KR20210022816A - 광 변조 소자 및 이를 포함하는 전자 장치 - Google Patents

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variable mirror
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정병길
김선일
박정현
이두현
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삼성전자주식회사
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Abstract

개시된 광 변조 소자는 열에 의해 변하는 굴절률을 가지는 재질로 이루어진 복수의 격자 구조물을 포함하는 가변 미러; 상기 가변 미러 상부에 상기 가변 미러와 이격 배치되며, 굴절률이 다른 두 물질층이 교번 적층된 분산 브래그 미러; 및 상기 가변 미러 하부에서 상기 복수의 격자 구조물에 열을 인가하는 가열부;를 포함한다.

Description

광 변조 소자 및 이를 포함하는 전자 장치{Light modulating device and electronic apparatus including the same}
개시된 실시예들은 광 변조 소자 및 이를 포함하는 전자 장치에 대한 것이다.
최근, LiDAR(LiDAR; Light Detection and Ranging) 시스템은 스마트카, 로봇 등 다양한 자율 구동 기기 분야에서 장애물을 감지하기 위한 센서 또는 스캐너로써 이용되고 있다.
LiDAR 시스템은 일반적으로 레이저 광을 목표 지점으로 조사하기 위한 빔 조향용 장치를 구비할 수 있다. 빔 조향용 장치는 입사광의 위상을 원하는 형태로 각각 변조하는 복수의 채널을 구비할 수 있다. 각각의 채널을 지나는 광들의 간섭에 의해, 입사광이 일정한 각도로 스티어링되어 출사되도록 복수의 채널이 형성하는 위상 분포가 설정될 수 있다.
이러한 위상 변조를 위해, 인가 신호에 반응하여 광학적 성질이 변하는 물질이 각 채널에 구비될 수 있고, 또한, 스티어링 각도를 빠르고 정확하게 조절할 수 있는 채널 구조가 필요하다.
입사광을 다양한 형태로 변조할 수 있는 광 변조 소자가 제공된다.
광 변조 소자들의 어레이를 활용한 빔 스티어링 소자가 제공된다.
일 유형에 따르면, 열에 의해 변하는 굴절률을 가지는 재질로 이루어진 복수의 격자 구조물을 포함하는 가변 미러; 상기 가변 미러 상부에 상기 가변 미러와 이격 배치되며, 굴절률이 다른 두 물질층이 교번 적층된 분산 브래그 미러; 및 상기 가변 미러 하부에서 상기 복수의 격자 구조물에 열을 인가하는 가열부;를 포함하는, 광 변조 소자가 제공된다.
상기 광 변조 소자는 상기 가변 미러와 상기 분산 브래그 미러 사이에서 소정의 공진 거리를 제공하는 스페이서층을 더 포함할 수 있다.
상기 스페이서층은 상기 격자 구조물의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 재질로 이루어질 수 있다.
상기 복수의 격자 구조물은 상기 두 물질층의 적층 방향과 수직인 방향을 따라 소정 주기로 배열될 수 있다.
상기 가열부는 전기적으로 히팅되며 상기 복수의 격자 구조물을 가열하는 히터(heater)를 포함할 수 있다.
상기 가열부는 상기 히터로 사용될 전기 저항체; 상기 전기 저항체에 전류를 공급하는 회로 요소층;을 포함할 수 있다.
상기 전기 저항체는 상기 가변 미러의 영역을 나누어 가열하기 위한 복수의 서브 저항체를 포함할 수 있다.
상기 광 변조 소자는 상기 분산 브래그 미러의 상부에 배치되고 복수의 나노구조물을 구비하는 메타 광학 소자를 더 포함할 수 있다.
상기 메타 광학 소자는 상기 격자 구조물의 굴절률 변화에 따른 상기 가변 미러와 상기 분산 브래그 미러 사이에서의 위상 변조 범위를 추가적으로 넓히도록, 상기 복수의 나노구조물의 형상 분포가 정해질 수 있다.
상기 광 변조 소자는 상기 가열부를 지지하는 것으로, 관통홀과, 상기 관통홀을 관통하는 메탈 플러그가 구비된 기판;을 더 포함할 수 있다.
상기 광 변조 소자는 상기 기판 일면에 부착된 힛 싱크;를 더 포함할 수 있다.
일 유형에 따르면, 기판; 상기 기판 상에 반복 배열된 복수의 위상 변조 채널을 포함하며, 상기 복수의 위상 변조 채널 각각은, 열에 의해 변하는 굴절률을 가지는 재질로 이루어진 복수의 격자 구조물을 포함하는 가변 미러와, 상기 가변 미러 상부에 상기 가변 미러와 이격 배치되고 굴절률이 다른 두 물질층이 교번 적층된 분산 브래그 미러를 구비하는, 위상 변조부; 상기 위상 변조부 하부에 배치되어 상기 복수의 가변 미러 각각에 열을 인가하는 가열부; 및 상기 가열부에 제어 신호를 인가하는 제어부;를 포함하는, 빔 스티어링 소자가 제공된다.
상기 복수의 위상 변조 채널 사이에는 상기 복수의 위상 변조 채널을 물리적으로 이격하는 트렌치(trench)가 형성될 수 있다.
상기 트렌치는 인접하는 위상 변조 채널간의 열 전달을 억제하는 에어 트렌치(air trench), 진공 트렌치(vacuum trench), 또는 단열 트렌치(heat insulating trench)일 수 있다.
상기 트렌치는 상기 가열부의 영역 일부에까지 연장될 수 있다.
상기 트렌치는 상기 기판 내의 소정 깊이까지 연장될 수 있다.
상기 가열부는 상기 복수의 위상 변조 채널 각각과 일대일로 마주하는 복수의 전기 저항체; 상기 복수의 전기 저항체에 전류를 공급하기 위한 회로요소층;을 포함할 수 있다.
상기 복수의 전기 저항체 각각은 상기 복수의 위상 변조 채널 중 마주하는 위상 변조 채널의 영역을 나누어 가열하기 위한 복수의 서브 저항체를 포함할 수 있다.
상기 트렌치는 상기 복수의 저항체 사이의 영역까지 연장될 수 있다.
상기 기판은 관통홀 및 상기 관통홀을 관통하는 메탈 플러그가 구비된 기판일 수 있다.
상기 기판의 일면에는 힛 싱크가 더 배치될 수 있다.
상기 위상 변조 채널은 상기 가변 미러와 상기 분산 브래그 미러 사이에서 소정의 공진 거리를 제공하며, 상기 격자 구조물의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 재질로 이루어진 스페이서;를 더 포함할 수 있다.
상기 복수의 격자 구조물은 상기 두 물질층의 적층 방향과 수직인 방향을 따라 소정 주기로 배열될 수 있다.
상기 위상 변조 채널은 상기 분산 브래그 미러의 상부에 배치되고 복수의 나노구조물을 구비하는 메타 광학 소자를 더 포함할 수 있다.
상기 메타 광학 소자는 상기 격자 구조물의 굴절률 변화에 따른 상기 가변 미러와 상기 분산 브래그 미러 사이에서의 위상 변조 범위를 추가적으로 넓히도록, 상기 복수의 나노구조물의 형상 분포가 정해질 수 있다.
일 유형에 따르면, 광원; 상기 광원에서의 광을 스티어링하여 대상체를 향하게 하는 전술한 어느 하나의 빔 스티어링 소자; 상기 대상체로부터의 광을 수신하는 센서; 및 상기 센서에서 수신한 신호로부터 대상체의 위치 또는 형상을 분석하는 프로세서;를 포함하는, 전자 장치가 제공된다.
상술한 광 변조 소자는 열의 의해 굴절률이 변하는 재질을 활용한 가변 미러를 구비하여, 입사광의 위상을 다양하게 변조할 수 있다.
상술한 광 변조 소자들 복수개가 어레이되고 각각의 위상 변조량을 조절하여, 다양한 형태로 광을 변조할 수 있다.
상술한 빔 스티어링 소자는 입사광을 원하는 방향으로 스티어링 할 수 있으며, 또한, 인접 채널간 열차단 구조를 채용하여 빔 스티어링의 정확성을 높일 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 광 변조 소자의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
도 2는 다른 실시예에 따른 광 변조 소자의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
도 3a 및 도 3b는 도 2의 광 변조 소자에 구비되는 메타 광학 소자의 예시적인 구조를 보인 사시도이다.
도 4a 내지 도 4d는 도 3의 메타 광학 소자에 구비되는 나노구조물의 예시적인 형태들을 보인 사시도이다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 광변조 소자의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
도 6은 또 다른 실시예에 따른 광변조 소자의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
도 7은 또 다른 실시예에 따른 광변조 소자의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
도 8은 실시예에 따른 빔 스티어링 소자의 개략적인 구조를 보이는 개념도이다.
도 9는 실시예에 따른 빔 스티어링 소자의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
도 10a 내지 도 10d는 도 9의 변형예에 따른 빔 스티어링 소자의 트렌치 형태들을 예시적으로 보인 부분 확대도이다.
도 11 및 도 12는 각각 비교예 및 실시예에 따른 빔 스티어링 소자의 인접 채널 간의 열 차단 성능을 비교하여 보인 전산 모사 그래프이다.
도 13은 다른 실시예에 따른 빔 스티어링 소자의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
도 14는 또 다른 실시예에 따른 빔 스티어링 소자의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
도 15는 또 다른 실시예에 따른 빔 스티어링 소자의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
도 16은 실시예에 따른 전자 장치의 개략적인 구조를 보이는 블록도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.
이하에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다.
제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 이러한 용어들은 구성 요소들의 물질 또는 구조가 다름을 한정하는 것이 아니다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
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.
“상기”의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다.
방법을 구성하는 단계들은 설명된 순서대로 행하여야 한다는 명백한 언급이 없다면, 적당한 순서로 행해질 수 있다. 또한, 모든 예시적인 용어(예를 들어, 등등)의 사용은 단순히 기술적 사상을 상세히 설명하기 위한 것으로서 청구항에 의해 한정되지 않는 이상 이러한 용어로 인해 권리 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 실시예에 따른 광 변조 소자의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
광 변조 소자(100)는 열에 의해 변하는 굴절률을 가지는 재질로 된 격자 구조물(165)을 구비하는 가변 미러(160), 가변 미러(160) 상부에 배치된 분산 브래그 미러(180) 및 가변 미러(160) 하부에서 가변 미러(160)에 열을 인가하는 가열부(140)를 포함한다.
가변 미러(160)와 분산 브래그 미러(180)는 공진 구조를 형성하며, 가변 미러(160)에 구비된 격자 구조물(165)의 굴절률 변화에 따른 공진 특성 변화에 의해 입사광의 위상이 변조된다.
광 변조 소자(100)를 이루는 세부 구성을 상세히 살펴보기로 한다.
분산 브래그 미러(180)는 굴절률이 서로 다른 제1물질층(182), 제2물질층(184)을 포함한다. 제1물질층(182), 제2물질층(184)은 변조하고자 하는 광의 파장의 약 1/4 두께로 교대로 반복하여 적층될 수 있다. 분산 브래그 미러(180)는 제1물질층(182), 제2물질층(184)의 굴절률 차이 및 반복 적층된 회수를 조절하여 분산 브래그 미러(180)의 반사율을 원하는 값으로 설정할 수 있다. 반사율은 가변 미러(160)의 반사율과의 관계에서 광 출사방향을 고려하여 정할 수 있다. 예를 들어, 분산 브래그 미러(180)의 반사율은 가변 미러(160)의 반사율보다 낮도록 제1물질층(182), 제2물질층(184)의 적층수가 설정될 수 있으며, 이 경우 입사광이 변조되어 분산 브래그 미러(180)방향으로 출사될 수 있다.
제1물질층(182)는 실리콘, 제2물질층(184)은 산화실리콘일 수 있으며, 다만 분산 브래그 미러(180)의 재질은 이에 한정되지 않으며, 굴절률 차를 형성할 수 있는 다양한 물질들이 제1물질층(182), 제2물질층(184)에 사용될 수 있다. 예를 들어, 제1물질층(182), 제2물질층(184)은 같은 계열의 반도체 화합물일 수 있고, 그 조성비를 달리하여 다른 굴절률을 나타내도록 설정될 수 있다.
가변 미러(160)는 주변 물질의 굴절률보다 높은 굴절률을 가지는 복수의 격자 구조물(165)을 포함한다. 격자 구조물(165)에 의해 일 방향을 따라 굴절률 변화가 반복될 수 있다. 복수의 격자 구조물(165)은 분산 브래그 미러(180)를 구성하는 제1물질층(182), 제2물질층(184)의 적층 방향과 수직인 방향을 따라 소정 주기로 배열될 수 있다.
격자 구조물(165)은 예를 들어, Y 방향으로 연장된 스트립 형상일 수 있고, X 방향을 따라 소정 주기로 배열될 수 있다. 다만, 격자 구조물(165)의 형상은 이에 한정되지 않으며, 제1물질층(182), 제2물질층(184)의 적층 방향과 수직인 방향으로 소정의 규칙성을 가지고 배열되는 한, 어떤 형상을 가져도 무방하다.
격자 구조물(165)은 열을 인가하면 굴절률이 변하는 재질로 이루어질 수 있다. 격자 구조물(165)은 예를 들어, 실리콘 물질로 이루어질 수 있다. 격자 구조물(165)의 재질은 이에 한정되지 않고, 열을 인가하면 소정 온도 이상에서 상전이가 일어나 유전율이 변하는 물질, 예를 들어, VO2, VO2O3, EuO, MnO, CoO, CoO2, LiCoO2, 또는, Ca2RuO4 등이 격자 구조물(165)에 채용될 수 있다.
격자 구조물(165)과 분산 브래그 미러(180) 사이에는 스페이서층(170) 더 배치될 수 있다. 스페이서층(170)은 복수의 격자 구조물(165) 사이의 영역을 채우며 격자 구조물(165) 상부로 연장되게 형성될 수 있고, 가변 미러(160)와 분산 브래그 미러(180) 사이에 소정의 공진 거리를 제공할 수 있는 두께로 형성될 수 있다. 상기 공진 거리는 변조 대상인 광의 파장 대역을 고려하여 설정될 수 있다.
스페이서층(170)은 격자 구조물(165)의 굴절률 보다 낮은 굴절률을 가지는 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 격자 구조물(165)이 실리콘 물질로 이루어진 경우, 스페이서층(170)은 산화 실리콘 물질로 이루어질 수 있으며, 다만, 이에 한정되는 것은 아니다.
가열부(140)는 격자 구조물(165)을 가열하여 굴절률을 변화시키기 위한 것이다. 가열부(140)는 전기적으로 히팅되는 히터(heater)를 포함할 수 있다. 히터는 줄-열(Joule-Heating)에 의해 발열하는 전기 저항 물질일 수 있다. 가열부(140)는 전기 저항체(130) 및 전기 저항체(130)에 전류를 공급하기 위한 회로 요소를 구비하는 회로 요소층(120)을 포함할 수 있다.
전기 저항체(130)로는 텅스텐이 사용될 수 있다. 이외에도 철, 크롬, 니켈 또는 등이 사용될 수 있고, 니크롬(nichrom) 합금이나, 철-니켈-크롬계, 니켈-망간계, 니켈-구리계, 망간-구리 등의 고비저항 합금이 사용될 수 있다.
가열부(140)와 가변 미러(160) 사이에는 보호층(150)이 형성될 수 있다. 보호층(150)은 전기 저항체(130)를 보호하고 격자 구조물(165)을 지지할 수 있다. 보호층(150)은 예를 들어, 산화 실리콘 물질로 이루어질 수 있으며, 다만, 이에 한정되지는 않는다.
가열부(140), 가변 미러(160), 스페이서층(170), 분산 브래그 미러(180)는 기판(110) 상에 순차적으로 적층 형성될 수 있다. 기판(110)은 실리콘 기판일 수 있으며, 다만, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 2는 다른 실시예에 따른 광 변조 소자의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
본 실시예의 광 변조 소자(101)는 메타 광학 소자(190)를 더 구비하는 점에서 도 1의 광 변조 소자(100)와 차이가 있다.
광 변조 소자(101)는 가열부(140), 가변 미러(160), 스페이서층(170), 분산 브래그 미러(180)를 포함하며, 또한, 분산 브래그 미러(180) 상에 배치되고 복수의 나노구조물(NS)을 구비하는 메타 광학 소자(190)를 포함한다.
메타 광학 소자(190)는 광 변조 소자(101)의 위상 변조 범위를 보다 넓히기 위해 구비될 수 있다. 가변 미러(160)에 구비된 격자 구조물(165)의 굴절률에 따라 가변 미러(160)와 분산 브래그 미러(180) 사이에서의 위상 변조량이 정해진다. 메타 광학 소자(190)는 이와 같이 위상 변조된 광에 대해 추가적인 위상 변조 작용을 할 수 있다. 가변 미러(160)에 구비된 격자 구조물(165)의 굴절률 변화에 따라 가변 미러(160)와 분산 브래그 미러(180) 사이에서의 위상 변조 범위가 설정되며, 이 때, 메타 광학 소자(190)를 구비하는 경우, 상기 위상 변조 범위가 넓어질 수 있다. 또는, 메타 광학 소자(190)에 의해, 격자 구조물(165)의 굴절률 변화에 따른 위상 변조는 보다 민감해질 수 있다.
복수의 나노구조물(NS)은 서브 파장의 형상 치수를 가진다. 여기서, '형상 치수'는 나노구조물(NS)의 형상과 관련된 수치, 예를 들어, 두께 및 두께 방향에 수직인 단면의 형상을 정의하는 길이들을 의미한다. 또한, 여기서 '서브 파장'의 형상 치수는 변조 대상인 광의 파장보다 작은 형상 치수를 의미한다. 도 2에서는 나노구조물(NS)이 모두 같은 형상 및 크기를 가지는 것으로 도시되었으나 이는 편의상의 예시이며, 이에 한정되지 않는다.
도 3a 및 도 3b는 도 2의 광 변조 소자에 구비되는 메타 광학 소자의 예시적인 구조를 보인 사시도이다.
나노구조물(NS)은 다양한 형상 치수를 가질 수 있다. 복수의 나노구조물(NS)의 형상 분포는 랜덤하거나 또는 소정의 규칙을 가질 수 있다. 여기서, '형상 분포'는 복수의 나노구조물(NS) 각각의 형상, 크기, 배치 간격, 위치별 형상의 분포, 위치별 크기의 분포 및 위치별 배치 간격의 분포를 통칭하고 있다. 복수의 나노구조물(NS)의 형상 분포는 광 변조 소자(101)가 의도하는 위상 변조 범위를 고려하여 정해진다. 예를 들어, 복수의 나노구조물(NS)의 형상 분포는 가변 미러(160)에 구비된 격자 구조물(165)의 굴절률 변화에 따른 가변 미러(160)와 분산 브래그 미러(180) 사이에서의 위상 변조 범위를 추가적으로 넓히도록 설정될 수 있다.
나노구조물(NS)은 주변 물질보다 굴절률이 높은 재질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 분산 브래그 미러(180)에 포함된 제1물질층(182), 제2물질층(184)의 굴절률보다 높은 굴절률의 재질로 이루어질 수 있다. 또는, 제1물질층(182)이 고굴절률의 물질, 제2물질층(184)이 저굴절률의 물질이고, 분산 브래그 미러(180)의 최상부층이 저굴절률의 제2물질층(184)이 되고, 나노구조물(NS)은 제2물질층(184)의 굴절률보다 높은 굴절률의 물질로 이루어질 수 있다. 이 경우, 나노구조물(NS)은 제1물질층(182)과 같은 굴절률의 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 나노구조물(NS)과 제1물질층(182)은 실리콘 물질, 제2물질층(184)은 산화 실리콘 물질로 이루어질 수 있다.
나노구조물(NS)의 재질은 이에 한정되지 않으며, 다양하게 선택될 수 있다. 나노구조물(NS)은 유전체 물질로 이루어질 수 있다. 나노구조물(NS)은 단결정 실리콘, 다결정 실리콘(Poly Si), 비정질 실리콘(amorphous Si), Si3N4, GaP, TiO2, AlSb, AlAs, AlGaAs, AlGaInP, BP, ZnGeP2 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
또는, 나노구조물(NS)은 전도성 물질로 이루어질 수도 있다. 전도성 물질로는 표면 플라즈몬 여기(surface plasmon excitation)가 일어날 수 있는 도전성이 높은 금속 물질이 채용될 수 있다. 예를 들어, Cu, Al, Ni, Fe, Co, Zn, Ti, 루세늄(ruthenium, Ru), 로듐(rhodium, Rh), 팔라듐(palladium, Pd), 백금(Pt), 은(Ag), 오스뮴(osmium, Os), 이리듐(iridium, Ir), 백금(Pt), 금(Au), 중에서 선택된 적어도 어느 하나가 채용될 수 있고, 이들 중 어느 하나를 포함하는 합금으로 이루어질 수 있다. 또한, 그래핀(graphene)과 같이 전도성이 좋은 이차원 물질, 또는, 전도성 산화물이 채용될 수도 있다.
또는, 나노구조물(NS)들 중 일부는 고굴절률의 유전체 물질로 이루어지고, 나머지 일부는 전도성 물질로 이루어지는 것도 가능하다.
상술한 나노구조물(NS)들은 각각의 재질, 형상에 따라 고유한 값을 갖는 투과 세기 및 투과 위상을 가질 수 있다. 이들 형상 분포를 조절하여 메타 광학 소자(190)을 투과하는 광의 위상이나 세기 분포를 조절할 수 있다.
예를 들어 위치에 따라 수평 또는 수직 방향의 크기나 구성 물질을 조절하여 원하는 투과 세기 분포나 투과 위상 분포를 형성할 수 있다. 원하는 투과 세기 분포나 투과 위상 분포를 형성하기 위해, 복수의 나노구조물(NS)로 이루어진 소정 그룹에 대해 위치별 나노구조물(NS)들의 형상 분포가 정해질 수도 있다. 또한, 이와 같이 형성된 나노구조물(NS) 그룹은 소정 주기로 반복 배열될 수도 있다. 복수의 나노구조물(NS)의 형상 분포는 규칙적, 주기적, 유사 주기적일 수 있으며, 다만 이에 한정되지 않고, 랜덤할 수도 있다.
도 3a에서 나노구조물(NS)은 분산 브래그 미러(180)의 상면에 바로 형성된 것으로 도시되었으나, 이에 한정되지 않으며, 나노구조물(NS)을 지지하기 위한 별도의 지지층이 따로 구비될 수도 있다.
도 3b를 참조하면, 메타 광학 소자(190)은 분산 브래그 미러(180) 상부에 배치되어 복수의 나노구조물(NS)을 지지하는 지지층(192)을 더 포함할 수 있다.
지지층(192)은 나노구조물(NS)의 굴절률보다 작은 굴절률을 가지는 물질로 이루어질 수 있고, 분산 브래그 미러(180)의 굴절률과의 관계는 특별히 한정되지 않는다. 지지층(192)은 산화 실리콘 물질로 이루어질 수 있고, 이외에도, TCO(transparent conductive oxide)로 이루어질 수 있고, 또는 PC, PS, PMMA와 같은 폴리머로 이루어질 수 있다. 지지층(192)의 재질은 이에 한정되지 않으며, 나노구조물(NS)과의 굴절률 차를 나타낼 수 있는 다양한 물질이 사용될 수 있다. 지지층(192)과 나노구조물(NS)의 굴절률 차는 약 0.5 이상일 수 있다.
도 3a 및 도 3b에서 나노구조물(NS)의 형상은 원기둥 형상으로 도시되었으나 이에 한정되는 것은 아니다. 나노구조물(NS)은 두께 방향에 수직인 단면 형상, 즉, XY평면과 나란한 단면의 형상이 다각형, 십자형, 비대칭 형상 등 다양한 형상을 가질 수 있다. 또한, 나노구조물(NS)의 형상은 모두 동일한 것으로 도시되었으나 이에 한정되지 않으며, 다양한 형상들의 나노구조물(NS)이 메타 광학 소자(190)에 사용될 수도 있다.
도 4a 내지 도 4d는 도 3의 메타 광학 소자에 구비되는 나노구조물의 예시적인 형태들을 보인 사시도이다.
도 4a를 참조하면, 나노구조물(NS)은 두께가 t인 사각 기둥 형상을 가질 수도 있다. 단면 사각형의 형상은 한 변의 길이가 D인 정사각형일 수 있으며, 이에 한정되지 않고, 직사각형일 수도 있다. 나노구조물(NS)로 다른 다각 기둥 형상으로 변형될 수도 있다.
도 4b를 참조하면, 나노구조물(NS)은 단면 형상이 십자 형상일 수 있다. 대칭적인 형태로 도시되었으나, 이는 예시적이며 비대칭적인 형상으로 변형될 수도 있다.
나노구조물(NS)의 비대칭 형상은 입사광의 편광에 의존하여 서로 다른 투과 위상 분포를 형성하기 위해 채용될 수 있다.
도 4c를 참조하면, 나노구조물(NS)은 비대칭성을 가지는 형상으로, 타원 기둥 형상일 수 있다. 나노구조물(NS)에 장축의 길이(DL)와 단축의 길이(DS)가 다른 타원 형상을 도입하여, 장축 방향과 나란한 편광, 단축 방향과 나란한 편광에 대해 서로 다른 투과 위상 분포를 나타낼 수 있다. 즉, 장축 방향과 나란한 편광, 단축 방향과 나란한 편광의 광에 대해 서로 다른 광학 작용을 나타낼 수 있다.
도 4d를 참조하면, 나노구조물(NS)은 비대칭성을 가지는 형상으로, 세로 길이(Dx)와 가로 길이(Dy)가 직사각형의 단면을 가지는 직육면체 형상일 수 있다. 이와 같은 형상도, 도 4c의 경우와 유사하게, 입사광의 편광에 의존하여 서로 다른 투과 위상 분포를 형성하기 위해 적용될 수 있다. 예를 들어, 입사광의 편광에 따라 서로 다른 광학 작용을 나타낼 수 있다.
도 4a 내지 도 4d에서 예시된 형상의 나노구조물(NS), 이들이 조합, 변형된 형태가 메타 광학 소자(190)에 적용될 수 있다. 메타 광학 소자(190)는 나노구조물(NS)의 형상, 크기 및 배열 규칙들을 적절히 조절하여, 입사광을 원하는 형태로 변조할 수 있다. 가변 미러(160)와 분산 브래그 미러(180) 사이의 광 변조 범위를 확대할 수 있고, 또한, 추가적인 광학 작용이 가능하도록 형상 분포가 정해질 수도 있다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 광 변조 소자의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
본 실시예의 광 변조 소자(102)는 가변 미러(160)의 영역을 나누어 가열하도록 복수의 서브 저항체(131)(132)(133)를 포함하는 점에서 도 1의 광 변조 소자(100)와 차이가 있다.
서브 저항체(131)(132)(133)는 가변 미러(160)의 영역을 나누어 가열하기 위한 것으로, 이에 따라 격자 구조물(165)의 굴절률 구배를 형성할 수 있다.
서브 저항체(131)(132)(133)는 가변 미러(160)의 영역을 세 개로 나누어 가열하도록 세 개로 도시되었으나 이는 예시적인 것이고 다른 개수로 변경될 수 있다. 또한, 모두 같은 형상, 크기로 도시되었으나, 서로 다르게 변형될 수도 있다.
복수의 서브 저항체(131)(132)(133)는 가변 미러(160)의 마주하는 영역을 서로 다르게 가열할 수 있으며, 이를 위한 세부 구성으로 물질, 형상, 회로 구성을 가질 수 있다. 복수의 서브 저항체(131)(132)(133)에는 서로 다른 전류가 인가되도록 구성될 수도 있으나 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 같은 전류가 인가되더라도, 형상이나 재질을 다르게 하는 경우 복수의 서브 저항체(131)(132)(133) 각각에서의 발열량이 다르게 될 수 있다. 복수의 서브 저항체(131)(132)(133)를 구비함으로써 가변 미러(160)의 영역을 나누어 다른 온도로 가열할 수 있고, 원하는 온도 분포를 형성할 수 있다. 복수의 서브 저항체(131)(132)(133)는 굴절률 구배 형성을 위한 온도 분포 외에도, 가열량을 미세 조절하여 가변 미러(160)의 영역 내에서의 온도 균일도를 높이도록 구성될 수도 있다.
도 6은 또 다른 실시예에 따른 광 변조 소자의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
본 실시예의 광 변조 소자(103)는 가변 미러(160)의 영역을 나누어 가열하기 위한 복수의 서브 저항체(131)(132)(133)를 포함하며, 또한, 분산 브래그 미러(180) 상부에 메타 광학 소자(190)를 더 구비하는 점에서 도 1의 광 변조 소자(100)와 차이가 있다.
메타 광학 소자(190)는 도 3a, 도 3b에서 설명한 바와 같이 추가적인 광 변조 성능을 고려하여 설정된 형상 분포의 나노구조물(NS)을 구비할 수 있다. 또한, 복수의 서브 저항체(131)(132)(133)에 따라 형성되는 가변 미러(160)내의 굴절률 구배가 고려될 수 있다.
도 7은 또 다른 실시예에 따른 광 변조 소자의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
본 실시예의 광 변조 소자(104)는 가열부(140)에서 발생한 열을 효과적으로 방출하기 위한 구조가 추가된 점에서 전술한 광 변조 소자들(100)(101)(102)(103)과 차이가 있다.
기판(112)은 관통홀을 구비하며 관통홀 내에 메탈 플러그(MP)가 구비된다. 열전도도가 높은 재질로 이루어진 메탈 플러그(MP)에 의해 가열부(140)에서 발생한 열이 효과적으로 외부로 방출될 수 있다.
기판(112) 하면에는 힛 싱크(heat sink)(HS)가 더 배치될 수 있다. 힛 싱크(HS)는 열전도도가 높은 재질로 이루어지며 또한, 표면적을 넓히는 다수의 방열 핀(fin)을 구비하는 형태를 가질 수 있다.
광 변조 소자(104)는 인가된 열에 따라 다른 위상 변조를 나타내며, 일련의 위상 변조가 순차적으로 일어나도록 하기 위해, 가변 미러(160)에는 각 단계에 알맞은 열 이 제공된다. 상술한 방열 구조를 구비함으로써, 이전 단계에서 인가된 열은 다음 단계의 열 인가에 영향을 주지 않도록 효과적으로 방출될 수 있으며, 원하는 광 변조의 정확도가 높아질 수 있다.
도 7에서는 메탈 플러그(MP)와 힛 싱크(HS)가 모두 구비된 것으로 도시되었으나, 이에 한정되지 않으며, 이들 중 어느 하나만 사용될 수도 있다. 또한, 기판(112) 내에 관통 배치된 메탈 플러그(MP)의 개수나 폭은 기판(112)의 재질 및 방열 효과를 고려하여 적절히 설정될 수 있다.
또한, 도 2의 광 변조 소자에 메탈 플러그(MP), 힛 싱크(HS)가 추가된 것으로 도시되었으나, 도 1, 도 5, 도 6의 광 변조 소자(100)(102)(103)에 이들이 적용될 수 있음은 물론이다.
도 8은 실시예에 따른 빔 스티어링 소자의 개략적인 구조를 보이는 개념도이다.
빔 스티어링 소자(1000)는 복수의 위상 변조 채널(C1, .., CN)을 구비하는 위상 변조부(1300)를 포함하며, 또한, 위상 변조부(1300)에 열을 인가하는 가열부(140) 및 가열부(140)를 제어하는 제어부(1500)를 포함한다.
위상 변조부(1300)에 구비된 복수의 위상 변조 채널(C1~CN)는 입사광(Li)의 위상을 독립적으로 변조할 수 있다. 입사광(Li)은 복수의 위상 변조 채널(C1~CN) 각각이 나타내는 위상의 조합에 의해 정해지는 소정 형태의 변조광으로 출사된다.
제어부(1500)는 형성할 변조광의 형태에 알맞은 위상 조합을 설정하고, 이에 따라 각 위상 변조 채널(C1~CN)에 인가할 제어 신호를 설정한 후 가열부(140)를 제어한다. 가열부(140)는 제어부(1500)의 제어 신호에 따라 가열되며, 즉, 가열부(140)에 구비된 복수의 히터들 각각이 별개로 가열되며, 복수의 위상 변조 채널(C1~CN)에 각각에 열(H1~HN)을 인가한다.
복수의 위상 변조 채널(C1~CN) 각각은, 전술한 광 변조 소자들에 구비된 바와 같은, 열에 의해 변하는 굴절률을 가지는 재질로 이루어진 복수의 격자 구조물을 포함하는 가변 미러와, 가변 미러 상부에 굴절률이 다른 두 물질층이 교번 적층된 분산 브래그 미러를 구비할 수 있다. 위상 변조 채널(C1~CN) 각각에 구비된 가변 미러는 인가된 열에 따라 광학적 성질이 변하며, 위상 변조 채널(C1~CN)은 서로 다른 위상 변조 성질을 나타낼 수 있다.
위상 변조부(1300)가 소정의 위상 변조 조합을 나타내도록 제어부(1500)에 의해 제어될 때, 입사광(Li)은 변조광(L1)으로 출사된다. 변조광(L1)은 입사광(Li)의 방향을 소정 방향으로 스티어링한 광일 수 있다. 이러한 변조는 예를 들어, 복수의 위상 변조 채널(C1~CN) 각각의 위상이 조합된 형태가 선형을 이룰 때 구현될 수 있다.
제어부(1500)는 다른 위상 조합을 구현하도록 가열부(140)를 제어하고, 이에 따라 입사광(Li)은 다른 변조광(L2)으로 출사될 수 있다. 스티어링 각도를 달리하기 위해, 예를 들어, 복수의 위상 변조 채널(C1~CN) 각각의 위상이 선형을 이루게 하되 이러한 직선의 기울기를 적절히 설정하여 스티어링 각도가 조절될 수 있다.
제어부(1500)가 또 다른 위상 조합을 구현하도록 가열부(140)를 제어할 수 있고, 이에 따라, 입사광(Li)이 변조광(L3)으로 출사될 수 있다.
이와 같이, 입사광(Li)은 원하는 소정의 방향을 향하는 변조광(L1)(L2)(L3)으로 변조될 수 있다. 이러한 위상 변조가 순차적으로 이루어지는 경우 입사광(Li)이 소정의 대상체를 스캔할 수 있다. 이 경우, 이전 단계(sequence)에서 인가된 열은 다음 단계가 시작되기 전에 효과적으로 방출되고, 또한, 인접 채널간의 열 전달은 가능한 차단되어야 빔 스티어링의 정확성이 향상될 수 있다.
도 9는 실시예에 따른 빔 스티어링 소자의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다. 도 10a 내지 도 10d는 도 9의 변형예에 따른 빔 스티어링 소자의 트렌치 형태들을 예시적으로 보인 부분 확대도이다.
빔 스티어링 소자(1000)는 기판(1100), 기판(1100) 상에 반복 배열된 복수의 위상 변조 채널(1301), 제어부(미도시)에 의해 제어되며 복수의 위상 변조 채널(1301) 각각에 열을 인가하는 가열부(140)를 포함한다.
복수의 위상 변조 채널(1301) 각각은, 전술한 바와 같이, 열에 의해 변하는 굴절률을 가지는 재질로 이루어진 복수의 격자 구조물(165)을 포함하는 가변 미러(160)와, 가변 미러(160)와 이격 배치되고 굴절률이 다른 두 물질층이 교번 적층된 분산 브래그 미러(180)를 포함할 수 있다.
복수의 위상 변조 채널(1301)은 세 개가 도시되었으나 이는 예시적인 것이며, 다양한 개수로 1차원적으로 또는 2차원적으로 배열될 수 있다.
복수의 위상 변조 채널(1301) 사이에는 복수의 위상 변조 채널(1301)을 물리적으로 이격하는 트렌치(trench)(TR)가 형성될 수 있다.
이러한 트렌치(TR)는 복수의 위상 변조 채널(1301) 각각을 구별하여 원하는 온도로 가열하고 가열된 온도를 잘 유지하며, 다음 단계에서 다른 온도로 설정될 때에도 설정된 온도로 가열 및 유지가 잘 이루어지게 하기 위한 것이다. 트렌치(TR)에 의해 인접한 채널끼리는 단열이 잘 되어 원하지 않는 주변 온도의 영향을 적게 받을 수 있고, 또한, 한 단계의 가열 구동이 끝난 후에는 빨리 열을 방출하여, 다음 단계의 구동이 원활해질 수 있다.
트렌치(TR)는 인접하는 위상 변조 채널간의 열 전달을 억제하도록, 에어 트렌치(air trench), 진공 트렌치(vacuum trench), 또는 단열 트렌치(heat insulating trench)일 수 있다. 즉, 트렌치(TR) 내의 영역은 공기이거나 또는 진공일 수 있고, 또는 다른 단열 물질로 채워질 수도 있다.
트렌치(TR)의 폭은 수십 내지 수백 nm가 될 수 있다. 트렌치(TR)의 폭은 원하는 단열 효과가 나타나는 범위에서 적절히 설정될 수 있다.
트렌치(TR)의 깊이는 적어도 인접하는 가변 미러(160)가 트렌치(TR)를 사이에 두고 분리되도록 설정되며, 가열부(140)의 영역으로까지 연장되어 열차단 효과를 더욱 높일 수 있다. 도시된 트렌치(TR)의 깊이는 기판(1100) 상면까지로 도시되었으나 이에 한정되지 않으며 다른 적절한 깊이로 설정될 수 있다.
예를 들어, 도 10a에 도시된 바와 같이, 트렌치(TR1)는 전기 저항체(130) 상부를 덮은 보호층(150)의 일부 깊이까지 연장될 수 있다.
도 10b에 도시된 바와 같이, 트렌치(TR2)는 보호층(150)을 전체적으로 관통하여 회로요소층(12) 상면까지로 연장되는 깊이를 가질 수 있다.
도 10c에 도시된 바와 같이, 트렌치(TR3)는 보호층(150)을 전체적으로 관통하고 회로요소층(120) 내의 소정 깊이까지 연장될 수 있다.
도 10d에 도시된 바와 같이, 트렌치(TR4)는 기판(1100) 내의 소정 깊이까지 연장되는 깊이를 가질 수 있다.
트렌치(TR)(TR1)(TR2)(TR3)(TR4)의 깊이는 인접 채널간의 단열 효과와 그 외, 가열부(140)의 세부 구조등을 고려하여 적절히 설정할 수 있다.
도 11 및 도 12는 각각 비교예 및 실시예에 따른 빔 스티어링 소자의 인접 채널 간의 열 차단 성능을 비교하여 보인 전산 모사 그래프이다.
실시예에 따른 빔 스티어링 소자는 도 9의 빔 스티어링 소자이며 100nm의 폭의 트렌치가 형성된 경우이고, 비교예에 따른 빔 스티어링 소자는 도 9의 빔 스티어링 소자의 변형된 형태로서 트렌치가 없이 인접 채널들이 연결되게 배치된 구조의 빔 스티어링 소자이다.
도 11 및 도 12의 그래프는 가열부(140)에서 한 채널에 인가한 펄스 신호를 P, 상기 신호가 인가된 구동 채널의 온도 변화를 G1으로 나타내고 있다. 또한, G2는 인접 채널의 온도 변화를 나타내고, G33은 구동 채널에서 가장 먼 위치의 채널에서의 온도 변화를 나타내고 있다.
도 11을 참조하면, 트렌치가 없는 경우, 가열 신호가 인가된 구동 채널 뿐 아니라, 인접 채널의 온도도 함께 높아지는 것으로 나타난다. 또한, 인접 채널로의 열 전달에 의해 구동 채널의 온도는 의도한 만큼 올라가지 않을 수도 있다.
반면, 도 12를 참조하면, 트렌치가 구비된 실시예의 빔 스티어링 소자의 경우, 가열 신호가 인가된 구동 채널과 인접 채널의 온도 차이는 보다 확실하게 나타나고 있다. 인접 채널의 온도는 구동채널에서 가장 먼 위치의 채널의 온도와 거의 유사하다. 인접 채널로 열 전달이 차단되는 만큼 구동 채널의 온도는 비교예의 경우보다 높게 나타나고 있다.
도 13은 다른 실시예에 따른 빔 스티어링 소자의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
본 실시예의 빔 스티어링 소자(1002)는 위상 변조 채널(1302)이 메타 광학 소자(190)를 더 구비하는 점에서 도 9의 빔 스티어링 소자(1001)와 차이가 있다.
메타 광학 소자(190)는 도 2 내지 도 4에서 설명한 바와 같이, 각 위상 변조 채널(1302)의 추가적인 광학 작용을 위해 형상 분포가 설정된 복수의 나노구조물(NS)을 포함할 수 있다. 메타 광학 소자(190)는 복수의 위상 변조 채널(1302)에서 모두 동일해야 하는 것은 아니며, 위상 변조 채널(1302) 각각의 상대적인 위치에 따라 다르게 설정될 수도 있다.
도 14는 또 다른 실시예에 따른 빔 스티어링 소자의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
본 실시예의 빔 스티어링 소자(1003)는 메탈 플러그(MP)가 구비된 기판(1120)을 사용하고, 기판(1120) 하면에 힛 싱크(HS)가 더 구비된 점에서 도 13의 빔 스티어링 소자(1002)와 차이가 있다.
기판(1120)에는 기판(1120)을 관통하는 복수의 메탈 플러그(MP)를 포함할 수 있다. 메탈 플러그(MP)는 복수의 위상 변조 채널(1302)과 일대일로 마주한 것으로 도시되었으나 이는 예시적인 것이며, 개수나 위치는 특별히 한정되지 않는다. 이러한 기판(1120)은 예를 들어 실리콘 기판에 복수의 관통홀을 형성하고 관통홀 내부를 전기 도금(electroplating) 방식으로 메탈 물질로 채우는 공정으로 형성될 수 있다.
본 실시예의 빔 스티어링 소자(1003)는 메탈 플러그(MP)와 힛 싱크(HS)를 함께 구비하는 것으로 도시되었으나 이에 한정되지 않으며, 어느 하나만을 구비하는 것도 가능하다.
도 15는 또 다른 실시예에 따른 빔 스티어링 소자의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
본 실시예의 빔 스티어링 소자(1004)는 위상 변조 채널(1304) 각각이 복수의 서브 저항체(131)(132)(133)를 구비하는 점에서 도 14의 빔 스티어링 소자(1003)와 차이가 있다.
복수의 서브 저항체(131)(132)(133)를 구비함으로써, 위상 변조 채널(1304) 각각에 구비된 가변 미러(160)에 굴절률 구배를 형성할 수 있다. 즉, 원하는 굴절률 구배를 구현하는 온도 분포를 형성할 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 복수의 서브 저항체(131)(132)(133)는 도 5에서 설명한 바와 같이, 가변 미러(160) 내의 온도 균일도를 높이기 위해 발열량을 미세 조절하도록 구성될 수도 있다. 복수의 서브 저항체(131)(132)(133)를 구비함으로써 각 위상 변조 채널(1304)이 이루고자 하는 위상 변조를 보다 정확히 구현할 수 있다. 도면에서는 복수의 위상 변조 채널(1304) 모두에 복수의 서브 저항체(131)(132)(133)가 구비된 것으로 도시되었으나 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 일부 채널에는 가변 미러(160)와 대응하는 위치에 하나의 전기 저항체가 구비될 수도 있다.
도 16는 실시예에 따른 전자 장치의 개략적인 구조를 보이는 블록도이다.
전자 장치(2000)는 광을 조사하는 광원(2100), 광원(2100)에서 조사된 광을 대상체(OBJ)를 향하도록 조준하는 빔 스티어링 소자(2200), 대상체(OBJ)로부터 반사된 광을 수신하는 센서(2400), 및 광원(2100), 빔 스티어링 소자(2200), 센서(2400)를 제어하는 프로세서(2500)를 포함한다.
광원(2100)는 대상체(OBJ)의 위치, 형상의 분석에 사용할 광을 조사한다. 광원(2100)는 소장 파장의 광을 생성, 조사하는 광원을 포함할 수 있다. 광원(2100)는 대상체(OBJ)의 위치, 형상 분석에 적합한 파장 대역의 광, 예를 들어, 적외선 대역 파장의 광을 생성 조사하는 LD(laser diode), LED(light emitting diode), SLD(super luminescent diode)등의 광원을 포함할 수 있다. 광원(2100)은 파장 가변의 레이저 다이오드일 수 있다. 광원(2100)는 복수의 서로 다른 파장 대역의 광을 생성 조사할 수도 있다. 광원 (1100)는 펄스광 또는 연속광을 생성 조사할 수 있다.
빔 스티어링 소자(2200)는 열에 의해 가변되는 가변 미러를 구비하며, 각 채널의 위상 변조를 조절하여 원하는 스티어링 각도를 구현할 수 있다. 빔 스티어링 소자(2200)로는 전술한 빔 스티어링 소자(1000)(1001)(1002)(1003)(1004)들 중 어느 하나, 이들의 조합 또는 균등 범위로 변형한 구조가 사용될 수 있다. 빔 스티어링 소자(2200)에서의 출사각은 전술한 바와 같이, 빔 스티어링 소자(2200)에 구비된 가변 미러를 가열하는 정도에 따라 조절될 수 있으며, 이에 따라 대상체(OBJ)를 포함하는 소정 범위를 스캔할 수 있다.
빔 스티어링 소자(2200)과 대상체(OBJ) 사이에는 다른 광학 부재들, 예를 들어, 빔 스티어링 소자(2200)에서 스티어링 된 광의 경로 조절, 분광, 그 외, 추가적인 변조를 위한 광학 부재들이 더 배치될 수도 있다.
센서(2400)는 대상체(OBJ)로부터 반사되는 광을 검출하기 위한 복수의 검출 요소들의 어레이를 포함할 수 있다. 센서(2400)는 복수의 서로 다른 파장의 광을 센싱할 수 있는 센서들의 어레이들을 포함할 수 있다. 센서(2400)는 실리콘 기반의 포토 다이오드들의 어레이로 이루어질 수 있다. 빔 스티어링 소자(2200)가 대상체(OBJ)를 스캐하는 동안, 센서(2400)가 수신하는 광신호는 대상체(OBJ)의 존재 여부, 위치, 형상 등의 분석에 사용될 수 있다.
프로세서(2500)는 전자 장치(2000)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다. 프로세서(2500)는 광원(2100), 빔 스티어링 소자(2200), 센서(2400)의 동작을 제어할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(2500)는 광원(2100)에 대해 전원 공급 제어, 온/오프 제어, 펄스파(PW)나 연속파(CW) 발생 제어 등을 수행할 수 있다. 또한, 프로세서(2500)는 빔 스티어링 소자(2200)가 구현하는 출사각 제어를 위해 빔 스티어링 소자(2200)에 구비된 복수의 위상 변조 채널에 인가되는 신호를 제어할 수 있다. 예를 들어, 가열부를 제어하기 위한 제어부가 프로세서(2500)에 의해 제어될 수 있고, 또는 빔 스티어링 소자(2200)의 제어부의 적어도 일부가 프로세서(2500)에 포함될 수도 있다.
프로세서(2500)는 또한, 대상체(OBJ)로부터의 광 신호를 수신하여, 대상체(OBJ)의 존재 여부, 위치, 형상, 물성 등의 분석을 수행할 수 있다. 프로세서(2500)는 예를 들어, 광 비행 시간(Time of Flight) 측정을 위한 연산과 이로부터 대상체(OBJ)의 3차원 형상 판별을 수행하거나, 라만 분석법을 이용한 물성 분석을 수행할 수 있다.
프로세서(2500)는 다양한 연산 방법을 사용할 수 있다. 예를 들어, 직접 시간 측정 방법은 대상체(OBJ)에 펄스광을 투사하고 피사체에 반사되어 광이 돌아오는 시간을 타이머로 측정하여 거리를 구한다. 상관법(correlation)은 펄스광을 대상체(OBJ)에 투사하고 대상체(OBJ)에 반사되어 돌아오는 반사광의 밝기로부터 거리를 측정한다. 위상지연 측정 방법은 사인파와 같은 연속파(continuous wave) 광을 대상체(OBJ)에 투사하고 대상체(OBJ)에 반사되어 돌아오는 반사광의 위상차를 감지하여 거리로 환산하는 방법이다.
프로세서(2500)는 또한, 대상체(OBJ)에 의한 파장 변이를 검출하는 라만 분석법에 의해 대상체(OBJ)의 종류, 성분, 농도, 물성 분석을 수행할 수도 있다.
전자 장치(2000)는 상기 연산에 필요한 프로그램 및 기타 데이터들이 저장되는 메모리를 포함할 수 있다.
프로세서(2500)는 연산 결과, 즉, 대상체(OBJ)의 형상, 위치, 물성에 대한 정보를 다른 유닛으로 전송할 수 있다. 예를 들어, 대상체(OBJ)의 3차원 형상이나 동작, 위치에 대한 정보가 필요한 자율 구동 기기에 상기한 정보가 전송될 수 있다. 또는, 대상체(OBJ)의 물성 정보, 예를 들어, 생체 정보를 활용하는 의료 기기에 상기한 정보가 전송될 수 있다. 또는, 결과가 전송되는 다른 유닛은 결과를 출력하는 디스플레이 장치나 프린터일 수도 있다. 이외에도, 스마트폰, 휴대폰, PDA(personal digital assistant), 랩톱(laptop), PC, 및 기타 모바일 또는 비모바일 컴퓨팅 장치일 수 있으며, 이에 제한되지 않는다.
전자 장치(2000)는 라이다(Light Detection And Ranging, LiDAR) 장치일 수 있고, 라이다 장치는 전방 물체에 대한 3차원 정보를 실시간으로 획득하는 센서로 활용될 수 있어 자율 구동 기기, 예를 들어, 무인자동차, 자율주행차, 로봇, 드론 등에 적용될 수 있다.
상술한 광 변조 소자, 이를 포함하는 빔 스티어링 소자 및 전자 장치는 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 구체적인 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 본 발명의 범위는 따라서 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
100, 101, 102, 103, 104 - 광 변조 소자
110 - 기판
120 - 회로요소층
130 - 전기 저항체
131, 132, 133 - 서브 저항체
140 - 가열부
150 - 보호층
160 - 가변 미러
165 - 격자 구조물
170 - 스페이서층
180 - 분산 브래그 미러
190 - 메타 광학 소자
192 - 지지층
NS - 나노구조물
1000, 1001, 1002, 1003, 1004 - 빔 스티어링 소자
1300 - 위상 변조부
1301, 1302, 1304, C1, .., CN - 위상 변조 채널
NS - 나노구조물
TR, TR1, TR2, TR3, TR4 - 트렌치
MP - 메탈플러그
HS - 힛 싱크

Claims (26)

  1. 열에 의해 변하는 굴절률을 가지는 재질로 이루어진 복수의 격자 구조물을 포함하는 가변 미러;
    상기 가변 미러 상부에 상기 가변 미러와 이격 배치되며, 굴절률이 다른 두 물질층이 교번 적층된 분산 브래그 미러; 및
    상기 가변 미러 하부에서 상기 복수의 격자 구조물에 열을 인가하는 가열부;를 포함하는, 광 변조소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가변 미러와 상기 분산 브래그 미러 사이에서 소정의 공진 거리를 제공하는 스페이서층;을 더 포함하는, 광 변조 소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 스페이서층은 상기 격자 구조물의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 재질로 이루어진, 광 변조 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 격자 구조물은 상기 두 물질층의 적층 방향과 수직인 방향을 따라 소정 주기로 배열된, 광 변조 소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 가열부는 전기적으로 히팅되며 상기 복수의 격자 구조물을 가열하는 히터(heater)를 포함하는, 광 변조 소자.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 가열부는
    상기 히터로 사용될 전기 저항체;
    상기 전기 저항체에 전류를 공급하는 회로 요소층;을 포함하는, 광 변조 소자.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 전기 저항체는
    상기 가변 미러의 영역을 나누어 가열하기 위한 복수의 서브 저항체를 포함하는, 광 변조 소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 분산 브래그 미러의 상부에 배치되고 복수의 나노구조물을 구비하는 메타 광학 소자를 더 포함하는, 광 변조 소자.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 메타 광학 소자는
    상기 격자 구조물의 굴절률 변화에 따른 상기 가변 미러와 상기 분산 브래그 미러 사이에서의 위상 변조 범위를 추가적으로 넓히도록, 상기 복수의 나노구조물의 형상 분포가 정해진, 광 변조 소자.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 가열부를 지지하는 것으로,
    관통홀과, 상기 관통홀을 관통하는 메탈 플러그가 구비된 기판;을 더 포함하는, 광 변조 소자.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 기판 일면에 부착된 힛 싱크;를 더 포함하는, 광 변조 소자.
  12. 기판;
    상기 기판 상에 반복 배열된 복수의 위상 변조 채널을 포함하며,
    상기 복수의 위상 변조 채널 각각은, 열에 의해 변하는 굴절률을 가지는 재질로 이루어진 복수의 격자 구조물을 포함하는 가변 미러와, 상기 가변 미러 상부에 상기 가변 미러와 이격 배치되고 굴절률이 다른 두 물질층이 교번 적층된 분산 브래그 미러를 구비하는, 위상 변조부;
    상기 위상 변조부 하부에 배치되어 상기 복수의 가변 미러 각각에 열을 인가하는 가열부; 및
    상기 가열부에 제어 신호를 인가하는 제어부;를 포함하는, 빔 스티어링 소자.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 복수의 위상 변조 채널 사이에는
    상기 복수의 위상 변조 채널을 물리적으로 이격하는 트렌치(trench)가 형성된, 빔 스티어링 소자.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 트렌치는
    인접하는 위상 변조 채널간의 열 전달을 억제하는 에어 트렌치(air trench), 진공 트렌치(vacuum trench), 또는 단열 트렌치(heat insulating trench)인, 빔 스티어링 소자.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 트렌치는 상기 가열부의 영역 일부에까지 연장되는, 빔 스티어링 소자.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 트렌치는 상기 기판 내의 소정 깊이까지 연장되는, 빔 스티어링 소자.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 가열부는
    상기 복수의 위상 변조 채널 각각과 일대일로 마주하는 복수의 전기 저항체;
    상기 복수의 전기 저항체에 전류를 공급하기 위한 회로요소층;을 포함하는, 빔 스티어링 소자.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 복수의 전기 저항체 각각은
    상기 복수의 위상 변조 채널 중 마주하는 위상 변조 채널의 영역을 나누어 가열하기 위한 복수의 서브 저항체를 포함하는, 빔 스티어링 소자.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 트렌치는 상기 복수의 저항체 사이의 영역까지 연장되는, 빔 스티어링 소자.
  20. 제12항에 있어서,
    상기 기판은
    관통홀 및 상기 관통홀을 관통하는 메탈 플러그가 구비된 기판인, 빔 스티어링 소자.
  21. 제12항에 있어서,
    상기 기판의 일면에는 힛 싱크가 더 배치된, 빔 스티어링 소자.
  22. 제12항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 위상 변조 채널은
    상기 가변 미러와 상기 분산 브래그 미러 사이에서 소정의 공진 거리를 제공하며, 상기 격자 구조물의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 재질로 이루어진 스페이서층;을 더 포함하는, 빔 스티어링 소자.
  23. 제12항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 격자 구조물은 상기 두 물질층의 적층 방향과 수직인 방향을 따라 소정 주기로 배열된, 빔 스티어링 소자.
  24. 제12항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 위상 변조 채널은
    상기 분산 브래그 미러의 상부에 배치되고 복수의 나노구조물을 구비하는 메타 광학 소자를 더 포함하는, 빔 스티어링 소자.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 메타 광학 소자는
    상기 격자 구조물의 굴절률 변화에 따른 상기 가변 미러와 상기 분산 브래그 미러 사이에서의 위상 변조 범위를 추가적으로 넓히도록, 상기 복수의 나노구조물의 형상 분포가 정해진, 빔 스티어링 소자.
  26. 광원;
    상기 광원에서의 광을 스티어링하여 대상체를 향하게 하는 제12항 내지 제21항 중 어느 한 항의 빔 스티어링 소자;
    상기 대상체로부터의 광을 수신하는 센서;
    상기 센서에서 수신한 신호로부터 대상체의 위치 또는 형상을 분석하는 프로세서;를 포함하는, 전자 장치.
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