JP2022119176A - 光位相配列放射器 - Google Patents

Abstract

【課題】位相配列により光放射器を通して放射されるビームを効率的に垂直操舵する。【解決手段】一定の長さを有するシリコン材質の光導波路３１２であって、平行に配列される複数の単位光放射器３１３と、単位光放射器をカバーするクラッディング部３１１と、クラッディング部上に複数の単位光放射器と平行に配列される複数の電極３１４と、を含み、複数の電極は、垂直な方向に複数の単位光放射器と重ならないように配列されることを特徴とする、光位相配列放射器。【選択図】図５

Description

本発明は、光学位相配列（ＯＰＡ、Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐｈａｓｅｄ Ａｒｒａｙ）ベースの熱光学効果を利用した光位相配列放射器に関する。

遠距離にある物体の位置や形状を検知するために、電磁波を利用するレーダ（Ｒａｄｉｏ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ；ＲＡＤＡＲ）技術は長い間多様な分野で用いられてきている。最近はこのような検知技術を発展させて、さらに精密で、速やかで、小型化されたライダー（Ｌｉｇｈｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ；ＬｉＤＡＲ）技術が発展している。光を利用するライダー技術は、自律走行自動車、無線光通信、そして３Ｄ検知分野など次世代主要産業の核心技術として見なされている。

前記ライダーを構成する要素のうち、視準されたビームを所望の方向に放射するための光放射器は重要な要素である。代表的な光放射器の構造は、図１に示されるように、格子光放射器（Ｇｒａｔｉｎｇ ｒａｄｉａｔｏｒ）１１０を基本単位として平行に多数を配置する構造で、各格子光放射器に入力される光１３０の位相差を調節して、格子光放射配列器（Ｇｒａｔｉｎｇ ｒａｄｉａｔｏｒ ａｒｒａｙ）から放射する視準ビームの水平方向を調節することができる。このとき、操舵可能な最大範囲である水平視野角（水平放射角）の大きさは、各格子光放射配列器の配列間隔に反比例する特性を有し、配列間隔が入力される光の波長の半分になる場合、最大水平視野角（水平放射角）を得ることができる。

また、下記数式１のように、格子光放射配列器は、格子周期（Ｇｒａｔｉｎｇ ｐｅｒｉｏｄ）と有効屈折率（ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｉｎｄｅｘ、ｎ_ｅｆｆ）に応じて放射ビームの垂直放射角が決定されるが、これを用いて格子光放射配列器の温度を調節して、有効屈折率（ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｉｎｄｅｘ）を調節して放射する視準ビームの垂直方向を調節することができる。

温度を調節するために、ジュール熱（Ｊｏｕｌｅ ｈｅａｔｉｎｇ）を用い、導線１２０として金属および高濃度ドーピング領域を用い、抵抗として格子光放射配列器を構成する真性シリコン（ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ ｓｉｌｉｃｏｎ）領域を用いてジュール熱を調節する。

図２および図２のＡ－Ａ’断面である図３を参照してより詳しく説明すれば、ｎ個（ｎ＝１２８，２５６，．．．）の高屈折シリコン光導波路としての格子光放射器２１３が配列され、低屈折シリカクラッディング（ｓｉｌｉｃａ ｃｌａｄｄｉｎｇ）のクラッディング部２１１が格子光放射器２１３を覆う形態で設けられる。

格子光放射配列器から放射されたビームの垂直放射角を調節するための電極構造として格子構造の温度を調節できる抵抗を配置し、前記抵抗に電力を供給できるように電極２１４および導線２１６を含む。

格子光放射配列器の温度変化を取得するために、格子光放射配列器から電力を供給する高濃度ドーピング領域２１５が形成される。

このような従来技術における抵抗の配置は、格子光放射配列器の全領域に均等な温度変化を期待することができない。

すなわち、真性シリコン領域（ｉ ｒｅｇｉｏｎ）の物理的構造および不均一な抵抗起因、不均一な温度分布の発生でレーザ光の位相不均一をもたらして、結局、図４のようなレーザ光の不安定をもたらすことがある。

このような電極間の距離は、格子光放射配列器の全幅に応じて決定され、より良い性能の格子光放射配列器であるほど、電極間の長さが長くなる。

しかし、光放射器の全体の広さが広くなるほど、工程誤差などの理由から発生する抵抗の不均衡が発生する確率がより増加する。また、電極間の距離の増加は格子光放射配列器の抵抗の増加につながり、より高い電圧の印加を必要とする。

より高い電圧を印加して格子光放射配列器を加熱する場合、抵抗の不均衡で温度の不均一が発生して各部分の有効屈折率が変化する。したがって、位相配列により視準した発散角に影響を与えてビーム性能を低下させることがある。

また、より高い電圧の印加によって加える総熱量が増加するが、抵抗の不均衡による局部的な加熱によって光放射器の耐久性に影響を与えて光放射器の破損を発生させることがある。

以上の背景技術に記載の事項は発明の背景に対する理解のためのものであって、この技術の属する分野における通常の知識を有する者にすでに知られた従来技術でない事項を含むことができる。

韓国公開特許公報第１０－１７０２４３６号

本発明は、上述した問題点を解決すべくなされたものであって、本発明は、位相配列により光放射器を通して放射されるビームを効率的に垂直操舵するための光位相配列放射器を提供することを目的とする。

本発明の一観点による光位相配列放射器は、一定の長さを有するシリコン材質の光導波路であって、平行に配列される複数の単位光放射器と、前記単位光放射器をカバーするクラッディング部と、前記クラッディング部上に複数の前記単位光放射器と平行に配列される複数の電極と、を含み、複数の前記電極は、垂直な方向に複数の前記単位光放射器と重ならないように配列されることを特徴とする。

そして、複数の前記電極は、複数の前記単位光放射器間の垂直な方向に配列されることを特徴とする。

また、複数の前記単位光放射器の下部のベース部に複数の前記電極に対応する数だけ形成されたドーピング部（ｄｏｐｉｎｇ ｒｅｇｉｏｎ）と、複数の前記電極と複数の前記ドーピング部とをそれぞれ連結する導線と、をさらに含むことができる。

そして、複数の前記ドーピング部は、垂直な方向に複数の前記単位光放射器と重ならないように配列されることを特徴とする。

ここで、前記クラッディング部は、前記単位光放射器より低い屈折率を有するシリカクラッディング（ｓｉｌｉｃａ ｃｌａｄｄｉｎｇ）であることを特徴とする。

また、複数の前記単位光放射器の間隔は同一であり、前記単位光放射器それぞれには、長手方向に沿って同一の間隔で凹凸構造が形成されることを特徴とする。

次に、本発明の他の観点による光位相配列放射器は、一定の長さを有するシリコン材質の光導波路であって、平行に配列される複数の単位光放射器と、前記単位光放射器をカバーするクラッディング部と、前記クラッディング部の上面の一側に前記クラッディング部の幅方向に沿って離隔配置された第１電極と、前記クラッディング部の上面の他側に前記第１電極と対向するように前記クラッディング部の幅方向に沿って離隔配置された第２電極と、を含む。

そして、複数の前記単位光放射器の下部のベース部に形成され、垂直な方向に複数の前記単位光放射器と重ならないように配列される複数のドーピング部（ｄｏｐｉｎｇ ｒｅｇｉｏｎ）と、複数の前記ドーピング部を前記第１電極または前記第２電極とそれぞれ連結する導線と、をさらに含むことができる。

また、複数の前記ドーピング部は、複数の前記単位光放射器の間に配列されることを特徴とする。

そして、複数の前記単位光放射器の間隔は同一であり、前記単位光放射器それぞれには、長手方向に沿って同一の間隔で凹凸構造が形成されることを特徴とする。

さらに、前記単位光放射器それぞれは、前記凹凸構造が形成された凹凸構造領域と、前記凹凸構造が形成されない非凹凸構造領域とに区分され、前記凹凸構造領域から遠くなるほど幅が次第に小さくなるようにテーパ（ｔａｐｅｒ）付けられていることを特徴とする。

そして、前記ドーピング部それぞれは、前記凹凸構造領域に対応する領域に相当する第１ドーピング部と、前記非凹凸構造領域に対応する領域に相当する第２ドーピング部とに区分され、前記第１ドーピング部から遠くなるほど幅が次第に大きくなるようにテーパ（ｔａｐｅｒ）付けられていることを特徴とする。

また、前記導線は、複数の前記ドーピング部の前記第２ドーピング部に連結されることを特徴とする。

そして、前記クラッディング部は、前記単位光放射器より低い屈折率を有するシリカクラッディング（ｓｉｌｉｃａ ｃｌａｄｄｉｎｇ）であることを特徴とする。

本発明の光位相配列放射器によれば、従来の光放射配列器に適用する高濃度ドーピング領域を各光放射器の間に配置することにより、ドーピング領域が電極、格子光放射器領域が抵抗の役割を果たして、格子光放射配列器のすべての領域に均等に熱を加えることができる。

また、各光放射器間の間隔を低減することにより、広い水平視野角を有し、このとき、間隔の減少による高濃度ドーピング領域およびこれをチップの表面と連結する金属導線の工程の困難さを解決することができる。

そして、格子光放射器は、間隔の増加による局部的な温度限界および許容電流の超過を防止して耐久度を増加させることができる。

また、端面発光光位相配列放射器から水平方向に操舵されて放射されるビームを、水平方向の操舵方向は維持しながら、垂直発散角を調整することができる。

さらに、垂直発散角を低減することにより、放射ビームを用いて物体を検知する応用分野において、垂直分解能を向上させることができ、かつ、ビームの拡散を低減することにより検知距離を増加させることができるという利点を有する。

従来の格子光放射配列器を示す図である。 従来の格子光放射配列器を示す図である。 従来の格子光放射配列器を示す図である。 従来の熱による垂直放射角の差を示す図である。 本発明の一実施例による光位相配列放射器の平断面を示す図である。 図５のＢ－Ｂ’断面を示す図である。 本発明の応用実施例による光位相配列放射器の平断面を示す図である。 図７のＣ－Ｃ’断面を示す図である。 図７のＤ－Ｄ’断面を示す図である。

本発明と本発明の動作上の利点および本発明の実施により達成される目的を十分に理解するためには、本発明の好ましい実施例を例示する添付図面および添付図面に記載の内容を参照しなければならない。

本発明の好ましい実施例を説明するにあたり、本発明の要旨を不必要に曖昧にし得る公知の技術や重複した説明はその説明を縮小または省略する。

図５は、本発明の一実施例による光位相配列放射器の平断面を示す図であり、図６は、図５のＢ－Ｂ’断面を示す図である。

以下、図５および図６を参照して、本発明の一実施例による光位相配列放射器を説明する。

本発明の一実施例による光位相配列放射器は、一定の長さを有するＮ個の単位光放射器３１３が平行に配列され、単位光放射器３１３は、下部のベース部３１３－１によって連結され、単位光放射器３１３をカバーするクラッディング部３１１で構成されて、チップ（ｃｈｉｐ）の内部平面に実現される。

単位光放射器３１３は、高屈折率を有するシリコン材質の光導波路であって、これによって位相調節されたビームが長手方向に沿って伝達される。

クラッディング部３１１は、ケイ素酸化物（Ｓｉ、Ｏ_２）の低屈折率を有するシリカクラッディング（ｓｉｌｉｃａ ｃｌａｄｄｉｎｇ）であって、ビームが単位光放射器３１３を通して伝達できるようにする。

単位光放射器３１３それぞれは、長手方向に沿って同一の間隔で高さが異なる凹凸構造が形成される。

複数の単位光放射器３１３は、一定の間隔をおいて配置され、その間隔が小さいほど、光位相配列放射器を通して放射される操舵ビームの水平視野角（水平放射角）が大きくなる特性を有する。したがって、広い水平視野角（水平放射角）を得るために、単位光放射器３１３間の間隔を波長より小さいか、波長の半分にすることができる。

そして、放射される操舵ビームの垂直放射角の調節のためには、単位光放射器３１３の温度調節によって有効屈折率の調節が必要であり、本発明は、各単位光放射器３１３の温度を均一に調節して位相不均衡を解消し、垂直ビーム操舵された放射ビームの性能が低下しないようにする。

このために、クラッディング部３１１上に、単位光放射器３１３の長手方向と平行であり、単位光放射器３１３の間に配列される複数の電極３１４が形成される。すなわち、垂直な方向に複数の単位光放射器３１３と重ならないように配列される。

そして、光位相配列放射器の温度を均一に調節できるように高濃度のドーピング部３１５が複数個形成され、対応する各電極３１４と各ドーピング部３１５とが導線３１６によって電気的に連結される。

ドーピング部（ｄｏｐｉｎｇ ｒｅｇｉｏｎ）３１５は、単位光放射器３１３の間を含めて各単位光放射器３１３の側方のベース部３１３－１に形成され、単位光放射器３１３と平行に配列されることにより、抵抗として真性領域（ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ ｒｅｇｉｏｎ）３１２にジュール熱（Ｊｏｕｌｅ ｈｅａｔｉｎｇ）が調節されるようにする。

これによってすべての単位光放射器３１３で温度変化を均一に調節することができ、従来に比べて、垂直ビームの操舵時にビーム性能の劣化を最小化することができる。

次に、図７は、本発明の応用実施例による光位相配列放射器の平断面を示す図であり、図８は、図７のＣ－Ｃ’断面を示す図であり、図９は、図７のＤ－Ｄ’断面を示す図である。

以下、図７～図９を参照して、本発明の応用実施例による光位相配列放射器を説明する。

本発明の応用実施例による光位相配列放射器は、一定の長さを有するＮ個の単位光放射器４１３がベース部４１３－３上に平行に配列され、単位光放射器４１３をカバーするクラッディング部４１１で構成される。

単位光放射器４１３は、高屈折率を有するシリコン材質の光導波路であって、これによって位相調節されたビームが長手方向に沿って伝達される。

クラッディング部４１１は、低屈折率を有するシリカクラッディング（ｓｉｌｉｃａ ｃｌａｄｄｉｎｇ）であって、ビームが単位光放射器４１３を通して伝達できるようにする。

単位光放射器４１３それぞれは、長手方向に沿って同一の間隔で高さが異なる凹凸構造が形成される。

各光放射器４１３は、凹凸構造が形成された凹凸構造領域４１３－１と、非凹凸構造領域４１３－２とに区分され、凹凸構造領域４１３－１の幅は同一であるが、非凹凸構造領域４１３－２の幅は凹凸構造領域４１３－１から遠くなるほど次第に幅が小さくなるようにテーパ（ｔａｐｅｒ）付けられた構造を有する。

これは、広い水平放射角のために光放射器間の間隔が狭い場合、工程の限界でドーピング部４１５と導線４１６を単位光放射器４１３の間に配置できないことを解決するためのものであり、光放射器４１３、後述する電極およびドーピング部の変形によってドーピング部４１５と導線４１６を単位光放射器４１３の間に配置可能にし、これによって狭い幅を連結するときに発生し得る許容電流限界の超過を防止することができる。

そして、クラッディング部４１１上に複数の電極が形成されるが、上記の実施例とは異なり、クラッディング部４１１の上面の一側にクラッディング部４１１の幅方向に沿って離隔した第１電極４１４－１が形成され、クラッディング部４１１の上面の他側にクラッディング部４１１の幅方向に沿って離隔した第２電極４１４－２が第１電極４１４－１に対向するように形成される。それぞれの第１電極４１４－１と第２電極４１４－２は、クラッディング部４１１の幅方向に沿って離隔して複数個形成される。

そして、光位相配列放射器の温度を均一に調節できるように高濃度のドーピング部４１５が複数個形成され、対応する各電極４１４と各ドーピング部４１５とが導線４１６によって電気的に連結される。

ドーピング部（ｄｏｐｉｎｇ ｒｅｇｉｏｎ）４１５は、単位光放射器３１３の間を含めて各単位光放射器４１３の側方のベース部４１３－３に形成され、抵抗として真性領域（ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ ｒｅｇｉｏｎ）３１２にジュール熱（Ｊｏｕｌｅ ｈｅａｔｉｎｇ）が調節されるようにする。

これによってすべての単位光放射器４１３で温度変化を均一に調節することができる。

したがって、ドーピング部４１５とチップの表面の電極４１４－１、４１４－２とを連結する導線４１６の位置が、光位相配列放射器の範囲外に配置される。

一方、ドーピング部４１５は、第１電極４１４－１と連結されるドーピング部と、第２電極４１４－２と連結されるドーピング部とに区分される。

そして、各ドーピング部４１５は、長手方向上、単位光放射器４１３の凹凸構造領域４１３－１に対応する領域に相当する第１ドーピング部４１５－１と、非凹凸構造領域４１３－２に対応する領域に相当する第２ドーピング部４１５－２とに区分され、第１ドーピング部４１５－１の幅は同一であるが、第２ドーピング部４１５－２の幅は第１ドーピング部４１５－１から遠くなり、電極４１４－１、４１４－２に対応する位置に近くなるほど次第に幅が大きくなるようにテーパ（ｔａｐｅｒ）付けられた構造を有する。

したがって、導線４１６は、第１ドーピング部４１５－１より幅の大きい第２ドーピング部４１５－２と連結されることによって、より広い導線を連結することができる。

このような応用例によれば、光位相配列放射器の性能向上のために単位光放射器間の間隔が狭い場合、工程の限界を克服してドーピング部４１５と導線４１６を単位光放射器４１３の間に配置できないことを解決することができ、テーパ付けられた構造によって狭い幅を連結するときに発生し得る許容電流限界の超過を防止することができる。

以上、本発明は例示された図面を参照して説明されたが、記載された実施例に限定されるものではなく、本発明の思想および範囲を逸脱することなく多様に修正および変形できることは、この技術分野における通常の知識を有する者にとって自明である。したがって、そのような修正例または変形例は、本発明の特許請求の範囲に属するというべきであり、本発明の権利範囲は添付した特許請求の範囲に基づいて解釈されなければならない。

３１１、４１１：クラッディング部
３１２、４１２：真性領域
３１３、４１３：単位光放射器
３１３－１、４１３－３：ベース部
４１３－１：凹凸構造領域
４１３－２：非凹凸構造領域
３１４：電極
４１４－１：第１電極
４１４－２：第２電極
３１５、４１５：ドーピング部
４１５－１：第１ドーピング部
４１５－２：第２ドーピング部
３１６、４１６：導線

Claims (14)

1. 一定の長さを有するシリコン材質の光導波路であって、平行に配列される複数の単位光放射器と、
   前記単位光放射器をカバーするクラッディング部と、
   前記クラッディング部上に複数の前記単位光放射器と平行に配列される複数の電極と、を含み、
   複数の前記電極は、垂直な方向に複数の前記単位光放射器と重ならないように配列されることを特徴とする、
   光位相配列放射器。
2. 複数の前記電極は、複数の前記単位光放射器間の垂直な方向に配列されることを特徴とする、
   請求項１に記載の光位相配列放射器。
3. 複数の前記単位光放射器の下部のベース部に複数の前記電極に対応する数だけ形成されたドーピング部と、
   複数の前記電極と複数の前記ドーピング部とをそれぞれ連結する導線と、をさらに含むことを特徴とする、
   請求項２に記載の光位相配列放射器。
4. 複数の前記ドーピング部は、垂直な方向に複数の前記単位光放射器と重ならないように配列されることを特徴とする、
   請求項３に記載の光位相配列放射器。
5. 前記クラッディング部は、前記単位光放射器より低い屈折率を有するシリカクラッディングであることを特徴とする、
   請求項１に記載の光位相配列放射器。
6. 複数の前記単位光放射器の間隔は同一であり、前記単位光放射器それぞれには、長手方向に沿って同一の間隔で凹凸構造が形成されることを特徴とする、
   請求項１に記載の光位相配列放射器。
7. 一定の長さを有するシリコン材質の光導波路であって、平行に配列される複数の単位光放射器と、
   前記単位光放射器をカバーするクラッディング部と、
   前記クラッディング部の上面の一側に前記クラッディング部の幅方向に沿って離隔配置された第１電極と、
   前記クラッディング部の上面の他側に前記第１電極と対向するように前記クラッディング部の幅方向に沿って離隔配置された第２電極と、を含むことを特徴とする、
   光位相配列放射器。
8. 複数の前記単位光放射器の下部のベース部に形成され、垂直な方向に複数の前記単位光放射器と重ならないように配列される複数のドーピング部と、
   複数の前記ドーピング部を前記第１電極または前記第２電極とそれぞれ連結する導線と、をさらに含むことを特徴とする、
   請求項７に記載の光位相配列放射器。
9. 複数の前記ドーピング部は、複数の前記単位光放射器の間に配列されることを特徴とする、
   請求項８に記載の光位相配列放射器。
10. 複数の前記単位光放射器の間隔は同一であり、前記単位光放射器それぞれには、長手方向に沿って同一の間隔で凹凸構造が形成されることを特徴とする、
    請求項９に記載の光位相配列放射器。
11. 前記単位光放射器それぞれは、前記凹凸構造が形成された凹凸構造領域と、前記凹凸構造が形成されない非凹凸構造領域とに区分され、
    前記凹凸構造領域から遠くなるほど幅が次第に小さくなるようにテーパ付けられていることを特徴とする、
    請求項１０に記載の光位相配列放射器。
12. 前記ドーピング部それぞれは、前記凹凸構造領域に対応する領域に相当する第１ドーピング部と、前記非凹凸構造領域に対応する領域に相当する第２ドーピング部とに区分され、
    前記第１ドーピング部から遠くなるほど幅が次第に大きくなるようにテーパ付けられていることを特徴とする、
    請求項１１に記載の光位相配列放射器。
13. 前記導線は、複数の前記ドーピング部の前記第２ドーピング部に連結されることを特徴とする、
    請求項１２に記載の光位相配列放射器。
14. 前記クラッディング部は、前記単位光放射器より低い屈折率を有するシリカクラッディングであることを特徴とする、
    請求項７に記載の光位相配列放射器。

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