KR20150021816A - 광변조기 및 이를 포함한 3차원 영상 획득 장치 - Google Patents

광변조기 및 이를 포함한 3차원 영상 획득 장치 Download PDF

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Abstract

광변조기 및 이를 포함하는 3D 영상 획득 장치를 제공한다. 본 광변조기는 복수 개의 양자우물층과 복수 개의 양자장벽층을 포함하는 다중양자우물층 및 상기 다중양자우물층내에 배치되며, 상기 다중양자우물층 간의 캐리어 이동을 제한하는 하나 이상의 캐리어블럭층을 포함한다.

Description

광변조기 및 이를 포함한 3차원 영상 획득 장치{Optical modualator and 3D image acquisition apparatus including the same}
본 개시는 광변조기 및 이를 포함한 3차원 영상 획득 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광집중을 형성하는 광변조기 및 이를 포함한 3차원 영상 획득 장치에 관한 것이다.
3D 카메라는 일반적인 영상의 촬영 기능 이외에 피사체 표면 상의 다수의 점들로부터 3D 카메라까지의 거리를 측정하는 기능을 포함한다. 현재 피사체와 3D 카메라 사이의 거리를 측정하기 위한 다양한 알고리즘들이 제안되고 있는데, 통상적으로 광시간비행법(Time-of-Flight; TOF)이 주로 사용된다. TOF 방식은 조명광을 피사체에 조사한 후, 피사체로부터 반사되는 조명광이 수광부에서 수광되기까지 비행시간을 측정하는 방법이다. 조명광의 비행시간은 주로 조명광의 위상지연을 측정하여 얻을 수 있는데, 정확한 위상지연의 측정을 위해 고속 광변조기가 사용된다.
3D 카메라의 깊이(depth) 정보 확보를 위해 사용되는 광변조기(100a)(Optical shutter)의 투과도 차의 특성은 3D 이미지 구현에서 무엇보다 중요한 요소이다. 투과도 차가 클수록 깊이(depth) 정보의 정확도가 향상되어 고품질 3D 이미지를 얻을 수 있기 때문이다.
투과도 차는 광변조기에 인가되는 전압의 온 또는 오프에 따라 특정 파장에서의 흡수율 변화 현상(Quantum-confined Stark effect, QCSE)에 의해 투과도가 달라지는 차이를 의미한다. 전압 오프시 광변조기는 셔터-열림(shutter-open) 상태가 되고, 전압 온시 투과형 광변기는 셔터-닫힘(shutter-close) 상태가 된다. 그리하여 전압 오프시 광변조기의 투과율을 높이거나 전압 온시 광변조기의 투과율을 낮추는 방법으로 광변조기의 투과도 차를 높일 수 있다. 특히, 전압 오프시 투과율을 낮추는 것이 3D 이미지의 품질을 더욱더 높일 수 있다.
본 실시예는 광집중 효율을 높인 광변조기를 제공한다.
그리고, 본 실시예는 광집중 효율이 낮은 부분의 광손실을 줄일 수 있는 광변조기를 제공한다.
또한, 본 실시예는 앞서 기술한 광변조기를 포함하는 3D 영상 획득 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광변조기는, 복수 개의 양자우물층과 복수 개의 양자장벽층을 포함하는 다중양자우물층; 및 상기 다중양자우물층내에 배치되며, 상기 다중양자우물층 간의 캐리어 이동을 제한하는 하나 이상의 캐리어블럭층;을 포함한다.
그리고, 상기 캐리어블럭층의 에너지 밴드는 상기 다중양자우물층내 양자장벽층의 에너지 밴드보다 크다.
또한, 상기 캐리어블럭층은 투명 물질로 형성될 수 있다.
그리고, 상기 캐리어블럭층의 굴절률은 상기 다중양자우물층내 양자장벽층의 굴절률보다 클 수 있다.
또한, 상기 다중양자우물층의 전체 광학적 두께는 λ/2(λ는 공진 파장)의 정수배일 수 있다.
그리고, 상기 다중양자우물층은, 하나 이상의 양자우물층과 하나 이상의 양자장벽층을 포함하는 복수 개의 서브 다중양자우물층을 포함한다.
또한, 상기 다중양자우물층은 상기 캐리어블럭층의 일면과 접하고, 하나 이상의 양자우물층과 하나 이상의 양자장벽층을 포함하는 제1 다중양자우물층; 및 상기 캐리어블럭층의 타면과 접하고, 하나 이상의 양자우물층과 하나 이상의 양자장벽층을 포함하는 제2 다중양자우물층;을 포함한다.
그리고, 상기 제1 및 제2 다중양자우물층 중 적어도 하나의 광학적 두께는 λ/2(λ는 공진 파장)의 정수배일 수 있다.
또한, 상기 캐리어블럭층은, 상기 제1 다중양자우물층내 양자장벽층과 상기 제2 다중양자우물층내 양자장벽층과 접할 수 있다.
그리고, 상기 제1 다중양자우물층의 두께와 상기 제2 다중양자우물층의 두께는 동일할 수 있다.
또한, 상기 제1 다중양자우물층의 두께와 상기 제2 다중양자우물층의 두께는 서로 다를 수 있다.
그리고, 상기 다중양자우물층 및 상기 캐리어블럭층은 상기 광변조기의 활성층내에 포함될 수 있다.
또한, 상기 다중양자우물층은 상기 활성층을 중심으로 대칭일 수 있다.
그리고, 상기 활성층의 하부 표면과 상부 표면에 각각 배치된 하부 반사층과 상부 반사층을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 광변조기는 투과형이고, 상기 하부 반사층의 반사도와 상기 상부 반사층의 반사도가 동일할 수 있다.
그리고, 상기 하부 반사층과 상기 상부 반사층 중 적어도 하나의 내부에 배치되는 적어도 하나의 마이크로 캐비티층을 더 포함하며, 상기 마이크로 캐비티층의 광학적 두께는 λ/2(λ는 공진 파장)의 정수배일 수 있다.
또한, 상기 하부 반사층과 상기 상부 반사층은 굴절률이 서로 다른 제 1 굴절률층과 제 2 굴절률층이 교번적으로 적층될 수 있다.
그리고, 상기 마이크로 캐비티층은 제 1 굴절률층과 제 2 굴절률층 중 어느 하나와 동일한 재료로 이루어질 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 영상 획득 장치는, 피사체를 향해 광을 투사하는 광원; 앞서 기술한 광변조기로서, 상기 피사체로부터 반사된 반사 광을 변조하는 광 변조기; 상기 광 변조기에 의해 변조된 광을 촬영하는 촬상소자; 및 상기 촬상소자에서 출력된 결과를 이용하여 상기 피사체와의 거리에 관한 깊이 정보를 산출하는 신호 처리부;를 포함한다.
그리고, 상기 반사광을 상기 광변조기에 집광시키는 제1 렌즈; 및 상기 제1 렌즈와 상기 광 변조기 사이에서 소정의 파장을 갖는 광을 투과시키고 상기 파장 이외의 광을 제거하는 필터;를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 광원은, 적외선 대역의 LD 또는 LED를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 광변조기는 광집중 효율이 낮은 부분에 캐리어 이동을 제한하는 캐리어블럭층을 배치시킴으로써 광집중 효율은 높일 수 있다.
그리고, 광집중 효율이 높은 광변조기를 이용하여 3D 영상의 정밀도를 향상시킬 수 있다.
도 1a는 일 실시예에 따른 광변조기에 적용되는 활성층을 도시한 도면이다.
도 1b는 도 1a에 도시된 활성층의 에너지 밴드 다이어그램을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2a는 비교되는 활성층을 도시한 도면이다.
도 2b는 비교예의 활성층에 대한 투과도 특성을 시뮬레이션한 결과이다.
도 3a는 일 실시예에 따른 활성층을 도시한 도면이다.
도 3b은 도 3a의 활성층에 대한 투과도 특성을 시뮬레이션한 결과이다.
도 4a는 다른 실시예에 따른 활성층을 도시한 도면이다.
도 4b는 일 실시예에 따른 활성층에 대한 투과도 특성을 시뮬레이션한 결과이다.
도 5는 제1 실시예에 따른 도 1a에 도시된 활성층을 포함하는 광변조기를 도시한 도면이다.
도 6은 제2 실시예에 따른 실시예에 따른 광변조기를 도시한 도면이다.
도 7은 제3 실시예에 따른 광변조기를 도시한 도면이다.
도 8은 제4 실시예에 따른 광변조기를 도시한 도면이다.
도 9는 광변조기를 포함하는 3차원 영상 획득 장치의 예시적인 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
이하, 실시예들에 따른 광변조기에 대해 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조번호는 동일한 구성 요소를 지칭하며, 각 구성 요소의 크기나 두께는 설명의 편의를 위해 과장되어 있을 수 있다. 한편, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다.
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 위에 있는 것도 포함할 수 있다.
도 1a는 일 실시예에 따른 광변조기(100a)에 적용되는 활성층(10)을 도시한 도면이고, 도 1b는 도 1a에 도시된 활성층(10)의 에너지 밴드 다이어그램을 개략적으로 도시한 도면이다.
일 실시예에 따른 활성층(10)은 광의 흡수가 일어나는 층으로서, 특정 파장의 정상파(standing wave)가 생성되는 공간이다. 이를 위해, 활성층(10)의 광학적 두께는 대략적으로 λ/2의 정수배와 같도록 형성될 수 있다. 여기서 λ는 변조하고자 하는 입사광의 중심 파장을 의미한다.
활성층(10)은 복수 개의 양자우물층(Quantum Well, QW)과 복수 개의 양자장벽층(Quantum Barrier, QB)을 포함하는 다중양자우물층(Multiple Quantum Well MQW) 및 다중양자우물층(11)내에 배치되며 다중양자우물층(11) 간의 캐리어 이동을 제한하는 하나 이상의 캐리어블럭층(12)을 포함할 수 있다. 정상파 생성을 고려하여 활성층(10) 중 광흡수가 많은 영역에 다중양자우물층(11)이 배치되고 광흡수가 적은 영역에 캐리어블럭층(12)이 배치될 수 있다. 그리하여, 다중양자우물층(11)은 광의 투과 특성을 향상시키고, 캐리어블럭층(12)은 광을 다중양자우물층(11)에 집중시켜 활성층(10)의 광 흡수 효율을 증가시킨다. 그리고, 활성층(10)의 광 흡수 효율이 증가함에 따라 광 투과 효율도 추가적으로 향상될 수 있다.
예를 들어, 다중양자우물층(11)은 캐리어블럭층(12)에 의해 복수 개의 서브 다중양자우물층(11-1, 11-2,,,,11-n, n은 자연수)으로 구분될 수 있다. 각 서브 양자우물층(11-1, 11-2,,,,11-n)은 하나 이상의 양자우물층(QW)과 하나 이상의 양자장벽층(QB)이 교번적으로 배치될 수 있다. 서브 다중양자우물층(11-1, 11-2,,,,11-n) 중 적어도 하나는 광학적 두께도 대략적으로 λ/2의 정수배일 수 있다. 도면에는 각 서브 다중양자우물층(11)이 3개의 양자우물층(QW)과 4개의 양자장벽층(QB)이 교번적으로 배치되어 있는 것으로 도시되어 있으나 이에 한정되지 않는다. 각 서브 다중양자우물층(11-1, 11-2,,,,11-n)은 하나 이상의 양자우물층(QW)과 하나 이상의 양자장벽층(QB)이 교번적으로 배치될 수 있으며, 각 서브 다중양자우물층(11-1, 11-2,,,,11-n)에 포함된 양자우물층(QW)의 개수 및 두께는 투과 파장에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 서브 다중양자우물층(11-1, 11-2,,,,11-n)에 포함된 양자우물층(QW)의 개수 및 두께 각각은 동일할 수도 있고 동일하지 않을 수도 있다. 하지만 다중양자우물층(11)의 중심을 기준으로 서브 양자우물층(11-1, 11-2,,,,11-n)은 대칭일 수 있다.
또한, 다중양자우물층(11)에 포함된 양자우물층(QW) 및 양자장벽층(QB)의 물질은 변조하고자 하는 광의 파장 대역에 따라 다양하게 선택될 수 있다. 양자우물층(QW)은 GaAs, AlxGa1 -xAs(0<x<1), InxGa1-xAs, In1-x-yGaxAlyAs(0< x, y <1), In1-xGaxAszP1-z(0< x, z <1) 등으로 형성될 수 있고, 양자장벽층(QB)은 AlxGa1 -xAs(0<x<1), InxGa1 -xP(0<x<1), In1-x-yGaxAlyAs(0< x, y <1), In1-xGaxAszP1-z(0< x, z <1) 등으로 형성될 수 있다. 예컨대, 850nm의 적외선 영역에서 양자우물층(QW)으로서 GaAs, 양자장벽층(QB)으로서 AlxGa1-xAs (0<x<1)이 이용될 수 있다. 또한, 1550nm의 중적외선 영역에서는, 양자우물층(QW)으로서 InxGa1-xAs, In1-x-yGaxAlyAs, In1-xGaxAszP1-z, 그리고 양자장벽층(QB)으로서 In1-x-yGaxAlyAs, In1-xGaxAszP1-z (여기서, 0< x, y, z <1) 등을 다양하게 조합하여 사용할 수 있다.
한편, 캐리어블럭층(12)은, 도 1b에 도시된 바와 같이, 서브 다중양자우물층(11)보다 높은 에너지 밴드를 갖을 수 있다. 예를 들어, 캐리어블럭층(12)의 에너지 밴드는 다중양자우물층(11)내 양자장벽층(QB)의 에너지 밴드보다 클 수 있다. 또한, 캐리어블럭층(12)의 굴절률은 다중양자우물층(11)내 양자장벽층(QB)의 굴절률보다 클 수 있다. 그리하여, 캐리어블럭층(12)은 서브 다중양자우물층(11-1, 11-2,,,,11-n)간의 캐리어 이동을 제한할 수 있다. 양자장벽층(QB)이 AlxGa1-xAs로 형성되고, 캐리어블럭층(12)도 AlyGa1-yAs로 형성될 때, 캐리어블럭층(12)의 Al 성분은 양자장벽층(QB)의 Al 성분보다 클 수 있다. 캐리어블럭층의 두께는 작은 것이 바람직하다.
이러한 캐리어블럭층(12)은 투명 물질로 형성되어 입사된 광이 투과되도록 한다. 캐리어블럭층(12)의 물질은 양자장벽층(QB)보다 에너지 밴드가 높은 물질로서 AlxGa1-xAs(여기서, 0.31< x ≤1), InGaP이 이용될 수 있다. 그리고, 캐리어블럭층(12)은 이웃하는 서브 다중양자우물층(11-1, 11-2,,,,11-n)내 양자장벽층(QB)과 접할 수 있다. 캐리어블럭층의 두께는 작은 것이 바람직하다. 예를 들어, 캐리어블럭층의 두께는 약 1 내지 약 100nm일 수 있다.
활성층(10) 내 다중양자우물층(11)이 광을 흡수할 때, 캐리어 예를 들어, 전자는 양자장벽층(QB)보다 높은 에너지를 갖고 있기 때문에 양자우물층(QW)내에만 존재하지 않고 다른 양자우물층(QW)으로 분산될 수 있다. 그러나, 일 실시예에 따른 활성층(10)은 다중양자우물층(11)내에 캐리어보다 높은 에너지를 갖는 캐리어블럭층(12)이 배치되어, 다중양자우물층(11)을 복수 개의 서브 다중양자우물층(11-1, 11-2,,,,11-n)으로 분리시키기 때문에 캐리어는 해당하는 서브 다중양자우물층((11-1, 11-2,,,,11-n)에만 머무르게 된다. 그리하여 서브 다중양자우물층(11-1, 11-2,,,,11-n)간의 캐리어의 분산이 줄어들어 광이 해당 서브 다중양자우물층(11-1, 11-2,,,,11-n)에 집중하게 된다. 결국, 활성층(10)의 흡수 효율이 향상될 수 있다. 이와 같이 활성층(10)의 흡수 효율이 향상되면 활성층(10)에 인가되는 전압이 없을 때 광 투과도를 낮출 수 있다.
다음은 다중양자우물층(11)과 캐리어블럭층(12)에 의한 광 투과 효율에 대해 살표본다.
비교예 및 실시예
도 2a는 비교되는 활성층(11)을 도시한 도면이다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 비교되는 활성층(11)은 양자우물층(QW)과 양자장벽층(QB)만으로 구성된 다중양자우물의 구조로 하였다. 활성층(20)의 최하단과 최상단은 양자장벽층(QB)이 배치되고 활성층(11)의 가운데 영역은 양자우물층(QW)과 양자장벽층(QB)이 교번적으로 배치시켰다. 그리고, 공진 파장 λ는 850nm로 하였으며, 활성층(11)의 광학적 두께는 3.5 λ로 설계하였다.
도 2b는 비교예의 활성층(11)에 대한 투과도 특성을 시뮬레이션한 결과이다. 도 2b에서 '①'로 표시된 그래프는 활성층(11)에 전압이 인가되었을 때의 투과도를 나타내고, 850nm 파장 대역에서 투과도는 약 70.8%이다. '②'로 표시된 그래프는 전압이 인가되지 않았을 때의 투과도를 나타내며, 850nm 파장 대역에서 투과도는 약 18%이다. '③'으로 표시된 그래프는 '①'로 표시된 그래프와 '②'로 표시된 그래프 사이의 투과도 차를 나타내며 850nm파장 대역에서 투과도의 차는 약 52.8%이다.
도 3a는 일 실시예에 따른 활성층(10a)을 도시한 도면이다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 일 실시예에 따른 활성층(10a)은 다중양자우물층(11a)과 캐리어블럭층(12a)으로 구성된다. 다중양자우물층(11a)은 8개의 서브 다중양자우물층(11a-1, 11a-2,,,11a-7, 11a-8)으로 분리되고, 각 서브 다중양자우물층(11a-1, 11a-2,,,11a-7, 11a-8)사이에는 캐리어블럭층(12a)이 배치된다. 그리고, 공진 파장 λ는 850nm로 하였으며, 다중양자우물층(11a) 전체의 광학적 두께는 3.5 λ로 설정하였다. 또한, 활성층(10a) 중 최상단과 최하단의 서브 다중양자우물층(11a-1, 11a-8)에는 4개의 양자우물층(QW)이 포함되도록 하고 나머지 서브 다중양자우물층(11a-2,,,11a-7)은 7개의 양자우물층(QW)이 포함되록 설계하였다. 뿐만 아니라, 7개의 캐리어블럭층(12a)은 이웃하는 서브 다중양자우물층(11a-1, 11a-2,,,11a-7, 11a-8)의 사이에 각각 하나씩 배치되도록 설계하였다. 각 캐리어블럭층(12a)의 두께는 약 20nm로 하였다.
도 3b은 도 3a의 활성층(10)에 대한 투과도 특성을 시뮬레이션한 결과이다. 도 3b에서 '①'로 표시된 그래프는 전압이 인가되었을 때의 투과도를 나타내고, 850nm 파장 대역에서 투과도는 약 69.9%이였다. '②'로 표시된 그래프는 전압이 인가되지 않았을 때의 투과도를 나타내며, 850nm 파장 대역에서 투과도는 약 17.1%이다. '③'으로 표시된 그래프는 '①'로 표시된 그래프와 '②'로 표시된 그래프 사이의 투과도 차를 나타내며 850nm 파장 대역에서 투과도의 차는 약 52.8%이다. 전압이 인가되지 않았을 때 도 3a에 도시된 활성층(10a)의 광 흡수 효율이 도 2b에 도시된 활성층(11)의 광 흡수 효율에 비해 약 27% 증가하였다. 그리하여, 전압이 인가되지 않을 때 캐리어블럭층(12)을 포함한 활성층(10)의 투과도가 약 5% 감소하였다. 이는 캐리어블럭층(12)을 포함한 활성층(10)을 셔터로 동작하는 광변조기(100a)에 적용하면 셔터 오프시 태양광 차단 효과가 개선될 수 있음을 의미한다. 그리하여, 일 실시예에 따른 활성층(10a)을 포함한 광변조기(100a)를 3D 영상 촬영 장치의 셔터로 이용할 경우 복조 대조도(demodulation contrast)가 증가하여 3D 영상의 정밀도를 향상시킬 수 있다.
도 4a는 다른 실시예에 따른 활성층(10b)을 도시한 도면이다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 다른 실시예에 따른 활성층(10b)도 다중양자우물층(11b)과 캐리어블럭층(12b)으로 구성하였다. 다만 서브 다중양자우물층(11b-1, 11b-2, 11b-3)의 두께를 균일하지 않게 하였다. 구체적으로, 활성층(10b)의 상단에서 하단방향으로 다중양자우물층(11b)을 제1 내지 제8 서브 다중양자우물층(11b-1, 11b-2, 11b-3,, 11b-6, 11b-7, 11b-8)으로 구분하였을 때, 제1 및 제8 서브 다중양자우물층(11b-1, 11b-8)은 5개의 양자우물층(QW)을 포함하고, 제2 및 제7 서브 다중양자우물층(11b-2, 11b-7)은 7개의 양자우물층(QW)을 포함하며, 제3 내지 제6 서브 다중양자우물층(11b-3,,,11b-6)은 6개의 양자우물층(QW)을 포함하도록 설계하였다. 그리고, 공진 파장 λ는 850nm로 하였으며, 다중양자우물층(11) 전체의 광학적 두께는 3.5 λ로 설계하였다. 뿐만 아니라, 7개의 캐리어블럭층(12)은 이웃하는 서브 다중양자우물층(11)의 사이에 각각 하나씩 배치되도록 설계하였다. 각 캐리어블럭층(12)의 두께는 약 40nm로 하였다.
도 4b는 일 실시예에 따른 활성층(10)에 대한 투과도 특성을 시뮬레이션한 결과이다. 도 4b에서 '①'로 표시된 그래프는 전압이 인가되었을 때의 투과도를 나타내고, 850nm파장 대역에서 투과도는 약 65.6%이였다. '②'로 표시된 그래프는 전압이 인가되지 않았을 때의 투과도를 나타내며, 850nm파장 대역에서 투과도는 약 13.1%이다. '③'으로 표시된 그래프는 '①'로 표시된 그래프와 '②'로 표시된 그래프 사이의 투과도 차를 나타내며 850nm 파장 대역에서 투과도의 차는 약 52.5%이다. 전압이 인가되지 않았을 때 양자우물층(QW)의 개수가 균일하지 않는 활성층(10)의 광 흡수 효율은 캐리어블럭층(12)이 없는 활성층(10)의 광 흡수 효율보다 약 27% 증가하였고, 양자우물층(QW)의 개수가 균일한 활성층(10)의 광 흡수 효율보다 약 24% 증가하였다. 이는 전압이 인가되지 않을 때 양자우물층(QW)의 개수가 균일하지 않는 활성층(10)의 투과도가 감소함을 의미하며, 활성층(10)을 3D 영상 촬영 장치의 셔터에 적용하면, 복조 대조도(demodulation contrast)를 증가시켜 3D 영상의 정밀도를 향상시킬 수 있다는 것을 의미한다.
다음은 일 실시예에 따른 활성층(10)을 포함한 광변조기를 보다 구체적으로 설명한다.
도 5는 제1 실시예에 따른 도 1a에 도시된 활성층(10)을 포함하는 광변조기(100a)를 도시한 도면이다. 도 5를 참조하면, 일 실시예에 따른 광변조기(100a)는 상부 반사층(20), 상부 반사층(20) 아래에 배치된 활성층(10), 활성층(10) 아래에 배치된 하부 반사층(30)를 포함할 수 있다.
광변조기(100a)는 입사광을 투과시키면서 전기적 신호에 따라 입사광의 일부를 흡수하여 투과광의 세기를 변조하는 역할을 한다. 상부 반사층(20)과 하부 반사층(30)은 입사광의 일부를 투과시키며, 또한 활성층(10)에서 공진이 일어날 수 있도록 빛을 반사시키는 역할을 한다. 상부 반사층(20)과 하부 반사층(30)의 반사도가 대략 50% 정도로 서로 같을 수 있다.
상부 반사층(20)과 하부 반사층(30)은 반사층의 역할과 전기적 통로의 역할을 동시에 수행하도록 도핑될 수 있다. 예를 들어, 상부 반사층(20)은 p형으로 도핑되고, 하부 반사층(30)은 n형으로 도핑될 수 있다.
하부 반사층(30)은 고굴절률층과 저굴절률층이 교번적으로 배치될 수 있다. 하부 반사층(30)의 하단에 배치된 고굴절률층은 위상 매칭을 위해 다른 고굴절률층의 두께보다 얇은 두께를 가질 수 있다. 상부 반사층(20)은 활성층(10)을 중심으로 하부 반사층(30)과 대칭적으로 배치된다. 예를 들어, 상부 반사층(20)은 하부 반사층(30)과 마찬가지로 6쌍의 고굴절률층과 저굴절률층을 포함한다. 또한, 상부 반사층(20)의 상단에 배치된 고굴절률층은 위상 매칭을 위해 다른 고굴절률층의 두께보다 얇은 두께를 가질 수 있다. 상기한 하부 반사층(30) 및 상부 반사층(20)은 DBR(distributed bragg reflector)층일 수 있다.
도면에는 도시되어 있지 않지만, 하부 반사층(30)의 하부 표면에는 제2 컨택층 및 상부 반사층(20)의 하부 표면에는 제2 컨택층이 더 배치될 수 있다. 제 1 컨택층과 제 2 컨택층은 광이 통과할 수 있도록 하부 반사층(30)과 상부 반사층(20)의 일부 영역에만 배치될 수 있다. 예를 들어, 제 1 컨택층과 제 2 컨택층은 하부 반사층(30)과 상부 반사층(20)의 가장자리를 따라 링 형태로 형성될 수 있다. 상부 반사층(20) 및 하부 반사층(30)과 마찬가지로, 제 1 컨택층은 n형으로 도핑될 수 있으며, 상부 반사층(20)은 p형으로 도핑될 수 있다. 그러나, 활성층(10)은 도핑되지 않는다.
또한, 도 5에는 기판이 도시되어 있지 않지만, 상기한 광변조기(100a)는 기판상에 배치될 수도 있고, 기판 위에 광변조기(100a)를 형성한 후에 기판이 제거될 수도 있다. 또한, 빛이 투과할 수 있도록 기판의 일부분이 제거될 수 있다. 예를 들어, 기판의 중앙부분이 제거될 수 있다.
도 6은 제2 실시예에 따른 실시예에 따른 광변조기(100b)를 도시한 도면이다. 도 6에 도시된 광변조기(100b)는 도 5에 도시된 광변조기(100a)에 비해 하부 반사층(30)의 하부에 식각 방지층(40)을 더 포함할 수 있다. 상기한 식각 방지층(40)은 AlAs 또는 InGaP로 형성될 수 있다. 광변조기(100b)에 식각 방지층(40)을 추가함으로써 광변조기(100a)의 투과 특성을 더 향상시킬 수 있다. 식각 방지층(40)은 특정 파장, 예를 들어, 50nm의 파장의 적외선에 대해 투과성이 높고, 광변조기의 구조를 안정적으로 유지시킨다.
도 7은 제3 실시예에 따른 광변조기(100c)를 도시한 도면이다. 도 7에 도시된 광변조기(100c)는 도 5에 도시된 광변조기(100a)에 비해 상부 반사층(20) 및 상부 반사층(30) 각각의 내부에 제1 마이크로 캐비티층(52) 및 제2 마이크로 캐비티층(54)이 더 배치될 수 있다. 그리하여, 도 7에 도시된 광변조기(100c)의 활성층(10)은 공진을 위한 메인 캐비티가 되고, 제 1 및 제 2 마이크로 캐비티층(52, 54)은 공진을 위한 부가적인 캐비티가 될 수 있다. 이를 위해, 마이크로 캐비티층(52, 54)의 광학적 두께도 λ/2의 정수 배일 수 있다. 이러한 마이크로 캐비티층(52, 54)은 상부 하부 반사층(20, 30)의 고굴절률층 재료나 저굴절률층 재료로 이루어질 수 있다. 상부 반사층(20)과 하부 반사층(30)에 마이크로 캐비티층(52, 54)가 각각 배치될 수도 있지만, 어느 하나의 마이크로 캐비티층(52, 54)은 생략될 수도 있다. 마이크로 캐비티층(52, 54)의 추가적인 배치로 공진 파장의 대역폭을 증가시킬 수 있다.
도 8은 제4 실시예에 따른 광변조기(100d)를 도시한 도면이다. 도 8를 참조하면, 광변조기(100d)는 상부 반사층(20), 하부 반사층(20) 아래에 배치된 제1 활성층(62), 제1 활성층(62) 아래에 배치된 중간 반사층(70), 중간 반사층(70) 아래에 배치된 제2 활성층(64), 및 제2 활성층(64) 아래에 배치된 하부 반사층(30)을 포함할 수 있다. 여기서 제1 및 제2 활성층(62, 64) 중 적어도 하나는 도 1a에 도시된 활성층(10)이 적용될 수 있다. 즉, 제1 및 제2 활성층(62, 64) 중 적어도 하나는 다중양자우물층(11)과 상기한 다중양자우물층(11)내에 배치되는 적어도 하나의 캐리어블럭층(12)을 포함한다. 그리고, 다중양자우물층(11)은 복수 개의 양자우물층(QW)과 복수 개의 양자장벽층(QB)을 포함할 수 있다. 뿐만 아니라, 상부 반사층(20), 중간 반사층(70) 및 하부 반사층(30)은 고굴절률층과 저굴절률층이 교번적으로 배치될 수 있다.
여기서, 상부 반사층(20)과 하부 반사층(30)은 서로 같은 전기적 타입으로 도핑될 수 있으며, 중간 반사층(70)은 상부 및 하부 반사층(20, 30)과 반대되는 전기적 타입으로 도핑될 수 있다. 예를 들어, 상부 및 하부 반사층(20, 30)은 n-형으로 도핑되고, 중간 반사층(70)은 p-형으로 도핑될 수 있다. 그 대신에, 상부 및 하부 반사층(20, 30)이 p-형으로 도핑되고, 중간 반사층(70)이 n-형으로 도핑될 수도 있다.
일반적으로 광변조기의 구동 전압은 활성층의 전체 두께(또는, 활성층내의 양자우물층(QW)의 총 개수)에 비례하는데, 도 8에 도시된 광변조기(100d)는 두 개의 활성층(62, 64)이 전기적으로 병렬로 연결된 관계에 있기 때문에, 두 활성층(62, 64)의 두께를 합한 두께를 갖는 하나의 활성층을 갖는 광변조기에 비해, 구동 전압이 대략적으로 절반 정도 감소할 수 있다. 따라서, 소비전력을 추가적으로 저감할 수 있어서 발열에 의한 광변조기의 성능 저하를 최소화할 수 있다.
도 5 내지 도 8에 도시된 광변조기(100a, 100b, 100c, 100d)는 투과형 광변조기에 대해 설명하였으나 이에 한정되지 않는다. 반사형 광변조기에 적용될 수 있음도 물론이다. 예를 들어, 하부 반사층은 90% 이상(예를 들어, 약 98%)의 반사도를 갖도록 형성하고, 상부 반사층은 약 30~50%의 반사도를 갖도록 형성함으로써 반사형 광변조기가 될 수 있다.
앞서 설명한 광변조기(100a, 100b, 100c, 100d)는 3차원 영상 획득 장치에 적용될 수 있다. 도 9는 광변조기를 포함하는 3차원 영상 획득 장치의 예시적인 구조를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 9를 참조하면, 3차원 영상 획득 장치(200)는 소정의 파장을 갖는 광을 발생시키는 광원(201), 피사체(300)로부터 반사된 광을 변조시키는 광변조기(203), 광변조기(203)에 의해 변조된 광으로부터 서브 영상을 생성하는 촬상 소자(205), 촬상 소자(205)의 출력을 기초로 깊이 정보를 산출하고, 깊이 정보가 포함된 영상을 생성하는 신호 처리부(206)(processor), 및 상기 광원(201), 광변조기(203), 촬상 소자(205), 신호 처리부(206)의 동작을 제어하기 위한 제어부(207)를 포함할 수 있다.
또한, 3차원 영상 획득 장치(200)는 피사체(300)로부터 반사된 광 중 소정 파장을 갖는 광만을 투과시키는 필터(208)를 더 포함할 수 있으며, 광변조기(203)의 광입사면에는 반사광을 광변조기(203)의 영역 내에 집광시키는 제1 렌즈(209) 및 광변조기(203)와 촬상 소자(205) 사이에 변조된 광을 촬상 소자(205)의 영역 내에 집광시키는 제2 렌즈(210)가 더 배치될 수 있다.
광원(201)은, 예를 들어, 안전을 위해 인간의 눈에는 보이지 않는 약 850nm의 근적외선(NIR) 파장을 갖는 광을 방출시킬 수 있는 발광 다이오드(LED) 또는 레이저 다이오드(LD)일 수 있지만, 파장의 대역과 광원(201)의 종류는 제한을 받지 않는다.
광원(201)으로부터 피사체(300)로 투사되는 투사광은 소정의 주기를 갖는 주기적인 연속 함수의 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 투사광은 사인파, 램프파, 사각파 등과 같이 특수하게 정의된 파형을 가질 수도 있지만, 정의되지 않은 일반적인 형태의 파형을 가질 수도 있다. 또한, 광원(201)은 제어부(207)의 제어하에 주기적으로 일정 시간동안만 광을 피사체(300)에 집중 투사할 수 있다.
광변조기(203)는 피사체(300)로부터 반사된 광을 제어부(207)의 제어에 따라 변조한다. 예를 들어, 광변조기(203)는 소정의 파형을 갖는 광변조 신호에 따라 이득을 변화시켜 투과광의 크기를 변조시킬 수 있다. 이를 위해, 광변조기(203)는 가변 이득을 가질 수 있다.
광변조기(203)는 거리에 따른 빛의 위상차 또는 이동 시간을 식별하기 위해 수십~수백 MHz의 높은 변조 속도로 동작할 수 있다. 광변조기(203)는 앞서 기술한 광변조기가 적용될 수 있다. 도 9에는 광변조기(203)가 투과형인 것으로 도시되어 있지만, 반사형 광변조기를 사용하는 것도 가능하다.
촬상 소자(205)는 광변조기(203)에 의해 변조된 광을 제어부(207)의 제어에 따라 검출하여 서브 영상을 생성하는 역할을 한다. 만약 피사체(300)의 어느 한 점까지의 거리만을 측정하고자 하는 경우, 촬상 소자(205)는 예를 들어 포토다이오드나 적분기와 같은 하나의 단일한 광센서를 사용할 수도 있다. 그러나 피사체(300) 상의 다수의 점들까지의 거리들을 동시에 측정하고자 하는 경우, 촬상 소자(205)는 다수의 포토다이오드 또는 다른 광검출기들의 2차원 또는 1차원 어레이를 가질 수도 있다. 예를 들어, 상기 촬상 소자(205)는 2차원 어레이를 갖는 CCD 이미지 센서 또는 CMOS 이미지 센서일 수도 있다. 촬상 소자(205)는 반사광 별로 하나의 서브 영상을 생성할 수 있다.
신호 처리부(206)는 촬상 소자(205)의 출력을 기초로, 깊이 정보를 산출하고, 깊이 정보가 포함된 3차원 영상을 생성한다. 신호 처리부(206)는 예를 들어 전용의 집적회로(IC)로 구현될 수도 있으며, 또는 3차원 영상 획득 장치(200) 내에 설치된 소프트웨어로도 구현될 수 있다. 소프트웨어로 구현되는 경우, 신호 처리부(206)는 별도의 이동 가능한 저장 매체에 저장될 수도 있다.
일 실시예에 따른 광변조기의 구조는 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
10, 10a, 10b : 활성층 11, 11a, 11b: 다중양자우물층
12, 12a, 12b: 캐리어블럭층
100a, 100b, 100c, 100d: 광변조기
20: 상부 반사층 30: 하부 반사층
40: 식각 방지층
52: 제1 마이크로 캐비티층 54: 제2 마이크로 캐비티층
62: 제1 활성층 64: 제2 활성층
70: 중간 반사층
200: 3D 영상 획득 장치

Claims (21)

  1. 복수 개의 양자우물층과 복수 개의 양자장벽층을 포함하는 다중양자우물층; 및
    상기 다중양자우물층내에 배치되며, 상기 다중양자우물층 간의 캐리어 이동을 제한하는 하나 이상의 캐리어블럭층;을 포함하는 광변조기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 캐리어블럭층의 에너지 밴드는 상기 다중양자우물층내 양자장벽층의 에너지 밴드보다 큰 광변조기.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 캐리어블럭층은 투명 물질로 형성된 광변조기.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 캐리어블럭층의 굴절률은 상기 다중양자우물층내 양자장벽층의 굴절률보다 큰 광변조기.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 다중양자우물층의 전체 광학적 두께는 λ/2(λ는 공진 파장)의 정수배인 광변조기.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 다중양자우물층은
    하나 이상의 양자우물층과 하나 이상의 양자장벽층을 포함하는 복수 개의 서브 다중양자우물층을 포함하는 광변조기.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 다중양자우물층은
    상기 캐리어블럭층의 일면과 접하고, 하나 이상의 양자우물층과 하나 이상의 양자장벽층을 포함하는 제1 다중양자우물층; 및
    상기 캐리어블럭층의 타면과 접하고, 하나 이상의 양자우물층과 하나 이상의 양자장벽층을 포함하는 제2 다중양자우물층;을 포함하는 광변조기.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 다중양자우물층 중 적어도 하나의 광학적 두께는 λ/2(λ는 공진 파장)의 정수배인 광변조기.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 캐리어블럭층은,
    상기 제1 다중양자우물층내 양자장벽층과 상기 제2 다중양자우물층내 양자장벽층과 접하는 광변조기.
  10. 제 7항에 있어서,
    상기 제1 다중양자우물층의 두께와 상기 제2 다중양자우물층의 두께는 동일한 광변조기.
  11. 제 7항에 있어서,
    상기 제1 다중양자우물층의 두께와 상기 제2 다중양자우물층의 두께는 서로 다른 광변조기.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 다중양자우물층 및 상기 캐리어블럭층은 상기 광변조기의 활성층내에 포함되는 광변조기.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 다중양자우물층은 상기 활성층을 중심으로 대칭인 광변조기.
  14. 제 12항에 있어서,
    상기 활성층의 하부 표면과 상부 표면에 각각 배치된 하부 반사층과 상부 반사층을 더 포함하는 광변조기.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 광변조기는 투과형이고, 상기 하부 반사층의 반사도와 상기 상부 반사층의 반사도가 동일한 광변조기.
  16. 제 14항에 있어서,
    상기 하부 반사층과 상기 상부 반사층 중 적어도 하나의 내부에 배치되는 적어도 하나의 마이크로 캐비티층을 더 포함하며, 상기 마이크로 캐비티층의 광학적 두께는 λ/2(λ는 공진 파장)의 정수배인 광변조기.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 하부 반사층과 상기 상부 반사층은 굴절률이 서로 다른 제 1 굴절률층과 제 2 굴절률층이 교번적으로 적층된 광변조기.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 마이크로 캐비티층은 제 1 굴절률층과 제 2 굴절률층 중 어느 하나와 동일한 재료로 이루어지는 광변조기.
  19. 피사체를 향해 광을 투사하는 광원;
    상기 제1 항 내지 제18항 중 어느 한 항에 따른 광변조기로서, 상기 피사체로부터 반사된 반사 광을 변조하는 광 변조기;
    상기 광 변조기에 의해 변조된 광을 촬영하는 촬상소자; 및
    상기 촬상소자에서 출력된 결과를 이용하여 상기 피사체와의 거리에 관한 깊이 정보를 산출하는 신호 처리부;를 포함하는 3차원 영상 획득 장치.
  20. 제 19항에 있어서,
    상기 반사광을 상기 광변조기에 집광시키는 제1 렌즈; 및
    상기 제1 렌즈와 상기 광 변조기 사이에서 소정의 파장을 갖는 광을 투과시키고 상기 파장 이외의 광을 제거하는 필터;를 더 포함하는 3차원 영상 획득 장치.
  21. 제 19항에 있어서,
    상기 광원은,
    적외선 대역의 LD 또는 LED를 포함하는 3차원 영상 획득 장치.
KR1020130099240A 2013-08-21 2013-08-21 광변조기 및 이를 포함한 3차원 영상 획득 장치 KR102038623B1 (ko)

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