전도성 나노 안테나(150)가 전도성 나노 필라멘트로 연결된 상태를 저저항 상태, 전도성 나노 필라멘트로 연결되지 않은 상태를 고저항 상태로 볼 수 있다. 저저항 상태의 개수는 복수개가 될 수 있다. 즉, 인가 전압에 따라 전도성 나노 필라멘트의 개수나 크기가 조절될 수 있고, 이에 따라 복수의 저항 상태를 가질 수 있다.
가변 저항 물질층(130)은 또한, 인가 전압에 의해 저저항 영역이 형성되는 물질로 이루어질 수 있다. 인가 전압에 따라 저저항 영역의 면적이 증가하여, 서로 다른 복수의 저항 상태를 가질 수 있다. 가변 저항 물질층(130)은 금속 산화물로 이루어질 수도 있으며, 예를 들어, 복수의 산화 상태를 가질 수 있는 금속의 산화물로 이루어질 수 있다. 가변 저항 물질층(130)은 MOx(0<x<1)를 포함할 수 있고, M은 Ni, Ta, Ni, Hf, Fe, W, Mn, 또는 Co일 수 있다.
금속층(110)은 전도성 나노안테나(150)와의 사이에 전압을 인가할 수 있고, 또한, 광을 반사하는 미러층으로 기능할 수 있다. 금속층(110)의 재질은 이러한 기능을 수행할 수 있는 다양한 금속 재질, 예를 들어, Cu, Al, Ni, Fe, Co, Zn, Ti, 루세늄(ruthenium, Ru), 로듐(rhodium, Rh), 팔라듐(palladium, Pd), 백금(Pt), 은(Ag), 오스뮴(osmium, Os), 이리듐(iridium, Ir), 백금(Pt), 금(Au), 중에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
도 3a 내지 도 3c는 도 1의 광 변조 소자(100)에 구비되는 가변 저항 물질층(130)이 인가 전압에 따라 전도성 나노 필라멘트가 형성되는 물질로 이루어진 것을 예시적으로 보인다.
도 3a를 참조하면, 전도성 나노 안테나(150)와 금속층(110) 사이에 V1의 전압이 인가될 때, 가변 저항 물질층(130)에는 전도성 나노 필라멘트가 형성되지 않아 절연체와 같은 고저항 상태를 가질 수 있다. 전압 V1은 0 또는, 전도성 나노 필라멘트 형성을 위한 임계 전압보다 낮은 값일 수 있다.
도 3b를 참조하면, 전도성 나노 안테나(150)와 금속층(110) 사이에 V1 보다 큰, V2의 전압이 인가될 때, 가변 저항 물질층(130)에는 전도성 나노 필라멘트(131)가 형성될 수 있다. 전도성 나노 필라멘트(131)는 전도성 나노 안테나(150)와 금속층(110) 간의 전도 경로를 형성하고 이에 의해, 가변 저항 물질층(130)은 전도성 나노 필라멘트(131)가 형성되지 않은 경우보다 저저항 상태가 된다. 저저항 상태에서, 가변 저항 물질층(130)의 굴절률은 전도성 나노 필라멘트(131)가 형성되지 않은 경우의 굴절률과 다른 값을 나타낸다.
도 3c를 참조하면, 전도성 나노 안테나(150)와 금속층(110) 사이에 V2 보다 큰, V3의 전압이 인가될 때, 가변 저항 물질층(130)에는 전도성 나노 필라멘트(131)가 형성되며, 그 개수는 인가 전압이 V2 인 경우보다 많아질 수 있다. 전도성 나노 필라멘트(131)는 전도성 나노 안테나(150)와 금속층(110) 간의 전도 경로를 형성하고 이러한 전도 경로가 인가 전압이 V2 인 경우보다 많아지기 때문에, 가변 저항 물질층(130)은 인가 전압이 V2 인 경우보다 저저항 상태가 된다. 즉, 인가 전압이 V2 인 경우와 다른 저저항 상태를 나타내며, 다른 굴절률 값을 갖게 된다.
도 3a 내지 도 3c에서 인가 전압에 따라 가변 저항 물질층(130)에 형성되는 전도성 나노 필라멘트(131)의 개수가 변하는 것을 예시하였고, 이에 한정되지 않으며, 전도성 나노 필라멘트(131)의 크기, 예를 들어, 두께가 인가전압에 따라 변할 수도 있다.
도 4a 내지 도 4c는 도 1의 광 변조 소자(100)에 구비되는 가변 저항 물질층(130)이 인가 전압에 따라 저저항 영역의 면적이 증가하는 물질로 이루어진 것을 예시적으로 보인다.
가변 저항 물질층(130)은 금속 산화물로 이루어질 수도 있으며, 예를 들어, 복수의 산화 상태를 가질 수 있는 금속의 산화물로 이루어질 수 있다. 가변 저항 물질층(130)은 MOx(0<x<1)를 포함할 수 있고, M은 Ni, Ta, Ni, Hf, Fe, W, Mn, 또는 Co일 수 있다.
가변 저항 물질층(130)이 MOx(0<x<1)로 이루어질 때, 인가 전압에 의해, 가변 저항 물질층(130)에는 M으로 이루어진 저저항 영역과, MOx(0<x<1)로 이루어진 고저항 영역이 형성될 수 있다. 저저항 영역의 면적은 인가 전압에 따라 조절될 수 있다.
도 4a를 참조하면, 가변 저항 물질층(130)이 MOx(0<x<1)로 이루어지고, 전도성 나노 안테나(150)와 금속층(110) 사이에 V1의 전압이 인가될 때, 가변 저항 물질층(130)에는 저저항 영역이 형성되지 않아 절연체와 같은 고저항 상태가 될 수 있다. 전압 V1은 0 또는, M으로 이루어지는 고저항 영역의 형성을 위한 임계 전압보다 낮은 값일 수 있다.
도 4b를 참조하면, 전도성 나노 안테나(150)와 금속층(110) 사이에 V1 보다 큰, V2의 전압이 인가될 때, 가변 저항 물질층(130)에는 저저항 영역(132)이 형성될 수 있다. 저저항 영역(132)은 예를 들어, 금속 물질인, M으로 이루어질 수 있다. 고저항 영역(134)은 MOx(0<x<1)로 이루어질 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 저저항 영역(132)은 고저항 영역(134)과 x 값이 달라, 상대적으로 저저항을 나타내는 MOx(0<x<1)로 이루어질 수도 있다.
저저항 영역(132)은 전도성 나노 안테나(150)와 금속층(110) 간의 전도 경로를 형성하고 이에 의해, 가변 저항 물질층(130)은 저저항 영역(132) 형성되지 않은 경우보다 저항값이 낮은 저저항 상태가 된다. 저저항 상태에서, 가변 저항 물질층(130)의 굴절률은 저저항 영역(132)이 형성되지 않은 경우의 굴절률과 다른 값을 나타낸다.
도 4c를 참조하면, 전도성 나노 안테나(150)와 금속층(110) 사이에 V2 보다 큰, V3의 전압이 인가될 때, 가변 저항 물질층(130)에는 저저항 영역(132)이 형성되며, 그 크기가 인가 전압이 V2 인 경우보다 클 수 있다. 저저항 영역(132)은 전도성 나노 안테나(150)와 금속층(110) 간의 전도 경로를 형성하고 이러한 전도 경로의 폭이 인가 전압이 V2 인 경우보다 넓어지기 때문에, 가변 저항 물질층(130)은 인가 전압이 V2 인 경우보다 저저항 상태가 된다. 즉, 인가 전압이 V2 인 경우와 다른 저저항 상태를 나타내며, 다른 굴절률 값을 갖게 된다.
상술한 바와 같이, 복수의 저항 상태를 나타낼 수 있는 가변 저항 물질층(130)은 복수의 상태(multi-state)를 나타내는 물질로, 시간이 경과하여도 설정된 상태가 잘 유지되는 것으로 알려져 있다. 또한, 설정된 상태는 다른 신호의 인가에 따라 용이하게 반전된다. 즉, 가변 저항 물질층(130)은 다른 전압이 인가되기 전까지 설정된 저항 상태가 유지되며, 또한, 인가 전압에 따라 저항 상태가 변화되는 스위칭 시간이 빠르다. 예를 들어, 나노 필라멘터리 물질은 저항 상태가 변화되는 스위칭 시간이 나노 초(nano-second) 단위일 수 있다. 따라서, 광 변조 소자(100)에 가변 저항 물질층(130)을 채용함으로써, 입사광의 위상 변조를 용이하게 할 수 있다.
도 5 내지 도 7은 도 1의 광 변조 소자(100)에 구비되는 가변 저항 물질층(130)이 인가 전압에 따라 위상 변조 특성이 조절됨을 보이는 전산 모사 그래프이다.
전산 모사에서, 가변 저항 물질층(130)이 인가 전압에 따라 도 4a 내지 도 4c에서 예시한 바와 같은 거동을 가지는 것으로 가정하였고, 저저항 영역(132)은 Ti, 고저항 영역(134)은 TiO2로 설정하였다. 전도성 나노 안테나(150)과 금속층(110)은 Au로 설정하였다.
도 5는 저저항 영역의 폭이 0nm, 5nm, 10nm, 15nm, 20nm인 경우에 대해 입사광의 파장에 따른 반사율을 보이고 있다.
반사율이 최소가 되는 파장 대역이 공진 파장 대역이며, 즉, 광 변조 소자(100)는 이러한 파장 대역의 광을 변조할 수 있다. 공진 파장 대역은 전도성 나노 안테나(150)의 형상에 주로 의존하며, 따라서, 인가 전압에 의해 가변 저항 물질층(130)에 형성되는 저저항 영역(132)의 폭이 0~20nm 사이의 값을 가질 때 공진 파장 대역은 대체로 일정하게 나타나고 있다.
도 6은 저저항 영역(132)의 폭이 0nm, 5nm, 10nm, 15nm, 20nm인 경우에 대해 입사광의 파장에 따른 반사 위상을 보인다. 도 7은 저저항 영역(132)의 폭에 따른 위상 변화 범위를 보이는 그래프이다.
도 6의 그래프를 참조하면, 도 5에 나타난 공진 파장 대역, 예를 들어, 약 1270nm의 파장의 광에 대해, 저저항 영역(132)의 폭이 0nm, 5nm, 10nm, 15nm, 20nm로 변함에 따라 반사 위상은 급격한 변화를 나타내고 있다. 이로부터 소정 파장 대역의 광의 위상을 인가 전압에 따라 다르게 변조할 수 있음을 알 수 있다.
도 7은 공진 파장 대역, 약 1270nm의 파장의 광에 대한 위상 변화 범위를 보이고 있으며, 약 200˚정도의 위상 변화 폭을 구현할 수 있음을 알 수 있다.
상술한 광 변조 소자(100)는 넓은 위상 변화 폭을 구현할 수 있으며, 이러한 위상 변화 폭을 구현함에 있어, 가변 저항 물질층(130)의 전 영역이 인가 전압에 따라 굴절률이 변화되는 유효 영역이 되는 점에서, 광 변조 소자(100)의 성능 제어가 용이하다.
도 8은 다른 실시예에 따른 광 변조 소자(200)의 개략적인 구성을 보이는 사시도이다. 도 9는 도 8의 광 변조 소자(200)에 전기 신호를 인가하는 회로 구성을 개략적으로 보이는 평면도이다.
광 변조 소자(200)는 금속층(210), 금속층(210) 상에 배치된 가변 저항 물질층(230), 가변 저항 물질층(230) 상에 배치되고 복수의 전도성 나노 안테나(251)를 구비하는 메타 표면층(MS)을 포함한다.
금속층(210)은 복수의 금속 라인(211)을 포함한다. 복수의 금속 라인(211)은 길이 방향이 제1방향(A1)이고, 제1방향(A1)과 교차하는 제2방향(A2)을 따라 서로 이격되게 반복 배열된다. 제1방향(A1), 제2방향(A2)을 서로 직교하는 방향일 수 있고, 다만, 이에 한정되지는 않는다.
복수의 전도성 나노 안테나(251)는 제1방향(A1) 및 제2방향(A2)을 따라 이차원적으로 배열된다. 복수의 전도성 나노 안테나(251) 중, 제2방향(A2)으로 인접한 전도성 나노 안테나들은 서로 연결되어 전도성 나노 안테나 라인(250)을 형성한다. 즉, 복수의 전도성 나노 안테나 라인(250)이 제1방향(A1)을 따라 서로 이격되게 반복적으로 배치된다. 이와 같은 배열에 따라, 같은 전도성 나노 안테나 라인(250)에 포함되는 복수의 전도성 나노 안테나(251)에는 같은 전기 신호가 인가될 수 있다.
복수의 전도성 나노 안테나(251)는 도 2b에 나타난 형상, 즉, 십자형의 단면 형상을 갖는 것으로 도시되었으나, 이는 예시적인 것이고 이에 한정되지 않는다. 도 2a나 도 2c와 같은 형상, 또는 변형된 다른 형상이 복수의 전도성 나노 안테나(251)에 적용될 수도 있다.
가변 저항 물질층(230)은 제1방향(A1) 및 제2방향(A2)을 따라 이차원적으로 이격 배열되는 복수의 화소(PX)로 구획된다. 복수의 화소(PX)는 복수의 금속 라인(211)과 복수의 전도성 나노 안테나 라인(250)이 교차하는 위치에 배치된다. 복수의 금속 라인(211)과 복수의 전도성 나노 안테나 라인(250)에 인가되는 전기 신호에 따라 각 화소(PX)의 저항 상태가 조절된다. 복수의 화소(PX)들은 서로 다른 굴절률을 나타낼 수 있고, 이에 대응하는 각 위치의 전도성 나노 안테나(251)가 입사광을 변조시키는 정도가 조절될 수 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 제1 신호 제어부(270)에 의해 복수의 금속 라인(211) 각각에 인가되는 전기 신호가 제어될 수 있다. 또한, 제2 신호 제어부(280)에 의해, 복수의 금속 나노 안테나 라인(250) 각각에 인가되는 전기 신호를 제어될 수 있다.
제1 신호 제어부(270)는 폭이 △t이고 크기가 Vj인 펄스 형태의 전압 신호를 복수의 전도성 나노 안테나 라인(250)에 순차적으로 인가할 수 있다.
제2 신호 제어부(280)는 폭이 △t이고 크기가 Vi인 펄스 형태의 전압 신호를 복수의 전도성 나노 안테나 라인(250)에 순차적으로 인가할 수 있다.
Vi, Vj의 값은 각 화소(PX)에서 구현하고자 하는 저항 상태에 따라 정해질 수 있고, 이는 광 변조 소자(200)에서 구현하고자 하는 위상 변조 프로파일을 고려한 각 화소(PX)에서의 굴절률 변화 정도를 고려하여 정해질 수 있다.
가변 저항 물질층(230)은 멀티 스테이트(multi-state)가 유지되는 성질을 가지므로, 펄스 형태의 전기 신호가 인가된 후, 다음 전기 신호가 인가될 때까지, 인가된 전기 신호에 의해 형성된 화소(PX)의 저항 상태는 유지된다. 따라서, 복수의 전도성 나노 안테나(251)와 가변 저항 물질층(230) 사이 또는, 가변 저항 물질층(230)과 금속 라인(211) 사이에 각 화소(PX)의 저항 상태 유지를 위한 별도의 스위치 소자, 예를 들어, 트랜지스터 또는 다이오드 등의 구성이 구비되지 않아도 된다. 즉, 가변 저항 물질층(230)과 금속층(211)은 직접 접촉되게 배치될 수 있고, 또한, 전도성 나노 안테나(251)와 가변 저항 물질층(230)이 직접 접촉되게 배치될 수 있다.
도 10은 또 다른 실시예에 따른 광 변조 소자(201)의 개략적인 구성을 보이는 사시도이다.
광 변조 소자(201)는 금속층(210), 금속층(210) 상에 배치된 가변 저항 물질층(231), 가변 저항 물질층(231) 상에 배치되고 복수의 전도성 나노 안테나(251)를 구비하는 메타 표면층(MS)을 포함한다.
금속층(210)은 복수의 금속 라인(211)을 포함한다. 복수의 금속 라인(211)은 길이 방향이 제1방향(A1)이고, 제1방향(A1)과 교차하는 제2방향(A2)을 따라 서로 이격되게 반복 배열된다. 제1방향(A1), 제2방향(A2)을 서로 직교하는 방향일 수 있고, 다만, 이에 한정되지는 않는다.
복수의 전도성 나노 안테나(251)는 제1방향(A1) 및 제2방향(A2)을 따라 이차원적으로 배열된다. 복수의 전도성 나노 안테나(251) 중, 제2방향(A2)으로 인접한 전도성 나노 안테나들은 서로 연결되어 전도성 나노 안테나 라인(250)을 형성한다. 즉, 복수의 전도성 나노 안테나 라인(250)이 제1방향(A1)을 따라 서로 이격되게 반복적으로 배치된다. 이와 같은 배열에 따라, 같은 전도성 나노 안테나 라인(250)에 포함되는 복수의 전도성 나노 안테나(251)에는 같은 전기 신호가 인가될 수 있다.
본 실시예의 가변 저항 물질층(231)은 복수의 화소(PX)를 형성하는 영역이 인위적으로 구획되지 않은 점에서 도 8의 광 변조 소자(200)와 차이가 있다.
가변 저항 물질층(231)은 도시된 바와 같이, 복수의 금속 라인(211)을 전체적으로 덮는 층으로 형성될 수 있으며, 복수의 전도성 나노 안테나 라인(250)과 복수의 금속 나노 라인(211)이 교차하는 지점에 대응하는 가변 저항 물질층(231)의 영역에 화소(PX)가 형성되는 것으로 볼 수 있다.
도 10의 광 변조 소자(201)에도 도 9와 같은 형태로, 복수의 전도성 나노 안테나 라인(250)과 복수의 금속 라인(211)에 전기 신호가 인가될 수 있다. 가변 저항 물질층(231)의 영역이 도 8과 같은 형태로 구획되지 않더라도, 서로 교차하는 전도성 나노 안테나 라인(250)과 금속 나노 라인(211)에 인가되는 전기 신호에 따라 소정 영역의 저항 상태가 서로 독립적으로 제어될 수 있고, 원하는 위상 프로파일이 구현될 수 있다.
도 11은 또 다른 실시예에 따른 광 변조 소자(300)의 개략적인 구성을 보이는 사시도이다.
광 변조 소자(300)는 입사광(Li)을 소정의 변조광(Lm)으로 변조하는 것으로, 금속층(310), 금속층(310) 상에 배치되는 가변 저항 물질층(330) 및 가변 저항 물질층(330) 상에 배치되는 메타 표면층(MS)을 포함한다.
메타 표면층(MS)은 전도성 물질층(340), 전도성 물질층(340)상에 배치되고 서브 파장(sub-wavelength)의 형상 치수를 가지는 복수의 유전체 나노 안테나(350)를 포함한다. 도면에서는 편의상 하나의 유전체 나노 안테나(350)을 도시하고 있다. 여기서, 서브 파장은 광 변조 소자(300)가 변조하고자 하는 입사광(Li)의 파장보다 작은 치수를 의미한다. 유전체 나노 안테나(350)의 형상을 정의하는 치수, 예를 들어, 폭(w)이나 두께(h) 중 적어도 어느 하나는 입사광(Li)의 파장 보다 작을 수 있다.
유전체 나노 안테나(350)는 유전체 재질로 이루어지며, 소정 파장 대역의 광의 위상을 변조할 수 있다. 이러한 기능은 유전체 재질 내에 형성되는 변위 전류(displacement current)에 의한 Mie resonance에 의한 것이다. 유전체 나노 안테나(350)의 세부적인 형상, 가변 저항 물질층(330)이 나타내는 굴절률 값에 따라 공진 파장, 위상 변조의 정도가 조절된다. 유전체 나노 안테나(350)는 가변 저항 물질층(330)의 굴절률보다 큰 굴절률을 가질 수 있다.
유전체 나노 안테나(350)는 서브 파장 형상 치수를 포함하는 다양한 형상을 가질 수 있다. 원기둥, 타원기둥, 다각기둥 형상을 가질 수 있고, 비대칭적인 형상을 가질 수도 있다. 도 2a 내지 도 2c에서 예시한 전도성 나노 안테나(150)의 형상이 채용될 수도 있다.
전도성 물질층(340)은 금속층(310)과의 사이에 전압을 인가하여, 가변 저항 물질층(330)의 저항 상태를 제어할 수 있도록 마련된다. 전도성 물질층(340)은 투명 전도성 산화물, 예를 들어, ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide), AZO(aluminium zinc oxide) 또는 GZO(gallium zinc oxide)을 포함할 수 있다. 전도성 물질층(340)은 가변 저항 물질층(330)에 직접 접촉되게 배치될 수 있다.
본 실시예의 광 변조 소자(300)는 메타 표면층(MS)이 전도성 물질층(340)과 유전체 나노 안테나(350)를 포함하는 점에서, 도 1의 광 변조 소자(100)와 차이가 있고, 나머지 구성은 실질적으로 동일하다.
즉, 가변 저항 물질층(330)은 인가 전압에 의존하는 복수의 저항 상태를 가지는 물질이다. 가변 저항 물질층(339)은 도 3a 내지 도 3c에서 예시한 바와 같이, 인가 전압에 의해 전도성 나노 필라멘트(nano-filament)가 형성되는 물질로 이루어질 수 있다. 또는, 가변 저항 물질층(330)은 또는, 도 4a 내지 도 4c에서 예시한 바와 같이, MOx(0<x<1)(M은 Ni, Ta, Ni, Hf, Fe, W, Mn, 또는 Co)를 포함하며, 인가 전압에 의해, 가변 저항 물질층(330)에 M으로 이루어진 저저항 영역과, MOx(0<x<1)로 이루어진 고저항 영역이 형성되는 물질일 수도 있다.
금속층(310)은 전도성 물질층(340)과의 사이에 전압을 인가할 수 있고, 또한, 광을 반사하는 미러층으로 기능할 수 있다. 금속층(110)의 재질은 이러한 기능을 수행할 수 있는 다양한 금속 재질을 포함할 수 있다.
도 12는 또 다른 실시예에 따른 광 변조 소자(400)의 개략적인 구성을 보이는 사시도이고, 도 13은 도 12의 광 변조 소자(400)에 전기 신호를 인가하는 회로 구성을 개략적으로 보이는 평면도이다.
광 변조 소자(400)는 금속층(410), 금속층(410) 상에 배치된 가변 저항 물질층(430), 가변 저항 물질층(430) 상에 배치되고 전도성 물질층(340)과 복수의 유전체 나노 안테나(450)를 구비하는 메타 표면층(MS)을 포함한다.
금속층(410)은 복수의 금속 라인(411)을 포함한다. 복수의 금속 라인(411)은 길이 방향이 제1방향(A1)이고, 제1방향(A1)과 교차하는 제2방향(A2)을 따라 서로 이격되게 반복 배열된다. 제1방향(A1), 제2방향(A2)을 서로 직교하는 방향일 수 있고, 다만, 이에 한정되지는 않는다.
전도성 물질층(440)은 길이 방향이 제2방향(A2)이고, 제1방향(A1)을 따라 반복 배열되며, 서로 이격되게 배치된, 복수의 전도성 라인(441)을 포함한다.
복수의 유전체 나노 안테나(450)는 제1방향(A1) 및 제2방향(A2)을 따라 이차원적으로 배열된다. 복수의 유전체 나노 안테나(450)는 제2방향(A2)으로 인접한 유전체 나노 안테나(450)들이 서로 연결된 것으로 도시되었으나 이는 예시적인 것이며 이에 한정되지 않는다. 복수의 유전체 나노 안테나(450)는 제1방향(A1) 및 제2방향(A2)을 따라 서로 이격되게 배열될 수 있다.
가변 저항 물질층(430)은 제1방향(A1) 및 제2방향(A2)을 따라 이차원적으로 이격 배열되는 복수의 화소(PX)로 구획된다. 복수의 화소(PX)는 복수의 금속 라인(411)과 복수의 전도성 라인(441)이 교차하는 위치에 배치된다. 복수의 금속 라인(411)과 복수의 전도성 라인(441)에 인가되는 전기 신호에 따라 각 화소(PX)의 저항 상태가 조절된다. 복수의 화소(PX)들은 서로 다른 굴절률을 나타낼 수 있고, 이에 대응하는 각 위치의 유전체 나노 안테나(450)가 입사광을 변조시키는 정도가 조절될 수 있다.
도 13에 도시된 바와 같이, 제1 신호 제어부(470)에 의해 복수의 금속 라인(411) 각각에 인가되는 전기 신호가 제어될 수 있다. 또한, 제2 신호 제어부(480)에 의해, 복수의 전도성 라인(441) 각각에 인가되는 전기 신호가 제어될 수 있다.
제1 신호 제어부(470)는 폭이 △t이고 크기가 Vj인 펄스 형태의 전압 신호를 복수의 금속 라인(411)에 순차적으로 인가할 수 있다.
제2 신호 제어부(480)는 폭이 △t이고 크기가 Vi인 펄스 형태의 전압 신호를 복수의 전도성 라인(441)에 순차적으로 인가할 수 있다.
Vi, Vj의 값은 각 화소(PX)에서 구현하고자 하는 저항 상태에 따라 정해질 수 있고, 이는 광 변조 소자(400)에서 구현하고자 하는 위상 변조 프로파일을 고려한 각 화소(PX)에서의 굴절률 변화 정도를 고려하여 정해질 수 있다.
가변 저항 물질층(430)은 멀티 스테이트(multi-state)가 유지되는 성질을 가지므로, 펄스 형태의 전기 신호가 인가된 후, 다음 전기 신호가 인가될 때까지, 인가된 전기 신호에 의해 형성된 화소(PX)의 저항 상태는 유지된다. 따라서, 전도성 라인(441)과 가변 저항 물질층(430) 사이 또는, 가변 저항 물질층(430)과 금속 라인(411) 사이에 각 화소(PX)의 저항 상태 유지를 위한 별도의 스위치 소자, 예를 들어, 다이오드 등의 구성이 구비되지 않아도 된다. 즉, 가변 저항 물질층(430)과 금속층(411)은 직접 접촉되게 배치될 수 있고, 또한, 전도성 물질층(440)과 가변 저항 물질층(430)이 직접 접촉되게 배치될 수 있다.
도 14는 또 다른 실시예에 따른 광 변조 소자(401)의 개략적인 구성을 보이는 사시도이다.
광 변조 소자(401)는 금속층(410), 금속층(410) 상에 배치된 가변 저항 물질층(431), 가변 저항 물질층(431) 상에 배치되고 전도성 물질층(440)과 복수의 유전체 나노 안테나(450)를 구비하는 메타 표면층(MS)을 포함한다.
금속층(410)은 복수의 금속 라인(411)을 포함한다. 복수의 금속 라인(411)은 길이 방향이 제1방향(A1)이고, 제1방향(A1)과 교차하는 제2방향(A2)을 따라 서로 이격되게 반복 배열된다. 제1방향(A1), 제2방향(A2)을 서로 직교하는 방향일 수 있고, 다만, 이에 한정되지는 않는다.
복수의 유전체 나노 안테나(450)는 제1방향(A1) 및 제2방향(A2)을 따라 이차원적으로 배열된다. 복수의 유전체 나노 안테나(450) 중, 제2방향(A2)으로 인접한 유전체 나노 안테나(450)들은 서로 연결된 것으로 도시되었으나 이는 예시적인 것이며 이에 한정되지 않는다. 복수의 유전체 나노 안테나(450)는 제1방향(A1) 및 제2방향(A2)을 따라 서로 이격되게 반복적으로 배치될 수 있다.
본 실시예의 가변 저항 물질층(431)은 복수의 화소(PX)를 위한 영역이 인위적으로 구획되지 않은 점에서 도 12의 광 변조 소자(400)와 차이가 있다.
가변 저항 물질층(431)은 도시된 바와 같이, 복수의 금속 라인(411)을 전체적으로 덮는 층으로 형성될 수 있으며, 복수의 전도성 라인(441)과 복수의 금속 라인(411)이 교차하는 지점에 대응하는 가변 저항 물질층(431)의 영역에 화소(PX)가 형성되는 것으로 볼 수 있다.
도 14의 광 변조 소자(401)에도 도 13과 같은 형태로, 복수의 전도성 라인(441)과 복수의 금속 라인(411)에 전기 신호가 인가될 수 있다. 가변 저항 물질층(431)의 영역이 도 12와 같은 형태로 구획되지 않더라도, 서로 교차하는 전도성 라인(441)과 금속 라인(411)에 인가되는 전기 신호에 따라 소정 영역의 저항 상태가 서로 독립적으로 제어될 수 있고, 이에 따라 원하는 위상 프로파일이 구현될 수 있다.
상술한 광 변조 소자(100)(200)(201)(300)(400)(410)들은 원하는 위상 프로파일을 구현하여 다양한 광학 성능을 나타낼 수 있으므로, 다양한 광학 장치에 적용될 수 있다.
광 변조 소자(100)(200)(201)(300)(400)(410)는 예를 들어, 입사광을 다양한 방향으로 분기하는 빔 스플리터로 적용될 수 있고, 또는 빔 형상을 정형하는 빔 정형기로 적용될 수 있으며, 광을 원하는 방향으로 조준하는 빔 스티어링 소자로 적용될 수 있다. 이외에도, 굴절력이 있는 광학 렌즈, 가변 초점등의 기능을 수행하는 가변 소자로 적용될 수도 있다.
또한, 광 변조 소자(100)(200)(201)(300)(400)(410)에 구비되는 가변 저항 물질층은 소정의 전기 신호에 의해 형성된 저항 상태가 다음의 전기 신호가 인가되기 전까지 유지되므로, 트랜지스터와 같은 추가 구성이 없이도 다양한 방향의 빔 스티어링, 예를 들어, 이차원 방향의 빔 스티어링(beam steering)을 위한 소자로 활용 가능하다.
도 15는 실시예에 따른 라이다 장치(1000)의 개략적인 구성을 보이는 블록도이다.
라이다 장치(1000)는 광을 조사하는 광원(1200), 광원(1200)에서 조사된 광을 피사체(OBJ)를 향하도록 조준하는 광 변조 소자(1300) 및 피사체(OBJ)로부터 반사된 광을 센싱하는 센서(1500)를 포함한다.
라이다 장치(1000)는 또한, 광 변조 소자(1300)에서의 위상 프로파일을 조절하는 제어부(1400), 센서(1500)에서 센싱된 신호를 처리하는 신호처리부(1700)를 더 포함할 수 있다.
광원(1200)는 피사체(OBJ)의 위치, 형상의 분석에 사용할 광을 조사한다. 광원(1200)는 소장 파장의 광을 생성, 조사하는 광원을 포함할 수 있다. 광원(1200)는 피사체(OBJ)의 위치, 형상 분석에 적합한 파장 대역의 광, 예를 들어, 적외선 대역 파장의 광을 생성 조사하는 LD(laser diode), LED(light emitting diode), SLD(super luminescent diode)등의 광원을 포함할 수 있다. 광원(1200)는 복수의 서로 다른 파장 대역의 광을 생성 조사할 수도 있다. 광원(1200)는 펄스광 또는 연속광을 생성 조사할 수 있다.
광 변조 소자(1300)는 입사광(Li)을 소정의 변조광(Lm)으로 변조하는 것으로, 전술한 광 변조 소자(100)(200)(201)(300)(400)(410) 중 어느 하나 또는 이로부터 변형된 형태의 구성을 가질 수 있다. 광 변조 소자(1300)는 복수의 저항 상태를 가지는 가변 저항 물질층을 활용하므로, 원하는 위상 프로파일을 빠른 속도로 구현할 수 있다. 또한, 광 변조 소자(1300)에 구비되는 가변 저항 물질층은 전술한 바와 같이, 소정의 전기 신호에 의해 형성된 저항 상태가 다음의 전기 신호가 인가되기 전까지 유지되므로, 트랜지스터와 같은 추가 구성이 없이도 다양한 방향의 빔 스티어링, 예를 들어, 이차원 방향의 빔 스티어링(beam steering)이 가능하다.
광원(1200)와 광 변조 소자(1300) 사이 및/또는 광 변조 소자(1300)와 피사체(OBJ) 사이에는 다른 광학 부재들, 예를 들어, 광원(1200)에서 조사된 광의 경로 조절이나 파장 분할을 위해 또는 추가적인 변조를 위한 부재들이 더 배치될 수도 있다.
센서(1500)는 피사체(OBJ)로부터 반사되는 광을 센싱하는 광검출을 위한 복수의 광검출요소들의 어레이를 포함할 수 있다. 센서(1500)는 복수의 서로 다른 파장의 광을 센싱할 수 있는 광검출요소들의 어레이들을 포함할 수 있다.
제어부(1400)는 광 변조 소자(1300)가 빔 스티어링 기능을 수행하는 위상 프로파일을 갖도록 광 변조 소자(1300)에의 입력 신호를 제어할 수 있다. 광 변조 소자(1300)는 예를 들어, 도 9, 도 13에서 예시한 바와 같은 제1 및 제2 신호 제어부를 포함할 수 있고, 제어부(1400)는 광 변조 소자(1300)의 스티어링 방향이 시순차적으로 조절되며 피사체(OBJ)를 스캔하도록 광 변조 소자(1300)의 제1 및 제2 신호제어부를 제어할 수 있다.
제어부(1400)는 이외에도, 광원(1200), 센서(1500)의 동작 제어를 포함하여, 라이다 장치(1000)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어부(1400)는 광원(1200)에 대해 전원 공급 제어, 온/오프 제어, 펄스파(PW)나 연속파(CW) 발생 제어 등을 수행할 수 있다. 또한, 제어부(1400)는 센서(1500)에 포함되는 광검출요소들 각각에 대한 제어 신호를 인가할 수 있고, 신호처리부(1700)에서의 연산에 필요한 제어 신호를 인가할 수 있다.
광 변조 소자(1300)는 이차원 방향으로의 빔 스티어링이 가능하며, 따라서, 피사체(OBJ)를 이차원 방향을 따라 스캔할 수 있다. 피사체(OBJ)를 스캔하는 동안 피사체(OBJ)로부터 반사된 반사광(Lr)이 센서(1500)에서 센싱된다. 센싱된 광신호는 신호처리부(1700)에 전달되어, 피사체(OBJ)의 존재 여부, 위치, 형상 등의 분석에 사용될 수 있다.
신호처리부(1700)는 센서(1500)로부터 검출된 광신호로부터 소정 연산, 예를 들어, 광 비행 시간(Time of Flight) 측정을 위한 연산과 이로부터 피사체(OBJ)의 3차원 형상 판별을 수행할 수 있다. 신호처리부(1700)에서는 다양한 연산 방법을 사용할 수 있다. 예를 들어, 직접 시간 측정 방법은 피사체(OBJ)에 펄스광을 투사하고 피사체에 반사되어 광이 돌아오는 시간을 타이머로 측정하여 거리를 구한다. 상관법(correlation)은 펄스광을 피사체(OBJ)에 투사하고 피사체(OBJ)에 반사되어 돌아오는 반사광의 밝기로부터 거리를 측정한다. 위상지연 측정 방법은 사인파와 같은 연속파(continuous wave) 광을 피사체(OBJ)에 투사하고 피사체(OBJ)에 반사되어 돌아오는 반사광의 위상차를 감지하여 거리로 환산하는 방법이다.
라이다 장치(1000)는 또한, 신호처리부(1700)의 상기 연산에 필요한 프로그램 및 기타 데이터들이 저장되는 메모리를 포함할 수 있다.
신호처리부(1700)는 연산 결과, 즉, 피사체(OBJ)의 형상, 위치에 대한 정보를 다른 유닛으로 전송할 수 있다. 예를 들어, 라이다 장치(1000)가 채용된 자율 구동 기기의 구동 제어부, 또는 경고 시스템등에 상기한 정보가 전송될 수 있다.
라이다 장치(1000)는 전방 물체에 대한 3차원 정보를 실시간으로 획득하는 센서로 활용될 수 있어 자율 구동 기기, 예를 들어, 무인자동차, 자율주행차, 로봇, 드론 등에 적용될 수 있다. 라이다 장치(1000)는 또한, 자율 구동 기기뿐 아니라, 블랙박스 등에 적용되어, 이미지 센서만으로 물체 식별이 어려운 야간에 전, 후방의 장애물 판단을 위해 적용될 수도 있다.
상술한 광 변조 소자는 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
100, 200, 201, 300, 400, 401, 1300 - 광 변조 소자
110, 210, 310, 410 - 금속층
130, 230, 231, 330, 430, 431 - 가변 저항 물질층
131 - 나노 필라멘트
132 - 저저항 영역
134 - 고저항 영역
211, 411 - 금속 라인
250 - 전도성 나노 안테나 라인
340, 440 - 전도성 물질층
441 - 전도성 라인
150, 251 - 전도성 나노 안테나
350, 450 - 유전체 나노 안테나
1000 - 라이다 장치

Claims (20)

  1. 금속층;
    상기 금속층 상에 배치되며, 인가 전압에 의존하는 복수의 저항 상태를 가지는 가변저항 물질층; 및
    상기 가변저항 물질층 상에 배치되며, 서브 파장의 형상 치수를 가지는 나노 구조와 전도성 물질을 포함하는 메타 표면층;을 포함하며,
    상기 가변저항 물질층은
    인가 전압에 의해 전도성의 나노 필라멘트(nano-filament)가 형성되고, 인가 전압에 의해 상기 전도성의 나노 필라멘트(nano-filament)의 개수가 조절되는 물질인, 광 변조 소자.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 가변저항 물질층은 MOx(0<x<1)( M은 Ni, Ta, Ni, Hf, Fe, W, Mn, 또는 Co)를 포함하는, 광 변조 소자.
  5. 제4항에 있어서,
    인가 전압에 의해 상기 가변저항 물질층 내에 M으로 이루어진 저저항 영역과 MOx(0<x<1)로 이루어진 고저항 영역이 형성되는, 광 변조 소자.
  6. 제5항에 있어서,
    인가 전압에 따라 상기 저저항 영역의 면적이 조절되는, 광 변조 소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 가변저항 물질층은 상기 금속층에 직접 접촉되게 배치되는, 광 변조 소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 메타 표면층은
    서브 파장의 형상 치수를 가지는 복수의 전도성 나노 안테나를 포함하는, 광 변조 소자.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 복수의 전도성 나노 안테나는 상기 가변저항 물질층에 직접 접촉되게 배치되는, 광 변조 소자.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 금속층은
    길이 방향이 제1방향이고, 상기 제1방향과 교차하는 제2방향을 반복 배열되며, 서로 이격되게 배치된, 복수의 금속 라인을 포함하는, 광 변조 소자.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 전도성 나노 안테나는 상기 제1방향 및 상기 제2방향을 따라 이차원적으로 배열되고,
    상기 복수의 전도성 나노 안테나 중, 상기 제2방향으로 인접한 전도성 나노 안테나들은 서로 연결되어, 상기 제1방향을 따라 반복 배열되고 서로 이격되게 배치되는 복수의 전도성 나노 안테나 라인을 형성하는, 광 변조 소자.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 가변저항 물질층은
    상기 제1방향 및 제2방향을 따라 이차원적으로 이격 배열되는 복수의 화소로 구획되며,
    상기 복수의 화소는 상기 복수의 금속 라인과 상기 복수의 전도성 나노 안테나 라인이 교차하는 위치에 배치되는, 광 변조 소자.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 복수의 금속 라인 각각에 인가되는 전기 신호를 제어하는 제1 신호 제어부;
    상기 복수의 금속 나노 안테나 라인 각각에 인가되는 전기 신호를 제어하는 제2 신호 제어부;를 더 포함하는, 광 변조 소자.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 메타 표면층은
    전도성 물질층과,
    상기 전도성 물질층상에 배치되고 서브 파장의 형상 치수를 가지는 복수의 유전체 나노 안테나를 포함하는, 광 변조 소자.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 전도성 물질층은 상기 가변저항 물질층에 직접 접촉되게 배치되는, 광 변조 소자.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 금속층은
    길이 방향이 제1방향이고, 상기 제1방향과 교차하는 제2방향을 따라 반복 배열되며, 서로 이격되게 배치된, 복수의 금속 라인을 포함하는, 광 변조 소자.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 전도성 물질층은
    길이 방향이 상기 제2방향이고, 상기 제1방향을 따라 반복 배열되며, 서로 이격되게 배치된, 복수의 전도성 라인을 포함하는, 광 변조 소자.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 가변저항 물질층은
    상기 제1방향 및 제2방향을 따라 이차원적으로 이격 배열되는 복수의 화소로 구획되며,
    상기 복수의 화소는 상기 복수의 금속 라인과 상기 복수의 전도성 라인이 교차하는 위치에 배치되는, 광 변조 소자.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 복수의 금속 라인 각각에 인가되는 전기 신호를 제어하는 제1 신호 제어부;
    상기 복수의 전도성 라인 각각에 인가되는 전기 신호를 제어하는 제2 신호 제어부;를 더 포함하는, 광 변조 소자.
  20. 광원;
    상기 광원으로부터의 광이 피사체를 향하도록 스티어링(steering) 하는 제1항의 광 변조 소자;
    상기 광 변조 소자에서 스티어링 되며 상기 피사체에 조사된 후 상기 피사체에서 반사되는 광을 수신하는 센서;를 포함하는 라이다(lidar) 장치.
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