KR20210035377A - 광 변조 소자, 이를 포함하는 빔 스티어링 장치 및 빔 스티어링 장치를 포함하는 전자 장치 - Google Patents

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박정현
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Abstract

본 개시에 따른 일 실시예는 입사광의 세기를 증폭하고 위상을 변조하는 광 변조 소자를 제공한다.
광 변조 소자는 굴절률이 서로 다른 두 굴절률층이 반복적으로 교호하여 적층되어 형성되며, 제1 반사율(Rb)을 가지는 제1 DBR층, 상기 제1 DBR층 상에 마련되고, 우물층 및 제1 배리어층이 교호하여 적층되어 형성된 적층 구조의 양자우물구조를 포함하며, 상기 우물층 내부에는 적어도 하나의 양자점이 마련되는 활성층 및 상기 활성층 상에 마련되고, 굴절률이 서로 다른 두 굴절층률이 반복적으로 교호하여 적층되어 형성되며, 제2 반사율(Rf)을 가지는 제2 DBR층을 포함할 수 있다.

Description

광 변조 소자, 이를 포함하는 빔 스티어링 장치 및 빔 스티어링 장치를 포함하는 전자 장치{light modulator, beam steering device including the same and electronic device including the beam steering device}
본 개시의 기술적 사상은 광 변조 소자, 이를 포함하는 빔 스티어링 장치 및 빔 스티어링 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. 또한, OPA(Optical Phased Array)방식을 이용하여 여러 픽셀(pixel) 또는 웨이브가이드(waveguide) 형태의 광선 다발의 간섭을 이용하여 광의 위상을 변조하는 방식이 있다. 이때 픽셀 또는 웨이브가이드는 전기적, 열적으로 제어하여 광의 위상을 조절하게 된다.
기계적 움직임을 이용하는 MEMS구조를 이용하는 경우, 광 변조 소자의 부피가 커지고 가격이 상승하는 문제가 있다. 나아가, 진동 등의 이슈로 인해 응용이 제한될 수 있다.
OPA방식에서의 제어 방법에서는 픽셀 또는 웨이브가이드마다 구동 픽셀이 있어야 하고, 픽셀 구동부를 위한 구동 드라이버가 있어야 하므로 회로 및 소자가 복잡해지고 공정가격이 증가할 수 있다.
최근에는 메타표면(meta surface)을 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) 사이에 반도체 물질층이 마련된 샌드위치 구조체에 의해 형성된 패브리-페로 (Febry-Perot) 공진기 구조를 포함한다.
한 쌍의 DBR 및 반도체 물질층에 의해 형성된 패브리-페로 공진기 구조를 이용하여 광을 변조시키는 광 변조 소자는 손실을 갖는 광학 재료를 포함한다. 보통, 높은 위상 변조를 위해서는 공진이 큰 구조를 이용하는데, 이 때, 광의 손실도 함께 커져 광 변소 소자의 효율이 낮아질 수 있다.
본 개시의 다양한 실시예를 통해 양자점을 포함하는 활성층에 의해 포화 이득을 가지는 광 변조 소자를 제공하고자 한다.
본 개시의 다양한 실시예를 통해 포화 이득을 가지는 광 변조 소자를 포함하는 빔 스티어링 장치 및 이를 포함하는 전자 장치를 제공하고자 한다.
일 실시예는,
입사광의 세기를 증폭하고 위상을 변조하는 광 변조 소자를 제공한다.
상기 광 변조 소자는,
굴절률이 서로 다른 두 굴절률층이 반복적으로 교호하여 적층되어 형성되며, 제1 반사율(Rb)을 가지는 제1 DBR층, 상기 제1 DBR층 상에 마련되고, 우물층 및 제1 배리어층이 교호하여 적층되어 형성된 적층 구조의 양자우물구조를 포함하며, 상기 우물층 내부에는 적어도 하나의 양자점이 마련되는 활성층 및 상기 활성층 상에 마련되고, 굴절률이 서로 다른 두 굴절층률이 반복적으로 교호하여 적층되어 형성되며, 제2 반사율(Rf)을 가지는 제2 DBR층을 포함할 수 있다.
상기 적어도 하나의 양자점은 Gs^2*Rf*Rb<1의 조건을 만족하는 단일 이득(Gs)을 가질 수 있다.
상기 적어도 하나의 양자점은 Gs^2>1/Rb의 조건을 만족하는 단일 이득(Gs)을 가질 수 있다.
상기 우물층 내부에는 복수 개의 양자점이 마련될 수 있다.
상기 적층 구조는 복수 개일 수 있다.
상기 활성층은,
복수 개의 상기 적층 구조를 가지는 제1 멀티 적층 구조 및 복수 개의 상기 적층 구조를 가지는 제2 멀티 적층 구조를 포함할 수 있다.
상기 제1 멀티 적층 구조 및 상기 제2 멀티 적층 구조 사이에는 제2 배리어층이 더 마련될 수 있다.
상기 제2 배리어층의 두께는 상기 제1 배리어층의 두께보다 더 두꺼울 수 있다.
상기 양자점의 밴드갭 에너지는 상기 입사광의 에너지와 동일할 수 있다.
상기 활성층은 소정의 값 이상의 인가 전류에서는 포화 이득을 가질 수 있다.
상기 제1 반사율(Rb)은 상기 제2 반사율(Rf)보다 클 수 있다.
상기 제1 DBR층 및 상기 제2 DBR층 사이에 전류를 인가하여, 상기 활성층의 굴절률 및 이득을 독립적으로 조절하는 프로세서를 더 포함할 수 있다.
상기 제2 DBR층 상에 복수 개의 메타 구조물이 마련될 수 있다.
상기 복수 개의 메타 구조물 중 적어도 두 개는 서로 다른 굴절률을 가질 수 있다.
상기 제1 DBR층 상에는 제1 컨택층이 마련되고, 상기 제2 DBR층 상에는 제2 컨택층이 마련될 수 있다.
다른 일 실시예는,
상기 광 변조 소자를 복수 개 배치하여 형성한 광 변조 소자 어레이 및
상기 복수 개의 광 변조 소자의 굴절률을 독립적으로 제어하도록 구성되는 제어 회로를 포함하는 빔 스티어링 장치를 제공한다.
상기 빔 스티어링 장치에 포함된 상기 복수 개의 광 변조 소자의 양자점의 분포 밀도는 모두 동일할 수 있다.
상기 제어 회로는 인접한 두 개의 광 변조 소자와 연결되는 하나의 CMOS소자를 복수 개 포함할 수 있다.
또 다른 일 실시예는,
광원, 상기 광원으로부터 입사된 광의 진행 방향을 조절하여 피사체로 향하도록 하는 상기 빔 스티어링 장치, 상기 피사체로부터의 광을 수신하는 센서 및 상기 센서가 수신한 광을 분석하는 프로세서를 포함하는 전자 장치를 제공한다.
본 개시의 다양한 실시예에 따른 포화 이득을 가지는 광 변조 소자를 이용하여 광의 위상과 세기를 독립적으로 제어할 수 있다.
본 개시의 다양한 실시예에 따른 포화 이득을 가지는 광 변조 소자를 포함하는 빔 스티어링 장치를 이용하여 광의 진행 방향을 보다 효율적으로 조절할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 광 변조 소자의 구성을 간략하게 나타내는 측단면도이다.
도 2는 도 1의 광 변조 소자의 특성을 나타내는 그래프이다.
도 3은 도 1의 광 변조 소자에서 밀도 반전이 일어나는 과정을 간략하게 나타낸 것이다.
도 4는 도 1의 광 변조 소자에서 유도 방출이 일어나는 과정을 간략하게 나타낸 것이다.
도 5는 도 1의 광 변조 소자에서 굴절률이 변화하는 과정을 간략하게 나타낸 것이다.
도 6은 다른 일 실시예에 따른 광 변조 소자의 구성을 간략하게 나타내는 측단면도이다.
도 7은 또 다른 일 실시예에 따른 광 변조 소자의 구성을 간략하게 나타내는 측단면도이다.
도 8은 또 다른 일 실시예에 따른 광 변조 소자의 구성을 간략하게 나타내는 측단면도이다.
도 9는 일 실시예에 따른 광 변조 소자 어레이의 구성을 간략하게 나타내는 측단면도이다.
도 10은 도 9의 광 변조 소자 어레이를 제어하는 제어 회로의 구성을 간략하게 나타내는 측단면도이다.
도 11은 일 실시예에 따른 빔 스티어링 장치를 간략하게 나타내는 측단면도이다.
도 12는 일 실시예에 따른 전자 장치의 개략적인 구성을 나타내는 블록도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 다양한 실시예에 따른 광 변조 소자, 이를 포함하는 빔 스티어링 장치 및 빔 스티어링 장치를 포함하는 전자 장치에 대해 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다.
제1, 제2 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. 광 변조 소자, 이를 포함하는 빔 스티어링 장치 및 빔 스티어링 장치를 포함하는 전자 장치는 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
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(1100)의 구성을 간략하게 나타내는 블록도이다. 도 2는 도 1의 광 변조 소자(1100)의 특성을 나타내는 그래프이다.
도 1을 참조하면, 광 변조 소자(1100)는 굴절률이 서로 다른 두 굴절률층이 반복적으로 교호하여 적층되어 형성되며, 제1 반사율(Rb)을 가지는 제1 DBR층(100), 제1 DBR층(100) 상에 마련되고, 우물층(202) 및 제1 배리어층(201)이 교호하여 적층되어 형성된 적층 구조의 양자우물구조를 포함하며, 우물층(202) 내부에는 적어도 하나의 양자점(203)이 마련되는 활성층(200) 및 활성층(200) 상에 마련되고, 굴절률이 서로 다른 두 굴절률층이 반복적으로 교호하여 적층되어 형성되며, 제2 반사율(Rf)을 가지는 제2 DBR층(300)을 포함할 수 있다. 또한, 제1 DBR층(100) 상에는 제1 컨택층(400)이 마련되고, 제2 DBR층(300) 상에는 제2 컨택층(500)이 마련될 수 있다. 예를 들어, 제1 DBR층(100) 하부에는 제1 컨택층(400)이 마련되고, 제2 DBR층(300) 상부에는 제2 컨택층(500)이 마련될 수 있다.
광 변조 소자(1100)는 입사광(IL)의 세기를 증폭할 수 있다. 이에 따라, 출력광(OL)은 입사광(IL)에 비해 그 세기가 클 수 있다. 또한, 광 변조 소자(1100)는 입사광(IL)의 위상을 변조할 수 있다. 이에 따라, 출력광(OL)의 진행 방향을 입사광(IL)의 입사각과 무관하게 원하는 방향을 향하도록 조절할 수 있다. 광 변조 소자(1100)의 입사광(IL)에 대한 증폭 기능 및 위상 변조 기능을 도면을 참조하여 후술한다.
제1 DBR층(100)과 제2 DBR층(300)은 패브리-페로 공진기를 형성할 수 있다. 외부로부터 제2 DBR층(300)으로 입사하는 입사광(IL)은 제1 DBR층(100)과 제2 DBR층(300)사이에서 공진할 수 있다. 이 때, 제1 DBR층(100)의 제1 반사율(Rb)은 제2 DBR층(300)의 제2 반사율(Rf) 보다 클 수 있다. 이로 인해, 제1 DBR층(100)과 제2 DBR층(300) 사이에서 공진하던 광은 제2 DBR층(300) 통해 외부로 출력될 수 있다. 또한, 제1 DBR층(100)의 제1 반사율(Rb)이 제2 DBR층(300)의 제2 반사율(Rf) 보다 큰 값을 가짐으로써, 입사광(IR)의 위상 변화가 360도 범위에서 일어날 수 있다.
제1 DBR층(100) 및 제2 DBR층(300)은 높은 반사율을 가지는 거울 역할을 하며, 굴절률이 서로 다른 두 물질층의 쌍을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 DBR층(100) 및 제2 DBR층(300)은 상대적으로 낮은 굴절률의 저굴절률층(10)과 상대적으로 높은 굴절률의 고굴절률층(11)이 교호하여 적층된 구조를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 DBR층(100) 및 제2 DBR층(300)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 및 제2 DBR층(100, 300)의 저굴절률층(10) 및 고굴절률층(11)은 위의 예시와 다른 전혀 다른 물질을 포함할 수 있다. 이러한 구조의 제1 및 제2 상부 DBR층(100, 300)에 특정 파장의 광이 입사하는 경우, 저굴절률층(10)과 고굴절률층(11)의 경계면에서 반사가 일어난다. 이 때 반사되는 모든 광들의 위상차를 동일하게 하여, 반사광들의 보강 간섭이 일어나도록 함으로써 높은 반사율을 얻을 수 있다. 이를 위하여, 저굴절률층(10)과 고굴절률층(11)의 광학적 두께(층의 물리적 두께에 층의 굴절률을 곱한 값)를 각각 λ/4(λ는 입사되는 광의 파장)의 홀수 배로 형성할 수 있다. 제1 및 제2 DBR층(100, 300)은 저굴절률층(10) 및 고굴절률층(11) 쌍의 반복되는 횟수가 늘어날수록 높은 반사율을 가지게 된다. 예를 들어, 제1 DBR층(100)에서의 저굴절률층(10) 및 고굴절률층(11) 쌍의 반복 횟수가 제2 DBR층(300)에서의 저굴절률층(10) 및 고굴절률층(11) 쌍의 반복 횟수보다 많을 수 있다. 이에 따라, 제1 DBR층(100)의 제1 반사율(Rb)은 제2 DBR층(300)의 제2 반사율(Rf) 보다 클 수 있다.
활성층(200)은 양자우물구조를 가지는 반도체물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 활성층(200)은 우물층(202) 및 제1 배리어층(201)이 교호하여 적층되어 형성된 적층 구조를 포함할 수 있다. 또한, 우물층(202)은 한 쌍의 제1 배리어층(201) 사이에 마련될 수도 있다. 제1 배리어층(201)의 밴드갭 에너지는 우물층(202)의 밴드갭 에너지보다 클 수 있다. 우물층(202)이 접하고 있는 제1 배리어층(201)보다 비교적 더 작은 밴드갭 에너지를 가짐으로써, 우물층(202) 내에서 전자와 정공이 양자화된 에너지 레벨을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 배리어층(201)은 GaAs를 포함할 수 있고, 우물층(202)은 InGaAs를 포함할 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니고, 제1 배리어층(201) 및 우물층(202)은 앞서 예시한 물질과 다른 물질을 포함할 수도 있다. 또한, 활성층(200)에 전류가 인가됨으로써 활성층(200)의 굴절률이 변할 수 있다. 이에 따라, 입사광(IL)과 출력광(OL)의 위상은 서로 다를 수 있다. 다시 말해, 활성층(200)의 굴절률이 변함에 따라, 광 변조 소자(1100)를 통과한 광의 진행 방향이 변할 수 있다.
활성층(200)은 양자점(203)을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 우물층(202) 내부에는 적어도 하나의 양자점(203)이 마련될 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니고, 우물층(202) 내부에는 복수 개의 양자점(203)이 마련될 수 있다. 양자점(203)의 밴드갭 에너지는 우물층(202)의 밴드갭 에너지보다 작을 수 있다. 양자점(203)의 밴드갭 에너지는 입사광(IL)의 에너지와 동일할 수 있다. 예를 들어, 양자점(203)은 InAs를 포함할 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니고, 양자점(203)은 앞서 예시한 물질과 다른 물질을 포함할 수도 있다.
양자점(203)에서는 후술하는 바와 같이 인가되는 전류에 의해서 밀도 반전이 일어날 수 있다. 밀도 반전이 일어난 양자점(203)에 특정 에너지의 입사광(IL)이 입사되면 유도 방출(stimulated emission)이 일어날 수 있다. 이 유도 방출에 의해서 입사광(IL)의 세기가 증폭될 수 있다. 인가 전류가 증가할수록 더 많은 유도 방출이 일어날 수 있다. 이에 따라, 입사광(IL)의 세기의 증폭률도 증가할 수 있다. 그러나, 특정 전류 값 이상에서는 더 이상 유도 방출이 증가하지 않을 수 있으며, 이에 따라, 입사광(IL)의 세기에 대한 증폭률은 포화될 수 있다. 입사광(IL)의 세기에 대한 증폭률이 포화되는 원리에 대해서는 도 2를 참조하여 후술한다. 이처럼, 입사광(IL)의 세기에 대한 증폭률이 포화된 경우를, 활성층(200)이 포화 이득을 가지는 경우라 할 수 있다. 활성층(200)의 포화 이득은 단일 이득(Gs)을 가지는 양자점(203)의 분포 밀도에 의해 결정될 수 있다. 예를 들어, 양자점(203)의 분포 밀도가 높아질수록 활성층(200)의 포화 이득은 증가할 수 있다.
양자점(203)의 단일 이득(Gs)은 Gs^2*Rf*Rb<1의 조건을 만족할 수 있다. Gs^2*Rf*Rb의 값이 1이상의 값을 가질 정도로 단일 이득(Gs)이 커지게 되면, 양자점에서는 자발적 방출(spontaneous emission)이 일어날 수 있다. 즉, 양자점(203)의 단일 이득(Gs)의 값이 필요 이상으로 증가하게 되면, 광 변조 소자(1100)에 작은 전류가 흐르는 경우에도 레이징(lasing)이 일어날 수 있다. 이 경우, 광 변조 소자(1100)에 광이 입사하지 않은 경우에도, 광 변조 소자(1100)로부터 광이 방출될 수 있다. 이에 따라, 광 변조 소자(1000)를 입사광(IL)의 위상을 변조시키기 위한 빔 스티어링 소자로 활용할 수 없을 수 있다.
또한, 양자점(203)의 단일 이득(Gs)은 Gs^2>1/Rb의 조건을 만족할 수 있다. Gs^2의 값이 1/Rb이하의 값을 가질 정도로 단일 이득(Gs)이 작아지게 되면, 활성층(200)은 손실을 가질 수 있다. 따라서, 활성층(200)이 이득을 가질 수 있도록, 양자점(203)의 단일 이득(Gs)이 Gs^2>1/Rb의 조건을 만족하도록 설계하는 것이 바람직하다.
이와 같이, 양자점(203)의 단일 이득(Gs)이1/Rb<Gs^2*Rf*Rb<1의 조건을 만족함에 따라, 양자점(203)에서 자발적 방출에 의한 레이징(lasing)이 발생하지 않음과 동시에, 활성층(200)이 이득을 가질 수 있다.
제1 컨택층(400)은 예를 들어 N-형으로 도핑된 N-형 컨택층일 수 있으며, 제 2 컨택층(500)은 P-형으로 도핑된 P-형 컨택층일 수 있다. 도 1에는 제1 컨택층(400)이 제1 DBR층(100) 하부에 마련된 것으로 도시되었으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 제1 컨택층(400)은 활성층(200)과 제1 DBR층(100) 사이에 마련될 수도 있다. 또한, 도 1에는 제2 컨택층(500)이 제2 DBR층(300) 상부에 마련된 것으로 도시되었으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 제2 컨택층(500)은 활성층(200)과 제2 DBR층(300) 사이에 마련될 수도 있다. 제1 컨택층(400) 및 제2 컨택층(500) 상에는 전극(미도시)이 더 마련될 수 있다.
도 2를 참조하면, 광 변조 소자(1100)로부터 출력되는 출력광(OL)의 세기는 활성층(200)에 인가되는 전류(I)가 증가함에 따라 점점 증가할 수 있다. 다만, 특정 값(Ia) 이상의 전류에서는 더 이상 출력광(OL)의 세기가 증가하지 않을 수 있다. 이에 따라, 활성층(200)은 소정의 값(Ia) 이상의 인가 전류에서는 포화 이득을 가질 수 있다. 이는 활성층(200)에서 유도 방출을 일으키는 데에 직접 관여하는, 양자점(203)의 전도대의 기저 상태에 들어갈 수 있는 전자들의 수가 한정되어 있기 때문일 수 있다. 이와 달리, 활성층(200)의 이득이 더 이상 증가하지 않는 영역에서도 활성층(200)의 굴절률은 변화할 수 있다. 다시 말해, 입력광(IL)의 세기가 더 이상 증가하지 않는 영역에서도 입사광(IL)의 위상(p)은 변화할 수 있다.
전술한 바와 같이, 광 변조 소자(1100)는 인가되는 전류에 따라 포화 이득을 가지면서도 입사광의 위상을 지속적으로 변화시킬 수 있다. 이처럼, 광 변조 소자(1100)는 이득과 굴절률을 독립적으로 제어할 수 있는 프로세서(미도시)를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 프로세서는 제1 DBR층(100) 및 제2 DBR층(300) 사이에 전류를 인가하여, 활성층(200)의 굴절률 및 이득을 독립적으로 조절할 수 있다. 이에 따라, 광 변조 소자(1100)는 보다 효율적으로 입사광의 진행 방향을 제어할 수 있다. 광 변조 소자(1100)가 이득과 굴절률을 독립적으로 제어하는 원리에 대해서 도 5를 참조하여 후술한다.
도 3은 도 1의 광 변조 소자(1100)에서 밀도 반전이 일어나는 과정을 간략하게 나타낸 것이다. 도 4는 도 1의 광 변조 소자(1100)에서 유도 방출이 일어나는 과정을 간략하게 나타낸 것이다. 도 5는 도 1의 광 변조 소자(1100)에서 굴절률이 변화하는 과정을 간략하게 나타낸 것이다. 도 3 내지 도 5을 설명함에 있어, 도 1에 도시된 구성을 참조한다. 도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 배리어층(a1, a4)의 밴드갭 에너지(Eb)는 우물층(a2)의 밴드갭 에너지(Ew)보다 클 수 있다. 또한, 우물층(a2)의 밴드갭 에너지(Ew)는 양자점(203)의 밴드갭 에너지(Ed)보다 클 수 있다.
도 3을 참조하면, 제1 및 제2 DBR층(100, 300) 사이에 인가된 전류에 의해서 양자점(203)의 가전자대(valance band)에 머물던 전자가 에너지를 얻어 전도대(conduction band)로 이동함으로써, 밀도 반전이 일어날 수 있다. 예를 들어, 양자점(203)의 가전자대에 머물던 전자는 에너지를 얻어 전도대의 기저 상태(S1)에 채워질 수 있다. 예를 들어, 양자점(203)의 밴드갭 에너지(Ed)만큼의 전류가 제1 및 제2 DBR층(100, 300) 사이에 인가되는 경우, 양자점(203)의 가전자대의 전자들이 에너지를 얻어 전도대로 이동하여 밀도 반전이 일어날 수 있다. 전류를 지속적으로 인가할 경우, 더 많은 수의 전자들이 이동할 수 있고, 이에 따라 밀도 반전이 더욱 많이 일어날 수 있다.
도 4를 참조하면, 밀도 반전이 일어난 양자점(203)의 밴드갭 에너지와 동일한 에너지를 가지는 파장의 입사광(IL)이 광 변조 소자(1100)에 입사되면, 유도 방출(stimulated emission)이 일어나면서 입사광(IL)의 세기가 증폭될 수 있다. 따라서, 입사광(IL)보다 강한 세기를 가지는 출력광(OL)이 광 변조 소자(1100)로부터 출력될 수 있다. 한편, 유도 방출은 양자점(203)의 전도대의 기저 상태(S1)에 채워진 전자들에 의해서 일어날 수 있다. 전술한 바와 같이, 기저 상태(S1)에 채워질 수 있는 전자의 수는 한정되므로, 제1 및 제2 DBR층(100, 300) 사이에 지속적으로 전류가 인가되더라도, 유도 방출이 더 이상 증가하지 않을 수 있다. 이에 따라, 입사광(IL)에 대한 증폭률도 특정 값 이상으로 커지지 않고 포화될 수 있다. 다시 말해. 활성층(200)은 특정 값 이상의 전류가 인가되는 경우에는 포화 이득을 가질 수 있다.
도 5를 참조하면, 제1 DBR층(100) 및 제2 DBR층(300) 사이에 전류 크기가 증가하는 동안 양자점(a3) 및 우물층(a2)의 양자화된 복수 개의 스테이트에 전자가 채워질 수 있다. 전술한 바와 같이, 활성층(200)의 이득은 양자점(203)의 전도대의 기저 상태(S1)에 있는 전자들에 의해 정해질 수 있다. 이와는 별개로, 활성층(200)의 굴절률은 우물층(a2)의 복수 개의 스테이트에 채워진 전자에 의해 정해질 수 있다. 예를 들어, 양자점(203)의 기저 상태(S1)를 포함한 복수 개의 스테이트에 전자가 모두 채워진 이후에도, 전류가 활성층(200)에 지속적으로 인가되면, 우물층(a2)의 복수 개의 스테이트에 전자가 계속 채워질 수 있다. 우물층(a2)에 채워지는 전자의 수가 변함에 따라, 활성층(200)의 굴절률이 변할 수 있다. 전술한 바와 같이, 활성층(200)의 이득은 인가되는 전류 값이 증가하여도, 특정 값 이상의 전류가 인가되는 경우에는 더 이상 증가하지 않고, 포화될 수 있다. 이와 달리, 활성층(200)의 이득이 포화된 상태에서도, 활성층(200)의 굴절률은 활성층(200)에 전류가 지속적으로 인가 됨에따라 계속 변화할 수 있다. 이처럼 활성층(200)에 전류를 인가함으로써 이득과 굴절률을 독립적으로 제어할 수 있다.
도 6은 다른 일 실시예에 따른 광 변조 소자(1110)의 구성을 간략하게 나타내는 측단면도이다. 도 6을 설명함에 있어, 도 1과 중복되는 내용은 생략한다.
도 6을 참조하면, 광 변조 소자(1110)는 굴절률이 서로 다른 두 굴절률층이 반복적으로 교호하여 적층되어 형성되며, 제1 반사율(Rb)을 가지는 제1 DBR층(110), 제1 DBR층(110) 상에 마련되고, 우물층(212) 및 제1 배리어층(211)이 교호하여 적층되어 형성된 적층 구조의 양자우물구조를 포함하며, 우물층(212) 내부에는 적어도 하나의 양자점(213)이 마련되는 활성층(210) 및 활성층(210) 상에 마련되고, 굴절률이 서로 다른 두 굴절률층이 반복적으로 교호하여 적층되어 형성되며, 제2 반사율(Rf)을 가지는 제2 DBR층(310)을 포함할 수 있다. 또한, 광 변조 소자(1110)는 제1 DBR층(110) 하부에 마련된 제1 컨택층(410) 및 제2 DBR층(310) 상부에 마련된 제2 컨택층(510)을 더 포함할 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니며, 제1 컨택층(410)은 활성층(210)과 제1 DBR층(110) 사이에 마련될 수도 있다. 또한, 제2 컨택층(510)은 활성층(210)과 제2 DBR층(310) 사이에 마련될 수도 있다.
제1 DBR층(110) 및 제2 DBR층(310)은 각각 도 1의 제1 DBR층(100) 및 제2 DBR층(300)과 실질적으로 동일한 구성을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 DBR층(110) 및 제2 DBR층(310)은 상대적으로 낮은 굴절률의 저굴절률층(12)과 상대적으로 높은 굴절률의 고굴절률층(13)이 교호하여 적층된 구조를 포함할 수 있다.
제1 컨택층(410) 및 제2 컨택층(510)은 각각 도 1의 제1 컨택층(400) 및 제 2 컨택층(500)과 실질적으로 동일한 구성을 가질 수 있다.
활성층(210)은 양자우물구조를 가지는 반도체물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 활성층(210)은 우물층(212) 및 제1 배리어층(211)이 교호하여 적층되어 형성된 복수 개의 적층 구조(ST1 내지 STn, n은 자연수)를 포함할 수 있다. 복수 개의 적층 구조(ST1 내지 STn)의 개수가 많아질수록 활성층(210)의 이득이 높아질 수 있다.
복수 개의 적층 구조(ST1 내지 STn) 각각은 적어도 하나의 양자점(213)을 포함할 수 있다. 양자점(213)은 도 2의 양자점(203)과 실질적으로 동일한 구성을 가질 수 있다.
도 7은 또 다른 일 실시예에 따른 광 변조 소자(1120)의 구성을 간략하게 나타내는 측단면도이다. 도 7을 설명함에 있어, 도 1과 중복되는 내용은 생략한다.
도 7을 참조하면, 광 변조 소자(1120)는 굴절률이 서로 다른 두 굴절률층이 반복적으로 교호하여 적층되어 형성되며, 제1 반사율(Rb)을 가지는 제1 DBR층(120), 제1 DBR층(120) 상에 마련되고, 우물층(222) 및 제1 배리어층(221)이 교호하여 적층되어 형성된 적층 구조의 양자우물구조를 포함하며, 우물층(222) 내부에는 적어도 하나의 양자점(223)이 마련되는 활성층(220) 및 활성층(220) 상에 마련되고, 굴절률이 서로 다른 두 굴절률층이 반복적으로 교호하여 적층되어 형성되며, 제2 반사율(Rf)을 가지는 제2 DBR층(320)을 포함할 수 있다. 또한, 광 변조 소자(1120)는 제1 DBR층(120) 하부에 마련된 제1 컨택층(420) 및 제2 DBR층(320) 상부에 마련된 제2 컨택층(520)을 더 포함할 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아며, 제1 컨택층(420)은 활성층(220)과 제1 DBR층(120) 사이에 마련될 수도 있다. 또한, 제2 컨택층(520)은 활성층(220)과 제2 DBR층(320) 사이에 마련될 수도 있다.
제1 DBR층(120) 및 제2 DBR층(320)은 각각 도 1의 제1 DBR층(100) 및 제2 DBR층(300)과 실질적으로 동일한 구성을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 DBR층(120) 및 제2 DBR층(320)은 상대적으로 낮은 굴절률의 저굴절률층(14)과 상대적으로 높은 굴절률의 고굴절률층(15)이 교호하여 적층된 구조를 포함할 수 있다.
제1 컨택층(420) 및 제2 컨택층(520)은 각각 도 2의 제1 컨택층(400) 및 제 2 컨택층(500)과 실질적으로 동일한 구성을 가질 수 있다.
활성층(220)은 양자우물구조를 가지는 반도체물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 활성층(220)은 우물층(222) 및 제1 배리어층(221)이 교호하여 적층되어 형성된 복수 개의 적층 구조(ST1, ST2, ST3, ST4, ST5, ST6)를 포함할 수 있다. 도 7에는 6개의 적층 구조(ST1, ST2, ST3, ST4, ST5, ST6)가 도시되었으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 적층 구조는 6개 이상일 수 있다. 적층 구조(ST1, ST2, ST3, ST4, ST5, ST6)의 개수가 많아질수록 활성층(220)의 이득이 높아질 수 있다. 한편, 활성층(220)은 복수 개의 적층 구조(예를 들어, 제1 내지 제3 적층 구조(ST1, ST2, ST3))를 가지는 제1 멀티 적층 구조(MS1) 및 복수 개의 적층 구조(예를 들어, 제4 내지 제6 적층 구조(ST4, ST5, ST6))를 가지는 제2 멀티 적층 구조(MS2)를 포함할 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니고, 세 개보다 적거나 많은 수의 적층 구조가 제1 및 제2 멀티 적층 구조(MS2)에 포함될 수 있다. 또한, 도 7에는 두 개의 멀티 적층 구조가 도시되었으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 활성층(220)은 두 개 이상의 멀티 적층 구조를 포함할 수 있다. 나아가, 제1 멀티 적층 구조(MS1) 및 제2 멀티 적층 구조(MS2) 사이에는 제2 배리어층(224)이 더 마련될 수 있다. 또한, 제2 배리어층(224)은 제1 적층 구조(MS1)와 제2 DBR층(320) 사이에 마련될 수도 있고, 제2 배리어층(224)은 제2 적층 구조(MS2)와 제1 DBR층(120) 사이에 마련될 수도 있다. 제2 배리어층(224)의 두께는 제1 배리어층(221)의 두께보다 더 두꺼울 수 있다. 또한, 우물층(222)은 적어도 하나의 양자점(223)을 포함할 수 있다. 양자점(223)은 도 2의 양자점(203)과 실질적으로 동일한 구성을 가질 수 있다.
도 8은 또 다른 일 실시예에 따른 광 변조 소자(1130)의 구성을 간략하게 나타내는 측단면도이다. 도 8을 설명함에 있어, 도 1과 중복되는 내용은 생략한다.
도 8을 참조하면, 광 변조 소자(1130)는 굴절률이 서로 다른 두 굴절률층이 반복적으로 교호하여 적층되어 형성되며, 제1 반사율(Rb)을 가지는 제1 DBR층(130), 제1 DBR층(130) 상에 마련되고, 우물층(232) 및 제1 배리어층(231)이 교호하여 적층되어 형성된 적층 구조의 양자우물구조를 포함하며, 우물층(232) 내부에는 적어도 하나의 양자점(233)이 마련되는 활성층(230) 및 활성층(230) 상에 마련되고, 굴절률이 서로 다른 두 굴절률층이 반복적으로 교호하여 적층되어 형성되며, 제2 반사율(Rf)을 가지는 제2 DBR층(330)을 포함할 수 있다. 또한, 광 변조 소자(1130)는 제1 DBR층(130) 하부에 마련된 제1 컨택층(430) 및 제2 DBR층(330) 상부에 마련된 제2 컨택층(530)을 더 포함할 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아며, 제1 컨택층(430)은 활성층(230)과 제1 DBR층(130) 사이에 마련될 수도 있다. 또한, 제2 컨택층(530)은 활성층(230)과 제2 DBR층(330) 사이에 마련될 수도 있다.
제1 DBR층(120) 및 제2 DBR층(320)은 각각 도 1의 제1 DBR층(100) 및 제2 DBR층(300)과 동일한 구성을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 DBR층(120) 및 제2 DBR층(320)은 상대적으로 낮은 굴절률의 저굴절률층(14)과 상대적으로 높은 굴절률의 고굴절률층(15)이 교호하여 적층된 구조를 포함할 수 있다.
제1 컨택층(420) 및 제2 컨택층(520)은 각각 도 2의 제1 컨택층(400) 및 제 2 컨택층(500)과 실질적으로 동일한 구성을 가질 수 있다.
활성층(230)은 도 1의 활성층(200)과 실질적으로 동일한 구성을 포함할 수 있다. 예를 들어, 활성층(230)은 우물층(232) 및 제1 배리어층(231)이 교호하여 적층되어 형성된 적층 구조를 포함할 수 있다. 예를 들어, 우물층(232)은 한 쌍의 제1 배리어층(231) 사이에 마련될 수도 있다. 나아가, 우물층(232)은 적어도 하나의 양자점(233)을 포함할 수 있다. 양자점(233)은 도 1의 양자점(203)과 동일한 구성을 가질 수 있다.
나아가, 제2 DBR층(330) 상부에는 복수 개의 메타 구조물(630)이 마련될 수 있다. 예를 들어, 복수 개의 메타 구조물(630)은 제2 DBR층(330) 상에 마련되어 있는 제2 컨택층(530)과 직접 접촉하여 형성될 수 있다. 또한, 제2 컨택층(530)이 제2 DBR층(330)과 활성층(230) 사이에 마련되어 있는 경우에는, 복수 개의 메타 구조물(630)은 제2 DBR층(330)과 직접 접촉하여 형성될 수 있다.
복수 개의 메타 구조물(630)은 입사광(IL)의 파장보다 작은 형상 치수를 가질 수 있다. 이 경우, 활성층(230)에 의해 위상과 세기가 변조된 입사광(IL)이 출력되기 전에, 메타 구조물(630)을 지나면서 또 다시 변조될 수 있다. 이처럼, 메타 구조물(630)에 의해 입사광(IL)의 위상 또는 세기가 2차적으로 변조될 수 있다. 메타 구조물(630)에 의한 입사광(IL)의 2차 변조 정도는 메타 구조물(630)의 형상 치수에 따라 결정될 수 있다.
복수 개의 메타 구조물(630)의 형상 치수는 입사광(IL)의 파장보다 작을 수 있다. 예를 들어, 복수 개의 메타 구조물(630)의 높이, 너비, 폭, 피치 등은 입사광(IL)의 파장보다 작을 수 있다. 복수 개의 메타 구조물(630) 중 적어도 두 개는 서로 다른 굴절률을 가질 수 있다. 예를 들어, 복수 개의 메타 구조물(630) 중 적어도 두 개는 서로 다른 높이, 너비, 폭, 피치 등의 형상 치수를 가짐으로써, 서로 다른 굴절률을 가질 수 있다.
도 9는 일 실시예에 따른 광 변조 소자 어레이(2100)의 구성을 간략하게 나타내는 측단면도이다. 도 10은 도 9의 광 변조 소자 어레이(2100)를 제어하는 제어 회로(2200)의 구성을 간략하게 나타내는 측단면도이다. 도 11은 일 실시예에 따른 빔 스티어링 장치(2000)를 간략하게 나타내는 측단면도이다.
도 9를 참조하면, 광 변조 소자 어레이(2100)는 기판(2120) 상에 배치된 복수 개의 광 변조 소자(2110)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 복수 개의 광 변조 소자(2110) 각각은 도 1, 도 6, 도 7 및 도 8의 광 변조 소자(1100, 1110, 1120, 1130)와 실질적으로 동일할 수 있다. 예를 들어, 복수 개의 광 변조 소자(2110) 각각은 적어도 하나의 양자점을 포함할 수 있다. 나아가, 복수 개의 광 변조 소자(2110) 각각의 양자점의 분포 밀도는 모두 동일할 수 있다. 이에 따라, 복수 개의 광 변조 소자(2110)의 이득은 모두 동일할 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니고, 복수 개의 광 변조 소자(2110) 각각의 양자점의 분포 밀도는 서로 다를 수 있고, 이에 따라, 복수 개의 광 변조 소자(2110)의 이득도 서로 다를 수 있다.
도 10을 참조하면, 제어 회로(2200)는 복수 개의 트랜지스터(Tr1 내지 Tr4)를 포함할 수 있다. 제1 트랜지스터(Tr1)는 기판(sub)상에 마련되어 서로 마주보고 있는 소스 전극(1) 및 드레인 전극(2)을 포함할 수 있다. 소스 전극(1) 및 드레인 전극(2)은 n형 또는 p형으로 도핑될 수 있다. 소스 전극(1) 및 드레인 전극(2) 사이에는 채널층(3)이 형성될 수 있다. 채널층(3)은 n형 또는 p형 물질을 포함하는 영역일 수 있다. 예를 들어, 소스 전극(1) 및 드레인 전극(2)이 모두 n형으로 도핑된 경우, 채널층(3)은 p형 물질을 포함하는 영역일 수 있다. 이 경우, 제1 트랜지스터(Tr1)는 NMOS라고 지칭될 수 있다. 또는, 소스 전극(1) 및 드레인 전극(2)이 모두 p형으로 도핑된 경우, 채널층(3)은 n형 물질을 포함하는 영역일 수 있다. 이 경우, 제1 트랜지스터(Tr1)는 PMOS라고 지칭될 수 있다. 제1 트랜지스터(Tr1)가 NMOS인 경우, 제1 트랜지스터(Tr1)와 인접한 제2 트랜지스터(Tr2)는 PMOS일 수 있다. 이 경우, 제1 트랜지스터(Tr1) 및 제2 트랜지스터(Tr2)는 서로 연결되어 CMOS를 형성할 수 있다. 예를 들어, 제1 트랜지스터(Tr1) 및 제2 트랜지스터(Tr2)의 드레인 전극(2)이 서로 연결됨으로써 CMOS가 형성될 수 있다. 나아가, 제1 트랜지스터(Tr1)는 기판(sub)상에 채널층(3)과 대응되는 영역에 마련된 게이트 전극(4)을 더 포함할 수 있다. 게이트 전극(4) 및 채널층(3) 사이에는 게이트 절연막(5)이 더 마련될 수 있다. 기판(sub) 상에는 게이트 전극(4)을 덮는 절연층(7)이 마련될 수 있다. 절연층(7)에는 복수 개의 홀(H)이 형성될 수 있다. 복수 개의 홀(H)에는 제1 전극(E1) 또는 제2 전극(E2)이 형성될 수 있다. 복수 개의 제1 전극(E1)은 복수 개의 소스 전극(1)과 접할 수 있다. 또한, 복수 개의 제1 전극(E1)은 절연층(7)의 외부로 노출되도록 형성될 수 있다. 복수 개의 제2 전극(E2)은 복수 개의 드레인 전극(2)과 접할 수 있다. 복수 개의 드레인 전극(2)은 절연층(7) 내부에서 서로 연결될 수 있다. 도 11에는 드레인 전극(2)끼리 직접 연결된 구성은 도시되어 있지 않으나, 드레인 전극(2)은 다른 루트를 통해 서로 연결될 수 있다. 도 11의 제어 회로(2200)는 4개의 트랜지스터(Tr1 내지 Tr4)를 포함하고 있으나, 이는 설명의 편의를 위한 것이며, 제어 회로(2200)는 4 개 이상의 복수 개의 트랜지스터를 포함할 수 있다.
도 11을 참조하면, 빔 스티어링 장치(2000)는 광 변조 소자 어레이(2100) 및 제어 회로(2200)를 포함할 수 있다. 광 변조 소자 어레이(2100)와 제어 회로(2200)는 접합부(2300)를 통해 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 광 변조 소자 어레이(2100)에 포함된 복수 개의 광 변조 소자들과 제어 회로(2200)에 포함된 복수 개의 트랜지스터가 일대일 대응되도록 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 제1 광 변조 소자(OM1)와 전기적으로 연결된 제1 트랜지스터(Tr1)는 NMOS이고, 제1 광 변조 소자(OM1)에 인접한 제2 광 변조 소자(OM2)와 전기적으로 연결된 제2 트랜지스터(Tr2)는 PMOS일 수 있다. 이 경우, 제1 트랜지스터(Tr1) 및 제2 트랜지스터(Tr2)는 CMOS를 형성할 수 있다. 다시 말해, 서로 인접한 제1 광 변조 소자(OM1) 및 제2 광 변조 소자(OM2)는 제1 트랜지스터(Tr1) 및 제2 트랜지스터(Tr2)로 형성된 하나의 CMOS와 전기적으로 연결될 수 있다. 도 10을 참조하여 설명한 바와 같이, 제어 회로(2200)는 복수 개의 트랜지스터를 포함하고 있고, 이에 따라 CMOS도 복수개 형성될 수 있다. 제어 회로(2200)에 포함된 복수 개의 CMOS에 인가되는 전류은 서로 다를 수 있다. 이에 따라, 복수 개의 CMOS와 전기적으로 연결된 광 변조 소자에는 서로 다른 전기 신호가 전송될 수 있다. 결과적으로 복수 개의 CMOS를 포함하는 제어 회로(2200)는 복수 개의 광 변조 소자의 특성을 독립적으로 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어 회로(2200)는 복수 개의 광 변조 소자의 굴절률을 독립적으로 제어할 수 있다. 이 경우, 복수 개의 광 변조 소자 각각은 모두 동일한 포화 이득을 가질 수 있다. 이에 따라, 복수 개의 광 변조 소자 각각으로부터 출력되는 광의 세기는 일정할 수 있다.
도 12는 일 실시예에 따른 전자 장치(3000)의 개략적인 구성을 나타내는 블록도이다.
도 12를 참조하면, 전자 장치(3000)는 피사체(OBJ)를 향해 광을 조사하는 조명 장치(3100), 피사체(OBJ)로부터 반사된 광을 수광하는 센서(3300) 및 센서(3300)에서 수광한 광으로부터 피사체(OBJ)에 대한 정보 획득을 위한 연산을 수행하는 프로세서(3200)를 포함할 수 있다. 전자 장치(3000)는 또한, 프로세서(3200)의 실행을 위한 코드나 데이터가 저장되는 메모리(3400)를 포함할 수 있다.
조명 장치(3100)는 광원(3120), 빔 스티어링 장치(3110)를 포함할 수 있다. 광원(3120)은 피사체(OBJ)를 스캐닝 하기 위한 소스 광을 발생시킬 수 있다. 상기 소스 광은 펄스 레이저일 수 있다. 빔 스티어링 장치(3110)는 광원(3120)으로부터의 광의 진행 방향을 바꾸어 피사체(OBJ)를 조명하는 것으로, 도 11의 빔 스티어링 장치(2000)를 포함할 수 있다. 빔 스티어링 장치(2000)에 도 1, 6, 7 및 8에서 설명한 광 변조 소자(1100, 1110, 1120, 1130)가 적용될 수 있음은 도 11을 참조하여 설명한 바와 같다.
조명 장치(3100)와 피사체(OBJ) 사이에는 조명 장치(3100)로부터의 광이 피사체(OBJ)를 향하도록 방향을 조절하거나, 또는 추가적인 변조를 위한 광학 소자들이 더 배치될 수도 있다.
센서(3300)는 피사체(OBJ)에 의해 반사된 광(Lr)을 센싱한다. 센서(3300)는 광 검출 요소들의 어레이를 포함할 수 있다. 센서(3300)는 피사체(OBJ)로부터 반사된 광을 파장별로 분석하기 위한 분광 소자를 더 포함할 수도 있다.
프로세서(3200)는 센서(3300)에서 수광한 광으로부터 피사체(OBJ)에 대한 정보 획득을 위한 연산을 수행할 수 있다. 또한, 프로세서(3200)는 전자 장치(3000) 전체의 처리 및 제어를 총괄할 수 있다. 프로세서(3200)는 피사체(OBJ)에 대한 정보 획득 및 처리 할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(3200)는 2차원 또는 3차원 영상 정보를 획득 및 처리할 수 있다. 프로세서(3200)는 그 외, 조명 장치(3100)에 구비된 광원 구동이나 센서(3300)의 동작 등을 전반적으로 제어할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(3200)는 조명 장치(3100)에 포함된 광 변조 소자에 인가되는 전류의 값을 연산할 수 있다. 프로세서(3200)는 또한, 피사체(OBJ)로부터 획득한 정보에 근거하여 사용자 인증 등의 여부를 판단할 수 있고, 기타, 다른 어플리케이션을 실행할 수도 있다.
메모리(3400)에는 프로세서(3200)에서의 실행을 위한 코드가 저장될 수 있다. 메모리(3400)에는 이외에도, 전자 장치(3000)가 실행하는 다양한 실행 모듈들, 이를 위한 데이터들이 저장될 수 있다. 예를 들어, 프로세서(3200)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(3000)에 추가적으로 구비될 수 있는 장치, 이를 구동하기 위한 프로그램으로, 통신 모듈, 카메라 모듈, 동영상 재생 모듈, 오디오 재생 모듈, 등이 더 저장될 수 있다.
프로세서(3200)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(3400)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 등이 될 수 있다.
전자 장치(3000)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 장치일 수 있으며, 이에 제한되지 않는다. 또한, 전자 장치(3000)는 무인자동차, 자율주행차, 로봇, 드론 등과 같은 자율 구동 기기, 또는 사물 인터넷 기기일 수 있다.
상기한 실시예들은 예시적인 것에 불과한 것으로, 당해 기술분야의 통상을 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 것을 이해할 수 있다. 따라서, 예시적인 실시예에 따른 진정한 기술적 보호범위는 하기의 특허청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상에 의해 정해져야만 할 것이다.
1000: 광 변조 소자
1100, 1110, 1120, 1130, 2110: 광 변조 소자
1200: 프로세서
IL: 입사광
OL: 출력광
100, 110, 120, 130: 제1 DBR층
200, 210, 220, 230: 활성층
201, 211, 221, 231: 제1 배리어층
202, 212, 222, 232: 우물층
203, 213, 223, 233: 양자점
224: 제2 배리어층
300, 310, 320, 330: 제2 DBR층
400, 410, 420, 430: 제1 컨택층
500, 510, 520, 530: 제2 컨택층
630: 메타 구조물
10, 12, 14, 16: 저굴절률층
11, 13, 15, 17: 고굴절률층
ST1, ST2, ST3, STn: 적층 구조
2100: 광 변조 소자 어레이
2120: 기판
2200: 제어 회로
2300: 접합부
3000: 전자 장치
3100: 조명 장치
2000, 3110: 빔 스티어링 장치
3120: 광원
3200: 프로세서
3300: 센서
3400: 메모리

Claims (20)

  1. 입사광의 세기를 증폭하고 위상을 변조하는 광 변조 소자에 있어서,
    굴절률이 서로 다른 두 굴절률층이 반복적으로 교호하여 적층되어 형성되며, 제1 반사율(Rb)을 가지는 제1 DBR층;
    상기 제1 DBR층 상에 마련되고, 우물층 및 제1 배리어층이 교호하여 적층되어 형성된 적층 구조의 양자우물구조를 포함하며, 상기 우물층 내부에는 적어도 하나의 양자점이 마련되는 활성층; 및
    상기 활성층 상에 마련되고, 굴절률이 서로 다른 두 굴절층률이 반복적으로 교호하여 적층되어 형성되며, 제2 반사율(Rf)을 가지는 제2 DBR층; 을 포함하는 광 변조 소자.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 양자점은 Gs^2*Rf*Rb<1의 조건을 만족하는 단일 이득(Gs)을 가지는, 광 변조 소자.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 양자점은 Gs^2>1/Rb의 조건을 만족하는 단일 이득(Gs)을 가지는, 광 변조 소자.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 우물층 내부에는 복수 개의 양자점이 마련되는, 광 변조 소자.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 적층 구조는 복수 개인, 광 변조 소자.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 활성층은,
    복수 개의 상기 적층 구조를 가지는 제1 멀티 적층 구조 및 복수 개의 상기 적층 구조를 가지는 제2 멀티 적층 구조를 포함하는, 광 변조 소자.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 제1 멀티 적층 구조 및 상기 제2 멀티 적층 구조 사이에는 제2 배리어층이 더 마련되는, 광 변조 소자.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 제2 배리어층의 두께는 상기 제1 배리어층의 두께보다 더 두꺼운, 광 변조 소자.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 양자점의 밴드갭 에너지는 상기 입사광의 에너지와 동일한, 광 변조 소자.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 활성층은 소정의 값 이상의 인가 전류에서는 포화 이득을 가지는, 광 변조 소자.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 반사율(Rb)은 상기 제2 반사율(Rf)보다 큰, 광 변조 소자.
  12. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 DBR층 및 상기 제2 DBR층 사이에 전류를 인가하여, 상기 활성층의 굴절률 및 이득을 독립적으로 조절하는 프로세서; 를 더 포함하는 광 변조 소자.
  13. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 DBR층 상에 복수 개의 메타 구조물이 마련되어 있는, 광 변조 소자.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 복수 개의 메타 구조물 중 적어도 두 개는 서로 다른 굴절률을 가지는, 광 변조 소자.
  15. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 DBR층 상에는 제1 컨택층이 마련되고, 상기 제2 DBR층 상에는 제2 컨택층이 마련되는, 광 변조 소자.
  16. 제1 항의 광 변조 소자를 복수 개 배치하여 형성한 광 변조 소자 어레이; 및
    상기 복수 개의 광 변조 소자의 굴절률을 독립적으로 제어하도록 구성되는 제어 회로; 를 포함하는 빔 스티어링 장치.
  17. 제16 항에 있어서,
    상기 복수 개의 광 변조 소자의 양자점의 분포 밀도는 모두 동일한, 빔 스티어링 장치.
  18. 제16 항에 있어서,
    상기 제어 회로는 인접한 두 개의 광 변조 소자와 연결되는 하나의 CMOS소자를 복수 개 포함하는, 빔 스티어링 장치.
  19. 광원;
    상기 광원으로부터 입사된 광의 진행 방향을 조절하여 피사체로 향하도록 하는 제16 항의 빔 스티어링 장치;
    상기 피사체로부터의 광을 수신하는 센서; 및
    상기 센서가 수신한 광을 분석하는 프로세서; 를 포함하는 전자 장치.
  20. 제19 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 양자점은 1/Rb <Gs^2*Rf*Rb<1의 조건을 만족하는 단일 이득(Gs)을 가지는, 전자 장치.
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