KR102587957B1 - 레이저빔 위상 변조 소자, 레이저빔 스티어링 소자 및 이를 포함하는 레이저빔 스티어링 시스템 - Google Patents

레이저빔 위상 변조 소자, 레이저빔 스티어링 소자 및 이를 포함하는 레이저빔 스티어링 시스템 Download PDF

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Abstract

레이저빔 위상 변조 소자, 레이저빔 스티어링 소자 및 이를 포함하는 레이저빔 스티어링 시스템이 개시된다. 개시된 레이저빔 위상 변조 소자는, 전기적인 신호에 따라 굴절률이 변환되는 굴절률 변환층과, 상기 굴절률 변환층에 매립되는 적어도 하나의 안테나 패턴과, 상기 굴절률 변환층의 하부에 마련되는 것으로, 상기 레이저빔을 반사시키는 금속 미러층을 포함한다.

Description

레이저빔 위상 변조 소자, 레이저빔 스티어링 소자 및 이를 포함하는 레이저빔 스티어링 시스템{Laser beam phase modulation device, laser beam steering device and laser beam steering system including the same}
레이저빔 위상 변조 소자, 레이저빔 스티어링 소자 및 이를 포함하는 레이저빔 스티어링 시스템에 관한 것이다.
레이저(laser)와 같은 빔을 원하는 위치로 조향, 즉 스티어링(steering)시키기 위해서 다음과 같은 방법이 사용되고 있다. 예를 들어, 레이저 조사 부분을 기계적으로 회전시켜는 방법과 OPA(Optical Phased Array) 방식을 이용하여 여러 픽셀(pixel) 또는 도파관(waveguide)으로부터 나오는 레이저빔 다발의 간섭을 이용하는 방법이 사용되고 있다. OPA 방식에서는 단위셀들이나 도파관들을 전기적 또는 열적으로 제어함으로써 레이저빔을 스티어링할 수 있다.
위와 같이 기계적으로 레이저를 구동하기 위해서는 모터 또는 멤스(MEMS) 구조가 적용되어야 한다. 그러나, 이 경우 전체 장치의 부피가 커지고, 부품 가격이 상승할 수 있다. 또한 모터의 경우 소음이 발생할 수 있으며 멤스(MEMS) 구조를 적용할 경우 진동 등의 이슈로 인해 다양한 부분에서 응용이 제한된다.
예시적인 실시예는 레이저빔 위상 변조 소자, 레이저빔 스티어링 소자 및 이를 포함하는 레이저빔 스티어링 시스템을 제공한다.
일 측면에 있어서,
레이저빔의 위상을 변조하는 소자에 있어서, 전기적인 신호에 따라 굴절률이 변환되는 굴절률 변환층; 상기 굴절률 변환층에 매립되는 적어도 하나의 안테나 패턴; 상기 굴절률 변환층의 하부에 마련되는 것으로, 상기 레이저빔을 반사시키는 금속 미러층; 및 상기 굴절률 변환층에 전기적인 신호를 인가하는 구동부;를 포함하는 레이저빔 위상 변조 소자가 제공된다.
상기 굴절률 변환층은 상기 적어도 하나의 안테나 패턴의 측면 및 하면에 마련될 수 있다.
상기 굴절률 변환층은 상기 적어도 하나의 안테나 패턴의 측면, 하면 및 상면에 마련될 수 있다.
상기 굴절률 변환층과 상기 적어도 하나의 안테나 패턴 사이에 마련되는 절연층을 더 포함할 수 있다.
상기 절연층은 SiO2, Si3N4, Al2O3, HfO2, HfSiO2 및 ZrO2 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 굴절률 변환층은 산화물 반도체를 포함할 수 있다.
상기 산화물 반도체는 ITO(Indium-Tin-Oxide), IZO(Indium-Zinc-Oxide), GIZO(Ga-In-Zn-Oxide), AZO(Al-Zn-Oxide), GZO(Ga-Zn-Oxide) 및 ZnO 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 안테나 패턴은 Ag, Au, Al, Pt, TiN 및 TaN 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
다른 측면에 있어서,
레이저빔을 스티어링하는 소자에 있어서, 복수의 단위셀(unit cell)을 포함하고, 상기 단위셀 각각은, 전기적인 신호에 따라 굴절률이 변환되는 굴절률 변환층; 상기 굴절률 변환층에 매립되는 적어도 하나의 안테나 패턴; 상기 굴절률 변환층의 하부에 마련되는 것으로, 상기 레이저빔을 반사시키는 금속 미러층; 및 상기 굴절률 변환층에 전기적인 신호를 인가하는 단위셀 구동부;를 포함하는 레이저빔 스티어링 소자가 제공된다.
상기 굴절률 변환층은 상기 적어도 하나의 안테나 패턴의 측면 및 하면에 마련될 수 있다.
상기 굴절률 변환층은 상기 적어도 하나의 안테나 패턴의 측면, 하면 및 상면에 마련될 수 있다.
상기 복수의 단위셀은 2차원적으로 배열될 수 있다.
상기 복수의 단위셀은 시간에 따라 변화하는 굴절률 프로파일(refractive index profile)을 형성함으로써 상기 레이저빔을 스티어링할 수 있다.
상기 굴절률 변환층과 상기 적어도 하나의 안테나 패턴 사이에 마련되는 절연층을 더 포함할 수 있다.
또 다른 측면에 있어서,
레이저빔을 출사하는 레이저 광원; 상기 레이저 광원으로부터 입사된 상기 레이저빔을 스티어링하는 레이저빔 스티어링 소자; 및 상기 스티어링된 레이저빔을 검출하는 검출부;를 포함하고, 상기 레이저빔 스티어링 소자는, 복수의 단위셀(unit cell)을 포함하고, 상기 단위셀 각각은, 전기적인 신호에 따라 굴절률이 변환되는 굴절률 변환층; 상기 굴절률 변환층에 매립되는 적어도 하나의 안테나 패턴; 상기 굴절률 변환층의 하부에 마련되는 것으로, 상기 레이저빔을 반사시키는 금속 미러층; 및 상기 굴절률 변환층에 전기적인 신호를 인가하는 단위셀 구동부;를 포함하는 레이저빔 스티어링 시스템이 제공된다.
상기 굴절률 변환층은 상기 적어도 하나의 안테나 패턴의 측면 및 하면에 마련될 수 있다.
상기 굴절률 변환층은 상기 적어도 하나의 안테나 패턴의 측면, 하면 및 상면에 마련될 수 있다.
상기 복수의 단위셀은 2차원적으로 배열될 수 있다.
상기 복수의 단위셀은 시간에 따라 변화하는 굴절률 프로파일(refractive index profile)을 형성함으로써 상기 레이저빔을 스티어링할 수 있다.
상기 굴절률 변환층과 상기 적어도 하나의 안테나 패턴 사이에 마련되는 절연층을 더 포함할 수 있다.
예시적인 실시예에 따르면, 안테나 패턴을 구동하는 굴절률 변환층의 면적을 증가시킬 수 있다. 구체적으로, 레이저빔 스티어링 소자에서 안테나 패턴을 굴절률 변환층에 매립되도록 구성하여, 안테나 패턴에 입사된 레이저빔이 반사될 때 레이저빔이 굴절률 변환층으로부터 받는 영향을 증가시킬 수 있다.
또한, 실시예에 따른 레이저빔 스티어링 소자는 낮은 구동 전압에서도 최대 위상 변화를 확보할 수 있으며, 낮은 구동 전압은 레이저빔 스티어링 소자의 안정성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 일반적인 레이저빔 스티어링 소자의 단면을 도시한 것이다.
도 2는 예시적인 실시예에 따른 레이저빔 스티어링 소자를 도시한 사시도이다.
도 3은 예시적인 실시예에 따른 레이저빔 스티어링 소자의 단위셀을 도시한 단면도이다.
도 4는 일반적인 레이저빔 스티어링 소자(A)와 예시적인 실시예에 따른 레이저빔 스티어링 소자(B)에서, 인가 전압에 따른 위상을 보여주는 FDTD 시뮬레이션 결과를 도시한 것이다.
도 5는 다른 예시적인 실시예에 따른 레이저빔 스티어링 소자를 도시한 것이다.
도 6은 또 다른 예시적인 실시예에 따른 레이저빔 스티어링 시스템을 도시한 것이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 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.
도 1은 일반적인 레이저빔 스티어링 소자(10)의 단면을 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 전기적인 신호에 의해 굴절률이 변환되는 굴절률 변환층(17)의 상부에 복수의 안테나 패턴(21)이 마련되어 있다. 그리고, 굴절률 변환층(17)의 하부에는 금속 미러층(13)이 마련되어 있으며, 이 금속 미러층(13)의 하부에는 단위셀 구동부(11)가 마련되어 있다. 그리고, 굴절률 변환층(17)과 안테나 패턴(21)들 사이에는 절연층(19)이 마련되어 있다. 이와 같은 구조에서, 단위셀 구동부(11)에 의해 굴절률 변환층(17)에 전압이 가해지게 되면 굴절률 변환층(17)의 전하 농도(carrier density)가 변화하게 되고, 이러한 전하 농도의 변화에 따라 굴절률이 변화하게 된다.
도 2는 예시적인 실시예에 따른 레이저빔 스티어링 소자(100)를 도시한 사시도이다.
도 2를 참조하면, 레이저빔 스티어링 소자(100)는 2차원 형태로 배열된 복수의 단위셀(unit cell, P)을 포함할 수 있다. 여기서, 단위셀(P)들 각각이 소정 굴절률을 가짐으로써 단위셀(P)들은 굴절률 프로파일을 형성하게 된다. 이러한 복수의 단위셀(P)은 시간에 따라 변화하는 굴절률 프로파일을 형성함으로써 레이저빔 스티어링 소자(100)로 입사되는 레이저빔을 원하는 방향으로 스티어링할 수 있다.
도 3은 예시적인 실시예에 따른 레이저빔 스티어링 소자의 단위셀(P)을 도시한 단면도이다.
도 3을 참조하면, 레이저빔 스티어링 소자(100)의 단위셀(P)은 굴절률 변환층(130), 굴절률 변환층(130)에 매립되는 복수의 안테나 패턴(150), 굴절률 변환층(130)의 하부에 마련되는 금속 미러층(120) 및 굴절률 변환층(130)에 전기적인 신호를 인가하는 단위셀 구동부(110)를 포함한다.
굴절률 변환층(130)은 전기적 신호(예를 들면, 전압)의 인가에 따라 전하 농도(carrier density)가 변화할 수 있다. 그리고, 이러한 전하 농도의 변화는 굴절률 변환층(130)의 굴절률을 변화시킬 수 있으며, 이러한 굴절률 변화에 따라 레이저빔을 스티어링 할 수 있다.
굴절률 변환층(130)은 인가되는 전압에 따라 전하 농도가 변하는 물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 굴절률 변환층(130)은 산화물 반도체를 포함할 수 있다. 구체적인 예로서, 굴절률 변환층(130)은 투명한 도전성 산화물(TCO; Transparent Conductive Oxide)을 포함할 수 있다. 여기서, 투명한 도전성 산화물은 예를 들면, ITO(Indium-Tin-Oxide), IZO(Indium-Zinc-Oxide), GIZO(Ga-In-Zn-Oxide), AZO(Al-Zn-Oxide), GZO(Ga-Zn-Oxide) 및 ZnO 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
일반적으로, 전하 농도가 높을수록 굴절률 변환 효율이 향상되므로, 굴절률 변환층(130)은 높은 전하 농도를 가지는 물질을 포함할 수 있다. 이와 같이, 굴절률 변환층(130)의 높은 전하 농도를 가지는 경우에는 굴절률 변환 효율이 향상됨으로써 레이저빔의 최대 위상(maximum phase)을 증대시킬 수 있다.
굴절률 변환층(130)은 입사되는 레이저빔의 파장에 영향을 주지 않도록 비교적 얇은 두께로 형성될 수 있다. 예를 들면, 굴절률 변환층(130)은 대략 5nm 이하의 두께를 가질 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며 굴절률 변환층(130)은 이외에 다른 다양한 두께를 가질 수 있다.
굴절률 변환층(130)에는 복수의 안테나 패턴(150)이 매립되어 있다. 즉, 굴절률 변환층(130)은 복수의 안테나 패턴(150) 각각의 측면 및 하면에 마련되어 있을 수 있다. 또는, 굴절률 변환층(130)은 복수의 안테나 패턴(150) 각각의 적어도 두 개의 면에 마련되어 있을 수 있다. 도 3에는 하나의 단위셀(P)에 대응하여 4개의 안테나 패턴이 마련된 경우가 예시적으로 도시되어 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 하나의 단위셀(P)에 대응하여 다양한 개수의 안테나 패턴(150)이 마련될 수 있다.
이러한 안테나 패턴(150)들은 메타표면(metasurface)을 형성함으로써 빔 스티어링이 이루어지도록 마련될 수 있다. 여기서, 안테나 패턴(150)들은 예를 들면, Ag, Au, Al 및 Pt 중 적어도 하나를 포함하는 금속이나 합금을 포함할 수 있다. 또한, 안테나 패턴(150)들은 TiN 또는 TaN 등과 같은 금속 질화물을 포함할 수 있다. 한편, 이상에서 언급된 물질들은 단지 예시적인 것으로, 안테나 패턴(150)들은 이외에도 다른 다양한 물질을 포함할 수 있다.
도 2에는 안테나 패턴(150)들이 일정한 간격으로 배치되는 직사각형 형태를 가지는 경우가 예시적으로 도시되어 있다. 하지만, 이에 한정되지 않고, 안테나 패턴(150)들은 다양한 형상을 가질 수 있다. 예를 들면, 안테나 패턴(150)들은 원형, 타원형 또는 삼각형이나 사각형 등을 포함하는 다각형 형상을 가질 수도 있다. 또한, 안테나 패턴(150)들은 불규칙한 형상을 가질 수도 있다.
안테나 패턴(150)들 사이의 간격은 예를 들면, 입사되는 레이저빔의 파장의 1/2 또는 1/3 보다 작을 수 있다. 예를 들면, 입사되는 레이저빔의 파장이 1500nm 인 경우, 안테나 패턴(150)들 사이의 간격은 500nm 이하가 될 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 한편, 안테나 패턴(150)들을 일정한 간격으로 배열될 수 있으나, 이에 한정되지 않고 안테나 패턴(150)들을 불규칙한 간격으로 배열될 수도 있다.
굴절률 변환층(130)과 안테나 패턴(150)들 사이에는 절연층(140)이 마련될 수 있다. 이 절연층(140)은 다양한 종류의 절연 물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 절연층(140)은 1MΩ 이상의 저항을 가지는 절연 물질을 포함할 수 있다. 구체적인 예로서, 절연층(140)은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, Al2O3, ZrO2, 또는 HfO2 등을 포함할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
굴절률 변환층(130)의 하면에는 금속 미러층(120)이 마련될 수 있다. 이 금속 미러층(120)은 입사되는 레이저빔을 반사시킴으로써 레이저빔 스티어링 소자(100)의 광효율을 향상시키기 위해 마련될 수 있다. 이러한 금속 미러층(120)은 예를 들면, 안테나 패턴(150)들과 동일한 금속 물질을 포함할 수 있다. 구체적인 예를 들면, 금속 미러층(120)은 Ag, Au, Al 및 Pt 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며 금속 미러층(120)은 안테나 패턴(150)들과는 다른 금속 물질을 포함할 수도 있다.
금속 미러층(120)은 굴절률 변환층(130)에 전압을 인가하기 위한 전극으로서의 역할도 할 수 있다. 예를 들어, 단위셀 구동부(110)에 의해 금속 미러층(120)과 안테나 패턴(150)들 사이에 전압이 인가되면 굴절률 변환층(130)의 전하 농도가 변화하게 되며, 이에 따라 굴절률 변환층(130)의 굴절률이 변화될 수 있다.
단위셀 구동부(110)는 굴절률 변환층(130)에 전압과 같은 전기적인 신호를 인가할 수 있다. 이러한 단위셀 구동부(110)는 금속 미러층(120)의 하부에 마련될 수 있다. 단위셀 구동부(110)는 예를 들면 하나의 트랜지스터와 하나의 커패시터를 포함하도록 구성되어 단위셀(P) 내의 굴절률 변환층(130)에 전압을 인가하게 된다. 여기서, 단위셀 구동부(110)는 안테나 패턴(150)들과 금속 미러층(120) 사이에 전압을 인가하거나 또는 안테나 패턴(150)들과 굴절률 변환층(130) 사이에 전압을 인가할 수 있다.
단위셀(P)들은 대응되는 단위셀 구동부(110)들에 의해 독립적으로 구동됨으로써 서로 다른 굴절률들을 나타내게 되고, 이에 따라 복수의 단위셀(P)이 굴절률 프로파일이 형성될 수 있다. 그리고, 이러한 굴절률 프로파일은 단위셀(P)들에 가해지는 전압을 변화시킴으로써 변화시킬 수 있으므로, 레이저빔을 원하는 방향으로 스티어링할 수 있다.
이상과 같은 구조의 레이저빔 스티어링 소자(100)에서는 안테나 패턴(150)들을 굴절률 변환층(130)에 매립되도록 구성함으로써, 낮은 구동 전압에서도 최대 위상 변화를 확보할 수 있으며, 낮은 구동 전압은 레이저빔 스티어링 소자(100)의 안정성을 향상시킬 수 있다.
도 4는 일반적인 레이저빔 스티어링 소자(A)와 예시적인 실시예에 따른 레이저빔 스티어링 소자(B)에서, 인가 전압에 따른 위상을 보여주는 FDTD 시뮬레이션 결과를 도시한 것이다. 도 4에서, 일반적인 레이저빔 스티어링 소자(A)는 도 1에 도시된 단면 구조를 가지며, 예시적인 실시예에 따른 레이저빔 스티어링 소자(B)는 도 3에 도시된 단면 구조를 가지고 있다. 일반적인 레이저빔 스티어링 소자(A)에서 굴절률 변환층(17)으로 ITO가 사용되었으며, 예시적인 실시예에 따른 레이저빔 스티어링 소자(B)에서 굴절률 변환층(130)으로 ITO가 사용되었다.
도 4를 참조하면, 예시적인 실시예에 따른 레이저빔 스티어링 소자(B)는 약 200도의 위상 변화를 얻는데 약 2V의 전압을 인가하였으며, 일반적인 레이저빔 스티어링 소자(A)는 약 200도의 위상 변화를 얻는데 약 3V의 전압을 인가하였다. 즉, 예시적인 실시예에 따른 레이저빔 스티어링 소자(B)는 일반적인 레이저빔 스티어링 소자(A)에 비해 낮은 인가 전압으로 높은 위상 변화를 확보할 수 있음을 알 수 있다. 따라서, 예시적인 실시예에 따른 레이저빔 스티어링 소자(B)는 낮은 구동 전압으로도 높은 위상 변화를 구현하는 것이 가능하며, 낮은 구동 전압은 레이저빔 스티어링 소자의 안정성을 향상시킬 수 있다.
도 5는 다른 예시적인 실시예에 따른 레이저빔 스티어링 소자(200)를 도시한 것이다. 도 5에는 레이저빔 스티어링 소자(200)를 구성하는 복수의 단위셀 중 하나의 단위셀이 도시되어 있다.
도 5를 참조하면, 레이저빔 스티어링 소자(200)의 단위셀은 전기적인 신호에 따라 전하 농도가 변화하는 굴절률 변환층(230a, 230b), 굴절률 변환층(230a, 230b)에 매립되는 복수의 안테나 패턴(250), 굴절률 변환층(230a)의 하부에 마련되는 금속 미러층(220) 및 굴절률 변환층(230a, 230b)에 전기적인 신호를 인가하는 단위셀 구동부(210)를 포함한다. 그리고, 굴절률 변환층(230a, 230b)과 안테나 패턴(250)들 사이에는 절연층(240)이 마련될 수 있다.
굴절률 변환층(230a, 230b)은 인가되는 전압에 따라 전하 농도가 변하는 물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 굴절률 변환층(230a, 230b)은 투명한 도전성 산화물(TCO) 등과 같은 산화물 반도체를 포함할 수 있다. 하지만, 이에 한정되지는 않는다. 이러한 굴절률 변환층(230a, 230b)은 입사되는 레이저빔의 파장에 영향을 주지 않도록 대략 5nm 이하의 비교적 얇은 두께로 형성될 수 있다.
굴절률 변환층(230a, 230b)에는 복수의 안테나 패턴(250)이 매립되어 있다. 즉, 굴절률 변환층(230a, 230b)은 복수의 안테나 패턴(250) 각각의 측면, 하면 및 상면에 마련되어 있을 수 있다. 또는, 굴절률 변환층(230a, 230b)은 복수의 안테나 패턴(250) 각각의 적어도 세 개의 면에 마련되어 있을 수 있다. 이러한 안테나 패턴(250)들은 예를 들면, Ag, Au, Al 및 Pt 중 적어도 하나를 포함하는 금속이나 합금을 포함할 수 있다. 또한, 안테나 패턴(250)들은 TiN 또는 TaN 등과 같은 금속 질화물을 포함할 수 있다. 안테나 패턴(250)들 사이의 간격은 예를 들면, 입사되는 레이저빔의 파장의 1/2 또는 1/3 보다 작을 수 있다.
굴절률 변환층(230a, 230b)과 안테나 패턴(250)들 사이에는 절연층(240)이 마련될 수 있다. 이러한 절연층(240)은 예를 들면, 1MΩ 이상의 저항을 가지는 절연 물질을 포함할 수 있다. 구체적인 예로서, 절연층(240)은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, Al2O3, ZrO2, 또는 HfO2 등을 포함할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
굴절률 변환층(230a)의 하면에는 금속 미러층(220)이 마련될 수 있다. 이러한 금속 미러층(220)은 예를 들면, 안테나 패턴(250)들과 동일한 금속 물질을 포함할 수 있지만, 이에 한정되지는 않는다. 이러한 금속 미러층(220)은 굴절률 변환층(230a, 230b)에 전압을 인가하기 위한 전극으로서의 역할도 할 수 있다.
단위셀 구동부(210)는 굴절률 변환층(230a, 230b)에 전압과 같은 전기적인 신호를 인가할 수 있다. 이러한 단위셀 구동부(210)는 금속 미러층(220)의 하부에 마련될 수 있다. 단위셀 구동부(210)는 안테나 패턴(250)들과 금속 미러층(220) 사이에 전압을 인가하거나 또는 금속 미러층(220)과 굴절률 변환층(230a, 230b) 사이에 전압을 인가함으로써 굴절률 변환층(230a, 230b)의 전하 농도를 제어할 수 있다.
이상과 같은 구조의 레이저빔 스티어링 소자(200)에서는 안테나 패턴(250)들을 굴절률 변환층(230a, 230b)에 매립되도록 구성함으로써, 낮은 구동 전압에서도 최대 위상 변화를 확보할 수 있으며, 낮은 구동 전압은 레이저빔 스티어링 소자(200)의 안정성을 향상시킬 수 있다.
도 6은 또 다른 예시적인 실시예에 따른 레이저빔 스티어링 시스템(1000)을 도시한 것이다. 도 6에는 전술한 예시적인 실시예에 따른 레이저빔 스티어링 소자를 적용한 시스템(1000)이 개략적으로 도시되어 있다.
도 6을 참조하면, 예시적인 실시예에 따른 시스템(1000)은 레이저빔을 방출하는 레이저 광원(510), 레이저빔을 스티어링하는 레이저빔 스티어링 소자(500), 스티어링된 레이저빔을 검출하는 검출부(520) 및 구동 드라이버(530)를 포함할 수 있다. 여기서, 구동 드라이버(530)는 레이저 광원(510), 레이저빔 스티어링 소자(500) 및 검출부(520)를 구동하는 구동 회로를 포함할 수 있다.
레이저 광원(510)으로는 예를 들면 레이저 다이오드가 사용될 수 있다. 하지만, 이는 단지 예시적인 것으로, 이외에도 다양한 광원이 사용될 수 잇다. 레이저 광원(510)으로부터 출사되는 레이저빔은 레이저빔 스티어링 소자(500)에 입사된다. 레이저빔 스티어링 소자(500)는 입사되는 레이저빔을 원하는 위치로 스티어링하게 된다. 이러한 레이저빔 스티어링 소자(500)는 전술한 실시예들에 따른 레이저빔 스티어링 소자들(100, 200)을 포함할 수 있다. 그리고, 레이저빔 스티어링 소자(500)에 의해 스티어링된 레이저빔이 대상물(object)에 조사되어 반사되면, 검출부(520)가 반사된 레이저빔을 검출할 수 있다. 이와 같은 레이저빔 스티어링 소자(500)가 적용된 시스템(1000)은 예를 들면, 깊이 센서(depth sensor), 3차원 센서(3D sensor), 라이더(LiDAR; light detection and ranging) 등과 같은 다양한 분야에 응용될 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 예시적인 실시예들에 의하면, 안테나 패턴을 구동하는 굴절률 변환층의 면적을 증가시킬 수 있다. 구체적으로, 레이저빔 스티어링 소자에서 안테나 패턴을 굴절률 변환층에 매립되도록 구성하여, 안테나 패턴에 입사된 레이저빔이 반사될 때 레이저빔이 굴절률 변환층으로부터 받는 영향을 증가시킬 수 있다. 또한, 실시예에 따른 레이저빔 스티어링 소자는 낮은 구동 전압에서도 최대 위상 변화를 확보할 수 있으며, 낮은 구동 전압은 레이저빔 스티어링 소자의 안정성을 향상시킬 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10, 100, 200, 500 … 레이저빔 스티어링 소자
11, 110, 210 … 단위셀 구동부
13, 120, 220 … 금속 미러층
17, 130, 230a, 230b … 굴절률 변환층
19, 140, 240 … 절연층
21, 150, 250 … 안테나 패턴
510 … 레이저 광원
520 … 검출부
530 … 구동 드라이버
1000 … 레이저빔 스티어링 시스템

Claims (20)

  1. 레이저빔의 위상을 변조하는 소자에 있어서,
    전기적인 신호에 따라 굴절률이 변환되는 굴절률 변환층;
    상기 굴절률 변환층에 매립되는 적어도 하나의 안테나 패턴;
    상기 굴절률 변환층의 하부에 마련되는 것으로, 상기 레이저빔을 반사시키는 금속 미러층; 및
    상기 굴절률 변환층과 상기 적어도 하나의 안테나 패턴 사이에 마련되는 절연층을 더 포함하는 레이저빔 위상 변조 소자;를 포함하는 레이저빔 위상 변조 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 굴절률 변환층은 상기 적어도 하나의 안테나 패턴의 측면 및 하면에 마련되는 레이저빔 위상 변조 소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 굴절률 변환층은 상기 적어도 하나의 안테나 패턴의 측면, 하면 및 상면에 마련되는 레이저빔 위상 변조 소자.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연층은 SiO2, Si3N4, Al2O3, HfO2, HfSiO2 및 ZrO2 중 적어도 하나를 포함하는 레이저빔 위상 변조 소자.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 굴절률 변환층은 산화물 반도체를 포함하는 레이저빔 위상 변조 소자.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 산화물 반도체는 ITO(Indium-Tin-Oxide), IZO(Indium-Zinc-Oxide), GIZO(Ga-In-Zn-Oxide), AZO(Al-Zn-Oxide), GZO(Ga-Zn-Oxide) 및 ZnO 중 적어도 하나를 포함하는 레이저빔 위상 변조 소자.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 안테나 패턴은 Ag, Au, Al, Pt, TiN 및 TaN 중 적어도 하나를 포함하는 레이저빔 위상 변조 소자.
  9. 레이저빔을 스티어링하는 소자에 있어서,
    복수의 단위셀(unit cell)을 포함하고, 상기 단위셀 각각은,
    전기적인 신호에 따라 굴절률이 변환되는 굴절률 변환층;
    상기 굴절률 변환층에 매립되는 적어도 하나의 안테나 패턴;
    상기 굴절률 변환층의 하부에 마련되는 것으로, 상기 레이저빔을 반사시키는 금속 미러층;
    상기 굴절률 변환층에 전기적인 신호를 인가하는 단위셀 구동부; 및
    상기 굴절률 변환층과 상기 적어도 하나의 안테나 패턴 사이에 마련되는 절연층;을 포함하는 레이저빔 스티어링 소자.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 굴절률 변환층은 상기 적어도 하나의 안테나 패턴의 측면 및 하면에 마련되는 레이저빔 스티어링 소자.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 굴절률 변환층은 상기 적어도 하나의 안테나 패턴의 측면, 하면 및 상면에 마련되는 레이저빔 스티어링 소자.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 복수의 단위셀은 2차원적으로 배열되는 레이저빔 스티어링 소자.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 복수의 단위셀은 시간에 따라 변화하는 굴절률 프로파일(refractive index profile)을 형성함으로써 상기 레이저빔을 스티어링하는 레이저빔 스티어링 소자.
  14. 삭제
  15. 레이저빔을 출사하는 레이저 광원;
    상기 레이저 광원으로부터 입사된 상기 레이저빔을 스티어링하는 레이저빔 스티어링 소자; 및
    상기 스티어링된 레이저빔을 검출하는 검출부;를 포함하고,
    상기 레이저빔 스티어링 소자는,
    복수의 단위셀(unit cell)을 포함하고, 상기 단위셀 각각은,
    전기적인 신호에 따라 굴절률이 변환되는 굴절률 변환층;
    상기 굴절률 변환층에 매립되는 적어도 하나의 안테나 패턴;
    상기 굴절률 변환층의 하부에 마련되는 것으로, 상기 레이저빔을 반사시키는 금속 미러층;
    상기 굴절률 변환층에 전기적인 신호를 인가하는 단위셀 구동부; 및
    상기 굴절률 변환층과 상기 적어도 하나의 안테나 패턴 사이에 마련되는 절연층;을 포함하는 레이저빔 스티어링 시스템.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 굴절률 변환층은 상기 적어도 하나의 안테나 패턴의 측면 및 하면에 마련되는 레이저빔 스티어링 시스템.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 굴절률 변환층은 상기 적어도 하나의 안테나 패턴의 측면, 하면 및 상면에 마련되는 레이저빔 스티어링 시스템.
  18. 제 15 항에 있어서,
    상기 복수의 단위셀은 2차원적으로 배열되는 레이저빔 스티어링 시스템.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 복수의 단위셀은 시간에 따라 변화하는 굴절률 프로파일(refractive index profile)을 형성함으로써 상기 레이저빔을 스티어링하는 레이저빔 스티어링 시스템.
  20. 삭제
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