KR102420016B1 - 반사층을 가지는 광변조기 - Google Patents

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Abstract

광변조기가 개시된다. 개시된 광변조기는, 하부 반사층, 하부 반사층 상에 형성된 활성층, 활성층 상에 형성된 상부 반사층을 포함한다. 활성층은 양자 우물층과 양자배리어층을 포함하는 다중양자우물 구조로 형성된다. 상부 반사층을 유전체 물질로 형성된다. 상부 반사층 내에는 복수의 마이크로 캐비티층이 배치된다.

Description

반사층을 가지는 광변조기{Optical modulator having reflection layers}
광변조기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반사층을 가지는 광변조기에 관한 것이다.
현재 디스플레이 시장에서 3D 촬영 및 디스플레이는 핫-이슈(hot-issue)로 주목 받고 있고, 각종 센서나 게임기 등 다양한 응용분야로 확대 중이다.
기존의 스테레오 방식의 3D 이미지 구현 방법과 달리 깊이(depth) 정보를 이용한 3D 이미지 구현의 경우, 거리정보를 포함하고 있어 3D 디스플레이뿐만 아니라 정밀 계측 장비나 감지 센서로의 활용도 가능하다.
IR(infrared) 광원을 이용한 3차원 깊이(3D depth) 센서의 경우, 투과형 광 변조기의 전압 On/Off를 통해 IR 투과도를 조절하고, 투과도차를 이용하여 깊이(depth) 센싱을 한다. 전압 온/오프(Von/Voff)에 따라 투과형 광 변조기의 흡수율 변화가 발생한다.
광 변조기는 물체를 사진처럼 찍어 화면 내의 모든 부분의 거리를 정확히 알 수 있는 이미지형 거리센서로 활용이 가능하며 응용분야로는 자율 주행 로봇용 이미지형 거리 감지 센서, 정밀 계측 장비, 차량 내외의 안전 및 편의용 감지 센서, 카메라의 오토포커싱, 방범 CCTV용 센서, 3D 물체 표면 인식 및 프린팅, 방송용 3D 카메라, 내시경용 3D 카메라, 군사용 미사일 정확도 향상을 위한 거리 센서 등 실생활에서 군사용까지 다양한 이용분야가 있다.
반사층으로 사용되는 DBR의 적층수를 줄일 수 있도록 된 광변조기를 제공한다.
실시예에 따른 광변조기는, 하부 반사층; 상기 하부 반사층 상에 형성되며, 양자 우물층과 양자배리어층을 포함하는 활성층; 상기 활성층 상에 유전체 물질로 형성되는 상부 반사층; 및 상기 상부 반사층 내에 배치되는 복수의 마이크로 캐비티층을 포함한다.
상기 상부 반사층은 분포 브래그 반사층으로 형성될 수 있다.
상기 상부 반사층은 780nm 내지 1650nm 파장 범위의 광에 대해 분포 브래그 반사층으로 형성될 수 있다.
상기 복수의 마이크로 캐비티층은, 상기 광변조기의 공진 파장을 λ라 할 때, 상기 복수의 마이크로 캐비티층 중 적어도 하나는 λ/2의 광학적 두께를 갖도록 마련될 수 있다.
상기 상부 반사층은, 제1굴절율을 가지는 제1유전체 물질층 및 제1굴절율과는 다른 굴절율을 가지는 제2유전체 물질층의 쌍을 적어도 1개 이상 포함할 수 있다.
상기 상부 반사층은, 상기 제1 및 제2유전체 물질층 쌍이 복수회 반복 적층되어 형성될 수 있다.
상기 상부 반사층은 순차로 적층된 제1 내지 제3상부 반사층을 포함하며, 상기 제1 및 제2상부 반사층 사이에 제1마이크로 캐비티층; 및 상기 제2 및 제3상부 반사층 사이에 제2마이크로 캐비티층;을 포함할 수 있다.
상기 제1 내지 제3상부 반사층 중 적어도 하나는 상기 제1 및 제2유전체 물질층 쌍을 적어도 1개 이상 포함할 수 있다.
상기 제1유전체 물질층 및 제2유전체 물질층은, SiO2, SiNx, ITO, IZO, AZO, Si, a-Si, Al2O3, AlN, HfO2, SiC, MgO, MgF2를 포함하는 그룹에서 선택된 물질로 서로 다른 굴절율을 가지도록 형성될 수 있다.
상기 상부 반사층은 순차로 적층된 제1 내지 제3상부 반사층을 포함하며, 상기 제1 및 제2상부 반사층 사이에 제1마이크로 캐비티층; 및 상기 제2 및 제3상부 반사층 사이에 제2마이크로 캐비티층;을 포함하며, 상기 제1 내지 제3상부 반사층 중 적어도 하나는, 제1굴절율을 가지는 제1유전체 물질층 및 제1굴절율과는 다른 굴절율을 가지는 제2유전체 물질층의 쌍을 적어도 1개 이상 포함할 수 있다.
상기 하부 반사층 및 활성층은, 기판 상에 III-V 화합물 반도체를 이용하여 결정 성장에 의해 형성된 결정성장층이고, 상기 상부 반사층은, 상기 결정성장층 상에 유전체 물질을 증착하여 형성될 수 있다.
상기 활성층 상에 형성된 금속 패턴이나 투명 전극을 더 포함하며, 상기 상부 반사층은, 상기 금속 패턴이나 투명 전극 형성후에 증착 형성될 수 있다.
상기 하부 반사층 및 활성층은, 상기 기판 상에 III-V 화합물 반도체를 이용하여 결정 성장에 의해 형성된 결정성장층이고, 상기 상부 반사층은, 유전체 물질을 이용하여 독립적으로 형성되며, 독립적으로 형성된 상기 상부 반사층을 상기 결정성장층에 결합시켜 형성될 수 있다.
상기 활성층 상에 형성된 금속 패턴이나 투명 전극을 더 포함하며, 상기 상부 반사층은, 상기 금속 패턴이나 투명 전극 형성된 결정성장층에 결합될 수 있다.
상기 기판은 GaAs 기판일 수 있다.
상기 기판의 저면에 반사방지 코팅막을 더 포함할 수 있다.
실시예에 따른 광변조기에 따르면, 상부 반사층을 유전체 물질을 이용하여 형성함으로써, 상부 반사층의 전체 두께를 줄일 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 광변조기를 개략적으로 보여준다.
도 2 및 도 3은 도 1의 광변조기의 제조하는 방법의 실시예들을 보여준다.
도 4는 실시예에 따른 광변조기를 투과형으로 구현한 예를 보여준다.
도 5는 도 4의 투과형 광변조기의 구체적인 구현예를 보여준다.
도 6은 도 5에 도시된 투과형 광변조기의 투과도 특성을 개략적으로 보여준다.
도 7은 투과형 광변조기의 비교예를 보여준다.
도 8은 도 7의 투과형 광변조기의 투과도 특성을 개략적으로 보여준다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하면서, 실시예에 따른 반사층을 가지는 광변조기를 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조번호는 동일한 구성 요소를 지칭하며, 각 층이나 영역들의 크기나 두께는 명확성을 위해 과장되어 있을 수 있다. 한편, 이하에 설명되는 실시예들은 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 이하에서, 한 층이 기판이나 다른 층의 "위", "상부" 또는 "상"에 구비된다고 설명될 때, 그 층은 기판이나 다른 층에 직접 접하면서 위에 존재할 수도 있고, 그 사이에 또 다른 층이 존재할 수도 있다.
도 1은 실시예에 따른 광변조기(10)를 개략적으로 보여준다.
도 1을 참조하면, 광변조기(10)는 하부 반사층(20), 상기 하부 반사층(20) 상에 형성되는 활성층(30), 상기 활성층(30) 상에 형성되는 상부 반사층(50) 및 상기 상부 반사층(50) 내에 배치되는 복수의 마이크로 캐비티층(53)(57)을 포함한다.
상기 하부 반사층(20) 및 활성층(30)은 화합물 반도체를 이용하여 결정성장될 수 있다. 예를 들어, 상기 하부 반사층(20) 및 활성층(30)은 III-V 화합물 반도체를 이용하여 결정성장될 수 있다.
상기 하부 반사층(20) 및 활성층(30)이 화합물 반도체를 이용하여 결정성장되는 경우, 하부 반사층(20) 및 활성층(30)이 형성되는 기판(1)은 화합물 반도체 기판일 수 있다. 실시예에 따른 광변조기(10)를 투과형으로 구성하는 경우, 상기 기판(1)은 목표 파장에 대해 투명한 재질로 형성될 수 있다.
실시예에 따른 광변조기(10)의 목표 파장이 적외선 영역 예컨대, 780nm 내지 1650nm 파장 범위일 때, 상기 기판(1)은 780nm 내지 1650nm 파장 범위내의 광에 대해 투명한 재질로 마련될 수 있다. 예를 들어, 실시예에 따른 광변조기(10)가 870nm 이상의 파장을 갖는 광에 대해 적용되는 경우, 상기 기판(1)으로 GaAs 기판을 적용할 수 있다. 예를 들어, 약 940nm 파장의 광을 조명광으로 이용하고, 상기 기판(1)으로 GaAs 기판을 사용할 수 있다. 이와 같이, 상기 기판(1)을 목표 파장에 대해 투명한 재질로 형성하는 경우, 상기 광변조기(10)를 투과형 광변조기인 경우에도, 상기 기판(1)은 제거되지 않고 남겨질 수 있다. 여기서, 상기 기판(1)은 실시예에 따른 광변조기(10) 제작 후 제거될 수도 있다.
상기 하부 반사층(20)은, 굴절률이 서로 다른 2개의 층이 반복해서 교번 적층된 분포 브래그 반사(DBR: Distributed Bragg Reflection) 층일 수 있다. 상기 하부 반사층(20)은 예를 들어, Al, Ga, As로 이루어진 화합물로 형성될 수 있다. AlGaAs 화합물로 이루어진 층은 Al 함량을 달리하면, 굴절율이 달라질 수 있다. 상기 하부 반사층(20)은 서로 다른 Al 함량을 가지는 AlGaAs 화합물의 제1화합물 반도체층과 제2화합물 반도체층을 교대로 적층한 구조로 형성될 수 있다. 상기 제1화합물 반도체층 및 제2화합물 반도체층 중 어느 하나는 고굴절율층, 나머지 하나는 저굴절율층이 될 수 있다. 상기 하부 반사층(20)을 이루는 제1화합물 반도체층과 제2화합물 반도체층 각각의 광학적 두께(즉, 물리적 두께에 층 재료의 굴절율을 곱한 값)는 대략 λ/4(λ는 광변조기(10)의 공진 파장)의 홀수 배로 형성할 수 있다. 이때, 제1화합물 반도체층과 제2화합물 반도체층 쌍들의 적층 개수에 따라 반사율은 원하는 대로 조절할 수 있다. 여기서, 광변조기(10)의 공진 파장은 상기 활성층(30)에서 공진에 의해 흡수가 이루어지는 광의 파장이다.
상기 활성층(30)은, 광변조기(10)에서 광의 흡수가 일어나는 층으로서, 양자 우물층과 양자배리어층을 포함하는 다중 양자우물 구조로 형성될 수 있다. 상기 활성층(30)은, 양자 우물층과 양자 배리어층이 반복 교번 적층되어 형성될 수 있다. 상기 활성층(30)은 InGaAs, GaAs, AlGaAs, InAlGaAs, InGaP, GaAsP 중 적어도 어느 하나를 포함하도록 형성될 수 있으며, 상기 양자 우물층과 양자 배리어층은 서로 조성이 다른 화합물 반도체층으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 양자 우물층과 양자 배리어층의 조합은, GaAs/AlGaAs, InGaAs/(GaAsP or InGaP or InGaAsP), InAlGaAs/(GaAsP or InGaP or InGaAsP) 등일 수 있다. 상기 활성층(30)의 각 양자 배리어층의 두께는 예를 들어, 약 2nm 내지 약 30nm 정도일 수 있다. 또한, 상기 활성층(30)의 각 양자 우물층의 두께는 예를 들어, 약 4nm 내지 약 15nm 정도일 수 있다. 두 양자 배리어층 사이에 존재하는 양자 우물층은 단층 또는 복수층 구조일 수 있으며, 다양한 우물 구조로 형성될 수 있다.
여기서, 역방향 바이어스 전압을 인가하면 다중양자우물 구조는 특정 파장 영역에서 엑시톤(exciton)을 형성하면서 빛을 흡수하게 된다. 다중양자우물 구조의 흡수 스펙트럼은 역바이어스 전압이 증가할수록 장파장 쪽으로 이동하는 특성이 있으며, 따라서 역바이어스 전압의 변화에 따라 특정 파장에서의 흡수도가 변화할 수 있다. 이와 같은 원리에 따라 광변조기(10)의 활성층(30)을 다중 양자우물 구조로 형성하는 경우, 광변조기(10)에 인가되는 역바이어스 전압의 조절을 통해 특정 파장을 갖는 입사광의 세기를 변조하는 것이 가능하다.
한편, 상기 활성층(30)은 패브리-페롯(Fabry-Perot) 공진을 위한 메인 캐비티(main cavity)의 역할을 할 수 있다. 이를 위해, 상기 활성층(30)은 광학적 두께가 대략 λ/2의 정수배와 같도록 형성될 수 있다.
상기 하부 반사층(20) 및 활성층(30)은 예를 들어, MBE(Molecular Beam Epitaxy), MOCVD(Metla-Organic Chemical Vapor Deposition), MOVPE(Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy) 등의 다양한 결정성장박막증착 방법을 이용하여 형성할 수 있다. 예를 들어, 상기 하부 반사층(20) 및 활성층(30)은 MOCVD 공정을 이용하여 에피 구조로 제작될 수 있다.
상기 상부 반사층(50)은 상기 활성층(30) 상에 유전체 물질로 형성될 수 있다. 상기 상부 반사층(50)은, 하부 반사층(20) 및 활성층(30) 등을 형성하기 위한 III-V 화합물 반도체 에피 공정 완료 후 유전체 물질을 증착 공정을 이용하여 형성될 수 있다. 또한, 상기 상부 반사층(50)은 유전체 물질을 이용하여 별도로 제작되고, III-V 화합물 반도체 에피 공정에 의해 형성된 하부 반사층(20) 및 활성층(30)을 포함하는 결정성장층 상에 예컨대, 본딩에 의해 결합될 수도 있다.
상기 상부 반사층(50)은 유전체 물질을 이용하여 분포 브래그 반사(DBR)층으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 상부 반사층(50)은 약 780nm 내지 1650nm 파장 범위에 대해 분포 브래그 반사층으로 형성될 수 있다. 이를 위하여, 상기 상부 반사층(50)은, 제1굴절율을 가지는 제1유전체 물질층 및 제1굴절율과는 다른 굴절율을 가지는 제2유전체 물질층의 쌍을 적어도 1개 이상 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 상부 반사층(50)은, 상기 제1 및 제2유전체 물질층 쌍이 복수회 반복 적층되어 형성될 수 있다.
상기 제1유전체 물질층 및 제2유전체 물질층은, SiO2, SiNx, ITO, IZO, AZO, Si, a-Si, Al2O3, AlN, HfO2, SiC, MgO, MgF2를 포함하는 그룹에서 선택된 물질로 서로 다른 굴절율을 가지도록 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 제1유전체 물질층 및 제2유전체 물질층 중 어느 하나는 SiO2, 나머지 하나는 TiO2로 형성될 수 있다. 또한, 상기 제1유전체 물질층과 제2유전체 물질층은 비정질 실리콘(a-Si)을 이용하여 서로 다른 굴절율을 가지도록 형성될 수 있다. 비정질 실리콘은 성장 방향을 다르게 하면 다른 굴절율을 가질 수 있다.
상기 제1유전체 물질층 및 제2유전체 물질층 중 어느 하나는 고굴절율층, 나머지 하나는 저굴절율층이 될 수 있다. 이와 같이 고굴절율층과 저굴절율층이 반복 적층된 DBR 구조에서, 굴절율이 다른 두층(즉, 고굴절율층과 저굴절율층) 사이의 계면에서 반사가 일어나는데, 반사되는 모든 광들의 위상차를 동일하게 함으로써 높은 반사율을 얻을 수 있다. 따라서, 상기 상부 반사층(50)을 이루는 제1유전체 물질층과 제2유전체 물질층 각각의 광학적 두께(즉, 물리적 두께에 층 재료의 굴절율을 곱한 값)는 대략 λ/4의 홀수 배로 형성할 수 있다. 이때, 제1유전체 물질층과 제2유전체 물질층 쌍들의 적층 개수에 따라 반사율은 원하는 대로 조절할 수 있다.
상기와 같이 상부 반사층(50)을 유전체 물질을 이용하여 형성하는 경우, 제1유전체 물질층과 제2유전체 물질층의 굴절율 차이를 III-V 화합물 반도체를 이용하여 상부 반사층을 형성하는 경우에 비해 크게 할 수 있기 때문에, 상부 반사층(50)을 위한 유전체 물질층의 전체 층수 및 두께를 III-V 화합물 반도체를 이용하는 경우에 비해 줄일 수 있다.
상기 복수의 마이크로 캐비티층(53)(57) 각각은, 패브리-페롯 공진을 위한 부가적인 캐비티의 역할을 하도록 마련될 수 있다. 이를 위하여, 상기 복수의 마이크로 캐비티층(53)(57) 중 적어도 하나는, 상기 광변조기(10)의 공진 파장 λ에 대해, 대략 λ/2의 정수배의 광학적 두께를 갖도록 형성될 수 있다.
상기 복수의 마이크로 캐비티층(53)(57) 각각은 상부 반사층(50)을 이루는 고굴절율층 재료나 저굴절율층 재료로 형성될 수 있다. 즉, 상기 복수의 마이크로 캐비티층(53)(57)은 제1유전체 물질층이나 제2유전체 물질층과 동일 재료로 형성될 수 있다. 다른 예로서, 상기 복수의 마이크로 캐비티층(53)(57)은 제1유전체 물질층 및 제2유전체 물질층과 다른 종류의 유전체 물질로 형성될 수도 있다.
실시예에 따른 광변조기(10)에 있어서, 상기 복수의 마이크로 캐비티층(53)(57)은 제1마이크로 캐비티층(53), 및 제2마이크로 캐비티층(57)을 포함할 수 있다. 이와 같이 상부 반사층(50)내에 제1마이크로 캐비티층(53)과 제2마이크로 캐비티층(57)을 구비하는 경우, 제1마이크로 캐비티층(53)과 제2마이크로 캐비티층(57)에 의해, 상기 상부 반사층(50)은 제1 내지 제3상부 반사층(51)(55)(59)으로 구분될 수 있다. 즉, 상기 상부 반사층(50)은 순차로 적층된 제1 내지 제3상부 반사층(51)(55)(59)을 포함할 수 있으며, 이때, 제1 및 제2상부 반사층(51)(55) 사이에 제1마이크로 캐비티층(53)이 위치하며, 제2 및 제3상부 반사층(55)(59) 사이에 제2마이크로 캐비티층(57)이 위치할 수 있다.
상기 제1 내지 제3상부 반사층(51)(55)(59) 중 적어도 하나 예컨대, 상기 제1 내지 제3상부 반사층(51)(55)(59) 각각은 상기 제1 및 제2유전체 물질층 쌍을 적어도 1개 이상 포함하도록 마련될 수 있다.
상기와 같이, 광변조기(10)는 하부 반사층(20), 활성층(30) 및 상부 반사층(50)을 포함하는 구조로 형성될 수 있다. 이때, 도 2를 참조하면, 상기 하부 반사층(20) 및 활성층(30)은, 기판(1) 상에 III-V 화합물 반도체를 이용하여 결정 성장에 의해 형성된 결정성장층(100)일 수 있으며, 상기 상부 반사층(50)은, 상기 결정성장층 상에 유전체 물질을 증착하여 형성된 유전체 물질층(200)일 수 있다. 또한, 도 3을 참조하면, 상기 하부 반사층(20) 및 활성층(30)은, 기판(1) 상에 III-V 화합물 반도체를 이용하여 결정 성장에 의해 형성된 결정성장층(100)일 수 있으며, 상기 상부 반사층(50)은, 유전체 물질을 이용하여 독립적으로 형성된 유전체 물질층(200)일 수 있다. 이와 같이 독립적으로 형성된 상부 반사층(50)을 결정성장층(100)에 결합시키면, 상기 광변조기(10)가 얻어질 수 있다.
상기와 같은 하부 반사층(20), 활성층(30) 및 상부 반사층(50)을 포함하는 스택 구조를 가지는 광변조기(10)에, 구동 전압이 인가되지 않았을 때 즉, Voff시에는, 양자 우물층으로 캐리어가 공급되지 않기 때문에, 활성층(30)의 광흡수율이 상대적으로 크지 않아, 광변조기(10)의 광투과도가 높게 된다. 반대로, 상기 광변조기(10)에 역 바이어스의 구동 전압이 인가되면, 즉 Von시에는, 양자 우물층으로 캐리어가 공급되어, 활성층(30)의 광흡수율이 커지게 되고, 광변조기(10)의 광투과도는 낮아지게 된다.
실시예에 따른 광변조기(10)는 활성층(30)에 이러한 역 바이어스 전압을 인가할 수 있도록, 전극층(70)(90)을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 광변조기(10)는, 기판(1)과 활성층(30) 사이에 제1전극층(70), 활성층(30) 상에 제2전극층(90)을 구비할 수 있다.
상기 제1전극층(70)은 기판(1)과 하부 반사층(20) 사이, 하부 반사층(20)과 활성층(30) 사이 또는 기판(1) 저면에 형성될 수 있다.
상기 제2전극층(90)은 활성층(30)과 상부 반사층(50) 사이 또는 상부 반사층(50) 상에 형성될 수 있다. 상기 제2전극층(90)은 투명 전극으로 형성되거나, 일부 영역에만 존재하도록 금속 패턴으로 형성될 수도 있다. 예를 들어, 상기 제2전극층(90)은 활성층(30) 상에 금속 패턴이나 투명 전극으로 형성될 수 있다. 이때, 상부 반사층(50)은 제2전극층(90)으로서 상기 금속 패턴이나 투명 전극 형성 후에 증착 형성되거나, 제2전극층(90)으로서 금속 패턴이나 투명 전극이 형성된 하부 반사층(20) 및 활성층(30)을 포함하는 결정성장층(100) 상에 상부 반사층(50)이 결합될 수도 있다. 여기서, 투명 전극은 예를 들어,ITO, AZO 등으로 형성될 수 있다.
도 1 및 이하의 도면에서는, 제1전극층(70)이 기판(1)과 하부 반사층(20) 사이에 위치하고, 제2전극층(90)이 활성층(30)과 상부 반사층(50) 사이에 위치하며, 제1전극층(70) 및 제2전극층(90)이 전면에 투명 전극으로 형성된 경우를 예시적으로 보여준다.
한편, 실시예에 따른 광변조기(10)는, 투과형 광변조기(10)로 형성될 수 있으며, 이 경우, 기판(1)의 저면에 반사방지 코팅막(60)을 더 구비할 수 있다.
상기한 바와 같은 실시예에 따른 광변조기(10)는 유전체 물질을 이용하여 DBR로 형성한 상부 반사층(50)을 구비하므로, III-V 화합물 반도체를 이용하는 경우에 비해 상부 반사층(50)의 전체 층수 및 두께를 줄일 수 있다.
도 4는 실시예에 따른 광변조기(10)를 투과형으로 구현한 예를 보여준다.
도 4를 참조하면, 광변조기(10)의 활성층(30)에 인가되는 역전압 바이어스를 온,오프 시킴에 따라, 상부 반사층(50)을 통하여 입력되는 광이 활성층(30)에서 흡수되는 비율이 달라지고, 이에 따라 하부 반사층(20) 및 기판(1)을 통과하여 출력되는 광의 광량이 달라지게 된다.
도 5는 도 4의 투과형 광변조기(10)의 구체적인 구현예를 보여준다.
도 5를 참조하면, 기판(1) 상에 결정성장되는 하부 반사층(20) 및 활성층(30)을 포함하는 결정성장층을 대략 2.01μm의 두께로 형성하고, 활성층(30) 상에 유전체 물질을 이용하여 형성되는 상부 반사층(50)을 대략 2.70μm 두께로 형성한다. 이때, 상부 반사층(50)의 2.70μm의 두께는 제1 및 제2마이크로 캐비티층(53)(57)을 포함하는 두께이다.
도 6은 도 5에 도시된 투과형 광변조기(10)의 투과도 특성을 개략적으로 보여준다.
도 6에서, T.Voff의 그래프는 활성층(30)에 역 바이어스 전압이 인가되지 않았을 때, 즉 Vdc=0V일 때의 광변조기(10)의 투과도를 나타내며, T.Von의 그래프는 활성층(30)에 역 바이어스 전압이 인가되었을 때 즉, Vdc >0V일 때의 광변조기(10)의 투과도를 나타낸다. 도 6의 그래프를 참조하면, 역 바이어스 전압이 인가되었을 때, 약 940nm 대역에 대해 흡수가 일어나, 역 바이어스 전압을 인가하지 않았을 때의 투과도에 비해, 투과도가 크게 감소하게 된다.
940nm 대역에서 역 바이어스 전압을 인가하였을 때와 인가하지 않았을 때의 투과도 차이 T. Diif.와 대역폭의 관계를 살펴보면, 약 38.2%의 투과도 차이를 나타내는 대역폭은 약 13.7nm로, 유의미한 투과도 차이를 나타내는 대역폭이 넓음을 알 수 있다.
도 7은 투과형 광변조기의 비교예를 보여주며, 도 8은 도 7의 투과형 광변조기의 투과도 특성을 개략적으로 보여준다.
도 7에 도시된 비교예의 투과형 광변조기는 상부 반사층(50')을 III-V 화합물 반도체로 형성한 점을 제외하고는 도 5의 실시예에 따른 투과형 광변조기(10)의 구현예와 동일 조건으로 형성된 것이다. 이때, 도 7에서 상부 반사층(50')의 제1 내지 제3상부 반사층(51')(55')(59')은 각각 서로 굴절율이 다른 제1화합물 반도체층과 제2화합물 반도체층 쌍을 적어도 하나 이상 포함하며, 상부 반사층(50') 내에 존재하는 제1 및 제2마이크로 캐비티층(53)(57)은 도 5의 제1 및 제2마이크로 캐비티층(53)(57)과 재료 및 두께, 활성층(30)으로부터의 광학적 이격 거리가 동일하다.
도 8을 참조하면, 도 7의 비교예의 투과형 광변조기는 940nm 대역에서 역 바이어스 전압을 인가하였을 때와 인가하지 않았을 때의 투과도 차이 T. Diif.와 대역폭의 관계를 살펴보면, 약 37.8%의 투과도 차이를 나타내는 대역폭은 약 13.7nm로, 도 6의 경우와 동일 대역폭에서 유사한 투과도 차이를 나타냄을 알 수 있다.
이와 같이, 비교예의 투과형 광변조기를 도 5의 구현예의 투과형 광변조기(10)와 동일 대역폭에서 유사한 투과도 차이를 나타내도록 형성하기 위해서는, 도 7에서와 같이, 상부 반사층(50')의 전체 두께는 구현예의 투과형 광변조기(10)에 비해 크게 증가한다. 즉, 구현예의 투과형 광변조기(10)는 상부 반사층(50)의 전체 두께가 약 2.70μm인 반면에, 동일 대역폭에서 유사한 투과도 차이를 나타내는 비교예의 투과형 광변조기는 상부 반사층(50')의 전체 두께가 약 3.77μm가 된다. 이는, 상부 반사층(50')의 제1 내지 제3상부 반사층(51')(55')(59')을 하부 반사층(20)과 마찬가지로 화합물 반도체를 이용하여 결정성장하여 형성하는 경우, 제1화합물 반도체층과 제2화합물 반도체층 사이의 굴절율 차이가 유전체 물질을 이용하여 형성하는 경우에 비해 작게 형성되므로, 동일한 반사율을 나타내기 위해, 제1화합물 반도체층과 제2화합물 반도체층 쌍의 적층 수가 더 많이 필요하기 때문이다. 여기서, 비교예의 상부 반사층(50')의 약 3.77μm의 두께는 제1 및 제2마이크로 캐비티층(53)(57)을 포함하는 두께이다.
따라서, 실시예에 따른 광변조기(10)에서와 같이, 상부 반사층(50)을 유전체 물질을 이용하여 형성하면, 원하는 투과도 차이를 나타내는 상부 반사층(50)의 전체 두께를 줄일 수 있어, 광변조기(10)의 제조 시간을 단축할 수 있어, 공정 단가를 낮출 수 있다. 또한, 상부 반사층(50)을 유전체 물질을 이용하여 형성하면, 사용 물질의 단가 및 광변조기(10)의 전체 공정 난이도를 낮출 수 있다.
상기한 바와 같은 실시예에 따른 광변조기(10)는 3D 카메라 등에 적용될 수 있다.
3D 카메라는 영상의 촬영 기능 이외에 피사체 표면상의 다수의 점들로부터 3D 카메라까지의 거리를 측정하는 기능을 필요로 한다. 현재 피사체와 3D 카메라 사이의 거리를 측정하기 위한 다양한 알고리즘들이 제안되고 있는데, 통상적으로 광시간비행법(Time-of-Flight; TOF)이 주로 사용된다. TOF 방식은 조명광을 피사체에 조사한 후, 피사체로부터 반사되는 조명광이 수광부에서 수광되기까지 비행시간을 측정하는 방법이다. 조명광의 비행시간은 주로 조명광의 위상지연을 측정하여 얻을 수 있는데, 정확한 위상지연의 측정을 위해 광변조기가 사용될 수 있다.
TOF 방식의 3D 카메라에서는 조명광으로 적외선 영역의 광을 사용하는데, TOF 방식의 3D 카메라에 조명광으로 GaAs 기판에 대해 투과성이 있는 870nm 이상의 파장을 갖는 광, 예컨대 940nm의 파장을 갖는 광을 사용하는 경우, 실시예에 따른 광변조기(10)는 TOF 방식의 3D 카메라에 정확한 위상 지연 측정을 위한 고속 광변조기로 적용될 수 있다.
실시예에 따른 광변조기(10)는 3D 카메라뿐만 아니라, 3D 디스플레이에 적용될 수도 있다.
1...기판 10...광변조기
20...하부 반사층 30...활성층
50...상부 반사층 51,55,59...제1 내지 제3상부 반사층
53,57...제1 및 제2마이크로 캐비티층
60...반사방지 코팅막 70,90...전극층

Claims (20)

  1. 하부 반사층;
    상기 하부 반사층 상에 형성되며, 양자 우물층과 양자배리어층을 포함하는 활성층;
    상기 활성층 상에 유전체 물질로 형성되는 상부 반사층; 및
    상기 상부 반사층 내에 배치되는 복수의 마이크로 캐비티층을 포함하는 광변조기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 상부 반사층은 분포 브래그 반사층으로 형성되는 광변조기.
  3. 제2항에 있어서, 상기 상부 반사층은 780nm 내지 1650nm 파장 범위의 광에 대해 분포 브래그 반사층으로 형성되는 광변조기.
  4. 제3항에 있어서, 상기 복수의 마이크로 캐비티층은, 상기 광변조기의 공진 파장을 λ라 할 때, 상기 복수의 마이크로 캐비티층 중 적어도 하나는 λ/2의 광학적 두께를 갖도록 된 광변조기.
  5. 제1항에 있어서, 상기 상부 반사층은,
    제1굴절율을 가지는 제1유전체 물질층 및 제1굴절율과는 다른 굴절율을 가지는 제2유전체 물질층의 쌍을 적어도 1개 이상 포함하는 광변조기.
  6. 제5항에 있어서, 상기 상부 반사층은, 상기 제1 및 제2유전체 물질층 쌍이 복수회 반복 적층되어 형성되는 광변조기.
  7. 제5항에 있어서, 상기 상부 반사층은 순차로 적층된 제1 내지 제3상부 반사층을 포함하며,
    상기 제1 및 제2상부 반사층 사이에 제1마이크로 캐비티층; 및
    상기 제2 및 제3상부 반사층 사이에 제2마이크로 캐비티층;을 포함하는 광변조기.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제1 내지 제3상부 반사층 중 적어도 하나는 상기 제1 및 제2유전체 물질층 쌍을 적어도 1개 이상 포함하는 광변조기.
  9. 제5항에 있어서, 상기 제1유전체 물질층 및 제2유전체 물질층은, SiO2, SiNx, ITO, IZO, AZO, Si, a-Si, Al2O3, AlN, HfO2, SiC, MgO, MgF2를 포함하는 그룹에서 선택된 물질로 서로 다른 굴절율을 가지도록 형성되는 광변조기.
  10. 제1항에 있어서, 상기 상부 반사층은 순차로 적층된 제1 내지 제3상부 반사층을 포함하며,
    상기 제1 및 제2상부 반사층 사이에 제1마이크로 캐비티층; 및
    상기 제2 및 제3상부 반사층 사이에 제2마이크로 캐비티층;을 포함하는 광변조기.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제1 내지 제3상부 반사층 중 적어도 하나는, 제1굴절율을 가지는 제1유전체 물질층 및 제1굴절율과는 다른 굴절율을 가지는 제2유전체 물질층의 쌍을 적어도 1개 이상 포함하는 광변조기.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제1유전체 물질층 및 제2유전체 물질층은, SiO2, SiNx, ITO, IZO, AZO, Si, a-Si, Al2O3, AlN, HfO2, SiC, MgO, MgF2를 포함하는 그룹에서 선택된 물질로 서로 다른 굴절율을 가지도록 형성되는 광변조기.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하부 반사층 및 활성층은, 기판 상에 III-V 화합물 반도체를 이용하여 결정 성장에 의해 형성된 결정성장층이고,
    상기 상부 반사층은, 상기 결정성장층 상에 유전체 물질을 증착하여 형성되는 광변조기.
  14. 제13항에 있어서, 상기 활성층 상에 형성된 금속 패턴이나 투명 전극을 더 포함하며,
    상기 상부 반사층은, 상기 금속 패턴이나 투명 전극 형성후에 증착 형성되는 광변조기.
  15. 제13항에 있어서, 상기 기판은 GaAs 기판인 광변조기.
  16. 제13항에 있어서, 상기 기판의 저면에 반사방지 코팅막을 더 포함하는 광변조기.
  17. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하부 반사층 및 활성층은, 기판 상에 III-V 화합물 반도체를 이용하여 결정 성장에 의해 형성된 결정성장층이고,
    상기 상부 반사층은, 유전체 물질을 이용하여 독립적으로 형성되며,
    독립적으로 형성된 상기 상부 반사층을 상기 결정성장층에 결합시켜 형성되는 광변조기.
  18. 제17항에 있어서, 상기 활성층 상에 형성된 금속 패턴이나 투명 전극을 더 포함하며,
    상기 상부 반사층은, 상기 금속 패턴이나 투명 전극 형성된 결정성장층에 결합되는 광변조기.
  19. 제17항에 있어서, 상기 기판은 GaAs 기판인 광변조기.
  20. 제19항에 있어서, 상기 기판의 저면에 반사방지 코팅막을 더 포함하는 광변조기.
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