KR102144632B1 - 광위상배열기를 위한 내장형 원거리장 모니터링 시스템 - Google Patents
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Abstract
광위상배열기를 위한 내장형 원거리장 모니터링 시스템이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 내장형 원거리장 모니터링 시스템은 광위상배열의 광파 성분을 입력 받아 회절 및 간섭 현상을 겪으면서 특정한 원거리장을 형성하는 회절기 소자; 및 상기 형성된 원거리장을 모니터링하는 모니터링 소자를 포함하며, 상기 회절기 소자 및 상기 모니터링 소자는 상기 광위상배열과 동일한 광집적회로 칩 상에 배치되고, 상기 모니터링 소자는 상기 형성된 원거리장을 수광하는 출력포트 어레이 소자; 및 상기 출력포트 어레이 소자를 통해 수광된 원거리장을 전기 신호로 변환하여 상기 광위상배열이 자유공간으로 방사하는 원거리장을 검출하는 광검출기 어레이 소자를 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 광위상배열기를 위한 내장형 원거리장 모니터링 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 광집적회로(photonic integrated circuit) 칩에 제작된 광위상배열(optical phased array)이 자유공간(free space)으로 방사하는 광파(light wave)의 원거리장 패턴(far-field pattern)을 칩 상에서 감지할 수 있는 원거리장 모니터링 시스템에 관한 것이다.
광위상배열은 광파를 발산하는 소자의 배열에 위상이 제어된 광파를 입력하는 방식으로, 기계적으로 동작하는 부품 없이 단일 칩에서 원하는 방향으로 빔(beam)을 조향해 방사할 수 있는 소자이다. 광위상배열은 기존의 기계식 회전부 또는 MEMS(micro-electro-mechanical systems) 소자 등을 이용하여 빔의 방사 방향을 조향하는 시스템과 비교하여, 기계적으로 동작하는 부품이 없어 내구성 및 신뢰성이 뛰어나다는 특징을 가지며, 현대의 반도체 공정을 이용하여 쉽게 반도체 칩 상에 제작할 수 있어 소자의 제조 단가를 낮출 수 있다는 장점을 지닌다. 광위상배열은 이러한 장점들로 인해 자율주행 자동차 등의 핵심 센서로 사용되는 LiDAR(light detection and ranging) 시스템의 차세대 소자로서 학계 및 기업에서 활발하게 연구되고 있다.
광위상배열 소자에 대한 선행 특허로는 해외특허 등록번호 US20140192394A1, 국내특허 등록번호 KR101720434 등이 제시되어 있으나, 이는 광위상배열의 빔 스캐닝 방식 및 이를 위한 소자의 구조와 배치에 관한 것으로, 광위상배열 소자의 동작을 칩 내부에서 실시간으로 모니터링 할 수 있는 방안은 기재되어 있지 않다.
칩 내부에서 광위상배열의 원거리장을 모니터링하는 방법에 관해서는 {Hulme, J., et al. (2015). "Fully integrated hybrid silicon two dimensional beam scanner." Optics express}에서 GRIN(graded-index) 렌즈 및 광검출기 어레이를 이용하는 구조가 제안된 바가 있다. 그러나, 해당 논문에서 제시된 GRIN 렌즈는 미세한 직경 차를 가지는 광결정(photonic crystal)을 이용하여 제작되어 복잡하고 정밀한 공정을 요구하기 때문에 소자의 제조 단가를 낮추는 데 상당히 불리하며, 실제 소자의 제작이 어렵다는 문제점이 있다.
본 발명은 복잡한 공정을 요구하지 않는 간단한 소자 구조로써, 칩 내부에서 광위상배열의 실시간 모니터링을 보다 효율적으로 수행할 수 있는 소자의 구조를 제안한다.
본 발명의 실시예들은, 광집적회로(photonic integrated circuit) 칩에 제작된 광위상배열(optical phased array)이 자유공간(free space)으로 방사하는 광파(light wave)의 원거리장 패턴(far-field pattern)을 칩 상에서 감지할 수 있는 원거리장 모니터링 시스템을 제공한다.
구체적으로, 본 발명은 칩 내부에서 원거리장 패턴을 형성시킨 후 형성된 원거리장을 칩 내부에서 모니터링하여, 칩 내부 시스템만으로 광위상배열이 자유공간으로 방사하는 원거리장의 인-시튜(in-situ) 모니터링이 가능한 원거리장 모니터링 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 내장형 원거리장 모니터링 시스템은 광위상배열의 광파 성분을 입력 받아 회절 및 간섭 현상을 겪으면서 특정한 원거리장을 형성하는 회절기 소자; 및 상기 형성된 원거리장을 모니터링하는 모니터링 소자를 포함하며, 상기 회절기 소자 및 상기 모니터링 소자는 상기 광위상배열과 동일한 광집적회로 칩 상에 배치되는 것을 특징으로 한다.
상기 모니터링 소자는 상기 형성된 원거리장을 수광하는 출력포트 어레이 소자; 및 상기 출력포트 어레이 소자를 통해 수광된 원거리장을 전기 신호로 변환하여 상기 광위상배열이 자유공간으로 방사하는 원거리장을 검출하는 광검출기 어레이 소자를 포함할 수 있다.
상기 회절기 소자는 직육면체 형태 또는 단면이 반원인 형태로 구성될 수 있다.
상기 회절기 소자는 상기 회절기 소자의 계면 부분의 일정 영역이 도핑된 도핑 영역을 포함할 수 있다.
상기 출력포트 어레이 소자를 구성하는 각각의 출력포트 소자는 테이퍼되지 않은 광도파로의 구조 또는 테이퍼된 광도파로의 구조를 사용하여 수광하는 광파 세기의 비율을 조절할 수 있다.
상기 회절기 소자는 실리콘, 실리콘 산화물 및 실리콘 질화물 중 적어도 하낭 이상을 포함하는 반도체 소재로 구성될 수 있다.
상기 출력포트 어레이 소자를 구성하는 각각의 출력포트 소자는 실리콘, 실리콘 산화물 및 실리콘 질화물 중 적어도 하나 이상을 포함하는 반도체 소재로 구성될 수 있다.
상기 광검출기 어레이 소자를 구성하는 각각의 광검출기 소자는 실리콘 또는 화합물 반도체를 사용한 진행파형 광검출기(traveling-wave photodetector) 구조를 가질 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 광집적회로 칩에 제작된 광위상배열이 자유공간으로 방사하는 광파의 원거리장 패턴을 칩 내부에서 형성시킨 후 형성된 원거리장을 칩 내부에서 모니터링함으로써, 외부 광학계의 사용 없이 칩 내부 시스템만으로 광위상배열이 자유공간으로 방사하는 원거리장의 인-시튜(in-situ) 모니터링이 가능하다.
즉, 본 발명을 종래의 광위상배열에 적용함으로써, 광위상배열이 방사하는 광파의 원거리장 패턴을 외부 광학계의 사용 없이 광위상배열이 배치되어 있는 동일한 광집적회로의 칩 상에서 실시간으로 모니터링 할 수 있으며, 이를 통해 광위상배열의 위상 초기화를 효율적으로 실시할 수 있는 환경을 제공할 수 있을 뿐만 아니라, 빔 스캐닝(beam scanning)의 정확성과 정밀도를 더욱 향상시킬 수 있다.
광위상배열의 동작을 수행하기 위해서는 각각의 발산기로 공급되는 광파의 위상을 정밀하게 초기화하는 과정이 필수적으로 요구되며, 이 과정에서 본 발명이 제시하는 시스템에서 얻은 원거리장 패턴의 실시간 정보를 활용할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, LiDAR 시스템 등 광위상배열을 활용하는 시스템을 실제로 이용할 경우에도 광위상배열 소자의 빔 형성 특성을 동일한 광집적회로 칩 상에서 실시간으로 모니터링하여 이를 점검하거나 보정할 수 있는 환경을 제공함으로써, 전체 시스템의 신뢰성을 크게 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래 일 실시예에 따른 광위상배열을 구성하는 주요 소자들의 배치에 대한 개략도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 내장형 원거리장 모니터링 시스템에 대한 개략도를 나타낸 것이다.
도 3은 도 2에 도시된 회절기와 출력포트 어레이 및 광검출기 어레이의 배치 구조를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 내장형 원거리장 모니터링 시스템의 회절기와 출력포트 어레이 및 광검출기 어레이에 대한 다른 일 실시예의 배치 구조를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 내장형 원거리장 모니터링 시스템의 회절기와 출력포트 어레이 및 광검출기 어레이에 대한 또 다른 일 실시예의 배치 구조를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 내장형 원거리장 모니터링 시스템의 회절기와 출력포트 어레이 및 광검출기 어레이에 대한 또 다른 일 실시예의 배치 구조를 나타낸 것이다.
도 7은 출력포트에 대한 일 예시도를 나타낸 것이다.
도 8은 출력포트에 대한 다른 일 예시도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 내장형 원거리장 모니터링 시스템에 대한 개략도를 나타낸 것이다.
도 3은 도 2에 도시된 회절기와 출력포트 어레이 및 광검출기 어레이의 배치 구조를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 내장형 원거리장 모니터링 시스템의 회절기와 출력포트 어레이 및 광검출기 어레이에 대한 다른 일 실시예의 배치 구조를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 내장형 원거리장 모니터링 시스템의 회절기와 출력포트 어레이 및 광검출기 어레이에 대한 또 다른 일 실시예의 배치 구조를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 내장형 원거리장 모니터링 시스템의 회절기와 출력포트 어레이 및 광검출기 어레이에 대한 또 다른 일 실시예의 배치 구조를 나타낸 것이다.
도 7은 출력포트에 대한 일 예시도를 나타낸 것이다.
도 8은 출력포트에 대한 다른 일 예시도를 나타낸 것이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상 의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면 상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
특정 영역에 빔(beam)을 형성하는 광위상배열의 동작을 수행하기 위해서는 각각의 발산기(radiator)로 공급되는 광파(light wave)의 위상(phase)을 정밀하게 제어할 필요가 있으며, 이 과정에서는 발산기 어레이에서 자유공간으로 방사되는 광파가 형성하는 원거리장을 실시간으로 모니터링하는 시스템이 필수적으로 요구된다. 해당 모니터링 시스템은 일반적으로 정밀하게 정렬된 렌즈계와 이미지 센서를 포함하는 외부 광학계로 구성되어 있으며, 이는 광위상배열이 위치한 광집적회로 칩과 비교해 크기가 매우 크고 활용이 어렵다는 단점이 있다. 또한, 최종적으로 광집적회로 칩 상에 제작된 광위상배열을 적용한 시스템을 활용할 경우에도 위상제어 기능의 점검 및 보정이 어려운 단점을 내포하고 있다.
본 발명의 실시예들은, 광집적회로 칩에 제작된 광위상배열이 자유공간으로 방사하는 광파의 원거리장 패턴을 칩 내부에서 형성시킨 후 형성된 원거리장을 칩 내부에서 모니터링함으로써, 칩 내부 시스템만으로 광위상배열이 자유공간으로 방사하는 원거리장의 인-시튜(in-situ) 모니터링이 가능하도록 하는 것을 그 요지로 한다.
좁은 공간에서 진행하는 광파가 넓은 공간에 도달하면 산란 및 회절 현상에 의해 특정한 범위의 넓은 각도로 방출되게 된다. 회절로 인해 넓은 각도로 방출되는 광파 간의 간섭 현상이 일어나는 것이 광위상배열의 기본적인 원리이며, 간섭이 이루어진 광파가 진행한 거리 L이 L>W2/λ(W는 개구의 크기, l는 광파의 파장을 의미)의 조건을 만족하는 범위에서 일어나는 프라운호퍼 근사(Fraunhofer approximation)가 적용되는 영역에서 원거리장이 형성되게 된다. 이 현상은 발산기에서 자유공간으로 진행하는 광파에서뿐만 아니라 크기가 제한된 광도파로에서 비교적 넓은 칩 내부의 공간으로 방사되는 광파에서도 동일하게 발생한다.
종래의 광위상배열의 발산기 어레이와 본 발명의 출력포트(output port) 어레이 사이의 비교적 넓은 공간의 반도체 소재의 영역은 단순히 광파가 진행하도록 설계된 공간이나, 그 규격 및 형태가 광파의 회절 및 간섭 현상에 커다란 영향을 미쳐 원거리장의 형성에 중요한 요소로 작용하므로 회절기(diffractor)라는 명칭을 부여하여 설명하기로 한다.
본 발명에서는 발산기와 연결된 광도파로의 끝부분에 원거리장을 형성하기에 바람직한 규격 및 형태를 갖는 회절기를 배치하여 광집적회로 칩 내부에서도 자유공간으로 방사되는 것과 동일한 특성을 갖는 원거리장을 형성할 수 있다. 회절기의 길이와 폭을 포함하는 규격은 회절기 내부에서 원거리장이 형성되기에 충분하고, 회절기 내부의 측면에서 반사된 광파에 의한 원거리장 형성의 교란이 최소화되도록 설계 될 수 있다.
회절기 내에서 형성된 원거리장은 출력포트 어레이 및 광검출기(photodetector) 어레이를 통해 실시간으로 검출된다. 출력포트 어레이는 회절기 내에서 형성된 특정 방향의 원거리장 성분을 입력 받을 수 있는 광도파로 구조로 이루어질 수 있으며, 출력포트 어레이에서 입력 받은 광파는 각각의 출력포트와 연결되어 있는 광검출기 어레이로 입사 되고, 이는 각 광검출기 소자 내에서 전기 신호로 변환됨으로써 광파의 세기를 실시간으로 모니터링할 수 있다.
즉, 본 발명은 발산기(radiator)와 연결된 광도파로의 끝부분에 원거리장을 형성하기에 바람직한 규격 및 형태를 갖는 회절기(diffractor)를 배치하여 광집적회로 칩 내부에서도 자유공간으로 방사되는 것과 동일한 특성을 갖는 원거리장을 형성하며, 회절기 내에서 형성된 원거리장은 출력포트 어레이 및 광검출기 어레이를 통해 실시간으로 검출된다.
도 1은 종래 일 실시예에 따른 광위상배열을 구성하는 주요 소자들의 배치에 대한 개략도를 나타낸 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 일반적인 광위상배열은 광원(light source)(100), 파워분배기(power distributor)(102) 예를 들어, 1:N 파워 분배기, 위상제어기(phase controller)(103) 및 발산기(radiator)(105)를 포함하며, 각 구성 소자들은 광도파로(waveguide)(101)로 연결되어 있다. 광원(100)은 위상이 정합된 광파(coherent light)를 요구하므로 단일 레이저(laser) 광원을 사용하며, 파워분배기(102)를 통해 분배되어 여러 개의 위상제어기(103)로 입력된다. 위상제어기(103)에서는 각각의 광파의 위상을 제어하여 위상공급선(phase-feeding line)(104)을 통해 발산기 어레이(106) 예를 들어, 1 × M 발산기 어레이의 발산기(105)로 공급하며, 발산기(105)는 위상이 제어된 각각의 광파를 자유공간으로 방사한다. 자유공간으로 방사된 각각의 광파는 회절 현상으로 인해 넓은 각도로 방출되며 서로 간에 간섭 현상이 일어난다. 간섭이 이루어진 광파가 진행하면서 서서히 특정한 원거리장 패턴을 형성하게 되며, 이는 진행한 거리 L이 L>W2/λ(W는 개구의 크기, l는 광파의 파장을 의미)의 조건을 만족하는 범위에서 일어나는 프라운호퍼 근사(Fraunhofer approximation)가 적용되는 영역에서 형성된다.
발산기(105)로 입력된 광파 중 자유공간으로 방사되는 광파와, 방사되지 않고 발산기(105) 뒷부분의 광도파로로 진행하는 광파의 세기의 비율은 발산기(105)의 설계 변수에 따라 조절될 수 있다. 도 1과 같은 종래의 일반적인 광위상배열 구조에서는 광파가 발산기(105)를 통해서만 방출되므로, 자유공간으로 방사되는 원거리장을 모니터링하기 위해서는 일반적으로 외부 광학계를 필요로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 내장형 원거리장 모니터링 시스템에 대한 개략도를 나타낸 것으로, 도 1에 도시된 광위상배열에 본 발명에서 제시하는 회절기와 출력포트 및 광검출기 어레이로 구성되어 있는 원거리장 인-시튜(in-situ) 모니터링 시스템을 적용한 전체적인 구조를 나타내는 것이다. 도 3은 도 2에 도시된 회절기와 출력포트 어레이 및 광검출기 어레이의 배치 구조를 나타낸 것이다.
도 2와 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 내장형 원거리장 모니터링 시스템은 도 1에 도시된 광위상배열, 회절기(diffractor)(210), 출력포트 어레이(220) 및 광검출기 어레이(230)를 포함한다. 여기서, 출력포트 어레이(220)와 광검출기 어레이(230)는 회절기(210)에서 형성되는 원거리장을 모니터링하는 모니터링 소자일 수 있다.
광위상배열의 발산기 어레이(106)에서 방사되고 남은 광파는 발산기 어레이(106) 뒷부분의 광도파로를 통하여 회절기(210)로 입사된다. 광도파로 끝 단에서 회절기(210)로 입사되는 광파는 발산기(105)에서 방사되는 광파와 동일한 특성의 회절과 간섭 현상을 겪으면서 특정한 원거리장을 형성하게 된다. 또한, 각각의 광도파로를 진행하는 광파는 광위상배열의 위상제어기(103)에서 제어한 위상 특성을 그대로 유지하고 있으므로, 회절기(210) 내부에서 형성되는 원거리장 패턴은 발산기(105)에서 방사되는 광파가 형성하는 원거리장 패턴과 동일한 특성을 가지게 된다.
여기서, 회절기(210)는 실리콘, 실리콘 산화물 및 실리콘 질화물 중 적어도 하나 이상을 포함하는 반도체 소재로 구성될 수 있으며, 도 3에 도시된 바와 같이 직육면체의 형태를 가질 수 있다.
광위상배열의 원거리장 패턴을 모니터링 하기 위한 시스템에서 가장 중요한 측정 대상이 되는 정보는 자유공간에서 형성된 원거리장의 조향 각도 성분에 따른 광파의 세기이다. 원거리장의 조향 각도 정보는 회절기(210)의 길이와 폭을 포함한 규격이 결정된 경우에 회절기(210)의 끝부분에 도달하는 광파의 위치 성분으로부터 도출될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 시스템의 구조에서는 회절기(210) 내에서 형성된 원거리장의 특정 조향 각도에 해당하는 위치 마다 광파의 세기를 측정하기 위하여 출력포트(221)를 배치하고, 각 출력포트(221)의 끝부분에 광검출기(231)를 배치하는 구조를 사용한다. 구체적으로, 본 발명의 시스템은 회절기(210) 또는 회절기 소자(210) 내에서 형성되는 원거리장을 수광하는 출력포트(221) 또는 출력포트 어레이(220) 예를 들어, 1 × K 출력포트 어레이와 출력포트 어레이(220)를 통해 수광된 원거리장을 전기 신호로 변환하여 원거리장을 검출하는 광검출기(231) 또는 광검출기 어레이(230) 예를 들어, 1 × K 광검출기 어레이를 포함한다.
이 때, 출력포트 어레이 소자(220)를 구성하는 각각의 출력포트 소자(221)는 실리콘, 실리콘 산화물 및 실리콘 질화물 중 적어도 하나 이상을 포함하는 반도체 소재로 구성될 수 있으며, 광검출기 어레이 소자(230)를 구성하는 각각의 광검출기 소자(231)는 실리콘 또는 화합물 반도체를 사용한 진행파형 광검출기(traveling-wave photodetector) 구조를 가질 수 있다.
회절기 소자(210)와 광검출기 어레이 소자(230) 사이에 배치된 출력포트 어레이(220)를 구성하는 각각의 출력포트 소자(221)는 수광하는 광파 세기의 비율을 조절하기 위하여 테이퍼되지 않은 형태로 형성될 수도 있고, 테이퍼된 형태로 형성될 수도 있다. 일 예로, 도 7에 도시된 바와 같이, 출력포트 소자(221)는 일반적인 테이퍼되지 않은 형태인 길이가 L1이고 폭이 W1인 광도파로의 구조로 이루어져 있는 출력포트를 사용할 수도 있다. 한편, 본 발명에서의 출력포트는 회절기의 길이와 폭을 포함한 규격에 따라 출력포트로 입력되는 광파의 수광 효율 및 모니터링 해상도의 조절을 위하여 회절기 내에서 형성된 광파의 원거리장을 수광 해야 하는 면적을 다르게 조절할 수 있다. 다른 일 예로, 도 8에 도시된 바와 같이, 출력포트 소자(810)는 길이가 L2이고 폭이 W2인 테이퍼된 광도파로 구조와 길이가 테이퍼되지 않은 L3이고 폭이 W3인 광도파로의 구조로 이루어져 있는 출력포트를 사용할 수도 있다. 폭이 W2인 넓은 영역에서 수광한 광파는 서서히 감소하는 폭을 지닌 구조의 테이퍼된 광도파로를 따라 진행하면서 폭이 W3인 좁은 영역까지 모이게 된다. 이 때, W3 및 L3는 광검출기 소자의 구조 및 성능에 따라서 조절될 수 있다.
회절기(210)는 일반적으로 직육면체의 형태를 가질 수 있으나 이에 한정되지 않으며, 도 4에 도시된 바와 같이 회절기 내부에서 형성되는 원거리장의 효과적인 수광 및 회절기 내에서 출력포트(421)가 위치하지 않은 계면 부분에서의 반사에 의한 영향을 최소화 시키기 위하여 회절기(410)를 단면이 반원인 형태로 구성할 수도 있다. 회절기(410)가 도 4에 도시된 바와 같이 단면이 반원인 형태로 구성되는 경우 출력포트 어레이(420)와 광검출기 어레이(430)는 회절기의 형태에 맞게 형성될 수 있다. 예컨대, 도 4의 경우 각각의 출력포트(421)와 광검출기(431)는 상이한 각도 방향으로 형성될 수 있다. 물론, 회절기 내부에 형성되는 원거리장을 수광하기 위한 출력포트의 위치는 본 발명의 기술을 제공하는 사업자 또는 개인에 의해 결정될 수 있다.
나아가, 회절기(510)는 도 5에 도시된 바와 같이, 회절기 계면 부분의 일정 영역에 도핑(doping)을 실시하여 도핑 영역(511)을 포함하고, 이를 통해 회절기 내에서 출력포트(221)가 위치하지 않은 계면 부분으로 입사하는 원거리장의 성분을 대부분 흡수시킴으로써 반사에 의한 영향을 더욱 최소화할 수 있기에 원거리장의 모니터링 효율을 극대화시킬 수 있다. 출력포트 어레이(220) 및 광검출기 어레이(230)는 회절기의 형태와 구조에 따라 균일한 간격으로 배치되거나, 또는 중심부와 주변부에 각기 다른 간격을 적용하여 배치될 수도 있다.
더 나아가, 회절기(610)는 도 6에 도시된 바와 같이, 단면이 반원의 형태로 구성하고 가장자리 부분의 일정 영역에 도핑을 실시하여 도핑 영역(611)을 구비함으로써, 회절기 내에서 형성되는 원거리장을 효과적으로 수광할 수 있을 뿐만 아니라, 출력포트(621)가 위치하지 않은 가장자리 부분으로 입사하는 원거리장의 성분을 대부분 흡수시킴으로써 반사에 의한 영향을 제거할 수 있다. 또한, 각 출력포트(621)로 수광하는 광파 세기의 비율을 조절하기 위하여 테이퍼된 구조의 출력포트를 사용할 수 있다. 물론, 도 6에서 출력포트(621)를 테이퍼된 구조를 사용하는 것으로 설명하였지만, 단면이 반원의 형태로 구성하고 가장자리 부분의 일정 영역에 도핑을 실시하여 도핑 영역을 구비한 회절기 또한 출력포트를 테이퍼되지 않은 구조를 사용할 수도 있다.
본 발명에서 광검출기는 진행파형 광검출기(traveling-wave photodetector)의 구조를 사용하는 것으로 설명하였지만, 이에 한정하지 않으며, 본 발명에서의 광검출기는 다른 구조의 광검출기를 사용할 수 있으며, 이는 본 발명의 기술 분야에 종사하는 당업자에게 있어서 자명하다. 즉, 본 발명에서의 광검출기는 사용하는 구조에 따라 광검출기의 배열이 다른 형태를 가질 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 시스템은 광집적회로 칩에 제작된 광위상배열이 자유공간으로 방사하는 광파의 원거리장 패턴을 칩 내부에서 형성시킨 후 형성된 원거리장을 칩 내부에서 모니터링함으로써, 외부 광학계의 사용 없이 칩 내부 시스템만으로 광위상배열이 자유공간으로 방사하는 원거리장의 인-시튜(in-situ) 모니터링이 가능하다.
즉, 본 발명의 시스템은 종래의 광위상배열에 적용함으로써, 광위상배열이 방사하는 광파의 원거리장 패턴을 외부 광학계의 사용 없이 광위상배열이 배치되어 있는 동일한 광집적회로의 칩 상에서 실시간으로 모니터링 할 수 있으며, 이를 통해 광위상배열의 위상 초기화를 효율적으로 실시할 수 있는 환경을 제공할 수 있을 뿐만 아니라, 빔 스캐닝(beam scanning)의 정확성과 정밀도를 더욱 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 시스템을 통하여 최종적으로 얻은 원거리장 패턴의 실시간 정보는 광위상배열 소자의 초기 동작에서 위상 초기화를 효율적으로 수행할 수 있는 환경을 제공할 수 있다. 실제 제작된 광위상배열 소자는 일반적으로 공정 과정에서 발생할 수 있는 오차 등에 의하여 각각의 발산기로 의도하지 않은 위상 정보를 지니는 광파가 공급되어 임의의 원거리장 패턴을 형성하게 된다. 특정 영역에 빔을 형성하는 광위상배열의 동작을 수행하기 위해서는 각각의 발산기로 공급되는 광파의 위상을 정밀하게 초기화하는 과정이 필수적으로 요구되며, 이 과정에서 본 발명의 시스템에서 얻은 원거리장 패턴의 실시간 정보를 활용할 수 있다. 또한, LiDAR 시스템 등 광위상배열을 활용하는 시스템을 실제로 이용할 경우에도, 광위상배열 소자의 빔 형성 특성을 동일한 광집적회로 칩 상에서 실시간으로 모니터링하여 이를 점검하거나 보정할 수 있는 효과적인 환경을 제공하여 전체 시스템의 신뢰성을 크게 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 광위상배열은 무인 자동차, 이동형 로봇 등에 탑재되어 영상 스캐닝을 통하여 지형의 형상을 모델링하고 경로 계획이나 주행의 판단에 활용하는 LiDAR 시스템의 빔 스캐닝 광원 모듈에 적용될 수 있다. 기존의 무인 자동차용 LiDAR 시스템은 기계적인 방식으로 빔을 스캐닝하는 구조로 구성되어있기 때문에 전체적인 모듈의 부피가 크며 안정적인 빔 스캐닝이 어렵다. 그러나 광위상배열을 LiDAR 시스템에 적용하여 활용할 경우 광원 모듈의 소형화가 가능하며, 적은 소비전력으로 안정적인 동작이 가능하다. 또한, 광위상배열은 사물 인터넷(IoT) 응용 분야에서 3차원 이미지/근접/위치/모션 정보 획득을 위한 초박형 이미지 센서의 구현 측면에서 상당한 장점을 보유하고 있다. 기존의 스테레오 카메라 기반의 기술은 광학렌즈와 여러 개의 이미지 센서를 필요로 하기 때문에 소형화를 하기에 어려운 반면, 본 발명의 바탕이 되는 광위상배열은 3차원 이미지 센서를 단일 칩 상에서 빔을 자유공간상에 스캐닝하는 방식으로 렌즈없는 초소형/초박형 센서 구현이 가능하다. 이 외에도 광위상배열은 3D holography, bio-medical imaging, 무선 통신, 웨어러블 디바이스 등 다양한 분야에 광범위하게 적용될 수 있다.
또한, 본 발명은 간단한 구조로 구성되어 있기에 기존의 광위상배열 소자에 쉽게 적용이 가능하다. 따라서, 본 발명을 활용할 경우 광위상배열이 방사하는 원거리장을 동일 광집적회로 칩 상에서 실시간 모니터링이 가능하여 광위상배열의 동작 안정성을 크게 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 본 발명을 통하여 광위상배열이 LiDAR 등의 실제 시스템에 활용될 수 있다.
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 광원 (Light source)
101 광도파로 (Waveguide)
102 1:N 파워분배기 (1:N power distributor)
103 위상제어기 (Phase controller)
104 위상공급선 (Phase-feeding line)
105 발산기 (Radiator)
106 1xM 발산기 어레이 (1xM radiator array)
210 직육면체 형태의 회절기 (Rectangular diffractor)
410 단면이 반원인 형태의 회절기 (Semicircular diffractor)
510, 610 계면 부분의 일정 영역에 도핑을 실시한 회절기 (Doped diffractor)
221, 421, 621, 810 출력포트 (Output port)
220, 420, 620 1xK 출력포트 어레이 (1xK output port array)
231, 431, 631 광검출기 (Photodetector)
230, 430, 630 1xK 광검출기 어레이 (1xK photodetector array)
810 테이퍼된 출력 포트 (Tapered output port)
101 광도파로 (Waveguide)
102 1:N 파워분배기 (1:N power distributor)
103 위상제어기 (Phase controller)
104 위상공급선 (Phase-feeding line)
105 발산기 (Radiator)
106 1xM 발산기 어레이 (1xM radiator array)
210 직육면체 형태의 회절기 (Rectangular diffractor)
410 단면이 반원인 형태의 회절기 (Semicircular diffractor)
510, 610 계면 부분의 일정 영역에 도핑을 실시한 회절기 (Doped diffractor)
221, 421, 621, 810 출력포트 (Output port)
220, 420, 620 1xK 출력포트 어레이 (1xK output port array)
231, 431, 631 광검출기 (Photodetector)
230, 430, 630 1xK 광검출기 어레이 (1xK photodetector array)
810 테이퍼된 출력 포트 (Tapered output port)
Claims (8)
- 광위상배열과 광도파로로 연결되고, 상기 광위상배열에서 미리 설정된 광파의 세기 비율에 의해, 상기 광위상배열의 발산기에서 자유공간으로 방사되고 남은 광파 성분을 상기 광도파로를 통해 입력 받아 회절 및 간섭 현상을 겪으면서 상기 광위상배열에서 자유공간으로 방사되는 원거리장과 동일한 특성을 갖는 특정한 원거리장을 형성하는 회절기 소자; 및
상기 형성된 원거리장을 모니터링하는 모니터링 소자
를 포함하며,
상기 회절기 소자 및 상기 모니터링 소자는
상기 광위상배열과 동일한 광집적회로 칩 상에 배치되고,
상기 모니터링 소자는
상기 형성된 원거리장을 수광하는 출력포트 어레이 소자; 및
상기 출력포트 어레이 소자를 통해 수광된 원거리장을 전기 신호로 변환하여 상기 광위상배열이 자유공간으로 방사하는 원거리장을 검출하는 광검출기 어레이 소자
를 포함하며,
상기 회절기 소자는
상기 회절기 소자의 계면 부분 중 상기 출력포트 어레이 소자가 위치하지 않은 영역 중 일정 영역이 도핑된 도핑 영역을 포함하는 내장형 원거리장 모니터링 시스템.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 회절기 소자는
직육면체 형태 또는 단면이 반원인 형태로 구성되는 것을 특징으로 하는 내장형 원거리장 모니터링 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 회절기 소자는
상기 회절기 소자의 계면 부분의 일정 영역이 도핑된 도핑 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 내장형 원거리장 모니터링 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 출력포트 어레이 소자를 구성하는 각각의 출력포트 소자는
테이퍼되지 않은 광도파로의 구조 또는 테이퍼된 광도파로의 구조를 사용하여 수광하는 광파 세기의 비율을 조절하는 것을 특징으로 하는 내장형 원거리장 모니터링 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 회절기 소자는
실리콘, 실리콘 산화물 및 실리콘 질화물 중 적어도 하나 이상을 포함하는 반도체 소재로 구성되는 것을 특징으로 하는 내장형 원거리장 모니터링 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 출력포트 어레이 소자를 구성하는 각각의 출력포트 소자는
실리콘, 실리콘 산화물 및 실리콘 질화물 중 적어도 하나 이상을 포함하는 반도체 소재로 구성되는 것을 특징으로 하는 내장형 원거리장 모니터링 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 광검출기 어레이 소자를 구성하는 각각의 광검출기 소자는
실리콘 또는 화합물 반도체를 사용한 진행파형 광검출기(traveling-wave photodetector) 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 내장형 원거리장 모니터링 시스템.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR20180152707 | 2018-11-30 | ||
| KR1020180152707 | 2018-11-30 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20200066126A KR20200066126A (ko) | 2020-06-09 |
| KR102144632B1 true KR102144632B1 (ko) | 2020-08-13 |
Family
ID=71082076
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020190029731A KR102144632B1 (ko) | 2018-11-30 | 2019-03-15 | 광위상배열기를 위한 내장형 원거리장 모니터링 시스템 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR102144632B1 (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20230081682A (ko) | 2021-11-30 | 2023-06-07 | 한국과학기술원 | 온-칩 렌즈를 내장하는 광위상배열 집적화 소자 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101204335B1 (ko) * | 2008-12-17 | 2012-11-26 | 한국전자통신연구원 | 배열 도파로 격자 구조체들을 구비하는 광 소자 칩 |
| JP2016095440A (ja) * | 2014-11-17 | 2016-05-26 | 日本電信電話株式会社 | 多次元量子もつれ状態発生装置 |
-
2019
- 2019-03-15 KR KR1020190029731A patent/KR102144632B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101204335B1 (ko) * | 2008-12-17 | 2012-11-26 | 한국전자통신연구원 | 배열 도파로 격자 구조체들을 구비하는 광 소자 칩 |
| JP2016095440A (ja) * | 2014-11-17 | 2016-05-26 | 日本電信電話株式会社 | 多次元量子もつれ状態発生装置 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20230081682A (ko) | 2021-11-30 | 2023-06-07 | 한국과학기술원 | 온-칩 렌즈를 내장하는 광위상배열 집적화 소자 |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20200066126A (ko) | 2020-06-09 |
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