KR102651546B1 - 광변조 소자 및 이를 포함하는 장치 - Google Patents

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Abstract

광변조 소자 및 이를 포함하는 장치에 관해 개시되어 있다. 개시된 광변조 소자는 반사판, 상기 반사판에 대향하여 배치된 나노안테나 어레이 및 상기 반사판과 상기 나노안테나 어레이 사이에 배치된 활성층을 포함할 수 있다. 상기 광변조 소자는 상기 반사판과 상기 활성층 사이에 배치된 제1 절연층, 상기 활성층과 상기 나노안테나 어레이 사이에 배치된 제2 절연층 및 상기 활성층과 전기적으로 접촉된 배선 구조를 더 포함할 수 있다. 상기 배선 구조는 상기 활성층과 상기 제1 절연층 사이 및 상기 활성층과 상기 제2 절연층 사이 중 적어도 하나에 구비될 수 있다.

Description

광변조 소자 및 이를 포함하는 장치{Optical modulating device and apparatus including the same}
개시된 실시예들은 광변조 소자 및 이를 포함하는 장치에 관한 것이다.
광의 투과/반사 특성, 위상, 진폭, 편광, 세기, 경로 등을 변화시키는 광학 소자는 다양한 광학 장치에 활용된다. 광학 시스템 내에서 원하는 방식으로 상기한 광의 성질들을 제어하기 위해, 다양한 구조의 광 변조기들이 제시되었다. 예컨대, 광학적 이방성을 가지는 액정(liquid crystal)이나, 광차단/반사 요소의 미소 기계적 움직임을 이용하는 MEMS(microelectromechanical system) 구조 등이 일반적인 광 변조기에 사용되고 있다. 이러한 광 변조기들은 구동 방식의 특성상 동작 응답시간이 수 ㎲ 이상으로 느린 단점이 있다.
최근에는, 입사광에 대한 표면 플라즈몬 공진(surface plasmon resonance) 현상을 이용하는 나노구조체를 광학 소자에 활용하려는 시도가 있다.
비기계식으로 광을 변조하는 것으로, 우수한 성능을 갖는 광변조 소자를 제공한다. 동작 속도(반응 속도)를 높일 수 있는 비기계식 광변조 소자를 제공한다.
상기 광변조 소자를 포함하는 광학 장치를 제공한다.
일 측면(aspect)에 따르면, 반사판(reflector); 상기 반사판에 대향하여 배치된 것으로, 복수의 나노안테나(nano-antenna)를 포함하는 나노안테나 어레이; 상기 반사판과 상기 나노안테나 어레이 사이에 배치된 것으로, 전기적 조건에 따라 물성이 변화되는 활성층; 상기 반사판과 상기 활성층 사이에 배치된 제1 절연층; 상기 활성층과 상기 나노안테나 어레이 사이에 배치된 제2 절연층; 및 상기 활성층과 상기 제1 절연층 사이 및 상기 활성층과 상기 제2 절연층 사이 중 적어도 하나에 상기 활성층과 전기적으로 접촉하도록 구비되고, 상기 활성층보다 높은 전기전도도를 갖는 배선 구조;를 포함하는 광변조 소자가 제공된다.
상기 배선 구조는, 위에서 볼 때, 상기 복수의 나노안테나의 적어도 일부를 둘러싸는 형태를 가질 수 있다.
상기 배선 구조는 상기 활성층의 가장자리 영역에 구비되어 상기 활성층의 내부 영역을 둘러싸는 형태를 가질 수 있다.
상기 배선 구조는 상기 활성층의 가장자리 영역에 구비된 제1 배선부; 및 상기 활성층의 가장자리 영역 안쪽의 내부 영역을 가로지르는 제2 배선부;를 포함할 수 있다.
상기 제2 배선부는 상기 제1 배선부의 제1 부분과 제2 부분을 상호 연결하도록 배치될 수 있다.
상기 배선 구조는 격자 형태를 가질 수 있다.
상기 배선 구조는, 위에서 볼 때, 상기 복수의 나노안테나 각각을 둘러싸는 형태를 가질 수 있다.
상기 배선 구조는 상기 복수의 나노안테나와 오버랩(overlap) 되지 않도록 배치될 수 있다.
상기 배선 구조는 금속 또는 합금을 포함할 수 있다.
상기 배선 구조를 통해서 상기 활성층에 기준 전압(reference voltage)을 인가하도록 구성될 수 있다.
상기 반사판, 상기 활성층 및 상기 나노안테나 어레이 중 적어도 두 개에 독립적으로 전압을 인가하도록 구성될 수 있다.
상기 반사판은 서로 이격된 복수의 반사판 부재를 포함할 수 있고, 상기 복수의 반사판 부재는 상기 복수의 나노안테나에 대응하도록 배치될 수 있다.
상기 복수의 반사판 부재 각각에 독립적으로 전압을 인가하고, 상기 복수의 나노안테나 각각에 독립적으로 전압을 인가하도록 구성될 수 있다.
상기 배선 구조는 상기 활성층과 상기 제1 절연층 사이에 구비된 제1 배선 구조 및 상기 활성층과 상기 제2 절연층 사이에 구비된 제2 배선 구조 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 활성층은 그에 인가되는 전기적 신호에 따라 유전율(permittivity)이 변하는 전기광학(electro-optic) 물질을 포함할 수 있다.
상기 활성층은 투명 전도성 산화물(transparent conductive oxide) 및 전이금속 질화물(transition metal nitride) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 광변조 소자는 상기 나노안테나에 의해 반사되는 광의 위상 변조(phase modulation)를 유도하도록 구성될 수 있다.
다른 측면에 따르면, 전술한 광변조 소자를 포함하는 광학 장치가 제공된다.
상기 광학 장치는 상기 광변조 소자를 이용해서 1차원 또는 2차원적으로 빔(beam)을 조향하도록 구성될 수 있다.
상기 광학 장치는, 예를 들어, 라이다(LiDAR) 장치, 3차원 이미지 획득 장치, 홀로그래픽(holographic) 디스플레이 장치 및 구조광(structured light) 발생 장치 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
비기계식으로 광을 변조하는 것으로, 우수한 성능을 갖는 광변조 소자를 구현할 수 있다. 동작 속도(반응 속도)를 높일 수 있는 비기계식 광변조 소자를 구현할 수 있다. 상기한 광변조 소자를 적용하여 우수한 성능을 갖는 다양한 광학 장치를 구현할 수 있다.
도 1a는 일 실시예에 따른 광변조 소자를 보여주는 단면도이다.
도 1b는 도 1a의 광변조 소자의 평면도이다.
도 2a는 비교예에 따른 광변조 소자를 보여주는 단면도이다.
도 2b는 도 2a의 광변조 소자의 평면도이다.
도 3은 도 2a 및 도 2b의 비교예에 따른 광변조 소자의 스위칭 속도에 따른 반사 특성의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 4는 비교예 및 실시예에 따른 광변조 소자의 주파수 응답 특성을 비교하여 보여주는 그래프이다.
도 5a는 다른 실시예에 따른 광변조 소자를 보여주는 단면도이다.
도 5b는 도 5a의 광변조 소자의 평면도이다.
도 6은 비교예, 제1 실시예 및 제2 실시예에 따른 광변조 소자의 주파수 응답 특성을 비교하여 보여주는 그래프이다.
도 7은 일 실시예에 따른 것으로, 광변조 소자에 전기적 신호를 인가하기 위한 신호 인가수단이 연결된 경우를 보여주는 단면도이다.
도 8은 다른 실시예에 따른 것으로, 광변조 소자에 전기적 신호를 인가하기 위한 신호 인가수단이 연결된 경우를 보여주는 단면도이다.
도 9 내지 도 12는 다른 실시예에 따른 광변조 소자를 보여주는 단면도이다.
도 13 내지 도 20은 다양한 실시예에 따른 광변조 소자의 평면 구조를 보여주는 평면도이다.
도 21은 다른 실시예에 따른 광변조 소자를 보여주는 단면도이다.
도 22는 다른 실시예에 따른 광변조 소자를 보여주는 단면도이다.
도 23a 내지 도 23f는 일 실시예에 따른 광변조 소자의 제조방법을 보여주는 단면도이다.
도 24는 실시예들에 따른 광변조 소자에 적용될 수 있는 나노안테나의 다양한 구조/형태를 보여주는 사시도이다.
도 25는 일 실시예에 따른 광변조 소자를 포함하는 빔 스티어링 소자(beam steering device)를 설명하기 위한 개념도이다.
도 26은 다른 실시예에 따른 광변조 소자를 포함하는 빔 스티어링 소자(beam steering device)를 설명하기 위한 개념도이다.
도 27은 일 실시예에 따른 광변조 소자를 적용한 빔 스티어링 소자를 포함하는 광학 장치의 전체적인 시스템을 설명하기 위한 블럭도이다.
도 28 및 도 29는 일 실시예에 따른 광변조 소자를 포함하는 라이다(LiDAR) 장치를 차량에 적용한 경우를 보여주는 개념도이다.
이하, 실시예들에 따른 광변조 소자 및 이를 포함하는 장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부된 도면에 도시된 층이나 영역들의 폭 및 두께는 명세서의 명확성 및 설명의 편의성을 위해 다소 과장되어 있을 수 있다. 상세한 설명 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1a는 일 실시예에 따른 광변조 소자를 보여주는 단면도이다. 도 1b는 도 1a의 광변조 소자의 평면도이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 광변조 소자는 반사판(reflector)(100), 반사판(100)에 대향하여 배치된 복수의 나노안테나(nano-antenna)(N10)를 포함하는 나노안테나 어레이(300) 및 반사판(100)과 나노안테나 어레이(300) 사이에 배치되고 전기적 조건에 따라 물성이 변화되는 활성층(200)을 포함할 수 있다. 또한, 광변조 소자는 반사판(100)과 활성층(200) 사이에 배치된 제1 절연층(150) 및 활성층(200)과 나노안테나 어레이(300) 사이에 배치된 제2 절연층(250)을 더 포함할 수 있다. 또한, 광변조 소자는 활성층(200)과 제1 절연층(150) 사이 및 활성층(200)과 제2 절연층(250) 사이 중 적어도 하나에 활성층(200)과 전기적으로 접촉하도록 구비된 배선 구조(220)를 더 포함할 수 있다. 여기서는, 배선 구조(220)가 활성층(200)과 제2 절연층(250) 사이에 구비된 경우가 도시되어 있다. 배선 구조(220)는 활성층(200)보다 높은 전기전도도를 가질 수 있다. 배선 구조(220)의 전기전도도는 활성층(200)의 전기전도도보다 약 1.5배 이상 또는 2배 이상 클 수 있지만, 이는 예시적인 것이고, 이에 한정되지는 않는다.
반사판(100)은 활성층(200) 아래에 배치된 하부 반사판 전극(back reflector electrode)일 수 있다. 즉, 반사판(100)은 광을 반사시키는 역할을 하면서 동시에 전극의 기능을 수행할 수 있다. 반사판(100)은 나노안테나(N10)와 광학적으로 커플링(coupling)되어 있을 수 있고, 나노안테나(N10)와 반사판(100)의 광학적 상호 작용에 의해 광이 반사될 수 있다. 반사판(100)은 금속과 같은 소정의 도전체로 형성될 수 있다. 예컨대, 반사판(100)은 Cu, Al, Ni, Fe, Co, Zn, Ti, Ru, Rh, Pd, Pt, Ag, Os, Ir, Au 등으로 구성된 그룹에서 선택된 적어도 하나의 금속을 포함할 수 있고, 이들 중 적어도 하나를 구비하는 합금을 포함할 수도 있다. 또는, 반사판(100)은 Au, Ag 등의 금속 나노입자가 분산된 박막, 그래핀(graphene)이나 CNT(carbon nanotube) 등의 탄소 나노구조체, poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT), polypyrrole (PPy), poly(3-hexylthiophene) (P3HT) 등의 전도성 고분자를 포함하거나, 전도성 산화물 등을 포함할 수도 있다.
나노안테나(N10)는 특정 파장(혹은 주파수)의 빛(입사광, visible 및 invisible 전자기파 모두 포함)을 국소 표면 플라즈몬 공진(localized surface plasmon resonance)의 형태로 변환하여 그 에너지를 포획하는 것으로, 빛에 대한 나노구조의 안테나라 할 수 있다. 나노안테나(N10)는 도전층 패턴(ex, 금속층 패턴)일 수 있고, 상기 도전층 패턴은 비도전층(ex, 유전층)에 접촉되어 있을 수 있다. 상기 도전층 패턴과 상기 비도전층(ex, 유전층)의 계면에서 플라즈몬 공진이 발생할 수 있다. 이때, 상기 비도전층(ex, 유전층)은 제2 절연층(250)이거나, 제2 절연층(250)과 별개의 층으로 구비될 수도 있다. 편의상, 이하에서는 상기 도전층 패턴 자체를 나노안테나(N10)로 간주하고 설명하도록 한다. 상기 도전층 패턴과 상기 비도전층(ex, 유전층)의 계면과 같이, 표면 플라즈몬 공진이 일어나는 경계면(interface)을 통칭하여 "메타 표면" 또는 "메타 구조"라고 할 수 있다.
나노안테나(N10)는 전도성 물질로 이루어질 수 있고, 서브 파장(sub-wavelength)의 치수를 가질 수 있다. 여기서, 서브 파장(sub-wavelength)이란 나노안테나(N10)의 동작 파장보다 작은 치수를 의미한다. 나노안테나(N10)의 형상을 이루는 어느 한 치수, 예컨대, 두께, 가로, 세로, 또는 나노안테나(N10) 간의 간격 중 적어도 어느 하나가 서브 파장의 치수를 가질 수 있다. 나노안테나(N10)의 형상이나 치수에 따라 공진 파장이 달라질 수 있다.
나노안테나(N10)를 형성하는 전도성 물질로는 표면 플라즈몬 여기(surface plasmon excitation)가 발생할 수 있는 도전성이 높은 금속 물질이 채용될 수 있다. 예를 들어, Cu, Al, Ni, Fe, Co, Zn, Ti, Ru, Rh, Pd, Pt, Ag, Os, Ir, Au 등으로 구성된 그룹에서 선택된 적어도 하나의 금속이 채용될 수 있고, 이들 중 적어도 하나를 포함하는 합금으로 이루어질 수도 있다. 또는, 나노안테나(N10)는 Au, Ag 등의 금속 나노입자가 분산된 박막, 그래핀(graphene)이나 CNT(carbon nanotube) 등의 탄소 나노구조체, poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT), polypyrrole (PPy), poly(3-hexylthiophene) (P3HT) 등의 전도성 고분자를 포함하거나, 전도성 산화물 등을 포함할 수도 있다.
활성층(200)은 그의 전기적 조건에 따라 물성이 변화되는 층일 수 있다. 활성층(200) 및 그 주변 영역과 관련된 전기적 조건에 따라서, 활성층(200)의 유전율(permittivity) 또는 굴절률이 변화될 수 있다. 활성층(200)의 유전율 변화는 활성층(200) 내 영역(들)의 전하농도(전하밀도)의 변화에 기인한 것일 수 있다. 다시 말해, 활성층(200) 내 영역(들)의 전하농도 변화에 의해 활성층(200)의 유전율이 변화될 수 있다. 활성층(200)에 인가되는 전기장이나 전압에 따라 활성층(200)의 유전율이 변화될 수 있다. 활성층(200)은, 예를 들어, ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide), AZO(aluminium zinc oxide), GZO(gallium zinc oxide), AGZO(aluminium gallium zinc oxide), GIZO(gallium indium zinc oxide)와 같은 투명 전도성 산화물(transparent conductive oxide)(TCO)을 포함할 수 있다. 또는, TiN, ZrN, HfN, TaN과 같은 전이금속 질화물(transition metal nitride)(TMN)를 포함할 수 있다. 이외에도, 전기적 신호가 가해지면 유효 유전율이 변하는 전기광학(electro-optic)(EO) 물질을 포함할 수 있다. 상기 전기광학 물질은, 예컨대, LiNbO3, LiTaO3, KTN(potassium tantalate niobate), PZT(lead zirconate titanate) 등의 결정성 물질을 포함하거나, 전기광학 특성을 갖는 다양한 폴리머(polymer)를 포함할 수도 있다.
제1 절연층(150) 및 제2 절연층(250)은 절연성 물질(유전체 물질)을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 절연층(150, 250) 중 적어도 하나는 절연성 실리콘 화합물 및 절연성 금속 화합물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 절연성 실리콘 화합물은, 예컨대, 실리콘 산화물(SiOx), 실리콘 질화물(SixNy), 실리콘 산질화물(SiON) 등을 포함할 수 있고, 상기 절연성 금속 화합물은, 예컨대, 알루미늄 산화물(Al2O3), 하프늄 산화물(HfO), 지르코늄 산화물(ZrO), 하프늄 실리콘 산화물(HfSiO) 등을 포함할 수 있다. 그러나, 여기서 제시한 제1 및 제2 절연층(150, 250)의 구체적인 물질은 예시적인 것이고, 이에 한정되지 않는다. 제1 절연층(150)과 제2 절연층(250)은 동일한 물질로 형성되거나, 서로 다른 물질 구성을 가질 수도 있다.
제1 절연층(150)에 의해 활성층(300)은 반사판(100)과 전기적으로 분리(절연)될 수 있고, 제2 절연층(250)에 의해 활성층(300)은 나노안테나(N10)와 전기적으로 분리(절연)될 수 있다. 반사판(100)과 활성층(300) 사이에 인가되는 전압에 따라서, 활성층(300)의 제1 영역의 전하농도가 변화될 수 있다. 또한, 활성층(300)과 나노안테나(N10) 사이에 인가되는 전압에 따라서, 활성층(300)의 제2 영역의 전하농도가 변화될 수 있다. 활성층(300)의 상기 제1 영역은 제1 절연층(150)에 인접하게 배치될 수 있고, 활성층(300)의 상기 제2 영역은 제2 절연층(250)에 인접하게 배치될 수 있다. 상기 제1 영역과 상기 제2 영역 각각은 복수의 단위 영역으로 분할될 수 있고, 전기적 신호에 따라서, 전하축적영역 또는 전하공핍영역이 될 수 있다. 나노안테나(N10)에 인가되는 전압이 활성층(300)에 인가되는 전압에 비해서 높을 경우, 활성층(300)의 상부에는 전하축적영역이 형성될 수 있다. 나노안테나(N10)에 인가되는 전압이 활성층(300)에 인가되는 전압에 비해서 낮을 경우, 활성층(300)의 상부에는 전하공핍영역이 형성될 수 있다. 반사판(100)에 인가되는 전압이 활성층(300)에 인가되는 전압에 비해서 높을 경우, 활성층(300)의 하부에는 전하축적영역이 형성될 수 있다. 반사판(100)에 인가되는 전압이 활성층(300)에 인가되는 전압에 비해서 낮을 경우, 활성층(300)의 하부에는 전하공핍영역이 형성될 수 있다. 활성층(300)에 전하축적영역 및/또는 전하공핍영역이 형성됨에 따라, 광변조 소자의 반사 특성이 제어될 수 있다. 각 나노안테나(N10)의 반사 위상의 차이를 이용하여, 반사되는 광의 방향을 제어하여, 빔(beam)을 스캔할 수 있다. 활성층(300)의 제1 영역 및 제2 영역의 전하농도를 독립적으로 제어하기 때문에, 광변조 특성을 개선할 수 있고, 노이즈(noise) 등의 문제를 줄일 수 있다.
배선 구조(220)는 전기전도성이 우수한 물질을 포함할 수 있다. 예컨대, 배선 구조(220)는 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu) 등의 금속으로 형성될 수 있지만, 이는 예시적인 것에 불과하고, 본원의 실시예는 이에 한정되지 않는다. 배선 구조(220)는 다양한 금속이나 합금 등으로 형성될 수 있다. 활성층(200)에 인가하려는 전기적 신호(전압 신호)가 배선 구조(220)를 통해서 빠른 속도로 활성층(200) 전체에 균일하게 분포될 수 있다. 도 1b에 도시된 바와 같이, 배선 구조(220)는, 위에서 볼 때, 복수의 나노안테나(N10)의 적어도 일부를 둘러싸는 형태를 가질 수 있다. 배선 구조(220)는 활성층(200)의 가장자리 영역에 구비되어 활성층(200)의 내부 영역을 둘러싸는 형태를 가질 수 있다. 이때, 배선 구조(220)는 복수의 나노안테나(N10)와 오버랩(overlap) 되거나 교차하지 않도록 배치될 수 있다.
도 2a는 비교예에 따른 광변조 소자를 보여주는 단면도이다. 도 2b는 도 2a의 광변조 소자의 평면도이다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 비교예에 따른 광변조 소자는 반사판(100), 제1 절연층(150), 활성층(200), 제2 절연층(250) 및 나노안테나 어레이(300)를 포함한다. 나노안테나 어레이(300)는 복수의 나노안테나(N10)를 포함한다. 비교예에 따른 광변조 소자는 도 1a 및 도 1b에서 설명한 바와 같은 배선 구조(220)를 포함하지 않는다.
비교예에 따른 광변조 소자에서는 활성층(200)이 제1 절연층(150)과 제2 절연층(250) 사이에 존재하고, 활성층(200) 자체의 저항이 비교적 클 수 있다. 따라서, 활성층(200)에 전기적 신호(전압 신호)가 인가되었을 때, 활성층(200) 내 위치에 따라 동일한(실질적으로 동일한) 전압이 인가되기까지 걸리는 시간, 즉, 시상수(time constant)가 클 수 있다. 그 결과, 빔 스캔을 수행할 때, 한 지점에서 다른 지점으로 스캔 위치를 바꾸는 동작 속도가 제한되는 단점이 있다. 도 3은 이러한 단점을 정량적으로 보여준다.
도 3은 도 2a 및 도 2b의 비교예에 따른 광변조 소자의 스위칭 속도에 따른 반사 특성의 변화를 보여주는 그래프이다. 다시 말해, 도 3은 비교예에 따른 광변조 소자의 주파수 응답 특성을 보여준다.
도 3을 참조하면, 가로축은 광변조 소자의 스위칭 속도(동작 속도)에 대응하는 주파수(Hz)이고, 세로축은 스위칭에 의해 변화되는 반사 특성의 변화도를 나타내는 이득(gain)이다. 동작 속도를 증가시킬수록 활성층(200)의 높은 저항으로 인해, 활성층(200) 내부에 전압이 온전히(빠르고 균일하게) 인가되지 못하게 되어, 반사 특성의 변화도가 줄어들게 된다. 반사 특성의 변화도가 절반으로 줄어드는 동작 속도를 3dB-차단주파수라 한다. 비교예에 따른 광변조 소자의 경우, 3dB-차단주파수가 비교적 작고, 결과적으로, 동작 속도가 제한될 수 있다.
도 4는 비교예 및 실시예에 따른 광변조 소자의 주파수 응답 특성을 비교하여 보여주는 그래프이다. 여기서, 비교예는 도 2a 및 도 2b의 소자에 대응되고, 실시예는 도 1a 및 도 1b의 소자에 대응된다.
도 4를 참조하면, 비교예에 해당하는 실선 그래프는 배선 구조가 없을 때, 활성층의 저항이 높아 동작속도가 느리고 3dB-차단주파수가 낮은 결과를 보여준다. 실시예에 해당하는 점선 그래프는 배선 구조가 포함되어 있을 때, 활성층의 높은 저항을 배선 구조가 보상하므로 동작속도가 빠르고 3dB-차단주파수가 높은 결과를 보여준다.
도 5a는 다른 실시예에 따른 광변조 소자를 보여주는 단면도이다. 도 5b는 도 5a의 광변조 소자의 평면도이다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 광변조 소자는 반사판(100), 제1 절연층(150), 활성층(200), 제2 절연층(250) 및 나노안테나 어레이(300)를 포함할 수 있고, 활성층(200)에 전기적으로 접촉된 배선 구조(225)를 더 포함할 수 있다.
배선 구조(225)는 활성층(200)의 가장자리 영역에 구비된 제1 배선부(P1) 및 활성층(200)의 가장자리 영역 안쪽의 내부 영역에 구비된 적어도 하나의 제2 배선부(P2)를 포함할 수 있다. 제2 배선부(P2)는 제1 배선부(P1)의 제1 부분(제1 영역)과 제2 부분(제2 영역)을 상호 연결하도록 배치될 수 있다. 배선 구조(225)는 격자 형태를 가질 수 있다. 배선 구조(225)는, 위에서 볼 때, 복수의 나노안테나(N10) 각각을 둘러싸는 형태를 가질 수 있다. 이때, 배선 구조(225)는 복수의 나노안테나(N10)와 오버랩(overlap) 되거나 교차하지 않도록 배치될 수 있다.
이와 같이, 저항 감소를 위한 추가 배선, 즉, 제2 배선부(P2)를 나노안테나(N10) 사이에 배치할 수 있다. 이 경우, 활성층(200)의 주변부에만 배선 구조를 두는 방식에 비하여, 활성층(200)의 중심부까지 전압이 인가되는 데에 걸리는 시간이 줄어들 수 있고, 동작 속도가 더욱 증가하게 된다.
도 6은 비교예, 제1 실시예 및 제2 실시예에 따른 광변조 소자의 주파수 응답 특성을 비교하여 보여주는 그래프이다. 여기서, 비교예는 도 2a 및 도 2b의 소자에 대응되고, 제1 실시예는 도 1a 및 도 1b의 소자에 대응되고, 제2 실시예는 도 5a 및 도 5b의 소자에 대응된다.
도 6을 참조하면, 비교예에 해당하는 실선 그래프 및 제1 실시예에 해당하는 점선 그래프는 도 4의 그것들과 동일하다. 제2 실시예에 해당하는 쇄선 그래프는, 추가 배선을 나노안테나들 사이에 배치하여 저항을 추가로 감소시킨 경우로, 제1 실시예와 비교하여, 3dB-차단주파수가 더 증가한 결과를 보여준다.
도 7은 일 실시예에 따른 것으로, 광변조 소자에 전기적 신호를 인가하기 위한 신호 인가수단이 연결된 경우를 보여주는 단면도이다.
도 7을 참조하면, 광변조 소자는 반사판(100), 활성층(200) 및 나노안테나(N10) 중 적어도 두 개에 독립적으로 전기적 신호를 인가하도록 구성된 신호 인가수단을 포함할 수 있다. 상기 신호 인가수단은 반사판(100) 및 나노안테나(N10) 각각에 독립적으로 전압을 인가하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 상기 신호 인가수단은 반사판(100)과 활성층(200) 사이에 제1 전압을 인가하기 위한 제1 전압 인가수단(VB) 및 활성층(200)과 나노안테나(N10) 사이에 제2 전압을 인가하기 위한 제2 전압 인가수단(VT)을 포함할 수 있다. 제1 전압 인가수단(VB)은 반사판(100)과 배선 구조(220) 사이에 연결될 수 있고, 제2 전압 인가수단(VT)은 배선 구조(220)와 나노안테나(N10) 사이에 연결될 수 있다. 이때, 배선 구조(220)를 통해서 활성층(200)에 소정의 기준 전압(reference voltage)이 인가될 수 있다. 여기서는, 편의상, 복수의 나노안테나(N10) 중 하나에만 전압을 인가하는 경우를 도시하였지만, 복수의 나노안테나(N10) 각각에 독립적으로 전압이 인가될 수 있다.
활성층(200)은 제1 전압 인가수단(VB)에 의해 반사판(100)과 활성층(200) 사이에 인가되는 전압에 따라 전하농도가 변화되는 영역, 즉, 제1 전하농도 변화영역을 포함할 수 있다. 또한, 활성층(200)은 제2 전압 인가수단(VT)에 의해 활성층(200)과 나노안테나(N10) 사이에 인가되는 전압에 따라 전하농도가 변화되는 영역, 즉, 제2 전하농도 변화영역을 포함할 수 있다. 상기 제1 전하농도 변화영역은 제1 절연층(150)에 인접하게 구비될 수 있고, 상기 제2 전하농도 변화영역은 제2 절연층(250)에 인접하게 구비될 수 있다. 상기 제1 전하농도 변화영역과 제2 전하농도 변화영역은 독립적으로 제어될 수 있다.
도 8은 다른 실시예에 따른 것으로, 광변조 소자에 전기적 신호를 인가하기 위한 신호 인가수단이 연결된 경우를 보여주는 단면도이다.
도 8을 참조하면, 광변조 소자에 전기적 신호를 인가하기 위한 신호 인가수단은 반사판(100), 활성층(200) 및 나노안테나(N10) 각각에 독립적으로 전압을 인가하도록 구성될 수 있다. 상기 신호 인가수단은 반사판(100)에 제1 전압을 인가하기 위한 제1 전압 인가수단(V1), 활성층(200)에 제2 전압을 인가하기 위한 제2 전압 인가수단(V2) 및 나노안테나(N10)에 제3 전압을 인가하기 위한 제3 전압 인가수단(V3)을 포함할 수 있다. 제2 전압 인가수단(V2)은 배선 구조(220)를 통해서 활성층(200)에 연결될 수 있다. 여기서, 상기 제1 전압은 상기 제2 전압보다 크거나 작을 수 있다. 또한, 상기 제3 전압은 상기 제2 전압보다 크거나 작을 수 있다. 경우에 따라서는, 상기 제1 전압과 제3 전압 중 적어도 하나가 상기 제2 전압과 같을 수도 있다. 상기 제2 전압은 상기 제1 및 제3 전압에 대한 기준 전압(reference voltage)일 수 있다. 편의상, 복수의 나노안테나(N10) 중 하나에만 전압을 인가하는 경우를 도시하였지만, 복수의 나노안테나(N10) 각각에 독립적으로 전압이 인가될 수 있다.
도 9 내지 도 12는 다른 실시예에 따른 광변조 소자를 보여주는 단면도이다.
도 9를 참조하면, 배선 구조(170)는 제1 절연층(150)과 활성층(200) 사이에서 활성층(200)과 전기적으로 접촉하도록 배치될 수 있다. 배선 구조(170)의 평면적 형태는 도 1b의 배선 구조(220)와 동일하거나 유사할 수 있다.
도 10을 참조하면, 배선 구조(175)는 제1 절연층(150)과 활성층(200) 사이에서 활성층(200)과 전기적으로 접촉하도록 배치될 수 있다. 배선 구조(175)의 평면적 형태는 도 5b의 배선 구조(225)와 동일하거나 유사할 수 있다. 도 9 및 도 10에서 배선 구조(170, 175)는 제1 절연층(150) 측으로 돌출되게 형성된 경우를 도시하였지만, 제1 절연층(150)이 아닌 활성층(200) 측으로 돌출되게 형성될 수도 있다.
도 11을 참조하면, 제1 절연층(150)과 활성층(200) 사이에 제1 배선 구조(170)가 구비될 수 있고, 제2 절연층(250)과 활성층(200) 사이에 제2 배선 구조(220)가 구비될 수 있다.
도 12를 참조하면, 제1 절연층(150)과 활성층(200) 사이에 제1 배선 구조(175)가 구비될 수 있고, 제2 절연층(250)과 활성층(200) 사이에 제2 배선 구조(225)가 구비될 수 있다. 도 11 및 도 12와 같이 복수의 배선 구조를 사용하는 경우, 신호 인가 특성이 더 개선될 수 있다.
도 13 내지 도 20은 다양한 실시예에 따른 광변조 소자의 평면 구조를 보여주는 평면도이다.
도 13을 참조하면, 배선 구조(220a)는 복수의 나노안테나(N10)를 둘러싸는 형태로 구비될 수 있다. 참조번호 250a는 제2 절연층을 나타낸다.
도 14 내지 도 20에서 참조번호 220b∼220h는 배선 구조를 나타내고, 250b∼250h는 제2 절연층을 나타낸다. 도 13 내지 도 20의 평면 구조는 광변조 소자의 일부를 예시적으로 보여주는 것이거나, 광변조 소자에 적용되는 배열 규칙을 예시적으로 보여주는 것일 수 있다. 도 13 내지 도 20의 구조는 예시적인 것이고, 본원의 실시예는 이에 한정되지 않는다.
다른 실시예에 따르면, 도 1a 및 도 5a에서 반사판(100)은 복수의 반사판 부재로 패터닝될 수 있다. 그 예들이 도 21 및 도 22에 도시되어 있다.
도 21은 다른 실시예에 따른 광변조 소자를 보여주는 단면도이다.
도 21을 참조하면, 기판(10) 상에 복수의 반사판 부재(110)가 상호 이격하여 배치될 수 있다. 복수의 반사판 부재(110)는 반사판 어레이를 구성한다고 할 수 있다. 기판(10) 상에 복수의 반사판 부재(110)를 덮는 제1 절연층(151)이 구비될 수 있다. 제1 절연층(151) 상에 활성층(210)이 구비될 수 있다. 활성층(210) 상에 제2 절연층(251)이 구비될 수 있다. 제2 절연층(251) 상에 복수의 나노안테나(N11)가 상호 이격하여 배치될 수 있다. 복수의 나노안테나(N11)는 복수의 반사판 부재(110) 각각에 대향하도록 배치될 수 있다. 활성층(210)과 제2 절연층(251) 사이에 배선 구조(221)가 구비될 수 있다. 배선 구조(221)는 도 1a의 배선 구조(220)와 동일하거나 유사할 수 있다.
복수의 반사판 부재(110) 각각에 독립적으로 전압 신호를 인가할 수 있고, 이와 독립적으로, 복수의 나노안테나(N11) 각각에 독립적으로 전압 신호를 인가할 수 있다. 따라서, 복수의 반사판 부재(110) 중 적어도 두 개에 서로 다른 전압 신호가 인가될 수 있고, 이와 독립적으로, 복수의 나노안테나(N11) 중 적어도 두 개에 서로 다른 전압 신호가 인가될 수 있다.
도 22는 도 21에서 배선 구조(221) 대신에 다른 배선 구조(226)가 적용된 경우를 보여준다. 배선 구조(226)는 도 5a의 배선 구조(225)와 동일하거나 유사할 수 있다.
도 21 및 도 22에서는 하나의 반사판 부재(110)에 하나의 나노안테나(N11)가 대응(즉, 1:1 대응)되도록 도시하고 설명하였지만, 다른 실시예에 따르면, 하나의 반사판 부재에 두 개 이상의 나노안테나(N11)가 대응하도록 만들 수도 있다.
하나의 반사판 부재(110)와 이에 대응하는 하나의 나노안테나(N11) 및 이들 사이에 위치하는 활성층(210) 영역이 하나의 단위 소자, 예컨대, 단위 셀(unit cell)을 구성한다고 할 수 있다. 복수의 단위 소자(셀)가 배열될 수 있다. 복수의 반사판 부재(110) 중 적어도 두 개에 서로 다른 전압이 인가될 수 있고, 이와 독립적으로, 복수의 나노안테나(N11) 중 적어도 두 개에 서로 다른 전압이 인가될 수 있다. 반사판 부재(110) 중 어느 하나와 그와 대응하는 나노안테나(N11)에 인가되는 전압은 서로 다를 수 있다. 복수의 단위 소자 각각에 의해 발생하는 광의 위상 변조를 독립적으로 제어할 수 있다. 복수의 단위 소자에 의한 광의 위상 변조를 적절히 제어함으로써, 이들로부터 출사되는 빔(beam)의 방향을 스티어링(steering) 할 수 있다. 예를 들어, 제1 방향으로 배열된 복수의 단위 소자에서 발생하는 위상 변조가 상기 제1 방향에 따라 π/2 만큼씩 순차로 감소하도록 제어하면, 상기 복수의 단위 소자에 의해 반사되는 광의 방향이 특정 방향으로 제어(스티어링)될 수 있다. 이는 광학적 위상 어레이(optical phased array) 방식의 빔 스티어링이라고 할 수 있다. 위상 어레이의 위상 변이 규칙을 조절하여 광의 스티어링 방향을 다양하게 조절할 수 있다. 이러한 위상 변조는 도 1a 및 도 5a와 같은 소자에서도 유사하게 구현될 수 있다.
도 23a 내지 도 23f는 일 실시예에 따른 광변조 소자의 제조방법을 보여주는 단면도이다.
도 23a를 참조하면, 반사판(100)을 마련할 수 있다. 반사판(100)은 하부 반사판 전극(back reflector electrode)일 수 있다. 반사판(100)은 금속과 같은 소정의 도전체로 형성될 수 있다. 예컨대, 반사판(100)은 Cu, Al, Ni, Fe, Co, Zn, Ti, Ru, Rh, Pd, Pt, Ag, Os, Ir, Au 등으로 구성된 그룹에서 선택된 적어도 하나의 금속을 포함할 수 있고, 이들 중 적어도 하나를 구비하는 합금을 포함할 수도 있다. 또는, 반사판(100)은 Au, Ag 등의 금속 나노입자가 분산된 박막, 그래핀이나 CNT 등의 탄소 나노구조체, PEDOT, PPy, P3HT 등의 전도성 고분자를 포함하거나, 전도성 산화물 등을 포함할 수도 있다.
도 23b를 참조하면, 반사판(100) 상에 제1 절연층(150)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 제1 절연층(150)은 절연성 실리콘 화합물 및 절연성 금속 화합물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 절연성 실리콘 화합물은, 예컨대, 실리콘 산화물(SiOx), 실리콘 질화물(SixNy), 실리콘 산질화물(SiON) 등을 포함할 수 있고, 상기 절연성 금속 화합물은, 예컨대, 알루미늄 산화물(Al2O3), 하프늄 산화물(HfO), 지르코늄 산화물(ZrO), 하프늄 실리콘 산화물(HfSiO) 등을 포함할 수 있다. 그러나, 여기서 제시한 제1 절연층(150)의 물질은 예시적인 것이고, 이에 한정되지 않는다.
도 23c를 참조하면, 제1 절연층(150) 상에 활성층(200)을 형성할 수 있다. 활성층(200) 및 그 주변 영역과 관련된 전기적 조건에 따라서, 활성층(200)의 유전율 또는 굴절률이 변화될 수 있다. 활성층(200)은, 예를 들어, ITO, IZO, AZO, GZO, AGZO, GIZO와 같은 투명 전도성 산화물(TCO)을 포함할 수 있다. 또는, TiN, ZrN, HfN, TaN과 같은 전이금속 질화물(TMN)를 포함할 수 있다. 이외에도, 전기적 신호가 가해지면 유효 유전율이 변하는 전기광학(electro-optic)(EO) 물질을 포함할 수 있다. 상기 전기광학 물질은, 예컨대, LiNbO3, LiTaO3, KTN, PZT 등의 결정성 물질을 포함하거나, 전기광학 특성을 갖는 다양한 폴리머(polymer)를 포함할 수도 있다.
도 23d를 참조하면, 활성층(200) 상에 배선 구조(220)를 형성할 수 있다. 배선 구조(220)는 활성층(200)보다 높은 전기전도도를 갖는 물질을 포함하도록 형성할 수 있다. 예컨대, 배선 구조(220)는 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu) 등의 금속으로 형성될 수 있지만, 이는 예시적인 것에 불과하고, 본 실시예는 이에 한정되지 않는다. 배선 구조(220)는 다양한 금속이나 합금 등으로 형성할 수 있다.
도 23e를 참조하면, 활성층(200) 상에 배선 구조(220)를 덮는 제2 절연층(250)을 형성할 수 있다. 배선 구조(220)가 형성된 영역을 제외한 나머지 영역에서 제2 절연층(250)은 활성층(200)에 접촉될 수 있다. 제2 절연층(250)은 제1 절연층(150)과 동일한 물질로 형성하거나, 다른 물질로 형성할 수도 있다.
도 23f를 참조하면, 제2 절연층(250) 상에 복수의 나노안테나(N10)를 포함하는 나노안테나 어레이(300)를 형성할 수 있다. 나노안테나(N10)를 형성하는 전도성 물질로는 표면 플라즈몬 여기(surface plasmon excitation)가 발생할 수 있는 도전성이 높은 금속 물질이 채용될 수 있다. 예를 들어, Cu, Al, Ni, Fe, Co, Zn, Ti, Ru, Rh, Pd, Pt, Ag, Os, Ir, Au 등으로 구성된 그룹에서 선택된 적어도 하나의 금속이 채용될 수 있고, 이들 중 적어도 하나를 포함하는 합금으로 이루어질 수도 있다. 또는, 나노안테나(N10)는 Au, Ag 등의 금속 나노입자가 분산된 박막, 그래핀이나 CNT 등의 탄소 나노구조체, PEDOT, PPy, P3HT 등의 전도성 고분자를 포함하거나, 전도성 산화물 등을 포함할 수도 있다. 배선 구조(220)는 복수의 나노안테나(N10)와 오버랩(overlap) 되거나 교차하지 않도록 배치될 수 있다.
도 23a 내지 도 23f를 참조하여 설명한 제조방법은 예시적인 것이고, 이는 변형하면, 도 5a 내지 도 22 등을 참조하여 설명한 다양한 실시예에 따른 광변조 소자를 제조할 수 있다.
이상의 실시예에서는 나노안테나를 예시적으로 단순하게 도시하였지만, 나노안테나의 구조는 다양하게 변화될 수 있다.
도 24는 실시예들에 따른 광변조 소자에 적용될 수 있는 나노안테나의 다양한 구조/형태를 보여주는 사시도이다.
도 24를 참조하면, 나노안테나는 원형 디스크(A), 타원형 디스크(B), 십자형(C), 별표형(asterisk type)(D) 등 다양한 구조/형상을 가질 수 있다. 십자형(C)은 두 개의 나노로드(nanorod)가 서로 수직한 방향으로 교차하는 형태일 수 있고, 별표형(D)은 세 개의 나노로드(nanorod)가 교차하는 별(*) 형태일 수 있다. 그 밖에도, 도시하지는 않았지만, 나노안테나는 원뿔(cone), 삼각뿔(triangular pyramid), 구(sphere), 반구(hemisphere), 쌀알(rice grain), 막대(rod), 피시-본(fish-bone) 구조 등 다양한 변형 구조를 가질 수 있다. 또한, 나노안테나는 복수의 층이 겹쳐진 다층 구조를 가질 수 있고, 코어부와 적어도 하나의 껍질부를 포함하는 코어-쉘(core-shell) 구조를 가질 수도 있다. 부가해서, 두 개 이상의 서로 다른 구조/형태를 갖는 나노안테나들이 하나의 단위를 이루어 주기적으로 배열될 수도 있다.
나노안테나의 구조/형태 및 그의 배열 방식에 따라, 공진 파장, 공진 파장 폭, 공진 편광 특성, 공진 각도, 반사/흡수/투과 특성 등이 달라질 수 있다. 따라서, 나노안테나의 구조/형태 및 배열 방식을 제어함으로써, 목적에 맞는 특성을 갖는 광변조 소자를 제조할 수 있다.
실시예들에 따른 광변조 소자를 이용하면, 빔(beam)을 소정 방향으로 조향(steering)하는 소자를 구현할 수 있다.
도 25는 일 실시예에 따른 광변조 소자를 포함하는 빔 스티어링 소자(beam steering device)(1000A)를 설명하기 위한 개념도이다.
도 25를 참조하면, 빔 스티어링 소자(1000A)를 이용해서 빔(beam)을 1차원적 방향으로 조향할 수 있다. 즉, 소정의 피사체(OBJ)를 향하여 빔을 제1 방향(D1)에 따라 조향할 수 있다. 빔 스티어링 소자(1000A)는 본원의 실시예들에 따른 복수의 광변조 소자의 1차원적 어레이를 포함할 수 있다.
도 26은 다른 실시예에 따른 광변조 소자를 포함하는 빔 스티어링 소자(beam steering device)(1000B)를 설명하기 위한 개념도이다.
도 26을 참조하면, 빔 스티어링 소자(1000B)를 이용해서 빔(beam)을 2차원적 방향으로 조향할 수 있다. 즉, 소정의 피사체(OBJ)를 향하여 빔을 제1 방향(D1) 및 이와 수직한 제2 방향(D2)에 따라 조향할 수 있다. 빔 스티어링 소자(1000B)는 본원의 실시예들에 따른 복수의 광변조 소자의 2차원적 어레이를 포함할 수 있다. 도 25 및 도 26을 참조하여 설명한 빔 스티어링 소자(1000A, 1000B)는 비기계식 초고속 빔 스캔 장치(non-mechanical ultrafast beam scanning apparatus)일 수 있다.
도 27은 일 실시예에 따른 광변조 소자를 적용한 빔 스티어링 소자를 포함하는 광학 장치(A1)의 전체적인 시스템을 설명하기 위한 블럭도이다.
도 27을 참조하면, 광학 장치(A1)는 빔 스티어링 소자(1000)를 포함할 수 있다. 빔 스티어링 소자(1000)는 도 1a, 도 1b, 도 5a 내지 도 22 등을 참조하여 설명한 광변조 소자를 포함할 수 있다. 광학 장치(A1)는 빔 스티어링 소자(1000) 내에 광원부를 포함하거나, 빔 스티어링 소자(1000)와 별도로 구비된 광원부를 포함할 수 있다. 광학 장치(A1)는 빔 스티어링 소자(1000)에 의해 조향된 광이 피사체(미도시)에 의해 반사된 광을 검출하기 위한 검출부(2000)를 포함할 수 있다. 검출부(2000)는 복수의 광검출요소를 포함할 수 있고, 그 밖에 다른 광학 부재를 더 포함할 수 있다. 또한, 광학 장치(A1)는 빔 스티어링 소자(1000) 및 검출부(2000) 중 적어도 하나에 연결된 회로부(3000)를 더 포함할 수 있다. 회로부(3000)는 데이터를 획득하여 연산하는 연산부를 포함할 수 있고, 구동부 및 제어부 등을 더 포함할 수 있다. 또한, 회로부(3000)는 전원부 및 메모리 등을 더 포함할 수 있다.
도 27에서는 광학 장치(A1)가 하나의 장치 내에 빔 스티어링 소자(1000) 및 검출부(2000)를 포함하는 경우를 도시하였지만, 빔 스티어링 소자(1000) 및 검출부(2000)는 하나의 장치로 구비되지 않고, 별도의 장치에 분리되어 구비될 수도 있다. 또한, 회로부(3000)는 빔 스티어링 소자(1000)나 검출부(2000)에 유선으로 연결되지 않고, 무선 통신으로 연결될 수 있다. 그 밖에도 도 27의 구성은 다양하게 변화될 수 있다.
이상에서 설명한 실시예에 따른 빔 스티어링 소자는 다양한 광학 장치에 적용될 수 있다. 일례로, 상기 빔 스티어링 소자는 라이다(LiDAR)(Light Detection And Ranging) 장치에 적용될 수 있다. 상기 라이다(LiDAR) 장치는 phase-shift 방식 또는 TOF(time-of-flight) 방식의 장치일 수 있다. 이러한 라이다(LiDAR) 장치는 자율 주행 자동차, 드론(drone) 등의 비행 물체, 모바일(mobile) 기기, 소형 보행 수단(예컨대, 자전거, 오토바이, 유모차, 보드 등), 로봇류, 사람/동물의 보조 수단(예컨대, 지팡이, 헬멧, 장신구, 의류, 시계, 가방 등), IoT(Internet of Things) 장치/시스템, 보안 장치/시스템 등에 적용될 수 있다.
도 28 및 도 29는 일 실시예에 따른 광변조 소자를 포함하는 라이다(LiDAR) 장치를 차량에 적용한 경우를 보여주는 개념도이다. 도 28은 측방에서 바라본 도면이고, 도 29는 위에서 바라본 도면이다.
도 28을 참조하면, 차량(50)에 라이다(LiDAR) 장치(51)를 적용할 수 있고, 이를 이용해서 피사체(60)에 대한 정보를 획득할 수 있다. 차량(50)은 자율 주행 기능을 갖는 자동차일 수 있다. 라이다(LiDAR) 장치(51)를 이용해서, 차량(50)이 진행하는 방향에 있는 물체나 사람, 즉, 피사체(60)를 탐지할 수 있다. 또한, 송신 신호와 검출 신호 사이의 시간 차이 등의 정보를 이용해서, 피사체(60)까지의 거리를 측정할 수 있다. 또한, 도 29에 도시된 바와 같이, 스캔 범위 내에 있는 가까운 피사체(61)와 멀리 있는 피사체(62)에 대한 정보를 획득할 수 있다.
본원의 다양한 실시예에 따른 광변조 소자는 라이다(LiDAR) 이외에 다양한 광학 장치에 적용될 수 있다. 예컨대, 다양한 실시예에 따른 광변조 소자를 이용하면 스캐닝을 통해 공간 및 피사체의 3차원적인 정보를 획득할 수 있기 때문에, 3차원 이미지 획득 장치나 3차원 카메라 등에 적용될 수 있다. 또한, 상기 광변조 소자는 홀로그래픽(holographic) 디스플레이 장치 및 구조광(structured light) 발생 장치에 적용될 수 있다. 또한, 상기 광변조 소자는 다양한 빔 스캔 장치, 홀로그램(hologram) 생성 장치, 광 결합 장치, 가변 초점 렌즈, 깊이 센서(depth sensor) 등 다양한 광학 성분/장치에 적용될 수 있다. 또한, 상기 광변조 소자는 "메타 표면" 또는 "메타 구조"가 이용되는 다양한 분야에 적용될 수 있다. 그 밖에도 본원의 실시예에 따른 광변조 소자는 및 이를 포함하는 광학 장치는 다양한 광학 및 전자기기 분야에 여러 가지 용도로 적용될 수 있다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 구체적인 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 예들 들어, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 도 1a, 도 1b, 도 5a 내지 도 22를 참조하여 설명한 광변조 소자의 구성은 다양하게 변형될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 구체적인 예로, 배선 구조의 일부는 나노안테나의 일부와 오버랩될 수도 있다. 또한, 배선 구조의 적어도 일부는 직선 형태가 아닌 곡선 또는 임의의 형태를 가질 수 있다. 또한, 하나의 광변조 소자가 복수의 활성층(서로 이격하여 적층된 형태의 복수의 활성층)을 포함하는 경우에도 본원의 사상을 적용할 수 있다. 또한, 실시예들에 따른 광변조 소자의 적용 분야는 전술한 설명 내용에 한정되지 않고, 다양하게 변화될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호설명 *
100 : 반사판 150 : 제1 절연층
170, 175 : 배선 구조 200 : 활성층
220, 225 : 배선 구조 250 : 제2 절연층
300 : 나노안테나 어레이 N10, N11 : 나노안테나
VB, VT : 전압 인가수단 V1∼V3 : 전압 인가수단
A1 : 광학 장치 1000 : 빔 스티어링 소자
2000 : 검출부 3000 : 회로부

Claims (20)

  1. 반사판(reflector);
    상기 반사판에 대향하여 배치된 것으로, 복수의 나노안테나(nano-antenna)를 포함하는 나노안테나 어레이;
    상기 반사판과 상기 나노안테나 어레이 사이에 배치된 것으로, 전기적 조건에 따라 물성이 변화되는 활성층;
    상기 반사판과 상기 활성층 사이에 배치된 제1 절연층;
    상기 활성층과 상기 나노안테나 어레이 사이에 배치된 제2 절연층; 및
    상기 활성층과 상기 제1 절연층 사이 및 상기 활성층과 상기 제2 절연층 사이 중 적어도 하나에 상기 활성층과 전기적으로 접촉하도록 구비되고, 상기 활성층보다 높은 전기전도도를 갖는 배선 구조;를 포함하는 광변조 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 배선 구조는, 위에서 볼 때, 상기 복수의 나노안테나의 적어도 일부를 둘러싸는 형태를 갖는 광변조 소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 배선 구조는 상기 활성층의 가장자리 영역에 구비되어 상기 활성층의 내부 영역을 둘러싸는 형태를 갖는 광변조 소자.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 배선 구조는,
    상기 활성층의 가장자리 영역에 구비된 제1 배선부; 및
    상기 활성층의 가장자리 영역 안쪽의 내부 영역을 가로지르는 제2 배선부;를 포함하는 광변조 소자.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제2 배선부는 상기 제1 배선부의 제1 부분과 제2 부분을 상호 연결하도록 배치된 광변조 소자.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 배선 구조는 격자 형태를 갖는 광변조 소자.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 배선 구조는, 위에서 볼 때, 상기 복수의 나노안테나 각각을 둘러싸는 형태를 갖는 광변조 소자.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 배선 구조는 상기 복수의 나노안테나와 오버랩(overlap) 되지 않도록 배치된 광변조 소자.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 배선 구조는 금속 또는 합금을 포함하는 광변조 소자.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 배선 구조를 통해서 상기 활성층에 기준 전압(reference voltage)을 인가하도록 구성된 광변조 소자.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 반사판, 상기 활성층 및 상기 나노안테나 어레이 중 적어도 두 개에 독립적으로 전압을 인가하도록 구성된 광변조 소자.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 반사판은 서로 이격된 복수의 반사판 부재를 포함하고,
    상기 복수의 반사판 부재는 상기 복수의 나노안테나에 대응하도록 배치된 광변조 소자.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 복수의 반사판 부재 각각에 독립적으로 전압을 인가하고, 상기 복수의 나노안테나 각각에 독립적으로 전압을 인가하도록 구성된 광변조 소자.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 배선 구조는 상기 활성층과 상기 제1 절연층 사이에 구비된 제1 배선 구조 및 상기 활성층과 상기 제2 절연층 사이에 구비된 제2 배선 구조 중 적어도 하나를 포함하는 광변조 소자.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 활성층은 그에 인가되는 전기적 신호에 따라 유전율(permittivity)이 변하는 전기광학(electro-optic) 물질을 포함하는 광변조 소자.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 활성층은 투명 전도성 산화물(transparent conductive oxide) 및 전이금속 질화물(transition metal nitride) 중 적어도 하나를 포함하는 광변조 소자.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 광변조 소자는 상기 나노안테나에 의해 반사되는 광의 위상 변조(phase modulation)를 유도하도록 구성된 광변조 소자.
  18. 청구항 1 내지 17 중 어느 하나의 광변조 소자를 포함하는 광학 장치.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 광학 장치는 상기 광변조 소자를 이용해서 1차원 또는 2차원적으로 빔(beam)을 조향하도록 구성된 광학 장치.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 광학 장치는 라이다(LiDAR) 장치, 3차원 이미지 획득 장치, 홀로그래픽(holographic) 디스플레이 장치 및 구조광(structured light) 발생 장치 중 적어도 하나를 포함하는 광학 장치.
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