KR20200052708A - 광변조 소자와 그 동작방법 및 광변조 소자를 포함하는 장치 - Google Patents

광변조 소자와 그 동작방법 및 광변조 소자를 포함하는 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR20200052708A
KR20200052708A KR1020180136042A KR20180136042A KR20200052708A KR 20200052708 A KR20200052708 A KR 20200052708A KR 1020180136042 A KR1020180136042 A KR 1020180136042A KR 20180136042 A KR20180136042 A KR 20180136042A KR 20200052708 A KR20200052708 A KR 20200052708A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
electrodes
region
mirror
voltage
active layer
Prior art date
Application number
KR1020180136042A
Other languages
English (en)
Inventor
김선일
정병길
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 KR1020180136042A priority Critical patent/KR20200052708A/ko
Priority to US16/417,953 priority patent/US11500193B2/en
Priority to EP19178753.0A priority patent/EP3650930B1/en
Priority to CN201910564468.6A priority patent/CN111158170A/zh
Publication of KR20200052708A publication Critical patent/KR20200052708A/ko

Links

Images

Classifications

    • 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
    • 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 
    • G02F1/0102—Constructional details, not otherwise provided for in this subclass
    • 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
    • G02B26/06—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the phase of light
    • 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
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/008—Surface plasmon devices
    • 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 
    • G02F1/03—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 ceramics or electro-optical crystals, e.g. exhibiting Pockels effect or Kerr effect
    • G02F1/0305—Constructional arrangements
    • G02F1/0311—Structural association of optical elements, e.g. lenses, polarizers, phase plates, with the crystal
    • 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
    • G02F1/295—Analog deflection from or in an optical waveguide structure]
    • G02F1/2955—Analog deflection from or in an optical waveguide structure] 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
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/88—Lidar systems specially adapted for specific applications
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/08—Mirrors
    • G02B5/0816—Multilayer mirrors, i.e. having two or more reflecting layers
    • 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
    • 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
    • G02F2202/36—Micro- or nanomaterials
    • 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
    • G02F2203/00—Function characteristic
    • G02F2203/24—Function characteristic beam steering

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

광변조 소자와 그 동작방법 및 광변조 소자를 포함하는 장치에 관해 개시되어 있다. 개시된 광변조 소자는 미러(mirror) 영역, 나노안테나(nano-antenna) 영역 및 이들 사이에 액티브(active) 영역을 포함할 수 있고, 상기 액티브 영역의 물성을 변화시키기 위한 복수의 제1 전극과 복수의 제2 전극은 상호 교차하도록 배열되어 교차점 어레이 구조를 형성할 수 있다. 상기 복수의 제1 전극은 상기 미러 영역에 포함되거나 상기 미러 영역과 별개로 구비될 수 있다. 상기 복수의 제2 전극은 상기 나노안테나 영역에 포함되거나 상기 나노안테나 영역과 별개로 구비될 수 있다.

Description

광변조 소자와 그 동작방법 및 광변조 소자를 포함하는 장치{Optical modulating device, method of operating the same and apparatus including the optical modulating device}
개시된 실시예들은 광변조 소자와 그 동작방법 및 광변조 소자를 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.
예를 들어, 레이저를 원하는 위치로 스티어링(steering) 하기 위해서, 레이저 조사 부분을 기계적으로 회전시켜주거나, OPA(optical phased array) 방식을 이용해서 레이저 다발의 간섭을 이용할 수 있다. 그런데 기계적으로 레이저를 스티어링(steering)하기 위해서는 모터 또는 MEMS(microelectromechanical system) 구조가 적용되어야 하며, 이 경우, 장치의 부피가 커지고 가격이 상승하는 문제가 있다. 또한, 모터는 소음이 발생할 수 있고, MEMS 구조는 진동 등의 이슈가 있기 때문에, 이들의 적용은 제한적이다. OPA 방식의 경우, 전기적 또는 열적 구동을 위해서, 픽셀 또는 도파로(waveguide) 마다 구동 소자가 있어야 하므로, 회로 및 소자가 복잡해지고 사이즈가 증가하며 공정 가격이 증가하는 문제가 있다.
최근에는, 입사광에 대한 표면 플라즈몬 공진(surface plasmon resonance) 현상을 이용하는 나노구조체를 광학 소자에 활용하려는 시도가 있다.
비기계식으로 광을 변조하는 것으로, 구동 회로부의 구성을 단순화할 수 있고, 픽셀 사이즈를 줄일 수 있으며, FOV(field of view)를 증가시킬 수 있는 광변조 소자를 제공한다.
상기 광변조 소자의 동작방법을 제공한다.
상기 광변조 소자를 포함하는 광학 장치를 제공한다.
일 측면(aspect)에 따르면, 미러(mirror) 영역; 상기 미러 영역에 대향하여 배치된 나노안테나(nano-antenna) 영역; 및 상기 미러 영역과 상기 나노안테나 영역 사이에 배치된 것으로, 전기적 조건에 따라 물성이 변화되는 액티브(active) 영역;을 포함하고, 상기 액티브 영역의 물성을 변화시키기 위한 복수의 제1 전극과 복수의 제2 전극은 상기 액티브 영역을 사이에 두고 상호 교차하도록 배열되어 교차점 어레이 구조를 이루고, 상기 복수의 제1 전극은 상기 미러 영역에 포함되거나 상기 미러 영역과 별개로 구비되고, 상기 복수의 제2 전극은 상기 나노안테나 영역에 포함되거나 상기 나노안테나 영역과 별개로 구비된 광변조 소자가 제공된다.
상기 미러 영역은 라인 형태의 복수의 미러 부재를 포함할 수 있고, 상기 복수의 미러 부재는 상기 복수의 제1 전극으로 사용될 수 있다.
상기 나노안테나 영역은 라인 형태의 복수의 나노안테나를 포함할 수 있고, 상기 복수의 나노안테나는 상기 복수의 제2 전극으로 사용될 수 있다.
상기 미러 영역은 제1 방향으로 연장된 복수의 미러 부재를 포함할 수 있고, 상기 나노안테나 영역은 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 연장된 복수의 나노안테나를 포함할 수 있고, 상기 복수의 미러 부재와 상기 복수의 나노안테나 사이의 복수의 교차부는 복수의 픽셀 영역에 대응할 수 있다.
상기 복수의 제1 전극은 상기 미러 영역과 별개로 구비될 수 있고, 상기 미러 영역과 상기 액티브 영역 사이에 상기 복수의 제1 전극이 배치될 수 있다.
상기 복수의 제2 전극은 상기 나노안테나 영역과 별개로 구비될 수 있고, 상기 나노안테나 영역과 상기 액티브 영역 사이에 상기 복수의 제2 전극이 배치될 수 있다.
상기 광변조 소자는 상기 미러 영역과 상기 액티브 영역 사이 또는 상기 복수의 제1 전극과 상기 액티브 영역 사이에 배치된 제1 절연층; 및 상기 나노안테나 영역과 상기 액티브 영역 사이 또는 상기 복수의 제2 전극과 상기 액티브 영역 사이에 배치된 제2 절연층;을 더 포함할 수 있다.
상기 광변조 소자는 상기 복수의 제1 전극에 각각 연결되어 전압을 인가하도록 구성된 복수의 제1 구동셀; 및 상기 복수의 제2 전극에 각각 연결되어 전압을 인가하도록 구성된 복수의 제2 구동셀;을 더 포함할 수 있다.
상기 액티브 영역은 라인 형태의 복수의 활성층 부재를 포함할 수 있고, 상기 복수의 활성층 부재는 상기 복수의 제1 전극 또는 상기 복수의 제2 전극과 동일한 방향으로 연장될 수 있다.
상기 액티브 영역은 그에 인가되는 전기적 신호에 따라 유전율이 변하는 전기광학(electro-optic) 물질을 포함할 수 있다.
상기 액티브 영역은 투명 전도성 산화물(transparent conductive oxide)(TCO) 및 전이금속 질화물(transition metal nitride)(TMN) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 광변조 소자는 상기 나노안테나 영역에 의해 반사되는 광의 위상 변조(phase modulation)를 유도하도록 구성될 수 있다.
다른 측면에 따르면, 전술한 광변조 소자를 포함하는 광학 장치가 제공된다.
상기 광학 장치는 상기 광변조 소자를 이용해서 빔(beam)을 조향(steering) 하도록 구성될 수 있다.
상기 광학 장치는, 예를 들어, 라이다(LiDAR) 장치, 3차원 이미지 획득 장치, 3차원 센서 및 깊이 센서(depth sensor) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
다른 측면에 따르면, 미러 영역; 상기 미러 영역에 대향하여 배치된 나노안테나 영역; 및 상기 미러 영역과 상기 나노안테나 영역 사이에, 전기적 조건에 따라 물성이 변화되는 액티브 영역;을 포함하고, 상기 액티브 영역은 복수의 활성층 부재를 포함하고, 상기 복수의 활성층 부재는 이들의 물성을 변화시키기 위한 복수의 제1 전극 또는 복수의 제2 전극과 상호 교차하도록 배열되고, 상기 복수의 제1 전극은 상기 미러 영역에 포함되거나 상기 미러 영역과 별개로 구비되고, 상기 복수의 제2 전극은 상기 나노안테나 영역에 포함되거나 상기 나노안테나 영역과 별개로 구비된 광변조 소자가 제공된다.
상기 복수의 활성층 부재는 제1 방향으로 연장된 라인 형태를 가질 수 있고, 상기 복수의 제1 전극은 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 연장된 라인 형태를 가질 수 있다.
상기 복수의 활성층 부재는 제1 방향으로 연장된 라인 형태를 가질 수 있고, 상기 복수의 제2 전극은 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 연장된 라인 형태를 가질 수 있다.
상기 복수의 제1 전극과 상기 복수의 제2 전극은 상호 교차하도록 배열될 수 있다.
상기 광변조 소자는 상기 미러 영역과 상기 액티브 영역 사이 또는 상기 복수의 제1 전극과 상기 액티브 영역 사이에 배치된 제1 절연층; 및 상기 나노안테나 영역과 상기 액티브 영역 사이 또는 상기 복수의 제2 전극과 상기 액티브 영역 사이에 배치된 제2 절연층;을 더 포함할 수 있다.
다른 측면에 따르면, 전술한 광변조 소자를 포함하는 광학 장치가 제공된다.
다른 측면에 따르면, 미러 영역과 나노안테나 영역 및 이들 사이에 액티브 영역을 포함하고, 상기 액티브 영역의 물성을 변화시키기 위한 복수의 제1 전극과 복수의 제2 전극이 상기 액티브 영역을 사이에 두고 교차점 어레이 구조를 이루며, 상기 복수의 제1 전극과 복수의 제2 전극 사이의 복수의 교차점에 대응하는 상기 액티브 영역의 단위 영역들은 복수의 픽셀 영역에 해당하는 광변조 소자의 동작방법에 있어서, 상기 복수의 제1 전극과 복수의 제2 전극을 이용해서, 상기 복수의 픽셀 영역 중 선택된 적어도 하나의 픽셀 영역에 위상 정보를 기록하는 단계; 및 상기 광변조 소자에 입사된 광을 변조하는 단계;를 포함하는 광변조 소자의 동작방법이 제공된다.
상기 위상 정보를 기록하는 단계는, 상기 복수의 제1 전극 중 제1-1 전극에 제1 전압을 인가하고, 상기 복수의 제2 전극 중 제2-1 전극에 제2 전압을 인가하여, 상기 제1-1 전극과 상기 제2-1 전극 사이의 제1 픽셀 영역에 제1 위상 정보를 기록하는 단계;를 포함할 수 있다. 상기 제1 전압과 상기 제2 전압은 동일한 극성을 가질 수 있다.
상기 제1 위상 정보를 기록하는 단계에서, 상기 복수의 제1 전극 중 제1-2 전극에 제3 전압을 인가하는 단계;를 더 포함할 수 있다. 상기 제3 전압은 상기 제2 전압과 반대의 극성을 가질 수 있다.
상기 제1 위상 정보를 기록하는 단계에서, 상기 복수의 제2 전극 중 제2-2 전극에 제4 전압을 인가하는 단계;를 더 포함할 수 있다. 상기 제4 전압은 상기 제1 전압과 반대의 극성을 가질 수 있다.
상기 선택된 적어도 하나의 픽셀 영역에 위상 정보를 기록하는 단계에서, 미선택된 적어도 하나의 픽셀 영역의 상태는 실질적으로 변화시키지 않도록 구성될 수 있다.
상기 액티브 영역은 라인 형태의 복수의 활성층 부재를 포함할 수 있고, 상기 위상 정보를 기록하는 단계는 상기 복수의 활성층 부재 중 선택된 적어도 하나의 활성층 부재에 기준 전압을 인가하는 단계;를 더 포함할 수 있다. 상기 위상 정보를 기록하는 단계에서 상기 복수의 활성층 부재 중 미선택된 적어도 하나의 활성층 부재는 전기적으로 플로팅(floating)시킬 수 있다.
상기 광변조 소자의 동작방법은 상기 복수의 제1 전극과 복수의 제2 전극을 이용해서, 상기 복수의 픽셀 영역 중 선택된 적어도 하나의 픽셀 영역에 기록된 위상 정보를 소거하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
비기계식으로 광을 변조하는 것으로, 구동 회로부의 구성을 단순화할 수 있고, 픽셀 사이즈를 줄일 수 있으며, FOV(field of view)를 증가시킬 수 있는 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 단면도이다.
도 1b는 도 1a의 광변조 소자의 주요 구성요소의 평면 구조를 보여주는 평면도이다.
도 2a는 다른 실시예에 따른 광변조 소자를 보여주는 단면도이다.
도 2b는 도 2a의 광변조 소자의 주요 구성요소의 평면 구조를 보여주는 평면도이다.
도 3은 비교예에 따른 광변조 소자를 보여주는 단면도이다.
도 4는 다른 비교예에 따른 광변조 소자를 보여주는 단면도이다.
도 5는 실시예에 따른 것으로, 광변조 소자의 전극들에 인가된 전압에 따라 활성층 영역의 전하농도가 어떻게 변화되는지를 보여주는 그래프이다.
도 6은 실시예에 따른 것으로, 광변조 소자의 제1 및 제2 전극에 인가된 전압 바이어스에 따른 활성층 영역의 전하농도의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 7은 도 6에서 인가된 전압 바이어스가 제거된 후, 활성층 영역의 전하농도를 보여주는 그래프이다.
도 8은 실시예에 따른 광변조 소자의 픽셀 영역에 대한 기록(write) 동작 후 시간 경과에 따른 상태 변화를 보여주는 그래프이다.
도 9는 다른 실시예에 따른 광변조 소자의 주요 구성요소의 평면 구조를 보여주는 평면도이다.
도 10은 다른 실시예에 따른 광변조 소자를 보여주는 단면도이다.
도 11 내지 도 13은 실시예에 따른 광변조 소자의 동작방법을 설명하기 위한 평면도이다.
도 14는 다른 실시예에 따른 광변조 소자의 구성을 보여주는 평면도이다.
도 15는 실시예들에 따른 광변조 소자에 적용될 수 있는 나노안테나의 단위 영역의 다양한 구조/형태를 보여주는 사시도이다.
도 16은 일 실시예에 따른 광변조 소자를 포함하는 빔 스티어링 소자(beam steering device)를 설명하기 위한 개념도이다.
도 17은 다른 실시예에 따른 광변조 소자를 포함하는 빔 스티어링 소자(beam steering device)를 설명하기 위한 개념도이다.
도 18은 일 실시예에 따른 광변조 소자를 적용한 빔 스티어링 소자를 포함하는 광학 장치의 전체적인 시스템을 설명하기 위한 블럭도이다.
도 19 및 도 20은 일 실시예에 따른 광변조 소자를 포함하는 라이다(LiDAR) 장치를 차량에 적용한 경우를 보여주는 개념도이다.
이하, 실시예들에 따른 광변조 소자와 그 동작방법 및 광변조 소자를 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 단면도이다. 도 1b는 도 1a의 광변조 소자의 주요 구성요소의 평면 구조를 보여주는 평면도이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 미러(mirror) 영역(100) 및 미러 영역(100)에 대향하여 배치된 나노안테나(nano-antenna) 영역(300)이 구비될 수 있다. 미러 영역(100)은 제1 방향, 예컨대, X축 방향으로 연장된 라인 형태의 복수의 미러 부재(M10)를 포함할 수 있다. 나노안테나 영역(300)은 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향, 예컨대, Y축 방향으로 연장된 라인 형태의 복수의 나노안테나(N10)를 포함할 수 있다. 미러 영역(100)과 나노안테나 영역(300) 사이에 전기적 조건에 따라 물성이 변화되는 액티브 영역(200)(이하, 활성층)이 구비될 수 있다. 또한, 미러 영역(100)과 활성층(200) 사이에 제1 절연층(150)이 구비될 수 있고, 활성층(200)과 나노안테나 영역(300) 사이에 제2 절연층(250)이 구비될 수 있다.
활성층(200)의 물성을 변화시키기 위한 '복수의 제1 전극'과 '복수의 제2 전극'이 마련될 수 있는데, 본 실시예에서는 복수의 미러 부재(M10)가 상기 복수의 제1 전극으로 사용될 수 있고, 복수의 나노안테나(N10)가 상기 복수의 제2 전극으로 사용될 수 있다. 상기 복수의 제1 전극(즉, 복수의 미러 부재(M10))과 상기 복수의 제2 전극(즉, 복수의 나노안테나(N10))은 활성층(200)을 사이에 두고 상호 교차하도록 배열되어 교차점 어레이(cross-point array) 구조를 이룰 수 있다. 복수의 미러 부재(M10)와 복수의 나노안테나(N10) 사이의 복수의 교차부는 복수의 픽셀 영역에 대응될 수 있다. 상기 복수의 픽셀 영역은 2차원적으로 배열될 수 있다.
복수의 미러 부재(M10)는 활성층(200) 아래에 배치된 하부 반사판 전극(back reflector electrode)일 수 있다. 즉, 미러 부재(M10)는 광을 반사시키는 역할을 하면서 동시에 전극의 기능을 수행할 수 있다. 미러 부재(M10)는 나노안테나(N10)와 광학적으로 커플링(coupling)되어 있을 수 있고, 나노안테나(N10)와 미러 부재(M10)의 광학적 상호 작용에 의해 광이 반사될 수 있다. 미러 부재(M10)는 금속과 같은 소정의 도전체로 형성될 수 있다. 예컨대, 미러 부재(M10)는 Cu, Al, Ni, Fe, Co, Zn, Ti, Ru, Rh, Pd, Pt, Ag, Os, Ir, Au, Mo 등으로 구성된 그룹에서 선택된 적어도 하나의 금속을 포함할 수 있고, 이들 중 적어도 하나를 구비하는 합금을 포함할 수도 있다. 또는, 미러 부재(M10)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.
나노안테나(N10)는 특정 파장(혹은 주파수)의 빛(입사광, visible 및 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(250)이거나, 제2 절연층(250)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, 폭, 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, Mo 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(200)은 그의 전기적 조건에 따라 물성이 변화되는 층일 수 있다. 활성층(200) 및 그 주변 영역과 관련된 전기적 조건에 따라서, 활성층(200)의 유전율(permittivity) 또는 굴절률이 변화될 수 있다. 활성층(200)의 유전율/굴절률 변화는 활성층(200) 내 영역(들)의 전하농도(전하밀도)의 변화에 기인한 것일 수 있다. 다시 말해, 활성층(200) 내 영역(들)의 전하농도 변화에 의해 활성층(200)의 유전율/굴절률이 변화될 수 있다. 활성층(200)은 일종의 굴절률 변화층이라 할 수 있다. 활성층(200)에 인가되는 전기장이나 전압에 따라 활성층(200)의 유전율/굴절률이 변화될 수 있다. 활성층(200)은, 예를 들어, 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(200)은 도전체이거나 반도체일 수 있다.
제1 절연층(150) 및 제2 절연층(250)은 절연성 물질(유전체 물질)을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 절연층(150, 250)은 약 1 ㏁ 이상의 전기저항을 가질 수 있다. 제1 및 제2 절연층(150, 250) 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(150, 250)의 구체적인 물질은 예시적인 것이고, 이에 한정되지 않는다. 제1 절연층(150)과 제2 절연층(250)은 동일한 물질로 형성되거나, 서로 다른 물질 구성을 가질 수도 있다.
제1 절연층(150)에 의해 활성층(200)은 복수의 미러 부재(M10)와 전기적으로 분리(절연)될 수 있고, 제2 절연층(250)에 의해 활성층(200)은 복수의 나노안테나(N10)와 전기적으로 분리(절연)될 수 있다. 복수의 미러 부재(M10)와 활성층(200) 사이에 인가되는 전압 및/또는 복수의 나노안테나(N10)와 활성층(200) 사이에 인가되는 전압에 따라서, 활성층(200)의 물성(굴절률)이 변화될 수 있다. 소정의 입사광(LI)이 나노안테나(N10)에 의해 반사되는 경우, 반사광(LR)의 특성(방향)은 활성층(200)의 물성에 따라 변화될 수 있다. 복수의 미러 부재(M10)에 인가되는 전압 및 복수의 나노안테나(N10)에 인가되는 전압을 이용해서, 활성층(200)의 물성을 변화시킬 경우, 광변조 특성을 개선할 수 있고, 노이즈(noise) 등의 문제를 줄일 수 있다. 미러 부재(M10)와 제1 절연층(150) 및 활성층(200)은 일종의 MOS(metal oxide semiconductor) 구조 또는 그와 유사한 구조를 구성한다고 할 수 있다. 또한, 나노안테나(N10)와 제2 절연층(250) 및 활성층(200)은 일종의 MOS 구조 또는 그와 유사한 구조를 구성한다고 할 수 있다.
복수의 미러 부재(M10)를 제1 전극으로 이용하고 및 이와 교차하는 복수의 나노안테나(N10)를 제2 전극으로 이용해서, 이들의 교차점에 정의되는 복수의 픽셀 영역에 대응하는 활성층(200)의 복수의 영역을 독립적으로 제어할 수 있다. 복수의 픽셀 영역 각각에 의해 발생하는 광의 위상 변조를 제어할 수 있다. 복수의 픽셀 영역에 의한 광의 위상 변조를 적절히 제어함으로써, 이들로부터 출사되는 빔(beam)의 방향을 스티어링(steering) 할 수 있다. 예를 들어, 제1 방향으로 배열된 복수의 픽셀 영역에서 발생하는 위상 변조가 상기 제1 방향에 따라 π/2 만큼씩 순차로 감소하도록 제어하면, 상기 복수의 픽셀 영역에 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.
부가해서, 도 1b에 도시된 바와 같이, 상기 복수의 제1 전극(즉, 복수의 미러 부재(M10))에 각각 연결되어 전압을 인가하도록 구성된 복수의 제1 구동셀(C10)이 더 구비될 수 있다. 또한, 상기 복수의 제2 전극(즉, 복수의 나노안테나(N10))에 각각 연결되어 전압을 인가하도록 구성된 복수의 제2 구동셀(C20)이 더 구비될 수 있다. 복수의 제1 구동셀(C10) 및 복수의 제2 구동셀(C20)을 이용해서, 복수의 미러 부재(M10) 및 복수의 나노안테나(N10)를 구동할 수 있다.
도 1b에 도시되지 않았지만, 활성층(200)은 복수의 픽셀 영역을 커버하는 플레이트(plate) 타입일 수 있다. 또는, 활성층(200)은 소정 형태로 패터닝된 구조를 가질 수도 있다.
도 2a는 다른 실시예에 따른 광변조 소자를 보여주는 단면도이다. 도 2b는 도 2a의 광변조 소자의 주요 구성요소의 평면 구조를 보여주는 평면도이다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 복수의 미러 부재(M11)를 포함하는 미러 영역(110) 및 이에 대향하는 복수의 나노안테나(N11)를 포함하는 나노안테나 영역(310)이 구비될 수 있다. 미러 영역(110)과 나노안테나 영역(310) 사이에 액티브 영역(210)(이하, 활성층)이 구비될 수 있다. 활성층(210)은 소정 형태로 패터닝된 구조를 가질 수 있다. 예컨대, 활성층(210)은 라인 형태의 복수의 활성층 부재(A11)를 포함할 수 있다. 복수의 활성층 부재(A11)는 상호 이격하여 소정 방향으로 나란하게 연장된 형태를 가질 수 있다. 이러한 활성층(210)은 복수의 라인층(즉, A11)을 포함하는 라인 패턴 형태로 패터닝되었다고 할 수 있다. 복수의 활성층 부재(A11)는 복수의 미러 부재(M11)(즉, 복수의 제1 전극) 또는 복수의 나노안테나(N11)(즉, 복수의 제2 전극)와 동일한 방향으로 연장될 수 있다. 여기서는, 복수의 활성층 부재(A11)가 복수의 나노안테나(N11)(즉, 복수의 제2 전극)와 동일한 방향으로 연장된 경우가 도시되어 있다.
도 2a에서 참조번호 160은 제1 절연층을 나타내고, 260은 제2 절연층을 나타낸다. 도 2b에 도시하지는 않았지만, 복수의 미러 부재(M11)에 각각 연결된 복수의 제1 구동셀, 복수의 나노안테나(N10)에 각각 연결된 복수의 제2 구동셀 및 복수의 활성층 부재(A11)에 각각 연결된 복수의 제3 구동셀이 더 구비될 수 있다.
도 3은 비교예에 따른 광변조 소자를 보여주는 단면도이다.
도 3을 참조하면, 비교예에 따른 광변조 소자는 복수의 미러 요소(M1)를 포함하는 미러 어레이(10)와 이와 대향하는 복수의 나노안테나(N1)를 포함하는 나노안테나 어레이(30)를 포함한다. 복수의 미러 요소(M1)는 복수의 픽셀 영역에 1:1로 대응하도록 배열되고, 복수의 나노안테나(N1) 또한 복수의 픽셀 영역에 1:1로 대응하도록 배열된다. 복수의 미러 요소(M1) 각각에 연결된 복수의 픽셀 구동부(D1)를 포함하는 구동 소자부(5)가 마련된다. 복수의 픽셀 구동부(D1)는 복수의 픽셀 영역에 1:1로 대응하도록 배열된다. 복수의 픽셀 구동부(D1) 각각은 트랜지스터 및 커패시터를 포함할 수 있다. 도시하지는 않았지만, 복수의 픽셀 구동부(D1)는 복수의 나노안테나(N1)에도 연결될 수 있다. 참조번호 15는 제1 절연층을, 20은 활성층을, 25는 제2 절연층을 나타낸다.
복수의 픽셀 구동부(D1)를 이용해서 복수의 미러 요소(M1)에 독립적으로 서로 다른 전압을 인가하고, 또한, 복수의 나노안테나(N1)에도 독립적으로 서로 다른 전압을 인가함으로써, 복수의 픽셀 영역에 대응하는 활성층(20)의 복수의 영역을 서로 다르게 제어할 수 있고, 결과적으로, 위상 프로파일(profile)에 의한 빔 스티어링(beam steering) 특성을 구현할 수 있다. 그러나, 이러한 비교예에서는 픽셀마다 서로 다른 전압을 인가해주어야 하기 때문에, 구동 회로 및 소자 구조가 복잡해지는 단점이 있다. 또한, 2차원으로 빔(beam)을 스티어링(steering)하기 위해서는 픽셀마다 구동부(즉, D1)가 필요하여 픽셀 사이즈가 증가하고, FOV(field of view)가 감소하는 단점이 있다.
도 4는 다른 비교예에 따른 광변조 소자를 보여주는 단면도이다.
도 4를 참조하면, 본 비교예에서는 복수의 미러 요소(M1) 각각에 연결된 복수의 제1 구동부(D1')를 포함하는 제1 구동 소자부(5')가 마련되고, 복수의 나노안테나(N1) 각각에 연결된 복수의 제2 구동부(D2)를 포함하는 제2 구동 소자부(35)가 마련된다. 복수의 제1 구동부(D1')에 의해 복수의 미러 요소(M1)에 서로 다른 전압이 인가될 수 있고, 복수의 제2 구동부(D2)에 의해 복수의 나노안테나(N1)에 서로 다른 전압이 인가될 수 있다. 이러한 비교예에서도 픽셀마다 구동부(즉, D1', D2)가 필요하기 때문에, 구동 회로 및 소자 구조가 복잡해지고, 픽셀 사이즈가 증가하며, FOV가 감소하는 단점이 있다.
도 3 및 도 4의 비교예에 따르면, 복수의 픽셀 영역에 각각 대응하는 복수의 구동부를 2차원적으로 어레이하여 구성해야 하지만, 본원의 실시예에 따르면, 픽셀마다 구동부를 구비시킬 필요가 없고, 복수의 미러 부재(제1 전극)(M10)와 복수의 나노안테나(제2 전극)(N10) 각각에 연결된 구동셀(도 1b의 C10, C20)을 구비시키면 된다. 구동셀(C10, C20)은 전극 라인들(즉, M10, N10)의 단부에 배치된다. 따라서, 실시예에 따르면, 광변조 소자의 구성이 단순화되고, 픽셀 사이즈를 크게 줄일 수 있으며, 스티어링(steering) 각도에 해당하는 FOV를 증가시킬 수 있다. 또한, 단순한 구조에 의해, 필 팩터(fill factor)가 증가하므로, 변환 효율이 증가하고 빔 손실(beam loss)가 감소할 수 있다. 여기서, 필 팩터(fill factor)는 소정의 단위 영역에서 유효 픽셀 영역이 차지하는 면적의 비율을 의미할 수 있다. 단순 구조에 의해 필 팩터(fill factor)가 증가하고, 변환 효율도 증가할 수 있다. 또한, 크로스 포인트(cross point)의 단순한 구조로 인해, 2D 소자의 구현이 용이할 수 있다.
도 5는 실시예에 따른 것으로, 광변조 소자의 전극들에 인가된 전압에 따라 활성층 영역의 전하농도가 어떻게 변화되는지를 보여주는 그래프이다. 도 5는 도 1a 및 도 1b의 구조에서 복수의 미러 부재(제1 전극)(M10) 중 하나와 복수의 나노안테나(제2 전극)(N10) 중 하나에 전압을 인가했을 때, 이들의 교차점에 해당하는 활성층(200) 영역의 전하농도 변화량을 나타낸다.
도 5를 참조하면, 미러 부재(제1 전극)와 나노안테나(제2 전극) 각각에 양의 전압(여기서는, +4V)을 인가했을 때, 이들의 교차점에 해당하는 활성층 영역의 전하농도는 증가한다. 미러 부재(제1 전극)와 나노안테나(제2 전극) 각각에 음의 전압(여기서는, -4V)을 인가했을 때, 이들의 교차점에 해당하는 활성층 영역의 전하농도는 감소한다. 미러 부재(제1 전극)와 나노안테나(제2 전극)에 동일한 극성의 전압을 동시에 인가하면, 전압의 극성에 따라서, 활성층 영역(픽셀 영역)의 전하농도는 증가하거나 감소한다.
한편, 미러 부재(제1 전극)와 나노안테나(제2 전극)에 반대 극성의 전압을 동시에 인가하면, 이들의 교차점에 해당하는 활성층 영역(픽셀 영역)의 전하농도 변화량은 크게 감소하거나 실질적으로 전하농도가 변화되지 않는다.
활성층 영역(픽셀 영역)의 전하농도(캐리어 농도)에 따라서, 외부에서 조사되는 입사광(ex, 레이저 빔)에 대해 위상 변화 특성이 달라질 수 있다. 따라서, 소정 활성층 영역의 전하농도를 제어함으로써, 그에 대응하는 픽셀 영역에서의 광의 위상 변화를 제어할 수 있다. 이런 점에서, 활성층 영역의 전하농도나 전하분포는 일종의 "위상 정보"라고 할 수 있다. 소정 활성층 영역(픽셀 영역)의 상하부 전극(즉, 미러 부재 및 나노안테나)에 전압을 인가하여 그 영역의 전하농도를 변화시키면, 인가된 전압을 제거하더라도, 상하부 절연층에 의해, 변화된 전하농도는 유지될 수 있다. 다시 말해, 활성층 영역(픽셀 영역)에 기록된 위상 정보는 이를 기록하기 위해 인가된 전압(전압 바이어스)을 제거하더라도 유지될 수 있다. 이는 일종의 memory 특성 또는 optic memory 특성이라고 할 수 있다.
도 6은 실시예에 따른 것으로, 광변조 소자의 제1 및 제2 전극에 인가된 전압 바이어스에 따른 활성층 영역의 전하농도의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 7은 도 6에서 인가된 전압 바이어스가 제거된 후, 활성층 영역의 전하농도를 보여주는 그래프이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 제1 및 제2 전극에 인가된 전압 바이어스에 따라, 활성층 영역의 전하농도(즉, 위상 정보)는 다양하게 변화될 수 있고, 인가된 전압 바이어스가 제거되더라도, 변화된 전하농도(즉, 위상 정보)는 유지될 수 있다. 따라서, 위상 정보(위상 프로파일)를 유지하기 위해 전압을 계속 인가하지 않아도 되고, 픽셀마다 트랜지스터나 커패시터와 같은 회로를 구비시키지 않아도 된다.
도 8은 실시예에 따른 광변조 소자의 픽셀 영역에 대한 기록(write) 동작 후 시간 경과에 따른 상태 변화를 보여주는 그래프이다.
도 8을 참조하면, 초기(initial) 상태의 픽셀 영역에 소정의 전압 조건으로 데이터를 기록(write)하면, 시간이 경과해도, 기록된 데이터는 유지될 수 있다. 초기 상태의 공진 파장(광학적 특성)이 인가된 전압 조건에 따라 변화되고, 인가된 전압을 제거하더라도, 변화된 공진 파장(광학적 특성)이 유지될 수 있다.
도 2a 및 도 2b에서는 복수의 활성층 부재(A11)가 복수의 미러 부재(M11)(즉, 복수의 제1 전극)와 교차하는 경우가 도시되었지만, 다른 실시예에 따르면, 복수의 활성층 부재(A11)는 복수의 미러 부재(M11)(즉, 복수의 제1 전극)가 아닌 복수의 나노안테나(N11)(즉, 복수의 제2 전극)와 교차할 수 있다. 그 예가 도 9에 도시되어 있다.
도 9는 다른 실시예에 따른 광변조 소자의 주요 구성요소의 평면 구조를 보여주는 평면도이다.
도 9를 참조하면, 복수의 미러 부재(M12)를 포함하는 미러 영역(120) 및 이에 대향하는 복수의 나노안테나(N12)를 포함하는 나노안테나 영역(320)이 구비될 수 있다. 미러 영역(120)과 나노안테나 영역(320) 사이에 액티브 영역(220)(이하, 활성층)이 구비될 수 있다. 활성층(220)은 라인 형태의 복수의 활성층 부재(A12)를 포함할 수 있다. 복수의 활성층 부재(A12)는 복수의 나노안테나(N12)(즉, 복수의 제2 전극)와 상호 교차하도록 배열될 수 있다. 복수의 활성층 부재(A12)는 복수의 미러 부재(M12)(즉, 복수의 제1 전극)와 동일한 방향으로 연장될 수 있다. 그러나, 도 9에 도시된 미러 부재(M12), 나노안테나(N12) 및 활성층 부재(A12)의 연장 방향은 예시적인 것이고, 달라질 수 있다. 경우에 따라서는, 활성층 부재(A12)가 미러 부재(M12) 및 나노안테나(N12) 모두와 교차할 수도 있다.
도 1a 내지 도 2b에서는 복수의 미러 부재(M10, M11)를 복수의 제1 전극으로 사용하고, 복수의 나노안테나(N10, N11)를 복수의 제2 전극으로 사용하는 경우를 도시하고 설명하였지만, 다른 실시예에 따르면, 복수의 미러 부재(M10, M11)와 별개로 구비된 복수의 제1 전극 라인을 사용할 수 있고, 및/또는, 복수의 나노안테나(N10, N11)와 별개로 구비된 복수의 제2 전극 라인을 사용할 수 있다. 그 일례가 도 10에 도시되어 있다.
도 10은 다른 실시예에 따른 광변조 소자를 보여주는 단면도이다.
도 10을 참조하면, 복수의 미러 부재(M15)를 포함하는 미러 영역(105) 및 이에 대향하는 복수의 나노안테나(N15)를 포함하는 나노안테나 영역(305)이 구비될 수 있다. 여기서는, 하나의 미러 부재(M15)가 도시되었지만, 복수의 미러 부재(M15)가 Y축 방향으로 상호 이격하여 배치될 수 있다. 미러 영역(105)과 나노안테나 영역(305) 사이에 액티브 영역(205)(이하, 활성층)이 구비될 수 있다. 미러 영역(105)과 활성층(205) 사이에 제1 절연층(155)이 구비될 수 있고, 활성층(205)과 나노안테나 영역(305) 사이에 제2 절연층(255)이 구비될 수 있다.
본 실시예에서는 미러 영역(105)과 제1 절연층(155) 사이에 복수의 제1 전극(E15)을 포함하는 제1 전극 어레이(125)가 구비될 수 있다. 여기서는, 하나의 제1 전극(E15)이 도시되었지만, 복수의 제1 전극(E15)이 Y축 방향으로 상호 이격하여 배치될 수 있다. 또한, 제2 절연층(255)과 나노안테나 영역(305) 사이에 복수의 제2 전극(E25)을 포함하는 제2 전극 어레이(275)가 구비될 수 있다.
복수의 미러 부재(M15) 및 복수의 제1 전극(E15)은 모두 도 1b에 도시된 복수의 미러 부재(M10)와 동일하거나 유사한 평면 구조를 가질 수 있다. 복수의 미러 부재(M15) 상에 복수의 제1 전극(E15)이 적층되어 하나의 패턴 형태를 가질 수 있다. 복수의 나노안테나(N15) 및 복수의 제2 전극(E25)은 모두 도 1b에 도시된 복수의 나노안테나(N10)와 동일하거나 유사한 평면 구조를 가질 수 있다. 복수의 제2 전극(E25) 상에 복수의 나노안테나(N15)가 적층되어 하나의 패턴 형태를 가질 수 있다. 복수의 제1 전극(E15) 및 복수의 제2 전극(E25)은 투명 전극일 수 있고, 이 경우, 광변조 소자의 광 손실을 줄일 수 있다. 그러나 필요에 따라, 복수의 제1 전극(E15) 및 복수의 제2 전극(E25)은 투명 전극이 아닐 수도 있다.
다른 경우, 복수의 제1 전극(E15)과 복수의 제2 전극(E25) 중 하나를 사용하지 않을 수도 있다. 예를 들어, 복수의 제1 전극(E15)을 사용하지 않고, 복수의 미러 부재(M10) 자체를 제1 전극으로 사용하거나, 복수의 제2 전극(E25)을 사용하지 않고, 복수의 나노안테나(N15) 자체를 제2 전극으로 사용할 수 있다. 또한, 도 10에서 활성층(205)은 라인 형태의 복수의 활성층 부재를 포함하도록 패터닝될 수도 있다. 그 형태는 도 2b에 도시한 활성층(210)과 동일하거나 유사할 수 있다.
실시예에 따른 광변조 소자의 동작방법은 복수의 제1 전극과 복수의 제2 전극을 이용해서 복수의 픽셀 영역 중 선택된 적어도 하나의 픽셀 영역에 위상 정보를 기록하는 단계 및 상기 광변조 소자에 입사된 광을 변조하는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 상기 광변조 소자의 동작방법은 복수의 제1 전극과 복수의 제2 전극을 이용해서 복수의 픽셀 영역 중 선택된 적어도 하나의 픽셀 영역에 기록된 위상 정보를 소거하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이하에서는, 도 11 내지 도 13을 참조하여, 실시예에 따른 광변조 소자의 동작방법을 예시적으로 설명한다. 도 11 및 도 12는 위상 정보를 기록하는 방법을 보여주고, 도 13은 위상 정보를 소거하는 방법을 보여준다.
도 11은 일 실시예에 따른 광변조 소자의 동작방법을 보여주는 평면도이다.
도 11을 참조하면, 복수의 제1 전극(WL1∼WLn)이 마련되고, 이와 교차하는 복수의 제2 전극(BL1∼BLn)이 마련되고, 이들 사이에 복수의 활성층 부재(AL1∼ALn)가 마련될 수 있다. 복수의 제1 전극(WL1∼WLn), 복수의 제2 전극(BL1∼BLn) 및 복수의 활성층 부재(AL1∼ALn)는 각각 도 2b의 복수의 미러 부재(M11), 복수의 나노안테나(N11) 및 복수의 활성층 부재(A11)에 대응될 수 있다. 복수의 제1 전극(WL1∼WLn)은 워드라인(word line)이고 복수의 제2 전극(BL1∼BLn)은 비트라인(bit line)이거나, 그 반대일 수도 있다. 복수의 제1 전극(WL1∼WLn)과 복수의 제2 전극(BL1∼BLn) 사이의 교차점들은 복수의 픽셀 영역(P11, P21, P31, P12, P13, P22...)에 대응될 수 있다.
복수의 픽셀 영역(P11, P21, P31, P12, P13, P22...) 중 제1 픽셀 영역(P11)에 제1 위상 정보를 기록하는 방법은 다음과 같다.
복수의 제1 전극(WL1∼WLn) 중에서 제1-1 전극(WL1)에 제1 전압을 인가하고, 복수의 제2 전극(BL1∼BLn) 중에서 제2-1 전극(BL1)에 제2 전압을 인가하여, 제1 픽셀 영역(P11)에 제1 위상 정보를 기록할 수 있다. 상기 제1 전압과 상기 제2 전압은 동일한 극성을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 전압은 +1V 일 수 있고, 상기 제2 전압은 +1V 일 수 있다. 상기 제1 전압의 크기와 상기 제2 전압의 크기는 예시적인 것이고 달라질 수 있다. 복수의 활성층 부재(AL1∼ALn) 중에서 제1 활성층 부재(AL1)에는 기준 전압, 예컨대, 접지 전압(GND)(0V)이 인가될 수 있다.
한편, 제1-1 전극(WL1)을 제외한 나머지 제1 전극(WL2∼WLn)에는 제2-1 전극(BL1)에 인가된 전압(제2 전압)과 반대 극성의 전압이 인가될 수 있다. 예를 들어, 상기 나머지 제1 전극(WL2∼WLn)에 -1V의 전압이 인가될 수 있다. 따라서, 제2-1 전극(BL1)과 상기 나머지 제1 전극(WL2∼WLn) 사이의 픽셀 영역들의 상태는 실질적으로 변화되지 않을 수 있다.
한편, 제1 활성층 부재(AL1)를 제외한 나머지 활성층 부재(AL2∼ALn)는 전기적으로 플로팅(floating)될 수 있다. 따라서, 나머지 활성층 부재(AL2∼ALn)에 대응하는 픽셀 영역들의 상태는 실질적으로 변화되지 않을 수 있다.
경우에 따라, 제2-1 전극(BL1)을 제외한 나머지 제2 전극(BL2∼BLn)에는 제1-1 전극(WL1)에 인가된 전압(제1 전압)과 반대 극성의 전압이 인가될 수 있다. 예를 들어, 상기 나머지 제2 전극(BL2∼BLn)에 -1V의 전압이 인가될 수 있다. 제1-1 전극(WL1)과 상기 나머지 제2 전극(BL2∼BLn) 사이의 픽셀 영역들의 상태는 실질적으로 변화되지 않을 수 있다.
도 11을 참조하여 예시적으로 설명한 방법은 소정 픽셀 영역의 상부 커패시턴스와 하부 커패시턴스가 동일한 경우이다. 이 경우, 픽셀 영역의 상태 유지를 위해 상부 및 하부에 인가하는 전압은 동일 크기(절대값)의 반대 극성(즉, +1V 및 -1V)일 수 있다. 그러나, 상기한 상부 커패시턴스 및 하부 커패시턴스가 다를 경우, 픽셀 영역의 상태 유지를 위해 상부 및 하부에 인가하는 전압의 크기(절대값)는 서로 다를 수 있다. 즉, 픽셀 영역의 상부 커패시턴스와 하부 커패시턴스에 따라서, 인가하는 전압의 크기(절대값)는 달라질 수 있다. 이는 이하에서 설명할 도 12 및 도 13에서도 동일할 수 있다.
도 12를 참조하여, 복수의 픽셀 영역(P11, P21, P31, P12, P13, P22...) 중 제2 픽셀 영역(P21)에 제2 위상 정보를 기록하는 방법을 설명한다.
복수의 제1 전극(WL1∼WLn) 중에서 제1-2 전극(WL2)에 제3 전압을 인가하고, 복수의 제2 전극(BL1∼BLn) 중에서 제2-1 전극(BL1)에 제4 전압을 인가하여, 제2 픽셀 영역(P21)에 제2 위상 정보를 기록할 수 있다. 상기 제3 전압과 상기 제4 전압은 동일한 극성을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 제3 전압은 +2V 일 수 있고, 상기 제4 전압은 +2V 일 수 있다. 상기 제3 전압의 크기와 상기 제4 전압의 크기는 예시적인 것이고 달라질 수 있다. 여기서, 제2 픽셀 영역(P21)에 기록된 제2 위상 정보는 도 11의 제1 픽셀 영역(P21)에 기록된 제1 위상 정보와 다를 수 있다. 복수의 활성층 부재(AL1∼ALn) 중에서 제1 활성층 부재(AL1)에는 기준 전압, 예컨대, 접지 전압(GND)(0V)이 인가될 수 있다.
한편, 제1-2 전극(WL2)을 제외한 나머지 제1 전극(WL1, WL3∼WLn)에는 제2-1 전극(BL1)에 인가된 전압(제4 전압)과 반대 극성의 전압이 인가될 수 있다. 예를 들어, 상기 나머지 제1 전극(WL1, WL3∼WLn)에 -2V의 전압이 인가될 수 있다. 따라서, 제2-1 전극(BL1)과 상기 나머지 제1 전극(WL1, WL3∼WLn) 사이의 픽셀 영역들의 상태는 실질적으로 변화되지 않을 수 있다.
한편, 제1 활성층 부재(AL1)를 제외한 나머지 활성층 부재(AL2∼ALn)는 전기적으로 플로팅(floating)될 수 있다. 따라서, 나머지 활성층 부재(AL2∼ALn)에 대응하는 픽셀 영역들의 상태는 실질적으로 변화되지 않을 수 있다.
경우에 따라, 제2-1 전극(BL1)을 제외한 나머지 제2 전극(BL2∼BLn)에는 제1-2 전극(WL2)에 인가된 전압(제3 전압)과 반대 극성의 전압이 인가될 수 있다. 예를 들어, 상기 나머지 제2 전극(BL2∼BLn)에 -2V의 전압이 인가될 수 있다. 제1-2 전극(WL2)과 상기 나머지 제2 전극(BL2∼BLn) 사이의 픽셀 영역들의 상태는 실질적으로 변화되지 않을 수 있다.
도 11 및 도 12를 참조하여 설명한 방법으로 모든 픽셀 영역(P11, P21, P31, P12, P13, P22...)에 위상 정보를 기록할 수 있다. 교차점 어레이 형태로 구성된 복수의 제1 및 제2 전극(WL1∼WLn, BL1∼BLn)을 사용해서 2차원 형태로 배열된 복수의 픽셀 영역에 위상 프로파일을 용이하게 기록할 수 있다. 또한, 도 11에서는 제1 픽셀 영역(P11)에 제1 위상 정보를 기록하고, 도 12에서는 제2 픽셀 영역(P21)에 제2 위상 정보를 기록하는 방법을 설명하였지만, 경우에 따라서는 두 개 이상의 픽셀 영역에 위상 정보를 동시에 기록할 수도 있다.
도 13을 참조하여, 복수의 픽셀 영역(P11, P21, P31, P12, P13, P22...) 중 제1 픽셀 영역(P11)에 기록된 제1 위상 정보를 소거하는 방법을 설명한다.
제1 픽셀 영역(P11)에 기록된 제1 위상 정보를 소거하기 위해서는, 제1 위상 정보의 기록시(도 11) 제1 픽셀 영역(P11)에 인가된 전압들과 반대 극성의 전압들은 제1 픽셀 영역(P11)에 인가할 수 있다. 예를 들어, 복수의 제1 전극(WL1∼WLn) 중에서 제1-1 전극(WL1)에 제5 전압을 인가하고, 복수의 제2 전극(BL1∼BLn) 중에서 제2-1 전극(BL1)에 제6 전압을 인가하여, 제1 픽셀 영역(P11)에 제1 위상 정보를 소거(삭제)할 수 있다. 상기 제5 전압은 도 11의 제1 전압과 반대 극성의 동일 크기의 전압일 수 있고, 상기 제6 전압은 도 11의 제2 전압과 반대 극성의 동일 크기의 전압일 수 있다. 본 실시예에서, 상기 제5 전압은 -1V 일 수 있고, 상기 제6 전압은 -1V 일 수 있다. 복수의 활성층 부재(AL1∼ALn) 중에서 제1 활성층 부재(AL1)에는 기준 전압, 예컨대, 접지 전압(GND)(0V)이 인가될 수 있고, 나머지 활성층 부재(AL2∼ALn)는 전기적으로 플로팅(floating)될 수 있다.
제1-1 전극(WL1)을 제외한 나머지 제1 전극(WL2∼WLn)에는 제2-1 전극(BL1)에 인가된 전압(제6 전압)과 반대 극성의 전압이 인가될 수 있고, 제2-1 전극(BL1)을 제외한 나머지 제2 전극(BL2∼BLn)에는 제1-1 전극(WL1)에 인가된 전압(제5 전압)과 반대 극성의 전압이 인가될 수 있다. 예를 들어, 상기 나머지 제1 전극(WL2∼WLn)에 +1V의 전압이 인가될 수 있고, 상기 나머지 제2 전극(BL2∼BLn)에 +1V의 전압이 인가될 수 있다.
도 14는 다른 실시예에 따른 광변조 소자의 구성을 보여주는 평면도이다.
도 14를 참조하면, 복수의 제1 전극(WL10)이 배열될 수 있고, 이와 교차하는 복수의 제2 전극(BL10)이 배열될 수 있으며, 이들 사이에 복수의 활성층 부재(AL10)가 구비될 수 있다. 복수의 제1 전극(WL10)에 연결된 제1 회로부(CP10)가 더 구비될 수 있고, 복수의 제2 전극(BL10)에 연결된 제2 회로부(CP20)가 더 구비될 수 있으며, 복수의 활성층 부재(AL10)에 연결된 제3 회로부(CP30)가 더 구비될 수 있다. 제1 회로부(CP10)는 복수의 제1 전극(WL10)에 각각 연결된 복수의 제1 구동셀을 포함할 수 있고, 제2 회로부(CP20)는 복수의 제2 전극(BL10)에 각각 연결된 복수의 제2구동셀을 포함할 수 있다. 제3 회로부(CP30)는 복수의 활성층 부재(AL10)에 각각 연결된 복수의 단위회로를 포함할 수 있다.
도 15는 실시예들에 따른 광변조 소자에 적용될 수 있는 나노안테나의 단위 영역의 다양한 구조/형태를 보여주는 사시도이다. 여기서, 나노안테나의 단위 영역은 픽셀 영역에 대응하는 영역일 수 있다.
도 15를 참조하면, 나노안테나의 단위 영역은 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, 나노안테나의 단위 영역은 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 16은 일 실시예에 따른 광변조 소자를 포함하는 빔 스티어링 소자(beam steering device)(1000A)를 설명하기 위한 개념도이다.
도 16을 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 광변조 소자를 포함할 수 있다.
도 17은 다른 실시예에 따른 광변조 소자를 포함하는 빔 스티어링 소자(beam steering device)(1000B)를 설명하기 위한 개념도이다.
도 17을 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 광변조 소자를 포함할 수 있다. 도 16 및 도 17을 참조하여 설명한 빔 스티어링 소자(1000A, 1000B)는 비기계식 빔 스캔 장치(non-mechanical beam scanning apparatus)일 수 있다.
도 18은 일 실시예에 따른 광변조 소자를 적용한 빔 스티어링 소자를 포함하는 광학 장치(A1)의 전체적인 시스템을 설명하기 위한 블럭도이다.
도 18을 참조하면, 광학 장치(A1)는 빔 스티어링 소자(1000)를 포함할 수 있다. 빔 스티어링 소자(1000)는 도 1a 내지 도 2b 및 도 5 내지 도 15 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 18에서는 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 18의 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 19 및 도 20은 일 실시예에 따른 광변조 소자를 포함하는 라이다(LiDAR) 장치를 차량에 적용한 경우를 보여주는 개념도이다. 도 19는 측방에서 바라본 도면이고, 도 20은 위에서 바라본 도면이다.
도 19를 참조하면, 차량(70)에 라이다(LiDAR) 장치(71)를 적용할 수 있고, 이를 이용해서 피사체(80)에 대한 정보를 획득할 수 있다. 차량(70)은 자율 주행 기능을 갖는 자동차일 수 있다. 라이다(LiDAR) 장치(71)를 이용해서, 차량(70)이 진행하는 방향에 있는 물체나 사람, 즉, 피사체(80)를 탐지할 수 있다. 또한, 송신 신호와 검출 신호 사이의 시간 차이 등의 정보를 이용해서, 피사체(80)까지의 거리를 측정할 수 있다. 또한, 도 20에 도시된 바와 같이, 스캔 범위 내에 있는 가까운 피사체(81)와 멀리 있는 피사체(82)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, 3차원 센서, 깊이 센서(depth sensor) 등 다양한 광학 성분/장치에 적용될 수 있다. 또한, 상기 광변조 소자는 자율주행용 센서, 광모듈 레이더 등에 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 1a 내지도 2b 및 도 9 내지 도 20을 참조하여 설명한 광변조 소자 및 그 동작방법은 다양하게 변형될 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 *
100, 110 : 미러 영역 150, 160 : 제1 절연층
200, 210 : 액티브 영역 250, 260 : 제2 절연층
300, 310 : 나노안테나 영역 1000 : 빔 스티어링 소자
2000 : 검출부 3000 : 회로부
A1 : 광학 장치 A11 : 활성층 부재
C10 : 제1 구동셀 C20 : 제2 구동셀
M10, M11 : 미러 부재 N10, N11 : 나노안테나

Claims (28)

  1. 미러(mirror) 영역;
    상기 미러 영역에 대향하여 배치된 나노안테나(nano-antenna) 영역; 및
    상기 미러 영역과 상기 나노안테나 영역 사이에 배치된 것으로, 전기적 조건에 따라 물성이 변화되는 액티브(active) 영역;을 포함하고,
    상기 액티브 영역의 물성을 변화시키기 위한 복수의 제1 전극과 복수의 제2 전극은 상기 액티브 영역을 사이에 두고 상호 교차하도록 배열되어 교차점 어레이 구조를 이루고,
    상기 복수의 제1 전극은 상기 미러 영역에 포함되거나 상기 미러 영역과 별개로 구비되고, 상기 복수의 제2 전극은 상기 나노안테나 영역에 포함되거나 상기 나노안테나 영역과 별개로 구비된, 광변조 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 미러 영역은 라인 형태의 복수의 미러 부재를 포함하고,
    상기 복수의 미러 부재는 상기 복수의 제1 전극으로 사용되는 광변조 소자.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 나노안테나 영역은 라인 형태의 복수의 나노안테나를 포함하고,
    상기 복수의 나노안테나는 상기 복수의 제2 전극으로 사용되는 광변조 소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 미러 영역은 제1 방향으로 연장된 복수의 미러 부재를 포함하고,
    상기 나노안테나 영역은 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 연장된 복수의 나노안테나를 포함하고,
    상기 복수의 미러 부재와 상기 복수의 나노안테나 사이의 복수의 교차부는 복수의 픽셀 영역에 대응하는 광변조 소자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 제1 전극은 상기 미러 영역과 별개로 구비되고,
    상기 미러 영역과 상기 액티브 영역 사이에 상기 복수의 제1 전극이 배치된 광변조 소자.
  6. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 복수의 제2 전극은 상기 나노안테나 영역과 별개로 구비되고,
    상기 나노안테나 영역과 상기 액티브 영역 사이에 상기 복수의 제2 전극이 배치된 광변조 소자.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 미러 영역과 상기 액티브 영역 사이 또는 상기 복수의 제1 전극과 상기 액티브 영역 사이에 배치된 제1 절연층; 및
    상기 나노안테나 영역과 상기 액티브 영역 사이 또는 상기 복수의 제2 전극과 상기 액티브 영역 사이에 배치된 제2 절연층;을 더 포함하는 광변조 소자.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 제1 전극에 각각 연결되어 전압을 인가하도록 구성된 복수의 제1 구동셀; 및
    상기 복수의 제2 전극에 각각 연결되어 전압을 인가하도록 구성된 복수의 제2 구동셀;을 더 포함하는 광변조 소자.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 액티브 영역은 라인 형태의 복수의 활성층 부재를 포함하고,
    상기 복수의 활성층 부재는 상기 복수의 제1 전극 또는 상기 복수의 제2 전극과 동일한 방향으로 연장된 광변조 소자.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 액티브 영역은 그에 인가되는 전기적 신호에 따라 유전율이 변하는 전기광학(electro-optic) 물질을 포함하는 광변조 소자.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 액티브 영역은 투명 전도성 산화물(transparent conductive oxide)(TCO) 및 전이금속 질화물(transition metal nitride)(TMN) 중 적어도 하나를 포함하는 광변조 소자.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 광변조 소자는 상기 나노안테나 영역에 의해 반사되는 광의 위상 변조(phase modulation)를 유도하도록 구성된 광변조 소자.
  13. 청구항 1에 기재된 광변조 소자를 포함하는 광학 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 광학 장치는 상기 광변조 소자를 이용해서 빔(beam)을 조향(steering) 하도록 구성된 광학 장치.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 광학 장치는 라이다(LiDAR) 장치, 3차원 이미지 획득 장치, 3차원 센서 및 깊이 센서(depth sensor) 중 적어도 하나를 포함하는 광학 장치.
  16. 미러 영역;
    상기 미러 영역에 대향하여 배치된 나노안테나 영역; 및
    상기 미러 영역과 상기 나노안테나 영역 사이에, 전기적 조건에 따라 물성이 변화되는 액티브 영역;을 포함하고,
    상기 액티브 영역은 복수의 활성층 부재를 포함하고,
    상기 복수의 활성층 부재는 이들의 물성을 변화시키기 위한 복수의 제1 전극 또는 복수의 제2 전극과 상호 교차하도록 배열되고,
    상기 복수의 제1 전극은 상기 미러 영역에 포함되거나 상기 미러 영역과 별개로 구비되고, 상기 복수의 제2 전극은 상기 나노안테나 영역에 포함되거나 상기 나노안테나 영역과 별개로 구비된, 광변조 소자.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 복수의 활성층 부재는 제1 방향으로 연장된 라인 형태를 갖고,
    상기 복수의 제1 전극은 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 연장된 라인 형태를 갖는 광변조 소자.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 복수의 활성층 부재는 제1 방향으로 연장된 라인 형태를 갖고,
    상기 복수의 제2 전극은 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 연장된 라인 형태를 갖는 광변조 소자.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 복수의 제1 전극과 상기 복수의 제2 전극은 상호 교차하도록 배열된 광변조 소자.
  20. 제 16 항에 있어서,
    상기 미러 영역과 상기 액티브 영역 사이 또는 상기 복수의 제1 전극과 상기 액티브 영역 사이에 배치된 제1 절연층; 및
    상기 나노안테나 영역과 상기 액티브 영역 사이 또는 상기 복수의 제2 전극과 상기 액티브 영역 사이에 배치된 제2 절연층;을 더 포함하는 광변조 소자.
  21. 청구항 16에 기재된 광변조 소자를 포함하는 광학 장치.
  22. 미러 영역과 나노안테나 영역 및 이들 사이에 액티브 영역을 포함하고, 상기 액티브 영역의 물성을 변화시키기 위한 복수의 제1 전극과 복수의 제2 전극이 상기 액티브 영역을 사이에 두고 교차점 어레이 구조를 이루며, 상기 복수의 제1 전극과 복수의 제2 전극 사이의 복수의 교차점에 대응하는 상기 액티브 영역의 단위 영역들은 복수의 픽셀 영역에 해당하는 광변조 소자의 동작방법에 있어서,
    상기 복수의 제1 전극과 복수의 제2 전극을 이용해서, 상기 복수의 픽셀 영역 중 선택된 적어도 하나의 픽셀 영역에 위상 정보를 기록하는 단계; 및
    상기 광변조 소자에 입사된 광을 변조하는 단계;를 포함하는 광변조 소자의 동작방법.
  23. 제 22 항에 있어서, 상기 위상 정보를 기록하는 단계는,
    상기 복수의 제1 전극 중 제1-1 전극에 제1 전압을 인가하고, 상기 복수의 제2 전극 중 제2-1 전극에 제2 전압을 인가하여, 상기 제1-1 전극과 상기 제2-1 전극 사이의 제1 픽셀 영역에 제1 위상 정보를 기록하는 단계;를 포함하고,
    상기 제1 전압과 상기 제2 전압은 동일한 극성을 갖는 광변조 소자의 동작방법.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 제1 위상 정보를 기록하는 단계에서, 상기 복수의 제1 전극 중 제1-2 전극에 제3 전압을 인가하는 단계;를 더 포함하고,
    상기 제3 전압은 상기 제2 전압과 반대의 극성을 갖는 광변조 소자의 동작방법.
  25. 제 23 항에 있어서,
    상기 제1 위상 정보를 기록하는 단계에서, 상기 복수의 제2 전극 중 제2-2 전극에 제4 전압을 인가하는 단계;를 더 포함하고,
    상기 제4 전압은 상기 제1 전압과 반대의 극성을 갖는 광변조 소자의 동작방법.
  26. 제 22 항에 있어서,
    상기 선택된 적어도 하나의 픽셀 영역에 위상 정보를 기록하는 단계에서, 미선택된 적어도 하나의 픽셀 영역의 상태는 실질적으로 변화시키지 않도록 구성된 광변조 소자의 동작방법.
  27. 제 22 항에 있어서,
    상기 액티브 영역은 라인 형태의 복수의 활성층 부재를 포함하고,
    상기 위상 정보를 기록하는 단계는 상기 복수의 활성층 부재 중 선택된 적어도 하나의 활성층 부재에 기준 전압을 인가하는 단계;를 더 포함하고,
    상기 위상 정보를 기록하는 단계에서 상기 복수의 활성층 부재 중 미선택된 적어도 하나의 활성층 부재는 전기적으로 플로팅(floating)시키는 광변조 소자의 동작방법.
  28. 제 22 항에 있어서,
    상기 복수의 제1 전극과 복수의 제2 전극을 이용해서, 상기 복수의 픽셀 영역 중 선택된 적어도 하나의 픽셀 영역에 기록된 위상 정보를 소거하는 단계;를 더 포함하는 광변조 소자의 동작방법.
KR1020180136042A 2018-11-07 2018-11-07 광변조 소자와 그 동작방법 및 광변조 소자를 포함하는 장치 KR20200052708A (ko)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180136042A KR20200052708A (ko) 2018-11-07 2018-11-07 광변조 소자와 그 동작방법 및 광변조 소자를 포함하는 장치
US16/417,953 US11500193B2 (en) 2018-11-07 2019-05-21 Optical modulation device, method of operating the same, and apparatus including the optical modulation device
EP19178753.0A EP3650930B1 (en) 2018-11-07 2019-06-06 Optical modulation device, method of operating the same, and apparatus including the optical modulation device
CN201910564468.6A CN111158170A (zh) 2018-11-07 2019-06-26 光学调制设备及其操作方法和包括光学调制设备的装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180136042A KR20200052708A (ko) 2018-11-07 2018-11-07 광변조 소자와 그 동작방법 및 광변조 소자를 포함하는 장치

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20200052708A true KR20200052708A (ko) 2020-05-15

Family

ID=66776215

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020180136042A KR20200052708A (ko) 2018-11-07 2018-11-07 광변조 소자와 그 동작방법 및 광변조 소자를 포함하는 장치

Country Status (4)

Country Link
US (1) US11500193B2 (ko)
EP (1) EP3650930B1 (ko)
KR (1) KR20200052708A (ko)
CN (1) CN111158170A (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2021221338A1 (ko) 2020-04-29 2021-11-04 에스케이바이오사이언스(주) 일회용 배양 공정 시스템을 이용한 인플루엔자 바이러스 생산 방법 및 인플루엔자 바이러스 항원 정제 조건 신속 확인 시험

Families Citing this family (1)

* 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

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7184202B2 (en) * 2004-09-27 2007-02-27 Idc, Llc Method and system for packaging a MEMS device
JP4829850B2 (ja) * 2006-08-31 2011-12-07 日本放送協会 光変調器、表示装置、ホログラフィー装置、及びホログラム記録装置
JP2011180355A (ja) 2010-03-01 2011-09-15 Nippon Hoso Kyokai <Nhk> 光変調素子および空間光変調器
GB2499579B (en) * 2012-02-07 2014-11-26 Two Trees Photonics Ltd Lighting device
US9245926B2 (en) 2012-05-07 2016-01-26 Micron Technology, Inc. Apparatuses and methods including memory access in cross point memory
US9958707B2 (en) 2014-03-06 2018-05-01 California Institute Of Technology Systems and methods for implementing electrically tunable metasurfaces
KR102374119B1 (ko) * 2015-02-03 2022-03-14 삼성전자주식회사 게이트 구조를 포함하는 광 변조 소자
EP3179297B1 (en) * 2015-12-09 2020-04-01 Samsung Electronics Co., Ltd. Meta device
KR102520856B1 (ko) 2016-07-21 2023-04-12 삼성전자주식회사 Ｐ-ｎ 접합층을 포함하는 빔 스티어링 소자
KR20180022100A (ko) * 2016-08-23 2018-03-06 삼성전자주식회사 광 변조기, 빔 스티어링 소자 및 이를 적용한 시스템
KR20180055298A (ko) * 2016-11-16 2018-05-25 삼성전자주식회사 2차원 광 변조 소자 및 이를 포함하는 전자 기기
CN107015409B (zh) * 2017-05-18 2020-08-14 上海天马微电子有限公司 空间光调制器及显示装置
KR102411663B1 (ko) 2017-09-05 2022-06-21 삼성전자주식회사 광 변조 소자 및 이를 포함하는 전자 기기

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2021221338A1 (ko) 2020-04-29 2021-11-04 에스케이바이오사이언스(주) 일회용 배양 공정 시스템을 이용한 인플루엔자 바이러스 생산 방법 및 인플루엔자 바이러스 항원 정제 조건 신속 확인 시험

Also Published As

Publication number Publication date
CN111158170A (zh) 2020-05-15
US20200142181A1 (en) 2020-05-07
US11500193B2 (en) 2022-11-15
EP3650930A1 (en) 2020-05-13
EP3650930B1 (en) 2024-05-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10705406B2 (en) Two-dimensional light modulating device and electronic apparatus including the same
CN109254422B (zh) 光调制器件及包括该光调制器件的光设备
US11211761B2 (en) Laser beam steering device and system including the same
KR102429878B1 (ko) 빔 스티어링 장치 및 이를 포함하는 시스템
KR102568796B1 (ko) 광변조 소자 및 이를 포함하는 장치
US20200241381A1 (en) Beam steering device and system including the same
KR20200029925A (ko) 광변조 소자와 그 동작방법 및 광변조 소자를 포함하는 장치
US20200387046A1 (en) Laser beam phase-modulation device, laser beam steering device and laser beam steering system including the same
EP3650930B1 (en) Optical modulation device, method of operating the same, and apparatus including the optical modulation device
CN112542764A (zh) 光学调制器及包括光学调制器的光束转向系统
KR102651546B1 (ko) 광변조 소자 및 이를 포함하는 장치
US20210405500A1 (en) Optical modulating device and optical apparatus employing the same
EP3460566B1 (en) Optical sensing system and optical apparatus including the same

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right