KR20220002791A - 광변조 장치 및 이를 채용한 광학 장치 - Google Patents

광변조 장치 및 이를 채용한 광학 장치 Download PDF

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Abstract

광변조 장치 및 이를 포함하는 광학 장치가 개시되어 있다. 개시된 광변조 장치는, 복수의 나노 안테나에 인가되는 구동 신호에 의하여 형성되는 메타 격자의 겉보기 변위를 이용하여 고정된 입사 각도를 갖는 입사광의 진행 방향을 바꾸는 광변조 소자를 구비한다. 조향된 광은 출사 광학계의 의하여 출사된다. 출사 광학계는 메타 격자에 의한 1차 회절광을 출사시킨다.

Description

광변조 장치 및 이를 채용한 광학 장치{Optical modulating device and apparatus using the same}
개시된 실시예들은 광변조 장치 및 이를 구비하는 광학 장치에 관한 것이다.
광의 투과/반사/산란 특성, 위상, 진폭, 편광, 세기, 경로 등을 변화시키는 광변조 장치는 다양한 광학 장치에 활용된다. 광학 시스템 내에서 원하는 방식으로 광의 성질을 제어하기 위해, 다양한 구조의 광변조 장치들이 제시되었다. 예컨대, 광학적 이방성을 가지는 액정(liquid crystal)이나, 광차단/반사 요소의 미소 기계적 움직임을 이용하는 MEMS(microelectromechanical system) 구조 등이 일반적인 광변조 장치에 사용되고 있다. 이러한 광변조 장치들은 구동 방식의 특성상 동작 응답시간에 한계가 있다. MEMS 구조의 경우, 전압-변위의 특성의 비선형성을 보정할 필교가 있으며, 운동계의 진동의 영향을 보정하기 위한 최적화된 구동 전압 프로파일이 확보되어야 한다.
최근에는, 입사광에 대한 표면 플라즈몬 공진(surface plasmon resonance) 현상을 이용하는 메타 구조를 광변조 장치에 활용하려는 시도가 있다.
측광을 줄일 수 있는 광변조 장치를 제공한다.
고속 동작이 가능하고 응답성의 산포가 작은 광변조 장치를 제공한다.
일 측면에 따른 광변조 장치는, 입사 광학계; 구동 신호에 의하여 메타 격자를 형성하는 복수의 나노 안테나를 포함하며, 상기 구동 신호에 따른 상기 메타 격자의 겉보기 변위를 이용하여, 상기 입사 광학계로부터 고정된 입사 각도로 입사되는 입사광의 진행 방향을 바꾸는 광변조 소자; 상기 광변조소자에서 조향된 광이 출사되는 출사 광학계;를 포함하며, 상기 출사 광학계는 상기 메타 격자에 의한 1차 회절광을 출사시킨다.
상기 출사 광학계의 중심축은 상기 메타 격자의 변위가 0일 때의 1차 회절광의 광축과 나란할 수 있다.
상기 출사 광학계의 중심축은 상기 메타 격자의 변위가 0일 때의 1차 회절광의 광축과 일치될 수 있다.
상기 광변조소자의 표면법선벡터에 대한 상기 입사광의 입사 각도와 상기 출사 광학계의 중심축의 각도를 각각 θin, θout이라 하고, 상기 입사광의 파장을 λ0, 상기 메타 격자의 주기를 Λ라 하면,
Figure pat00001
을 만족할 수 있다.
상기 광변조 소자는 복수의 픽셀을 구비하며, 상기 복수의 픽셀 각각은 복수의 상기 나노 안테나를 구비할 수 있다. 상기 복수의 픽셀 각각은 하나 이상의 안테나 그룹을 포함하며, 상기 하나 이상의 안테나 그룹은 복수의 상기 나노 안테나를 포함하며, 상기 메타 격자의 주기는 상기 안테나 그룹의 주기와 동일할 수 있다. 상기 복수의 픽셀 각각은 둘 이상의 상기 안테나 그룹을 포함하며, 동일한 픽셀 내의 둘 이상의 안테나 그룹에는 동일한 패턴의 상기 구동 신호가 인가될 수 있다. 상기 복수의 픽셀의 수를 L, 상기 복수의 픽셀 각각의 안테나 그룹의 수를 M, 각 안테나 그룹의 나노 안테나의 수를 M이라 하고, l번째 픽셀, m번째 안테나 그룹, n번째 나노 안테나를 Almn이라 하고, Almn의 광학적 세기를 Rlmn이라 할 때,
Figure pat00002
일 수 있다. 여기서, d=1, 2,..., N이며, C는 1에서 N-1 중 어느 하나이다.
상기 복수의 픽셀은 1차원 배열 구조를 가질 수 있다.
상기 복수의 픽셀은 2차원 배열 구조를 가질 수 있다.
상기 광변조 소자는, 반사판; 상기 반사판과 상기 복수의 나노 안테가 사이에 위치되며, 상기 구동 신호에 따라 광학적 물성이 변화되는 활성층;을 포함할 수 있다. 상기 복수의 나노 안테나는 금속 안테나일 수 있다. 상기 복수의 나노 안테나는 유전체 안테나일 수 있다.
상기 복수의 나노 안테나 각각은, 제1 반사구조체와, 상기 제1 반사 구조체 상에 마련되는 캐비티층과, 상기 캐비티층 상에 마련된 제2 반사구조체를 포함하는 페브리-페로 공진 구조를 가질 수 있다.
일 측면에 따른 광변조 장치는, 입사 광학계; 각각 복수의 나노 안테나를 포함하는 복수의 픽셀을 구비하며, 상기 복수의 나노 안테나에 주기적이고 이산적인 구동 신호가 인가됨에 따라 상기 복수의 나노 안테나의 광학적 세기가 변화되어, 상기 입사 광학계로부터 고정된 입사 각도로 입사되는 입사광의 진행 방향을 바꾸는 광변조 소자; 상기 광변조소자에서 조향된 광이 출사되는 출사 광학계;를 포함하며, 상기 광변조소자의 표면법선벡터에 대한 상기 입사광의 입사 각도와 상기 출사 광학계의 중심축의 각도를 각각 θin, θout이라 하고, 상기 입사광의 파장을 λ0, 상기 구동 신호의 주기를 Λ라 하면,
Figure pat00003
을 만족한다.
상기 복수의 픽셀 각각은 하나 이상의 안테나 그룹을 포함하며, 상기 안테나 그룹은 복수의 상기 나노 안테나를 포함하며, 상기 구동 신호의 주기는 상기 안테나 그룹의 주기와 동일할 수 있다. 동일한 픽셀 내의 둘 이상의 안테나 그룹에는 동일한 패턴의 상기 구동 신호가 인가될 수 있다.
상기 복수의 픽셀의 수를 L, 상기 복수의 픽셀 각각의 안테나 그룹의 수를 M, 각 안테나 그룹의 나노 안테나의 수를 M이라 하고, l번째 픽셀, m번째 안테나 그룹, n번째 나노 안테나를 Almn이라 하고, Almn의 광학적 세기를 Rlmn이라 할 때,
Figure pat00004
일 수 있다. 여기서, d=1, 2,..., N이며, C는 1에서 N-1 중 어느 하나인 광변조 장치.
일 측면에 따른 광학 장치는 전술한 광변조 장치를 포함한다. 상기 광학 장치는 라이다(LiDAR) 장치, 3차원 이미지 획득 장치, 홀로그래픽(holographic) 디스플레이 장치, 및 구조광(structured light) 발생 장치 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
전술한 광변조 장치의 실시예들에 따르면, 측광을 줄일 수 있는 광변조 장치가 구현될 수 있다. 또한, 고속 동작이 가능하고 응답성의 산포가 작은 광변조 장치가 구현될 수 있다.
전술한 광변조 장치의 실시예들에 따르면, 1차 회절광을 조향하므로 측광(side lobe)의 비율이 적은 우수한 조향광을 얻을 수 있다. 또한, 기계적인 움직임이 없는 소위 전고체 상태(all-solid-state)로 동작되므로, 고속 동작이 가능하며 제조 공정 상의 오차에 의한 응답성의 산포가 작아 균일한 응답특성을 얻을 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 광변조 장치를 보여주는 개략도이다.
도 2는 복수의 나노 안테나의 광학적 세기가 주기적이고 이산적으로 변할 때의 메타 격자의 변위의 예시를 보여준다.
도 3은 메타 격자의 변위에 의한 1차 회절광의 기하 위상의 변화를 설명하기 위한 시뮬레이션 환경을 보여준다.
도 4는 도 3의 시뮬레이션 환경에 의한 시뮬레이션 결과를 보여주는 그래프로서, 주기에 대한 변위의 비율에 따른 1차 회절광의 기하 위상의 변화를 보여준다.
도 5는 도 3의 시뮬레이션 환경에 의한 시뮬레이션 결과를 보여주는 그래프로서, 주기에 대한 변위의 비율에 따른 1차 회절광의 진폭의 변화를 보여준다.
도 6은 광변조 소자의 일 실시예의 개략적인 단면도이다.
도 7은 나노 안테나의 평면 형상의 예들을 보여준다.
도 8은 페브리-페로(Fabry-Perot) 공진 구조를 갖는 나노 안테나의 다양한 일 실시예들을 보여준다.
도 9는 광변조 소자의 일 실시예의 개략적인 구성도이다.
도 10은 도 9에 도시된 광변조 소자의 일 실시예에 따른 나노 안테나의 반사율 스펙트럼을 시뮬레이션한 결과를 보여준다.
도 11은 도 9에 도시된 광변조 소자의 일 실시예에 따른 메타 격자의 이산적인 변위에 따른 파장별 위상을 시뮬레이션한 결과를 보여준다.
도 12는 도 9에 도시된 광변조 소자의 일 실시예에 따른 메타 격자의 이산적인 변위에 따른 1차 회절광의 입사광에 대한 세기를 시뮬레이션한 결과를 보여준다.
도 13과 도 14는 광변조 소자의 일 실시예의 개략적인 구성도들로서, 도 13은 다수의 픽셀사이의 상대적인 위상 차이가 없는 경우, 도 14는 다수의 픽셀사이의 상대적인 위상 차이에 의하여 빔을 조향하는 경우를 각각 보여준다.
도 15는 도 13에 도시된 광변조 소자의 일 실시예에 따라 1차 회절광이 형성된 모습을 보여준다.
도 16은 도 14에 도시된 광변조 소자의 일 실시예에 따라 1차 회절광이 형성된 모습을 보여준다.
도 17은 복수의 픽셀이 직교 좌표계(Cartesian Coordinate)에서 2차원적으로 배열된 구조의 일 예를 보여준다.
도 18은 메타 격자의 다양한 튜티비의 예들을 보여준다.
도 19는 광변조 장치의 일 예로서 빔 스티어링 장치를 설명하기 위한 개념도이다.
도 20은 광변조 장치의 일 예로서 빔 스티어링 장치(beam steering를 설명하기 위한 개념도이다.
도 21은 광변조 장치를 채용한 광학 장치의 일 예의 블럭도이다.
도 22 및 도 23는 일 실시예에 따른 광변조 장치를 포함하는 라이다(LiDAR) 장치를 차량에 적용한 경우를 보여주는 개념도들로서, 도 22는 측면도이며, 도 23은 평면도이다.
이하, 실시예들에 따른 광변조 장치 및 이를 포함하는 광학 장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부된 도면에 도시된 층이나 영역들의 폭 및 두께는 명세서의 명확성 및 설명의 편의성을 위해 다소 과장되어 있을 수 있다. 상세한 설명 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1은 일 실시예에 따른 광변조 장치(1)를 보여주는 개략도이다. 도 2는 복수의 나노 안테나(NA)의 광학적 세기가 주기적이고 이산적으로 변할 때의 메타 격자(MG)의 변위의 예시를 보여준다.
도 1과 도 2를 참조하면, 광변조 장치(1)의 일 실시예는, 입사 광학계(10), 구동 신호에 의하여 메타 격자(MG: meta-grating)(또는 겉보기 격자(effective grating))를 형성하는 복수의 나노 안테나(NA)를 포함하며 복수의 나노 안테나(NA)에 인가되는 구동 신호에 따른 메타 격자(MG)의 겉보기 변위를 이용하여 입사 광학계(10)로부터 고정된 입사 각도(θin)로 입사되는 입사광(L1)의 진행 방향을 바꾸는 광변조 소자(20), 광변조 소자(20)에서 조향(steering)된 광(L2)이 출사되는 출사 광학계(30)를 포함할 수 있다. 출사 광학계(30)는 메타 격자(MG)에 의한 입사광(L1)의 1차 회절광을 출사시킬 수 있다. 참조부호 40은 복수의 나노 안테나(NA)에 구동 신호를 인가하는 구동 신호 인가부를 표시한다.
입사 광학계(10)는 광원을 포함할 수 있다. 입사 광학계(10)는 광원으로부터 조사되는 광을 원하는 형태의 입사광(L1)으로 정형하는 하나 이상의 광학 소자, 예를 들어 렌즈를 포함할 수 있다.
복수의 나노 안테나(NA)는 길이, 폭, 두께, 간격 중 적어도 하나가 입사광(L1)의 파장보다 작다. 각각의 나노 안테나(NA)에 구동 신호, 예를 들어 전압을 인가하여 각각의 나노 안테나(NA)의 광학적 세기, 예를 들어 반사/투과/산란의 세기를 개별적으로 조절할 수 있다. 이에 의하여, 메타 격자(MG)가 변위를 일으키는 것과 같은 효과를 얻을 수 있다. 복수의 나노 안테나(NA)에 주기적이고 이산적인 구동 신호를 인가함으로써 메타 격자(MG)의 주기적인 변위를 유발할 수 있으며, 이에 의하여 복수의 나노 안테나(NA)에 입사되는 광의 고차 회절 성분이 메타 격자(MG)의 변위에 비례하는 기하 위상을 갖도록 할 수 있다.
일 예로서, 광변조 소자(20)는 복수의 픽셀(MP)을 구비할 수 있다. 복수의 픽셀(MP) 각각은 복수의 나노 안테나(NA)를 구비할 수 있다. 복수의 픽셀(MP) 각각의 복수의 나노 안테나(NA)에 주기적이고 이산적인 구동 신호가 인가됨에 따라 복수의 나노 안테나(NA)의 광학적 세기가 변화되어, 입사 광학계(10)로부터 입사광(L1)의 진행 방향이 바뀌어 출사될 수 있다. 구동 신호의 패턴은 각각의 픽셀(MP)에 대하여 주기적일 수 있다. 복수의 픽셀(MP) 각각은 하나 이상의 안테나 그룹(AG)을 포함할 수 있다. 각각의 안테나 그룹(AG)은 복수의 나노 안테나(NA)를 포함할 수 있다. 이 경우, 구동 신호는 각각의 안테나 그룹(AG)에 대하여 주기적일 수 있다. 즉, 구동 신호 패턴의 주기는 안테나 그룹(AG)의 주기와 동일할 수 있다. 각각의 픽셀(MP)이 둘 이상의 안테나 그룹(AG)을 구비하는 경우, 둘 이상의 안테나 그룹(AG)에는 동일한 패턴의 구동 신호가 인가될 수 있다.
각각의 픽셀(MP)의 나노 안테나(NA)의 갯수는 표현하고자 하는 기하 위상의 범위와 단계에 따라 적절히 결정될 수 있다. 각각의 픽셀(MP)의 안테나 그룹(AG)의 갯수가 많을수록 빔 조향(beam steering)의 정밀도가 향상될 수 있다. 따라서, 각각의 픽셀(MP)의 안테나 그룹(AG)의 갯수는 무한인 것이 이상적이나, 요구되는 빔 조향의 정밀도에 따라서 안테나 그룹(AG)의 갯수가 적절히 결정될 수 있다. 예를 들어, 각각의 픽셀(MP)는 2~3개의 안테나 그룹(AG)을 포함할 수 있다.
복수의 픽셀(MP)은 1차원 배열 구조를 가질 수 있다. 복수의 픽셀(MP)의 기하 위상을 적절히 배열함으로써 1차원 빔 조향이 가능하다. 복수의 픽셀(MP)은 2차원 배열 구조를 가질 수 있다. 2차원 배열된 복수의 픽셀(MP)의 기하 위상을 적절히 배열함으로써 2차원 빔 조향이 가능하다. 광은 평면파(plane wave), 구면파(spherical wave), 가우시안 빔(Gaussian beam) 등일 수 있다.
반사광은 주광(main lobe)과 측광(side lobe)를 포함할 수 있다. 0차 회절광을 스티어링할 경우 원하지 않는 측광이 발생되어 신호대잡음비(SNR: signal-to-noise ration)가 저하될 수 있다. 본 실시예의 광변조 장치(1)에서는, 광변조 소자(20)로부터 반사되는 광의 1차 회절광을 출사시킨다. 정반사광(L3)은 복수의 픽셀(MP)의 기하 위상의 변위가 0일 때의 입사광(L1)의 0차 회절광이다. 1차 회절광을 스티어링할 경우, 0차 광에 비하여 측광의 비율이 낮다. 따라서, 양호한 신호대잡음비를 얻을 수 있다. 이를 위하여, 본 실시예의 광변조 장치(1)는 메타 격자(MG)에 의한 입사광(L1)의 1차 회절광을 출사시키는 출사 광학계(30)를 구비한다. 출사 광학계(30)는 1차 회절광을 원하는 형태로 정형하여 출사하기 위한 하나 이상의 광학 소자, 예를 들어 렌즈를 포함할 수 있다. 일 실시예로서, 출사 광학계(30)의 중심축(31)은 메타 격자(MG)의 변위가 0일 때의 1차 회절광(L3)의 광축과 나란할 수 있다. 일 실시예로서, 도 1에 도시된 바와 같이 출사 광학계(30)의 중심축(31)은 메타 격자(MG)의 변위가 0일 때의 1차 회절광(L3)의 광축과 일치될 수 있다. 즉, 광변조 소자(20)의 표면법선벡터에 대한 입사광(L1)의 입사 각도와 출사 광학계(30)의 중심축(31)의 각도를 각각 θin, θout이라 하고, 입사광(L1)의 파장을 λ0, 메타 격자(MG)의 주기를 Λ라 하면,
Figure pat00005
을 만족한다. 구동 신호는 패턴화되며, 메타 격자(MG)의 주기는 복수의 나노 안테나(NA)에 인가되는 구동 신호 패턴의 주기와 동일하다.
이하에서, 복수의 나노 안테나(NA)에 인가되는 주기적이고 이산적인 구동 신호에 의한 메타 격자(MG)의 기하 위상을 설명한다.
픽셀(MP)의 갯수를 L(L은 양의 정수), 각 픽셀(MP) 내의 안테나 그룹(NA)의 갯수를 M(M은 양의 정수), 각 안테나 그룹(NA) 내의 나노 안테나(NA)의 갯수를 N(N은 양의 정수)이라 한다. l(l=1, 2, ..., L)번째 픽셀(MP)의 m(m=1, 2, ..., M)번째 안테나 그룹(NA)의 n(n=1, 2, ..., N)번째 나노 안테나(NA)를 Almn이라 하고, Almn의 투과/반사/산란의 세기를 Rlmn라 한다. 이때, Rlmn은 아래 식(1)과 같이 결정될 수 있다.
Figure pat00006
...식(1)
여기서, d=1, 2, ..., N이며, mod는 나머지 연산자(modulud operator)로서 a mod b는 a를 b로 나눈 나머지이다.
각 픽셀(MP)에서 서로 다른 두 안테나 그룹(AG)은 동일한 반사/투과/산란의 세기 분포를 가진다. 즉,
Figure pat00007
...식(2)
이다.
이 경우, l번째 픽셀(MP)의 겉보기 변위(effective diaplacement) xl은 아래 식(3)과 같다. l번째 픽셀(MP)의 위상(phase) φl은 아래 식(4)와 같다.
Figure pat00008
...식(3)
Figure pat00009
...식(4)
따라서, d를 조절하여 각 픽셀(MP)의 위상을 제어할 수 있으며, 각 픽셀(MP)에서 표현할 수 있는 가장 작은 위상은 d=1일 때의 0도이며, 가장 큰 위상은 식(5)과 같다.
Figure pat00010
...식(5)
다시 도 2를 참조하며 주기적이고 이산적인 구동 신호에 의한 메타 격자(MG)의 겉보기 변위를 살펴본다. 도 2에서 L=1, M=2, N=4이다. 나노 안테나(NA)는 모식적으로 도시된다. 솔리드 무늬의 나노 안테나(NA)는 광학적 세기가 강하여 Rlmn이 1인 경우를 나타내며, 민무늬의 나노 안테나(NA)는 광학적 세기가 강하여 Rlmn이 0인 경우를 나타낸다.
도 2의 (A)는 d=1인 경우이다. 식(1)에서 R1,1,1(1)을 구하면, n-d=1-1=0이고 0 mod 4 = 0 < 4/2 = 2 이다. 따라서, R1,1,1(1)=1이다. 같은 방식으로 R1,1,2(1), R1,1,3(1), R1,1,4(1)를 구하면, R1,1,2(1)=1, R1,1,3(1)=0, R1,1,4(1)=0가 된다. 같은 안테나 그룹(AG)의 광학적 세기 분포는 동일하므로, R1,2,1(1)=1, R1,2,2(1)=1, R1,2,3(1)=0, R1,2,4(1)=0이 된다. 이 결과를 정리하면, d=1인 경우에 [R1,1,1, R1,1,2, R1,1,3, R1,1,4, R1,2,1, R1,2,2, R1,2,3, R1,2,4]=[1,1,0,0,1,1,0,0]이 된다. 나노 안테나(NA)의 광학적 세기가 강하고 약한 것이 주기적으로 반복되면 겉으로 보기에는 마치 격자(grating)가 존재하는 것과 같이 보이게 된다. 이를 메타 격자(MG) 또는 겉보기 격자라 하며, 메타 격자(MG)의 주기(Λ)는 안테나 그룹(AG)의 주기와 같다. 도 2의 (A)와 같이 메타 격자(MG) 내부의 4개의 나노 안테나(NA) 중에서 좌측 두 개가 광학적 세기가 강하고 우측 두 개가 광학적 세기가 약한 것을 기준으로 하여 (Λ)의 변위를 0이라고 정의한다.
도 2의 (B)는 d=2인 경우이다. 식(1)을 이용하면, [R1,1,1, R1,1,2, R1,1,3, R1,1,4, R1,2,1, R1,2,2, R1,2,3, R1,2,4]=[0,1,1,0,0,1,1,0]이 된다. 따라서, 메타 격자(MG)가 Λ/4만큼 변위된 효과가 구현된다. 도 2의 (C)는 d=3인 경우이다. 식(1)을 이용하면, [R1,1,1, R1,1,2, R1,1,3, R1,1,4, R1,2,1, R1,2,2, R1,2,3, R1,2,4]=[0,0,1,1,0,0,1,1]이 되어, 메타 격자(MG)가 Λ/2만큼 이동된 효과를 보인다. 도 2의 (D)는 d=4인 경우이다. 식(1)을 이용하면, [R1,1,1, R1,1,2, R1,1,3, R1,1,4, R1,2,1, R1,2,2, R1,2,3, R1,2,4]=[1,0,0,1,1,0,0,1]이 되어, 메타 격자(MG)가 3Λ/4만큼 이동된 효과를 보인다. 따라서, 복수의 나노 안테나(NA)의 광학적 세기를 이산적이고 주기적으로 변화시키는 구동 신호를 복수의 나노 안테나(NA)에 인가함으로써 식(3)에 의하여 정의되는 메타 격자(MG)의 위상 변위를 구현할 수 있다.
표현가능한 위상의 범위(range)를 키우고 여러 단계의 위상을 표현하기 위하여는 각 픽셀(MP) 내의 나노 안테나(NA)의 갯수를 많게, 즉 N을 크게 할 필요가 있다. N을 크기 하기 위하여는 각 픽셀(MP)에 더 많은 나노 안테나(NA)를 배치하고 구동 신호를 인가하기 위한 더 많은 배선 구조를 배치해야 하므로 시스템의 복잡도가 증가한다. 따라서 요구되는 위상의 범위와 위상의 단계의 갯수에 따라서 적절한 N값을 선정할 수 있다.
다음으로, 메타 격자(MG)의 변위에 의한 회절광의 위상 변화에 대하여 설명한다. 나노 안테니(NA)가 존재하는 면을 Z=0인 면으로 정의한다. XZ 평면 상에서 θi의 입사 각도로 광파가 나노 안테나(NA)에 입사한다고 가정한다. 픽셀(MP)의 내부에서 y축을 따른 변화는 없다고 가정한다. 이때, 광파의 파동 함수(wavefunction) Ui(x,y,z)는
Figure pat00011
이다. 여기서, k는 파수(wavenumber)로서 k=2π/λ0이며, λ0는 자유 공간에서의 광파의 파장이며, A는 입사파의 진폭이다. Z=0인 평면에서 파동 함수(wavefunction) Ui(x,y,z=0)는,
Figure pat00012
이다. 겉보기 격자(effective grating)는 주기 Λ를 갖는다. 겉보기 격자에 의한 파동함수를 푸리에 전개(Fourier series)로 표현하면,
Figure pat00013
이다. 여기서 Cp는 p차 푸리에 계수(p-th order Fourier coefficient)이며, 다음과 같이 주어진다.
Figure pat00014
...식(6)
또한 p차 회절효율(p-th order diffraction efficiency)인 ηp는 │Cp│2이다. 메타 격자(MG)에 의해 투과 또는 반사되는 광파의 격자 평면(grating plane)에서의 값은
Figure pat00015
Figure pat00016
이다. 여기서 θp는 회절 각도로서,
Figure pat00017
이다. p차 회절성분의 계수 U0,p는
Figure pat00018
...식(7)
가 된다.
메타 격자(MG)가 xl만큼 변위를 갖는 경우의 p차 회절성분 U' 0,p를 구한다. 변위가 있을 때의 p차 푸리에 계수 C' p는,
Figure pat00019
Figure pat00020
Figure pat00021
...식(8)
이다. 여기서는
Figure pat00022
의 변수치환을 적용했다. 위 식의 적분 구간을 아래과 같이 둘로 나눈다.
Figure pat00023
위 식의 우변(the right-hand side)의 두번째 항(the second term)을 다시
Figure pat00024
로 변수치환을 적용하면,
Figure pat00025
...식(9)
가 된다.
한편, 격자 함수 g(x)는 주기가 Λ인 주기함수이므로,
Figure pat00026
이며,
오일러(Euler) 공식에 의해
Figure pat00027
이다.
따라서, 식(9)는
Figure pat00028
Figure pat00029
Figure pat00030
Figure pat00031
Figure pat00032
...식(10)
가 된다. 식(7)과 식(10)을 식(8)에 대입하면,
Figure pat00033
를 얻는다.
따라서 식(7)로부터 d만큼의 변위가 있는 경우의 p차 회절성분의 계수는
Figure pat00034
로 주어진다. 1차 회절광, 즉 p=1인 경우
Figure pat00035
만큼의 항이 붙어서,
Figure pat00036
가 되어 xl/Λ에 비례하는 위상변화 φl를 갖게 된다. 이에 의하여, 식(4)가 증명된다.
도 3은 메타 격자(MG)의 변위에 의한 1차 회절광의 기하 위상의 변화를 설명하기 위한 시뮬레이션 환경을 보여준다. 매질(M)의 굴절률은 1.0이다. 격자(G)의 굴절률은 1.2이며 유전 상수(dielectric constant)는 1.44이다. 격자(G)는 폭 500nm, 높이 1000nm의 사격형 격자이며, 주기는 1000nm이다. TM(transverse magnetic) 및 TE(transverse electric)의 두 가지 편광을 갖는 광파에 대하여 시뮬레이션한다. 격자(G)에 수직한 벡터에 대한 광파의 입사 각도는 65도이다. 파장은 1200nm~1700nm까지 100 nm 간격으로 총 6가지 경우에 대하여 시뮬레이션한다. 도 3의 (A), (B), (C)는 각각 변위가 0, Λ/3, 2Λ/3인 경우를 나타낸다.
도 4는 도 3의 시뮬레이션 환경에 의한 시뮬레이션 결과를 보여주는 그래프로서, 주기(Λ)에 대한 변위의 비율에 따른 1차 회절광의 기하 위상의 변화를 보여준다. 도 4에서 가로축의 a는 주기(Λ)에 대한 변위의 비율이다. 즉, xl=aΛ이다. 세로축은 1차 회절광의 기하 위상(φ)이다. 도 4를 참조하면, 넓은 파장 대역에서 변위에 비례하여 1차 회절광의 위상이 변화됨을 알 수 있다.
위상배열에서는 각 픽셀(MP)에서 표현할 수 있는 위상의 범위(range)가 넓고, 위상을 변화시키는 동안 진폭(amplitude)은 균일할 필요가 있다. 만약 위상을 조절함에 따라서 진폭이 변하면, 생성된 광파는 주광(main lobe) 외에도 원하지 않는 측광(side lobe)가 발생하여 신호 대 잡음비(signal-to-noise ratio, SNR)가 떨어질 수 있기 때문이다.
도 5는 도 3의 시뮬레이션 환경에 의한 시뮬레이션 결과를 보여주는 그래프로서, 주기(Λ)에 대한 변위의 비율에 따른 1차 회절광의 진폭의 변화를 보여준다. 도 5에서 가로축의 a는 주기(Λ)에 대한 변위의 비율이다. 즉, xl=aΛ이다. 세로축은 1차 회절광의 진폭이다. 도 5를 참조하면, 넓은 파장 대역에서 변위가 변하더라도 1차 회절광의 진폭은 일정함을 알 수 있다. 이로부터, 1차 회절광을 스티어링할 경우, 측광을 줄일 수 있어서 우수한 신호대잡음비를 얻을 수 있음을 알 수 있다.
전술한 바와 같이, 광학적 세기, 즉 투과/반사/산란의 세기가 주기적으로 변하도록 복수의 나노 안테나(NA)에 주기적이고 이산적인 구동 신호를 인가하면, 복수의 나노 안테나(NA)의 광학적 세기는 겉으로 보기에 주기적 구조를 같는 것과 같은 효과를 지니게 된다. 이를 메타 격자(Meta-Grating) 또는 겉보기 격자라 한다. 메타 격자의 이랑(ridge)과 홈(groove)의 위치를 이동시키면, 겉보기 변위가 발생한다. 1차 회절광은 겉보기 변위를 메타 격자(MG)의 주기(Λ)로 나눈 값의 2π배에 해당하는 기하 위상을 갖게 된다. 따라서, 메타 격자(MG)의 겉보기 변위를 조절함에 따라 메타 격자(MG)를 갖는 픽셀(MP)의 위상이 변화하게 된다. 1차 회절광의 기하위상을 변화시키는 동안 진폭은 일정하게 유지되므로, 위상제어(phase-only-modulation)가 가능한 광변조 장치(1)가 구현될 수 있다.
광변조 소자(20)는 다양한 구조를 가질 수 있다. 도 6은 광변조 소자(20)의 일 실시예의 개략적인 단면도이다. 도 6을 참조하면, 광변조 소자(20)는 반사판(reflector)(211), 반사판(211)과 복수의 나노 안테(NA)가 사이에 위치되며 구동 신호에 따라 광학적 물성이 변화되는 활성층(212)을 포함할 수 있다. 반사판(211)과 활성층(212) 사이와 활성층(212)과 복수의 나노 안테나(NA) 사이 중 적어도 하나에 절연층이 배치될 수 있다. 도 6에 도시된 실시예의 광변조 소자(20)는 반사판(211)과 활성층(212) 사이에 배치되는 제1절연층(213)과, 활성층(212)과 복수의 나노 안테나(NA) 사이에 배치되는 제2절연층(214)을 구비한다.
반사판(211)은 활성층(212) 아래에 배치된 하부 반사판 전극(back reflector electrode)일 수 있다. 즉, 반사판(211)은 광을 반사시키는 역할을 하면서 동시에 전극의 기능을 수행할 수 있다. 반사판(211)은 나노 안테나(NA)와 광학적으로 커플링(coupling)되어 있을 수 있고, 나노 안테나(NA)와 반사판(211)의 광학적 상호 작용에 의해 광이 반사될 수 있다. 반사판(211)은 금속과 같은 소정의 도전체로 형성될 수 있다. 예컨대, 반사판(211)은 Cu, Al, Ni, Fe, Co, Zn, Ti, Ru, Rh, Pd, Pt, Os, Ir, Ag, Au 등으로 구성된 그룹에서 선택된 적어도 하나의 금속을 포함할 수 있고, 이들 중 적어도 하나를 구비하는 합금을 포함할 수도 있다. 또는, 반사판(100)은 Ag, Au 등의 금속 나노입자가 분산된 박막, 그래핀(graphene)이나 CNT(carbon nanotube) 등의 탄소 나노구조체, PEDOT(poly(3,4-ethylenedioxythiophene)), PPy(polypyrrole), P3HT(poly(3-hexylthiophene)) 등의 전도성 고분자를 포함하거나, 전도성 산화물 등을 포함할 수도 있다.
나노 안테나(NA)는 특정 파장(혹은 주파수)의 빛(입사광, visible 및 invisible 전자기파 모두 포함)을 국소 표면 플라즈몬 공진(localized surface plasmon resonance)의 형태로 변환하여 그 에너지를 포획하는 것으로, 빛에 대한 나노 구조의 안테나라 할 수 있다. 나노 안테나(NA)는 도전 패턴(ex, 금속 패턴)일 수 있다. 도전 패턴은 비도전층(ex, 유전층)에 접촉되어 있을 수 있다. 도전 패턴과 비도전층(ex, 유전층)의 계면에서 플라즈몬 공진이 발생할 수 있다. 이때, 비도전층(ex, 유전층)은 제2절연층(214)일 수 있으며, 제2절연층(214)과 별개의 층일 수도 있다. 편의상, 이하에서는 도전 패턴 자체를 나노 안테나(N10)로 간주하고 설명하도록 한다. 도전층 패턴과 비도전층(ex, 유전층)의 계면과 같이, 표면 플라즈몬 공진이 일어나는 경계면(interface)을 통칭하여 "메타 표면" 또는 "메타 구조"라고 할 수 있다.
도 7은 나노 안테나(NA)의 평면 형상의 예들을 보여준다. 도 7에 도시된 바와 같이 나노 안테나(NA)는 정사각형, 직사각형, 원형, 도넛형, 십자형 등 다양한 평면 형상을 가질 수 있다. 나노 안테나(NA)는 서브 파장(sub-wavelength)의 치수를 가질 수 있다. 여기서, 서브 파장(sub-wavelength)이란 나노 안테나(NA)의 동작 파장보다 작은 치수를 의미한다. 나노 안테나(NA)의 형상을 이루는 어느 한 치수, 예컨대, 두께, 가로, 세로, 또는 나노 안테나(NA) 간의 간격 중 적어도 어느 하나가 서브 파장의 치수를 가질 수 있다. 나노 안테나(NA)의 형상이나 치수에 따라 공진 파장이 달라질 수 있다.
나노 안테나(NA)는 표면 플라즈몬 여기(surface plasmon excitation)가 발생할 수 있는 도전성이 높은 금속 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, Cu, Al, Ni, Fe, Co, Zn, Ti, Ru, Rh, Pd, Pt, Os, Ir, Ag, Au 등으로 구성된 그룹에서 선택된 적어도 하나의 금속이 채용될 수 있고, 이들 중 적어도 하나를 포함하는 합금으로 이루어질 수도 있다. 또는, 나노 안테나(NA)는 Ag, Au 등의 금속 나노입자가 분산된 박막, 그래핀(graphene)이나 CNT(carbon nanotube) 등의 탄소 나노구조체, PEDOT(poly(3,4-ethylenedioxythiophene)), PPy(polypyrrole), P3HT(poly(3-hexylthiophene)) 등의 전도성 고분자를 포함하거나, 전도성 산화물 등을 포함할 수도 있다. 나노 안테나(NA)와 반사판(211)은 서로 다른 금속일 수 있다. 나노 안테나(NA)는 유전체 안테나일 수도 있다.
활성층(212)은 그의 전기적 조건에 따라 물성이 변화되는 층일 수 있다. 활성층(212) 및 그 주변 영역과 관련된 전기적 조건에 따라서, 활성층(212)의 유전율(permittivity) 또는 굴절률이 변화될 수 있다. 활성층(212)의 유전율 변화는 활성층(212) 내 영역(들)의 전하농도(전하밀도)의 변화에 기인한 것일 수 있다. 다시 말해, 활성층(212) 내 영역(들)의 전하농도 변화에 의해 활성층(212)의 유전율이 변화될 수 있다. 활성층(212)에 인가되는 전기장이나 전압에 따라 활성층(212)의 유전율이 변화될 수 있다. 활성층(212)은, 예를 들어, 반도체, 산화물, 질화물, 또는 액정을 포함할 수 있다. 활성층(212)은 ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide), AZO(aluminium zinc oxide), GZO(gallium zinc oxide), AGZO(aluminium gallium zinc oxide), GIZO(gallium indium zinc oxide)와 같은 투명 전도성 산화물(transparent conductive oxide)(TCO)을 포함할 수 있다. 활성층(212)은 TiN, ZrN, HfN, TaN과 같은 전이금속 질화물(transition metal nitride)(TMN), 상전이물질, 그래핀, 전이금속 디칼코제나이드, 또는 2차원 물질 등을 포함할 수 있다. 이외에도, 전기적 신호가 가해지면 유효 유전율이 변하는 전기광학(electro-optic)(EO) 물질을 포함할 수 있다. 상기 전기광학 물질은, 예컨대, LiNbO3, LiTaO3, KTN(potassium tantalate niobate), PZT(lead zirconate titanate) 등의 결정성 물질을 포함하거나, 전기광학 특성을 갖는 다양한 폴리머(polymer)를 포함할 수도 있다.
제1절연층(213) 및 제2절연층(214)은 절연성 물질(유전체 물질)을 포함할 수 있다. 제1 및 제2절연층(213)(214) 중 적어도 하나는 절연성 실리콘 화합물 및 절연성 금속 화합물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 절연성 실리콘 화합물은, 예컨대, 실리콘 산화물(SiOx), 실리콘 질화물(SixNy), 실리콘 산질화물(SiON) 등을 포함할 수 있고, 상기 절연성 금속 화합물은, 예컨대, 알루미늄 산화물(Al2O3), 하프늄 산화물(HfO), 지르코늄 산화물(ZrO), 하프늄 실리콘 산화물(HfSiO) 등을 포함할 수 있다. 제1절연층(213)과 제2절연층(214)은 동일한 물질로 형성되거나, 서로 다른 물질 구성을 가질 수도 있다.
제1절연층(213)에 의해 활성층(212)은 반사판(211)과 전기적으로 절연될 수 있고, 제2절연층(214)에 의해 활성층(212)은 나노 안테나(NA)와 전기적으로 절연될 수 있다. 반사판(211)과 활성층(212) 사이에 인가되는 전압(구동 신호)에 따라서, 활성층(212)의 제1절연층(213)과의 제1경계 영역의 전하농도가 변화될 수 있다. 또한, 활성층(212)과 나노 안테나(NA) 사이에 인가되는 전압(구동 신호)에 따라서, 활성층(212)의 제2절연층(214)과의 제2경계 영역의 전하농도가 변화될 수 있다.
제1경계 영역과 제2경계 영역 각각은 복수의 나노 안테나(NA)에 대응되는 복수의 단위 영역으로 분할될 수 있으며, 전압에 따라서 전하축적영역 또는 전하공핍영역이 될 수 있다. 나노 안테나(NA)에 인가되는 전압이 활성층(212)에 인가되는 전압에 비해서 높을 경우, 활성층(212)의 상부에는 전하축적영역이 형성될 수 있다. 나노 안테나(NA)에 인가되는 전압이 활성층(212)에 인가되는 전압에 비해서 낮을 경우, 활성층(212)의 상부에는 전하공핍영역이 형성될 수 있다. 반사판(211)에 인가되는 전압이 활성층(212)에 인가되는 전압에 비해서 높을 경우, 활성층(212)의 하부에는 전하축적영역이 형성될 수 있다. 반사판(211)에 인가되는 전압이 활성층(212)에 인가되는 전압에 비해서 낮을 경우, 활성층(212)의 하부에는 전하공핍영역이 형성될 수 있다. 활성층(212)에 전하축적영역 및/또는 전하공핍영역이 형성됨에 따라, 광변조 소자(20)의 반사 특성이 제어될 수 있다. 이에 의하여, 전술한 메타 격자(MG)가 형성될 수 있으며, 다수의 픽셀(MP)의 기하 위상을 적절히 배열함으로써 1차 회절광의 방향을 제어하여, 빔(beam)을 조향할 수 있다.
일 실시예로서, 광변조 소자(20)는 페브리-페로 공진 구조를 갖는 복수의 나노 안테나(NA)에 의하여 구현될 수도 있다. 도 8은 페브리-페로(Fabry-Perot) 공진 구조를 갖는 나노 안테나(NA)의 다양한 일 실시예들을 보여준다. 도 8을 참조하면, 나노 안테나(NA)는 제1반사 구조체(221)와, 제1반사 구조체(221) 상에 마련되는 캐비티층(222)과, 캐비티층(222) 상에 마련된 제2반사 구조체(223)를 포함할 수 있다.
일 예로서, 도 8의 (A)와 (B)에 도시된 바와 같이, 제1반사 구조체(221)와 제2반사 구조체(223)는 모두 굴절률이 서로 다른 물질들이 교대로 적층된 분산 브래그 반사판(DBR: distributed Bragg reflector)일 수 있다. 일 예로서, 도 8의 (C)에 도시된 바와 같이 제1반사 구조체(221)는 분산 브래그 반사판(DBR: distributed Bragg reflector)이고, 제2반사 구조체(223)는 굴절률이 높은 기둥, 디스크, 격자 구조 등이 굴절률이 낮은 매질로 둘러싸인 그래이팅 반사체(HCG: high contrast grating)일 수 있다. 일 예로서, 도 8의 (D)에 도시된 바와 같이, 제1반사 구조체(221)는 그래이팅 반사체(HCG: high contrast grating)이고, 제2반사 구조체(223)는 분산 브래그 반사판(DBR: distributed Bragg reflector)일 수 있다. 일 예로서, 도 8의 (E)에 도시된 바와 같이, 제1반사 구조체(221)와 제2반사 구조체(223) 모두 그래이팅 반사체(HCG: high contrast grating)일 수 있다.
제1반사 구조체(221), 캐비티층(222), 제2반사 구조체(223) 중 하나는 구동 신호에 의하여 광학적 물성, 예를 들어 굴절률, 유전유율이 변화되는 활성층일 수 있다. 구동 신호는 예를 들어 전압 신호일 수 있으며, 해당 구성요소에 열을 가하는 가열 신호일 수 있다. 예를 들어, 캐비티층(222)이 활성층일 수 있다. 이 경우, 캐비티층(222)는 전술한 활성층(도 6: 212)과 동일한 물질로 형성될 수 있다. 제1반사 구조체(221)나 제2반사 구조체(223)를 이루는 층들 중 적어도 한 층이 구동 신호에 의하여 광학적 물성이 변화되는 활성층일 수도 있다. 예를 들어, 제1반사 구조체(221)의 적어도 한 층이 전기적 신호가 가해지면 유효 유전율이 변하는 전기광학(EO) 물질을 포함하는 전기광학 물질층일 수 있다. 이에 따라, 외부 전원으로부터 전원이 인가되면 제1 반사 구조체(221)의 전기광학 물질층의 굴절률이 변하고, 제1 반사 구조체(221)와 제2 반사 구조체(223) 사이에서 공진하는 광의 위상이 변하게 된다.
나노 안테나(NA)의 구조/형태 및 그의 배열 방식에 따라, 공진 파장, 공진 파장 폭, 공진 편광 특성, 공진 각도, 반사/투과/산란 특성 등이 달라질 수 있다. 따라서, 나노 안테나(NA)의 구조/형태 및 배열 방식을 제어함으로써, 목적에 맞는 특성을 갖는 광변조 소자(20)를 제조할 수 있다. 실시예들에 따른 광변조 소자(20)를 이용하면, 빔(beam)을 소정 방향으로 조향(steering)하는 장치가 구현할 수 있다.
도 9는 광변조 소자(20)의 일 실시예의 개략적인 구성도이다. 도 9에 도시된 광변조 소자(20)는 도 6에 도시된 구조를 가지며, 하부 반사판(211)은 Au, 활성층(212)은 ITO, 제1절연층(214)은 산화물, 나노 안테나(NA)는 Au로 형성된다. 활성층(212)의 두께는 10nm, 하부 반사판(211)의 두께는 반무한(semi-infinite)일 수 있다. 구동 신호는 활성층(212)과 나노 안테나(NA) 사이에 인가된다. 활성층(212)이 공통 전극이며, 나노 안테나(NA)에 개별적인 구동 신호가 인가된다.
하나의 픽셀(MP)은 하나의 안테나 그룹(AG)을 가지며, 하나의 안테나 그룹(AG)은 6개의 나노 안테나(NA)를 가진다. 즉, M=1, N=6이다. 나노 안테나(NA)의 주기는 400nm, 폭은 200nm, 두께는 20nm이다. 안테나 그룹(AG)의 주기는 400nm×6=2400nm이다. 픽셀(MP)의 주기는 2400nm이다.
도 10은 도 9에 도시된 광변조 소자(20)의 일 실시예에 따른 나노 안테나(NA)의 반사율 스펙트럼을 시뮬레이션한 결과를 보여준다. 활성층(212)에 0V를 인가하고 나노 안테나(NA)에 양의 전압(Va)을 인가하면, 활성층(212)과 제2절연층(214)의 경계 영역에서 자유전자의 농도가 증가하여 전하축적상태(도 9: ACC)가 된다. 그 결과, 도 10에서 BS로 표시된 바와 같이 반사율이 청색 편이(blue-shift)된다. 반대로, 나노 안테나(NA)에 음의 전압(Vd)을 인가하면, 활성층(212)과 제2절연층(214)과의 경계 영역에서 자유전자의 농도가 감소하여 전하공핍상태(도 9: DEP)가 된다. 그 결과 도 10에서 RS로 표시된 바와 같이 반사율이 적색 편이(red-shift)된다. 도 10에서 파장 1500nm의 광원을 40도의 각도로 광변조 소자(20)에 입사시키면, 나노 안테나(NA)의 반사율은 전하축적상태인 경우 38%, 전하공핍상태인 경우 22%이다. 즉, 반사율의 차이인 16%p의 대비(contrast)를 얻을 수 있다.
도 11은 도 9에 도시된 광변조 소자(20)의 일 실시예에 따른 메타 격자(MG)의 이산적인 변위에 따른 파장별 위상(φ)을 시뮬레이션한 결과를 보여준다. 도 11의 그래프는 d=1 인 경우 6개의 나노 안테나(NA)에 인가되는 구동 신호(V1, V2, V3, V4, V5, V6)=(Va, Va, Va, Vd, Vd, Vd)를 기준으로 하여 겉보기 격자의 변위를 이산적으로 증가(d=2, 3, 4, 5, 6)시킨 경우의 1차 회절광의 기하 위상(φ)이다. 아래와 같이 6개의 나노 안테나(NA)에 인가되는 구동 신호를 이산적으로 변화시킨다. Va는 전하축적영역을 형성하는 전압을, Vd는 전하공핍영역을 형성하는 전압을 나타낸다.
d=1, (V1, V2, V3, V4, V5, V6)=(Va, Va, Va, Vd, Vd, Vd)
d=2, (V1, V2, V3, V4, V5, V6)=(Vd, Va, Va, Va, Vd, Vd)
d=3, (V1, V2, V3, V4, V5, V6)=(Vd, Vd, Va, Va, Va, Vd)
d=4, (V1, V2, V3, V4, V5, V6)=(Vd, Vd, Vd, Va, Va, Va)
d=5, (V1, V2, V3, V4, V5, V6)=(Va, Vd, Vd, Vd, Va, Va)
d=6, (V1, V2, V3, V4, V5, V6)=(Va, Va, Vd, Vd, Vd, Va)
도 11을 참조하면, 기하 위상(φ)의 값은 변위에 따라서 0도, 60도, 120도, 180도, 240도, 360도의 값을 갖는다. 이와 같은 기하 위상(φ)의 값은 파장 1000nm~180nm까지 공통적으로 나타난다.
도 12는 도 9에 도시된 광변조 소자(20)의 일 실시예에 따른 메타 격자(MG)의 이산적인 변위에 따른 1차 회절광의 입사광에 대한 세기를 시뮬레이션한 결과를 보여준다. 도 12를 참조하면, 메타 격자(MG)의 변위를 이산적으로 증가시킴에 따라, 입사광파의 세기에 대한 1차 회절광파의 세기의 비율(%)을 각 파장에 대하여 보여준다. 약 1500nm 근처에서 약 5%의 효율을 보여준다. 고정된 파장에 대해서 변위를 변경할 때 효율이 변하지 않는 장점이 있다. 효율값은 파장에 따라 달라질 수 있는데, 이는 메타 격자(MG)을 구성하는 나노 안테나(NA)의 반사율의 차이(contrast)가 도 10에서 보이는 바와 같은 차이를 보이기 때문이다.
도 13과 도 14는 광변조 소자(20)의 일 실시예의 개략적인 구성도들로서, 도 13은 다수의 픽셀(MP)사이의 상대적인 위상 차이가 없는 경우이며, 도 14는 다수의 픽셀(MP)사이의 상대적인 위상 차이에 의하여 빔을 조향하는 경우이다. 도 13 및 도 14에 도시된 광변조 소자(20)는 도 6에 도시된 구조를 가지며, 하부 반사판(211)은 Au, 활성층(212)은 ITO, 제1절연층(214)은 산화물, 나노 안테나(NA)는 Au로 형성된다. 활성층(212)의 두께는 5nm이며 도핑 농도는 5×1020/cm3이다. 제2절연층(214)의 두께는 10nm, 굴절률은 2.0이다. 하부 반사판(211)의 두께는 반무한(semi-infinite)이다. 구동 신호는 활성층(212)과 나노 안테나(NA) 사이에 인가된다. 활성층(212)에 공통 전극이며, 나노 안테나(NA)에 개별적인 구동 신호가 인가된다. 두 개의 픽셀(MP1)(MP2)은 1차원적으로 배열된다. 두 개의 픽셀(MP1)(MP2) 각각은 2개 안테나 그룹(AG1)(AG2)을 가지며, 각각의 안테나 그룹(AG1)(AG2)은 4개의 나노 안테나(NA)를 가진다. 즉, L=2, M=2, N=4이다. 나노 안테나(NA)의 길이는 210nm, 두께는 50nm, 주기는 330nm이다. 안테나 그룹(AG)의 주기(Λ)는 330nm×4=1320nm이다. 픽셀(MP)의 주기는 1320nm×2=2640nm이다.
도 13의 경우, 임의의 나노 안테나 Almn에 인가되는 구동 신호 Vlmn은 아래의 조건식을 만족하는 관계가 된다.
Figure pat00037
즉, 픽셀(MP1)(MP2)의 구동 신호 패턴은 동일하며, 구동 신호 패턴은 아래와 같다.
(V111, V112, V113, V114) = (Va, Va, Vd, Vd)
(V121, V122, V123, V124) = (Va, Va, Vd, Vd)
(V211, V212, V213, V214) = (Va, Va, Vd, Vd)
(V221, V222, V223, V224) = (Va, Va, Vd, Vd)
따라서, 메타 격자(MG)의 변위에 따른 기하 위상은 픽셀(MP1)(MP2)에서 동일하다. 1차 회절광의 출사 각도는
Figure pat00038
에 의하여 계산될 수 있다. Λ는 구동 신호 패턴의 주기, 즉 안테나 그룹(AG)의 주기 1320nm 이다. 파장 1550nm, TM편광의 입사광이 입사 각도가 60도로 광변조 소자(20)에 입사되는 경우, 1차 회절광의 출사 각도는 -17.8도이다. 도 15는 도 13에 도시된 광변조 소자(20)의 일 실시예에 따라 1차 회절광이 형성된 모습을 보여준다. 도 15에 도시된 바와 같이 출사 각도 약 -17.8도에서 측광이 매우 작은 1차 회절광이 형성됨을 알 수 있다.
도 14의 경우, 픽셀(MP1)(MP2)는 180도의 기하 위상차를 갖는다. 이러한 구동을 위하여 임의의 나노 안테나 Almn에 인가되는 구동 신호 Vlmn은 아래의 조건식을 만족하는 관계가 된다.
Figure pat00039
즉, 픽셀(MP1)(MP2)의 구동 신호 패턴은 아래와 같다.
(V111, V112, V113, V114) = (Va, Va, Vd, Vd)
(V121, V122, V123, V124) = (Va, Va, Vd, Vd)
(V211, V212, V213, V214) = (Vd, Vd ,Va, Va)
(V221, V222, V223, V224) = (Vd, Vd ,Va, Va)
따라서, 픽셀(MP1)의 기하 위상은 0도, 픽셀(MP2)의 기하 위상은 180도가 된다. 그 결과, 0도와 180도를 가진 두 개의 픽셀(MP1)(MP2)가 수퍼 픽셀(super-pixel)을 형성하게 된다. 수퍼 픽셀의 주기는 각 픽셀(MP1)(MP2)의 주기의 2배가 되며, 각 픽셀(MP1)(MP2)에 두 개씩의 안테나 그룹(AG1)(AG2)이 포함되므로, 수퍼 픽셀의 주기(Λsp)는 안테나 그룹(AG1)(AG2)의 주기(Λ)의 4배가 된다. 1차 회절광의 출사 각도는
Figure pat00040
에 의하여 계산될 수 있다. 안테나 그룹(AG)의 주기가 1320nm이고, 파장 1550nm, TM편광의 입사광이 입사 각도가 60도로 광변조 소자(20)에 입사되는 경우, 1차 회절광의 출사 각도는 -0.84도이다. 도 16은 도 14에 도시된 광변조 소자(20)의 일 실시예에 따라 1차 회절광이 형성된 모습을 보여준다. 도 16에 도시된 바와 같이 출사 각도 약 -0.84도에서 측광이 매우 작은 1차 회절광이 형성됨을 알 수 있다.
복수의 픽셀(MP)은 2차원적으로 배열될 수도 있다. 도 17은 복수의 픽셀(MP)이 직교 좌표계(Cartesian Coordinate)에서 2차원적으로 배열된 구조의 일 예를 보여준다. 도 17에서 (A)는 복수의 픽셀(MP)의 2차원적 배열을 보여준다. 도 17에서 (B)는 복수의 픽셀(MP) 각각에 대응되는 메타 격자(MG)의 위상(φ)을 보여준다.
도 17을 참조하면, 각각의 픽셀(MP)은 두 개씩의 안테나 그룹(AG)을 가지며, 각각의 안테나 그룹(AG)은 4개씩의 나노 안테나(NA)를 가진다. 각 픽셀(MP)의 복수의 나노 안테나(NA)이 주기적이고 이산적인 구동 신호를 인가하면, 각 픽셀(MP)에서 겉보기 격자가 형성된다. 도 17의 (A)에서 솔리드 무늬로 표시된 나노 안테나(NA)는 강한 광학적 세기를 가진 상태를, 민무늬로 표시된 나노 안테나(NA)는 약한 광학적 세기를 가진 상태를 표시한다.
복수의 픽셀(MP)에 수직한 입사 평면(S1) 내에서 법선(Ln)에 대하여 θ의 입사 각도로 입사광(L1)이 복수의 픽셀(MP)에 입사될 수 있다. 모든 픽셀(MP)의 메타 격자(MG)의 위상이 동일하다면 1차 회절광은 법선(Ln) 방향으로 출사된다. 이웃하는 픽셀(MP) 사이에 위상 구배(phase gradient)가 있으면 2차원 빔 스티어링이 가능하다. 따라서, 복수의 픽셀(MP)의 메타 격자(MG)의 위상을 적절히 배열하면 입사 평면(S1)에 대하여 각도를 가지는 출사 평면(S2)을 따라 출사되는 2차원 조향된 1차 회절광(L2)을 얻을 수 있다.
본 실시예에서는 각각의 행(raw)에 속하는 4개의 픽셀(MP)의 메타 격자(MG)가 각각 0도, 90도, 180도, 360도의 기하 위상차를 갖도록, 각각의 열(column)에 속하는 4개의 픽셀(MP)의 메타 격자(MG)가 각각 0도, 90도, 180도, 360도의 기하 위상차를 갖도록 구동 신호가 인가된다. 즉 각각의 픽셀(MP)은 이웃하는 픽셀(MP)과 90도의 위상차를 갖도록 구동 신호가 인가된다. 이에 의하여, 2차원 빔 스티어링이 가능하다.
도 17에서는 직교 좌표계에서 2차원적 배열 구조를 갖는 복수의 픽셀(MP)이 예시되어 있으나, 복수의 픽셀(MP)은 극좌표계(Polar Coordinate), 육방좌표계(Hexagonal Coordinate) 등 다양한 좌표계에서 배열될 수 있다.
구동 신호의 패턴은 다양한 듀티비를 가질 수 있다. 이에 의하여, 다양한 튜티비를 가지는 겉보기 격자가 형성될 수 있다. 도 9에 도시된 광변조 소자(20)의 실시예의 경우, 메타 격자(MG)의 듀티비가 50%이다. 다양한 튜티비는 식(1)을 아래와 같이 일반화함으로써 구현될 수 있다.
Figure pat00041
...식(11)
여기서, C는 기준값(criterion)으로서, 식(1)에서는 N/2이다. 일반화된 C는 1~N-1의 값을 가질 수 있다. 도 18은 메타 격자(MG)의 다양한 튜티비의 예들을 보여준다. 도 18을 참조하면, M=2, N=4이며, d=1인 경우에 다양한 C값의 분포를 보여준다. N=4이므로 C는 1~3까지의 값을 가질 수 있다. 도 18의 (A)는 C=1인 경우를 보여주며, 메타 격자(MG)의 듀티비는 25%이다. 도 18의 (B)는 C=2인 경우를 보여주며, 메타 격자(MG)의 듀티비는 50%이다. 도 18의 (C)는 C=1인 경우를 보여주며, 메타 격자(MG)의 듀티비는 75%이다. 듀티비는 원하는 방향으로 출사되는 광의 비율을 높이고 원치 않는 방향으로 출사되는 광의 비율을 낮추기 위하여 적절히 결정될 수 있다.
전술한 광변조 장치(1)의 실시예들에 따르면, 나노 안테나(NA)의 광학적 세기, 즉 투과/반사/산란의 세기를 개별적으로 조절하여, 겉보기 격자 또는 메타 격자(MG)를 형성하고, 픽셀(MP) 내부의 나노 안테나(NA) 광학적 세기 분포에 변위를 유발하여 입사된 광파의 고차 회절성분이 변위에 비례하는 기하위상을 갖도록 한다. 이러한 형태의 광변조 장치(1)는 나노 안테나(NA)의 광학적 세기 분포를 디지털화하여 변화시킴으로써 용이하게 메타 격자(MG)의 변위를 조절할 수 있다. 따라서, 디지털화된 제어 방법으로 원하는 다양한 각도로 빔을 조향할 수 있다. 또한, 1차 회절광을 조향함으로써, 조향 범위 내에서 출사광의 진폭이 일정하게 유지된다. 따라서, 측광(side lobe)의 비율이 적은 우수한 조향광을 얻을 수 있다. 또한, 복수의 나노 안테나(NA)에 구동 신호를 인가하기 위한 배선 구조가 간단하고, 선형적인 전압-위상 응답 특성을 얻을 수 있다. 또한, 기계적인 움직임이 없는 소위 전고체 상태(all-solid-state)로 동작되므로, 고속 동작이 가능하며 제조 공정 상의 오차에 의한 응답성의 산포가 작아 균일한 응답특성을 얻을 수 있다.
도 19는 광변조 장치(1)의 일 예로서 빔 스티어링 장치(beam steering device)(1000A)를 설명하기 위한 개념도이다. 도 19를 참조하면, 빔 스티어링 장치(1000A)를 이용해서 빔(beam)을 1차원적 방향으로 조향할 수 있다. 즉, 소정의 피사체(OBJ)를 향하여 빔을 제1 방향(D1)에 따라 조향할 수 있다. 빔 스티어링 장치(1000A)에는 1차원적으로 배열된 복수의 픽셀(MP)을 포함하는 광변조 소자(20)가 채용될 수 있다.
도 20은 광변조 장치(1)의 일 예로서 빔 스티어링 장치(beam steering device)(1000B)를 설명하기 위한 개념도이다. 도 20을 참조하면, 빔 스티어링 장치(1000B)를 이용해서 빔(beam)을 2차원적 방향으로 조향할 수 있다. 즉, 소정의 피사체(OBJ)를 향하여 빔을 제1 방향(D1) 및 이와 수직한 제2 방향(D2)에 따라 조향할 수 있다. 빔 스티어링 장치(1000B)에는 2차원적으로 배열된 복수의 픽셀(MP)을 포함하는 광변조 소자(20)가 채용될 수 있다. 도 19 및 도 20을 참조하여 설명한 빔 스티어링 장치(1000A, 1000B)는 비기계식 초고속 빔 스캔 장치(non-mechanical ultrafast beam scanning apparatus)일 수 있다.
도 21은 광변조 장치(1)를 채용한 광학 장치(2)의 일 예의 블럭도이다. 도 21을 참조하면, 광학 장치(2)는 빔 스티어링부(1000)를 포함할 수 있다. 빔 스티어링부(1000)는 전술한 광변조 장치(1)를 포함할 수 있다. 광학 장치(2)는 빔 스티어링부(1000)에 의해 조향된 광이 피사체(미도시)에 의해 반사된 광을 검출하기 위한 검출부(2000)를 포함할 수 있다. 검출부(2000)는 복수의 광검출요소를 포함할 수 있고, 그 밖에 다른 광학 부재를 더 포함할 수 있다. 또한, 광학 장치(2)는 빔 스티어링부(1000) 및 검출부(2000) 중 적어도 하나에 연결된 회로부(3000)를 더 포함할 수 있다. 회로부(3000)는 데이터를 획득하여 연산하는 연산부를 포함할 수 있고, 구동부 및 제어부 등을 더 포함할 수 있다. 또한, 회로부(3000)는 전원부 및 메모리 등을 더 포함할 수 있다. 본 실시예의 광변조 장치(1)가 채용된 빔 스티어링부(1000)에 따르면, 측광(side lobe)이 감소된 1차 회절광을 조향하므로 검출부(2000)의 신호대잡음비가 향상될 수 있다. 또한 빔 조향을 위한 기계적인 움직임이 없으므로, 고속 동작이 가능하고 응답성의 산포가 적다. 따라서, 정밀한 고속 광검출이 가능하다.
도 21에서는 광학 장치(2)가 하나의 장치 내에 빔 스티어링부(1000) 및 검출부(2000)를 포함하는 경우를 도시하였지만, 빔 스티어링부(1000) 및 검출부(2000)는 하나의 장치로 구비되지 않고, 별도의 장치에 분리되어 구비될 수도 있다. 또한, 회로부(3000)는 빔 스티어링부(1000)나 검출부(2000)와 유선으로 연결되지 않고, 무선 통신으로 연결될 수 있다. 그 밖에도 도 21의 구성은 다양하게 변화될 수 있다.
이상에서 설명한 실시예에 따른 광변조 장치(1)는 다양한 광학 장치에 적용될 수 있다. 일례로, 광변조 장치(1)는 라이다(LiDAR)(Light Detection And Ranging) 장치에 적용될 수 있다. 라이다(LiDAR) 장치는 phase-shift 방식 또는 TOF(time-of-flight) 방식의 장치일 수 있다. 라이다(LiDAR) 장치는 자율 주행 자동차, 드론(drone) 등의 비행 물체, 모바일(mobile) 기기, 소형 보행 수단(예컨대, 자전거, 오토바이, 유모차, 보드 등), 로봇류, 사람/동물의 보조 수단(예컨대, 지팡이, 헬멧, 장신구, 의류, 시계, 가방 등), IoT(Internet of Things) 장치/시스템, 보안 장치/시스템 등에 적용될 수 있다.
도 22 및 도 23는 일 실시예에 따른 광변조 장치(1)를 포함하는 라이다(LiDAR) 장치를 차량에 적용한 경우를 보여주는 개념도이다. 도 22은 측방에서 바라본 도면이고, 도 23은 위에서 바라본 도면이다. 도 22를 참조하면, 차량(50)에 라이다(LiDAR) 장치(51)를 적용할 수 있고, 이를 이용해서 피사체(60)에 대한 정보를 획득할 수 있다. 차량(50)은 자율 주행 기능을 갖는 자동차일 수 있다. 라이다(LiDAR) 장치(51)를 이용해서, 차량(50)이 진행하는 방향에 있는 물체나 사람, 즉, 피사체(60)를 탐지할 수 있다. 또한, 송신 신호와 검출 신호 사이의 시간 차이 등의 정보를 이용해서, 피사체(60)까지의 거리를 측정할 수 있다. 또한, 도 23에 도시된 바와 같이, 스캔 범위 내에 있는 가까운 피사체(61)와 멀리 있는 피사체(62)에 대한 정보를 획득할 수 있다.
본원의 다양한 실시예에 따른 광변조 장치는 라이다(LiDAR) 이외에 다양한 광학 장치에 적용될 수 있다. 예컨대, 다양한 실시예에 따른 광변조 장치를 이용하면 스캐닝을 통해 공간 및 피사체의 3차원적인 정보를 획득할 수 있기 때문에, 3차원 이미지 획득 장치나 3차원 카메라 등에 적용될 수 있다. 또한, 광변조 장치는 홀로그래픽(holographic) 디스플레이 장치 및 구조광(structured light) 발생 장치에 적용될 수 있다. 또한, 광변조 장치는 다양한 빔 스캔 장치, 홀로그램(hologram) 생성 장치, 광 결합 장치, 가변 초점 렌즈, 깊이 센서(depth sensor) 등 다양한 광학 장치에 적용될 수 있다. 또한, 광변조 장치는 "메타 표면" 또는 "메타 구조"가 이용되는 다양한 분야에 적용될 수 있다. 그 밖에도 본원의 실시예에 따른 광변조 장치 및 이를 포함하는 광학 장치는 다양한 광학 및 전자기기 분야에 여러 가지 용도로 적용될 수 있다.
상술한 광변조 장치 및 이를 포함하는 광학 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. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 권리범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 권리범위에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
1...광변조 장치 2...광학 장치
10...입사 광학계 20...광변조 소자
30...출사 광학계 31...출사 광학계의 중심축
40...구동 신호 인가부 211...하부 반사판
212...활성층 213...제1절연층
214...제2절연층 221...제1반사 구조체
222...캐비티층 223...제2반사 구조체
1000...빔 스티어링부 1000A, 1000B...빔 스티어링 장치
2000...검출부 3000...회로부
NA...나노 안테나 AG...안테나 그룹
MP...픽셀

Claims (20)

  1. 입사 광학계;
    구동 신호에 의하여 메타 격자를 형성하는 복수의 나노 안테나를 포함하며, 상기 구동 신호에 따른 상기 메타 격자의 겉보기 변위를 이용하여, 상기 입사 광학계로부터 고정된 입사 각도로 입사되는 입사광의 진행 방향을 바꾸는 광변조 소자;
    상기 광변조소자에서 조향된 광이 출사되는 출사 광학계;를 포함하며,
    상기 출사 광학계는 상기 메타 격자에 의한 상기 입사광의 1차 회절광을 출사시키는 광변조 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 출사 광학계의 중심축은 상기 메타 격자의 변위가 0일 때의 1차 회절광의 광축과 나란한 광변조 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 출사 광학계의 중심축은 상기 메타 격자의 변위가 0일 때의 1차 회절광의 광축과 일치되는 광변조 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 광변조소자의 표면법선벡터에 대한 상기 입사광의 입사 각도와 상기 출사 광학계의 중심축의 각도를 각각 θin, θout이라 하고, 상기 입사광의 파장을 λ0, 상기 메타 격자의 주기를 Λ라 하면,
    Figure pat00042

    을 만족하는 광변조 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 광변조 소자는 복수의 픽셀을 구비하며,
    상기 복수의 픽셀 각각은 복수의 상기 나노 안테나를 구비하는 광변조 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 복수의 픽셀 각각은 하나 이상의 안테나 그룹을 포함하며,
    상기 하나 이상의 안테나 그룹은 복수의 상기 나노 안테나를 포함하며,
    상기 메타 격자의 주기는 상기 안테나 그룹의 주기와 동일한 광변조 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 복수의 픽셀 각각은 둘 이상의 상기 안테나 그룹을 포함하며,
    동일한 픽셀 내의 둘 이상의 안테나 그룹에는 동일한 패턴의 상기 구동 신호가 인가되는 광변조 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 복수의 픽셀의 수를 L, 상기 복수의 픽셀 각각의 안테나 그룹의 수를 M, 각 안테나 그룹의 나노 안테나의 수를 M이라 하고,
    l번째 픽셀, m번째 안테나 그룹, n번째 나노 안테나를 Almn이라 하고,
    Almn의 광학적 세기를 Rlmn이라 할 때,
    Figure pat00043

    여기서, d=1, 2,..., N이며, C는 1에서 N-1 중 어느 하나인 광변조 장치.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 복수의 픽셀은 1차원 배열 구조를 가지는 광변조 장치.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 복수의 픽셀은 2차원 배열 구조를 가지는 광변조 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 광변조 소자는,
    반사판;
    상기 반사판과 상기 복수의 나노 안테가 사이에 위치되며, 상기 구동 신호에 따라 광학적 물성이 변화되는 활성층;을 포함하는 광변조 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 복수의 나노 안테나는 금속 안테나인 광변조 장치.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 복수의 나노 안테나는 유전체 안테나인 광변조 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 나노 안테나 각각은, 제1 반사구조체와, 상기 제1 반사 구조체 상에 마련되는 캐비티층과, 상기 캐비티층 상에 마련된 제2 반사구조체를 포함하는 페브리-페로 공진 구조를 갖는 광변조 장치.
  15. 입사 광학계;
    각각 복수의 나노 안테나를 포함하는 복수의 픽셀을 구비하며, 상기 복수의 나노 안테나에 주기적이고 이산적인 구동 신호가 인가됨에 따라 상기 복수의 나노 안테나의 광학적 세기가 변화되어, 상기 입사 광학계로부터 고정된 입사 각도로 입사되는 입사광의 진행 방향을 바꾸는 광변조 소자;
    상기 광변조소자에서 조향된 광이 출사되는 출사 광학계;를 포함하며,
    상기 광변조소자의 표면법선벡터에 대한 상기 입사광의 입사 각도와 상기 출사 광학계의 중심축의 각도를 각각 θin, θout이라 하고, 상기 입사광의 파장을 λ0, 상기 구동 신호의 주기를 Λ라 하면,
    Figure pat00044

    을 만족하는 광변조 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 복수의 픽셀 각각은 하나 이상의 안테나 그룹을 포함하며,
    상기 안테나 그룹은 복수의 상기 나노 안테나를 포함하며,
    상기 구동 신호의 주기는 상기 안테나 그룹의 주기와 동일한 광학 소자.
  17. 제16항에 있어서,
    동일한 픽셀 내의 둘 이상의 안테나 그룹에는 동일한 패턴의 상기 구동 신호가 인가되는 광변조 장치.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 복수의 픽셀의 수를 L, 상기 복수의 픽셀 각각의 안테나 그룹의 수를 M, 각 안테나 그룹의 나노 안테나의 수를 M이라 하고,
    l번째 픽셀, m번째 안테나 그룹, n번째 나노 안테나를 Almn이라 하고,
    Almn의 광학적 세기를 Rlmn이라 할 때,
    Figure pat00045

    여기서, d=1, 2,..., N이며, C는 1에서 N-1 중 어느 하나인 광변조 장치.
  19. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항의 광변조 장치를 포함하는 광학 장치.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 광학 장치는 라이다(LiDAR) 장치, 3차원 이미지 획득 장치, 홀로그래픽(holographic) 디스플레이 장치, 및 구조광(structured light) 발생 장치 중 적어도 하나를 포함하는 광학 장치.
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