KR20210088988A - 광 검출 소자 및 이를 포함하는 광 시스템 - Google Patents

광 검출 소자 및 이를 포함하는 광 시스템 Download PDF

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KR20210088988A
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이은경
최병룡
구태준
황동목
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삼성전자주식회사
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Abstract

광 검출 소자 및 이를 포함하는 광 시스템이 개시된다. 개시된 광 검출 소자는, 복수의 도파로, 복수의 변조기 및 적어도 하나의 그래핀층을 포함한다. 상기 복수의 변조기는 복수의 도파로에 마련되어 상기 복수의 도파로 내부를 진행하는 광들의 위상을 변조시킨다. 그리고, 상기 적어도 하나의 그래핀층은 상기 복수의 도파로 내부를 진행하는 광들의 대부분을 흡수한다.

Description

광 검출 소자 및 이를 포함하는 광 시스템{Light detecting device and Optical system including the light detecting device}
본 개시는 광 검출 소자 및 이를 포함하는 광 시스템에 관한 것이다.
전자기파를 탐지 거리 내의 물체나 지형 등에 반사시켜 정보를 얻고 이를 이용하여 거리, 위치, 형상들을 측정하기 위한 기술이 발전되어 왔으며, 이러한 기술 중 하나로 라이다(LiDAR; Light Detection And Ranging) 시스템이 관심을 받고 있다.
라이다 시스템은 광을 원하는 위치로 조향하기 위한 광 조향 장치와, 광 조향 장치로부터 방출되어 물체에 반사되는 광을 검출하기 위한 광 검출 소자를 포함한다. 광을 조향하기 위해서는 광 조사 부분을 기계적으로 회전시켜 주는 방법과 OPA(Optical Phased Array) 방식을 이용하여 다수의 단위셀 또는 다수의 도파로로부터 나오는 광들의 간섭을 이용하는 방법이 사용되고 있다.
예시적인 실시예는 광 검출 소자 및 이를 포함하는 광 시스템을 제공한다.
일 측면에 있어서,
광 입력부;
상기 광 입력부로부터 연장되도록 마련되어 상기 광 입력부에 입력된 광들이 내부로 진행하는 복수의 도파로(waveguide);
상기 복수의 도파로에 마련되어 상기 복수의 도파로 내부를 진행하는 광들의 위상을 변조시키는 복수의 변조기(modulator);
상기 복수의 도파로 내부를 진행하는 광들을 흡수하는 적어도 하나의 그래핀층; 및
상기 적어도 하나의 그래핀층에 전기적으로 연결되도록 마련되는 적어도 하나의 제1 및 제2 전극;을 포함하는 광검출 소자가 제공된다.
상기 적어도 하나의 그래핀층은 상기 복수의 도파로에 마련될 수 있다.
상기 도파로와 상기 그래핀층 사이에는 상기 도파로보다 작은 굴절률을 가지는 물질을 포함하는 중간층이 마련될 수 있다.
상기 그래핀층은 상기 도파로의 상면 및 측면 중 적어도 하나에 마련될 수 있다.
상기 적어도 하나의 그래핀층은 상기 복수의 도파로 전체에 대응하도록 마련되는 그래핀층을 포함할 수 있다. 상기 적어도 하나의 그래핀층은 상기 복수의 도파로 중 일부들 각각에 대응하도록 마련되는 복수의 그래핀층을 포함할 수 있다.
상기 복수의 도파로는 하나의 도파로에 통합되며, 상기 적어도 하나의 그래핀층은 상기 통합된 도파로에 마련되는 그래핀층을 포함할 수 있다.
상기 광검출 소자는 상기 그래핀 층에 마련되는 게이트 절연층 및 상기 게이트 절연층에 마련되는 게이트 전극을 더 포함할 수 있다.
상기 광입력부는 상기 복수의 도파로의 단부에 마련되며 외부의 광들을 수용하는 안테나 어레이를 포함할 수 있다.
상기 복수의 도파로는 Ⅳ족 반도체 물질, Ⅲ-Ⅴ족 반도체 물질, Ⅱ-Ⅵ족 반도체 물질, 산화물 및 질화물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 복수의 변조기는 상기 복수의 도파로 내부를 진행하는 광들 각각의 위상을 독립적으로 변조시켜 위상 프로파일(phase profile)을 형성할 수 있다.
상기 복수의 변조기는 상기 복수의 도파로에 전기 신호 또는 열을 인가함으로써 위상을 변조시킬 수 있다.
상기 광 입력부, 상기 복수의 도파로, 상기 복수의 변조기, 상기 적어도 하나의 그래핀층 및 상기 제1 및 제2 전극은 동일한 기판 상에 마련될 수 있다.
다른 측면에 있어서,
광조향 장치; 및
상기 광조향 소자에 의해 조향된 광들을 검출하는 광검출 소자;를 포함하고,
상기 광검출 소자는,
광 입력부;
상기 광 입력부로부터 연장되도록 마련되어 상기 광 입력부에 입력된 광들이 내부로 진행하는 복수의 도파로;
상기 복수의 도파로에 마련되어 상기 복수의 도파로 내부를 진행하는 광들의 위상을 변조시키는 복수의 변조기;
상기 복수의 도파로 내부를 진행하는 광들을 흡수하는 적어도 하나의 그래핀층; 및
상기 적어도 하나의 그래핀층에 전기적으로 연결되도록 마련되는 적어도 하나의 제1 및 제2 전극;을 포함하는 광 시스템이 제공된다.
상기 광조향 장치는 레이저 광원과, 상기 레이저 광원으로부터 방출되는 광들을 조향하는 조향 소자를 포함할 수 있다.
상기 광입력부는 상기 복수의 도파로의 단부에 마련되며 상기 광조향 장치에의해 조향된 광들을 수용하는 안테나 어레이를 포함할 수 있다.
상기 적어도 하나의 그래핀층은 상기 복수의 도파로에 마련될 수 있다.
상기 도파로와 상기 그래핀층 사이에는 상기 도파로보다 작은 굴절률을 가지는 물질을 포함하는 중간층이 마련될 수 있다.
상기 그래핀층은 상기 도파로의 상면 및 측면 중 적어도 하나에 마련될 수 있다. 상기 적어도 하나의 그래핀층은 상기 복수의 도파로 중 일부들 각각에 대응하도록 마련되는 복수의 그래핀층을 포함할 수 있다.
상기 적어도 하나의 그래핀층은 상기 복수의 도파로 중 일부들 각각에 대응하도록 마련되는 복수의 그래핀층을 포함할 수 있다.
상기 복수의 도파로는 하나의 도파로에 통합되며, 상기 적어도 하나의 그래핀층은 상기 통합된 도파로에 마련되는 그래핀층을 포함할 수 있다.
상기 광검출 소자는 상기 그래핀 층에 마련되는 게이트 절연층 및 상기 게이트 절연층에 마련되는 게이트 전극을 더 포함할 수 있다.
상기 광조향 장치 및 상기 광검출 소자는 동일 기판 상에 마련될 수 있다.
예시적인 실시예에 의하면, 그래핀층이 복수의 도파로 내부를 진행하는 광들의 대부분을 흡수하게 되므로 높은 수광 효율을 가지는 광 검출 소자 및 광 시스템을 구현할 수 있다. 또한, 복수의 변조기가 복수의 도파로 내부를 진행하는 광들의 위상을 독립적으로 변조시킴으로써 위상 프로파일을 제어함으로써 수광 효율을 향상시킬 수 있으며, 또한, 외부의 광들이 입사되는 위치도 파악할 수 있다. 광 검출 소자가 특정 방향의 광을 높을 효율로 수광할 수 있으므로, 예를 들면 원거리용 라이다(LiDAR) 시스템을 용이하게 구현할 수 있다. 또한, 라이다 시스템에서 발광 소자의 출력광 세기을 줄일 수 있으므로 눈 안전성(eye safety)을 향상될 수 있으며, 시스템의 소형화 및 저비용도 실현할 수 있다.
이러한 광 검출 소자는 빛을 이용하여 물체나 지형 등을 식별하거나 위치, 거리 및 형상 등을 측정하는 분야에 응용될 수 있다. 예를 들면, 광 검출 소자는 이미지 센서, 거리 센서, 환경 센서, 자율 주행 자동차, 드론 등과 같은 비행 물체, 모바일 기기, 보행 수단, 보안 장치 등과 같은 다양한 분야에 적용될 수 있다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 광 검출 소자를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 A-A'선을 따라 본 단면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 복수의 도파로의 변형예를 도시한 것이다.
도 4는 도 1에 도시된 광 입력부의 안테나를 도시한 단면도이다.
도 5는 도 1의 B-B'선을 따라 본 단면도이다.
도 6은 도 5에 도시된 복수의 변조기의 변형예를 도시한 것이다.
도 7은 도 1의 C-C'선을 따라 본 단면도이다.
도 8은 도 7에 도시된 제1 및 제2 전극의 변형예를 도시한 것이다.
도 9는 다른 예시적인 실시예에 따른 광 검출 소자를 도시한 것이다.
도 10은 또 다른 예시적인 실시예에 따른 광 검출 소자를 도시한 것이다.
도 11은 또 다른 예시적인 실시예에 따른 광 검출 소자를 도시한 것이다.
도 12는 또 다른 예시적인 실시예에 따른 광 검출 소자를 도시한 것이다.
도 13은 또 다른 예시적인 실시예에 따른 광 검출 소자를 도시한 것이다.
도 14는 또 다른 예시적인 실시예에 따른 광 검출 소자를 도시한 것이다.
도 15는 또 다른 예시적인 실시예에 따른 광 검출 소자를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 16은 예시적인 실시예에 따른 광 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, 이러한 단계들은 적당한 순서로 행해질 수 있으며, 반드시 기재된 순서에 한정되는 것은 아니다.
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.
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.
모든 예들 또는 예시적인 용어의 사용은 단순히 기술적 사상을 상세히 설명하기 위한 것으로서 청구범위에 의해 한정되지 않는 이상 이러한 예들 또는 예시적인 용어로 인해 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 광 검출 소자를 개략적으로 도시한 사시도이다. 도 1에는 OPA(Optical Phased Array) 방식을 이용하여 외부로부터 입력되는 광들(예를 들면, 대상체에서 반사되어 입력되는 광들)을 검출하는 광 검출 소자(100)가 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 광 검출 소자(100)는 복수의 도파로(waveguide, 130), 광 입력부(120), 복수의 변조기(modulator, 140), 그래핀층(150)을 포함한다. 여기서, 광 검출 소자(100)를 구성하는 요소들은 동일한 기판(110) 상에 마련될 수 있다. 하지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 복수의 도파로(130)는 어레이 형태로 배열될 수 있다. 예를 들면, 복수의 도파로(130)는 기판(110) 상에서 일방향(예를 들면, 도 1의 y축 방향)을 따라 1차원 어레이 형태로 배열될 수 있다. 도 1에는 기판(110) 상에 16개 도파로(130)가 마련된 경우가 예시적으로 도시되어 있으며, 이러한 도파로들(130)의 개수는 다양하게 변형될 수 있다.
도 2에는 도 1의 A-A'선을 따라 본 복수의 도파로의 단면이 도시되어 있다. 한편, 도 2에는 편의상 4개의 도파로(130)만이 도시되어 있으며, 이는 이하의 도면들에서도 동일하다.
도 2를 참조하면, 기판(110) 상에 복수의 도파로(130)가 마련되어 있다. 여기서. 기판(110)으로는 절연성 표면을 가지는 물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 기판(110)은 베이스 기판(111)과 이 베이스 기판(111)의 상면에 마련된 절연층(112)을 포함할 수 있다. 베이스 기판(111)으로는 예를 들면, 실리콘 기판 등과 같은 반도체 기판이 사용될 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 이외에도 베이스 기판(111)은 다른 다양한 재질을 포함할 수 있다. 절연층(112)은 예를 들면, 실리콘 산화물을 포함할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 이외에도 절연층(112)은 다른 다양한 절연 물질을 포함할 수 있다. 또한, 기판(110)으로 절연성 기판이 사용될 수도 있다.
기판(110)의 상면에는 복수의 도파로(130)가 서로 이격되게 배치되어 있다. 복수의 도파로(130)는 외부로부터 광 입력부(120)에 입력된 광들(L)이 그 내부로 진행하도록 마련되어 있다. 도파로(130)는 반도체 물질, 산화물 및 질화물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 여기서, 반도체 물질은 예를 들면, Si, Ge 등과 같은 Ⅳ족 반도체 물질, Ⅲ-Ⅴ족 반도체 물질, Ⅱ-Ⅵ족 반도체 물질 등을 포함할 수 있다. 하지만, 이는 단지 예시적인 것이다.
기판(110) 상에는 복수의 도파로(130) 각각으로부터 연장된 연장부들(135)이 소정 두께로 마련될 수 있다. 도 2에는 인접하는 도파로들(130) 사이에서 연장부들(135)이 서로 이격되게 마련된 경우가 도시되어 있다. 하지만, 인접하는 도파로들(130) 사이에서 연장부들(135)이 서로 연결되도록 마련될 수도 있다.
도 3에는 도 2에 도시된 복수의 도파로의 변형예가 도시되어 있다. 도 3을 참조하면, 기판(110)의 상면에는 복수의 도파로(130')가 서로 이격되게 마련되어 있다. 여기서, 복수의 도파로(130') 사이에는 전술한 바와 같은 연장부(도 2의 135)는 마련되어 있지 않다.
도 1을 참조하면, 복수의 도파로(130) 일단부에는 외부로부터 광들(L)이 입력되는 광 입력부(120)가 마련되어 있다. 광 입력부(120)는 복수의 안테나(121)가 어레이 형태로 배열된 안테나 어레이를 포함할 수 있다. 복수의 안테나(121) 각각은 복수의 도파로(130) 각각의 일단부에서 연장되어 마련될 수 있다. 여기서, 복수의 안테나(121)는 복수의 도파로(130)와 동일한 물질을 포함할 수 있지만, 이에 한정되지는 않는다.
도 4는 도 1에 도시된 광 입력부(120)의 안테나(121)를 도시한 단면도이다. 도 4에는 광 입력부(120)를 구성하는 안테나들(121) 중 하나를 안테나(121)의 길이 방향(예를 들면, 도 4의 x축 방향)을 따라 절단한 단면이 도시되어 있다.
도 4를 참조하면, 안테나(121)는 복수의 그루브들(121a)이 소정 간격으로 형성된 격자 구조(grating structure)를 가질 수 있다. 외부로부터 광들(L), 예를 들면, 레이저 광들이 안테나 어레이를 포함하는 광 입력부(120)에 입력되면, 이 광들(L)은 복수의 도파로(130) 내부를 진행하면서 후술하는 복수의 변조기(140)에 의해 위상이 변조된 다음, 그래핀층(150)에 의해 추출될 수 있다.
도 1을 참조하면, 복수의 도파로(130)에는 복수의 변조기(140)가 마련되어 있다. 복수의 변조기(140)는 복수의 도파로(130) 내부를 진행하는 광들의 위상(phase)을 변조시키는 역할을 한다. 복수의 변조기(140)는 복수의 도파로(130) 내부를 진행하는 광들의 위상을 각각 독립적으로 변조시킴으로써 소정의 위상 프로파일(phase profile)을 형성할 수 있다. 이렇게 형성되는 위상 프로파일은 외부의 광들(L)이 광 입력부(120)에 입사되는 각도에 의존할 수 있다. 따라서, 복수의 변조기(140)가 복수의 도파로(130) 내부를 진행하는 광들의 위상 프로파일을 제어함으로써 특정 방향에 위치한 대상체(object)로부터 방출되는 광들에 대한 수광 효율을 향상시킬 수 있고, 대상체의 위치도 파악할 수 있다.
도 5에는 도 1의 B-B'선을 따라 본 복수의 변조기(140)의 단면이 도시되어 있다.
도 5를 참조하면, 복수의 변조기(140)는 각각 도파로(130) 주위에 마련되는 한 쌍의 제1 및 제2 전극(141,142)을 포함한다. 여기서, 제1 및 제2 전극(141,142) 사이에 소정의 전기적인 신호를 인가하게 되면, 이 전기적인 신호에 의해 제1 및 제2 전극(141,142) 사이에 마련된 도파로(130)의 굴절률이 변화하게 된다. 그리고, 이러한 도파로(130)의 굴절률 변화에 의해 도파로(130) 내부를 진행하는 광의 위상이 변조될 수 있다. 이와 같이, 복수의 도파로(130) 각각에 대응하여 마련되는 변조기(140)의 제1 및 제2 전극(141,142) 사이에 소정의 전기적인 신호를 인가함으로써 복수의 도파로(130) 내부를 진행하는 광들 각각의 위상을 독립적으로 변조시켜 소정의 위상 프로파일을 형성할 수 있다.
도 6에는 도 5에 도시된 복수의 변조기의 변형예가 도시되어 있다.
도 6을 참조하면, 복수의 변조기 각각은 도파로(130) 주위에 마련되는 가열 요소(heating element, 145)를 포함한다. 여기서, 도파로(130)와 가열 요소(145) 사이에는 가열 요소(145)와 도파로(130)의 접촉을 방지하기 위한 중간 절연층(170)이 마련될 수 있다. 소정 가열 요소(145)를 통해 도파로(130)에 열을 인가하게 되면 도파로(130)의 굴절률이 변화하게 된다. 그리고, 이러한 도파로(130)의 굴절률 변화에 의해 도파로(130) 내부를 진행하는 광의 위상이 변조될 수 있다. 이와 같이, 복수의 도파로(130) 각각에 대응하여 마련되는 가열 요소(145)가 도파로(130)에 열을 인가함으로써 복수의 도파로(130) 내부를 진행하는 광들 각각의 위상을 독립적으로 변조시켜 소정의 위상 프로파일을 형성할 수 있다.
한편, 이상에서는 도파로(130)의 굴절률을 변화시키는 방법으로 도파로(130)에 전기적인 신호를 인가하거나 또는 도파로(130)에 열을 인가하는 방법에 설명되었다. 그러나, 이는 단지 예시적인 것으로 이외에도 도파로(130)의 굴절률을 변화시키기 위해서 다른 방법이 사용될 수도 있다. 예를 들면, 도파로(130) 주위에 압전 소자(미도시)를 마련함으로써 압전 소자에 의해 도파로(130)가 변형됨으로써 도파로(130)의 굴절률을 변화시키는 방법이 사용되는 것도 가능하다.
도 1을 참조하면, 복수의 변조기(140)를 경유한 복수의 도파로(130)에는 그래핀층(150)이 마련되어 있다. 여기서, 그래핀층(150)은 복수의 도파로(130) 내부를 진행하는 광들의 대부분을 흡수할 수 있다. 그래핀층(150)의 양단부에는 각각 제1 및 제2 전극(161,162)이 전기적으로 연결되어 있다.
그래핀층(150)은 단층 구조 또는 복층 구조를 가질 수 있다. 예를 들면, 그래핀층(150)은 1층 내지 10층의 그래핀을 포함할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 그래핀은 탄소 원자들이 2차원적으로 연결되어 육각형 벌집(hexagonal honeycomb) 구조를 가지는 물질로서, 원자 크기 수준의 얇은 두께를 가지고 있다.
본 실시예에서는 복수의 도파로(130)에 그래핀층(150)을 마련함으로써 복수의 도파로(130) 내부를 진행하는 광들의 대부분을 그래핀층(150)이 흡수할 수 있고, 이에 따라 높은 수광 효율을 가지는 광 검출 소자(100)를 구현할 수 있다.
도 7에는 도 1의 C-C'선을 따라 본 그래핀층의 단면이 도시되어 있다.
도 7을 참조하면, 그래핀층(150)은 복수의 도파로(130)에 마련되어 있다. 여기서, 그래핀층(150)은 복수의 도파로(130) 각각의 상면 및 측면들에 접촉하도록 마련되어 있다. 이 경우, 복수의 도파로(130) 내부를 진행하는 광들은 복수의 도파로(130) 각각의 상면 및 측면들을 통해 그래핀층(150)에 흡수될 수 있다. 이러한 그래핀층(150)은 복수의 도파로(130) 상에 적어도 하나의 그래핀을 전사하거나 또는 복수의 도파로(130) 상에 적어도 하나의 그래핀을 성장시킴으로써 형성될 수 있다. 한편, 그래핀층(150)을 경유한 도파로들(130)의 타단부에는 반사막(미도시)이 코팅되거나 또는 비반사막(미도시)이 코팅될 수 있다.
제1 및 제2 전극(161,162)은 그래핀층(150)의 양단부에 전기적으로 연결되도록 마련되어 있다. 여기서, 제1 및 제2 전극(161,162)은 도전성이 우수한 물질을 포함할 수 있다. 이러한 제1 및 제2 전극(161,162)은 기판(110)의 상면에 마련될 수 있다.
제1 및 제2 전극(161,162) 사이에 소정 전압이 인가된 상태에서 복수의 도파로(130) 내부를 진행하는 광들은 대부분 그래핀층(150)에 흡수되며, 이 과정에서 그래핀층(150)의 내부에서는 전자들이 발생하여 제1 및 제2 전극(161,162) 사이를 이동함으로써 수광 전류를 발생시킨다. 이러한 수광 전류는 제1 및 제2 전극(161,162)을 통해 측정됨으로써 복수의 도파로(130) 내부를 진행하는 광들을 검출할 수 있다. 여기서, 제1 및 제2 전극(161,162) 사이에 인가되는 전압을 조절함으로써 수광 전류 및 수광 효율을 제어할 수도 있다.
도 8에는 도 7에 도시된 제1 및 제2 전극의 변형예가 도시되어 있다. 도 8을 참조하면, 제1 및 제2 전극(162,164)은 제1 및 제2 도전성 와이어(165,166)를 통해 그래핀층(150)의 양단부에 전기적으로 연결되도록 마련될 수 있다. 여기서, 제1 및 제2 전극(161,162)은 기판(110)에 이격되어 마련될 수 있다. 하지만, 이는 예시적인 것으로, 제1 및 제2 전극(163,164)은 기판의 상면에 마련될 수도 있다.
이상과 같은 구조의 광 검출 소자(100)에서, 외부의 광들(L, 예를 들면, 대상체로부터 반사되는 광들)이 광 입력부(120)에 입력되면, 이 광들은 복수의 도파로(130)를 따라 진행하게 된다. 그리고, 복수의 도파로(130) 내부를 진행하는 광들은 복수의 변조기(140)에 의해 위상이 변조된 다음, 복수의 도파로(130)에 마련된 그래핀층(150)에 흡수됨으로써 제1 및 제2 전극(161,162)을 통해 검출된다.
본 실시예에서는 그래핀층(150)이 복수의 도파로(130) 내부를 진행하는 광들의 대부분을 흡수하게 되므로 높은 수광 효율을 가지는 광 검출 소자(100)를 구현할 수 있다. 또한, 복수의 변조기(140)가 복수의 도파로(130) 내부를 진행하는 광들의 위상을 독립적으로 변조시켜 위상 프로파일을 제어함으로써 수광 효율을 보다 향상시킬 수 있으며, 또한 외부의 광들이 입사되는 위치도 파악할 수 있다.
이와 같이 광 검출 소자는 특정 방향의 광을 높을 효율로 수광할 수 있으므로, 예를 들면 원거리용 라이다(LiDAR) 시스템을 용이하게 구현할 수 있다. 또한, 라이다 시스템에서 발광 소자의 출력광 세기을 줄일 수 있으므로 눈 안전성(eye safety)을 향상시킬 수 있으며, 시스템의 소형화 및 저비용을 구현할 수 있다.
도 9는 다른 예시적인 실시예에 따른 광 검출 소자를 도시한 것이다.
도 9를 참조하면, 그래핀층(151)은 복수의 도파로(130) 각각의 상면과 접촉하도록 마련되어 있다. 이 경우, 그래핀층(151)은 복수의 도파로(130) 내부를 진행하는 광들이 도파로(130) 각각의 상면을 통해 그래핀층(151)으로 흡수될 수 있다. 복수의 도파로(130) 내부를 진행하는 광들의 단면 형상은 광학 모드(optical mode)에 따라 달라질 수 있다. 복수의 도파로(130) 내부를 진행하는 광들이 상하 방향으로 상대적으로 긴 타원 형상의 단면을 가지고 있는 경우에는 도 9에 도시된 바와 같이 그래핀층(151)을 도파로들(130)의 상면과 접촉하도록 마련함으로써 도파로들(130) 내부를 진행하는 광들을 효과적으로 흡수할 수 있다.
도 10은 또 다른 예시적인 실시예에 따른 광 검출 소자를 도시한 것이다.
도 10을 참조하면, 그래핀층(152)은 복수의 도파로(130) 각각의 측면들과 접촉하도록 마련되어 있다. 여기서, 그래핀층(152)은 복수의 도파로(130) 내부를 진행하는 광들이 도파로(130) 각각의 측면들을 통해 그래핀층(152)으로 흡수될 수 있다. 한편, 도 10에는 도시되어 있지 않으나, 그래핀층(152) 중 도파로(130)의 측면들과 접촉하는 부분 이외의 다른 부분들은 일체로 서로 연결될 수 있다.
복수의 도파로(130) 내부를 진행하는 광들이 좌우 방향으로 상대적으로 긴 타원 형상의 단면을 가지고 있는 경우에는 도 10에 도시된 바와 같이 그래핀층(152)을 도파로들(130)의 측면들과 접촉하도록 마련함으로써 도파로들(130) 내부를 진행하는 광들을 효과적으로 흡수할 수 있다.
도 11은 또 다른 예시적인 실시예에 따른 광 검출 소자를 도시한 것이다.
도 11을 참조하면, 각 도파로(130)와 그래핀층(150) 사이에 중간층(180)이 마련되어 있다. 여기서, 중간층(180)은 도파로(130) 보다 작은 굴절률을 가지는 물질을 포함할 수 있다. 중간층(180)은 그 재질이나 두께를 조절함으로써 그래핀층(150)에 흡수되는 광량을 제어하는 역할을 할 수 있다.
도 12는 또 다른 예시적인 실시예에 따른 광 검출 소자를 도시한 것이다.
도 12를 참조하면, 복수의 도파로(130) 각각의 상면에는 게이트 절연층(190)이 마련되어 있으며, 게이트 절연층(190)의 상면에는 게이트 전극(195)이 마련되어 있다. 제1 및 제2 전극(161,162)은 각각 소스 전극 및 드레인 전극이 될 수 있다. 이 경우, 제1 및 제2 전극(161,162)과, 게이트 전극(195)에 인가되는 전압들을 조절함으로써 광 검출 소자의 수광 특성을 제어할 수 있다.
전술한 실시예들에서는 복수의 도파로(130) 전체에 대응하여 하나의 그래핀층(150)이 마련되는 경우가 설명되었다. 그러나, 후술하는 바와 같이 복수의 도파로 중 일부들에 대응하여 복수의 그래핀층이 마련되는 것도 가능하다. 이 경우, 그래핀층들 전체를 구동하여 광 검출을 수행하거나 또는 그래핀층들 각각을 독립적으로 구동하여 광 검출을 수행할 수도 있다.
도 13은 또 다른 예시적인 실시예에 따른 광 검출 소자를 도시한 것이다.
도 13을 참조하면, 복수의 도파로(130)에 복수의 그래핀층(150')이 마련되어 있다. 도 13에는 4개의 도파로(130)에 2개의 그래핀층(150')이 마련된 경우가 예시적으로 도시되어 있다. 여기서, 각 그래핀층(150')은 2개의 도파로(130)에 대응하여 마련될 수 있다. 그리고, 각 그래핀층(150')에는 제1 및 제2 전극(161',162')이 전기적으로 연결되어 있다.
도 14는 또 다른 예시적인 실시예에 따른 광 검출 소자를 도시한 것이다.
도 14를 참조하면, 복수의 도파로(130)에 복수의 그래핀층(150")이 일대일로 대응하도록 마련되어 있다. 도 14에는 4개의 도파로(130)에 4개의 그래핀층(150")이 마련된 경우가 예시적으로 도시되어 있다. 여기서, 각 그래핀층(150")은 각 도파로(130)에 대응하여 마련될 수 있으며, 각 그래핀층(150")에는 제1 및 제2 전극(161",162")이 전기적으로 연결되어 있다.
도 15는 또 다른 예시적인 실시예에 따른 광 검출 소자를 개략적으로 도시한 사시도이다. 도 15에 도시된 광 검출 소자(200)에서 복수의 도파로(130), 광 입력부(120) 및 복수의 변조기(140)에 대해서는 도 1에 도시된 광 검출 소자(100)에서 설명되었다.
도 15를 참조하면, 복수의 변조기(140)를 경유한 복수의 도파로(130)는 서로 결합하여 하나의 도파로(230)로 통합될 수 있다. 그래핀층(250)은 통합된 도파로(230)에 마련되어 있으며, 제1 및 제2 전극(261,262)은 그래핀층(250)의 양단부에 전기적으로 연결되도록 마련되어 있다.
복수의 도파로(130) 내부를 진행하는 광들은 통합된 도파로(230)에서 서로 합쳐지게 되고, 이렇게 합쳐진 광들이 그래핀층(250)에 흡수됨으로써 제1 및 제2 전극(261,262)을 통해 검출될 수 있다.
이상의 실시예들에 따르면, 그래핀층이 복수의 도파로 내부를 진행하는 광의 대부분을 흡수함으로써 높은 수광 효율을 가지는 광 검출 소자를 구현할 수 있다. 또한, 복수의 변조기가 복수의 도파로 내부를 진행하는 광들의 위상을 독립적으로 변조시켜 위상 프로파일을 제어함으로써 수광 효율을 보다 향상시킬 수 있다.
전술한 광 검출 소자는 특정 방향의 광을 높을 효율로 수광할 수 있으므로, 예를 들면 원거리용 라이다(LiDAR) 시스템을 용이하게 구현할 수 있다. 또한, 라이다 시스템에서 발광 소자의 출력광 세기을 줄일 수 있으므로 눈 안전성(eye safety)을 향상될 수 있으며, 시스템의 소형화 및 저비용도 실현할 수 있다.
이러한 광 검출 소자는 빛을 이용하여 물체나 지형 등을 식별하거나 위치, 거리 및 형상 등을 측정하는 분야에 응용될 수 있다. 예를 들면, 광 검출 소자는 이미지 센서, 거리 센서, 환경 센서, 자율 주행 자동차, 드론 등과 같은 비행 물체, 모바일 기기, 보행 수단, 보안 장치 등과 같은 분야에 적용될 수 있다.
도 16은 예시적인 실시예에 따른 광 시스템을 개략적으로 도시한 것이다.
도 16을 참조하면, 광 시스템(1000)은 광 조향 장치(1100), 광 검출 소자(1200) 및 구동부(1300)를 포함할 수 있다. 여기서, 구동부(1300)는 광 조향 장치(1100) 및 광 검출 소자(1200)를 구동하는 구동회로를 포함할 수 있다. 이러한 광 시스템(1000)을 구성하는 요소들은 동일한 기판(1005) 상에 마련될 수 있다. 하지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 광 시스템(1000)을 구성하는 요소들 중 일부는 동일한 기판(1005) 상에 마련되지 않을 수도 있다.
광 조향 장치(1100)는 레이저 빔(L')을 방출하는 레이저 광원(1110)과, 상기 레이저 광원(1110)으로부터 방출된 레이저 빔(L')을 스캐닝하는 조향 소자(steering device, 1120)를 포함한다. 레이저 광원(1110)으로는 예를 들면, 레이저 다이오드가 사용될 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
조향 소자(1120)는 예를 들어 OPA(Optical Phased Array) 방식을 이용하여 레이저 빔(L)을 스캐닝할 수 있도록 구성될 수 있다. 이 경우, 조향 소자(1120)는 다수의 도파로 또는 메타 구조를 가지는 다수의 단위셀로부터 나오는 위상이 변조된 광들의 간섭을 이용함으로써 레이저 빔(L')을 스캐닝할 수 있다.
조향 소자(1120)가 다수의 도파로를 포함하는 경우에는 파장 변조 및 위상 변조를 통해 레이저 빔(L')을 2차원적으로 스캐닝할 수 있다. 또한, 조향 소자(1120)가 2차원적으로 배열된 다수의 단위셀을 포함하는 경우에 레이저 빔(L')을 2차원적으로 스캐닝할 수 있다.
한편, 전술한 OPA 방식 이외에도 조향 소자(1120)는 레이저 광원(1110)을 기계적으로 이동시키는 방식이나 다수의 레이저 광원(미도시)으로부터 레이저빔들을 동시에 방출시키는 플래쉬 방식을 이용할 수도 있다.
광 조향 장치(1100)에 의해 스캐닝되는 레이저 빔들(L') 중 대상체(object, 1600)에서 반사되어 돌아오는 레이저 빔(L')은 광 검출 소자(1200)에 의해 검출될 수 있다. 여기서, 광 검출 소자(1200)는 전술한 실시예들에 따른 광 검출 소자들 중 하나가 될 수 있다. 따라서, 광 검출 소자(1200)에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이상에서 설명된 광 시스템(1000)은 예를 들면, 라이다(LiDAR) 시스템, 깊이 센서(depth sensor), 3차원 센서(3D sensor) 등에 사용될 수 있다. 하지만, 이는 단지 예시적인 것으로 이외에도 다른 다양한 분야에 적용될 수 있다. 이상에서 실시예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형이 가능하다.
100,200,1200.. 광 검출 소자
110,1005.. 기판
111.. 베이스 기판
112.. 절연층
120.. 광 입력부
121.. 안테나
121a.. 그루브
130,130'.. 도파로
135.. 연장부
140.. 변조기
141.. 변조기의 제1 전극
142.. 변조기의 제2 전극
145.. 가열 요소
150,150',150",151,152,250.. 그래핀층
161,161',161",163,261.. 제1 전극
162,162',162",164,262.. 제2 전극
165.. 제1 도전성 와이어
166.. 제2 도전성 와이어
170.. 중간 절연층
180.. 중간층
190.. 게이트 절연층
195.. 게이트 전극
230.. 통합된 도파로
1000.. 광 시스템
1100.. 광 조향 장치
1110.. 레이저 광원
1120.. 조향 소자
1300.. 구동부
1600.. 대상체

Claims (24)

  1. 광 입력부;
    상기 광 입력부로부터 연장되도록 마련되어 상기 광 입력부에 입력된 광들이 내부로 진행하는 복수의 도파로(waveguide);
    상기 복수의 도파로에 마련되어 상기 복수의 도파로 내부를 진행하는 광들의 위상을 변조시키는 복수의 변조기(modulator);
    상기 복수의 도파로 내부를 진행하는 광들을 흡수하는 적어도 하나의 그래핀층; 및
    상기 적어도 하나의 그래핀층에 전기적으로 연결되도록 마련되는 적어도 하나의 제1 및 제2 전극;을 포함하는 광검출 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 그래핀층은 상기 복수의 도파로에 마련되는 광검출 소자.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 도파로와 상기 그래핀층 사이에는 상기 도파로보다 작은 굴절률을 가지는 물질을 포함하는 중간층이 마련되는 광검출 소자.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 그래핀층은 상기 도파로의 상면 및 측면 중 적어도 하나에 마련되는 광검출 소자.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 그래핀층은 상기 복수의 도파로 전체에 대응하도록 마련되는 그래핀층을 포함하는 광검출 소자.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 그래핀층은 상기 복수의 도파로 중 일부들 각각에 대응하도록 마련되는 복수의 그래핀층을 포함하는 광검출 소자.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 도파로는 하나의 도파로에 통합되며, 상기 적어도 하나의 그래핀층은 상기 통합된 도파로에 마련되는 그래핀층을 포함하는 광검출 소자.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 광검출 소자는 상기 그래핀 층에 마련되는 게이트 절연층 및 상기 게이트 절연층에 마련되는 게이트 전극을 더 포함하는 광검출 소자.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 광입력부는 상기 복수의 도파로의 단부에 마련되며 외부의 광들을 수용하는 안테나 어레이를 포함하는 광검출 소자.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 도파로는 Ⅳ족 반도체 물질, Ⅲ-Ⅴ족 반도체 물질, Ⅱ-Ⅵ족 반도체 물질, 산화물 및 질화물 중 적어도 하나를 포함하는 광검출 소자.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 변조기는 상기 복수의 도파로 내부를 진행하는 광들 각각의 위상을 독립적으로 변조시켜 위상 프로파일(phase profile)을 형성하는 광검출 소자.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 복수의 변조기는 상기 복수의 도파로에 전기 신호 또는 열을 인가함으로써 위상을 변조시키는 광검출 소자.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 입력부, 상기 복수의 도파로, 상기 복수의 변조기, 상기 적어도 하나의 그래핀층 및 상기 제1 및 제2 전극은 동일한 기판 상에 마련되는 광검출 소자.
  14. 광조향 장치; 및
    상기 광조향 소자에 의해 조향된 광들을 검출하는 광검출 소자;를 포함하고,
    상기 광검출 소자는,
    광 입력부;
    상기 광 입력부로부터 연장되도록 마련되어 상기 광 입력부에 입력된 광들이 내부로 진행하는 복수의 도파로;
    상기 복수의 도파로에 마련되어 상기 복수의 도파로 내부를 진행하는 광들의 위상을 변조시키는 복수의 변조기;
    상기 복수의 도파로 내부를 진행하는 광들을 흡수하는 적어도 하나의 그래핀층; 및
    상기 적어도 하나의 그래핀층에 전기적으로 연결되도록 마련되는 적어도 하나의 제1 및 제2 전극;을 포함하는 광 시스템.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 광조향 장치는 레이저 광원과, 상기 레이저 광원으로부터 방출되는 광들을 조향하는 조향 소자를 포함하는 광 시스템.
  16. 제 15 항에서,
    상기 광입력부는 상기 복수의 도파로의 단부에 마련되며 상기 광조향 장치에의해 조향된 광들을 수용하는 안테나 어레이를 포함하는 광 시스템.
  17. 제 14 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 그래핀층은 상기 복수의 도파로에 마련되는 광 시스템.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 도파로와 상기 그래핀층 사이에는 상기 도파로보다 작은 굴절률을 가지는 물질을 포함하는 중간층이 마련되는 광 시스템.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 그래핀층은 상기 도파로의 상면 및 측면 중 적어도 하나에 마련되는 광 시스템.
  20. 제 17 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 그래핀층은 상기 복수의 도파로 전체에 대응하도록 마련되는 그래핀층을 포함하는 광 시스템.
  21. 제 17 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 그래핀층은 상기 복수의 도파로 중 일부들 각각에 대응하도록 마련되는 복수의 그래핀층을 포함하는 광 시스템.
  22. 제 17 항에 있어서,
    상기 복수의 도파로는 하나의 도파로에 통합되며, 상기 적어도 하나의 그래핀층은 상기 통합된 도파로에 마련되는 그래핀층을 포함하는 광 시스템.
  23. 제 14 항에 있어서,
    상기 광검출 소자는 상기 그래핀 층에 마련되는 게이트 절연층 및 상기 게이트 절연층에 마련되는 게이트 전극을 더 포함하는 광 시스템.
  24. 제 14 항에 있어서,
    상기 광조향 장치 및 상기 광검출 소자는 동일 기판 상에 마련되는 광 시스템.



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