KR20200105616A - 광 변조 소자, 광 변조 소자를 포함하는 광학 장치, 및 광학 장치를 포함하는 전자 장치 - Google Patents

광 변조 소자, 광 변조 소자를 포함하는 광학 장치, 및 광학 장치를 포함하는 전자 장치 Download PDF

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Abstract

일 실시예에 따른 광 변조 소자는 기판, 상기 기판 상에 마련되고, 굴절률이 서로 다른 두 물질층이 반복적으로 교호하여 적층된 제1 하부 DBR층, 상기 제1 하부 DBR층 상에 마련되고, 굴절률이 서로 다른 두 물질층이 반복적으로 교호하여 적층되어 형성되며, 상기 제1 하부 DBR층의 면적보다 좁은 면적을 가지는 제2 하부 DBR층, 상기 제2 하부 DBR층 상에 마련되고, 다중양자우물구조를 가지는 반도체 물질을 포함하며, 인가 전압에 따라 가변되는 굴절률을 가지는 활성층 및 상기 활성층 상에 마련되고, 굴절률이 서로 다른 두 물질층이 반복적으로 교호하여 적층된 상부 DBR층을 포함할 수 있다. 제1 하부 DBR층에 의해서 광 변조 소자의 반사율이 증가할 수 있고, 이에 따라 광 변조 소자의 광 변조 효율이 증가할 수 있다.

Description

광 변조 소자, 광 변조 소자를 포함하는 광학 장치, 및 광학 장치를 포함하는 전자 장치{light modulation element, optical device including the light modulation element and electrical device including the optical device}
본 개시는 광 변조 소자, 광 변조 소자를 포함하는 광학 장치, 및 광학 장치를 포함하는 전자 장치에 관한 것이다.
입사광의 투과/반사, 편광, 위상, 세기, 경로 등을 변경하는 광 변조 소자는 다양한 광학 장치에서 활용된다. 또한, 광학 장치 내에서 원하는 방식으로 상기한 광의 성질을 제어하기 위해 다양한 구조의 광 변조 소자들이 제시되고 있다.
이러한 예로서, 광학적 이방성을 가지는 액정(liquid crystal), 광 차단/반사 요소의 미소 기계적 움직임을 이용하는 MEMS(microelectromechanical system) 구조 등이 일반적인 광 변조 소자에 널리 사용되고 있다. 이러한 광 변조 소자들은 그 구동 방식의 특성상 동작 응답시간이 수 ㎲ 이상이다.
최근에는 메타표면(meta surface)를 광 변조 소자에 적용하는 시도가 있다. 메타표면은 입사광의 파장보다 작은 수치가, 두께, 패턴, 또는 주기 등에 적용된 구조이다. 예를 들어, 가변의 광학 성질(예를 들어, 굴절률)을 가지며, 다중양자우물구조를 가지는 반도체 물질 기반의 튜너블 메타표면을 이용한 광학 장치는 광통신에서 광 센싱에 이르기까지 다양한 기술 분야에서 사용된다. 예를 들어, 튜너블 메타표면을 이용한 광 변조 소자는, 한 쌍의 분산 브레그 반사경(distributed bragg reflector; 이하 DBR이라 함) 또는 하나의 DBR과 금속 미러 사이에 반도체 물질이 마련된 샌드위치 구조체에 의해 형성된 패브리-페로 (Febry-Perot) 공진기 구조를 포함한다.
본 개시는 DBR 및 반도체 물질을 포함하는 광 변조 소자의 반사율을 높이고자 한다.
본 개시는 향상된 반사율을 가지는 광 변조 소자를 포함하는 광학 장치를 제공하고자 한다.
본 개시는 향상된 반사율을 가지는 광 변조 소자를 포함하는 광학 장치가 적용된 전자 장치를 제공하고자 한다.
일 실시예는,
기판, 상기 기판 상에 마련되고, 굴절률이 서로 다른 두 물질층이 반복적으로 교호하여 적층된 제1 하부 DBR층, 상기 제1 하부 DBR층 상에 마련되고, 굴절률이 서로 다른 두 물질층이 반복적으로 교호하여 적층되어 형성되며, 상기 제1 하부 DBR층의 면적보다 좁은 면적을 가지는 제2 하부 DBR층, 상기 제2 하부 DBR층 상에 마련되고, 다중양자우물구조를 가지는 반도체 물질을 포함하며, 인가 전압에 따라 가변되는 굴절률을 가지는 활성층 및 상기 활성층 상에 마련되고, 굴절률이 서로 다른 두 물질층이 반복적으로 교호하여 적층된 상부 DBR층을 포함하는 광 변조 소자를 제공한다.
상기 광 변조 소자는 상기 활성층의 굴절률이 가변되는 동안, 입사되는 광에 대해 60% 이상으로 유지되는 반사율을 가질 수 있다.
상기 제1 하부 DBR층의 물질층의 광학적 두께와 상기 제2 하부 DBR층의 물질층의 광학적 두께는 동일할 수 있다.
상기 제1 하부 DBR층은 제1 물질층 및 상기 제1 물질층의 굴절률보다 작은 굴절률을 가지는 제2 물질층을 포함하고, 상기 제2 하부 DBR층은 제3 물질층 및 상기 제3 물질층의 굴절률보다 작은 굴절률을 가지는 제4 물질층을 포함하며, 상기 제1 물질층 및 제3 물질층에 포함된 물질의 종류는 동일하고, 상기 제2 물질층 및 제4 물질층에 포함된 물질의 종류는 동일할 수 있다.
상기 활성층은 한 쌍의 GaAsxP1-x(0<x<1) 리드 배리어층을 포함할 수 있다.
상기 한 쌍의 GaAsxP1-x 리드 배리어층 사이에 GaAs 서브 배리어층 및 InyGa1-yAs(0<y<1) 우물층이 반복적으로 교호하여 적층될 수 있다.
상기 광 변조 소자는 상기 제2 하부 DBR층과 접촉하는 제1 전극 및 상기 상부 DBR층과 접촉하는 제2 전극을 더 포함할 수 있다.
다른 일 실시예는,
금속을 포함하는 기판, 상기 기판 상에 마련되고, 굴절률이 서로 다른 두 물질층이 반복적으로 교호하여 적층된 하부 DBR층, 상기 하부 DBR층 상에 마련되고, 다중양자우물구조를 가지는 반도체 물질을 포함하며, 인가 전압에 따라 가변되는 굴절률을 가지는 활성층 및상기 활성층 상에 마련되고, 굴절률이 서로 다른 두 물질층이 반복적으로 교호하여 적층된 상부 DBR층을 포함하는 광 변조 소자를 제공한다.
상기 금속은 Au, Al, Ag 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 광 변조 소자는 상기 활성층의 굴절률이 가변되는 동안, 입사되는 광에 대해 60% 이상으로 유지되는 반사율을 가질 수 있다.
다른 일 실시예는,
기판, 상기 기판 상에 마련되고, 굴절률이 서로 다른 두 물질층이 반복적으로 교호하여 적층된 제1 하부 DBR층, 상기 제1 하부 DBR층 상에 서로 이격되어 마련되고, 인가되는 전압에 따라 가변되는 굴절률을 가지는 복수 개의 공진기 및 상기 복수 개의 공진기 각각에 인가되는 전압을 조절하는 전압 조절부를 포함하는 광학 장치를 제공한다.
상기 각각의 공진기는, 상기 제1 하부 DBR층 상에 마련되고, 굴절률이 서로 다른 두 물질층이 반복적으로 교호하여 적층되어 형성되며, 상기 제1 하부 DBR층의 면적보다 좁은 면적을 가지는 제2 하부 DBR층, 상기 제2 하부 DBR층 상에 마련되고, 다중양자우물구조를 가지는 반도체 물질을 포함하며, 인가 전압에 따라 가변되는 굴절률을 가지는 활성층 및 상기 활성층 상에 마련되고, 굴절률이 서로 다른 두 물질층이 반복적으로 교호하여 적층된 상부 DBR층을 포함할 수 있다.
상기 광학 장치는 상기 활성층의 굴절률이 가변되는 동안, 입사되는 광에 대해 60% 이상으로 유지되는 반사율을 가질 수 있다.
상기 제1 하부 DBR층의 물질층의 광학적 두께와 상기 제2 하부 DBR층의 물질층의 광학적 두께는 동일할 수 있다.
상기 제1 하부 DBR층은 제1 물질층 및 상기 제1 물질층의 굴절률보다 작은 굴절률을 가지는 제2 물질층을 포함하고, 상기 제2 하부 DBR층은 제3 물질층 및 상기 제3 물질층의 굴절률보다 작은 굴절률을 가지는 제4 물질층을 포함하며, 상기 제1 물질층 및 제3 물질층에 포함된 물질의 종류는 동일하고, 상기 제2 물질층 및 제4 물질층에 포함된 물질의 종류는 동일할 수 있다.
상기 활성층은 한 쌍의 GaAsxP1-x(0<x<1) 리드 배리어층을 포함할 수 있다.
상기 한 쌍의 GaAsxP1-x 리드 배리어층 사이에 GaAs 서브 배리어층 및 InyGa1-yAs(0<y<1) 우물층이 반복적으로 교호하여 적층될 수 있다.
다른 일 실시예는,
금속을 포함하는 기판, 상기 기판 상에 서로 이격되어 마련되고, 인가되는 전압에 따라 가변되는 굴절률을 가지는 복수 개의 공진기 및 상기 복수 개의 공진기 각각에 인가되는 전압을 조절하는 전압 조절부를 포함하는 광학 장치를 제공한다.
상기 각각의 공진기는, 상기 기판 상에 마련되고, 굴절률이 서로 다른 두 물질층이 반복적으로 교호하여 적층된 하부 DBR층, 상기 하부 DBR층 상에 마련되고, 다중양자우물구조를 가지는 반도체 물질을 포함하며, 인가 전압에 따라 가변되는 굴절률을 가지는 활성층 및 상기 활성층 상에 마련되고, 굴절률이 서로 다른 두 물질층이 반복적으로 교호하여 적층된 상부 DBR층을 포함할 수 있다.
다른 일 실시예는,
광원, 상기 광원으로부터 입사된 광의 진행 방향을 조절하여 피사체로 향하도록 하는 상기 광학 장치, 상기 피사체로부터 반사된 광을 수신하는 센서 및 상기 수신기가 수신한 광을 분석하는 프로세서를 포함하는 전자 장치를 제공한다.
상기 광학 장치에 포함된 제1 하부 DBR층의 물질층의 광학적 두께와 제2 하부 DBR층의 물질층의 광학적 두께는 동일할 수 있다.
상기 광학 장치에 포함된 제1 하부 DBR층은 제1 물질층 및 상기 제1 물질층의 굴절률보다 작은 굴절률을 가지는 제2 물질층을 포함하고, 제2 하부 DBR층은 제3 물질층 및 상기 제3 물질층의 굴절률보다 작은 굴절률을 가지는 제4 물질층을 포함하며, 상기 제1 물질층 및 제3 물질층에 포함된 물질의 종류는 동일하고, 상기 제2 물질층 및 제4 물질층에 포함된 물질의 종류는 동일할 수 있다.
본 개시는 DBR 및 반도체 물질을 포함하는 패브리-페로 공진기 하부에 반사층을 더 구비함으로써, 증가된 반사율을 가지는 광 변조 소자를 제공할 수 있다.
본 개시는 증가된 반사율을 가짐으로써 광 변조 효율이 증과된 광 변조 소자를 포함하는 광학 장치 및 전자 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 광 변조 소자를 간략하게 도시한 측단면도이다.
도 2는 도 1의 활성층의 굴절률 변화에 따른 광 변조 소자의 반사율과 입사광의 위상 시프트의 변화를 간략하게 나타낸 그래프이다.
도 3은 도 1의 광 변조 소자에 입사하는 입사광의 파장과 굴절률의 관계를 간략하게 도시한 그래프이다.
도 4는 도 1의 활성층의 구조를 간략하게 도시한 측단면도이다.
도 5는 도 1의 활성층의 구간별 에너지 레벨을 간략하게 나타낸 것이다.
도 6은 비교예에 따른 광 변조 소자를 간략하게 도시한 측단면도이다.
도 7은 도 6의 활성층의 굴절률 변화에 따른 광 변조 소자의 반사율과 입사광의 위상 시프트의 변화를 간략하게 나타낸 그래프이다.
도 8은 다른 비교예에 따른 광 변조 소자를 간략하게 도시한 측단면도이다.
도 9는 도 8의 활성층의 굴절률 변화에 따른 광 변조 소자의 반사율과 입사광의 위상 시프트의 변화를 간략하게 나타낸 그래프이다.
도 10은 일 실시예에 따른 광학 장치를 간략하게 도시한 측단면도이다.
도 11은 다른 일 실시예에 따른 광 변조 소자를 간략하게 도시한 평면도이다.
도 12는 도 11의 활성층의 굴절률 변화에 따른 광 변조 소자의 반사율과 입사광의 위상 시프트의 변화를 간략하게 나타낸 그래프이다.
도 13은 다른 일 실시예에 따른 광학 장치를 간략하게 도시한 측단면도이다.
도 14는 도 10의 광학 장치를 제조하는 방법의 일부를 도시한 것이다.
도 15는 도 10의 광학 장치를 제조하는 방법의 일부를 도시한 것이다.
도 16은 도 10의 광학 장치를 제조하는 방법의 일부를 도시한 것이다.
도 17은 도 10의 광학 장치를 제조하는 방법의 일부를 도시한 것이다.
도 18은 도 13의 광학 장치를 제조하는 방법의 일부를 도시한 것이다.
도 19는 도 13의 광학 장치를 제조하는 방법의 일부를 도시한 것이다.
도 20은 일 실시예에 따른 전자 장치의 개략적인 구성을 보이는 블록도이다
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 다양한 실시예에 따른 조명 장치 및 이를 포함하는 전자 장치에 대해 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다.
제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성 요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 조명 장치 및 이를 포함하는 전자 장치은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
이하에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위/아래/좌/우에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위/아래/좌/우에 있는 것도 포함할 수 있다. 이하 첨부된 도면을 참조하면서 오로지 예시를 위한 실시예에 의해 상세히 설명하기로 한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 일 실시예에 따른 광 변조 소자(1000)를 간략하게 도시한 측단면도이다. 도 2는 도 1의 활성층(300)의 굴절률 변화에 따른 광 변조 소자(1000)의 반사율과 입사광의 위상 시프트의 변화를 간략하게 나타낸 그래프이다. 도 3은 도 1의 광 변조 소자(1000)에 입사하는 입사광(IR)의 파장과 굴절률의 관계를 간략하게 도시한 그래프이다.
도 1을 참조하면, 광 변조 소자(1000)는 기판(100), 기판(100) 상에 마련되고, 굴절률이 서로 다른 두 물질층이 반복적으로 교호하여 적층된 하부 DBR층(200), 하부 DBR층(200) 상에 마련되고, 다중양자우물구조를 가지는 반도체 물질을 포함하며, 인가 전압에 따라 가변되는 굴절률을 가지는 활성층(300), 및 활성층(300) 상에 마련되고, 굴절률이 서로 다른 두 물질층이 반복적으로 교호하여 적층된 상부 DBR층(400)을 포함할 수 있다. 나아가, 광 변조 소자(1000)는 하부 DBR층(200)과 접촉하는 제1 전극(미도시) 및 상부 DBR층(400)과 접촉하는 제2 전극(미도시)을 더 포함할 수 있다.
하부 DBR층(200)과 상부 DBR층(400)은 패브리-페로 공진기를 형성한다. 상부 DBR층(400) 의 외부로부터의 입사광(IL)은 하부 DBR층(200)과 상부 DBR층(400)사이에서 공진할 수 있다. 이 때, 상부 DBR층(400)의 반사율은 하부 DBR층(200)의 반사율보다 낮을 수 있다. 이로 인해, 하부 DBR층(200)과 상부 DBR층(400) 사이에서 공진하던 광은 상부 DBR층(400) 통해 외부로 출력될 수 있다.
외부 전원으로부터 제1 전극 및 제2 전극 사이에 소정의 전압이 인가되면, 하부 DBR층(200) 및 상부 DBR층(400) 사이에 마련된 활성층(300)의 굴절률이 변할 수 있다. 이에 따라, 하부 DBR층(200)과 상부 DBR층(400) 사이에서 공진하는 광의 위상이 변하게 된다. 이에 따라, 입사광(IR)과 출력광(OR)의 위상은 서로 다를 수 있다.
나아가, 외부 전원으로부터 제1 전극 및 제2 전극 사이에 소정의 전압이 인가되면, 광전흡수(Electroabsorption)에 의해 공진하던 광의 일부가 활성층(300) 내에서 흡수된다. 이에 따라, 입사광(IR)과 출력광(OR)의 세기는 서로 다를 수 있다.
기판(100)은 하부 DBR층(200)과 상부 DBR층(400)에 의해 형성된 패브리-페로 공진기 하부에 마련될 수 있다. 기판(100)의 면적은 공진기의 면적보다 넓을 수 있다. 예를 들어, 기판(100)의 면적은 하부 DBR층(200), 활성층(300) 및 상부 DBR층(400)의 면적보다 넓을 수 있다. 기판(100)은 금속을 포함할 수 있다. 예를 들어, 기판(100)에 포함된 금속은 금(Au), 알루미늄(Al) 및 은(Ag) 중 어느 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 금속을 포함하는 기판(100)은 공진기를 투과하는 광을 반사키는 반사층의 역할을 할 수 있다. 이에 따라, 입사광(IR)에 대한 광 변조 소자(1000)의 반사율이 기판(100)이 금속을 포함하지 않았을 때에 비하여 증가할 수 있다. 예를 들어, 활성층(300)의 굴절률이 가변되는 동안, 광 변조 소자(1000)의 입사광(IR)에 대한 반사율이 60%이상으로 유지될 수 있다.
하부 및 상부 DBR층(200, 400)은 소정의 반사율을 가지는 반사층의 역할을 하며, 굴절률이 서로 다른 물질층의 쌍을 포함할 수 있다. 예를 들어, 하부 DBR층(200) 및 상부 DBR층(400)은 상대적으로 낮은 굴절률을 가지는 물질층과 상대적으로 높은 굴절률을 가지는 물질층이 반복적으로 교호하여 적층된 구조를 포함할 수 있다. 예를 들어, 하부 및 상부 DBR층(200, 400)은 반복적으로 교호하여 적층된 AlAs/Al0.5Ga0.5As 구조 또는 Al0.9Ga0.1As/Al0.3Ga0.7As 구조를 포함할 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, Al과 Ga의 비율은 변할 수 있다. 또한, 하부 및 상부 DBR층(200, 400)의 물질층은 위의 예시와 다른 전혀 다른 물질을 포함할 수 있다. 하부 또는 상부 DBR층(200, 400)에 특정 파장의 광이 입사하는 경우, 두 물질층의 경계면에서 반사가 일어난다. 이 때 반사되는 모든 광들의 위상차를 동일하게 하여, 반사광들의 보강 간섭이 일어나도록 함으로써 높은 반사율을 얻을 수 있다. 이를 위하여, 하부 및 상부 DBR층(200, 400)의 두 물질층의 광학적 두께(물리적 두께에 물질층의 굴절률을 곱한 값)를 각각 λ/4(λ는 입사되는 광의 파장)의 홀수 배로 형성한다. 하부 및 상부 DBR층(200, 400)은 두 물질층의 쌍이 반복되는 횟수가 늘어날수록 높은 반사율을 가지게 된다. 하부 DBR층(200)은 상부 DBR층(400) 보다 높은 반사율을 가질 수 있다. 이에 따라, 하부 DBR층(200)과 상부 DBR층(400) 사이에서 공진하던 광은 상부 DBR층(400)을 통해 외부로 출력될 수 있다.
활성층(300)의 전체적인 광학적 두께는 입사광의 파장의 정수배와 같도록 구성될 수 있다. 그러면 특정한 파장을 갖는 입사광만이 하부 및 상부 DBR층(200, 400) 사이에서 공진하면서 활성층(300) 내에 흡수될 수 있다. 활성층(300)의 구체적인 구조에 대해서는 도 4 및 5를 참조하여 후술한다.
도 2를 참조하면, 외부로부터 인가된 전압에 의한 활성층(300)의 굴절률이 증가함에 따라, 입사광(IR)의 위상 시프트(phase shift)도 증가하게 된다. 반면에, 활성층(300)의 굴절률이 변화하더라도, 입사광(IR)에 대한 광 변조 소자(1000)의 반사율의 변화폭은 비교적 크지 않다. 예를 들어, 굴절률이 0 내지 0.01 범위에서 변화하는 동안, 반사율은 최소 약 70% 내지 최고 약 99% 범위 안에 있다. 이처럼, 활성층(300)의 굴절률이 증가함에 따라, 비교적 변화가 크지 않은 높은 반사율을 가지며, 비교적 급격한 변화를 보이는 가변 위상 시프트를 가지는 광 변조 소자(1000)는 효율적인 광 변조를 할 수 있다.
도 3을 참조하면, 제1 곡선(1)은 입사광의 파장에 따른, 활성층(300)에 전압이 인가되기 전(인가 전압이 0V인 경우)과 인가된 전압이 9V인 경우의 굴절률의 실수부의 차이의 변화를 나타낸다. 제2 곡선(2)은 입사광의 파장에 따른, 활성층(300)에 전압이 인가되기 전의 굴절률의 허수부의 변화를 나타낸다. 제3 곡선(3)은 입사광의 파장에 따른, 활성층(300)에 9V의 전압이 인가된 경우의 굴절률의 허수부의 변화를 나타낸다. 굴절률의 허수부가 크다는 것은 입사광의 손실이 크다는 것을 의미한다. 입사광의 손실이 적으면서, 굴절률의 실수부의 변화가 큰 영역에서 광 변조가 일어나도록 하는 것이 광 변조 효율에 있어 유리할 수 있다. 예를 들어, 제1 영역(A)과 제2 영역(B)에 해당하는 파장을 가지는 입사광에 대하여 광 변조 소자를 형성하는 것이 광 변조에 있어 유리할 수 있다.
도 4는 도 1의 활성층(300)의 구조를 간략하게 도시한 측단면도이다. 도 5는 도 1의 활성층(300)의 구간별 상대적 에너지 레벨을 간략하게 나타낸 것이다.
활성층(300)은 한 쌍의 리드 배리어층(10, 11)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 한 쌍의 리드 배리어층(10, 11)은 하부 리드 배리어층(10)과 상부 리드 배리어층(11)을 포함할 수 있다. 하부 리드 배리어층(10) 및 상부 리드 배리어층(11) 각각은 GaAsxP1-x(0<x<1)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 하부 리드 배리어층(10) 및 상부 리드 배리어층(11) 각각은 GaAs0.6P0.4를 포함할 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니고, 하부 및 상부 리드 배리어층(10, 11)은 GaAsxP1-x 이외의 다른 물질을 포함할 수도 있다. 하부 리드 배리어층(10) 및 상부 리드 배리어층(11) 각각의 두께는 5.8nm일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
하부 리드 배리어층(10) 및 상부 리드 배리어층(11) 사이에는 GaAs 서브 배리어층(13, 15) 및 InyGa1-yAs(0<y<1) 우물층(12, 14, 16)이 반복적으로 교호하여 적층될 수 있다. 예를 들어, InyGa1-yAs(0<y<1)를 포함하는 제1 우물층(12), GaAs를 포함하는 제1 서브 배리어층(13), InzGa1-zAs(0<z<1)를 포함하는 제2 우물층(14), GaAs를 포함하는 제2 서브 배리어층(15) 및 InyGa1-yAs(0<y<1)를 포함하는 제3 우물층(16)이 순서대로 적층된 구조가 하부 배리어층(10) 및 상부 배리어층(11) 사이에 마련될 수 있다. 도 4에는 두 개의 서브 배리어층(13, 15)과 세 개의 우물층(12, 14, 16)이 도시되었으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 서브 배리어층의 개수는 두 개 이상일 수 있고, 우물층의 개수는 세 개 이상일 수 있다. 또한, 서브 배리어층 없이, 하부 리드 배리어층(10) 및 상부 리드 배리어층(11) 사이에 우물층만이 마련될 수도 있다. 한편, 서브 배리어층(13, 15)은 GaAs 이외의 다른 물질을 포함할 수도 있으며, 우물층(12, 14, 16)은 InyGa1-yAs 이외의 다른 물질을 포함할 수도 있다.
하부 리드 배리어층(10) 상에는 In yGa1-yAs(0<y<1)을 포함하는 제1 우물층(12)이 마련될 수 있다. 예를 들어, y값은 0.1일 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니고, In 및 Ga의 비율은 다양할 수 있다. 제1 우물층(12)의 두께는 하부 리드 배리어층(10)의 두께보다 얇을 수 있다. 예를 들어, 제1 우물층(12)의 두께는 2.0nm일 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니며, 제1 우물층(12)의 두께는 하부 리드 배리어층(10)의 두께보다 두껍거나 같을 수 있다.
제1 우물층(12) 상에는 GaAs를 포함하는 제1 서브 배리어층(13)이 마련될 수 있다. 제1 서브 배리어층(13)의 두께는 제1 우물층(12)의 두께보다 얇을 수 있다. 예를 들어, 제1 서브 배리어층(13)의 두께는 1.5nm일 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니며 제1 서브 배리어층(13)의 두께는 제1 우물층(12)의 두께보다 두껍거나 같을 수 있다.
제1 서브 배리어층(13) 상에는 InzGa1-zAs(0<z<1)를 포함하는 제2 우물층(14)이 마련될 수 있다. z값은 y값과 서로 다를 수 있다. 예를 들어, z값은 0.15일 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니고, In 및 Ga의 비율은 다양할 수 있다. 예를 들어, z값과 y값은 동일할 수 있다. 제2 우물층(14)의 두께는 제1 우물층(12)의 두께보다 두꺼울 수 있다. 예를 들어, 제2 우물층(14)의 두께는 5nm일 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니며 제2 우물층(14)의 두께는 제1 우물층(12) 두께보다 얇거나 같을 수 있다.
제2 우물층(14) 상에는 GaAs를 포함하는 제2 서브 배리어층(15)이 마련될 수 있다. 제2 서브 배리어층(15)의 두께는 제1 서브 배리어층(13)의 두께와 같을 수 있다. 예를 들어, 제2 서브 배리어층(15)의 두께는 1.5nm일 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니며 제2 서브 배리어층(15)의 두께는 제1 서브 배리어층(13)의 두께와 서로 다를 수 있다.
제2 서브 배리어층(15) 상에는 InyGa1-yAs(0<y<1)을 포함하는 제3 우물층(16)이 더 마련될 수 있다. 예를 들어, y값은 0.1일 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니고, In 및 Ga의 비율은 다양할 수 있다. 제3 우물층(16)의 두께는 제1 우물층(12)의 두께와 같을 수 있다. 예를 들어, 제3 우물층(16)의 두께는 2.0nm일 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니며, 제3 우물층(16)의 두께는 제1 우물층(12)의 두께와 서로 다를 수 있다.
도 5를 참조하면, 각기 고유의 에너지 레벨을 가지는 하부 리드 배리어층(10), 제1 우물층(12), 제1 서브 배리어층(13), 제2 우물층(14), 제2 서브 배리어층(15), 제2 우물층(16) 및 상부 리드 배리어층(11)이 순서대로 적층된 구조에 따라, 복수 개의 양자우물구조(w1, w2, w3)가 형성될 수 있다.
예를 들어, 2.0nm 두께의 제1 우물층(12)의 에너지 레벨은, 인접한 5.8nm 두께의 제1 하부 리드 배리어층(10)과 1.5nm 두께의 제1 서브 배리어층(13)의 에너지 레벨보다 낮을 수 있고, 이러한 에너지 레벨의 차이에 의해 제1 양자우물구조(w1)가 형성될 수 있다. 또한, 5.0nm 두께의 제2 우물층(14)의 에너지 레벨은, 인접한 1.5nm 두께의 제1 서브 배리어층(13) 및 1.5nm 두께의 제2 서브 배리어층(15)의 에너지 레벨보다 낮을 수 있고, 이러한 에너지 레벨의 차이에 의해 제2 양자우물구조(w2)가 형성될 수 있다. 나아가, 2.0nm 두께의 제3 우물층(16)의 에너지 레벨은, 인접한 1.5nm 두께의 제2 서브 배리어층(15)과 5.8nm 두께의 상부 리드 배리어층(11)의 에너지 레벨보다 낮을 수 있고, 이러한 에너지 레벨의 차이에 의해 제3 양자우물구조(w3)가 형성될 수 있다. 도 5에는 세 개의 양자우물구조가 도시되었으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 양자우물구조의 개수는 세 개보다 적거나, 많을 수 있다.
도 6은 비교예에 따른 광 변조 소자(1001)를 간략하게 도시한 측단면도이다. 도 7은 도 6의 활성층(301)의 굴절률 변화에 따른 광 변조 소자(1001)의 반사율과 입사광의 위상 시프트의 변화를 간략하게 나타낸 그래프이다.
광 변조 소자(1001) 광 변조 소자(1001)의 구성 요소는 기판(101)을 제외하고 도 1의 광 변조 소자(1000)의 구성 요소와 동일할 수 있다. 이에 따라, 도 6을 설명함에 있어, 도 1과 중복되는 내용은 생략한다.
도 6을 참조하면, 광 변조 소자(1001)는 기판(101), 기판(101) 상에 형성되고, 하부 DBR층(201), 활성층(301) 및 상부 DBR층(401)이 순서대로 적층되어 형성된 공진기를 포함할 수 있다.
기판(101)은 Ⅲ-Ⅴ족 반도체 물질을 포함할 수 있다. 이에 따라, 기판(101) 상에 형성되는 하부 DBR층(201)을 에피텍셜 성장시키는 데에 유리할 수 있다. 다만, 기판(101)이 금속을 포함하고 있지 않으므로, 도 1의 광 변조 소자(1000)에 비해 광 변조 소자(1001)의 반사율은 낮을 수 있다. 예를 들어, 도 7을 참조하면, 활성층(301)의 굴절률이 변화하는 동안, 광 변조 소자(1001)의 입사되는 광에 대한 반사율이 20% 이하로 유지될 수 있다. 비록, 활성층(301)의 굴절률이 변화하는 동안, 위상 시프트의 변화도 증가하는 추세를 보이나, 반사율이 낮기 때문에, 광 변조 소자(1001)의 광 변조 효율은 도 1의 광 변조 소자(1000)의 광 변조 효율보다 낮을 수 있다.
도 8은 다른 비교예에 따른 광 변조 소자(1002)를 간략하게 도시한 측단면도이다. 도 9는 도 8의 활성층(302)의 굴절률 변화에 따른 광 변조 소자(1002)의 반사율과 입사광의 위상 시프트의 변화를 간략하게 나타낸 그래프이다.
광 변조 소자(1002)에 포함된 활성층(302) 및 상부 DBR층(402)은 도 1의 활성층(300) 및 상부 DBR층(400)과 동일할 수 있다. 이에 따라, 도 8을 설명함에 있어, 도 1과 중복되는 내용은 생략한다.
도 8을 참조하면, 광 변조 소자(1002)는 기판(102), 기판(102) 상에 순서대로 적층된 활성층(302) 및 상부 DBR층(402)을 포함할 수 있다. 광 변조 소자(1002)는 도 1의 광 변조 소자(1000)와 달리, 하부 DBR층을 포함하지 않는다.
기판(102)은 금속을 포함할 수 있다. 예를 들어, 기판(102)은 금(Au), 알루미늄(Al), 은(Ag) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 기판(102) 상에 활성층(302)이 바로 적층되므로, 기판(102)이 공진기의 일부가 될 수 있다. 이에 따라, 입사광(IR)은 상부 DBR층(402)과 기판(102) 사이에서 공진할 수 있다.
도 9를 참조하면, 광 변조 소자(1002)의 반사율의 변화폭은 도 1의 광 변조 소자(1000)의 반사율의 변화폭보다 클 수 있다. 예를 들어, 활성층(302)의 굴절률이 변화하는 동안, 광 변조 소자(1002)의 반사율은 최소 약 20% 내지 최고 약 90% 범위 안에 있다. 비록, 활성층(302)의 굴절률이 변화하는 동안, 위상 시프트의 변화도 증가하는 추세를 보이나, 이처럼 큰 변화폭의 반사율을 가지는 광 변조 소자(1002)의 광 변조 효율은 도 1의 광 변조 소자(1000)의 광 변조 효율보다 낮을 수 있다.
도 10은 일 실시예에 따른 광학 장치(2000)를 간략하게 도시한 측단면도이다. 도 10에 도시된 하부 DBR층(220), 활성층(320) 및 상부 DBR층(420)은 도 1의 하부 DBR층(200), 활성층(300) 및 상부 DBR층(400)과 동일할 수 있다. 도 10을 설명함에 있어, 도 1과 중복되는 내용은 생략한다.
도 10을 참조하면, 광학 장치(2000)는 기판(120) 및 기판(120) 상에 서로 이격되어 마련되고, 인가되는 전압에 따라 가변되는 굴절률을 가지는 복수 개의 공진기(예를 들어, 제1 공진기(20), 제2 공진기(30), 제3 공진기(40))를 포함할 수 있다. 나아가, 광학 장치(2000)는 제1 공진기(20), 제2 공진기(30), 제3 공진기(40)에 인가되는 전압을 조절하는 전압 조절부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 도 10에는 세 개의 공진기가 도시되었으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 공진기는 세 개 보다 많을 수 있다.
기판(120)은 도 1의 기판(100)과 동일할 수 있다. 예를 들어, 기판(120)은 금속을 포함할 수 있다. 금속은 금(Au), 알루미늄(Al), 은(Ag) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 금속을 포함하는 기판(120)은 복수 개의 공진기(20, 30, 40)를 투과하는 광을 반사키는 반사층의 역할을 할 수 있다. 이에 따라, 입사광에 대한 광학 장치(2000)의 반사율이 기판(120)이 금속을 포함하지 않았을 때에 비하여 증가할 수 있다.
기판(120) 상에는 복수 개의 공진기가 일정한 간격으로 이격되어 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 공진기(20), 제2 공진기(30) 및 제3 공진기(40)가 기판(120) 상에 서로 이격되어 형성됨으로써 공진기 어레이가 형성될 수 있다. 각각의 공진기는 기판(120) 상에 마련되고, 굴절률이 서로 다른 두 물질층이 반복적으로 교호하여 적층된 하부 DBR층(220), 하부 DBR층(220) 상에 마련되고, 다중양자우물구조를 가지는 반도체 물질을 포함하며, 인가 전압에 따라 가변되는 굴절률을 가지는 활성층(320) 및 활성층(320) 상에 마련되고, 굴절률이 서로 다른 두 물질층이 반복적으로 교호하여 적층된 상부 DBR층(420)을 포함할 수 있다.
전압 조절부는 각각의 공진기에 인가되는 전압이 서로 다른 값을 같도록 조절할 수 있다. 이에 따라, 기판(120) 상에 서로 이격되어 형성된 제1 공진기(20), 제2 공진기(30) 및 제3 공진기(40)가 서로 다른 굴절률을 가질 수 있다. 이와 같이, 공진기 어레이에 포함된 복수 개의 공진기(20, 30, 40)의 굴절률을 조절함으로써, 광학 장치(2000)에 입사되는 광의 위상을 변화시킬 수 있다.
광학 장치(2000)는 라이다(lidar), 공간 광 변조기(spatial light modulator; SLM), 마이크로디스플레이(micro-display), 홀로그래피(holography) 기술 등에 적용될 수 있다.
도 11은 다른 일 실시예에 따른 광 변조 소자(1003)를 간략하게 도시한 평면도이다. 도 12는 도 11의 활성층(303)의 굴절률 변화에 따른 광 변조 소자(1003)의 반사율과 입사광의 위상 시프트의 변화를 간략하게 나타낸 그래프이다.
도 11을 참조하면, 광 변조 소자(1003)는 기판(103), 기판(103) 상에 마련되고, 굴절률이 서로 다른 두 물질층이 반복적으로 교호하여 적층된 하부 DBR층(203), 하부 DBR층(203) 상에 마련되고, 다중양자우물구조를 가지는 반도체 물질을 포함하며, 인가 전압에 따라 가변되는 굴절률을 가지는 활성층(303), 및 활성층(303) 상에 마련되고, 굴절률이 서로 다른 두 물질층이 반복적으로 교호하여 적층된 상부 DBR층(403)을 포함할 수 있다. 나아가, 광 변조 소자(1003)는 하부 DBR층(203)과 접촉하는 제1 전극(미도시) 및 상부 DBR층(403)과 접촉하는 제2 전극(미도시)을 더 포함할 수 있다.
하부 DBR층(203)은 기판(103) 상에 마련되고, 굴절률이 서로 다른 두 물질층(예를 들어, 제1 물질층(41), 제2 물질층(42))이 반복적으로 교호하여 적층된 제1 하부 DBR층(213) 및 제1 하부 DBR층(213) 상에 마련되고, 굴절률이 서로 다른 두 물질층(예를 들어, 제3 물질층(43), 제4 물질층(44))이 반복적으로 교호하여 적층되어 형성되며, 제1 하부 DBR층(213)의 면적보다 좁은 면적을 가지는 제2 하부 DBR층(223)을 포함할 수 있다. 제1 물질층(41)의 굴절률은 제2 물질층(42)의 굴절률보다 작을 수 있다. 또는 반대로, 제2 물질층(42)의 굴절률이 제1 물질층(41)의 굴절률보다 작을 수 있다. 제3 물질층(43)의 굴절률은 제4 물질층(44)의 굴절률보다 작을 수 있다. 또는 반대로, 제4 물질층(44)의 굴절률이 제3 물질층(43)의 굴절률보다 작을 수 있다. 제1 물질층(41)과 제3 물질층(43)에 포함된 물질의 종류는 동일할 수 있다. 또한, 제2 물질층(42)과 제4 물질층(44)에 포함된 물질의 종류는 동일할 수 있다. 한편, 제1 물질층(41), 제2 물질층(42), 제3 물질층(43) 및 제4 물질층(44)의 광학적 두께는 동일할 수 있다.
제2 하부 DBR층(223)과 상부 DBR층(403)은 패브리-페로 공진기를 형성한다. 상부 DBR층(403)의 외부로부터의 입사광(IL)은 제2 하부 DBR층(223)과 상부 DBR층(403)사이에서 공진할 수 있다. 이 때, 상부 DBR층(403)의 반사율은 제2 하부 DBR층(223)의 반사율보다 낮을 수 있다. 이로 인해, 제2 하부 DBR층(223)과 상부 DBR층(403) 사이에서 공진하던 광은 상부 DBR층(403)을 통해 외부로 출력될 수 있다.
외부 전원으로부터 제1 전극 및 제2 전극 사이에 소정의 전압이 인가되면, 제2 하부 DBR층(223) 및 상부 DBR층(403) 사이에 마련된 활성층(303)의 굴절률이 변할 수 있다. 이에 따라, 제2 하부 DBR층(223)과 상부 DBR층(403) 사이에서 공진하는 광의 위상이 변하게 된다. 이에 따라, 입사광(IR)과 출력광(OR)의 위상은 서로 다를 수 있다.
나아가, 외부 전원으로부터 제1 전극 및 제2 전극 사이에 소정의 전압이 인가되면, 광전흡수(Electroabsorption)에 의해 공진하던 광의 일부가 활성층(303) 내에서 흡수된다. 이에 따라, 입사광(IR)과 출력광(OR)의 세기는 서로 다를 수 있다.
한편, 제1 하부 DBR층(213)의 면적은 제2 하부 DBR층(223)의 면적보다 넓을 수 있다. 제1 하부 DBR층(213)은 제2 하부 DBR층(223)과 상부 DBR층(403)에 의해 형성된 공진기를 투과하는 광을 반사키는 반사층의 역할을 할 수 있다. 이에 따라, 입사광(IR)에 대한 광 변조 소자(1003)의 반사율이 제1 하부 DBR층(213)을 구비하지 않은 경우에 비하여 증가할 수 있다. 예를 들어, 활성층(300)의 굴절률이 가변되는 동안, 광 변조 소자(1003)의 입사광(IR)에 대한 반사율이 60%이상으로 유지될 수 있다.
기판(103)은 제1 하부 DBR층(213) 하부에 마련될 수 있다. 기판(103)은 Ⅲ-Ⅴ족 반도체 물질을 포함할 수 있다. Ⅲ-Ⅴ족 반도체 물질은 단결정 구조를 가질 수 있다. 이에 따라, 기판(103) 상에 형성되는 제1 하부 DBR층(213)을 에피텍셜 성장시키는 데에 유리할 수 있다.
제1 하부 DBR층(213), 제2 하부 DBR층(223) 및 상부 DBR층(403)은 소정의 반사율을 가지는 반사층의 역할을 하며, 굴절률이 서로 다른 물질층의 쌍을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 하부 DBR층(213), 제2 하부 DBR층(223) 및 상부 DBR층(403)은 상대적으로 낮은 굴절률을 가지는 물질층과 상대적으로 높은 굴절률을 가지는 물질층이 반복적으로 교호하여 적층된 구조를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 하부 DBR층(213), 제2 하부 DBR층(223) 및 상부 DBR층(403)은 반복적으로 교호하여 적층된 AlAs/Al0.5Ga0.5As 구조 또는 Al0.9Ga0.1As/Al0.3Ga0.7As 구조를 포함할 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, Al과 Ga의 비율은 변할 수 있다. 또한, 제1 하부 DBR층(213), 제2 하부 DBR층(223) 및 상부 DBR층(403)은 물질층은 위의 예시와 다른 전혀 다른 물질을 포함할 수 있다. 제1 하부 DBR층(213), 제2 하부 DBR층(223) 및 상부 DBR층(403)의 물질층의 광학적 두께(물리적 두께에 물질층의 굴절률을 곱한 값)를 각각 λ/4(λ는 입사되는 광의 파장)의 홀수 배로 형성할 수 있다. 제1 하부 DBR층(213), 제2 하부 DBR층(223) 및 상부 DBR층(403)은 두 물질층의 쌍이 반복되는 횟수가 늘어날수록 높은 반사율을 가지게 된다. 제2 하부 DBR층(223)은 상부 DBR층(403) 보다 높은 반사율을 가질 수 있다. 이에 따라, 제2 하부 DBR층(223)과 상부 DBR층(403) 사이에서 공진하던 광은 상부 DBR층(403)을 통해 외부로 출력될 수 있다.
활성층(303)은 도 1, 도 4 및 도 5를 참조하여 설명한 활성층(300)과 동일할 수 있다. 이에 따라, 활성층(303)에 대한 설명은 생략한다.
도 12를 참조하면, 외부로부터 인가된 전압에 의한 활성층(303)의 굴절률이 증가함에 따라, 입사광(IR)의 위상 시프트(phase shift)도 증가하게 된다. 반면에, 활성층(303)의 굴절률이 변화하더라도, 입사광(IR)에 대한 광 변조 소자(1003)의 반사율의 변화폭은 비교적 크지 않다. 예를 들어, 굴절률이 0 내지 0.01 범위에서 변화하는 동안, 반사율은 최소 약 60% 내지 최고 약 99% 범위 안에 있다. 이처럼, 활성층(303)의 굴절률이 증가함에 따라, 비교적 변화가 크지 않은 높은 반사율을 가지며, 비교적 급격한 변화를 보이는 가변 위상 시프트를 가지는 광 변조 소자(1003)는 효율적인 광 변조를 할 수 있다.
도 13은 일 실시예에 따른 광학 장치(3000)를 간략하게 도시한 측단면도이다. 도 13에 도시된 제1 하부 DBR층(231), 제2 하부 DBR층(232), 활성층(330) 및 상부 DBR층(430)은 도 11의 제1 하부 DBR층(213), 제2 하부 DBR층(223), 활성층(320) 및 상부 DBR층(420)과 동일할 수 있다. 도 13을 설명함에 있어, 도 11과 중복되는 내용은 생략한다.
도 13을 참조하면, 광학 장치(3000)는 기판(130), 기판(130) 상에 마련되고, 굴절률이 서로 다른 두 물질층이 반복적으로 교호하여 적층된 제1 하부 DBR층(231) 및 제1 하부 DBR층(231) 상에 서로 이격되어 마련되고, 인가되는 전압에 따라 가변되는 굴절률을 가지는 복수 개의 공진기(예를 들어, 제1 공진기(50), 제2 공진기(60), 제3 공진기(70))를 포함할 수 있다. 나아가, 광학 장치(3000)는 제1 공진기(50), 제2 공진기(60), 제3 공진기(70)에 인가되는 전압을 조절하는 전압 조절부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 도 13에는 세 개의 공진기가 도시되었으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 공진기는 세 개 보다 많을 수 있다.
기판(130)은 도 11의 기판(103)과 동일할 수 있다. 예를 들어, 기판(103)은 Ⅲ-Ⅴ족 반도체 물질을 포함할 수 있다. Ⅲ-Ⅴ족 반도체 물질은 단결정 구조를 가질 수 있다. 이에 따라, 기판(130) 상에 형성되는 제1 하부 DBR층(231)을 에피텍셜 성장시키는 데에 유리할 수 있다.
기판(130) 상에는 복수 개의 공진기가 일정한 간격으로 이격되어 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 공진기(50), 제2 공진기(60) 및 제3 공진기(70)가 기판(130) 상에 서로 이격되어 형성됨으로써 공진기 어레이가 형성될 수 있다. 각각의 공진기는 제1 하부 DBR층(231) 상에 마련되고, 굴절률이 서로 다른 두 물질층이 반복적으로 교호하여 적층되어 형성되며, 제1 하부 DBR층(231)의 면적보다 좁은 면적을 가지는 제2 하부 DBR층(232), 제2 하부 DBR층(232) 상에 마련되고, 다중양자우물구조를 가지는 반도체 물질을 포함하며, 인가 전압에 따라 가변되는 굴절률을 가지는 활성층(330)및 활성층(330) 상에 마련되고, 굴절률이 서로 다른 두 물질층이 반복적으로 교호하여 적층된 상부 DBR층(430)을 포함할 수 있다.
전압 조절부는 각각의 공진기에 인가되는 전압이 서로 다른 값을 같도록 조절할 수 있다. 이에 따라, 기판(130) 상에 서로 이격되어 형성된 제1 공진기(50), 제2 공진기(60) 및 제3 공진기(70)가 서로 다른 굴절률을 가질 수 있다. 이와 같이, 공진기 어레이에 포함된 복수 개의 공진기(50, 60, 70)의 굴절률을 조절함으로써, 광학 장치(3000)에 입사되는 광의 위상을 변화시킬 수 있다.
광학 장치(3000)는 라이다(lidar), 공간 광 변조기(spatial light modulator; SLM), 마이크로디스플레이(micro-display), 홀로그래피(holography) 기술 등에 적용될 수 있다.
도 14 내지 도 17은 도 10의 광학 장치(2000)를 제조하는 방법을 순서대로 도시한 것이다.
도 14를 참조하면, 기판(140) 상에 제1 DBR층(240), 활성층(340) 및 제2 DBR층(440)을 순서대로 적층할 수 있다. 제1 DBR층(240) 및 제2 DBR층(440)은 굴절률이 서로 다른 물질층을 반복적으로 교호하여 적층함으로써 형성할 수 있다. 물질층이 포함할 수 있는 물질은 도 1을 참조하여 설명한 바와 같다. 활성층(340)은 다중양자우물구조를 포함하는 반도체 물질을 포함할 수 있다. 활성층(340)이 포함할 수 있는 물질은 도 1을 참조하여 설명한 바와 같다.
도 15를 참조하면, 제2 DBR층(440) 상에 메탈층(540)을 형성할 수 있다.
도 16을 참조하면, 기판(140)을 제1 DBR층(240)으로부터 분리시켜 제거할 수 있다.
도 17을 참조하면, 제1 DBR층(240), 활성층(340) 및 제2 DBR층(440)을 패터닝하여 복수 개의 공진기(80)를 형성할 수 있다.
도 14 내지 도 17에 도시된 일련의 제조 방법을 통해 형성된 구조는 도 10의 광학 장치(2000)와 동일한 구조일 수 있다. 이 경우, 메탈층(540)은 도 10의 기판(120)에 대응되는 구조일 수 있다.
도 18 내지 도 19는 도 13의 광학 장치(3000)를 제조하는 방법을 순서대로 도시한 것이다.
도 18을 참조하면, 기판(150) 상에 제3 DBR층(250), 활성층(350) 및 제4 DBR층(450)을 순서대로 적층할 수 있다. 제3 DBR층(250) 및 제4 DBR층(450)은 굴절률이 서로 다른 물질층을 반복적으로 교호하여 적층함으로써 형성할 수 있다. 제3 DBR층(250)의 두께는 제4 DBR층(450)의 두께보다 두꺼울 수 있다. 물질층이 포함할 수 있는 물질은 도 1을 참조하여 설명한 바와 같다. 활성층(350)은 다중양자우물구조를 포함하는 반도체 물질을 포함할 수 있다. 활성층(350)이 포함할 수 있는 물질은 도 1을 참조하여 설명한 바와 같다.
도 19를 참조하면, 제3 DBR층(240), 활성층(340) 및 제4 DBR층(440)을 패터닝하여 복수 개의 공진기(90)를 형성할 수 있다. 예를 들어, 제3 DBR층(240), 활성층(340) 및 제4 DBR층(440)을 에칭하여 패터닝할 수 있다. 이 경우, 제3 DBR층(250)의 일부만을 에칭함으로써, 하부 제3 DBR층(251)과 상부 제3 DBR층(252)을 형성할 수 있다. 하부 제3 DBR층(251)의 면적은 상부 제3 DBR층(252)의 면적보다 넓을 수 있다. 이에 따라, 공진기(90)는 상부 제3 DBR층(252), 활성층(350) 및 상부 DBR층(450)을 포함할 수 있다.
도 18 및 도 19에 도시된 일련의 제조 방법을 통해 형성된 구조는 도 13의 광학 장치(3000)와 동일한 구조일 수 있다.
도 20은 일 실시예에 따른 전자 장치(4000)의 개략적인 구성을 보이는 블록도이다.
도 20을 참조하면, 전자 장치(4000)는 광원(4100), 광원(4100)으로부터 입사된 광의 진행 방향을 조절하여 피사체(OBJ)로 향하도록 하는 광학 장치(4200), 피사체(OBJ)로부터의 광을 수신하는 센서(4300) 및 센서(4300)가 수신한 광을 분석하는 프로세서(4400)를 포함할 수 있다. 또한, 전자 장치(4000)는 프로세서(4400)의 실행을 위한 코드나 데이터가 저장되는 메모리(4500)를 더 포함할 수 있다.
광원(4100)은 LED 혹은 레이저 광을 방출하는 레이저 다이오드를 포함할 수있다. 광원(4100)은 수직 공진형 표면 발광 레이저(Vertical Cavity Surface Emitting Laser; VCSEL)를 포함할 수 있다. 또한, 광원(4100)은 분포 궤환형 레이저(Distributed feedback laser; DFB)를 포함할 수 있다. 광원(4100)은 예를 들어, Ⅲ?-Ⅴ족 반도체 물질 또는 Ⅱ?-Ⅵ족 반도체 물질로 이루어지고 다중 양자 우물 구조(multi-quantum well structure)를 가지는 활성층을 포함할 수 있으며, 다만 이에 한정되는 것은 아니다. 광원(4100)은 대략 850 nm 또는 940nm의 레이저 광을 출사할 수 있고, 또는, 근적외선 혹은 가시광 파장대역의 광을 출사할 수 있다. 광원(4100)이 출사하는 광의 파장은 특별히 한정되지 않으며, 원하는 파장 대역의 광을 출사하는 광원(4100)이 사용될 수 있다.
광학 장치(4200)는 전술한 실시예들 중 어느 하나의 광학 장치(2000, 3000), 이들의 조합, 변형된 형태가 채용될 수 있다.
센서(4300)는 피사체(OBJ)에 의해 반사된 광(Lr)을 센싱한다. 센서(4300)는 광 검출 요소들의 어레이를 포함할 수 있다. 센서(4300)는 피사체(OBJ)로부터 반사된 광을 파장별로 분석하기 위한 분광 소자를 더 포함할 수도 있다.
프로세서(4400)는 센서(4300)에서 수광한 광으로부터 피사체(OBJ)에 대한 정보 획득을 위한 연산을 수행할 수 있다. 프로세서(4400)는 피사체(OBJ)에 대한 정보 획득, 예를 들어, 2차원 또는 3차원 영상 정보를 획득 및 처리할 수 있다. 또한, 프로세서(4400)는 전자 장치(4000) 전체의 처리 및 제어를 총괄할 수 있다. 프로세서(4400)는 그 외, 광원(4100) 구동이나 센서(4300)의 동작 등을 전반적으로 제어할 수 있다. 또한, 프로세서(4400)는 광학 장치(4200)에 포함되어 있는 전압 조절부(미도시)의 구동을 제어할 수 있다. 프로세서(4400)는 또한, 피사체(OBJ)로부터 획득한 정보에 근거하여 사용자 인증 등의 여부를 판단할 수 있고, 기타, 다른 어플리케이션을 실행할 수도 있다.
프로세서(4400)에서의 연산 결과, 즉, 피사체(OBJ)의 형상, 위치에 대한 정보는 필요에 따라 다른 기기나 유닛으로 전송될 수도 있다. 예를 들어, 피사체(OBJ)에 대한 정보를 사용하는 다른 전자 기기의 제어부에 피사체(OBJ)에 대한 정보가 전송될 수 있다. 결과가 전송되는 다른 유닛은 결과를 출력하는 디스플레이 장치나 프린터일 수도 있다. 이외에도, 스마트폰, 휴대폰, PDA(personal digital assistant), 랩톱(laptop), PC, 다양한 웨어러블(wearable) 기기 및 기타 모바일 또는 비모바일 컴퓨팅 장치일 수 있으며, 이에 제한되지 않는다.
메모리(4500)에는 프로세서(4400)에서의 실행을 위한 코드가 저장될 수 있다. 메모리(4500)에는 이외에도, 전자 장치(4000)가 실행하는 다양한 실행 모듈들, 이를 위한 데이터들이 저장될 수 있다. 예를 들어, 프로세서(4000)가 피사체(OBJ)의 정보 획득을 위한 연산에 사용되는 프로그램 코드가 저장될 수 있고, 피사체(OBJ)의 정보를 활용하여 실행할 수 있는 어플리케이션 모듈 등의 코드가 저장될 수 있다. 또한, 전자 장치(4000)에 추가적으로 구비될 수 있는 장치를 구동하기 위한 프로그램으로, 통신 모듈, 카메라 모듈, 동영상 재생 모듈, 오디오 재생 모듈, 등이 더 저장될 수 있다.
메모리(4500)는 플래시 메모리 타입(flash memory type), 하드디스크 타입(hard disk type), 멀티미디어 카드 마이크로 타입(multimedia card micro type), 카드 타입의 메모리(예를 들어 SD 또는 XD 메모리 등), 램(RAM, Random Access Memory), SRAM(Static Random Access Memory), 롬(ROM, Read-Only Memory), EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory), PROM(Programmable Read-Only Memory), 자기 메모리, 자기 디스크, 광디스크 중 적어도 하나의 타입의 저장매체를 포함할 수 있다.
전자 장치(4000)는 예를 들어, 휴대용 이동 통신 기기, 스마트 폰(smart phone), 스마트 워치(smart watch), PDA(personal digital assistant), 랩톱(laptop), PC, 및 기타 모바일 또는 비모바일 컴퓨팅 장치에 포함될 수 있으며, 이에 제한되지 않는다. 또한, 전자 장치(4000)는 무인자동차, 자율주행차, 로봇, 드론 등과 같은 자율 구동 기기, 또는 사물 인터넷 기기에 포함될 수 있다.
본 실시예에서 설명하는 특정 실행들은 예시들로서, 어떠한 방법으로도 기술적 범위를 한정하는 것은 아니다. 명세서의 간결함을 위하여, 종래 전자적인 구성들, 제어 시스템들, 소프트웨어, 상기 시스템들의 다른 기능적인 측면들의 기재는 생략될 수 있다. 또한, 도면에 도시된 구성 요소들 간의 선들의 연결 또는 연결 부재들은 기능적인 연결 및/또는 물리적 또는 회로적 연결들을 예시적으로 나타낸 것으로서, 실제 장치에서는 대체 가능하거나 추가의 다양한 기능적인 연결, 물리적인 연결, 또는 회로 연결들로서 나타내어질 수 있다.
지금까지, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 예시적인 실시예가 설명되고 첨부된 도면에 도시되었다. 그러나, 이러한 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이고 이를 제한하지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 그리고 본 발명은 도시되고 설명된 설명에 국한되지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 이는 다양한 다른 변형이 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일어날 수 있기 때문이다.
10, 11: 리드 배리어층
12, 14, 16: 우물층
13, 15: 서브 배리어층
20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90: 공진기
41, 42, 43, 44: 물질층
100, 101, 102, 120, 103, 130, 140, 150: 기판
200, 201, 220, 203, 230: 하부 DBR층
213, 231: 제1 하부 DBR층
223, 232: 제2 하부 DBR층
240: 제1 DBR층
250: 제3 DBR층
251: 하부 제3 DBR층
252: 상부 제3 DBR층
440: 제2 DBR층
450: 제4 DBR층
300, 301, 302, 320, 303, 330, 340: 활성층
400, 401, 402, 420, 403, 430: 상부 DBR층
540: 메탈층
2000, 3000, 4200: 광학 장치
4000: 전자 장치
4100: 광원
4300: 센서
4400: 프로세서
4500: 메모리
OR: 출력광
IR: 입사광
W1: 제1 양자우물구조
W2: 제2 양자우물구조
W3: 제3 양자우물구조

Claims (20)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 마련되고, 굴절률이 서로 다른 두 물질층이 반복적으로 교호하여 적층된 제1 하부 DBR층;
    상기 제1 하부 DBR층 상에 마련되고, 굴절률이 서로 다른 두 물질층이 반복적으로 교호하여 적층되어 형성되며, 상기 제1 하부 DBR층의 면적보다 좁은 면적을 가지는 제2 하부 DBR층;
    상기 제2 하부 DBR층 상에 마련되고, 다중양자우물구조를 가지는 반도체 물질을 포함하며, 인가 전압에 따라 가변되는 굴절률을 가지는 활성층; 및
    상기 활성층 상에 마련되고, 굴절률이 서로 다른 두 물질층이 반복적으로 교호하여 적층된 상부 DBR층; 을 포함하는 광 변조 소자.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 활성층의 굴절률이 가변되는 동안, 입사되는 광에 대해 60% 이상으로 유지되는 반사율을 가지는, 광 변조 소자.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 하부 DBR층의 물질층의 광학적 두께와 상기 제2 하부 DBR층의 물질층의 광학적 두께는 동일한, 광 변조 소자.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 하부 DBR층은 제1 물질층 및 상기 제1 물질층의 굴절률보다 작은 굴절률을 가지는 제2 물질층을 포함하고,
    상기 제2 하부 DBR층은 제3 물질층 및 상기 제3 물질층의 굴절률보다 작은 굴절률을 가지는 제4 물질층을 포함하며,
    상기 제1 물질층 및 제3 물질층에 포함된 물질의 종류는 동일하고,
    상기 제2 물질층 및 제4 물질층에 포함된 물질의 종류는 동일한, 광 변조 소자.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 활성층은 한 쌍의 GaAsxP1-x(0<x<1) 리드 배리어층을 포함하는, 광 변조 소자.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 한 쌍의 GaAsxP1-x 리드 배리어층 사이에 GaAs 서브 배리어층 및 InyGa1-yAs(0<y<1) 우물층이 반복적으로 교호하여 적층된, 광 변조 소자.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 하부 DBR층과 접촉하는 제1 전극; 및
    상기 상부 DBR층과 접촉하는 제2 전극; 을 더 포함하는, 광 변조 소자.
  8. 금속을 포함하는 기판;
    상기 기판 상에 마련되고, 굴절률이 서로 다른 두 물질층이 반복적으로 교호하여 적층된 하부 DBR층;
    상기 하부 DBR층 상에 마련되고, 다중양자우물구조를 가지는 반도체 물질을 포함하며, 인가 전압에 따라 가변되는 굴절률을 가지는 활성층; 및
    상기 활성층 상에 마련되고, 굴절률이 서로 다른 두 물질층이 반복적으로 교호하여 적층된 상부 DBR층; 을 포함하는 광 변조 소자.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 금속은 Au, Al, Ag 중 적어도 어느 하나를 포함하는, 광 변조 소자.
  10. 제8 항에 있어서,
    상기 활성층의 굴절률이 가변되는 동안, 입사되는 광에 대해 60% 이상으로 유지되는 반사율을 가지는, 광 변조 소자.
  11. 기판;
    상기 기판 상에 마련되고, 굴절률이 서로 다른 두 물질층이 반복적으로 교호하여 적층된 제1 하부 DBR층;
    상기 제1 하부 DBR층 상에 서로 이격되어 마련되고, 인가되는 전압에 따라 가변되는 굴절률을 가지는 복수 개의 공진기; 및
    상기 복수 개의 공진기 각각에 인가되는 전압을 조절하는 전압 조절부; 를 포함하며,
    상기 각각의 공진기는,
    상기 제1 하부 DBR층 상에 마련되고, 굴절률이 서로 다른 두 물질층이 반복적으로 교호하여 적층되어 형성되며, 상기 제1 하부 DBR층의 면적보다 좁은 면적을 가지는 제2 하부 DBR층;
    상기 제2 하부 DBR층 상에 마련되고, 다중양자우물구조를 가지는 반도체 물질을 포함하며, 인가 전압에 따라 가변되는 굴절률을 가지는 활성층; 및
    상기 활성층 상에 마련되고, 굴절률이 서로 다른 두 물질층이 반복적으로 교호하여 적층된 상부 DBR층; 을 포함하는, 광학 장치.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 활성층의 굴절률이 가변되는 동안, 입사되는 광에 대한 반사율이 60% 이상으로 유지되는, 광학 장치.
  13. 제11 항에 있어서,
    상기 제1 하부 DBR층의 물질층의 광학적 두께와 상기 제2 하부 DBR층의 물질층의 광학적 두께는 동일한, 광학 장치.
  14. 제11 항에 있어서,
    상기 제1 하부 DBR층은 제1 물질층 및 상기 제1 물질층의 굴절률보다 작은 굴절률을 가지는 제2 물질층을 포함하고,
    상기 제2 하부 DBR층은 제3 물질층 및 상기 제3 물질층의 굴절률보다 작은 굴절률을 가지는 제4 물질층을 포함하며,
    상기 제1 물질층 및 제3 물질층에 포함된 물질의 종류는 동일하고,
    상기 제2 물질층 및 제4 물질층에 포함된 물질의 종류는 동일한, 광학 장치.
  15. 제11 항에 있어서,
    상기 활성층은 한 쌍의 GaAsxP1-x(0<x<1) 리드 배리어층을 포함하는, 광학 장치.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 한 쌍의 GaAsxP1-x 리드 배리어층 사이에 GaAs 서브 배리어층 및 InyGa1-yAs(0<y<1) 우물층이 반복적으로 교호하여 적층된, 광학 장치.
  17. 금속을 포함하는 기판;
    상기 기판 상에 서로 이격되어 마련되고, 인가되는 전압에 따라 가변되는 굴절률을 가지는 복수 개의 공진기; 및
    상기 복수 개의 공진기 각각에 인가되는 전압을 조절하는 전압 조절부; 를 포함하며,
    상기 각각의 공진기는,
    상기 기판 상에 마련되고, 굴절률이 서로 다른 두 물질층이 반복적으로 교호하여 적층된 하부 DBR층;
    상기 하부 DBR층 상에 마련되고, 다중양자우물구조를 가지는 반도체 물질을 포함하며, 인가 전압에 따라 가변되는 굴절률을 가지는 활성층; 및
    상기 활성층 상에 마련되고, 굴절률이 서로 다른 두 물질층이 반복적으로 교호하여 적층된 상부 DBR층; 을 포함하는, 광학 장치.
  18. 광원;
    상기 광원으로부터 입사된 광의 진행 방향을 조절하여 피사체로 향하도록 하는 제11 항의 광학 장치;
    상기 피사체로부터 반사된 광을 수신하는 센서; 및
    상기 수신기가 수신한 광을 분석하는 프로세서; 를 포함하는 전자 장치.
  19. 제18 항에 있어서,
    상기 제1 하부 DBR층의 물질층의 광학적 두께와 상기 제2 하부 DBR층의 물질층의 광학적 두께는 동일한, 전자 장치.
  20. 제18 항에 있어서,
    상기 제1 하부 DBR층은 제1 물질층 및 상기 제1 물질층의 굴절률보다 작은 굴절률을 가지는 제2 물질층을 포함하고,
    상기 제2 하부 DBR층은 제3 물질층 및 상기 제3 물질층의 굴절률보다 작은 굴절률을 가지는 제4 물질층을 포함하며,
    상기 제1 물질층 및 제3 물질층에 포함된 물질의 종류는 동일하고,
    상기 제2 물질층 및 제4 물질층에 포함된 물질의 종류는 동일한, 전자 장치.
KR1020190062593A 2019-02-28 2019-05-28 광 변조 소자, 광 변조 소자를 포함하는 광학 장치, 및 광학 장치를 포함하는 전자 장치 KR20200105616A (ko)

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