KR20210073703A - 광 변조 소자, 광 변조 소자를 포함한 광학 디바이스, 및 광학 디바이스를 포함하는 전자 장치 - Google Patents

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Abstract

광 변조 소자, 광 변조 소자를 포함한 광학 디바이스, 및 광학 디바이스를 포함하는 전자 장치가 개시된다. 개시된 광 변조 소자는, 외부의 자극에 의해 가변되는 굴절률이 변조되어 입사광의 위상을 변조하는 공진기를 포함하며, 공진기는 캐비티층와 캐비티층을 사이에 두고 대향되는 제1 반사구조체와 제2 반사구조체를 포함하며, 제1 반사구조체와 제2 반사구조체 중 적어도 어느 하나는, 굴절률이 서로 다른 제1 물질층들과 제2 물질층들이 반복적으로 교호하여 적층하되, 제1 물질층들 중 어느 하나가 제1 물질층들의 굴절률과 다른 굴절률을 갖는 제3 물질층으로 대체되거나, 그 두께가 나머지 제1 물질층들의 두께와 다르게 형성된다.

Description

광 변조 소자, 광 변조 소자를 포함한 광학 디바이스, 및 광학 디바이스를 포함하는 전자 장치{Light modulator, optical device including the light modulator and electrical apparatus including the optical device}
본 개시는 광 변조 소자, 광 변조 소자를 포함하는 광학 디바이스, 및 광학 디바이스를 포함하는 전자 장치에 관한 것이다.
입사광의 투과/반사, 편광, 위상, 세기, 경로 등을 변경하는 광 변조 소자는 다양한 광학 디바이스에서 활용된다. 또한, 광학 디바이스 내에서 원하는 방식으로 상기한 성질을 제어하기 위해 다양한 구조의 광 변조 소자들이 제시되고 있다.
이러한 예로서, 광학적 이방성을 가지는 액정(liquid crystal), 광 차단/반사 요소의 미소 기계적 움직임을 이용하는 MEMS(microelectromechanical system) 구조 등이 일반적인 광 변조 소자에 널리 사용되고 있다. 이러한 광 변조 소자들은 그 구동 방식의 특성상 동작 응답시간이 수 ㎲ 이상이다.
최근에는 메타표면(meta surface)를 광 변조 소자에 적용하는 시도가 있다. 메타표면은 입사광의 파장보다 작은 수치가, 두께, 패턴, 또는 주기 등에 적용된 구조이다. 예를 들어, 가변의 광학 성질(예를 들어, 굴절률)을 가지며, 다중양자우물구조를 가지는 반도체 물질 기반의 튜너블 메타표면을 이용한 광학 디바이스는 광통신에서 광 센싱에 이르기까지 다양한 기술 분야에서 사용된다. 예를 들어, 튜너블 메타표면을 이용한 광 변조 소자는, 한 쌍의 분산 브레그 반사경(distributed Bragg reflector; 이하 DBR이라 함), 또는 하나의 DBR과 그레이팅 반사체, 또는 하나의 DBR과 금속 미러 사이에 반도체 물질이 마련된 샌드위치 구조체에 의해 형성된 패브리-페로 (Fabry-P
Figure pat00001
rot) 공진기 구조를 포함한다.
해결하고자 하는 과제는 정밀하게 조절된 반사율 또는 투과율을 갖는 반사 적층체를 포함하는 광 변조 소자, 광 변조 소자를 포함한 광학 디바이스, 및 광학 디바이스를 포함하는 전자 장치를 제공하는데 있다.
해결하려는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
본 발명의 한 측면에 따르는 광 변조 소자는, 기판; 및 외부의 자극에 의해 굴절률이 변조되어 입사광의 위상을 변조하는 것으로, 기판 상에 마련된 제1 반사구조체와, 제1 반사 구조체 상에 마련되는 캐비티층과, 캐비티층 상에 마련된 제2 반사구조체를 포함하는 공진기;를 포함하며, 제1 반사구조체 및 제2 반사구조체 중 적어도 어느 하나는, 굴절률이 서로 다른 제1 물질층들과 제2 물질층들이 반복적으로 교호하여 적층하되, 제1 물질층들이 위치할 곳들 중 적어도 한 곳이 제1 물질층들의 굴절률과 다른 굴절률을 갖는 제3 물질층으로 대체된 적층 반사체이다.
예시적인 실시예들에서, 제1 물질층들은 같은 광학적 두께를 가지며, 제3 물질층의 광학적 두께는 제1 물질층들의 광학적 두께와 다를 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 제1 물질층들은 같은 두께를 가지며, 제3 물질층의 두께는 제1 물질층들의 두께와 같을 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 제1 물질층들과 제3 물질층은 λ/(4* n1)의 홀수배의 물리적 두께를 가지며, 여기서 λ는 입사되는 광의 파장을 나타내며, n1은 제1 물질층의 굴절률을 나타낼 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 제2 물질층들은 λ/(4*n2)의 홀수배의 두께를 가지며, 여기서 λ는 입사되는 광의 파장을 나타내며, n2는 제2 물질층의 굴절률을 나타낼 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 제1 반사구조체의 반사율이 제2 반사구조체의 반사율보다 클 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 제1 반사구조체 및 제2 반사구조체 중 다른 하나는 분산 브레그 반사체 또는 그레이팅 반사체를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 광 변조 소자는 기판과 제1 반사구조체의 사이, 제2 반사구조체의 상부 또는 제2 반사구조체의 하부에 배치된 가열체를 더 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 캐비티층은 인가되는 전기적 신호에 따라 유전율이 변하는 전기광학물질을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 외부의 자극은 열, 전압, 전류, 자기장 중 적어도 어느 하나일 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 광 변조 소자는 투과형 또는 반사형일 수 있다. 가령, 기판은 투명 재질로 형성되어, 기판 배면으로부터 광이 입사될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르는 광 변조 소자는, 기판; 및 외부의 자극에 의해 굴절률이 변조되어 입사광의 위상을 변조하는 것으로, 기판 상에 마련된 제1 반사구조체와, 제1 반사 구조체 상에 마련되는 캐비티층과, 캐비티층 상에 마련된 제2 반사구조체를 포함하는 공진기;를 포함하며, 제1 반사구조체 및 제2 반사구조체 중 적어도 어느 하나는, 굴절률이 서로 다른 제1 물질층들과 제2 물질층들이 반복적으로 교호하여 적층하되, 제1 물질층들 중 적어도 한 제1 물질층의 두께는 나머지 제1 물질층들의 두께와 다른 적층 반사체일 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 나머지 제1 물질층들의 두께 t1은 λ/(4* n1)의 홀수배이며, 적어도 한 제1 물질층의 두께 t1'는 t1-0.75*λ/(4*n1)≤t1'<t1 또는 t1<t1'≤2*t1+λ/(4*n1)의 조건을 만족하며, 여기서, λ는 입사되는 광의 파장을 나타내며, n1은 제1 물질층의 굴절률을 나타낼 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 제2 물질층들은 λ/(4* n2)의 홀수배의 두께를 가지며, 여기서 λ는 입사되는 광의 파장을 나타내며, n2는 제2 물질층의 굴절률을 나타낼 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르는 광학 디바이스는, 광 변조 소자들이 1차원 또는 2차원의 픽셀 단위로 배열되고, 각 픽셀 별로 광의 위상을 변조하도록 구성된 공간 광 변조기를 포함하며, 광 변조 소자 각각은 기판; 및 외부의 자극에 의해 굴절률이 변조되어 입사광의 위상을 변조하는 것으로, 기판 상에 마련된 제1 반사구조체와, 제1 반사 구조체 상에 마련되는 캐비티층과, 캐비티층 상에 마련된 제2 반사구조체를 포함하는 공진기;를 포함하며, 제1 반사구조체 및 제2 반사구조체 중 적어도 어느 하나는, 굴절률이 서로 다른 제1 물질층들과 제2 물질층들이 반복적으로 교호하여 적층하되, 제1 물질층들이 위치할 곳들 중 적어도 한 곳이 제1 물질층들의 굴절률과 다른 굴절률을 갖는 제3 물질층으로 대체되거나 제1 물질층들 중 적어도 한 제1 물질층의 두께는 나머지 제1 물질층들의 두께와 다른 적층 반사체이다.
예시적인 실시예들에서, 광학 디바이스는 공간 광 변조기로부터 광이 출사되는 방향에 배치된 투명 지지판과, 지지판에 배열된 복수 개의 나노 구조를 포함하고, 복수 개의 나노 구조가 픽셀 마다 다르게 배열되어 광의 위상을 제어하도록 구성된 위상 마스크를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르는 전자 장치는, 광원; 광원으로부터 입사된 광의 진행 방향을 조절하여 피사체로 향하도록 하는 것으로서, 제18 항의 광학 디바이스; 피사체로부터 반사된 광을 수신하여 전기적 신호로 변환하는 수신기; 및 수신기에서 변환된 전기적 신호를 처리하는 프로세서;를 포함한다.
예시적인 실시예들에서, 전자 장치는 라이다(light detection and ranging, 이하 LiDAR라 함) 장치, 3차원 이미지 획득 장치, 3차원 센서, 깊이 센서, 및 홀로그래픽 디스플레이 장치 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
개시된 실시예들에 의한 광 변조 소자, 광 변조 소자를 포함하는 광학 디바이스, 및 광학 디바이스를 포함하는 전자 장치에 있어서, 반사 적층체는 정밀하게 조절된 반사율 또는 투과율을 가질 수 있다.
개시된 실시예들에 의한 광 변조 소자, 광 변조 소자를 포함하는 광학 디바이스, 및 광학 디바이스를 포함하는 전자 장치는, 픽셀 크기를 작게 할 수가 있다.
개시된 실시예들에 의한 광 변조 소자, 광 변조 소자를 포함하는 광학 디바이스, 및 광학 디바이스를 포함하는 전자 장치는, 반사 적층층의 적층 두께를 얇게 할 수가 있다.
개시된 실시예에 의한 광 변조 소자, 광 변조 소자를 포함하는 광학 디바이스, 및 광학 디바이스를 포함하는 전자 장치는 반사위상 또는 투과위상의 분포를 정밀하게 조절할 수 있다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 광 변조 소자의 구조를 간략하게 도시한 측단면도이다.
도 2는 제3 물질층의 개수에 따른 반사 적층체의 반사율 관계를 나타내는 그래프이다.
도 3은 도 2에서 반사율 95%에서 100% 구간을 확대한 그래프이다.
도 4는 제1 물질층과 제2 물질층과 제3 물질층의 다양한 조합에 의해 얻어지는 다양한 반사율을 내림차순으로 정렬한 결과를 나타낸다.
도 5는 온도에 따른 Si의 굴절률 변화를 나타낸 것이다.
도 6은 예시적인 실시예에 따른 광 변조 소자의 구조를 간략하게 도시한 측단면도이다.
도 7은 예시적인 실시예에 따른 광 변조 소자의 구조를 간략하게 도시한 측단면도이다.
도 8은 예시적인 실시예에 따른 광 변조 소자의 구조를 간략하게 도시한 측단면도이다.
도 9는 예시적인 실시예에 따른 광 변조 소자의 구조를 간략하게 도시한 측단면도이다.
도 10은 예시적인 실시예에 따른 광학 디바이스의 구조를 간략하게 도시한 평면도이다.
도 11은 예시적인 실시예에 따른 광학 디바이스의 구조를 간략하게 도시한 평면도이다.
도 12는 예시적인 실시예에 따른 광학 디바이스의 구조를 간략하게 도시한 도면이다.
도 13은 예시적인 실시예에 따른 광학 디바이스를 포함한 전자 장치의 구성을 개략적으로 보이는 블록도이다.
도 14는 예시적인 실시예에 따른 광학 디바이스를 포함한 전자 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 15는 예시적인 실시예에 따른 전자 장치가 차량용 라이다에 적용된 예를 측방향에서 도시한 것이다.
도 16은 예시적인 실시예에 따른 빔 스캐닝 장치가 차량용 라이다에 적용된 예를 평면에서 도시한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 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.
본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성 요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 광 변조 소자, 광 변조 소자를 포함하는 광학 디바이스, 및 광학 디바이스를 포함하는 전자 장치는 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위/아래/좌/우에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위/아래/좌/우에 있는 것도 포함할 수 있다.
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.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 광 변조 소자(100)의 구조를 간략하게 도시한 측단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예의 광 변조 소자(100)는 입사광(Li)과 출력광(Lo)이 모두 동일면에서 입사 및 출력하는 반사형 소자이다. 광 변조 소자(100)는 기판(110)과, 기판(110) 상에 마련된 가열체(120)와, 가열체(120) 상에 마련된 제1 반사구조체(130)와, 제1 반사 구조체(130) 상에 마련되는 캐비티층(140)과, 캐비티층(140) 상에 마련된 제2 반사구조체(150)를 포함한다. 제2 반사구조체(150)의 상부에는 투명한 재질로 형성된 상부층(160)이 마련될 수 있다.
기판(110)은 금속을 포함할 수 있다. 예를 들어, 기판(110)에 포함된 금속은 금(Au), 알루미늄(Al) 및 은(Ag) 중 어느 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 금속을 포함하는 기판(110)은 공진기를 투과하는 광을 반사키는 반사층의 역할을 할 수 있다. 이에 따라, 입사광(Li)에 대한 광 변조 소자(100)의 반사율이 기판(110)이 금속을 포함하지 않았을 때에 비하여 증가할 수 있다. 다른 예로서, 기판(110)은 금속을 포함하지 않을 수도 있다. 기판(110)의 면적은 공진기의 면적보다 넓을 수 있다. 예를 들어, 기판(110)의 폭(PSLM)은 공진기 내의 굴절률 변화를 유도하는 가열체(120)의 폭(Wheater)보다 클 수 있다.
가열체(120)는 금속 배선을 포함할 수 있고, 금속 배선에 흘려주는 전류의 세기에 따라 가열 온도가 달라질 수 있다.
제1 반사구조체(130)와, 캐비티층(140)과, 제2 반사구조체(150)는 패브리-페로 공진기를 형성한다. 이때, 제2 반사구조체(150)의 반사율을 제1 반사구조체(130)의 반사율보다 낮게 설계함으로써, 제1 반사구조체(130)와 제2 반사구조체(150) 사이에서 공진하던 광은 제2 반사구조체(150)를 통해 외부로 출력되도록 할 수 있다.
캐비티층(140)의 전체적인 광학적 두께(물리적 두께에 물질층의 굴절률을 곱한 값), L C 는 제1 반사구조체(130)와 제2 반사구조체(150)사이에서 공진하도록 다음의 식을 통해 구성될 수 있다.
Figure pat00002
여기서 φ1은 캐비티층에서 제1 반사구조체(130)로 입사하는 광파가 겪게 되는 반사위상이며, φ2는 캐비티층에서 제2 반사구조체(150)로 입사하는 광파가 겪게 되는 반사위상이다. m은 공진의 차수(order)를 나타내는 정수이다.
제1 반사구조체(130)는 그레이팅 반사체(grating reflector)이다. 그레이팅 반사체는 그레이팅(131)이 소정 간격으로 이격되어 배열될 수 있다. 그레이팅(131)의 간격(PHCG), 높이(tHCG), 폭(WHCG) 등을 조절하여 광의 반사와 투과를 조절할 수 있다. 그레이팅(grating)(131)은 주변 물질(170)보다 큰 굴절률을 가질 수 있다. 예시적으로, 그레이팅(131)은 Si으로 형성될 수 있다.
제2 반사구조체(150)는 굴절률이 서로 다른 제1 물질층(151)들과 제2 물질층(152)들이 반복적으로 교호하여 적층하되, 제1 물질층(151)들이 위치할 곳들 중 적어도 한 곳이 제3 물질층(153)으로 대체된 적층 반사체이다. 제3 물질층(153)은 제1 물질층(151)들의 굴절률 및 제2 물질층(152)들의 굴절률과 다른 굴절률을 갖는다. 예시적으로, 제1 물질층(151)은 Si으로 형성되며 제2 물질층(152)은 SiO2로 형성되며, 제3 물질층(153)은 TiO2로 형성될 수 있다. Si의 굴절률(nSi)은 대략 3.5이며, TiO2의 굴절률(nTiO2)은 대략 2.0이며, SiO2의 굴절률(nSiO2)은 대략 1.5이다.
제1 물질층(151)들은 모두 동일한 광학적 두께를 가지며, 제3 물질층(153)의 광학적 두께는 제1 물질층들의 광학적 두께와 다르다. 일 예로, 제1 물질층(151)들은 서로 같은 물리적 두께 tDBR1를 가지며, 제3 물질층(153)의 물리적 두께 tDBR3는 제1 물질층들의 물리적 두께 tDBR1와 같을 수 있다. 구체적으로, 제1 물질층들과 상기 제3 물질층(153)은 모두 λ/(4*n1)의 홀수배의 물리적 두께를 가질 수 있다. 여기서 λ는 입사되는 광의 파장을 나타내며, n1은 제1 물질층의 굴절률을 나타낸다. 예시적으로, 동작파장은 1.55μm인 경우에 대해 제1 물질층(151)은 Si으로 형성되고 λ/(4nSi)에 해당되는 110.7nm의 두께를 가지며, 제3 물질층(153)은 TiO2로 형성되며, 제1 물질층(151)의 두께와 동일한 110.7nm의 두께를 가질 수 있다. 물론, 제3 물질층(153)은 제1 물질층(151)의 두께와 다른 두께를 가질 수도 있다.
제2 물질층(152)들 역시 서로 같은 물리적 두께 tDBR2를 가질 수 있다. 구체적으로, 제2 물질층(152)들은 λ/(4*n2)의 홀수배의 두께를 가질 수 있다. 여기서 λ는 입사되는 광의 파장을 나타내며, n2는 제2 물질층(152)의 굴절률을 나타낸다. 예시적으로, 제2 물질층(152)은 SiO2로 형성되고 λ/(4nSiO2)에 해당되는 258.3nm의 두께를 가질 수 있다.
나아가, 제1 물질층(151)들과 제2 물질층(152)들은 서로 동일한 광학적 두께를 가질 수 있다. 이 경우, 제3 물질층(153)만 제1 물질층들의 광학적 두께와 다른 광학적 두께를 가지게 될 것이다. 예시적으로, 동작파장은 1.55μm인 경우에 대해 제1 물질층(151)들과 제2 물질층(152)들은 λ/4에 해당되는 397.5nm의 광학적 두께를 가지며, 제3 물질층(153)은 221.4nm의 광학적 두께를 가질 수 있다.
제2 반사구조체(150)에 소정 파장의 입사광(Li)이 입사하는 경우, 제1 물질층(151)들과 제2 물질층(152)들의 경계면, 제2 물질층(152)들과 제3 물질층(153)의 경계면에서 반사가 일어난다.
이 때 제1 물질층(151)들과 제2 물질층(152)들만이 교호하여 적층된 경우라면, 반사되는 모든 광들의 위상차를 동일하게 하여, 반사광들의 보강 간섭이 일어나겠지만, 제3 물질층(153)으로 말미암아 반사광들의 일부가 보강 간섭을 하지 못하게 되고 반사율이 작아지게 된다.
도 2는 제3 물질층(153)의 개수에 따른 반사 적층체의 반사율 관계를 나타내는 그래프이며, 도 3은 도 2에서 반사율 95%에서 100% 구간을 확대한 그래프이며, 도 4는 제1 물질층(151)과 제2 물질층(152)과 제3 물질층(153)의 다양한 조합에 의해 얻어지는 다양한 반사율을 내림차순으로 정렬(sort)한 결과를 나타낸다.
도 2 내지 도 4의 그래프는, 동작파장이 1.55μm이며, 제1 물질층(151)이 110.7nm의 두께를 가지고 Si으로 형성되며, 제2 물질층(152)은 258.3nm의 두께를 가지고 SiO2로 형성되며, 제3 물질층(153)은 110.7nm의 두께를 가지고 TiO2로 형성된 경우에 얻어진 결과이다.
도 2 및 도 3에서 DBR#은 단위 적층체의 개수를 의미한다. 여기서 단위 적층체라 함은 제1 물질층(151)과 제2 물질층(152) 또는 제3 물질층(153)과 2 물질층(152)로 이루어진 한 쌍을 의미한다. 실선은 제3 물질층(153)이 0개인 경우의 반사율을 나타낸 것으로서, 제1 물질층(151)들과 제2 물질층(152)들만으로 이루어진 분산 브레그 반사체의 반사율을 나타낸다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 단위 적층체의 개수가 동일한 경우를 기준으로, 제3 물질층(153)이 1개인 경우는 제3 물질층(153)이 0개인 경우에 비해 반사율이 떨어짐을 볼 수 있다. 나아가, 제3 물질층(153)이 2개인 경우는 제3 물질층(153)이 1개인 경우에 비해 반사율이 더 떨어짐을 볼 수 있다. 전반적으로, 단위 적층체의 개수가 증가함에 따라 반사율이 증가함을 볼 수 있다.
이는 전술한 바와 같이, 제3 물질층(153)이 공진기 내에서의 보강 간섭을 방해함에 따라 손실이 발생하여 반사율이 작아지게 되는 것으로 이해될 수 있다.
도 4에서 가로 점선들은 제3 물질층(153)이 없는 경우에 얻을 수 있었던 이산적(불연속적) 반사율을 나타낸다. 가령, 도 3과 도 4를 동시에 참조하면, 가로 점선 A는 제1 물질층(151)과 제2 물질층(152)의 쌍으로 이루어진 단위 적층체의 개수가 4개인 경우로서, 대략 반사율 99.55을 가르키며, 가로 점선 B는 제1 물질층(151)과 제2 물질층(152)의 쌍으로 이루어진 단위 적층체의 개수가 5개인 경우로서, 대략 반사율 99.92를 가르킨다. 달리 말하면, 제3 물질층(153)이 없는 적층 반사체인 경우에 대략 99.05와 99.92 사이의 반사율은 구현할 수 없음을 볼 수 있다.
반면에, 제1 물질층(151)과 제2 물질층(152)과 제3 물질층(153)의 다양한 조합으로 적층 반사체를 형성한 경우, 가로 점선 A과 가로 점선 B 사이에 7개의 반사율이 존재함을 볼 수 있다. 달리 말하면, 제3 물질층(153)을 도입함에 따라, 제2 반사구조체(150)의 반사율을 매우 정밀하게 조정할 수가 있다.
전술한 바와 같이, 제1 반사구조체(130)와 제2 반사구조체(150) 사이에서 공진하던 광이 제2 반사구조체(150)를 통해 외부로 출력되기 위해서는 제2 반사구조체(150)의 반사율은 제1 반사구조체(130)의 반사율보다 낮아야 한다. 또한, 높은 공진 효율을 확보하기 위해서는 가급적 제1 반사구조체(130)와 제2 반사구조체(150)의 반사율이 높아야 한다. 본 실시예의 광 변조 소자(100)는 제3 물질층(153)을 도입하여 매우 미세하게 반사율을 조정함으로써, 높은 공진 효율을 확보하면서도 출력이 가능하도록 할 수가 있게 된다.
다음으로, 본 실시예의 광 변조 소자(100)의 외부 신호에 의해 반사위상을 조절하는 원리를 설명한다. 도 5는 온도에 따른 Si의 굴절률 변화를 나타낸 것이다. Si의 굴절률은 다음 식에 따라 변할 수 있다.
Figure pat00003
여기서, T는 온도이고, n은 굴절률을 나타낸다. 식 1에 따르면, 온도가 약 300도 변할 때, Si의 굴절률이 약 0.1만큼 변한다.
Si의 굴절률이 변화하면 제1 반사 구조체(130)의 그레이팅(131)의 반사 위상이 변화하여 공진 파장이 변하게 된다. 그 결과, 운용 파장(operation wavelength)은 공진 파장을 벗어나게 된다. 이를 디튜닝 공진(detuned resonance)이라고 부른다. 디튜닝 공진(detuned resonance)을 이용하면, 반사 위상을 조절할 수 있다.
본 실시예는 제1 반사 구조체(130)가 기판(110)에 위치하고 제2 반사 구조체(150)가 상부층(160)쪽에 위치하고 있으나, 제1 반사 구조체(130)와 제2 반사 구조체(150)의 위치는 서로 뒤바뀔 수도 있다.
본 실시예는 가열체(120)가 기판(110)과 제1 반사 구조체(130) 사이에 위치한 경우를 예로 들어 설명하고 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 가령, 가열체(120)는 제2 반사 구조체(150)의 상부 또는 하부에 위치하여, 제2 반사 구조체(150)의 반사 위상을 변화시킬 수도 있다. 이러한 경우, 가열체(120)가 입사광(Li)/출력광(Lo)에 대해 투명한 재질로 형성된다.
도 6은 예시적인 실시예에 따른 광 변조 소자(200)의 구조를 간략하게 도시한 측단면도이다. 도 6을 참조하면, 본 실시예의 광 변조 소자(200)는 입사광(Li)이 배면으로 입사하여 출력광(Lo)이 상면으로 출력하는 투과형 소자이다. 광 변조 소자(200)는 투명 재질의 기판(210)과, 기판(210) 상에 마련되고 입사광(Li)에 대해 투명한 가열체(220)와, 가열체(220) 상에 마련된 제1 반사구조체(230)와, 제1 반사 구조체(230) 상에 마련되는 캐비티층(240)과, 캐비티층(240) 상에 마련된 제2 반사구조체(250)를 포함한다. 제2 반사구조체(250)의 상부에는 투명한 재질로 형성된 상부층(260)이 마련될 수 있다. 제2 반사 구조체(250)는 굴절률이 서로 다른 제1 물질층(251)들과 제2 물질층(252)들이 반복적으로 교호하여 적층하되, 제1 물질층(251)들이 위치할 곳들 중 적어도 한 곳이 제3 물질층(253)으로 대체된 적층 반사체일 수 있다. 제1 반사 구조체(230)와 제2 반사 구조체(250)의 위치는 서로 뒤바뀔 수도 있다.
본 실시예의 광 변조 소자(200)는, 기판(210)이나 가열체(220)가 입사광(Li)에 대해 투명한 재질로 형성된다는 점을 제외하고는 전술한 실시예의 광 변조 소자(100)와 실질적으로 동일하다.
본 실시예는 가열체(220)가 기판(210)과 제1 반사 구조체(230) 사이에 위치한 경우를 예로 들어 설명하고 있으나, 가열체(220)는 제2 반사 구조체(250)의 상부 또는 하부에 위치할 수도 있다.
도 7은 예시적인 실시예에 따른 광 변조 소자(300)의 구조를 간략하게 도시한 측단면도이다. 도 7을 참조하면, 본 실시예의 광 변조 소자(300)는 기판(310)과, 기판(310) 상에 마련된 가열체(320)와, 가열체(320) 상에 마련된 제1 반사구조체(330)와, 제1 반사 구조체(330) 상에 마련되는 캐비티층(340)과, 캐비티층(340) 상에 마련된 제2 반사구조체(350)를 포함한다. 제2 반사구조체(350)의 상부에는 투명한 재질로 형성된 상부층(360)이 마련될 수 있다. 광 변조 소자(300)는 반사형 또는 투과형일 수 있다. 본 실시예의 광 변조 소자(300)는, 제2 반사구조체(350)의 구조를 제외하고는 전술한 실시예들의 광 변조 소자(100, 200)와 실질적으로 동일하므로, 차이점을 중심으로 설명하기로 한다.
제2 반사구조체(350)는, 굴절률이 서로 다른 제1 물질층(351, 353)들과 제2 물질층(352)들이 반복적으로 교호하여 적층하되, 상기 제1 물질층(351, 353)들 중 적어도 한 제1 물질층(이하 두께가 변형된 제1 물질층) (353)의 두께 tDBR3가 나머지 제1 물질층(351)들의 두께 tDBR1과 다르게 구성된 적층 반사체이다.
나머지 제1 물질층(351)들의 두께 tDBR1은 λ/(4*n1)의 홀수배이며, 두께가 변형된 제1 물질층의 두께 tDBR3은 다음의 조건을 만족한다.
Figure pat00004
여기서, λ는 입사되는 광의 파장을 나타내며, n1은 제1 물질층의 굴절률을 나타낸다.
예를 들어, 나머지 제1 물질층(351)들의 두께 tDBR1가 λ/(4*n1)인 경우에, 변형된 제1 물질층(353)의 두께 tDBR3은 다음의 조건을 만족한다.
Figure pat00005
제2 물질층(352)들은 서로 같은 물리적 두께를 가질 수 있다. 구체적으로, 제2 물질층(352)들은 λ/(4* n2)의 홀수배의 두께를 가질 수 있다. 여기서 λ는 입사되는 광의 파장을 나타내며, n2는 제2 물질층(352)의 굴절률을 나타낸다.
나아가, 나머지 제1 물질층(351)들과 제2 물질층(352)들은 서로 동일한 광학적 두께를 가질 수 있다. 이 경우, 변형된 제1 물질층(153)만 나머지 제1 물질층(351)들과 제2 물질층(352)들의 광학적 두께와 다른 광학적 두께를 가지게 될 것이다.
도 1을 참조하여 설명한 실시예에서와 마찬가지로, 두께가 변형된 제1 물질층(353)으로 말미암아 반사광들의 일부가 보강 간섭을 하지 못하게 되고 반사율이 작아지게 된다. 달리 말하면, 두께가 변형된 제1 물질층(353)을 도입함에 따라, 제2 반사구조체(150)의 반사율을 매우 정밀하게 조정할 수가 있다.
본 실시예는 가열체(320)가 기판(310)과 제1 반사 구조체(330) 사이에 위치한 경우를 예로 들어 설명하고 있으나, 가열체(320)는 제2 반사 구조체(350)의 상부 또는 하부에 위치하여, 제2 반사 구조체(350)의 반사 위상을 변화시킬 수도 있다.
도 8은 예시적인 실시예에 따른 광 변조 소자의 구조를 간략하게 도시한 측단면도이다. 도 8을 참조하면, 본 실시예의 광 변조 소자(400)는 기판(410)과, 기판(410) 상에 마련된 가열체(420)와, 가열체(420) 상에 마련된 제1 반사구조체(430)와, 제1 반사 구조체(430) 상에 마련되는 캐비티층(440)과, 캐비티층(440) 상에 마련된 제2 반사구조체(450)를 포함한다. 제2 반사구조체(450)의 상부에는 투명한 재질로 형성된 상부층(460)이 마련될 수 있다. 광 변조 소자(400)는 반사형 또는 투과형일 수 있다. 본 실시예의 광 변조 소자(400)는, 제1 반사구조체(430)가 분산 브레그 반사체라는 점을 제외하고는, 도 1 및 도 6을 참조하여 설명한 실시예들의 광 변조 소자(100, 200)와 실질적으로 동일하므로, 차이점을 중심으로 설명하기로 한다.
제2 반사구조체(450)는 굴절률이 서로 다른 제1 물질층(451)들과 제2 물질층(452)들이 반복적으로 교호하여 적층하되, 제1 물질층(451)들이 위치할 곳들 중 적어도 한 곳이 제3 물질층(453)으로 대체된 적층 반사체일 수 있다. 또는 제2 반사구조체(450)는 굴절률이 서로 다른 제1 물질층(451, 453)들과 제2 물질층(452)들이 반복적으로 교호하여 적층하되, 상기 제1 물질층(451, 453)들 중 적어도 한 제1 물질층(이하 두께가 변형된 제1 물질층) (453)의 두께가 나머지 제1 물질층(451)들의 두께와 다르게 구성된 적층 반사체일 수 있다.
제1 반사구조체(430)는 굴절률이 서로 다른 제4 물질층(431)들과 제5 물질층(432)들이 반복적으로 교호하여 적층되어 형성된 분산 브레그 반사체이다. 예를 들어, 제4 물질층(431)들은 Si으로 형성되고 제5 물질층(432)들은 SiO2로 형성될 수 있다. 제4 물질층(431)들과 제5 물질층(432)들은 서로 동일한 광학적 두께를 가질 수 있다.
도 1을 참조하여 설명한 실시예처럼, 온도가 변하게 되면, Si의 굴절률이 변화하면 제1 반사 구조체(430)의 반사 위상이 변화하여 공진 파장이 변하게 된다. 그 결과, 운용 파장(operation wavelength)은 공진 파장을 벗어나게 되고, 이를 이용하면, 반사 위상을 조절할 수 있다.
본 실시예는 제1 반사구조체(430)가 종래의 분산 브레그 반사체인 경우만을 고려하였으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 제1 반사구조체(430)는, 제2 반사구조체(450)와 비슷하게, 굴절률이 서로 다른 제4 물질층(431)들과 제5 물질층(432)들이 반복적으로 교호하여 적층하되, 제4 물질층(431)들이 위치할 곳들 중 적어도 한 곳이 제4 물질층(431)들의 굴절률과 다른 굴절률을 가진 제6 물질층으로 대체되거나 나머지 제1 물질층(451)들의 두께와 다르게 구성될 수도 있을 것이다.
본 실시예는 가열체(420)가 기판(410)과 제1 반사 구조체(430) 사이에 위치한 경우를 예로 들어 설명하고 있으나, 가열체(420)는 제2 반사 구조체(450)의 상부 또는 하부에 위치하여, 제2 반사 구조체(450)의 반사 위상을 변화시킬 수도 있다.
도 9는 예시적인 실시예에 따른 광 변조 소자(500)의 구조를 간략하게 도시한 측단면도이다.
도 9를 참조하면, 본 실시예의 광 변조 소자(500)는 기판(510)과, 기판(410) 상에 마련된 제1 반사구조체(530)와, 제1 반사 구조체(530) 상에 마련되는 캐비티층(540)과, 캐비티층(540) 상에 마련된 제2 반사구조체(550)를 포함한다. 제2 반사구조체(550)의 상부에는 투명한 재질로 형성된 상부층(560)이 마련될 수 있다. 광 변조 소자(500)는 반사형 또는 투과형일 수 있다. 본 실시예의 광 변조 소자(500)는, 자극으로 열 대신에 전기적 신호를 사용한다는 점을 제외하고는, 전술한 실시예들의 광 변조 소자(100, 200, 300, 400)와 실질적으로 동일하므로, 차이점을 중심으로 설명하기로 한다.
캐비티층(540)은 그의 전기적 조건에 따라 물성이 변화되는 활성층일 수 있다. 캐비티층(540) 및 그 주변 영역과 관련된 전기적 조건에 따라서, 캐비티층(540)의 유전율(permittivity) 또는 굴절률이 변화될 수 있다. 캐비티층(540)의 유전율/굴절률 변화는 캐비티층(540) 내 영역(들)의 전하농도(전하밀도)의 변화에 기인한 것일 수 있다. 다시 말해, 캐비티층(540) 내 영역(들)의 전하농도 변화에 의해 캐비티층(540)의 유전율/굴절률이 변화될 수 있다. 캐비티층(540)에 인가되는 전기장이나 전압에 따라 캐비티층(540)의 유전율/굴절률이 변화될 수 있다. 캐비티층(540)은, 예를 들어, 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. 또는, TiN, ZrN, HfN, TaN과 같은 전이금속 질화물(transition metal nitride)(TMN)를 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. 캐비티층(540)은 도전체이거나 반도체일 수 있다.
광 변조 소자(500)는 제1 반사구조체(530)과 접촉하는 제1 전극(571) 및 제2 반사구조체(550)과 접촉하는 제2 전극(571)을 더 포함할 수 있다. 제1 반사구조체(530)와 제2 반사구조체(550)가 도전성을 가지는 경우, 제1 및 제2 전극(571)은 제1 및 제2 반사구조체(530, 550)에 접촉하는 전극패드일 수 있다. 제1 반사구조체(530)와 제2 반사구조체(550)가 도전성을 가지지 않는 경우, 제1 및 제2 전극(571)은 제1 반사구조체(530)와 제2 반사구조체(550) 각각의 상부 또는 하부에 마련된 투명 전극층을 포함할 수 있다.
외부 전원으로부터 제1 전극(571) 및 제2 전극(572) 사이에 소정의 전압이 인가되면, 캐비티층(540)의 굴절률이 변할 수 있다. 이에 따라, 제1 반사 구조체(530)와 제2 반사 구조체(550) 사이에서 공진하는 광의 위상이 변하게 된다. 이에 따라, 입사광(Li)과 출력광(Lo)의 위상은 서로 다를 수 있다.
나아가, 외부 전원으로부터 제1 전극(571) 및 제2 전극(572) 사이에 소정의 전압이 인가되면, 광전흡수(Electroabsorption)에 의해 공진하던 광의 일부가 캐비티층(540) 내에서 흡수된다. 이에 따라, 입사광(Li)과 출력광(Lo)의 세기는 서로 다를 수 있다.
본 실시예는 캐비티층(540)이 전기적 조건에 따라 물성이 변화되는 활성층인 경우를 예로 들어 설명하고 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 가령, 제1 반사 구조체(530)나 제2 반사 구조체를 이루는 층들 중 적어도 한 층이 전기적 조건에 따라 물성이 변화되는 활성층일 수도 있다. 예를 들어, 제1 반사 구조체(530)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(530)의 전기광학 물질층의 굴절률이 변하고, 제1 반사 구조체(530)와 제2 반사 구조체(550) 사이에서 공진하는 광의 위상이 변하게 된다.
전술한 실시예들에서 외부의 자극은 열과, 전압을 예로 들어 설명하였으나, 전류나 자기장이고, 공진기를 구성하는 캐비티층(540), 제1 반사 구조체(530) 및 제2 반사 구조체(550) 중 적어도 어느 하나가 전류나 자기장에 의해 굴절률이 변경되는 물질로 형성될 수도 있다.
도 10은 예시적인 실시예에 따른 광학 디바이스의 구조를 간략하게 도시한 평면도이다. 도 10을 참조하면, 복수의 광 변조 소자(M1)를 포함하는 공간 광 변조기(600A)가 마련될 수 있다. 본 실시예의 공간 광 변조기(600A)는 광학 디바이스의 일 예이다. 복수의 광 변조 소자(M1)는 X축 및 Y축 방향으로 복수의 행과 열을 이루도록 배열될 수 있다. 광 변조 소자(M1) 각각은 픽셀 또는 채널로 이해될 수 있으며, 사각형이나 원형, 다각형 등 다양한 형상을 가질 수 있다. 광 변조 소자(M1)들은 독립적으로 반사위상 또는 투과위상을 조절할 수 있으며, 따라서 본 실시예의 공간 광 변조기(600A)는 픽셀 또는 채널별로 서로 상이한 위상 분포를 가질 수 있다.
도 11은 예시적인 실시예에 따른 광학 디바이스의 구조를 간략하게 도시한 평면도이다. 도 11을 참조하면, 복수의 광 변조 소자(M2)를 포함하는 공간 광 변조기(600B)가 마련될 수 있다. 공간 광 변조기(600B)는 광 디바이스의 일 예이다. 복수의 광 변조 소자(M2)는 상부에서 볼 때 라인(line) 형상을 가질 수 있다. 예컨대, 복수의 광 변조 소자(M2)는 Y축 방향으로 연장될 수 있고, X축 방향으로 상호 이격하여 배열될 수 있다.
도 10이나 도 11에 도시한 배열 방식은 예시적인 것이고, 다양하게 변화될 수 있다. 또한, 세 개 이상의 단위 영역이 다양한 방식으로 배열될 수 있다.
도 12는 예시적인 실시예에 따른 광학 디바이스의 구조를 간략하게 도시한 도면이다.
도 12를 참조하면, 빔 스캐닝 장치(700)는 광의 위상의 변조하는 공간 광 변조기(730)와, 공간 광 변조기(730)로부터 나온 광을 출사시키는 위상 마스크(740)를 포함할 수 있다. 이러한 빔 스캐닝 장치(700)는 광 디바이스의 일 예이다.
공간 광 변조기(730)는 기판(710)에 픽셀 단위로 배열된 광 변조 소자(720)를 포함할 수 있다. 공간 광 변조기(730)는 광 변조 소자(720) 별로 (달리 말하면, 픽셀 별로) 광의 위상을 변조할 수 있다. 광 변조 소자(720) 각각은 공간 광 변조기(730)를 독립적으로 구동할 수 있는 단위일 수 있다. 또는, 광 변조 소자(720) 각각은 위상을 변조할 수 있는 단위일 수 있다. 광 변조 소자(720)들은 기판(710)에 픽셀(단위로 이격되어 배치될 수 있다. 특정 위상은 공간 광 변조기(730)에 입력되는 전압, 전류, 열, 자기장 등과 같은 입력 값에 따라 제어될 수 있다. 공간 광 변조기(730)에 인가된 외부 신호에 의해 공진 특성이 달라지게 되어 외부로 출사되는 광의 위상이 조절될 수 있다.
위상 마스크(740)는 지지판(741)과, 지지판(741)에 배열된 복수 개의 나노 구조(742)를 포함할 수 있다. 지지판(741)은 광을 투과시키는 투명판일 수 있다.
나노 구조(742)는 나노 사이즈를 가지는 구조를 포함할 수 있다. 나노 구조는 예를 들어, 기둥형 구조를 포함할 수 있다. 위상 마스크(740)는 공간 광 변조기(730)의 픽셀에 대응되는 영역에 나노 구조 배열을 포함할 수 있다. 예를 들어, 위상 마스크(740)는 픽셀 마다 서로 다른 나노 구조 배열을 가질 수 있다. 나노 구조(742)는 픽셀에 따라 나노 구조(742)의 사이즈, 개수, 형상, 나노 구조의 배열 간격 중 적어도 하나가 다르게 구성될 수 있다. 나노 구조(742)는 주기적으로 배열될 수도 있고, 비주기적으로 배열되는 것도 가능하다. 나노 구조(742)의 형상, 배열 간격, 나노 구조(742)의 사이즈의 조합을 이용하여 나노 구조(742)를 배열함으로써 투과파의 위상을 조절할 수 있다.
따라서, 공간 광 변조기(730)와 위상 마스크(740)를 조합하여 빔 스캐닝 장치(700)를 구성하는 것이 가능하다. 공간 광 변조기(730)와 위상 마스크(740)의 조합에 따라 빔 스캐닝 장치(700)가 반사형으로 동작하거나 투과형으로 동작할 수 있다. 반사형 빔 스캐닝 장치(700)에서는 광이 위상 마스크(740) 쪽으로 입사하고, 위상 마스크(740)를 통해 공간 광 변조기(730)로 입사한 광이 공간 광 변조기(730)에서 공진하고 위상 마스크(740)를 통해 광이 출사될 수 있다. 투과형 빔 스캐닝 장치(700)에서는 광이 공간 광 변조기(730) 쪽으로 입사하고, 공간 광 변조기(730)에서 공진하고, 위상 마스크(740)를 통해 출사될 수 있다.
빔 스캐닝 장치(700)에서 출사된 출사광(Lo)의 광파면은 공간 광 변조기(730)와 위상 마스크(740)의 조합에 따른 위상 분포를 가지며, 이에 따라 출사광(Lo)의 진행 방향이 조절될 수 있다.
전술한 실시예의 빔 스캐닝 장치는, 예를 들어, 차량용 LiDAR와 같은 3차원 센서 또는 3차원 카메라에서 사용되는 깊이 센서 등의 시스템에 채용되어, 시스템의 정밀도를 높일 수 있다. 또는 전술한 실시예의 빔 스캐닝 장치는 차량용 LiDAR이외에도, 로봇용 LiDAR, 드론용 LiDAR, 보안용 침입자 감지 시스템, 지하철 스크린 도어 장애물 감지 시스템, 깊이 센서, 모바일폰에서의 사용자 얼굴인식용 센서, 증강현실(Ar; augmented reality), TV 혹은 오락기기에서의 동작인식 및 물체 형태 검사(object profiling) 등에 사용될 수 있다.
예를 들어, 도 13은 예시적인 실시예에 따른 광학 디바이스를 포함한 전자 장치(800)의 구성을 개략적으로 보이는 블록도이다.
도 13을 참조하면, 일 실시예에 따른 전자 장치(800)은 광을 조사하는 광원(810), 광원(810)으로부터 입사한 광의 진행 방향을 조절하는 빔 스캐닝 장치(820), 빔 스캐닝 장치(820)에서 방출되어 물체(Object)로부터 반사된 광을 감지하는 광검출기(840), 및 빔 스캐닝 장치(820)를 제어하는 제어기(830)를 포함할 수 있다.
광원(810)은, 예를 들어, 가시광선을 방출하는 광원 또는 약 800 nm 내지 약 1500 nm 대역의 근적외선을 방출하는 레이저 다이오드(laser diode; LD) 또는 발광 다이오드(LED; light emitting diode)를 포함할 수 있다.
빔 스캐닝 장치(820)는 도 10 내지 도 12를 참조하여 설명한 실시예들을 포함할 수 있다. 빔 스캐닝 장치(820)가 각 픽셀 별로 전압, 전류, 열, 온도, 자기장 중 적어도 하나의 입력에 의해 위상을 변조하여 광빔의 진행 방향을 조절할 수 있다. 빔 스캐닝 장치(820)는 공간 광 변조기와 위상 마스크에 의해 넓은 시야각을 가지고 스캐닝할 수 있다. 도 13에서 광원(810)이 빔 스캐닝 장치(820)와 별도로 구비된 예를 도시하고 있으나, 광원(810)이 빔 스캐닝 장치(820) 내에 구비되는 것도 가능하다.
제어기(830)는 빔 스캐닝 장치(820), 광원(810), 및 광검출기(840)의 동작을 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어기(830)는 광원(810) 및 광검출기(840)의 온/오프 동작, 빔 스캐닝 장치(820)의 빔 스캐닝 동작을 제어할 수 있다. 또한, 제어기(830)는 광검출기(840)의 측정 결과를 기초로 물체(Object)에 대한 정보를 계산할 수 있다.
전자 장치(800)은 주변의 복수의 위치에 있는 물체들에 대한 정보를 얻기 위해 빔 스캐닝 장치(820)를 이용하여 주변의 여러 영역에 대해 광을 주기적으로 조사할 수 있다.
도 14는 예시적인 실시예에 따른 광학 디바이스를 포함한 전자 장치(900)를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 14에 도시된 바와 같이, 전자 장치(900)은 빔 스캐닝 장치(910)와, 빔 스캐닝 장치(910)에 의해 조향된 광이 물체에 의해 반사된 광을 검출하기 위한 광검출기(930)를 포함할 수 있다. 전자 장치(900)은 빔 스캐닝 장치(910) 및 광검출4(2300) 중 적어도 하나에 연결된 회로부(920)를 더 포함할 수 있다. 회로부(920)는 데이터를 획득하여 연산하는 연산부를 포함할 수 있고, 구동부 및 제어기 등을 더 포함할 수 있다. 또한, 회로부(920)는 전원부 및 메모리 등을 더 포함할 수 있다.
도 14에서는 전자 장치(900)이 하나의 장치 내에 빔 스캐닝 장치(910) 및 광검출기(930)를 포함하는 경우를 도시하였지만, 빔 스캐닝 장치(910) 및 광검출기(930)는 하나의 장치로 구비되지 않고, 별도의 장치에 분리되어 구비될 수도 있다. 또한, 회로부(920)는 빔 스캐닝 장치(910)나 광검출기(930)에 유선으로 연결되지 않고, 무선 통신으로 연결될 수 있다. 그 밖에도 도 14의 구성은 다양하게 변경될 수 있다.
이상에서 설명한 실시예에 따른 빔 스캐닝 장치는 다양한 시스템에 적용될 수 있다. 일례로, 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 15는 예시적인 실시예에 따른 전자 장치가 차량용 라이다에 적용된 예를 측방향에서 도시한 것이며, 도 16은 예시적인 실시예에 따른 빔 스캐닝 장치가 차량용 라이다에 적용된 예를 평면에서 도시한 것이다.
도 15 및 도 16은 일 실시예에 따른 빔 스캐닝 장치를 포함하는 라이다(LiDAR) 장치를 차량에 적용한 경우를 보여주는 개념도이다. 도 15는 측방에서 바라본 도면이고, 도 16은 위에서 바라본 도면이다.
도 15를 참조하면, 차량(1000)에 라이다(LiDAR) 장치(1100)를 적용할 수 있고, 이를 이용해서 피사체(1200)에 대한 정보를 획득할 수 있다. 차량(1000)은 자율 주행 기능을 갖는 자동차일 수 있다. 라이다(LiDAR) 장치(1100)를 이용해서, 차량(1000)이 진행하는 방향에 있는 물체나 사람, 즉, 피사체(1200)를 탐지할 수 있다. 또한, 송신 신호와 검출 신호 사이의 시간 차이 등의 정보를 이용해서, 피사체(1200)까지의 거리를 측정할 수 있다. 또한, 도 163에 도시된 바와 같이, 스캔 범위 내에 있는 가까운 피사체(1200)와 멀리 있는 피사체(1300)에 대한 정보를 획득할 수 있다.
본원의 다양한 실시예에 따른 빔 스캐닝 장치는 라이다(LiDAR) 이외에 다양한 시스템에 적용될 수 있다. 예컨대, 다양한 실시예에 따른 빔 스캐닝 장치를 이용하면 스캐닝을 통해 공간 및 피사체의 3차원적인 정보를 획득할 수 있기 때문에, 3차원 이미지 획득 장치나 3차원 카메라 등에 적용될 수 있다. 또한, 빔 스캐닝 장치는 홀로그래픽(holographic) 디스플레이 장치 및 구조광(structured light) 발생 장치에도 적용될 수 있다. 또한, 빔 스캐닝 장치는 홀로그램(hologram) 생성 장치, 광 결합 장치, 가변 초점 렌즈, 깊이 센서(depth sensor) 등 다양한 광학 디바이스에 적용될 수 있다. 또한, 빔 스캐닝 장치는 메타 표면 또는 메타 구조가 이용되는 다양한 분야에 적용될 수 있다. 그 밖에도 본원의 실시예에 따른 빔 스캐닝 장치 및 이를 포함하는 시스템은 다양한 광학 및 전자기기 분야에 여러 가지 용도로 적용될 수 있다.
전술한 본 발명인 광 변조 소자, 광 변조 소자를 포함한 광학 디바이스, 및 광학 디바이스를 포함하는 전자 장치는 이해를 돕기 위하여 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. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
100, 200, 300, 400, 500, M1, M2: 광 변조 소자
110, 210, 310, 410, 510: 기판
120, 220, 320, 420: 가열체
130, 230, 330, 430, 530: 제1 반사 구조체
140, 240, 340, 440, 550: 캐비티
150, 250, 350, 450, 550: 제2 반사 구조체
151: 제1 물질층
152: 제2 물질층
153: 제3 물질층
160, 260, 360, 460, 560: 상부층
600A; 공간 광 변조기
600B; 선형 광 변조기
700: 빔 조향 장치
800: 빔 스캐닝 시스템
900: 빔 스캐닝 시스템
1000: 라이다 시스템

Claims (20)

  1. 기판; 및
    외부의 자극에 의해 굴절률이 변조되어 입사광의 위상을 변조하는 것으로, 상기 기판 상에 마련된 제1 반사구조체와, 상기 제1 반사 구조체 상에 마련되는 캐비티층과, 상기 캐비티층 상에 마련된 제2 반사구조체를 포함하는 공진기;를 포함하며,
    상기 제1 반사구조체 및 상기 제2 반사구조체 중 적어도 어느 하나는, 굴절률이 서로 다른 제1 물질층들과 제2 물질층들이 반복적으로 교호하여 적층하되, 상기 제1 물질층들이 위치할 곳들 중 적어도 한 곳이 상기 제1 물질층들의 굴절률과 다른 굴절률을 갖는 제3 물질층으로 대체된 적층 반사체인 광 변조 소자.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 물질층들은 동일한 광학적 두께를 가지며,
    제3 물질층의 광학적 두께는 상기 제1 물질층들의 광학적 두께와 다른 광 변조 소자.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 제1 물질층들은 같은 물리적 두께를 가지며,
    제3 물질층의 물리적 두께는 상기 제1 물질층들의 물리적 두께와 같은 광 변조 소자.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 제1 물질층들과 상기 제3 물질층은 λ/(4*n1)의 홀수배의 물리적 두께를 가지며, 여기서 λ는 입사되는 광의 파장을 나타내며, n1은 제1 물질층의 굴절률을 나타내는 광 변조 소자.
  5. 제3 항에 있어서,
    상기 제2 물질층들은 λ/(4* n2)의 홀수배의 두께를 가지며, 여기서 λ는 입사되는 광의 파장을 나타내며, n2는 상기 제2 물질층의 굴절률을 나타내는 광 변조 소자.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 반사구조체의 반사율이 상기 제2 반사구조체의 반사율보다 큰 광 변조 소자.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 반사구조체 및 상기 제2 반사구조체 중 다른 하나는 분산 브레그 반사체 또는 그레이팅 반사체를 포함하는 광 변조 소자.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 기판과 상기 제1 반사구조체의 사이, 상기 제2 반사구조체의 상부, 또는 상기 반사구조체의 하부에 배치된 가열체를 더 포함하며,
    상기 제1 반사구조체 또는 상기 제2 반사구조체는 온도에 따라 굴절률이 변하는 물질을 포함하는 광 변조 소자.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 캐비티층, 상기 제1 반사구조체, 또는 상기 제2 반사구조체는 인가되는 전기적 신호에 따라 유전율이 변하는 전기광학물질을 포함하며,
    상기 제1 반사구조체에 접촉하는 제1 전극과 상기 제2 반사구조체에 접촉하는 제2 전극을 통하여 전압이 인가되는 광 변조 소자.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 외부의 자극은 열, 전압, 전류, 자기장 중 적어도 어느 하나인 광 변조 소자.
  11. 기판; 및
    외부의 자극에 의해 굴절률이 변조되어 입사광의 위상을 변조하는 것으로, 상기 기판 상에 마련된 제1 반사구조체와, 상기 제1 반사 구조체 상에 마련되는 캐비티층과, 상기 캐비티층 상에 마련된 제2 반사구조체를 포함하는 공진기;를 포함하며,
    상기 제1 반사구조체 및 상기 제2 반사구조체 중 적어도 어느 하나는, 굴절률이 서로 다른 제1 물질층들과 제2 물질층들이 반복적으로 교호하여 적층하되, 상기 제1 물질층들 중 적어도 한 제1 물질층의 두께는 나머지 제1 물질층들의 두께와 다른 적층 반사체인 광 변조 소자.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 나머지 제1 물질층들의 두께 t1은 λ/(4*n1)의 홀수배이며,
    상기 적어도 한 제1 물질층의 두께 t1'는 다음의 조건을 만족하며,
    t1-0.75*λ/(4*n1)≤t1'<t1 또는 t1<t1'≤2*t1
    여기서, λ는 입사되는 광의 파장을 나타내며, n1은 제1 물질층의 굴절률을 나타내는 광 변조 소자.
  13. 제11 항에 있어서,
    상기 제2 물질층들은 λ/(4* n2)의 홀수배의 두께를 가지며, 여기서 λ는 입사되는 광의 파장을 나타내며, n2는 상기 제2 물질층의 굴절률을 나타내는 광 변조 소자.
  14. 제11 항에 있어서,
    상기 제1 반사구조체의 반사율이 상기 제2 반사구조체의 반사율보다 큰 광 변조 소자.
  15. 제11 항에 있어서,
    상기 제1 반사구조체 및 상기 제2 반사구조체 중 다른 하나는 분산 브레그 반사체 또는 그레이팅 반사체를 포함하는 광 변조 소자.
  16. 제11 항에 있어서,
    상기 외부의 자극은 열, 전압, 전류, 자기장 중 적어도 어느 하나인 광 변조 소자.
  17. 제1 항 내지 제16 항 중 어느 한 항의 광 변조 소자들이 1차원 또는 2차원의 픽셀 단위로 배열되고, 상기 각 픽셀 별로 광의 위상을 변조하도록 구성된 공간 광 변조기를 포함하는 광학 디바이스.
  18. 제17 항에 있어서,
    상기 공간 광 변조기로부터 광이 출사되는 방향에 배치된 투명 지지판과, 상기 지지판에 배열된 복수 개의 나노 구조를 포함하고, 상기 복수 개의 나노 구조가 상기 픽셀 마다 다르게 배열되어 광의 위상을 제어하도록 구성된 위상 마스크를 더 포함하는 광학 디바이스.
  19. 광원;
    상기 광원으로부터 입사된 광의 진행 방향을 조절하여 피사체로 향하도록 하는 것으로서, 제18 항의 광학 디바이스;
    상기 피사체로부터 반사된 광을 수신하여 전기적 신호로 변환하는 수신기; 및
    상기 수신기에서 변환된 전기적 신호를 처리하는 프로세서;를 포함하는 전자 장치.
  20. 제19 항에 있어서,
    상기 전자 장치는 라이다(LiDAR) 장치, 3차원 이미지 획득 장치, 3차원 센서, 깊이 센서, 및 홀로그래픽 디스플레이 장치 중 적어도 하나를 포함하는 전자 장치.
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