KR20180024249A - 레이저빔 스티어링 소자 및 이를 포함하는 시스템 - Google Patents

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Abstract

레이저빔 스티어링 소자 및 이를 포함하는 시스템이 개시된다. 개시된 레이저빔 스티어링 소자는, 굴절률 변환층과 상기 굴절률 변환층의 상부에 마련되는 적어도 하나의 안테나 패턴과, 상기 굴절률 변환층의 하부에 마련되는 파장 선택층을 포함한다. 여기서, 굴절률 변환층은 전기적인 신호에 따라 굴절률이 변환되며, 파장 선택층은 레이저빔의 파장에 대응하여 마련된다.

Description

레이저빔 스티어링 소자 및 이를 포함하는 시스템{Laser beam steering device and system including the same}
레이저빔 스티어링 소자 및 이를 포함하는 시스템에 관한 것이다.
레이저빔을 원하는 위치로 스티어링하기 위해서는 일반적으로 레이저 조사 부분을 기계적으로 회전시켜 주는 방법과 OPA(Optical Phased Array) 방식을 이용하여 다수의 단위셀 또는 다수의 도파관으로부터 나오는 레이저빔 다발의 간섭을 이용하는 방법이 사용되고 있다. OPA 방식에서는 단위셀들이나 도파관들을 전기적 또는 열적으로 제어함으로써 레이저빔을 스티어링할 수 있다. 레이저 조사 부분을 기계적으로 회전시켜 주는 방법은 모터 또는 MEMS(Micro Electro Mechanical System)가 적용되는 바, 부피가 커지고 비용이 상승할 수 있다.
예시적인 실시예는 레이저빔 스티어링 소자 및 이를 포함하는 시스템을 제공한다.
일 측면에 있어서,
레이저빔을 스티어링하는 소자에 있어서,
전기적인 신호에 따라 굴절률이 변환되는 굴절률 변환층;
상기 굴절률 변환층의 상부에 마련되는 적어도 하나의 안테나 패턴;
상기 굴절률 변환층의 하부에 마련되는 것으로, 상기 레이저빔의 파장에 대응하여 마련되는 파장 선택층; 및
상기 굴절률 변환층에 전기적인 신호를 인가하는 구동부;를 포함하는 레이저빔 스티어링 소자가 제공된다.
상기 파장 선택층은 상기 레이저빔의 공진 파장에 대응하는 전하 농도(carrier density)를 가질 수 있다.
상기 파장 선택층은 상기 굴절률 변환층과 다른 전하 농도를 가질 수 있다. 상기 파장 선택층은 상기 굴절률 변환층과 다른 조성을 가질 수 있다.
상기 굴절률 변환층은 단일층 구조 또는 복수층 구조를 가질 수 있다. 상기 파장 선택층은 단일층 구조 또는 복수층 구조를 가질 수 있다.
상기 굴절률 변환층 및 상기 파장 선택층은 산화물 반도체를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 산화물 반도체는 예를 들면, ITO(Indium-Tin-Oxide), IZO(Indium-Zinc-Oxide), GIZO(Ga-In-Zn-Oxide), AZO(Al-Zn-Oxide), GZO(Ga-Zn-Oxide) 및 ZnO 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 굴절률 변환층은 5nm 이하의 두께를 가질 수 있다.
상기 굴절률 변환층과 상기 적어도 하나의 안테나 패턴 사이에는 절연층이 마련될 수 있다. 상기 절연층은 대략 1MΩ 이상의 저항을 가지는 물질을 포함할 수 있다.
상기 파장 선택층의 하부에 금속 미러층이 마련될 수 있다. 상기 파장 선택층과 상기 금속 미러층 사이에는 절연층이 더 마련될 수 있다.
상기 안테나 패턴은 Ag, Au, Al, Pt, TiN 및 TaN 중 적어도 하나를 포함할 수있다. 상기 안테나 패턴은 복수층 구조를 포함할 수도 있다.
다른 측면에 있어서,
레이저빔을 스티어링하는 소자에 있어서,
복수의 단위셀(unit cell)을 포함하고, 상기 단위셀들 각각은,
전기적인 신호에 따라 굴절률이 변환되는 굴절률 변환층;
상기 굴절률 변환층의 상부에 마련되는 적어도 하나의 안테나 패턴;
상기 굴절률 변환층의 하부에 마련되는 것으로, 상기 레이저빔의 파장에 대응하여 마련되는 파장 선택층; 및
상기 굴절률 변환층에 전기적인 신호를 인가하는 단위셀 구동부;를 포함하는 레이저빔 스티어링 소자가 제공된다.
상기 복수의 단위셀은 2차원적으로 배열될 수 있다. 상기 복수의 단위셀은 시간에 따라 변화하는 굴절률 프로파일(refractive index profile)을 형성함으로써 상기 레이저빔을 스티어링할 수 있다.
상기 파장 선택층은 상기 레이저빔의 공진 파장에 대응하는 전하 농도를 가질 수 있다. 상기 굴절률 변환층 및 상기 파장 선택층은 각각 단일층 구조 또는 복수층 구조를 가질 수 있다.
상기 굴절률 변환층과 상기 적어도 하나의 안테나 패턴 사이에 절연층이 마련될 수 있다. 상기 파장 선택층의 하부에 금속 미러층이 마련될 수 있다. 이 경우, 상기 파장 선택층과 상기 금속 미러층 사이에 절연층이 더 마련될 수 있다.
상기 안테나 패턴은 복수층 구조를 포함할 수 있다.
또 다른 측면에 있어서,
레이저빔을 출사하는 레이저 광원;
상기 레이저 광원으로부터 입사된 상기 레이저빔을 스티어링하는 레이저빔 스티어링 소자; 및
상기 스티어링된 레이저빔을 검출하는 검출부;를 포함하고,
상기 레이저빔 스티어링 소자는,
복수의 단위셀(unit cell)을 포함하고, 상기 단위셀들 각각은,
전기적인 신호에 따라 굴절률이 변환되는 굴절률 변환층;
상기 굴절률 변환층의 상부에 마련되는 적어도 하나의 안테나 패턴;
상기 굴절률 변환층의 하부에 마련되는 것으로, 상기 레이저빔의 파장에 대응하여 마련되는 파장 선택층; 및
상기 굴절률 변환층에 전기적인 신호를 인가하는 단위셀 구동부;를 포함하는 시스템이 제공된다.
상기 복수의 단위셀은 2차원적으로 배열되며, 시간에 따라 변화하는 굴절률 프로파일을 형성함으로써 상기 레이저빔을 스티어링할 수 있다.
상기 파장 선택층은 상기 레이저빔의 공진 파장에 대응하는 전하 농도를 가질 수 있다. 상기 굴절률 변환층 및 상기 파장 선택층은 각각 단일층 구조 또는 복수층 구조를 가질 수 있다.
상기 레이저빔 스티어링 소자는 상기 굴절률 변환층과 상기 적어도 하나의 안테나 패턴 사이에 마련되는 절연층을 포함할 수 있다. 상기 레이저빔 스티어링 소자는 상기 파장 선택층의 하부에 마련되는 금속 미러층을 포함할 수 있다. 상기 안테나 패턴은 복수층 구조를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예에 의하면, 레이저빔 스티어링 소자가 굴절률 변환층과 파장 선택층을 포함함으로써 다양한 파장 범위의 레이저빔을 사용하면서 최대 위상을 확보할 수 있다. 구체적으로, 굴절률 변환층을 높은 전하 농도를 가지도록 구성함으로써 높은 굴절률 변환 효율을 구현할 수 있고, 이에 따라 최대 위상을 확보할 수 있다. 또한, 파장 선택층을 레이저빔의 공진 파장에 대응되는 전하 농도를 가지도록 구성함으로써 다양한 파장 범위의 레이저빔을 사용할 수 있다. 또한, 실시예에 에 따른 레이저빔 스티어링 소자는 낮은 구동 전압에서도 최대 위상을 확보할 수 있다.
도 1은 일반적인 레이저빔 스티어링 소자의 단면을 도시한 것이다.
도 2a는 도 1에 도시된 일반적인 레이저빔 스티어링 소자에서 굴절률 변환층의 전하 농도에 따른 굴절률 변환 효율을 도시한 것이다.
도 2b는 도 1에 도시된 일반적인 레이저빔 스티어링 소자에서 굴절률 변환층의 전하 농도에 따른 공진 파장을 도시한 것이다.
도 3은 예시적인 실시예에 따른 레이저빔 스티어링 소자를 도시한 사시도이다.
도 4는 도 2에 도시된 레이저빔 스티어링 소자의 단위셀(P)을 도시한 단면도이다.
도 5는 일반적인 레이저빔 스티어링 소자(A)와 예시적인 실시예에 따른 레이저빔 스티어링 소자(B)에서, 인가 전압에 따른 위상을 보여주는 FDTD 시뮬레이션 결과를 도시한 것이다.
도 6a는 일반적인 레이저빔 스티어링 소자(A)와 예시적인 실시예에 따른 레이저빔 스티어링 소자(B)에서, 레이저 빔의 공진 파장을 보여주는 FDTD 시뮬레이션 결과를 도시한 것이다.
도 6b는 일반적인 레이저빔 스티어링 소자(A)와 예시적인 실시예에 따른 레이저빔 스티어링 소자(B)에서, 레이저빔의 최대 위상을 보여주는 FDTD 시뮬레이션 결과를 도시한 것이다.
도 7a는 예시적인 실시예에 따른 레이저빔 스티어링 소자에서 전하 농도의 변화에 따른 공진 파장의 변화를 보여주는 FDTD 시뮬레이션 결과를 도시한 것이다.
도 7b는 예시적인 실시예에 따른 레이저빔 스티어링 소자에서 전하 농도의 변화에 따른 최대 위상을 보여주는 FDTD 시뮬레이션 결과를 도시한 것이다.
도 8은 다른 예시적인 실시예에 따른 스티어링 소자를 도시한 것이다.
도 9는 또 다른 예시적인 실시예에 따른 스티어링 소자를 도시한 것이다.
도 10은 또 다른 예시적인 실시예에 따른 스티어링 소자를 도시한 것이다.
도 11은 또 다른 예시적인 실시예에 따른 스티어링 소자를 도시한 것이다.
도 12는 또 다른 예시적인 실시예에 따른 스티어링 소자를 도시한 것이다.
도 13은 또 다른 예시적인 실시예에 따른 스티어링 소자를 도시한 것이다.
도 14는 또 다른 예시적인 실시예에 따른 시스템을 도시한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다. 또한, 소정의 물질층이 기판이나 다른 층 상에 존재한다고 설명될 때, 그 물질층은 기판이나 다른 층에 직접 접하면서 존재할 수도 있고, 그 사이에 다른 제3의 층이 존재할 수도 있다. 그리고, 아래의 실시예에서 각 층을 이루는 물질은 예시적인 것이므로, 이외에 다른 물질이 사용될 수도 있다.
OPA(Optical Phased Array) 방식을 이용한 레이저빔 스티어링 소자는 굴절률 변환층에 전압과 같은 전기적인 신호를 인가하여 전하 농도(carrier density)를 변화시킴으로써 레이저빔을 스팅어링할 수 있다.
도 1은 일반적인 레이저빔 스티어링 소자의 단면을 도시한 것이다. 도 1에는 레이저빔 스티어링 소자를 구성하는 복수의 단위셀 중 하나의 단위셀만이 편의상 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 전기적인 신호에 의해 굴절률이 변환되는 굴절률 변환층(17)의 상부에 복수의 안테나 패턴(21)이 마련되어 있다. 그리고, 굴절률 변환층(17)의 하부에는 금속 미러층(13)이 마련되어 있으며, 이 금속 미러층(13)의 하부에는 단위셀 구동부(11)가 마련되어 있다. 그리고, 굴절률 변환층(17)과 안테나 패턴들(21) 사이에는 절연층(19)이 마련되어 있다. 이와 같은 구조에서, 단위셀 구동부(11)에 의해 굴절률 변환층(17)에 전압이 가해지게 되면 굴절률 변환층(170)의 전하 농도(carrier density)가 변화하게 되고, 이러한 전하 농도의 변화에 따라 굴절률이 변화하게 된다.
도 2a는 도 1에 도시된 일반적인 레이저빔 스티어링 소자(10)에서 굴절률 변환층(17)의 전하 농도에 따른 굴절률 변환 효율을 도시한 것이다. 도 2a에서 nbg는 굴절률 변환층(17)의 전하 농도를 나타내며, Δn은 전하의 농도 변화를 나타낸다. 여기서, 전하의 농도 변화(Δn)는 굴절률 변환 효율에 비례할 수 있다. 그리고, 도 2b는 도 1에 도시된 일반적인 레이저빔 스티어링 소자(10)에서 굴절률 변환층(17)의 전하 농도에 따른 공진 파장(resonance wavelength)을 도시한 것이다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 굴절률 변환층(17)의 전하 농도에 의해 레이저빔의 파장 및 굴절률 변환 효율이 결정됨을 알 수 있다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 굴절률 변환층(17)의 전하 농도가 높을수록 굴절률 변환 효율이 높아지는 것을 알 수 있으며, 이에 따라 높은 위상이 확보될 수 있다. 그러나, 도 2b에 도시된 바와 같이 굴절률 변환층(17)의 전하 농도가 높아질수록 사용가능한 레이저빔의 파장은 짧아지게 된다. 예를 들면, 1.4㎛ 이상의 공진 파장을 가지는 레이저빔은 사용되기 어려울 수 있다. 대략 1.5㎛의 공진 파장을 가지는 레이저빔을 사용할 경우에는 도 2b에 도시된 바와 같이 굴절률 변환층(17)의 전하 농도가 작아야 하지만, 이 경우에 굴절률 변환 효율이 낮아짐으로써 높은 위상을 확보하기 어려워지는 문제가 있다. 또한, 높은 위상을 확보하기 위해서는 높은 인가 전압이 필요하게 되므로 레이저빔 스티어링 소자(10)의 안정성에도 문제가 있을 수 있다.
도 3은 예시적인 실시예에 따른 레이저빔 스티어링 소자를 도시한 사시도이다.
도 3을 참조하면, 레이저빔 스티어링 소자(100)는 2차원 형태로 배열된 복수의 단위셀(unit cell, P)을 포함할 수 있다. 여기서, 단위셀들(P) 각각이 소정 굴절률을 가짐으로써 단위셀들(P)은 굴절률 프로파일을 형성하게 된다. 이러한 복수의 단위셀(P)은 시간에 따라 변화하는 굴절률 프로파일을 형성함으로써 레이저빔 스티어링 소자(100)로 입사되는 레이저빔을 원하는 방향으로 스티어링할 수 있다.
도 4는 도 3에 도시된 레이저빔 스티어링 소자의 단위셀(P)을 도시한 단면도이다.
도 4를 참조하면, 레이저빔 스티어링 소자(100)의 단위셀(P)은 굴절률 변환층(117)과, 굴절률 변환층(117)의 상부에 마련되는 복수의 안테나 패턴(121)과, 굴절률 변환층(117)의 하부에 마련되는 파장 선택층(115)과, 굴절률 변환층(117)에 전기적인 신호를 인가하는 단위셀 구동부(111)를 포함한다.
굴절률 변환층(117)은 전기적 신호(예를 들면, 전압)의 인가에 따라 전하 농도(carrier density)가 변화할 수 있다. 그리고, 이러한 전하 농도의 변화는 굴절률 변환층(117)의 굴절률을 변화시킬 수 있으며, 이러한 굴절률 변화에 따라 레이저빔을 스티어링 할 수 있다.
굴절률 변환층(117)은 인가되는 전압에 따라 전하 농도가 변하는 물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 굴절률 변환층(117)은 산화물 반도체를 포함할 수 있다. 구체적인 예로서, 굴절률 변환층(117)은 투명한 도전성 산화물(TCO; Transparent Conductive Oxide)을 포함할 수 있다. 여기서, 투명한 도전성 산화물은 예를 들면, ITO(Indium-Tin-Oxide), IZO(Indium-Zinc-Oxide), GIZO(Ga-In-Zn-Oxide), AZO(Al-Zn-Oxide), GZO(Ga-Zn-Oxide) 및 ZnO 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 하지만, 이에 한정되지는 않는다.
일반적으로, 전하 농도가 높을수록 굴절률 변환 효율이 향상되므로, 굴절률 변환층(117)은 높은 전하 농도를 가지는 물질을 포함할 수 있다. 이와 같이, 굴절률 변환층(117)의 높은 전하 농도를 가지는 경우에는 굴절률 변환 효율이 향상됨으로써 레이저빔의 최대 위상(maximum phase)을 증대시킬 수 있다.
굴절률 변환층(117)은 입사되는 레이저빔의 파장에 영향을 주지 않도록 비교적 얇은 두께로 형성될 수 있다. 예를 들면, 굴절률 변환층(117)은 대략 5nm 이하의 두께를 가질 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며 굴절률 변환층(117)은 이외에 다른 다양한 두께를 가질 수 있다.
굴절률 변환층(117)의 상부에는 복수의 안테나 패턴(121)이 마련되어 있다. 도 4에는 하나의 단위셀(P)에 대응하여 5개의 안테나 패턴이 마련된 경우가 예시적으로 도시되어 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 하나의 단위셀(P)에 대응하여 다양한 개수의 안테나 패턴(121)이 마련될 수 있다.
이러한 안테나 패턴들(121)은 메타표면(metasurface)을 형성함으로써 빔 스티어링이 이루어지도록 마련될 수 있다. 여기서, 안테나 패턴들(121)은 예를 들면, Ag, Au, Al 및 Pt 중 적어도 하나를 포함하는 금속이나 합금을 포함할 수 있다. 또한, 안테나 패턴들(121)은 TiN 또는 TaN 등과 같은 금속 질화물을 포함할 수 있다. 한편, 이상에서 언급된 물질들은 단지 예시적인 것으로, 안테나 패턴들(121)은 이외에도 다른 다양한 물질을 포함할 수 있다.
도 3에는 안테나 패턴들(121)이 일정한 간격으로 배치되는 직사각형 형태를 가지는 경우가 예시적으로 도시되어 있다. 하지만, 이에 한정되지 않고, 안테나 패턴들(121)은 다양한 형상을 가질 수 있다. 예를 들면, 안테나 패턴들(121)은 원형, 타원형 또는 삼각형이나 사각형 등을 포함하는 다각형 형상을 가질 수도 있다. 또한, 안테나 패턴들(121)은 불규칙한 형상을 가질 수도 있다.
안테나 패턴들(121) 사이의 간격은 예를 들면, 입사되는 레이저빔의 파장의 1/2 또는 1/3 보다 작을 수 있다. 예를 들면, 입사되는 레이저빔의 파장이 1500nm 인 경우, 안테나 패턴들 사이의 간격은 500nm 이하가 될 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 한편, 안테나 패턴들(121)을 일정한 간격으로 배열될 수 있으나, 이에 한정되지 않고 안테나 패턴들(121)을 불규칙한 간격으로 배열될 수도 있다.
굴절률 변환층(117)과 안테나 패턴들(121) 사이에는 절연층(119)이 마련될 수 있다. 이 절연층(119)은 다양한 종류의 절연 물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 절연층(119)은 1MΩ 이상의 저항을 가지는 절연 물질을 포함할 수 있다. 구체적인 예로서, 절연층(119)은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, Al2O3, ZrO2, 또는 HfO2 등을 포함할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
굴절률 변환층(117)의 하면에는 파장 선택층(115)이 마련되어 있다. 여기서, 파장 선택층(115)은 레이저빔 스티어링 소자(100)에 입사되는 레이저빔의 파장에 대응하도록 마련될 수 있다. 구체적으로, 파장 선택층(115)은 레이저빔의 공진 파장에 대응하는 전하 농도를 가지는 물질을 포함할 수 있다.
파장 선택층(115)은 예를 들면, 산화물 반도체를 포함할 수 있다. 구체적인 예로서, 굴절률 변환층(115)은 투명한 도전성 산화물(TCO)을 포함할 수 있다. 여기서, 투명한 도전성 산화물은 예를 들면, ITO, IZO, GIZO, AZO, GZO 및 ZnO 중 적어도 하나를 포함할 수 있지만, 이에 한정되지는 않는다.
파장 선택층(115)은 굴절률 변환층(117)과 같은 조성을 가지지만 다른 전하 농도를 가질 수 있다. 예를 들어, 굴절률 변환층(117)과 파장 선택층(115)이 모두 ITO로 이루어질 수 있지만, 파장 선택층(115)은 굴절률 변환층(117)과는 다른 전하 농도를 가질 수 있다. 여기서 파장 선택층(115)은 예를 들면, 굴절률 변환층(117) 보다는 작은 전하 농도를 가질 수 있지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 파장 선택층(115)은 굴절률 변환층(117)과는 다른 조성을 가지는 물질을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 굴절률 변환층(117)이 ITO로 이루어진 경우, 파장 선택층(115)은 IZO로 이루어질 수 있다. 파장 선택층(115)이 레이저빔의 파장을 결정하므로, 파장 선택층(115)의 상면에 마련된 굴절률 변환층(117)은 레이저빔의 파장에 영향을 주지 않는 얇은 두께, 예를 들면 대략 5nm 이하의 두께로 형성될 수 있다.
파장 선택층(115)의 하면에는 금속 미러층(113)이 마련될 수 있다. 이 금속 미러층(113)은 입사되는 레이저빔을 반사시킴으로써 레이저빔 스티어링 소자(100)의 광효율을 향상시키기 위해 마련될 수 있다. 이러한 금속 미러층(113)은 예를 들면, 안테나 패턴들(121)과 동일한 금속 물질을 포함할 수 있다. 구체적인 예를 들면, 금속 미러층(113)은 Ag, Au, Al 및 Pt 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며 금속 미러층(113)은 안테나 패턴들(121)과는 다른 금속 물질을 포함할 수도 있다.
금속 미러층(113)은 굴절률 변환층(117)에 전압을 인가하기 위한 전극으로서의 역할도 할 수 있다. 예를 들어, 단위셀 구동부(111)에 의해 금속 미러층(113)과 안테나 패턴들(121) 사이이 전압이 인가되면 굴절률 변환층(117)의 전하 농도가 변화하게 되며, 이에 따라 굴절률 변환층(117)의 굴절률이 변화될 수 있다.
단위셀 구동부(111)는 굴절률 변환층(117)에 전압과 같은 전기적인 신호를 인가할 수 있다. 이러한 단위셀 구동부(111)는 금속 미러층(113)의 하부에 마련될 수 있다. 단위셀 구동부(111)는 예를 들면 하나의 트랜지스터와 하나의 커패시터를 포함하도록 구성되어 단위셀(P) 내의 굴절률 변환층(117)에 전압을 인가하게 된다. 여기서, 단위셀 구동부(111)는 안테나 패턴들(121)과 금속 미러층(111) 사이에 전압을 인가하거나 또는 안테나 패턴들(121)과 굴절률 변환층(117) 사이에 전압을 인가할 수 있다.
단위셀들(P)은 대응되는 단위셀 구동부들(111)에 의해 독립적으로 구동됨으로써 서로 다른 굴절률들을 나타내게 되고, 이에 따라 복수의 단위셀(P)이 굴절률 프로파일이 형성될 수 있다. 그리고, 이러한 굴절률 프로파일은 단위셀들(P)에 가해지는 전압을 변화시킴으로써 변화시킬 수 있으므로, 레이저빔을 원하는 방향으로 스티어링할 수 있다.
이상과 같은 구조의 레이저빔 스티어링 소자(100)에서는 굴절률 변환층(117)에 의해 높은 굴절률 변환 효율을 구현함으로써 최대 위상을 확보할 수 있고, 파장 선택층(115)에 의해 다양한 파장 범위를 레이저빔을 사용할 수 있다.
일반적인 레이저빔 스티어링 소자(10)에서는 굴절률 변환층(17)의 전하 농도가 높을수록 굴절률 변환 효율이 증대되어 최대 위상을 확보할 수 있지만, 굴절률 변환층(17)의 전하 농도가 높아지게 되면 레이저빔의 공진 파장은 짧아지게 된다. 따라서, 예를 들어 1.5㎛ 이상의 긴 공진 파장을 가지는 레이저빔을 이용하게 되면 높은 위상을 확보하기가 어렵게 된다. 본 실시예에서는 레이저빔 스티어링 소자(100)가 굴절률 변환층(117)과 파장 선택층(115)을 포함함으로써 다양한 파장 범위의 레이저빔을 사용할 수 있고, 최대 위상도 확보할 수 있다. 구체적으로, 굴절률 변환층(117)을 높은 전하 농도를 가지도록 구성함으로써 굴절률 변환 효율을 향상시킬 수 있고, 이에 따라 최대 위상을 확보할 수 있다. 또한, 파장 선택층(115)을 레이저빔의 공진 파장에 대응되는 전하 농도를 가지도록 구성함으로써 다양한 파장 범위의 레이저빔을 사용할 수 있다. 이에 따라, 다양한 파장 범위의 레이저빔을 사용하면서 최대 위상을 확보할 수 있다. 예를 들면, 1.5㎛ 이상의 긴 공진 파장을 가지는 레이저빔을 이용하면서 최대 위상을 확보할 수 있다. 또한, 후술하는 바와 같이, 본 실시예에 따른 레이저빔 스티어링 소자(100)에서는 낮은 구동 전압에서도 최대 위상을 확보할 수 있다.
도 5는 일반적인 레이저빔 스티어링 소자(A)와 예시적인 실시예에 따른 레이저빔 스티어링 소자(B)에서, 인가 전압에 따른 위상을 나타내는 FDTD(Finite Difference Time Domain) 시뮬레이션 결과를 도시한 것이다. 도 5에서, 일반적인 레이저빔 스티어링 소자(A)는 도 1에 도시된 단면 구조를 가지며, 예시적인 실시예에 따른 레이저빔 스티어링 소자(B)는 도 3에 도시된 단면 구조를 가지고 있다. 일반적인 레이저빔 스티어링 소자(A)에서 굴절률 변환층(17)으로 ITO가 사용되었으며, 예시적인 실시예에 따른 레이저빔 스티어링 소자(B)에서 굴절률 변환층(117) 및 파장 선택층(115)으로 ITO가 사용되었다. 이는 이하에서도 동일하다.
도 5를 참조하면, 예시적인 실시예에 따른 레이저빔 스티어링 소자(B)는 일반적인 레이저빔 스티어링 소자(A)에 비해 낮은 인가 전압으로 높은 위상을 확보할 수 있음을 알 수 있다. 따라서, 예시적인 실시예에 따른 레이저빔 스티어링 소자(B)는 낮은 구동 전압으로도 높은 위상을 구현하는 것이 가능하다.
도 6a는 일반적인 레이저빔 스티어링 소자(A)와 예시적인 실시예에 따른 레이저빔 스티어링 소자(B)에서, 레이저 빔의 공진 파장을 보여주는 FDTD 시뮬레이션 결과를 도시한 것이다. 그리고, 도 6b는 일반적인 레이저빔 스티어링 소자(A)와 예시적인 실시예에 따른 레이저빔 스티어링 소자(B)에서, 레이저빔의 최대 위상을 보여주는 FDTD 시뮬레이션 결과를 도시한 것이다.
도 6a 및 도 6b에는 예시적인 실시예에 따른 레이저빔 스티어링 소자(B)의 파장 선택층(115)은 일반적인 레이저빔 스티어링 소자(A)의 굴절률 변환층(17)과 동일한 전하 농도를 가지는 ITO로 형성하고, 예시적인 실시예에 따른 레이저빔 스티어링 소자(B)의 굴절률 선택층(117)은 파장 선택층(115) 보다 높은 전하 농도를 가지는 ITO로 형성하였을 때 나온 결과가 도시되어 있다.
도 6a를 참조하면, 일반적인 레이저빔 스티어링 소자(A)와 예시적인 실시예에 따른 레이저빔 스티어링 소자(B)에서 레이저 빔의 공진 파장은 거의 비슷하게 유지되는 것을 알 수 있다. 또한, 6b를 참조하면, 일반적인 레이저빔 스티어링 소자(A)에서 최대 위상은 대략 220 degree 이었지만, 예시적인 실시예에 따른 레이저빔 스티어링 소자(B)에서 최대 위상은 대략 291 degree가 되었음을 알 수 있다. 따라서, 예시적인 실시예에 따른 레이저빔 스티어링 소자(B)는 일반적인 레이저빔 스티어링 소자(A)에 비해 높은 최대 위상을 확보할 수 있다.
도 7a는 예시적인 실시예에 따른 레이저빔 스티어링 소자에서 전하 농도의 변화에 따른 공진 파장의 변화를 보여주는 FDTD 시뮬레이션 결과를 도시한 것이다. 그리고, 도 7b는 예시적인 실시예에 따른 레이저빔 스티어링 소자에서 전하 농도의 변화에 따른 최대 위상을 보여주는 FDTD 시뮬레이션 결과를 도시한 것이다. 도 7a 및 도 7b에는 예시적인 실시예에 따른 레이저빔 스티어링 소자에서 파장 선택층(115)의 전하 농도를 변화시켰을 때 나온 결과가 도시되어 있다.
도 7a를 참조하면, 공진 파장은 파장 선택층(115)의 전하 농도를 변화에 대응하여 변화함을 알 수 있다. 구체적으로, 전하 농도를 nbg1에서 nbg2(<nbg1)으로 감소시킴에 따라 공진 파장도 증가함을 알 수 있다. 또한, 도 7b를 참조하면, 최대 위상은 파장 선택층(115)의 전하 농도를 변화시켜도 거의 변화가 없음을 알 수 있다. 구체적으로, 전하 농도를 nbg1에서 nbg2(<nbg1)으로 감소시켜도 최대 위상은 거의 비슷하게 유지됨을 알 수 있다. 따라서, 예시적인 실시예에 따른 레이저빔 스티어링 소자는 최대 위상을 유지하면서 다양한 공진 파장 범위의 레이저빔을 사용할 수 있다.
도 8은 다른 예시적인 실시예에 따른 스티어링 소자를 도시한 것이다. 도 8에는 레이저빔 스티어링 소자(200)를 구성하는 복수의 단위셀 중 하나의 단위셀이 도시되어 있다.
도 8을 참조하면, 레이저빔 스티어링 소자(200)의 단위셀은 전기적인 신호에 따라 전하 농도가 변화하는 굴절률 변환층(217)과, 굴절률 변환층(217)의 상부에 마련되는 복수의 안테나 패턴(221)과, 굴절률 변환층(217)의 하부에 마련되는 파장 선택층(215)과, 굴절률 변환층(217)에 전기적인 신호를 인가하는 단위셀 구동부(211)를 포함한다. 그리고, 파장 선택층(215)의 하부에는 금속 미러층(213)이 마련될 수 있으며, 파장 선택층(215)과 금속 미러층(213) 사이에는 절연층(219)이 마련될 수 있다.
굴절률 변환층(217)은 인가되는 전압에 따라 전하 농도가 변하는 물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 굴절률 변환층(217)은 투명한 도전성 산화물(TCO) 등과 같은 산화물 반도체를 포함할 수 있다. 하지만, 이에 한정되지는 않는다. 이러한 굴절률 변환층(217)은 입사되는 레이저빔의 파장에 영향을 주지 않도록 대략 5nm 이하의 비교적 얇은 두께로 형성될 수 있다.
굴절률 변환층(217)의 상면에는 복수의 안테나 패턴(221)이 마련되어 있다. 이러한 안테나 패턴들(221)은 예를 들면, Ag, Au, Al 및 Pt 중 적어도 하나를 포함하는 금속이나 합금을 포함할 수 있다. 또한, 안테나 패턴들(221)은 TiN 또는 TaN 등과 같은 금속 질화물을 포함할 수 있다. 안테나 패턴들(221) 사이의 간격은 예를 들면, 입사되는 레이저빔의 파장의 1/2 또는 1/3 보다 작을 수 있다.
굴절률 변환층(217)의 하면에는 파장 선택층(215)이 마련되어 있다. 파장 선택층(215)은 레이저빔의 공진 파장에 대응하는 전하 농도를 가지는 물질을 포함할 수 있다. 파장 선택층(215)은 예를 들면, 투명한 도전성 산화물(TCO) 등과 같은 산화물 반도체를 포함할 수 있다. 파장 선택층(215)은 굴절률 변환층(217)과 같은 조성을 가지지만 다른 전하 농도를 가질 수 있다. 또한, 파장 선택층(215)은 굴절률 변환층(217)과는 다른 조성을 가지는 물질을 포함할 수도 있다.
파장 선택층(215)의 하면에서는 절연층(219)이 마련될 수 있다. 이러한 절연층(219)은 예를 들면, 절연층(219)은 1MΩ 이상의 저항을 가지는 절연 물질을 포함할 수 있다. 구체적인 예로서, 절연층(219)은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, Al2O3, ZrO2, 또는 HfO2 등을 포함할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
절연층(219)의 하면에는 금속 미러층(213)이 마련될 수 있다. 이러한 금속 미러층(213)은 예를 들면, 안테나 패턴들(221)과 동일한 금속 물질을 포함할 수 있지만, 이에 한정되지는 않는다. 이러한 금속 미러층(213)은 굴절률 변환층(217)에 전압을 인가하기 위한 전극으로서의 역할도 할 수 있다.
단위셀 구동부(211)는 굴절률 변환층(217)에 전압과 같은 전기적인 신호를 인가할 수 있다. 이러한 단위셀 구동부(211)는 금속 미러층(213)의 하부에 마련될 수 있다. 단위셀 구동부(211)는 안테나 패턴들(221)과 금속 미러층(212) 사이에 전압을 인가하거나 또는 금속 미러층(213)과 굴절률 변환층(217) 사이에 사이에 전압을 인가함으로써 굴절률 변환층(217)의 전하 농도를 제어할 수 있다.
이상과 같은 구조의 레이저빔 스티어링 소자(200)에서는, 전술한 바와 같이, 굴절률 변환층(217)을 높은 전하 농도를 가지도록 구성함으로써 굴절률 변환 효율을 향상시킬 수 있고, 최대 위상을 확보할 수 있다. 또한, 파장 선택층(215)을 레이저빔의 공진 파장에 대응되는 전하 농도를 가지도록 구성함으로써 다양한 파장 범위의 레이저빔을 사용할 수 있다. 따라서, 다양한 파장 범위의 레이저빔을 사용하면서 최대 위상을 확보할 수 있다. 그리고, 낮은 구동 전압에서도 최대 위상을 확보할 수 있다.
도 9는 다른 예시적인 실시예에 따른 스티어링 소자를 도시한 것이다. 도 9에는 레이저빔 스티어링 소자(300)를 구성하는 복수의 단위셀 중 하나의 단위셀이 도시되어 있다.
도 9를 참조하면, 레이저빔 스티어링 소자(300)의 단위셀은 전기적인 신호에 따라 전하 농도가 변화하는 굴절률 변환층(317)과, 굴절률 변환층(317)의 상부에 마련되는 복수의 안테나 패턴(321)과, 굴절률 변환층(317)의 하부에 마련되는 파장 선택층(315)과, 굴절률 변환층(317)에 전기적인 신호를 인가하는 단위셀 구동부(311)를 포함한다. 파장 선택층(315)의 하부에는 금속 미러층(313)이 마련될 수 있다. 그리고, 안테나 패턴들(321)과 굴절률 변환층(317) 사이에는 제1 절연층(319)이 마련될 수 있고, 파장 선택층(315)과 금속 미러층(313) 사이에는 제2 절연층(318)이 마련될 수 있다.
굴절률 변환층(317)은 예를 들면 투명한 도전성 산화물(TCO) 등과 같은 산화물 반도체를 포함할 수 있다. 이러한 굴절률 변환층(317)은 대략 5nm 이하의 비교적 얇은 두께로 형성될 수 있다. 굴절률 변환층(317)의 상부에는 복수의 안테나 패턴(321)이 마련되어 있다. 여기서, 안테나 패턴들(321) 사이의 간격은 예를 들면, 입사되는 레이저빔의 파장의 1/2 또는 1/3 보다 작을 수 있다.
굴절률 변환층(317)과 안테나 패턴들(321) 사이에는 제1 절연층(319)이 마련되어 있다. 이러한 제1 절연층(319)은 1MΩ 이상의 저항을 가지는 절연 물질을 포함할 수 있다. 예들 들면, 제1 절연층(319)은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, Al2O3, ZrO2, 또는 HfO2 등을 포함할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
굴절률 변환층(317)의 하면에는 파장 선택층(315)이 마련되어 있다. 파장 선택층(315)은 레이저빔의 공진 파장에 대응하는 전하 농도를 가지는 물질을 포함할 수 있다. 파장 선택층(315)은 예를 들면, 투명한 도전성 산화물(TCO) 등과 같은 산화물 반도체를 포함할 수 있다.
파장 선택층(315)의 하부에는 금속 미러층(313)이 마련될 수 있다. 금속 미러층(313)은 예를 들면, 안테나 패턴들과 동일한 금속 물질을 포함할 수 있지만, 이에 한정되지는 않는다. 파장 선택층(315)과 금속 미러층(313) 사이에는 제2 절연층(318)이 마련될 수 있다. 제2 절연층(318)은 제1 절연층(319)과 마찬가지로 예를 들면, 1MΩ 이상의 저항을 가지는 절연 물질을 포함할 수 있다.
단위셀 구동부(311)는 굴절률 변환층(317)에 전압과 같은 전기적인 신호를 인가할 수 있다. 이러한 단위셀 구동부(311)는 금속 미러층(313)의 하부에 마련될 수 있다. 여기서, 단위셀 구동부(311)는 안테나 패턴들(321)과 금속 미러층(313) 사이, 안테나 패턴들(321)과 굴절률 변환층(317) 사이, 굴절률 변환층(317)과 금속 미러층(313) 사이에 전압을 인가함으로써 굴절률 변환층(317)의 전하 농도를 변화시킬 수 있다.
이상과 같은 구조의 레이저빔 스티어링 소자(300)에서는 전술한 바와 같이, 다양한 파장 범위의 레이저빔을 사용하면서 최대 위상을 확보할 수 있고, 낮은 구동 전압에서도 최대 위상을 확보할 수 있다.
도 10은 다른 예시적인 실시예에 따른 스티어링 소자를 도시한 것이다. 도 10에는 레이저빔 스티어링 소자(400)를 구성하는 복수의 단위셀 중 하나의 단위셀이 도시되어 있다.
도 10을 참조하면, 레이저빔 스티어링 소자(400)의 단위셀은 전기적인 신호에 따라 전하 농도가 변화하는 굴절률 변환층(417)과, 굴절률 변환층(417)의 상부에 마련되는 복수의 안테나 패턴(421)과, 굴절률 변환층(417)의 하부에 마련되는 파장 선택층(415)과, 굴절률 변환층(417)에 전기적인 신호를 인가하는 단위셀 구동부(411)를 포함한다. 파장 선택층(415)의 하부에는 금속 미러층(413)이 마련될 수 있으며, 안테나 패턴들(421)과 굴절률 변환층(417) 사이에는 절연층(419)이 마련될 수 있다.
굴절률 변환층(417)은 전기적인 신호에 의해 굴절률이 변화하도록 마련되는 것으로, 복수의 층 구조를 가질 수 있다. 예를 들면, 굴절률 변환층(417)은 상하로 적층된 제1 및 제2 변환층(417a,417b)을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 변환층(417a,417b)은 전기적인 신호에 의해 전하 농도가 변하는 물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 제1 및 제2 변환층(417a,417b)은 투명한 도전성 산화물(TCO) 등과 같은 산화물 반도체를 포함할 수 있다.
제1 및 제2 변환층(417a,417b)은 높은 굴절률 변환 효율을 구현할 수 있는 전하 농도를 가질 수 있다. 여기서, 제1 및 제2 변환층(417a,417b)은 예를 들면 서로 비슷한 전하 농도를 가질 수 있지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 한편, 도 10에는 굴절률 변환층(417)이 2개의 층으로 이루어진 경우가 예시적으로 도시되었으며, 이외에도 굴절률 변환층(417)은 3개 이상의 층으로 구성될 수도 있다. 이러한 제1 및 제2 변환층(417a,417b)으로 구성되는 굴절률 변환층(417)은 레이저빔의 파장에 영향을 주지 않도록 비교적 얇은 두께로 형성될 수 있다.
굴절률 변환층(417)의 하면에는 파장 선택층(415)이 마련되어 있다. 파장 선택층(415)은 레이저빔의 파장에 대응하도록 마련되는 것으로, 복수의 층 구조를 가질 수 있다. 예를 들면, 파장 선택층(415)은 상하로 적층된 제1, 제2 및 제3 선택층(415a,415b,415c)을 포함할 수 있다. 예를 들면, 제1, 제2 및 제3 선택층(415a,415b,415c)은 투명한 도전성 산화물(TCO) 등과 같은 산화물 반도체를 포함할 수 있다.
제1, 제2 및 제3 선택층(415a,415b,415c)은 레이저빔의 공진 파장에 대응하는 전하 농도를 가질 수 있다. 여기서, 제1, 제2 및 제3 선택층(415a,415b,415c)은 예를 들면 서로 비슷한 전하 농도를 가질 수 있지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 한편, 도 10에는 파장 선택층(415a,415b,415c)이 3개의 층으로 이루어진 경우가 예시적으로 도시되었으며, 이외에도 파장 선택층(415)은 2개 또는 4개 이상의 층으로 구성될 수도 있다.
굴절률 변환층(417)의 상부에는 복수의 안테나 패턴(421)이 마련되어 있다. 안테나 패턴들(421) 사이의 간격은 예를 들면, 레이저빔의 파장의 1/2 또는 1/3 보다 작을 수 있다. 그리고, 굴절률 변환층(417)과 안테나 패턴들(421) 사이에는 절연층(419)이 마련되어 있다. 이러한 절연층(419)은 예들 들면, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, Al2O3, ZrO2, 또는 HfO2 등과 같은 1MΩ 이상의 저항을 가지는 절연 물질을 포함할 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 한편, 이상에서는 절연층(419)이 안테나 패턴들(421)과 굴절률 변환층(417) 사이에 마련되는 경우가 설명되었으나, 이에 한정되지 않고 절연층(419)은 금속 미러층(413)과 파장 선택층(415) 사이에 마련될 수도 있다. 또한, 절연층(419)은 안테나 패턴들(421)과 굴절률 변환층(417) 사이 및 금속 미러층(413)과 파장 선택층(415) 사이에 마련될 수도 있다.
파장 선택층(415)의 하면에는 금속 미러층(413)이 마련될 수 있다. 금속 미러층(413)은 예를 들면, 안테나 패턴들과 동일한 금속 물질을 포함할 수 있지만, 이에 한정되지는 않는다. 단위셀 구동부(411)는 굴절률 변환층(417)에 전기적인 신호를 인가할 수 있다. 이러한 단위셀 구동부(411)는 금속 미러층(413)의 하부에 마련될 수 있다.
본 실시예에서는 굴절률 변환층(417) 및 파장 선택층(415)을 각각 복수의 층으로 형성하였다. 이러한 구조의 레이저빔 스티어링 소자(400)에서도 다양한 파장 범위의 레이저빔을 사용하면서 최대 위상을 확보할 수 있고, 낮은 구동 전압에서도 최대 위상을 확보할 수 있다. 한편, 이상에서는 굴절률 변환층(417) 및 파장 선택층(415) 각각이 복수의 층으로 구성된 경우가 설명되었으나, 굴절률 변환층(417)은 단일층 구조를 가지고 파장 선택층(415)은 복수의 층 구조를 가질 수도 있다. 또한, 굴절률 변환층(417)이 복수의 층 구조를 가지고 파장 선택층(415)은 단일층 구조를 가지는 것도 가능하다.
도 11은 또 다른 예시적인 실시예에 따른 스티어링 소자를 도시한 것이다. 도 11에는 레이저빔 스티어링 소자(500)를 구성하는 복수의 단위셀(P) 중 3개의 단위셀(P)이 도시되어 있다.
도 11을 참조하면, 레이저빔 스티어링 소자(500)의 단위셀은 전기적인 신호에 따라 전하 농도가 변화하는 굴절률 변환층(517)과, 굴절률 변환층(517)의 상부에 마련되는 안테나 패턴(521)과, 굴절률 변환층(517)의 하부에 마련되는 파장 선택층(515)과, 굴절률 변환층(517)에 전기적인 신호를 인가하는 단위셀 구동부(511)를 포함한다. 그리고, 파장 선택층(515)의 하부에는 금속 미러층(513)이 마련될 수 있으며, 굴절률 변환층(517)과 안테나 패턴(521) 사이에는 절연층(519)이 마련될 수 있다.
굴절률 변환층(517)은 인가되는 전압에 따라 전하 농도가 변하는 물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 굴절률 변환층(517)은 투명한 도전성 산화물(TCO) 등과 같은 산화물 반도체를 포함할 수 있다. 하지만, 이에 한정되지는 않는다. 이러한 굴절률 변환층(517)은 레이저빔의 파장에 영향을 주지 않도록 대략 5nm 이하의 비교적 얇은 두께로 형성될 수 있다. 도 11에는 굴절률 변환층(517)이 하나의 층으로 구성된 경우가 예시적으로 도시되어 있으나, 이외에도 굴절률 변환층(517)은 복수의 층 구조를 가질 수도 있다.
굴절률 변환층(517)의 하면에는 파장 선택층(515)이 마련되어 있다. 파장 선택층(515)은 레이저빔의 공진 파장에 대응하는 전하 농도를 가지는 물질을 포함할 수 있다. 파장 선택층(515)은 예를 들면, 투명한 도전성 산화물(TCO) 등과 같은 산화물 반도체를 포함할 수 있다. 파장 선택층(515)은 굴절률 변환층(517)과 같은 조성을 가지지만 다른 전하 농도를 가질 수 있다. 또한, 파장 선택층(515)은 굴절률 변환층(517)과는 다른 조성을 가지는 물질을 포함할 수도 있다. 도 11에는 파장 선택층(515)이 하나의 층으로 구성된 경우가 예시적으로 도시되어 있으나, 이외에도 파장 선택층(515)은 복수의 층 구조를 가질 수도 있다.
굴절률 변환층(517)의 상부에는 안테나 패턴(521)이 마련되어 있다. 전술한 실시예들에서는 하나의 단위셀(P)에 대응하여 복수개의 안테나가 마련된 경우가 설명되었다. 그러나, 본 실시예에서는 하나의 단위셀(P)에 대응하여 하나의 안테나 패턴(521)이 마련되어 있다. 이러한 안테나 패턴(521)은 예를 들면, Ag, Au, Al 및 Pt 중 적어도 하나를 포함하는 금속이나 합금을 포함할 수 있다. 또한, 안테나 패턴(521)은 TiN 또는 TaN 등과 같은 금속 질화물을 포함할 수 있다.
굴절률 변환층(517)과 안테나 패턴(521) 사이에는 절연층(519)이 마련되어 있다. 절연층(519)은 예들 들면, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, Al2O3, ZrO2, 또는 HfO2 등과 같은 1MΩ 이상의 저항을 가지는 절연 물질을 포함할 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 한편, 이상에서는 절연층(519)이 안테나 패턴(521)과 굴절률 변환층(517) 사이에 마련되는 경우가 설명되었으나, 이에 한정되지 않고 절연층(519)은 금속 미러층(513)과 파장 선택층(515) 사이에 마련될 수도 있다. 또한, 절연층(519)은 안테나 패턴(521)과 굴절률 변환층(515) 사이 및 금속 미러층(513)과 파장 선택층(515) 사이에 마련될 수도 있다.
파장 선택층(515)의 하면에는 금속 미러층(513)이 마련될 수 있다. 이러한 금속 미러층(513)은 예를 들면, 안테나 패턴(521)과 동일한 금속 물질을 포함할 수 있지만, 이에 한정되지는 않는다. 이러한 금속 미러층(513)은 굴절률 변환층(517)에 전압을 인가하기 위한 전극으로서의 역할도 할 수 있다. 단위셀 구동부(511)는 굴절률 변환층(517)에 전압과 같은 전기적인 신호를 인가할 수 있다. 이러한 단위셀 구동부(511)는 금속 미러층(513)의 하부에 마련될 수 있다.
이상과 같이, 본 실시예에서는 단위셀(P)과 안테나 패턴(521)이 일대일 대응하도록 마련될 수 있다. 레이저빔 스티어링 소자(500)를 구성하는 단위셀들(P)은 대응되는 단위셀 구동부들(511)에 의해 독립적으로 구동됨으로써 서로 다른 굴절률들을 나타내게 되고, 이에 따라 복수의 단위셀(P)이 굴절률 프로파일을이 형성할 수 있다. 그리고, 단위셀들(P)에 가해지는 전압을 변화시킴으로써 굴절률 프로파일을 변화될 수 있으며, 이에 따라 레이저빔을 원하는 방향으로 스티어링할 수 있다.
본 실시예에 따른 레이저빔 스티어링 소자(500)에서도 전술한 바와 같이, 다양한 파장 범위의 레이저빔을 사용하면서 최대 위상을 확보할 수 있고, 낮은 구동 전압에서도 최대 위상을 확보할 수 있다.
도 12는 또 다른 예시적인 실시예에 따른 스티어링 소자를 도시한 것이다. 도 12에는 레이저빔 스티어링 소자(600)를 구성하는 복수의 단위셀 중 하나의 단위셀이 도시되어 있다.
도 12를 참조하면, 레이저빔 스티어링 소자(600)의 단위셀은 전기적인 신호에 따라 전하 농도가 변화하는 굴절률 변환층(617)과, 굴절률 변환층(617)의 상부에 마련되는 복수의 안테나 패턴(621)과, 굴절률 변환층(617)의 하부에 마련되는 파장 선택층(615)과, 굴절률 변환층(617)에 전기적인 신호를 인가하는 단위셀 구동부(611)를 포함한다. 그리고, 파장 선택층(615)의 하부에는 금속 미러층(613)이 마련될 수 있으며, 굴절률 변환층(617)과 안테나 패턴들(621) 사이에는 절연층(619)이 마련될 수 있다.
굴절률 변환층(617)은 인가되는 전압에 따라 전하 농도가 변하는 물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 굴절률 변환층(617)은 투명한 도전성 산화물(TCO) 등과 같은 산화물 반도체를 포함할 수 있다. 하지만, 이에 한정되지는 않는다. 이러한 굴절률 변환층(617)은 입사되는 레이저빔의 파장에 영향을 주지 않도록 대략 5nm 이하의 비교적 얇은 두께로 형성될 수 있다. 도 12에는 굴절률 변환층(617)이 하나의 층으로 구성된 경우가 예시적으로 도시되어 있으나, 이외에도 굴절률 변환층(617)은 복수의 층 구조를 가질 수도 있다.
굴절률 변환층(617)의 하면에는 파장 선택층(615)이 마련되어 있다. 파장 선택층(615)은 레이저빔의 공진 파장에 대응하는 전하 농도를 가지는 물질을 포함할 수 있다. 파장 선택층(615)은 예를 들면, 투명한 도전성 산화물(TCO) 등과 같은 산화물 반도체를 포함할 수 있다. 파장 선택층(615)은 굴절률 변환층(617)과 같은 조성을 가지지만 다른 전하 농도를 가질 수 있다. 또한, 파장 선택층(615)은 굴절률 변환층(617)과는 다른 조성을 가지는 물질을 포함할 수도 있다. 도 12에는 파장 선택층(615)이 하나의 층으로 구성된 경우가 예시적으로 도시되어 있으나, 이외에도 파장 선택층(615)은 복수의 층 구조를 가질 수도 있다.
굴절률 변환층(617)의 상면에는 절연층(619)이 마련되어 있다. 절연층(619)은 예들 들면, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, Al2O3, ZrO2, 또는 HfO2 등과 같은 1MΩ 이상의 저항을 가지는 절연 물질을 포함할 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 한편, 절연층(619)은 금속 미러층(613)과 파장 선택층(615) 사이에 추가적으로 마련될 수도 있다.
파장 선택층(615)의 하면에는 금속 미러층(613)이 마련될 수 있다. 이러한 금속 미러층(613)은 예를 들면, 안테나 패턴들(621)과 동일한 금속 물질을 포함할 수 있지만, 이에 한정되지는 않는다. 이러한 금속 미러층(613)은 굴절률 변환층(617)에 전압을 인가하기 위한 전극으로서의 역할도 할 수 있다. 단위셀 구동부(611)는 굴절률 변환층(617)에 전압과 같은 전기적인 신호를 인가할 수 있다. 이러한 단위셀 구동부(611)는 금속 미러층(613)의 하부에 마련될 수 있다.
굴절률 변환층(617)의 상부에는 안테나 패턴들(621)이 마련되어 있다. 본 실시예에서, 안테나 패턴들(621) 각각은 상하로 적층된 복수의 층 구조를 가질 수 있다. 이와 같이, 안테나 패턴(621)을 복수의 층으로 구성하는 경우 지향성이 향상되어 특정 위치로 스티어링되는 레이저빔의 광량을 극대화시킬 수 있다.
안테나 패턴들(621) 각각은 예를 들면, 최상층에 위치하는 상부 안테나 패턴(621a)과, 굴절률 변환층(617)에 가깝게 위치하는 하부 안테나 패턴(621b)을 포함할 수 있다. 도 12에는 안테나 패턴들(621) 각각이 상하로 적층된 2층, 즉 상부 및 하부 안테나 패턴(621a,621b)을 구비하는 경우가 예시적으로 도시되어 있다. 여기서, 상부 안테나 패턴(621a)은 절연층(619)의 상면에 마련될 수 있으며, 하부 안테나 패턴(621b)은 절연층(619)의 내부에 마련될 수 있다. 한편, 안테나 패턴들(621) 각각이 3층 이상을 포함할 수도 있다. 이 경우, 하부 안테나 패턴이 절연층(619) 내부에 상하로 적층된 복수의 층 구조를 가질 수 있다.
이러한 복수의 층 구조를 가지는 안테나 패턴들(621)은 예를 들면, Ag, Au, Al 및 Pt 중 적어도 하나를 포함하는 금속이나 합금을 포함할 수 있다. 또한, 안테나 패턴들(621)은 TiN 또는 TaN 등과 같은 금속 질화물을 포함할 수 있다.
상부 및 하부 안테나 패턴들(621a,621b)은 다양한 형상을 가질 수 있다. 예를 들면, 상부 및 하부 안테나 패턴들(621a,621b)은 원형, 타원형 또는 삼각형이나 사각형 등을 포함하는 다각형 형상을 가질 수도 있다. 또한, 상부 및 하부 안테나 패턴들(621a,621b)은 불규칙한 형상을 가질 수도 있다. 그리고, 상부 및 하부 안테나 패턴들(621a,621b)은 일정한 간격으로 배열될 수 있으나, 이에 한정되지 않고 불규칙한 간격으로 배열될 수도 있다.
본 실시예에 따른 레이저빔 스티어링 소자(600)에서는 안테나 패턴들(621) 각각이 복수의 층 구조를 가짐으로써 지향성을 향상시킬 수 있다. 또한, 다양한 파장 범위의 레이저빔을 사용하면서 최대 위상을 확보할 수 있고, 낮은 구동 전압에서도 최대 위상을 확보할 수 있다.
도 13은 또 다른 예시적인 실시예에 따른 스티어링 소자를 도시한 것이다. 도 13에는 레이저빔 스티어링 소자(700)를 구성하는 복수의 단위셀(P) 중 3개의 단위셀(P)이 도시되어 있다.
도 13을 참조하면, 레이저빔 스티어링 소자(700)의 단위셀(P)은 전기적인 신호에 따라 전하 농도가 변화하는 굴절률 변환층(717)과, 굴절률 변환층(717)의 상부에 마련되는 안테나 패턴(721)과, 굴절률 변환층(717)의 하부에 마련되는 파장 선택층(715)과, 굴절률 변환층(717)에 전기적인 신호를 인가하는 단위셀 구동부(711)를 포함한다. 그리고, 파장 선택층(715)의 하부에는 금속 미러층(713)이 마련될 수 있으며, 굴절률 변환층(717)과 안테나 패턴(721)의 사이에는 절연층(719)이 마련될 수 있다.
굴절률 변환층(717)은 인가되는 전압에 따라 전하 농도가 변하는 물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 굴절률 변환층(717)은 투명한 도전성 산화물(TCO) 등과 같은 산화물 반도체를 포함할 수 있다. 도 13에는 굴절률 변환층(717)이 하나의 층으로 구성된 경우가 예시적으로 도시되어 있으나, 이외에도 굴절률 변환층(717)은 복수의 층 구조를 가질 수도 있다.
굴절률 변환층(717)의 하면에는 파장 선택층(715)이 마련되어 있다. 파장 선택층(715)은 레이저빔의 공진 파장에 대응하는 전하 농도를 가지는 물질을 포함할 수 있다. 파장 선택층(715)은 예를 들면, 투명한 도전성 산화물(TCO) 등과 같은 산화물 반도체를 포함할 수 있다. 도 13에는 파장 선택층(715)이 하나의 층으로 구성된 경우가 예시적으로 도시되어 있으나, 이외에도 파장 선택층(715)은 복수의 층 구조를 가질 수도 있다. 굴절률 변환층(715)의 상면에는 절연층(719)이 마련되어 있다. 절연층(719)은 예들 들면, 1MΩ 이상의 저항을 가지는 절연 물질을 포함할 수 있다. 한편, 절연층(719)은 금속 미러층(713)과 파장 선택층(715) 사이에 추가적으로 마련될 수도 있다.
파장 선택층(715)의 하면에는 금속 미러층(713)이 마련될 수 있다. 이러한 금속 미러층(713)은 예를 들면, 안테나 패턴(721)과 동일한 금속 물질을 포함할 수 있지만, 이에 한정되지는 않는다. 단위셀 구동부(711)는 굴절률 변환층(717)에 전기적인 신호를 인가할 수 있다. 이러한 단위셀 구동부(711)는 금속 미러층(713)의 하부에 마련될 수 있다.
굴절률 변환층(717)의 상부에는 안테나 패턴(721)이 마련되어 있다. 본 실시예에서는 하나의 단위셀(P)에 대응하여 하나의 안테나 패턴(721)이 마련되어 있다. 여기서, 안테나 패턴(721)은 상하로 적층된 복수의 층 구조를 가질 수 있다. 이와 같이, 안테나 패턴(721)을 복수의 층으로 구성하는 경우 지향성이 향상되어 특정 위치로 스티어링되는 레이저빔의 광량을 극대화시킬 수 있다.
안테나 패턴(721)은 예를 들면, 최상층에 위치하는 상부 안테나 패턴(721a)과, 굴절률 변환층(717)에 가깝게 위치하는 하부 안테나 패턴(721b)을 포함할 수 있다. 도 13에는 안테나 패턴(721)이 2층, 즉 상부 및 하부 안테나 패턴(721a,721b)을 구비하는 경우가 예시적으로 도시되어 있다. 여기서, 상부 안테나 패턴(721a)은 절연층(719)의 상면에 마련될 수 있으며, 하부 안테나 패턴(721b)은 절연층(719)의 내부에 마련될 수 있다. 한편, 안테나 패턴(721)은 3층 이상을 포함할 수도 있다.
이러한 복수의 층 구조를 가지는 안테나 패턴(721)은 예를 들면, Ag, Au, Al 및 Pt 중 적어도 하나를 포함하는 금속이나 합금을 포함할 수 있다. 또한, 안테나 패턴은 TiN 또는 TaN 등과 같은 금속 질화물을 포함할 수 있다.
본 실시예에 따른 레이저빔 스티어링 소자(700)에서는 안테나 패턴(721)이 복수의 층 구조를 가짐으로써 지향성을 향상시킬 수 있다. 또한, 다양한 파장 범위의 레이저빔을 사용하면서 최대 위상을 확보할 수 있고, 낮은 구동 전압에서도 최대 위상을 확보할 수 있다.
도 14는 또 다른 예시적인 실시예에 따른 시스템을 도시한 것이다. 도 14에는 전술한 예시적인 실시예에 따른 레이저빔 스티어링 소자를 적용한 시스템(1000)이 개략적으로 도시되어 있다.
도 14를 참조하면, 예시적인 실시예에 따른 시스템(1000)은 레이저빔을 방출하는 레이저 광원(810), 레이저빔을 스티어링하는 레이저빔 스티어링 소자(800), 스티어링된 레이저빔을 검출하는 검출부(820) 및 구동 드라이버(830)를 포함할 수 있다. 여기서, 구동 드라이버(830)는 레이저 광원(810), 레이저빔 스티어링 소자(800) 및 검출부(820)를 구동하는 구동 회로를 포함할 수 있다.
레이저 광원(810)으로는 예를 들면 레이저 다이오드가 사용될 수 있다. 하지만, 이는 단지 예시적인 것으로, 이외에도 다양한 광원이 사용될 수 잇다. 레이저 광원(810)으로부터 출사되는 레이저빔은 레이저빔 스티어링 소자(800)에 입사된다. 레이저빔 스티어링 소자(800)는 입사되는 레이저빔을 원하는 위치로 스티어링하게 된다. 이러한 레이저빔 스티어링 소자(800)는 전술한 바와 같이 다양한 실시예들에 따른 레이저빔 스티어링 소자들(100, 200,300,400,500,600,700)을 포함할 수 있다. 그리고, 레이저빔 스티어링 소자(800)에 의해 스티어링된 레이저빔이 대상물(object)에 조사되어 반사되면, 검출부(820)가 반사된 레이저빔을 검출할 수 있다. 이와 같은 레이점빔 스티어링 소자(800)가 적용된 시스템(1000)은 예를 들면, 깊이 센서(depth sensor), 3차원 센서(3D sensor), 라이더(LiDAR; light detection and ranging) 등과 같은 다양한 분야에 응용될 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 예시적인 실시예들에 의하면, 레이저빔 스티어링 소자가 굴절률 변환층과 파장 선택층을 포함함으로써 다양한 파장 범위의 레이저빔을 사용하면서 최대 위상을 확보할 수 있다. 즉, 굴절률 변환층을 높은 전하 농도를 가지도록 구성함으로써 높은 굴절률 변환 효율을 구현할 수 있고, 이에 따라 최대 위상을 확보할 수 있다. 또한, 파장 선택층을 레이저빔의 공진 파장에 대응되는 전하 농도를 가지도록 구성함으로써 다양한 파장 범위의 레이저빔을 사용할 수 있다. 또한, 실시예에 에 따른 레이저빔 스티어링 소자는 낮은 구동 전압에서도 최대 위상을 확보할 수 있다.
10,100,200,300,400,500,600,700,800.. 레이저빔 스티어링 소자
11,111,211,311,411,511,611,711.. 단위셀 구동부
13,113,213,313,413,513,613,713.. 금속 미러층
115,215,315,415,515,615,715.. 파장 선택층
17,117,217,317,417,517,617,717.. 굴절률 변환층
19,119,219,318,319,419,519,619,719.. 절연층
21,121,221,321,421,521,621,721.. 안테나 패턴
810.. 레이저 광원
820.. 검출부
830.. 구동 드라이버

Claims (31)

  1. 레이저빔을 스티어링하는 소자에 있어서,
    전기적인 신호에 따라 굴절률이 변환되는 굴절률 변환층;
    상기 굴절률 변환층의 상부에 마련되는 적어도 하나의 안테나 패턴;
    상기 굴절률 변환층의 하부에 마련되는 것으로, 상기 레이저빔의 파장에 대응하여 마련되는 파장 선택층; 및
    상기 굴절률 변환층에 전기적인 신호를 인가하는 구동부;를 포함하는 레이저빔 스티어링 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 파장 선택층은 상기 레이저빔의 공진 파장에 대응하는 전하 농도(carrier density)를 가지는 레이저빔 스티어링 소자.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 파장 선택층은 상기 굴절률 변환층과 다른 전하 농도를 가지는 레이저빔 스티어링 소자.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 파장 선택층은 상기 굴절률 변환층과 다른 조성을 가지는 레이저빔 스티어링 소자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 굴절률 변환층은 단일층 구조 또는 복수층 구조를 가지는 레이저빔 스티어링 소자.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 파장 선택층은 단일층 구조 또는 복수층 구조를 가지는 레이저빔 스티어링 소자.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 굴절률 변환층 및 상기 파장 선택층은 산화물 반도체를 포함하는 레이저빔 스티어링 소자.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 산화물 반도체는 ITO(Indium-Tin-Oxide), IZO(Indium-Zinc-Oxide), GIZO(Ga-In-Zn-Oxide), AZO(Al-Zn-Oxide), GZO(Ga-Zn-Oxide) 및 ZnO 중 적어도 하나를 포함하는 레이저빔 스티어링 소자.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 굴절률 변환층은 5nm 이하의 두께를 가지는 레이저빔 스티어링 소자.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 굴절률 변환층과 상기 적어도 하나의 안테나 패턴 사이에 마련되는 절연층을 더 포함하는 레이저빔 스티어링 소자.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 절연층은 1MΩ 이상의 저항을 가지는 물질을 포함하는 레이저빔 스티어링 소자.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 파장 선택층의 하부에 마련되는 금속 미러층을 더 포함하는 레이저빔 스티어링 소자.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 파장 선택층과 상기 금속 미러층 사이에 마련되는 절연층을 더 포함하는 레이저빔 스티어링 소자.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 안테나 패턴은 Ag, Au, Al, Pt, TiN 및 TaN 중 적어도 하나를 포함하는 레이저빔 스티어링 소자.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 안테나 패턴은 복수층 구조를 포함하는 레이저빔 스티어링 소자.
  16. 레이저빔을 스티어링하는 소자에 있어서,
    복수의 단위셀(unit cell)을 포함하고, 상기 단위셀들 각각은,
    전기적인 신호에 따라 굴절률이 변환되는 굴절률 변환층;
    상기 굴절률 변환층의 상부에 마련되는 적어도 하나의 안테나 패턴;
    상기 굴절률 변환층의 하부에 마련되는 것으로, 상기 레이저빔의 파장에 대응하여 마련되는 파장 선택층; 및
    상기 굴절률 변환층에 전기적인 신호를 인가하는 단위셀 구동부;를 포함하는 레이저빔 스티어링 소자.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 복수의 단위셀은 2차원적으로 배열되는 레이저빔 스티어링 소자.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 복수의 단위셀은 시간에 따라 변화하는 굴절률 프로파일(refractive index profile)을 형성함으로써 상기 레이저빔을 스티어링하는 레이저 빔 스티어링 소자.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 파장 선택층은 상기 레이저빔의 공진 파장에 대응하는 전하 농도를 가지는 레이저빔 스티어링 소자.
  20. 제 16 항에 있어서,
    상기 굴절률 변환층 및 상기 파장 선택층은 각각 단일층 구조 또는 복수층 구조를 가지는 레이저빔 스티어링 소자.
  21. 제 16 항에 있어서,
    상기 굴절률 변환층과 상기 적어도 하나의 안테나 패턴 사이에 마련되는 절연층을 더 포함하는 레이저빔 스티어링 소자.
  22. 제 16 항에 있어서,
    상기 파장 선택층의 하부에 마련되는 금속 미러층을 더 포함하는 레이저빔 스티어링 소자.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 파장 선택층과 상기 금속 미러층 사이에 마련되는 절연층을 더 포함하는 레이저빔 스티어링 소자.
  24. 제 16 항에 있어서,
    상기 안테나 패턴은 복수층 구조를 포함하는 레이저빔 스티어링 소자.
  25. 레이저빔을 출사하는 레이저 광원;
    상기 레이저 광원으로부터 입사된 상기 레이저빔을 스티어링하는 레이저빔 스티어링 소자; 및
    상기 스티어링된 레이저빔을 검출하는 검출부;를 포함하고,
    상기 레이저빔 스티어링 소자는,
    복수의 단위셀(unit cell)을 포함하고, 상기 단위셀들 각각은,
    전기적인 신호에 따라 굴절률이 변환되는 굴절률 변환층;
    상기 굴절률 변환층의 상부에 마련되는 적어도 하나의 안테나 패턴;
    상기 굴절률 변환층의 하부에 마련되는 것으로, 상기 레이저빔의 파장에 대응하여 마련되는 파장 선택층; 및
    상기 굴절률 변환층에 전기적인 신호를 인가하는 단위셀 구동부;를 포함하는 시스템.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 복수의 단위셀은 2차원적으로 배열되며, 시간에 따라 변화하는 굴절률 프로파일을 형성함으로써 상기 레이저빔을 스티어링하는 시스템.
  27. 제 25 항에 있어서,
    상기 파장 선택층은 상기 레이저빔의 공진 파장에 대응하는 전하 농도를 가지는 시스템.
  28. 제 25 항에 있어서,
    상기 굴절률 변환층 및 상기 파장 선택층은 각각 단일층 구조 또는 복수층 구조를 가지는 시스템.
  29. 제 25 항에 있어서,
    상기 레이저빔 스티어링 소자는 상기 굴절률 변환층과 상기 적어도 하나의 안테나 패턴 사이에 마련되는 절연층을 더 포함하는 시스템.
  30. 제 25 항에 있어서,
    상기 레이저빔 스티어링 소자는 상기 파장 선택층의 하부에 마련되는 금속 미러층을 더 포함하는 시스템.
  31. 제 25 항에 있어서,
    상기 안테나 패턴은 복수층 구조를 포함하는 시스템.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11112493B2 (en) 2018-01-12 2021-09-07 Samsung Electronics Co., Ltd. LiDAR system and method of driving the same

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20180055298A (ko) * 2016-11-16 2018-05-25 삼성전자주식회사 2차원 광 변조 소자 및 이를 포함하는 전자 기기
KR102592692B1 (ko) * 2016-12-01 2023-10-23 삼성전자주식회사 레이저 빔 조향 장치 및 이를 포함하는 시스템
WO2019135494A1 (ko) 2018-01-08 2019-07-11 주식회사 에스오에스랩 라이다 장치
US10591598B2 (en) 2018-01-08 2020-03-17 SOS Lab co., Ltd Lidar device
CN110488315B (zh) * 2018-05-14 2023-09-12 Sos实验株式会社 激光输出装置及激光雷达装置
JP7144188B2 (ja) * 2018-05-15 2022-09-29 浜松ホトニクス株式会社 反射型動的メタサーフェス
KR20200053731A (ko) * 2018-11-08 2020-05-19 삼성전자주식회사 빔 스캐닝 장치 및 이를 포함하는 광학 장치
CN114008523B (zh) * 2019-06-20 2023-10-13 三菱电机株式会社 反射光学元件
GB2603802A (en) * 2021-02-15 2022-08-17 Ams Sensors Asia Pte Ltd Meta-optics integrated on VCSELs
EP4386435A1 (en) * 2022-12-15 2024-06-19 Hon Hai Precision Industry Co., Ltd. Laser radar device for improving accuracy of calculation

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006202781A (ja) * 2005-01-17 2006-08-03 Eudyna Devices Inc 波長選択ミラーユニット、レーザ装置、ビームスプリッタおよび光センサ
KR20120077417A (ko) * 2010-12-30 2012-07-10 삼성전자주식회사 광변조기 및 이를 채용한 광학장치
KR20160096527A (ko) * 2015-02-03 2016-08-16 삼성전자주식회사 게이트 구조를 포함하는 광 변조 소자

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6490076B2 (en) * 2001-01-11 2002-12-03 Hrl Laboratories, Llc Optical phased array for depolarized optical beam control
US8674792B2 (en) 2008-02-07 2014-03-18 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Tunable metamaterials
US8282225B2 (en) 2009-03-04 2012-10-09 Ford Global Technologies, Llc Active blindspot/lane departure detection mirror system
JP5677341B2 (ja) 2012-03-01 2015-02-25 三菱電機株式会社 光電変換装置とその製造方法、および光電変換モジュール
US8908251B2 (en) 2013-01-30 2014-12-09 Hrl Laboratories, Llc Tunable optical metamaterial
WO2014126789A1 (en) 2013-02-14 2014-08-21 The Government of the United State of America, as represented by the Secretary of the Navy Actively tunable polar-dielectric optical devices
US9632216B2 (en) * 2015-02-03 2017-04-25 Samsung Electronics Co., Ltd. Optical modulating device having gate structure

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006202781A (ja) * 2005-01-17 2006-08-03 Eudyna Devices Inc 波長選択ミラーユニット、レーザ装置、ビームスプリッタおよび光センサ
KR20120077417A (ko) * 2010-12-30 2012-07-10 삼성전자주식회사 광변조기 및 이를 채용한 광학장치
KR20160096527A (ko) * 2015-02-03 2016-08-16 삼성전자주식회사 게이트 구조를 포함하는 광 변조 소자

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11112493B2 (en) 2018-01-12 2021-09-07 Samsung Electronics Co., Ltd. LiDAR system and method of driving the same

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US10707639B2 (en) 2020-07-07

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