KR20210088047A - 공간 광변조기 및 이를 포함한 빔 스티어링 장치 - Google Patents

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KR20210088047A
KR20210088047A KR1020200001017A KR20200001017A KR20210088047A KR 20210088047 A KR20210088047 A KR 20210088047A KR 1020200001017 A KR1020200001017 A KR 1020200001017A KR 20200001017 A KR20200001017 A KR 20200001017A KR 20210088047 A KR20210088047 A KR 20210088047A
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light modulator
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beam steering
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김선일
박정현
이두현
정병길
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삼성전자주식회사
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Abstract

공간 광변조기 및 이를 포함한 빔 스티어링 장치가 개시된다.
개시된 공간 광변조기는 기판에 구비된 분산 브레그 반사부, 상기 분산 브레그 반사부에 구비된 캐비티, 상기 캐비티에 구비된 그레이팅 반사부, 및 상기 그레이팅 반사부에 구비된 히터를 포함한다.

Description

공간 광변조기 및 이를 포함한 빔 스티어링 장치{Spatial light modulator and beam steering apparatus having the same}
예시적인 실시예는 빔 스티어링 속도를 높일 수 있는 공간 광변조기 및 이를포함한 빔 스티어링 장치에 관한 것이다.
다양한 기능의 운전자보조시스템(Advanced Driving Assistance System; ADAS)이 상용화되고 있다. 예를 들어, 다른 차량의 위치와 속도를 인식하여 충돌 위험이 있을 경우에는 속도를 줄이고 충돌 위험이 없을 경우에는 설정된 속도 범위 내에서 차량을 주행하는 자동감응식 순항제어(Adaptive Cruise Control; ACC)나 전방 차량을 인식하여 충돌 위험이 있지만 운전자가 이에 대한 대응을 하지 않거나 대응 방식이 적절하지 않는 경우에 자동으로 제동을 가하여 충돌을 방지하는 자율긴급제동시스템(Autonomous Emergency Braking System; AEB) 등과 같은 기능을 장착한 차량이 증가하고 있는 추세이다. 또한, 가까운 장래에 자율 주행(autonomous driving)이 가능한 자동차가 상용화될 것으로 기대되고 있다.
이에 따라, 차량 주변의 정보를 제공할 수 있는 광학 측정 장치에 대한 관심이 증가하고 있다. 예를 들어, 차량용 LiDAR(Light Detection and Ranging)는 차량 주변의 선택된 영역에 레이저를 조사하고, 반사된 레이저를 감지하여 차량 주변에 있는 물체와의 거리, 상대 속도 및 방위각 등에 관한 정보를 제공할 수 있다. 이를 위해 차량용 LiDAR는 원하는 영역에 빛을 스티어링할 수 있는 빔 스티어링 장치를 포함한다.
빔 스티어링 장치에는 크게 기계식 빔 스티어링 장치와 비기계식 빔 스티어링 장치가 있다. 예를 들어, 기계식 빔 스티어링 장치에는 광원 자체를 회전시키는 방식, 또는 빛을 반사하는 거울을 회전시키는 방식, 구면 렌즈를 광축에 수직한 방향으로 이동시키는 방식 등이 있다. 또한, 비기계식 빔 스티어링 장치에는 반도체 소자를 이용하는 방식과 반사형 위상 배열을 이용하여 반사광의 각도를 전기적으로 제어하는 방식이 있다.
다양한 실시예는 빔 스티어링 속도를 높일 수 있는 공간 광변조기를 제공한다.
다양한 실시예는 빔 스티어링 속도를 높일 수 있는 빔 스티어링 장치를 포함한 시스템을 제공한다.
예시적인 실시예에 따른 공간 광변조기는, 기판; 상기 기판에 구비된 분산 브레그 반사부; 상기 분산 브레그 반사부에 구비된 캐비티; 상기 캐비티에 구비된 그레이팅 반사부; 및 상기 그레이팅 반사부에 구비된 히터;를 포함하고, 상기 히터가 픽셀 단위로 이격되어 배치되고, 상기 히터로부터 공급된 열에 의해 상기 분산 브레그 반사부의 굴절률이 변하여 광의 위상이 픽셀 별로 변조되도록 구성될 수 있다.
상기 히터와 그레이팅 반사부 사이에 스페이서층이 더 구비될 수 있다.
상기 스페이서층이 200-1000nm 범위의 두께를 가질 수 있다.
상기 스페이서층이 유전체를 포함할 수 있다.
상기 스페이서층이 SiO2를 포함할 수 있다.
상기 그레이팅 반사부가 실리콘을 포함할 수 있다.
상기 분산 브레그 반사부는 Si, Si3N4, SiO2, TiO2 2개를 포함하는 층이 교대로 적층된 구조를 가질 수 있다.
상기 히터는 W, TiN, NiCr 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 기판과 분산 브레그 반사부 사이에 나노 구조물이 더 구비될 수 있다.
상기 나노 구조물은 Si, Ge, SiGe, GaAs, Si3N4, TiO2, GaP, InSb를 포함하는 그룹 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 히터와 히터 사이에 트랜치가 더 구비될 수 있다.
상기 히터와 히터 사이에 상기 스페이서층까지 관통된 트랜치가 더 구비될 수 있다.
예시적인 실시예에 따른 빔 스티어링 장치는, 광을 조사하는 광원; 상기 광원으로부터의 광의 진행 방향을 조절하여 물체에 광을 조사하는 공간 광변조기; 상기 물체로부터 반사된 광을 감지하는 광검출기; 및 상기 공간 광변조기를 제어하는 제어기;를 포함하고, 상기 공간 광변조기는, 기판, 상기 기판에 구비된 분산 브레그 반사부, 상기 분산 브레그 반사부에 구비된 캐비티, 상기 캐비티에 구비된 그레이팅 반사부, 및 상기 그레이팅 반사부에 구비된 히터를 포함하고, 상기 히터가 픽셀 단위로 이격되어 배치되고, 상기 히터로부터 공급된 열에 의해 상기 분산 브레그 반사부의 굴절률이 변하여 광의 위상이 픽셀 별로 변조되도록 구성될 수 있다.
예시적인 실시예에 따른 공간 광변조기는 외부로 열이 잘 방출되어 온도 제어가 용이하고, 구동 속도를 증가시킬 수 있다. 공간 광변조기 내의 온도가 효율적으로 제어되므로 열 전달로 인한 픽셀 간 크로스토크를 줄일 수 있고, 픽셀 간 개별 구동이 용이하여 빔 스티어링 속도를 높일 수 있다.
예시적인 실시예에 따른 빔 스티어링 장치는 빠른 빔 스티어링 속도를 이용하여 신속한 빔 스캐닝을 할 수 있다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 공간 광변조기의 단면도를 도시한 것이다.
도 2는 도 1의 공간 광변조기의 일부 확대 사시도를 도시한 것이다.
도 3은 예시적인 실시예에 따른 공간 광변조기의 히터에 의한 온도에 따른 그레이팅 반사부의 굴절률 변화를 나타낸 그래프이다.
도 4는 예시적인 실시예에 따른 공간 광변조기의 분산 브레그 반사부의 반사 스펙트럼을 도시한 것이다.
도 5는 예시적인 실시예에 따른 공간 광변조기의 그레이팅 반사부의 반사 스펙트럼을 도시한 것이다.
도 6은 예시적인 실시예에 따른 의 1차원 나노 구조 배열을 도시한 것이다.
도 7은 예시적인 실시예에 따른 공간 광변조기에 포함된 나노 구조의 여러 가지 예들을 도시한 것이다.
도 8 및 도 9는 다른 실시예에 따른 공간 광변조기를 도시한 것이다.
도 10은 예시적인 실시예에 따른 공간 광변조기를 포함한 빔 스티어링 장치를 도시한 것이다.
도 11은 다른 실시예에 따른 공간 광변조기를 포함한 빔 스티어링 장치를 개략적으로 도시한 것이다.
도 12는 예시적인 실시예에 따른 빔 스티어링 장치가 차량용 라이다에 적용된 예를 측방향에서 도시한 것이다.
도 13은 예시적인 실시예에 따른 빔 스티어링 장치가 차량용 라이다에 적용된 예를 평면에서 도시한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 다양한 실시예에 따른 공간 광변조기 및 이를 포함한 빔 스티어링 장치에 대해 상세히 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
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. 또한, 도면에서 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다. 또한, 소정의 물질층이 기판이나 다른 층 상에 존재한다고 설명될 때, 그 물질층은 기판이나 다른 층에 직접 접하면서 존재할 수도 있고, 그 사이에 다른 제3의 층이 존재할 수도 있다. 그리고, 아래의 실시예에서 각 층을 이루는 물질은 예시적인 것이므로, 이외에 다른 물질이 사용될 수도 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.
본 실시예에서 설명하는 특정 실행들은 예시들로서, 어떠한 방법으로도 기술적 범위를 한정하는 것은 아니다. 명세서의 간결함을 위하여, 종래 전자적인 구성들, 제어 시스템들, 소프트웨어, 상기 시스템들의 다른 기능적인 측면들의 기재는 생략될 수 있다. 또한, 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.
“상기”의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다.
방법을 구성하는 단계들은 설명된 순서대로 행하여야 한다는 명백한 언급이 없다면, 적당한 순서로 행해질 수 있다. 또한, 모든 예시적인 용어(예를 들어, 등등)의 사용은 단순히 기술적 사상을 상세히 설명하기 위한 것으로서 청구항에 의해 한정되지 않는 이상 이러한 용어로 인해 권리 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 일 실시예에 따른 공간 광변조기를 도시한 것이다.
공간 광변조기(100)는 기판(110)과, 기판(110)에 구비된 분산 브레그 반사부(130)와, 분산 브레그 반사부(130)에 구비된 캐비티(140)와, 캐비티(140)에 구비된 그레이팅 반사부(150)와, 그레이팅 반사부(150)에 구비된 히터(170)를 포함할 수 있다. 공간 광변조기(100)는 입사광(Li)의 위상을 변조하여 출력할 수 있다. 공간 광변조기(100)는 복수 개의 픽셀(PX)을 포함할 수 있다. 픽셀(PX)은 공간 광변조기(100)를 독립적으로 구동할 수 있는 단위일 수 있다. 또는, 픽셀(PX)은 광의 위상을 독립적으로 변조할 수 있는 기본 단위를 나타낼 수 있다.
기판(110)은 광을 투과시키는 투명 기판일 수 있다. 예를 들어, 기판(110)은 실리콘 기판 또는 유리 기판일 수 있다. 하지만, 여기에 한정되는 것은 아니다.
도 2는 설명의 편의상 하나의 픽셀(PX)에 있는 분산 브레그 반사부(130)와, 캐비티(140)와 그레이팅 반사부(150)를 확대하여 입체적으로 도시한 것이다.
분산 브레그 반사부(130)는 서로 다른 굴절률을 가지는 제1층(131)과 제2층(132)이 교대로 복수 번 적층되어 구성될 수 있다. 굴절률의 차이에 기인하여 각 층의 계면에서 반사된 파동(all reflected waves)이 간섭(interference)할 수 있다. 분산 브레그 반사부(130)는 예를 들어, Si, Si3N4, SiO2, TiO2 2개를 포함하는 층이 교대로 적층된 구조를 가질 수 있다. 분산 브레그 반사부(130)는 예를 들어, Si3N4층과 SiO2 층이 교대로 적층된 구조를 가질 수 있다. 분산 브레그 반사부(130)의 두 개의 층의 두께와 적층 수에 의해 광 반사율을 조절할 수 있다.
캐비티(140)는 예를 들어, SiO2를 포함할 수 있다. 캐비티(140)의 두께에 따라 공진 파장이 결정될 수 있다. 캐비티(140)의 두께가 두꺼울수록 광의 공진 파장이 길고, 캐비티(140)의 두께가 작을수록 광의 공진 파장이 짧을 수 있다.
그레이팅 반사부(150)는 그레이팅(151)이 소정 간격으로 이격되어 배열될 수 있다. 그레이팅(151)의 간격, 높이, 폭 등을 조절하여 광의 반사와 투과를 조절할 수 있다. 그레이팅(151)은 주변 물질보다 큰 굴절률을 가질 수 있다. 그레이팅 반사부(150)는 실리콘(Si)을 포함할 수 있다.
광이 분산 브레그 반사부(130)와 그레이팅 반사부(150) 사이에서 반복적으로 반사되면서 특정 위상의 광이 출력될 수 있다. 특정 위상은 히터(170)를 통해 입력되는 열에 의해 제어될 수 있다. 기판(110)을 통해 들어온 입사광(Li)은 분산 브레그 반사부(130)를 투과하여 캐비티(140)로 전파된 후 그레이팅 반사부(150)에 의해 반사되고, 분산 브레그 반사부(130)와 그레이팅 반사부(150)에 의해 캐비티(140)에 갇혀 공진한 후 분산 브레그 반사부(130)를 통해 출사될 수 있다. 히터(170)에 의해 가해진 열에 의해 그레이팅 반사부(150)의 굴절률이 변하고, 굴절률의 변화에 따라 공진 특성이 달라지게 되어 외부로 출사되는 광의 위상이 조절될 수 있다. 또한, 히터(170)로부터 전달된 열에 의해 그레이팅 반사부(150)의 반사율을 조절할 수 있다.
도 3은 히터(170)에 의한 온도 변화에 따른 그레이팅 반사부(150)의 굴절률 변화를 나타낸 그래프이다. 도 3에 따르면, 히터의 온도에 따라 굴절률이 거의 선형적으로 변한다. 히터에 의한 온도 범위는 예를 들어, 20-500도 범위를 가질 수 있다. 온도 범위가 20-500도일 때 그레이팅 반사부의 굴절률 변화에 따른 위상 변화를 조절할 수 있다.
도 4는 분산 브레그 반사부의 반사 스펙트럼을 보여준다. 반사 스펙트럼은 광의 파장에 따른 반사율을 보여준다. 여기서, 분산 브레그 반사부는 SiN4와 SiO2가 각각 195nm, 260nm 두께로 20쌍 적층된 구조를 가질 수 있다. 도 4를 참조하면, 대략 1550nm 근처에서 대략 1에 가까운 높은 반사율이 나타난다.
도 5는 그레이팅 반사부의 반사 스펙트럼을 보인 것이다. 여기서, 그레이팅의 주기가 675nm, 폭이 430nm, 높이가 435nm이고, 그레이팅의 물질은 Si일 수 있다. 캐비티는 SiO2로 이루어졌다. 편광은 그레이팅에 대해 전기장이 수직한 방향을 가지는 것으로 가정하고, 광의 입사각도는 0도로 가정 하였다. 도 5를 참조하면, 1500-1700 nm 범위의 파장 대역에서 높은 반사율을 보이고 있다. 그레이팅 반사부의 그레이팅의 배열 주기, 높이, 폭 중 적어도 하나를 조절하여 다양한 파장 대역에서 높은 반사율을 가지도록 구성할 수 있다.
이하에서 공간 광변조기의 픽셀에서 온도에 따라 반사위상을 조절하는 원리를 설명한다. Si 그레이팅 반사부의 굴절률은 다음 식에 따라 변할 수 있다.
Figure pat00001
<식 1>
여기서, T는 온도이고, n은 Si의 굴절률을 나타낸다. 식 1에 따르면, 온도가 약 300도 변할 때, Si의 굴절률이 약 0.1만큼 변한다.
Si의 굴절률이 변화하면 그레이팅 반사부(150)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.
예시적인 실시예에 따른 공간 광변조기에서 히터(170)가 공간 광변조기(100)의 상부에 위치할 수 있다. 히터(170)가 공간 광변조기의 상부에 위치하므로, 히터(170)로부터 발생된 열이 외부로 빠르게 방출될 수 있다. 그러므로, 온도 제어가 용이하여 공간 광변조기(100)의 구동 속도를 증가시킬 수 있다. 다시 말하면, 열을 외부로 신속하게 방출시킬 수 있으므로, 히터(170)에 의해 각 픽셀(PX) 단위로 신속하게 온도를 올리거나 온도를 내릴 수 있다. 그리고, 열이 빨리 방출되므로, 이웃하는 픽셀(PX)에 열에 의한 영향력을 줄일 수 있어 이웃하는 픽셀들 사이의 열적 크로스토크를 줄일 수 있다. 그럼으로써, 각 픽셀 별로 위상 변조가 독립적으로 이루어지고, 위상 변조에 따른 광의 진행 방향 조절 정밀도를 높일 수 있다.
히터(170)는 예를 들어, W, TiN, NiCr 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 하지만, 여기에 한정되는 것은 아니다. 히터(170)는 픽셀(PX) 단위로 이격되어 배치될 수 있다. 히터(170)와 히터(170) 사이에는 유전체(171)로 채워질 수 있다. 유전체(171)는 예를 들어 SiO2를 포함할 수 있다. 히터(170)는 픽셀 사이즈보다 작은 사이즈를 가질 수 있다. 히터(170)의 열전도율과 이웃하는 픽셀 간의 열적 크로스토크를 고려하여 히터(170)의 사이즈를 조절할 수 있다. 히터(170)를 통해 각 픽셀(PX) 별로 열을 가하여 광의 위상을 변조할 수 있다. 공간 광변조기(100)는 픽셀(PX)마다 입사광(Li)의 위상을 변조하여 출사광(Lo)의 진행 방향을 조절할 수 있다.
히터(170)와 그레이팅 반사부(150) 사이에 스페이서층(160)이 더 구비될 수 있다. 스페이서층(160)은 유전체를 포함할 수 있다. 스페이서층(160)은 예를 들어, SiO2를 포함할 수 있다. 스페이서층(160)은 히터(170)에 의해 그레이팅 반사부(150)로 열이 가해지는 효율을 조절할 수 있다. 스페이서층(160)은 예를 들어, 200-1000nm 범위의 두께를 가질 수 있다. 스페이서층(160)의 두께가 200nm보다 작을 때, 그레이팅 반사부의 반사율이 너무 작고, 스페이서층(160)의 두께가 1000nm보다 클 때 열전달의 효율이 저하될 수 있다. 스페이서층(160)이 이러한 두께를 가질 때, 그레이팅 반사부(150)의 굴절률을 적절하게 조절할 수 있다.
히터(170)의 상부에 방열판(180)이 더 구비될 수 있다. 방열판(180)은 히터(170)로부터의 열을 방출함과 아울러 히터(170)를 보호하는 층일 수 있다. 방열판(180)은 예를 들어 SiO2를 포함할 수 있다.
한편, 도 1을 참조하면, 기판(110)과 분산 브레그 반사부(130) 사이에 나노 구조물(120)이 구비될 수 있다.
나노 구조물(120)은 나노 사이즈를 가지는 구조를 포함할 수 있다. 나노 구조물(120)은 예를 들어, 기둥형 구조를 포함할 수 있다. 나노 구조물이 예를 들어, 원기둥일 수 있다. 나노 구조물(120)은 공간 광 변조기(100)의 픽셀(PX)에 대응되는 영역에 나노 구조 배열을 포함할 수 있다. 예를 들어, 나노 구조물(120)은 픽셀 마다 서로 다른 나노 구조 배열을 가질 수 있다. 나노 구조물(120)은 픽셀에 따라 하나의 나노 기둥의 사이즈, 개수, 형상, 나노 구조의 배열 간격 중 적어도 하나가 다르게 구성될 수 있다. 나노 구조물(120)은 나노 기둥이 주기적으로 배열될 수도 있고, 비주기적으로 배열되는 것도 가능하다. 나노 구조물(120)의 배열은 픽셀 단위로 설계될 수 있다. 다시 말하면, 나노 구조물(120)은 픽셀(PX)마다 특정 기능에 맞추어 설계된 배열을 가질 수 있다. 한편, 도 1에서는 나노 구조물(120)이 기판(110)과 분산 브레그 반사부(130) 사이에 구비된 예를 도시하였으나, 기판(110)의 하부 표면에 구비되는 것도 가능하다. 나노구조물(120)은 서브 파장의 사이즈를 가질 수 있다. 나노 구조물(120)은 예를 들어, 50nm~1500nm 범위의 사이즈를 가질 수 있다. 나노 구조물(120)은 예를 들어, 300~320nm 범위의 사이즈를 가지고, 예를 들어, 나노 구조물의 배열 간격(pitch)은 710nm일 수 있다. 하지만, 나노 구조물의 사이즈는 여기에 한정되는 것은 아니고, 다양하게 변경될 수 있다.
도 6은 각 픽셀에서의 나노 구조 배열을 1차원적으로 도시한 것이다. 도 6에서 나노 구조물(120)의 위에 있는 구성 요소들(E)은 편의 상 하나의 박스로 도시하였다. 구성 요소들(E)은 도 1을 참조할 때, 분산 브레그 반사부(130), 캐비티(140), 그레이팅 반사부(150) 및 히터(170)를 포함할 수 있다. 제1 픽셀(S1), 제2 픽셀(S2), ??제M 픽셀(SM)이 있고, 예를 들어, 제1 픽셀(S1)에 구성 요소들(E)과, 이에 대응되게 배열된 나노 구조물(120)들이 구비되어 있다. 각 픽셀에서의 나노 구조물(120)의 개수가 N개이고, 이웃하는 나노 구조물 사이의 간격을 ΛD라고 하고, 이웃하는 픽셀 사이의 피치를 ΛS라고 한다. 도 6에서는 나노 구조물의 간격이 일정하다. 여기서, ΛS= N* ΛD이다.
나노 구조물(120)은 고굴절률의 손실이 적은 유전체 물질을 포함할 수 있다. 나노 구조물(120)은 예를 들어, 1.9 내지 4.0 범위의 굴절률을 가지는 유전체를 포함할 수 있다. 나노 구조물(120)은 예를 들어, Si, Ge, SiGe, GaAs, Si3N4, TiO2, GaP, InSb를 포함하는 그룹 중 적어도 하나 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
공간 광변조기(100)의 사용 광의 파장을 λ라고 하고, 나노 구조물(120)의 굴절률을 n이라고 할 때, 나노 구조물(120)의 배열 간격(ΛD)이 λ/(2n)-(5λ/2n) 범위를 가질 수 있다. 또한, 공간 광변조기(100)의 사용 광의 파장을 λ라고 하고, 나노 구조물(120)의 굴절률을 n이라고 할 때, 나노 구조물(120)의 높이(h)가 (3λ/2n)-(7λ/2n) 범위를 가질 수 있다. 나노 구조물(120)은 광의 투과 특성을 향상시켜 광효율을 높일 수 있다. 나노 구조물(120)은 또한 광의 FOV(Field of View)를 넓힐 수 있다. 예시적인 실시예에 따른 공간 광변조기(100)는 FOV를 변화시킬 수 있다. 예를 들어, 원기둥의 사이즈를 조절하여 광의 세기를 유지하면서 FOV를 조절할 수 있다. 나노 구조물의 형상, 배열 간격, 나노 구조물의 사이즈의 조합을 이용하여 나노 구조물을 배열함으로써 FOV를 조절할 수 있다.
도 7은 나노 구조물의 다양한 형상을 도시한 것이다.
나노 구조물(120)은 기둥형일 수 있다. 나노 구조물(120)은 예를 들어, 원기둥, 다각기둥, 십자기둥(도 7(g))일 수 있다. 원기둥은 예를 들어 도 7(a) 및 도 7(b)에 도시된 바와 같이 원기둥 형상 또는 타원 기둥 형상을 가질 수 있다. 다각 기둥은 예를 들어 도 7(c) 내지 도 7(f)에 도시된 바와 같이 정사각 기둥, 직사각 기둥, 오각 기둥 등과 같은 형상을 가질 수 있다. 다각 기둥은 이 밖에도 다양한 형상을 가질 수 있다. 나노 구조물의 형상을 각 픽셀마다 다양한 방식으로 배열할 수 있다.
도 8은 다른 실시예에 따른 공간 광변조기를 도시한 것이다.
공간 광변조기(100A)는 도 1에 도시된 공간 광변조기(100)에 트랜치(190)를 더 포함한다. 나머지 구성 요소들은 공간 광변조기(100)의 구성 요소들과 실질적으로 동일하므로 여기서는 상세한 설명을 생략한다. 공간 광변조기(100A)에서는, 이웃하는 히터(170)와 히터(170) 사이에 트랜치(190)가 구비될 수 있다. 트랜치(190)는 히터(170)와 히터(170) 사이에서 스페이서층(160)까지 관통하여 구비될 수 있다. 트랜치(190)는 히터(170)에서 발생된 열이 이웃하는 픽셀(PX)에 전달되는 것을 차단하여 열적 크로스토크를 줄일 수 있다.
도 9는 또 다른 실시예에 따른 공간 광변조기를 도시한 것이다.
공간 광변조기(100B)는 도 1에 도시된 공간 광변조기(100)에 트랜치(191)를 더 포함한다. 나머지 구성 요소들은 공간 광변조기(100)의 구성 요소들과 실질적으로 동일하므로 여기서는 상세한 설명을 생략한다. 공간 광변조기(100B)에서는, 이웃하는 히터(170)와 히터(170) 사이에 트랜치(191)가 구비될 수 있다. 트랜치(19A)는 히터(170)와 히터(170) 사이에서 그레이팅 반사부(150), 캐비티(140), 분산 브레그 반사부(130)를 관통하여 구비될 수 있다. 하지만, 트랜치(191)의 깊이는 여기에 한정되는 것은 아니고, 이웃하는 픽셀로의 열의 전달을 차단하는 효율과 트랜치 형성 공정 등을 고려하여 다양하게 선택될 수 있다.
다양한 실시예에 따른 공간 광변조기는 히터(170)를 공간 광변조기의 상부에 위치시켜 용이하게 열 방출을 함으로써 신속하게 온도 제어를 할 수 있고, 그에 따라 온도 제어를 통한 광의 위상 변조를 신속하게 할 수 있다. 그리고, 각 픽셀의 독립적인 광의 위상 변조와 위상 변조된 광의 합성을 통해 출사 광의 진행 방향을 조절할 수 있다. 공간 광변조기를 메트릭스 형태로 배열할 때, 광의 진행 방향을 수평 방향과 수직 방향으로 조절할 수 있어 광을 입체적으로 스캐닝할 수 있다.
상술한 다양한 실시예에 따른 공간 광변조기들은, 예를 들어, 차량용 LiDAR와 같은 3차원 센서 또는 3차원 카메라에서 사용되는 깊이 센서 등의 빔 스티어링 장치에 채용되어 정밀도를 높일 수 있다.
다양한 실시예에 따른 빔 스티어링 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 10은 일 실시예에 따른 빔 스티어링 장치(1000)의 구성을 개략적으로 보이는 블록도이다.
도 10을 참조하면, 일 실시예에 따른 빔 스티어링 장치(1000)는 광을 조사하는 광원(1110), 광원(1110)으로부터 입사한 광의 진행 방향을 조절하는 공간 광변조기(1100), 공간 광변조기(1100)에서 방출되어 물체(Object)로부터 반사된 광을 감지하는 광검출기(1120), 및 공간 광변조기(1100)를 제어하는 제어기(1130)를 포함할 수 있다.
광원(1110)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.
공간 광변조기(1100)는 도 1 내지 도 9를 참조하여 설명한 실시예들을 포함할 수 있다. 공간 광변조기(1100)가 각 픽셀 별로 열에 의해 위상을 변조하여 광빔의 진행 방향을 조절할 수 있다. 공간 광변조기(1100)는 넓은 시야각을 가지고 광을 스캐닝할 수 있다.
제어기(1130)는 공간 광변조기(1100), 광원(1110), 및 광검출기(1120)의 동작을 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어기(1130)는 광원(1110) 및 광검출기(1120)의 온/오프 동작, 공간 광변조기(1100)의 빔 스캐닝 동작을 제어할 수 있다. 또한, 제어기(1130)는 광검출기(1120)의 측정 결과를 기초로 물체(Object)에 대한 정보를 계산할 수 있다.
빔 스티어링 장치(1000)는 주변의 복수의 위치에 있는 물체들에 대한 정보를 얻기 위해 공간 광변조기(1100)를 이용하여 주변의 여러 영역에 대해 광을 주기적으로 조사할 수 있다.
도 11에 도시된 바와 같이, 빔 스티어링 장치(2000)은 공간 광변조기(2100)와, 공간 광변조기(2100)에 의해 광의 진행 방향이 조절된 광이 물체에 의해 반사된 광을 검출하기 위한 광검출기(2300)를 포함할 수 있다. 빔 스티어링 장치(2000)는 공간 광변조기(2100) 및 광검출기(2300) 중 적어도 하나에 연결된 회로부(2200)를 더 포함할 수 있다. 회로부(2200)는 데이터를 획득하여 연산하는 연산부를 포함할 수 있고, 구동부 및 제어기 등을 더 포함할 수 있다. 또한, 회로부(2200)는 전원부 및 메모리 등을 더 포함할 수 있다.
도 11에서는 빔 스티어링 장치(2000)가 하나의 장치 내에 공간 광변조기(2100) 및 광검출기(2300)를 포함하는 경우를 도시하였지만, 공간 광변조기(2100) 및 광검출기(2300)는 하나의 장치로 구비되지 않고, 별도의 장치에 분리되어 구비될 수도 있다. 또한, 회로부(2200)는 공간 광변조기(2100)나 광검출기(2300)에 유선으로 연결되지 않고, 무선 통신으로 연결될 수 있다. 그 밖에도 도 11의 구성은 다양하게 변경될 수 있다.
이상에서 설명한 실시예에 따른 공간 광변조기는 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 12 및 도 13은 일 실시예에 따른 빔 스티어링 장치를 포함하는 라이다(LiDAR) 장치를 차량에 적용한 경우를 보여주는 개념도이다. 도 12는 측방에서 바라본 도면이고, 도 13은 위에서 바라본 도면이다.
도 12를 참조하면, 차량(3000)에 라이다(LiDAR) 장치(3100)를 적용할 수 있고, 이를 이용해서 피사체(3200)에 대한 정보를 획득할 수 있다. 차량(3000)은 자율 주행 기능을 갖는 자동차일 수 있다. 라이다(LiDAR) 장치(3100)를 이용해서, 차량(3000)이 진행하는 방향에 있는 물체나 사람, 즉, 피사체(3200)를 탐지할 수 있다. 또한, 송신 신호와 검출 신호 사이의 시간 차이 등의 정보를 이용해서, 피사체(3200)까지의 거리를 측정할 수 있다. 또한, 도 13에 도시된 바와 같이, 스캔 범위 내에 있는 가까운 피사체(3200)와 멀리 있는 피사체(3300)에 대한 정보를 획득할 수 있다.
본원의 다양한 실시예에 따른 빔 스티어링 장치는 라이다(LiDAR) 이외에 다양한 시스템에 적용될 수 있다. 예컨대, 다양한 실시예에 따른 빔 스티어링 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 스티어링 장치는 홀로그래픽(holographic) 디스플레이 장치 및 구조광(structured light) 발생 장치에도 적용될 수 있다. 또한, 빔 스티어링 장치는 홀로그램(hologram) 생성 장치, 광 결합 장치, 가변 초점 렌즈, 깊이 센서(depth sensor) 등 다양한 광학 장치에 적용될 수 있다. 또한, 빔 스티어링 장치는 메타 표면 또는 메타 구조가 이용되는 다양한 분야에 적용될 수 있다. 그 밖에도 본원의 실시예에 따른 공간 광변조기 및 이를 포함한 빔 스티어링 장치는 다양한 광학 및 전자기기 분야에 여러 가지 용도로 적용될 수 있다.
상기한 실시예들은 예시적인 것에 불과한 것으로, 당해 기술분야의 통상을 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다. 따라서, 예시적인 실시예에 따른 진정한 기술적 보호범위는 하기의 특허청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상에 의해 정해져야만 할 것이다.
110:기판, 120:나노 구조물
130:분산 브레그 반사부, 140:캐비티
150:그레이팅 반사부, 160:스페이서층
170:히터, 180:방열판
190,191:

Claims (21)

  1. 기판;
    상기 기판에 구비된 분산 브레그 반사부;
    상기 분산 브레그 반사부에 구비된 캐비티;
    상기 캐비티에 구비된 그레이팅 반사부; 및
    상기 그레이팅 반사부에 구비된 히터;를 포함하고,
    상기 히터가 픽셀 단위로 이격되어 배치되고, 상기 히터로부터 공급된 열에 의해 상기 분산 브레그 반사부의 굴절률이 변하여 광의 위상이 픽셀 별로 변조되도록 구성된 공간 광변조기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 히터와 그레이팅 반사부 사이에 스페이서층이 더 구비된 공간 광변조기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 스페이서층이 200-1000nm 범위의 두께를 가지는 공간 광변조기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 스페이서층이 유전체를 포함하는 공간 광변조기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 스페이서층이 SiO2를 포함하는 공간 광변조기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 그레이팅 반사부가 실리콘을 포함하는 공간 광변조기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 분산 브레그 반사부는 Si, Si3N4, SiO2, TiO2 2개를 포함하는 층이 교대로 적층된 구조를 가지는 공간 광변조기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 히터는 W, TiN, NiCr 중 적어도 하나를 포함하는 공간 광변조기.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 기판과 분산 브레그 반사부 사이에 나노 구조물이 더 구비된 공간 광변조기.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 나노 구조물은 Si, Ge, SiGe, GaAs, Si3N4, TiO2, GaP, InSb를 포함하는 그룹 중 적어도 하나를 포함하는 공간 광변조기.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 히터와 히터 사이에 트랜치가 더 구비된 공간 광변조기.
  12. 제2 항에 있어서,
    상기 히터와 히터 사이에 상기 스페이서층까지 관통된 트랜치가 더 구비된 공간 광변조기.
  13. 광을 조사하는 광원;
    상기 광원으로부터의 광의 진행 방향을 조절하여 물체에 광을 조사하는 공간 광변조기;
    상기 물체로부터 반사된 광을 감지하는 광검출기; 및
    상기 공간 광변조기를 제어하는 제어기;를 포함하고,
    상기 공간 광변조기는, 기판, 상기 기판에 구비된 분산 브레그 반사부, 상기 분산 브레그 반사부에 구비된 캐비티, 상기 캐비티에 구비된 그레이팅 반사부, 및 상기 그레이팅 반사부에 구비된 히터를 포함하고, 상기 히터가 픽셀 단위로 이격되어 배치되고, 상기 히터로부터 공급된 열에 의해 상기 분산 브레그 반사부의 굴절률이 변하여 광의 위상이 픽셀 별로 변조되도록 구성된 빔 스티어링 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 히터와 그레이팅 반사부 사이에 스페이서층이 더 구비된 빔 스티어링 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 스페이서층이 200-1000nm 범위의 두께를 가지는 빔 스티어링 장치.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 그레이팅 반사부가 실리콘을 포함하는 빔 스티어링 장치.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 분산 브레그 반사부는 Si, Si3N4, SiO2, TiO2 2개를 포함하는 층이 교대로 적층된 구조를 가지는 빔 스티어링 장치.
  18. 제13항에 있어서,
    상기 히터는 W, TiN, NiCr 중 적어도 하나를 포함하는 빔 스티어링 장치.
  19. 제13항에 있어서,
    상기 기판과 분산 브레그 반사부 사이에 나노 구조물이 더 구비된 빔 스티어링 장치.
  20. 제19 항에 있어서,
    상기 나노 구조물은 Si, Ge, SiGe, GaAs, Si3N4, TiO2, GaP, InSb를 포함하는 그룹 중 적어도 하나를 포함하는 빔 스티어링 장치.
  21. 제13 항에 있어서,
    상기 히터와 히터 사이에 트랜치가 더 구비된 빔 스티어링 장치.
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