KR101720434B1

KR101720434B1 - 광 위상배열 안테나

Info

Publication number: KR101720434B1
Application number: KR1020150157657A
Authority: KR
Inventors: 박효훈; 김종훈; 한선규
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2015-11-10
Filing date: 2015-11-10
Publication date: 2017-03-28
Also published as: US9740078B2; WO2017082440A1; US20170131615A1

Abstract

일 실시예에 따른 광 위상배열 안테나를 구성하는 소자는, 적어도 하나 이상으로 구성된 광원(light source); 상기 광원으로부터 발생되는 광파를 분배하는 광 파워 분배기(power distributor); 상기 광파가 분배됨에 따라 상기 광파의 위상을 제어하는 위상 제어기(phase controller); 및 상기 제어된 위상에 기초하여 상기 광파를 공간으로 발산하는 광파 발산기(radiator)를 포함하고, 상기 광원과 상기 광 파워 분배기의 사이, 상기 광 파워 분배기와 상기 위상 제어기의 사이 및 상기 위상 제어기와 상기 광파 발산기의 사이에 각각의 광 도파로로 연결될 수 있다.

Description

광 위상배열 안테나{PHOTONIC PHASED ARRAY ANTENNA}

아래의 설명은 광 위상배열 안테나(photonic phased array antenna) 구조에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 광파(light wave)를 넓은 공간(free space)으로 발산하는 나노포토닉 발산기(nanophotonic radiator)를 어레이(array)로 배열하여 각각의 발산기에 공급되는 광파의 위상을 제어함으로써, 광파의 간섭에 의해 좁은 영역에 광 빔(light beam)을 형성시키는 장치에 관한 것이다.

광 위상배열 안테나는 무인자동차, 로봇 등에서 영상 스캐닝을 위해 광 빔을 주사하는 광원으로 사용될 수 있다. 이러한 응용을 위한 광 위상배열 안테나의 바람직한 성능은 크기가 작고, 광 빔 발산 효율이 높고, 선명한 빔을 형성하고, 빔 스캐닝 범위가 넓고, 빔 스캐닝 속도가 빨라야 한다. 이에 따라 소형화를 우선적으로 달성하고자 반도체 소재를 사용하는 나노포토닉스 기반의 광 위상배열 안테나가 제안될 필요가 있다. 반도체 소재의 나노포토닉스 기반의 광 위상배열 안테나를 구현하려면, 소자의 규모가 작음으로 인하여 다른 여러 가지 성능 확보하는 데에 복합적인 제약이 개입될 수 있다.

나노포토닉스 기반의 광 위상배열 안테나에 대한 종래의 발명(US Patent Application 2014/0192394 A1)에서 반도체 실리콘 소재를 기반으로 위상제어 광소자를 matrix형으로 집적한 광 위상배열 안테나가 제안된 바 있다. 종래의 위상배열 안테나에서는 광파의 위상제어를 thermo-optic 효과에 의해 굴절률이 변화되는 원리를 이용한다. 상기 발명에서는 안테나 전단에 광 지연선(optical delay line)을 설치하고, 광 지연선 부분에 전류를 주입해서 가열시키는 것이며 지연선 부분이 가열되어 온도가 올라가면, 광학에서 잘 알려진, thermo-optic 효과에 의해 굴절률이 증가되어 지연선을 통과한 광파의 위상을 변화시키는 것이다. 하지만 상기 발명은 종래의 기술과 같이, thermo-optic 효과를 이용할 경우에는 반도체 소재 가열에 소모되는 소비전력이 크고 제어 속도도 느린 단점이 있다.

위상배열 안테나를 구성함에 있어서 광파의 공급선 배치 또한 중요한 설계변수이다. 상기 발명에서는 matrix형으로 배치된 단위 안테나 소자에 광파를 공급하는 방식은 직렬분배 방식을 사용하였다. 다시 말해서, 상기 발명은 직선의 광 도파로(optical waveguide)에 광파를 주입하고 이 직선 광 도파로 측면에 여러 개의 광 커플러를 직렬로 설치하여, 각 커플러로 일정부분의 광 파워를 순차적으로 추출하여 단위 안테나 소자로 공급해주는 방식이다. 이러한 직렬 공급방식에서는 앞선 단위소자로 분배되고 남은 파워 중에서 일부를 다음 단위소자로 추출해주기 때문에 균일한 광 파워를 각 단위 소자로 공급하기가 어렵다.

나노포토닉스 기반의 광 위상배열 안테나를 구성하는 소자들의 구조와 배치를 제안한다.

위상배열 안테나로 발산하는 공간에서 횡방향과 종방향으로 가능한 넓은 각도의 빔 스캐닝 방식을 제안한다.

일 실시예에 따르면, 광 위상배열 안테나를 구성하는 소자는, 적어도 하나 이상으로 구성된 광원(light source); 상기 광원으로부터 발생되는 광파를 분배하는 광 파워 분배기(power distributor); 상기 광파가 분배됨에 따라 상기 광파의 위상을 제어하는 위상 제어기(phase controller); 및 상기 제어된 위상에 기초하여 상기 광파를 공간으로 발산하는 광파 발산기(radiator)를 포함하고, 상기 광원과 상기 광 파워 분배기의 사이, 상기 광 파워 분배기와 상기 위상 제어기의 사이 및 상기 위상 제어기와 상기 광파 발산기의 사이에 각각의 광 도파로로 연결될 수 있다.

일측에 따르면, 상기 위상 제어기는, 반도체 p-n 접합 구조 또는 p-i-n 접합 구조로 형성하여 전압을 인가하거나 전류를 주입함에 따라 캐리어 농도 변화에 의한 electro-optic 효과를 이용하여 굴절률을 변화시켜 위상을 제어할 수 있다.

또 다른 일측에 따르면, 상기 위상 제어기는, 상기 p-n 접합 구조 또는 p-i-n 접합 구조에 순전압 또는 역전압을 인가하여 굴절률의 변화를 획득할 수 있다.

또 다른 일측에 따르면, 상기 위상 제어기는, 상기 p-n 접합 구조에서, p형 도핑 영역과 n형 도핑 영역을 광 도파로 내에 또는 광 도파로 인근에 형성하고, 상기 광 도파로 인근의 p형 도핑 영역과 n형 도핑 영역에 전극을 형성하고, 상기 광 도파로에 광파가 입력되는 상태에서 상기 형성된 전극 사이에 전압 또는 전류를 인가함에 따라 굴절률이 변화하고, 상기 굴절률의 변화에 따라 상기 도핑 영역을 통과하여 출력되는 광파의 위상이 변화될 수 있다.

또 다른 일측에 따르면, 상기 위상 제어기는, 상기 p-i-n 접합 구조에서, p형 도핑 영역, i영역 및 n형 도핑 영역을 광 도파로 내에 도는 광 도파로 인근에 형성하고, 상기 광 도파로 인근의 p형 도핑 영역과 상기 n형 도핑 영역에 전극을 형성하고, 상기 형성된 적극 사이에 전압 또는 전류를 인가함에 따라 굴절률이 변화하고, 상기 굴절률의 변화에 따라 상기 도핑 영역을 통과하여 출력되는 광파의 위상이 변화될 수 있다.

또 다른 일측에 따르면, 상기 광파 발산기는, 격자 구조, 거울 구조 또는 나노 금속박막 구조 중 적어도 하나로 형성될 수 있다.

또 다른 일측에 따르면, 상기 광 파워 분배기는, 상기 광원으로부터 발생하는 광파를 N(N은 자연수)개의 위상 제어기로 분배시키고, 1:N으로 분배되는 단일의 분배기를 사용하거나 1:N 분배기를 다단계로 연결하여 1:N으로 분배시킬 수 있다.

또 다른 일측에 따르면, 상기 광파 발산기는, 1차원의 1xM 발산기 어레이로 배치되어 형성되고, 각각의 광파 발산기에 공급되는 상기 광파의 위상을 순차적으로 변화시킴으로써 상기 발산기 어레이가 정렬되는 방향과 같은 방향인 횡방향(lateral direction)의 공간으로 1차원 빔 스캐닝을 할 수 있다.

또 다른 일측에 따르면, 상기 광파 발산기는, 상기 광파 발산기로부터 형성된 복수의 1xM 발산기 어레이들이 종방향(longitudinal direction)으로 배치되고, 각각의 1xM 발산기 어레이마다 빔 포밍되는 위도를 다르게 설정되고, 상기 각각의 1xM 발산기 어레이가 해당하는 위도상에서 위상 제어에 의하여 경도방향의 빔 스캐닝을 하여 2차원의 빔 스캐닝을 제공할 수 있다.

또 다른 일측에 따르면, 상기 광파 발산기는, 2차원의 MxN 발산기 어레이로 형성하여, 각각의 광파 발산기에 공급되는 위상을 횡방향과 종방향으로 각각 순차적으로 다르게 제어하여 상기 횡방향과 상기 종방향을 포함한 2차원 공간으로 빔 스캐닝을 할 수 있다.

일 실시예에 따른 광 위상배열 안테나를 구성하는 소자는 위상 제어에서 electro-optic 효과를 이용함으로써 소비전력을 낮출 수 있고, 동작속도를 빠르게 할 수 있다.

일 실시예에 따른 광 위상배열 안테나를 구성하는 소자는 광 파워 분배기를 1:N 광 파워 분배기로 다단계 병렬분배 시킴으로써, 광파 발산기 어레이에 비교적 균일하게 광 파워를 공급해 줄 수 있다. 또한, 광파 발산기에 격자 구조, 거울 구조, 나노 금속박막의 구조의 세가지 구조로 제안함으로써, 응용에 따라 다양한 기능을 구현할 수 있다.

일 실시예에 따른 광 위상배열 안테나를 구성하는 소자는 발산기 어레이와 위상 공급선의 배치에서 1xM 광파 발산기 어레이 내에 발산기들만 배치하고, 위상 공급선을 발산기 어레이 밖에 배치함으로써, 발산기 어레이로부터 방사된 위상정합 빔의 스캐닝 각도를 넓힐 수 있다.

일 실시예에 따른 광 위상배열 안테나를 구성하는 소자는 위상배열의 2D 배치에서 1xM 발산기 어레이를 종방향으로 배치하여 (1xM)xN 위상배열의 형태로 배치함으로써, 발산기 어레이 사이의 종간격을 독립적으로 넓힐 수 있어 소자 구조 설계에서 자유도를 높일 수 있다.

일 실시예에 따른 광 위상배열 안테나를 구성하는 소자는 각각의 1xM 발산기 어레이에서 방사되는 빔이 발산기 어레이 별로 종방향으로 형성되는 각도가 다르게 할당됨으로써, 전체적으로 횡방향뿐 아니라 종방향으로도 빔을 주사할 수 있는 이차원적인(2D) 스캐닝 기능을 달성할 수 있다.

도 1은 일 실시예에 따른 광 위상배열 안테나를 구성하는 소자들의 배치를 나타내는 개략도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 반도체 p-n 접합 구조를 이용한 위상 제어기 소자의 구조를 나타낸 개략도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 반도체 p-i-n 접합 구조를 이용한 위상 제어기 소자의 구조를 나타낸 개략도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 광파 발산기 소자의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 광파 발산기를 1xM 발산기 어레이로 배치한 1차원 위상배열의 배치도이다.
도 6은 일 실시예에 따른 1xM 발산기 어레이로 배치한 1차원 위상배열을 이용한 광 빔 주사 방식을 나타낸 개략도이다.
도 7은 일 실시예에 따른 복수 개의1xM 발산기 어레이를 상하로 배치한 (1xM)xN 위상배열의 배치도이다.
도 8은 도 7의 (1xM)xN 위상배열을 이용한 광 빔 주사 방식을 나타낸 개략도이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 광파 발산기를 MxN 발산기 어레이로 배치한 2차원 위상배열의 배치도이다.
도 10은 도 9의 MxN 2차원 위상배열을 이용한 광 빔 주사 방식을 나타낸 개략도이다.

이하, 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 일 실시예에 따른 광 위상배열 안테나를 구성하는 소자들의 배치를 나타내는 개략도 이다.

광 위상배열 안테나를 구성하는 주요 소자들은 크게 광원(100)(light source), 광 파워 분배기(101)(power distributor), 위상 제어기(102)(phase controller), 광파 발산기(104)(radiator)로 구성될 수 있다. 이들 구성 소자들 간에는 광원(100)과 광 파워 분배기(101)의 사이, 광 파워 분배기(101-1, 101-2)와 위상 제어기(102) 사이, 위상 제어기(102)와 광파 발산기(104)의 사이에 각각의 광 도파로(106-1, 106-2, 106-3)로 연결될 수 있다. 이때, 위상 제어기(102)와 광파 발산기(104) 사이에 연결되어 있는 광 도파로는 밀집도가 높아 도파로 간의 커플링(coupling)이 발생될 수 있어 그 배치가 중요하므로, 위상 공급선(103) (phase-feeding line)이라는 별도의 명칭을 부여하여 설명하기로 한다.

일 실시예에 따른 광 위상배열 안테나를 구성하는 소자들은 위상배열 안테나를 소형화하기 위하여, 광 파워 분배기(101), 위상 제어기(102), 위상 공급선(103), 광파 발산기(104)와 광 도파로(106)은 반도체 소재로 형성할 수 있다. 여기서 반도체 소재에는 실리콘, 화합물 소재 반도체뿐만 아니라 이들 소재의 광소자 제작에 사용되는 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 등의 절연체(dielectric) 소재와 금속 박막 소재들을 포함할 수 있다. 일 실시예에 따른 반도체 기반 소자들은 기하학적인 크기가 광파의 파장 규모에 근접하거나 파장 보다 작은 규모로 형성하는 것이 적합하므로, 나노포토닉스 영역에 해당된다.

광원(100)은 위상이 정합된 광파(coherent light)를 제공할 수 있는 레이저(laser) 광원을 사용할 수 있다. 광원은 일반적인 연속파(continues wave, CW) 광원을 사용하는 것이 바람직하지만, 이에 국한되지 않고, 거리 측정 등의 기능을 부여하기 위하여 변조(modulation) 또는 코딩(coding)이 된 광원을 사용할 수도 있다. 광원(100)은 광 도파로(106-1)에 직접 결합시키거나, 광섬유, 격자 커플러, 빔 인버터(beam invertor) 등을 통하여 광 도파로(106-1)에 결합시킬 수도 있다. 광 도파로(106-1, 106-2, 106-3)는 일반적인 반도체 또는 절연체 소재가 사용될 수 있으며, rib형, channel형 등의 도파로 구조로 제작될 수 있다. 광원의 파장은 사용되는 상기 광 도파로(106)에서 광손실(optical loss)이 적은 파장대역 중에서 선택될 수 있다.

광 파워 분배기(101)는 단일의 광원(100)으로부터 나오는 광파를 N(N은 자연수)개의 위상 제어기(102)로 분배시키기 위한 소자이다. 광 파워 분배기(101)는 광 파워를 분배함에 있어서, 1:N으로 분배되는 단일의 광 파워 분배기를 사용하거나 또는 1:N 광 파워 분배기를 다단계로 연결하여 1:N으로 분배시킬 수도 있다. 도 1에서는, 광 파워 분배기(101)는 1:4 분배기를 2단계로 분배시켜 1:16 분배를 시행한 일례를 보여주고 있다. 또 다른 예로 1:2 분배기를 이용할 경우, 4단계 분배로 1:16 분배도 가능하다. 상기 1:N 분배기로는 multi-mode interference (MMI) coupler, beam splitter 등의 광소자를 활용하여 구현할 수 있다.

위상 제어기(102)는 발산기 어레이(105)에 각 발산기(104) 소자 마다 위상이 등간격으로 차이를 둔 광파를 공급하기 위하여, 광파의 위상을 제어하는 기능을 갖는다. 위상 제어기(102)에 대해 위상을 제어할 수 있는 실시 예들을 도 2와 도3에 나타내었다. 도 2는 반도체 p-n 접합 구조를 이용하는 것이며, 도 3은 p-i-n 접합 구조를 이용하는 것이다. 상기 p-i-n 구조에서 i는 intrinsic 영역을 의미한다.

도 2는 일 실시예에 따른 반도체 p-n 접합 구조를 이용한 위상 제어기 소자의 구조를 나타낸 개략도이다.

도 2(a)는 일 실시예에 따른 반도체 p-n 접합 구조를 이용한 위상 제어기 소자의 구조를 나타낸 단면도이고, 도 2(b)는 반도체 p-n 접합 구조를 이용한 위상 제어기 소자의 구조를 나타낸 조감도이다.

위상 제어기는 반도체 p-n 접합 구조 또는 반도체 p-i-n 접합 구조로 형성하여 전압을 인가하거나 전류를 주입함에 따라 캐리어 농도 변화에 의한 electro-optic 효과를 이용하여 굴절률을 변화시켜 위상을 제어할 수 있다.

위상 제어기는 다음과 같이 p-n 접합 구조로 형성될 수 있다. 예를 들면, 도 2(a) 및 도2(b)를 참고하면, 위상 제어기는 p-n 접합 구조에서, p형 도핑 영역(207-1)과 n형 도핑 영역(207-2)을 광 도파로(206) 내에 또는 광 도파로(206) 인근에 형성할 수 있다. 위상 제어기는 광 도파로(206) 인근의 p형 도핑 영역(207-1)과 n형 도핑 영역(207-2)에 전극(208-1, 208-2)을 형성할 수 있다. 위상 제어기는 광 도파로(206)에 광파(200-1)가 입력되는 상태에서 두 전극(208-1, 208-2) 사이에 전압 또는 전류를 인가하면, 도핑 영역(207-1, 207-2)에 전자(electron)와 홀 (hole)이 증가하여 electro-optic 효과, 다시 말해서, free carrier plasma dispersion(FCPD) 효과에 의하여 굴절률이 변화하게 된다. 이 굴절률 변화로 인하여 상기 도핑 영역(207-1, 207-2)을 통과하여 출력되는 광파(200-2)의 위상이 변화될 수 있다. Electro-optic 효과와 FCPD효과는 반도체의 광학에서 잘 알려진 효과이므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.

도 3은 일 실시예에 따른 반도체 p-i-n 접합 구조를 이용한 위상 제어기 소자의 구조를 나타낸 개략도이다. 도 3(a)는 단면도, (b)는 조감도이다.

상기 위상 제어기는 다음과 같이 p-i-n 접합 구조로 형성될 수 있다. 예를 들면, 도 3(a) 및 도3(b)를 참고하면, 위상 제어기는 p-i-n 접합 구조에서, p형 도핑 영역(307-1), i형 영역(307-3) 및 n형 도핑 영역(307-2)을 광 도파로(306) 내에 또는 광 도파로(306) 인근에 형성할 수 있다. 위상 제어기는 광 도파로 (306) 인근의 p형 도핑 영역(307-1)과 n형 도핑 영역(307-2)에 전극(308-1, 308-2)을 형성할 수 있다. 위상 제어기는 광파(300-1)가 입력되는 상태에서 두 전극(308-1, 308-2) 사이에 전압 또는 전류를 인가하면, 도 2에서 설명한 바와 같은 원리로 FCPD 효과에 의하여 굴절률이 변화하게 되고, 이 굴절률 변화로 인하여 상기 도핑 영역(308-1, 308-2)을 통과하여 출력되는 광파(300-2)의 위상이 변화될 수 있다.

이때, 위상 제어기는 p-n 접합 구조 또는 p-i-n 접합 구조에 순전압 또는 역전압을 인가하여 굴절률의 변화를 획득할 수 있다. 이때, 전압 또는 전류 인가에서 굴절률 변화를 보다 효과적으로 얻을 수 있는 방법은, 도 2에서 설명한 p-n 접합 구조에서는 캐리어가 추출될 수 있도록 역전압(reverse bias)을 인가하며, 도 3에서 설명한 p-i-n 접합 구조에서는 캐리어가 주입될 수 있도록 순전압(forward bias)를 인가하는 것이다. 또한, 전압 또는 전류 인가에서 굴절률 변화를 보다 효과적으로 얻을 수 있는 방법은, 출력 광파(200-2, 300-2)에 적절한 정도의 위상변화는 인가되는 전압의 값을 적절히 선택하여 제어시키는 것이다.

도 4는 일 실시예에 따른 광파 발산기 소자의 구조를 나타낸 단면도이다.

광파 발산기는 격자 구조, 거울 구조 또는 나노 금속박막 구조 중 적어도 하나로 형성될 수 있다.

도 4(a)를 참고하면, 광파 발산기는 격자 구조로 형성될 수 있다. 광파 발산기는 광 도파로(406)의 끝에 격자(404-1)를 형성할 수 있다. 광파 발산기는 격자 구조에서 격자에 부딪치는 광파의 산란(scattering)에 의해 격자 위의 공간으로 광파(400-1)를 방사할 수 있다.

광파 발산기(404-1)는 격자 구조에서, 다음과 같이 회절(diffraction) 원리에 의한 수학식 1에 기초하여 설계될 수 있다.

수학식 1:

여기서,

는 광파의 진공상태에서 중심 파장,

는 격자의 주기,

는 격자를 포함하는 광 도파로의 유효 굴절률,

는 광 도파로 코어(core)를 둘러싸고 있는 클래드(clad)의 굴절률,

는 주기적인 격자로부터 산란된 광파의 회절로 형성된 회절패턴 중에서 빛의 세기가 가장 큰 중심에 해당하는 방사 각도를 의미한다.

는 격자표면의 법선(normal)방향으로부터의 각도이다. 광 도파로 코어의 상부가 자유공간일 경우에

는 1이 된다.

도 4(b)를 참고하면, 광파 발산기 소자는 거울 구조로 형성될 수 있다. 광파 발산기는 거울 구조에서 광파의 반사(reflection)에 의해 격자 위의 공간으로 광파(400-2)를 방사할 수 있다.

광파 발산기(404-2)는 거울 구조에서, 광 도파로(406) 끝에 경사진 면을 갖는 거울면을 형성하고, 거울면의 각도를 선택하여 방사각

를 결정할 수 있다. 예를 들면, 광파 발산기(404-2)는 거울면이 45°이면 법선방향(normal 방향)으로 방사되며, 45°보다 예각이면 법선방향 보다 광 도파로의 진행방향으로 기울어진 방향으로 방사되며, 45°보다 둔각이면 법선방향 보다 광 도파로의 역방향으로 기울어진 방향으로 방사될 수 있다.

도 4(c)를 참고하면, 광파 발산기 소자는 나노 금속박막 구조로 형성될 수 있다. 광파 발산기는 나노 금속박막 구조에서 나노 금속박막에서 나타날 수 있는 surface plasmonics에 의해 광파(400-3)를 방사할 수 있다.

광파 발산기(404-3)는 나노 금속박막 구조에서 광 도파로(406) 끝 부분의 위에 금속박막을 올리되, 박막의 두께를 금속 소재의 skin depth에 가깝거나 그 보다 얇은 박막으로 형성할 수 있다. 광파 발산기(404-3)는 금속박막에서 나타나는 surface plasmonics 현상을 이용하여 광파를 방사시킬 수 있으며, 광파의 방사효율을 높이기 위해서는 surface plasmonics에서 분류한 bound mode 보다는 quasi-bound mode나 radiative mode를 이용하는 것이 바람직하다. 광파 발산기(404-3)는 금속소재의 종류와 금속박막의 두께, 너비, 길이, 형태 등의 기하학적 변수를 적절히 조절하여 방사각

을 결정할 수 있다.

도 5는 일 실시예에 따른 광파 발산기를 1xM 발산기 어레이로 배치한 1차원 위상배열의 배치도이다.

광파 발산기는 1xM 어레이로 배치되어 형성될 수 있다. 도 5를 참고하면, 광파 발산기(504)를 도 4(a)의 격자 구조(404-1)로 형성한 예시를 보여주고 있으나, 이에 국한되지 않고 도 4(b)의 거울 구조(404-2) 또는 도 4(c)의 나노 금속박막(404-3) 구조로도 형성할 수도 있다.

도 6은 일 실시예에 따른 1xM 발산기 어레이로 배치한 1차원 위상배열을 이용한 광 빔 주사 방식을 나타낸 개략도이다.

광파 발산기는 1xM 발산기 어레이로 배치되어 형성될 수 있다. 도 6은 1xM 발산기 어레이(605)로 광 빔 형성(beam forming)과 빔 스캐닝(beam scanning)을 수행하는 과정을 설명하기로 한다.

1xM 발산기 어레이(605)에 입력되는 광파의 위상을 각각의 발산기마다 위상을 등간격으로 차이를 둠으로써 방사되는 광파들의 간섭에 의해 공간상에서 특정한 방향으로 좁은 발산각(divergence angle)을 갖는 위상정합 빔(609)이 형성(beam forming)될 수 있다. 위상간섭 원리에 의하면, 위상배열로부터 얻어지는 위상정합 빔은 0^th-order, 1^st-order, 2^nd-order 등으로 복수 개가 형성될 수 있다. 위상배열의 각 광파 발산기마다 등간격의 위상차이

를

사이에서 연속적으로 변화시켜 줌으로써 위상정합 빔(609)은 공간상에서 횡방향의 궤적(601)을 따라 이동되며 빔 스캐닝(beam scanning) 기능을 제공할 수 있다. 여기서 횡방향이라 함은 발산기 어레이(605)가 정렬되는 방향을 의미한다. 복수 개의 간섭 빔이 횡방향으로 형성될 경우, 0^th-order 빔이 광 세기(intensity)가 가장 크므로 빔 스캐닝에서 주된 역할을 한다. 도 6에서는 0^th-order 빔에 대해만 특정 거리에서의 단면을 대표적으로 나타내었다. 0^th-order 빔을 이용한 횡방향 스캐닝 각도, 즉, 구형 공간의 방위각(azimuthal angle)에서 경도(longitude)에 해당하는 각도

(600)의 범위는 도 5의 발산기 어레이(505)에서 발산기 사이 횡간격

(507)에 의해 정해진다. 위상간섭 원리에 의하면, 위상 배열에서 발산기 사이 간격

(507)가 좁을수록 0^th-order 빔으로 얻을 수 있는 횡방향 스캐닝 각도

(600)의 범위는 더 넓어질 수 있다.

1xM 발산기 어레이에서는 위상변화 만으로는 종방향인 위도(latitude) 방향의 스캐닝은 이루어지지 않는다. 이에 따라 위도방향의 스캐닝을 위해 복수 개의 1xM 발산기 어레이를 종방향으로 배열시킨 구조를 제안한다.

도 7은 일 실시예에 따른 복수 개의1xM 발산기 어레이를 상하로 배치한 (1xM)xN 위상배열의 배치도이다. 도 8은 도 7의 (1xM)xN 위상배열을 이용한 광 빔 주사 방식을 나타낸 개략도이다.

각각의 발산기 어레이에서 방사되는 빔은 도 8과 같이, 어레이 별로 종방향으로 형성되는 각도(

)를 다르게 할당할 수 있다. 예를 들면, 1^st 1xM 발산기 어레이(805-1)는

각도(800-1)를 담당하고, 2^nd 1xM 발산기 어레이(805-2)는

각도를 담당하고, N^th 1xM 발산기 어레이(805-N)는

각도(800-N)를 담당할 수 있다. 각각의 1xM 발산 어레이는 해당 위도상에서 경도방향으로만 스캐닝 하면, 전체적으로 횡방향 및 종방향으로 빔 스캐닝이 이루어져 이차원적인(2D) 스캐닝 기능을 달성할 수 있다. 이때, 1xM 발산 어레이에서 해당 위도(800-1, 800-N 등)의 결정은 도 4(a)와 같이 광파 발산기가 격자 구조인 경우에는, 식 (1)의 기본식을 활용하면, 격자의 주기를 달리하여 제공해줄 수 있고, 도 4(b)와 같이 광파 발산기가 거울 구조인 경우에는 거울의 각도를 달리하여 제공해줄 수 있고, 도 4(c)와 같이 광파 발상기가 나노 금속박막 구조인 경우에는 금속박막의 기하학적 변수를 달리하여 제공해줄 수 있다.

도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 광파 발산기를 MxN 발산기 어레이로 배치한 2차원 위상배열의 배치도이다.

도 9는 2D 스캐닝 기능을 달성하기 위한 다른 실시 예를 설명하기 위한 것으로, MxN 발산기 어레이를 이용한 2차원 위상배열의 배치도이다. MxN 발산기 어레이의 특징은 횡방향뿐 아니라 종방향의 어레이 간에도 광파의 위상간섭을 이용하는 것이다. 종방향의 위상간섭을 이용하기 위해서는 종방향으로 배치된 발산기(예로 904-1, 904-2) 사이의 간격 (

)(907-2)이 횡방향의 배치간격(

)(907-1)에 비견할 정도로 좁고, 이 좁은 간격 내에 1xM 발산기 어레이로 공급하는 위상 공급선(903)들이 배치되어야 한다. 도 9에 비교하여 도 7의 위상배열의 특징을 다시 지적하면, 도 7의 (1xM)xN 위상배열에서는 종방향의 발산기 어레이 간에는 위상간섭을 이용하지 않고 횡방향의 발산기 어레이 간의 위상간섭만 이용하는 특징을 갖는다. 이에 따라 종방향의 발산기 어레이 배치 간격(h) (707)는 자유롭게 넓게 분리시킬 수 있다.

도 9의 MxN 2차원 위상배열에서는 광파 발산기(904-1, 904-2 등) 부분을 도 4(a)의 격자 구조(404-1)로 구성한 예시를 보여주고 있으나, 이에 국한되지 않고 도 4(b)의 거울 구조(404-2) 또는 도 4(c)의 나노 금속박막 구조(404-3)로도 구성할 수도 있다. 도 9에 예시한 바와 같이, 광파 발산기(904-1, 904-2 등) 부분을 격자 구조로 구성할 경우에, 상하좌우 광파 발산기 사이의 간격이 좁기 때문에 격자의 길이, 즉, 주기의 개수는 제한된다. 이에 따라 격자의 주기 개수가 적으면 위상간섭으로 방사효율이 낮아질 수 있다.

도 10은 도 9의 MxN 2차원 위상배열을 이용한 광 빔 주사 방식을 나타낸 개략도이다.

도 10은 도 9의 MxN 2차원 발산기 어레이에 의한 광 빔 형성과 빔 스캐닝 과정을 설명하기로 한다. MxN 2차원 발산기 어레이는 횡방향 발산기 어레이의 각 광파 발산기마다 등간격의 위상차이

를

사이에서 연속적으로 변화시킬 수 있다. 또한, MxN 2차원 발산기 어레이는 종방향 발산기 어레이의 각각의 광파 발산기에도 독립적으로 등간격의 위상차이

를

사이에서 연속적으로 변화시킬 수 있다.

MxN 2차원 발산기 어레이에는 이러한 위상배열에서 방사되는 광파들의 간섭에 의해 공간상에서 좁은 발산각을 갖는 빔(1000)이 형성될 수 있다. 도 6의 1xM 1차원 위상배열과 차이점은 1차원 위상배열에서는 횡방향으로만 능동적인 빔 스캐닝이 가능하나, 2차원 위상배열에서는 횡방향과 종방향으로 모두 능동적인 빔 스캐닝(1001, 1002)이 가능하여 2D 스캐닝을 연속적으로 할 수 있다는 점이다. 또한, 빔의 형태에서도, 1차원 위상배열에서는 횡방향으로만 위상간섭이 일어난 광 빔(609, 809-1, 809-N)의 형태를 가지나, 2차원 위상배열(1005)에서는 횡방향과 종방향 모두 위상간섭이 일어난 광 빔(1009)의 형태를 갖는 차이점도 있다. 위상 간섭이 효과적으로 일어날 경우, 일반적으로 1차원 위상배열(605)에서는 횡방향의 빔 발산각이 종방향의 발산각에 비해 좁은 타원형의 빔(609, 809-1, 809-N)이 획득될 수 있으나, 2차원 위상배열(1005)에서는 발산각이 횡방향과 종방향으로 모두 좁은 원형에 가까운 광 빔(1009)이 획득될 수 있다.

위상간섭 원리에 의하면, 2차원 위상배열(1005)로부터 획득되는 위상정합 빔은 횡방향과 종방향에 각각 0^th-order, 1^st-order, 2^nd-order 등의 복수 개의 빔들이 matrix 형태로 형성될 수 있다. 도 10에서는 광 세기가 가장 큰 0^th-order 빔에 대해만 특정 거리에서의 단면을 대표적으로 나타내었다. 0^th-order 빔을 이용한 횡방향 스캐닝 각도, 다시 말해서, 경도의 범위는 도 9에서 나타낸 발산기 어레이(905)에서 발산기 사이의 횡간격

(907-1)에 의해 결정될 수 있다. 종방향의 스캐닝 각도, 다시 말해서, 위도의 범위는 도 9에서 나타낸 발산기 어레이 (905)에서 광파 발산기 사이의 종간격

(907-2)에 의해 결정될 수 있다. 위상간섭 원리에 의하면,

(907-1)이 좁을수록 0^th-order 빔으로부터 획득할 수 있는 횡방향 스캐닝 각도는 더 넓어 질 수 있으며,

(907-2)가 좁을수록 종방향 스캐닝 각도는 더 넓어 질 수 있다.

이와 같이, 2D 위상배열에서는

(907-1) 또는

(907-2)의 간격을 좁혀 스캐닝 범위를 넓힐 수 있으나,

(907-1) 또는

(907-2)의 간격이 좁으면, 도 9의 예시와 같이, 복수 개의 위상입력선이

(907-1) 또는

(907-2)의 간격 내에 들어가야 한다. 좁은 간격에 복수 개의 위상 공급선이 들어가게 되면 위상 공급선 간에 광파의 커플링이 일어나기 때문에 각각의 광파 발산기로 공급되는 위상이 교란되고 광 세기의 변화도 흐려져 빔 형성 기능이 저하되는 문제가 발생될 수 있다. 이 문제로 인하여 나노포토닉스 기반의 MxN 위상배열(905)에서는 M과 N의 개수는

(907-1) 또는

(907-2) 간격에 의해 제한될 수 있다. M과 N의 개수가 커질수록, 원리적으로 선명한 광 빔(900)을 얻을 수 있으나, 상기와 같은 이유로 M과 N의 개수를 자유롭게 늘일 수 없는 문제를 안게 된다.

본 발명의 MxN 2차원 위상배열에는 상기의 문제가 개입될 수 있으나, 본 발명의 1xM 1차원 발산기 어레이 N개를 종방향으로 배열한 도 7과 8의 (1xM)xN 위상배열에서는 상기의 문제가 해소될 수 있다. 다시 설명하면, 1xM 1차원 발산기 어레이 사이의 종간격

(707, 807)를 독립적으로 넓힐 수 있고, 1xM 발산기 어레이 내의 횡간격

(507) 사이에는 위상 공급선을 배치하지 않아도 되기 때문에, M과 N의 개수를 비교적 자유롭게 늘일 수 있다.

이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPGA(field programmable gate array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.

소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.

실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.

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, 700 : 광원(Light source)
101-1, 101-2, 701: 1:N 광 파워 분배기(1:N power distributor)
102, 702 : 위상 제어기(Phase controller)
103, 703, 903:위상 공급선(Phase-feeding line)
104, 504, 904-1, 904-2: 광파 발산기(Radiator)
105, 505, 605, 705, 805-1, 805-2, 805-N: 1xM 발산기 어레이(1xM radiator array)
106, 206, 306, 406, 506: 광 도파로(Waveguide)
200-1, 200-2, 300-1, 300-2, 400: 광파(Light wave)
207-1, 307-1: p-도핑 영역(p-doped region)
207-2, 307-2: n-도핑 영역(n-doped region)
207-3: Intrinsic 영역(Intrinsic region)
208-1, 208-2, 308-1, 308-2: 전극(Electrode)
400-1, 400-2, 400-3: 방사되는 광파(Radiated light wave)
404-1: 격자 구조의 광파 발산기
404-2: 거울 구조의 발산기
404-3: 나노 금속박막 구조의 발산기
507: 1xM 발산기 어레이에서 광파 발산기 사이 횡간격(

)
600: 광 빔의 횡방향 스캐닝 각도(

)
601: 광 빔의 횡방향 스캐닝 궤적
609 : 1xM 위상 배열로 형성되는 광 빔
707, 807: 발산기 어레이 사이 종간격
800-1, 800-N: (1xM)xN 위상 배열에서 광 빔의 종방향 빔 포밍 각도 (

)
809-1, 809-N: (1xM)xN 위상 배열로 형성되는 광 빔
907-1: 발산기 사이 횡간격(

)
907-2: 발산기 사이 종간격(

)
1001: MxN 위상배열로 형성되는 광 빔의 횡방향 스캐닝 궤적
1002: MxN 위상배열로 형성되는 광 빔의 종방향 스캐닝 궤적
1005: MxN 발산기 어레이
1009: MxN 위상 배열로 형성되는 광 빔

Claims

삭제
광 위상배열 안테나를 구성하는 소자에 있어서,
적어도 하나 이상으로 구성된 광원;
상기 광원으로부터 발생되는 광파를 분배하는 광 파워 분배기;
상기 광파가 분배됨에 따라 상기 광파의 위상을 제어하는 위상 제어기; 및
상기 제어된 위상에 기초하여 상기 광파를 공간으로 발산하는 광파 발산기
를 포함하고,
상기 광원과 상기 광 파워 분배기의 사이, 상기 광 파워 분배기와 상기 위상 제어기의 사이 및 상기 위상 제어기와 상기 광파 발산기의 사이에 각각의 광 도파로로 연결되고,
상기 광파 발산기는,
1차원의 1xM 발산기 어레이로 배치되어 형성되고, 각각의 광파 발산기에 공급되는 상기 광파의 위상을 순차적으로 변화시킴으로써 상기 발산기 어레이가 정렬되는 방향과 같은 방향인 횡방향의 공간으로 1차원 빔 스캐닝을 하는
것을 특징으로 하는 광 위상배열 안테나를 구성하는 소자.
광 위상배열 안테나를 구성하는 소자에 있어서,
적어도 하나 이상으로 구성된 광원;
상기 광원으로부터 발생되는 광파를 분배하는 광 파워 분배기;
상기 광파가 분배됨에 따라 상기 광파의 위상을 제어하는 위상 제어기; 및
상기 제어된 위상에 기초하여 상기 광파를 공간으로 발산하는 광파 발산기
를 포함하고,
상기 광원과 상기 광 파워 분배기의 사이, 상기 광 파워 분배기와 상기 위상 제어기의 사이 및 상기 위상 제어기와 상기 광파 발산기의 사이에 각각의 광 도파로로 연결되고,
상기 광파 발산기는,
상기 광파 발산기로부터 형성된 복수의 1xM 발산기 어레이들이 종방향으로 배치되고, 각각의 1xM 발산기 어레이마다 빔 포밍되는 위도를 다르게 설정되고, 상기 각각의 1xM 발산기 어레이가 해당하는 위도상에서 위상 제어에 의하여 경도방형의 빔 스캐닝을 하여 2차원의 빔 스캐닝을 제공하는
것을 특징으로 하는 광 위상배열 안테나를 구성하는 소자.
광 위상배열 안테나를 구성하는 소자에 있어서,
적어도 하나 이상으로 구성된 광원;
상기 광원으로부터 발생되는 광파를 분배하는 광 파워 분배기;
상기 광파가 분배됨에 따라 상기 광파의 위상을 제어하는 위상 제어기; 및
상기 제어된 위상에 기초하여 상기 광파를 공간으로 발산하는 광파 발산기
를 포함하고,
상기 광원과 상기 광 파워 분배기의 사이, 상기 광 파워 분배기와 상기 위상 제어기의 사이 및 상기 위상 제어기와 상기 광파 발산기의 사이에 각각의 광 도파로로 연결되고,
상기 광파 발산기는,
2차원의 MxN 발산기 어레이로 형성하여, 각각의 광파 발산기에 공급되는 위상을 횡방향과 종방향으로 각각 순차적으로 다르게 제어하여 상기 횡방향과 상기 종방향을 포함한 2차원 공간으로 빔 스캐닝을 하는
것을 특징으로 하는 광 위상배열 안테나를 구성하는 소자.
제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 위상 제어기는,
반도체 p-n 접합 구조 또는 p-i-n 접합 구조로 형성하여 전압을 인가하거나 전류를 주입함에 따라 캐리어 농도 변화에 의한 electro-optic 효과를 이용하여 굴절률을 변화시켜 위상을 제어하는
것을 특징으로 하는 광 위상배열 안테나를 구성하는 소자.
제5항에 있어서,
상기 위상 제어기는,
상기 p-n 접합 구조 또는 p-i-n 접합 구조에 순전압 또는 역전압을 인가하여 굴절률의 변화를 획득하는
것을 특징으로 하는 광 위상배열 안테나를 구성하는 소자.
제5항에 있어서,
상기 위상 제어기는,
상기 p-i-n 접합 구조에서, p형 도핑 영역, i영역 및 n형 도핑 영역을 광 도파로 내에 도는 광 도파로 인근에 형성하고, 상기 광 도파로 인근의 p형 도핑 영역과 상기 n형 도핑 영역에 전극을 형성하고, 상기 형성된 적극 사이에 전압 또는 전류를 인가함에 따라 굴절률이 변화하고, 상기 굴절률의 변화에 따라 상기 도핑 영역을 통과하여 출력되는 광파의 위상이 변화되는
것을 특징으로 하는 광 위상배열 안테나를 구성하는 소자
제5항에 있어서,
상기 위상 제어기는,
상기 p-n 접합 구조에서, p형 도핑 영역과 n형 도핑 영역을 광 도파로 내에 또는 광 도파로 인근에 형성하고, 상기 광 도파로 인근의 p형 도핑 영역과 n형 도핑 영역에 전극을 형성하고, 상기 광 도파로에 광파가 입력되는 상태에서 상기 형성된 전극 사이에 전압 또는 전류를 인가함에 따라 굴절률이 변화하고, 상기 굴절률의 변화에 따라 상기 도핑 영역을 통과하여 출력되는 광파의 위상이 변화되는
것을 특징으로 하는 광 위상배열 안테나를 구성하는 소자
제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광파 발산기는,
격자 구조, 거울 구조 또는 나노 금속박막 구조 중 적어도 하나로 형성되는
것을 특징으로 하는 광 위상배열 안테나를 구성하는 소자.
제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광 파워 분배기는,
상기 광원으로부터 발생하는 광파를 N(N은 자연수)개의 위상 제어기로 분배시키고, 1:N으로 분배되는 단일의 분배기를 사용하거나 1:N 분배기를 다단계로 연결하여 1:N으로 분배시키는
것을 특징으로 하는 광 위상배열 안테나를 구성하는 소자.