KR20190142033A - 광변조 소자 및 이를 포함하는 장치 - Google Patents

광변조 소자 및 이를 포함하는 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR20190142033A
KR20190142033A KR1020180069063A KR20180069063A KR20190142033A KR 20190142033 A KR20190142033 A KR 20190142033A KR 1020180069063 A KR1020180069063 A KR 1020180069063A KR 20180069063 A KR20180069063 A KR 20180069063A KR 20190142033 A KR20190142033 A KR 20190142033A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
active layer
nanoantennas
driving circuit
nanoantenna
voltage
Prior art date
Application number
KR1020180069063A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102568796B1 (ko
Inventor
박정현
최병룡
Original Assignee
삼성전자주식회사
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 filed Critical 삼성전자주식회사
Priority to KR1020180069063A priority Critical patent/KR102568796B1/ko
Priority to US16/192,967 priority patent/US11009769B2/en
Priority to CN201910006984.7A priority patent/CN110609385B/zh
Priority to EP19164121.6A priority patent/EP3581992B1/en
Publication of KR20190142033A publication Critical patent/KR20190142033A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102568796B1 publication Critical patent/KR102568796B1/ko

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
    • G02F1/29—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 position or the direction of light beams, i.e. deflection
    • 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
    • G02F1/29—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 position or the direction of light beams, i.e. deflection
    • G02F1/292—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 position or the direction of light beams, i.e. deflection by controlled diffraction or phased-array beam steering
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G01S7/4817—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements relating to scanning
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G02B26/0816—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more reflecting elements
    • G02B26/0833—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more reflecting elements the reflecting element being a micromechanical device, e.g. a MEMS mirror, DMD
    • 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 
    • G02F1/015—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 semiconductor elements having potential barriers, e.g. having a PN or PIN junction
    • 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 
    • G02F1/015—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 semiconductor elements having potential barriers, e.g. having a PN or PIN junction
    • G02F1/0151—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 semiconductor elements having potential barriers, e.g. having a PN or PIN junction modulating the refractive index
    • G02F1/0154—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 semiconductor elements having potential barriers, e.g. having a PN or PIN junction modulating the refractive index using electro-optic effects, e.g. linear electro optic [LEO], Pockels, quadratic electro optical [QEO] or Kerr effect
    • G02F2001/0154—
    • 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
    • G02F2202/00—Materials and properties
    • G02F2202/30—Metamaterials

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

광변조 소자 및 이를 포함하는 장치에 관해 개시되어 있다. 개시된 광변조 소자는 구동 회로 기판 상에 배치된 복수의 반사판, 상기 복수의 반사판 상에 배치된 복수의 나노안테나 및 상기 복수의 반사판과 복수의 나노안테나 사이에 복수의 개구부를 갖도록 패터닝된 구조를 갖는 활성층을 포함할 수 있다. 상기 구동 회로 기판과 상기 복수의 반사판을 전기적으로 연결하는 복수의 제1 연결부재 및 상기 구동 회로 기판과 상기 복수의 나노안테나를 전기적으로 연결하는 복수의 제2 연결부재가 더 구비될 수 있다. 상기 복수의 제2 연결부재는 상기 복수의 개구부를 통해서 상기 복수의 나노안테나에 연결될 수 있다.

Description

광변조 소자 및 이를 포함하는 장치{Optical modulating device and apparatus including the same}
개시된 실시예들은 광변조 소자 및 이를 포함하는 장치에 관한 것이다.
광의 투과/반사 특성, 위상, 진폭, 편광, 세기, 경로 등을 변화시키는 광학 소자는 다양한 광학 장치에 활용된다. 광학 시스템 내에서 원하는 방식으로 상기한 광의 성질들을 제어하기 위해, 다양한 구조의 광 변조기들이 제시되었다. 예컨대, 광학적 이방성을 가지는 액정(liquid crystal)이나, 광차단/반사 요소의 미소 기계적 움직임을 이용하는 MEMS(microelectromechanical system) 구조 등이 일반적인 광 변조기에 사용되고 있다. 이러한 광 변조기들은 구동 방식의 특성상 동작 응답시간이 수 ㎲ 이상으로 느린 단점이 있다.
최근에는, 입사광에 대한 표면 플라즈몬 공진(surface plasmon resonance) 현상을 이용하는 나노구조체를 광학 소자에 활용하려는 시도가 있다.
비기계식으로 광을 변조하는 것으로, 우수한 성능을 갖는 광변조 소자를 제공한다. 액티브 매트릭스(active matrix) 구조의 구동 회로부를 포함하는 이중 전극 구조의 광변조 소자를 제공한다. 동작 속도(반응 속도)를 높일 수 있는 비기계식 광변조 소자를 제공한다. 상기 광변조 소자를 포함하는 광학 장치를 제공한다.
일 측면(aspect)에 따르면, 구동 회로 기판; 상기 구동 회로 기판 상에 배치된 복수의 반사판(reflector); 상기 복수의 반사판 상에 배치된 복수의 나노안테나(nano-antenna); 상기 복수의 반사판과 상기 복수의 나노안테나 사이에 배치된 것으로, 복수의 개구부를 갖도록 패터닝된 구조를 갖는 활성층; 상기 복수의 반사판과 상기 활성층 사이에 배치된 제1 절연층; 상기 활성층과 상기 복수의 나노안테나 사이에 배치된 제2 절연층; 상기 구동 회로 기판과 상기 복수의 반사판을 전기적으로 연결하는 복수의 제1 연결부재; 및 상기 구동 회로 기판과 상기 복수의 나노안테나를 전기적으로 연결하는 복수의 제2 연결부재;를 포함하고, 상기 복수의 제2 연결부재는 상기 복수의 개구부를 통해서 상기 복수의 나노안테나에 연결되도록 구비된 광변조 소자가 제공된다.
상기 활성층은 복수의 라인층을 포함하는 라인 패턴 형태로 패터닝될 수 있고, 상기 복수의 라인층 사이에 상기 복수의 개구부가 배치될 수 있다.
상기 활성층은 메쉬(mesh) 패턴 형태로 패터닝될 수 있고, 상기 메쉬 패턴에 의해 상기 복수의 개구부가 정의될 수 있다.
상기 활성층은 격자 구조를 가질 수 있다.
상기 구동 회로 기판은 복수의 단위셀 영역을 포함할 수 있고, 상기 복수의 단위셀 영역 각각은 하나 이상의 트랜지스터 및 하나 이상의 커패시터를 포함할 수 있다.
상기 복수의 단위셀 영역 각각은 두 개의 트랜지스터 및 두 개의 커패시터를 구비하는 2T(transistor)-2C(capacitor) 구성을 가질 수 있다.
상기 복수의 단위셀 영역 각각은 제1 서브영역 및 제2 서브영역을 포함할 수 있고, 상기 제1 서브영역은 상기 복수의 반사판 중 하나에 연결될 수 있고, 상기 제2 서브영역은 상기 복수의 나노안테나 중 하나에 연결될 수 있다.
상기 제1 서브영역은 1T(transistor)-1C(capacitor) 구성을 가질 수 있다.
상기 제2 서브영역은 1T(transistor)-1C(capacitor) 구성을 가질 수 있다.
상기 구동 회로 기판은 복수의 단위셀 영역을 포함할 수 있고, 상기 복수의 단위셀 영역 각각은 하나의 워드라인(word line)(WL) 및 이와 교차하는 두 개의 비트라인(bit line)(BL)을 구비하는 1WL-2BL 구성을 가질 수 있으며, 상기 두 개의 비트라인 중 하나는 상기 복수의 반사판 중 하나에 전기적으로 연결될 수 있고, 상기 두 개의 비트라인 중 다른 하나는 상기 복수의 나노안테나 중 하나에 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 활성층은 복수의 활성영역을 포함할 수 있고, 상기 복수의 활성영역 중 제1 활성영역 아래에 상기 복수의 반사판 중 제1 반사판이 배치될 수 있고, 상기 제1 활성영역 상에 상기 복수의 나노안테나 중 제1 나노안테나가 배치될 수 있으며, 상기 제1 활성영역, 상기 제1 반사판 및 상기 제1 나노안테나는 하나의 단위소자를 구성할 수 있다.
상기 단위소자에 대응하는 복수의 단위소자가 어레이될 수 있다.
상기 광변조 소자는 상기 제1 활성영역에 대하여 상기 제1 반사판 및 상기 제1 나노안테나 각각에 독립적으로 전압을 인가하도록 구성될 수 있다.
상기 광변조 소자는 상기 제1 활성영역, 상기 제1 반사판 및 상기 제1 나노안테나 각각에 독립적으로 전압을 인가하도록 구성될 수 있다.
상기 광변조 소자는 상기 복수의 반사판 각각에 독립적으로 전압을 인가할 수 있고, 상기 복수의 나노안테나 각각에 독립적으로 전압을 인가할 수 있다.
상기 광변조 소자는 상기 나노안테나에 의해 반사되는 광의 위상 변조(phase modulation)를 유도하도록 구성될 수 있다.
상기 활성층은, 예컨대, 약 10 nm 이하의 두께를 가질 수 있다.
상기 활성층과 상기 제1 절연층 사이 및 상기 활성층과 상기 제2 절연층 사이 중 적어도 하나에 상기 활성층과 전기적으로 접촉된 배선 구조를 더 포함할 수 있다.
상기 배선 구조는 상기 활성층보다 높은 전기전도도를 가질 수 있다.
상기 활성층은 그에 인가되는 전기적 신호에 따라 유전율(permittivity)이 변하는 전기광학(electro-optic) 물질을 포함할 수 있다.
상기 활성층은 투명 전도성 산화물(transparent conductive oxide) 및 전이금속 질화물(transition metal nitride) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
다른 측면에 따르면, 구동 회로부; 상기 구동 회로부에 대향하여 배치된 복수의 반사판(reflector); 상기 복수의 반사판 상에 배치된 복수의 나노안테나(nano-antenna); 상기 복수의 반사판과 상기 복수의 나노안테나 사이에 배치된 활성층; 상기 복수의 반사판과 상기 활성층 사이에 배치된 제1 절연층; 상기 활성층과 상기 복수의 나노안테나 사이에 배치된 제2 절연층; 상기 구동 회로부와 상기 복수의 반사판을 전기적으로 연결하는 복수의 제1 연결부재; 및 상기 구동 회로부와 상기 복수의 나노안테나를 전기적으로 연결하는 복수의 제2 연결부재;를 포함하고, 상기 구동 회로부는 복수의 단위셀 영역을 포함하고, 상기 복수의 단위셀 영역 각각은 하나의 워드라인(WL) 및 두 개의 비트라인(BL)을 구비하는 1WL-2BL 구성을 갖는 광변조 소자가 제공된다.
상기 활성층은 복수의 개구부를 갖도록 패터닝된 구조를 가질 수 있고, 상기 복수의 제2 연결부재는 상기 복수의 개구부를 통해서 상기 복수의 나노안테나에 연결되도록 구성될 수 있다.
상기 복수의 단위셀 영역 각각은 제1 서브영역 및 제2 서브영역을 포함할 수 있고, 상기 제1 서브영역은 상기 복수의 반사판 중 하나에 연결될 수 있고, 상기 제2 서브영역은 상기 복수의 나노안테나 중 하나에 연결될 수 있다.
상기 제1 서브영역은 하나 이상의 트랜지스터 및 하나 이상의 커패시터를 포함할 수 있고, 상기 제2 서브영역은 하나 이상의 트랜지스터 및 하나 이상의 커패시터를 포함할 수 있다.
다른 측면에 따르면, 전술한 광변조 소자를 포함하는 광학 장치가 제공된다.
상기 광학 장치는 상기 광변조 소자를 이용해서 1차원 또는 2차원적으로 빔(beam)을 조향하도록 구성될 수 있다.
상기 광학 장치는, 예를 들어, 라이다(LiDAR) 장치, 3차원 이미지 획득 장치, 홀로그래픽(holographic) 디스플레이 장치 및 구조광(structured light) 발생 장치 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
비기계식으로 광을 변조하는 것으로, 우수한 성능을 갖는 광변조 소자를 구현할 수 있다. 액티브 매트릭스(active matrix) 구조의 구동 회로부를 포함하는 이중 전극 구조의 광변조 소자를 구현할 수 있다. 동작 속도(반응 속도)를 높일 수 있는 비기계식 광변조 소자를 구현할 수 있다. 상기한 광변조 소자를 적용하여 우수한 성능을 갖는 다양한 광학 장치를 구현할 수 있다.
도 1a는 일 실시예에 따른 광변조 소자를 보여주는 사시도이다.
도 1b는 도 1a의 Ⅰ-Ⅰ'선에 따른 단면도이다.
도 1c는 도 1a의 Ⅱ-Ⅱ'선에 따른 단면도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 광변조 소자의 단위소자의 구성을 보여주는 단면도이다.
도 3은 다른 실시예에 따른 광변조 소자의 단위소자의 구성을 보여주는 단면도이다.
도 4는 비교예에 따른 광변조 소자의 단위소자를 보여주는 단면도이다.
도 5는 비교예에 따른 광변조 소자(도 4의 소자)의 전압 인가 조건에 따른 반사광의 위상 변화(즉, 반사 위상의 변화)를 보여주는 그래프이다.
도 6은 비교예에 따른 광변조 소자(도 4의 소자)의 전압 인가 조건에 따른 반사율의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 7은 실시예에 따른 광변조 소자(도 2의 소자)의 전압 인가 조건에 따른 반사광의 위상 변화(즉, 반사 위상의 변화)를 보여주는 그래프이다.
도 8은 실시예에 따른 광변조 소자(도 2의 소자)의 전압 인가 조건에 따른 반사율의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 9a 및 도 9b는 일 실시예에 따른 광변조 소자에 적용될 수 있는 활성층 패턴을 보여주는 사시도 및 평면도이다.
도 10a 및 도 10b는 다른 실시예에 따른 광변조 소자에 적용될 수 있는 활성층 패턴을 보여주는 사시도 및 평면도이다.
도 11은 다른 실시예에 따른 광변조 소자를 보여주는 단면도이다.
도 12는 일 실시예에 따른 광변조 소자에 적용될 수 있는 구동 회로 기판의 회로 구성을 보여주는 회로도이다.
도 13은 다른 실시예에 따른 광변조 소자를 설명하기 위한 단면도이다.
도 14 내지 도 17은 실시예에 따른 광변조 소자에 적용될 수 있는 활성층 및 배선 구조의 다양한 형태를 보여주는 평면도이다.
도 18은 다른 실시예에 따른 광변조 소자를 보여주는 단면도이다.
도 19는 실시예들에 따른 광변조 소자에 적용될 수 있는 나노안테나의 다양한 구조/형태를 보여주는 사시도이다.
도 20은 일 실시예에 따른 광변조 소자를 포함하는 빔 스티어링 소자(beam steering device)를 설명하기 위한 개념도이다.
도 21은 다른 실시예에 따른 광변조 소자를 포함하는 빔 스티어링 소자(beam steering device)를 설명하기 위한 개념도이다.
도 22는 일 실시예에 따른 광변조 소자를 적용한 빔 스티어링 소자를 포함하는 광학 장치의 전체적인 시스템을 설명하기 위한 블럭도이다.
도 23 및 도 24는 일 실시예에 따른 광변조 소자를 포함하는 라이다(LiDAR) 장치를 차량에 적용한 경우를 보여주는 개념도이다.
이하, 실시예들에 따른 광변조 소자 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 1a는 일 실시예에 따른 광변조 소자를 보여주는 사시도이다. 도 1b는 도 1a의 Ⅰ-Ⅰ'선에 따른 단면도이고, 도 1c는 도 1a의 Ⅱ-Ⅱ'선에 따른 단면도이다.
도 1a 내지 도 1c를 참조하면, 복수의 반사판(reflector)(100)이 어레이를 이루도록 배치될 수 있고, 복수의 반사판(100) 상에 복수의 나노안테나(nano-antenna)(300)가 어레이를 이루도록 배치될 수 있다. 복수의 반사판(100)과 복수의 나노안테나(300) 사이에 전기적 조건에 따라 물성이 변화되는 활성층(200)이 구비될 수 있다. 활성층(200)은 복수의 개구부를 갖도록 패터닝된 구조를 가질 수 있다. 복수의 반사판(100)과 활성층(200) 사이에 제1 절연층(150)이 구비될 수 있고, 활성층(200)과 복수의 나노안테나(300) 사이에 제2 절연층(250)이 구비될 수 있다.
복수의 반사판(100), 활성층(200) 및 복수의 나노안테나(300)는 구동 회로 기판 상에 배치될 수 있다. 여기서는, 상기 구동 회로 기판의 일부 회로 구성(50)을 도시한다. 이러한 회로 구성(50)은 규칙적으로 반복될 수 있다. 이에 대해서는 추후에 보다 상세히 설명한다. 상기 구동 회로 기판과 복수의 반사판(100)을 전기적으로 연결하는 복수의 제1 연결부재(C10)가 구비될 수 있다. 여기서는, 하나의 제1 연결부재(C10)를 도시하였지만, 실제는, 복수의 반사판(100)에 각각 연결된 복수의 제1 연결부재(C10)가 구비될 수 있다. 또한, 상기 구동 회로 기판과 복수의 나노안테나(300)를 전기적으로 연결하는 복수의 제2 연결부재(C20)가 구비될 수 있다. 여기서는, 하나의 제2 연결부재(C20)를 도시하였지만, 실제는, 복수의 나노안테나(300)에 각각 연결된 복수의 제2 연결부재(C20)가 구비될 수 있다. 복수의 제2 연결부재(C20)는 활성층(200)에 형성된 개구부들을 통해서 복수의 나노안테나(300)에 연결되도록 구비될 수 있다. 제2 연결부재(C20)는 상기 개구부를 관통하도록 제1 및 제2 절연층(150, 250) 내에 형성된 비아홀(via hole) 내에 형성될 수 있다. 제2 연결부재(C20)는 VIA(vertical interconnect access) 구조라 할 수 있다. 제2 연결부재(C20)는 활성층(200)과 접촉되지 않으며 전기적으로 분리될 수 있다.
활성층(200)은 복수의 활성영역을 포함할 수 있다. 상기 복수의 활성영역 중 제1 활성영역 아래에 복수의 반사판(100) 중 제1 반사판이 배치될 수 있고, 상기 제1 활성영역 상에 복수의 나노안테나(300) 중 제1 나노안테나가 배치될 수 있다. 상기 제1 활성영역, 상기 제1 반사판 및 상기 제1 나노안테나는 하나의 단위소자를 구성할 수 있다. 상기 단위소자에 대응하는 복수의 단위소자가 배열될 수 있다. 하나의 단위소자에서, 상기 제1 활성영역에 대하여 상기 제1 반사판 및 상기 제1 나노안테나 각각에 독립적으로 전압을 인가할 수 있다. 또는, 하나의 단위소자에서, 상기 제1 활성영역, 상기 제1 반사판 및 상기 제1 나노안테나 각각에 독립적으로 전압을 인가할 수 있다. 하나의 단위소자에서 제1 활성영역, 즉, 활성층(200)의 일부 영역의 하부 및 상부에 제1 반사판과 제1 나노안테나를 배치하고 이들 각각에 독립적으로 전압을 인가하여, 상기 제1 활성영역의 특성을 변화시킬 수 있다. 이와 관련해서, 상기 제1 활성영역은 제1 전하농도 변화영역(10) 및 제2 전하농도 변화영역(20)을 포함할 수 있다. 제1 전하농도 변화영역(10)은 상기 제1 반사판에 인가되는 전압에 의해 전하농도가 변화되는 영역이고, 제2 전하농도 변화영역(20)은 상기 제1 나노안테나에 인가되는 전압에 의해 전하농도가 변화되는 영역이다. 제1 전하농도 변화영역(10)은 제1 절연층(150)에 인접하게 배치될 수 있고, 제2 전하농도 변화영역(20)은 제2 절연층(250)에 인접하게 배치될 수 있다. 복수의 반사판(100) 각각에 독립적으로 전압을 인가할 수 있고, 또한, 복수의 나노안테나(300) 각각에 독립적으로 전압을 인가할 수 있다. 복수의 단위소자 각각에 의해 발생하는 광의 위상 변조를 독립적으로 제어할 수 있다. 복수의 단위소자에 의한 광의 위상 변조를 적절히 제어함으로써, 이들로부터 출사되는 빔(beam)의 방향을 스티어링(steering) 할 수 있다. 예를 들어, 제1 방향으로 배열된 복수의 단위소자에서 발생하는 위상 변조가 상기 제1 방향에 따라 π/2 만큼씩 순차로 감소하도록 제어하면, 상기 복수의 단위소자에 의해 반사되는 광의 방향이 특정 방향으로 제어(스티어링)될 수 있다. 이는 광학적 위상 어레이(optical phased array) 방식의 빔 스티어링이라고 할 수 있다. 위상 어레이의 위상 변이 규칙을 조절하여 광의 스티어링 방향을 다양하게 조절할 수 있다.
상기 구동 회로 기판은 상기 복수의 단위소자에 각각 대응되는 복수의 단위셀 영역을 포함할 수 있다. 구동 회로 기판의 일부 회로 구성(50)은 단위셀 영역 하나에 대응될 수 있다. 따라서, 이하에서는, 필요에 따라, 상기 일부 회로 구성(50)을 '단위셀 영역'이라 한다. 단위셀 영역(50)은 하나 이상의 트랜지스터 및 하나 이상의 커패시터를 포함할 수 있다. 예를 들어, 단위셀 영역(50)은 두 개의 트랜지스터(T1, T2) 및 두 개의 커패시터(C1, C2)를 구비하는 2T(transistor)-2C(capacitor) 구성을 가질 수 있다. 단위셀 영역(50)은 제1 서브영역(50a) 및 제2 서브영역(50b)을 포함할 수 있고, 제1 서브영역(50a)은 복수의 반사판(100) 중 하나에 연결되고, 제2 서브영역(50b)은 복수의 나노안테나(300) 중 하나에 연결될 수 있다. 제1 서브영역(50a)은 제1 트랜지스터(T1) 및 제1 커패시터(C1)를 구비하는 1T-1C 구성을 가질 수 있고, 제2 서브영역(50b)은 제2 트랜지스터(T2) 및 제2 커패시터(C2)를 구비하는 1T-1C 구성을 가질 수 있다. 단위셀 영역(50)이 2T-2C 구성을 갖는 것과 각각의 서브영역(50a, 50b)이 1T-1C 구성을 갖는 것은 예시적인 것이며, 본원은 이에 한정되지 않는다.
제1 서브영역(50a)은 워드라인(word line)(WL) 및 비트라인(bit line)(BL1)을 포함하고, 워드라인(WL)과 비트라인(BL1) 사이에 연결된 제1 트랜지스터(T1)를 가질 수 있으며, 제1 커패시터(C1)는 제1 트랜지스터(T1)에 연결될 수 있다. 도시하지는 않았지만, 제1 커패시터(C1)는 그에 대응하는 단위소자의 반사판(100)에 연결될 수 있다. 비트라인(BL1)은 상기 대응 단위소자의 반사판(100)에 전기적으로 연결되었다고 할 수 있다. 이와 유사하게, 제2 서브영역(50b)은 워드라인(WL) 및 비트라인(BL2)을 포함하고, 워드라인(WL)과 비트라인(BL2) 사이에 연결된 제2 트랜지스터(T2)를 가질 수 있으며, 제2 커패시터(C2)는 제2 트랜지스터(T2)에 연결될 수 있다. 도시하지는 않았지만, 제2 커패시터(C2)는 그에 대응하는 단위소자(상기 단위소자)의 나노안테나(300)에 연결될 수 있다. 비트라인(BL2)은 상기 대응 단위소자의 나노안테나(300)에 전기적으로 연결되었다고 할 수 있다. 제1 서브영역(50a)의 워드라인(WL)과 제2 서브영역(50b)의 워드라인(WL)은 서로 연결된 하나의 라인일 수 있다. 이 경우, 단위셀 영역(50)은 하나의 워드라인(WL)과 두 개의 비트라인(BL1, BL2)을 구비하는 1WL-2BL 구성을 갖는다고 할 수 있다. 그러나, 이러한 단위셀 영역(50)의 구성은 예시적인 것이고, 실시예는 이에 한정되지 않는다.
도 1a 내지 도 1c에서 활성층(200)에 연결된 VR은 활성층(200)에 인가되는 기준 전압(reference voltage)를 나타낸다. 하나의 단위소자에서 활성층(200)에 인가되는 기준 전압(VR)을 기준으로 반사판(100)과 나노안테나(300)에 각각 인가되는 전압에 따라서, 활성층(200)의 제1 및 제2 전하농도 변화영역(10, 20)의 특성이 변화될 수 있다. 기준 전압(VR)은 접지 전압(ground voltage)이거나 소정의 정전압(constant voltage)일 수 있다. 활성층(200)이 복수의 분리된 부분으로 패터닝된 경우, 각각의 분리된 부분에 기준 전압(VR)이 인가될 수 있다. 한편, 도 1b 및 도 1c에서 복수의 반사판(100)에 기재된 V1,1b, V1,2b, V1,3b, V1,2b, V2,2b, V3,2b는 반사판(100)에 인가되는 전압을 나타내고, 복수의 나노안테나(300)에 기재된 V1,1t, V1,2t, V1,3t, V1,2t, V2,2t, V3,2t는 나노안테나(300)에 인가되는 전압을 나타낸다. 여기서는, 3행 3열의 구조를 예시적으로 도시하였지만, m행 n열의 구조로 확장이 가능하다.
도 2는 일 실시예에 따른 광변조 소자의 단위소자의 구성을 보여주는 단면도이다.
도 2를 참조하면, 반사판(R10) 및 이와 마주하도록 배치된 나노안테나(N10)가 구비될 수 있다. 나노안테나(N10)는 플라즈모닉 나노안테나(plasmonic nano-antenna)라 할 수 있다. 반사판(R10)과 나노안테나(N10) 사이에 활성층(A10)이 구비될 수 있다. 활성층(A10)은 그의 전기적 조건에 따라 물성이 변화되는 층일 수 있다. 활성층(A10) 및 그 주변 영역과 관련된 전기적 조건에 따라서, 활성층(A10)의 유전율(permittivity)이 변화될 수 있다. 활성층(A10)의 유전율 변화는 활성층(A10) 내 영역(들)의 전하농도(전하밀도)의 변화에 기인한 것일 수 있다. 다시 말해, 활성층(A10) 내 영역(들)의 전하농도 변화에 의해 활성층(A10)의 유전율이 변화될 수 있다. 반사판(R10)과 활성층(A10) 사이에 제1 절연층(D10)이 배치될 수 있다. 활성층(A10)과 나노안테나(N10) 사이에 제2 절연층(D20)이 배치될 수 있다. 제1 절연층(D10)은 반사판(R10)과 활성층(A10)을 전기적으로 분리하는 제1 절연층일 수 있고, 제2 절연층(D20)은 활성층(A10)과 나노안테나(N10)를 전기적으로 분리하는 제2 절연층일 수 있다.
본 실시예에 따른 광변조 소자는 나노안테나(N10), 활성층(A10) 및 반사판(R10) 중 적어도 두 개에 독립적으로 전기적 신호를 인가하도록 구성된 신호 인가수단을 포함할 수 있다. 상기 신호 인가수단은 반사판(R10) 및 나노안테나(N10) 각각에 독립적으로 전압을 인가하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 상기 신호 인가수단은 반사판(R10)과 활성층(A10) 사이에 제1 전압을 인가하기 위한 제1 전압 인가수단(VB) 및 활성층(A10)과 나노안테나(N10) 사이에 제2 전압을 인가하기 위한 제2 전압 인가수단(VT)을 포함할 수 있다. 이때, 활성층(A10)에는 기준 전압이 인가될 수 있다.
활성층(A10)은 제1 전압 인가수단(VB)에 의해 반사판(R10)과 활성층(A10) 사이에 인가되는 전압에 따라 전하농도가 변화되는 영역, 즉, 제1 전하농도 변화영역(10)을 포함할 수 있다. 또한, 활성층(A10)은 제2 전압 인가수단(VT)에 의해 활성층(A10)과 나노안테나(N10) 사이에 인가되는 전압에 따라 전하농도가 변화되는 영역, 즉, 제2 전하농도 변화영역(20)을 포함할 수 있다. 제1 전하농도 변화영역(10)은 제1 절연층(D10)에 인접하게 구비될 수 있고, 제2 전하농도 변화영역(20)은 제2 절연층(D20)에 인접하게 구비될 수 있다. 제1 전하농도 변화영역(10)과 제2 전하농도 변화영역(20)은 독립적으로 제어될 수 있다.
나노안테나(N10)는 특정 파장(혹은 주파수)의 빛(입사광, visible 및 ultraviolet, infrared 등 invisible 전자기파 모두 포함)을 국소 표면 플라즈몬 공진(localized surface plasmon resonance)의 형태로 변환하여 그 에너지를 포획하는 것으로, 빛에 대한 나노구조의 안테나라 할 수 있다. 나노안테나(N10)는 도전층 패턴(ex, 금속층 패턴)일 수 있고, 상기 도전층 패턴은 비도전층(ex, 유전층)에 접촉되어 있을 수 있다. 상기 도전층 패턴과 상기 비도전층(ex, 유전층)의 계면에서 플라즈몬 공진이 발생할 수 있다. 이때, 상기 비도전층(ex, 유전층)은 제2 절연층(D20)이거나, 제2 절연층(D20)과 별개의 층으로 구비될 수도 있다. 편의상, 이하에서는 상기 도전층 패턴 자체를 나노안테나(N10)로 간주하고 설명하도록 한다. 상기 도전층 패턴과 상기 비도전층(ex, 유전층)의 계면과 같이, 표면 플라즈몬 공진이 일어나는 경계면(interface)을 통칭하여 "메타 표면" 또는 "메타 구조"라고 할 수 있다.
나노안테나(N10)는 전도성 물질로 이루어질 수 있고, 서브 파장(sub-wavelength)의 치수를 가질 수 있다. 여기서, 서브 파장(sub-wavelength)이란 나노안테나(N10)의 동작 파장보다 작은 치수를 의미한다. 나노안테나(N10)의 형상을 이루는 어느 한 치수, 예컨대, 두께, 가로, 세로, 또는 나노안테나(N10) 간의 간격 중 적어도 어느 하나가 서브 파장의 치수를 가질 수 있다. 나노안테나(N10)의 형상이나 치수에 따라 공진 파장이 달라질 수 있다.
나노안테나(N10)를 형성하는 전도성 물질로는 표면 플라즈몬 여기(surface plasmon excitation)가 발생할 수 있는 도전성이 높은 금속 물질이 채용될 수 있다. 예를 들어, Cu, Al, Ni, Fe, Co, Zn, Ti, Ru, Rh, Pd, Pt, Ag, Os, Ir, Au 등으로 구성된 그룹에서 선택된 적어도 하나의 금속이 채용될 수 있고, 이들 중 적어도 하나를 포함하는 합금으로 이루어질 수도 있다. 또는, 나노안테나(N10)는 Au, Ag 등의 금속 나노입자가 분산된 박막, 그래핀(graphene)이나 CNT(carbon nanotube) 등의 탄소 나노구조체, poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT), polypyrrole (PPy), poly(3-hexylthiophene) (P3HT) 등의 전도성 고분자를 포함하거나, 전도성 산화물 등을 포함할 수도 있다.
활성층(A10)은 그에 인가되는 전기적 조건에 따라서 물성이 변화되는 층일 수 있고, 아울러, 전극의 기능을 수행할 수 있다. 예컨대, 활성층(A10)은 전기적 조건에 따라서 유전율(permittivity)이 변화되는 층일 수 있다. 활성층(A10)에 인가되는 전기장에 따라 활성층(A10) 내 영역(들)의 전하농도(전하밀도)가 변화될 수 있고, 그로 인해, 활성층(A10)의 유전율이 변화될 수 있다. 예컨대, 활성층(A10)은 ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide), AZO(aluminium zinc oxide), GZO(gallium zinc oxide), AGZO(aluminium gallium zinc oxide), GIZO(gallium indium zinc oxide)와 같은 투명 전도성 산화물(transparent conductive oxide)(TCO)을 포함할 수 있다. 또는, TiN, ZrN, HfN, TaN과 같은 전이금속 질화물(transition metal nitride)(TMN)를 포함할 수 있다. 이외에도, 전기적 신호가 가해지면 유효 유전율이 변하는 전기광학(electro-optic)(EO) 물질을 포함할 수 있다. 상기 전기광학 물질은, 예컨대, LiNbO3, LiTaO3, KTN(potassium tantalate niobate), PZT(lead zirconate titanate) 등의 결정성 물질을 포함하거나, 전기광학 특성을 갖는 다양한 폴리머(polymer)를 포함할 수도 있다.
활성층(A10)의 유전율(permittivity)은 파장에 따라 변할 수 있다. 진공의 유전율(ε0)에 대한 상대 유전율(relative permittivity)(εr)을 유전 상수(dielectric constant)라 하고, 활성층(A10)의 유전 상수의 실수부(real part)는 소정 파장 대역에서 0의 값을 나타낼 수 있다. 유전 상수의 실수부가 0 또는 0에 매우 가까운 값을 갖게 되는 파장 대역을 ENZ(epsilon near zero) 파장 대역이라 한다. 대부분의 물질의 유전 상수는 파장의 함수로 나타나며, 복소수(complex number)로 나타낼 수 있다. 진공의 유전 상수는 1이 되며, 일반적인 유전체(dielectric material)의 경우, 유전 상수의 실수부는 1보다 큰 양수이다. 금속(metal)의 경우, 유전 상수의 실수부는 음수가 될 수도 있다. 대부분의 파장 대역에서, 대부분의 물질의 유전 상수는 1보다 큰 값을 갖지만, 특정 파장에서, 유전 상수의 실수부는 0의 값을 가질 수 있다. 유전 상수의 실수부가 0 또는 0에 매우 가까운 값을 가질 때, 특이한 광학적 성질을 나타내는 것으로 알려져 있다. 실시예의 광변조 소자는 동작 파장 대역을 활성층(A10)의 ENZ 파장 대역을 포함하는 영역으로 설정할 수 있다. 나노안테나(N10)의 공진 파장 대역과 활성층(A10)의 ENZ 파장 대역을 유사하게 설정함으로써, 광변조 성능이 조절되는 범위를 확대할 할 수 있다. 활성층(A10)의 ENZ 파장 대역은 제1 및 제2 전하농도 변화영역(10, 20)의 특성(전하농도)에 따라 달라질 수 있다.
반사판(R10)은 전도성 물질을 포함할 수 있고, 전극의 기능을 수행할 수 있다. 반사판(R10)의 전도성 물질은 나노안테나(N10)의 전도성 물질과 동일하거나 유사할 수 있다. 예컨대, 반사판(R10)은 Cu, Al, Ni, Fe, Co, Zn, Ti, Ru, Rh, Pd, Pt, Ag, Os, Ir, Au 등으로 구성된 그룹에서 선택된 적어도 하나의 금속을 포함할 수 있고, 이들 중 적어도 하나를 구비하는 합금을 포함할 수도 있다. 또는, 반사판(R10)은 Au, Ag 등의 금속 나노입자가 분산된 박막, 그래핀(graphene)이나 CNT(carbon nanotube) 등의 탄소 나노구조체, poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT), polypyrrole (PPy), poly(3-hexylthiophene) (P3HT) 등의 전도성 고분자를 포함하거나, 전도성 산화물 등을 포함할 수도 있다.
반사판(R10)은 활성층(A10) 아래에 배치된 하부 반사판 전극(back reflector electrode)일 수 있다. 즉, 반사판(R10)은 광을 반사시키는 역할을 하면서 동시에 전극의 기능을 수행할 수 있다. 반사판(R10)은 그에 대응하는 나노안테나(N10)와 광학적으로 커플링(coupling)되어 있을 수 있고, 나노안테나(N10)와 반사판(R10)의 광학적 상호 작용에 의해 광이 반사될 수 있다.
제1 절연층(D10) 및 제2 절연층(D20)은 절연성 물질(유전체 물질)을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 절연층(D10, D20) 중 적어도 하나는 절연성 실리콘 화합물 및 절연성 금속 화합물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 절연성 실리콘 화합물은, 예컨대, 실리콘 산화물(SiOx), 실리콘 질화물(SixNy), 실리콘 산질화물(SiON) 등을 포함할 수 있고, 상기 절연성 금속 화합물은, 예컨대, 알루미늄 산화물(Al2O3), 하프늄 산화물(HfO), 지르코늄 산화물(ZrO), 하프늄 실리콘 산화물(HfSiO) 등을 포함할 수 있다. 그러나, 여기서 제시한 제1 및 제2 절연층(D10, D20)의 구체적인 물질은 예시적인 것이고, 이에 한정되지 않는다. 제1 절연층(D10)과 제2 절연층(D20)은 동일한 물질로 형성되거나, 서로 다른 물질 구성을 가질 수도 있다.
제1 전압 인가수단(VB) 및 제2 전압 인가수단(VT)을 이용해서, 활성층(A10)과 도전층(C10) 사이 및 활성층(A10)과 나노안테나(N10) 사이에 독립적으로 전압을 인가할 수 있다. 활성층(A10)이 접지된 경우, 즉, 활성층(A10)의 전압이 0V 인 경우, 제1 전압 인가수단(VB)에 의해 반사판(R10)에 인가되는 전압은 양(+)의 전압이거나 음(-)의 전압일 수 있다. 반사판(R10)에 인가되는 전압이 양(+)의 전압인 경우, 제1 전하농도 변화영역(10)은 전하 축적영역(accumulation region)일 수 있고, 반사판(R10)에 인가되는 전압이 음(-)의 전압인 경우, 제1 전하농도 변화영역(10)은 전하 공핍영역(depletion region)일 수 있다. 경우에 따라서는, 반사판(R10)에도 0V의 전압을 인가할 수 있다. 또한, 제2 전압 인가수단(VT)에 의해 나노안테나(N10)에 인가되는 전압은 양(+)의 전압이거나 음(-)의 전압일 수 있다. 나노안테나(N10)에 인가되는 전압이 양(+)의 전압인 경우, 제2 전하농도 변화영역(20)은 전하 축적영역일 수 있고, 나노안테나(N10)에 인가되는 전압이 음(-)의 전압인 경우, 제2 전하농도 변화영역(20)은 전하 공핍영역일 수 있다. 경우에 따라, 나노안테나(N10)에 0V의 전압을 인가할 수 있다. 제1 전압 인가수단(VB) 및 제2 전압 인가수단(VT)에 의해서 인가되는 전압의 크기는 서로 다를 수 있다.
반사판(R10)과 나노안테나(N10)에 인가하는 전압을 독립적으로 조절하기 때문에, 제1 및 제2 전하농도 변화영역(10, 20)의 특성을 독립적으로 제어할 수 있다. 따라서, 제1 및 제2 전하농도 변화영역(10, 20) 중 어느 하나는 전하 축적영역일 수 있고, 다른 하나는 전하 공핍영역일 수 있다. 또는, 제1 및 제2 전하농도 변화영역(10, 20)이 모두 전하 축적영역이거나 전하 공핍영역일 수 있다. 제1 및 제2 전하농도 변화영역(10, 20)이 모두 전하 축적영역이거나 전하 공핍영역인 경우에도, 이들의 전하농도는 다르게 제어될 수 있다.
활성층(A10)의 다수 캐리어(majority carrier)가 음(-)의 전하인 경우, 다시 말해, 활성층(A10)이 N형 전극이거나 N-도핑된(doped) 물질층인 경우, 반사판(R10)에 인가되는 전압이 양(+)의 전압이면, 제1 전하농도 변화영역(10)은 전자 축적영역일 수 있고, 음(-)의 전압이면, 제1 전하농도 변화영역(10)은 전자 공핍영역일 수 있다. 이와 유사하게, 나노안테나(N10)에 인가되는 전압이 양(+)의 전압이면, 제2 전하농도 변화영역(20)은 전자 축적영역일 수 있고, 음(-)의 전압이면, 제2 전하농도 변화영역(20)은 전자 공핍영역일 수 있다. 경우에 따라, 활성층(A10)의 다수 캐리어(majority carrier)는 양(+)의 전하일 수도 있다. 다시 말해, 활성층(A10)은 P형 전극이거나 P-도핑된(doped) 물질층일 수 있다. 이 경우, 반사판(R10)에 인가되는 전압이 양(+)의 전압이면, 제1 전하농도 변화영역(10)은 정공 공핍영역일 수 있고, 음(-)의 전압이면, 제1 전하농도 변화영역(10)은 정공 축적영역일 수 있다. 이와 유사하게, 나노안테나(N10)에 인가되는 전압이 양(+)의 전압이면, 제2 전하농도 변화영역(20)은 정공 공핍영역일 수 있고, 음(-)의 전압이면, 제2 전하농도 변화영역(20)은 정공 축적영역일 수 있다.
반사판(R10)은 제1 게이트전극이라 할 수 있고, 나노안테나(N10)는 제2 게이트전극이라 할 수 있다. 제1 절연층(D10)은 제1 게이트절연층이라 할 수 있고, 제2 절연층(D20)은 제2 게이트절연층이라 할 수 있다. 반사판(R10)에 인가되는 전압은 제1 게이트전압이라 할 수 있고, 나노안테나(N10)에 인가되는 전압은 제2 게이트전압이라 할 수 있다. 상기 제1 및 제2 게이트전압은 서로 독립적으로 제어될 수 있다. 이런 측면에서, 본 실시예의 광변조 소자는 이중 전극 구조(이중 게이트전극 구조)를 갖는다고 할 수 있다.
제1 전압 인가수단(VB) 및 제2 전압 인가수단(VT)을 이용해서, 제1 및 제2 전하농도 변화영역(10, 20)의 특성을 독립적으로 제어할 수 있고, 그에 따라, 소자의 광변조 특성이 달라질 수 있다. 활성층(A10)의 특성 변화, 그리고, 나노안테나(N10), 활성층(A10) 및 반사판(R10) 사이의 전기광학적 상호 작용에 의해 광변조 특성이 제어될 수 있다. 예를 들어, 소정의 입사광(LI)이 나노안테나(N10)에 의해 반사되는 경우, 반사광(LR)의 특성이 제1 및 제2 전하농도 변화영역(10, 20)의 특성에 따라 변화될 수 있다. 다시 말해, 제1 전압 인가수단(VB)으로 반사판(R10)에 인가하는 전압과 제2 전압 인가수단(VT)으로 나노안테나(N10)에 인가하는 전압에 따라서, 반사광(LR)의 특성이 달라질 수 있다. 본원에서는 제1 및 제2 전하농도 변화영역(10, 20)의 특성을 독립적으로 제어하기 때문에, 광변조 특성을 크게 개선할 수 있고, 노이즈(noise) 등의 문제를 줄일 수 있다. 이에 대해서는 추후에 도 7 및 도 8 등을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
도 2에서는 광변조 소자에 전기적 신호를 인가하기 위한 "신호 인가수단"이 반사판(R10)과 활성층(A10) 사이에 연결된 제1 전압 인가수단(VB) 및 활성층(A10)과 나노안테나(N10) 사이에 연결된 제2 전압 인가수단(VT)을 포함하고, 활성층(A10)은 접지된 경우를 도시하였지만, 이러한 신호 인가수단의 구성은 달라질 수 있다. 그 일례가 도 3에 도시되어 있다.
도 3은 다른 실시예에 따른 광변조 소자의 단위소자의 구성을 보여주는 단면도이다.
도 3을 참조하면, 광변조 소자에 전기적 신호를 인가하기 위한 신호 인가수단은 반사판(R10), 활성층(A10) 및 나노안테나(N10) 각각에 독립적으로 전압을 인가하도록 구성될 수 있다. 상기 신호 인가수단은 반사판(R10)에 제1 전압을 인가하기 위한 제1 전압 인가수단(V1), 활성층(A10)에 제2 전압을 인가하기 위한 제2 전압 인가수단(V2) 및 나노안테나(N10)에 제3 전압을 인가하기 위한 제3 전압 인가수단(V3)을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 제1 전압은 상기 제2 전압보다 크거나 작을 수 있다. 또한, 상기 제3 전압은 상기 제2 전압보다 크거나 작을 수 있다. 경우에 따라서는, 상기 제1 전압과 제3 전압 중 적어도 하나가 상기 제2 전압과 같을 수도 있다. 상기 제2 전압은 상기 제1 및 제3 전압에 대한 기준 전압일 수 있다. 상기 제2 전압은, 선택적으로(optionally), 접지 전압일 수 있다. 반사판(R10), 활성층(A10) 및 나노안테나(N10) 각각에 독립적으로 전압을 인가함으로써, 이들 사이의 전위차에 의해, 제1 및 제2 전하농도 변화영역(10, 20)의 특성을 독립적으로 제어할 수 있다.
도 4는 비교예에 따른 광변조 소자의 단위소자를 보여주는 단면도이다.
도 4를 참조하면, 비교예에 따른 광변조 소자는 반사판(R1) 위쪽에 나노안테나(N1)를 가질 수 있고, 반사판(R1)에 접촉된 활성층(A1), 그리고, 활성층(A1)과 나노안테나(N1) 사이에 구비된 절연층(D1)을 포함할 수 있다. 또한, 비교예에 따른 광변조 소자는 반사판(R1)에 대하여 나노안테나(N1)에 전압을 인가하기 위한 전압 인가수단(V)을 포함한다. 반사판(R1)과 나노안테나(N1) 사이에 전압 인가수단(V)이 연결되고, 반사판(R1)은 접지된다.
이 경우, 전압 인가수단(V)에 의해 반사판(R1)과 나노안테나(N1) 사이에 인가되는 전압에 따라 활성층(A1) 내에 하나의 전하농도 변화영역(1)이 형성될 수 있다. 전하농도 변화영역(1)은 절연층(D1)과 인접하게 형성될 수 있다. 이러한 광변조 소자는 단일 게이트전극 구조를 갖는다고 할 수 있다.
도 5는 비교예에 따른 광변조 소자(도 4의 소자)의 전압 인가 조건에 따른 반사광의 위상 변화(즉, 반사 위상의 변화)를 보여주는 그래프이다.
도 5를 참조하면, 전압에 따라 반사 위상(°)이 변화되는데, 반사 위상(°)은 약 270°까지만 변화되고, 그 이상으로는 변화시키기 어렵다. 따라서, 모든 위상을 표현할 수 없다는 한계가 있다. 이러한 한계점은 광파 조향, 즉, 빔 스티어링(beam steering)에서 노이즈(noise)를 증가시키는 문제를 유발할 수 있다.
도 6은 비교예에 따른 광변조 소자(도 4의 소자)의 전압 인가 조건에 따른 반사율의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 6을 참조하면, 전압에 따라 반사율(%)이 크게 변화되는 것을 알 수 있다. 반사율(%)이 각 전압 별로 다르기 때문에, 생성된 광파의 파면에 왜곡이 발생한다. 그 결과, 광파 조향에서 노이즈(noise)가 증가하게 된다. 이러한 노이즈가 많으면, 메인 로브(main lobe)의 에너지가 줄어들게 되어 감시 거리가 줄어들고, 원하지 않는 방향으로 조향된 빔에 의해 반사된 빛이 정보의 왜곡을 초래할 수 있다. 주광의 세기가 약하고 노이즈광의 세기가 증가하여 신호대 잡음비(SNR)가 감소하고 스캐닝 성능이 떨어지게 된다.
도 7은 실시예에 따른 광변조 소자(도 2의 소자)의 전압 인가 조건에 따른 반사광의 위상 변화(즉, 반사 위상의 변화)를 보여주는 그래프이다.
도 7을 참조하면, 실시예에서는 상부의 나노안테나(N10)와 하부의 반사판(R10)에 독립적으로 전압을 인가할 수 있기 때문에, 가로축을 상부 전압(VT)과 하부 전압(VB)의 조합으로 표시하였다. 실시예에 따르면, 전압 조건에 따라서, 반사 위상(°)을 360°까지 변화시킬 수 있다. 이는 도 5의 비교예에서 반사 위상(°)이 270°까지만 변화되는 것과 비교될 수 있다.
도 8은 실시예에 따른 광변조 소자(도 2의 소자)의 전압 인가 조건에 따른 반사율의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 8을 참조하면, 전압 조건에 따라 반사 위상(°)을 변화시키는 중에 반사율(%)이 대체로 일정하게 유지될 수 있다. 예컨대, 측정 범위 내에서, 반사율(%)의 변화량은 약 ±15% 이내일 수 있다. 이는 도 6의 비교예에서 반사율(%)이 크게 변화되는 것과 비교될 수 있다. 또한, 도 8의 평균 반사율(%)은 도 6의 최대 반사율(%)보다 월등히 높은 것을 알 수 있다.
도 7 및 도 8의 결과와 같이, 실시예에 따르면, 반사 위상(°)은 360°까지 변화시킬 수 있고 반사율(%)은 대체로 일정하게 유지될 수 있기 때문에, 광파 조향시 효율이 증가하고 노이즈가 감소하며 왜곡이 억제되는 효과를 얻을 수 있다. 반사된 빔 스티어링 광파의 주광 성분이 우세하고 노이즈광의 성분이 줄어들어, 신호대 잡음비(SNR)가 증가하는 효과가 있다. 실시예에 따른 광변조 소자는 constant amplitude 방식, 2π(360°)-full cover 방식 및 phase-only modulation 방식의 광변조에 유리하게 적용될 수 있다.
본원의 실시예에서 활성층(ex, 도 1a의 200)은 복수의 개구부를 갖도록 다양한 형태로 패터닝될 수 있다. 활성층은 다양한 격자(grid or grating) 구조를 갖도록 패터닝될 수 있다. 구체적인 예로, 활성층은 복수의 라인층을 포함하는 라인 패턴 형태로 패터닝될 수 있고, 이 경우, 상기 복수의 라인층 사이에 복수의 개구부가 배치될 수 있다. 또는, 활성층은 메쉬(mesh) 패턴 형태로 패터닝될 수 있고, 상기 메쉬 패턴에 의해 복수의 개구부가 정의될 수 있다. 그 밖에도, 활성층은 다양한 패턴 형태를 가질 수 있다.
도 9a 및 도 9b는 일 실시예에 따른 광변조 소자에 적용될 수 있는 활성층 패턴을 보여주는 사시도 및 평면도(위에서 바라본 도면)이다. 도 9a 및 도 9b를 참조하면, 활성층(200A)은 복수의 라인층을 포함하는 라인 패턴 형태로 패터닝될 수 있고, 상기 복수의 라인층 사이에 복수의 개구부가 배치될 수 있다.
도 10a 및 도 10b는 다른 실시예에 따른 광변조 소자에 적용될 수 있는 활성층 패턴을 보여주는 사시도 및 평면도(위에서 바라본 도면)이다. 도 10a 및 도 10b를 참조하면, 활성층(200B)은 메쉬(mesh) 패턴 형태로 패터닝될 수 있고, 상기 메쉬 패턴에 의해 복수의 개구부가 정의될 수 있다. 메쉬 형태의 활성층(200B)을 사용하면, 활성층(200B)의 영역들이 전기적으로 더 긴밀하게 연결되어 저항이 감소하고 RC 상수가 줄어들어, 동작 속도가 증가할 수 있다. 도 10a 및 도 10b에서는 메쉬 패턴에 의해 한정된 개구부가 사각형인 경우를 도시하였지만, 개구부의 형태는 사각형이 아닌 임의의 다른 형태가 모두 가능하다. 예를 들어, 삼각형, 오각형, 육각형과 같은 다각형 및 원형, 별 모양 등 다양한 모양이 가능할 수 있다. 그 밖에도 도 9a 내지 도 10b의 활성층(200A, 200B)의 패턴은 다양하게 변형될 수 있다.
도 11은 다른 실시예에 따른 광변조 소자를 보여주는 단면도이다.
도 11을 참조하면, 구동 회로 기판(500)이 마련될 수 있고, 구동 회로 기판(500) 상에 도 1에서 설명한 바와 같은 소자 구조가 배치될 수 있다. 상기 소자 구조는 복수의 반사판(100a, 100b, 100c), 패터닝된 활성층(201), 복수의 나노안테나(300a, 300b, 300c)를 포함할 수 있고, 제1 절연층(151) 및 제2 절연층(251)을 더 포함할 수 있다. 또한, 구동 회로 기판(500)과 복수의 반사판(100a, 100b, 100c) 사이에는 중간절연층(400)이 더 구비될 수 있다.
구동 회로 기판(500)은 복수의 단위셀 영역(50A, 50B, 50C)을 포함할 수 있고, 각 단위셀 영역(50A, 50B, 50C)은 제1 서브영역 및 제2 서브영역을 포함할 수 있다. 상기 제1 서브영역은 복수의 반사판(100a, 100b, 100c) 중 하나에 연결되고, 상기 제2 서브영역은 복수의 나노안테나(300a, 300b, 300c) 중 하나에 연결될 수 있다. 구동 회로 기판(500)과 복수의 반사판(100a, 100b, 100c)을 전기적으로 연결하는 복수의 제1 연결부재(C11)이 구비될 수 있고, 구동 회로 기판(500)과 복수의 나노안테나(300a, 300b, 300c)를 전기적으로 연결하는 복수의 제2 연결부재(C21)가 구비될 수 있다. 복수의 제2 연결부재(C21)는 활성층(201)에 형성된 개구부들을 통해서 복수의 나노안테나(300a, 300b, 300c)에 연결될 수 있다.
복수의 반사판(100a, 100b, 100c) 각각에 독립적으로 전압(VB1, VB2, VB3)이 인가될 수 있고, 이와 독립적으로, 복수의 나노안테나(300a, 300b, 300c) 각각에 독립적으로 전압(VT1, VT2, VT3)이 인가될 수 있다. 복수의 반사판(100a, 100b, 100c) 각각에 독립적으로 인가되는 전압(VB1, VB2, VB3)에 의해 활성층(201)의 제1 층영역(즉, 하층부)에 복수의 제1 전하농도 변화영역(10a, 10b, 10c)이 형성될 수 있다. 복수의 나노안테나(300a, 300b, 300c) 각각에 독립적으로 인가되는 전압(VT1, VT2, VT3)에 의해 활성층(201)의 제2 층영역(즉, 상층부)에 복수의 제2 전하농도 변화영역(20a, 20b, 20c)이 형성될 수 있다. 복수의 제1 전하농도 변화영역(10a, 10b, 10c) 각각 및 복수의 제2 전하농도 변화영역(20a, 20b, 20c) 각각의 전하농도는 독립적으로 제어될 수 있다.
도 12는 일 실시예에 따른 광변조 소자에 적용될 수 있는 구동 회로 기판의 회로 구성을 보여주는 회로도이다.
도 12를 참조하면, 복수의 워드라인(WL1∼WL8)이 배열되고, 이들과 교차하는 복수의 비트라인(BL1∼BL8)이 배열될 수 있다. 워드라인(WL1∼WL8)과 비트라인(BL1∼BL8)에 의해 형성된 매트릭스 내에 복수의 단위셀 영역(UC1)이 규칙적으로 배열될 수 있다. 단위셀 영역(UC1)은 하나의 워드라인(ex, WL1)과 두 개의 비트라인(ex, BL1, BL2)을 구비하는 1WL-2BL 구성을 가질 수 있다. 제1 워드라인(WL1)과 제1 비트라인(BL1) 사이에 제1 트랜지스터(T1) 및 제1 커패시터(C1)가 연결될 수 있고, 제1 워드라인(WL1)과 제2 비트라인(BL2) 사이에 제2 트랜지스터(T2) 및 제2 커패시터(C2)가 연결될 수 있다. 도 12와 같은 회로 구성은 액티브 매트릭스라 할 수 있다. 도 12에서 도시하고 설명한 회로 구성은 예시적인 것이고, 다양하게 변화될 수 있다.
도 13은 다른 실시예에 따른 광변조 소자를 설명하기 위한 단면도이다.
도 13을 참조하면, 광변조 소자는 복수의 반사판(110)과 복수의 나노안테나(310) 및 이들 사이에 소정 형태로 패터닝된 활성층(210)을 포함할 수 있다. 또한, 광변조 소자는 반사판(110)과 활성층(210) 사이에 배치된 제1 절연층(160) 및 활성층(210)과 나노안테나(310) 사이에 배치된 제2 절연층(260)을 더 포함할 수 있다. 또한, 광변조 소자는 활성층(210)과 제1 절연층(160) 사이 및 활성층(210)과 제2 절연층(260) 사이 중 적어도 하나에 활성층(210)과 전기적으로 접촉하도록 구비된 배선 구조(230)를 더 포함할 수 있다. 여기서는, 배선 구조(230)가 활성층(210)과 제2 절연층(260) 사이에 구비된 경우가 도시되어 있다. 배선 구조(230)는 활성층(210)보다 높은 전기전도도를 가질 수 있다. 배선 구조(230)의 전기전도도는 활성층(210)의 전기전도도보다 약 1.5배 이상 또는 2배 이상 클 수 있지만, 이는 예시적인 것이고, 본원의 실시예는 이에 한정되지는 않는다. 배선 구조(230)는 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu) 등의 금속으로 형성될 수 있지만, 이는 예시적인 것이고, 본원의 실시예는 이에 한정되지 않는다. 배선 구조(230)는 다양한 금속이나 합금 등으로 형성될 수 있다.
활성층(210)에 인가하려는 전기적 신호(전압 신호)가 배선 구조(230)를 통해서 빠른 속도로 활성층(210) 전체에 균일하게 분포될 수 있다. 다시 말해, 기준 전압은 배선 구조(230)를 통해서 활성층(210)의 전체 영역에 빠른 속도로 인가될 수 있다. 따라서, 배선 구조(230)를 이용하면, RC 상수를 줄일 수 있고, 동작 속도(응답 속도)를 향상시킬 수 있다.
도 14 내지 도 17은 실시예에 따른 광변조 소자에 적용될 수 있는 활성층 및 배선 구조의 다양한 형태를 보여주는 평면도이다.
도 14 내지 도 17을 참조하면, 활성층(210A, 210B)은 라인 패턴 또는 메쉬 패턴을 가질 수 있고, 각 활성층(210A, 210B)의 형태에 따라 다양한 방식으로 배선 구조(230a, 230b, 230c, 230d)가 적용될 수 있다. 도 16 및 도 17과 같이, 배선 구조(230c, 230d)가 활성층(210B)의 가장자리 영역을 둘러싸면서 내부 영역까지 연장된 구조를 가질 경우, 동작 속도를 개선에 더 유리할 수 있다.
고효율의 위상 변조를 위해서는, 활성층의 두께가 얇을 수 있다. 활성층에서 전하농도 변화영역(들)이 차지하는 두께 비율이 높을수록, 활성층의 특성 변화율이 증가할 수 있다. 따라서, 전하농도 변화영역(들)의 두께 수준으로 활성층을 얇게 만드는 것이 특성 변화율 향상에 유리할 수 있다. 이와 관련해서, 활성층은 약 10 nm 이하 또는 약 5 nm 이하의 두께를 가질 수 있다. 그러나, 본원은 이에 한정되지 않고, 활성층의 두께는 10 nm 이상일 수 있다.
활성층의 두께가 얇은 경우, 활성층 자체의 전기적 저항이 증가할 수 있는데, 이러한 저항 증가는 도 13 내지 도 17을 참조하여 설명한 추가 배선 구조(230, 230a∼230d)를 사용함으로써 보상 및 극복할 수 있고, 결과적으로, 동작 속도 및 스캔 속도를 개선할 수 있다.
도 11의 실시예에서는 구동 회로 기판(500)의 제1 서브영역들 및 제2 서브영역들을 모두 동일한 레벨에 형성하는 경우를 도시하였지만, 다른 실시예에 따르면, 제1 서브영역들 및 제2 서브영역들을 서로 다른 레벨에 형성할 수도 있다. 그 일례가 도 18에 도시되어 있다.
도 18은 다른 실시예에 따른 광변조 소자를 보여주는 단면도이다.
도 18을 참조하면, 구동 회로 기판(500B)은 제1 기판부(510) 및 그 위에 배치된 제2 기판부(520)를 포함할 수 있다. 제1 기판부(510)에 구동 회로의 제1 서브영역들이 형성될 수 있고, 상기 제1 서브영역들은 복수의 제1 연결부재(C12)를 통해서 복수의 반사판(100a, 100b, 100c)에 연결될 수 있다. 제2 기판부(520)에 구동 회로의 제2 서브영역들이 형성될 수 있고, 상기 제2 서브영역들은 복수의 제2 연결부재(C22)를 통해서 복수의 나노안테나(300a, 300b, 300c)에 연결될 수 있다. 이와 같이, 제1 서브영역들 및 제2 서브영역들을 서로 다른 레벨에 형성하면, 공정 마진을 개선할 수 있고, 집적도를 향상할 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 반사판 어레이와 나노안테나 어레이 사이에 복수의 활성층을 사용할 수도 있다. 복수의 활성층이 반사판 어레이와 나노안테나 어레이 사이에 순차로 배치(적층)될 수 있고, 복수의 활성층 사이에 절연층이 구비될 수 있다. 복수의 활성층의 특성 변화를 이용하면, 광변조 특성 개선 및 제어에 유리할 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 하나의 반사판에 두 개 이상의 나노안테나를 배치시킬 수 있다. 이 경우, 하나의 반사판과 이에 대응하는 두 개 이상의 나노안테나 및 이들 사이의 활성층 영역이 하나의 단위영역을 구성한다고 할 수 있다.
실시예들에 따른 광변조 소자에 대하여 입사광이 수직으로 입사할 수도 있고, 소정의 경사 각도를 가지고 경사 입사를 할 수도 있다. 경사 입사의 경우, 입사광과 조향광이 공간적으로 분리될 수 있다.
도 19는 실시예들에 따른 광변조 소자에 적용될 수 있는 나노안테나의 다양한 구조/형태를 보여주는 사시도이다.
도 19를 참조하면, 나노안테나는 원형 디스크(A), 타원형 디스크(B), 십자형(C), 별표형(asterisk type)(D) 등 다양한 구조/형상을 가질 수 있다. 십자형(C)은 두 개의 나노로드(nanorod)가 서로 수직한 방향으로 교차하는 형태일 수 있고, 별표형(D)은 세 개의 나노로드(nanorod)가 교차하는 별(*) 형태일 수 있다. 그 밖에도, 도시하지는 않았지만, 나노안테나는 원뿔(cone), 삼각뿔(triangular pyramid), 구(sphere), 반구(hemisphere), 쌀알(rice grain), 막대(rod), 피시-본(fish-bone) 구조 등 다양한 변형 구조를 가질 수 있다. 또한, 나노안테나는 복수의 층이 겹쳐진 다층 구조를 가질 수 있고, 코어부와 적어도 하나의 껍질부를 포함하는 코어-쉘(core-shell) 구조를 가질 수도 있다. 부가해서, 두 개 이상의 서로 다른 구조/형태를 갖는 나노안테나들이 하나의 단위를 이루어 주기적으로 배열될 수도 있다.
나노안테나의 구조/형태 및 그의 배열 방식에 따라, 공진 파장, 공진 파장 폭, 공진 편광 특성, 공진 각도, 반사/흡수/투과 특성 등이 달라질 수 있다. 따라서, 나노안테나의 구조/형태 및 배열 방식을 제어함으로써, 목적에 맞는 특성을 갖는 광변조 소자를 제조할 수 있다.
실시예들에 따른 광변조 소자를 이용하면, 빔(beam)을 소정 방향으로 조향(steering)하는 소자를 구현할 수 있다.
도 20은 일 실시예에 따른 광변조 소자를 포함하는 빔 스티어링 소자(beam steering device)(1000A)를 설명하기 위한 개념도이다.
도 20을 참조하면, 빔 스티어링 소자(1000A)를 이용해서 빔(beam)을 1차원적 방향으로 조향할 수 있다. 즉, 소정의 피사체(OBJ)를 향하여 빔을 제1 방향(DD1)에 따라 조향할 수 있다. 빔 스티어링 소자(1000A)는 본원의 실시예들에 따른 복수의 광변조 소자의 1차원적 어레이를 포함할 수 있다.
도 21은 다른 실시예에 따른 광변조 소자를 포함하는 빔 스티어링 소자(beam steering device)(1000B)를 설명하기 위한 개념도이다.
도 21을 참조하면, 빔 스티어링 소자(1000B)를 이용해서 빔(beam)을 2차원적 방향으로 조향할 수 있다. 즉, 소정의 피사체(OBJ)를 향하여 빔을 제1 방향(DD1) 및 이와 수직한 제2 방향(DD2)에 따라 조향할 수 있다. 빔 스티어링 소자(1000B)는 본원의 실시예들에 따른 복수의 광변조 소자의 2차원적 어레이를 포함할 수 있다. 도 20 및 도 21을 참조하여 설명한 빔 스티어링 소자(1000A, 1000B)는 비기계식 빔 스캔 장치(non-mechanical beam scanning apparatus)일 수 있다.
도 22는 일 실시예에 따른 광변조 소자를 적용한 빔 스티어링 소자를 포함하는 광학 장치(A1)의 전체적인 시스템을 설명하기 위한 블럭도이다.
도 22를 참조하면, 광학 장치(A1)는 빔 스티어링 소자(1000)를 포함할 수 있다. 빔 스티어링 소자(1000)는 도 1 내지 도 3 및 도 9 내지 도 19 등을 참조하여 설명한 광변조 소자를 포함할 수 있다. 광학 장치(A1)는 빔 스티어링 소자(1000) 내에 광원부를 포함하거나, 빔 스티어링 소자(1000)와 별도로 구비된 광원부를 포함할 수 있다. 광학 장치(A1)는 빔 스티어링 소자(1000)에 의해 조향된 광이 피사체(미도시)에 의해 반사된 광을 검출하기 위한 검출부(2000)를 포함할 수 있다. 검출부(2000)는 복수의 광검출요소를 포함할 수 있고, 그 밖에 다른 광학 부재를 더 포함할 수 있다. 또한, 광학 장치(A1)는 빔 스티어링 소자(1000) 및 검출부(2000) 중 적어도 하나에 연결된 회로부(3000)를 더 포함할 수 있다. 회로부(3000)는 데이터를 획득하여 연산하는 연산부를 포함할 수 있고, 구동부 및 제어부 등을 더 포함할 수 있다. 또한, 회로부(3000)는 전원부 및 메모리 등을 더 포함할 수 있다.
도 22에서는 광학 장치(A1)가 하나의 장치 내에 빔 스티어링 소자(1000) 및 검출부(2000)를 포함하는 경우를 도시하였지만, 빔 스티어링 소자(1000) 및 검출부(2000)는 하나의 장치로 구비되지 않고, 별도의 장치에 분리되어 구비될 수도 있다. 또한, 회로부(3000)는 빔 스티어링 소자(1000)나 검출부(2000)에 유선으로 연결되지 않고, 무선 통신으로 연결될 수 있다. 그 밖에도 도 22의 구성은 다양하게 변화될 수 있다.
이상에서 설명한 실시예에 따른 빔 스티어링 소자는 다양한 광학 장치에 적용될 수 있다. 일례로, 상기 빔 스티어링 소자는 라이다(LiDAR)(Light Detection And Ranging) 장치에 적용될 수 있다. 상기 라이다(LiDAR) 장치는 phase-shift 방식 또는 TOF(time-of-flight) 방식의 장치일 수 있다. 이러한 라이다(LiDAR) 장치는 자율 주행 자동차, 드론(drone) 등의 비행 물체, 모바일(mobile) 기기, 소형 보행 수단(예컨대, 자전거, 오토바이, 유모차, 보드 등), 로봇류, 사람/동물의 보조 수단(예컨대, 지팡이, 헬멧, 장신구, 의류, 시계, 가방 등), IoT(Internet of Things) 장치/시스템, 보안 장치/시스템 등에 적용될 수 있다.
도 23 및 도 24는 일 실시예에 따른 광변조 소자를 포함하는 라이다(LiDAR) 장치를 차량에 적용한 경우를 보여주는 개념도이다. 도 23은 측방에서 바라본 도면이고, 도 24는 위에서 바라본 도면이다.
도 23을 참조하면, 차량(50)에 라이다(LiDAR) 장치(51)를 적용할 수 있고, 이를 이용해서 피사체(60)에 대한 정보를 획득할 수 있다. 차량(50)은 자율 주행 기능을 갖는 자동차일 수 있다. 라이다(LiDAR) 장치(51)를 이용해서, 차량(50)이 진행하는 방향에 있는 물체나 사람, 즉, 피사체(60)를 탐지할 수 있다. 또한, 송신 신호와 검출 신호 사이의 시간 차이 등의 정보를 이용해서, 피사체(60)까지의 거리를 측정할 수 있다. 또한, 도 24에 도시된 바와 같이, 스캔 범위 내에 있는 가까운 피사체(61)와 멀리 있는 피사체(62)에 대한 정보를 획득할 수 있다.
본원의 다양한 실시예에 따른 광변조 소자는 라이다(LiDAR) 이외에 다양한 광학 장치에 적용될 수 있다. 예컨대, 다양한 실시예에 따른 광변조 소자를 이용하면 스캐닝을 통해 공간 및 피사체의 3차원적인 정보를 획득할 수 있기 때문에, 3차원 이미지 획득 장치나 3차원 카메라 등에 적용될 수 있다. 또한, 상기 광변조 소자는 홀로그래픽(holographic) 디스플레이 장치 및 구조광(structured light) 발생 장치에 적용될 수 있다. 또한, 상기 광변조 소자는 다양한 빔 스캔 장치, 홀로그램(hologram) 생성 장치, 광 결합 장치, 가변 초점 렌즈, 깊이 센서(depth sensor) 등 다양한 광학 성분/장치에 적용될 수 있다. 또한, 상기 광변조 소자는 "메타 표면" 또는 "메타 구조"가 이용되는 다양한 분야에 적용될 수 있다. 그 밖에도 본원의 실시예에 따른 광변조 소자는 및 이를 포함하는 광학 장치는 다양한 광학 및 전자기기 분야에 여러 가지 용도로 적용될 수 있다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 구체적인 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 예들 들어, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 도 1 내지 도 3 및 도 9 내지 도 24를 참조하여 설명한 광변조 소자의 구성은 다양하게 변형될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 또한, 실시예들에 따른 광변조 소자는 반사형 소자뿐 아니라 반투과 반사형 소자 또는 투과형 소자에도 적용될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 또한, 실시예들에 따른 광변조 소자의 적용 분야는 전술한 설명 내용에 한정되지 않고, 다양하게 변화될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호설명 *
10 : 제1 전하농도 변화영역 20 : 제2 전하농도 변화영역
50, 50A∼50C : 단위셀 영역 50a : 제1 서브영역
50b : 제2 서브영역 100 : 반사판
150 : 제1 절연층 200 : 활성층
250 : 제2 절연층 300 : 나노안테나
400 : 중간절연층 500 : 구동 회로 기판
C10 : 제1 연결부재 C20 : 제2 연결부재
C1, C2 : 커패시터 T1, T2 : 트랜지스터
A10 : 활성층 D10 : 제1 절연층
D20 : 제2 절연층 N10 : 나노안테나
R10 : 반사판 VB, VT, V1∼V3 : 전압 인가수단

Claims (25)

  1. 구동 회로 기판;
    상기 구동 회로 기판 상에 배치된 복수의 반사판(reflector);
    상기 복수의 반사판 상에 배치된 복수의 나노안테나(nano-antenna);
    상기 복수의 반사판과 상기 복수의 나노안테나 사이에 배치된 것으로, 복수의 개구부를 갖도록 패터닝된 구조를 갖는 활성층;
    상기 복수의 반사판과 상기 활성층 사이에 배치된 제1 절연층;
    상기 활성층과 상기 복수의 나노안테나 사이에 배치된 제2 절연층;
    상기 구동 회로 기판과 상기 복수의 반사판을 전기적으로 연결하는 복수의 제1 연결부재; 및
    상기 구동 회로 기판과 상기 복수의 나노안테나를 전기적으로 연결하는 복수의 제2 연결부재;를 포함하고, 상기 복수의 제2 연결부재는 상기 복수의 개구부를 통해서 상기 복수의 나노안테나에 연결되도록 구비된 광변조 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 활성층은 복수의 라인층을 포함하는 라인 패턴 형태로 패터닝되고,
    상기 복수의 라인층 사이에 상기 복수의 개구부가 배치된 광변조 소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 활성층은 메쉬(mesh) 패턴 형태로 패터닝되고,
    상기 메쉬 패턴에 의해 상기 복수의 개구부가 정의된 광변조 소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 활성층은 격자 구조를 갖는 광변조 소자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 구동 회로 기판은 복수의 단위셀 영역을 포함하고,
    상기 복수의 단위셀 영역 각각은 하나 이상의 트랜지스터 및 하나 이상의 커패시터를 포함하는 광변조 소자.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 복수의 단위셀 영역 각각은 두 개의 트랜지스터 및 두 개의 커패시터를 구비하는 2T(transistor)-2C(capacitor) 구성을 갖는 광변조 소자.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 복수의 단위셀 영역 각각은 제1 서브영역 및 제2 서브영역을 포함하고,
    상기 제1 서브영역은 상기 복수의 반사판 중 하나에 연결되고, 상기 제2 서브영역은 상기 복수의 나노안테나 중 하나에 연결된 광변조 소자.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제1 서브영역은 1T(transistor)-1C(capacitor) 구성을 갖고, 상기 제2 서브영역은 1T(transistor)-1C(capacitor) 구성을 갖고 광변조 소자.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 구동 회로 기판은 복수의 단위셀 영역을 포함하고,
    상기 복수의 단위셀 영역 각각은 하나의 워드라인(word line)(WL) 및 이와 교차하는 두 개의 비트라인(bit line)(BL)을 구비하는 1WL-2BL 구성을 갖고,
    상기 두 개의 비트라인 중 하나는 상기 복수의 반사판 중 하나에 전기적으로 연결되고, 상기 두 개의 비트라인 중 다른 하나는 상기 복수의 나노안테나 중 하나에 전기적으로 연결된 광변조 소자.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 활성층은 복수의 활성영역을 포함하고, 상기 복수의 활성영역 중 제1 활성영역 아래에 상기 복수의 반사판 중 제1 반사판이 배치되고, 상기 제1 활성영역 상에 상기 복수의 나노안테나 중 제1 나노안테나가 배치되며,
    상기 제1 활성영역, 상기 제1 반사판 및 상기 제1 나노안테나는 하나의 단위소자를 구성하는 광변조 소자.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 단위소자에 대응하는 복수의 단위소자가 어레이된 구성을 갖는 광변조 소자.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 제1 활성영역에 대하여 상기 제1 반사판 및 상기 제1 나노안테나 각각에 독립적으로 전압을 인가하도록 구성되거나, 또는,
    상기 제1 활성영역, 상기 제1 반사판 및 상기 제1 나노안테나 각각에 독립적으로 전압을 인가하도록 구성된 광변조 소자.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 반사판 각각에 독립적으로 전압을 인가하고, 상기 복수의 나노안테나 각각에 독립적으로 전압을 인가하도록 구성된 광변조 소자.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 광변조 소자는 상기 나노안테나에 의해 반사되는 광의 위상 변조(phase modulation)를 유도하도록 구성된 광변조 소자.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 활성층은 10 nm 이하의 두께를 갖는 광변조 소자.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 활성층과 상기 제1 절연층 사이 및 상기 활성층과 상기 제2 절연층 사이 중 적어도 하나에 상기 활성층과 전기적으로 접촉된 배선 구조를 더 포함하고,
    상기 배선 구조는 상기 활성층보다 높은 전기전도도를 갖는 광변조 소자.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 활성층은 그에 인가되는 전기적 신호에 따라 유전율(permittivity)이 변하는 전기광학(electro-optic) 물질을 포함하는 광변조 소자.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 활성층은 투명 전도성 산화물(transparent conductive oxide) 및 전이금속 질화물(transition metal nitride) 중 적어도 하나를 포함하는 광변조 소자.
  19. 청구항 1 내지 18 중 어느 하나의 광변조 소자를 포함하는 광학 장치.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 광학 장치는 상기 광변조 소자를 이용해서 1차원 또는 2차원적으로 빔(beam)을 조향하도록 구성된 광학 장치.
  21. 제 19 항에 있어서,
    상기 광학 장치는 라이다(LiDAR) 장치, 3차원 이미지 획득 장치, 홀로그래픽(holographic) 디스플레이 장치 및 구조광(structured light) 발생 장치 중 적어도 하나를 포함하는 광학 장치.
  22. 구동 회로부;
    상기 구동 회로부에 대향하여 배치된 복수의 반사판(reflector);
    상기 복수의 반사판 상에 배치된 복수의 나노안테나(nano-antenna);
    상기 복수의 반사판과 상기 복수의 나노안테나 사이에 배치된 활성층;
    상기 복수의 반사판과 상기 활성층 사이에 배치된 제1 절연층;
    상기 활성층과 상기 복수의 나노안테나 사이에 배치된 제2 절연층;
    상기 구동 회로부와 상기 복수의 반사판을 전기적으로 연결하는 복수의 제1 연결부재; 및
    상기 구동 회로부와 상기 복수의 나노안테나를 전기적으로 연결하는 복수의 제2 연결부재;를 포함하고,
    상기 구동 회로부는 복수의 단위셀 영역을 포함하고, 상기 복수의 단위셀 영역 각각은 하나의 워드라인(WL) 및 두 개의 비트라인(BL)을 구비하는 1WL-2BL 구성을 갖는 광변조 소자.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 활성층은 복수의 개구부를 갖도록 패터닝된 구조를 갖고,
    상기 복수의 제2 연결부재는 상기 복수의 개구부를 통해서 상기 복수의 나노안테나에 연결되도록 구성된 광변조 소자.
  24. 제 22 항에 있어서,
    상기 복수의 단위셀 영역 각각은 제1 서브영역 및 제2 서브영역을 포함하고,
    상기 제1 서브영역은 상기 복수의 반사판 중 하나에 연결되고, 상기 제2 서브영역은 상기 복수의 나노안테나 중 하나에 연결된 광변조 소자.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 제1 서브영역은 하나 이상의 트랜지스터 및 하나 이상의 커패시터를 포함하고, 상기 제2 서브영역은 하나 이상의 트랜지스터 및 하나 이상의 커패시터를 포함하는 광변조 소자.
KR1020180069063A 2018-06-15 2018-06-15 광변조 소자 및 이를 포함하는 장치 KR102568796B1 (ko)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180069063A KR102568796B1 (ko) 2018-06-15 2018-06-15 광변조 소자 및 이를 포함하는 장치
US16/192,967 US11009769B2 (en) 2018-06-15 2018-11-16 Optical modulation device and apparatus including the same
CN201910006984.7A CN110609385B (zh) 2018-06-15 2019-01-04 光调制器件以及包括该光调制器件的装置
EP19164121.6A EP3581992B1 (en) 2018-06-15 2019-03-20 Optical modulation device and apparatus including the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180069063A KR102568796B1 (ko) 2018-06-15 2018-06-15 광변조 소자 및 이를 포함하는 장치

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20190142033A true KR20190142033A (ko) 2019-12-26
KR102568796B1 KR102568796B1 (ko) 2023-08-21

Family

ID=65910948

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020180069063A KR102568796B1 (ko) 2018-06-15 2018-06-15 광변조 소자 및 이를 포함하는 장치

Country Status (4)

Country Link
US (1) US11009769B2 (ko)
EP (1) EP3581992B1 (ko)
KR (1) KR102568796B1 (ko)
CN (1) CN110609385B (ko)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112542764A (zh) 2019-09-23 2021-03-23 三星电子株式会社 光学调制器及包括光学调制器的光束转向系统
CN111240049A (zh) * 2020-03-24 2020-06-05 东南大学 一种高速响应纯相位空间光调制器
CN111610649B (zh) * 2020-05-19 2022-04-12 东南大学 一种窄带超表面器件
CN113922885A (zh) * 2020-07-09 2022-01-11 三星电子株式会社 相位调制器和包括相位调制器的相位调制器阵列
CN111999916B (zh) * 2020-07-22 2021-08-20 北京大学 一种可工作于任意偏振态的光透过率调制超表面

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3526206B2 (ja) * 1998-03-30 2004-05-10 富士写真フイルム株式会社 光波長変換素子の作製方法
JP2016122711A (ja) * 2014-12-24 2016-07-07 浜松ホトニクス株式会社 半導体レーザ装置
KR101765865B1 (ko) * 2016-04-20 2017-08-08 한양대학교 산학협력단 전자기파 투과장치
KR20180055298A (ko) * 2016-11-16 2018-05-25 삼성전자주식회사 2차원 광 변조 소자 및 이를 포함하는 전자 기기
WO2019039530A1 (ja) * 2017-08-24 2019-02-28 国立研究開発法人情報通信研究機構 電気光学ポリマー層を含む非線形光学用積層体及びその製造方法

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5648387A (en) 1979-09-27 1981-05-01 Tokyo Shibaura Electric Co Controller for oil pressure elevator
SG115590A1 (en) 2002-11-27 2005-10-28 Asml Netherlands Bv Lithographic projection apparatus and device manufacturing method
US7068234B2 (en) * 2003-05-12 2006-06-27 Hrl Laboratories, Llc Meta-element antenna and array
JP6124293B2 (ja) 2013-04-16 2017-05-10 国立研究開発法人情報通信研究機構 テラヘルツ帯光素子導波路
US9632216B2 (en) 2015-02-03 2017-04-25 Samsung Electronics Co., Ltd. Optical modulating device having gate structure
KR102374119B1 (ko) * 2015-02-03 2022-03-14 삼성전자주식회사 게이트 구조를 포함하는 광 변조 소자
US10012851B2 (en) 2015-07-27 2018-07-03 Samsung Electronics Co., Ltd. Optical modulating device having gate structure
EP3179297B1 (en) * 2015-12-09 2020-04-01 Samsung Electronics Co., Ltd. Meta device
KR102560705B1 (ko) * 2015-12-11 2023-07-27 삼성전자주식회사 빔 조향 장치 및 빔 조향 장치를 구동하는 방법, 그리고 이를 이용한 공간 정보 획득 장치
KR102560707B1 (ko) 2015-12-17 2023-07-27 삼성전자주식회사 유전체 안테나를 포함하는 광 변조 소자
JP6736413B2 (ja) 2016-08-10 2020-08-05 日本ルメンタム株式会社 半導体光素子、光モジュール及び半導体光素子の製造方法
KR102372090B1 (ko) 2017-07-13 2022-03-08 삼성전자주식회사 광변조 소자와 그 동작방법 및 광변조 소자를 포함하는 장치

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3526206B2 (ja) * 1998-03-30 2004-05-10 富士写真フイルム株式会社 光波長変換素子の作製方法
JP2016122711A (ja) * 2014-12-24 2016-07-07 浜松ホトニクス株式会社 半導体レーザ装置
KR101765865B1 (ko) * 2016-04-20 2017-08-08 한양대학교 산학협력단 전자기파 투과장치
KR20180055298A (ko) * 2016-11-16 2018-05-25 삼성전자주식회사 2차원 광 변조 소자 및 이를 포함하는 전자 기기
WO2019039530A1 (ja) * 2017-08-24 2019-02-28 国立研究開発法人情報通信研究機構 電気光学ポリマー層を含む非線形光学用積層体及びその製造方法

Also Published As

Publication number Publication date
EP3581992A1 (en) 2019-12-18
US20190384138A1 (en) 2019-12-19
CN110609385B (zh) 2023-08-25
US11009769B2 (en) 2021-05-18
EP3581992B1 (en) 2021-08-04
KR102568796B1 (ko) 2023-08-21
CN110609385A (zh) 2019-12-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10670941B2 (en) Optical modulation device and method of operating the same
KR102568796B1 (ko) 광변조 소자 및 이를 포함하는 장치
US9547186B2 (en) Light modulators and optical apparatuses including the same
US10705406B2 (en) Two-dimensional light modulating device and electronic apparatus including the same
US10084239B2 (en) RF diffractive element with dynamically writable sub-wavelength pattern spatial definition
US20190025509A1 (en) Beam steering device and system including the same
US10989936B2 (en) Optical modulation device including mirror elements and nano-antenna array, method of operating the same, and apparatus including the optical modulation device
KR20160130247A (ko) 전기적 튜닝가능 메타표면 구현 시스템 및 방법
US10824043B2 (en) Optical modulating device and apparatus including the same
US20230221416A1 (en) Distance information acquisition apparatus and electronic apparatus including the same
US20210405500A1 (en) Optical modulating device and optical apparatus employing the same
US11500193B2 (en) Optical modulation device, method of operating the same, and apparatus including the optical modulation device
EP3477364B1 (en) Light emission device including output coupler and optical apparatus adopting the same
EP3470912B1 (en) Quantum dot light modulator and apparatus including the same

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant