KR101872077B1

KR101872077B1 - 광 위상 배열 안테나에 적용을 위한 격자 구조를 이용한 나노포토닉 발산기

Info

Publication number: KR101872077B1
Application number: KR1020150168696A
Authority: KR
Inventors: 박효훈; 김종훈; 한선규; 박지환
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2015-11-17
Filing date: 2015-11-30
Publication date: 2018-06-28
Also published as: US10732483B2; KR20170058219A; US20180356705A1

Abstract

광 위상 배열 안테나를 구성하는 광 발산기 소자는 반도체 소재를 이용한 도파로 코어와 도파로 클래드를 포함한 광 도파로; 및 상기 광 도파로 상부 또는 하부에 주기적으로 형성되는 격자를 포함하고, 상기 광 발산기 소자는 입력 광파를 상기 광 도파로와 상기 격자의 일방향으로 입사하고, 상기 격자로부터의 산란을 이용하여 출력 광파를 공간으로 방사한다.

Description

광 위상 배열 안테나에 적용을 위한 격자 구조를 이용한 나노포토닉 발산기 {NANOPHOTONIC RADIATORS USING GRATING STRUCTURES FOR PHOTONIC PHASED ARRAY ANTENNA}

본 발명은 광 위상 배열 안테나(photonic phased array antenna)에 적용을 위한 광 발산기(radiator) 구조에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 광파(light wave)를 넓은 공간(free space)으로 발산할 수 있는 격자 구조의 광 발산기 어레이 구조를 제안한다.

구체적으로, 본 발명은 반도체 소재를 이용하여 격자 구조를 구성하며, 위상 배열로부터 형성되는 광 빔의 스캐닝 각도를 넓힐 수 있는 구조들을 제안한다. 제안되는 세부 격자의 규모(scale)는 광파의 파장에 가깝거나 파장 보다 작으므로 나노포토닉스의 개념을 기반으로 설계된다.

광 위상 배열 안테나는 무인자동차, 로봇 등에서 영상 스캐닝을 위해 광 빔을 주사하는 광원으로 사용될 수 있다. 다양한 분야에서 응용을 위한 광 위상 배열 안테나의 바람직한 성능은 크기가 작고, 광 빔 발산 효율이 높고, 선명한 빔을 형성하고, 빔 스캐닝 범위가 넓어야 한다. 이러한 여러 가지 요구 성능 중에서 소형화를 달성하기 위해서는 반도체 소재를 기반으로 하는 광 위상 배열 안테나 구성이 필요하다. 또한, 광 빔의 발산 효율, 선명도, 그리고 스캐닝의 성능들은 광파를 발산하는 광 발산기의 구조에 크게 의존되므로, 본 발명에서는 광 발산기에 대한 구체적인 구조를 반도체 소재를 기반으로 제안하고자 한다.

여기서 반도체 소재에는 실리콘, 화합물 소재 반도체뿐만 아니라 이들 소재의 광 소자 제작에 사용되는 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 등의 절연체(dielectric) 소재와 금속 박막 소재들을 포함한다.

나노포토닉스 기반의 광 위상 배열 안테나에 대한 종래의 발명(US Patent Application 2014/0192394 A1)은 반도체 실리콘 소재를 기반으로 위상제어 광 소자를 MxM matrix(행렬) 형으로 집적한 광 위상 배열 안테나를 제안한 바 있다.

종래의 발명에서, 위상 배열 안테나에서 광파를 발산하는 광 발산기(상기 발명 내용에서 antenna element에 해당)는 격자 구조로 구성되었으나, 광 발산기의 배열을 matrix 형으로 배치하고, 각 단위 광 발산기 사이에 광 파워 분배선(directional coupler), 위상지연선(optical delay line)들이 배치되는 구조를 갖는다. 이와 같이, 여러 기능의 소자들이 하나의 단위 셀(unit cell) 내에 밀집됨으로 인하여, 핵심이 되는 광 발산기의 격자가 차지할 수 있는 공간이 작게 되고, 이 작은 공간에 들어가는 격자는 수

규모로 작아져야만 한다. 따라서, 격자의 규모가 작아지면 광파의 발산효율이 저하되어 고성능의 빔을 얻기 어려운 문제가 발생된다.

본 연구실의 종전의 발명(PCT/KR2015/012199)에서는 광 발산기 부분에 충분한 공간을 제공할 수 있는 도 1과 같은 위상 배열 안테나를 제안하였다. 도 1에서 위상 배열 안테나를 구성하는 주요 소자들은 크게 광원(100)(light source), 광 파워 분배기(101-1, 101-2)(power distributor), 위상 제어기(102)(phase controller), 광 발산기(104)(radiator)로 구성되어 있다. 이들 구성 소자들 간에는 광 도파로(106)로 연결되어 있다. 또한, 위상 제어기(102)와 광 발산기(104) 사이에도 광 도파로(106)로 연결되어 있으며, 이 연결 도파로는 밀집도가 높아 도파로 간의 커플링(coupling)이 발생될 수 있어 그 배치가 중요하므로, 위상 공급선(103)(phase-feeding line)으로 구분한다.

도 1의 위상 배열에서는 광 발산기(104)의 길이방향으로 충분한 공간을 확보하기 위하여 1xM 발산기 어레이(105) 밖에 광 파워 분배기(101-1, 101-2), 위상 제어기(102), 위상 공급선(103)들을 배치한 특징을 갖고 있다. 이와 같이, 종전의 발명은 1xM 발산기 어레이 N 개를 상하로 독립적으로 배치하여 (1xM)xN 위상 배열을 구현함으로써, 2차원(2D) 빔 스캐닝 기능을 달성하면서도, 이웃하는 1xM 어레이 사이에 충분한 공간을 확보할 수 있음을 제시하였다.

따라서 본 발명에서는 상기 (1xM)xN 위상 배열에 적합하게 격자 구조의 길이방향으로 공간을 충분히 활용한 광 발산기 구조를 제안한다.

본 발명은 세부 격자 구조로써, 적절한 수준의 광 방사, 위상정합 빔의 성능을 확보하고자 한다.

또한, 본 발명은 양방향 광파 입력 방식으로부터, 광 발산기의 출력 광파가 방사되는 각도의 범위를 넓히며, 궁극적으로 위상 배열로 얻어지는 위상정합 빔의 스캐닝 범위를 넓히고자 한다.

본 발명의 일실시예에 따른, 광 위상 배열 안테나를 구성하는 광 발산기 소자는 반도체 소재를 이용한 도파로 코어와 도파로 클래드를 포함한 광 도파로; 및 상기 광 도파로 상부 또는 하부에 주기적으로 형성되는 격자를 포함하고, 상기 광 발산기 소자는 입력 광파를 상기 광 도파로와 상기 격자의 일방향으로 입사하고, 상기 격자로부터의 산란을 이용하여 출력 광파를 공간으로 방사한다.

상기 광 발산기 소자는 상기 출력 광파가 방사되는 종방향 각도 범위를 넓히기 위해, 상기 입력 광파를 상기 광 도파로와 상기 격자의 양방향으로 입사하여, 상기 격자로부터의 산란을 이용하여 상기 출력 광파를 공간으로 방사할 수 있다.

상기 광 발산기 소자의 기하학적인 변수들-상기 기하학적인 변수들은 상기 도파로 코어의 너비, 상기 도파로 코어의 두께, 상기 격자의 너비, 상기 격자의 주기 및 상기 격자의 깊이를 포함함- 중 적어도 어느 하나의 규모는 상기 입력 광파의 파장의 절반인 회절한계 이내의 값 또는 상기 회절한계에 대해 미리 설정된 범위만큼 근접한 값을 가질 수 있다.

상기 도파로 코어는 실리콘으로 형성될 수 있다.

상기 도파로 코어가 실리콘으로 형성되는 경우, 상기 입력 광파의 자유공간 파장

은

범위를 가질 수 있다.

상기 격자의 너비

는 상기 입력 광파의 자유공간 파장

대비

범위를 가질 수 있다.

상기 격자의 깊이는 상기 출력 광파가 방사되는 종방향 분포를 제어하기 위하여 조절될 수 있다.

상기 격자의 주기는 상기 출력 광파가 방사되는 종방향 방사각을 제어하기 위하여 조절될 수 있다.

상기 격자의 너비는 상기 출력 광파가 방사되는 횡방향 방사 각도 범위를 제어하기 위하여 조절될 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따른, 반도체 소재를 이용한 도파로 코어와 도파로 클래드를 포함한 광 도파로 및 상기 광 도파로 상부 또는 하부에 주기적으로 형성되는 격자를 포함하여, 입력 광파를 상기 광 도파로와 상기 격자의 일방향으로 입사하고, 상기 격자로부터의 산란을 이용하여 출력 광파를 공간으로 방사하는 광 발산기 소자로 구성되는 광 발산기 어레이는 복수 개의 광 발산기 소자들의 어레이로 생성되고, 상기 복수 개의 광 발산기 소자들의 개수는 상기 복수 개의 광 발산기 소자들 각각으로부터 방사되는 출력 광파의 위상간섭으로 형성되는 위상정합 빔의 횡방향 빔 발산각을 제어하기 위하여 조절되며, 상기 복수 개의 광 발산기 소자들 각각에 포함되는 상기 격자의 주기의 개수는 상기 복수 개의 광 발산기 소자들 각각으로부터 방사되는 출력 광파의 위상간섭으로 형성되는 위상정합 빔의 종방향 빔 발산각을 제어하기 위하여 조절된다.

본 발명의 일실시예에 따른, 반도체 소재를 이용한 도파로 코어와 도파로 클래드를 포함한 광 도파로 및 상기 광 도파로 상부 또는 하부에 주기적으로 형성되는 격자를 포함하여, 입력 광파를 상기 광 도파로와 상기 격자의 일방향으로 입사하고, 상기 격자로부터의 산란을 이용하여 출력 광파를 공간으로 방사하는 광 발산기 소자로 구성되는 광 위상 배열 안테나는 복수 개의 광 발산기 소자들의 어레이로 생성되고, 상기 복수 개의 광 발산기 소자들이 균등한 위상차를 갖도록 커지거나 작아지는 위상을 상기 복수 개의 광 발산기 소자들 각각으로 공급하며, 상기 복수 개의 광 발산기 소자들의 위상 배열에 의한 위상정합 빔을 상기 공간 상에서 횡방향으로 빔 스티어링(steering)한다.

본 발명은 세부 격자 구조로써, 적절한 수준의 광 방사, 위상정합 빔의 성능을 확보할 수 있다.

또한, 본 발명은 양방향 광파 입력 방식으로부터, 광 발산기의 출력 광파가 방사되는 각도의 범위를 넓힐 수 있으며, 궁극적으로 위상 배열로 얻어지는 위상정합 빔의 스캐닝 범위를 넓힐 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종전의 발명에서 제안한 광 위상 배열 안테나를 구성하는 주요 소자들을 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 광 발산기의 기본구조를 나타낸 개략도이다.
도 3은 본 별명의 일실시예에 따른 단일 격자 구조로부터 방사되는 회절패턴이다.
도 4는 본 별명의 일실시예에 따른 단일 격자 구조에서 격자주기가 방사각도에 미치는 영향을 보여주는 결과이다.
도 5는 본 별명의 일실시예에 따른 단일 격자 구조에서 방사되는 원거리장 패턴의 범위를 보여주는 결과이다.
도 6은 본 별명의 일실시예에 따른 격자 구조 발산기 어레이에서 발산된 위상정합 빔의 형태를 보여주는 결과이다.
도 7은 본 별명의 일실시예에 따른 격자 구조 발산기 어레이에서 발산기 내 격자주기의 개수

의 변화에 따른 위상정합 빔 형태의 변화를 보여주는 시뮬레이션 결과이다.
도 8은 본 별명의 일실시예에 따른 격자 구조의 위상 배열에서 위상제어에 의한 위상정합 빔의 steering 기능을 보여주는 결과이다.
도 9는 본 별명의 일실시예에 따른 격자 구조에서 입력 광파의 양방향 입사에 따른 방사되는 출력 광파의 종방향 범위의 확장을 보여주는 개략도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예들에 따른 격자구조 발산기에 대해 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 하기의 실시예들은 본 발명을 구체화하기 위한 것일 뿐 본 발명의 권리 범위를 제한하거나 한정하는 것이 아님은 물론이다. 본 발명의 상세한 설명 및 실시예들로부터 본 발명이 속하는 기술 분야의 전문가가 용이하게 유추할 수 있는 것은 본 발명의 권리 범위에 속하는 것으로 해석된다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 광 발산기의 기본구조를 나타낸 개략도이다. 구체적으로, 도 2의 (a)는 광 발산기를 나타낸 측면 단면도이고, (b)는 광 발산기를 나타낸 조감도이다.

도 2를 참조하면, 격자 구조는 일반적으로 광 도파로 코어(200)의 끝 부분에 위치하며, 광 도파로 코어(200)의 상부 또는 하부에 형성한다. 격자 구조는 광 도파로 코어(200) 부분에 한하지 않고, 코어(200)의 주위에도 형성할 수 있다. 도파로는 일반적인 반도체 또는 절연체 소재가 사용될 수 있으며, rib형, channel형 등의 도파로 구조로 제작 될 수 있다. 이 때, 도면에는 주요 설계변수를 제시하기 위하여, channel형 광 도파로를 예로 들어 도파로의 코어 부분만 도시되었고, 도파로 코어(200)의 상부에 형성된 격자가 도시되어 있다.

입력 광파(202)가 광 도파로 코어(200)를 통하여 입력되면, 격자(201) 부분에서 산란 (scattering)이 일어나 외부 공간으로 비교적 넓은 범위에 걸쳐 펼쳐진 회절패턴의 출력 광파(203)가 방사(radiation)된다.

여기서, 입력 광파(202)의 파장은 광 도파로(200)에서 광 손실(optical loss)이 적은 파장대역 중에서 선택될 수 있다. 예를 들어, 광 도파로 코어(200)가 실리콘인 경우, 입력 광파(202)의 파장은

의 파장(자유공간에서 파장) 대역이 바람직하다.

광 발산기 소자에서 주요 설계 변수들(기하학적인 변수들)은 격자의 주기(

), 단위 격자의 골(205)(valley) 부분의 너비(

), 단위 격자의 언덕(206)(hill) 부분의 너비(

), 격자의 주기의 개수(

), 격자의 길이(

), 격자의 깊이(격자의 골의 깊이)(

), 격자 부분 도파로 코어(200-1)의 두께(

), 도파로 코어(200)에서 격자의 너비(

), 및 단위 발산기 사이 간격(pitch)(

) 등을 포함할 수 있다.

본 발명에서는 광파 방사효율, 방사 각도의 범위, 위상 배열로 형성된 위상정합(phase-matched) 빔의 형태와 스캐닝 각도 범위 등이 적절한 수준을 얻을 수 있는 세부 격자 구조를 제시한다.

또한, 도면에는, 입력 광파(202)가 하나의 방향(좌측에서 우측으로)으로만 입사되는 것으로 도시되었으나, 이에 제한되거나 한정되지 않고, 스캐닝 각도 범위를 보다 넓힐 수 있는 방안으로 격자의 양방향으로 입력 광파를 입사하는 안테나 구조도 제안될 수 있다. 이에 대한 상세한 설명은 도 9를 참조하여 기재하기로 한다.

격자 구조로부터 방사되는 출력 광파(203)의 원거리장의 방사각은 회절(diffraction) 원리에 의하여 수학식 1을 활용하여 설계될 수 있다.

<수학식 1>

수학식 1에서,

는 입력 광파(202)의 자유공간에서 중심 파장,

는 격자의 주기,

는 격자를 포함하는 광 도파로(코어와 클래드를 포함한 전체 도파로)의 유효 귤절률(effective index),

는 격자가 형성된 광 도파로 코어 위를 덮고 있는 클래드 (clad)의 굴절률, 그리고

는 주기적인 격자로부터 산란된 광파의 회절로 형성된 회절패턴 중에서 빛의 세기가 가장 큰 중심에 해당되는 방사 각도(예컨대, 격자표면의 법선(normal)방향으로부터의 각도)를 나타낸다.

여기서, 유효 굴절률

는 광 도파로의 소재와 광파의 파장에 따른 굴절률 (refractive index)을 기반으로 하여 광 도파로의 구조에 따라 정해진다. 또한, 클래드의 굴절률은 격자가 자유공간에 노출되어 있을 경우에는

로 나타낼 수 있다. 이러한 수식은 고전적인 회절원리에 기반을 두고 있으나, 격자의 주기, 광 도파로 코어의 너비와 두께 등의 기하학적인 규모가 회절한계(diffraction limit) 이하인 경우, 즉, 입력 광파(202)의 파장의 절반(

)에 가깝거나 이보다 작을 경우에는 고전적인 회절원리로써는 제대로 묘사하기 어려운 점이 있다. 따라서, 본 발명은 나노포토닉스 영역에 포함되는 작은 규모의 영역에서, 일반적으로 수치적 시뮬레이션(numerical simulation)을 통하여 빔의 방사특성을 해석할 수 있다.

도 3은 본 별명의 일실시예에 따른 단일 격자 구조로부터 방사되는 회절패턴이다. 구체적으로, 도 3의 (a) 및 (c)는 격자 골의 깊이를 달리한 두 가지 격자 구조에 대한 설계변수 들의 값이며, (b)와 (d)는 해당 격자구조로부터 방사되는 근접장(near-field) 패턴의 시뮬레이션 결과이다(예컨대, (b)와 (d)는 해당 격자에 대해 FDTD(finite-difference time-domain)로 시뮬레이션 한 방사특성임). 즉, 도 3은 격자의 길이방향인 종방향으로 방사되는 출력 광파의 분포를 제어할 수 있는 주요변수의 영향을 보여주는 예이다.

(b)와 (d)의 방사특성은 격자의 종단면(도 2의 (a)에서 X-Y면) 상에서 광파의 전기장(electric field)의 근접장 (near-field)이며, field의 강도를 색상으로 나타낸 것이다. field는 (b)와 (d)에 도시된 바와 같이 종방향으로 여러 갈래로 나눠지며, 이는 산란의 정도가 격자 요철에 따라 다른 데서 나오는 현상이다. 전반적인 field의 강도는 격자의 길이방향으로 나아 갈수록 약해질 수 있다.

(b)의 결과에서는 80% 이상의 field가 격자의 전체길이 15

(격자주기

) 중 5

(

) 이내의 앞부분에서 방사되나, (d)의 결과에서는 격자의 뒷부분까지 상당한 field가 분포되어 있다. 이러한 차이는 격자 골의 깊이

의 차이에서 나오는 것이다. 즉, 격자 골의 깊이가 깊으면, 산란효과가 커져 격자의 앞부분에 방사 field가 집중되며, 깊이가 얕으면 산란효과가 적어져 격자의 뒷부분까지 방사 field가 분산될 수 있다.

여기서, field가 격자의 앞부분에 집중이 되면 전체 방사효율이 떨어지므로, 전체 효율을 높이려면, (d)와 같이 격자의 길이방향으로 충분한 거리까지 산란이 이루어지도록 하는 것이 바람직하다.

방사 field의 종방향 분포는 격자 골의 깊이 주된 영향을 받으나, 광파의 파장, 광 도파로 코어의 두께, 격자의 너비 등에도 영향을 받을 수 있다. 이러한 변수들의 영향을 고려하면, (a)와 (c)에서 예시한 변수들의 값에 가까운 범위에서는 대략적으로 광 도파로 코어의 두께 대비 격자 골의 깊이의 상대적 비가 1/4이상인 경우, 출력 광파의 전기장의 80% 이상이 격자의 8주기 이내에서 공간으로 방사될 수 있으며, 광 도파로 코어의 두께 대비 격자 골의 깊이의 상대적 비가 1/4 이하인 경우, 출력 광파의 전기장의 80% 이상이 격자의 5주기 내지 8주기 이상의 범위까지 공간으로 방사될 수 있다.

도 4는 본 별명의 일실시예에 따른 단일 격자 구조에서 격자주기가 방사각도에 미치는 영향을 보여주는 결과이다. 구체적으로, 도 4의 (a)는 설계변수들의 값이며, (b)는 (a)의 설계변수로 고정시켜두고 격자주기 변화

에 따른 원거리장(far-field)의 종방향 방사각(

에 해당) 변화를 보여주는 시뮬레이션 결과이다.

도 4를 참조하면, (b)에서 격자주기

의 작은 변화로 방사각을 넓은 범위로 변화시킬 수 있음을 확인할 수 있다. 또한, (a)의 구조에서 유효 굴절률

은 2.8 정도이며 격자의 주기에는 크게 영향을 받지 않는다. 이 때, 유효 굴절률은 격자가 형성된 광 도파로 코어의 너비

에 민감하게 변하며, (a)의 구조에서 광 도파로 코어의 반도체 소재의 굴절률이 3.5 이고, 코어의 너비가 0.3

5

범위에서 있을 경우에 격자가 형성된 광 도파로의 유효 굴절률은 2.5 <

< 3.0 범위 내에 든다.

수학식 1을 참조하면, 방사각

는 자유공간 파장 대비 격자의 주기의 상대적인 비

값과 유효 굴절률

의 상대적 차이로 정해지는 경향이 있다. 이러한 경향을 고려하면, (a)에서 예시한 변수들의 값에 가까운 범위에서

가 대략적으로

사이의 값으로 변화될 때, 종방향 방사각의 범위는

로 변화될 수 있다.

비를 상기 범위보다 더 줄여 종방향 방사각의 범위를

이상으로 더 크게 할 수는 있으나, 방사효율이 떨어져 활용성이 적게 된다.

다음은 단일 발산기의 횡방향 발산 범위에 영향을 주는 변수들을 설명한다. 고전적인 Gaussian 빔 발산원리에 기반하면, 단일 발산기에서 발산되는 광파의 횡방향 각도범위

는 수학식 2로 나타낼 수 있다.

<수학식 2>

수학식 2에서

는 Gaussian 빔 발산의 원점인 개구경의 크기에 해당되는 변수로써, 격자구조의 광 발산기에서는 격자의 너비

가 될 수 있다.

수학식 2의 기본 수식에 의하면, 단일 격자 구조에서 방사되는 원거리장의 횡방향 범위는 주로 파장 대비 격자의 너비의 상대적인 비, 즉,

에 의해 결정되며, 격자의 상대적인 너비가 좁을 수록 원거리장의 횡방향 범위는 넓어질 수 있다. 수학식 2는 상기 변수들의 대략적인 관계만 나타내줄 뿐이며, 나노포토닉스 영역인 본 발명의 실시예의 구조에서 방사범위는 후술되는 도 5와 같이 수치해석적인 시뮬레이션으로 확인될 수 있다.

도 5는 본 별명의 일실시예에 따른 단일 격자 구조에서 방사되는 원거리장의 범위를 보여주는 결과이다. 구체적으로, 도 5의 (a)는 반구(hemisphere)의 공간좌표계를 나타내는 입체도이며, (b)는 반구 공간좌표계에서 방사범위를 평면 투영으로 나타낸 시뮬레이션 결과이다.

도 5를 참조하면, 도 5에 적용된 구조는 본 발명에서 횡방향 범위를 넓게 설계한 일실시예이며,

를 비롯한 주요 설계변수는 도 4의 (a)와 같다. 다만, 격자의 주기는

를 선택한 것이며, 이 주기에서 방사각은

이다.

(a)의 구조에서 횡방향 범위를 결정하는 주요변수는

이다. 도 5의 (a)와 (b)에서

사이 방향은 격자의 횡방향(도 2에서 Z 방향)에 해당되고 N 방향은 격자의 법선방향(도 2에서 Y 방향, 수학식 1에서

)에 해당된다. 도 5의 (a)의 예시 구조는 방사각이

이므로, 도 5의 (c)에서 방사패턴은

선 보다

쪽으로 약간 치우쳐 있다. 상기 격자에서 방사되는 전기장(electric field) 분포는, (a)와 같이, 타원의 단면을 갖는 cone 형태에 가깝게 방사되며, (b)와 같이, 격자의 종방향 (

사이 방향) 보다 횡방향

사이 방향)으로 더 넓게 방사된다.

(b)에서 W-N-E 방향으로 광 세기 (intensity)의 분포를 보면 수직방향 (N방향)에서 최대가 되며, 이 최대 세기의

(최대 전기장의

, 여기서 지수

)로 떨어지는 범위까지의 방사각

은 격자의 횡방향으로

의 범위를 넘어서고 있다. 이 결과는 본 발명의 실시예의 격자구조(

)로 위상 배열을 구성할 경우에 횡방향으로 beam-steering의 최대범위를

에 가깝게 넓힐 수 있음을 의미한다.

다음은 상기 광 발산기로 어레이를 구성할 경우에 위상정합 빔의 성능에 영향을 주는 변수들을 설명한다. 1xM 발산기 어레이에서 각 광 발산기에서 방사되는 출력 광파의 간섭에 의해 하나 또는 그 이상의 위상정합(phase-matched) 빔이 형성된다. 이 위상정합 빔의 횡방향 발산각(divergence angle)

은 고전적인 Gaussian 빔 발산원리에 기반하여 수학식 3으로 나타낼 수 있다.

<수학식 3>

수학식 3에서

는 Gaussian 빔 발산의 원점인 개구경의 크기를 어레이 전체 너비로 가정하여 정한 변수이다. 수학식 3의 기본 수식에 의하면, 위상정합 빔의 횡방향 발산각에 영향을 주는 주요 변수는 파장 대비 격자의 너비의 상대적인 비 (

)와 어레이 내 발산기의 개수 M이다. 특히, 수학식 3은 발산기의 개수 M이 늘어날수록 위상정합 빔의 횡방향 발산각 (divergence angle)

는 좁아지는 경향을 나타낸다. 수학식 3은 상기 변수들의 대략적인 관계만 나타내줄 뿐이며, 보다 구체적인 형태는 후술되는 도 6와 같이 수치해석적인 시뮬레이션으로 확인될 수 있다.

도 6은 본 별명의 일실시예에 따른 격자 구조로 발산기 1xM 어레이를 구성할 경우에 어레이를 구성하는 발산기의 개수 M이 위상정합 빔의 행태에 미치는 영향을 구체적으로 보여주는 결과이다. 즉, 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 격자 구조로 1xM 어레이의 위상 배열을 구성하고, 각 발산기 간의 위상차이를

로 고정시킨 경우에 위상 배열로부터 발산되는 위상정합 빔의 형태를 시뮬레이션 한 것이다.

구체적으로, 도 6의 (a)는 설계변수들의 값이며, (b)는 반구의 입체 공간좌표계에서 빔의 방사형태를 보여주는 개략도이며, (c)-(e)는 어레이 내 발산기의 개수 M에 따른 위상정합 빔 형태의 변화를 보여주는 시뮬레이션 결과이다.

도 6을 참조하면, (a)에 예시한 발산기의 설계변수는 도 5에서 예시한 단위 설계변수를 적용한 것이다. 특히,

변수는 도 5의 것과 동일하게 적용한 것이며, 격자의 개수는

를 예로 든 것이다. (c)-(e)에서, 발산기의 개수 M이 8, 16, 32로 늘어날수록 위상정합 빔의 횡방향 발산각(divergence angle)

는

,

로 좁아짐을 확인할 수 있다. 상기 조건의 시뮬레이션에 의하면 발산기의 개수 M이 64 이상일 경우,

는

수준 이하로 더 좁힐 수 있다.

여기서 빔 발산각이 좁아진다는 것은 영상 스캐닝 (scanning)에서 분해능 (resolution)이 향상될 수 있는 의미를 갖는다. 따라서 횡방향 분해능의 조절은 발산기의 개수 M으로 조절할 수 있다. 이에 대비하여, 위상정합 빔의 종방향 발산각, 즉, 종방향 분해능의 조절은, 아래에서 설명할 도 7의 (c)-(e)와 같이, 어레이 내 발산기의 격자의 길이 로 조절할 수 있다.

다음은 상기 발산기로 어레이를 구성할 경우에 위상정합 빔의 종방향 발산각에 영향을 주는 변수들을 설명한다. 위상정합 빔의 종방향 발산각

는 고전적인 Gaussian 빔 발산원리에 기반하여, 수학식 4로 나타낼 수 있다.

<수학식 4>

수학식 4는 수학식 2와 유사한 식으로, Gaussian 빔 발산의 원점인 개구경의 종방향의 크기, 즉,

에 위상정합 빔의 종방향 발산각이 정해진다고 가정한 것이다. 수학식 4의 기본 수식에 의하면, 단일 격자 구조에서 방사되는 far-field 원거리장의 횡방향 범위는 주로 파장 대비 격자의 너비의 상대적인 비, 즉,

에 의해 결정되며, 격자의 길이

가 길수록, 즉, 파장 대비 상대적 비

가 작아질수록 격자정합 빔의 종방향 발산각

는 좁아질 수 있다. 격자의 길이는 곧

로 주어진다. 따라서 횡방향 분해능은 격자의 길이

(또는

)에 의해 조절될 수 있다. 수학식 4는 상기 변수들의 대략적인 관계만 나타내줄 뿐이며, 나노포토닉스 영역인 본 발명의 실시예의 구조에서 방사범위는 후술되는 도 7과 같이 수치해석적인 시뮬레이션으로 확인될 수 있다.

도 7은 본 별명의 일실시예에 따른 격자 구조 발산기 어레이에서 격자주기의 개수

의 변화에 따른 위상정합 빔의 위상정합 빔의 종방향 발산각

의 변화를 보여주는 시뮬레이션 결과이다. 도 7에 적용된 주요 설계변수는 도 6의 (a)의 설계변수와 동일하게 적용된 것이며, 광 발산기 어레이의 수는 M=8을 예로 든 것이다. 도 7의 예시에서, 격자주기의 개수

를 16, 20, 24로 늘일 수록(격자의 길이

를 길게 할수록) 위상정합 빔의 종방향 발산각

은 각각

로 좁아지며, 이에 따라 종방향 분해능은 향상될 수 있음을 확인할 수 있다.

도 8은 본 별명의 일실시예에 따른 격자 구조의 위상 배열에서 위상제어에 의한 위상정합 빔의 steering 기능을 보여주는 결과이다. 구체적으로, 도 8의 (a)는 설계변수들의 값이며, (b)는 반구의 입체 공간좌표계에서 빔 steering을 보여주는 개략도이며, (c)-(e)는 위상차

에 따른 위상정합 빔 steering을 보여주는 시뮬레이션 결과이다.

위상차가

일 경우에, (c)와 같이, 중심 가까이, 즉, N 방향 가까이에 광 세기가 강한 위상정합 빔 1(801)이 형성되어 있다. (c)의 예에서는 W와 E 방향 가까이의 양쪽 외곽에 광 세기가 약한 두 개의 위상정합 빔 2(802)와 빔 3(803)도 형성되어 있다. 위상차를

에서

로 크게 하면, (c)와 (d)의 비교에서 알 수 있듯이, 빔 1(801)은 E 방향으로 이동하며, 빔 2(802)는 W 방향에서 중심(N방향) 쪽으로 이동한다. 이러한 이동 과정에서 빔1(801)의 광 세기는 점점 약화되고, W 방향 쪽의 빔 2(802)의 광 세기는 점점 강화된다. 위상차가

이상으로 커지면, (e)와 같이, 빔 1(801)과 빔 2(802)는 E 방향으로 더 이동하고, field의 대부분은 빔 2(802)로 전이된다. 또한, W 방향 쪽에 빔 4(804)가 새로이 나타난다. 상기와 같이, 위상변조 과정에서 여러 개의 빔이 steering 될 수 있으며, 빔들 간에 광파 field의 전이가 되의 광 세기가 변화된다. 여러 개의 빔 중에서 광 세기가 가장 센 빔을

빔, 그 외곽의 빔들을

빔으로 정의한다.

도 8의 결과로부터 본 발명의 실시예의 위상 배열 구조에서 위상차이를

사이에서 변화시키고

빔과

빔을 모두 사용할 경우에 beam-steering의 최대 횡방향 범위

는, (b)에 나타낸 바와 같이,

를 넘을 수 있다. 여기서 steering 각도가 너무 커지면

빔의 field가 너무 약화되는 문제가 있을 수 있다. 따라서, 광 빔의 세기를 적정 수준을 유지하기 위해서는 위상차이를

범위에서 변화시키고,

빔 만을 사용하는 방식이 바람직하다. 이 방식에 따르면 beam-steering의 최대 횡방향 범위

는 위상차이를

사이에서 변화시키고

빔과

빔을 모두 사용하는 상기 방식의 최대 횡방향 범위

의 절반으로, 즉,

로 줄게 된다.

도 9는 본 별명의 일실시예에 따른 격자 구조에서 입력 광파의 양방향 입사에 따른 방사되는 출력 광파의 종방향 범위의 확장을 보여주는 개략도이다.

도 9를 참조하면, 입력 광파(902-1)의 입사 방향을 왼쪽에서 오른쪽으로 향할 경우에 출력 광파(903-1)의 방사각이

이 되도록 격자(901)이 설계되었다면, 또 다른 입력 광파(902-2)를 오른쪽에서 왼쪽으로 향할 경우에 출력 광파(903-2)는 방사각이

가 되게 반대쪽으로 보내줄 수 있다. 따라서, 동일한 격자구조에서 입력 광파(902-1, 902-2)의 입사를 양방향으로 해줌으로써 방사 각도는

과

의 두 가지 각도로 보낼 수 있으므로, 종방향 방사범위를 확대시킬 수 있다. 양방향 입사를 할 수 있는 위상 배열 안테나의 구성은, 간단히, 도 1의 일방향 입사 위상 배열 안테나를 구성하는 소자들을 거울 대칭으로 배치함으로써 구현할 수 있다. 즉, 광원(100), 광 파워 분배기(101-1, 101-2), 위상 제어기(102), 위상 공급선(103)을 발산기(104) 등의 구성 소자들을 우측에도 거울 대칭으로 배치하고, 우측의 위상 공급선들을 발산기의 우측에 연결하는 것이다.

도 3 내지 도 8을 참조하여 상술한 실시예들에서는 실리콘 광 도파로 코어를 대상으로 하여 자유공간 파장을 1550nm인 예를 들었으나, 이에 제한되거나 한정되지 않고, 광 도파로 코어의 소재는 실리콘에 가까운 굴절률을 갖는 다양한 물질이 이용될 수 있으며, 자유공간 파장 역시 적절한 파장 영역으로 설정됨으로써, 상술한 스케일 법칙이 적용될 수 있다. 예를 들어, 실리콘 소재의 광 도파로에서 파장이

인 범위에서 상기 설명된 경향이 적용될 수 있다. 그리고 격자 구조 광 발산기에서 주요 변수인 격자 너비

는 파장 대비

범위에서 상기 설명된 경향이 적용될 수 있다.

이상의 실시예들에서는 격자의 구조가 격자 내에 균일한 구조를 예로 들었으나, 격자의 구조의 변수들(

등) 중에서 하나 이상의 변수를 격자의 길이방향으로 다르게 변화시킬 수도 있다. 또한, 이상의 실시예들에서는 단일 파장을 갖는 광파의 입사를 예로 들었으나, 중심 파장이 하나 이상인 광파 또는 중심파장이 넓은 범위에 걸친 광파를 입사할 수도 있다.

이상의 실시예들에서 사용된 기호가 나타내는 바는 다음과 같다.

X: 격자의 종방향

Z: 격자의 횡방향

Y: 격자의 법선방향 (Normal 방향)

: 단위 발산기 사이 횡방향 간격

: 자유공간에서 입력 광파의 파장

: 격자의 주기

: 단위 격자의 골 부분의 너비

: 단위 격자의 언덕 부분의 너비

: 격자의 길이

: 격자주기의 개수

: 격자 부분 도파로 코어의 두께

: 격자 골의 깊이

: 광 도파로 코어에서 격자의 너비

M: 어레이 내의 발산기 개수

: 격자가 형성된 광 도파로의 유효 귤절률 (effective index)

: 격자가 형성된 광 도파로 위를 덮고 있는 클래드 (clad)의 굴절률

: 단위 격자의 종방향 방사 각도 (법선으로부터 각도)

: 단위 격자의 원거리장의 방사범위를 나타내는 각도 (반구면 좌표계에서 위도)

: 위상 배열에서 위상정합 빔이 형성되는 횡방향 각도 (위도)

: 위상 배열에서 위상제어로 얻을 수 있는 위상정합 빔의 횡방향 최대 steering 각도

: 단위 발산기 사이의 위상차

: 위상 배열에서 위상정합 빔의 횡방향 발산각 (divergence angle)

: 위상 배열에서 위상정합 빔의 종방향 발산각 (divergence angle)

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

100: 광원 (Light source)
101-1, 101-2: 1 대 N 광파워 분배기 (1:N power distributor)
102: 위상 제어기 (Phase controller)
103: 위상 공급선 (Phase-feeding line)
104: 발산기 (Radiator)
105: 1xM 발산기 어레이 (1xM radiator array)
106, 200, 200-1, 900: 광 도파로 코어 (Waveguide)
201, 901: 격자 (Grating)
202, 902-1, 902-2: 입력 광파(Light wave)
203, 903-1, 903-2: 격자에서 방사되는 회절패턴의 출력 광파
205: 격자의 골
206: 격자의 언덕
801, 802, 803, 804 위상정합 빔

Claims

광 위상 배열 안테나를 구성하는 광 발산기 소자에 있어서,
반도체 소재를 이용한 도파로 코어와 도파로 클래드를 포함한 광 도파로; 및
상기 광 도파로 상부 또는 하부에 주기적으로 형성되는 격자
를 포함하고,
상기 광 발산기 소자는
입력 광파를 상기 광 도파로와 상기 격자의 일방향으로 입사하고, 상기 격자로부터의 산란을 이용하여 출력 광파를 공간으로 방사하고,
상기 광 발산기 소자의 기하학적인 변수들-상기 기하학적인 변수들은 상기 도파로 코어의 너비, 상기 도파로 코어의 두께, 상기 격자의 너비, 상기 격자의 주기 및 상기 격자의 깊이를 포함함- 중 적어도 어느 하나의 규모는
상기 입력 광파의 파장의 절반인 회절한계 이내의 값 또는 상기 회절한계에 대해 미리 설정된 범위만큼 근접한 값을 갖는, 광 발산기 소자.
제1항에 있어서,
상기 광 발산기 소자는
상기 출력 광파가 방사되는 종방향 각도 범위를 넓히기 위해, 상기 입력 광파를 상기 광 도파로와 상기 격자의 양방향으로 입사하여, 상기 격자로부터의 산란을 이용하여 상기 출력 광파를 공간으로 방사하는, 광 발산기 소자.
삭제
제1항에 있어서,
상기 도파로 코어는
실리콘으로 형성되는, 광 발산기 소자.
제1항에 있어서,
상기 입력 광파의 자유공간 파장
은

범위를 갖는, 광 발산기 소자.
제1항에 있어서,
상기 격자의 너비
는
상기 입력 광파의 자유공간 파장
대비
범위를 갖는, 광 발산기 소자.
제1항에 있어서,
상기 격자의 깊이는
상기 출력 광파가 방사되는 종방향 분포를 제어하기 위하여 조절되는, 광 발산기 소자.
제1항에 있어서,
상기 격자의 주기는
상기 출력 광파가 방사되는 종방향 방사각을 제어하기 위하여 조절되는, 광 발산기 소자.
제1항에 있어서,
상기 격자의 너비는
상기 출력 광파가 방사되는 횡방향 방사 각도 범위를 제어하기 위하여 조절되는, 광 발산기 소자.
반도체 소재를 이용한 도파로 코어와 도파로 클래드를 포함한 광 도파로 및 상기 광 도파로 상부 또는 하부에 주기적으로 형성되는 격자를 포함하여, 입력 광파를 상기 광 도파로와 상기 격자의 일방향으로 입사하고, 상기 격자로부터의 산란을 이용하여 출력 광파를 공간으로 방사하는 광 발산기 소자로 구성되는 광 발산기 어레이에 있어서,
상기 광 발산기 어레이는
복수 개의 광 발산기 소자들의 어레이로 생성되고,
상기 복수 개의 광 발산기 소자들의 개수는
상기 복수 개의 광 발산기 소자들 각각으로부터 방사되는 출력 광파의 위상간섭으로 형성되는 위상정합 빔의 횡방향 빔 발산각을 제어하기 위하여 조절되며,
상기 복수 개의 광 발산기 소자들 각각에 포함되는 상기 격자의 주기의 개수는
상기 복수 개의 광 발산기 소자들 각각으로부터 방사되는 출력 광파의 위상간섭으로 형성되는 위상정합 빔의 종방향 빔 발산각을 제어하기 위하여 조절되는, 광 발산기 어레이.
반도체 소재를 이용한 도파로 코어와 도파로 클래드를 포함한 광 도파로 및 상기 광 도파로 상부 또는 하부에 주기적으로 형성되는 격자를 포함하여, 입력 광파를 상기 광 도파로와 상기 격자의 일방향으로 입사하고, 상기 격자로부터의 산란을 이용하여 출력 광파를 공간으로 방사하는 광 발산기 소자로 구성되는 광 위상 배열 안테나에 있어서,
상기 광 위상 배열 안테나는
복수 개의 광 발산기 소자들의 어레이로 생성되고, 상기 복수 개의 광 발산기 소자들이 균등한 위상차를 갖도록 커지거나 작아지는 위상을 상기 복수 개의 광 발산기 소자들 각각으로 공급하며, 상기 복수 개의 광 발산기 소자들의 위상 배열에 의한 위상정합 빔을 상기 공간 상에서 횡방향으로 빔 스티어링(steering)하는, 광 위상 배열 안테나.