KR20210035689A - 광 변조기 및 이를 포함하는 빔 스티어링 시스템 - Google Patents

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KR20210035689A
KR20210035689A KR1020190127160A KR20190127160A KR20210035689A KR 20210035689 A KR20210035689 A KR 20210035689A KR 1020190127160 A KR1020190127160 A KR 1020190127160A KR 20190127160 A KR20190127160 A KR 20190127160A KR 20210035689 A KR20210035689 A KR 20210035689A
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optical modulator
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active layer
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KR1020190127160A
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김선일
박정현
이두현
정병길
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삼성전자주식회사
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    • 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

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  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

복수의 단위셀을 포함하는 광 변조기 및 이를 포함하는 빔 스티어링 시스템이 개시된다. 개시된 광 변조기는 전기적인 신호에 따라 굴절률이 변화하는 활성층과, 활성층의 상부에 마련되는 복수의 안테나 패턴과, 활성층의 하부에 마련되는 미러층을 포함한다. 여기서, 상기 활성층은 구조적으로 서로 분리되도록 마련되는 복수의 굴절률 변환 영역을 포함한다.

Description

광 변조기 및 이를 포함하는 빔 스티어링 시스템{Optical modulator and beam steering system including the optical modulator}
광 변조기 및 이를 포함하는 빔 스티어링 시스템에 관한 것이다.
레이저빔을 원하는 위치로 스티어링하기 위해서는 일반적으로 레이저 조사 부분을 기계적으로 회전시켜 주는 방법과 OPA(Optical Phased Array) 방식을 이용하여 다수의 단위셀 또는 다수의 도파관으로부터 나오는 레이저빔 다발의 간섭을 이용하는 방법이 사용되고 있다. OPA 방식에서는 단위셀들이나 도파관들을 전기적 또는 열적으로 제어함으로써 레이저빔을 스티어링할 수 있다.
예시적인 실시예들은 광 변조기 및 이를 포함하는 빔 스티어링 시스템을 제공한다.
일 측면에 있어서,
복수의 단위셀(unit cell)을 포함하는 광 변조기에 있어서,
전기적인 신호에 따라 굴절률이 변화하며 구조적으로 서로 분리되도록 마련되는 복수의 굴절률 변환 영역을 포함하는 활성층(active layer);
상기 활성층의 상부에 마련되는 복수의 안테나 패턴; 및
상기 활성층의 하부에 마련되는 미러층;을 포함하는 광 변조기가 제공된다.
상기 복수의 굴절률 변환 영역이 구조적으로 분리되는 거리는 0.1㎛ 내지 0.5㎛가 될 수 있다.
상기 복수의 굴절률 변환 영역이 구조적으로 분리되는 거리는 상기 굴절률 변환 영역의 사이즈 보다 작거나 같을 수 있다.
상기 복수의 굴절률 변환 영역이 구조적으로 분리되는 거리는 상기 굴절률 변환 영역의 사이즈 보다 작을 수 있다. 상기 복수의 굴절률 변환 영역이 구조적으로 분리되는 거리는 상기 굴절률 변환 영역의 사이즈의 1/2 보다 작을 수 있다.
상기 복수의 굴절률 변환 영역이 구조적으로 분리되는 거리는 상기 복수의 안테나 패턴 사이의 간격 보다 작거나 같을 수 있다.
상기 복수의 굴절률 변환 영역은 1차원 형태 또는 2차원 형태로 배열될 수 있다.
상기 복수의 굴절률 변환 영역은 전기적으로도 서로 분리되도록 마련될 수 있다. 한편, 상기 복수의 굴절률 변환 영역은 전기적으로는 서로 연결되도록 마련될 수도 있다.
상기 복수의 굴절률 변환 영역은 산화물 반도체를 포함할 수 있다. 상기 산화물 반도체는 예를 들면, ITO(Indium-Tin-Oxide), IZO(Indium-Zinc-Oxide), GIZO(Ga-In-Zn-Oxide), AZO(Al-Zn-Oxide), GZO(Ga-Zn-Oxide) 및 ZnO 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 복수의 굴절률 변환 영역 사이에는 절연 물질로 채워질 수 있다.
상기 미러층은 상기 복수의 단위셀에 대응하여 구조적으로 일체인 금속 미러를 포함할 수 있다.
상기 미러층은 상기 복수의 단위셀에 대응하여 서로 구조적으로 분리되도록 마련되는 복수의 금속 미러를 포함할 수 있다.
상기 미러층은 Ag, Au, Al 및 Pt 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 광 변조기는 상기 활성층과 상기 복수의 안테나 패턴 사이 및 상기 활성층과 상기 미러층 사이 중 적어도 하나에 마련되는 절연층을 포함할 수 있다.
상기 절연층은 대략 1MΩ 이상의 저항을 가지는 물질을 포함할 수 있다. 상기 절연층은 예를 들면, SiO2, SiN, Al2O3, ZrO2, HfO2 및 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 복수의 단위셀 각각에 대응하여 상기 적어도 하나의 안테나 패턴이 마련될 수 있다. 상기 복수의 안테나 패턴은 예를 들면, Ag, Au, Al, Pt, TiN 및 TaN 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 광 변조기는 상기 미러층의 하부에 마련되는 것으로, 상기 복수의 단위셀에 전기적인 신호를 인가하는 복수의 단위셀 구동부를 더 포함할 수 있다.
다른 측면에 있어서,
레이저빔을 방출하는 레이저 광원;
상기 레이저 광원으로부터 입사된 상기 레이저빔을 스티어링하는 것으로, 복수의 단위셀을 포함하는 광 변조기; 및
상기 스티어링된 레이저빔을 검출하는 검출부;를 포함하고,
상기 광 변조기는,
전기적인 신호에 따라 굴절률이 변화하며 상기 복수의 단위셀에 대응하여 구조적으로 서로 분리되도록 마련되는 복수의 굴절률 변환 영역을 포함하는 활성층;
상기 활성층의 상부에 마련되는 복수의 안테나 패턴; 및
상기 활성층의 하부에 마련되는 미러층;을 포함하는 빔 스티어링 시스템이 제공된다.
상기 복수의 굴절률 변환 영역은 1차원 형태 또는 2차원 형태로 배열될 수 있다.
상기 복수의 굴절률 변환 영역이 구조적으로 분리되는 거리는 상기 굴절률 변환 영역의 사이즈 보다 작거나 같을 수 있다. 상기 복수의 굴절률 변환 영역이 구조적으로 분리되는 거리는 상기 복수의 안테나 패턴 사이의 간격 보다 작거나 같을 수 있다.
상기 미러층은 상기 복수의 단위셀에 대응하여 일체로 형성된 금속 미러를 포함할 수 있다.
상기 미러층은 상기 복수의 단위셀에 대응하여 서로 구조적으로 분리되도록 마련되는 복수의 금속 미러를 포함할 수 있다.
상기 광 변조기는 상기 활성층과 상기 복수의 안테나 패턴 사이 및 상기 활성층과 상기 미러층 사이 중 적어도 하나에 마련되는 절연층을 포함할 수 있다.
상기 광 변조기는 상기 미러층의 하부에 마련되는 것으로, 상기 복수의 단위셀에 전기적인 신호를 인가하는 복수의 단위셀 구동부를 더 포함할 수 있다.
예시적인 실시예에 따르면, 활성층이 구조적으로 분리되어 있는 복수의 굴절률 변환 영역을 포함하며, 이러한 굴절률 변환 영역들은 미러층에 비해 매우 얇은 두께로 형성되므로 패터닝 공정이 용이하게 수행될 수 있으며, 굴절률 변환 영역들의 얇은 두께로 인해 에지 구조로 인한 전기적 누설 문제는 방지될 수 있다.
또한, 미러층으로 복수의 단위셀에 공통적으로 대응되는 일체로 형성된 금속 미러를 사용하는 경우에는 미러층 형성을 위한 별도의 패터닝 공정이 요구되지 않으며, 미러층을 Au 등과 같은 우수한 반사율을 가지는 금속으로 형성할 수 있으므로 광학적 특성이 향상될 수 있다.
도 1은 일반적인 광 변조기를 예시적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 예시적인 실시예에 따른 광 변조기의 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시된 광 변조기의 단면도이다.
도 4는 도 1에 도시된 일반적인 광 변조기와 도 3에 도시된 예시적인 실시예에 따른 광 변조기의 누설 전류를 비교하여 도시한 것이다.
도 5a는 도 1에 도시된 일반적인 광 변조기의 반사광 스펙트럼을 도시한 것이다.
도 5b는 도 3에 도시된 예시적인 실시예에 따른 광 변조기의 반사광 스펙트럼을 도시한 것이다.
도 6은 다른 예시적인 실시예에 따른 광 변조기의 단면도이다.
도 7은 또 다른 예시적인 실시예에 따른 광 변조기의 단면도이다.
도 8은 또 다른 예시적인 실시예에 따른 광 변조기의 단면도이다.
도 9는 예시적인 실시예에 따른 빔 스티어링 시스템을 개략적으로 도시한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 예시적인 실시예들에 대해 상세히 설명하기로 한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 한편, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다.
이하에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다. 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.
“상기”의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다. 방법을 구성하는 단계들에 대하여 명백하게 순서를 기재하거나 반하는 기재가 없다면, 상기 단계들은 적당한 순서로 행해질 수 있다. 반드시 상기 단계들의 기재 순서에 한정되는 것은 아니다. 모든 예들 또는 예시적인 용어의 사용은 단순히 기술적 사상을 상세히 설명하기 위한 것으로서 청구범위에 의해 한정되지 않는 이상 상기 예들 또는 예시적인 용어로 인해 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 일반적인 광 변조기를 예시적으로 도시한 단면도이다. 도 1에는 광 변조기(10)를 구성하는 복수의 단위셀(P) 중 3개의 단위셀(P)만이 편의상 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 광 변조기(10)는 전기적인 신호에 의해 굴절률이 변환되는 활성층(14)과, 활성층(14)의 상부에 마련되는 복수의 안테나 패턴(16)과, 활성층(14)의 하부에 마련되는 미러층(12)을 포함한다. 여기서, 미러층(12)은 구조적으로 서로 분리된 복수의 금속 미러(12')를 포함하고 있으며, 이 금속 미러들(12')은 단위셀들(P)에 대응하도록 마련되어 있다. 활성층(14)과 미러층(12) 사이에는 제1 절연층(13)이 마련되어 있으며, 활성층(14)과 안테나 패턴들(16) 사이에는 제2 절연층(15)이 마련되어 있다. 미러층(12)의 하부에는 활성층(14)에 전기적인 신호를 인가하기 위한 복수의 단위셀 구동부(11)가 마련되어 있다.
도 1에 도시된 구조에서, 소정의 단위셀(P)에서 단위셀 구동부(11)에 의해 금속 미러(12')와 안테나 패턴들(16) 사이에 전기적인 신호가 인가되면 이 단위셀(P)에 대응하는 활성층(14)의 영역이 전기적인 신호에 의해 굴절률이 변화하게 된다. 그러나, 이러한 광 변조기(10)에서는 금속 미러들(12')을 형성하는 패터닝 공정 상의 문제로 Au와 같은 우수한 반사율을 가지는 물질 대신에 Al 또는 AlNd 등을 사용하여 금속 미러들(12')을 형성하여야 하기 때문에 반사 효율이 떨어지는 문제가 있다. 또한, 서로 구조적으로 분리되어 있는 두꺼운 금속 미러들(12')의 에지(edge) 구조로 인해 전기적 누설(leakage)이 발생될 수 있다.
도 2는 예시적인 실시예에 따른 광 변조기의 사시도이다.
도 2를 참조하면, 광 변조기(100)는 소정 형태로 배열된 복수의 단위셀(unit cell, P)을 포함할 수 있다. 여기서, 복수의 단위셀은 2차원 형태로 배열될 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 않으며, 단위셀들(P)이 1차원 형태로 배열되는 것도 가능하다. 광 변조기(100)를 구성하는 단위셀들(P)은 후술하는 바와 같이 굴절률의 변화에 따라 형성되는 위상 프로파일을 제어함으로써 광 변조기(100)로 입사되는 레이저 빔을 원하는 방향으로 스티어링 할 수 있다. 단위셀들(P)이 2차원 형태로 배열되는 경우에는 레이저 빔을 2방향으로 스티어링 할 수 있다. 또한, 단위셀들(P)이 1차원 형태로 배열되는 경우에는 레이저 빔을 1방향으로 스티어링할 수 있다. 단위셀(P)의 사이즈(구체적으로 도 2에서 y 방향으로의 사이즈)는 입사되는 레이저빔의 파장보다 작을 수 있다. 단위셀(P)의 사이즈가 작을수록 화각(FOV; Field of View)은 커질 수 있다.
도 3은 도 2에 도시된 광 변조기의 단면도이다. 도 3에는 광 변조기(100)를 구성하는 복수의 단위셀(P) 중 3개의 단위셀(P)만이 편의상 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 광 변조기(100)는 활성층(140)과, 활성층(140)의 상부에 마련되는 복수의 안테나 패턴(160)과, 활성층(140)의 하부에 마련되는 미러층(120)을 포함한다. 미러층(120)의 하부에는 활성층(140)에 전기적인 신호를 인가하기 위한 단위셀 구동부들(110)이 마련되어 있다. 그리고, 활성층(140)과 미러층(120) 사이에는 제1 절연층(130)이 마련되어 있으며, 활성층(140)과 안테나 패턴들(160) 사이에는 제2 절연층(150)이 마련되어 있다.
활성층(140)은 전기적인 신호에 따라 굴절률이 변환되는 복수의 굴절률 변환 영역(141)을 포함한다. 여기서, 굴절률 변환 영역들(141)은 서로 구조적으로 분리되도록 마련될 수 있다. 구체적으로, 굴절률 변환 영역들(141)은 제1 절연층(130)에 소정 간격(d)으로 이격되어 구조적으로 분리되도록 마련될 수 있다.
굴절률 변환 영역들(141)이 구조적으로 분리되는 거리(d)는 굴절률 변환 영역(141)의 사이즈(L) 보다 작거나 같을 수 있다. 예를 들면, 굴절률 변환 영역들(141)이 구조적으로 분리되는 거리(d)는 굴절률 변환 영역(141)의 사이즈(L)의 1/2, 1/3 또는 1/5 보다 작을 수 있다.
굴절률 변환 영역(141)의 사이즈(L)는 예를 들어 0.2㎛ ~ 10㎛ 정도가 될 수 있다. 구체적인 예로서, 굴절률 변환 영역(141)의 사이즈(L)는 대략 4.5㎛가 될 수 있다. 그리고, 굴절률 변환 영역들(141)이 구조적으로 분리되는 거리(d)는 예를 들어 0.1㎛ ~ 0.5㎛ 정도가 될 수 있다. 구체적인 예로서, 굴절률 변환 영역들(141)이 구조적으로 분리되는 거리(d)는 대략 0.5㎛가 될 수 있다. 이 구체적인 예에서 d/L은 대략 1/9 정도이다.
굴절률 변환 영역들(141)이 구조적으로 분리되는 거리(d)는 안테나 패턴들(160) 사이의 간격과 같거나 작을 수 있지만 이에 한정되는 것은 아니다. 굴절률 변환 영역들(141) 사이의 분리 거리(d)가 안테나 패턴들(160) 사이의 간격과 같거나 작은 경우에는 분리 구조에 의한 고정 패턴 노이즈(noise)를 줄일 수 있다.
이러한 굴절률 변환 영역들(141)은 서로 전기적으로도 분리되도록 마련될 수 있다. 하지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 굴절률 변환 영역들(141)이 서로 전기적으로도 연결되도록 마련되는 것도 가능하다.
복수의 굴절률 변환 영역(141)은 단위셀들(P)에 대응하여 마련될 수 있다. 구체적으로, 단위셀들(P)이 2차원 형태로 배열되는 경우에는 복수의 굴절률 변환 영역(141)도 2차원 형태로 마련될 수 있으며, 단위셀들(P)이 1차원 형태로 배열되는 경우에는 복수의 굴절률 변환 영역(141)도 1차원 형태로 마련될 수 있다.
굴절률 변환 영역들(141) 각각은 예를 들면, 전압 등과 같은 전기적인 신호에 의해 전하 농도(carrier density)가 변화할 수 있으며, 이러한 전하 농도의 변화는 굴절률 변환 영역들(141) 각각의 굴절률을 변화시킴으로써 소정의 굴절률 프로파일을 형성할 수 있다. 그리고, 굴절률 변환 영역들(141)의 굴절률 변화는 굴절률 변환 영역들(141)에 입사되는 광들의 위상을 변화시킴으로써 위상 프로파일을 형성할 수 있으며, 이러한 위상 프로파일을 굴절률 변화를 통해 제어하게 되면 광 변조기(100)에 입사되는 레이저 빔을 스티어링 할 수 있다.
굴절률 변환 영역들(141)은 인가되는 전기 신호에 따라 전하 농도가 변하는 물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 굴절률 변환 영역들(141)은 산화물 반도체를 포함할 수 있다. 구체적인 예로서, 굴절률 변환 영역들(141)은 투명한 도전성 산화물(TCO; Transparent Conductive Oxide)을 포함할 수 있다. 여기서, 투명한 도전성 산화물은 예를 들면, ITO(Indium-Tin-Oxide), IZO(Indium-Zinc-Oxide), GIZO(Ga-In-Zn-Oxide), AZO(Al-Zn-Oxide), GZO(Ga-Zn-Oxide) 및 ZnO 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 하지만, 이에 한정되지는 않는다.
굴절률 변환 영역들(141)은 매우 얇은 두께로 증착된 산화물 반도체를 패터닝함으로써 형성될 수 있다. 굴절률 변환 영역들(141)은 후술하는 미러층(120)에 비해 매우 얇은 두께를 가질 수 있다. 예를 들면, 굴절률 변환 영역들(141)은 대략 10nm 이하의 두께로 형성될 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
일반적으로, 전하 농도가 높을수록 굴절률 변환 효율이 향상되므로, 굴절률 변환 영역들(141)은 예를 들면, 높은 전하 농도를 가지는 물질을 포함할 수 있다. 이와 같이, 굴절률 변환 영역들(141)의 높은 전하 농도를 가지는 경우에는 굴절률 변환 효율이 향상됨으로써 레이저빔의 최대 위상(maximum phase)을 증대시킬 수 있다.
복수의 굴절률 변환 영역(141)을 포함하는 활성층(140)의 상부에는 복수의 안테나 패턴(160)이 마련되어 있다. 여기서, 안테나 패턴들(160)은 활성층(140)의 상부에 소정 간격으로 이격되게 배치되어 있다.
하나의 단위셀(P)에 대응하여 적어도 하나의 안테나 패턴(160)이 마련될 수 있다. 도 3에는 하나의 단위셀(P)에 대응하여 5개의 안테나 패턴들(160)이 마련된 경우가 예시적으로 도시되어 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 하나의 단위셀(P)에 대응하여 다양한 개수의 안테나 패턴(160)이 마련될 수 있다. 하나의 단위셀(P)을 구성하는 안테나 패턴들(160)은 서로 전기적으로 연결되어 있으며, 인접하는 단위셀(P)을 구성하는 안테나 패턴들(160)과는 전기적으로 분리되어 있다.
이러한 안테나 패턴들(160)은 메타표면(metasurface)을 형성함으로써 빔 스티어링이 이루어지도록 마련될 수 있다. 여기서, 안테나 패턴들(160)은 예를 들면, Ag, Au, Al, 및 Pt 중 적어도 하나를 포함하는 금속이나 합금을 포함할 수 있다. 또한, 안테나 패턴들(160)은 TiN 또는 TaN 등과 같은 금속 질화물을 포함할 수 있다. 한편, 이상에서 언급된 물질들은 단지 예시적인 것으로, 안테나 패턴들(160)은 이외에도 다른 다양한 물질을 포함할 수 있다.
안테나 패턴들(160) 사이의 간격은 예를 들면, 입사되는 레이저빔의 파장의 1/2 또는 1/3 보다 작을 수 있다. 예를 들면, 입사되는 레이저빔의 파장이 1500nm 인 경우, 안테나 패턴들 사이의 간격은 500nm 이하가 될 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 한편, 안테나 패턴들(160)은 일정한 간격으로 배열될 수 있으나, 이에 한정되지 않고 안테나 패턴들(160)은 불규칙한 간격으로 배열될 수도 있다.
복수의 굴절률 변환 영역(141)을 포함하는 활성층(140)의 하부에는 미러층(120)이 마련되어 있다. 미러층(120)은 입사되는 레이저빔을 반사시킴으로써 광 변조기(100)의 광효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 미러층(120)은 활성층(140)의 굴절률 변환 영역들(141)에 전압을 인가하기 위한 전극으로서의 역할도 할 수 있다.
미러층(120)은 복수의 단위셀(P)에 대응하여 구조적으로 일체로 형성된 금속 미러를 포함할 수 있다. 미러층(120)은 예를 들면, Ag, Au, Al 및 Pt 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며 이외에도 미러층(120)는 다양한 물질을 포함할 수 있다.
활성층(140)과 미러층(120) 사이에는 제1 절연층(130)이 마련될 수 있다. 그리고, 활성층(140)과 안테나 패턴들(160) 사이에는 제2 절연층(150)이 마련될 수 있다. 여기서, 제2 절연층(150)은 구조적으로 분리되어 있는 복수의 굴절률 변환 영역들(141) 사이를 채우도록 마련될 수 있다.
제1 및 제2 절연층(130,150)은 다양한 종류의 절연 물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 제1 및 제2 절연층(130,150)은 1MΩ 이상의 저항을 가지는 절연 물질을 포함할 수 있다. 구체적인 예로서, 제1 및 제2 절연층(130,150)은 SiO2, SiN, Al2O3, ZrO2, HfO2 및 이들의 조합을 포함할 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 이외에도 다른 다양한 절연 물질을 포함할 수 있다.
미러층(120)의 하부에는 단위셀들(P)에 대응하도록 마련되어 단위셀들(P)을 독립적으로 구동시키는 복수의 단위셀 구동부(110)가 마련되어 있다. 여기서, 단위셀 구동부들(110)은 활성층(140) 내의 굴절률 변환 영역들(141)에 전기적인 신호를 인가함으로써 굴절률 변환 영역들(141)의 굴절률을 변화시킬 수 있다. 이러한 단위셀 구동부들(110) 각각은 예를 들면 하나의 트랜지스터와 하나의 커패시터를 포함하도록 구성될 수 있다.
소정의 단위셀(P)에 대응하는 굴절률 변환 영역(141)에 전기적인 신호를 인가하여 굴절률을 변화시키기 위해서 단위셀 구동부(110)는 해당 단위셀(P)에 위치하는 미러층(120)과 안테나 패턴(160) 사이에 전기적인 신호를 인가하거나 또는 해당 단위셀(P)에 위치하는 굴절률 변환 영역(141)과 안테나 패턴(160) 사이에 전기적인 신호를 인가할 수 있다. 이 경우, 굴절률 변환 영역들(141)은 서로 전기적으로 분리되거나 또는 서로 전기적으로 연결되도록 마련될 수 있다. 또한, 단위셀 구동부(110)는 해당 단위셀(P)에 위치하는 굴절률 변환 영역(141)과 미러층(120) 사이에 전기적인 신호를 인가할 수도 있다. 이 경우, 굴절률 변환 영역들(141)은 서로 전기적으로 분리되도록 마련될 수 있다.
이와 같은 구조에서, 단위셀 구동부들(110)에 의해 단위셀들(P)이 독립적으로 구동되면 굴절률 변환 영역들(141)에 전기적인 신호가 인가되고, 이에 따라 굴절률 변환 영역들(141) 각각의 굴절률이 변화하게 된다. 그리고, 이러한 굴절률 변환 영역들(141)의 굴절률 변화는 굴절률 변환 영역들(141)에 입사되는 광들의 위상을 변화시킴으로써 소정의 위상 프로파일을 형성할 수 있다. 따라서, 굴절률 변환 영역들(141) 각각의 굴절률을 시간에 따라 변화시켜 위상 프로파일을 제어함으로써 광 변조기(100)에 입사되는 레이저 빔을 원하는 방향으로 스티어링 할 수 있다.
이상의 예시적인 실시예에 따른 광 변조기(100)에서는 활성층(140)이 구조적으로 분리되어 있는 복수의 굴절률 변환 영역(141)을 포함한다. 이러한 굴절률 변환 영역들(141)은 미러층(120)에 비해 매우 얇은 두께(예를 들면 대략 10nm 이하의 두께)로 형성되므로 패터닝 공정이 용이하게 수행될 수 있으며, 또한 굴절률 변환 영역들(141)의 얇은 두께로 인해 에지 구조에 따른 전기적 누설 문제가 감소될 수 있다.
또한, 미러층(120)으로 복수의 단위셀(P)에 공통적으로 대응되도록 일체로 형성된 금속 미러를 사용하고 있으므로, 미러층(120) 형성을 위한 별도의 패터닝 공정이 요구되지 않으며, 미러층(120)을 Au 등과 같은 우수한 반사율을 가지는 금속 물질로 형성할 수 있으므로 광 변조기(100)의 광학적 특성이 향상될 수 있다.
도 4는 도 1에 도시된 일반적인 광 변조기와 도 3에 도시된 예시적인 실시예에 따른 광 변조기의 누설 전류를 비교하여 도시한 것이다. 여기서, 도 1에 도시된 광 변조기(10)의 미러층(12)은 AlNd로 형성하였으며, 도 3에 도시된 광 변조기(100)의 미러층(120)은 Au로 형성하였다.
도 4에서 "A"는 도 1에 도시된 일반적인 광 변조기(10)에서 미러층(12)과 활성층(14) 사이에 인가되는 전압에 따라 발생되는 누설 전류를 나타내며, "B"는 도 3에 도시된 예시적인 실시예에 따른 광 변조기(100)에서 미러층(120)과 활성층(140) 사이에 인가되는 전압에 따라 발생되는 누설 전류를 나타낸다. 도 4를 참조하면, 도 1에 도시된 일반적인 광 변조기(10)에서는 대략 1E-10A 정도의 누설 전류가 발생되었으나, 도 3에 예시적인 실시예에 따른 광 변조기(100)에서는 대략 1E-11A 정도의 누설 전류가 발생되었다. 이에 따라, 도 3에 도시된 예시적인 실시예에 따른 광 변조기(100)에서 도 1에 도시된 일반적인 광 변조기(10)에 비해 누설 전류가 감소하였음을 알 수 있다.
도 5a는 도 1에 도시된 일반적인 광 변조기의 반사광 스펙트럼을 도시한 것이다. 그리고, 도 5b는 도 3에 도시된 예시적인 실시예에 따른 광 변조기의 반사광 스펙트럼을 도시한 것이다. 여기서, 도 1에 도시된 광 변조기(10)의 미러층(12)은 AlNd로 형성하였으며, 도 3에 도시된 광 변조기(100)의 미러층(120)은 Au로 형성하였다.
도 5a를 참조하면, 도 1에 도시된 일반적인 광 변조기(10)에서는 메인 로브(main lobe)의 피크에 대한 사이드 로브(side lobe)의 비율, 광 손실 비율이 대략 60% 정도가 되었다. 그리고, 도 5b를 참조하면, 도 3에 도시된 예시적인 실시예에 따른 광 변조기(100)에서는 메인 로브의 피크에 대한 사이드 로브의 비율, 광 손실 비율이 대략 30% 정도가 되었다. 이에 따라, 도 3에 도시된 예시적인 실시예에 따른 광 변조기(100)는 도 1에 도시된 일반적인 광 변조기(10)에 비해 높은 광효율을 얻을 수 있음을 알 수 있다.
도 6은 다른 예시적인 실시예에 따른 광 변조기의 단면도이다. 전술한 도 3에 도시된 광 변조기(100)에서는 활성층(140)이 제1 절연층(130)에 마련되어 있지만 도 6에 도시된 광 변조기(200)에서는 활성층(240)이 미러층(220)에 마련되어 있다는 점에서 차이가 있다. 도 6에 도시된 활성층(240), 단위셀 구동부들(210), 미러층(220) 및 복수의 안테나 패턴(260)은 전술하였으므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 6을 참조하면, 미러층(220)에는 서로 구조적으로 분리된 복수의 굴절률 변환 영역(241)을 포함하는 활성층(240)이 마련되어 있으며, 활성층(240)의 상부에는 복수의 굴절률 변환 영역(241)을 덮도록 절연층(250)이 마련되어 있다. 여기서, 절연층(250)은 복수의 굴절률 변환 영역들(241) 사이를 채우도록 마련될 수 있다. 절연층(250)은 예를 들면, 1MΩ 이상의 저항을 가지는 절연 물질을 포함할 수 있다.
소정의 단위셀(P)에 대응하는 굴절률 변환 영역(241)에 전기적인 신호를 인가하여 굴절률을 변화시키기 위해서 단위셀 구동부(210)는 해당 단위셀(P)에 위치하는 미러층(220)과 안테나 패턴(260) 사이에 전기적인 신호를 인가하거나 또는 해당 단위셀(P)에 위치하는 굴절률 변환 영역(241)과 안테나 패턴(260) 사이에 전기적인 신호를 인가할 수 있다. 이 경우, 굴절률 변환 영역들(241)은 서로 전기적으로 분리되거나 또는 서로 전기적으로 연결되도록 마련될 수 있다.
도 7은 또 다른 예시적인 실시예에 따른 광 변조기의 단면도이다. 전술한 도 3에 도시된 광 변조기(100)에서는 복수의 안테나 패턴(160)이 제2 절연층(150)에 마련되어 있지만 도 7에 도시된 광 변조기(300)에서는 복수의 안테나 패턴(360)이 활성층(340)의 굴절률 변환 영역들(341)에 마련되어 있다는 점에서 차이가 있다. 도 7에 도시된 활성층(340), 절연층(330), 단위셀 구동부들(310), 미러층(320) 및 복수의 안테나 패턴(360)은 전술하였으므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 7을 참조하면, 절연층(330)의 상면에는 구조적으로 서로 분리된 굴절률 변환 영역(341)을 포함하는 활성층(340)이 마련되어 있으며, 활성층(340)의 상면에는 복수의 안테나 패턴(360)이 마련되어 있다. 그리고, 굴절률 변환 영역들(341) 사이에는 절연 물질(355)로 채워질 수 있다. 여기서, 절연 물질(355)은 예를 들면, 1MΩ 이상의 저항을 가지는 물질을 포함할 수 있다.
소정의 단위셀(P)에 대응하는 굴절률 변환 영역(341)에 전기적인 신호를 인가하여 굴절률을 변화시키기 위해서 단위셀 구동부(310)는 해당 단위셀(P)에 위치하는 미러층(320)과 안테나 패턴(360) 사이에 전기적인 신호를 인가할 수 있다. 이 경우, 굴절률 변환 영역들(341)은 서로 전기적으로 분리되거나 또는 서로 전기적으로 연결되도록 마련될 수 있다. 또한, 단위셀 구동부(310)는 해당 단위셀(P)에 위치하는 미러층(320)과 굴절률 변환 영역(341) 사이에 전기적인 신호를 인가할 수 있다. 이 경우, 굴절률 변환 영역들(341)은 서로 전기적으로 분리되도록 마련될 수 있다.
도 8은 또 다른 예시적인 실시예에 따른 광 변조기의 단면도이다. 전술한 도 3에 도시된 광 변조기(100)에서는 미러층(120)이 일체로 형성된 금속 미러를 포함하고 있지만, 도 8에 도시된 광 변조기(400)에서는 미러층(420)이 구조적으로 서로 분리된 복수의 금속 미러(421)를 포함하고 있다는 점에서 차이가 있다. 도 8에 도시된 활성층(440), 제1 및 제2 절연층(430,450), 단위셀 구동부들(410) 및 복수의 안테나 패턴(360)은 전술하였으므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 8을 참조하면, 복수의 굴절률 변환 영역(441)을 포함하는 활성층(440)의 하부에는 미러층(420)이 마련되어 있다. 여기서, 미러층(420)은 구조적으로 서로 분리된 복수의 금속 미러(421)를 포함할 수 있다. 이러한 금속 미러들(421)은 단위셀들(P)에 대응하여 마련될 수 있다. 활성층(440)과 미러층(420) 사이에는 제1 절연층(430)이 마련될 수 있으며, 활성층(440)과 안테나 패턴들(460) 사이에는 제2 절연층(450)이 마련될 수 있다. 여기서, 제1 절연층(430)은 복수의 금속 미러들(421) 사이를 채우도록 마련될 수 있으며, 제2 절연층(450)은 복수의 굴절률 변환 영역들(441) 사이를 채우도록 마련될 수 있다.
한편, 이상에서는 활성층(440)과 미러층(420) 사이 및 활성층(440)과 안테나 패턴들(460) 사이에 모두 절연층들(430,450)이 마련되는 경우가 설명되었다. 그러나, 이에 한정되지 않고, 활성층(440)과 미러층(420) 사이에만 절연층이 마련되거나 또는 활성층(440)과 안테나 패턴들(460) 사이에만 절연층이 마련될 수도 있다.
도 9는 예시적인 실시예에 따른 빔 스티어링 시스템을 도시한 것이다. 도 9에는 전술한 예시적인 실시예에 따른 광 변조기를 적용한 빔 스티어링 시스템(1000)이 개략적으로 도시되어 있다.
도 9를 참조하면, 빔 스티어링 시스템(1000)은 레이저빔을 방출하는 레이저 광원(810), 레이저빔을 스티어링하는 광 변조기(800), 스티어링된 레이저빔을 검출하는 검출부(820) 및 구동 드라이버(830)를 포함할 수 있다. 여기서, 구동 드라이버(830)는 레이저 광원(810), 광 변조기(800) 및 검출부(820)를 구동하는 구동 회로를 포함할 수 있다.
레이저 광원(810)으로는 예를 들면 레이저 다이오드가 사용될 수 있다. 하지만, 이는 단지 예시적인 것으로, 이외에도 다양한 광원이 사용될 수 잇다. 레이저 광원(810)으로부터 출사되는 레이저빔은 광 변조기(800)에 입사된다. 광 변조기(800)는 입사되는 레이저빔을 원하는 위치로 스티어링하게 된다. 이러한 광 변조기(800)는 전술한 실시예들에 따른 광 변조기들(100,200,300,400) 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 그리고, 광 변조기(800)에 의해 스티어링된 레이저빔이 대상물(object)에 조사되어 반사되면, 검출부(820)가 반사된 레이저빔을 검출할 수 있다. 이와 같은 빔 스티어링 시스템(1000)은 예를 들면, 깊이 센서(depth sensor), 3차원 센서(3D sensor), 라이더(LiDAR; light detection and ranging) 등과 같은 다양한 분야에 응용될 수 있다. 이상에서 실시예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형이 가능하다.
10,100,200,300,400,800.. 광 변조기
11,110.210,310,410.. 단위셀 구동부
12,120,220,320,420.. 미러층
12'421.. 금속 미러
13,130,430.. 제1 절연층
14,140,240,340,440.. 활성층
141,241,341,441.. 굴절률 변환 영역
15,150,450.. 제2 절연층
16,160,260,360,460.. 안테나 패턴
250,330.. 절연층
355.. 절연물질
810.. 레이저 광원
820.. 검출부
830.. 구동 드라이버
1000.. 빔 스티어링 시스템
P.. 단위셀

Claims (29)

  1. 복수의 단위셀(unit cell)을 포함하는 광 변조기에 있어서,
    전기적인 신호에 따라 굴절률이 변화하며 구조적으로 서로 분리되도록 마련되는 복수의 굴절률 변환 영역을 포함하는 활성층(active layer);
    상기 활성층의 상부에 마련되는 복수의 안테나 패턴; 및
    상기 활성층의 하부에 마련되는 미러층;을 포함하는 광 변조기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 굴절률 변환 영역이 구조적으로 분리되는 거리는 0.1㎛ 내지 0.5㎛인 광 변조기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 굴절률 변환 영역이 구조적으로 분리되는 거리는 상기 굴절률 변환 영역의 사이즈 보다 작거나 같은 광 변조기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 복수의 굴절률 변환 영역이 구조적으로 분리되는 거리는 상기 굴절률 변환 영역의 사이즈 보다 작은 광 변조기.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 복수의 굴절률 변환 영역이 구조적으로 분리되는 거리는 상기 굴절률 변환 영역의 사이즈의 1/2 보다 작은 광 변조기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 굴절률 변환 영역이 구조적으로 분리되는 거리는 상기 복수의 안테나 패턴 사이의 간격 보다 작거나 같은 광 변조기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 굴절률 변환 영역은 1차원 형태 또는 2차원 형태로 배열되는 광 변조기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 굴절률 변환 영역은 전기적으로도 서로 분리되도록 마련되는 광 변조기.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 굴절률 변환 영역은 전기적으로는 서로 연결되도록 마련되는 광 변조기.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 굴절률 변환 영역은 산화물 반도체를 포함하는 광 변조기.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 산화물 반도체는 ITO(Indium-Tin-Oxide), IZO(Indium-Zinc-Oxide), GIZO(Ga-In-Zn-Oxide), AZO(Al-Zn-Oxide), GZO(Ga-Zn-Oxide) 및 ZnO 중 적어도 하나를 포함하는 광 변조기.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 굴절률 변환 영역 사이에는 절연 물질로 채워지는 광 변조기.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 미러층은 상기 복수의 단위셀에 대응하여 구조적으로 일체인 금속 미러를 포함하는 광 변조기.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 미러층은 상기 복수의 단위셀에 대응하여 서로 구조적으로 분리되도록 마련되는 복수의 금속 미러를 포함하는 광 변조기.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 미러층은 Ag, Au, Al 및 Pt 중 적어도 하나를 포함하는 광 변조기.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 활성층과 상기 복수의 안테나 패턴 사이 및 상기 활성층과 상기 미러층 사이 중 적어도 하나에 마련되는 절연층을 포함하는 광 변조기.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 절연층은 1MΩ 이상의 저항을 가지는 물질을 포함하는 광 변조기.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 절연층은 SiO2, SiN, Al2O3, ZrO2, HfO2 및 이들의 조합을 포함하는 광 변조기.
  19. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 단위셀 각각에 대응하여 상기 적어도 하나의 안테나 패턴이 마련되는 광 변조기.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 복수의 안테나 패턴은 Ag, Au, Al, Pt, TiN 및 TaN 중 적어도 하나를 포함하는 광 변조기.
  21. 제 1 항에 있어서,
    상기 미러층의 하부에 마련되는 것으로, 상기 복수의 단위셀에 전기적인 신호를 인가하는 복수의 단위셀 구동부를 더 포함하는 광 변조기.
  22. 레이저빔을 방출하는 레이저 광원;
    상기 레이저 광원으로부터 입사된 상기 레이저빔을 스티어링하는 것으로, 복수의 단위셀을 포함하는 광 변조기; 및
    상기 스티어링된 레이저빔을 검출하는 검출부;를 포함하고,
    상기 광 변조기는,
    전기적인 신호에 따라 굴절률이 변화하며 상기 복수의 단위셀에 대응하여 구조적으로 서로 분리되도록 마련되는 복수의 굴절률 변환 영역을 포함하는 활성층;
    상기 활성층의 상부에 마련되는 복수의 안테나 패턴; 및
    상기 활성층의 하부에 마련되는 미러층;을 포함하는 빔 스티어링 시스템.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 복수의 굴절률 변환 영역은 1차원 형태 또는 2차원 형태로 배열되는 빔 스티어링 시스템.
  24. 제 22 항에 있어서,
    상기 복수의 굴절률 변환 영역이 구조적으로 분리되는 거리는 상기 굴절률 변환 영역의 사이즈 보다 작거나 같은 빔 스티어링 시스템.
  25. 제 22 항에 있어서,
    상기 복수의 굴절률 변환 영역이 구조적으로 분리되는 거리는 상기 복수의 안테나 패턴 사이의 간격 보다 작거나 같은 빔 스티어링 시스템.
  26. 제 22 항에 있어서,
    상기 미러층은 상기 복수의 단위셀에 대응하여 일체로 형성된 금속 미러를 포함하는 빔 스티어링 시스템.
  27. 제 22 항에 있어서,
    상기 미러층은 상기 복수의 단위셀에 대응하여 서로 구조적으로 분리되도록 마련되는 복수의 금속 미러를 포함하는 빔 스티어링 시스템.
  28. 제 22 항에 있어서,
    상기 광 변조기는 상기 활성층과 상기 복수의 안테나 패턴 사이 및 상기 활성층과 상기 미러층 사이 중 적어도 하나에 마련되는 절연층을 포함하는 빔 스티어링 시스템.
  29. 제 22 항에 있어서,
    상기 광 변조기는 상기 미러층의 하부에 마련되는 것으로, 상기 복수의 단위셀에 전기적인 신호를 인가하는 복수의 단위셀 구동부를 더 포함하는 빔 스티어링 시스템.


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