KR101924890B1 - 광 위상 배열 안테나 및 이를 포함하는 라이다 - Google Patents

광 위상 배열 안테나 및 이를 포함하는 라이다 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광 위상 배열 안테나 및 이를 포함하는 라이다에 대한 것이다. 본 발명은, 레이저 발생기로부터 광을 입력받아 복수의 안테나 소자 도파로로 분배하는 광분배부; 상기 복수의 안테나 소자 도파로에 전기장을 가하여 상기 안테나 소자 도파로를 통해 전파되는 광의 위상을 변조하는 위상 변조부; 및 상기 위상 변조부에서 변조된 광을 출력하는 광출력부;를 포함하고, 상기 광분배부, 상기 위상 변조부, 및 상기 광출력부는 베이스부와 상기 베이스부의 상부에 구비되고 상기 복수의 안테나 소자 도파로를 포함하는 광도파로를 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 광 위상 배열 안테나와, 이를 포함하는 라이다를 제공한다.

Description

광 위상 배열 안테나 및 이를 포함하는 라이다 {Optical Phased Array Antenna and LiDAR Having The Same}
본 발명은 광 위상 배열 안테나 및 이를 포함하는 라이다에 대한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 광도파로를 이용한 광 위상 배열 안테나 및 이를 포함하는 라이다에 대한 것이다.
라이다(Light Detection and Ranging : LiDAR)는 레이저를 이용하여 거리를 측정하는 기술로서 지리 정보 구축을 위한 지형 데이터를 구축하는 목적으로 건설이나 군사 기술에서 많이 사용되어져 왔다. 최근 자율주행 자동차 및 이동 로봇 등에 라이다 기술이 적용되면서 라이다에 대한 관심이 증가하고 있다.
라이다 시스템은 레이저 송수신 모듈 및 신호처리 모듈을 포함한다. 라이다는 레이저 신호의 변조 방법에 따라 ToF(Time of Flight) 방식과 PS(Phase Shift) 방식으로 구분될 수 있다. 또한, 라이다는 레이저 방출 방식에 따라 넓은 면적에 레이저 빔을 동시에 주사하는 플래시 방식과, 레이저 빔의 수직 및 수평방향의 회전을 통해 3차원 공간을 포인트 맵핑(point mapping)하는 스캐닝 방식으로 구분될 수도 있다.
스캐닝 방식의 라이다의 경우, 종래에는 레이저 빔의 조사 각도를 변화시키기 위하여 모터에 의해 회전하는 광학 구조를 포함하였다. 이러한 기계적 구동 방식의 라이다는 모터의 중량과 전력 소모의 문제를 갖고 있다.
한편, 광 위상 배열 안테나는 입사된 레이저를 여러 개의 방향성 결합기를 통하여 각각의 안테나 소자로 분산하고, 분산된 레이저의 위상을 변조하여 출력 레이저의 진행 방향을 조정한다.
일례로 미국 등록특허 제9,753,351호(발명의 명칭 : PLANAR BEAM FORMING AND STEERING OPTICAL PHASED ARRAY CHIP AND METHOD OF USING SAME)는 레이저, Y-브랜치 트리와 멀티모드 간섭 커플러들을 포함하는 스플리팅 섹션, 광학 위상 시프터, 및 Out-of-plane 광학 커플러를 포함하는 빔 포밍 및 스티어링 광학 위상 배열 칩을 개시한다. 상기 선행기술에서는 두개의 그룹화된 선형 오믹 히팅 전극들을 이용하여 광학 위상 시프터를 구현하는 것을 제시한다.
그러나, 자율주행차량과 같이 온도 변화에 무관하게 안정적인 동작이 필요한 조건에서, 상기 선행기술과 같이 히팅 전극을 이용한 국소 가열에 의해 위상을 변화시키는 기술은 적절하지 않을 수 있다.
본 발명은 종래 라이다의 문제점을 해결하기 위하여, 기계적 구동수단을 구비하지 않고, 온도 변화에 무관하게 안정적인 동작을 수행하며, 제조가 용이하고, 동작 특성을 향상시킨 광 위상 배열 안테나 및 이를 포함하는 라이다를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 레이저 발생기로부터 광을 입력받아 복수의 안테나 소자 도파로로 분배하는 광분배부; 상기 복수의 안테나 소자 도파로에 전기장을 가하여 상기 안테나 소자 도파로를 통해 전파되는 광의 위상을 변조하는 위상 변조부; 및 상기 위상 변조부에서 변조된 광을 출력하는 광출력부;를 포함하고, 상기 광분배부, 상기 위상 변조부, 및 상기 광출력부는 베이스부와 상기 베이스부의 상부에 구비되고 상기 복수의 안테나 소자 도파로를 포함하는 광도파로를 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 광 위상 배열 안테나를 제공한다.
일 실시예에 있어서, 상기 광분배부는 상기 레이저 발생기로부터의 상기 광이 입력되는 광입력부와 상기 광입력부로 입력된 광을 복수로 분할하는 광분할부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 광입력부는 광이 입력되는 부분이 좁고 상기 위상 변조부 방향으로 폭이 커지는 역테이퍼 형상일 수 있다.
또한, 상기 위상 변조부는, 상기 안테나 소자 도파로에 전기장을 형성하도록 상기 안테나 소자 도파로의 양측에 구비된 제 1 전극과 제 2 전극을 포함할 수 있다.
또한, 상기 베이스부는, 제 1 레이어와 상기 제 1 레이어 상부면에 형성된 제 2 레이어를 포함하고, 상기 광도파로는 상기 제 2 레이어의 상부면에 구비될 수 있다.
바람직하게, 상기 제 2 레이어는, 비선형 광학 물질층으로 구성되고, 상기 비선형 물질층은 리튬 나이오베이트, 리튬 탄탈레이트, 리튬 트라이보레이트, 베타바륨 보레이트, 및 포타슘 타이타닐 포스페이트 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
한편, 상기 안테나 소자 도파로는 메인 도파로층과 상기 메인 도파로층의 상부에 구비된 보조 도파로층을 포함할 수 있다. 상기 메인 도파로층은 질화 실리콘을 포함하여 형성되고, 상기 도파로층은 실리콘을 포함하여 형성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 광출력부는, 상기 안테나 소자 도파로의 높이를 변화시켜 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 광출력부는, 상기 안테나 소자 도파로의 높이를 더 높게 한 회절 격자를 복수개 이격하여 구비함으로써 형성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 광출력부는, 상기 안테나 소자 도파로의 폭을 변화시켜 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 광출력부는, 상기 안테나 소자 도파로의 양측에 측방향 돌출부를 복수개 구비함으로써 형성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 광출력부는, 상기 안테나 소자 도파로를 절단하여 이격시킨 복수의 징검다리부를 포함하여 형성될 수 있다.
또한, 본 발명은, 레이저 발생기; 전술한 광 위상 배열 안테나; 상기 광 위상 배열 안테나에서 방사된 후 물체에 의해 반사된 광을 수신하는 광 수신부; 및 상기 광 수신부에서 수신된 신호를 처리하는 신호처리부;를 포함하는 라이다를 제공한다.
본 발명에 따르면, 기계적 구동 장치를 구비하지 않고 입사된 레이저를 원하는 방향으로 용이하게 출력하도록 제어할 수 있는 장점이 있다.
또한 본 발명은 국소 가열 방식을 이용하지 않고 전기장의 세기에 의해 광의 위상을 조절함으로써 외부 환경 변화에 의한 영향을 최소화하여 레이저 빔을 출력하는 가능한 장점이 있다.
본 발명은 기존의 광 위상 배열 안테나의 제조를 용이하게 하며, 중량을 감소시키고 양산성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광 위상 배열 안테나의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광 위상 배열 안테나의 광출력부에서 레이저 빔이 출력되는 상태를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광 위상 배열 안테나의 위상 변조부의 구성을 도시한 도면(도 1의 A-A' 방향 단면)이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광 위상 배열 안테나에 있어서 위상 변조부에서의 전기장 형성의 예를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광 위상 배열 안테나에 있어서 광출력부의 제 1 실시형태를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광 위상 배열 안테나에 있어서 광출력부의 제 2 실시형태를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광 위상 배열 안테나에 있어서 광출력부의 제 3 실시형태를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광 위상 배열 안테나에 있어서 광출력부의 제 4 실시형태를 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광 위상 배열 안테나에 있어서 광출력부의 제 5 실시형태를 도시한 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광 위상 배열 안테나의 개략적인 구성을 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광 위상 배열 안테나의 광출력부에서 레이저 빔이 출력되는 상태를 도시한 도면이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광 위상 배열 안테나(10)는, 광분배부(100), 위상 변조부(200), 및 광출력부(300)를 포함한다. 광 위상 배열 안테나(10)와, 광 위상 배열 안테나(10)의 광분배부(100)에 레이저 빔을 공급하는 레이저 발생기(1)를 포함하여 라이다의 레이저 송신 모듈이 구성될 수 있다. 한편, 본 발명에 따른 라이다는 상기 레이저 송신 모듈에서 외부로 방사된 광이 물체에 반사된 후 반사된 광을 수신하는 레이저 수신 모듈을 더 포함하여 구성될 수 있다.
레이저 발생기(1)는 발생되는 레이저의 파장을 변화시킬 수 있는 것이 바람직하고, 일례로서 레이저 발생기(1)는 튜너블 레이저 다이오드(tunable laser diode)일 수 있다. 광 위상 배열 안테나(10)로 공급되는 레이저 빔의 파장 변화에 따라 광 위상 배열 안테나(10)에서 외부로 출력되는 레이저 빔을 일 방향으로 회전시킬 수 있다. 도 1을 참조하면, 레이저 발생기(1)에서 공급되는 레이저 빔의 파장 변화에 따라 광출력부(300)에서 출력되는 레이저 빔의 방향을 Y축을 중심으로 회전시킬 수 있다.
본 발명에 따른 광 위상 배열 안테나(10)는 베이스부(20)와 상기 베이스부(20)의 일면에 구비되는 광도파로(30)를 포함한다. 베이스부(20)와 광도파로(30)의 기능이나 구조 또는 추가 구성에 의해 광 위상 배열 안테나(10)를 이루는 광분배부(100)와 위상 변조부(200) 및 광출력부(300)로 구분될 수 있다. 상기 베이스부(20)는 제 1 레이어(22)와 상기 제 1 레이어(22)의 상부면에 형성된 제 2 레이어(24)를 포함할 수 있다. 또한, 광도파로(30)는 제 2 레이어(24)의 상부면에 구비될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 제 1 레이어(22)는 실리콘(silocone) 재질의 기판이고, 제 2 레이어(24)는 비선형 광학물질층일 수 있다.
본 발명의 실시에 있어서, 제 1 레이어(22)는 광분배부(100)와 위상 변조부(200) 및 광출력부(300) 전체에 걸쳐 구비된 기판으로 구비될 수 있다. 그러나 제 2 레이어(24)는 위상 변조부(200)의 적어도 일부에만 구비되는 것일 수 있다. 다만, 제조의 용이성을 위하여 제 1 레이어(22)의 상부면 전체에 제 2 레이어(24)를 형성한 후 광도파로(30)를 제 2 레이어(24)에 형성하는 방식으로 광 위상 배열 안테나(10)를 제조하는 것도 가능할 수 있다.
광분배부(100)는 레이저 발생기(1)에서 발생한 레이저 빔(3)을 수신하고 이를 복수의 안테나 소자 도파로(32)로 분배한다. (도 1에서는 예시를 위하여 3개의 안테나 소자 도파로(32)를 도시하였으나, 본 발명의 실시에 있어서 상기 안테나 소자 도파로(32)의 개수는 이보다 많을 것이다.) 광분배부(100)는 레이저 발생기(1)로부터 광이 입력되는 광입력부(102)와, 상기 광입력부(102)에서 수신된 광을 복수로 분배하는 광분할부(104)를 포함한다. 일 실시예에 있어서 광입력부(102)와 광분할부(104)는 광도파로(30)의 일부로 구현될 수 있다.
레이저 다이오드로 레이저 발생기(1)를 구성한 경우, 레이저 다이오드에서 출력된 레이저 빔(3)의 모드 지름이 위상 배열 안테나의 도파로(30)의 모드 지름보다 크기 때문에, 광입력부(102)는 모드 지름 축소를 위하여 역테이퍼 형태(레이저 빔이 입력되는 부분의 폭이 좁고 위상 변조부(200) 방향으로 폭이 커지는 형태)를 가질 수 있다.
광분할부(104)는 광입력부(102)로 입력된 광을 복수의 안테나 소자 도파로(32)로 분할하여 전달한다. 광분할부(104)는 복수의 커플러로 구성될 수 있다. 광분할부(104)를 구성하는 커플러로서, 다중모드 간섭기(mulitmode interference coupler), Y-접합부 커플러(Y-junction coupler), 또는 방향성 결합기(directional coupler) 등이 이용될 수 있다.
위상 변조부(200)는 광분배부(100)에서 각각의 안테나 소자 도파로(32)로 분배된 광의 위상을 변조한다. 위상 변조부(200)에는 안테나 소자 도파로(32)의 양측에 배치되는 제 1 전극(202a)과 제 2 전극(202b)을 포함하는 전극부(202)가 구비된다. 상기 제 1 전극(202a)과 제2 전극(202b)에 전위를 인가하여 전기장을 형성함으로써 안테나 소자 도파로(32)를 통해 전달되는 광의 위상을 변조한다. 위상 변조부(200)에서 광의 위상이 변조됨에 따라 광출력부(300)에서 출력되는 레이저 빔의 방향을 도 1에서의 X축을 중심으로 회전시킬 수 있다.
광출력부(300)는 위상 변조부(200)에서 변조된 위상 분포를 유지하여 레이저 빔을 베이스부(20)의 상부로 출력한다. 도 2를 참조하면, 광출력부(300)는 레이저 빔을 X-Y 평면에서 Z축 방향으로 출력하는데, 광분배부(100)로 입력되는 레이저 빔의 파장과, 위상 변조부(200)에서 변조된 위상에 따라 광출력부(300)에서 출력되는 레이저 빔(5)의 출력 방향이 스티어링(steering)된다.
한편, 도 1에 도시된 광 위상 배열 안테나(10)의 구성에 더불어, 베이스부(20)와 마주보도록 결합하여 광도파로(30)의 상부를 덮어 보호하는 산화실리콘(SiO2) 등으로 형성된 커버부재(미도시)가 추가로 구비될 수 있다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광 위상 배열 안테나의 위상 변조부의 구성을 도시한 도면(도 1의 A-A' 방향 단면)이다.
위상 변조부(200)의 구성을 설명하면, 베이스부(20)를 구성하는 제 1 레이어(22)와 제 2 레이어(24) 상부면에 안테나 소자 도파로(32)가 형성되고, 안테나 소자 도파로(32)의 양측에는 제 1 전극(202a)과 제 2 전극(202b)이 구비된다.
제 1 레이어(22)는 실리콘 재질로 이루어질 수 있으며, 일 실시예에 있어서 제 1 레이어(22)는 산화실리콘(SiO2)로 이루어질 수 있다.
제 2 레이어(24)는 제 1 레이어(22) 상부면에 구비된 박막 형태로 구비될 수 있다. 일 실시예에 있어서 제 2 레이어(24)는 비선형 광학 물질층으로 구성될 수 있다. 상기 제 2 레이어(24)는 리튬(Li), 바륨(Ba) 또는 칼륨(K)을 포함한 물질일 수 있다. 구체적으로 제 2 레이어(24)는 리튬 나이오베이트(Lithium Niobate, LiNbO3)로 형성된 박막일 수 있다. 다른 실시 형태로서, 제 2 레이어(24)는 리튬 탄탈레이트(Lithium Tantalate, LiTaO3), 리튬 트라이보레이트(Lithium Triborate, LiB3O5), 베타바륨 보레이트(Beta-Barium Borate, β-BaB2O4) 및 포타슘 타이타닐 포스페이트(Potassium titanyl phosphate, KTiOPO4 또는 KTP) 중 적어도 하나를 포함하여 형성된 박막일 수 있다.
제 2 레이어(24)의 상부면에 형성되는 안테나 소자 도파로(32)는, 메인 도파로층(32a)과 상기 메인 도파로층(32a)의 상부면에 형성된 보조 도파로층(32b)을 포함하여 형성될 수 있다. 광분배부(100)에서 전달된 광의 대부분은 메인 도파로층(32a)을 통해 전달된다.
일 실시예에 있어서, 메인 도파로층(32a)은 질화 실리콘(Si3N4)으로 형성될 수 있다. 질화 실리콘은 전파 손실이 낮기 때문에 대부분의 도파로 모드의 파워를 포함할 수 있다. 다만, 본 발명의 실시에 있어서 질화 실리콘 외의 동등한 재료를 이용하여 메인 도파로층(32a)을 형성할 수 있음은 물론이다. 보조 도파로층(32b)은 실리콘(Si)으로 형성될 수 있다. 메인 도파로층(32a) 상부에 형성되는 실리콘 재질의 보조 도파로층(32b)은 높은 굴절율을 가져 안테나 소자 도파로(32)의 실효 굴절율(Effective Refractive Index) 값을 높여주고 모드 크기를 축소하는 역할을 한다.
본 발명에 따라 보조 도파로층(32b)을 구비하는 경우, 인접하는 안테나 소자 도파로(32) 간의 혼선을 줄일 수 있어 각각의 안테나 소자 도파로(32)를 통한 광의 전달을 효율적으로 수행할 수 있는 장점이 있다. 일 실시예에 있어서, 메인 도파로층(32a)을 질화 실리콘으로 형성하고 그 상부에 실리콘으로 보조 도파로층(32b)을 형성하여, 안테나 소자 도파로(32)의 유효 굴절율을 증가시키고, 인접하는 안테나 소자 도파로(32) 간의 혼선의 세기를 감소시킬 수 있다.
라이다의 최대 측정 거리를 증가시키기 위해서는 광 위상 배열 안테나가 더 높은 레이저 출력을 갖는 것이 바람직하다. 그런데, 실리콘으로 메인 도파로층(32a)을 형성하는 경우 낮은 레이저 임계파워(Laser threshold power)와 높은 선형 또는 비선형 손실을 가지므로 불리할 수 있다. 이에 대해 질화 실리콘으로 메인 도파로층(32a)을 형성하는 경우, 낮은 굴절률로 인해 도파로 모드의 소멸파(evanescent wave)의 크기가 커지므로 같은 전파 상수(propagation constant)를 갖는 인접한 도파로와 쉽게 상호작용을 할수 있는 이점이 있다.
본 발명의 실시에 있어서, 상기 질화 실리콘으로 형성된 메인 도파로층(32a)은 대부분의 도파로 모드의 파워를 포함하도록 수백 나노미터(일례로 400 nm) 이상의 두께를 갖도록 하고, 실리콘으로 형성된 보조 도파로층(32b)은 2-광자 흡수로 인한 비선형적 손실을 최소화하기 위하여 수십 내지 수백 나노미터(일례로 120 nm)이하의 두께를 갖도록 할 수 있다.
안테나 소자 도파로(32)의 양측에는 제 2 레이어(24)의 상부에 형성된 제 1 전극(202a)과 제 2 전극(202b)이 증착 등의 방식으로 형성되는데, 제 1 전극(202a)과 제 2 전극(202b)은 금(Au)을 증착함으로써 형성될 수 있다.
제 1 전극(202a)과 제 2 전극(202b)은 전위를 인가하여 제 2 레이어(24)에 전기장이 존재하도록 한다. 리튬 나이오베이트 등으로 형성된 제 2 레이어(24)에 전기장이 존재하는 경우, 전기-광학 현상인 포켈스 효과(Pockels Effect)를 통해 안테나 소자 도파로(32)의 실효 굴절율을 변화시킨다.
전극(202)은 제 2 레이어(24) 및/또는 안테나 소자 도파로(32)에 전기장을 형성하기 위하여 구비되는 것이므로, 도 3에 도시된 바와 같이 안테나 소자 도파로(32)의 양측에 구비되는 방식 이외의 다른 방식으로 배치되는 것도 가능하다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광 위상 배열 안테나에 있어서 위상 변조부에서의 전기장 형성의 예를 도시한 도면이다.
도 4의 (a)는 제 1 전극(202a)을 양(+)극으로 하고 제 2 전극(202b)을 음(-)극으로 하여 전기장을 형성한 예를 나타낸다.
도 4의 (b)는 안테나 소자 도파로(32)의 상부에 제 3 전극(202c)을 추가로 구비하고, 제 3 전극(202c)을 양(+)극으로 하고, 제 1 전극(202a)과 제 2 전극(202b)을 음(-)극으로 하여 전기장을 형상한 예를 나타낸다.
한편, 리튬 나이오베이트 등으로 형성된 제 2 레이어(24)에 전기장이 인가되어 포켈스 효과가 충분히 나타나 안테나 소자 도파로(32)를 통과하는 광의 위상을 넓은 범위로 변화시키기에 충분하도록 제 2 레이어(24)의 두께와, 안테나 소자 도파로(32)의 폭이 설정됨이 바람직할 수 있다.
다음으로, 광출력부(300)에 대하여 설명한다.
위상 변조부(200)를 거쳐 안테나 소자 도파로(32)를 통해 전달된 광은 광출력부(300)에서 출력된다. 광출력부(300)에서는 광 위상 배열 안테나(10)의 상부를 향해 레이저 빔을 지향적으로 방출한다.
본 발명에 있어서, 광출력부(300)는 입체적인 형상을 갖는 다양한 방식으로 구현될 수 있다. 웨이퍼 상에 평면 형태로 광학 소자를 구성하여 광출력부를 형성하는 경우에는 수직 굴절률 대칭으로 인해 웨이퍼 상부로의 레이저 빔 출력이 지행성을 갖기 힘들다. 즉, 등방으로 출력된 레이저 빔이 광학 소자의 밑면에서 반사되어 웨이퍼 상부로 진행하는 레이저와 간섭현상을 일으켜 출력 레이저 빔의 진행방향을 변화시키고 노이즈를 발생시킨다.
이에 대해, 본 발명에서 제시하는 광출력부(300)는 출력 레이저 빔의 지향성을 개선하는 장점이 있다.
한편, 광 위상 배열 안테나가 가지고 있는 제한된 수평 시야각을 넓히기 위하여 안테나 소자 사이의 간격이 레이저 빔 파장의 반(λ/2)만큼의 거리에 근접하는 것이 바람직하나, 안테나 소자의 간격이 좁아질수록 인접한 안테나 소자 사이의 혼선(cross-talk)으로 인해 원하는 레이저 빔의 출력 위상 분포를 얻지 못할 수 있다. 이에 대해 본 발명에서 제시하는 광출력부(300)는 혼선을 줄이는 이점이 있다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광 위상 배열 안테나에 있어서 광출력부의 제 1 실시형태를 도시한 도면이고, 도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광 위상 배열 안테나에 있어서 광출력부의 제 2 실시형태를 도시한 도면이다. 또한, 도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광 위상 배열 안테나에 있어서 광출력부의 제 3 실시형태를 도시한 도면이고, 도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광 위상 배열 안테나에 있어서 광출력부의 제 4 실시형태를 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 광출력부(300)는 베이스부(20)와, 베이스부(20)의 상부에 형성된 안테나 소자 도파로(32)를 포함하되, 안테나 소자 도파로(32)의 보조 도파로층(32b)의 높이 방향 두께를 변화시켜 회절 격자(310)를 형성하는 것에 특징이 있다.
도 5의 (a)를 참조하면, 광출력부(300)에서 회절 격자(310)의 사이에는 보조 도파로층(32b)이 모두 제거되어 메인 도파로층(32a)이 위쪽으로 노출된다. 이에 대해 도 5의 (b)를 참조하면, 보조 도파로층(32b)이 메인 도파로층(32a)의 상부면을 덮은 상태에서 회절 격자(310)가 상부로 돌출되어 형성된다. 회절 격자(310)는 수~수백 개가 연속하여 형성될 수 있다.
보조 도파로층(32b)의 높이 변화에 따라 회절 격자(310)가 형성하는 경우, 회절 격자(310)가 형성된 부분과 형성되지 않은 부분에서의 광의 위상변화는 회절 격자(310)가 형성된 부분에는 보강 간섭, 회절 격자(310)가 형성되지 않은 부분에는 상쇄 간섭을 만족하게 함으로써 레이저 빔이 상부로 지향적인 방출을 가능하게 할 수 있다.
한편, 수직 굴절률 대칭을 감소시키기 위하여, 회절 격자(310)의 두께의 최대값은 광분배부(100) 또는 위상 변조부(200)에서의 보조 도파로층(32b)의 두께보다 클 수 있다. 또한, 전술한 바와 같이 본 발명에 따른 광 위상 배열 안테나(10)는 베이스부(20)의 상부에 광도파로(30)를 덮는 산화실리콘으로 형성되는 커버부재가 구비될 수 있는데, 상기 커버부재는 광 위상 배열 안테나(10)가 적용된 라이다의 사용환경이나 특성에 따라 산화실리콘보다 굴절률이 큰 질화산화 실리콘을 사용할 수 있다.
도 6과 도 7을 참조하면, 광출력부(300)는 베이스부(20)와, 베이스부(20)의 상부에 형성된 안테나 소자 도파로(32)를 포함하되, 안테나 소자 도파로(32)의 좌우에 측방향 돌출부(320)가 형성되는 것을 특징으로 한다. 측방향 돌출부(320)는 안테나 소자 도파로(32)의 폭을 넓혀 형성되는 것이며, 우측으로 돌출된 제 1 측방향 돌출부(322)와 좌측으로 돌출된 제 2 측방향 돌출부(324)를 포함할 수 있다.
도 6의 (a)와 (b)를 참조하면, 제 1 측방향 돌출부(322)와 제 2 측방향 돌출부(324)는 안테나 소자 도파로(32)를 따라 우측과 좌측에 교대로 형성될 수 있다.
도 7의 (a)와 (b)를 참조하면, 제 1 측방향 돌출부(322)와 제 2 측방향 돌출부(324)는 안테나 소자 도파로(32)의 양측에 서로 대향하여 형성될 수 있다.
측방향 돌출부(320)를 형성함에 있어 도 6의 (b)와 도 7의 (b)에 도시된 바와 같이 인접하는 안테나 소자 도파로(32)의 측방향 돌출부(320)가 서로 맞물리는 형태로 배치함으로써, 인접하는 안테나 소자 도파로(32) 사이의 간격을 일정하게 유지할 수 있다. 또한, 인접하는 안테나 소자 도파로(32) 간의 너비 차이에 의해 전파 상수가 다르게 되고, 이에 따라 발생하는 소멸파에 의해 혼선의 세기를 줄일 수 있다.
도 8을 참조하면, 광출력부(300)는 안테나 소자 도파로(32)를 절단하여 이격시켜 징검다리 형태로 배열한 징검다리부(330)를 복수 포함하는 것을 특징으로 한다. 도 8과 같이 광출력부(300)를 징검다리부(330) 형태로 구비하는 경우 짧은 거리에서의 레이저 빔 출력량을 증가시킬 수 있는 장점이 있다.
상기 징검다리부(330) 상호간의 간격은 동일하게 하거나 서로 다르게 하거나, 또는 불규칙하게 설정할 수 있다. 징검다리부(330) 사이의 간격을 불균일하게 하는 경우 전체 평균 간격을 넓게 하면 수평시야각을 넓히면서 혼선의 세기를 줄일 수 있다.
도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광 위상 배열 안테나에 있어서 광출력부의 제 5 실시형태를 도시한 도면이다.
도 9를 참조하면, 광출력부(300)에는 도 8의 경우와 같이 징검다리 형태로 배열된 징검다리부(330)가 이격되어 배치되고, 이격된 징검다리부(300) 사이에는 복수의 얇은 벽 형태로 이방성 메타물질 도파로(anisotropic metamaterial waveguide, 340)를 구비하는 것을 특징으로 한다. 도 9에 도시된 실시예에 있어서는, 복수의 징검다리부(330) 사이에서의 혼선의 세기가 큰 경우 이방성 메타물질 도파로(340)에 의해 혼선의 세기를 조절할 수 있는 장점이 있다. 상기 징검다리부(330)와 이방성 메타물질 도파로(340)는 메인 도파로층(32a)의 상부에 보조 도파로층(32b)을 형성한 형태로 구비될 수 있다.
본 발명에 따른 광 위상 배열 안테나(10)는 CMOS 공정을 통해 제조될 수 있다. 이러한 광 위상 배열 안테나에 있어서 전방 물체를 감지하기 위한 수평 시야각(도 1의 X축을 중심으로 한 각도)는 120° 이상일 수 있고, 수직 시야각(도 1의 Y축을 중심으로 한 각도)는 20°이상일 수 있다.
본 발명에 따른 라이다는 전술한 레이저 발생기(1)와, 광 위상 배열 안테나(10)와, 광 위상 배열 안테나에서 출력된 레이저 빔이 물체에 반사되어 온 것을 수신하는 광 수신부와, 이들을 제어하는 한편, 광 수신부에서 수신된 신호를 처리하는 신호처리부를 포함하여 구성될 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1 : 레이저 발생기 10 : 광 위상 배열 안테나
20 : 베이스부 22 : 제 1 레이어
24 : 제 2 레이어 30 : 광도파로
32 : 안테나 소자 도파로 32a : 메인 도파로층
32b : 보조 도파로층 100 : 광분배부
102 : 광입력부 104 : 광분할부
200 : 위상 변조부 202a : 제 1 전극
202b : 제 2 전극 300 : 광출력부
310 : 회절격자 320 : 측방향 돌출부
330 : 징검다리부 340 : 메타물질 도파로

Claims (15)

  1. 레이저 발생기로부터 광을 입력받아 복수의 안테나 소자 도파로로 분배하는 광분배부;
    상기 복수의 안테나 소자 도파로에 전기장을 가하여 상기 안테나 소자 도파로를 통해 전파되는 광의 위상을 변조하는 위상 변조부; 및
    상기 위상 변조부에서 변조된 광을 출력하는 광출력부;
    를 포함하고, 상기 광분배부, 상기 위상 변조부, 및 상기 광출력부는 베이스부와 상기 베이스부의 상부에 구비되고 상기 복수의 안테나 소자 도파로를 포함하는 광도파로를 포함하여 형성되고,
    상기 광출력부는, 상기 안테나 소자 도파로의 높이를 변화시켜 형성되되, 상기 안테나 소자 도파로의 높이를 더 높게 한 회절 격자를 복수개 이격하여 구비함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 광 위상 배열 안테나.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광분배부는 상기 레이저 발생기로부터의 상기 광이 입력되는 광입력부와 상기 광입력부로 입력된 광을 복수로 분할하는 광분할부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 위상 배열 안테나.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 광입력부는 광이 입력되는 부분이 좁고 상기 위상 변조부 방향으로 폭이 커지는 역테이퍼 형상인 것을 특징으로 하는 광 위상 배열 안테나.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 위상 변조부는, 상기 안테나 소자 도파로에 전기장을 형성하도록 상기 안테나 소자 도파로의 양측에 구비된 제 1 전극과 제 2 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 위상 배열 안테나.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 베이스부는, 제 1 레이어와 상기 제 1 레이어 상부면에 형성된 제 2 레이어를 포함하고, 상기 광도파로는 상기 제 2 레이어의 상부면에 구비되는 것을 특징으로 하는 광 위상 배열 안테나.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 2 레이어는, 비선형 광학 물질층으로 구성되는 것을 특징으로 하는 광 위상 배열 안테나.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 비선형 광학 물질층은 리튬 나이오베이트, 리튬 탄탈레이트, 리튬 트라이보레이트, 베타바륨 보레이트, 및 포타슘 타이타닐 포스페이트 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 위상 배열 안테나.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 안테나 소자 도파로는 메인 도파로층과 상기 메인 도파로층의 상부에 구비된 보조 도파로층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 위상 배열 안테나.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 메인 도파로층은 질화 실리콘을 포함하여 형성되고, 상기 도파로층은 실리콘을 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 광 위상 배열 안테나.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 레이저 발생기로부터 광을 입력받아 복수의 안테나 소자 도파로로 분배하는 광분배부;
    상기 복수의 안테나 소자 도파로에 전기장을 가하여 상기 안테나 소자 도파로를 통해 전파되는 광의 위상을 변조하는 위상 변조부; 및
    상기 위상 변조부에서 변조된 광을 출력하는 광출력부;
    를 포함하고, 상기 광분배부, 상기 위상 변조부, 및 상기 광출력부는 베이스부와 상기 베이스부의 상부에 구비되고 상기 복수의 안테나 소자 도파로를 포함하는 광도파로를 포함하여 형성되고,
    상기 광출력부는, 상기 안테나 소자 도파로의 폭을 변화시켜 형성되되, 상기 안테나 소자 도파로의 양측에 측방향 돌출부를 복수개 구비함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 광 위상 배열 안테나.
  13. 삭제
  14. 레이저 발생기로부터 광을 입력받아 복수의 안테나 소자 도파로로 분배하는 광분배부;
    상기 복수의 안테나 소자 도파로에 전기장을 가하여 상기 안테나 소자 도파로를 통해 전파되는 광의 위상을 변조하는 위상 변조부; 및
    상기 위상 변조부에서 변조된 광을 출력하는 광출력부;
    를 포함하고, 상기 광분배부, 상기 위상 변조부, 및 상기 광출력부는 베이스부와 상기 베이스부의 상부에 구비되고 상기 복수의 안테나 소자 도파로를 포함하는 광도파로를 포함하여 형성되고,
    상기 광출력부는, 상기 안테나 소자 도파로를 절단하여 이격시킨 복수의 징검다리부를 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 광 위상 배열 안테나.
  15. 레이저 발생기;
    제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 광 위상 배열 안테나;
    상기 광 위상 배열 안테나에서 방사된 후 물체에 의해 반사된 광을 수신하는 광 수신부; 및
    상기 광 수신부에서 수신된 신호를 처리하는 신호처리부;
    를 포함하는 라이다.
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