KR102532595B1

KR102532595B1 - 나노구조체를 포함하는 광변조기

Info

Publication number: KR102532595B1
Application number: KR1020150144741A
Authority: KR
Inventors: 한승훈; 무하매드 줄피커 알람; 해리 앳워터
Original assignee: 삼성전자주식회사; 캘리포니아 인스티튜트 오브 테크놀로지
Priority date: 2015-07-21
Filing date: 2015-10-16
Publication date: 2023-05-15
Also published as: KR20170011945A

Abstract

광효율이 높고, 파장영역을 조절할 수 있는 광변조기를 개시한다. 본 광변조기는 굴절률이 변화될 수 있는 복수 개의 나노구조체와 나노구조체를 둘러싸고 있는 제1 절연층을 포함한다. 나노구조체의 굴절률은 제1 절연층의 굴절률 보다 크다. 나노구조체는 굴절률의 변화에 따라 광을 변조할 수 있다. 광의 공진 파장 변화 및 반사/투과하는 빛의 세기, 위상, 편광 변화 등을 일으킬 수 있다.

Description

나노구조체를 포함하는 광변조기{Optical modulator using nanostructure}

본 개시는 고해상도 및 높은 광효율을 가지며, 송수신 되는 빛의 특성을 조절할 수 있는 나노구조체를 포함하는 광변조기에 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 금속층과 유전체층의 경계에서 일어나는 표면 플라즈몬 공명(surface plasmon resonance) 현상을 이용하는 나노 구조를 광학 소자에 활용하는 시도가 있다.

일 실시예에 따른 광변조기는, 굴절률이 변화될 수 있는 복수 개의 나노구조체; 상기 나노구조체보다 작은 굴절률을 가지며 상기 나노구조체를 둘러싸고 있는 제1 절연층; 및 상기 나노구조체의 굴절률을 변화시키기 위한 굴절률 변화수단;을 포함한다.

상기 굴절률 변화수단은, 상기 나노구조체를 사이에 두고 이격 배치된 제1 전극층 및 제2 전극층; 및 상기 제1 전극층 및 상기 제2 전극층 사이에 전기장을 인가하기 위한 전압제어수단;을 포함할 수 있다.

상기 제2 전극층은, 복수 개의 제2 서브전극을 포함할 수 있다.

상기 제1 전극층은, 상기 복수개의 제2 서브전극 각각과의 사이에 전압을 인가하는 공통 전극일 수 있다.

상기 제1 전극층 또는 상기 제2 전극층 중 적어도 어느 하나는 투과성 물질을 포함할 수 있다.

상기 제2 서브전극 각각의 전압을 제어하는 전기 배선 구조를 더 포함할 수 있다.

상기 제2 전극층은 상기 제2 서브전극이 임베드 된 제2 절연층을 더 포함할 수 있다.

상기 제2 절연층의 굴절률은 상기 제1 절연층의 굴절률보다 클 수 있다.

상기 나노구조체는 비중심대칭(non-centrosymmetric) 소재를 포함할 수 있다.

상기 비중심대칭 소재는 III-V족 화합물을 포함할 수 있다.

상기 비중심대칭 소재는 GaP, InP, GaAs 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.

상기 나노구조체는 금속 불순물로 도핑될 수 있다.

상기 금속 불순물은 Fe, Cu, Cr, Mg 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.

상기 나노구조체는 원형, 타원형, 직사각형, 정사각형 중 어느 한 형태의 단면을 가질 수 있다.

상기 복수 개의 나노구조체가 상기 제2 서브전극 상에 위치될 수 있다.

상기 복수 개의 나노구조체 중에서, 인접한 두 나노구조체의 중심 사이의 거리는 λ (여기서, λ는 상기 광변조기의 공진 파장) 이하일 수 있다.

상기 나노구조체의 높이는λ/4 내지 λ (여기서, λ는 상기 광변조기의 공진 파장) 일 수 있다.

상기 나노구조체 상에 위치하는 적어도 하나의 편광판을 더 포함할 수 있다.

상기 나노구조체 상에 위치하는 적어도 하나의 컬러 필터를 더 포함할 수 있다.

상기 복수의 나노구조체의 형상 또는 반복 배치된 주기가 위치에 따라 다르게 정해질 수 있다.

상기 제1 전극층 및 상기 제2 전극층은 상기 복수 개의 나노구조체에 동일전압을 인가하도록 배치될 수 있다.

상기 복수 개의 제2 서브전극은 도핑된 실리콘 재질로 이루어질 수 있다.

본 개시에 따른 광변조기는 굴절률이 변화될 수 있는 나노구조체와, 나노구조체가 임베드 되는 제1 절연층을 포함한다. 나노구조체의 굴절률을 조절하면 나노구조체의 공진특성이 변화하며, 입력 빛에 대한 반응을 제어할 수 있다. 이러한 나노구조체는 전기 광학 특성을 가지며, 각각의 굴절률은 굴절률 변화수단을 통해 개별적으로 조절될 수 있다. 또한, 나노구조체에 금속 불순물을 도핑하여 고저항성을 가지도록 해, 전력 누출과 전류 흐름 및 전기장 screening 효과를 방지할 수 있다.

도 1은 일 실시예에 따른 광변조기를 나타내는 단면도이다.
도 2a 내지 2d는 나노구조체의 다양한 형상를 나타내는 사시도이다.
도 3은 도 1에 따른 광변조기의 나노구조체의 높이 및 배치에 따른 조건을 나타내는 단면도이다.
도 4는 도 1에 따른 나노구조체의 2차원 배열을 나타내는 사시도이다.
도 5는 다른 실시예에 따른 광변조기를 나타내는 단면도이다.
도 6은 또 다른 실시예에 따른 광변조기를 나타내는 사시도이다.
도 7은 또 다른 실시예에 따른 광변조기를 나타내는 사시도이다.
도 8은 또 다른 실시예에 따른 광변조기를 나타내는 사시도이다.
도 9는 또 다른 실시예에 따른 광변조기를 나타내는 단면도이다.
도 8은 또 다른 실시예에 따른 광변조기를 나타내는 단면도이다.
도 9는 또 다른 실시예에 따른 광변조기를 나타내는 단면도이다.
도 10은 또 다른 실시예에 따른 광변조기를 나타내는 단면도이다.
도 11a 내지 11d는 또 다른 실시예에 따른 광변조기를 나타내는 단면도 및 사시도이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 나노구조체를 포함하는 광변조기에 대해 상세하게 설명한다. 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 또한, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다.

또한 이하에서 설명하는 층 구조에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 표현은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위 또는 아래에 있는 것도 포함할 수 있다.

도 1은 일 실시예에 따른 광변조기(100)를 나타내는 단면도이다. 도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 광변조기(100)는 굴절률이 변화될 수 있는 복수 개의 나노구조체(110)와, 나노구조체(110)보다 작은 굴절률을 가지며 나노구조체(110)를 둘러싸는 제1 절연층(120) 및 나노구조체(110)의 굴절률을 변화시키기 위한 굴절률 변화수단(130)을 포함할 수 있다.

복수 개의 나노구조체(110)는 각각 나노안테나(nano-antenna)로 기능할 수 있다. 입력 광은 각 나노구조체(110)에서 일어나는 공진 현상을 이용하여 그 투과/반사 및 위상 특성을 제어할 수 있다. 나노구조체(110)는 제1 절연층(120)과 같이 주변 물질들에 비해 고 굴절률을 가지므로, 그 경계면에서 반사도가 높으며, 이는 수신된 빛에 대해 일종의 파장 이하 크기의 공진기를 만든다. 제1 절연층(120) 등 주변부 물질들과의 굴절률 대비가 클수록(high contrast), 나노구조체(110)는 보다 오래 광을 포획할 수 있다. 나노구조체(110)의 공진 파장은 나노구조체(110)의 형상, 크기, 굴절률에 의해 결정될 수 있다. 나노구조체(110)는 공진 파장(λ)보다 얇은 두께를 가질 수 있다. 적외선이나 가시광선 영역의 광은 수백 nm의 파장을 가지므로, 가시광선을 송수신하기 위한 나노구조체(110)의 두께는 수백 nm 이하일 수 있다.

나노구조체(110)의 굴절률이 변화되는 특성을 가지기 위하여, 나노구조체(110)는 비중심대칭(noncentrosymmetric) 소재를 포함할 수 있다. 비중심대칭 물질이란 결정 구조 내에 반전 중심이 존재하지 않는 물질로, LiNbO₃ 등이 대표적이며, 그 구조적 특성에 의해 압전성, 초전성, 강유전성 또는 비선형 광학적 특성을 지닌다. 나노구조체(110)는 비중심대칭 특성을 가지는 III-V 족 반도체(GaP, InP, GaAs 등) 및 이와 같은 물질 중 적어도 어느 하나가 형성하는 구조를 포함할 수 있다. 비중심대칭 반도체 물질의 굴절률은 전기장의 인가에 따라 다음과 같이 선형적으로 변할 수 있다(Pockels effect).

d는 특정 파장에 따른 비선형적 굴절률 변화 계수, n은 물질의 굴절률, E는 나노구조체에 가해지는 전기장의 크기, ε₀는 진공의 유전율을 나타낸다. 예를 들어, 굴절률 변화수단(130)은 비중심대칭성을 가지는 나노구조체(110)에 전기장 E를 인가하여, 굴절률 변화(Δn)를 일으킬 수 있다. 상술한 식으로 계산된 GaP 기반 나노구조체(110)의 굴절률 변화는 전기장 E = 5 * 10⁵V/cm 가 인가되었을 때, 대략 1% 의 굴절률 변화(Δn)를 가질 수 있다. 이러한 전기장이 나노구조체(110) 에 인가될 시 나노구조체(110)의 저항이 충분히 크지 않다면 누설 전류로 인한 불필요한 전력 낭비 및 전기장 screening 효과들로 인한 굴절률 변화 감소가 생길 수 있다. 이를 방지하기 위해 나노구조체(110)는 고저항성을 가질 수 있다. 또한 전압인가에 따른 전기장의 방향과 반도체 물질의 결정축의 방향에 따라 굴절률의 변화도 비등방적으로 이루어 질 수 있다. 즉, 액정과 같이 빛에 대한 굴절률 이방성을 조절할 수도 있다. 이는 추후의 편광상태 조절 기능으로 응용될 수 있다. 위상판(waveplate)과 같이 서로 다른 편광성분이 위상지연 값을 상대적으로 다르게 가지도록 할 수 있으며, 그 차이를 상기 전압인가에 의한 Pockels효과로 변조할 수 있기 때문이다.

상술한 바와 같이 나노구조체(110)는 고굴절률과 고저항성을 동시에 만족하는 물질을 포함할 수 있다. 고굴절률 물질을 살피면, 예를 들어, 3 이상의 굴절률을 가지는 물질을 의미할 수 있다. 나노구조체(110)는 제1 절연층(120)과의 상대적인 관계에서 굴절률 대비가 충분히 클 수 있도록, 나노구조체(110)의 굴절률이 제1 절연층(120)의 굴절률 보다 1.5 이상 크도록 선택할 수 있다. 고저항성 관련하여 예를 들어, 나노구조체(110)는, 굴절률 변화수단(130)이 인가하는 전기장이 10⁵V/cm 일 때, 10⁷Ω-㎝ 이상의 저항을 가질 수 있다. 10⁷Ω-㎝이상의 고저항성 나노구조체(110)를 마련하기 위해, 나노구조체(110)는 금속 불순물로 도핑될 수 있다. 예를 들어, 금속 불순물은 Cr, Fe, Co, Mg 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 이러한 금속 불순물은 나노구조체(110)를 구성하는 반도체 및 비금속성 소재의 종류에 따라 선택될 수 있다.

Crystal	Dopant	Resistivity Ω-㎝
GaAs	Chromium	10⁹
InP	Iron	7.2*10⁷
GaP	Copper	10¹⁴

예를 들어, GaAs를 포함하는 나노구조체의 경우에는 Cr 불순물로 도핑했을 때, 10⁹Ω-㎝의 저항을 가지며, 적외선 영역에서 공진 파장을 가질 수 있다. InP를 포함하는 나노구조체의 경우에는 Fe 불순물로 도핑했을 때, 7.2*10⁷Ω-㎝의 저항을 가지며, 적외선에서 가시광선 영역 사이에서 공진 파장을 가질 수 있다. GaP를 포함하는 나노구조체의 경우에는 Cu 불순물로 도핑했을 때, 10¹⁴Ω-㎝의 저항을 가지며, 적외선에서 가시광선 영역 사이에서 공진 파장을 가질 수 있다. GaP의 경우 전압인가에 의한 굴절률 변화 1%를 얻기 위해서는 전기장이 5 * 10⁵V/cm정도가 필요하며, 이는 절연층 파괴 전기장 세기(break-down field)보다 충분히 작기 때문에, 전기적인 단락(short)을 방지하고, 전기장 유지가 가능하다. Cu 불순물로 도핑할 경우 GaP의 10¹⁴Ω-㎝의 저항을 가지므로 불필요한 전기장 screening 효과 및 전류 흐름, 전력 누출을 방지할 수 있다.

나노구조체(110)는 고굴절률과 고저항성을 동시에 만족하는 물질로 구성됨으로써, 나노구조체(110)는 특정 파장의 광과의 공진기(resonator)의 역할 및, 동작하는 파장을 조절할 수 있는 전기광학 튜너(electro-optical tuner)로 동시에 기능할 수 있다. 또한, 고굴절률과 고저항성을 동시에 가지는 나노구조체(110)를 포함하는 광변조기(100)는 플라즈모닉 공진기에 비해 더 단순한 구조를 가질 수 있다.

제1 절연층(120)은 공기나 산화물(SiO₂,Al₂O₃,HfO₂), 폴리머(SU8, PDMS, PMMA 등) 등 절연 물질을 포함할 수 있다. 또한, 제1 절연층(120)은 나노구조체(110)보다 낮은 굴절률을 가지는 물질을 포함할 수 있다. 나노구조체(110)가 굴절률 변화수단(130)과 직접 맞닿는 전기적 누출을 방지하기 위해 제1 절연층(120)은 나노구조체(110)를 둘러 쌀 수 있다. 다만, 나노구조체(110)가 고저항성을 가지는 경우에는 나노구조체(110)가 굴절률 변화수단(130)과 직접 맞닿아도 전기적 누출이 미미할 수 있으며, 이러한 경우 광변조기(100)의 성능에 영향을 미치지 않을 수 있다. 또한, 상술한 바와 같이, 나노구조체(110)와 제1 절연층(120)의 굴절률 차이가 고대비를 가지면 해당 공진 파장에 대한 광효율이 증가할 수 있으며, 나노구조체(110)가 공진기로써 기능할 수 있다.

굴절률 변화수단(130)은 나노구조체(110)의 굴절률을 바꾸어 공진특성을 조절 할 수 있다. 입사 빛에 대한 반사/투과 및 그 세기, 위상, 편광 특성 변화가 가능하다. 또한, 공진 파장을 변화시켜서 다른 파장의 광과 공명 현상을 일으킬 수 있다. 굴절률 변화수단(130)은 각 나노구조체(110)마다 별도로 굴절률을 변화 시킬 수 있으므로, 광변조기(100)는 사용목적에 따라 다양한 공진 특성을 갖는 나노구조체(110) 배열을 가질 수 있다. 굴절률 변화수단(130)의 자세한 구성은 후술하도록 한다.

도 2a 내지 2d는 나노구조체의 다양한 형상을 나타내는 사시도이다. 나노구조체의 형상, 체적에 따라 나노구조체가 대응하는 광의 특정 파장, 편광, 각도 등이 변화될 수 있다. 나노구조체는 기둥 형상(pillar structure)를 가질 수 있다. 이러한 기둥 형상은 원형, 타원형, 직사각형, 정사각형 중 어느 한 형태의 단면을 가질 수 있다. 도 2a는 원형의 단면을 가지는 기둥 형상의 나노구조체를 나타낸다. 도 2b는 타원형의 단면을 가지는 기둥 형상의 나노구조체를 나타낸다. 도 2c는 정사각형의 단면을 가지는 기둥 형상의 나노구조체를 나타낸다. 도 2d는 직사각형의 단면을 가지는 기둥 형상의 나노구조체를 나타낸다. 상기 기둥 형상은 높이 방향으로 적절히 경사 지어 있을 수도 있다.

도 3은 도 1에 따른 광변조기(100)의 나노구조체(110)의 높이 및 배치에 따른 조건을 나타내는 단면도이다. 도 3을 참조하면, 인접한 나노구조체(110) 간의 중심 사이의 거리는 광변조기(100)의 공진 파장 λ이하일 수 있다. 이러한 나노구조체(110)의 배열은 입사하는 광과 반응하여 고차 회절을 발생시키지 않고, 원하는 대로 입사광의 반사/투과/흡수의 특성을 조절할 수 있다. 또한, 나노구조체(110)의 높이는 예를 들어, λ/4 내지 λ일 수 있다.

도 4는 도 1에 따른 나노구조체(110)의 2차원 배열을 나타내는 사시도이다. 도 4를 참조할 때, 복수 개의 나노구조체(110)는 제1 절연층(120) 내부에서 2차원적으로 배열될 수 있다. 도 4를 참조할 때, 각 나노구조체(111, 112, 113, 114, 115, 116, 117, 118)는 서로 간에 일정한 간격을 가지며 배열되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 광변조기의 사용목적에 따라 다양한 배열을 가질 수 있다.

도 5는 다른 실시예에 따른 광변조기(500)를 나타내는 단면도이다. 도 5를 참조할 때, 굴절률 변화수단은 제1 전극층(540), 제2 전극층(550), 전압제어부(530)를 포함할 수 있다. 제1 전극층(540)과 제2 전극층(550)은 제1 절연층(520)을 사이에 두고 서로 이격되게 배치될 수 있다.

제1 전극층(540)은 제2 전극층(550)의 제2 서브전극(551,552,553) 각각과의 사이에 위치하는 전압을 인가하는 공통 전극일 수 있다. 이러한 제1 전극층(540)은 투명 전도성 물질을 포함할 수 있다. 투명 전도성 물질은, 예컨대, ITO(indium tin oxide)를 포함하거나, IZO(indium zinc oxide), AZO(aluminium zinc oxide), GZO(gallium zinc oxide)와 같은 ZnO 계열의 투명 전도성 산화물 등을 포함할 수 있다.　혹은 빛의 파장보다 얇은 doped Si을 투명한 전도성 물질로 사용할 수도 있다. 광은 제1 전극층(540)을 통해 입사될 수 있으며, 그에 따라 제1 전극층(540)은 입력 광을 반사하거나 흡수하지 않는 투과성 표면 특성을 가질 수 있다.

제2 전극층(550)은 한 개 또는 복수 개의 제2 서브전극(551, 552, 553)을 포함할 수 있다. 이러한 제2 서브전극(551, 552, 553)은 제2 절연층(555)에 임베드 될 수 있다. 제2 서브전극(551,552,553)은 알루미늄(Al), 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 납(Pb), 인듐(In), 주석(Sn), 카드뮴(Cd) 등과 같은 금속을 포함할 수 있다. 또한 상술한 투명 전도성 산화물, doped Si도 이용 가능하다. 제2 절연층(555)은 제2 서브전극(551, 552, 553)과 나노구조체(510)가 직접 맞닿지 않도록 제2 서브전극을 둘러싸는 구조를 가질 수 있다. 이 경우, undoped 혹은 low doped Si을 제2 절연층, high doped Si을 제2 서브전극으로 사용할 수도 있다. 제2 서브전극이 도핑된 실리콘으로 구성될 수 있으므로, 제2 전극층(550)의 형성 공정을 반도체 도핑 공정으로 간소화 할 수 있다. 또한, 다양한 반도체 소자의 활용이 용이해 질 수 있다. 제2 서브전극(551, 552, 553)과 제1 전극층(540)에 전압이 인가되면, 제2 서브전극(551, 552, 553)과 제1 전극층(540) 사이에 전기장을 형성할 수 있다. 이를 통해 나노구조체(510)에 가해지는 전기장은 나노구조체(510)의 굴절률을 변화시킬 수 있다. 상술한 바와 같이 굴절률의 변화는 해당 나노구조체(510)의 공진 특성 및 광반응을 변화시킬 수 있다. 각 나노구조체(511,512,513)는 각각에 대응하는 제 2 서브전극(551,552,553) 상에 위치할 수 있다. 이는 각 제2 서브전극(551,552,553)에서 형성되는 전기장의 변화에 따라 나노구조체(510)의 굴절률이 조절가능해야(tunable) 하기 때문으로, 전기장의 변화에 대한 나노구조체(510)의 굴절률 민감성이 유지되는 위치를 가지는 것으로 족하다. 따라서, 나노구조체(510)의 어레이와 제2 서브전극(551,552,553)의 어레이가 다소 이격되어도(mis-align) 되어도 광변조기(500)의 기능이 유지될 수 있다.

제2 절연층(555)은, 예컨대, SiO₂, SiNx, HfO₂, Al₂O₃, La₂O₃, ZrO₂, HfSiO, HfSiON, HfLaO, LaAlO, SrTiO 등과 같은 일반적인 반도체 절연막 재료를 그대로 사용할 수 있다. 또한 상술한, 폴리머 계열 절연 물질(SU8, PDMS, PMMA 등)의 사용도 가능하다.

전압제어부(530)는 제1 전극층(540) 및 제2 전극층(550)에 전압을 인가할 수 있다. 이러한 전압 제어신호는 특별히 종류를 한정하지 않으며 AC, DC를 포함할 수 있다. 전압제어부(530)는 복수 개의 제2 서브전극(551, 552, 553)마다 각각 별도의 전압을 인가할 수 있으며, 이에 따라 각각의 나노구조체의 공진 특성 및 파장(λ)을 별도로 설계/제어할 수 있다.

도 6은 또 다른 실시예에 따른 광변조기(600)를 나타내는 사시도이다. 하나의 제2 서브전극(651)은 복수 개의 나노구조체(610)가 형성하는 패턴과 대응할 수 있다. 이러한 광변조기(600)는 간이한 구조와 작동을 가질 수 있다. 광변조기(600)의 기능에 따라 각 나노구조체(610)가 개별적으로 동작될 필요가 없는 경우에는 패턴으로 묶어 하나의 제2 서브전극(651)에 대응시킴으로써 일괄적으로 나노구조체 패턴을 기능시킬 수 있다. 또한, 제2 서브전극에 대응되는 굴절률 변화수단(630;미도시)의 구조가 간이해질 수 있다.

도 6을 참조할때, 2X2로 배열된 나노구조체 (611,612,615,616) 패턴은 제2 서브전극(651) 상에 위치하고, 2X2로 배열된 나노구조체 (613,614,617,617) 패턴이 제2 서브전극(652) 상에 위치할 수 있다. 예를 들어, 이러한 배열은 주기적으로 반복될 수 있다. 서로 다른 파장 혹은 색깔의 빛을 제어하는 공간광변조기(600, Spatial Light Modulator)를 구현하고자 할 경우, 각 제2 서브전극(652) 상에 위치하는 나노구조체(610) 패턴은 R,G,B 등 특정 공진 파장을 가지는 형상과 배열을 가질 수 있다. 예를 들어, 제2 서브전극(651) 상에 위치하는 나노구조체(611,612,615,616)는 적색(R)에 해당되는 공진파장을 가지고, 제2 서브전극(652) 상에 위치하는 나노구조체(613,614,617,618)는 녹색(G)에 해당되는 공진파장을 가지고, 제2서브전극(653;미도시) 상에 위치하는 나노구조체는 청색(B)에 해당되는 공진 파장을 가질 수 있다. 이러한 광변조기(600)는 디스플레이, 카메라 등 다양한 광학장치에 적용될 수 있다. 이 경우, 추가로 하나 이상의 컬러 필터나 편광 필름 층이 나노구조체의 상부 혹은 하부에 배치될 수 있다.

도 7은 또 다른 실시예에 따른 광변조기(700)를 나타내는 사시도이다. 제2 서브전극(751, 752, 753)은 1차원적인 배열을 가질 수 있다. 1차원적인 배열이란 광변조기(700)의 어느 한 변을 기준으로 제2 서브전극이 그 변에 수직한 방향으로 나란히 배열되는 것을 의미할 수 있다. 또한, 2차원 배열을 가지는 나노구조체(710)가 각 서브전극(751, 752, 753) 상에 배치될 수 있다. 도면 상에서 2차원 배열은 2 X 4의 배열을 가지나 이에 한정되는 것은 아니며 m X n의 배열을 가질 수 있다. 이 경우 1차원 방향으로 빛의 세기나 위상, 편광 상태 등을 제어하는 소자로 활용 가능하다. 예를 들어, 1차원 방향으로 반사 혹은 투과하는 빛의 위상/세기가 주기적 변하도록 제어할 경우, 해당하는 빛의 방향을 변화시키기 위한 lidar 소자로 활용이 가능하다.

도 8은 또 다른 실시예에 따른 광변조기(800)를 나타내는 사시도이다. 도 8을 참조할때, 제2 서브전극(851, 852, 853)은 1차원적인 배열을 가질 수 있다. 1차원적인 배열이란 광변조기(800)의 어느 한 변을 기준으로 제2 서브전극이 그 변에 수직한 방향으로 나란히 배열되는 것을 의미할 수 있다. 각 제2 서브전극(851, 852, 853) 상에 배열되는 나노구조체(810)도 각 제2 서브전극과 마찬가지로 1차원적인 배열을 가질 수 있다. 광변조기(800)의 용도에 따라 각 제2 서브전극 상에 위치되는 나노구조체(810)의 개수 및 형태를 결정할 수 있다.

도 9는 또 다른 실시예에 따른 광변조기(900)를 나타내는 단면도이다. 본 실시예에 따른 광변조기(900)는 투과형 공간광변조기로 기능할 수 있다. 본 실시예에 따른 광변조기(900)는 도 5의 광변조기(500) 구조 상에 제1 편광판(981)이 추가로 마련될 수 있다. 이러한 편광판은 나노구조체(910)를 기준으로 상부 또는 하부 중 적어도 하나에 위치할 수 있다. 또한, 본 실시예에 따른 광변조기(900)는 도 5의 광변조기(500) 하부에 제 2 전극층(950)의 각 제2 서브전극 각각의 전압을 제어하기 위한 전기 배선 구조(960;Electrical addressing structure)(960) 및 기판(970)이 마련 될 수 있다. 전기 배선 구조(960)은 트랜지스터 구조를 가질 수 있다. 기판(970)의 하부에 제2 편광판(982)이 마련될 수 있다. 제1 편광판(981)과 제2 편광판(982)은 서로 직교할 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 서로 평행하거나 일정 각도를 이루도록 제1 편광판(981)과 제2 편광판(982)이 마련될 수 있다. 본 실시예에 따른 광변조기(900)는 투과형으로 기능하는 바, 입사광(ls)이 광변조기(900)의 하부에서 제2 편광판(982) 쪽으로 입사할 수 있다. 이때, 전기 배선 구조(960)은 충분히 얇아 투명성을 가질 수 있고, 그 구조가 빛의 파장보다 충분히 작아 입사되는 빛을 크게 왜곡시키지 않을 수 있다. 제2 전극층(950) 및 제1 전극층(940)은 투과성을 가질 수 있다. 제2 전극층(950) 및 제1 전극층(940)은 투명성 전도성 물질를 포함할 수 있으며, 예컨대, ITO(indium tin oxide)를 포함하거나, IZO(indium zinc oxide), AZO(aluminium zinc oxide), GZO(gallium zinc oxide)와 같은 ZnO 계열의 투명 전도성 산화물, 그리고, doped Si 등을 포함할 수 있다.　

입사광(ls)이 제2 편광판(982)을 통과하면, 제2 편광판(982)의 편광축과 평행한 광(선형 편광)만이 제2 편광판(982)을 통과하여, 나노구조체(910)로 입사될 수 있다. 나노구조체(910)에 입사된 광은 제2 전극층(950)에 인가된 전압 및 나노구조체를 구성하는 비중심대칭 소재의 결정축과 입사하는 빛의 편광 방향 (제2 편광판(982)의 편광방향)의 상대적 방향에 따라 나노구조체를 투과할 때의 편광 상태가 변화될 수 있다. 예를 들어 선형 편광 방향의 회전, 원 편광이나 타원 편광으로의 편광 상태 변화가 가능하다. 혹은 편광상태의 변화 없이 입사된 선형 편광을 유지하면서, 전압인가에 따른 나노구조체를 통과(반사 혹은 투과)하는 위상이나 세기만 변화할 수도 있다. 만약 제1 편광판(981)이 존재하여, 나노구조체를 투과한 편광된 광이 제1 편광판(981)에 도달했을 때, 제1 편광판(981)의 편광축과 평행한 선형 편광 상태이면 제1 편광판(981)을 통과할 수 있다. 평행하지 않다면, 평행한 성분에 해당하는 광만이 제1 편광판(981)을 통과할 수 있다. 만약, 나노구조체를 통과한광이 제1 편광판(981)의 편광축과 수직한 선형 편광상태라면, 편광된 광은 제1 편광판(981)을 통과할 수 없다. 이러한 원리를 이용하여, 전기적 배선 구조(960)를 통한 제2 서브전극 각각의 전압의 제어를 통해 입사광의 투과하는 세기, 위상 및 편광 상태 및 이들의 분포를 다양하게 변조할 수 있다. 이러한 광변조기(900)는 공간광변조기로 다양한 기능의 변조 가능한 광학 부품 기능을 제공할 수 있다. 예를 들어, 셔터, 빔스캐너, 가변 초점 렌즈, 편광 분포 조절 소자 등이 가능하다. 이와 같은 세기, 위상 및 편광 출력 특성을 서로 섞어서 제어할 수도 있다. 각 제2 서브전극 상에 위치하는 나노구조체(910)를 R,G,B 등 각 색상의 공진 파장과 대응하도록 배열할 수 있다. 또한, 각 서브전극 및 나노구조체의 공진 파장에 해당하는 색상의 칼러 필터를 그 상부 혹은 하부에 배치할 수 있다. 이 경우에 광변조기(900)는 디스플레이로도 활용할 수 있다. 제 2 편광판이 존재하지 않을 경우에도 도 9와 같은 투과형 소자가 동작할 수 있다. 이 경우, 나노구조체를 구성하는 비중심대칭 소재의 결정축과 제2 전극층(950)에 인가된 전압에 의한 전기장의 방향의 관계에 따라, 입사 편광상태에 무관하게, 혹은 입사 빛의 각각의 편광 성분을 독립적으로 그 투과하는 세기나 위상 분포를 제어하도록 하는 소자로 이용할 수 있다.

도 10은 또 다른 실시예에 따른 광변조기(1000)를 나타내는 단면도이다. 본 실시예에 따른 광변조기(1000)는 반사형 공간광변조기로 기능할 수 있다. 작동원리는 도 9에 따른 투과형 광변조기와 유사하다. 편광판을 사용할 경우, 입사광(ls)이 제1 편광판(1081) 방향으로 입사하며, 제2 편광판(1082)은 마련되지 않아도 된다.제1 편광판(1081)을 따라 입사된 빛은 제1 편광판(1081)의 편광축에 따라 선형 편광되며, 나노구조체(1010)에 입사될 수 있다. 이러한 빛은 나노구조체(1010)와 상호작용하여, 그 편광 및 위상, 세기가 조절되어 반사되어 나올 수 있다. 또한, 나노구조체(1010)를 투과하여 광변조기(1000)의 기판(1070) 하부의 반사층(1071)에서 반사되어 다시 나노구조체(1010)를 투과하여 제1 편광판(1081)으로 되돌아 올 수 있다. 반사층(1071)은 금속 박막, 다층 박막을 포함할 수 있다. 이 경우, 제1 편광판(1081)의 편광축과 평행한 성분의 빛만 제1 편광판(1081)을 통과하여 나올 수 있다. 투과형 기능을 가지는 공간광변조기(900)와 마찬가지로, 본 실시예에 따른 광변조기(1000)는 반사형 공간광변조기로 기능할 수 있도록 입사광은 제2 서브전극들 및 전기 배선 구조에 의해 제어될 수 있다. 제 1편광판이 없는 경우에도 투과형 소자에서와 유사하게 빛의 편광, 세기, 위상 출력을 조절하도록 동작할 수 있다. 또한, 디스플레이용으로도 응용이 가능하며, 이 경우, 컬러 필터층을 추가할 수 있다.

반사형 제2 전극층(1050)은 알루미늄(Al), 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 납(Pb), 인듐(In), 주석(Sn), 카드뮴(Cd) 등과 같은 금속을 포함할 수 있다. 또한 상술한 투명 전도성 산화물, doped Si도 이용 가능하다.

도 11a 내지 11d는 또 다른 실시예에 따른 광변조기(1100)를 나타내는 단면도 및 사시도이다. 도 11a를 참조할 때, 본 실시예에 따른 광변조기(1100)는 복수의 나노구조체(1110)의 형상 또는 반복 배치된 주기가 위치에 따라 다르게 정해질 수 있다. 또한, 제1 전극층(1140) 및 제2 전극층(1150)은 각각 복수 개의 나노구조체(1110) 전부에 동일전압을 인가하도록 배치될 수 있다. 도 11b를 참조할 때, 본 실시예에 따른 나노구조체(1110)의 배치는 렌즈의 기능을 수행할 수 있다. 종래의 렌즈는 곡률반지름에 따라 초점거리가 결정되므로, 렌즈는 구형을 가져야 했다. 본 실시예에 따른 광변조기(1100)는 나노구조체(1110)를 평면상에 배열하여, 렌즈의 특성을 가지는 평면형 광학 소자를 구현할 수 있다. 따라서, 종래의 렌즈에 비해서 체적을 감소시킬 수 있다. 나노구조체(1110)의 배열에 따라 다양한 렌즈 및 프리즘을 구현할 수 있으며, 특정 예에 한정되지 않는다.

도 11c를 참조할 때, 광변조기(1100)는 투과형 볼록렌즈의 기능을 가질 수 있다. 나노구조체(1110)를 특정 초점거리를 가지는 볼록렌즈의 배열을 가지도록 형상 또는 반복 배치되는 주기를 결정할 수 있다. 또한 제2 전극(1150)을 투과형 물질로 형성할 수 있다. 이 때, 화살표로 도시된 입사광이 광변조기(1100)의 제2 전극층(1150) 방향에서 입사하면, 나노구조체(1110)를 지나가며 각 위치별 위상 지연을 조절하여 그 출력단의 파면이 초점(f)으로 광을 모으도록 만들 수 있다. 이러한 초점거리는 나노구조체(1110)의 형태 및 배열에 따라 결정되며, 제1 전극층(1140) 및 제2 전극층(1150)에 전압을 인가하면, 나노구조체(1110)의 출력단에서의 빛의 파면 형태(위치별 위상지연)가 변화되어, 초점거리가 변할 수 있다. 따라서, 도 10c에 따른 광변조기(1100)는 초점거리를 변화시킬 수 있는 볼록렌즈로 기능할 수 있다. 또한, 소자를 통하여 투과되는 빛의 세기를 조절할 수도 있다. 도 9와 유사하게 편광판들을 이용하여, 전압 인가를 통해 편광 상태를 조절하여 출력광의 세기를 조절하던지, 나노구조체(1110) 자체의 전압인가에 따른 투과도 변화를 이용하여 조절할 수 있다.

도 11d를 참조할 때, 광변조기(1100)는 반사형 오목렌즈의 기능을 가질 수 있다. 나노구조체(1110)를 특정 초점거리를 가지는 오목렌즈의 배열을 가지도록 형상 또는 반복 배치되는 주기를 결정할 수 있다. 광변조기(1100)은 반사형 물질로 형성된 제2 전극(1150)을 포함하거나, 기판(1160) 하부에 반사층(미도시)을 추가로 형성할 수 있다. 화살표로 도시된 입사광이 광변조기(1100)의 제1 전극층(1140) 방향에 입사되면, 나노구조체(1110) 자체나 하부의 추가적인 반사층에서 반사되어 나올 수 있다. 이 때 가지게 되는 파면 형태(위치별 위상지연)를 통해 초점으로 광이 모일 수 있다. 이러한 초점거리는 제1 전극(1140) 및 제2 전극(1150)에 전압인가원을 통해 전기장을 인가하여 변화될 수 있다. 전압인가원의 구성은 상술한 바와 같으므로 자세한 설명은 생략한다. 따라서, 도 11d에 따른 광변조기(1100)는 초점거리를 변화시킬 수 있는 오목거울로 기능할 수 있다. 또한, 소자를 통하여 반사되는 빛의 세기를 조절할 수도 있다. 도 10과 유사하게 편광판을 이용하여, 전압 인가를 통해 편광 상태를 조절하여 출력광의 세기를 조절하던지, 나노구조들 자체의 전압인가에 따른 전체 소자의 반사도 변화를 이용하여 조절할 수 있다.

광변조기는 특정 파장의 빛의 흐름을 개폐하는 셔터(shutter)로 적용될 수 있다. 예컨대, 광변조기는 IR(infrared) 파장이나 가시광선의 펄스형 빛을 고속으로 개폐하는 셔터(shutter)로 적용될 수 있다. 구체적인 예로, 본 발명의 실시예에 따른 광변조기는 비행시간법(time-of-flight method)에 기반한 3차원 카메라에서 깊이(depth) 정보를 추출하기 위해 광신호를 변조하는 셔터(shutter)로 적용될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 광변조기를 적용하면, 저전력으로 구동되고 고속으로(ex, 100 MHz 급) 동작하는 셔터(solid state shutter)를 구현할 수 있다. 일반적인 카메라 및 3차원 카메라의 구조는 잘 알려진바, 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.

지금까지, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 나노구조체를 포함하는 광변조기에 대한 예시적인 실시예가 설명되고 첨부된 도면에 도시되었다. 그러나, 이러한 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이고 이를 제한하지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 그리고 본 발명은 도시되고 설명된 설명에 국한되지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 이는 다양한 다른 변형이 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일어날 수 있기 때문이다.

100 : 광변조기
110 : 나노구조체
120 : 제1 절연층
130 : 굴절률 변화수단
540 : 제1 전극층
550 : 제2 전극층
ls : 광원

Claims

인가된 전기장에 따라 굴절률이 변화될 수 있는 물질을 포함하는 복수 개의 나노구조체;
상기 나노구조체보다 작은 굴절률을 가지며 상기 나노구조체를 둘러싸고 있는 제1 절연층;
복수 개의 나노구조체 상부에 배치된 제1 전극층;
상기 복수 개의 나노구조체 하부에 배치되고, 상기 복수 개의 나노구조체 각각과 마주하는 복수 개의 제2 서브전극과 상기 복수 개의 제2 서브전극이 임베드된 제2절연층을 구비하는 제2 전극층; 및
상기 복수 개의 나노구조체에 전기장을 인가하기 위해 상기 제1 전극층 및 상기 복수 개의 제2 서브전극 각각 사이에 전압을 인가하는 전압 제어부;를 포함하는 광변조기.
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제 1 항에 있어서,
상기 제1 전극층은,
상기 복수 개의 제2 서브전극 각각과의 사이에 전압을 인가하는 공통 전극인, 광변조기.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 전극층 또는 상기 제2 전극층 중 적어도 어느 하나는 투과성인 광변조기.
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제 1 항에 있어서,
상기 제2 절연층의 굴절률은 상기 제1 절연층의 굴절률보다 큰 광변조기.
제 1 항에 있어서,
상기 나노구조체는 비중심대칭(noncentrosymmetric) 소재를 포함하는 광변조기.
제 9 항에 있어서,
상기 비중심대칭 소재는 III-V족 화합물을 포함하는 광변조기.
제 10 항에 있어서,
상기 비중심대칭 소재는 GaP, InP, GaAs 중 적어도 어느 하나를 포함하는 광변조기.
제 1 항에 있어서,
상기 나노구조체는 금속 불순물로 도핑된 광변조기.
제 12 항에 있어서,
상기 금속 불순물은 Fe, Cu, Cr, Mg 중 적어도 어느 하나를 포함하는 광변조기.
제 1 항에 있어서,
상기 나노구조체는 원형, 타원형, 직사각형, 정사각형 중 어느 한 형태의 단면을 가지는 광변조기.
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제 1 항에 있어서,
상기 복수 개의 나노구조체 중에서, 인접한 두 나노구조체의 중심 사이의 거리는 λ(여기서, λ는 상기 광변조기의 공진 파장) 이하인 광변조기.
제 1 항에 있어서,
상기 나노구조체의 높이는 λ/4 내지 λ(여기서, λ는 상기 광변조기의 공진 파장)인 광변조기.
제 1 항에 있어서,
상기 나노구조체 상에 위치하는 적어도 하나의 편광판을 더 포함하는 광변조기.
제 1 항에 있어서,
상기 나노구조체 상에 위치하는 적어도 하나 이상의 컬러 필터를 더 포함하는 광변조기.
제 1항에 있어서,
상기 복수 개의 나노구조체의 형상 또는 반복 배치된 주기가 위치에 따라 다르게 정해진 광변조기.
제 20항에 있어서,
상기 제1 전극층 및 상기 제2 전극층은 상기 복수 개의 나노구조체에 동일전압을 인가하도록 배치되는 광변조기.
제 1항에 있어서,
상기 복수 개의 제2 서브전극은 도핑된 실리콘 재질로 이루어지는 광변조기.