KR20180018244A - 상변화 물질을 이용한 광변조기 및 이를 포함하는 장치 - Google Patents

상변화 물질을 이용한 광변조기 및 이를 포함하는 장치 Download PDF

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KR20180018244A
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박용화
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삼성전자주식회사
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Abstract

상변화 물질을 이용한 광변조기 및 이를 포함하는 장치에 관해 개시되어 있다. 개시된 광변조기는 광변조층에 상변화 물질을 포함할 수 있다. 상기 광변조층의 제1면에 제1 전극이 구비될 수 있고, 상기 광변조층의 제2면에 제2 전극이 구비될 수 있다. 상기 제1 전극을 사이에 두고 상기 광변조층과 대향하는 제1 위상조절층 및 상기 제2 전극을 사이에 두고 상기 광변조층과 대향하는 제2 위상조절층이 구비될 수 있다. 상기 제1 및 제2 위상조절층 각각은 λ/4의 홀수배에 해당하는 광학적 두께를 가질 수 있다. 여기서, λ는 변조하고자 하는 입사광의 타깃 파장일 수 있다. 상기 광변조기는 상기 광변조층에 대향하도록 배치된 적어도 하나의 반사층을 더 포함할 수 있다. 상기 광변조층은 약 10 nm 이하의 두께를 가질 수 있고, 상기 광변조기의 동작 전압은 약 10 V 이하일 수 있다.

Description

상변화 물질을 이용한 광변조기 및 이를 포함하는 장치{Optical modulator using phase change material and device including the same}
개시된 실시예들은 광변조기 및 이를 포함하는 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 있으며, 이를 위해 광변조기가 사용된다.
종래의 광변조기는 GaAs 기판 상에 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체들을 결정성장(crystal growth)하는 방식으로 제조된다. 이러한 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 기반의 광변조기는 P-전극과 N-전극 사이에 다중양자우물(multiple quantum well)(MQW) 구조를 배치한 P-I-N 다이오드 구조를 갖는다. 그런데, Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 기반의 광변조기는 성능 향상을 위한 수 ㎛ 이상의 두꺼운 흡수층 및 복잡한 적층 구조로 인해, 공정 난이도가 높아지고, 소자의 재현성이 떨어지며, 제조 단가가 높아지는 등의 문제가 있다.
상변화 물질을 이용한 광변조기를 제공한다.
비교적 단순한 구조를 가지면서도 우수한 성능을 나타낼 수 있는 광변조기를 제공한다.
광변조층의 두께를 줄일 수 있는 광변조기를 제공한다.
동작 전압을 낮출 수 있는 광변조기를 제공한다.
높은 광변조율 및 높은 명암비(예컨대, demodulation contrast)를 확보할 수 있는 광변조기를 제공한다.
상기 광변조기를 포함하는 장치를 제공한다.
일 측면(aspect)에 따르면, 상변화 물질을 포함하는 광변조층; 상기 광변조층의 제1면에 구비된 제1 전극; 상기 광변조층의 제2면에 구비된 제2 전극; 상기 제1 전극을 사이에 두고 상기 광변조층과 대향하는 제1 위상조절층; 상기 제2 전극을 사이에 두고 상기 광변조층과 대향하는 제2 위상조절층; 및 상기 광변조층에 대향하도록 배치된 적어도 하나의 반사층;을 포함하고, 변조하고자 하는 입사광의 타깃 파장을 λ라 할 때, 상기 제1 및 제2 위상조절층 각각은 λ/4의 홀수배에 해당하는 광학적 두께를 갖고, 상기 상변화 물질의 상변화에 따른 광학적 특성 변화를 이용해서 광을 변조하는 광변조기가 제공된다.
상기 광변조층은 약 10 nm 이하의 두께를 가질 수 있다.
상기 광변조층은 약 7 nm 이하의 두께를 가질 수 있다.
상기 광변조기는 약 10 V 이하의 동작 전압으로 동작되도록 구성될 수 있다.
상기 광변조기는 약 5 V 이하의 동작 전압으로 동작되도록 구성될 수 있다.
상기 상변화 물질은, 예컨대, Ge40Sb10Te50을 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 전극 중 적어도 하나는 투명 전도성 산화물(transparent conductive oxide)(TCO)을 포함할 수 있다.
상기 광변조층과 상기 제1 및 제2 전극의 전체 광학적 두께는 λ/2의 정수배 조건을 만족할 수 있다.
상기 제1 및 제2 위상조절층 중 적어도 하나는 TiO2, SiO2, SiNx, Al2O3, AlN, HfO2, SiC 및 MgO 중 하나를 포함할 수 있다.
상기 적어도 하나의 반사층은 제1 DBR(distributed Bragg reflector) 및 제2 DBR 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 제1 DBR은 상기 제1 위상조절층을 사이에 두고 상기 광변조층과 대향하도록 배치될 수 있고, 상기 제2 DBR은 상기 제2 위상조절층을 사이에 두고 상기 광변조층과 대향하도록 배치될 수 있다.
상기 제1 DBR 및 제2 DBR 중 적어도 하나는 서로 다른 굴절률을 갖는 제1 물질층과 제2 물질층이 1회 이상 교대로 반복 적층된 구조는 가질 수 있다.
상기 광변조기는 입사광에 대해 투명한 기판을 포함할 수 있고, 상기 기판 상에 상기 제1 위상조절층, 상기 제1 전극, 상기 광변조층, 상기 제2 전극 및 상기 제2 위상조절층이 차례로 적층될 수 있다.
상기 광변조기는 상기 상변화 물질의 상변화에 따른 투과율 변화를 이용하는 투과형 광변조기일 수 있다.
상기 광변조기의 투과율 변화량은 약 40% 이상일 수 있다.
상기 광변조기의 투과율 변화량은 약 50% 이상일 수 있다.
상기 광변조기의 D.C.(demodulation contrast)는 약 70% 이상일 수 있다.
상기 광변조기의 D.C.는 약 80% 이상일 수 있다.
다른 측면에 따르면, 전술한 광변조기를 포함하는 광학 장치가 제공된다.
다른 측면에 따르면, 피사체에 광을 조사하는 광원부; 상기 피사체로부터 반사된 광을 변조하는 것으로, 전술한 광변조기를 포함하는 광변조부; 및 상기 광변조부에 의해 변조된 광을 검출하는 광검출부;를 포함하는 3차원 이미지 획득 장치가 제공된다.
다른 측면에 따르면, 상변화 물질을 포함하는 광변조층; 상기 광변조층의 제1면에 구비된 제1 전극; 상기 광변조층의 제2면에 구비된 제2 전극; 상기 제1 전극을 사이에 두고 상기 광변조층과 대향하는 제1 위상조절층; 및 상기 제2 전극을 사이에 두고 상기 광변조층과 대향하는 제2 위상조절층;을 포함하고, 변조하고자 하는 입사광의 타깃 파장을 λ라 할 때, 상기 제1 및 제2 위상조절층 각각은 λ/4의 홀수배에 해당하는 광학적 두께를 갖고, 상기 광변조층과 상기 제1 및 제2 전극의 전체 광학적 두께는 λ/2의 정수배 조건을 만족하며, 상기 상변화 물질의 상변화에 따른 광학적 특성 변화를 이용해서 광을 변조하는 광변조기가 제공된다.
상기 광변조층의 두께는 약 10∼40 nm 정도일 수 있다.
상기 상변화 물질은, 예컨대, Ge40Sb10Te50을 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 전극 중 적어도 하나는 투명 전도성 산화물(transparent conductive oxide)(TCO)을 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 위상조절층 중 적어도 하나는 TiO2, SiO2, SiNx, Al2O3, AlN, HfO2, SiC 및 MgO 중 하나를 포함할 수 있다.
상기 광변조기는 상기 제1 위상조절층을 사이에 두고 상기 광변조층과 대향하는 제1 DBR; 및 상기 제2 위상조절층을 사이에 두고 상기 광변조층과 대향하는 제2 DBR; 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
상기 광변조층은 약 10 nm 이하의 두께를 가질 수 있다.
상기 광변조층은 약 7 nm 이하의 두께를 가질 수 있다.
상기 광변조기의 동작 전압은 약 10 V 이하일 수 있다.
상기 광변조기의 동작 전압은 약 5 V 이하일 수 있다.
상기 광변조기의 투과율 변화량은 약 40% 이상일 수 있다.
상기 광변조기의 투과율 변화량은 약 50% 이상일 수 있다.
상기 광변조기의 D.C.(demodulation contrast)는 약 70% 이상일 수 있다.
상기 광변조기의 D.C.는 약 80% 이상일 수 있다.
다른 측면에 따르면, 전술한 광변조기를 포함하는 광학 장치가 제공된다.
다른 측면에 따르면, 피사체에 광을 조사하는 광원부; 상기 피사체로부터 반사된 광을 변조하는 것으로, 전술한 광변조기를 포함하는 광변조부; 및 상기 광변조부에 의해 변조된 광을 검출하는 광검출부;를 포함하는 3차원 이미지 획득 장치가 제공된다.
상변화 물질을 이용하여, 비교적 단순한 구조를 가지면서도 우수한 성능을 나타낼 수 있는 광변조기를 구현할 수 있다. 광변조층의 두께가 얇은 광변조기를 구현할 수 있다. 동작 전압이 낮은 광변조기를 구현할 수 있다. 높은 광변조율 및 높은 명암비(예컨대, demodulation contrast)를 갖는 광변조기를 구현할 수 있다.
실시예에 따른 광변조기를 적용하여 우수한 성능을 갖는 광학 장치를 구현할 수 있다. 예컨대, 광변조기를 적용한 3차원 이미지 획득 장치를 구현할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 광변조기를 보여주는 단면도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 광변조기에 적용되는 상변화 물질의 상변화를 설명하기 위한 개념도이다.
도 3a는 일 실시예에 따른 것으로, 광변조기에 적용된 상변화 물질에 인가되는 전압과 그에 따른 상의 변화를 설명하기 위한 그래프이다.
도 3b는 다른 실시예에 따른 것으로, 광변조기에 적용된 상변화 물질에 인가되는 전압과 그에 따른 상의 변화를 설명하기 위한 그래프이다.
도 4는 일 실시예에 따른 광변조기에 의한 입사광의 변조를 설명하기 위한 단면도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 광변조기의 상변화 물질의 상변화에 의한 투과도 특성 변화를 보여주는 그래프이다.
도 6은 다른 실시예에 따른 광변조기를 보여주는 단면도이다.
도 7은 다른 실시예에 따른 광변조기를 보여주는 단면도이다.
도 8은 다른 실시예에 따른 광변조기의 상변화 물질의 상변화에 의한 투과도 특성 변화를 보여주는 그래프이다.
도 9는 다른 실시예에 따른 광변조기를 보여주는 단면도이다.
도 10은 다른 실시예에 따른 광변조기의 상변화 물질의 상변화에 의한 투과도 특성 변화를 보여주는 그래프이다.
도 11은 다른 실시예에 따른 광변조기를 보여주는 단면도이다.
도 12는 다른 실시예에 따른 광변조기를 보여주는 단면도이다.
도 13은 다른 실시예에 따른 광변조기를 보여주는 단면도이다.
도 14는 일 실시예에 따른 것으로, 광변조기를 포함하는 3차원 이미지 획득 장치의 예시적인 구조를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 15는 다른 실시예에 따른 것으로, 광변조기를 포함하는 3차원 이미지 획득 장치의 예시적인 구조를 개략적으로 보여주는 도면이다.
이하, 실시예들에 따른 광변조기 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 1은 일 실시예에 따른 광변조기를 보여주는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 광변조기(M10)는 상변화 물질(phase change material)을 구비하는 광변조층(ML10) 및 광변조층(ML10)에 전압을 인가하기 위한 전극들(E10, E20)을 포함할 수 있다. 제1 전극(E10) 및 제2 전극(E20)은 각각 광변조층(ML10)의 제1면(예컨대, 하면) 및 제2면(예컨대, 상면)에 구비될 수 있다. 제1 전극(E10) 및 제2 전극(E20)은 소정의 전압 인가 장치(V)에 연결될 수 있고, 광변조층(ML10)에 전압을 인가하여 상변화 물질의 상(phase)을 변화시킬 수 있다. 상변화 물질의 상이 변화됨에 따라, 광변조층(ML10)의 광학적 특성이 달라지는데, 이에 대해서는 추후에 도 2 내지 도 5를 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
광변조층(ML10)에 포함된 상변화 물질은, 예컨대, Ge-Sb-Te 계열의 물질일 수 있다. Ge-Sb-Te 계열의 물질은 GexSbyTez로 표현될 수 있고, 여기서 x, y, z는 양(+)의 정수일 수 있다. x, y, z 사이에는 x ＞ y 가 만족될 수 있고, y ＜ z 가 만족될 수 있으며, x ＜ z 가 더 만족될 수 있다. 구체적인 예로, 상변화 물질은 Ge40Sb10Te50 일 수 있다. 이러한 상변화 물질을 사용할 때, 높은 광변조 특성 및 저전압 구동 특성을 확보하는데 유리할 수 있다.
제1 및 제2 전극(E10, E20) 중 적어도 하나는 투명 전도성 산화물(transparent conductive oxide)(TCO)을 포함할 수 있다. 구체적인 예로, 제1 및 제2 전극(E10, E20) 중 적어도 하나는 ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide), AZO(aluminum zinc oxide) 등으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질을 포함할 수 있다. 일례로, 제1 및 제2 전극(E10, E20)은 모두 ITO층일 수 있으나, 이는 예시적인 것이고, 입사광에 대하여 투명한 전극 물질이면 어느 것이든 적용될 수 있다. 제1 및 제2 전극(E10, E20) 각각의 두께는 이를 구성하는 물질의 굴절률을 고려하여 정해질 수 있고, 예컨대, 수백 nm 이하의 수준에서 결정될 수 있다.
광변조기(M10)는 제1 전극(E10)을 사이에 두고 광변조층(ML10)과 대향하는 제1 위상조절층(phase controlling layer)(PL10)을 포함할 수 있다. 또한, 광변조기(M10)는 제2 전극(E20)을 사이에 두고 광변조층(ML10)과 대향하는 제2 위상조절층(PL20)을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 위상조절층(PL10, PL20)은 위상 매칭층(phase matching layer)이라 지칭할 수도 있다. 변조하고자 하는 입사광의 타깃 파장(중심 파장)을 λ라 할 때, 제1 및 제2 위상조절층(PL10, PL20) 각각은 λ/4의 홀수배에 해당하는 광학적 두께를 가질 수 있다. 이 경우, 제1 및 제2 위상조절층(PL10, PL20)은 광변조기(M10)를 투과하거나 반사하는 전자기파(광)의 위상을 매칭시켜서, 결과적으로, 광변조 효율을 높여주는 역할을 할 수 있다. 다시 말해, 제1 및 제2 위상조절층(PL10, PL20)을 통과하거나 반사하는 전자기파(광)는 위상이 매칭되어, 이로 인해, 광변조 효율이 크게 개선될 수 있다.
제1 및 제2 위상조절층(PL10, PL20)은 유전체층일 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 위상조절층(PL10, PL20) 중 적어도 하나는 TiO2, SiO2, SiNx, Al2O3, AlN, HfO2, SiC 및 MgO 중 하나를 포함할 수 있다. 그러나, 여기서 제시한 구체적인 물질은 예시적인 것이고, 제1 및 제2 위상조절층(PL10, PL20)의 물질은 다양하게 변화될 수 있다.
광변조기(M10)는 광변조층(ML10)에 대향하도록 배치된 적어도 하나의 반사층(RL10, RL20)을 더 포함할 수 있다. 여기서는, 제1 위상조절층(PL10)을 사이에 두고 광변조층(ML10)에 대향하는 제1 반사층(RL10) 및 제2 위상조절층(PL20)을 사이에 두고 광변조층(ML10)에 대향하는 제2 반사층(RL20)이 구비된 경우가 도시되어 있다. 제1 및 제2 반사층(RL10, RL20) 중 적어도 하나는, 예컨대, DBR(distributed Bragg reflector) 구조를 가질 수 있다. 제1 및 제2 반사층(RL10, RL20)이 모두 DBR 구조를 갖는 경우, 제1 반사층(RL10)은 제1 DBR 이라 할 수 있고, 제2 반사층(RL20)은 제2 DBR 이라 할 수 있다. 상기 제1 DBR(즉, 제1 반사층)(RL10)은 서로 다른 굴절률을 갖는 두 개의 물질층(이하, 제1 및 제2 물질층)(10a, 10b)이 1회 이상 교대로 반복 적층된 구조를 가질 수 있고, 이와 유사하게, 상기 제2 DBR(즉, 제2 반사층)(RL20)은 서로 다른 굴절률을 갖는 두 개의 물질층(이하, 제3 및 제4 물질층)(20a, 20b)이 1회 이상 교대로 반복 적층된 구조를 가질 수 있다. 여기서, 제1 및 제2 물질층(10a, 10b)이 1 pair로 구비되고, 제3 및 제4 물질층(20a, 20b)도 1 pair로 구비된 경우를 도시하였지만, 이들은 2 pair 이상의 적층 구조를 가질 수도 있다. 제1 및 제2 물질층(10a, 10b)은, 예컨대, TiO2, SiO2, SiNx, Al2O3, AlN, HfO2, SiC, MgO 등으로 구성된 그룹에서 선택된 서로 다른 유전체일 수 있다. 이와 유사하게, 제3 및 제4 물질층(20a, 20b)은 TiO2, SiO2, SiNx, Al2O3, AlN, HfO2, SiC, MgO 등으로 구성된 그룹에서 선택된 서로 다른 유전체일 수 있다. 제3 물질층(20a)의 물질은 제2 물질층(10b)의 물질과 동일할 수 있고, 제4 물질층(20b)의 물질은 제1 물질층(10a)의 물질과 동일할 수 있다. 또한, 제1 물질층(10a)의 물질은 제1 위상조절층(PL10)의 물질과 동일할 수 있고, 제4 물질층(20b)의 물질은 제2 위상조절층(PL20)의 물질과 동일할 수 있다. 제1 및 제2 물질층(10a, 10b) 각각은 λ/4의 정수배에 해당하는 광학적 두께를 가질 수 있고, 이와 유사하게, 제3 및 제4 물질층(20a, 20b) 각각은 λ/4의 정수배에 해당하는 광학적 두께를 가질 수 있다. 제1 위상조절층(PL10)이 제1 및 제2 물질층(10a, 10b)과 함께 하나의 DBR 구조를 구성한다고 여길 수도 있고, 이와 유사하게, 제2 위상조절층(PL20)이 제3 및 제4 물질층(20a, 20b)과 함께 하나의 DBR 구조를 구성한다고 여길 수도 있다.
본원의 실시예에 따르면, 상변화 물질을 포함하는 광변조층(ML10)과 제1 및 제2 전극(E10, E20)의 전체적인 광학적 두께는 λ/2의 정수배 조건을 만족할 수 있다. 다시 말해, 광변조층(ML10)과 제1 및 제2 전극(E10, E20)의 적층 구조체는 λ/2의 정수배에 해당하는 광학적 두께를 가질 수 있다. 이 경우, 광변조층(ML10)과 제1 및 제2 전극(E10, E20)은 하나의 공진(resonance) 구조 또는 캐비티(cavity) 구조를 구성한다고 할 수 있다. 이러한 캐비티 구조는 패브리-페로(Fabry-Perot) 캐비티 구조라고 할 수 있다.
광변조기(M10)는 입사광에 대하여 투명한 기판(SUB10)을 포함할 수 있다. 예컨대, 입사광이 적외선(infrared ray)(IR) 영역의 광인 경우, 기판(SUB10)은 유리(glass) 기판이거나 GaAs 기판, InP 기판 등일 수도 있다. 또한, 기판(SUB10)은 유전체 필름이거나 반도체 필름일 수 있다. 또한, 기판(SUB10)은 유기물(폴리머) 기판일 수 있고, 이 경우, 플렉서블(flexible)한 특성을 가질 수 있다. 그러나 기판(SUB10)의 물질은 전술한 바에 한정되지 않고 다양하게 변화될 수 있다. 기판(SUB10) 상에 제1 반사층(RL10) 및 이와 이격된 제2 반사층(RL20)이 구비되고, 제1 반사층(RL10)과 제2 반사층(RL20) 사이에 상변화 물질을 포함하는 광변조층(ML10)이 구비될 수 있다. 광변조층(ML10)과 제1 반사층(RL10) 사이에 제1 전극(E10)이 구비될 수 있고, 광변조층(ML10)과 제2 반사층(RL20) 사이에 제2 전극(E20)이 구비될 수 있다. 제1 전극(E10)과 제1 반사층(RL10) 사이에 제1 위상조절층(PL10)이 구비될 수 있고, 제2 전극(E20)과 제2 반사층(RL20) 사이에 제2 위상조절층(PL20)이 구비될 수 있다.
구체적인 예로, 광변조기(M10)는 기판(SUB10)으로 약 500㎛의 두께를 갖는 유리 기판을 사용할 수 있고, 그 위에 TiO2층(10a), SiO2층(10b), TiO2층(PL10), ITO층(E10), Ge40Sb10Te50층(ML10), ITO층(E20), TiO2층(PL20), SiO2층(20a), TiO2층(20b)을 순차로 구비시킬 수 있다. 그러나 이러한 구체적인 물질들의 조합은 예시적인 것에 불과하고, 다양하게 변화될 수 있다.
본 실시예에서 상변화 물질을 포함하는 광변조층(ML10)은 우수한 광변조 특성을 나타낼 수 있다. 광변조층(ML10)의 상하부에 제1 및 제2 위상조절층(PL10, PL20) 및 적어도 하나의 반사층(RL10, RL20)이 구비되기 때문에, 광변조층(ML10)에서 우수한 공진 특성이 나타날 수 있고, 광변조 특성이 더욱 개선될 수 있다. 따라서, 광변조층(ML10)의 두께를 얇게 하더라도 우수한 광변조 특성을 용이하게 확보할 수 있다. 예컨대, 광변조층(ML10)의 두께는 약 10 nm 이하 또는 약 7 nm 이하일 수 있다. 이와 같이, 광변조층(ML10)의 두께가 얇은 경우, 광변조층(ML10)의 광변조를 유도하기 위한 구동 전압도 상당히 낮을 수 있다. 따라서, 광변조기(M10)의 동작 전압은 약 10 V 이하일 수 있다. 예컨대, 광변조기(M10)의 동작 전압은 약 5 V 이하일 수 있다. 경우에 따라, 광변조기(M10)의 동작 전압은 약 3 V 이하 또는 약 2 V 이하일 수도 있다.
또한, 본 실시예에 따른 광변조기(M10)는 상변화 물질의 상변화에 따른 투과율 변화를 이용하는 소자일 수 있다. 이 경우, 광변조기(M10)의 투과율 변화량은 약 40% 이상 또는 약 50% 이상으로 높을 수 있다. 또한, 광변조기(M10)의 D.C.(demodulation contrast)는 약 70% 이상 또는 약 80% 이상일 수 있다. 따라서, 광변조층(ML10)의 두께가 얇고 전체적인 적층 구조가 단순하면서도 우수한 광변조 특성을 갖는 광변조기(M10)를 구현할 수 있다. 이러한 광변조기(M10)는 우수한 성능을 갖는 공간 광변조기(spatial light modulator)(SLM)로 사용될 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 광변조기에 적용되는 상변화 물질의 상변화를 설명하기 위한 개념도이다.
도 2를 참조하면, 상변화 물질의 상(phase)은 비정질과 결정질 사이에서 변화될 수 있다. 이러한 상의 변화는 인가되는 전압의 세기 및 인가시간에 따라 가역적으로 이루어질 수 있다. 이에 대해서는 도 3a 및 도 3b를 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
도 3a는 일 실시예에 따른 것으로, 광변조기에 적용된 상변화 물질에 인가되는 전압과 그에 따른 상의 변화를 설명하기 위한 그래프이다.
도 3a를 참조하면, 비정질 상태의 상변화 물질에 제1 전압(V1)이 제1 지속시간(T1) 동안 인가될 수 있다. 제1 전압(V1)은 세트(set) 전압일 수 있고, 제1 지속시간(T1)은, 예컨대, 수십 ns 내지 수백 ns 정도일 수 있다. 상변화 물질층(광변조층)의 두께가 얇은 경우, 제1 지속시간(T1)은 약 10 ns 이하, 예컨대, 수 ns 정도로 짧을 수도 있다. 이러한 제1 전압(V1)의 인가에 의해 비정질 상태의 상변화 물질이 가열된 후 결정화되어 결정질 상태로 변화될 수 있다.
도 3b는 다른 실시예에 따른 것으로, 광변조기에 적용된 상변화 물질에 인가되는 전압과 그에 따른 상의 변화를 설명하기 위한 그래프이다.
도 3b를 참조하면, 결정질 상태의 상변화 물질에 제2 전압(V2)이 제2 지속시간(T2) 동안 인가될 수 있다. 제2 전압(V2)은 리세트(reset) 전압일 수 있고, 도 3a의 제1 전압(V1)보다 클 수 있다. 제2 지속시간(T2)은 도 3a의 제1 지속시간(T1)보다 짧을 수 있다. 예컨대, 제2 지속시간(T2)은 약 10 ns 이하일 수 있으며, 제2 전압(V2)의 인가에 의해 결정질 상태의 상변화 물질이 용융-급냉(melt-quenching)되어 비정질 상태로 변화될 수 있다.
도 3a 및 도 3b를 참조하여 설명한 상변화를 일으키기 위한 전압(V1, V2)은 약 10 V 이하 또는 약 5 V 이하 또는 약 3 V 이하로 낮을 수 있다.
상변화 물질(예를 들어, Ge40Sb10Te50)의 상변화에 따라 굴절률 및 흡수율이 크게 변화될 수 있다. 예컨대, 상변화 물질이 비정질 상태인 경우의 복소 굴절률은 4.19 + i0.81 (at 780nm)일 수 있고, 결정질 상태인 경우의 복소 굴절률은 4.94 + i4.41 (at 780nm)로써, 상변화에 따라 흡수 계수가 0.81 에서 4.41로 크게 변화될 수 있다. 또한, 다른 파장을 예로 들면, 상변화 물질이 비정질 상태인 경우의 복소 굴절률은 4.32 + i0.37 (at 850nm)일 수 있고, 결정질 상태인 경우의 복소 굴절률은 5.67 + i4.21 (at 850nm)로써, 상변화에 따라 흡수 계수가 0.37 에서 4.21로 크게 변화될 수 있다. 이와 같이 상변화 물질의 상변화에 의해 계수(흡수 계수) 변화가 크기 때문에, 얇은 두께만으로도 큰 투과도 변화를 일으킬 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 광변조기(M10)에 의한 입사광의 변조를 설명하기 위한 단면도이다.
도 4를 참조하면, 입사광(L1)이 광변조기(M10)에 조사된 후, 광변조기(M10)를 통과한 출사광(L2)이 출사될 수 있다. 제1 전극(E10)과 제2 전극(E20) 사이에 소정의 전압을 인가하여 광변조층(ML10)의 상(phase)을 변화시킴에 따라, 출사광(L2)의 특성이 변화될 수 있다. 광변조층(ML10)의 상변화 물질이 비정질 상태인 경우, 흡수 계수가 낮을 수 있고, 광변조기(M10)의 투과율이 높을 수 있다. 이때의 투과율을 오프(OFF) 상태의 투과율(Toff)이라 할 수 있다. 반면, 광변조층(ML10)의 상변화 물질이 결정질 상태인 경우, 흡수 계수가 높을 수 있고, 광변조기(M10)의 투과율이 낮을 수 있다. 이때의 투과율을 온(ON) 상태의 투과율(Ton)이라 할 수 있다. 오프 상태 투과율(Toff)과 온 상태 투과율(Ton)의 차이는 투과율 변화량(Tdiff 또는 ΔT)이라 할 수 있으며, 본원의 실시예에 따르면 약 40% 이상 또는 약 50% 이상으로 높을 수 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 광변조기의 상변화 물질의 상변화에 의한 투과도 특성 변화를 보여주는 그래프이다. 도 5의 그래프에서 X축은 입사광의 파장을 나타내고, Y축은 광변조기의 투과율을 나타낸다. 도 5의 결과는 도 4의 구조를 갖되, 기판(SUB10)으로 약 500㎛의 두께를 갖는 유리 기판을 사용하고, 그 위에 TiO2층(10a), SiO2층(10b), TiO2층(PL10), ITO층(E10), Ge40Sb10Te50층(ML10), ITO층(E20), TiO2층(PL20), SiO2층(20a), TiO2층(20b)을 순차로 구비시킨 광변조기(M10)에 대한 결과이다. 이때, Ge40Sb10Te50층(ML10)의 두께는 5 nm 이었고, ITO층들(E10, E20)의 두께는 138 nm 였다.
도 5를 참조하면, 상변화 물질이 결정질 상태일 때, 광변조기(M10)의 투과율(Ton)은 매우 낮게 나타났다. 상변화 물질이 비정질 상태일 때, 광변조기(M10)의 투과율(Toff)은 상대적으로 매우 크게 나타났다. 특히, 입사광의 파장이 약 820 nm 이상일 때, 오프 상태 투과율(Toff)은 약 30% 이상으로 나타났고, 파장이 약 830 nm 이상일 때, 오프 상태 투과율(Toff)은 약 40% 이상으로 나타났다. 입사광의 파장이 약 840∼860 nm 범위일 때, 오프 상태 투과율(Toff)은 약 50 % 이상으로 높게 나타났다. 한편, 온 상태 투과율(Ton)은 측정 파장 영역에서 약 5% 이하로 매우 낮게 나타났다. 오프 상태 투과율(Toff)과 온 상태 투과율(Ton)의 차이인 투과율 변화량(Tdiff)은 약 835 nm 이상의 파장 영역에서 약 40% 이상으로 높게 나타났다.
도 5의 결과를 통해, 본 실시예에 따른 광변조기(M10)를 이용할 경우, 약 40% 이상 또는 약 50% 이상의 높은 투과율 변화량(Tdiff)을 용이하게 확보할 수 있음을 알 수 있다. 또한, 도 5의 결과로부터 D.C.(demodulation contrast)를 계산하면, D.C.는 약 70% 이상일 수 있다. 도 5에서 얻어진 최대 D.C. 값은 약 86.6% 일 수 있다.
종래의 광변조기의 경우, Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체들을 결정성장(crystal growth)(즉, 에피택셜 성장)하는 방식으로 제조된다. 이러한 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 기반의 광변조기는 P-전극과 N-전극 사이에 다중양자우물(multiple quantum well)(MQW) 구조를 배치한 P-I-N 다이오드 구조를 갖는다. 그런데, Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 기반의 광변조기는 성능 향상을 위해 수 ㎛ 이상의 두꺼운 흡수층 구조 및 복잡한 적층 구조를 요구하고, 이로 인해, 공정 난이도가 높아지고, 소자의 재현성이 떨어지며, 제조 단가가 높아지는 등의 문제가 있다. 또한, 에피택셜 성장법을 이용할 경우, GaAs 기판 상에 적층할 수 있는 반도체 물질의 두께에 한계가 있기 때문에, 성능 향상에 한계가 있다. 그리고 복잡한 적층 구조를 사용하더라도 광변조율을 높이는데 한계가 있고, 아울러, 동작 전압이 높은 문제가 있다. 예컨대, 종래의 광변조기의 동작 전압은 약 20 V 정도일 수 있고, 투과율 변화량은 약 30 % 이하일 수 있으며, D.C.는 약 30 % 정도일 수 있다. 동작 전압이 높은 경우, 소비전력이 증가할 뿐 아니라, 소자의 구동 발열로 인해 광변조 특성이 열화된다.
종래의 광변조기와 비교하면, 본원의 실시예에 따른 광변조기는 얇은 두께 및 단순한 구조를 가지면서도, 높은 투과율 변화율(약 40% 이상) 및 높은 D.C. 값(약 70% 이상)을 가질 수 있고, 약 10 V 이하(또는, 약 5 V 이하)의 낮은 동작 전압으로 구동될 수 있다. 또한, 정교하고 어려운 에피택셜 공정(epitaxial process) 없이, 일반적인 증착 공정(예컨대, physical vapor deposition, chemical vapor deposition, atomic layer deposition 등)으로 용이하게 제조될 수 있기 때문에, 공정이 쉽고 제조 단가가 낮아질 수 있다. 또한, 기판의 종류에 구애받지 않고, 다양한 기판 상에 용이하게 제조할 수 있기 때문에, 제조 단가 절감과 공정의 용이성 확보에 더욱 유리할 수 있다.
도 1 및 도 4의 실시예에서는 광변조층(ML10)의 양쪽(상하측)에 반사층(RL10, RL20)을 구비시킨 경우에 대해서 도시하고 설명하였지만, 다른 실시예에 따르면, 광변조층(ML10)의 한쪽(상측 또는 하측)에만 반사층을 구비시킬 수도 있다. 그 예들이 도 6 및 도 7에 도시되어 있다.
도 6의 광변조기(M11)는 광변조층(ML10)의 하부에 제1 반사층(RL10)을 구비할 수 있고, 광변조층(ML10)의 상부에는 별도의 반사층을 구비하지 않을 수 있다. 제1 반사층(RL10)은 기판(SUB10)과 제1 위상조절층(PL10) 사이에 구비될 수 있다. 도 6의 구조는 도 1에서 제2 반사층(RL20)이 배제된 구조와 동일할 수 있다. 도 6의 구조에서는 제2 위상조절층(PL20)이 상부 반사층의 기능 또는 그와 유사한 기능을 어느 정도 수행할 수 있다.
도 7의 광변조기(M12)는 광변조층(ML10)의 상부에 제2 반사층(RL20)을 구비할 수 있고, 광변조층(ML10)의 하부에는 별도의 반사층을 구비하지 않을 수 있다. 제2 위상조절층(PL20)은 제2 반사층(RL20)과 제2 전극(E20) 사이에 구비될 수 있다. 도 7의 구조는 도 1에서 제1 반사층(RL10)이 배제된 구조와 동일할 수 있다. 도 7의 구조에서는 제1 위상조절층(PL10)이 하부 반사층의 기능 또는 그와 유사한 기능을 어느 정도 수행할 수 있다.
도 8은 다른 실시예에 따른 광변조기의 상변화 물질의 상변화에 의한 투과도 특성 변화를 보여주는 그래프이다. 도 8의 데이터는 도 6의 광변조기(M11)에 대한 결과이다. 즉, 도 8은 기판(SUB10)으로 약 500㎛의 두께를 갖는 유리 기판을 사용하고, 그 위에 TiO2층(10a), SiO2층(10b), TiO2층(PL10), ITO층(E10), Ge40Sb10Te50층(ML10), ITO층(E20), TiO2층(PL20)을 순차로 구비시킨 광변조기(M11)에 대한 결과이다. 이때, Ge40Sb10Te50층(ML10)의 두께는 5 nm 이었고, ITO층들(E10, E20)의 두께는 138 nm 였다.
도 8을 참조하면, 상변화 물질이 결정질 상태일 때, 광변조기(M11)의 투과율(Ton)은 매우 낮게 나타났고, 상변화 물질이 비정질 상태일 때, 광변조기(M11)의 투과율(Toff)은 상대적으로 매우 크게 나타났다. 오프 상태 투과율(Toff)과 온 상태 투과율(Ton)의 차이인 투과율 변화량(Tdiff)은 약 820 nm 이상의 파장 영역에서 약 40% 이상으로 높게 나타났다. 본 실시예에 따른 광변조기(M11)를 이용할 경우, 약 40% 이상 또는 약 50% 이상의 높은 투과율 변화량(Tdiff)을 용이하게 확보할 수 있다. 또한, 도 8로부터 D.C.(demodulation contrast)를 계산하면, D.C.는 약 70% 이상일 수 있다. 최대 D.C.는 약 86.9% 였다. 따라서, 본 실시예에 따른 광변조기(M11)는 우수한 광변조 특성을 갖는다고 할 수 있다.
도 9는 다른 실시예에 따른 광변조기를 보여주는 단면도이다.
도 9를 참조하면, 광변조기(M20)는 상변화 물질을 포함하는 광변조층(ML15)을 구비할 수 있다. 광변조층(ML15)의 제1면(예컨대, 하면)에 구비된 제1 전극(E15)이 구비될 수 있고, 광변조층(ML15)의 제2면(예컨대, 상면)에 구비된 제2 전극(E25)이 구비될 수 있다. 제1 전극(E15)을 사이에 두고 광변조층(ML15)과 대향하는 제1 위상조절층(PL15)이 구비될 수 있고, 제2 전극(E25)을 사이에 두고 광변조층(ML15)과 대향하는 제2 위상조절층(PL25)이 구비될 수 있다. 입사광에 대하여 투명한 기판(SUB15)이 마련될 수 있고, 기판(SUB15) 상에 제1 위상조절층(PL15), 제1 전극(E15), 광변조층(ML15), 제2 전극(E25) 및 제2 위상조절층(PL25)이 순차로 구비될 수 있다.
본 실시예에 따른 광변조기(M20)는 도 1의 광변조기(M10)에서 제1 반사층(RL10)과 제2 반사층(RL20)이 배제된 구조와 유사할 수 있다. 이러한 광변조기(M20)의 광변조층(ML15)은 도 1의 광변조층(ML10)보다 큰 두께를 가질 수 있다. 예컨대, 광변조층(ML15)은 약 10∼40 nm 정도 혹은 약 10∼30 nm 정도의 두께를 가질 수 있다. 광변조층(ML15)의 두께를 고려할 때, 광변조층(ML15)을 포함하는 광변조기(M20)의 구동 전압은 도 1의 광변조기(M10)의 구동 전압보다 높을 수 있다. 그러나, 광변조층(ML15)의 두께는 약 40 nm 이하 또는 약 30 nm 이하로 낮은 수준이기 때문에, 광변조기(M20)의 구동 전압(동작 전압)은 약 10 V 이하일 수 있다. 또한, 광변조기(M20)의 투과율 변화량은 약 40% 이상 또는 약 50% 이상일 수 있고, D.C.(demodulation contrast)는 약 70% 이상 또는 약 80% 이상일 수 있다.
도 9에서 광변조층(ML15), 제1 전극(E15), 제2 전극(E25), 제1 위상조절층(PL15), 제2 위상조절층(PL25) 및 기판(SUB15)의 물질은 각각 도 1의 광변조층(ML10), 제1 전극(E10), 제2 전극(E20), 제1 위상조절층(PL10), 제2 위상조절층(PL20) 및 기판(SUB10)의 물질과 동일하거나 유사할 수 있다.
도 10은 도 9의 광변조기(M20)에 대한 결과이다. 도 10의 결과는 도 9의 구조를 갖되, 기판(SUB15)으로 약 500㎛의 두께를 갖는 유리 기판을 사용하고, 그 위에 TiO2층(PL15), ITO층(E15), Ge40Sb10Te50층(ML15), ITO층(E25), TiO2층(PL25)을 순차로 구비시킨 광변조기(M20)에 대한 결과이다. 이때, Ge40Sb10Te50층(ML15)의 두께는 25 nm 이었고, ITO층들(E15, E25)의 두께는 385 nm 였다.
도 10을 참조하면, 상변화 물질이 결정질 상태일 때, 광변조기(M20)의 투과율(Ton)은 매우 낮게 나타났고, 상변화 물질이 비정질 상태일 때, 광변조기(M20)의 투과율(Toff)은 상대적으로 매우 크게 나타났다. 오프 상태 투과율(Toff)과 온 상태 투과율(Ton)의 차이인 투과율 변화량(Tdiff)은 약 820 nm 이상의 파장 영역에서 약 40% 이상으로 높게 나타났다. 본 실시예에 따른 광변조기(M20)를 이용할 경우, 약 40% 이상 또는 약 50% 이상의 높은 투과율 변화량(Tdiff)을 용이하게 확보할 수 있다. 또한, 도 10으로부터 D.C.(demodulation contrast)를 계산하면, D.C.는 약 70% 이상일 수 있다. 최대 D.C.는 약 80.2% 였다.
본원의 실시예들에 따른 광변조기의 투과율 변화량(Tdiff) 및 D.C.(demodulation contrast) 값을 정리하면 아래의 표 1과 같다.
실시예1 (도 1) 실시예2 (도 6) 실시예3 (도 9)
Tdiff ∼52.2% ∼57% ∼57.8%
D.C. ∼86.6% ∼86.9% ∼80.2%
표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 실시예들에 따른 광변조기의 투과율 변화량(Tdiff)은 약 40% 이상으로 높고, D.C.는 약 70% 이상으로 높은 것을 알 수 있다. 이와 같이, 본원의 실시예들에 따르면, 우수한 광변조 특성을 갖는 광변조기를 구현할 수 있다.
이상에서 설명한 광변조기들은 투과형 광변조기일 수 있지만, 반사형 광변조기로 사용될 수도 있다. 예컨대, 도 4의 구조에서 투과율이 높다는 것은 반사율이 낮다는 것을 의미할 수 있고, 투과율이 낮다는 것은 반사율이 높다는 것을 의미할 수 있다. 따라서, 투과율 변화량이 큰 광변조기는, 경우에 따라서는, 반사형 광변조기로 사용될 수 있다. 또한, 광변조기를 구성하는 물질층들의 디자인 조건을 조절함으로써, 반사율 변화량이 큰 광변조기를 구현할 수 있다.
도 1, 도 6, 도 7 및 도 9를 참조하여 설명한 실시예들에 따른 광변조기(M10, M11, M12, M20)의 구조는 다양하게 변형될 수 있다. 변형예들이 도 11 내지 도 13에 도시되어 있다.
도 11은 다른 실시예에 따른 광변조기(M16)를 보여주는 단면도이다.
도 11을 참조하면, 광변조기(M16)는 제1 반사층(RL11)과 제2 반사층(RL20)이 비대칭적인 구조를 가질 수 있다. 제1 반사층(RL11)을 구성하는 물질층들(10a, 10b)의 적층 횟수와 제2 반사층(RL20)을 구성하는 물질층들(20a, 20b)의 적층 횟수는 서로 다를 수 있다. 따라서, 제1 반사층(RL11)의 두께와 제2 반사층(RL20)의 두께는 서로 다를 수 있다. 예컨대, 제1 반사층(RL11)은 2 pair 혹은 그 이상의 적층 구조를 가질 수 있고, 제2 반사층(RL20)은 제1 반사층(RL11)보다 적은 pair의 적층 구조를 가질 수 있다. 경우에 따라서는, 제2 반사층(RL20)이 2 pair 혹은 그 이상의 적층 구조를 갖고, 제1 반사층(RL11)이 제2 반사층(RL20)보다 적은 pair의 적층 구조를 가질 수 있다.
본 실시예와 같이 제1 반사층(RL11)과 제2 반사층(RL20)을 비대칭 구조로 형성함으로써, 광변조층(ML10)의 상하부 방향으로 서로 다른 광학적 특성을 구현할 수 있고, 이를 이용하여 광변조 특성을 개선하거나 조절할 수 있다.
도 12는 다른 실시예에 따른 광변조기(M17)를 보여주는 단면도이다.
도 12를 참조하면, 광변조기(M17)의 제1 반사층(RL11)과 제2 반사층(RL22)은 대칭적인 구조를 가질 수 있다. 이때, 제1 반사층(RL11)은 2 pair 이상의 적층 구조를 가질 수 있고, 제2 반사층(RL22)도 2 pair 이상의 적층 구조를 가질 수 있다. 제1 반사층(RL11)과 제2 반사층(RL22)이 광변조층(ML10)을 기준으로 대칭적인 구조를 가질 수 있다.
도 13은 다른 실시예에 따른 광변조기(M18)를 보여주는 단면도이다.
도 13을 참조하면, 광변조기(M18)는 제1 반사층(RL10)을 구비할 수 있고, 제2 반사층(RL25)을 더 구비할 수 있다. 제1 반사층(RL10)은 DBR 구조를 가질 수 있고, 제2 반사층(RL25)은 DBR 구조가 아닌 다른 구성을 가질 수 있다. 다시 말해, 제1 반사층(RL10)은 서로 다른 굴절률을 갖는 제1 물질층(10a)과 제2 물질층(10b)이 1회 이상 교대로 적층된 구조를 가질 수 있고, 제2 반사층(RL25)은 단일층 구조를 가질 수 있다. 제2 반사층(RL25)은 단일층 구조가 아닌 다른 구조를 가질 수도 있다.
도시하지는 않았지만, 도 13에서 제2 반사층(RL25)을 DBR 구조로 형성하고, 제1 반사층(RL10)을 DBR 구조가 아닌 다른 구조로 형성할 수 있다. 다시 말해, 도 13에서 제1 반사층(RL10)과 제2 반사층(RL25)의 위치는 서로 뒤바뀔 수 있다. 또한, 경우에 따라서는, 제1 반사층(RL10)과 제2 반사층(RL25)을 모두 DBR 구조가 아닌 다른 구조로 형성할 수도 있다. 그 밖에도 이상에서 설명한 실시예들에 따른 광변조기(M10, M11, M12, M16, M17, M18, M20)의 구조는 다양하게 변형될 수 있다.
이상에서 설명한 실시예들에 따른 광변조기(M10, M11, M12, M16, M17, M18, M20)는 다양한 광학 장치에 적용될 수 있다. 상기 광변조기는 외부 전압에 의해 광량을 조절할 수 있는 소자로 구현될 수 있고, 또한, 광 방향을 조절하는 빔 스티어링(beam steering) 소자로 구현될 수도 있다. 또한, 상기 광변조기는 깊이/거리(depth/distance) 정보 확보를 위한 대면적 투과형 광변조기를 사용하는 광시간비행법(Time-of-Flight)(TOF) 기반의 3D 카메라(또는, 3D 센서)에 응용될 수 있다. 또한, 상기 광변조기는 자율 주행 로봇/자동차용 거리 감지 센서, 디스플레이(display), 3D 프린팅(printing) 등의 분야에 적용될 수 있다. 나아가, 상기 광변조기는 고속/저전력이 요구되는 광통신 시스템이나 고속 연산이 요구되는 광 신호처리 장치 또는 광 연산기 등에도 이용될 수 있다. 또한, 상기 광변조기는 플렉서블(flexible) 기판에 용이하게 제작될 수 있기 때문에, 플렉서블 소자(flexible device)나 웨어러블 소자(wearable device) 분야에 응용될 수 있다.
도 14는 일 실시예에 따른 광변조기를 포함하는 3차원 이미지 획득 장치의 예시적인 구조를 개략적으로 보여주는 도면이다. 본 실시예에 따른 3차원 이미지 획득 장치는 TOF(Time-of-Flight) 기반의 3D 이미징 장치일 수 있다.
도 14를 참조하면, 3차원 이미지 획득 장치는 피사체(OBJ)에 광을 조사하는 광원부(100)를 포함할 수 있다. 광원부(100)는 소정의 파장을 갖는 광을 발생시킬 수 있다. 광원부(100)를 구동시키기 위한 제1 구동기(110)가 구비될 수 있다.
상기 3차원 이미지 획득 장치는 피사체(OBJ)로부터 반사된 광을 변조하는 광변조부(200)를 포함할 수 있다. 광변조부(200)는 도 1 내지 도 13을 참조하여 설명한 다양한 실시예에 따른 광변조기를 포함할 수 있다. 경우에 따라, 광변조부(200)는 복수의 광변조기를 포함할 수 있다. 광변조부(200)를 구동시키기 위한 제2 구동기(210)가 구비될 수 있다. 또한, 제1 및 제2 구동기(110, 210)의 동작을 제어하기 위한 제어부(250)가 더 구비될 수 있다.
상기 3차원 이미지 획득 장치는 광변조부(200)에 의해 변조된 광을 검출하기 위한 광검출부(300)를 포함할 수 있다. 광검출부(300)는 변조된 광으로부터 이미지를 생성하기 위한 촬상소자를 포함할 수 있다. 광검출부(300)에 연결된 것으로, 피사체(OBJ)까지의 거리를 계산하기 위한 연산부(400)가 더 구비될 수 있다.
도시하지는 않았지만, 피사체(OBJ)와 광변조부(200) 사이 및/또는 광변조부(200)와 광검출부(300) 사이에 렌즈(lens)나 필터(filter) 또는 미러(mirror)와 같은 적어도 하나의 광학 요소가 더 구비될 수 있다.
광원부(100)는, 예컨대, 안전을 위해 인간의 눈에는 보이지 않는 약 940nm 파장의 적외선(infrared ray)(IR)을 방출시킬 수 있는 발광 다이오드(light emitting diode)(LED) 또는 레이저 다이오드(laser diode)(LD)일 수 있다. 제1 구동기(110)는 제어부(250)로부터 수신된 제어 신호에 따라 광원부(100)를 구동하여, 예컨대, 사인파(sine wave)와 같은 주기파를 방출시킬 수 있다. 광원부(100)로부터 피사체(OBJ)에 조사된 광은 피사체(OBJ)에서 반사된 후, 광변조부(200)로 입사될 수 있다. 광변조부(200)와 피사체(OBJ) 사이에 렌즈(대물렌즈)(미도시)가 배치된 경우, 상기 렌즈(대물렌즈)에 의해 광(피사체에서 반사된 광)이 광변조부(200)로 포커싱될 수 있다. 광변조부(200)는 제2 구동기(210)의 제어에 따라 소정의 파형을 갖는 광변조 신호로 입사광을 변조할 수 있다. 제2 구동기(210)는 제어부(250)로부터 수신된 제어 신호에 따라 광변조부(200)의 광변조 신호를 제어할 수 있다. 광변조부(200)에 의해 변조된 광은 광검출부(촬상소자)(300)에 입사될 수 있다. 광변조부(200)와 광검출부(촬상소자)(300) 사이에 소정의 필터(미도시)가 배치된 경우, 상기 필터에 의해 940nm의 적외선 이외의 외광 성분이 제거될 수 있다. 광검출부(촬상소자)(300)는 광변조부(200)에 의해 변조된 광을 촬영하여 거리 정보를 담고 있는 이미지를 생성할 수 있다. 예컨대, 광검출부(촬상소자)(300)는 2차원 어레이를 갖는 CCD(charge coupled device) 이미지센서 또는 CMOS(complementary metal oxide semiconductor) 이미지센서를 포함할 수 있다. 연산부(400)는 광검출부(촬상소자)(300)의 출력을 기초로 공지된 거리 계산 알고리즘에 따라 피사체(OBJ)까지의 거리를 계산할 수 있다.
도 14의 실시예에서는 광변조부(200)가 투과형인 경우에 대해서 도시하고 있지만, 다른 실시예에 따르면, 반사형 광변조부를 사용할 수도 있다. 그 일례가 도 15에 도시되어 있다. 도 15에서는 광변조부(200a)는 반사형일 수 있고, 광변조부(200a)에 의해 변조된 광이 광검출부(촬상소자)(300)에 입사될 수 있다. 도시하지는 않았지만, 필요에 따라, 광변조부(200a)와 광검출부(300) 사이에 미러나 필터 또는 렌즈와 같은 광학 요소가 하나 이상 구비될 수 있다. 광변조부(200a) 및 광변조부(200a)와 광검출부(300)의 상대적인 배치 관계 등을 제외한 나머지 구성은 도 14에서 설명한 바와 동일하거나 유사할 수 있다.
도 14 및 도 15에서 구성요소들의 상대적인 배치나 연결관계 등은 예시적인 것에 불과하고, 3차원 이미지 획득 장치의 구성은 매우 다양하게 변화될 수 있다. 또한, 본원의 다양한 실시예에 따른 광변조기는 도 14 및 도 15와 같은 3차원 이미지 획득 장치뿐 아니라 그 밖에 다양한 광학 장치에 적용될 수 있다. 또한, 이상의 실시예들에서는 주로 적외선(IR) 파장 영역에서 광변조기를 적용한 경우를 설명하였지만, 사용 가능한 파장 범위는 적외선(IR) 영역으로 한정되지 않고 변화될 수 있다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 구체적인 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 예들 들어, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 도 1 내지 도 13을 참조하여 설명한 광변조기의 구성은 다양하게 변형될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 구체적인 예로, 광변조기의 광변조층에 상변화 물질 및 이와 다른 물질을 함께 적용할 수 있고, 제1 및 제2 전극(즉, 하부 및 상부 전극) 중 적어도 하나에 플러그(plug) 구조를 적용할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 그 밖에도, 광변조기의 구성 및 광변조기 어레이의 구성은 다양하게 변형될 수 있다. 또한, 광변조기 또는 광변조기 어레이가 적용되는 광학 장치의 분야도 도 14 및 도 15의 장치로 한정되지 않고 다양하게 변화될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 때문에 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호설명 *
M10∼M12, M20 : 광변조기 ML10, ML15 : 광변조층
E10, E15 : 제1 전극 E20, E25 : 제2 전극
PL10, PL15 : 제1 위상조절층 PL20, PL25 : 제1 위상조절층
RL10 : 제1 반사층 RL20 : 제2 반사층
V : 전압 인가 장치 SUB10, SUB15 : 기판
10a : 제1 물질층 10b : 제2 물질층
20a : 제3 물질층 20b : 제4 물질층
100 : 광원부 110 : 제1 구동기
200, 200a : 광변조부 210 : 제2 구동기
250 : 제어부 300 : 광검출부
400 : 연산부 OBJ : 피사체

Claims (27)

  1. 상변화 물질을 포함하는 광변조층;
    상기 광변조층의 제1면에 구비된 제1 전극;
    상기 광변조층의 제2면에 구비된 제2 전극;
    상기 제1 전극을 사이에 두고 상기 광변조층과 대향하는 제1 위상조절층;
    상기 제2 전극을 사이에 두고 상기 광변조층과 대향하는 제2 위상조절층; 및
    상기 광변조층에 대향하도록 배치된 적어도 하나의 반사층;을 포함하고,
    변조하고자 하는 입사광의 타깃 파장을 λ라 할 때, 상기 제1 및 제2 위상조절층 각각은 λ/4의 홀수배에 해당하는 광학적 두께를 갖고,
    상기 상변화 물질의 상변화에 따른 광학적 특성 변화를 이용해서 광을 변조하는 광변조기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광변조층은 10 nm 이하의 두께를 갖는 광변조기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 광변조기는 10 V 이하의 동작 전압으로 동작되도록 구성된 광변조기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 광변조기는 5 V 이하의 동작 전압으로 동작되도록 구성된 광변조기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 상변화 물질은 Ge40Sb10Te50을 포함하는 광변조기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전극 중 적어도 하나는 투명 전도성 산화물(transparent conductive oxide)(TCO)을 포함하는 광변조기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 광변조층과 상기 제1 및 제2 전극의 전체 광학적 두께는 λ/2의 정수배 조건을 만족하는 광변조기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 위상조절층 중 적어도 하나는 TiO2, SiO2, SiNx, Al2O3, AlN, HfO2, SiC 및 MgO 중 하나를 포함하는 광변조기.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 반사층은 제1 DBR(distributed Bragg reflector) 및 제2 DBR 중 적어도 하나를 포함하고,
    상기 제1 DBR은 상기 제1 위상조절층을 사이에 두고 상기 광변조층과 대향하도록 배치되고,
    상기 제2 DBR은 상기 제2 위상조절층을 사이에 두고 상기 광변조층과 대향하도록 배치되는 광변조기.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제1 DBR 및 제2 DBR 중 적어도 하나는 서로 다른 굴절률을 갖는 제1 물질층과 제2 물질층이 1회 이상 교대로 반복 적층된 구조는 갖는 광변조기.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 광변조기는 입사광에 대해 투명한 기판을 포함하고,
    상기 기판 상에 상기 제1 위상조절층, 상기 제1 전극, 상기 광변조층, 상기 제2 전극 및 상기 제2 위상조절층이 차례로 적층된 광변조기.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 광변조기는 상기 상변화 물질의 상변화에 따른 투과율 변화를 이용하는 투과형 광변조기인 광변조기.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 광변조기의 투과율 변화량은 40% 이상인 광변조기.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 광변조기의 D.C.(demodulation contrast)는 70% 이상인 광변조기.
  15. 청구항 1 내지 14 중 어느 하나에 기재된 광변조기를 포함하는 광학 장치.
  16. 피사체에 광을 조사하는 광원부;
    상기 피사체로부터 반사된 광을 변조하는 것으로, 청구항 1 내지 14 중 어느 하나에 기재된 광변조기를 포함하는 광변조부; 및
    상기 광변조부에 의해 변조된 광을 검출하는 광검출부;를 포함하는 3차원 이미지 획득 장치.
  17. 상변화 물질을 포함하는 광변조층;
    상기 광변조층의 제1면에 구비된 제1 전극;
    상기 광변조층의 제2면에 구비된 제2 전극;
    상기 제1 전극을 사이에 두고 상기 광변조층과 대향하는 제1 위상조절층; 및
    상기 제2 전극을 사이에 두고 상기 광변조층과 대향하는 제2 위상조절층;을 포함하고,
    변조하고자 하는 입사광의 타깃 파장을 λ라 할 때, 상기 제1 및 제2 위상조절층 각각은 λ/4의 홀수배에 해당하는 광학적 두께를 갖고, 상기 광변조층과 상기 제1 및 제2 전극의 전체 광학적 두께는 λ/2의 정수배 조건을 만족하며,
    상기 상변화 물질의 상변화에 따른 광학적 특성 변화를 이용해서 광을 변조하는 광변조기.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 광변조층의 두께는 10∼40 nm 인 광변조기.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 상변화 물질은 Ge40Sb10Te50을 포함하는 광변조기.
  20. 제 17 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전극 중 적어도 하나는 투명 전도성 산화물(transparent conductive oxide)(TCO)을 포함하는 광변조기.
  21. 제 17 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 위상조절층 중 적어도 하나는 TiO2, SiO2, SiNx, Al2O3, AlN, HfO2, SiC 및 MgO 중 하나를 포함하는 광변조기.
  22. 제 17 항에 있어서,
    상기 제1 위상조절층을 사이에 두고 상기 광변조층과 대향하는 제1 DBR; 및
    상기 제2 위상조절층을 사이에 두고 상기 광변조층과 대향하는 제2 DBR; 중 적어도 하나를 더 포함하는 광변조기.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 광변조층은 10 nm 이하의 두께를 갖고,
    상기 광변조기의 동작 전압은 10 V 이하인 광변조기.
  24. 제 17 항에 있어서,
    상기 광변조기의 투과율 변화량은 40% 이상인 광변조기.
  25. 제 17 항에 있어서,
    상기 광변조기의 D.C.(demodulation contrast)는 70% 이상인 광변조기.
  26. 청구항 17 내지 25 중 어느 하나에 기재된 광변조기를 포함하는 광학 장치.
  27. 피사체에 광을 조사하는 광원부;
    상기 피사체로부터 반사된 광을 변조하는 것으로, 청구항 17 내지 25 중 어느 하나에 기재된 광변조기를 포함하는 광변조부; 및
    상기 광변조부에 의해 변조된 광을 검출하는 광검출부;를 포함하는 3차원 이미지 획득 장치.
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