KR102350191B1

KR102350191B1 - 광학 위상 어레이들

Info

Publication number: KR102350191B1
Application number: KR1020207032991A
Authority: KR
Inventors: 지에 선; 마이클 알. 와츠; 애미 야코비; 에르만 티머도건
Original assignee: 메사추세츠 인스티튜트 오브 테크놀로지
Priority date: 2013-01-08
Filing date: 2014-01-07
Publication date: 2022-01-17
Also published as: CN111522098A; EP2929382A1; KR20200135545A; CN105026970B; JP2016508235A; KR20150104137A; EP3388892A1; KR102500906B1; JP2018049299A; US20140192394A1; US8988754B2; EP2929382A4; KR20220008391A; JP6363619B2; KR102181537B1; EP2929382B1; CN105026970A; WO2014110017A1; CA2897036A1

Abstract

다수의 나노포토닉 안테나 소자로 형성된 광학 위상 어레이는 원거리장 내로 복합 화상들을 투사하는데 이용될 수 있다. 나노포토닉 안테나 소자들 및 도파관들을 비롯한 이들 나노포토닉 위상 어레이는 상보성 금속산화물-반도체(CMOS) 공정들을 이용해서 실리콘의 단일 칩 상에 형성될 수 있다. 방향성 결합기들은 도파관으로부터의 광을 나노포토닉 안테나 소자들로 감쇄적으로 결합하고, 이들 안테나 소자는 목적으로 패턴을 생성하기 위하여 방출된 빔들이 원거리장에서 간섭하도록 선택된 위상들과 진폭들을 가진 빔으로서 광을 방출한다. 몇몇 경우에, 위상 어레이 내의 각각의 안테나는, 안테나의 출력의 위상(그리고 얻어지는 원거리장 간섭 패턴)을 변화시키는데 이용될 수 있는 대응하는 가변 지연선, 예컨대, 열-광학적으로 동조된 도파관 또는 액체-충전 셀에 결합될 수 있다.

Description

광학 위상 어레이들{OPTICAL PHASED ARRAYS}

관련 출원에 관한 상호 참조

본 출원은 미국 출원 제61/749,967호(출원일: 2013년 1월 8일, 발명의 명칭: "Large-Scale Nanophotonic Phased Array"의 35 U.S.C. § 119(e) 하의 유익을 주장하며, 이 기초 출원은 그의 전문이 참고로 본 명세서에 편입된다.

정부 지원

본 발명은 미국 국방성 고등 연구 계획국에 의해 수여된 협약 번호 HR0011-12-2-0007 하, 그리고 미국 에너지국에 의해 수여된 승인 번호 DE-AC04-94AL85000 하에 정부 지원을 받았다. 정부는 본 발명에서 소정의 권리를 갖는다.

무선 주파수에서의 전자기 위상 어레이들이 잘 알려져 있고, 그리고 통신에서부터 레이더, 방송 및 천문학에 이르는 가능한 응용범위를 갖는다. 대규모 위상 어레이들을 이용해서 임의의 방사 패턴을 생성하는 능력은 오랫동안 추구되어 왔다. 대규모 무선 주파수 위상 어레이들을 전개시키는 것은 극히 값비싸고 번잡하지만, 광학 위상 어레이들은 훨씬 더 짧은 광 파장이 대규모 집적을 위하여 유망성을 보유한다는 점에서 독특한 이점을 지닌다. 그러나, 이 짧은 광 파장은 또한 제조 상 엄격한 요건을 부여한다. 그 결과, 광학 위상 어레이들이 각종 플랫폼을 이용해서 그리고 최근에는 칩-규모 나노포토닉스(chip-scale nanophotonics)를 이용해서 연구되어 왔지만, 데이터로 입증된 광학 위상 어레이들은 1차원 어레이들 또는 소규모 2차원 어레이들이었다.

본 발명의 실시형태들은 자유-공간 파장 λ₀을 지니는 코히어런트 광학 빔으로부터 원거리장 방사 패턴(far-field radiation pattern)을 형성하는 광학 위상 어레이와, 광학 위상 어레이를 이용해서 원거리장 방사 패턴들을 형성하는 대응하는 방법들을 포함한다. 광학 위상 어레이의 일례는 적어도 하나의 도파관과 동일한 평면에 배치된 복수개의 안테나 소자에 감쇄적으로 결합된(evanescently coupled) 상기 적어도 하나의 도파관(waveguide)을 포함한다. 동작 시, 도파관은 코히어런트 광학 빔을 안테나 소자로 유도하고, 해당 안테나 소자는 원거리장 방사 패턴을 형성하기 위하여 코히어런트 광학 빔의 각각의 부분을 방출한다.

몇몇 경우에, 광학 위상 어레이는 하나 이상의 가로행 도파관(row waveguide)에 감쇄적으로 결합된 세로열 도파관(column waveguide)을 포함한다. 세로열 도파관은 제1 방향의 코히어런트 광학 빔을 가로행 도파관들로 유도하고, 해당 가로행 도파관들은 코히어런트 광학 빔의 각각의 부분을 안테나 소자로 유도한다. 예를 들어, 광학 위상 어레이는 제1 결합 효율을 지니는 제1 방향성 결합기를 통해서 세로열 도파관에 감쇄적으로 결합된 제1 가로행 도파관과, 제2 결합 효율을 지니는 제2 방향성 결합기를 통해서 세로열 도파관에 감쇄적으로 결합된 제2 가로행 도파관을 포함할 수 있다. 구현예에 따라서, 제1 결합 효율은, 예컨대, 제1 가로행 도파관 내로 결합된 광 파워의 양이 제2 가로행 도파관 내로 결합된 광 파워의 양과 대략 동일한 것을 확실하게 하기 위하여, 제2 결합 효율보다 더 작을 수 있다. 필요한 경우, 도파관들은 상보성 금속산화물-반도체(complementary metal-oxide-semiconductor: CMOS) 공정을 통해서 형성될 수 있다.

광학 위상 어레이 내의 안테나 소자들은, λ₀/2의 정수배와 대략 동일한 피치 또는 약 λ₀/2보다 낮거나 같은 피치를 비롯한 임의의 적절한 피치에서 이격되어 있을 수 있다. 안테나 소자들은 또한 대략 동일한 진폭인 코히어런트 광학 빔의 각각의 부분을 방출할 수 있다. 몇몇 경우에, 각 안테나 소자는 원거리장 방사 패턴을 형성하도록 코히어런트 광학 빔의 대응하는 부분의 적어도 일부분을 회절시키는 격자(grating)를 포함할 수 있다. 각각의 격자는 적어도 약 100㎚의 반치전폭 회절 대역폭(full-width, half-maximum diffraction bandwidth)을 지닐 수 있다. 그리고 각 격자는 코히어런트 광학 빔의 대응하는 각각의 부분의 공명 배면-반사(resonant back-reflection)를 억제하도록 구성될 수 있다.

몇몇 경우에, 광학 위상 어레이는 복수개의 가변적 광학 지연선을 포함할 수 있고, 각각의 가변적 광학 지연선은 대응하는 안테나 소자와 광통신한다. 동작 시, 이 가변적 광학 지연선은 적어도 하나의 도파관의 위상 오차를 보상하고/하거나 상기 원거리장 방사 패턴의 진폭 분포를 변동시키기 위하여 코히어런트 광학 빔의 대응하는 부분의 위상을 변위시키는데 이용될 수 있다. 각각의 가변적 광학 지연선은 도핑된 반도체에 형성된 저항 히터 등과 같은 대응하는 히터에 의해 작동될 수 있다. 동작 시, 히터는 가변적 광학 지연선에 의해 코히어런트 광학 빔의 대응하는 부분에 부여된 위상 변위를 변화시키기 위하여 가변적 광학 지연선의 적어도 일부를 가열시킨다. 히터에 작동 가능하게 결합된 제어기는 가변적 광학 지연선에 의해 코히어런트 광학 빔의 대응하는 부분에 부여된 위상 변위의 변화를 통해서 원거리장 방사 패턴을 변동시키기 위하여 히터의 온도를 제어할 수 있다.

다른 실시형태에 있어서, 광학 위상 어레이는 기판, 세로열 도파관, 복수개의 방향성 결합기, 복수개의 가로행 도파관, 복수개의 위상 변위기(phase shifter), 복수개의 안테나 소자, 및 복수개의 제어 가능한 히터를 포함한다. 세로열 도파관, 방향성 결합기들, 가로행 도파관들, 위상 변위기들 및 안테나 소자들은 기판 내에 또는 기판 상에 형성된다. 동작 시, 세로열 도파관은 약 λ₀의 자유-공간 파장을 지니는 코히어런트 광학 빔을 방향성 결합기들로 유도하고, 이들 방향성 결합기는 세로열 도파관으로부터의 코히어런트 광학 빔의 각각의 부분을 가로행 도파관들로 감쇄적으로 결합시킨다. 가로행 도파관들은 이들 "가로행 빔"의 부분들을 위상 변위기들로 유도하고 감쇄적으로 결합시키고, 위상 변위기들의 각각은 대응하는 위상-변위된 빔을 생성하도록 대응하는 가로행 빔의 대응하는 부분으로 대응하는 위상 변위를 부여한다. 각각의 위상 변위기는 그의 대응하는 위상-변위된 빔을복수개의 안테나 소자 중 특정 안테나 소자에 결합시킨다. 안테나 소자들은 원거리장 방사 패턴을 형성하기 위하여 기판에 관하여 소정 각도로 위상-변위된 빔들을 방출한다. 그리고 제어 가능한 히터들은 위상 변위들을 변화시키기 위하여 위상 변위기를 가열시키고, 이어서 원거리장 방사 패턴을 변동시키고/시키거나 세로열 도파관 및/또는 가로행 도파관들의 위상 오차들을 보상한다.

상기 개념 및 이하에 더욱 상세히 논의되는 추가의 개념(단 이러한 개념들은 상호 모순되지 않아야 함)의 모든 조합이 본 명세서에 개시된 본 발명의 주제의 일부로서 상정되는 것임을 이해해야 한다. 특히, 본 개시내용의 말기에 나타나는 청구된 주제의 모든 조합은 본 명세서에 개시된 본 발명의 주제의 일부로서 상정된다. 또한 참고로 편입된 임의의 개시내용에서 또한 나타날 수 있는 본 명세서에서 명확하게 이용되는 용어는 본 명세서에 개시된 특정 개념과 가장 일치하는 의미와 부합해야 하는 것임을 또한 이해해야 한다.

당업자라면, 도면은 주로 예시적인 목적이며, 본 명세서에 기재된 발명적인 주제의 범위를 제한하고자 의도된 것이 아님을 이해할 것이다. 도면은 반드시 일정 척도로 된 것은 아니며; 몇몇 경우에, 본 명세서에 개시된 본 발명의 주제의 각종 양상은, 상이한 특징의 이해를 용이하게 하기 위하여 도면에서 과장하거나 확대해서 도시되어 있을 수 있다. 도면에서, 유사한 참조 부호는 일반적으로 유사한 특징부(예컨대, 기능적으로 유사하고/하거나 구조적으로 유사한 요소)를 지칭한다.
도 1a는 64 × 64 소자 광학 위상 어레이를 나타내는 도면(삽도는 광학 위상 어레이의 단위 셀 또는 화소를 도시함).
도 1b는 동등량의 광 파워를 다수의 가로행 도파관으로 결합시키는 버스 도파관을 구비하는 도 1a의 광학 위상 어레이에 이용하기에 적합한 파워 공급망(power feeding network)을 도시한 도면.
도 1c는 도 1a의 64 × 64 나노포토닉 위상 어레이 내 버스-대-가로행 결합기(상부 곡선) 및 가로행-대 단위 결합기(중간부 곡선)에 대한 결합기 길이(좌측 축) 및 결합 효율(우측 축) 대 행/열 지수(row/column index)의 그래프.
도 1d는 방향성 결합기, 위상 변위기 및 나노포토닉 안테나 소자를 구비한 도 1a의 광학 위상 어레이의 단위 셀(화소)을 도시한 도면;
도 2a는 열-광학 위상 동조(thermo-optic phase tuning)를 이용하는 8 × 8 소자 능동 광학 위상 어레이의 개략도;
도 2b는 도 2a의 능동 광학 위상 어레이 내의 열-광학적으로 동조된 화소의 개략도;
도 3a는 액체-기반 위상 동조를 이용하는 12 × 12 소자 능동 광학 위상 어레이의 개략도;
도 3b는 도 3a의 능동 광학 위상 어레이 내의 액체-동조된 화소의 개략도;
도 4A는 광학 위상 어레이에서 사용하기에 적합한 나노포토닉 안테나의 3차원, 근거리장 방출의 유한-차분 시간-영역(finite-difference time-domain: FDTD) 시뮬레이션의 그래프;
도 4B는, 근거리-대-원거리장 변환을 이용해서, 도 4에 도시된 근거리장 발광으로부터 계산된 광학 나노안테나의 원거리장 방사 패턴의 극도표(polar plot);
도 4C는 원거리장에서 도 2a에 도시된 64 × 64 소자 광학 위상 어레이에 의해 방출된 시뮬레이션된 방사 패턴(여기서, 매사추세츠 공과 대학(MIT)의 로고를 나타냄)의 극도표;
도 4D는 도 4C에 도시된 시뮬레이션된 방사 패턴의 원형 구역의 극도표;
도 5는 대규모 나노포토닉 위상 어레이용의 안테나 합성을 예시하는 블록도;
도 6A는 λ₀/2의 화소 피치를 지니는 64 × 64 광학 위상 어레이에 의해 방출된 시뮬레이션된 원거리장 어레이 인자 패턴-이 경우에 "MIT" 로고-을 도시한 도면;
도 6B는, 예컨대, 자유 공간 광통신을 위하여 상이한 각도에서 전파 중인 다수의 빔에 대해서 λ₀/2의 화소 피치를 지니는 64 × 64 광학 위상 어레이에 의해 방출된 시뮬레이션된 원거리장 어레이 인자 패턴을 도시한 도면;
도 6C는 도 6A에 도시된 원거리장 어레이 인자 패턴을 생성하는데 이용되는 64 × 64 광학 위상 어레이를 가로지르는 위상 분포의 컬러 그래프;
도 6D는 도 6B에 도시된 원거리장 어레이 인자 패턴을 생성하는데 이용되는 64 × 64 광학 위상 어레이를 가로지르는 위상 분포의 컬러 그래프;
도 7A 내지 도 7D는 이상적인 위상

에 대해서 σ = 0(즉, 위상 잡음 없음; 도 7A), σ = π/16(도 7B), σ = π/8(도 7C) 및 σ = π/4(도 7D)의 표준 편차를 지니는 가우스 위상 잡음 ε _mn 을 가산함으로써 시뮬레이션된 상이한 위상 잡음 수준을 지니는 시뮬레이션된 원거리장 어레이 인자 패턴;
도 8A는 제작된 64 × 64 소자 광학 위상 어레이의 주사 전자 현미경(SEM) 사진;
도 8B는 도 8A에 도시된 제작된 64 × 64 소자 광학 위상 어레이 내의 화소의 SEM 사진;
도 9A는 광학 위상 어레이에서 사용하기에 적합한 제작된 나노포토닉 안테나의 SEM 사진;
도 9B는 상향 발광(최상부 곡선), 하향 발광(상부 중간 곡선), 반사(하부 중간 곡선) 및 투과(최하부 곡선)에 있어서의 도 9A의 나노포토닉 안테나에 대한 시뮬레이션된 발광 효율 대 발광 파장의 그래프;
도 10a는 광학 위상 어레이의 근거리장 및 원거리장을 관찰하는데 이용되는 결상 시스템(imaging system)의 선도;
도 10b는 도 10a의 결상 시스템을 이용해서 얻어진 도 8A에 도시된 광학 위상 어레이의 근거리장 화상;
도 10c는 도 10b에 도시된 근거리장의 8 × 8 화소 부분의 클로즈업 도면;
도 10d는 광학 위상 어레이 내 화소들로부터 광 방출의 측정된 강도 분포의 막대그래프;
도 10e는 도 10a의 결상 시스템을 이용해서 얻어진 도 1b에 도시된 광학 위상 어레이의 원거리장(푸리에-평면) 화상;
도 10f는 도 10a의 결상 시스템을 이용해서 얻어진 도 8B에 도시된 광학 위상 어레이의 32 × 32 화소 부분의 원거리장(푸리에-평면) 화상;
도 11A 내지 도 11E는 조준 빔(도 11A), 6°만큼 수직으로 조향된 집속 빔(도 11B), 6°만큼 수평으로 조향된 집속 빔(도 11C), 2개의 빔으로 수직으로 분할된 단일 빔(도 11D) 및 4개의 빔으로 수평으로 분할된 단일 빔(도　11E)을 방출하는 도 2a의 광학 위상 어레이의 위상 분포(최상부 행), 시뮬레이션된 원거리장 방사 패턴(중간부 행) 및 측정된 원거리장 방사 패턴(최하부 행)을 도시한 도면.

본 기술의 예들은, 비교적 작은 풋프린트 내에서 실리콘 칩 상에 치밀하게 집적된 광학 나노안테나들을 구비하는, 나노포토닉 위상 어레이(nanophotonic phased array: NPA)라고도 불리는 대규모의 2차원 광학 위상 어레이를 포함한다. 예를 들어, 예시적인 NPA는 약 576㎛ × 576㎛의 면적의 64 × 64 소자 어레이에 배열된 4,096개의 안테나 소자를 포함할 수 있다. 본 명세서에 개시된 강인한 NPA 설계는, 최신의 상보성 금속산화물-반도체 기술과 함께, 대규모 NPA들이 컴팩트하면서도 저렴한 나노포토닉 칩들 상에 구현될 수 있게 한다.

NPA는, 그의 무선주파수(rf) 상대방과 마찬가지로, 나노안테나들, 나노포토닉 안테나들, 안테나 소자들 또는 단순히 소자들이라고도 알려진 광학 안테나들의 어레이를 포함한다. 예를 들어, NPA는 광 파장에 따라서 소정 거리만큼 이격된 소자들을 지니는 주기적인 2차원 어레이로 배열된 동일한 광학 안테나들의 세트를 포함할 수 있다. 다른 예들에서, 어레이는 비주기적(예컨대, 랜덤 또는 희박) 및/또는 1차원일 수도 있다. 어레이 내의 각각의 광 안테나는 특정 진폭과 위상의 광을 방출한다. 이들 발광은 목적으로 하는 원거리장 방사 패턴을 형성하기 위하여 간섭된다. 광학 안테나들에 의해 방출된 빔의 진폭 및/또는 위상을 변화시키는 것에 의해 원거리장 방사 패턴의 변화를 초래한다.

광은 비교적 단파장(예컨대, 1마이크론의 차수 상의 파장)을 지니므로, NPA는 컴팩트한 저가의 칩 내에 수 천 내지 수 백만개의 안테나 소자를 포함할 수 있다. 다수의 안테나를 편입시킴으로써, NPA는 거의 임의의 방사 패턴들을 비롯한 고-해상도 원거리장 패턴을 생성하여, 종래의 빔 집속 및 조향을 넘는 NPA 기능을 부여할 수 있다. 그러나, 짧은 광 파장은 또한, 나노규모의 변동조차도 특정 원거리장 방사 패턴을 형성하기 위하여 파워가 균형을 이루고 동 위상으로 정렬되는 수 천개의 나노안테나로부터 광 방출의 위상 및 파워의 균형을 이루는 능력에 영향을 미치므로 이러한 대규모 NPA로부터 코히어런트 출력을 실현하는 데 있어서 난점을 제공한다. 그 결과, 오늘날까지 입증된 칩-기반 2차원 NPA는 불과 16개 의 안테나 소자와 단일 빔을 집속하고 조향하도록 제한된 기능을 지니는 소규모 구현이었다.

이와 대조적으로, 본 명세서에 개시된 NPA들의 예는 더 많은 안테나 소자를 포함할 수 있고, 그리고 상보성 금속산화물-반도체(CMOS) 공정들을 이용해서 제작될 수 있다. 일례에 있어서, NPA는 실리콘 칩 상에 64 × 64개의 광학 나노안테나를 포함하고, 모두 4,096개의 광학 나노안테나는 원거리장에서 특정 방사 패턴(예컨대, MIT 로고)을 생성하도록 파워가 균형을 이루고 동위상에 정렬되어 있다. (광학 기기에서, 원거리장은 전형적으로 프라운호퍼 근사(Fraunhofer approximation)가 적용되는 영역으로서 정의되며, 즉, 거리는 약 L > W ²/λ보다 크거나 같으며, 여기서 W는 개구의 크기이고, λ는 방출된 광의 파장이다.) 이 전력 균형 및 위상 정렬은 특정 원거리장 방사 패턴의 반복 가능한 생성을 확실하게 하기 위하여 고정될 수 있다. 실험 결과는, 짧은 광 파장 및 위상 소자의 대응하는 길이에도 불구하고, 안테나 소자들에 의해 방출되는 빔들의 위상들이 유지될 수 있어, 나노포토닉 칩 내의 광학장(optical field)의 위상의 임의의 조작을 행하는 능력을 강조하는 것을 알 수 있다.

다른 예들에서, 어레이 내의 각 안테나 소자는 능동 위상 동조에 대해서 대응하는 위상 동조기를 포함한다. NPA 내 안테나 소자들의 상대 위상을 동조시키는 것은 NPA에 의해 방출된 빔을 동적으로 조향시키고/시키거나 정형화하도록 하는 것을 가능하게 한다. 다수의 안테나 소자를 이용하는 동적 위상 동조는 또한 더욱 정교한 원거리장 방사 패턴들의 생성을 가능하게 하여, 위상 어레이들의 기능을 빔 집속 및 빔 조향을 넘어 확장시킬 수 있다.

다수의 나노안테나 및 내장된 위상 동조성은 NPA로 하여금 임의의 원거리장 방사 패턴들을 동적으로 발생할 수 있게 하고, 나아가 통신, LADAR, 3차원 홀로그램, 생물학적 및 환경적 감지, 그리고 의생명 과학 등과 같은 새로운 분야에 영향을 미칠 수 있게 한다. 예를 들어, 예시적인 NPA는 차량, 트럭, 위성, 로봇 등에서 사용하기에 적합한 (저가) LIDAR에서 이용될 수 있었다. CMOS 집적 공정을 이용하는 능력은 저가의 컴팩트한 NPA를 위한 밝은 미래를 약속한다.

감쇄적으로 결합된 버스들 및 나노안테나들을 이용하는 광학 위상 어레이들

도 1a 내지 도 1d는 CMOS 집적 공정을 이용해서 형성된 광학 위상 어레이(100)를 예시한다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 광학 위상 어레이(100)는 약 λ₀/2의 피치(여기서 λ₀는 광학 위상 어레이(100)에 의해 방출된 빔(들)의 파장임)에서 64 화소 × 64 화소 그리드(grid)에 배열된 4,096개의 단위 셀(화소)(130)을 포함한다. 광섬유(102)는 레이저 혹은 다른 코히어런트 광원(도시 생략)으로부터의 광을 세로열 버스 도파관(110)에 결합시키고, 이어서 이러한 세로열 버스 도파관은 광을 64 가로행 버스 도파관(120-1 내지 120-64)(일괄적으로, 가로행 버스 도파관(120))에 감쇄적으로 결합시킨다. 각각의 가로행 버스 도파관(120)은, 이어서 광을 64개의 화소(130)에 감쇄적으로 결합시키고, 이들 화소는 미리 결정된 원거리장 발광 패턴을 형성하도록 광을 방출시킨다.

이 광학 위상 어레이(100)에서, 가로행 버스 도파관(120)들에 대한 결합은 각각의 가로행 버스 도파관(120)이 이하에 더욱 상세히 기술하는 바와 같은 동일한 양의 파워를 얻도록 하는 방식으로 제어된다. 각각의 가로행 버스 도파관(120)에서의 광 파워는 이어서 그 가로행 버스 도파관(120)에 결합된 64개의 화소(130) 간에 유사하게 분할되므로, 광학 위상 어레이(100) 내의 모든 4,096개의 광학 나노안테나가 균일하게 여기된다. 각 화소(130)가 광섬유(102)에 의해 제공되는 광 파워의 동등한 부분을 입수하므로, 화소(130)들에 의해 방출되는 빔의 상대 위상의 차이는 광학 위상 어레이의 원거리장 발광 패턴을 결정한다. 다른 예들에서, 각 화소(130) 내로 및/또는 로부터 결합된 광 파워는 특정 원거리장 방사 패턴을 생성하기 위하여 방출된 파워의 화소간 변동을 일으키도록 가중, 감쇄 혹은 증폭될 수 있다.

이 예에서, 화소 피치는 x 방향과 y 방향 둘 다에서 광 방출의 자유-공간 파장 λ₀의 절반 미만이다. 화소 피치가 λ₀/2 미만이기 때문에, 광학 위상 어레이(100)는 고차 방사 로브 없이 원거리장 내에 균일한 간섭 패턴을 생성할 수 있다. λ₀/2보다 큰 화소 피치에 대해서, 광학 위상 어레이(100)는 바람직한 원거리장 방사 패턴 이외에도 원거리장 내에 (가능하게는 바람직하지 않은) 고차 간섭 패턴들을 생성할 수도 있다. 즉, 광학 위상 어레이(100)는 원거리 장 내에 바람직한 패턴의 엘리어싱된 버전(aliased version)을 생성할 수도 있다.

나노포토닉 위상 어레이의 파워 관리

위상 어레이들에서, 화소의 각각의 방출 진폭은 원거리장 방사 패턴에 영향을 미친다. 이들 진폭의 바람직하지 않은 변동은 광학 위상 어레이의 원거리장 방사 패턴을 붕괴시키거나 또는 그렇지 않으면 열화시킬 수 있다. 바람직하지 않은 진폭 변동을 방지하는 것은 흔히 보다 큰 어레이들에서 더욱 난제로 된다(더욱 중요해진다). 따라서, 커다란 어레이들(예컨대, 수 천개의 화소를 구비한 어레이들)에서, 파워 공급망은 각 안테나 소자에 대해서 신뢰성 있고 정밀하게 광 파워를 전달해야 한다.

도 1b는 광학 위상 어레이의 파워 공급망-세로열 버스 도파관(110) 및 가로행 버스 도파관들(120)-을 더욱 상세히 예시하고 있다. 세로열 버스 도파관(110) 및 가로행 버스 도파관들(120)은 CMOS 가공처리 및 CMOS 전자기기의 분야에서 알 수 있는 바와 같은 실리콘 도파관들(예컨대, 실리콘-온-절연체 도파관들)로 형성될 수 있다. 세로열 버스 도파관(110)은 광섬유(102)에 맞대기-결합되어(butt-coupled), 광학 빔을 세로열 버스 도파관(110)에 의해 지지된 단일 횡방향 모드로 진출시킨다.

광학 빔은 일련의 세로열-대-가로행 방향성 결합기(140-1 내지 140-64)(일괄적으로, 방향성 결합기(140))를 통해서 세로열 버스 도파관(110)를 따라 전파되고, 이들 방향성 결합기는 광학 빔의 대응하는 부분을 대응하는 가로행 버스 도파관(120) 내로 결합시킨다. 도 1b에 도시된 방향성 결합기(140-1 내지 140-64)는, 세로열 버스 도파관(110)의 각각의 세로열 결합 영역(112-1 내지 112-64)(일괄적으로, 결합 영역(112))에 의해 형성된 4-포트의 수동 디바이스이다. 각각의 방향성 결합기(140)에서, 세로열 결합 영역(112)은 대응하는 가로행 버스 도파관(120-1 내지 120-64) 내에서 가로열 결합 영역(122-1 내지 122-64)(일괄적으로, 결합 영역(122))에 대해서 평행하게 뻗고 이 결합 영역으로부터 멀리 이격된다.

동작 시, 주어진 세로열 결합 영역(112-m)을 통해 전파 중인 광은 이웃하는 가로열 결합 영역(122-m) 내로 감쇄적으로 결합하고, 여기서 m은 가로행의 수이다. 당업자가 이해하는 바와 같이, 세로열 결합 영역(112-m)으로부터 가로열 결합 영역(122-m) 내로 전이된 광 파워의 비율은 결합 영역의 광학 경로 길이 L _c(m)과 세로열 결합 영역(112-m)을 가로열 결합 영역(122-m)으로부터 분리시키는 광학 경로 길이의 함수로서 변동한다. 각 가로행에 동일한 파워를 제공하기 위하여, 방향성 결합기의 길이 L _c (m)은 m번째(1 < m < M) 가로행 버스 도파관이 1/(M + 2 - m)의 결합 효율을 지니도록 하는 방식으로 결합비를 변화시키도록 변동되며, 여기서 M은 최고 가로행의 수(이 경우에, M = 64)이다. 바람직한 결합비(및 결합기 길이)는 3차원 유한-차분 시간-영역 시뮬레이션 또는 임의의 기타 적절한 수법을 통해서 얻어질 수 있다. 도 1a에 도시된 64 화소 × 64 화소 광학 위상 어레이(100)에 대해서, 버스-대-가로행 결합기 길이 L _c (m)은 가로행 버스 도파관(120)들 간에 균등하게 파워를 분포시키기 위하여 m = 1에 대한 약 3.53㎛(약 1.54%의 결합 효율)에서부터 m = 64에 대한 약 8.12㎛(약 50%의 결합 효율)까지 변동한다.

다른 예들에서, 광학 위상 어레이를 가로지르는 파워 분포는 불균일할 수 있다. 예를 들어, 파워 분포는 광학 위상 어레이에 의해 방출된 빔에 대해서 가우스 또는 로렌츠 형상을 제공하기 위하여 가우스 혹은 지수함수적 붕괴 포락선을 가질 수 있다. 마찬가지로, 방향성 결합기의 결합비는, 결합기 길이를 변동시키는 것 대신에 혹은 그에 부가하여 결합 영역(112)과 (122) 간의 이격 거리를 변동시킴으로써 변화될 수 있다. 그러나, 결합 효율은 이격 거리의 변동보다도 결합기 길이의 변동에 덜 민감한 경향이 있으므로, 가변 길이를 갖는 방향성 결합기(140)들이 가변 이격 거리를 갖는 방향성 결합기들보다 더 느슨한 제작 허용도를 지니는 경향이 있다.

몇몇 광학 위상 어레이는 또한, 예컨대, 원거리장 패턴을 변화 혹은 스캔하기 위하여, 어레이를 가로지르는 파워 분포를 변동시키기 위한 동조 메커니즘을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 각 방향성 결합기는 마하-젠더 변조기(Mach-Zehnder modulator) 또는 링 공진기를 포함하되, 그 입력 포트는 세로열 버스 도파관에 결합되고, 제1 출력 포트는 세로열 버스 도파관에 연결되며, 그리고 제2 출력 포트는 가로행 버스 도파관에 연결된다. 전계(예컨대, 전극들을 통해서) 또는 자계(예컨대, 전자석을 통해서)로 간섭계(interferometer)를 동조시키는 것은 그의 결합비를 변화시켜, 세로열 버스 도파관으로부터 결합된 광 파워의 가로행 버스 도파관으로의 조절을 허용한다.

다른 실시형태에 있어서, 가로행 버스 도파관들 중 하나 이상은 세로열 버스 도파관과의 그의 광 접속부에서 혹은 그 근방에서 가변적 광 감쇠기(variable optical attenuator)를 포함할 수 있다. 가변적 광 감쇠기를 작동시킴으로써 대응하는 가로행 버스 도파관을 통해 전파 중인 광 파워를 저감시킨다. 대안적으로 또는 부가적으로, 세로열 버스 도파관은 또한, 예컨대, 연속적인 방향성 결합기들 사이에 분포된, 하나 이상의 가변적 광 감쇠기를 포함할 수 있다. 세로열 버스 도파관 내의 가변적 광 감쇠기를 작동시킴으로써 가변적 광 감쇠기로부터 하류에 있는 가로행 버스 도파관(들) 내로 결합을 위하여 이용 가능한 광 파워를 저감시킨다.

도 1c는 도 1a 내지 도 1c의 광학 위상 어레이(100)에서의 파워 공급망의 성능을 예시하는 그래프이다. 이것은 도 1a의 광학 위상 어레이(100)에서 가로행 버스 도파관(120)들에 세로열 버스 도파관(110)을 접속하는 방향성 결합기들에 대한 그리고 화소(130)들에 가로행 버스 도파관(120)들을 접속하는 가로행-대-화소 방향성 결합기들(이하에 도 1d와 관련하여 설명됨)에 대한 결합기 길이(좌측 축) 및 결합 효율(우측 축) 대 행/열 지수를 도시하고 있다. (가로행-대-화소 방향성 결합기들의 길이들은, 가로행-대-화소 방향성 결합기들이 세로열-대-가로행 방향성 결합기(140)들과는 상이한 휨 반경을 지니므로 세로열-대-가로행 방향성 결합기(140)들의 것들과는 상이하다.)

나노안테나 설계 및 위상 관리

도 1d는 도 1a의 광학 위상 어레이(100)의 화소(130)를 더욱 상세히 도시하고 있다. 화소(130)는 세로열 버스 도파관(110) 및 가로행 버스 도파관(120)들을 형성하는데 이용된 동일한 CMOS 공정을 이용해서 형성된 화소 도파관(132)을 포함한다. 몇몇 경우에, 이들 도파관은 모두, 실리콘 산화물(SiO_x) 등과 같은 유전체 클래딩의 층 상에, 실리콘 또는 실리콘 질화물 등과 같은 동일 반도체 재료로 형성될 수 있다. 이들 도파관은, 그들의 반사율 및 횡단면 치수에 따라서, 가시광 파장 또는 적외선 파장의 광을 유도할 수 있다. 예를 들어, 1550㎚의 파장의 광을 유도하기 위하여, 도파관들은 약 220㎚ 높이와 약 400㎚ 폭을 지닐 수 있다.

화소 도파관(132)은 가로행-대-화소 방향성 결합기(150)를 개재해서 대응하는 가로행 버스 도파관(120)에 감쇄적으로 결합된다. 도 1b에 도시된 세로열-대-가로행 방향성 결합기(140)들과 마찬가지로, 가로행-대-화소 방향성 결합기(150)는, 화소 도파관(138) 내 결합 영역(134)과 평행하게 뻗고 이로부터 이격된 가로행 버스 도파관(120) 내의 결합 영역(124)에 의해 형성된다. 그리고 세로열-대-가로행 방향성 결합기(140)들과 마찬가지로, 가로행-대-화소 방향성 결합기(150)는 가로행 버스 도파관(120)으로부터 화소 도파관(132) 내로 미리 결정된 퍼센트의 광 파워를 결합시키기 위하여 선택된 길이(및/또는 폭)를 갖는다. 이 결합 효율은, 예컨대, 각 화소가 대략 동일량의 에너지를 방사하는 것을 확실하게 하기 위하여, 광학 위상 어레이(100)에 의해 방출된 근거리장 방사 패턴으로 미리 결정된 엔빌로프를 제공하기 위하여, 등등, 각 화소에 대해서 상이할 수 있다. 다른 실시형태에 있어서, 가로행-대-화소 방향성 결합기(150)는 화소(130) 내로(그리고 화소로부터) 결합된 광 파워의 양을 변동시키는데 이용될 수 있는 능동 디바이스를 포함할 수 있다.

화소 도파관(132)은 S자형 정적 광학 지연선(136)을 개재해서 안테나 소자(138)(또한 나노안테나, 나노포토닉 안테나 또는 소자로도 알려짐) 내로 광을 결합시킨다. 정적 광학 지연선(136)은 광학 경로 길이가 미리 결정된 양

만큼 화소 도파관(132)을 통해서 전파 중인 파의 위상을 변위시키도록 선택된 화소 도파관(132)의 선택으로 형성된다. 이 경우에, 정적 광학 지연선(136)은 2가지 선택지를 포함하는데, 그의 각각은 총 위상 변위

에 대해서 위상 변위

/2를 유도하며, 여기서 m 및 n은 화소의 행 지수 및 열 지수이다. 다른 실시형태에 있어서, 화소는 다소의 세그먼트의 광학 지연선을 포함할 수 있고, 이들의 각각은 적절하게 선택된 위상 변위(예컨대,

/4 및 3

/4,

/3 및 2

/3 등)를 유발한다.

도 1d에 도시된 바와 같이, 곡선형 혹은 S자형 지연선(136)을 이용하는 것은 화소의 크기를 저감시키고, 이것은 이어서 더욱 미세한 화소 피치를 가능하게 한다. 게다가, 지연선 설계는 안테나 소자(138)의 위치를 위상 지연

과 독립적이게 하므로, 모든 안테나 소자(138)는 주기적 그리드 상에 배치될 수 있다. 변화된 결합기 길이는 투과광 및 결합 광의 위상에 다소 영향을 미친다. 이 영향은 각 화소(130)에 대해서 위상 변위

을 계산할 때 고려될 수 있다.

도 1d에 도시된 안테나 소자(138)는 세로열 버스 도파관(110), 가로행 버스 도파관(120)들, 그리고 화소 도파관(132)과 동일한 평면에 형성된 유전체 격자이다. 격자는 도파관들 및 격자의 평면으로부터 광을 상향 및 하향 회절시킨다. 격자가 괘선의 비교적 작은 수(예컨대, 5)의 궤선을 가지므로, 이것은 수 백 나노미터(예컨대, 100㎚, 200㎚ 등)의 반치전폭을 지니는 회절 대역폭을 가질 수 있다. 몇몇 경우에, 격자는 더 많은 광을 하향보다 상향으로(또는 그 역으로) 회절시키도록 더욱 블레이징될(blazed) 수 있다. 또한, 격자 주기는, 바람직하지 않은 간섭을 일으킬 수도 있는 화소 도파관(132) 내로의 도로 방사의 반사를 피하기 위하여 공명 발광으로부터 다소 이조될(detuned) 수 있다. 이 이조는 격자의 방출된 빔의 광축을 표면 법선으로부터 멀리 변위시킬 수 있다.

능동 광학 위상 어레이들

도 2a 및 도 2b는 8 × 8 능동적으로 동조 가능한 광학 위상 어레이(200) 및 단위 셀(화소)(230)을 각각 예시한다. 도 1a에 도시된 수동 위상 어레이(100)와 마찬가지로, 도 2a에 도시된 능동 위상 어레이(200)는, 자유-공간 파장 λ₀을 지니는 광학 빔을 단일-모드 세로열 버스 도파관(210)으로 내보내는 광학 방사의 공급원-이 경우에 레이저(도시 생략)에 결합된 광섬유(202)-을 포함한다. 도 1b와 관련하여 설명된 것들과 마찬가지인 감쇄적 방향성 결합기(240-1 내지 240-8)(일괄적으로, 방향성 결합기(240))는 세로열 버스 도파관(210)으로부터의 광을 8개의 상이한 가로행 버스 도파관(220-1 내지 220-8)(일괄적으로, 가로행 버스 도파관(220))으로 결합시킨다. 그리고 위에서 설명된 바와 같이, 방향성 결합기의 결합 효율은 각각의 가로행 버스 도파관이 세로열 버스 도파관(210)으로부터 미리 결정된 양(예컨대, 동등량)의 광 파워를 입수하는 것을 확실하게 하기 위하여 변동될 수 있다.

각각의 가로행 버스 도파관(220)은 대응하는 방향성 결합기(240)로부터 8개의 단위 셀(화소)(230)로 광학 빔을 유도하며, 각 단위 셀은 λ₀의 차수(예컨대, 약 9㎛× 9㎛)일 수 있다. 도 1d에 관하여 위에서 설명된 바와 같이, 방향성 결합기(250)들은 가로행 버스 도파관(220)으로부터의 광을 대응하는 단위 셀(230)에 감쇄적으로 결합시키고, 대응하는 단위 셀은 각각 격자-기반 안테나 소자(238)에 광을 결합시키는 실리콘 도파관(232)을 포함한다. 이 안테나 소자(238)는 능동 광학 위상 어레이(200)의 원거리장에 패턴을 형성하도록 바람직한 진폭과 위상을 지니는 광을 방출한다.

그러나, 이 경우에, 능동 광학 위상 어레이(200)는 화소(230)에 의해 방출된 빔의 위상을 독립적으로 변동시키는데 이용될 수 있는 화소 어드레싱 매트릭스를 포함한다. 화소 어드레싱 매트릭스는 세로열 제어 와이어(260-1 내지 260-8)(일괄적으로, 세로열 제어 와이어(260))와 가로행 제어 와이어(262-1 내지 262-8)(일괄적으로, 가로행 제어 와이어(262))로 형성된다. 이 예에서, 세로열 제어 와이어(260)와 가로행 제어 와이어(262)는 화소(230) 위쪽의 평행 평면 내에 배치되고; 다른 예들에서, 제어 와이어들은 대신에 화소(230) 아래쪽의 평면에 배치될 수 있다.

도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 각각의 세로열 제어 와이어(260)는 대응하는 열의 화소(230)들 위로 뻗고 세로열의 화소(230)의 각각 내의 구리-실리콘 전기 접점(264)에 전기적으로 결합된다. 마찬가지로, 각각의 가로행 제어 와이어(262)는 대응하는 가로행의 화소(230)들 위로 뻗고, 가로열의 각각의 화소(230) 내의 구리-실리콘 전기 접점(268)에 전기적으로 결합된다. 각각의 화소(230) 내의 전기 접점(264 및 268)은 실리콘 도파관(232)의 일부를 도핑함으로써 형성된 대응하는 통합된 히터(266)에 전기적으로 결합된다. 각각의 히터(266)는, 접점(264 및 268)의 저항을 비롯하여, 약 2.5 ㏀의 저항을 지닐 수 있다.

특정 세로열 제어 와이어(260-m) 및 특정 가로행 제어 와이어(262-n)에 전압을 인가함으로써, 세로열 제어 와이어(260-m) 및 가로행 제어 와이어(262-n)의 교차부에서 화소(230-mn) 내 통합된 히터(266)를 가로질러 전위의 변화를 일으킨다. 이 전위 변화는 히터(266)로 하여금 온도를 변화시켜(더 뜨겁게 혹은 더 차갑게 되게 하여), 열-광학 효과를 통해서 실리콘 도파관(232)의 도핑된 부분의 광학 경로 길이의 대응하는 변화를 초래한다. 그리고 이러한 광학 경로 길이의 변화는 도파관(232)을 통해 전파 중인 광학 빔의 대응하는 위상 변위를 안테나 소자(238)에 유발시킨다. 몇몇 경우에, 히터(266)는 7°의 위상 시프트당 약 8.5 ㎽의 열 효율로 동작할 수 있다.

도 3a 및 도 3b는 화소들에 의해 방출된 빔의 위상을 변동시키기 위하여 통합된 히터들에 대신해서(또는 부가해서) 액체-기반 동조를 이용하는 능동 광학 위상 어레이(300)를 도시하고 있다. 재차, 레이저(도시 생략)에 결합된 광섬유(302)는 자유-공간 파장 λ₀을 지니는 광학 빔을 단일-모드 세로열 버스 도파관(310)으로 진출시킨다. 감쇄적 방향성 결합기(340)는 각각의 가로행 버스 도파관(320)이 세로열 버스 도파관(310)으로부터 미리 결정된 양(예컨대, 동등량)의 광 파워를 입수하는 것을 확실하게 하기 위하여 선택된 결합 효율로 세로열 버스 도파관(310)으로부터의 광을 가로행 버스 도파관(320)에 결합시킨다. 각각의 가로행 버스 도파관(320)은 대응하는 방향성 결합기(340)로부터의 광학 빔을 대응하는 세트의 단위 셀(화소)(330)로 유도하고, 각각의 단위 셀은 λ₀의 차수(예컨대, 약 9㎛× 9㎛)일 수 있다. 방향성 결합기(350)는 가로행 버스 도파관(320)으로부터의 광을 대응하는 단위 셀(330)로 감쇄적으로 결합시키고, 각각의 단위 셀은 도 3b에 도시된 바와 같은 격자-기반 안테나 소자(338) 내로 광을 결합시키는 실리콘 도파관(332)을 포함한다. 이 안테나 소자(338)는 능동 광학 위상 어레이(300)의 원거리장 내에 패턴을 형성하기 위하여 바람직한 진폭과 위상을 가지는 광을 방출한다.

도 2a에 도시된 능동 광학 위상 어레이(200)와 마찬가지로, 도 3a에 도시된 능동 광학 위상 어레이(300)는 화소(330)의 평면 위쪽의 평행한 평면에 세로열 제어 와이어(360) 및 가로행 제어 와이어(362)를 포함한다. 이들 세로열 제어 와이어(360) 및 가로행 제어 와이어(362)는 도 2a 및 도 2b에 도시된 제어 와이어와 더욱 마찬가지로, 도 3b에 도시된 바와 같은 개별적인 화소(330) 내의 전기 접점(374 및 376)에 접속된다.

도 3a 및 도 3b에 또한 예시된 능동 광학 위상 어레이(300)는 단위 셀(330) 위쪽에 배치된 유체 저장소(379)들의 어레이를 포함한다. 이 경우에, 각 화소(330)에 대해서 하나의 액체 저장소(379)가 있고; 다른 경우에는, 단일의 저장소가 다수의 화소를 포괄할 수 있다. 각 유체 저장소(379)는 공기의 굴절률보다 큰 굴절률(예컨대, n = 1.5)을 지니는 전기-활성 재료 또는 투명 유체 등과 같은 대응하는 부피의 유체(378)를 보유한다. 이 예에서, 유체는 위상 어레이의 발광 파장 λ₀에서 투명한 전기-활성 액정 재료(378)를 포함한다.

특정 세로열 제어 와이어(360-m) 및 특정 가로행 제어 와이어(362-n)에 전압을 인가함으로써 세로열 제어 와이어(360-m)와 가로행 제어 와이어(362-n)의 교차점에서 화소(330-mn) 내 액정 재료(378) 및 유체 저장소(379-mn)를 가로지르는 전위 강하를 일으킨다. 이 액정 재료(378)는 그 자체를 인가된 전계의 방향과 정렬시켜, 안테나 소자(338)로부터 액정 재료(378)를 통해 전파 중인 광에 의해 경험된 굴절률의 변화를 초래한다. 이 액정의 굴절률의 증가 혹은 감소는 방출된 빔의 위상을 지연시키거나 전진시킨다.

대안적으로 또는 부가적으로, 액정 재료는 또한 방출된 빔의 편광을 회전시킨다. 몇몇 경우에, 방출된 빔은 이어서 고정된 편광기(예컨대, 선형 편광 필름; 도시 생략)를 통과할 수 있고; 방출된 빔의 편광 상태가 편광기에 의해 통과된 편광 상태와 정합하지 않는다면, 편광기는 당업자가 이해하고 있는 바와 같이 방출된 빔을 감쇠시킨다. 이와 같이 해서, 방출된 빔은 액정 재료를 작동시켜 방출된 빔의 편광 상태를 동조시킴으로써 선택적으로 감쇠될 수 있다. 다른 경우에, 편광기는 생략될 수 있고, 액정 재료는 방출된 빔의 편광을 변조시켜, 예컨대, 원거리장 에서 편광-다중화 패턴을 생성하고/하거나 원거리장 패턴의 편광을 변화시킬 수 있다.

다른 예들에서, 위상 어레이는 미세유체 채널 및/또는 미세유체 펌프(도시 생략)를 통해서 유체 저장소에 결합된 하나 이상의 보조 저장소를 포함할 수 있다. 이들 펌프는 특정 유체 저장소 하의 안테나 소자에 의해 방출된 빔에 의해 경험된 광학 경로 길이의 대응하는 증가 혹은 감소를 일으키기 위하여 당해 유체 저장소 내의 유체의 양을 증가 혹은 감소시키는데 이용될 수 있다. 즉, 유체-충전 저장소들은 방출된 빔(들)의 위상(들)을 동조시키기 위하여 가변적 광학 지연선들로서 작용할 수 있다.

당업자가 용이하게 인식하고 있는 바와 같이, 도 2a 및 도 3a에 도시된 세로열 제어 와이어 및 가로행 제어 와이어에 전압의 적절한 조합을 인가함으로써 위상 어레이 내 화소에 의해 방출된 빔의 위상을 동조시킨다. 전압은 위상 어레이의 원거리장 내로 방사의 특정 화상 혹은 패턴을 투사하기 위하여 프로젝터(도시 생략)에 의해 결정될 수 있다. 예를 들어, 광학 위상 어레이의 한면을 가로질러 가로행 전극을 통해서 전압 경사를 인가함으로써 전압 경사의 기울기에 따라서 빔을 포인트 업 혹은 다운시킬 수 있다.

임의적 패턴 생성을 위한 광학 위상 어레이들

작은 풋프린트 내에서 나노포토닉 위상 어레이 내에 많은 수의 화소를 집적하는 능력은 임의의 정교한 원거리장 방사 패턴을 생성하기 위하여 나노포토닉 위상 어레이를 이용할 가능성을 연다. 위상 어레이의 원거리장 방사선장 E(θ, φ)는 모든 화소로부터의 광 방출의 위상과 관련된 시스템 인자인 어레이 인자 F _a(θ, φ)를 곱한 개별적인 나노안테나의 원거리장 S(θ, φ)으로서 계산된다:

원칙적으로, 임의의 방사 패턴들은, 모든 화소의 방출된 위상을 제어함으로써 대규모 나노포토닉 위상 어레이들을 이용해서 원거리장 내에서 생성될 수 있다. 그러나, 짧은 광 파장(1.55㎛) 및 고굴절률의 실리콘(n

3.48)을 고려하면, 약간의 제조 결함이 상당한 위상 오차를 초래할 수 있다. 그 결과, 나노포토닉 위상 어레이는, 신뢰성 있게 제작되고 적절하게 기능하기 위하여 위상 오차에 대해 견뎌내야만 한다.

다행스럽게도, 본 명세서에 개시된 대규모 나노포토닉 위상 어레이들은 (예컨대, 도 7A 내지 도 7D에 관하여 이하에 기술된 바와 같이) 높은 허용도의 위상 오차를 지닌다. 이 높은 위상-오차 허용도는 푸리에 시스템으로서 나노포토닉 위상 어레이의 속성으로부터 유래되며, 여기서 근거리장 발광의 위상 잡음은 모든 화소로부터의 광 방출의 간섭을 통해서 원거리장에서 평균된다. 이 높은 위상-오차 허용도는 더 많은 화소로 더욱 효과적으로 되며, 나노포토닉 위상 어레이들이 수 백, 수 천 또는 수 백만개의 화소로 규모 확장될 수 있게 한다.

도 4A 내지 도 4D는 도 1a, 도 2a 및 도 3a에 도시된 것들과 유사한 광학 위상 어레이의 시뮬레이션을 예시한다. 나노포토닉 어레이의 화소 피치는 제조 시 이용되는 바와 같은 x 방향과 y 방향 둘 다에서 9㎛가 되도록 채택되고, 자유-공간 파장은 약 1.55㎛가 되도록 취해진다. 화소 피치는 자유 공간 반파장의 배수이기 때문에, 간섭 조건은 보다 고차 패턴을 생성하도록 원거리장에서 주기적으로 발생하며, 이는 바람직한 방사 패턴("MIT" 로고)의 반복으로서 나타난다.

도 4A는 파장 1.55㎛에서 광 파워의 51%를 상향 방출하고 30%를 하항 방출하는 격자 안테나 소자로부터 3차원 유한-차분 시간-영역법을 이용해서 시뮬레이션한 근거리장 발광 패턴을 도시한다. 이 발광은 격자 주기가 수직으로 방출되는 2차 격자의 주기로부터 약간 이조되기 때문에 수직(표면에 직각)이 아니다. 이 이조는, 위상 어레이에서 전파 중인 광을 간섭했을 수도 있는 공명 배면-반사를 억제한다. 나노안테나로부터의 발광은 또한 광대역이며, 전폭 대역폭은 수 백 나노미터(예컨대, 100㎚ 이상)의 파장을 가로질러 연장된다.

도 4B 내지 도 4D는 도 4A에 도시된 광학 나노안테나의 시뮬레이션된 원거리장 패턴(도 4B) 및 근거리-대-원거리장 변환을 이용해서 계산된 도 4A에 도시된 광학 나노안테나의 어레이들을 도시한다. 이들 원거리장 패턴은 극좌표계 내 적도면에 대한 원거리장 반구의 투사로서 나타난다. 이들은 원거리장 반구의 천정으로부터 보이며, 여기서 θ 및 φ는 각각 원거리장 방위각 및 편각(polar angle)이다. 각 경우에, 투사된 패턴은 광학 나노안테나의 지향성 발광으로 인해 천정 부근에서 주로 가시적이다. 나노포토닉 위상 어레이 내의 각 화소의 특정 광학 위상

(여기서 m 및 n은 각각 화소의 행 및 열 지수를 나타냄)을 변경 또는 배정하는 것은 미리 결정된 방사 패턴 E(θ, φ)를 투사하는 것을 가능하게 한다. 각 화소의 위상

은, 예컨대, 도 5를 참조하여 이하에 기술되는 바와 같은 게르흐베르크-삭스톤(Gerchberg-Saxton) 알고리즘을 이용해서 안테나 합성에 의해 결정될 수 있다.

도 4C 및 도 4D는 원거리장 내에 MIT 로고를 생성하도록 지정된 64 × 64 나노포토닉 위상 어레이의 방사 패턴의 시뮬레이션을 도시한다. 이 방사 패턴은 시스템의 어레이 인자의 원거리장(배경에 도시된 바와 같음)과 나노안테나의 원거리장(도 4A에 있음)의 중첩이다. 도 4C의 중앙의 원은 도 10e 및 도 10F(이하에 기술됨)에도 표시된 바와 같은 현미경 렌즈(예컨대, 개구수 0.4를 지님) 내의 가시적 영역을 표시한다. 도 4D는 MIT 로고를 표시하는 원거리장의 가시적 영역의 클로즈업 도면을 도시한다. 우측 하부의 삽도는 MIT 로고 패턴을 나타낸다.

대규모 나노포토닉 위상 어레이의 합성

나노포토닉 위상 어레이 합성은 위상 어레이 내 각 화소의 광학 위상을 배정함으로써 특정 원거리장 방사 패턴을 생성한다. 위의 방정식 (1)에 표시된 바와 같이, 원거리장 방사 패턴은 개별적인 나노안테나의 원거리장S(θ, φ)와 어레이 인자 F _a(θ, φ)의 원거리장의 곱셈이다. 개별적인 나노안테나의 원거리장이 고정되어 있는 한편, 어레이 인자 F _a(θ, φ)는 어레이 내 모든 화소의 방출 위상과 관련된다:

식 중, M×N은 어레이의 크기이고, (X _m , Y _n )은 각 나노안테나의 위치를 기술한다. 나노안테나의 발광 진폭 및 위상은 각각 |W _mn | 및

으로 기술되므로, W _mn = |W _mn exp(i

)|이다.

위상 어레이에서, 나노안테나는, 적절하게 효과를 취하도록 위상(

) 상호작용에 대해서 원거리장의 이상적인 간섭 조건을 작성하기 위하여, 여기에서 이용되는 균일한 진폭(|W _mn | = 1) 등과 같은 바람직한 진폭 패턴으로 방출할 수 있다. 파라미터들 u = sin(θ)cos(φ)/λ₀과 v = sin(θ)sin(φ)/λ₀는 원거리장 좌표 (θ, φ)에 관련되고, λ₀는 자유 공간 내의 광 파장이다. 방정식 (2)에 표시된 바와 같이, 어레이 인자 F _a(θ, φ)는 어레이의 방출된 위상의 단순한 이산적 푸리에 변환이다.

도 5는 게르흐베르크-삭스톤 알고리즘을 이용해서 주어진 방사 패턴 F _a(θ, φ)를 생성하도록 광학 위상 ν _mn 을 발견하기 위한 유효한 반복 공정(500)을 예시하는 블록도이다. k번째 반복에서, 바람직한 진폭 |F _a(θ, φ)| 및 시험 위상

를 포함하는 근사화된 어레이 인자 F _a ^k (θ, φ)는 역푸리에 변환되어(블록 510) 각 나노안테나의 대응하는 w ^k _mn 을 얻는다. 원거리장 시험 위상

는 최종 원거리장 화상에 반드시 영향을 미치지 않으므로 임의로 선택될 수 있다(블록 520). 블록 530에서, w ^k _mn 의 화소 진폭은 이어서 위상 변화 없이 1로 설정되어, 어레이를 가로질러 나노안테나의 방출 진폭을 균일하게 유지한다. 따라서, 업데이트된 어레이 인자는 푸리에 변환을 통해 얻어지고(블록 540), 그의 위상 Φ ^* ^k(θ, φ)는 새로운 시험 위상 Φ^k+1(θ, φ)로서 (k + 1)번째 반복을 거친다(블록 550). 방사선장의 초기 시험 위상은 제1회 반복에서 Φ¹(θ, φ) = 0 또는 다른 임의의 값으로 설정된다. 수회 반복 후, 위상 exp(i

)에 의해 생성된 최종 어레이 인자는 바람직한 패턴 |F _a(θ, φ)|로 수렴된다.

도 6A 내지 도 6D는 위상이 안테나 합성을 이용해서 생성되고 원거리장 내에 패턴을 생성하는데 이용되는 λ₀/2의 화소 피치를 지니는 64 × 64 나노포토닉 위상 어레이의 시뮬레이션을 도시한다. 도 6A는 원거리장에서 투사된 바와 같은 "MIT" 로고를 나타내고, 도 6C는 어레이의 면을 가로지르는 대응하는 위상 분포를 나타낸다. 마찬가지로, 도 6B는 원거리장 내에서 상이한 각도를 지니는 다수의 빔을 도시하고, 대응하는 위상 분포는 도 6D에 도시되어 있다. 당업자가 이해하고 있는 바와 같이, 상이한 각도에서 다수의 빔을 투사하는 것은 자유 공간 광통신에서 유용할 수 있다.

대규모 나노포토닉 위상 어레이의 위상 잡음 분석

나노포토닉 위상 어레이에서, 원거리장 생성은 각 나노안테나의 정확한 광학 위상

에 의존한다. 그러나, 랜덤 제조 결함으로 인해, 각 나노안테나에서의 실제 위상은 그의 바람직한 값

과는 다를 수 있다. 이 랜덤 오차는, 어레이 인자 패턴 상의 영향이 분석되어야 하는 위상 잡음 ε _mn 으로서 나타낼 수 있다. 랜덤 위상 잡음이 제로 평균 <ε _mn > = 0 그리고 표준 편차 σ를 지니는 가우스 확률 분포를 지니는 것으로 가정하며, 이것은 통상 제작에 의해 도입되는 잡음에 대한 사례이다. 위상 잡음의 존재 하에 실제 초래되는 위상 인자 패턴은 방정식 (2)에 의해 재차 부여되고, 위상은 다음과 같다:

식 중 F _a ^ac (θ, φ)는 잡음을 지니는 실제 어레이 인자 패턴을 나타내고, F _a ^id (θ, φ)는 이상적인 어레이 인자 패턴이고

는 회선 연산자(convolution operator)이다. 예상치(꺾쇠 괄호로 표기됨)가 여기에서 이용되며, 이는 평균치가 확률 변수 및 함수에 대해서 취해지는 것을 의미한다. 위상 잡음의 이산적 푸리에 변환은 다음에 의해 부여된다:

그리고 방정식 (4)의 예상치는 다음과 같이 계산된 정의에 의한다:

방정식 (5)를 방정식 (4)에 치환하고 나서, 방정식 (3)에 치환하면 하기 식이 얻어진다:

방정식 (6)은 원거리장 어레이 인자 패턴의 형상이 보존되지만 그의 진폭은 위상 잡음으로 인해 exp(σ²/2)배만큼 저감되는 것을 나타낸다.

도 7A 내지 도 7D는 표준 편차 σ를 지니는 위상 잡음의 상이한 수준에 의해 영향받는 광학 위상 어레이의 원거리장 방사 패턴의 시뮬레이션을 도시한다. 더욱 구체적으로, 이 시뮬레이션은, 위상

이 MIT 로고를 생성하도록 설정된 64 × 64 나노포토닉 위상 어레이의 출력에 부가된 σ = 0(위상 잡음 없음; 도 7A), σ = π/16(도 7B), σ = π/8(도 7C) 및 σ = π/4(도 7D)의 수준에서의 가우스 위상 잡음을 나타낸다. 이들 도면은, 바람직한 패턴의 형상이 위상 잡음을 증가시킴으로써 비교적 영향받지 않은 채 있지만, 신호-대-잡음비(SNR)은 떨어지는 것을 나타낸다. 배경 잡음의 증가는 방출된 빔의 무능력에 기인하여 위상 잡음의 존재 하에 바람직한 간섭 조건에 완전히 부응한다. 시뮬레이션 결과는 방정식 (6)에서의 이론적 분석과 일치한다.

도 7A 내지 도 7D는, 비교적 큰 위상 잡음(σ = π/4)에서도, 바람직한 패턴이 여전히 식별 가능한 것을 나타낸다. 이것은 위상 어레이가 위상 오차에 대한 높은 허용도를 나타내고, 이는 제조 상의 정확한 요건을 완화시키는 것을 나타내고, 그리고 대규모 나노포토닉 위상 어레이가 신뢰성 있게 제작가능하고 적절하게 기능할 수 있는 것을 시사한다. 게다가, 이 높은 오차 허용도는 어레이의 규모에 의존하지 않는다. 사실상, 통계학적 고려사항은 위에서의 분석이 보다 많은 수의 나노안테나를 지니는 어레이에 더욱 정밀하게 적용되는 것을 의미한다. 그 결과, 나노포토닉 위상 어레이는 64 × 64개 내지 수 백만개의 화소를 능가하게 된다.

실증례

이하의 실시예는 청구범위의 제한 없이 본 발명의 주제의 양상들을 강조하기 위하여 의도된 것이다.

나노포토닉 위상 어레이들은, 0.22㎛ 상부 실리콘 층 및 2㎛ 매립형 산화물을 지니는 실리콘-온-절연체 웨이퍼를 이용해서, 65-㎚ 기술 노드를 이용하는 300-㎜ CMOS 주조공장에서 제작되었다. 시기적절한 부분 실리콘 에칭(0.11㎛)을 먼저 수행하여 부분적으로 에칭된 격자 홈을 제작하였다. 전체 실리콘 에칭이 이어서 도파관들 및 격자 나노안테나들을 형성하기 위하여 적용되었다. 후속의 n 및 n+ 도핑이 능동 어레이들에 대해서 주입되고 나서, 표준 실리사이드화를 행하여 구리-실리콘 접점들을 제작하였다. 이들 접점은 열-광학 동조를 위하여 두 금속층에 의해 온-칩 프로빙 패드들에 접속되었다. 3.6㎛의 총 두께를 지니는 SiO₂를 이용해서 디바이스들을 덮고, 표면 파상(corrugation)으로 인한 추가의 위상 오차를 피하기 위하여 표면을 평탄하게 만들기 위한 최종 연마 공정을 실시하였다.

도 8A 및 도 8B는 CMOS 주조공장에서 제작된 64 × 64 나노포토닉 위상 어레이의 일부의 주사 전자 현미경(SEM) 사진들이다. 도 8A는 나노포토닉 위상 어레이 내의 수개의 화소를 나타내고, 도 8B는 도 8A에서 직사각형으로 표시된 화소의 클로즈업이다. 화소 크기는 9㎛ × 9㎛로, 광학 나노안테나로서의 컴팩트한 실리콘 유전체 격자이며, 여기서 격자의 제1 홈은 상향 발광을 증대시키기 위하여 부분적으로 에칭된다. 각 화소의 방출된 위상은 화소 내의 광학 지연선의 광학 경로 길이를 변동시킴으로써 조절될 수 있다.

도 9A는 도 8B의 화소 내 실리콘 유전체 나노안테나의 클로즈업이다. 나노안테나는 CMOS 공정에 의한 직접 집적을 위하여 각 화소에서 이미터로서 사용된다. 보다 밝은 영역은 220㎚ 높이의 실리콘을 나타내고, 보다 어두운 영역이 실리콘 아래쪽의 매립형 산화물(buried oxide: BOX) 층을 나타내며, 중간 정도로 음영진 영역이 110㎚ 높이의 부분 에칭된 실리콘을 나타낸다. 나노안테나는 3.0㎛ × 2.8㎛로 계측되고 5개의 격자 에칭부를 포함한다. 제1 격자 에칭부는 위상 어레이의 평면 위로 그리고 해당 평면으로부터 더 많은 파워를 방출하기 위하여 업-다운 비대칭을 형성하도록 220㎚ 두께의 실리콘 층의 중간에 있다. 격자 주기는 720㎚로, 이것은 2차 격자의 주기(λ₀ = 1.55㎛에서 Si-SiO₂ 격자에 대해서 581㎚)로부터 다소 이조된다. 이 이조는, 공명 배면-반사를 억제하며, 그렇지 않다면 위상 어레이 내의 빔의 전파를 간섭할 수 있었다. 이 이조는 또한 안테나로 하여금 광학 위상 어레이의 표면 법선에 대하여 경사진 축을 따라 광을 방출하게 한다.

도 9B는 도 9A에 도시된 안테나의 발광 효율의 그래프이다. 이것은 86%의 총 발광 효율이 51% 발광 상승과 35% 발광 감소를 지니는 1.55㎛의 파장에서 달성되는 것을 나타낸다. 도 9B는 또한 λ₀ = 1.55㎛에서 단지 약 5%의 후방-반사를 보이며, 이 발광의 3　㏈ 대역폭은 안테나의 짧은 격자 길이로 인해 200㎚를 초과한다. 더욱 효과적인 상승 발광은, 부분 에칭 깊이를 최적화함으로써(부분 에칭 깊이는 동일한 마스크 상에 다른 디바이스에 대한 고려사항으로부터 이 경우에 110㎚로 고정되었음), 하향 발광을 반사시키기 위하여 격자 밑에 반사성 접지 평면을 부가함으로써, 또는 양쪽 모두에 의해 실현될 수 있다.

도 10a는 1.55㎛의 파장에서 광을 방출하는 도 8A, 도 8B 및 도 9A에 도시된 나노포토닉 위상 어레이(1010)의 근거리장 및 원거리장을 관찰하는데 이용되는 결상 시스템(1000)의 선도이다. 제1 렌즈(1020) 단독(개구수 0.40)을 이용해서, 위부 광선으로 표시된 바와 같이, 적외 전하 결합 소자(infrared charge-coupled device: IRCCD)(1040)로 근거리장(near-field: NF) 화상을 얻었다. 원거리장(far-field: FF) 화상 또는 푸리에 화상은, 그의 후초점면(back-focal plane)(푸리에 평면)에 원거리장 화상을 형성하기 위하여 제1 렌즈(1020)를 아래쪽으로(위치(1020')으로) 이동시키고 그리고 내부 광선에 의해 도시된 바와 같이, IRCCD(1040) 상에 원거리장 화상을 투사하기 위하여 제2 렌즈(1030)를 삽입함으로써 촬영되었다.

도 10b 내지 도 10f는 도 10a의 시스템(1000)을 이용해서 얻어진 데이터를 나타낸다. 도 10b에 도시된, 광학 위상 어레이의 평면에 있는 근거리장 화상은, 64 × 64(4,096)개의 나노안테나 모두를 가로질러 균일한 발광을 나타낸다. 입력 버스 도파관은 좌측 상부 코너에 위치되어 과잉의 산란 잡음을 유발한다. 산란 잡음은 어레이 자체 내의 불균일성을 반영하지 못하며, 섬유 입력으로부터의 보다 큰 격리로 용이하게 해결될 수 있다. 도 10c는 8 × 8개의 화소를 포함하는 근거리장의 부분의 클로즈업 도면이며; 이것은 안테나 출력들의 진폭들의 고도의 균일성을 나타낸다.

도 10d는 화소들로부터의 광 방출의 측정된 강도 분포를 나타내는 막대그래프이다. 통계는 발광 강도의 표준 편차(들)(σ)가 평균 강도(μ)의 13%인 것을 나타낸다.

도 10e는 제작된 64 × 64개의 나노포토닉 위상 어레이의 측정된 원거리장 방사 패턴을 나타낸다. 화상은 목적으로 하는 방사 패턴(이 경우에, MIT 로그)이 원거리장에서 보이는 것을 나타낸다. 원거리장 화상은 도 10a의 렌즈(1020)의 유한 개구수(0.4)에 의해 클램핑된다. 이것은 또한 도 4C 및 도 4D에서 원으로 표시된 바와 같이 시뮬레이션에 의해 예측되며, 이는 수직선(나노포토닉 위상 어레이 칩에 수직인 표면)으로부터 작은 발산각 내의 발광이 포착될 수 있는 것을 나타낸다. 원거리장 화상의 배경 내의 강도 잡음은 섬유-대-도파관 결합에 의해 초래된 광 산란으로부터 기인된다. 산란된 광은 또한 실리콘-온-절연체 웨이퍼의 상부면과 하부면 사이의 산란된 광의 간섭을 통해서 배경에서 동심 주름의 원인이 된다. 이 잡음은 결상 칼럼에 의해 포착된 광 산란을 저감시키기 위하여 NPA 시스템으로부터 더 멀리 섬유의 도파관 결합기를 배치함으로써 저감될 수 있고, 더욱 깨끗한 원거리장 방사 패턴이 예상될 것이다.

도 10f는 64 × 64개의 나노포토닉 위상 어레이와 같은 칩 상에 32× 32 나노포토닉 위상 어레이의 원거리장 방사 패턴을 도시한다. 도 10f는, 32 × 32 나노포토닉 위상 어레이는 섬유 결합점으로부터 훨씬 더 떨어져 있기 때문에 더 적은 잡음을 나타내지만; 원거리장 패턴 해상도는 32× 32 나노포토닉 위상 어레이가 64 × 64 나노포토닉 위상 어레이보다 더 적은 화소를 포함하므로 더 낮다. 측정된 화상은, 패턴의 형상(MIT 로고)과, 모든 간섭 차수의 상대 강도의 점에서 도 4C 및 도 4D의 시뮬레이션과 일치하며, 나노포토닉 위상 어레이 설계의 강인성 및 제작 정확도를 강조하고 있다.

도 10b를 도 10e와 비교한 바, 나노포토닉 위상 어레이의 근거리장 화상이 어느 곳에서든지 평탄한 균일한 발광을 포함하는 한편, 원거리장은 MIT 로고를 가진 화상을 포함하는 것을 나타낸다. 지금까지, 화상 정보는 일반적으로 저장되고 화소의 강도를 통해서 투과되었지만; 이와 대조적으로 이 대규모 나노포토닉 위상 어레이 기술은 결상을 위하여 다른 치수를 가능하게 하며; 화상 정보는 이제 화소의 광학 위상에 홀로그램과 같이 더 많이 인코딩되지만 단일 점으로부터 생성된다. 진정으로 임의의 방사 패턴을 생성 가능한 정적 위상 어레이로서, 이 설명은, 예를 들어, 광학 공간-분할 다중화의 모드 정합 및 복합 빔 생성에 있어서 응용 분야를 지닌다.

도 11A 내지 도 11E는 도 2a 및 도 3a에 도시된 어레이들과 같은 능동 8 × 8 나노포토닉 위상 어레이에 대해서 위상 분포(상부 행), 시뮬레이션된 원거리장 방사 패턴(중간부 행) 및 측정된 원거리장 방사 패턴(하부 행)을 도시한다. 위상 및 강도 눈금은 오른쪽에 있다. 상부 행에서, 각 도트는 상이한 안테나 소자/화소를 나타낸다. 중간 행 및 하부 행에서, 원은 렌즈(개구수 = 0.4)의 에지를 나타내고, 박스는 하나의 간섭 차수의 영역을 특정한다. (에일리어싱된 고차는 안테나 피치가 자유-공간 파장보다 더 크기 때문에 원거리장에서 나타난다.)

도 11A에서, 위상 분포 교차는 0에서 균일하므로, 어레이는 조준에서(파선 박스의 중앙에서) 균일한 빔을 투사한다. 0 내지 π 사이에서 수직 및 수평으로 단차를 가진 정사각형-파 위상 분포를 적용함으로써, 수직 방향(도 11B) 및 수평 방향(도 11C), 각각에서 각 간섭 차수의 에지에 6°만큼 집속 빔을 조향한다. 0 내지 π/2 사이에서 수직으로 단차를 가진 정사각형-파 위상 분포를 적용함으로써, 빔을 도 11D에 도시된 바와 같은 두 빔으로 수직으로 분할한다. 그리고 수평으로 배향된 삼각형의 1주기를 적용함으로써, 0 내지 π 간에 변동하는 파는 단일 빔을 도 11E에 도시된 바와 같이 수평 방향으로 4개의 빔으로 분할한다.

도 11A 내지 도 11E는 시뮬레이션과 실험 간에 양호한 일치를 나타내며, 이는 나노포토닉 위상 어레이의 강인성뿐만 아니라 제작 정확성과 능동 열-광학 위상 동조를 확인해준다. 능동 NPA 구조는, 통신, 3차원 홀로그래픽 디스플레이, 레이저 검출 및 거리측정(laser detection and ranging: LADAR), 생체의학 영상화, 및 간섭계를 포함하지만 이들로 제한되는 것은 아닌 응용 분야에서 원거리장에 동적 패턴을 투사하기 위하여, 화소들 모두에 전기적으로 접근하는 완전 CMOS-제어 회로의 도움으로 각 화소의 독립적인 전기적 제어로 보다 큰 위상 어레이들(예를 들어, 위에서 논의된 바와 같은 64 × 64)로 확장될 수 있다.

메타표면 안테나 등과 같이 다른 홀로그래픽이 접근하는 것과 달리, 본 명세서에 개시된 광학 위상 어레이들은 광 발광의 위상과 진폭, 및 나노포토닉 이미터의 온-칩 단일 점 여기에 대해서 개별적인 제어를 허용하여, 임의의 홀로그램이 전체적으로 온칩으로 생성될 수 있다. 게다가, 자유 공간 광 대신에 실리콘 내에 광을 유도시킴으로써, 광학 위상의 능동 조작은, CMOS 공정에서 화소를 열적으로 위상-동조 가능한 화소로 전환시킴으로써, 보다 많은 유연성 및 보다 넓은 응용 분야를 지니는 동적 원거리장 패턴을 달성하도록 직접 시행될 수 있다. 예를 들어, 각 화소 내 실리콘 광로의 일부는 낮은 손실의 광 전파를 유지하면서 열-광학 위상 동조를 위한 저항 히터를 형성하기 위하여 n-형 주입물로 저농도로 도핑될 수 있다. 히터에 대한 열 접속 및 히터로부터의 열 격리를 제공하는, 고농도의 n-도핑을 지니는 두 좁은 실리콘 리드(silicon lead)들은, 광 산란에 의해 초래된 손실을 최소화하도록 단열 벤드의 내부측 상에서 히터에 접속될 수 있다.

맺는말

각종 본 발명의 실시형태들이 본 명세서에서 기재되고 예시되었지만, 당업자라면, 본 명세서에 기재된 기능을 수행하고/하거나 그 결과 및/또는 하나의 이상의 이점을 얻기 위한 각종 기타 수단 및/또는 구조를 용이하게 상상할 것이고, 이러한 변화 및/또는 변환의 각각은, 본 명세서에 기재된 본 발명의 실시형태의 범위 내인 것으로 간주된다. 더욱 일반적으로, 당업자라면, 본 명세서에 기재된 모든 파라미터, 치수, 재료 및 구성이 예시적인 것을 의미하며, 실제의 파라미터, 치수, 재료 및/또는 구성은 본 발명의 교시가 사용되는 구체적인 응용 분야 혹은 응용 분야들에 따라서 좌우될 것임을 용이하게 이해할 것이다. 당업자라면, 단지 통상적인 실험에 지나지 않는 것을 이용해서, 본 명세서에 기재된 구체적인 독창적인 실시형태들에 대한 많은 등가물을 인지하거나 확인해낼 수 있을 것이다. 따라서, 상기 실시형태들은 단지 예로서 제시된 것이고, 첨부된 청구범위 및 이에 대한 등가물의 범위 내에서, 독창적인 실시형태들이 구체적으로 기재되고 청구된 것 이외에 달리 실시될 수도 있다는 것을 이해해야 한다. 본 개시 내용의 독창적인 실시형태들은 본 명세서에 기재된 각각 개별적인 특성, 시스템, 물품, 재료, 키트 및/또는 방법에 관한 것이다. 또한, 둘 이상의 이러한 특성, 시스템, 물품, 재료, 키트 및/또는 방법의 임의의 조합은, 이러한 특성, 시스템, 물품, 재료, 키트 및/또는 방법이 상호 모순되지 않는다면, 본 개시내용의 발명의 범주 내에 포함된다.

위에 기재된 실시형태들은 임의의 많은 방법으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 본 명세서에 개시된 결합 구조들 및 회절 광학 소자들을 설계하고 제조하는 실시형태들은 하드웨어, 소프트웨어 또는 이들의 조합을 이용해서 구현될 수 있다. 소프트웨어로 구현될 경우, 소프트웨어 코드는, 단일의 컴퓨터 내에 제공되든지 또는 다수의 컴퓨터 간에 분포되든지 간에, 임의의 적절한 프로세서 혹은 프로세서들의 집합 상에서 실행될 수 있다.

또한, 컴퓨터는 랙-실장 컴퓨터, 데스크탑 컴퓨터, 랩탑 컴퓨터, 또는 태블릿 컴퓨터 등과 같은 임의의 많은 형태로 구현될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 부가적으로, 컴퓨터는 일반적으로 컴퓨터로서 간주되지 않지만, 개인용 휴대 정보 단말기(PDA), 스마트폰 또는 임의의 기타 적절한 휴대용 혹은 고정된 전자기기를 비롯하여 적절한 처리 능력을 지니는 장치에 내장되어 있을 수도 있다.

또한, 컴퓨터는, 하나 이상의 입력 장치와 출력 장치를 구비할 수 있다. 이들 장치는 특히 사용자 인터페이스를 제공하는데 사용될 수 있다. 사용자 인터페이스를 제공하는데 이용될 수 있는 출력 장치의 예는 출력의 시각적 제시용의 프린터 혹은 디스플레이 스크린과, 출력의 가청 프레젠테이션용의 스피커 혹은 기타 사운드 생성 장치를 포함한다. 사용자 인터페이스용에 이용될 수 있는 입력 장치의 예는 키보드 및 포인팅 장치, 예컨대, 마우스, 터치 패드 및 디지털화 태블릿을 포함한다. 다른 예로서, 컴퓨터는 언어 인지를 통해서 혹은 기타 가청 포맷으로 입력 정보를 수신할 수 있다.

이러한 컴퓨터는, 근거리 통신망 혹은 원거리 통신망, 예컨대, 기업 네트워크 및 지능형 네트워크(IN) 또는 인터넷을 비롯하여 임의의 적절한 형태로 하나 이상의 네트워크에 의해 상호접속될 수 있다. 이러한 네트워크는 임의의 적절한 기술에 기반할 수 있고, 임의의 적절한 프로토콜에 따라서 작동할 수 있으며, 무선 네트워크, 유선 네트워크 또는 광섬유 네트워크를 포함할 수 있다.

본 명세서에 개략적으로 설명된 (예컨대, 위에서 개시된 결합 구조들 및 회절 광학 소자들을 설계하고 제조하는) 각종 방법 및 공정은 각종 운용 시스템 혹은 플랫폼 중 어느 하나를 사용하는 1개 이상의 프로세서 상에서 실행 가능한 소프트웨어로서 코딩될 수 있다. 부가적으로, 이러한 소프트웨어는 다수의 적절한 프로그래밍 언어 및/또는 프로그래밍 또는 스크립팅 툴의 어느 것인가를 사용해서 기록될 수 있고, 또한 프레임워크 또는 가상머신 상에서 실행되는 실행 가능한 머신 용어 코어 또는 중간 코드로서 컴파일링될 수 있다.

이 점에 있어서, 각종 독창적인 개념이, 하나 이상의 컴퓨터 혹은 기타 프로세서에서 실행될 경우, 위에서 논의된 발명의 각종 실시형태를 수행하는 방법을 수행하는, 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체(또는 다수의 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체)(예컨대, 컴퓨터 메모리, 하나 이상의 플로피 디스크, 컴팩트 디스크, 광 디스크, 자기 테이프, 플래시 메모리, 필드 프로그램 가능 게이트 어레이(Field Programmable Gate Array) 또는 기타 반도체 장치에서의 회로 구성, 또는 기타 비일시적 매체 혹은 유형(tangible) 컴퓨터 저장 매체)로서 구체화될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능한 매체 혹은 매체들은 운반 가능할 수 있으므로, 그에 저장된 프로그램 또는 프로그램들은 위에서 논의된 바와 같은 본 발명의 각종 양상을 구현하기 위하여 하나 이상의 상이한 컴퓨터 혹은 기타 프로세서 상에 로딩될 수 있다.

"프로그램" 또는 "소프트웨어"란 용어는, 일반적인 의미에서, 위에서 논의된 바와 같은 실시형태들의 각종 양상을 실시하기 위하여 컴퓨터 혹은 기타 프로세서를 프로그래밍하는데 이용될 수 있는 임의의 유형의 컴퓨터 코드 혹은 컴퓨터-실행가능한 명령어들의 세트를 지칭하기 위하여 본 명세서에 이용된다. 부가적으로, 하나의 양상에 따르면, 실행될 경우, 본 발명의 방법을 수행하는 하나 이상의 컴퓨터 프로그램이 단일의 컴퓨터 혹은 프로세서 상에 존재할 필요는 없지만, 본 발명의 각종 양상을 구현하기 위하여 하나 이상의 상이한 컴퓨터 혹은 프로세서 중에서 모듈러 방식으로 분배될 수 있음을 이해해야 한다.

컴퓨터-실행가능한 명령어들은 하나 이상의 컴퓨터 혹은 다른 장치에 의해 실행되는 프로그램 모듈 등과 같이 많은 형태일 수 있다. 일반적으로, 프로그램 모듈은, 특정 태스크를 수행하거나 특정 요약 데이터 유형을 실행하는 루틴, 프로그램, 대상체, 컴포넌트, 데이터 구조 등을 포함한다. 전형적으로, 프로그램 모듈의 기능성은 각종 실시형태에서 필요에 따라서 조합되거나 분배될 수 있다.

또한, 데이터 구조는 임의의 적절한 형태의 컴퓨터-판독 가능한 매체에 저장될 수 있다. 설명의 간단화를 위하여, 데이터 구조는 해당 데이터 구조 내의 개소를 통해서 관련된 필드를 지니도록 표시될 수 있다. 이러한 관계는 마찬가지로 필드들 간의 관계를 반송하는 컴퓨터-판독 가능한 매체 내 개소들에 필드용의 저장소를 할당함으로써 달성될 수 있다. 그러나, 임의의 적절한 메커니즘이, 데이터 요소들 간의 관계를 확립시키는 포인터, 태그 혹은 기타 메커니즘의 사용을 통하는 것을 비롯하여, 데이터 구조의 필드들 내의 정보 간의 관계를 확립시키는데 사용될 수 있다.

또한, 각종 독창적인 개념이 실시예가 제공되는 하나 이상의 방법으로서 구체화될 수 있다. 방법의 일부로서 수행되는 행위들은 임의의 적절한 방식으로 순서화될 수 있다. 따라서, 예시적인 실시형태들에서의 순차적인 행위들로서 표시되었더라도, 동시에 몇몇 행위들을 수행하는 것을 포함할 수 있는, 행위들이 예시된 것과는 다른 수순으로 수행되는 실시형태들이 구축될 수 있다.

본 명세서에서 정의되고 이용되는 바와 같은 모든 정의는, 사전적 정의, 참조로 편입된 문헌들 내의 정의 및/또는 정의된 용어들의 통상적인 의미를 통제하는 것으로 이해되어야 한다.

본 명세서에서 그리고 청구범위에서 이용되는 바와 같은 단수 표현은, 명백하게 상반되게 표시되지 않는 한, "적어도 하나"를 의미하는 것으로 이해되어야 한다.

본 명세서에서 그리고 청구범위에서 이용되는 바와 같은 "및/또는"이란 어구는, 그렇게 결합된 요소들, 즉, 몇몇 경우에는 결합적으로 존재하고 다른 경우에는 분리적으로 존재하는 요소들 중 "어느 하나 혹은 둘 다"를 의미하는 것으로 이해되어야 한다. "및/또는"과 함께 열거된 다수의 요소는 동일한 방식으로, 즉, 그렇게 결합된 요소들의 "하나 이상"으로 해석되어야 한다. "및/또는" 조목에 의해 구체적으로 식별된 요소와 관련되든지 관련되지 않든지 간에, 구체적으로 식별된 이들 요소들 이외의 것인 기타 요소가 선택적으로 존재할 수 있다. 따라서, 비제한적인 예로서, "A 및/또는 B"란 언급은, "포함하는" 등과 같은 제약을 두지 않는 언어와 함께 이용될 경우, 일 실시형태에 있어서, A 단독(선택적으로 B 이외의 요소들을 포함함); 다른 실시형태에 있어서, B 단독(선택적으로 A 이외의 요소들을 포함함); 또 다른 실시형태에 있어서, A와 B 둘 다(선택적으로 다른 요소들을 포함함) 등을 지칭할 수 있다.

본 명세서에서 그리고 청구범위에서 이용되는 바와 같이, "또는"은 위에서 정의된 바와 같은 "및/또는"과 동일한 의미를 가지는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, 리스트 내의 항목들을 분리할 경우, "또는" 및 "및/또는"은 포괄적인 것으로, 즉, 다수의 혹은 리스트의 요소들 중, 적어도 하나를 포함하지만 또한 이들 중 하나보다 많은 것과, 선택적으로 추가의 열거되지 않은 항목들을 포함하는 것으로 해석되어야 한다. 명백하게 반대 명제로 표시된 용어들만, 예컨대, "중 단지 하나" 또는 "중 정확히 하나" 또는 청구항에서 이용될 경우, "로 이루어진"은, 다수의 혹은 리스트의 요소들 중 정확히 하나의 요소의 포함을 지칭할 것이다. 일반적으로, 본 명세서에서 이용되는 바와 같은 "또는"이란 용어는 "어느 하나", "중 하나" 또는 "중 정확히 하나" 등과 같은, 배타성의 관점에 의해 선행될 경우, 배타적인 택일성(즉, 둘 다는 아니지만 한쪽 또는 다른 쪽)을 나타내는 것으로 단지 해석되어야 한다. "로 본질적으로 이루어진"은, 청구항에서 이용되는 경우, 특허법 분야에서 이용되는 바와 같이 그의 통상의 의미를 지녀야 한다.

본 명세서에서 그리고 청구범위에서 이용되는 바와 같이, 하나 이상의 요소의 나열과 관련하여 "적어도 하나"란 어구는, 요소들의 리스트에서 요소들 중 어느 하나 이상으로부터 선택된 적어도 하나의 요소를 의미하지만, 반드시 요소들의 리스트 내에 구체적으로 열거된 각각의 모든 요소 중 적어도 하나를 포함하면서 요소들의 리스트 내의 요소들의 임의의 조합을 배제하지 않아야 하는 것은 아니도록 이해되어야 한다. 이 정의는 또한, "적어도 하나"란 어구가 언급되는 요소들의 리스트 내에 구체적으로 식별된 요소들과 관련되든지 혹은 관련되지 않든지 간에, 구체적으로 식별된 이들 요소들 이외의 것들인 요소들이 선택적으로 존재할 수 있는 것을 허용한다. 따라서, 비제한적인 예로서, "A 및 B 중 적어도 하나"(또는, 등가적으로 "A 또는 B 중 적어도 하나", 또는 등가적으로 "A 및/또는 B 중 적어도 하나")는, 일 실시형태에 있어서는, B가 존재하지 않고 하나보다 많은 A를 선택적으로 포함하는 적어도 하나(그리고 B 이외의 다른 요소들을 선택적으로 포함함); 다른 실시형태에 있어서는, A가 존재하지 않고 하나보다 많은 B를 선택적으로 포함하는 적어도 하나(그리고 A 이외의 다른 요소들을 선택적으로 포함함); 또 다른 실시형태에 있어서는, 하나보다 많은 A를 선택적으로 포함하는 적어도 하나와, 하나보다 많은 B를 선택적으로 포함하는 (그리고 선택적으로 기타 요소를 포함하는) 적어도 하나 등을 지칭할 수 있다.

위의 명세서에서뿐만 아니라 청구범위에서, 모든 과도적인 어구들, 예컨대, "포함하는"(comprising), "포함하는"(including), "갖고 있는", "구비하는", 함유하는", "내포하는", "보유하는", "로 구성된(composed of)" 등은 제약을 두지 않는 것, 즉, 포함하지만 이것으로 제한되는 것은 아닌 것을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 단지 과도적인 표현, 즉, "로 이루어진"(consisting of) 및 "로 본질적으로 이루어진"은, 각각, 미국 특허청의 특허 심사 절차 매뉴얼, 섹션 2111.03에 기술된 바와 같이, 폐쇄형 혹은 반폐쇄형의 과도적 어구들일 것이다.

Claims

광학 위상 어레이(optical phased array)에 있어서,
기판;
상기 기판에 통합되고, 상기 광학 위상 어레이의 원거리장(far field)으로 빔들을 방출하는, 화소 어레이(array of pixels); 및
상기 화소 어레이에 작동 가능하게 결합되고, 상기 화소 어레이에 의해 방출되는 상기 빔들의 위상들을 독립적으로 변화시키는, 화소 어드레싱 매트릭스(pixel addressing matrix);를 포함하고,
상기 화소 어드레싱 매트릭스는, 적어도 하나의 가로행(row) 제어 와이어 및 적어도 하나의 세로열(column) 제어 와이어를 포함하는, 광학 위상 어레이.
삭제
제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 가로행 제어 와이어 및 상기 적어도 하나의 세로열 제어 와이어에 인가되는 전압을 제어하는 프로세서;를 더 포함하는, 광학 위상 어레이.
광학 위상 어레이(optical phased array)에 있어서,
기판;
상기 기판에 통합되고, 상기 광학 위상 어레이의 원거리장(far field)으로 빔들을 방출하는, 화소 어레이(array of pixels); 및
상기 화소 어레이에 작동 가능하게 결합되고, 상기 화소 어레이에 의해 방출되는 상기 빔들의 위상들을 독립적으로 변화시키는, 화소 어드레싱 매트릭스(pixel addressing matrix);를 포함하고,
상기 화소 어레이에서의 각 화소는:
안테나 소자; 및
상기 안테나 소자와 결합되는 화소 도파관(pixel waveguide);을 포함하는, 광학 위상 어레이.
제4항에 있어서, 상기 화소 도파관은, 상기 화소로 상기 광을 유도하는 도파관과 감쇄적으로 결합되는(evanescently coupled), 광학 위상 어레이.
제5항에 있어서, 상기 도파관은,
상보성 금속산화물-반도체(complementary metal-oxide-semiconductor: CMOS) 공정을 통해서 형성되는, 광학 위상 어레이.
제1항에 있어서, 상기 화소 어레이에서 화소들은,
λ₀/2의 정수배와 거의 동일한 피치로 이격되고, λ₀는 상기 화소 어레이에 의해 방출되는 상기 빔들의 자유-공간 파장(free-space wavelength)인, 광학 위상 어레이.
제1항에 있어서, 상기 화소 어레이에서 화소들은,
λ_0/2보다 작거나 거의 동일한 피치로 이격되고, λ₀는 상기 화소 어레이에 의해 방출되는 상기 빔들의 자유-공간 파장(free-space wavelength)인, 광학 위상 어레이.
제1항에 있어서, 상기 화소 어레이에서 방출되는 빔은, 동일한 진폭인, 광학 위상 어레이.
자유-공간 파장 λ₀을 가지는 코히어런트 광학 빔으로부터 원거리장 방사 패턴(far-field radiation pattern)을 형성하는 광학 위상 어레이(optical phased array)에 있어서,
기판;
상기 기판 상에 형성되고, 상기 코히어런트 광학 빔을 유도하는 도파관;
상기 기판 상에 형성되고 상기 도파관과 결합되며, 상기 원거리장 방사 패턴을 형성하기 위하여, 상기 기판에 관하여 소정 각도에서 상기 코히어런트 광학 빔의 각 부분들을 방출하는 다수의 화소들;
상기 다수의 화소들 중 화소 위에 배치되는 유체 저장소(fluid reservoir); 및
상기 유체 저장소에 배치되고, 편광(polarization) 및/또는 상기 화소에 의해 방출되는 코히어런트 광학 빔의 각 부분의 위상을 변화시키는 유체;를 포함하는 광학 위상 어레이.
제10항에 있어서, 상기 유체 저장소는,
상기 다수의 화소들 중 복수 화소들 위에 배치되는, 광학 위상 어레이.
제10항에 있어서,
상기 다수의 화소들에서 각 화소에 대하여 하나의 유체 저장소를 더 포함하는, 광학 위상 어레이.
제10항에 있어서, 상기 유체는,
상기 편광 및/또는 상기 화소에 의해 방출되는 코히어런트 광학 빔의 각 부분의 위상을 변화시키는 액정 재료(liquid crystal material)를 포함하는, 광학 위상 어레이.
제13항에 있어서,
상기 액정 재료를 가로지르는 전위 강하(potential drop)를 인가하는 가로행 제어 와이어(row control wire) 및 세로열 제어 와이어(column control wire);를 더 포함하는, 광학 위상 어레이.
제14항에 있어서,
상기 가로행 제어 와이어 및 상기 세로열 제어 와이어에 인가되는 전압을 제어하는 프로세서;를 더 포함하는, 광학 위상 어레이.
제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 액정 재료와 광통신하고, 상기 화소에 의해 방출되는 코히어런트 광학 빔의 각 부분을 감쇄시키는(attenuate) 편광기;를 더 포함하는, 광학 위상 어레이.
제10항에 있어서,
상기 유체 저장소와 광통신하고, 상기 유체 저장소 내의 상기 유체의 양을 증가 또는 감소시키는 펌프;를 더 포함하는, 광학 위상 어레이.
제10항에 있어서, 상기 화소는,
안테나 소자; 및
상기 도파관으로부터 상기 안테나 소자로 상기 코히어런트 광학 빔의 일부와 결합하는 화소 도파관(pixel waveguide);을 포함하는, 광학 위상 어레이.
제18항에 있어서,
상기 화소 도파관은 상기 도파관과 감쇄적으로 결합되는(evanescently coupled), 광학 위상 어레이.
제10항에 있어서, 상기 도파관은,
상보성 금속산화물-반도체(complementary metal-oxide-semiconductor: CMOS) 공정을 통해서 형성되는, 광학 위상 어레이.
제10항에 있어서, 상기 다수의 화소들에 포함된 화소들은, λ₀/2의 정수배와 거의 동일한 피치로 이격되는, 광학 위상 어레이.
제10항에 있어서, 상기 다수의 화소들에 포함된 화소들은, λ₀/2보다 작거나 거의 동일한 피치로 이격되는, 광학 위상 어레이.
제10항에 있어서,
상기 다수의 화소들에 의해 방출되는 코히어런트 광학 빔의 각 부분들은 동일한 진폭인, 광학 위상 어레이.
제10항에 있어서,
상기 도파관과 광통신하고, 상기 도파관으로 상기 코히어런트 광학 빔을 내보내는 레이저;를 더 포함하는, 광학 위상 어레이.