KR20180082308A - 광변조 소자 및 이를 적용한 시스템 - Google Patents

광변조 소자 및 이를 적용한 시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR20180082308A
KR20180082308A KR1020170156610A KR20170156610A KR20180082308A KR 20180082308 A KR20180082308 A KR 20180082308A KR 1020170156610 A KR1020170156610 A KR 1020170156610A KR 20170156610 A KR20170156610 A KR 20170156610A KR 20180082308 A KR20180082308 A KR 20180082308A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
reflective layer
tunable core
phase
light
modulating
Prior art date
Application number
KR1020170156610A
Other languages
English (en)
Inventor
이두현
무하메드 알람
해리 에트워터
라지프 팔라
나병훈
한승훈
Original Assignee
삼성전자주식회사
캘리포니아 인스티튜트 오브 테크놀로지
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 삼성전자주식회사, 캘리포니아 인스티튜트 오브 테크놀로지 filed Critical 삼성전자주식회사
Priority to US15/867,015 priority Critical patent/US20180196138A1/en
Publication of KR20180082308A publication Critical patent/KR20180082308A/ko
Priority to US16/884,850 priority patent/US11513219B2/en
Priority to US17/948,026 priority patent/US11835626B2/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/19—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on variable-reflection or variable-refraction elements not provided for in groups G02F1/015 - G02F1/169
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/21—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  by interference
    • G02F1/213—Fabry-Perot type
    • G02F2001/213—

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

광변조 소자 및 이를 적용한 시스템이 개시된다.
개시된 광변조 소자는, 기판 상에 마련되고, 패브리-페롯 캐비티를 포함하는 위상 변조부를 구비한다. 위상 변조부의 패브리-페롯 캐비티는, 제1반사층과 제2반사층 사이에 샌드위치되며, 전기적인 제어에 따라 굴절율이 변조되어 광의 위상을 변조하도록 반도체 영역으로 형성된 튜너블 코어를 포함한다.

Description

광변조 소자 및 이를 적용한 시스템{Optical modulating device and system employing the same}
광변조 소자 및 이를 적용한 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 패브리-페롯 캐비티 구조를 가지는 광변조 소자 및 이를 적용한 시스템에 관한 것이다.
입사광의 투과/반사, 편광, 위상, 세기, 경로 등을 변경하는 광학 소자는 다양한 광학 장치에서 활용된다. 또한, 광학 시스템 내에서 원하는 방식으로 상기한 성질을 제어하기 위해 다양한 구조의 광변조 소자들이 제시되고 있다.
이러한 예로서, 광학적 이방성을 가지는 액정(liquid crystal), 광 차단/반사 요소의 미소 기계적 움직임을 이용하는 MEMS(microelectromechanical system) 구조 등이 일반적인 광변조 소자에 널리 사용되고 있다. 이러한 광변조 소자들은 그 구동 방식의 특성상 동작 응답시간이 수 ㎲ 이상으로 느리다.
최근에는 메타 구조(meta structure)를 광변조 소자에 적용하는 시도가 있다. 메타 구조는 입사광의 파장보다 작은 수치가, 두께, 패턴, 또는 주기 등에 적용된 구조이다.
반도체 재료의 전-광 특성을 이용하여 고속으로 광을 변조할 수 있으며, 광효율이 높은 광변조 소자 및 이를 적용한 시스템을 제공한다.
일 유형에 따른 광변조 소자는, 기판과; 상기 기판 상에 마련되고, 패브리-페롯 캐비티를 포함하는 위상 변조부를 구비하며, 상기 위상 변조부의 패브리-페롯 캐비티는, 제1반사층; 제2반사층; 및 상기 제1반사층과 제2반사층 사이에 샌드위치되며, 전기적인 제어에 따라 굴절율이 변조되어 광의 위상을 변조하도록 반도체 영역으로 형성된 튜너블 코어;를 포함한다.
상기 튜너블 코어는 전기적인 제어에 따라 굴절율이 변조되어 광의 위상을 변조하도록 양자 우물을 구비할 수 있다.
상기 튜너블 코어는 다중 양자 우물을 구비할 수 있다.
상기 다중 양자 우물은 III-V 반도체를 이용하여 형성될 수 있다.
상기 튜너블 코어는 전기적인 제어에 따라 굴절율이 변조되어 광의 위상을 변조하도록 벌크 반도체 영역을 구비할 수 있다.
상기 제1반사층 및 제2반사층 중 적어도 하나는 분포 브래그 반사기를 포함할 수 있다.
상기 제1반사층 및 제2반사층의 분포 브래그 반사기는 유전체 물질을 포함하며, 상기 패브리-페롯 캐비티는 유전체 튜너블 코어를 형성할 수 있다.
상기 제1반사층과 튜너블 코어 사이에 공통 전극;을 더 포함할 수 있다.
상기 제1반사층은 상기 기판 상에 형성되고, 상기 제1반사층 상에 상기 튜너블 코어가 형성되고, 상기 튜너블 코어 상에 상기 제2반사층이 형성되며, 상기 제1반사층에 대해 돌출된 돌출부를 구비하며, 상기 돌출부는 상기 튜너블 코어 및 제2반사층을 포함할 수 있다.
상기 제2반사층은 상기 튜너블 코어에 대응하는 크기를 가지도록 마련될 수 있다.
상기 돌출부가 복수개 서로 이격되게 위치하며, 상기 위상 변조부는 복수의 돌출부를 포함할 수 있다.
구동단위마다 상기 위상 변조부가 마련될 수 있다.
상기 위상 변조부가 복수개 어레이로 2차원적으로 배열되어 2차원 광변조 소자를 이루도록 마련될 수 있다.
상기 위상 변조부가 복수개 어레이로 일차원적으로 배열되어 1차원 광변조 소자를 이루도록 마련될 수 있다.
상기 돌출부는, 상기 제2반사층 상에 추가 튜너블 코어; 및 상기 추가 튜너블 코어 상에 제3반사층;을 더 구비하며, 상기 패브리-페롯 캐비티는 이중 캐비티 구조를 가질 수 있다.
일 유형에 따른 라이다(lidar) 장치는, 광원부; 상기 광원부로부터의 광이 피사체를 향하도록 스티어링하는 것으로, 상기한 광변조 소자; 및 상기 광변조 소자에서 스티어링되며 상기 피사체에 조사된 후 상기 피사체에서 반사되는 광을 수신하는 센서부;를 포함한다.
실시예에 따른 광변조 소자 및 이를 적용한 시스템에 따르면, 패브리-페롯 캐비티를 포함하는 위상 변조부를 구비하며, 위상 변조부의 패브리-페롯 캐비티의 제1반사층과 제2반사층 사이에 샌드위치된 반도체 영역으로 형성된 튜너블 코어의 전기적인 제어에 따라 굴절율이 변조되어 광의 위상을 변조하므로, 고효율 고 위상 광변조 소자를 구현할 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 광변조 소자의 예시적인 구조를 개략적으로 보여준다.
도 2a는 양자 우물층의 실시예를 개략적으로 보여준다.
도 2b는 도 2a의 양자 우물층에 0V와 9V의 전압을 인가하였을 때, 파장에 따른 굴절율 변화를 개략적으로 보여주는 그래프이다.
도 3a는 도 1의 광변조 소자를 2차원 광변조 소자로 구현한 예를 보여준다.
도 3b는 도 1의 광변조 소자를 1차원 광변조 소자로 구현한 예를 보여준다.
도 4는 패브리-페롯 캐비티의 튜너블 코어의 굴절율 변조와 반사광의 위상 변화의 관계를 개략적으로 보여주는 그래프이다.
도 5a 및 도 5b는 실시예에 따른 광변조 소자로부터 출력되는 위상 변조 반사광의 파장에 따른 위상 변화 및 반사도를 보여주는 그래프이다.
도 6 및 도 7은 다른 실시예들에 따른 광변조 소자의 예시적인 구조를 개략적으로 보여준다.
도 8은 실시예에 따른 라이다 시스템의 개략적인 구성을 보이는 블록도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하면서, 실시예에 따른 광변조 소자 및 이를 적용한 시스템을 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조번호는 동일한 구성 요소를 지칭하며, 각 구성 요소의 크기나 두께는 설명의 편의를 위해 과장되어 있을 수 있다. 한편, 이하에 설명되는 실시예들은 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 이하에서, 한 층이 기판이나 다른 층의 "위", "상부" 또는 "상"에 구비된다고 설명될 때, 그 층은 기판이나 다른 층에 직접 접하면서 위에 존재할 수도 있고, 그 사이에 또 다른 층이 존재할 수도 있다.
실시예에 따른 광변조 소자는 패브리-페롯 캐비티(Fabry Perot Cavity: FPC)를 구비하는 위상 변조부를 구비하며, 패브리-페롯 캐비티의 두 반사층 사이의 튜너블 코어(tunable core)의 굴절율을 변조함으로써, 입사된 광의 위상을 변조하도록 마련된다.
실시예에 따른 광변조 소자에 있어서, 튜너블 코어는 반도체 재료로 형성될 수 있다. 반도체 재료로 만들어진 튜너블 코어의 굴절율을 변조하면, 캐비티(cavity)는 공진 상태로 들어오거나 나갈 수 있으며 0도에서 360도 사이의 위상 변화를 얻을 수 있다.
이러한 광변조 소자는 레이저 빔 스티어링, 스캐너, 라이다(Lidar), 공간 광 변조기(SLM: spatial light modulator), 마이크로-디스플레이, 홀로그래피, 능동 광학 요소, 고차 회절 등 다양한 분야에 적용될 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 광변조 소자(10)의 예시적인 구조를 개략적으로 보여준다.
도 1을 참조하면, 광변조 소자(10)는, 예컨대, 반사형 메타 소자로서, 기판(20)과, 기판(20) 상에 마련되는 패브리-페롯 캐비티(90)를 포함하는 위상 변조부(100)를 포함한다. 패브리-페롯 캐비티(90)는 제1반사층(40) 및 제2반사층(70), 이 제1반사층(40) 및 제2반사층(70) 사이에 샌드위치되며 전기적인 제어에 따라 굴절율이 변조되어 반사광의 위상을 변조하도록 반도체 영역으로 형성된 튜너블 코어(50)를 포함하도록 패터닝될 수 있다.
기판(20)으로는 예를 들어, 반도체 기판을 사용할 수 있다. 기판(20)으로 예컨대, GaAs 기판을 사용할 수 있다. 이외에도 기판(20)으로 패브리-페롯 캐비티(90)의 형성이 가능한 다양한 기판이 사용될 수 있다.
위상 변조부(100)의 패브리-페롯 캐비티(90)는 반도체 영역을 포함하는 튜너블 코어(50)의 전기적인 제어에 따라 굴절율을 변조하여 광의 위상을 변조하도록 마련될 수 있다. 인가된 바이어스는 활성층 즉, 패브리-페롯 캐비티(90)의 튜너블 코어(50)의 굴절율을 변화시키고 공진 주파수를 변조시켜 광의 위상을 변조시킬 수 있다.
패브리-페롯 캐비티(90)의 제1반사층(40)은 기판(20) 상에 형성될 수 있다. 튜너블 코어(50)는 제1반사층(40) 상에 형성되고, 제2반사층(70)은 튜너블 코어(50) 상에 형성될 수 있다. 여기서, 기판(20) 상에 제1반사층(40)이 형성되고, 이 제1반사층(40) 상에 하부 전극층(30)이 형성될 수 있다. 하부 전극층(30)은 공통전극으로 사용될 수 있다. 또한, 하부 전극층(30)은 위상 변조부(100)에 대응되게 패터닝될 수도 있다.
제1반사층(40) 및 제2반사층(70) 중 적어도 하나는 예를 들어, 분포 브래그 반사기(DBR: Distributed Bragg Reflector) 일 수 있다. 이때, 제1반사층(40) 및 제2반사층(70) 중 적어도 하나의 반사층의 분포 브래그 반사기는 유전체 물질을 포함할 수 있다. 이 경우, 튜너블 코어(50) 또한 반도체 영역으로 형성되므로, 패브리-페롯 캐비티(90)는 유전체 튜너블 구조를 형성할 수 있다.
도 1 및 후술하는 다른 실시예들에서는 제1반사층(40) 및 제2반사층(70)이 모두 분포 브래그 반사기를 구비하는 예를 보여준다.
한편, 제1반사층(40) 및 제2반사층(70) 중 어느 하나는 나머지 하나에 비해 작은 반사도를 가지도록 형성될 수 있다. 패브리-페롯 캐비티(90) 내로 커플링된 광은 공진 과정을 거쳐 출력되는데, 이때 입력광은 공진 과정에서 튜너블 코어(50)의 굴절율 변조에 따라 위상이 변조되고, 제1반사층(40) 및 제2반사층(70) 중 작은 반사도를 가지는 반사층을 통해 출력되게 된다.
도 1 및 후술하는 다른 실시예들에서는 제1반사층(40) 및 제2반사층(70) 모두 분포 브래그 반사기를 구비하며, 제2반사층(70)이 제1반사층(40)보다 작은 반사도를 가지도록 작은 적층수로 형성되는 예를 보여준다.
이와 같이 제2반사층(70)이 제1반사층(40)보다 작은 반사도를 가지는 경우, 위상 변조된 광은 반사광으로서 제2반사층(70)을 통해 출력되어, 실시예에 따른 광변조 소자(10)는 반사형 소자로서 역할을 할 수 있다.
여기서, 제1반사층(40)이 제2반사층(70)보다 작은 반사도를 가지며, 전극층(30) 및 기판(20)이 공진 파장에 대해 투명한 경우, 실시예에 따른 광변조 소자(10)는, 투과형 메타소자로서 역할을 할 수도 있다.
한편, 위상 변조부(100)의 패브리-페롯 캐비티(90)에서, 튜너블 코어(50)는 반도체 영역을 포함한다. 튜너블 코어(50)는 기판과 동일한 반도체 물질을 포함할 수 있으며, 다른 조성이 추가될 수 있다. 이때 튜너블 코어(50)는 예를 들어, 전기적인 제어에 따라 굴절율이 변조되어 광의 위상을 변조하도록 양자 우물 예컨대, 다중 양자 우물을 구비할 수 있다. 다른 예로서, 후술하는 실시예에서와 같이, 패브리-페롯 캐비티(90)는 벌크 반도체 영역으로 이루어진 튜너블 코어(도 6의 150)를 구비할 수도 있다.
이와 같이, 튜너블 코어(50)(150)는 다중 양자 우물 또는 벌크 반도체 영역을 포함하며, 그 굴절율은 양자 한정 스탁(stark) 효과, 캐리어 주입, 포켈(Pockels) 효과 또는 온도 제어를 포함한 다양한 메커니즘에 의해 변화될 수 있다. 이러한 광변조 소자(10)에 있어서, 반사광은 튜너블 코어(50)(150)의 굴절율을 캐비티의 공진 조건을 만족시키는 정도로 하면, 360도의 위상 시프트를 달성할 수 있으며, 오프 공진에서 위상 시프트는 360도보다 작아질 수 있다. 이러한 패브리-페롯 캐비티(90)는 튜너블 코어(50)의 굴절율을 변경함으로써 공진 상태로 들어오고 나가게 할 수 있어, 0도에서 360도 사이의 위상이 얻어질 수 있다.
예를 들어, 본 실시예에 따르면, 튜너블 코어(50)는, 다중 양자 우물의 전기 광학 효과(electro-optic effect)를 이용하여 굴절율을 변조하도록 반도체 물질로 형성될 수 있다. 튜너블 코어(50)는 pin 구조를 이루며, III-V 족 반도체를 이용하여 형성될 수 있다. 튜너블 코어(50)는 예를 들어, GaAsP 배리어에 GaAs와 InGaAs를 이용하여 다중 양자 우물을 형성한 구조를 가질 수 있다.
도 2a는 튜너블 코어(50)의 다중 양자 우물의 실시예를 개략적으로 보인 것으로, 다중 양자 우물을 이루는 각 층의 두께, 각 층의 반도체 물질 조합, 조성 및 배리어 높이를 예시적으로 보여준다. 도 2b는 도 2a의 다중 양자 우물에 0V와 9V의 전압을 인가하였을 때, 파장에 따른 굴절율 변화를 개략적으로 보여주는 그래프이다.
도 2a에서와 같이 GaAsP 배리어에 GaAs와 InGaAs를 이용하여 다중 양자 우물을 형성하도록 튜너블 코어(50)를 형성하는 경우, 도 2b에서 알 수 있는 바와 같이, 0V와 9V의 전압 인가시, 특정 파장에서는 흡수율이 낮고 굴절율 변화가 크게 되어, 높은 효율로 위상 변조가 가능하다. 도 2b에서 “A"와 ”B"로 표시된 부분의 파장 대역에서 0V와 9V의 전압 인가시, 흡수율은 낮으면서 굴절율 변화(Δn)가 크게 되는 것을 알 수 있다. 여기서, 흡수율은 낮고 굴절율 변화가 큰 파장 대역은 도 2b의 예시에 한정되는 것은 아니며, 튜너블 코어(50)의 다중 양자 우물을 구성하는 각 층의 반도체 물질 조합 및 조성, 배리어 높이에 따라 흡수율은 낮고 굴절율 변화가 큰 파장 대역은 달라질 수 있다.
한편, 다시 도 1을 참조하면, 위상 변조부(100)의 패브리-페롯 캐비티(90)는 제1반사층(40)에 대해 돌출된 돌출부(80)를 구비하며, 이때 돌출부(80)는 튜너블 코어(50) 및 제2반사층(70)을 포함할 수 있다.
예를 들어, 돌출부(80)는 제1반사층(40) 상에 튜너블 코어(50)를 이루는 층 및 제2반사층(70)을 적층한 상태에서, 튜너블 코어(50)를 이루는 층 및 제2반사층(70)의 적층 구조를 패터닝하여 튜너블 코어(50) 및 제2반사층(70)의 적층 구조를 제1반사층(40)에 대해 돌출되게 형성함으로써 얻어질 수 있다.
이때, 제2반사층(70)은 튜너블 코어(50)에 대응하는 크기를 가질 수 있으며, 이 경우, 각 위상 변조부(100)에 대해 돌출부(80)는 제1반사층(40)보다 작은 크기일 수 있다.
여기서, 제2반사층(70)의 크기가 튜너블 코어(50)보다 작거나, 튜너블 코어(50)의 일부 층까지만 패터닝하는 구조로 돌출부(80)가 형성될 수도 있다. 이 경우에도, 각 위상 변조부(100)에 대해 돌출부(80)는 제1반사층(40)보다 작은 크기일 수 있다.
이와 같이 튜너블 코어(50) 및 제2반사층(70)의 적층 구조를 나노 구조로 패터닝하여 형성된 돌출부(80)는 응용 분야에 따라 1/2 파장 이상의 다양한 크기를 가질 수 있다. 여기서, 파장은 위상 변조부(100)에서 변조하고자 하는 광의 파장을 의미한다.
위상 변조부(100)는 하나의 돌출부(80)를 포함하는 구조로, 하나의 패브리-페롯 캐비티(90)만을 포함할 수도 있다.
한편, 위상 변조부(100)는 도 3a 및 도 3b에 예시적으로 보인 바와 같이, 복수개 어레이로 형성될 수 있다. 예를 들어, 기판(20) 상에 제1반사층(40), 튜너블 코어(50)층, 제2반사층(70)을 순차로 적층한 다음, 복수의 위상 변조부(100) 어레이를 형성하기 위해, 위상 변조부(100) 어레이 배열에 대응되게 튜너블 코어(50) 층까지 패터닝하여, 튜너블 코어(50)층, 제2반사층(70)의 적층 구조의 어레이를 형성한다.
즉, 실시예에 따른 광변조 소자(10)에 따르면, 복수의 위상 변조부(100) 각각은 제1반사층(40) 영역 상에 돌출부(80)를 가지며, 독립적으로 제어 가능하게 마련될 수 있다. 이 경우, 하부 전극층(30)은 공통 전극으로 형성되거나, 각 위상 변조부(100)에 대응되게 형성될 수 있다. 제2반사층(70) 아래에는 각 위상 변조부(100)에 대응되게 상부 전극층(35)이 형성될 수 있다. 상부 전극층(35)은 각 돌출부(80)를 구성하는 제2반사층(70)에 대응되게 형성되어, 상부 전극층(35) 및 하부 전극층(30)을 통해, 패브리-페롯 캐비티의 튜너블 코어(50)에 굴절율 변조 및 이에 따른 광의 위상 변조를 위한 전압을 인가할 수 있다. 하부 전극층(30)은 제1반사층(40)과 튜너블 코어(50) 사이 대신에, 기판(20)과 제1반사층(40) 사이에 형성될 수도 있다. 또한 상부 전극층(35)은 제2반사층(70) 상에 형성될 수도 있다.
복수의 위상 변조부(100)는 도 3a에서와 같이 2차원적으로 배열되어 2차원으로 위상 변조가 가능한 2차원 광변조 소자를 이룰 수 있다. 이때, 각 위상 변조부(100)는 구동단위마다 마련될 수 있다. 예를 들어, 각 위상 변조부(100)는 픽셀 단위로 2차원 어레이를 이루도록 마련되어, 픽셀 단위로 작동하도록 마련된 전극에 의해 어드레싱될 수 있으며, 각 위상 변조부(100)의 위상 변조에 의해 2차원적으로 빔 스티어링이 이루어질 수 있다. 복수의 위상 변조부(100) 상에는 상부 전극층(35)이, 위상 변조부(100)의 배열 형태에 대응되게, 각 위상 변조부(100)와 일대일로 대응되게 형성될 수 있으며, 제1반사층(40) 상에 형성된 하부 전극층(30)은 공통 전극으로 형성되거나, 위상 변조부(100)의 배열 형태에 대응되게 형성될 수 있다. 이 경우, 2차원 광변조 소자를 이용하여 입사빔을 2차원적으로 스티어링할 수 있다.
다른 예로서, 복수의 위상 변조부(100)는 도 3b에서와 같이 1차원으로 배열되어 1차원으로 위상 변조가 가능한 1차원 광변조 소자를 이룰 수 있다. 이경우에도, 위상 변조부(100)는 구동단위마다 마련될 수 있다. 예를 들어, 각 위상 변조부(100)는 라인 형태로 마련되어 1차원 어레이를 이루며, 각 위상 변조부(100)의 위상 변조에 의해 일차원적으로 빔 스티어링이 가능하도록 마련될 수 있다. 상부 전극층(35)은, 위상 변조부(100)의 배열 형태에 대응되게, 각 위상 변조부(100)와 일대일로 대응되게 형성될 수 있으며, 하부 전극층(30)은 공통 전극으로 형성되거나, 위상 변조부(100)의 배열 형태에 대응되게 형성될 수 있다. 이 경우, 도 3b에 예시한 바와 같이 복수의 위상 변조부(100)가 1차원으로 배열되어 얻어지는 1차원 광변조 소자를 이용하면 입사빔을 1차원적으로 스티어링할 수 있다.
이상에서와 같이 실시예에 따른 광변조 소자(10)는, 패브리-페롯 캐비티(90)의 튜너블 코어(50)의 굴절율을 변조하여 공진된 광의 위상을 변조할 수 있다. 이때, 튜너블 코어(50)의 굴절율은 인가되는 전압에 의해 변조되고, 이러한 굴절율 변조에 따라 광의 위상이 변조될 수 있다. 또한, 이러한 실시예에 따른 광변조 소자(10)는, 예를 들어 III-V 반도체 웨이퍼에 모노리식으로 집적될 수 있다.
도 4는 패브리-페롯 캐비티(90)의 튜너블 코어(50)의 굴절율 변조와 반사광의 위상 변화의 관계를 개략적으로 보여주는 그래프이다.
도 4에서 알 수 있는 바와 같이, 튜너블 코어(50)의 굴절율이 n과 n + △n으로 변화될 때, 동일 파장에서 반사광의 위상이 달라짐을 알 수 있다.
따라서, 패브리-페롯 캐비티(90)에서 반사된 광의 위상은 굴절율 변조에 따라 0도에서 360도까지 시프트될 수 있으며, 원하는 위상 응답을 얻기 위해 패브리-페롯 캐비티(90)의 튜너블 코어(50)의 굴절율이 제어될 수 있다.
이와 같은 광변조 소자(10)의 패브리-페롯 캐비티(90)에 광이 입사될 때, 입사광 Eieiψ은 패브리-페롯 캐비티(90) 내에서 공진 과정에서 튜너블 코어(50)의 굴절율을 변조함에 따라 공진된 광의 위상을 변조할 수 있다. 이에 따라, 위상 변조된 반사광 Ereiφ이 광변조 소자(10)로부터 출력될 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 실시예에 따른 광변조 소자(10)로부터 출력되는 위상 변조 반사광의 파장에 따른 위상 변화 및 반사도를 보여주는 그래프이다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 실시예에 따른 광변조 소자(10)에 따르면, 공진 파장 약 714nm 부근에서 패브리-페롯 캐비티(90)의 튜너블 코어(50)에 인가되는 전압에 의해 위상이 변조되어, 위상이 약 280도 정도 변화되며, 이때의 반사율은 약 0.5 정도 수준의 고효율을 나타냄을 알 수 있다. 도 5a 및 도 5b는 굴절율 변화(Δn) 약 0.004에 대해 고효율로 큰 위상 시프트값을 나타내며, 높은 반사도를 나타내는 것을 보여준다. 또한, 도 5a에서 알 수 있는 바와 같이, 실시예에 따른 광변조 소자(10)는 공진 파장 부분에서 지배적으로 위상 시프트가 크게 발생하여, 파장 선택 특성을 가질 수 있다.
이러한 실시예에 따른 광변조 소자(10)는, 반사형 고효율 고 위상 광변조 소자(10)를 구현할 수 있다.
도 6은 다른 실시예에 따른 광변조 소자(10)의 예시적인 구조를 개략적으로 보여주는 것으로, 도 1과 비교할 때, 패브리-페롯 캐비티(90)의 튜너블 코어(150)에 차이가 있다. 여기서, 도 1에서와 실질적으로 동일 또는 유사한 구성은 동일 참조부호로 표기하고 반복적인 설명은 가능한 한 생략한다.
도 1 및 도 6을 비교하면, 도 1의 실시예에서는 튜너블 코어(50)의 반도체 영역이 양자 우물 예컨대, 다중 양자 우물로 이루어지는 반면에, 도 6의 실시예에서는 튜너블 코어(150)의 반도체 영역이 벌크 반도체 영역을 구비한다. 이때, 튜너블 코어(150)는 기판과 동일한 반도체 물질을 포함할 수 있으며, 다른 조성이 추가될 수 있다.
이와 같이 튜너블 코어(150)에 벌크 반도체 영역을 구비하는 경우에도, 튜너블 코어(150)의 전기적인 제어에 따라 굴절율을 변조하여 반사광의 위상을 변조할 수 있다.
도 7은 다른 실시예에 따른 광변조 소자(10)의 예시적인 구조를 개략적으로 보여주는 것으로, 도 1과 비교할 때, 패브리-페롯 캐비티(90)가 듀얼 구조로 형성되는 점에 차이가 있다. 여기서, 도 1에서와 실질적으로 동일 또는 유사한 구성은 동일 참조부호로 표기하고 반복적인 설명은 가능한 한 생략한다.
도 7을 참조하면, 본 실시예에 있어서, 패브리-페롯 캐비티(90)의 돌출부(80)는, 튜너블 코어(50), 제2반사층(70a), 추가 튜너블 코어(60), 제3반사층(70b)을 포함하는 구조로 형성될 수 있다. 즉, 본 실시예에 있어서, 패브리-페롯 캐비티(90)는 제1반사층(40), 튜너블 코어(50), 제2반사층(70a), 추가 튜너블 코어(60), 제3반사층(70b)을 포함하는 이중 캐비티 구조로 형성될 수 있다. 상부 전극층(35a)이 튜너블 코어(50)와 제2반사층(70a) 사이에 위치하고, 상부 전극층(35b)이 추가 튜너블 코어(60)와 제3반사층(70b) 사이에 위치할 수 있다. 상부 전극층(35a) 및 상부 전극층(35b) 중 어느 하나는 생략될 수 있다. 또한, 상부 전극층(35b)은 제3반사층(70b) 상에 위치할 수도 있다.
여기서, 제2반사층(70a) 및 제3반사층(70b)은 제1반사층(40)과 마찬가지로, 분포 그래그 반사기를 구비할 수 있으며, 상대적으로 작은 적층수를 가져, 제1반사층(40)보다 낮은 반사도를 가질 수 있다.
추가 튜너블 코어(60)는 튜너블 코어(50)와 마찬가지로 양자 우물 예컨대, 다중 양자 우물을 가질 수 있다. 또한, 튜너블 코어(50)와 추가 튜너블 코어(60)는 벌크 반도체 영역을 가지도록 형성될 수도 있다.
이와 같이 패브리-페롯 캐비티(90)를 이중 캐비티 구조로 형성하는 경우, 보다 큰 반사도를 얻을 수 있다.
도 7에서와 같이, 패브리-페롯 캐비티(90)를 이중 캐비티 구조로 형성하는 경우, 큰 반사광의 위상 튜닝을 달성하면서 안정된 반사 진폭을 달성할 수 있다.
도 6 및 도 7의 실시예의 패브리-페롯 캐비티(90)의 경우에도, 도 3a 및 도 3b를 참조로 설명한, 2차원 광변조 소자(10), 1차원 광변조 소자(10)에 적용될 수 있다. 또한, 도 6 및 도 7의 실시예의 패브리-페롯 캐비티(90)의 경우에도, 튜너블 코어(50) 대신에 벌크 반도체 영역을 가지는 튜너블 코어(150)가 적용될 수 있다.
실시예들에 따른 광변조 소자(10)에 따르면, 패브리-페롯 캐비티(90)의 캐비티 치수에 의존하는 공진을 사용하므로, 편광에 독립적인 메타 표현을 구현할 수 있다.
또한, 실시예들에 따른 광변조 소자(10)에 있어서, 패브리-페롯 캐비티(90)는 예를 들어, 온-칩 III-V 반도체 부품과 모노리식 집적이 가능하다.
도 8은 실시예에 따른 라이다 시스템(1000)의 개략적인 구성을 보이는 블록도이다.
도 8을 참조하면, 라이다 시스템(1000)은 광을 조사하는 광원부(1200), 광원부(1200)에서 조사된 광을 피사체(OBJ)를 향하도록 조준하는 빔 스티어링 장치(1300) 및 피사체(OBJ)로부터 반사된 광을 센싱하는 센서부(1400)를 포함한다.
라이다 시스템(1000)은 또한, 빔 스티어링 장치(1300)에서의 위상 프로파일을 조절하는 제어부(1100), 센서부(1400)에서 센싱된 신호를 처리하는 신호처리부(1500)를 더 포함할 수 있다.
광원부(1200)는 피사체(OBJ)의 위치, 형상의 분석에 사용할 광을 조사한다. 광원부(1200)는 소정 파장의 광을 생성, 조사하는 광원을 포함할 수 있다. 광원부(1200)는 피사체(OBJ)의 위치, 형상 분석에 적합한 파장 대역의 광, 예를 들어, 적외선 대역 파장의 광을 생성 조사하는 LD(laser diode), LED(light emitting diode), SLD(super luminescent diode)등의 광원을 포함할 수 있다. 광원부(1200)는 복수의 서로 다른 파장 대역의 광을 생성 조사할 수도 있다. 광원부(1200)는 펄스광 또는 연속광을 생성 조사할 수 있다.
빔 스티어링 장치(1300)는 광원부(1200)로부터의 입사광(Li)의 위상을 독립적으로 변조하여 입사빔을 스티어링하도록 마련된 광변조 소자(10)를 포함하여, 1차원 또는 2차원적으로 입사광을 빔을 스티어링하도록 마련될 수 있다. 빔 스티어링 장치(1300)는 도 1 내지 도 7을 참조로 설명한 실시예의 광변조 소자(10) 또는 이로부터 변형된 형태의 광변조 소자를 구비할 수 있다.
광원부(1200)와 빔 스티어링 장치(1300) 사이 및/또는 빔 스티어링 장치(1300)와 피사체(OBJ) 사이에는 다른 광학 부재들, 예를 들어, 광원부(1200)에서 조사된 광의 경로 조절이나 파장 분할을 위해 또는 추가적인 변조를 위한 부재들이 더 배치될 수도 있다.
제어부(1100)는 빔 스티어링 장치(1300)가 빔 스티어링 기능을 수행하는 위상 프로파일을 갖도록 빔 스티어링 장치(1300)에 구비된 광변조 소자(10)(10)로의 입력 신호를 제어할 수 있다. 제어부(1100)는 또한, 빔 스티어링 장치(1300)의 스티어링 방향이 시순차적으로 조절되며 피사체를 스캔하도록 빔 스티어링 장치(1300)를 제어할 수 있다. 빔 스티어링 장치(1300)는 일차원 또는 이차원 방향으로의 빔 스티어링이 가능하며, 따라서, 피사체(OBJ)를 일차원 또는 이차원 방향을 따라 스캔할 수 있다. 광원부(1200)에서 제공되는 입사광(Li)이 빔 스티어링 장치(1300)에서 변조되고 반사되어 변조광(Lm)이 되고, 이 변조광(Lm)이 피사체(OBJ)를 이차원 방향을 따라 피사체(OBJ)를 스캔하는 동안 피사체(OBJ)로부터 반사된 반사광(Lr)은 센서부(1400)에서 센싱된다. 센싱된 광신호는 신호처리부(1500)에 전달되어, 피사체(OBJ)의 존재 여부, 위치, 형상 등의 분석에 사용될 수 있다.
센서부(1400)는 피사체(OBJ)로부터 반사되는 광을 센싱하는 광검출을 위한 복수의 센서들의 어레이를 포함할 수 있다. 센서부(1400)는 복수의 서로 다른 파장의 광을 센싱할 수 있는 센서들의 어레이들을 포함할 수 있다.
신호처리부(1500)는 센서부(1400)로부터 검출된 광신호로부터 소정 연산, 예를 들어, 광 비행 시간(Time of Flight) 측정을 위한 연산과 이로부터 피사체(OBJ)의 3차원 형상 판별을 수행할 수 있다. 신호처리부(1500)에서는 다양한 연산 방법을 사용할 수 있다. 예를 들어, 직접 시간 측정 방법은 피사체(OBJ)에 펄스광을 투사하고 피사체에 반사되어 광이 돌아오는 시간을 타이머로 측정하여 거리를 구한다. 상관법(correlation)은 펄스광을 피사체(OBJ)에 투사하고 피사체(OBJ)에 반사되어 돌아오는 반사광의 밝기로부터 거리를 측정한다. 위상지연 측정 방법은 사인파와 같은 연속파(continuous wave) 광을 피사체(OBJ)에 투사하고 피사체(OBJ)에 반사되어 돌아오는 반사광의 위상차를 감지하여 거리로 환산하는 방법이다. 신호처리부(1500)는 이러한 연산에 필요한 프로그램 및 기타 데이터들이 저장되는 메모리를 포함할 수 있다.
신호처리부(1500)는 연산 결과, 즉, 피사체(OBJ)의 형상, 위치에 대한 정보를 다른 유닛으로 전송할 수 있다. 예를 들어, 라이다 시스템(1000)이 채용된 자율 구동 기기의 구동 제어부, 또는 경고 시스템 등에 상기한 정보가 전송될 수 있다.
라이다 시스템(1000)은 전방 물체에 대한 3차원 정보를 실시간으로 획득하는 센서로 활용될 수 있어 자율 구동 기기, 예를 들어, 무인자동차, 자율주행차, 로봇, 드론 등에 적용될 수 있다. 라이다 시스템(1000)은 또한, 자율 구동 기기뿐 아니라, 블랙박스 등에 적용되어, 이미지 센서만으로 물체 식별이 어려운 야간에 전, 후방의 장애물 판단을 위해 적용될 수도 있다.
상술한 다양한 실시예의 광변조 소자(10)는 도면에 도시된 바를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
10...광변조 소자 20...기판
30...하부 전극층 35...상부 전극층
40...제1반사층 50...튜너블 코어
70...제2반사층 80...돌출부
90...패브리-페롯 캐비티 100...위상 변조부

Claims (19)

  1. 기판과;
    상기 기판 상에 마련되고 패브리-페롯 캐비티를 포함하는 위상 변조부를 구비하며,
    상기 위상 변조부의 패브리-페롯 캐비티는,
    제1반사층;
    제2반사층; 및
    상기 제1반사층과 제2반사층 사이에 샌드위치되며, 전기적인 제어에 따라 굴절율이 변조되어 광의 위상을 변조하도록 반도체 영역으로 형성된 튜너블 코어;를 포함하는 광변조 소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 튜너블 코어는 전기적인 제어에 따라 굴절율이 변조되어 광의 위상을 변조하도록 양자 우물을 구비하는 광변조 소자.
  3. 제2항에 있어서, 상기 튜너블 코어는 다중 양자 우물을 구비하는 광변조 소자.
  4. 제3항에 있어서, 상기 다중 양자 우물은 III-V 반도체를 이용하여 형성되는 광변조 소자.
  5. 제1항에 있어서, 상기 튜너블 코어는 전기적인 제어에 따라 굴절율이 변조되어 광의 위상을 변조하도록 벌크 반도체 영역을 구비하는 광변조 소자.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1반사층 및 제2반사층 중 적어도 하나는 분포 브래그 반사기를 포함하는 광변조 소자.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제1반사층 및 제2반사층의 분포 브래그 반사기는 유전체 물질을 포함하며,
    상기 패브리-페롯 캐비티는 유전체 튜너블 코어를 형성하는 광변조 소자.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제1반사층과 튜너블 코어 사이에 공통 전극;을 더 포함하는 광변조 소자.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1반사층은 상기 기판 상에 형성되고,
    상기 제1반사층 상에 상기 튜너블 코어가 형성되고,
    상기 튜너블 코어 상에 상기 제2반사층이 형성되며,
    상기 제1반사층에 대해 돌출된 돌출부를 구비하며,
    상기 돌출부는 상기 튜너블 코어 및 제2반사층을 포함하는 광변조 소자.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제2반사층은 상기 튜너블 코어에 대응하는 크기를 가지도록 된 광변조 소자.
  11. 제9항에 있어서, 상기 돌출부는, 복수개 서로 이격되게 위치하는 광변조 소자.
  12. 제11항에 있어서, 구동단위마다 상기 위상 변조부가 마련되는 광변조 소자.
  13. 제12항에 있어서, 상기 위상 변조부가 복수개 어레이로 2차원적으로 배열되어 2차원 광변조 소자를 이루도록 된 광변조 소자.
  14. 제12항에 있어서, 상기 위상 변조부가 복수개 어레이로 일차원적으로 배열되어 1차원 광변조 소자를 이루도록 된 광변조 소자.
  15. 제8항에 있어서, 상기 돌출부는,
    상기 제2반사층 상에 추가 튜너블 코어; 및
    상기 추가 튜너블 코어 상에 제3반사층;을 더 구비하며,
    상기 패브리-페롯 캐비티는 이중 캐비티 구조를 가지는 광변조 소자.
  16. 광원부;
    상기 광원부로부터의 광이 피사체를 향하도록 스티어링하는 것으로, 청구항 1항 내지 8항 중 어느 한 항의 광변조 소자; 및
    상기 광변조 소자에서 스티어링되며 상기 피사체에 조사된 후 상기 피사체에서 반사되는 광을 수신하는 센서부;를 포함하는 라이다(lidar) 장치.
  17. 제16항에 있어서, 상기 제1반사층은 상기 기판 상에 형성되고,
    상기 제1반사층 상에 상기 튜너블 코어가 형성되고,
    상기 튜너블 코어 상에 상기 제2반사층이 형성되며,
    상기 제1반사층에 대해 돌출된 돌출부를 구비하며,
    상기 돌출부는 상기 튜너블 코어 및 제2반사층을 포함하는 라이다(lidar) 장치.
  18. 제17항에 있어서, 상기 돌출부가 복수개 서로 이격되게 위치하며,
    상기 위상 변조부가 복수개 어레이로 2차원적으로 배열되어 2차원 광변조 소자를 이루거나,
    상기 위상 변조부가 복수개 어레이로 일차원적으로 배열되어 1차원 광변조 소자를 이루도록 된 라이다(lidar) 장치.
  19. 제17항에 있어서, 상기 돌출부는,
    상기 제2반사층 상에 추가 튜너블 코어; 및
    상기 추가 튜너블 코어 상에 제3반사층;을 더 구비하며,
    상기 패브리-페롯 캐비티는 이중 캐비티 구조를 가지는 라이다(lidar) 장치.
KR1020170156610A 2017-01-10 2017-11-22 광변조 소자 및 이를 적용한 시스템 KR20180082308A (ko)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US15/867,015 US20180196138A1 (en) 2017-01-10 2018-01-10 Optical modulating device and system including the same
US16/884,850 US11513219B2 (en) 2017-01-10 2020-05-27 Fabry-Perot cavity phase modulator including a tunable core between reflective layers, an optical modulating device including the same, and a LIDAR apparatus including the optical modulating device
US17/948,026 US11835626B2 (en) 2017-01-10 2022-09-19 Fabry-Perot cavity phase modulator including a tunable core, an optical modulating device including the same, and a lidar apparatus including the optical modulating device

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201762444488P 2017-01-10 2017-01-10
US62/444,488 2017-01-10

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20180082308A true KR20180082308A (ko) 2018-07-18

Family

ID=63049189

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020170156610A KR20180082308A (ko) 2017-01-10 2017-11-22 광변조 소자 및 이를 적용한 시스템

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20180082308A (ko)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10444355B2 (en) Optical modulating device and system employing same
US11513219B2 (en) Fabry-Perot cavity phase modulator including a tunable core between reflective layers, an optical modulating device including the same, and a LIDAR apparatus including the optical modulating device
KR102464367B1 (ko) 광변조 소자 및 이를 적용한 시스템
US10901149B2 (en) Beam steering device and system including the same
US10908437B2 (en) Optical modulator using phase change material and device including the same
US9638941B2 (en) Photonic crystal type light modulator and 3D image acquisition apparatus employing the same
KR0147835B1 (ko) 광장치
US5222071A (en) Dynamic optical grating device
KR20180028791A (ko) 위상 변조 능동 소자, 이의 구동 방법 및 위상 변조 능동 소자를 포함하는 광학 장치
EP3667361B1 (en) Beam scanning device and system including the same
US11287516B2 (en) Spatial light modulator and beam steering apparatus including the same
EP3584893B1 (en) Light steering apparatus and system including the light steering apparatus
US20220113482A1 (en) Light emitting device
KR20190000188A (ko) 빔 스티어링 장치 및 그 구동방법과, 빔 스티어링 장치를 포함하는 라이다 시스템
CN112394338A (zh) 一种基于片上孤子频梳的无机械扫描的激光扫描装置及方法
CN213957609U (zh) 一种基于片上孤子频梳的无机械扫描的激光扫描装置
KR20180082308A (ko) 광변조 소자 및 이를 적용한 시스템
US11835626B2 (en) Fabry-Perot cavity phase modulator including a tunable core, an optical modulating device including the same, and a lidar apparatus including the optical modulating device
US11747614B2 (en) Beam scanning device and system including the same comprising a spatial light modulator with a cavity provided between a first and a second reflector
KR20180022392A (ko) 위상 변조 능동 소자, 이의 구동 방법 및 위상 변조 능동 소자를 포함하는 광학 장치
WO2023048850A1 (en) Photonic integrated circuit and light detection and ranging system
US5798826A (en) Optical displacement sensor
US20150372440A1 (en) Short optical pulse generating apparatus, terahertz wave generating apparatus, camera, imaging apparatus, and measuring apparatus
US11108213B2 (en) Light modulation element, optical device including the light modulation element, and electronic device including the optical device
KR20220022946A (ko) 공간 광변조기, 빔 스티어링 장치 및 그 제조방법

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E601 Decision to refuse application