KR20130022084A - 나노 구조를 갖는 음향광학 소자, 및 상기 음향광학 소자를 이용한 광스캐너, 광 변조기 및 디스플레이 장치 - Google Patents
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Abstract
출력광의 회절 각도 범위를 증가시키도록 나노 구조를 갖는 음향광학 소자 및 이를 이용한 광스캐너, 광 변조기, 디스플레이 장치를 개시한다. 개시된 음향광학 소자는, 테이퍼지게 형성된 유전체 광도파로, 상기 유전체 광도파로의 적어도 꼭지점 부근 둘레를 둘러싸는 금속층, 상기 유전체 광도파로의 꼭지점 부근 내에 배치된 이득 매질층, 및 표면 탄성파를 발생시켜 상기 유전체 광도파로에 표면 탄성파를 인가하는 음파 발생기을 포함할 수 있다. 이러한 나노 구조의 음향광학 소자는, 테이퍼지게 형성된 유전체 광도파로의 꼭지점 부근에서 표면 플라즈몬의 증폭을 최대화시키고, 이때 유전체 광도파로의 꼭지점 부근에서 발생하는 강한 비등방 굴절률을 이용하여 출력광의 회절 각도 범위를 증가시킬 수 있다.
Description
개시된 실시예들은 나노 구조를 갖는 음향광학 소자 및 상기 음향광학 소자를 이용한 광스캐너, 광 변조기 및 디스플레이 장치 등에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 출력광의 회절 각도 범위를 증가시키도록 나노 구조를 갖는 음향광학 소자 및 이를 이용한 광스캐너, 광 변조기, 디스플레이 장치 등에 관한 것이다.
음향광학 효과(acousto-optic effect)란 음파나 초음파로 매질(medium)의 밀함과 소함 정도를 변화시킴으로써 매질 내에서 빛의 굴절률이 주기적으로 변화하는 효과이다. 이러한 음향광학 효과로 인해 매질은 위상 격자로서 작용할 수 있으므로, 상기 매질에 입사하는 빛을 회절시킬 수 있다. 또한, 이러한 음향광학 효과를 갖는 매질을 통상적으로 음향광학 매질이라고 부른다. 음향광학 매질에 의한 회절광의 강도와 회절각은 각각 음파의 강도와 주파수에 따라서 변화하는 성질이 있다. 따라서, 상술한 성질을 갖는 음향광학 매질의 표면에, 예를 들어, 초음파 발생기와 같은 음파 발생기를 장착한 구조의 음향광학 소자는 빛을 진폭 변조하는 광 변조기 또는 빛을 편향시키는 광스캐너 등에서 다양하게 응용될 수 있다.
그런데, 기존의 자연계에 존재하는 음향광학 매질을 그대로 이용한 음향광학 소자들은 음향광학 매질의 제한된 광학적 비등방성 및 음향광학 변환율에 의하여 출력광의 회절각에 제약이 있었다. 즉, 기존의 음향광학 소자의 경우, 출력광의 회절각 범위가 충분히 넓지 못하다. 따라서, 광스캐너, 광 변조기, 디스플레이 등의 다양한 광학적 응용 분야에서, 음향광학 소자를 사용할 때 좁은 회절각 범위를 보완하기 위한 별도의 광학계 등이 필요하다. 이는 전체적인 시스템의 크기를 크게 만들거나 해상도를 저하시키는 원인이 될 수 있다. 이에 따라, 음향광학 매질을 다양한 형태로 구조화하여 음향광학 소자의 회절각 범위를 증가시키기 위한 연구가 진행되고 있다.
출력광의 회절 각도 범위를 증가시킨 음향광학 소자를 제공한다.
또한, 상기 음향광학 소자를 이용한 광스캐너, 광 변조기 및 디스플레이 장치를 제공한다.
본 발명의 일 유형에 따르면, 입사광이 진행하는 광도파로; 상기 광도파로의 적어도 상부 부근의 둘레를 둘러싸는 금속층; 상기 광도파로의 상부 부근 내에 배치된 이득 매질층; 및 표면 탄성파를 발생시켜 상기 광도파로에 표면 탄성파를 인가하는 음파 발생기;를 포함하는 음향광학 소자가 제공될 수 있다.
상기 음향광학 소자는 기판을 더 포함할 수 있으며, 상기 광도파로는 상기 기판의 상부 표면 위에 배치될 수 있다.
상기 음파 발생기는, 예를 들어, 상기 기판의 측면 또는 상부 표면 위에 배치될 수 있다.
또한, 다수의 평행한 광도파로가 규칙적인 간격으로 상기 기판 위에 배열될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 광도파로는 측면이 비스듬한 테이퍼진 단면을 가질 수 있다.
예를 들어, 상기 광도파로는 바닥면의 폭이 상대적으로 넓고 꼭지점의 폭이 상대적으로 좁은 사다리꼴의 형태를 가질 수 있으며, 상기 금속층은 상기 광도파로의 적어도 꼭지점 부근의 둘레를 둘러싸고, 상기 이득 매질층은 상기 광도파로의 꼭지점 부근 내에 배치될 수 있다.
상기 이득 매질층은, 예를 들어, 상기 광도파로의 중간 이상의 높이에 해당하는 영역 내에 배치될 수 있다.
또한, 상기 금속층은 상기 광도파로의 적어도 꼭지점 부분과 상기 광도파로 내의 이득 매질층 부분을 덮도록 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 이득 매질층은 광학적 또는 전기적 자극에 의해 빛을 발생시키거나 증폭시킬 수 있는 발광 물질 또는 이득 물질로 이루어질 수 있다.
예를 들어, 상기 이득 매질층은 다수의 양자장벽층과 다수의 양자우물층이 교호하여 반복적으로 적층된 다중양자우물 구조 또는 양자점을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 다수의 광도파로가 배치될 수 있으며, 인접한 두 광도파로에 각각 형성된 두 금속층 사이에 간격이 존재할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 유형에 따르면, 기판; 상기 기판 위에 서로 평행하게 배열되어 있는 적어도 2개의 금속층; 상기 적어도 2개의 금속층 사이에 배치된 것으로, 입사광이 진행하는 광도파로; 인접하는 두 금속층의 바닥면 사이에서 상기 광도파로 내에 배치된 이득 매질층; 및 표면 탄성파를 발생시켜 상기 광도파로에 표면 탄성파를 인가하는 음파 발생기;를 포함하는 음향광학 소자가 제공될 수 있다.
상기 적어도 2개의 금속층은 입사광의 진행 방향을 따라 일 방향으로 길게 연장될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 적어도 2개의 금속층과 상기 광도파로는 측면이 비스듬한 테이퍼진 단면을 가질 수 있다.
예를 들어, 상기 적어도 2개의 금속층은 바닥면의 폭이 상대적으로 넓고 꼭지점 부분의 폭이 상대적으로 좁은 사다리꼴의 형태를 가질 수 있으며, 상기 적어도 2개의 금속층 사이에 배치된 광도파로는 바닥면의 폭이 상대적으로 좁고 상부 부분의 폭이 상대적으로 넓은 역사다리꼴의 형태를 가질 수 있다.
또한, 상기 이득 매질층은 인접하는 두 금속층의 바닥면 사이의 상기 광도파로의 꼭지점 영역 내에 배치될 수 있다.
한편, 본 발명의 또 다른 유형에 따르면, 광을 제 1 방향으로 편향시키도록 배치된 상술한 구조의 제 1 음향광학 소자; 광을 상기 제 1 방향에 수직한 제 2 방향으로 편향시키도록 배치된 상술한 구조의 제 2 음향광학 소자; 및 상기 제 1 음향광학 소자에 광을 입사시키는 광 커플링 소자;를 포함하는 광스캐너가 제공될 수 있다.
상기 광스캐너는 기판을 더 포함할 수 있으며, 상기 제 1 음향광학 소자와 제 2 음향광학 소자는 서로 인접하여 상기 기판 내에 배치될 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 유형에 따른 2D/3D 전환 입체 영상 디스플레이 장치는, 디스플레이 패널; 및 상기 디스플레이 패널의 전면에 배치된 것으로, 상기 디스플레이 패널에 디스플레이 되는 영상을 편향시키기 위한 음향광학 소자 어레이;를 포함할 수 있으며, 여기서 상기 음향광학 소자 어레이는 상술한 구조의 다수의 음향광학 소자들을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 음향광학 소자 어레이의 각각의 음향광학 소자는 가로 방향으로 길게 연장되어 있고, 다수의 음향광학 소자들이 세로 방향을 따라 배열될 수 있다.
일 실시예에서, 하나의 음향광학 소자는 디스플레이 패널의 적어도 하나의 화소행과 대응할 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 유형에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치는, 광을 제공하는 광원; 광원으로부터 제공된 광을 회절시키는 것으로, 상술한 구조의 다수의 음향광학 소자들을 포함하는 음향광학 소자 어레이; 및 상기 음향광학 소자 어레이에 의해 회절된 광을 투사시키는 투사 광학계;를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 음향광학 소자 어레이의 각각의 음향광학 소자는 가로 방향으로 길게 연장되어 있고, 다수의 음향광학 소자들이 세로 방향을 따라 배열될 수 있다.
일 실시예에서, 음향광학 소자는 홀로그래픽 디스플레이 장치에서 디스플레이되는 홀로그램 영상의 수평 방향 홀로그램 행들을 생성시키며, 하나의 음향광학 소자는 홀로그래픽 디스플레이 장치에서 디스플레이되는 홀로그램 영상의 하나의 수평 방향 홀로그램 행과 대응할 수 있다.
개시된 음향광학 소자는, 테이퍼지게 형성된 유전체 광도파로의 꼭지점 부근에서 표면 플라즈몬의 증폭을 최대화시키고, 이때 유전체 광도파로의 꼭지점 부근에서 발생하는 강한 비등방 굴절률을 이용하여 출력광의 회절 각도 범위를 증가시킬 수 있다. 따라서, 개시된 음향광학 소자는 광스캐너, 광 변조기, 디스플레이, 센서 등과 같은 다양한 장치들에 응용될 수 있으며, 상기 응용 장치들의 성능을 향상시키고 크기를 소형화할 수 있다.
또한, 개시된 음향광학 소자의 경우, 유전체 광도파로의 적어도 꼭지점 부근만을 둘러싸도록 금속층을 증착해도 되기 때문에, 금속층을 형성하는 공정이 간단해질 수 있다.
또한, 개시된 음향광학 소자의 경우, 표면 플라즈몬이 집중되는 테이퍼진 유전체 광도파로의 꼭지점 부근에 이득 물질을 배치함으로써, 회절 각도를 더욱 증대시킬 수 있으며, 이득 물질이 여기됨으로써 빛의 증폭이 가능하여, 광도포로를 진행하는 동안 빛의 손실을 방지할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 음향광학 소자의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 2는 다른 실시예에 따른 음향광학 소자의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 음향광학 소자의 동작을 예시적으로 보이는 개략적인 사시도이다.
도 4는 도 1에 도시된 음향광학 소자의 동작을 모의 실험하기 위한 음향광학 소자의 개략적인 구조를 보이는 개념도이다.
도 5는 도 4에 도시된 구조에서 광도파로의 테이퍼 각도에 따른 회절각 특성을 모의 실험한 그래프이다.
도 6은 또 다른 실시예에 따른 음향광학 소자의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 7은 음향광학 소자를 포함하는 일 실시예에 따른 광스캐너의 개략적인 구조를 보이는 사시도이다.
도 8은 음향광학 소자를 포함하는 일 실시예에 따른 2D/3D 전환 입체 영상 디스플레이 장치를 개략적으로 도시한다.
도 9는 음향광학 소자를 포함하는 일 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치를 개략적으로 도시한다.
도 2는 다른 실시예에 따른 음향광학 소자의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 음향광학 소자의 동작을 예시적으로 보이는 개략적인 사시도이다.
도 4는 도 1에 도시된 음향광학 소자의 동작을 모의 실험하기 위한 음향광학 소자의 개략적인 구조를 보이는 개념도이다.
도 5는 도 4에 도시된 구조에서 광도파로의 테이퍼 각도에 따른 회절각 특성을 모의 실험한 그래프이다.
도 6은 또 다른 실시예에 따른 음향광학 소자의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 7은 음향광학 소자를 포함하는 일 실시예에 따른 광스캐너의 개략적인 구조를 보이는 사시도이다.
도 8은 음향광학 소자를 포함하는 일 실시예에 따른 2D/3D 전환 입체 영상 디스플레이 장치를 개략적으로 도시한다.
도 9는 음향광학 소자를 포함하는 일 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치를 개략적으로 도시한다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 나노 구조를 갖는 음향광학 소자, 및 상기 음향광학 소자를 이용한 광스캐너, 광 변조기 및 디스플레이 장치에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 음향광학 소자의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 음향광학 소자(10)는, 기판(11), 상기 기판(11) 위에 배치되며 입사광이 진행하는 광도파로(12), 상기 광도파로(12)의 적어도 꼭지점 부근의 둘레를 둘러싸는 금속층(14), 상기 광도파로(12)의 꼭지점 부근 내에 배치된 이득 매질층(13), 및 초음파와 같은 표면 탄성파(surface acoustic wave; SAW)를 발생시켜 광도파로(12)에 표면 탄성파를 인가하는 음파 발생기(15)를 포함할 수 있다.
도 1에는 3개의 광도파로(12)가 도시되어 있으나, 광도파로(12)의 개수에는 특별한 제한이 없다. 예를 들어, 단지 하나의 광도파로(12)만이 배치될 수도 있으며, 2개 이상의 다수의 광도파로(12)가 배치될 수도 있다. 다수의 광도파로(12)가 배치되는 경우, 광도파로(12)들은 서로 평행하게 정렬될 수 있다. 광도파로(12)는 빛을 전달할 수 있는 유전체 재료로 이루어질 수 있다. 예를 들어, LiNbO3, ZnO, GaN, TiO2, SrTiO3 등과 같은 음향광학 재료나 SiO2와 같은 일반적인 투명한 유전체 재료가 광도파로(12)에 사용될 수 있다. 이러한 광도파로(12)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 측면이 비스듬한 테이퍼진 단면을 가질 수 있다. 예컨대, 광도파로(12)의 바닥면은 상대적으로 폭이 넓고 광도파로(12)의 꼭지점 부분은 상대적으로 폭이 좁을 수 있으며, 꼭지점에서 폭이 가장 좁을 수 있다. 이러한 광도파로(12)의 폭과 높이는 예를 들어 가시광선과 같은 입사광의 파장보다 작을 수 있다.
또한, 폭이 상대적으로 좁은 광도파로(12)의 상부 부근, 예컨대 꼭지점 부근 내에는 광을 증폭시킬 수 있는 이득 매질층(13)이 배치될 수 있다. 예를 들어, 광도파로(12)의 전체 높이를 h라고 할 때, 이득 매질층(13)은 광도파로(12)의 h/2 이상의 높이에 해당하는 영역 내에 배치될 수 있다. 이득 매질층(13)은, 예컨대, 다수의 GaN계 양자장벽층과 다수의 InGaN계 양자우물층이 교호하여 반복적으로 적층된 다중양자우물(MQW) 구조로 형성될 수 있다. 이러한 다중양자우물 구조 이외에도 양자점(quantum dot), 산화 아연(ZnO), CdS 또는 이득성 염료 등과 같이 광학적 또는 전기적 자극에 의해 빛을 발생시키거나 증폭시킬 수 있는 다양한 발광 물질 또는 이득 물질들이 상기 이득 매질층(13)으로서 사용될 수 있다.
금속층(14)은 광도파로(12)의 적어도 상부 부근, 예를 들어 꼭지점 부근의 둘레를 둘러싸도록 형성될 수 있다. 도 1에는 금속층(14)이 광도파로(12)의 외부 표면을 전체적으로 둘러싸는 것으로 도시되어 있지만, 본 실시예는 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 상기 금속층(14)은 광도파로(12)의 적어도 꼭지점 부분과 이득 매질층(13) 부분만을 덮고, 광도파로(12)의 하부에는 형성되지 않을 수도 있다. 금속층(14)으로는 예를 들어 Al, Ag, Au, Cu, Na, Ka 등과 같은 금속 재료를 사용할 수 있다. 상술한 금속 대신에 유전율의 실수부가 음(-)의 값을 갖는 다른 재료, 예컨대, ITO(indium tin oxide), AZO(aluminum doped zinc oxide), GZO(gallium zinc oxide), IZO(indium zinc oxide), TiN(titanium nitride), ZrN(zirconium nitride), TaN(tantalium nitride), HfN(hafnium nitride) 또는 그래핀(graphene) 등이 금속층(14)으로서 사용될 수도 있다.
다수의 광도파로(12)가 배치되는 경우, 금속층(14)은 각각의 광도파로(12)마다 개별적으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 어느 한 광도파로(12)에 형성된 금속층(14)은 그에 인접하는 다른 광도파로(12)에 형성된 금속층(14)과 분리될 수도 있다. 즉, 인접하는 두 금속층(14) 사이에 간격이 존재할 수 있다. 도 1에는 두 광도파로(12) 사이에 금속층(14)이 형성되어 있지 않아서, 두 광도파로(12) 사이의 기판(11)의 상부 표면이 노출된 것으로 도시되어 있다. 그러나, 기판(11)의 상부 표면에 금속층(14)이 더 연장되어 있는 것도 가능하다. 도 1에 도시된 실시예의 경우, 인접하는 두 광도파로(12) 사이에 금속층(14)을 완전히 채울 필요가 없기 때문에, 광도파로(12) 위에 금속층(14)을 증착하는 공정이 단순화될 수 있다. 따라서, 음향광학 소자(10)의 제조 시간이 단축되고 제조 비용이 저감될 수 있다.
또한, 음파 발생기(15)는 인가되는 전기적 신호에 따라 초음파와 같은 표면 탄성파(surface acoustic wave; SAW)를 발생시킬 수 있는 전기-음향 변조기일 수 있다. 예를 들어, 음파 발생기(15)에서 발생하는 초음파의 세기는 인가된 전기적 신호의 세기에 비례하며, 초음파의 주파수는 인가된 전기적 신호의 주파수와 비례할 수도 있다. 도 1에서 음파 발생기(15)는 광도파로(12)와 함께 기판(11)의 상부 표면에 배치된 것으로 도시되어 있으나, 본 실시예는 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 음파 발생기(15)는 기판(11)의 측면에 배치될 수도 있고, 또는 기판(11)과 떨어져서 배치될 수도 있다. 광도파로(12)에 초음파와 같은 표면 탄성파를 인가할 수 있다면 음파 발생기(15)의 구조와 배치는 특별히 한정되지 않는다.
도 2는 다른 실시예에 따른 음향광학 소자의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 2의 실시예에 따르면, 음향광학 소자(10')는 다수의 광도파로(12)의 외부 표면과 기판(11)의 상부 표면을 전체적으로 덮는 하나의 금속층(14)을 포함할 수도 있다. 도 2에 도시된 음향광학 소자(10')의 다른 구성은 도 1에 도시된 음향광학 소자(10)와 같다. 도 1에 도시된 음향광학 소자(10)의 경우, 각각의 광도파로(12)마다 그에 대응하는 금속층(14)이 개별적으로 형성되어 있으며, 어느 한 광도파로(12)에 형성된 금속층(14)은 그에 인접하는 다른 광도파로(12)에 형성된 금속층(14)과 분리될 수 있다. 반면, 도 2에 도시된 음향광학 소자(10')는 전체적으로 연결된 하나의 금속층(14)을 가질 수 있으며, 인접하는 두 광도파로(12) 사이의 금속층(14)에는 간격이 존재하지 않을 수도 있다. 즉, 도 2에 도시된 실시예의 경우, 인접하는 두 광도파로(12) 사이에 금속층(14)이 완전히 채워질 수도 있다.
또한, 도 2의 실시예에서 음파 발생기(15)는 기판(11)과 금속층(14)의 측면에 배치된 것으로 도시되어 있지만, 음파 발생기(15)의 위치는 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 음파 발생기(15)는 기판(11)의 측면에만 배치되거나 금속층(14)의 측면에만 배치될 수도 있고, 또는 금속층(14)의 상부면에도 배치될 수 있다. 또는, 기판(11)과 금속층(14)으로부터 떨어져서 음파 발생기(15)가 배치될 수도 있다. 광도파로(12)에 초음파와 같은 표면 탄성파를 인가할 수 있다면 음파 발생기(15)의 구조와 배치는 특별히 한정되지 않는다.
도 3은 도 1에 도시된 음향광학 소자(10)의 동작을 예시적으로 보이는 개략적인 사시도이다. 도 3을 참조하면, 음향광학 소자(10)의 일측면 부근에 배치된 음파 발생기(15)에 전기 신호를 인가하면, 그 전기 신호에 대응하여 소정의 진폭과 주파수를 갖는 초음파와 같은 표면 탄성파가 발생한다. 음파 발생기(15)에서 발생한 표면 탄성파는, 도 3의 화살표로 표시된 바와 같이, 음향광학 소자(10)의 내부를 대략 +y 방향을 따라 소정의 속도로 진행하게 된다. 이때, 표면 탄성파는 음향광학 소자(10) 내에서 밀함(compression)과 소함(rarefaction)을 반복하면서 진행한다. 이에 따라, 음향광학 소자(10)의 내부를 진행하는 표면 탄성파의 밀함 또는 소함에 대응하여, 음향광학 소자(10) 내의 국소적인 밀도도 반복적으로 변화하게 된다. 이러한 국소적인 밀도의 변화는 국소적인 굴절률의 변화를 가져올 수 있다. 결과적으로, 음향광학 소자(10) 내에 표면 탄성파가 진행하게 되면, 표면 탄성파의 진행 방향을 따라 표면 탄성파의 파장과 같은 주기로 굴절률의 주기적인 변동이 발생하게 된다. 예를 들어, 표면 탄성파의 반복적인 밀함과 소함에 대응하여 음향광학 소자(10) 내부의 굴절률이 반복적으로 증가/감소하게 된다. 그러면 광학적인 관점에서 볼 때, 음향광학 소자(10) 내에 주기적인 형태의 회절 격자가 형성되는 것과 동일한 효과를 얻을 수 있다.
한편, 입사광(L)은 표면 탄성파의 진행 방향과 엇갈리는 대략 -x 방향을 따라 음향광학 소자(10)에 입사할 수 있다. 음향광학 소자(10)에 입사한 입사광(L)은 x-방향으로 길게 연장될 수 있는 광도파로(12)를 따라 음향광학 소자(10)의 내부를 진행하게 된다. 이때, 유전체로 이루어진 광도파로(12)를 둘러싸는 금속층(14)으로 인하여, 상기 광도파로(12)와 금속층(14) 사이의 계면에는 표면 플라즈몬(surface plasmon)이 발생할 수 있다. 이러한 표면 플라즈몬은, 금속과 유전체의 계면에 빛이 입사할 때, 금속의 표면에서 일어나는 전자들의 집단적인 진동(charge density oscillation)에 의해 발생하는 일종의 전자기파(즉, 빛)이다. 이렇게 파장보다 충분히 작은 나노 구조를 갖는 음향광학 소자(10)에 빛(L)이 입사되어 표면 플라즈몬이 발생하게 되면, 음향광학 소자(10)는 복굴절 물질과 같이 빛의 진행 방향에 따라 굴절률이 크게 달라지는 강한 비등방성을 갖게 된다.
이때, 음향광학 소자(10) 내로 표면 탄성파가 진행하게 되면, 이러한 강한 비등방 굴절률로 인해, 빛은 광도파로(12)를 따라 진행하는 동안 크게 회절될 수 있다. 이는 보강간섭을 만족시키는 회절동작 각도 범위가 늘어나기 때문이다. 따라서, 음향광학 소자(10)는 기존의 음향광학 매질에 비하여 높은 회절각도 동작 범위를 제공할 수 있다. 여기서, 회절각은 음향광학 소자(10)에 의해 회절된 광 중에서 0차 회절광(L0)과 1차 회절광(L1)의 각도 차이(α)로 정의될 수 있다. 음향광학 소자(10)에 의한 광의 회절각 및 회절된 광의 세기는 각각 초음파와 같은 표면 탄성파의 주파수와 세기에 따라 제어될 수 있다. 또한, 표면 탄성파의 주파수와 강도는 음파 발생기(15)에 인가되는 전기 신호의 세기와 주파수에 의해 결정될 수 있다. 따라서, 음파 발생기(15)에 인가되는 전기 신호를 적절히 조절함으로써, 음향광학 소자(10)에서의 광의 회절을 제어하는 것이 가능하다.
특히, 광도파로(12)가 테이퍼진 본 실시예의 구조에서, 도 4의 원형 점선으로 표시된 바와 같이, 테이퍼진 광도파로(12)의 꼭지점 부근에 표면 플라즈몬이 집중되므로, 회절각의 증대 효과가 더욱 향상될 수 있다. 또한, 표면 플라즈몬이 집중되는 광도파로(12)의 꼭지점 부근에 이득 매질층(13)이 배치되어 있기 때문에, 이득 매질층(13)에 의한 광증폭 효율을 더욱 증가시킬 수 있다. 이득 매질층(13)은 광도파로(12)의 꼭지점 부근에 집중된 표면 플라즈몬에 의해 여기되어 광을 증폭시키므로, 광도포로(12)를 진행하는 동안 빛이 손실되는 것을 방지할 수 있다. 즉, 본 실시예들에 따르면, 빛이 광도파로(12)를 따라 진행하는 동안 광도파로(12)와 금속층(14) 사이의 계면에서 발생하는 표면 플라즈몬이 광도파로(12)의 꼭지점 부근에 집중되므로, 표면 플라즈몬 에너지의 대부분을 회절각의 증대 및 광의 증폭에 이용할 수 있다. 따라서, 음향광학 소자(10)의 효율이 향상될 수 있다.
이러한 음향광학 소자(10)의 회절각 범위는 광도파로(12)의 테이퍼 각도에 따라 변화할 수 있다. 도 4는 도 1에 도시된 음향광학 소자(10)의 동작을 모의 실험하기 위한 음향광학 소자(10)의 개략적인 구조를 보이는 개념도이다. 도 4를 참조하면, 광도파로(12)의 테이퍼 각도 θ는 기판(11)의 표면에 수직한 법선과 광도파로(12)의 측면 사이의 내각으로 정의될 수 있다. 도 4에서, 광도파로(12)는 GaN로 이루어지며, 반치폭(즉, 중간 높이에서의 광도파로(12)의 폭)이 50nm인 이등변 사다리꼴의 형태를 갖고, 다수의 광도파로(12)들이 중간 높이를 기준으로 50nm의 간격으로 규칙적으로 배열되어 있다고 가정하였다. 또한, 광도파로(12)의 꼭지점 부근(즉, 중간 높이 이상의 영역)에는 InGaN 양자우물을 갖는 다중양자우물이 이득 매질층(13)으로서 배치되어 있고, 알루미늄(Al)으로 된 금속층(14)이 광도파로(12)를 전체적으로 둘러싸고 있다고 가정하였다.
도 5는 도 4에 도시된 구조에서 광도파로(12)의 테이퍼 각도에 따른 회절각 특성을 모의 실험한 그래프들이다. 도 5에서 '①'로 표시된 그래프는 광도파로(12)의 반치폭이 50nm이고 높이가 200nm인 경우에 대한 테이퍼 각도에 따른 회절각 특성을 보인다. 그래프 ①을 참조하면, 테이퍼 각도가 약 7도인 경우 약 15도의 최대 회절각을 얻을 수 있다는 것을 알 수 있다. 또한, 도 5에서 '②'로 표시된 그래프는 광도파로(12)의 반치폭이 50nm이고 높이가 100nm인 경우에 대한 테이퍼 각도에 따른 회절각 특성을 보인다. 그래프 ②를 참조하면, 테이퍼 각도가 약 18가 될 때까지 회절각이 증가한다는 것을 알 수 있다. 마지막으로, 도 5에서 '③'로 그래프는 광도파로(12)의 반치폭이 75nm이고 높이가 150nm인 경우에 대한 테이퍼 각도에 따른 회절각 특성을 보인다. 그래프 ③을 참조하면, 그래프 ②와 마찬가지로, 테이퍼 각도가 약 18가 될 때까지 회절각이 증가하지만 회절각 값은 그래프 ②의 경우보다 약간 작다는 것을 알 수 있다.
지금까지 광도파로(12)가 테이퍼진 경우에 대해 설명하였지만, 광도파로(12)와 금속층(14)이 반전된 구조의 음향광학 소자를 구현하는 것도 가능하다. 도 6은 이를 위한 음향광학 소자의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 6을 참조하면, 본 실시예에 따른 음향광학 소자(20)는, 기판(21) 위에 배치되며 테이퍼지게 형성된 적어도 2개 이상의 금속층(24), 상기 적어도 2개의 금속층(24) 사이에 배치되며 입사광이 진행하는 광도파로(22), 상기 광도파로(22)의 꼭지점 부근 내에 배치된 이득 매질층(23), 및 초음파와 같은 표면 탄성파를 발생시켜 광도파로(22)에 표면 탄성파를 인가하는 음파 발생기(25)를 포함할 수 있다.
다수의 금속층(24)은 입사광의 진행 방향을 따라 일 방향으로 길게 연장될 수 있으며, 기판(21) 위에서 서로 평행하게 배열될 수 있다. 이러한 금속층(24)은, 도 6에 도시된 바와 같이, 측면이 비스듬한 테이퍼진 단면을 가질 수 있다. 예를 들어, 금속층(24)은 바닥면의 폭이 상대적으로 넓고 꼭지점 부분의 폭이 상대적으로 좁은 이등변 사다리꼴의 형태를 가질 수 있다. 이러한 금속층(24)의 폭과 높이는 예를 들어 가시광선과 같은 입사광의 파장보다 작을 수 있다. 또한, 적어도 2개의 금속층(24)이 기판(21) 위에서 일정한 간격으로 배열될 수 있다. 금속층(24)들 사이에 채워진 광도파로(22)는, 금속층(24)과는 반대로, 바닥면의 폭이 상대적으로 좁고 상부 부분의 폭이 상대적으로 넓은 이등변 역사다리꼴의 형태를 가질 수 있다. 따라서, 도 6의 실시예에서, 광도파로(22)의 꼭지점은 바닥면에 위치할 수 있다. 이득 매질층(23)은, 도 6에 도시된 바와 같이, 광도파로(22)의 꼭지점 영역 내에 배치될 수 있다. 즉, 이득 매질층(23)은 인접하는 두 금속층(24)의 바닥면 사이에 배치될 수 있다. 또한, 도 6에는 광도파로(22)가 금속층(24) 위를 완전이 덮는 것으로 도시되어 있으나, 광도파로(22)는 금속층(24)들 사이에만 채워질 수도 있다. 이러한 광도파로(22), 이득 매질층(23) 및 금속층(24)의 재료는 도 1의 실시예에 대해 설명한 것과 동일할 수 있다.
상술한 음향광학 소자(10, 10', 20)들은 다양한 분야에서 응용될 수 있다. 예를 들어, 음향광학 소자(10, 10', 20)는 광의 회절 정도에 따라 0차 회절광의 세기를 조절할 수 있으므로, 그 자체로 0차 회절광에 대한 광 변조기가 될 수 있다. 예를 들어, 음향광학 소자(10, 10', 20)에 표면 탄성파를 인가하지 않으면 입사광이 회절되지 않으므로, 입사광은 거의 손실 없이 음향광학 소자(10, 10', 20)를 통과할 것이다. 그러나, 음향광학 소자(10, 10', 20)에 표면 탄성파를 인가하여 입사광을 회절시키는 경우, ±1차 회절광이 발생하므로 음향광학 소자(10, 10', 20)를 통과하는 0차 회절광의 세기가 약해질 것이다. 그리고, 회절 정도에 따라 1차 회절광에 더 많은 에너지가 분배된다면, 0차 회절광의 세기는 더욱 약해 질 수 있다. 따라서, 음향광학 소자(10, 10', 20)는 0차 회절광의 세기를 진폭 변조하는 광 변조기로서 역할을 할 수 있다.
또한, 음향광학 소자(10, 10', 20)는 1차 회절광의 회절각을 변화시킴으로써, 입사광을 소정의 각도로 편향시키는 광스캐너에 적용될 수도 있다. 특히, 높은 회절각을 갖는 음향광학 소자(10, 10', 20)를 광스캐너에 사용할 경우, 광스캐너의 동작 범위(즉, 스캐닝 범위)를 넓힐 수 있으므로, 광스캐너에 사용되는 광학계의 구성을 간단하게 할 수 있다. 특히, 회절각 범위를 증가시키기 위해 요구되는 별도의 광학계를 사용하지 않을 수 있다.
도 7은 상술한 음향광학 소자(10, 10', 20)를 이용한 광스캐너를 예시적으로 보이는 개략적인 사시도이다. 도 7을 참조하면, 광스캐너(100)는 기판(110), 기판(110) 내에 배치된 제 1 음향광학 소자(131), 기판(110) 내에서 제 1 음향광학 소자(131)에 인접하여 배치된 제 2 음향광학 소자(132), 제 1 음향광학 소자(131)에 광을 입사시키는 광 커플링 소자(120), 제 1 음향광학 소자(131)에 표면 탄성파를 제공하는 제 1 음파 발생기(131a) 및 제 2 음향광학 소자(132)에 표면 탄성파를 제공하는 제 2 음파 발생기(132a)를 포함할 수 있다.
도 7에 상세히 도시하지는 않았지만, 제 1 음향광학 소자(131)와 제 2 음향광학 소자(132)는 전술한 음향광학 소자(10, 10', 20)와 같이, 테이퍼진 광도파로와 이를 둘러싸는 금속층 등을 포함할 수 있다. 도 7에 도시된 예에서, 제 1 음파 발생기(131a)는 기판(110) 상에 배치되고 제 2 음파 발생기(132a)는 제 2 음향광학 소자(132) 위에 배치된 것으로 도시되어 있으나, 이는 단지 일 예일 뿐이다. 제 1 음파 발생기(131a)와 제 2 음파 발생기(132a)의 배치 위치는 제공하고자 하는 표면 탄성파의 진행 방향을 고려하여 적절하게 선택될 수 있다. 예를 들어, 제 1 음파 발생기(131a)는 기판(110)의 측면이나 제 1 음향광학 소자(131)의 상부 표면에도 배치될 수 있다. 마찬가지로, 제 2 음파 발생기(132a)는 기판(110)의 상부 표면이나 측면에도 배치될 수 있다.
또한, 도 7에는 광 커플링 소자(120)로서 굴절 렌즈가 도시되어 있으나, 렌즈 이외에 다양한 광학 소자가 광 커플링 소자(120)로서 사용될 수 있다. 예를 들어, 프리즘, 회절 격자층, 프레넬 렌즈, 마이크로 렌즈 어레이 등과 같은 다른 광학 소자를 광 커플링 소자(120)로서 사용할 수도 있다.
제 1 음향광학 소자(131)는 예를 들어 입사광을 수평 방향으로 편향시키도록 배치될 수 있으며, 제 2 음향광학 소자(132)는 입사광을 수직 방향으로 편향시키도록 배치될 수 있다. 즉, 도 7에 도시된 바와 같이, 광 커플링 소자(120)를 통해 제 1 음향광학 소자(131)에 입사한 광은 수평 방향으로 편향될 수 있으며, 수평 방향으로 편향된 광은 제 2 음향광학 소자(132)에서 수직 방향으로 편향되어 출력될 수 있다. 따라서, 광스캐너(100)는 제 1 및 제 2 음파 발생기(131a, 132a)에 인가되는 교류 전압의 세기 및 주파수를 변조함으로써, 입사광을 소정의 각도 범위 내에서 수평 및/또는 수직 방향으로 스캐닝할 수 있다. 도 7의 예에서, 광스캐너(100)는 두 개의 음향광학 소자(131, 132)를 포함하고 있으나, 실시예에 따라 수평 또는 수직 방향으로만 광을 스캐닝하는 하나의 음향광학 소자만을 포함하거나, 또는 어느 한 방향으로 광을 스캐닝하는 다수의 음향광학 소자들을 포함할 수도 있다. 이러한 광스캐너(100)는, 예를 들어, 레이저 영상투사장치, 레이저 프린터 등에 적용될 수 있다.
또한, 상술한 음향광학 소자(10, 10', 20)는 2D/3D 전환 입체 영상 디스플레이 장치에도 적용 가능하다. 예컨대, 도 8은 음향광학 소자(10, 10', 20)를 2D/3D 전환 입체 영상 디스플레이 장치에 적용한 예를 개략적으로 도시하고 있다. 도 8을 참조하면, 디스플레이 패널(200)의 하나 또는 다수의 화소행(pixel row)과 동일한 높이를 가지며 가로 방향으로 길게 연장된 다수의 음향광학 소자(210)들을 제작하고, 다수의 음향광학 소자(210)들을 세로 방향을 따라 어레이를 형성하도록 디스플레이 패널(200)의 표면에 배열할 수 있다. 그러면, 각각의 음향광학 소자(210)들은 디스플레이 패널(200)의 대응하는 적어도 하나의 화소행에서 표시되는 영상을 소정의 방향으로 편향시킬 수 있다.
예를 들어, 음향광학 소자(210)들 내의 음향광학 매질에 음파가 인가되지 않으면, 디스플레이 패널(200)의 각각의 화소에서 표시되는 영상은 편향되지 않고 그대로 음향광학 소자(210)들의 어레이를 통과한다. 이 경우, 도 8의 좌측에 표시된 바와 같이, 디스플레이 장치는 2D 디스플레이 모드로 동작할 수 있다. 한편, 다중 시점 디스플레이 모드 또는 입체 영상 3D 디스플레이 모드에서, 각각의 음향광학 소자(210)는 각각의 화소에서 표시되는 영상을 편향시켜 다수 방향 정보의 빔을 생성할 수 있다. 예를 들어, 다수의 음향광학 소자(210)들 중 일부는 영상을 시청자의 우안으로 편향시키고, 나머지는 영상을 시청자의 좌안으로 편향시킬 수 있다. 그러면, 도 8의 우측에 표시된 바와 같이, 시청자는 3D 영상을 감상할 수 있다.
상술한 음향광학 소자(10, 10', 20)는 홀로그래픽 3D 디스플레이 장치에도 적용이 가능하다. 도 9는 상술한 음향광학 소자(10, 10', 20)를 홀로그래픽 3D 디스플레이 장치(300)에 적용한 예를 개략적으로 도시하고 있다. 예를 들어, 도 9에 도시된 바와 같이, 홀로그래픽 3D 디스플레이 장치(300)는 광원(310), 다수의 음향광학 소자(320)들의 어레이 및 투사 광학계(330)를 포함할 수 있다. 광원(310)은 예를 들어 다수의 레이저들의 어레이일 수 있다. 또한, 다수의 음향광학 소자(320)들의 어레이는, 가로 방향으로 길게 연장된 다수의 음향광학 소자(320)들을 제작하고, 이러한 다수의 음향광학 소자(320)들을 세로 방향을 따라 어레이를 형성하도록 배열함으로써 형성될 수 있다. 이때, 음향광학 소자(320)는 수평 방향 홀로그램 행들을 생성시키는 역할을 하며, 하나의 음향광학 소자(320)는 홀로그래픽 디스플레이 장치(300)에서 디스플레이되는 홀로그램 영상의 하나의 수평 방향 홀로그램 행과 대응할 수 있다. 다수의 음향광학 소자(320)들로부터 회절된 홀로그램 행들은 투사 광학계(330)에 의해 소정의 공간 상에 투사되어 하나의 입체 영상을 형성할 수 있다.
지금까지, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 나노 구조를 갖는 음향광학 소자, 및 상기 음향광학 소자를 이용한 광스캐너, 광 변조기 및 디스플레이 장치에 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.
10, 10', 20, 131, 132, 210, 320.....음향광학 소자
11, 21.....기판 12, 22.....광도파로
13, 23.....이득 매질층 14, 24.....금속층
15, 25, 131a, 132a.....음파발생기
100.....광스캐너 110.....기판
120.....광 커플링 소자 200.....디스플레이 패널
300.....홀로그래픽 디스플레이 장치 310.....광원
330.....투사 광학계
11, 21.....기판 12, 22.....광도파로
13, 23.....이득 매질층 14, 24.....금속층
15, 25, 131a, 132a.....음파발생기
100.....광스캐너 110.....기판
120.....광 커플링 소자 200.....디스플레이 패널
300.....홀로그래픽 디스플레이 장치 310.....광원
330.....투사 광학계
Claims (24)
- 입사광이 진행하는 광도파로;
상기 광도파로의 적어도 상부 부근의 둘레를 둘러싸는 금속층;
상기 광도파로의 상부 부근 내에 배치된 이득 매질층; 및
표면 탄성파를 발생시켜 상기 광도파로에 표면 탄성파를 인가하는 음파 발생기;를 포함하는 음향광학 소자. - 제 1 항에 있어서,
기판을 더 포함하며, 상기 광도파로는 상기 기판의 상부 표면 위에 배치되는 음향광학 소자. - 제 2 항에 있어서,
상기 음파 발생기는 상기 기판의 측면 또는 상부 표면 위에 배치되는 음향광학 소자. - 제 2 항에 있어서,
다수의 평행한 광도파로가 규칙적인 간격으로 상기 기판 위에 배열되어 있는 음향광학 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 광도파로는 측면이 비스듬한 테이퍼진 단면을 갖는 음향광학 소자. - 제 5 항에 있어서,
상기 광도파로는 바닥면의 폭이 상대적으로 넓고 꼭지점의 폭이 상대적으로 좁은 사다리꼴의 형태를 가지며, 상기 금속층은 상기 광도파로의 적어도 꼭지점 부근의 둘레를 둘러싸고, 상기 이득 매질층은 상기 광도파로의 꼭지점 부근 내에 배치되는 음향광학 소자. - 제 6 항에 있어서,
상기 이득 매질층은 상기 광도파로의 중간 이상의 높이에 해당하는 영역 내에 배치되는 음향광학 소자. - 제 6 항에 있어서,
상기 금속층은 상기 광도파로의 적어도 꼭지점 부분과 상기 광도파로 내의 이득 매질층 부분을 덮도록 형성된 음향광학 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 이득 매질층은 광학적 또는 전기적 자극에 의해 빛을 발생시키거나 증폭시킬 수 있는 발광 물질 또는 이득 물질로 이루어지는 음향광학 소자. - 제 9 항에 있어서,
상기 이득 매질층은 다수의 양자장벽층과 다수의 양자우물층이 교호하여 반복적으로 적층된 다중양자우물 구조 또는 양자점을 포함하는 음향광학 소자. - 제 1 항에 있어서,
다수의 광도파로가 배치되어 있으며, 인접한 두 광도파로에 각각 형성된 두 금속층 사이에 간격이 존재하는 음향광학 소자. - 기판;
상기 기판 위에 서로 평행하게 배열되어 있는 적어도 2개의 금속층;
상기 적어도 2개의 금속층 사이에 배치된 것으로, 입사광이 진행하는 광도파로;
인접하는 두 금속층의 바닥면 사이에서 상기 광도파로 내에 배치된 이득 매질층; 및
표면 탄성파를 발생시켜 상기 광도파로에 표면 탄성파를 인가하는 음파 발생기;를 포함하는 음향광학 소자. - 제 12 항에 있어서,
상기 적어도 2개의 금속층은 입사광의 진행 방향을 따라 일 방향으로 길게 연장되어 있는 음향광학 소자. - 제 12 항에 있어서,
상기 적어도 2개의 금속층과 상기 광도파로는 측면이 비스듬한 테이퍼진 단면을 갖는 음향광학 소자. - 제 14 항에 있어서,
상기 적어도 2개의 금속층은 바닥면의 폭이 상대적으로 넓고 꼭지점 부분의 폭이 상대적으로 좁은 사다리꼴의 형태를 가지며, 상기 적어도 2개의 금속층 사이에 배치된 광도파로는 바닥면의 폭이 상대적으로 좁고 상부 부분의 폭이 상대적으로 넓은 역사다리꼴의 형태를 갖는 음향광학 소자. - 제 15 항에 있어서,
상기 이득 매질층은 인접하는 두 금속층의 바닥면 사이의 상기 광도파로의 꼭지점 영역 내에 배치되는 음향광학 소자. - 광을 제 1 방향으로 편향시키도록 배치된 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 따른 제 1 음향광학 소자;
광을 상기 제 1 방향에 수직한 제 2 방향으로 편향시키도록 배치된 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 따른 제 2 음향광학 소자; 및
상기 제 1 음향광학 소자에 광을 입사시키는 광 커플링 소자;를 포함하는 광스캐너. - 제 17 항에 있어서,
상기 광스캐너는 기판을 더 포함하며, 상기 제 1 음향광학 소자와 제 2 음향광학 소자는 서로 인접하여 상기 기판 내에 배치되어 있는 광스캐너. - 디스플레이 패널; 및
상기 디스플레이 패널의 전면에 배치된 것으로, 상기 디스플레이 패널에 디스플레이 되는 영상을 편향시키기 위한 음향광학 소자 어레이;를 포함하며,
상기 음향광학 소자 어레이는 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 따른 다수의 음향광학 소자들을 포함하는 2D/3D 전환 입체 영상 디스플레이 장치. - 제 19 항에 있어서,
상기 음향광학 소자 어레이의 각각의 음향광학 소자는 가로 방향으로 길게 연장되어 있고, 다수의 음향광학 소자들이 세로 방향을 따라 배열되어 있는 2D/3D 전환 입체 영상 디스플레이 장치. - 제 20 항에 있어서,
하나의 음향광학 소자는 디스플레이 패널의 적어도 하나의 화소행과 대응하는 2D/3D 전환 입체 영상 디스플레이 장치. - 광을 제공하는 광원;
광원으로부터 제공된 광을 회절시키는 것으로, 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 따른 다수의 음향광학 소자들을 포함하는 음향광학 소자 어레이; 및
상기 음향광학 소자 어레이에 의해 회절된 광을 투사시키는 투사 광학계;를 포함하는 홀로그래픽 디스플레이 장치. - 제 22 항에 있어서,
상기 음향광학 소자 어레이의 각각의 음향광학 소자는 가로 방향으로 길게 연장되어 있고, 다수의 음향광학 소자들이 세로 방향을 따라 배열되어 있는 홀로그래픽 디스플레이 장치. - 제 23 항에 있어서,
음향광학 소자는 홀로그래픽 디스플레이 장치에서 디스플레이되는 홀로그램 영상의 수평 방향 홀로그램 행들을 생성시키며, 하나의 음향광학 소자는 홀로그래픽 디스플레이 장치에서 디스플레이되는 홀로그램 영상의 하나의 수평 방향 홀로그램 행과 대응하는 홀로그래픽 디스플레이 장치.
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| KR1020110084823A KR101826744B1 (ko) | 2011-08-24 | 2011-08-24 | 나노 구조를 갖는 음향광학 소자, 및 상기 음향광학 소자를 이용한 광스캐너, 광 변조기 및 디스플레이 장치 |
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