KR20230003217A - 전자기 방사선 조작 - Google Patents
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Abstract
본 개시는 전자기 방사선을 조작하기 위한 광전자 디바이스에 관한 것이다. 물질 제약, 시스템 복잡성, 및 튜닝 속도와 같은 통상적인 시스템의 단점들이, 기판(2) 상에 배열된 적어도 하나의 튜닝 구조물(4)을 갖는 기판(2)을 포함하는 광전자 디바이스(1)에 의해 극복되며, 여기서 튜닝 구조물(4)은 전기 광학 물질을 포함한다. 튜닝 구조물(4)은 제1 및 제2 전기 콘택트(7, 8)를 포함한다. 커버층(10)이 적어도 하나의 튜닝 구조물(4)을 덮는다. 광학 구조물(12)은 커버층(10) 상에 배열된다. 전압원(15)이 제1 및 제2 전기 콘택트(7)에 전기적으로 연결되고, 적어도 하나의 튜닝 구조물(4) 내에서 전기장을 생성하기 위해 제공된다.
Description
본 개시는 전자기 방사선을 조작하기 위한 광전자 디바이스에 관한 것이고 광전자 디바이스를 포함하는 전자 시스템에 관한 것이다.
엔지니어들은 여러 방법들로 광학 요소들의 튜닝가능성을 달성해 왔다. 기술들은 대략 기계적으로 구동되는 것과 전기적으로 구동되는 것이라는 두 개의 큰 그룹으로 나뉠 수 있다. 전자의 그룹은 MEMS 디바이스들을 포함한다. 이러한 접근법들은, 예를 들어, 렌즈 및/또는 위상 플레이트의 상대적 위치를 변화시키는 것에 의해 렌즈 시스템의 초점 길이를 조정하기 위해 공지된 거시적 솔루션을 미시적 규모로 복제하려고 시도한다. 이 접근법의 장점은 즉시 이용가능한 개념들을 입증하고 광학 요소들에 임베딩되는 복잡성을 덜 갖는다는 것이지만, 이러한 디바이스들은 불리하게 느리고(kHz 범위 내) 액추에이터뿐만이 아니라 제조 공정들이 다소 복잡하다.
전기 구동 솔루션은 광학 요소 자체가 제어되는 전기 게이팅과; 광학 요소가 임베딩되어 있는 매체가 제어되는 매체 변조라는 두 개의 서브 그룹들로 더 분할될 수 있다. 액정은 후자의 구체적인 예시이다. 렌즈가 액정에 침지되어 있는 경우, 미리 정의된 방식으로 매체에 전위를 인가하는 것에 의해 렌즈의 초점 길이를 조정할 수 있다. 감소된 공정 복잡성은 이 전략의 가장 강력한 양태이다. 그러나, 이는 속도(액정은 Hz 범위에서 응답한다) 및 동작 유연성이 부족하다 - 일부 액정들은 60℃보다 더 높은 온도에서 동작할 수 없다.
전기 게이팅 접근법에서는, 물질의 광학 특성(예컨대, 굴절률)을 국부적으로 변경하기 위해 전기장이 인가되며, 적절한 설계로 광학 요소가 구현될 수 있다. 전기 게이팅은, 전기 광학 물질로 메타 표면을 설계하고 적절한 방식으로 메타 표면 상에 배열된 전기 연결들을 통해 이를 전기적으로 자극하는 방식으로 메타 표면과 함께 자주 구현된다. 이 접근법의 장점은 고집적도, 공정 복잡성 감소, 고속 및 신뢰성이다. 그러나, 광학 기능이 하나의 단일 요소에서 튜닝 기능과 결합되는 이 최첨단 접근법의 단점은 메타 표면을 생성하기 위한 더 높은 광학 복잡성과 물질 제약이다. 이러한 설계 복잡성은 비용을 증가시킬 뿐만 아니라 이 기술 구현을 완전히 막지 않으면 방해한다.
본 발명의 목적은 효율적으로 동작할 수 있는 전자기 방사선을 조작하기 위한 광전자 디바이스를 제공하는 것이다.
이 목적은 독립항에 따른 광전자 디바이스로 달성된다. 실시예들이 종속항들로부터 도출된다.
실시예에서, 광전자 디바이스는 주 연장 평면을 갖는 기판을 포함한다. 기판은 주면과 후면을 갖는다. 후면은 주면을 등지고 있다. 기판은 관심 전자기 방사선에 대해 투명하다. 여기서 그리고 아래에서, "투명하다"는 적어도 80% 또는 적어도 90%의 투명도를 말한다. 일 실시예에서, 기판은 반도체 물질, 예를 들어, 실리콘(Si), 실리콘 산화물(SiO2) 또는 갈륨 비소(GaAs)를 포함한다. 다른 실시예에서 기판은 유리를 포함한다.
적어도 하나의 튜닝 구조물이 기판의 주면 상에 배열된다. 이것은 튜닝 구조물의 후면이 기판의 주면을 향하고 있음을 의미한다. 튜닝 구조물은 전기 광학 물질을 포함한다. 일부 실시예들에서, 튜닝 구조물은 고체 상태 무기 물질을 포함한다. 예를 들어, 튜닝 구조물은 강유전성 물질을 포함한다. 유리하게는, 액정, 폴리머, 또는 유사한 물질의 사용이 필요하지 않다. 강유전성 물질과 같은 고체 상태 무기 물질은 CMOS 기술에서 쉽게 제조되고 통합될 수 있으며, 예를 들어, 액정보다 더 신뢰성이 있다.
튜닝 구조물은 관심 전자기 방사선에 대해 투명하다. 튜닝 구조물은 전기적으로 절연되어 있다. 예를 들어, 튜닝 구조물은 티탄산바륨(BaTiO3), 니오브산리튬(LiNbO3), 티탄산지르콘산납(Pb[ZrxTi1-x]O3) 또는 탄탈산리튬(LiTaO3)을 포함한다. 적어도 하나의 튜닝 구조물은 횡방향으로 연장되어, 기판의 주 연장 평면에 평행하게 내뻗는다. 기판의 주 연장 평면에 수직으로 내뻗는 횡단 방향으로, 튜닝 구조물은 두께를 갖는다. 예를 들어, 튜닝 구조물의 두께는 최소 200㎚에서 최대 2㎛이다. 다른 실시예에서, 튜닝 구조물의 두께는 최소 300㎚에서 최대 1㎛이다.
적어도 하나의 튜닝 구조물은 튜닝 구조물의 제1 면에 있는 제1 전기 콘택트 및 튜닝 구조물의 제2 면에 있는 제2 전기 콘택트를 포함한다. 튜닝 구조물의 제1 면과 제2 면은 연결해제되어 있다. 이것은 제1 면과 제2 면이 서로 물리적으로 직접 접촉하지 않는다는 것을 의미한다. 제1 전기 콘택트 및 제2 전기 콘택트는 나머지 튜닝 구조물과는 상이한 물질을 포함한다. 제1 전기 콘택트 및 제2 전기 콘택트는 전기 전도성 물질을 포함한다. 예를 들어, 제1 전기 콘택트 및 제2 전기 콘택트는 인듐 주석 산화물(indium tin oxide; ITO), 도핑된 폴리실리콘 또는 금속을 포함한다. 전기 콘택트들의 물질들이 나머지 튜닝 구조물의 물질과 직접 물리적으로 접촉하는 튜닝 구조물의 제1 면과 제2 면의 영역들은 각각 접촉 영역들을 형성한다.
커버층은 적어도 하나의 튜닝 구조물을 덮는다. 이것은 튜닝 구조물이 기판과 커버층에 의해 임베딩되어 있다는 것을 의미한다. 커버층은 기판을 향해 있는 튜닝 구조물의 후면과는 반대편에 있는, 튜닝 구조물의 최상측을 덮는다. 커버층은 또한 기판의 주 연장 평면에 대해 수직이거나 또는 이 평면을 횡단하는, 튜닝 구조물의 측면들을 덮을 수 있다. 그러나, 튜닝 구조물의 제1 전기 콘택트 및 제2 전기 콘택트는 여전히 액세스될 수 있다. 실시예에서 커버층은 기판의 물질과는 상이한 물질을 포함한다. 그러나, 커버층은 다른 실시예에서 기판과 동일한 물질을 포함한다. 예를 들어, 커버층은 SiO2를 포함한다.
광학 구조물이 커버층 상에 배열된다. 횡단 방향으로 광학 구조물은 적어도 하나의 튜닝 구조물 위에 배열된다. 이것은 커버층이 광학 구조물과 적어도 하나의 튜닝 구조물 사이에 배열된다는 것을 의미한다. 광학 구조물은 횡방향으로 연장되는 층에 의해 형성된다. 횡단 방향으로 광학 구조물은 두께를 갖는다. 예를 들어, 광학 구조물의 두께는 최소 200㎚에서 최대 2㎛이다. 다른 실시예에서, 광학 구조물의 두께는 최소 300㎚에서 최대 1㎛이다.
일 실시예에서, 광학 구조물은 기판의 주 연장 평면에 평행하게 내뻗는 평평한 표면을 갖는다. 그러나, 다른 실시예에서 광학 구조물은 곡면을 갖는다. 광학 구조물은 또한 패턴을 형성하는 구조화된 표면을 가질 수 있다. 이것은 커버층을 등지고 있는 광학 구조물의 면이 리세스들을 가질 수 있음을 의미한다. 일 실시예에서, 커버층의 부분들이 노출되도록, 리세스들은 광학 구조물의 전체 두께에 걸쳐 연장된다. 이것은 광학 구조물의 일부분들이 서로 연결해제될 수 있음을 의미한다. 예를 들어, 광학 구조물은 결정질 실리콘(Si), 비정질 실리콘(aSi), 실리콘 이산화물(SiO2), 실리콘 질화물(SiN4), 갈륨 비화물(GaAs) 또는 알루미늄 갈륨 비화물(AlGaAs)을 포함한다.
광전자 디바이스는 제1 전기 콘택트 및 제2 전기 콘택트에 전기적으로 연결된 전압원을 더 포함한다. 임의의 통상적인 전압원이 사용될 수 있다. 일 실시예에서 전압원은 기판 내에 통합된다. 다른 실시예에서 전압원은 외부 전압원이다. 전압원은 제1 전기 콘택트 및 제2 전기 콘택트에 직접 연결될 수 있다. 그러나, 전기 전도성 와이어들을 통한 연결이 또한 가능하다. 전압원은 적어도 하나의 튜닝 구조물 내에서 전기장을 생성하기 위해 제공된다. 이것은 제1 전기 콘택트와 제2 전기 콘택트 사이에 전위차를 구축함으로써 달성된다. 튜닝 구조물이 전기적으로 절연되어 있기 때문에 튜닝 구조물에 걸쳐 전기장이 구축된다. 적어도 하나의 튜닝 구조물 내의 전기장은 시간에 따라 변할 수 있다. 또한, 하나보다 많은 튜닝 구조물이 존재하는 경우, 전기장은 적어도 두 개의 튜닝 구조물들에서 상이할 수 있다. 이것은 튜닝 구조물들에 상이한 전위차를 인가하는 것에 의해 달성될 수 있다.
통상적인 접근법에서, 전기 게이팅 튜닝가능성은 전기 광학 물질들의 이용가능성으로 인해 부과되는 엄격한 광학 설계 제약으로 인해 어려움을 겪는다. 이러한 단점은 광학 기능(예컨대, 렌즈)을 단일 요소의 튜닝 메커니즘과 결합하려는 시도에서 발생하는 것으로 여겨진다.
이 개시에서 주어진 제안은 유리하게 양자의 기능들을 분리시키고 여전히 높은 통합을 유지하는 것이다. 이것은 광 전파의 방향으로의 제1 층이 전기 구동에 의한 튜닝가능성을 위해 설계된 튜닝 구조물인, 위에서 설명한 바와 같은 층 기반 시스템에 의해 달성된다. 광이라는 용어는 일반적으로 적외선, 근적외선, 및 가시광선을 포함하는 전자기 방사선을 가리킬 수 있다. 그 후, 광학 기능을 가진 층 - 광학 구조물 - 이 튜닝 구조물 위에 놓인다. 광학 구조물은 독립형 요소이며 튜닝 구조물 없이 적절하게 작동한다.
튜닝 구조물은 광학 기능과 튜닝가능성 기능을 분리시키는 튜닝에 완전히 전용된다. 튜닝 구조물은 자신을 통과하는 광을 국부적으로 지연시키는 임무를 가지고 있고; 이 국부적 지연은 특정 광학 구조물에 대해 설계될 수 있다. 이를 통해, 광학 구조물은 통상적인 접근법에서와 같이 튜닝가능성에 적절한 물질들에 의해 제약을 받지 않는다. 대신, 튜닝을 위한 전용 요소로서 튜닝 구조물이 도입되며, 이를 위해서는 광학 구조물을 위해 사용되는 것과는 상이한 물질들이 사용될 수 있다.
또한, 광학 구조물이 주어진 입력부이고 현재의 기술들의 경우와 같이 튜닝 구조물과 동시에 설계될 필요가 없기 때문에 튜닝 가능성을 도입하기 위한 설계 복잡성이 상당히 감소한다. 대조적으로, 광학 구조물의 이미 이용가능한 임의의 설계가 사용될 수 있으며, 이는 구현 비용과 시간을 감소시킨다. 튜닝 구조물은 전자기 방사선의 입력 파면을 수정하여, 이 수정된 파면이 광학 구조물을 통과할 때, 그 결과는 광학 구조물의 오리지널 타겟들의 제어된 편차이다.
광전자 디바이스의 추가적인 실시예에서, 튜닝 구조물의 적어도 하나의 광학 특성은 각각의 전기장을 인가함으로써 변경된다. 전기장은 전위차에 의해 구축되는데, 이는 전압원에 의해 생성되고 전기 콘택트들을 통해 튜닝 구조물에 인가된다. 변화되는 광학 특성들은 예를 들어, 튜닝 구조물을 위해 사용되는 물질의 굴절률 또는 광 흡수도이다. 특히 광학 특성은 포켈스(Pockels) 효과를 통해 변화된다. 포켈스 효과를 통해 튜닝 구조물을 위해 사용되는 물질의 굴절률은 인가된 전기장에 선형 비례하여 변화된다. 일 실시예에서, 그리고 튜닝 구조물이 전기 쌍극자 운동량을 갖는 강유전성 물질을 포함하는 경우, 전기장을 인가하는 것은 강유전성 물질의 자발 분극의 방향의 변화를 야기시킨다. 결국 이것은 또한 물질을 통해 전파되는 전자기 방사선의 위상 속도와 결합되는, 물질의 유전율의 변화를 야기시킨다.
단순히 전위를 인가함으로써 튜닝 구조물을 위해 사용되는 물질의 광학 특성들을 변화시키는 것은 튜닝 구조물을 통과하는 전자기 방사선이 제어될 수 있다는 것을 의미한다. 유리하게는, 튜닝가능한 렌즈 또는 프리즘과 같은 광학적으로 활성인 디바이스들이 생성될 수 있다.
광전자 디바이스의 추가적인 실시예에서, 광학 구조물은 구조적 요소들을 포함하며, 이 구조적 요소들 각각은 조작될 전자기 방사선의 파장보다 더 작다. 구조적 요소들은 광학 구조물의 구조화된 표면을 형성한다. 예를 들어, 구조적 요소들은 광학 구조물의 표면 상에 패턴을 형성한다. 구조적 요소들의 크기는 각 방향으로 조작될 전자기 방사선의 파장보다 더 작을 수 있다. 특히 횡방향들로, 구조적 요소들의 크기는 파장보다 더 작다. 이것은 조작될 전자기 방사선이 적외선 범위 내에 있는 경우, 광학 구조물의 구조적 요소들이 50㎛보다 더 작을 수 있음을 의미한다. 조작될 전자기 방사선이 근적외선 범위 내에 있는 경우, 광학 구조물의 구조적 요소들은 780㎚보다 더 작을 수 있다. 광학 구조물의 구조적 요소들은 조작될 전자기 방사선이 가시광선 스펙트럼 내에 있는 경우 훨씬 더 작을 수 있다.
평면도에서 봤을 때, 구조적 요소들의 형상은 임의적이며 응용에 따라 달라진다. 평면도는 횡단 방향으로 기판을 등지고 있는 광학 구조물의 면으로부터 광전자 디바이스를 바라본 모습을 말한다. 평면도에서의 구조적 요소들의 형상들은 전자기 방사선이 원하는 방식으로 광학 구조물과 상호작용하는 방식으로 설계된다. 전자기 방사선의 상호작용은 회절, 굴절, 위상 지연 등을 통해 발생할 수 있다.
유리하게는, 전자기 방사선의 파장보다 더 작은 구조적 요소들을 포함하는 광학 구조물은 진폭, 위상, 분산, 운동량, 및 편광의 관점에서 광 특성들의 완전한 제어를 가능케 한다. 구조적 요소들의 정확한 형상, 이들의 기하구조, 크기, 배향, 및 배열은 다양한 방식들로, 즉, 전자기파를 차단하거나, 흡수하거나, 강화시키거나, 또는 만곡시키는 것에 의해 전자기파를 조작할 수 있는 특성을 구조적 요소들에 부여한다. 이러한 광학 구조물들로, 다양한 광학 요소들, 예를 들어, 서브 파장 격자, 편광자, 바이너리 렌즈 등이 제조될 수 있다.
광전자 디바이스의 추가적인 실시예에서 광학 구조물은 메타 물질을 포함한다. 메타 물질은 자연적으로 발생하는 물질에서는 발견되지 않는 특성을 갖도록 설계된 물질이다. 이것은 동작 파장보다 훨씬 작은 피처 크기를 갖는 이러한 물질들의 구조에 의해 전자기파의 전파 특성이 주로 정의되는 물질들에 의해 달성될 수 있다. 이것은 메타 물질들이 자신들의 구성요소의 특성으로부터가 아니라, 설계된 구조들과 형상들로부터 자신들의 특성들이 도출된다는 것을 의미한다. 다른 실시예에서 광학 구조물은 메타 표면을 포함한다. 메타 표면은 메타 물질의 2차원 등가물이며 매우 얇은 층에서 이산적인 서브 파장 구조물을 포함한다.
유리하게는, 메타 물질과 메타 표면은 벌크 물질에서는 관찰되지 않는 방식으로 전자기 방사선의 파동에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 메타 물질은 복소 굴절률의 음의 실수부를 가질 수 있다. 메타 물질 또는 메타 표면을 포함하는 광학 구조물은 광전자 디바이스 내에서의 전자기 방사선의 전파를 완전히 제어할 수 있다.
광전자 디바이스의 추가적인 실시예에서 광학 구조물은 렌즈, 회절 격자, 존 플레이트(zone plate), 위상 플레이트(phase plate), 홀로그래픽 플레이트, 및 확산기를 포함하는 그룹 중 하나의 구성원을 형성한다. 렌즈가 광학 구조물에 의해 형성되는 경우, 렌즈는 예를 들어, 굴절 렌즈, 프레넬(Fresnel) 렌즈, 또는 마이크로 렌즈와 같은 임의의 통상적인 렌즈일 수 있다. 이것은 렌즈를 형성하는 광학 구조물이 곡면을 가질 수 있음을 의미한다. 그러나, 다른 실시예에서 렌즈는 바이너리 렌즈이다. 이것은 패턴을 형성하는 구조화된 표면을 광학 구조물이 갖는다는 것을 의미한다. 이것은 커버층을 등지고 있는 광학 구조물의 면이 리세스들을 가질 수 있음을 의미한다. 다른 실시예들에서 광학 구조물은 회절 격자, 존 플레이트, 또는 홀로그래픽 플레이트를 형성한다. 이것은 광학 구조물이 구조화된 표면을 가진 층에 의해 형성됨을 의미한다. 커버층을 등지고 있는 광학 구조물의 면은 리세스들을 가질 수 있다. 이러한 리세스들은 규칙적이거나 또는 불규칙적인 패턴을 형성할 수 있다. 광학 구조물이 위상 플레이트 또는 확산기를 형성하는 경우 광학 구조물의 표면은 기판의 주 연장 평면에 평행할 수 있다.
유리하게는, 광학 구조물은 임의의 원하는 광학 요소를 형성할 수 있다. 이러한 방식으로 광전자 디바이스는 예를 들어, 빔 성형, 빔 스티어링, 또는 홀로그래피 응용과 같은 복수의 응용들을 위해 사용될 수 있다.
광전자 디바이스의 추가적인 실시예에서, 광학 구조물은 초점 길이, 편향각, 위상 지연, 광 편광, 및 패턴 투영을 포함하는 그룹의 구성원인 타겟 사양을 포함한다. 광학 구조물의 타겟 사양은 적어도 하나의 튜닝 구조물 내에서의 전기장을 제어함으로써 변경된다. 광학 구조물은 독립형 광학 요소이다. 이것은 광학 구조물이 튜닝 구조물 또는 튜닝 구조물에 인가되는 전기장과는 독립적으로 타겟 사양을 포함함을 의미한다. 예를 들어, 광학 구조물은 입사 전자기 방사선을 포커싱하거나, 편향시키거나, 또는 확산시키기 위해 제공된다. 다른 실시예들에서 광학 구조물은 입사 전자기 방사선을 지연시키거나 또는 편광시키기 위해 제공된다. 또 다른 실시예들에서, 광학 구조물은 분석될 물체들 상에 광 패턴을 투영하기 위해, 즉, 구조화된 광을 생성하기 위해 입사 전자기 방사선을 사용하도록 제공된다. 그러나, 튜닝 구조물에 전기장을 인가함으로써, 광학 구조물의 타겟 사양은 변경된다. 이것은 튜닝 구조물이 전자기 방사선의 입력 파면을 수정하여, 이 수정된 파면이 광학 구조물을 통과할 때, 그 결과는 광학 구조물의 오리지널 타겟 사양들로부터의 제어된 편차이기 때문이다. 예를 들어, 튜닝 구조물은 자신을 통과하는 광을 국부적으로 지연시키고; 이 국부적 지연은 특정 광학 구조물에 대해 설계될 수 있다. 전기장을 인가하는 것 및/또는 변화시키는 것은 또한 광학 구조물의 하나보다 많은 타겟 사양에 영향을 미칠 수 있다.
유리하게는, 광학 구조물의 타겟 사양은 동적으로 변경될 수 있다. 이것은, 예를 들어, 검출될 물체가 동작 중에 움직이는 카메라 응용들에서 유용하다. 따라서, 초점 변화가 가능하다. 이것은 방출된 광이 스캐닝 응용들에서와 같이 상이한 방향들로 지향되는 발광 시스템에서 추가로 유용하다. 또한, 광학 구조물의 타겟 사양의 튜닝가능성으로 인해, 광전자 디바이스는 캘리브레이션될 수 있고 제조 변동들이 보상될 수 있다.
광전자 디바이스의 추가적인 실시예에서, 튜닝 구조물은 평면도에서 원주 부분을 포함한다. 이것은 튜닝 구조물의 원주 부분이 링으로서 또는 프레임으로서 또는 링 또는 프레임의 일부로서 형성될 수 있음을 의미한다. 평면도에서, 원주 부분은 튜닝 구조물이 없는 내부 영역을 둘러싼다. 원주 부분은 연속적이거나 또는 불연속적일 수 있다. 후자의 경우 원주 부분에는 갭이 있을 수 있다. 이것은 원주 부분이 분할된 링을 형성할 수 있음을 의미한다. 유리하게는, 튜닝 구조물의 원주 부분의 형상은 튜닝 구조물을 통과하는 전자기 방사선을 국부적으로 조작할 수 있게 한다.
광전자 디바이스의 추가적인 실시예에서, 적어도 하나의 추가적인 튜닝 구조물은 평면도에서 적어도 하나의 추가적인 원주 부분을 포함하고, 적어도 하나의 추가적인 원주 부분은 원주 부분을 횡방향들로 둘러싼다. 이것은 적어도 하나의 추가적인 원주 부분이 원주 부분보다 더 큰 직경을 갖는다는 것을 의미한다. 추가적인 튜닝 구조물은 그 크기를 제외하고 튜닝 구조물과 동일한 설정 또는 특성을 가질 수 있다. 실시예에서, 광전자 디바이스는 복수의 튜닝 구조물들을 포함한다. 복수의 튜닝 구조물들 각각은 적어도 하나의 추가적인 원주 부분을 포함한다. 그러나, 복수의 튜닝 구조물들은 각각 또한 하나보다 많은 추가적인 원주 부분을 포함할 수 있다. 상이한 튜닝 구조물들의 후속하는 추가적인 원주 부분들의 직경들은 증가할 수 있다. 이것은 후속하는 추가적인 원주 부분들이 이전의 추가적인 원주 부분들을 횡방향들로 둘러쌀 수 있음을 의미한다. 그러나, 추가적인 원주 부분들은 또한 서로 옆에 배열될 수 있어서, 이들이 다른 추가적인 원주 부분이 없는 각각의 내부 영역들을 둘러싸도록 할 수 있다. 적어도 하나의 추가적인 원주 부분은 연속적이거나 또는 불연속적일 수 있다. 후자의 경우 추가적인 원주 부분에는 갭이 있을 수 있다. 이것은 추가적인 원주 부분이 분할된 링을 형성할 수 있음을 의미한다. 추가적인 원주 부분들의 수량 및 이들의 서로에 대한 정확한 배열은 원하는 튜닝 범위에 따라 달라진다.
유리하게는, 튜닝 구조물들 또는 튜닝 구조물들의 부분들은 링 또는 프레임으로서 배열될 수 있어서, 공간적으로 국부화된 튜닝 구조물들이 개별적으로 튜닝될 수 있도록 할 수 있다. 이것은 상이한 응용 시나리오들에서, 예를 들어, 튜닝가능한 렌즈로서 광전자 디바이스를 사용할 수 있게 해준다.
추가적인 실시예에서, 광전자 디바이스는 튜닝 구조물들의 어레이를 형성하는 복수의 튜닝 구조물들을 포함한다. 튜닝 구조물들의 어레이는 규칙적이거나 또는 불규칙적인 격자를 형성할 수 있다. 평면도에서, 튜닝 구조물들의 어레이의 요소인 각각의 튜닝 구조물은 직사각형 형상을 가질 수 있다. 그러나, 각각의 튜닝 구조물들의 다각형 또는 원형 형상들이 또한 가능하다. 튜닝 구조물들의 수량 및 이들의 서로에 대한 정확한 배열은 원하는 튜닝 범위에 따라 달라진다.
유리하게는, 튜닝 구조물들은 공간적으로 국부화된 튜닝 구조물들이 개별적으로 튜닝될 수 있도록, 어레이로서 또는 매트릭스로서 배열될 수 있다. 이것은 상이한 응용 시나리오들에서, 예를 들어, 빔 스티어링 응용 및 홀로그래피에서 광전자 디바이스를 사용하게 해준다.
광전자 디바이스의 추가적인 실시예에서, 제1 전기 콘택트와 제2 전기 콘택트는 튜닝 구조물의 각각의 측면들 상에 배열된다. 튜닝 구조물들의 측면들은 기판의 주 연장 평면에 대해 수직하게 또는 횡단하여 내뻗는다. 전기 콘택트들의 물질들이 나머지 튜닝 구조물의 물질과 직접 물리적으로 접촉하는 측면들의 영역들은 접촉 영역들을 형성한다. 이것은 접촉 영역들이 튜닝 구조물의 각각의 측면 상에 배열됨을 의미한다. 제1 전기 콘택트와 제2 전기 콘택트 사이의 전위차는 튜닝 구조물 내에서 전기장을 야기시키며, 이 전기장의 방향은 접촉 영역들의 정확한 위치와 전위차의 부호에 따라 달라진다.
이러한 배열에 의해, 유리하게도, 튜닝 구조물 내의 전기장을 기판의 주 연장 평면에 평행하게 배향시키는 것이 가능하다. 전기장의 배향뿐만 아니라 세기는 튜닝 구조물의 광학 특성들에 영향을 미친다.
광전자 디바이스의 추가적인 실시예에서, 제1 전기 콘택트와 제2 전기 콘택트는 튜닝 구조물의 최상면과 후면 상에 각각 배열된다. 최상면과 후면은 기판의 주 연장 평면에 평행하게 연장된다. 최상면과 후면은 튜닝 구조물의 대향 면들에 배열된다.
이러한 배열에 의해, 유리하게도, 튜닝 구조물 내의 전기장을 기판의 주 연장 평면에 대해 횡단 방향으로 배향시키는 것이 가능하다. 전기장의 배향뿐만 아니라 세기는 튜닝 구조물의 광학 특성들에 영향을 미친다.
추가적인 실시예에서, 광전자 디바이스는 복수의 튜닝 구조물들을 포함한다. 전압원에 의해 생성되는 전기장은 동작 동안 튜닝 구조물들 중 적어도 두 개에서 상이하다. 이것은 상이한 전기장들이 상이한 튜닝 구조물들에 각각 동시에 인가될 수 있거나 또는 상이한 튜닝 구조물들이 반드시 동일한 전기장을 나타내지 않는다는 것을 의미한다. 전기장들은 세기 및/또는 방향이 상이할 수 있다. 유리하게는, 상이한 튜닝 구조물들로의 상이한 전기장들의 인가로 인해 광전자 디바이스의 광학 특성들은 국부적으로 달라질 수 있다. 결국, 전자기 방사선의 전파는 시간적으로뿐만 아니라 공간적으로도 제어될 수 있다.
광전자 디바이스의 추가적인 실시예에서, 전압원에 의해 생성되는 전기장은 적어도 하나의 튜닝 구조물에서 동작 동안 시변적(variable in time)이다. 이것은 튜닝 구조물 내에서의 전기장이 동작 동안 동적으로 변화될 수 있음을 의미한다. 전기장을 변화시키는 것은 매우 작은 시간 규모 내에 일어날 수 있다. 예를 들어, 튜닝 구조물 내에서 전기장을 변화시키는 것은 수 피코 초(ps) 내에서 또는 훨씬 더 빠르게 행해질 수 있다. 위에서 언급한 바와 같이, 전기장을 변화시킴으로써, 광전자 디바이스의 광학적 특성들이 또한 변화된다. 유리하게는, 광전자 디바이스의 광학적 타겟 사양들이 동적으로 변경될 수 있다. 이것은, 예를 들어, 검출될 물체가 동작 중에 움직이는 카메라 응용들에서 유용하다. 또한, 매우 짧은 시간 체제 내에서 전기장을 변화시키는 것은 디바이스를 통과하는 전자기 방사선의 초고속 변조를 가능케 한다.
광전자 디바이스의 추가적인 실시예에서, 조작될 전자기 방사선은 적외선 파장 범위 내에 있다. 다른 실시예에서, 조작될 전자기 방사선은 근적외선 파장 범위 내에 있다. 또 다른 실시예에서, 조작될 전자기 방사선은 가시광선 파장 범위 내에 있다. 또 다른 실시예에서, 조작될 전자기 방사선은 상기 언급된 파장 범위들 중 적어도 두 개와 중첩되는 범위 내에 있다. 기판, 튜닝 구조물, 커버층, 및 광학 구조물을 위해 사용되는 물질들은 각각의 파장 범위의 전자기 방사선에 대해 투명하다. 예를 들어, 조작될 전자기 방사선이 적외선 파장 범위 내에 있는 경우, 광전자 디바이스의 컴포넌트들은 적외선 방사선에 대해 투명한 물질들을 포함할 수 있다. 조작될 전자기 방사선이 가시광선 파장 범위 내에 있는 경우, 광전자 디바이스의 컴포넌트들은 가시광선에 대해 투명한 물질들을 포함할 수 있다. 튜닝 구조물의 전기 콘택트들은 또한 각각의 전자기 방사선에 투명한 물질들을 포함할 수 있다. 그러나, 평면도에서 전기 콘택트들의 영역들은 비교적 작을 수 있기 때문에 전기 콘택트들은 또한 전자기 방사선에 대해 불투명할 수 있다. 예를 들어, 이는 전기 콘택트들이 금속을 포함하는 경우이다. 유리하게는, 광전자 디바이스는 다양한 파장 체제에 적절하도록 설계될 수 있다. 이는 상이한 응용들에서 그 사용을 가능케 한다.
추가적인 실시예에서 광전자 디바이스는 전자 시스템에 의해 구성된다. 전자 시스템은 특히 전자기 방사선을 방출하고 및/또는 감지하기 위해 제공되는 광전자 시스템이다. 실시예에서, 전자 시스템은 조명기 또는 광원을 포함한다. 광원은, 예를 들어, 포토다이오드 또는 수직 공동 표면 발광 레이저(vertical-cavity surface-emitting laser; VCSEL) 각각이거나, 또는 포토다이오드 또는 VCSEL의 어레이일 수 있다. 전자 시스템에 의해 구성된 광전자 디바이스에 의해 광원에 의해 방출되는 전자기 방사선이 조작될 수 있다. 예를 들어, 전자기 방사선은 증폭되거나, 지연되거나, 지향되거나, 편광되거나, 또는 기타 등등이 될 수 있다. 다른 실시예에서 전자 시스템은 전자기 방사선을 위한 센서 또는 검출기를 포함한다. 검출기는 포토다이오드, 광전자 증배기(photomultiplier; PMT), 또는 열전퇴(thermopile) 각각일 수 있거나, 또는 이들의 어레이일 수 있다. 광전자 디바이스를 통해 전자 시스템에 도달하는 전자기 방사선은 조작될 수 있다. 예를 들어, 전자기 방사선은 증폭되거나, 지연되거나, 지향되거나, 편광되거나, 또는 기타 등등이 될 수 있다.
이러한 특성으로 인해 이러한 전자 시스템은 빔 성형 및 빔 스티어링 응용들을 위해 사용될 수 있다. 일 실시예에서 전자 시스템은 카메라 시스템이다. 예를 들어, 전자 시스템은 3D 카메라이며, 이는 구조화된 광을 사용하여 검출될 물체의 깊이 정보를 얻는다. 특히, 광전자 시스템은 광 검출 및 레인징 시스템(light detection and ranging system; Lidar)이다. 다른 실시예에서 전자 디바이스는 홀로그램 발생기이다. 또 다른 실시예에서 전자 디바이스는 광전자 디바이스가 집적 광학장치로서 사용되는 이동 전화기와 같은 스마트 디바이스이다. 광전자 디바이스는 미세전기기계 시스템(microelectromechanical system; MEMS)을 위한 기술에 의해 제조될 수 있기 때문에 전자 시스템은 작은 치수를 가질 수 있다.
도면들의 아래의 설명은 예시적인 실시예들을 더욱 예시하고 설명할 수 있다. 기능적으로 동일하거나 동일한 효과를 갖는 컴포넌트들은 동일한 참조로 표기된다. 동일하거나 사실상 동일한 컴포넌트들은 이들이 처음 나타나는 도면들에 대해서만 설명될 수 있다. 이들의 설명은 연속된 도면들에서 반드시 반복되는 것은 아니다.
도 1은 광전자 디바이스의 실시예의 단면을 도시한다.
도 2a 내지 도 2d는 광전자 디바이스의 실시예들의 평면도들을 도시한다.
도 3은 광전자 디바이스의 실시예의 다른 평면도를 도시한다.
도 4는 광전자 디바이스의 실시예의 다른 평면도를 도시한다.
도 5는 광전자 디바이스의 실시예의 다른 단면을 도시한다.
도 6은 광전자 디바이스의 실시예의 다른 단면을 도시한다.
도 7은 광전자 디바이스의 실시예의 다른 단면을 도시한다.
도 8은 광전자 디바이스의 실시예에 따른 시뮬레이션 결과를 도시한다.
도 2a 내지 도 2d는 광전자 디바이스의 실시예들의 평면도들을 도시한다.
도 3은 광전자 디바이스의 실시예의 다른 평면도를 도시한다.
도 4는 광전자 디바이스의 실시예의 다른 평면도를 도시한다.
도 5는 광전자 디바이스의 실시예의 다른 단면을 도시한다.
도 6은 광전자 디바이스의 실시예의 다른 단면을 도시한다.
도 7은 광전자 디바이스의 실시예의 다른 단면을 도시한다.
도 8은 광전자 디바이스의 실시예에 따른 시뮬레이션 결과를 도시한다.
도 1에서는 광전자 디바이스(1)의 실시예의 단면이 도시되어 있다. 도 1에 따른 실시예는 주면(3)을 갖는 기판(2)을 포함한다. 기판(2)은 주 연장 평면을 갖는다. 횡방향들(x, y)은 기판(2)의 주 연장 평면에 평행하게 연장된다. 적어도 하나의 튜닝 구조물(4)이 기판의 주면(3) 상에 배열된다. 도 1에서 도시된 예시에서는, 기판(2)의 주면 상에 배열된 네 개의 튜닝 구조물들(4)이 있다. 횡방향들(x, y)에서 튜닝 구조물들(4)은 서로에 대해 거리를 갖는다. 이것은 튜닝 구조물들(4)이 서로 이격되어 있음을 의미한다. 튜닝 구조물들(4) 각각은 최상면(5)과 후면(6)을 가지며, 이들은 기판(2)의 주 연장 평면에 평행하다. 최상면(5)과 후면(6)은 각각의 튜닝 구조물(4)의 대향 면들에 배열된다. 각 튜닝 구조물(4)의 후면(6)은 기판(2)을 향해 있다. 최상면(5)은 기판(2)을 등지고 있다.
각 튜닝 구조물(4)은 제1 전기 콘택트(7) 및 제2 전기 콘택트(8)를 포함한다. 전기 콘택트들(7, 8)은 나머지 튜닝 구조물(4)과 비교하여 상이한 물질을 포함한다. 도 1에서 도시된 실시예에서, 제1 전기 콘택트(7)는 튜닝 구조물(4)의 최상면(5) 상에 배열된다. 제2 전기 콘택트(8)는 튜닝 구조물(4)의 후면(6) 상에 배열된다. 전기 콘택트들(7, 8)은 튜닝 구조물(4)의 전체 최상면(5) 또는 전체 후면(6)을 각각 덮는다. 그러나, 다른 실시예들에서 전기 콘택트들(7, 8)은 튜닝 구조물(4)의 각각의 표면들(5, 6)의 일부분만을 덮는다. 도 1에서 도시된 실시예에서, 튜닝 구조물(4)의 측면(9)에는 전기 콘택트(7, 8)가 없다. 이것은 제1 전기 콘택트(7)와 제2 전기 콘택트(8)가 물리적으로 또는 전기적으로 서로 연결되어 있지 않음을 의미한다.
도 1에 따른 광전자 디바이스(1)는 커버층(10)을 더 포함한다. 커버층(10)은 기판(2)과 동일한 물질을 포함할 수 있다. 그러나, 커버층(10)은 또한 상이한 물질을 포함할 수 있다. 커버층(10)은 기판(2)을 향해 있는 후면(6)을 제외하고, 그 모든 면들에서 적어도 하나의 튜닝 구조물(4)을 덮는다. 그러나, 전기 콘택트들(7, 8)은 여전히 액세스될 수 있다. 적어도 하나의 튜닝 구조물(4)이 없는 영역들 상에서, 커버층(10)은 기판(2)과 직접 접촉한다. 커버층(10)은 최상면(11)을 갖는다. 최상면(11)은 기판(2)의 주 연장 평면에 평행하게 연장될 수 있다.
커버층(10)의 최상면(11) 상에는 광학 구조물(12)이 배열된다. 기판(2)의 주 연장 평면에 수직인 횡단 방향(z)으로, 광학 구조물(12)은 튜닝 구조물(4) 위에 있다. 커버층(10)은 튜닝 구조물(4)과 광학 구조물(12) 사이에 배열된다. 도 1에서 도시된 실시예에서, 광학 구조물(12)은 복수의 구조적 요소들(13)을 포함한다. 이것은 패턴을 형성하는 구조화된 표면(21)을 광학 구조물(12)이 갖는다는 것을 의미한다. 패턴은 일 측 상의 리세스들(14)에 의해 그리고 다른 측 상의 구조적 요소들(13)에 의해 형성된다. 횡단 방향(z)으로 광학 구조물(12)은 두께를 갖는다. 도 1에서 도시된 바와 같이 커버층(10)의 최상면(11)의 부분들이 노출되도록, 리세스들(14)은 광학 구조물(12)의 전체 두께에 걸쳐 연장된다. 이것은 광학 구조물(12)의 구조적 요소들(13)이 서로 연결해제되어 있음을 의미한다. 그러나, 도 6 내지 도 8은 광학 구조물의 상이한 개념들을 도시하며, 이는 아래에서 논의될 것이다.
도 1에서 도시된 바와 같이, 광전자 디바이스(1)는 전압원(15)을 더 포함한다. 전압원(15)은, 도시된 바와 같이, 외부 전압원(15)일 수 있다. 그러나, 전압원(15)은 또한 기판(2)에 통합될 수 있다. 전압원(15)은 적어도 하나의 튜닝 구조물(4)의 제1 전기 콘택트(7) 및 제2 전기 콘택트(8)에 전기적으로 연결된다. 설명을 위해 도 1에서는 튜닝 구조물들(4) 중 하나만이 전압원(15)에 연결되어 있다. 그러나, 각각의 튜닝 구조물(4)은 동일한 전압원(15)에 또는 추가적인 전압원들(15)에 연결될 수 있다. 전압원(15)은 제1 전기 콘택트(7)와 제2 전기 콘택트(8) 사이에 전위차를 생성하도록 제공된다. 이것은 결국 적어도 하나의 튜닝 요소(4) 내에 전기장을 생성한다. 전압원(15)으로부터 제1 및 제2 전기 콘택트들(7, 8)로의 전기 연결은 전기 전도성 와이어(16)에 의해 달성된다. 전기 전도성 와이어(16)는 전기 콘택트와 동일하거나 상이한 물질을 포함할 수 있다. 전기 전도성 와이어(16)는 도 1에서 도시된 바와 같이 기판(2) 및 커버층(10)에 통합될 수 있다. 전기 콘택트들(7, 8)은 전기 전도성 와이어를 통해 액세스될 수 있다.
동작 동안 전자기 방사선이 세 개의 화살표로 표시된 바와 같이 기판(2)의 후면(17)에 도달한다. 이어서, 전자기 방사선은 기판(2), 튜닝 구조물(4), 및 커버층(10)을 통과하여 광학 구조물(12)에 도달한다. 광학 구조물(12)은 미리 정의된 방식으로 전자기 방사선을 조작한다. 광학 구조물(12)은 예를 들어, 초점 길이, 편향 각도 등에 의해 전자기 방사선을 조작하는 타겟 사양을 갖는다. 튜닝 구조물(4)에 전기장을 인가하는 것에 의해, 전자기 방사선의 입력 파면은, 예를 들어, 위상 지연에 의해 수정되고, 이로써 수정된 파면이 광학 구조물(12)을 통과하도록 하고, 그 결과는 광학 구조물(12)의 오리지널 타겟 사양으로부터의 제어된 편차이다.
도 2a 내지 도 2d는 광학 구조물(12)의 구조적 요소들(13)의 상이한 실시예들을 평면도로 도시한 것이다. 평면도는 기판(2)을 등지고 있는, 커버층(10)의 면으로부터의 광전자 디바이스(1)의 모습을 가리킨다. 도 2a 내지 도 2d는 커버층(10)의 최상면(11) 상에 배열된 하나의 각각의 구조적 요소(13)의 상세만을 도시한다. 다른 구조적 요소들에 대한 길이, 폭, 및 거리는 특히 조작될 전자기 방사선의 파장보다 더 작을 수 있다.
도 2a는 직사각형 형상을 갖는 구조적 요소(13)를 도시하며, 여기서 y방향으로의 구조적 요소의 치수를 가리키는 길이는 x방향으로의 구조적 요소의 치수를 가리키는 폭보다 더 크다. 그러나, 구조적 요소(13)의 비율은 또한 동일할 수 있거나 상호교환될 수 있다. 또한, 이러한 구조적 요소(13)는 횡방향(x, y)으로 회전될 수 있다. 횡방향(x, y)으로의 구조적 요소(13)의 배향은 이웃하는 구조적 요소(13)의 배향과 관련하여 동일하거나 상이할 수 있다.
도 2b는 십자 형상을 갖는, 커버층(10)의 최상부 상의 구조적 요소(13)를 도시한다. 이전 실시예에서와 같이, 이러한 구조적 요소(13)는 횡방향(x, y)으로 회전될 수 있다. 횡방향(x, y)으로의 구조적 요소(13)의 배향은 이웃하는 구조적 요소(13)의 배향과 관련하여 동일하거나 상이할 수 있다.
도 2c는 L자 형상을 갖는, 커버층(10)의 최상부 상의 구조적 요소(13)를 도시한다. 이전 실시예에서와 같이, 이러한 구조적 요소(13)는 횡방향(x, y)으로 회전될 수 있다. 횡방향(x, y)으로의 구조적 요소(13)의 배향은 이웃하는 구조적 요소(13)의 배향과 관련하여 동일하거나 상이할 수 있다.
도 2d는 평면도에서 곡선 형상을 갖는, 커버층(10)의 최상부 상의 구조적 요소(13)를 도시한다. 이 실시예에서 구조적 요소(13)는 타원형을 형성한다. 그러나, 예를 들어 원과 같은, 임의의 다른 곡선 형상이 또한 가능하다.
구조적 요소(13)의 도시된 모든 실시예들은 또한 서로 결합될 수 있어서, 구조적 요소(13) 중 적어도 두 개는 상이한 형상들을 포함한다는 점에 유의해야 한다.
도 3에서는 광전자 디바이스(1)의 다른 실시예의 평면도가 도시되어 있다. 이 경우, 광전자 디바이스(1)는 평면도에서 둥근 형상을 갖는, 기판(2)과 커버층(10)을 포함한다. 광전자 디바이스(1)의 튜닝 구조물(4)은 원주 부분(18)을 포함한다. 이 경우, 원주 부분(18)은 기판(2) 상에서 링을 형성한다. 원주 부분(18)에 의해 형성된 링은 직경을 갖고 튜닝 구조물(4)이 없는 영역을 둘러싼다. 추가적인 튜닝 구조물(4')은 추가적인 원주 부분(19)을 포함한다. 추가적인 원주 부분(19)은 원주 부분(18)보다 더 큰 직경을 갖고 횡방향(x, y)으로 원주 부분(18)을 둘러싼다. 일 측에서 추가적인 원주 부분은 갭을 포함한다. 이것은 추가적인 원주 부분(19)이 분할된 링을 형성함을 의미한다.
튜닝 구조물(4) 및 추가적인 튜닝 구조물(4')은 또한 제1 전기 콘택트(7)를 포함한다. 위에서 언급한 바와 같이, 제1 전기 콘택트(7)는 각각의 튜닝 구조물(4, 4')의 최상면(5) 상에 배열되며, 이 최상면(5)은 도 3의 관찰자쪽으로 향해 있는 튜닝 구조물(4, 4')의 면을 의미한다. 튜닝 구조물(4)과 추가적인 튜닝 구조물(4')은 또한 각각의 튜닝 구조물(4, 4')의 후면(6) 상에 배열된 제2 전기 콘택트(8)를 포함하며, 후면(6)은 도 3의 관찰자를 등지고 있는 튜닝 구조물(4, 4')의 면을 의미한다. 도 3에서 제2 전기 콘택트(8)는 횡단 방향(z)으로 제1 전기 콘택트(7) 바로 아래에서 배열될 수 있음을 나타내기 위해 점선으로 그려져 있으며, 관찰자의 시점으로부터는 보이지 않는다.
원주 부분(18)을 포함하는 튜닝 구조물(4)의 제1 및 제2 전기 콘택트(7, 8)는 이러한 방식으로 배열되어 있어서, 이들은 원주 부분(18)로부터 횡방향(y)으로 추가적인 원주 부분(19) 내의 갭을 통해 광전자 디바이스(1)의 주변 영역에 도달한다. 광전자 디바이스(1)의 주변 영역은 튜닝 구조물 위에 광학 구조물이 존재하지 않으며 이에 따라 광학적으로 비활성인 영역을 가리킨다. 추가적인 원주 부분(19)을 포함하는 추가적인 튜닝 구조물(4')의 제1 및 제2 전기 콘택트(7, 8)는 추가적인 원주 부분(19)으로부터 임의의 횡방향(x, y)으로 주변 영역에 도달한다. 이러한 배열로 인해, 각각의 튜닝 구조물(4, 4')의 제1 및 제2 전기 콘택트(7, 8)는 액세스가능하고, 광전자 디바이스(1)의 주변 영역에서 전압원(15)(미도시됨)에 연결될 수 있다.
도 3에서 도시된 실시예는 평면도에서 둥근 형상을 갖는, 구조적 요소(13)를 포함하는 광학 구조물(12)을 포함한다. 평면도에서, 광학 구조물(12)에 의해 덮인 전체 영역은 원주 부분(18) 및 추가적인 원주 부분(19)에 의해 횡방향(x, y)으로 에워싸인 영역에 대략 대응한다. 이 영역을 광학적으로 활성인 영역이라고 칭할 수 있다.
도 3에서 도시된 실시예에서 광학 구조물(12)은 튜닝가능한 메타 렌즈, 즉 메타 물질을 포함하는 렌즈를 형성하도록 제공될 수 있다. 메타 렌즈는 광학적으로 활성인 영역에 대응하는 직경을 갖는다. 튜닝 구조물(4)과 추가적인 튜닝 구조물(4')은 메타 렌즈에 의해 이미 구현된 위상 함수 내에 수정을 도입시킨다. 각 튜닝 구조물(4, 4')의 전기 콘택트들(7, 8)은 개별적으로 배열되어, 각각의 튜닝 구조물(4, 4')이 전기장에 의해 독립적으로 제어될 수 있다. 이러한 방식으로 렌즈 직경을 따라 상이한 위상 지연들이 필요에 따라 획득될 수 있다.
도 4에서 도시된 광전자 디바이스의 실시예는 평면도에서 직사각형 형상을 갖는 기판(2)과 커버층(10)을 포함한다. 이는 어레이로서 배열된 복수의 튜닝 구조물들(4)을 포함한다는 점에서 도 3의 실시예와는 추가로 상이하다. 이 경우 어레이는 여섯 개의 튜닝 구조물들(4)을 포함한다. 도 4에서는 각각의 튜닝 구조물(4)의 제1 전기 콘택트(7)만이 도시되어 있다. 그러나, 제2 전기 콘택트(8)(도시되지 않음)가 제1 전기 콘택트(7) 바로 아래에 배열될 수 있어서, 이는 관찰자의 시점으로부터 보이지 않을 수 있다. 전기 콘택트들(7, 8)은 각각의 튜닝 구조물(4)에서부터 횡방향(x, y)으로 광전자 디바이스(1)의 상이한 주변 영역들쪽으로 연장된다. 이러한 방식으로, 이들은 하나 이상의 전압원(15)(도시되지 않음)에 개별적으로 연결될 수 있다. 이것은 결국 각각의 튜닝 구조물(4)에서의 전기장을 독립적으로 제어하는 것을 가능케 한다.
광학 구조물(12)은 튜닝 구조물들(4)의 어레이 위에 횡단 방향(z)으로 배열된다. 구조적 요소들(13)을 포함하는 광학 구조물(12)에 의해 횡방향(x, y)으로 덮인 영역은 대략적으로 튜닝 구조물들(4)의 어레이에 의해 덮인 영역만큼 클 수 있다. 그러나, 도 4에서 도시된 바와 같이, 튜닝 구조물들(4)의 어레이에 의해 덮인 전체 영역은 광학 구조물(12)에 의해 덮인 영역보다 약간 더 클 수 있다. 두 영역들의 중복 구역을 광학적으로 활성인 영역이라고 칭할 수 있다.
도 5에서 도시된 광전자 디바이스(1)의 실시예는 상이한 광학 구조물(12)을 도시한다는 점에서 도 1에서 도시된 실시예와는 상이하다. 도 5의 광학 구조물(12)은 또한 커버층(10)을 등지고 있는 구조화된 표면(21)을 포함한다. 그러나, 리세스들(14)이 광학 구조물(12)의 전체 두께에 걸쳐 연장되지 않기 때문에 구조적 요소들(13)은 서로 물리적으로 연결된다. 따라서, 커버층(10)의 최상면(11)의 부분들은 광학 구조물(12)이 존재하는 영역에서 노출되지 않는다. 이것은 커버층(10)이 광학 구조물(12)에 의해 완전히 덮인다는 것을 의미한다. 구조화된 표면(21)은 규칙적이거나 불규칙적일 수 있는 패턴을 형성한다. 구조적 요소들(13)은 도 2a 내지 도 2d에 따른 형상들을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 구조적 요소들(13)은 광학적으로 활성인 영역 위에서 동심 링을 형성한다. 이 경우, 광학 구조물(12)은 존 플레이트(zone plate) 또는 바이너리 렌즈를 형성한다.
도 5는 적어도 하나의 튜닝 구조물(4)과 전기적으로 접촉하기 위한 상이한 개념을 보여준다는 점에서 도 1과 더욱 상이하다. 이 경우, 각각의 튜닝 구조물(4)은 튜닝 구조물(4)의 측면(9) 상에 또는 추가적인 측면(9') 상에 각각 배열된 제1 전기 콘택트(7) 및 제2 전기 콘택트(8)를 갖는다. 측면(9) 및 추가적인 측면(9')은 기판(2)의 주 연장 평면에 대해 수직으로 또는 횡단하여 내뻗는다. 제1 전기 콘택트(7)가 배치되는 측면(9)은 제2 전기 콘택트가 배치되는 추가적인 측면(9')으로부터 분리된다. 이러한 방식으로, 제1 및 제2 전기 콘택트들(7, 8)은 서로 전기적으로 격리된다. 도 5에서 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 전기 콘택트(7, 8)는 튜닝 구조물(4)의 각각의 측면(9, 9') 전체를 덮을 수 있다.
도 6에서 도시된 광전자 디바이스(1)의 실시예는 광학 구조물(12)의 다른 변형을 도시한다는 점에서 도 5에서 도시된 실시예와는 상이하다. 이 경우 광학 구조물(12)은 평평한 표면(21)을 갖는 층을 형성한다. 이것은 커버층(10)을 등지고 있는 광학 구조물(12)의 표면(21)이 기판(2)의 주 연장 평면에 평행하게 내뻗는다는 것을 의미한다. 광학 구조물(12)이 위상 플레이트 또는 확산기를 형성하는 경우, 광학 구조물(12)의 이 실시예가 사용될 수 있다.
도 7에서 도시된 광전자 디바이스(1)의 실시예는 광학 구조물(12)의 다른 변형을 도시한다는 점에서 도 6에서 도시된 실시예와는 상이하다. 이 경우 광학 구조물(12)은 곡면(21)을 갖는다. 이것은 커버층(10)을 등지고 있는 광학 구조물(12)의 표면(21)이 기판(2)의 주 연장 평면에 대해 만곡(curvature)을 나타낸다는 것을 의미한다. 광학 구조물(12)이 굴절 렌즈를 형성하는 경우, 광학 구조물(12)의 이 실시예가 사용될 수 있다.
도 8은 시뮬레이션에 의해 획득된 함수들의 그래프를 도시한다. 여기서, 전자기 방사선의 세기(I)가 광학 구조물(12)과 광학 구조물(12) 위의 횡단 방향(z)으로의 위치 사이의 거리(d)에 대해 플롯팅된다. 세기(I)는 W/㎡ 단위로 주어진다. 거리(d)는 ㎛ 단위로 주어진다.
이 경우, 광학 구조물(12)은 예를 들어 도 3과 관련하여 논의된 바와 같이 렌즈를 형성한다. 시뮬레이션의 결과는 렌즈를 형성하는 광학 구조물(12)의 초점 길이를 찾기 위해 사용될 수 있다. 그러나 광학 구조물(12)의 임의의 다른 타겟 사양이 유사한 방식으로 분석될 수 있다는 점에 유의해야 한다.
세 가지 시나리오에 대해 세기 특성이 도시된다: 첫번째 시나리오(곡선(22)는 튜닝 구조물(4)에 전기장이 인가되지 않은 상태에서의 전자기 방사선의 세기(I)를 보여주는 것이다. 두번째 및 세번째 시나리오(곡선(23, 24)는 튜닝 구조물(4)에 각각의 전기장이 인가된 상태에서의 전자기 방사선의 세기(I)를 보여주는 것들이다. 곡선(22)은 약 35㎛에서 명확한 최대값을 보여준다. 이것은 광학 구조물(12)의 초점 길이가 이 거리로 식별될 수 있음을 의미한다. 시뮬레이션 결과는 또한 광전자 디바이스(1)가 튜닝 없이도, 즉 전기장을 인가하는 것에 의한 튜닝 모드가 아닌 동작 모드에서 광학 구조물(12)을 통해 타겟 사양을 나타낸다는 것을 보여준다. 그러나, 특정 세기와 방향의 전기장을 인가함으로써, 최대 세기가 약 45㎛의 거리(d)쪽으로 시프트된다(곡선(23)). 또한, 곡선(24)에 의해 도시된 바와 같이 상이한 전기장을 인가함으로써, 최대 세기는 반대 방향으로, 즉 약 25㎛의 거리(d)로 시프트될 수 있다. 이것은 광전자 디바이스(1)의 광학적 특성이 각각의 전기장을 인가함으로써 어느 한 방향으로 동적으로 변화될 수 있음을 의미한다.
여기서 개시된 광전자 디바이스(1)의 실시예들은 독자에게 본 사상의 새로운 양태들과 친숙해지도록 하기 위한 목적으로 논의되었다. 바람직한 실시예들이 도시되고 설명되었지만, 개시된 개념들의 많은 변경들, 수정들, 균등물들, 및 대체물들이 청구항들의 범위를 불필요하게 벗어나지 않고서 당업자에 의해 이루어질 수 있다.
본 개시는 개시된 실시예들로 그리고 위에서 특별히 도시되고 설명된 것으로 한정되지 않는다는 것이 이해될 것이다. 오히려, 별도의 종속항들에서 또는 상세한 설명에서 서술된 특징들은 유리하게 결합될 수 있다. 또한, 본 개시의 범위는 이러한 변형들과 수정들을 포함하며, 이것들은 당업자에게 명백할 것이고 첨부된 청구항들의 범위 내에 속할 것이다.
청구항들에서 또는 상세한 설명에서 사용되었던 "포함하는" 용어는 대응하는 특징 또는 프로시저의 다른 요소들 또는 단계들을 배제하지 않는다. "단수 표현"의 용어들이 특징들과 함께 사용된 경우, 이것들은 그러한 특징들의 복수를 배제하지 않는다. 또한, 청구항들에서의 임의의 참조 부호들은 범위를 한정시키는 것으로서 해석되어서는 안된다.
본 특허 출원은 유럽 특허 출원 제20172735.1호의 우선권을 청구하며, 이 특허 출원의 개시내용은 참조로서 본 명세서 내에 병합된다.
1 광전자 디바이스
2 기판
3 기판의 주면
4 튜닝 구조물
4' 추가적인 튜닝 구조물
5 튜닝 구조물의 최상면
6 튜닝 구조물의 후면
7 제1 전기 콘택트
8 제2 전기 콘택트
9 튜닝 구조물의 측면
9' 튜닝 구조물의 추가적인 측면
10 커버층
11 커버층의 최상면
12 광학 구조물
13 광학 구조물의 구조적 요소들
14 광학 구조물의 리세스
15 전압원
16 전기 전도성 와이어
17 기판의 후면
18 튜닝 구조물의 원주 부분
19 추가적인 원주 부분
20 추가적인 원주 부분에서의 갭
21 광학 구조물의 표면
22 함수 그래프의 첫번째 곡선
23 함수 그래프의 두번째 곡선
24 함수 그래프의 세번째 곡선
x,y 횡방향들
z 횡단 방향
d 광학 구조물까지의 거리
2 기판
3 기판의 주면
4 튜닝 구조물
4' 추가적인 튜닝 구조물
5 튜닝 구조물의 최상면
6 튜닝 구조물의 후면
7 제1 전기 콘택트
8 제2 전기 콘택트
9 튜닝 구조물의 측면
9' 튜닝 구조물의 추가적인 측면
10 커버층
11 커버층의 최상면
12 광학 구조물
13 광학 구조물의 구조적 요소들
14 광학 구조물의 리세스
15 전압원
16 전기 전도성 와이어
17 기판의 후면
18 튜닝 구조물의 원주 부분
19 추가적인 원주 부분
20 추가적인 원주 부분에서의 갭
21 광학 구조물의 표면
22 함수 그래프의 첫번째 곡선
23 함수 그래프의 두번째 곡선
24 함수 그래프의 세번째 곡선
x,y 횡방향들
z 횡단 방향
d 광학 구조물까지의 거리
Claims (16)
- 전자기 방사선을 조작하기 위한 광전자 디바이스(1)에 있어서, 상기 광전자 디바이스(1)는,
주 연장 평면을 갖는 기판(2),
상기 기판(2)의 주면(3) 상에 배열된 적어도 하나의 튜닝 구조물(4) - 상기 튜닝 구조물(4)은 전기 광학 물질을 포함하고, 상기 적어도 하나의 튜닝 구조물(4)은 상기 튜닝 구조물(4)의 제1 면에 있는 제1 전기 콘택트(7) 및 상기 튜닝 구조물(4)의 제2 면에 있는 제2 전기 콘택트(8)를 포함함 -,
상기 적어도 하나의 튜닝 구조물(4)을 덮는 커버층(10),
상기 커버층(10) 상에 배열된 광학 구조물(12) - 상기 커버층(10)은 상기 광학 구조물(12)과 상기 적어도 하나의 튜닝 구조물(4) 사이에 배열되어 있음 -,
상기 제1 전기 콘택트(7)와 상기 제2 전기 콘택트(8)에 전기적으로 연결된 전압원(15)
을 포함하며,
상기 전압원(15)은 상기 적어도 하나의 튜닝 구조물(4) 내에서 전기장을 생성하기 위해 제공되는 것인 광전자 디바이스(1). - 제1항에 있어서,
상기 튜닝 구조물(4)의 적어도 하나의 광학 특성이 각각의 전기장을 인가함으로써 변경되는 것인 광전자 디바이스(1). - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 광학 구조물(12)은 구조적 요소들(13)을 포함하며, 상기 구조적 요소들(13) 각각은 조작될 전자기 방사선의 파장보다 더 작은 것인 광전자 디바이스(1). - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광학 구조물(12)은 메타 물질을 포함하는 것인 광전자 디바이스(1). - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광학 구조물(12)은 렌즈, 회절 격자, 존 플레이트(zone plate), 위상 플레이트(phase plate), 홀로그래픽 플레이트, 및 확산기를 포함하는 그룹 중 하나의 구성원을 형성하는 것인 광전자 디바이스(1). - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광학 구조물(12)은 초점 길이, 편향각, 위상 지연, 광 편광, 및 패턴 투영을 포함하는 그룹의 구성원인 타겟 사양을 포함하고, 상기 광학 구조물(12)의 상기 타겟 사양은 상기 적어도 하나의 튜닝 구조물(4) 내의 전기장들을 제어함으로써 변경되는 것인 광전자 디바이스(1). - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
평면도에서 봤을 때 상기 튜닝 구조물(4)은 원주 부분(18)을 포함하는 것인 광전자 디바이스(1). - 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
평면도에서 봤을 때 적어도 하나의 추가적인 튜닝 구조물(4')은 적어도 하나의 추가적인 원주 부분(19)을 포함하고, 상기 적어도 하나의 추가적인 원주 부분(19)은 상기 원주 부분(18)을, 상기 기판(2)의 상기 주 연장 평면에 평행하게 연장되는 횡방향들(x, y)로 둘러싸는 것인 광전자 디바이스(1). - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
튜닝 구조물들(4)의 어레이를 형성하는 복수의 튜닝 구조물들(4)
을 더 포함하는 광전자 디바이스(1). - 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 전기 콘택트(7)와 상기 제2 전기 콘택트(8)는 상기 튜닝 구조물(4)의 각각의 측면들(9, 9') 상에 배열되고, 상기 측면들(9, 9')은 상기 기판(2)의 상기 주 연장 평면에 대해 수직으로 또는 횡단하여 내뻗어 있는 것인 광전자 디바이스(1). - 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 전기 콘택트(7)와 상기 제2 전기 콘택트(8)는 상기 튜닝 구조물(4)의 최상면(5)과 후면(6) 상에 각각 배열되고, 상기 최상면(5)과 상기 후면(6)은 상기 기판(2)의 상기 주 연장 평면에 평행하고, 상기 최상면(5)과 상기 후면(6)은 상기 튜닝 구조물(4)의 대향 면들에 배열된 것인 광전자 디바이스(1). - 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
복수의 튜닝 구조물들(4')
을 더 포함하며, 상기 전압원(15)에 의해 생성되는 전기장은 동작 동안 상기 튜닝 구조물들(4') 중 적어도 두 개에서 상이한 것인 광전자 디바이스(1). - 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 튜닝 구조물(4)에서, 상기 전압원(15)에 의해 생성되는 전기장은 동작 동안 시변적인(variable in time) 것인 광전자 디바이스(1). - 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 조작될 전자기 방사선은 적외선, 근적외선, 또는 가시광선 파장 범위 내에 있거나, 또는 이들 파장 범위들 중 적어도 두 개와 중첩되는 범위 내에 있는 것인 광전자 디바이스(1). - 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 튜닝 구조물(4)은 고체 상태 무기(inorganic) 물질을 포함하는 것인 광전자 디바이스(1). - 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 따른 광전자 디바이스(1)를 포함하는 전자 시스템에 있어서, 상기 전자 시스템은 특히 전자기 방사선을 방출하고 및/또는 감지하기 위해 제공되는 광전자 시스템인 것인 전자 시스템.
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