KR20010031568A - 이산 엘리먼트 광변조 마이크로구조 장치 - Google Patents

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알렉산더 비. 로마노브스키
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조지 발로그
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Abstract

광변조 또는 스위칭 어레이(10)는 전기광학 물질로 형성되는 복수의 이산 돌기부(16)를 구비하며, 각 돌기부는 전기적 광학적으로 서로 분리된다. 돌기부(16)는 상면(20), 하면(30), 제 1 및 제 2 측면(22, 24), 전면 및 후면(26, 28)을 구비한다. 각 돌기부와 결합되는 복수의 전극(34)이 있으며, 이들 전극(34)은 돌기부(16)의 상기 면들(20, 22, 24, 26, 28, 30) 중의 하나에 입사되는 복수의 광빔을 독립적으로 변조하기 위해 전기광학 물질에 전기장을 유도시킨다. 전기광학 물질은 PLZT일 수도 있고, 전기광학 결정, 다결정질 전기광학 세라믹, 전기광학 반도체, 전기광학 유리 및 전기광학적으로 활성인 폴리머의 그룹중 몇 개일 수도 있다. 다른 종류의 광변조 어레이(136)로는 복수의 매립된 인접 전극(134 )을 포함하는 전기광학 물질의 매트릭스(136)를 구비하는 것이 있다. 이들 전극(134)은 전기광학 물질에 전기장을 유도시켜 전기광학 물질의 매트릭스(136)에 입사되는 복수의 광빔을 독립적으로 변조할 수 있다. 이 매트릭스(136)는 졸-겔 공정을 포함하는 다양한 공정에 의해 형성될 수 있다. 광변조 어레이(10)가 입사광빔(42)을 변조하고 입사광빔을 복수의 데이터 채널(94, 96)로 분리하기 위해 사용되는 시스템(11)이 있다.

Description

이산 엘리먼트 광변조 마이크로구조 장치{DISCRETE ELEMENT LIGHT MODULATING MICROSTRUCTURE DEVICES}
전자광학 변조기는 몇 가지 단점을 갖는 다채널 응용분야를 제외하면 종래부터 잘 알려져 있었다. 종래기술의 변조기 어레이는 전기력선에 의해 규정되는 채널들을 광웨이퍼 내에 형성하도록 표면에 전극이 부착되는 전기광학적으로 활성인 물질의 단일 웨이터로부터 형성되는 것이 일반적이다. 채널 사이의 누화(cross-talk)나 간섭은 전기광학 변조기가 적어도 2개의 레벨에 약점이 있기 때문에 문제가 있다. 채널들은 전기력선에 의한 것이 아니면 제한되지 않기 때문에 한 채널에서의 활성은 인접한 채널에 전기광학 간섭을 용이하게 일으킬 수 있다. 이것은 밀접하게 그룹화되어 차폐되지 않은 전기적 접촉에 때문에 나타나는 통상적인 전기적 누화 외에 부가되는 현상이다. 또한 종래의 전기광학 변조기와 광스위치는 표면증착 전극상에 보통 렐되며, 채널화되어 지향되기보다는 줄무늬처럼 되는 전기력선을 생성한다. 이 물질 내의 전기장 세기의 지수감쇠 때문에 그 물질이 원하는 전기광학 효과를 나타내기 위해서는 매우 높은 전압이 필요하다.
LiNbO3과 같은 전기광학 물질은 고가이고 높은 구동전압을 필요로 한다. 액정 변조기가 또한 사용되지만 이러한 종류에서는 응답시간이 밀리초 단위로 통상적으로 매우 느리다. 물질에 의해 나타나는 전기광학 효과는 그 물질에 따라 몇 가지다른 종류가 있다. 첫 번째 종류의 효과는 포켈스효과(Pockels effect)라고 불리는 것으로, 인가전압의 증가에 대한 응답특성이 선형이다. 두 번째 종류의 효과는 케르효과(Kerr effect)라고 불리는 것으로, 그 응답특성이 2차 방정식이므로 전압의 증가에 대해서 보다 큰 효과를 얻을 수 있다. 이것은 이론적으로 주로 케르효과를 나타내는 물질에 인가되는 보다 작은 구동전압이 주로 포켈스효과를 나타내는 재료에 필적할 만한 전기광학 효과를 낼 수 있게 해준다.
란타늄으로 도핑된 지르콘산 티탄산납 다결정질 세라믹(PLZT)은 조성에 따라 2차 방정식의 케르효과나 선형의 포켈스효과를 나타내도록 만들어 질 수 있고, 용이하게 웨이퍼로 형성되어 졸-겔 성형에 사용될 수 있는, 비교적 저가이고 광학적으로 투명한 세라믹이다. 란타늄의 농도나 ″도핑(doping)″은 가변적이고, 물질의 변화특성을 유도할 수 있다. 상용으로 입수가능한 PLZT는 보통 매우 높은 유전상수 κ를 만들어 내는 ″제조방법(recipe)″으로부터 만들어진다. 매우 높은 κ값은 높은 용량값 C를 생성하며, 차례로 CV2/2(여기에서 V는 전압)에 비례하는 높은 전력을 필요로 한다. 소비전력이 높으면 열이 발생하므로 높은 전압을 요구하는 종류의 변조기는 냉각을 필요로 할 수 있다. 만약 물질의 란타늄 도펀트나 다른 성분의 비율이 조정되면, 전기광학 효과(케르 또는 포켈스효과)의 종류뿐 아니라 유전상수값과 전기광학 상수값도 용량과 전력소모에 영향을 미치는 결과에 따라 바뀔 수 있다.
어레이의 광을 변조하는 종래의 발명은 일반적으로 채널이 적절하게 분리되어 있지 않은 다채널 광학 전기 시스템에 의해 나타나는 공통의 문제점을 갖고 있다. 상술한 바와 같이 인접채널에서 간섭이 용이하게 발생되어 이미지의 선명도를 왜곡하고 데이터 전송을 악화시킬 수 있는 누화를 발생시킨다. 게다가 많은 종래의 기술은 TTL 레벨의 전원과 호환될 수 없는 높은 구동전압을 필요로 한다.
모울린(Moulin)의 미국특허 제4,746,942호는 다수의 표면실장 전극을 갖는 PLZT 전기광학 세라믹 물질로 된 웨이퍼를 보여주고 있다. 이 발명은 비록 대형전극을 사용하는 것에 의한 누화를 감소시키고 전기광학 윈도우의 공간을 증가시키려는 시도가 있기는 하지만 채널 사이의 누화에 대한 결점을 여전히 안고 있다. 따라서 상기 물질의 사용이 여전히 효율적이지 못하다. 비록 통상적인 구동전압이 부여되지 않더라도 웨이퍼에 필요한 전기장 밀도를 제공하기 위해서는 보다 넓은 영역의 물질과 함께 보다 높은 인가전압이 필수적이다.
베니온(Bennion) 등의 미국특허 제4,867,543호는 쌍을 이룬 표면전극을 가지며, PLZT 등의 전기광학 물질의 고체 시트층으로 만들어진 공간광 변조기를 설명하고 있다. 이 발명은 PI 라디안의 위상지연을 발생시키기 위해 약 20볼트의 구동전압을 필요로 하는 단점을 갖고 있다. 미르(Mir) 등에 의한 미국특허 제4,406,521호는 픽셀영역을 규정하기 위해 전극을 사용하는 전기광학 물질의 패널을 설명하고 있다. 이 발명은 100~200볼트 범위의 전압을 사용하는 것에 대해 설명하고 있다. 브라운(Brown) 등의 미국특허 제5,033,814호는 150볼트의 구동전압을 필요로 하는 전기광학 물질의 단일평판을 보여주고 있다. 오아크레이(Oakley)의 미국특허 제5,528,414호는 70볼트의 구동전압을 필요로 하는 표면실장 전극을 갖는 포켈스 결정의 단일 웨이퍼를 발표하고 있다. TTL 전압레벨과 호환될 수 없는 것 외에 이들 발명의 어느 것도 전기력선을 한정하는 어떠한 메커니즘도 갖지 않고 있다. 또한 보다 높은 구동전압의 사용은 일반적으로 전기광학 물질에 열을 발생시키며, 이것은 냉각시스템이 필요하다는 것을 의미한다.
콜링스(Collings)의 미국특허 제5,220,643호는 신경망으로 구축되는 광변조기의 어레이를 설명하고 있다. 이들 변조기는 비록 PLZT의 사용을 언급하고 있기는 하지만 주로 액정형이다. 스프라그(Sprague)의 미국특허 제4,560,994호는 채널화 되어 있지는 않으며 줄무늬 형상의 전기장을 생성하는 전극의 어레이를 갖는 전기광학 물질의 단일평판을 보여주고 있다. 사라프(Sarraf)의 미국특허 제5,521,748호는 정전기력이 인가될 때 미러형 디바이스가 편향되거나 변형되는 변조기 어레이를 발표하고 있다. 바너(Varner)의 미국특허 제4,367,946호는 특히 바람직한 물질중의 하나인 PLZT를 갖는 광밸브 어레이를 설명하고 있다. 그러나 이들 4종류의 발명은 본 발명이 해결하고자 하는 누화에 관한 문제점을 여전히 안고 있다.
상술한 이유로 TTL 전압레벨에서 고속으로 동작할 수 있고 누화가 거의 없으며, 작은 픽셀을 생성하거나 또는 보다 큰 픽셀과 큰 2차원의 패널이나 시트를 함께 그룹화할 수 있는 이산 광변조 엘리먼트의 어레이에 대한 필요성이 있다.
본 발명은 광변조기 및 광스위치에 관한 것으로, 특히 전기광학 변조기 어레이(electro-optic modulator array)에 관한 것이다. 본 발명자는 비록 본 발명이 광학적 상호접속, 전기통신 및 평판 디스플레이에도 사용될 수 있지만 고속 프린트 및 이미지 처리에 주로 응용될 것으로 예상한다.
따라서 본 발명의 목적은 전기광학 물질의 이산변조 엘리먼트를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 TTL 전압으로 구동될 수 있고 따라서 표준 TTL 전원과 호환가능한 전기광학 변조기의 어레이를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 채널 사이에 매우 작은 누화를 갖는 전기광학 변조기의 어레이를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 매우 빠른 응답시간 및 스위칭 시간을 갖는 어레이를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 광디스플레이의 앨리어싱(aliasing) 문제를 감축시키기 위해 매우 작은 크기의 픽셀 어레이를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 매우 값싸게 종래의 방식으로 제조될 수 있는 광변조 어레이를 제공하는데 있다.
요약하면, 본 발명의 바람직한 제 1 실시예는 전기광학 물질로 형성된 다수의 이산 돌기부를 갖는 광변조 어레이이며, 이들 돌기부는 서로 전기적 광학적으로 분리되어 있다. 각 돌기부는 상면, 하면, 제 1 측면, 제 2 측면, 전면 및 후면을 가지는 것으로 보여질 수 있다. 각 어레이는 또한 각 돌기부와 결합하는 다수의 전극을 가지며, 이 전극들은 돌기부의 면들 중 하나에 입사되는 다수의 광빔을 독립적으로 변조하는 전기장을 전기광학 물질에 유도시킬 수 있다. 돌기부는 전기광학 결정, 다결정질 전기광학 세라믹, 전기광학적 활성 폴리머, 전기광학 반도체 및 전기광학 유리를 포함하는 전기광학 물질로 만들 수 있다. 이 돌기부는 기판 웨이퍼와 일체로 형성되거나 제 2 물질의 기판 상에 형성될 수 있다. 전극은 만약 개구(aperture)를 갖는 전극이 사용되면 양 측면 및 상하면과 전후면을 포함하는 여러 위치에 부착될 수 있다.
본 발명의 바람직한 제 2 실시예는 전기광학 물질로 형성된 다수의 이산 돌기부를 갖는 광변조 어레이이며, 이들 돌기부는 서로 전기적 광학적으로 분리되어 있으며, 각 돌기부는 프리즘 형상으로 형성되어 있다. 각 돌기부는 상면, 하면, 전면 및 후면을 갖는다. 각 어레이는 또한 각 돌기부와 결합하는 다수의 전극을 가지며, 이 전극들은 복수의 입사광빔을 독립적으로 변조하는 전기장을 전기광학 물질에 유도시킬 수 있다. 프리즘 형상의 각 돌기부는 전기광학적으로 인가된 전압이 상기 돌기부를 활성화시키지 않을 때 각 돌기부의 전면에 입사하는 각 광빔이 제 1 경로를 진행하고 그 돌기부의 후면으로부터 제 1 각도로 나오도록 다수의 광빔을 향하고 있다. 그러나 각 광빔은 돌기부가 적절한 전압의 인가에 의해 전기광학적으로 활성화되면 그 돌기부의 후면으로부터 제 2 각도로 나온다.
본 발명의 바람직한 제 3 실시예는 전기광학 물질의 매트릭스를 갖는 광변조 어레이이며, 각 매트릭스는 다수의 인접한 매립전극을 포함한다. 각 전극은 전기광학 물질의 매트릭스에 입사하는 다수의 광빔을 독립적으로 변조하는 전기장을 전기광학 물질에 유도시킬 수 있다.
본 발명의 바람직한 제 4 실시예는 상술한 바와 같이 전기광학 물질로 형성된 다수의 이산 돌기부와 다수의 전극을 갖는 광변조 시스템이다. 이 시스템은 또한 돌기부에 입사하는 편광광의 빔에 제 1 편광방향으로부터 제 2 편광방향으로의 원하는 편광 시프트를 유도하기 위해 충분한 전압을 공급할 수 있는 전원을 포함한다. 또한 이 시스템에는 도체를 통해 전극에 인가되는 전압을 제어하기 위한 스위치와 제 2 편광방향의 광으로부터 제 1 편광방향의 광을 분리하기 위한 분리기를 포함한다. 이 분리기는 빔스플리터, 간섭편광자 등과 같은 메커니즘 중 하나일 수 있다.
본 발명의 이점은 TTL 전압 이하에서도 동작된다는 점에 있다.
본 발명의 다른 이점은 저전압이 요구되기 때문에 엘리먼트에서 발생되는 열이 감축되어 냉각조건이 최소화된다는 점이다.
본 발명의 또 다른 이점은 매우 작은 엘리먼트가 제조될 수 있어 매우 미세한 이미지 해상도를 달성할 수 있다는 점이다.
본 발명의 또 다른 이점은 채널 사이의 누화가 거의 제거된다는 점이다.
본 발명의 또 다른 이점은 표준 마이크로 가공작업이 사용될 수 있으므로 제조비용이 저렴하게 된다는 점이다.
본 발명의 또 다른 이점은 졸-겔 공정이 이용될 수 있어 매우 저렴하게 어레이를 제조할 수 있게 된다는 점이다.
본 발명의 또 다른 이점은 졸-겔 공정이 사용될 수 있어 박형이면서도 유연한 디스플레이를 제조할 수 있게 된다는 점이다. 이들 성형공정은 다수의 엘리먼트를 갖는 디스플레이를 신속하고도 저렴하게 제조할 수 있게 해준다.
본 발명의 상술한 목적과 기타의 목적 및 이점은 본 기술분야에서 숙련된 기술자들이 첨부도면과 본 명세서에서 설명된 바와 같은 바람직한 실시예의 산업상 이용가능성과 본 발명을 실행하는 최적의 실시형태에 관한 설명을 고려하여 보면 분명하게 드러날 것이다.
도면의 간단한 설명
본 발명의 목적과 이점은 첨부도면과 관련한 다음의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
도 1은 광변조 어레이를 사용하며, 충돌하는 광빔의 변조를 보여주는 광빔 변조 및 스위칭 시스템의 사시도이다.
도 2는 도체패드에 대한 다른 위치를 보여주는 변조 어레이와 전기회로의 사시도이다.
도 3은 상이한 물질의 기판상에 실장된 엘리먼트를 보여주는 변조 어레이와 전기회로의 사시도이다.
도 4는 웨이퍼 상하면에 전극이 부착된 변조기 어레이와 전기회로의 사시도이다.
도 5는 도체패드에 대한 다른 위치를 보여주는 변조기 어레이와 전기회로의 사시도이다.
도 6은 변조기 어레이와 전극의 다른 실시예를 보여주는 사시도이다.
도 7은 변조기 어레이와 전극의 또 다른 실시예를 보여주는 사시도이다.
도 8은 변조 및 비변조 빔을 상이한 채널로 분리하기 위해 변조기 어레이와 빔 스플리터를 사용하는 광빔 변조 및 스위칭 시스템의 사시도이다.
도 9는 변조 및 비변조 빔을 상이한 채널로 분리하기 위해 다른 메커니즘으로서 사용되는 변조기의 단일 엘리먼트를 보여주는 광빔 변조 및 스위칭 시스템의 사시도이다.
도 10은 변조 및 비변조 빔을 상이한 채널로 분리하기 위해 다른 메커니즘으로서 사용되는 다른 변조기 어레이의 단일 엘리먼트를 보여주는 광빔 변조 및 스위칭 시스템의 사시도이다.
도 11은 광의 전파방향과 동일 직선상에 있는 전기장을 생성하도록 전극이 위치되는 변조기 어레이의 사시도이다.
도 12는 전기광학 물질의 졸-겔 매트릭스에 매립된 전극 어레이의 단면도이다.
본 발명의 바람직한 실시예는 광변조 및 스위칭 마이크로구조 장치의 어레이이다. 본 발명은 적절한 전압이 인가되면 복굴절되는 광학적으로 투명한 세라믹인 PLZT를 사용하여 종래기술의 많은 문제점을 해소한다. PLZT는 전압증가에 대하여 2차 방정식의 전기광학 응답특성을 가지므로 낮은 구동전압을 허용한다. 또한 본 발명은 란타늄 도펀트와 매트릭스 엘리먼트의 비율이 낮은 유전상수 κ와, 높은 전기광학 효율 및 낮은 전력 조건을 만들어 내도록 설계되는 최적화된 조성의 ″제조방법(recipe)″을 사용한다. 게다가 전기광학 엘리먼트는 3차원이며, 설계에 따라 광의 전파방향에서는 매우 작은 크기인 일반적으로 10~200㎛이하이다. 약 5볼트 이하의 TTL 레벨을 포함하는 작은 전압을 사용함으로써 이들 엘리먼트에 매우 높은 밀도의 전기장을 생성하는 것이 가능하게 된다. 이것은 TTL 레벨의 디지털 성분에 대하여 이미 설정된 전원은 전기광학 변조기에도 공급될 수 있기 때문에 유리하다. 공기 또는 다른 유전체 물질로 채워진 홈 또는 영역을 사용함으로써 누화를 거의 제거할 수 있다. 이들은 엘리먼트의 적어도 일부분을 물리적으로 분리시키므로 전기력선을 보다 근접하게 지향시켜 채널화한다. 다른 전기광학 물질뿐 아니라 PLZT도 피코초 크기의 응답시간을 가지므로 100GHz의 매우 높은 스위칭 주파수가 이론적으로 가능해진다.
매립전극의 사용은 엘리먼트에 보다 균일한 전기장 강도를 발생시킨다. 이로 인해 훨씬 낮은 구동전압과 훨씬 더 예측가능하고 제어가능한 전기장이 가능해 진다.
본 발명은 또한 유전상수가 최소화되지 않은 표준 제조방법의 전기광학 물질과 PLZT외의 다양한 다른 전기광학 물질을 사용할 때 유용하다. 전기광학 물질은 일반적으로 1)전기광학 결정, 2)다결정질 전기광학 세라믹, 3)전기광학적 활성 폴리머, 4)전기광학 반도체, 5)전기광학 유리의 5개 카테고리로 분류된다. 비록 이러한 물질들의 전기광학 특성은 조성에 따라 다양하지만 본 발명은 이들 중 3개 카테고리의 물질에 의해 실현될 수 있다. 사용될 수 있는 PLZT외의 전기광학 물질의 특정한 예로는 LiNbO3, LiTaO3, BSN, PBN, KTN, KDP, KD*P, KTP, BaTiO3, Ba2NaNb5O15, GaAs, InP, CdS, AgGaS2및 ZnGeP2가 있으나 반드시 이들에 한정되는 것은 아니다. 비교적 큰 유전상수 κ를 갖는 물질을 사용하는 경우에도 엘리먼트의 치수가 매우 작기 때문에 엘리먼트 용량이 매우 낮다.
첨부도면, 특히 도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예의 형태를 참조번호 어레이(10)로 나타낸다.
도 1은 광변조 마이크로구조의 어레이(10)와 다수의 독립채널에서 광을 변조 및 스위칭하는 시스템(11)을 도시한 것이다. 바람직한 실시예에서 어레이(10)는 PLZT의 웨이퍼(12)로부터 형성된다. PLZT는 큰 전기광학 효과와 얇은 웨이퍼에 대한 낮은 흡수를 위해 선택된다.
만약 PLZT가 사용되면, 엘리먼트에 필요한 구동전압을 결정하는데는 세라믹에서의 란타늄 도펀트의 상대비율이 매우 중요하다. 물질의 선형 및 2차 방정식의 전기광학 계수를 최대화하기 위해 투명도, 입자크기 및 구멍크기, 속도, 전력손실, 동작온도와 같은 선택적인 특성을 확정하는데는 그 조성이 또한 중요하다. PLZT에 대한 상업적인 제조방법은 대부분 9.0%~12%의 란타늄 농도를 사용하여 왔다. 만약 란타늄 농도가 PLZT 세라믹의 8.5%~9.0%의 농도범위에서 변화하고 지르코늄과 티타늄의 농도가 65/35의 통상적인 비율에서 변하지 않는다면, 8.5%에 근접한 La 도펀트 백분율에 대하여 PLZT에서 보다 높은 2차방정식의 전기광학 계수(R)를 달성할 수 있게 된다. PLZT 조성에 있어서, Zr과 Ti는 65/35의 비로 유지되고 La의 전체 백분율은 다음과 같이 변화한다.
La=9.5%, R=1.5 ×10-16m2/V2
La=9.0%, R=3.8 ×10-16m2/V2
La〈 8.0%에 있어서는 PLZT가 2차방정식의 전기광학 특성을 잃는다는 것을 알 수 있다. 따라서 8.5%의 La인 곳에서는 약 (5-40) ×10-16m2/V2에 대하여 최대일 것으로 예상된다.
전기광학 계수의 이러한 향상된 값은 많은 이점을 제공한다. 이것은 보다 낮은 구동전압을 허용하므로, 물질에서 소비되는 전력손실을 낮추어 주고 디바이스에서 발생하는 열을 낮추어 줄 것이다. 이것은 외부 냉각 없이도 결국 상당히 높은 빈도로 디바이스가 구동되는 것을 허용해 준다. 또한 보다 낮은 La 농도(자유전자 도너)의 사용은 감축된 ″전하 스크리닝(charge screening)″효과를 얻게 해준다. 전체적인 결과는 물질로부터 제조되는 디바이스의 변조효과를 보다 효과적으로 높여준다.
웨이퍼(12)는 웨이퍼(12)의 원래 두께(18)로부터 돌기부(16)가 만들어 지도록 형성된 영역 또는 홈(14)을 구비한다. 홈(14)은 마이크로 톱에 의한 기계적 가공, 포토레지스트 마스크를 이용한 화학적 에칭, 또는 레이저 절제와 같은 수단에 의해 형성될 수 있거나 그렇지 않으면 어레이는 다른 방법들 중에서도 다결정질 세라믹으로부터 형상을 갖도록 성형될 수 있다. 홈(14)은 어레이(10)의 채널 사이를 격리시켜 전기광학 물질 내로 전기력선을 향하게 하고 통로를 확보하므로 어레이가 거의 누화없이 동작되게 한다.
각각의 돌기부(16)는 상면(20), 제 1 측면(22), 제 2 측면(24), 전면(26), 후면(28)을 구비한다. 홈(14)은 웨이퍼(12)의 전체 원래 두께(18)를 통과하도록 절단될 수 있고 이 경우 돌기부는 독립적인 하면(30)을 가질 것이나 홈이 전체 원래 두께(18)를 통과하도록 절단되지 않으면 도 1의 점선으로 도시된 바와 같이 웨이퍼(12)와 일체로 될 것이다.
웨이퍼(32)의 면들은 홈(14)에 입사/출사하는 광이 산란하는 것을 방지하기 위해 홈(14)이 형성되기 전이나 형성된 후에 연마될 수 있다. 전극(34)은 여러 가지 방식으로 돌기부(16)에 부착되지만 전극(34)을 매립하는 방법이 바람직하다. 이렇게 하면 보다 균일한 전기장을 발생시킬 수 있다. 또한 전극(34)의 물질이 완전히 홈(14)에 채워질 수도 있다. 금이나 다른 금속 또는 도체재료로 된 도체패드(36)가 전기리드(38)를 전극(34)에 부착시키기 위해 사용될 수 있으며, 이전기리드는 전극을 차례로 전원(40)에 접속한다. 따라서 입사광빔(42)의 방향에 대해 횡방향으로 향하는 전기장이 형성된다. 돌기부(16)의 홈(14) 사이의 전기광학 물질의 폭은 전극(34) 배치의 구성에서는 전극갭(44)을 형성한다.
참고를 위해 돌기부(16), 전극(34) 및 도체패드(36)를 포함하는 어셈블리를 ″엘리먼트(element)″라 한다. 웨이퍼(12), 돌기부(16) 및 전극갭(44)의 크기는 선택된 물질과 사용될 인가전압의 희망범위에 따라 달라진다. 특정 물질의 엘리먼트에 의해 나타나는 전기광학 효과는 엘리먼트 내의 전기장 세기에 종속된다. 이 전기장의 밀도는 인가전압의 양, 선택된 물질, 전기장이 포함된 엘리먼트의 물리적 크기에 종속될 것이다. 매우 작은 엘리먼트를 사용하면 작은 사용에 의해 전기장 밀도의 큰 농도에 의해 전압이 조절된다. 본 발명에서 약 5볼트의 TTL 범위의 전압을 사용하기 위해서는, PLZT의 경우, 엘리먼트의 물리적 크기가 20㎛ ×20㎛ ×200㎛의 크기일 것으로 계산된다. 홈(14)은 매우 작게 만들어 질 수 있으며, 홈을 형성하기 위해 사용되는 가공도구의 크기에 의해 제한될 수 있다. 마이크로 톱을 사용하는 방법으로 누화가 거의 영인 탁월한 결과를 얻을 수 있으며, 이 경우 톱 절단면의 크기는 약 25㎛이다. 홈의 크기를 5㎛로 함으로써 채널 사이의 누화를 효과적으로 감축시킬 수 있다.
이러한 작은 엘리먼트는 매우 작은 크기의 변조빔을 생성할 수 있어 육안으로 구별할 수 있는 섬세한 이미지 해상도를 만들어 낸다. 이것을 미시적인 이미지가 필요하거나 또는 디스플레이 장치에서 1픽셀을 만들 수 있도록 다중의 빔이 5개 또는 10개 엘리먼트의 그룹으로 합성하는 것에 응용할 수 있게 해준다.
엘리먼트의 크기는 빔이 엘리먼트를 투과하는지 후면에서 반사되는지에 따라 달라지며 이 경우 동일한 정도의 변조를 만들어 낼 수 있도록 길이나 구동전압이 대략 반으로 줄어들 수 있게 된다. 보다 작은 전기광학 특성을 갖는 물질은 적절한 변조결과를 얻을 수 있도록 보다 큰 크기 또는 증가된 인가전압을 필요로 할 수 있다.
도 1에는 제 1 엘리먼트(46)와 제 2 엘리먼트(48)가 도시되어 있다. 이 바람직한 실시예에서 이들 엘리먼트는 PLZT로 구성된다. 제 1 엘리먼트(46)와 전압 공급선 사이에는 제 1 엘리먼트(46)가 인가된 전압을 갖지 않고 비활성 상태임을 나타내는 오픈 스위치(50)가 도시되어 있다. 물론 본 발명을 실행하기 위해서는 드로우 스위치와 같은 원초적인 어떠한 것도 사용될 필요가 없다는 것을 알 수 있다. 거의 대부분 주파수(대략 100GHz 정도)가 매우 높은 적절한 전압의 사각파가 사용되나 인가전압의 상태를 설명하기 위한 용이한 수단으로서 여기에서는 드로우 스위치가 사용된다.
수직선의 좌측에 대하여 45도의 각도를 갖는 상부 선단과 일치되는 입사 선형편광(54)을 갖는 입사광빔(42)은(이것을 R 편광이라 함) 제 1 엘리먼트(46)와 제 2 엘리먼트(48)에 충돌한다. 이 입사광빔은 선형으로 편광된 레이저광이거나 또는 아마도 백열등으로부터의 광을 포함하는 경우에도 초기에는 편광되지 않는 광일 수 있으며, 편광자를 투과하여 선형으로 편광된 광을 생성하게 된다. 제 1 엘리먼트(46)는 비활성이므로 제 1 엘리먼트(46)의 출력편광은 변경되지 않는다. 이것은 R정렬된 편광자(60)를 통과하여 광센서 또는 광검출기(62)에 의해 검출되어 아마도 디지털 ″1″로서 인식될 것이다.
반대로 스위치(52)는 제 2 엘리먼트(48)를 향하여 닫히므로 공급전압이 인가되어 제 2 엘리먼트(48)가 활성화된다. 제 2 엘리먼트(48)는 인가된 전기장의 영향하에 복굴절된다. 복굴절은 인가된 전기장의 방향에 45도로 선형 편광된 입사광빔(42)을 전기력선에 각각 평행하고 수직인 2개의 직교성분으로 분할한다. 이들 성분은 동일한 경로를 따라 진행하지만 속도가 다르다. 따라서 전기광학 효과에 의해 하나가 다른 하나에 대해 지연된 2개의 성분 사이에 위상시프트가 발생된다. 제 2 엘리먼트(48)를 통해 진행한 후, 이들 성분은 변경된 출력광빔(58)의 편광 결과와 재조합된다. 만약 전압이 충분하여 편광이 λ/2 시프트되면 편광은 원래의 방향에 대해 90도 회전할 것이다. 도 1에서 5볼트의 λ/2 전압이 인가되어 90도의 위상시프트를 발생시켜 선형으로 편광된 출력광빔(58)을 제공하는 것으로 하면, 이것은 수직선의 우측에 대하여 45도 각도의 상부 선단으로 방향이 정해진다(이것은 S편광이라 함). 이 S편광광은 이제 R 정렬된 편광자(60)에 의해 봉쇄되므로 광검출기(62)에는 광이 도달하지 못하게 된다. 이것은 디지털 디바이스에 의해 ″0″으로서 인식될 수 있다.
만약 인가전압이 λ/4의 회전을 발생시키면 최종 전기장 벡터의 선단은 그것이 전파해 갈 때의 원을 그려 주는 것이기 때문에 출력광빔(58)은 원형편광으로 될 것이다. 중간전압값은 타원형의 편광을 일으킨다. 이들은 편광자(60)에 의해 불완전하게 봉쇄되므로 R 정렬된 성분만이 통과하게 한다. 따라서 광검출기(62)에 의해 보여지는 광은 저하되지 않은 입사강도에서 총 소광강도까지의 범위에 있는 어느 곳에서나 이론적으로 제어가 가능하여 만약 적절한 제어전압이 인가되면 아날로그형 출력신호를 발생하게 된다.
도 2는 다른 변조기 어레이(10)를 도시한 도면이다. 웨이퍼(12)는 부착전극 또는 매립전극(34)과 함께 도시되어 있으며, 이 실시예에서는 전기리드(38)를 부착하기 위한 도체패드(36)가 다른 위치에 구성되어 있다.
도 3은 또 다른 변조기 어레이(10)를 도시한 도면으로, 홈(14)이 웨이퍼의 원래 두께(18)를 완전히 통과하도록 연장되어 있다. 엘리먼트(64)는 웨이퍼(12)의 돌기부(16)와 그들 각각에 부착 또는 매립된 제 1 측면(22) 및 제 2 측면(24)으로 구성된다(도 1 참조). 하면(30)이 접촉하는 다른 물질로 만든 기판(66)에는 다수의 엘리먼트(64)가 형성된다. 기판(66)은 일례로서 SiO2와 같은 전기광학적으로 활성이 아닌 낮은 유전물질인 것이 바람직하다. 돌기부(16)는 전극(34)과 도체패드(36)의 가공 또는 부착에 앞서 기판(66)에 부착되거나 접착되며, 그렇지 않을 경우 완성된 엘리먼트(64)가 기판(66)에 부착되기 전에 조립될 수 있다.
도 4는 또 다른 변조기 어레이(10)를 도시한 도면으로, 이 실시예에서는 전극(34)이 돌기부(16)의 상면(20)에 부착되고 대형 단일전극(68)이 웨이퍼(12)의 하면(70)에 위치된다. 적절하게 배치된 복수의 개개의 전극은 도 4 및 다음의 도 5에 도시된 대형 단일전극(68) 대신에 웨이퍼(12)의 하면(70)에 사용될 수 있다. 도체패드(36)는 전기리드(38)에 대한 부착지점으로서 전극(34) 및 대형 단일전극(68)에 부착된다. 연마된 전면(26)은 전술한 바와 같이 표시되며 입사광빔(42)은 방향을 표시하기 위해 도시된다. 편광방향은 위상지연의 원리가 도 1과 동일하므로 90도의 회전 등을 일으키는 λ/2의 시프트와 함께 도시되어 있지 않다. 전극(34)과 대형 단일전극(68)의 이 위치는 상이한 횡방향의 전기장을 발생시키지만 종래기술에서는 얻을 수 없었던 채널분리와 누화의 최소화에 대한 이점을 갖게 해준다.
도 5는 도 4의 구성에 대한 변형 예를 도시한 것으로, 상부 도체패드(36)가 웨이퍼(12)의 방향과 다른 방향으로 위치되어 있다. 전극(34)과 대형 단일전극(68)은 도 4와 같이 배치되어 횡방향의 전기장을 생성시킨다. 연마된 전면(26)과 입사광빔(42)은 방향을 나타낼 목적으로 도시하였다.
비록 이 도면에 도시되어 있지는 않지만 도 4 및 도 5에 도시된 도체패드 위치에서의 상하부 전극의 배열과 변화는 만약 기판물질이 적절한 도전특성을 가지고 있다면 도 3에 의해 제안된 방식으로 다른 기판물질상에 위치되는 엘리먼트와 함께 사용될 수 있다. 또한 엘리먼트는 그 엘리먼트를 지지하고 위치결정하기 위한 기판으로 작용할 수 있는 대형 단일 하부전극에 직접 부착될 수도 있다. 이와 달리 전극은 조립된 엘리먼트를 기판에 실장하기 직전에 전기광학 물질의 양면에 부착되거나 매립될 수 있다.
도 6은 원래 웨이퍼(12)에 형성되거나 도 3에 도시된 실시예와 동일한 방식으로 광학적으로 투명한 다른 물질의 기판(66) 상에 분리되어 형성되는 수정된 돌기부(72)의 어레이(10)를 도시한 것이다. 수정 돌기부(72)는 웨이퍼(12)나 기판(66)의 긴 가장자리와 평행한 긴 측면을 향하는 것으로 도시되어 있으나 웨이퍼(12)나 기판(66)의 긴 가장자리를 횡단하는 돌기부(72)의 긴 측면을 향할 수도 있다는 것을 이해하여야 한다. 편광된 입사광빔(42)은 웨이퍼(12) 또는 기판(66)의 하면(70)으로 입사되어 경사진 제 1 측면(74)과 경사진 제 2 측면(76)에서 내적으로 반사되어 웨이퍼(12)의 하면(70)으로 나온다. 만약 적절한 전압이 전극(78)에 인가되면 출력광빔(80)의 최종편광은 상술한 방식으로 변조될 것이다. 여기에서 면의 각도는 총 내부반사를 허용하도록 선택되지만 만약 반사막이 이들 면에 도포되면 각도를 다양하게 변경하여 사용할 수 있다.
도 7은 경사진 제 2측면(84)이 각 돌기부(82)의 상면(20)에서 나오는 출력광빔(86)을 향하여 각도를 갖는 방식으로 돌기부(82)가 수정된 변조기 어레이(10)의 또 다른 실시예를 도시한 것이다. 도 6에서처럼 돌기부는 횡방향을 향할 수도 있고, 다른 기판물질이 사용될 수도 있으며, 반사막이 반사면에 도포될 수도 있다.
도 8은 도 1에 도시된 것과 동일한 변조기 어레이(10)를 사용하는 광빔 변조 및 스위칭 시스템(11)을 도시한 것이다. 편광 ″R″인 선형으로 편광된 입사광빔(42)은 오픈 스위치(50) 때문에 비활성인 제 1 엘리먼트(46)에 들어가므로 출력편광(56)은 변하지 않는다. 이 R 편광광은 위치결정된 빔스플리터(88)에 입사되므로 도시된 바와 같이 반사광빔(90)으로서 φ의 각도로 빔스플리터의 밖으로 반사될 것이다. 활성인 제 2 엘리먼트(48)에서는 전압이 λ/2 시프트를 발생하는 것으로 계산되고, 편광이 ″S″방향에 대하여 90도 회전되어 도시된 바와 같이 비반사 광빔(92)으로서 빔스플리터(88)를 투과한다. 이들 빔은 개개의 디지털 정보를 전달하기 위해 사용될 수 있으며, ″채널 1″(94)과 ″채널 2″(96)로 표시된다. 빔스플리터는 본 명세서에서 설명된 다른 실시예와 함께 채널분리 장치로서 사용될 수 있다.
도 9는 다른 광변조 어레이(10)를 사용하는 광빔 변조 및 스위칭 시스템(11)의 평면도이다. 단일 돌기부(16)가 도시되어 있으며, 이것은 굴절률 N1인 물질의 부분 또는 제 1 블록(98)과, 굴절률 N2인 물질의 제 2 블록(100)으로 구성된다. 두 물질의 접합부에는 경계(102)가 형성된다. 2 블록 중 하나의 블록, 즉 제 1 블록(98)은 상부 및 하부 전극(104)을 구비한다. 제 1 블록(98)은 전극(104)이 충전되지 않았을 때 전기광학 물질이 비활성이고 N1=N2인 전기광학 물질로 구성된다. 전압이 전극(104)에 인가되면 제 1 블록(98)은 활성으로 되고 굴절률은 전기력선과 정렬되는 편광성분에 대하여 변화되고, 이 편광에 있어서 N1〉N2이다. 제 1 블록(98)이 비활성이면 입사광빔(106)은 빔이 두 블록 사이의 경계를 통과하여 비반사 광선(108)으로서 나오도록 법선에 대하여 각도 ε로 제 1 블록(98)에 투사된다. 제 1 블록(98)이 비활성이면 굴절률이 증가하여 총 내부반사(Total Internal Reflectance, TIR)가 발생하며, 빔이 경계(102)에서 제 1 블록(98)으로 반사되어 들어가 반사광선(110)으로서 나온다. 두 개의 출력광빔(108, 110)은 각도 δ만큼 분리되며, 도면에서는 설명의 편의를 위해 상당히 과장되게 표현하였다. 이들 분리된 빔(108, 110)은 센서(112)에 의해 검출될 수 있으므로 데이터 전송을 위한 채널분리를 위해 사용된다.
또한 돌기부(16)는 광학적으로 분할된 부분을 갖는 물질로 이루어지는 단일한 일체형의 블록으로 만들어 질 수도 있다. 제 1 블록(98)은 이 부분에 상이한 굴절률을 유도하도록 부착되는 전극(104)을 구비할 수 있다. 입사광빔(106)은 상술한 바와 같이 활성화된 부분(98)과 비활성화된 부분(100) 사이의 인터페이스에서 전부 내부로 반사될 것이다. 이 인터페이스 또는 경계(102)는 제 1 부분(98)과 다른 두께를 갖는 제 2 부분(100)에 의해 보다 분명하게 확정될 수 있다. 이것은 전기력선이 잘 위치되도록 하여 줄무늬가 덜 발생되도록 하고 보다 선명한 인터페이스 경계(102)를 확립시킨다.
도 10은 채널분리를 실행하기 위해 다른 광변조 어레이(10)를 사용하는 광빔 변조 및 스위칭 시스템(11)의 사시도이다. 도시된 단일 프리즘형 돌기부(114)는 전극(116)에 의해 전기광학적으로 활성화될 수 있어 굴절률을 증가시킬 수 있다. 이것은 광빔이 물질이 활성상태일 때와 약간 다르게 입사할 때 광빔이 법선에 대하여 굴곡되도록 한다. 따라서 엘리먼트가 활성이면 광빔은 제 1 경로(118)를 따르고 엘리먼트를 떠나 제 1 출력경로(120)를 추종할 때의 법선에 대해 약간 다른 각도로 나오게 된다. 이와 대조적으로 엘리먼트가 비활성이면, 광은 입사시에 제 2 경로(122)를 추종하게 되어 제 2 출력경로(124)를 따르게 된다. 이들 2개의 경로는 도 10에서 점선으로 도시되어 있다. 이들 제 1 출력경로(120) 및 제 2 출력경로(124)는 각도 β로 분리되며 거울면(126)에 의해 센서(128)로 방향이 정해져 분리된 채널을 생성하게 된다. 경로의 분리 및 분리각은 도 10에서 설명의 편의를 위해 과장되게 도시되어 있다.
도 11은 전극(130)을 갖는 단부 실장형 전극(130)이 돌기부(16)의 전면(26)과 후면(28)에 부착되는 또 다른 광변조 어레이(10)를 도시한 것이다. 이 구성에서 전기력선은 입사광빔(42)의 방향과 공통선 상에 있다. 적절한 전압을 인가하면 상술한 방식과 유사한 방식으로 편광출력이 변화한다. 출력을 분리채널로 분할하거나 또는 외부 분광자를 사용하는 상술한 방법뿐 아니라 상이한 기판물질에 엘리먼트를 실장하고 도체패드의 위치를 변경하는 방법이 사용될 수 도 있다.
단일 집적엘리먼트를 제조하기 위해서는 레이저의 출력부에 물리적으로 부착된 변조 엘리먼트와 함께 다이오드 레이저와 같은 광생성 엘리먼트를 구비할 수 있다.
바람직한 실시예의 다른 변형은 가요성 매체에 고정되는 엘리먼트의 어레이를 생성할 수 있도록 졸-겔 공정을 사용한다. 졸-겔 공정은 화학적으로 비교적 낮은 온도(400~800℃)에 기초한 방법으로 종래공정에서 사용하는 높은 온도(2,000℃)에서 보다 순도와 균질성이 우수한 세라믹 및 유리를 제조할 수 있다.
성형공정을 사용하면 두 가지 방법이 가능하다. 첫 번째 방법에서는 투명하거나 투명하지 않은 비전기광학 매트릭스를 선택적으로 준비한다. 측벽에는 전극들을 형성한다. 그리고 이 매트릭스에 졸-겔형 또는 폴리머 수지의 부드럽고 경화성 전기광학 물질을 채워넣는다. 그 다음 경화시켜 비전기광학 물질에 의해 공간적으로 분리된 전기광학 변조기의 어레이를 만들어 낸다.
두 번째 방법에서는 전기광학적으로 활성인 고체 또는 가요성 물질의 매트릭스를 준비한다. 그리고 이 매트릭스에 광학적으로 투명하거나 불투명한 졸-겔형 또는 폴리머 수지의 부드럽고 경화성 비전기광학 물질을 채워넣는다. 그 다음 경화시켜 비전기광학 물질에 의해 공간적으로 분리된 전기광학 변조기의 어레이를 만들어 낸다.
PLZT에 있어서는, 매립된 인접전극 사이의 간격이 1~2㎛이고, 1.5㎛의 박막두께에 대한 20~30볼트의 λ/2전압범위로부터 1~2㎛의 박막두께에 대한 TTL레벨 (4~5볼트)의 λ/2전압범위를 갖는 박막이 졸-겔공정에 의해 만들어진다. 이러한 아이디어는 음극선관처럼 기능하고 음극선과 성공적으로 호환될 수 있는 매우 큰 영역을 갖는 평판 디스플레이 응용분야에서는 매우 매력적이다. 낮은 구동전압을 달성하기 위해서는 전극간격이 필연적으로 매우 작아져야 하기 때문에 최종 픽셀의 크기 또한 매우 작고, 이것은 고해상도의 평판 디스플레이나 공간광 변조기를 만들 수 있게 해준다. 이러한 미세한 픽셀구조는 소비제품에 관한한 인간의 눈에 대한 통상적인 해상도의 능력보다 낮으며, 서브마이크론 및 마이크론 크기의 구조는 표준크기의 픽셀(보통 수십 또는 수백 마이크론)을 제조하는 것으로 과장될 수 있다. 제조공정을 단순화하고 현존하는 평판기술과 호환가능하게 하기 위해 픽셀크기를 크게 만들 수 있다. 이 경우 각 픽셀은 PLZT 매립 셔터전극의 인터디지털 패턴을 나타낸다.
도 12는 졸-겔 매트릭스(136)에 포함된 매립전극(134)으로 구성되는 변조 어레이(10)의 평면도이다. 화살표는 전기력선(138)을 나타낸다. 전극(134)의 높이는 막의 두께에 의해 규정된다. 도면에서 광은 도면에 수직으로 진행한다. 비편광광에 있어서, 변조기 어레이(10)는 2개의 간섭편광자(도시생략) 사이에 위치된다. 전극구조는 졸-겔 박막의 증착 전이나 또는 증착 후에 표준에칭 또는 마이크로 가공기술을 사용하여 증착될 수 있다. 에칭기술과 성형공정을 이용하면 전극(134)의 높이는 10㎛ 정도로 훨씬 높아지고 전극 사이의 간격은 1~2㎛로 될 수 있다. 이 경우에 졸-겔은 전극(134) 사이의 간격을 채울 수 있고, 박막은 동일한 조립공정과 유사한 공정조건을 보증하도록 충분히 얇다(수 마이크론). 이것은 구동 또는 스위칭 전압을 TTL레벨(4~5볼트) 또는 그 미만(1~3볼트 이하)으로 가능하게 해준다. 따라서 조립된 어레이는 투과 또는 반사모드로 사용될 수 있다. 부가적으로 졸-겔 물질은 전극 사이를 완전히 채우도록 사용되거나 그 대신 코팅으로서 전극의 양면에 증착될 수 있다. 만약 코팅으로서 사용되면 추가의 전극이 졸-겔 코팅의 외면에 부가될 수 있어 완전한 엘리먼트를 만들고 각 엘리먼트는 갭 또는 홈에 의해 이웃하는 엘리먼트와 분리된다.
상술한 예 외에도 본 발명으로부터 벗어나지 않고 본 발명의 어레이(10)에 대한 다른 다양한 수정과 변경을 행할 수 있다. 따라서 상술한 설명은 제한을 위한 것으로 한정되어서는 아니되며, 첨부된 청구범위는 본 발명의 사상과 범위를 망라하는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명의 어레이(10)는 광변조기 및 고속 광스위칭 디바이스가 고속인쇄, 이미지 처리 및 전기통신 등에 사용되는 광범위한 분야의 응용에 적합하다. 본 발명은 특히 평판 디스플레이 및 프로젝션 텔레비전의 사용에 유용하다.
비록 상술한 기본 어레이의 구조는 일차원의 선형구조이지만 이들은 2차원의 시트 또는 큰 사이즈를 형성하도록 구성되거나 배열될 수 있다. 게다가 이들은 졸-겔 공정의 사용만으로 천과 거의 같은 얇은 가요성 디스플레이 물질을 만들기 위해 사용될 수 있으며, 이것은 아마도 3차원의 형상을 커버하거나 천을 만들기 위해 사용될 수도 있다.
현재 평판 디스플레이에 사용되는 물질은 디스플레이 정보의 변화에 대해 매우 느리게 반응한다. 이것은 특히 움직이는 물체의 디스플레이가 디스플레이의 응답지연 때문에 뒤에 흔적을 남기는 랩톱 컴퓨터의 평판 디스플레이에서 공통적으로 발견되는 문제를 야기시킨다. 이와는 대조적으로 본 발명은 100GHz 이상의 속도로 스위칭할 수 있기 때문에 인간의 눈의 능력을 초월하여 각각의 단계를 모션의 디스플레이로 기록할 수 있다.
또한 종래의 디스플레이는 앨리어싱의 문제 또는 디지털 디스플레이 픽셀의 상대적으로 큰 크기 때문에 디스플레이된 물체의 외곽선 부근에서 볼 수 있는 들쭉날쭉한 가장자리의 문제를 안고 있다. 이와는 대조적으로 본 발명의 엘리먼트는 단면적이 1㎛ ×1㎛보다 작게 만들어 질 수 있어서 각 엘리먼트는 독립적인 신호를 만들어 낼 수 있다. 따라서 각 엘리먼트는 잠재적으로는 독립적인 픽셀이다. 본 발명의 사용은 앨리어싱의 문제를 완전히 제거하여 극미한 크기로 낮춘다. 실제로 사람의 눈은 이러한 작은 엘리먼트를 분석할 수 없다. 따라서 인간의 육안의 척도로 사용하기 위해서는 그 전체 크기가 충분히 작아서 현재 이용가능한 것보다 훨씬 양질의 이미지 해상도를 제공할 수 있는 보다 큰 픽셀로 그룹화될 수 있다. 마이크로칩 제조용의 극히 작은 포토마스크를 만드는 것처럼, 극히 작은 픽셀크기가 유리한 응용분야가 있다. 본 발명의 그룹화되지 않은 픽셀은 이러한 사용에 유일하게 적합하다.
엘리먼트의 매우 작은 크기는 낮은 구동전압을 가능하게 하여 희망하는 전기광학 효과를 유도하기에 필요한 전기장 밀도를 생성한다. TTL 레벨은 일부 물질에 의해 사용할 수 있게 된다. TTL 레벨전압의 사용은 많은 중요한 이점을 갖는다. TTL레벨의 전원은 수년 동안 개발되어 왔으며 상용으로 구입할 수 있는 재고품이다. 전원은 주문생산할 필요없이 본 발명을 이용하는 시스템을 위해 용이하게 구할 수 있다. 이것은 또한 TTL 장치를 사용하고 적절한 전원을 이미 구비하고 있는 장비에 본 발명을 용이하게 도입할 수 있게 해준다.
본 발명은 또한 서브 TTL 레벨을 이용하도록 설계될 수 있다. 이것은 또한 보다 작은 구동전압이 공급되는 많은 응용장치에 유용하다.
전기력선을 채널화하는 특징에 대한 이점없이 공통웨이퍼 상에 조립된 종래기술의 광변조기 및 광스위치는 채널 사이의 누화라는 공통의 문제점을 갖는다. 이것은 이미지의 명료성을 간섭하여 전송된 데이터를 방해할 수 있다. 이와는 대조적으로 본 발명은 이산 엘리먼트를 이용함으로써 특히 채널사이의 누화가 제거되어 선명한 이미지의 생성과 데이터전송의 향상된 정밀도와 무결성을 가능하게 해준다. 이것은 프린터, 전기통신 및 비쥬얼 디스플레이와 같은 광범위한 디바이스 분야에서 많은 산업상 이용가능성을 갖게 해준다.
또한 전기통신 응용분야에서는 지금까지 사용되어온 종래기술의 다이오드 레이저는 통상적으로 다이오드 레이저에 공급된 전압이 신속하게 변조될 때 발생할 수 있는 간섭인 ″처핑(chirping)″의 문제를 안고 있다. 이와는 대조적으로 본 발명은 다이오드 레이저 자체보다는 광출력을 변조한다. 이것은 간섭을 상당히 감축시킬 수 있고 처핑의 문제를 제거할 수 있다. 이것은 전기통신 응용분야에 대한 중요한 이점이 될 수 있다.
본 발명을 산업상의 응용분야에 특히 바람직하게 하는 다른 특징은 그 제조를 용이하게 하고 저렴하게 한다는 점이다. 이것은 종래의 수단에 의한 마이크로 가공, 레이저 절제, 전기분야에서의 선택적인 에칭 및 성형과 같은 방법을 변형함으로써 현존하는 기술을 변형하거나 졸-겔 공정을 이용하여 만들어질 수 있다. 마이크로 가공에 있어서, 실리콘 웨이퍼를 잘라내는데 현재 사용되는 것과 동일한 종류의 마이크로 톱이 돌기부들 사이의 슬롯을 형성하기 위해 사용될 수 있다.
광변조 어레이(10)를 제조하는 다른 방법은 졸-겔 공정을 사용하여 가요성의 매체에 고정되는 엘리먼트의 어레이를 만드는 것이다. 졸-겔 공정은 보다 높은 온도의 종래 공정보다 순도와 균질성이 높은 세라믹과 유리를 제조할 수 있는 비교적 저온의 화학적 방법에 기초한다. 졸-겔 공정의 다른 매력적인 특징은 종래의 방법으로 가능하지 않은 조성을 만들어 낼 수 있는 능력이다.
졸-겔 공정으로 만들어지는 PLZT 전기광학 세라믹의 박막은 분말로부터 만들어지는 PLZT 세라믹에 대해 많은 이점을 갖는다. 박막의 큰 표면적이 만들어 질 수 있어 매우 균일한(동질의) 물질구조를 갖게 된다. 분말로부터 제조되는 PLZT 세라믹에 비해 훨씬 다공성이 덜하며 10의 nm 범위로 작은 입자크기를 달성할 수 있게 된다. 박막의 두께범위를 수 나노미터에서 수 마이크론의 범위로 광범위하게 제조할 수 있다.
졸-겔 제조는 또한 고용량 제조에 적합하다. 이것은 큰 공간광 변조기 또는 평판 디스플레이에 적합하고, 저렴하며, 산업계에서 표준인 마이크로 가공 제조공정을 이용할 수 있다. 이것은 궁극적으로는 음극선관을 대체하기 위해 사용될 수 있는 매우 넓은 시야각을 가지면서 컴퓨터 상호접속과 고속 전기통신에 적합한 초고속의 선명한 평판 디스플레이 또는 공간광 변조기에 사용될 수 있다.
상술한 이유 및 다른 이유로 본 발명의 장치는 광범위한 산업상 이용가능성을 가질 수 있을 것으로 예상된다. 따라서 본 발명의 상업적 유용성은 광범위하고 장기간 지속될 것으로 예상된다.

Claims (21)

  1. 전기광학 물질로 형성되며, 전기적 광학적으로 서로 분리되고, 각각 상면, 하면, 제 1 및 제 2 측면, 전면, 후면을 갖는 복수의 이산 돌기부와,
    상기 각 돌기부와 결합되며, 상기 돌기부의 상기 면들 중의 하나에 입사되는 하나 이상의 광빔을 독립적으로 변조하기 위해 상기 전기광학 물질에 전기장을 유도시키는 복수의 전극을 구비하는 것을 특징으로 하는 광변조 어레이.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 돌기부는 전기광학 물질의 단일 웨이퍼로부터 형성되며, 상기 돌기부의 하면은 상기 웨이퍼와 일체인 것을 특징으로 하는 광변조 어레이.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 돌기부는 분리 기판층에 형성되는 것을 특징으로 하는 광변조 어레이.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 돌기부는 유전물질의 영역에 의해 분리되는 것을 특징으로 하는 광변조 어레이.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 측면은 입사광빔이 상기 돌기부 내에서 내부로 반사되도록 경사진 것을 특징으로 하는 광변조 어레이.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 2 측면은 입사광빔이 상기 돌기부 밖으로 나가도록 경사진 것을 특징으로 하는 광변조 어레이.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 경사면은 반사수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 광변조 어레이.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기광학 물질은 전기광학 결정, 다결정질 전기광학 세라믹, 전기광학적으로 활성인 폴리머, 전기광학 반도체 및 전기광학 유리로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 광변조 어레이.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 전기광학 물질은 란타늄 농도가 전체 조성의 8.5%~9.0%의 범위에 있는 PLZT인 것을 특징으로 하는 광변조 어레이.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극은 상기 돌기부의 제 1 측면 및 제 2 측면에 부착되는 것을 특징으로 하는 광변조 어레이.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극은 상기 돌기부의 전면과 후면에 부착되며, 상기 전극은 광빔 통로용의 개구부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광변조 어레이.
  12. 제 2 항에 있어서,
    상기 웨이퍼는 하면을 포함하고,
    상기 각 돌기부의 각 상면에는 전극이 부착되며, 하나 이상의 전극이 상기 웨이퍼의 상기 하면과 접촉하는 것을 특징으로 하는 광변조 어레이.
  13. 제 3 항에 있어서,
    상기 각 돌기부의 각 상면에는 전극이 부착되며, 상기 기판층은 어레이의 각 돌기부의 하면과 접촉하는 하나 이상의 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 광변조 어레이.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 각 돌기부는 복수의 전극이 결합되는 상기 전기광학 물질의 제 1 부분을 포함하고, 상기 각 돌기부는 어떠한 전압도 인가되지 않고 상기 제 1 부분이 전기광학적으로 활성화될 때에는 상기 제 1 부분의 굴절률과 일치하는 굴절률을 갖지만 적절한 전압의 인가에 의해 상기 제 1 부분이 전기광학적으로 활성화될 때에는 상기 제 1 부분의 굴절률보다 작은 굴절률을 갖는 물질로 구성되는 제 2 부분을 추가로 포함하며,
    상기 제 1 부분과 제 2 부분은 그들의 접합부에 경계가 형성되도록 서로 밀접한 관련이 있으며,
    상기 각 돌기부는 각 광빔이 각 돌기부의 제 1 부문으로 들어가서 상기 제 1 부분 및 제 2 부분 사이의 경계와 어떤 각도로 충돌하도록 하나 이상의 광빔에 대하여 일정한 방향을 향하며, 상기 어떤 각도는 상기 제 1 부분이 충분한 전압의 인가에 의해 전기광학적으로 활성화될 때에는 각 광빔이 내부에서 완전히 반사되도록 하나 상기 제 1 부분이 전기광학적으로 활성화되지 않은 때에는 상기 경계를 통해 비반사로 통과하도록 하는 각도인 것을 특징으로 하는 광변조 어레이.
  15. 전기광학 물질로 형성되며, 전기적 광학적으로 서로 분리되고, 상면, 하면, 전면, 후면을 갖는 프리즘 형상으로 형성되는 복수의 이산 돌기부와,
    상기 각 돌기부와 결합되며, 하나 이상의 입사광빔을 독립적으로 변조하기 위해 상기 전기광학 물질에 전기장을 유도시키는 복수의 전극을 포함하며,
    상기 프리즘 형상의 각 돌기부는 어떠한 전압도 인가되지 않고 상기 돌기부가 전기광학적으로 활성화될 때에는 상기 돌기부의 전면에 입사된 각 광빔이 각 돌기부에 들어가서 제 1 경로를 진행하여 상기 돌기부의 후면으로부터 제 1 각도로 나오도록 하지만, 상기 돌기부가 적절한 전압의 인가에 의해 전기광학적으로 활성화될 때에는 각 광빔이 제 2 경로를 진행하여 상기 돌기부의 후면으로부터 제 2 각도로 나오도록, 하나 이상의 광빔에 대하여 일정한 방향을 향하는 것을 특징으로 하는 광변조 어레이.
  16. 전기광학 물질의 매트릭스를 구비하며,
    상기 매트릭스는 복수의 인접한 매립전극을 포함하며, 상기 전극은 상기 전기광학 물질의 매트릭스에 입사되는 하나 이상의 광빔을 독립적으로 변조하기 위해 상기 전기광학 물질에 전기장을 유도시키는 것을 특징으로 하는 광변조 어레이.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 전극은 졸-겔 침착, 성형, 전극배치 다음의 매트릭스 에칭 및 매트릭스의 마이크로 가공으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 공정에 의해 상기 매트릭스 물질 내에 매립되는 것을 특징으로 하는 광변조 어레이.
  18. 전기광학 물질로 형성되며, 전기적 광학적으로 서로 분리되고, 상면, 하면, 하나 이상의 측면, 전면, 후면을 갖는 하나 이상의 이산 돌기부와,
    상기 각 돌기부와 결합되며, 상기 돌기부의 상기 면들 중의 하나에 입사되는 광빔으로서 제 1 방향으로 선형 편광되는 하나 이상의 광빔을 독립적으로 변조하기 위해 상기 전기광학 물질에 전기장을 유도시키는 복수의 전극과,
    상기 돌기부에 들어가는 편광광의 빔에서 제 1 편광방향으로부터 제 2 편광방향으로 원하는 편광 시프트를 일으킬 수 있도록 충분한 전압을 공급하는 전원과,
    상기 전원으로부터 상기 복수의 전극으로 전기를 흐르게 하는 도체수단과,
    상기 도체수단을 통해 상기 전극으로 인가되는 전압을 제어하는 스위칭 수단과,
    제 2 편광방향의 광에서 제 1 편광방향의 광을 분리하는 분리수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 광변조 시스템.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 도체수단은 각 돌기부의 상면상의 2개의 도체패드, 각 돌기부의 각 측면상의 하나의 도체패드, 각 돌기부의 상면상의 하나의 도체패드로 구성되는 그룹으로부터 선택되도록 된 구성에서 상기 전극에 접속되는 도체패드와, 각 돌기부의 하부와 결합된 하나 이상의 전극의 각각의 전극상의 도체패드를 포함하는 것을 특징으로 하는 광변조 시스템.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 분리수단은 하나의 편광방향을 갖는 출력 편광자이고, 상기 편광자는 상기 출력 편광자의 편광방향과 동일한 편광방향을 갖는 상기 돌기부로부터 선형으로 편광된 광출력을 투과하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 광변조 시스템.
  21. 제 18 항에 있어서,
    상기 분리수단은 빔스플리터이며, 상기 빔스플리터는 제 1 편광방향의 광이 상기 빔스플리터를 통과하고 제 2 편광방향의 광은 반사되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 광변조 시스템.
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