KR101468520B1 - 가이드된 모드 공진을 이용하는 각도 센서, 시스템 및 방법 - Google Patents

가이드된 모드 공진을 이용하는 각도 센서, 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

각도 센서, 시스템 및 방법은 가이드된 모드 공진을 이용한다. 각도 센서는 가이드된 모드 공진(GMR) 격자 및 공진 프로세서를 포함한다. 공진 프로세서는 GMR 격자에 입사되는 신호의 입사각을 결정한다. 공진 프로세서는 신호에 대한 GMR 격자의 가이드된 모드 공진 응답을 이용하여 입사각을 결정한다. 각도 감지 시스템은 GMR 격자, 및 공진 프로세서를 포함하고, 신호를 생성하는 광학 소스를 더 포함한다. 방법은 GMR 격자를 제공하는 단계, 입사 신호를 받게 되는 경우에 GMR 격자에 생성된 가이드된 모드 공진을 검출하는 단계, 및 입사 신호에 대한 GMR 격자의 응답에 존재하는 가이드된 모드 공진들의 개수, 및 그들 사이의 스펙트럼 거리 중 하나 또는 양쪽 모두로부터 입사 신호의 입사각을 결정하는 단계를 포함한다.

Description

가이드된 모드 공진을 이용하는 각도 센서, 시스템 및 방법{ANGLE SENSOR, SYSTEM AND METHOD EMPLOYING GUIDED-MODE RESONANCE}
관련 출원서들에 대한 교차-참조
미해당
연방정부 지원 연구 또는 개발에 관한 진술
미해당
본 발명은 센서들에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 각도 센서들로서 이용되는 디바이스들에 관한 것이다.
각도 센서들은 광범위한 어플리케이션들에 이용되어 각도 방위 및 움직임을 결정하고 모니터링한다. 예를 들면, 각도 센서들은 시스템의 특정 구성요소의 방위(orientation) 및/또는 움직임을 모니터링하고 제어하는 제어 시스템들에 통상적으로 이용된다. 각도 센서들을 이용하는 어플리케이션들은 우주선 및 위성 고도/방위 제어로부터 제조 동안에 기판의 방위를 결정하는 것까지의 범위에 이른다. 그와 같이, 각도 센서들 및 각도 감지는 소비자 전자장치, 자동차들, 제조 장비, 네비게이션 시스템들, 및 심지어 통신 시스템들(예를 들면, 안테나 위치 제어)과 같은 디바이스들 및 시스템들에서 통상적으로 발견된다.
일반적으로, 각도 센서들 및 각도 감지는 2개의 카테고리들, 절대 각도 센서들/감지 및 상대 각도 센서들/감지로 분할될 수 있다. 절대 각도 센서들/감지는 오브젝트의 절대 방위(및 때로는 절대 위치)를 결정한다. 절대 각도 또는 위치 센서들의 예들은 관성 기준 프레임에서 오브젝트의 가속도를 측정하는 관성 센서들이다. 반대로, 상대 각도 센서들/감지는 기준 오브젝트, 각도 또는 방향(예를 들면, 기준 각도)에 대한 오브젝트의 상대 각도 또는 방위를 결정한다. 광학 각도 센서들은 종종 상대 각도 센서들로서 이용된다. 예로 든 광학 상대 각도 센서들은 통상적으로 기준 광학 신호의 레이저 간섭계 및/또는 시준(collimation)을 이용한다.
마이크로-전자기계 시스템들(MEMs) 관성 위치 센서들은 각도 감지 어플리케이션들에서 사용되어 왔다. 불행하게도, MEMs 디바이스들은 종종 제조 및 배치하기에는 터무니없이 고가일 수 있다. 레이저 간섭계 및 시준된(collimated) 광학 소스-기반 각도 감지는 마찬가지로 고가이고 통상적으로 정확한 각도 결정을 위해 안정된(종종 극도로 안정된) 동작 조건들을 필요로 한다. 코너 반사기들에 기초한 심지어 매우 간단한 수직(normal) 입사각 검출기들은, 부분적으로는 환경적 요인들로 인한 반사기들의 표면 조건의 변경들로 인해, 시간에 따른 열화 및 교정 이탈(calibration drift)을 겪을 수 있다. 더구나, 이들 기술들은 집적 회로(IC)로의 집적 동안에, 또는 종래의 제조 기술들이 원해지는 경우의 제조 동안에 문제를 종종 나타낸다.
본 발명의 일부 실시예들에서, 각도 센서가 제공된다. 각도 센서는 가이드된 모드 공진(GMR) 격자 및 공진 프로세서를 포함한다. 공진 프로세서는 GMR 격자 상에 입사되는 신호의 입사각을 결정한다. 공진 프로세서는 신호에 대한 GMR 격자의 가이드된 모드 공진 응답으로부터 입사각을 결정한다.
본 발명의 다른 실시예들에서, 각도 감지 시스템이 제공된다. 각도 감지 시스템은 광학 신호를 생성하는 광학 소스를 포함한다. 각도 감지 시스템은 가이드된 모드 공진(GMR) 격자를 더 포함한다. GMR 격자는 GMR 격자의 표면 상에 입사되는 광학 신호에 대한 가이드된 모드 공진 응답을 생성한다. 각도 감지 시스템은 가이드된 모드 공진 응답을 이용하여 GMR 격자의 표면에 대한 광학 신호의 입사각을 결정하는 공진 프로세서를 더 포함한다. 결정된 입사각은 각도 감지 시스템에 의해 저장되거나 출력되는 것 중 하나 또는 양쪽 모두가 실행된다.
본 발명의 다른 실시예들에서, 입사각 결정 방법이 제공된다. 입사각 결정 방법은 가이드된 모드 공진(GMR) 격자를 제공하는 것을 포함한다. 입사각 결정 방법은 입사 신호를 받게 되는 경우에 GMR 격자에 생성된 가이드된 모드 공진을 검출하는 것을 더 포함한다. 입사각 결정 방법은 가이드된 모드 공진들의 개수 및 가이드된 모드 공진들 간의 스펙트럼 거리 중 하나 또는 양쪽 모두로부터 입사 신호의 입사각을 결정하는 것을 더 포함한다. 가이드된 모드 공진들은 입사 신호에 대한 GMR 격자의 응답에 존재한다.
본 발명의 특정 실시예들은 전술한 특징들에 추가되는 또는 이들을 대신하는 것 중 하나 또는 양쪽 모두인 다른 특징들을 갖는다. 본 발명의 이들 및 다른 특징들은 이하의 도면들을 참조하여 아래에 상세하게 설명된다.
본 발명의 다양한 특징들은 유사한 참조번호들이 유사한 구조적 구성요소들을 나타내는 첨부된 도면과 관련한 이하의 상세한 설명을 참조하여 더 용이하게 이해될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 각도 센서의 블록도를 예시한다.
도 2A는 본 발명의 실시예에 따른 1차원(1D) GMR 격자의 단면도를 예시한다.
도 2B는 본 발명의 다른 실시예에 따른 1D GMR 격자의 단면을 예시한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 2차원(2D) GMR 격자의 투시도를 예시한다.
도 4는 도 1의 각도 센서와 연관된 가이드된 모드 공진의 예시적인 스펙트럼들의 그래프를 예시한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 각도 감지 시스템의 블록도를 예시한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 입사각 결정의 방법의 흐름도를 예시한다.
본 발명의 실시예들은 신호의 입사각을 결정하는 것과, 입사 신호에 대한 평면 표면의 각도 방위를 결정하는 것 중 하나 또는 양쪽 모두를 용이하게 한다. 특히, 평면 표면은 가이드된 모드 공진(GMR) 격자의 표면이다. 신호에 의해 GMR 격자에 유도되는 가이드된 모드 공진은 입사각을 결정하기 위해 이용된다. 본 발명의 GMR-기반 각도 결정 실시예들은 일반적으로 높은 민감도, 높은 각도 분해능, 및 큰 다이나믹 범위를 나타낸다. 더구나, GMR-기반 각도 결정 실시예들은 신호의 세기의 변동들에 의해 비교적 영향을 받지 않고, 예를 들면, 평면 표면의 일부 물리적 열화에 비교적 탄력적(resilient)일 수 있는 것과, 비교적 높은 리프레시 레이트들(> 1MHz)을 가질 수 있다는 것 중 하나 또는 양쪽 모두가 가능하다. 그와 같이, GMR-기반 각도 결정은 무수한 어플리케이션에서의 이용을 발견할 수 있을 뿐만 아니라, 매우 다양한 동작 환경들 및 조건들에서 이용될 수 있다.
GMR 기반 각도 결정에 이용되는 GMR 격자는 본질적으로 임의의 표면 상에 또는 그 내부에 집적될 수 있고, 일반적으로는 표면 상에서 비교적 작은 형태 인자(small form factor) 또는 풋프린트(foot print)를 활용한다. 특히, GMR 격자들은 회로 제조에 이용되는 마이크로리소그래피/나노리소그래피-기반 표면 패터닝을 포함하지만, 이것으로 제한되지 않는 다수의 종래 제조 방법들을 이용하여 제조된다. 예를 들면, 종래의 반도체 제조 기술들(예를 들면, CMOS 호환가능한 제조 프로세스)이 집적 회로(IC)의 표면 상에 GMR 격자를 생성하도록 이용될 수 있다. 그와 같이, 본 발명의 다양한 실시예들의 GMR-기반 각도 결정을 이용하는 각도 센서는 IC 상의 종래 회로와 용이하게 집적될 수 있다. 더구나, 그러한 예시적인 집적된 각도 센서는 예를 들면 현재 이용가능한 제조 방법들을 이용하여 1 제곱 밀리미터(mm) 정도로 작은 표면 풋프린트 내에 실현될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, '가이드된 모드 공진'은 회절 격자와 같은 위상-매칭 소자에 의해 도파관으로부터 여기되고 동시에 그것으로부터 추출되는 변칙적인 공진으로 정의된다. 회절 격자 상에 입사되는 여기 신호 또는 파(wave)(예를 들면, 광)는 입사각 및 신호 파장의 특정 조합들과 같은 일부 상황들 하에서 도파관에 결합되고, 공진 모드에서 에너지로서 본질적으로, 그러나 일반적으로는 일시적으로 도파관에 '트랩'된다. 공진 모드는, 예를 들면, 금속성 격자의 표면 상의 표면 파들의 여기(즉, 표면 플라스몬(plasmon)) 또는 도파관의 유전체 층의 몸체(body) 내의 공진 파(예를 들면, 가이드된 모드 또는 의사 가이드된 모드)로서 명시할 수 있다. 트랩된 에너지는 후속하여 도파관으로부터 탈출하고, 격자에 의해 반사된 신호 또는 격자를 통해 투과된 신호 중 어느 하나와, 건설적으로(constructively) 및 파괴적으로(destructively) 중 하나 또는 양쪽 모두로 결합할 수 있다. 가이드된 모드 공진들은 또한 종종 '누설형(leaky) 공진들'로도 지칭된다.
본 명세서에서 사용된 바와 같은 '가이드된 모드 공진(GMR) 격자'는 가이드된 모드 공진을 지원할 수 있는 도파관과 결합되는 임의의 회절 격자로서 정의된다. GMR 격자들은 또한 '공진 격자 도파관들' 및 '유전체 도파관 격자들'로도 알려져 있고 지칭된다. 예를 들면, 광학 GMR 격자는 그 표면층 내에 또는 그 위에 형성된 회절 격자를 구비하는 유전체 슬랩(slab) 도파관을 포함할 수 있다. 회절 격자는 유전체 슬랩의 표면 상에 형성된 홈들(grooves) 또는 돌출부들(ridges)을 포함할 수 있다. 다른 예에서, GMR 격자는 유전체 시트 내에서 주기적으로 교번하는 굴절율(예를 들면, 위상 격자)을 가지는 평면 유전체 시트이다. 예시적인 위상 격자는 유전체 시트 내에 및 그것을 관통하여 주기적인 홀들의 어레이를 형성함으로써 형성될 수 있다. 그 내부에 가이드된 모드 공진을 여기하는 GMR 격자의 표면 상에 입사되는 신호는 GMR 격자의 입사 표면으로부터 반사되는 반사된 신호(즉, 반사된 파들) 또는 GMR 격자를 통과하여 입사 표면 반대에 있는 GMR 격자의 측면을 거쳐 나오는(pass out) 투과된 신호(즉, 투과된 파들) 중 하나 또는 양쪽 모두로서 동시에 추출될 수 있다.
다양한 실시예들에서, GMR 격자는 1 차원(1D) 격자 또는 2 차원(2D) 격자 중 어느 하나일 수 있다. 1D GMR 격자는 예를 들면 제1 방향(예를 들면, x-축을 따름)으로만 주기적인 평행하고 실질적으로는 직선인 홈들의 세트를 포함할 수 있다. 2D GMR 격자의 예는 2개의 직교 방향들(예를 들면, x축 및 y축 양쪽을 따름)을 따라 홀들이 주기적으로 이격되어 있는 유전체 슬랩 또는 시트의 홀들의 어레이를 포함한다. GMR 격자들 및 가이드된 모드 공진의 추가 설명은, 예를 들면, Magnusson 등에 의한 미국특허번호 제5,216,680호 및 Wawro 등에 의한 미국특허번호 제7,167,615호에서 찾을 수 있으며, 이것들은 그 전체가 본 명세서에서 참조로서 포함된다.
GMR 격자의 특성들 중에는, 입사파의 입사각과 GMR 격자의 응답 사이의 각도 관계가 있다. 응답은 반사 응답 또는 투과 응답 중 어느 하나일 수 있다. 비교적 얕거나 얇은 유전체 층을 포함하고 격자 주기 Λ를 가지는 1D GMR 격자를 고려한다. 1D 격자에 대한 입사파의 자유공간 파장 λ의 함수로서의 평면파-벡터 β는 수학식 1의 분산 관계에 의해 주어진다.
Figure 112010057340318-pct00001
여기에서, neff(λ)는 격자의 가이드된 모드의 유효 굴절율이다. 유효 굴절율 neff(λ)는 가이드된 모드가 1D GMR 격자 내에서 전파되는 재료들의 굴절율들의 가중 평균이다. 1D GMR 격자 내의 평면 모멘텀의 의사-가이드된 모드들과 파장 λ의 입사파(예를 들면, 광의 빔) 사이의 상호작용은 수학식 2에 의해 정수 모드 m의 견지에서 기술될 수 있다.
Figure 112010057340318-pct00002
여기에서, 입사파는 굴절율 n을 가지고 있는 매체로부터 입사되고 입사각 θ를 가지고 있으며, Λ는 1D GMR 격자의 주기이다. 상호작용은 1D GMR 격자의 가이드된 모드 공진 응답을 생성한다. 가이드된 모드 공진 응답은 파장 λ 및 입사각 θ 양쪽 모두의 함수이다. 일부 실시예들에서, 가이드된 모드 공진 응답은 반사 응답인 한편, 다른 실시예들에서는 가이드된 모드 응답은 1D GMR 격자의 투과 응답이다. 본 명세서에서, 입사각 θ는 입사파의 주 입사 방향과 GMR 격자의 표면과 평행한 면 사이의 각도로서 정의된다.
예를 들면, 입사파는 1D 광학 GMR 격자 상에 입사되는 광학 신호일 수 있다. 그러한 입사 광학 신호는 광학 신호가 입사되는 표면으로부터 반사된 광학 응답 신호를 발생시킬 수 있다. 대안적으로, 입사 광학 신호는 1D 광학 GMR 격자를 통과하여 입사 표면 반대 측으로부터 나와, 투과된 광학 응답 신호를 발생시킬 수 있다. 입사각은 입사 표면에 평행한 면과, 광학 신호가 1D 광학 GMR 격자에 도달하는 방향 사이의 각도 측정이다.
가이드된 모드 공진 응답은 반사 응답 또는 투과 응답 중 어느 하나의 스펙트럼(예를 들면 광학 반사/투과 스펙트럼들) 내에서 스펙트럼 피처들(spectral features)(예를 들면, 스펙트럼에서의 피크들)로서 검출될 수 있다. 특히, 특정 정수 모드 m에 대한 스펙트럼 피처들(spectral features)은 파장들 λm에서 수학식 3에 의해 제공되는 관계
Figure 112010057340318-pct00003
를 만족시키는 반사/투과 스펙트럼들 내에 위치된다.
Figure 112010057340318-pct00004
수학식 3으로부터, m-번째 모드에 대한 스펙트럼 피처들은 수학식 4에 의해 주어지는 입사각 θ의 함수인 스펙트럼 거리 Δλm에 의해 분리되어 있는 쌍들에서 발생한다는 것은 명백하다.
Figure 112010057340318-pct00005
수학식 4로부터, 수직 입사각(즉, θ=90도)에 대해, 스펙트럼 거리는 제로와 동일하며, 이것은 단지 하나의 가이드된 모드 공진이 있다는 것을 나타낸다는 것은 명백하다. 더구나, 수학식 4로부터, 스펙트럼 거리 Δλm은 입사파의 세기 또는 진폭뿐만 아니라 공진의 절대 스펙트럼 위치와 무관하다는 것은 명백하다. 사실상, 주어진 격자 주기 Λ에 대해, 공진 스플리팅(splitting)이 발생하며, 이것은 오직 입사각 θ, 입사 매체의 굴절율 n 및 모드 차수 m의 함수인 스펙트럼 피처들 사이의 스펙트럼 거리 Δλm을 야기한다.
특히, 스펙트럼 거리 Δλm은 격자의 물리적 조성(예를 들면, 격자 유형 및 격자의 유효 굴절율 neff)과 무관하다. 예를 들면, GMR 격자의 표면의 산화는 미산화된 표면에 대한 산화된 표면에 있어서의 측정된 스펙트럼 거리 Δλm에 영향을 미치지 않는다. 그와 같이, 각도 센서로서의 격자의 교정은 격자 층들의 조성의 변화에 의해 영향을 받지 않는다.
본 명세서에서 단순함을 위해, 그러한 구별이 적절한 이해를 위해 필요하지 않는다면, 기판 또는 슬랩과 기판/슬랩 상의 임의의 층 또는 구조 사이에 어떠한 구별도 없다. 마찬가지로, 구별이 적절한 이해를 위해 필요하지 않다면, 모든 회절 격자들은 일반적으로 지칭된다. 또한, 본 명세서에서 사용된, 관사 'a'는 특허 기술분야들에서 그 통상적인 의미, 즉 '하나 또는 그 이상'의 의미를 갖도록 의도된다. 예를 들면, '하나의 층'은 일반적으로 하나 이상의 층들을 의미하고, 그럼으로써 '층(the layer)'는 본 명세서에서 '층들(the layer(s))'을 의미한다. 또한, 여기에서 '최상부(top)', '기저부(bottom)', '상부(upper)', '하부(lower)', '위로(up)', '아래로(down)', '좌측(left)'또는 '우측(right)'에 대한 임의의 참조는 본 명세서에서 제한적인 것으로 의도되는 것은 아니다. 더구나, 본 명세서에서의 예들은 단지 예시적인 것으로서, 한정하는 방식이 아닌, 설명의 목적을 위해 제공된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 각도 센서(100)의 블록도를 예시한다. 각도 센서(100)는 신호(102)의 입사각을 결정한다. 각도 센서(100)는 각도 센서(100)의 표면 면으로부터 신호(102)의 도달 방향으로 측정된 각도로서 입사각을 결정한다. 다양한 실시예들에서, 신호(102)는 광대역 신호(예를 들면, 백색광) 또는 주파수-스캐닝된 협대역 신호(102, 예를 들면 주파수 스캐닝된 단색광)일 수 있다.
일반적으로, 신호(102)는 시간의 함수로서 주파수들의 범위에 대해 스캐닝되거나 스위핑된다(swept). 예를 들면, 신호(102)는 광학 소스(도 1에는 예시되지 않음)로부터의 광학 신호(102)를 포함할 수 있고, 여기에서 광학 신호(102)는 예를 들면 백색광을 포함하고 이것으로 제한되지 않는 광대역 신호(102)이다. 다른 예에서, 광학 신호(102)는 시간의 함수로서 주파수-스캐닝된(frequency-scanned) 광학 신호(102)를 산출하는 스캐닝 연속파 레이저(scanning continuous-wave laser)에 의해 생성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 신호(102)는 시준될 수 있다(예를 들면, 시준된 광학 신호). 일부 실시예들에서, 광학 신호(102)는 편광될 수 있다(예를 들면, 편광된 광학 신호).
각도 센서(100)는 가이드된 모드 공진(GMR) 격자(110)를 포함한다. 일반적으로, GMR 격자(110)는 가이드된 모드 공진을 지원할 수 있는 임의의 격자일 수 있다. 일부 실시예들에서, GMR 격자(110)는 평면 유전체 도파관(예를 들면 유전체 슬랩 또는 시트)에 결합된 평면 회절 격자이다. 입사각이 측정되는 표면은 통상적으로 회절 격자를 포함하는 GMR 격자(110)의 평면 표면이다.
일부 실시예들에서, GMR 격자(110)는 격자 주기 Λ의 1D 회절 격자를 포함한다. 그러한 실시예들은 본 명세서에서 '1D GMR 격자'로 지칭된다. 도 2A는 본 발명의 실시예에 따른 1D GMR 격자(110)의 단면도를 예시하고 있다. 예시된 바와 같이, 1D GMR 격자(110)는 유전체 슬랩 또는 층(114)의 최상부 표면 층 상에 형성된 회절 격자(112)를 포함한다. 회절 격자(112)는, 예를 들면, 격자 주기 Λ를 가지는 돌출부들 및 홈들 중 하나 또는 양쪽 모두일 수 있는 주기적으로 이격된 격자 소자들로서 형성될 수 있다. 격자 소자들은 기계적으로는, 예를 들면, 몰딩 또는 에칭에 의해 형성될 수 있다. 대안적으로, 격자 소자들은 유전체 슬랩(114)의 표면 상에 다른 재료(예를 들면, 유전체 또는 금속)를 성막하고 패터닝함으로써 형성될 수 있다.
도 2B는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 1D GMR 격자(110)의 단면을 예시한다. 도 2B에 예시된 바와 같이, 1D GMR 격자(110)의 회절 격자(112)는 유전체 슬랩(114) 내의 제1 유전체 재료 및 제2 유전체 재료의 스트립들을 주기적으로 교번시키는 것을 포함한다. 스트립들은 격자 주기 Λ로 주기적으로 이격되어 있고 본질적으로는 서로 평행하다. 일부 실시예들에서, 격자 주기 Λ의 방향으로(즉, 스트립들의 교대 방향으로) 측정된 폭은 본질적으로는 하나의 스트립으로부터 다음 스트립까지 동일하다. 제1 유전체 재료의 굴절율 n1은 제2 유전체 재료의 굴절율 n2와 상이하고, 이는 격자 주기 Λ의 방향을 따라 주기적으로 교번하는 굴절율을 만들어낸다. 주기적으로 교번하는 굴절율들은 유전체 슬랩(114) 내에 회절 격자(112)를 생성한다.
1D GMR 격자(110)에서, 입사각은 회절 격자(112)의 격자 주기 Λ에 본질적으로는 직교하는 것으로(예를 들면, 돌출부들, 홈들, 또는 유전체 스트립들에 직교하는 것으로) 결정된다. 그와 같이, 1D GMR 격자(110)를 포함하는 각도 센서(100)는 단일 방향 또는 축(예를 들면, x-축)에 대한 신호(102)의 입사각을 결정하는데 이용될 수 있다. 제2의, 통상적으로는 직교 방향 또는 축에 대한 입사각을 측정하기 위해, 제2의 1D GMR 격자-기반 각도 센서(100)가 이용될 수 있다. 예를 들면, 좌표계(예를 들면, 직교 좌표계(Cartesian coordinate system)의 x축 및 y축)의 주축들을 따라 서로에게 직교하도록 배향되는 2개의 1D GMR 격자 기반 각도 센서들(100)은 각도 센서들(100)을 포함하는 면 위의 2π-스테라디안 절반 공간(steradian half space)에서 임의의 입사각을 결정하도록 이용될 수 있다.
다른 실시예들에서, GMR 격자(110)는 2D 회절 격자를 포함하고, 본 명세서에서는 2D GMR 격자(110)로서 지칭된다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 2D GMR 격자(110)의 투시도를 예시한다. 예시된 바와 같이, 2D GMR 격자(110)의 회절 격자(112)는 유전체 슬랩(114)의 표면 층에 형성된 홀들의 2D 주기적 어레이를 포함한다. 홀들의 2D 주기적 어레이는 유전체 슬랩(114)의 표면 층에서 주기적으로 반복되는 굴절율 불연속성을 도입시키는 2-차원 주기 Λ를 가지고 있다. 주기적으로 반복되는 굴절율 불연속성은 회절 격자(112)를 생성한다.
예를 들면, 유전체 슬랩(114)은 SOI(silicon-on-insulator)) 웨이퍼를 포함할 수 있고, 회절 격자(112)는 실리콘(Si)의 표면에서 에칭된 홀들의 정사각형 래티스(lattice)를 포함할 수 있다. 이러한 예에서, 홀들은 약 400 나노미터(nm)의 직경을 가질 수 있고 약 25nm의 깊이로 에칭될 수 있다. 정사각형 래티스의 홀들 사이의 간격 또는 그 주기 Λ는 약 1.05마이크론(㎛)일 수 있다(즉, 여기에서 Λ=Λ1=Λ2). 이러한 예에서, Si는 약 50nm의 두께를 가지는 층일 수 있다.
도 3에서는 홀들로 예시되어 있지만, 2D 회절 격자(112)는 2D 주기적으로 반복되는 불연속성을 도입하기 위한 본질적으로 임의의 수단에 의해 생성될 수 있다. 예를 들면, 전술한 홀들은 유전체 슬랩(114)과는 상이한 굴절율의 유전체 재료로 채워질 수 있다. 다른 예에서, 2D 회절 격자는 유전체 슬랩(114)의 전체 두께를 통해 완전하게 연장되는 홀들 또는 채워진 홀들(예를 들면, 유전체 플러그들)에 의해 제공된다. 또 다른 예에서, 돌출하는 표면 피처들(surface features)(예를 들면, 범프들)의 어레이가 2D 회절 격자로서 이용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 주기적 어레이의 제1 방향(예를 들면, x-축)으로의 2D 회절 격자(112)의 격자 주기 Λ1은 주기적 어레이의 제2 방향(예를 들면, y축)으로의 격자 주기 Λ2와는 상이할 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 각도 센서(100)는 공진 프로세서(120)를 더 포함한다. 공진 프로세서(120)는 신호(102)에 대한 GMR 격자(110)의 가이드된 모드 공진 응답(104)으로부터 입사각을 결정한다. 특히, 공진 프로세서(120)는 가이드된 모드 공진 응답(104)으로부터 정보를 추출하고 추출된 정보를 이용하여 입사각을 결정한다. 일부 실시예들에서, 공진 프로세서(120)는 GMR 격자(110)에 의해 생성된 가이드된 모드 공진 응답(104)에 관련된 응답 신호(104)로부터 정보를 추출한다.
예를 들면, 응답 신호(104)는 입사 신호(102)와, GMR 격자(110)의 가이드된 모드들 간의 상호작용에 의해 생성된다. 일부 실시예들에서, 응답 신호(104)는 도 1에 예시된 바와 같이 투과 응답 신호(104)일 수 있다. 투과 응답 신호(104)가 이용되는 경우, 공진 프로세서(120)(또는 그 검출기 부분)는 신호가 입사되는 측면의 반대의 GMR 격자(110)의 측면 상에 위치될 수 있다. 대안적으로, 응답 신호(104)는 반사 응답 신호(예시되지 않음)일 수 있다. 반사된 응답 신호(104)에 있어서, 공진 프로세서(120)(또는 그 검출기 부분)는 일반적으로는 GMR 격자(110)의 입사 사이드를 대향하도록 로케이팅된다. 일부 실시예들에서, 공진 프로세서(120)가 투과 및 반사 수신 컴포넌트들을 포함하도록, 양쪽 투과 응답 및 반사 응답 신호들(104) 모두가 이용된다.
일부 실시예들에서, 공진 프로세서(120)는 가이드된 모드 공진들의 쌍 사이의 스펙트럼 거리로부터 입사각을 결정한다. 그러한 실시예들에서, 결정된 입사각은 스펙트럼 거리에 비례한다. 스펙트럼 거리는 가이드된 모드 공진 응답(104)의 스펙트럼 내의 거리이다. 예를 들면, 스펙트럼 거리는 GMR 격자(110)로부터의 응답 신호(104)의 스펙트럼 내에서 공진들의 쌍의 제1 공진의 위치과 제2 공진의 위치 사이의 주파수 차이, 또는 등가적으로는 파장 차이일 수 있다.
다른 실시예들에서, 공진 프로세서(120)는 가이드된 모드 공진 응답(104)에서의 공진들을 카운팅함으로써 입사각을 결정한다. 특히, 하나의 단일 공진이 공진 프로세서(120)에 의해 카운팅되는 경우에, 입사각은 GMR 격자(110)에 수직인(예를 들면, 90도)인 것으로 결정된다. 공진 프로세서(120)에 의해 하나 이상의 공진이 카운팅되는 경우, 입사각은 90도보다 작은 것으로 공진 프로세서(120)에 의해 결정된다. 일부 실시예들에서, 공진 프로세서(120)가 하나보다 많은 공진을 카운팅하는 경우, 공진 프로세서(120)에 의해 스펙트럼 거리가 이용되어, 입사각을 결정한다. 여기에서, '수직 입사각'은 입사각 θ=90도인 것으로서 정의된다.
일부 실시예들에서, 공진 프로세서(120)는 스펙트럼 분석기를 포함할 수 있다. 스펙트럼 분석기는 GMR 격자(110)에 의해 생성된 응답 신호(104)의 스펙트럼을 생성한다. 특히, 스펙트럼 분석기는 광대역(멀티-주파수) 입사 신호(102)에 의해 생성된 응답 신호(104)로부터 스펙트럼을 생성할 수 있다. 이것으로 제한되는 것은 아니지만, 피크 검출기와 같은, 스펙트럼 분석기의 기능들은 가이드된 모드 공진들을 식별하도록 이용될 수 있다. 식별된 경우, 가이드된 모드 공진이 카운팅되고/카운팅되거나 공진들 사이의 스펙트럼 거리가 결정될 수 있다. 다수의 스펙트럼 분석기들은, 예를 들면, 스펙트럼 거리를 측정하는 기능들을 제공한다. 스펙트럼 거리(또는 카운트)로부터, 입사각이 전술한 바와 같이 결정될 수 있다.
다른 실시예들에서, 공진 프로세서(120)는 신호 검출기(예를 들면, 광학 검출기)를 포함한다. 신호 검출기는 GMR 격자(110)에 의해 생성된 응답 신호(104)를 수신한다. 그러한 실시예들에서, 공진 프로세서(120)는 전력계를 더 포함한다. 전력계는 신호 검출기에 의해 출력된 전력 레벨을 측정하고, 전력 레벨은 응답 신호(104)의 크기에 비례한다. 공진 프로세서(120)의 그러한 실시예들은 입사 신호(102)가, 예를 들면, 주파수-스캐닝된 협대역 신호(102)를 포함하는 경우에 이용될 수 있다. 입사각은 측정된 전력 레벨에서 피크들의 개수를 카운팅하거나 측정된 전력 레벨에서 피크들의 쌍 사이의 시간-거리를 측정하는 것 중 하나에 의해 결정된다.
예를 들면, 공진 프로세서(120)는 GMR 격자(110)로부터 응답 신호(104)를 수신하는 CMOS 또는 CCD 센서를 포함할 수 있다. 다른 예에서, 공진 프로세서(120)는 파장-민감성 마이크로 센서들의 어레이를 포함할 수 있다. 예로 든 공진 프로세서(120)는 센서(들)의 출력으로부터 공진 정보를 식별하고 추출하는 피크-파인더 또는 또 다른 패턴-인식 알고리즘을 구현하는 ASIC(application specific integrated circuit)를 더 포함할 수 있다. ASIC은 추출된 공진 정보로부터 입사각을 더 계산할 수 있다.
도 4는 도 1의 각도 센서(100)와 연관된 가이드된 모드 공진의 예시적인 스펙트럼들의 그래프를 예시한다. 특히, 제1 예시된 스펙트럼(130)은, 수직 입사각(θ=0도)에서 조명되는 경우에 광학 GMR 격자(110)에 의해 생성된 응답 신호(104)의 전형적인 스펙트럼을 도시한다. 수직 입사 시에, 스펙트럼(130)에 나타난 단일 피크(132)에 의해 표시되는 바와 같이 단일의 가이드된 모드 공진이 생성된다. 도 4에서의 제2 예시된 스펙트럼(140)은 입사각 θ에서 조명되는 광학 GMR 격자(110)의 전형적인 스펙트럼을 도시한다. 스펙트럼(140)은 2개의 피크들(142, 144)을 포함한다. 2개의 피크들(142, 144) 간의 상대 스펙트럼 거리 Δλ는 입사각 θ에 비례한다.
일반적으로는, 주어진 입사각 및 GMR 격자(110)의 특정 구조(예를 들면, 주기 Λ)에 대해, 이번에는 스펙트럼에서 2개보다 많은 피크들을 생성하는 2개보다 많은 가이드된 모드 공진들이 존재할 수 있다. 그러나, 입사각은 2개보다 많은 피크들이 존재하는 경우에 피크들의 쌍 사이의 상대 간격에 의해 결정될 수 있다. 예를 들면, 스펙트럼의 중간 포인트에 가장 근접한 제1의 2개의 피크들 간의 상대 스펙트럼 거리가 이용될 수 있다. 스펙트럼의 중간 포인트는 입사 신호(102)의 수직 입사각에 대해 단일 피크가 발생하는 포인트이다. 또한, 본 명세서에서 스펙트럼 피크로서 설명되어 있지만, GMR 격자(110)에서 가이드된 모드 공진을 나타내는 다른 스펙트럼 피처들이 공진을 식별하고 위치시키도록 이용될 수 있다. 예를 들면, 스펙트럼의 밸리(valley), 스펙트럼의 평균 레벨에 대한 영 교차(zero crossing), 및 스펙트럼의 굴곡 포인트 중 하나 이상이 또한 이용될 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 각도 감지 시스템(200)의 블록도를 예시하고 있다. 예시되어 있는 바와 같이, 각도 감지 시스템(200)은 광학 신호(202)를 이용하고, 따라서 본 실시예에서는 포토닉 또는 광학 각도 감지 시스템(200)이다. 다른 실시예들에서, 각도 감지 시스템(200)이 일반적인 각도 감지 시스템(예시되지 않음)으로 간주될 수 있도록, 광학 컴포넌트들은 비-광학적 타입 신호에 적응된 컴포넌트들로 대체된다. 각도 감지 시스템(200)은 광학 신호(202)의 결정된 입사각을 출력한다.
각도 감지 시스템(200)은 가이드된 모드 공진(GMR) 격자(210)를 포함한다. GMR 격자(210)는 GMR 격자(210)의 표면 상에 입사되는 광학 신호(202)와의 상호작용의 결과로서 가이드된 모드 공진 응답을 생성한다. 일부 실시예들에서, GMR 격자(210)는 각도 센서(100)와 관련하여 전술한 GMR 격자(110)와 본질적으로 유사하다.
각도 감지 시스템(200)은 공진 프로세서(220)를 더 포함한다. 공진 프로세서(220)는 GMR 격자(210)의 표면 상에서의 광학 신호(202)의 입사각을 결정한다. 공진 프로세서(220)는 가이드된 모드 공진 응답을 이용하여 각도 결정을 수행한다. 일부 실시예들에서, 공진 프로세서(220)는 각도 센서(100)와 관련하여 전술한 공진 프로세서(120)와 본질적으로 유사하다.
각도 감지 시스템(200)은 광학 소스(230)를 더 포함한다. 광학 소스(230)는 광학 신호(202)를 생성한다. 일부 실시예들에서, 광학 소스(230)는 광대역 광학 신호(202, 예를 들면 백색광)를 생성하는 광대역 광학 소스(230)이다. 다른 실시예들에서, 광학 소스(230)는 주파수에서 시간-스캐닝되는 협대역 광학 신호(202)를 생성하는 스캐닝된 협대역 광학 신호(230)이다. 예를 들면, 협대역 광학 소스(230)는 단색 스캐닝 연속파 레이저(230)일 수 있다. 광학 소스(230)는 광학 신호(202)를 방출하는 광학 방출기(232)를 포함한다. 본 명세서에서는 광학 소스(230)로부터 광학 신호(202)를 이용하는 것을 예로써 예시하고 있지만, 각도 감지 시스템(200)은 일반적으로는 신호(202)로서 작용할 수 있는 파를 생성하는 본질적으로 임의의 신호 소스(230)로 구현될 수 있다.
일부 실시예들에서, 광학 신호 소스(230)는 시준된 광학 신호(202)를 생성하는 시준된 광학 소스(230)이다. 예를 들면, 광학 소스(230)는 시준기(234)(예를 들면 렌즈 또는 핀 홀)를 더 포함할 수 있다. 시준기(234)는 광학 소스(230) 및 GMR 격자(210) 사이에 위치되고, 시준기(234)를 통과하는 광학 신호(202)를 시준하도록 작용한다. 일부 실시예들에서, 광학 소스(230)는 편광기(236)를 더 포함한다. 편광기(236)는 또한 일반적으로 광학 소스(230)와 GMR 격자(210) 사이에 위치된다. 편광기(236)는 그를 통과하는 광학 신호(202)를 편광된 광학 신호(202)(예를 들면, 선형으로 편광된 광학 신호)로 변환한다.
예로써 광학 소스(230)로부터 광학 신호(202)를 이용하는 것으로 예시되지만, 각도 감지 시스템(200)은 일반적으로 지향성 '파-함유(wave-containing)'신호(202, 예를 들면 무선 주파수 신호, 마이크로파 신호, 또는 음향 신호)를 생성하는 본질적으로 임의의 신호 소스(230)를 포함할 수 있다. 그러한 일반적인 구현에서, 전술한 광학 GMR 격자(210) 및 공진 프로세서(220)는 파-함유 신호(202) 및 그에 의해 생성되는 공진 응답과 호환가능했던 GMR 격자(210) 및 공진 프로세서(220)에 의해 마찬가지로 대체될 것이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 입사각 결정 방법(300)의 흐름도를 예시한다. 입사각 결정 방법(300)은 가이드된 모드 공진(GMR) 격자를 제공하는 단계(310)를 포함한다. 예를 들면, 참조번호 310에서 제공된 GMR 격자는 1D GMR 격자일 수 있다. 다른 예에서, 참조번호 310에서 제공된 GMR 격자는 2D GMR 격자이다. 일부 실시예들에서, 참조번호 310에서 제공된 GMR 격자는 각도 센서(100)와 관련하여 전술한 GMR 격자(110)와 본질적으로 유사하다.
입사각 결정 방법(300)은 입사 신호를 받게 되는 경우에 GMR 격자에서 생성된 가이드된 모드 공진을 검출하는 단계(320)를 더 포함한다. 예를 들면, 입사 신호는 GMR 격자의 표면 상에 입사되는 광학 신호일 수 있다. 입사되는 광학 신호는, 예를 들면, 광대역 광학 신호 및 시간-스캐닝된 협대역 광학 신호 중 하나일 수 있다. 일부 실시예들에서, 가이드된 모드 공진을 검출하는 단계(320)는 입사 신호로부터 GMR 격자에 의해 생성된 응답 신호를 검출하는 단계를 포함할 수 있다. 다양한 실시예들에서, 응답 신호는 투과된 응답 신호 및 반사된 응답 신호 중 하나 이상일 수 있다.
입사각 결정 방법(300)은 입사 신호의 입사각을 결정하는 단계(330)를 더 포함한다. 입사각은 가이드된 모드 공진들의 개수, 및 입사 신호에 대한 GMR 격자의 응답에 존재하는 가이드된 모드 공진들 간의 스펙트럼 거리 중 하나 또는 양쪽 모두로부터 결정된다(참조번호 330). 일부 실시예들에서, 참조번호 330에서 결정된 입사각은 하나보다 많은 가이드된 모드 공진이 존재하는 경우에 가이드된 모드 공진들의 쌍 사이의 스펙트럼 거리에 비례한다. 다른 실시예들에서, 입사각은 입사 신호에 대한 GMR 격자의 응답에 단지 하나의 가이드된 모드 공진이 존재하는 경우에 GMR 격자의 표면에 수직인 것으로 결정된다.
일부 실시예들에서, 입사각을 결정하는 단계(330)는 GMR 격자로부터 응답 신호의 스펙트럼을 측정하는 단계를 포함한다. 결정 단계(330)는 GMR 격자에 생성된 가이드된 모드 공진과 연관된 스펙트럼에서 스펙트럼 피처를 식별하는 단계를 더 포함한다. 예를 들면, 식별된 스펙트럼 피처는 스펙트럼의 피크일 수 있다. 결정 단계(330)는 식별된 스펙트럼 피처의 개수(즉, 양)를 카운팅하는 단계 및 식별된 스펙트럼 피처들의 쌍 사이의 스펙트럼 거리를 측정하는 단계 중 하나 또는 양쪽 모두를 더 포함한다. 앞서 제공된 바와 같이, 단지 하나의 식별된 스펙트럼 피처만이 존재하는 경우에 입사각은 GMR 격자의 표면에 수직인 것으로 결정된다(참조번호 330). 입사각은 하나보다 많은 식별된 스펙트럼 피처가 있는 경우에 스펙트럼 거리에 비례하는 것으로 결정된다(참조번호 330).
그러므로, 가이드된 모드 공진을 이용하는 각도 센서, 각도 감지 시스템 및 입사각 결정 방법의 실시예들이 기술되었다. 전술한 실시예들은 단지 본 발명의 원리들을 표현하는 다수의 특정 실시예들의 일부를 예시하는 것에 불과하다는 것이 이해되어야 한다. 명백하게는, 본 기술분야의 숙련자들이라면, 이하의 특허청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 범주에서 벗어나지 않고서도 다수의 다른 구성들을 용이하게 고안할 수 있다.

Claims (21)

  1. 각도 센서로서,
    가이드된 모드 공진(guided-mode resonance)(GMR) 격자; 및
    신호에 대한 상기 GMR 격자의 가이드된 모드 공진 응답으로부터 추출된 공진 피크와 관련된 정보를 이용하여 상기 GMR 격자 상에 입사되는 신호의 입사각을 결정하는 공진 프로세서
    를 포함하는 각도 센서.
  2. 제1항에 있어서, 상기 GMR 격자는 2차원 격자를 포함하고, 상기 결정된 입사각은 상기 2차원 격자의 평면 표면에 대해 측정된 각도이며, 상기 2차원 격자는 유전체 슬랩(dielectric slab)의 표면 층에 형성된 유전체 피처들(dielectric features)의 2차원 주기적 어레이를 포함하는 각도 센서.
  3. 제1항에 있어서, 상기 GMR 격자는 유전체 슬랩의 표면 프로파일을 포함하고, 상기 표면 프로파일은 유전체 슬랩의 표면으로부터 돌출되는 표면 피처들의 어레이를 포함하는 각도 센서.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공진 프로세서는 상기 가이드된 모드 공진 응답에서의 가이드된 모드 공진들의 쌍 사이의 스펙트럼 거리로부터 입사각을 결정하고, 상기 결정된 입사각은 상기 스펙트럼 거리에 비례하는 각도 센서.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공진 프로세서는 상기 가이드된 모드 공진 응답에서의 공진들을 카운팅함으로써 입사각을 결정하고, 하나의 공진 카운트는 상기 GMR 격자의 표면에 대한 수직 입사각인 입사각과 동일한 각도 센서.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 신호는 광대역 광학 신호이고,
    상기 공진 프로세서는 상기 GMR 격자에 의해 생성된 응답 신호의 스펙트럼을 생성하는 스펙트럼 분석기를 포함하며, 상기 응답 신호는 상기 가이드된 모드 공진 응답인 각도 센서.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 공진 프로세서는 상기 스펙트럼에서 피크들을 검출하는 피크 검출기를 더 포함하고,
    상기 검출된 피크들의 개수를 카운팅하는 것 및 검출된 피크들의 쌍 사이의 스펙트럼 거리를 측정하는 것 중 하나 또는 양쪽 모두를 포함하여 입사각이 결정되는 각도 센서.
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 신호는 스캐닝된 협대역 광학 신호(scanned narrowband optical signal)이고,
    상기 공진 프로세서는,
    상기 가이드된 모드 공진 응답으로서 상기 GMR 격자에 의해 생성된 응답 신호를 수신하는 광학 검출기; 및
    상기 광학 검출기에 의해 출력된 전력 레벨을 측정하는 전력계 - 상기 전력 레벨은 상기 응답 신호의 크기에 비례함 -
    를 포함하고,
    상기 협대역 광학 신호는 시간의 함수로서 광학 주파수들의 범위에 걸쳐 주파수-스캐닝되고(frequency-scanned), 상기 입사각은 상기 측정된 전력 레벨에서 피크들의 개수를 카운팅하는 것 및 상기 측정된 전력 레벨에서 피크들의 쌍 사이의 시간-거리를 측정하는 것 중 하나 또는 양쪽에 의해 결정되는 각도 센서.
  9. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공진 프로세서는 상기 GMR 격자로부터 응답 신호를 수신하여 처리하고, 상기 응답 신호는 상기 GMR 격자의 투과된 응답 신호 및 상기 GMR 격자의 반사된 신호 중 하나 또는 양쪽 모두인 각도 센서.
  10. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 각도 센서는 각도 감지 시스템에서 이용되고,
    상기 각도 감지 시스템은,
    광학 신호를 생성하는 광학 소스를 더 포함하고,
    상기 결정된 입사각은 상기 각도 감지 시스템에 의해 저장되는 것 및 출력되는 것 중 하나 또는 양쪽 모두인 각도 센서.
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