KR102200681B1 - 광위상배열 기반의 무선 데이터 송수신이 가능한 3차원 영상 센서를 구성하는 소자 시스템 - Google Patents

광위상배열 기반의 무선 데이터 송수신이 가능한 3차원 영상 센서를 구성하는 소자 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 영상, 위치, 동작 정보의 획득과 무선 데이터 송수신을 동시에 수행하는 광위상배열(optical phased array) 기반의 3차원 영상 센서를 구성하는 소자 시스템에 관한 것으로, 출력 파장이 서로 다른 레이저 다이오드 어레이 및 상기 레이저 다이오드 어레이에서 취사 선택된 파장을 갖는 광파를 광도파로에 전송하는 멀티플렉서와 동일한 광집적회로 칩 상에 집적되어 광파를 특정 광신호로 변조하는 광변조기, 광스위치를 통해 수신되는 상기 광신호를 변조가능한 송수신용 안테나 어레이를 이용하여 자유공간으로 방사하는 광위상배열기 및 상기 광위상배열기를 통해 송신된 송신 광신호에 의해 수신되는 수신 광신호를 전기 신호로 변환하는 광검출기를 포함한다.

Description

광위상배열 기반의 무선 데이터 송수신이 가능한 3차원 영상 센서를 구성하는 소자 시스템{DEVICE SYSTEM FOR CONSTITUTING 3D IMAGE SENSOR CAPABLE OF WIRELESS DATA TRANSMISSION AND RECEPTION BASED ON OPTICAL PHASED ARRAY}
본 발명은 영상, 위치, 동작 정보의 획득과 무선 데이터 송수신을 동시에 수행하는 광위상배열(optical phased array) 기반의 3차원 영상 센서를 구성하는 소자 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광변조기(optical modulator) 및 광검출기(photodetector)를 광위상배열과 동일한 광집적회로(photonic integrated circuit; PIC) 칩 상에 함께 집적하여 자유공간 상에서 변조된 광신호의 무선 송수신을 가능하게 하는 기술에 관한 것이다.
광위상배열은 광파(光波)를 발산하는 소자의 배열에 위상이 정밀하게 제어된 광파를 입력하는 방식으로, 기계적으로 회전 및 이동하는 방식의 부품 없이 단일 칩에서 원하는 방향으로 빔(beam)을 조향하여 자유공간으로 방사할 수 있는 소자이다. 광위상배열은 기존의 기계식 회전부 또는 MEMS(micro-electro-mechanical systems) 소자 등을 이용해 빔의 방사 방향을 조향하는 시스템과 비교하여, 기계적으로 회전 및 이동하는 부품이 없어 내구성 및 동작신뢰성이 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 기술의 대상인 차량, 드론, 로봇 등의 활용 분야 및 사물인터넷(IoT) 응용 분야의 차세대 센서 소자로서 학계 및 기업에서 활발하게 연구되고 있다.
현재까지 반도체 집적 기술을 활용하는 광위상배열은 주로 송신(transmit, Tx) 기능만을 제공하는 송신용 광위상배열(Tx-OPA) 기술에 집중되어 연구 및 개발이 이루어져왔다. 이에 따라, 광위상배열 기반의 센서를 실제 시스템에 적용하기 위해서는 물체에 맞고 반사되어 돌아오는 빛을 수신(receive, Rx)하는 별도의 수신부가 필수적으로 요구되었다.
한편, 광위상배열을 이용하여 변조된 광신호의 무선 데이터 통신을 수행할 수 있는데, 이를 위해서는 광신호를 변조하기 위한 광변조기가 필수적으로 요구된다. 실리콘 기반의 광위상배열을 활용하여 무선 데이터 통신의 가능성을 제시하는 논문(Wang, K., et al. (2018). "High-speed indoor optical wireless communication system employing a silicon integrated photonic circuit." Optics Letters / Rhee, H.-W., et al. (2019). High-Speed Data Transmission with Beam-Steering using Silicon Optical Phased Array. 2019 21st International Conference on Advanced Communication Technology (ICACT), IEEE.)이 학계에 제시된 바 있다. 그러나, 해당 논문 역시 송신 기능을 제공하는 송신부만 제시되어 있으며, 별도의 외부 광변조기를 사용하였다.
따라서, 기존의 광위상배열은 송신부 이외의 별도의 수신부가 요구될 뿐만 아니라, 광위상배열이 배치되어 있는 광집적회로의 칩(chip) 규모와 비교하여 크기가 매우 커다란 외부 광변조기를 별도로 사용하기 때문에, 이는 상용화 및 실용적인 시스템을 구축하는 관점에서 커다란 한계를 갖는다.
본 발명의 목적은 별도의 수신부를 필요로 하고, 광위상배열을 이용한 무선 데이터 통신을 수행하는 경우 별도의 외부 광변조기를 사용해야 하는 기존 송신용 광위상배열의 비효율성을 동시에 해결하고자 광집적회로 칩 상에서 넓은 시야각 범위로 변조된 광신호의 무선 데이터 송수신을 겸할 수 있는 광위상배열 기반의 3차원 영상 센서를 구성하는 소자 시스템을 제안한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광위상배열 기반의 변조된 광신호의 무선 데이터 송수신이 가능한 3차원 영상 센서를 구성하는 소자 시스템에 있어서, 출력 파장이 서로 다른 레이저 다이오드 어레이 및 상기 레이저 다이오드 어레이에서 취사 선택된 파장을 갖는 광파를 광도파로에 전송하는 멀티플렉서와 동일한 광집적회로 칩 상에 집적되어 광파를 특정 광신호로 변조하는 광변조기, 광스위치를 통해 수신되는 상기 광신호를 변조가능한 송수신용 안테나 어레이를 이용하여 자유공간으로 방사하는 광위상배열기 및 상기 광위상배열기를 통해 송신된 송신 광신호에 의해 수신되는 수신 광신호를 전기 신호로 변환하는 광검출기를 포함한다.
상기 광위상배열기는 상기 광스위치의 각 출력포트에 연결된 격자 안테나 어레이의 형태를 나타내는 상기 변조가능한 송수신용 안테나 어레이를 포함하며, 복수의 광위상배열기에서 상기 격자 안테나 어레이의 격자 주기 값이 각기 다르게 설계 및 배치될 수 있다.
상기 광위상배열기는 상기 변조가능한 송수신용 안테나 어레이를 구성하는 각 안테나 사이에 p 또는 n 타입 도핑의 슬랩 영역을 위치시켜 상기 슬랩 영역의 도핑 타입 배치에 따라 수직 방향의 송수신 시야각 범위를 확대시킬 수 있다.
상기 광변조기는 마하-젠더(Mach-Zehnder) 간섭계 또는 링공진기(ring resonator)를 기반으로 구성된 구조일 수 있다.
상기 수신 광신호는 상기 광스위치를 거쳐, 상기 광스위치의 입력 포트 중 하나로 이어지는 상기 광검출기를 통해 전기 신호로 변환되어 검출될 수 있다.
상기 소자 시스템은 복수 개의 단일 파장 광원을 사용하여 상기 광신호의 무선 송수신 시야각을 확대시킬 수 있다.
상기 소자 시스템은 상기 광위상배열기와 동일한 광집적회로 칩 상에 상기 광변조기 및 상기 광검출기를 함께 집적 및 배치하여 자유공간 상에서 광무선 데이터 송수신을 수행할 수 있다.
상기 소자 시스템은 상기 광스위치의 각 출력포트에 연결된 서로 다른 격자 주기의 격자 안테나 어레이를 갖는 상기 광위상배열기를 이용하여 상기 송신 광신호의 수직 방향의 송수신을 수행할 수 있다.
상기 소자 시스템은 상기 레이저 다이오드 어레이를 통해 서로 다른 파장을 갖는 광파 중 하나를 취사 선택하여 수직 방향 송수신 각도를 변화시키고, 상기 변조가능한 송수신용 안테나 어레이를 이용하여 상기 변화시킨 송수신 각도 범위에 해당하는 각도 범위의 송수신의 역할을 수행하며, 상기 광위상배열기를 이용하여 상기 송신 광신호의 수직 방향에 대한 송수신 시야각 범위를 확대시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 광위상배열 기반의 변조된 광신호의 무선 데이터 송수신이 가능한 3차원 영상 센서를 구성하는 소자 시스템에 있어서, 출력 파장이 서로 다른 복수의 레이저 다이오드를 포함한 레이저 다이오드 어레이, 상기 레이저 다이오드 어레이에서 서로 다른 파장을 갖는 광파 중 취사 선택된 파장을 갖는 광파를 각 광도파로를 통해 수신하여 하나의 광도파로에 전송하는 멀티플렉서, 상기 레이어 다이오드 어레이 및 상기 멀티플렉서와 동일한 광집적회로 칩 상에 집적되어 광파를 특정 광신호로 변조하는 광변조기, 상기 광변조기를 통해 변조된 광신호를 광위상배열기의 특정 출력포트에 선택적으로 송수신하는 광스위치, 상기 광위상배열기를 구성하며, 상기 광스위치를 통해 임의의 광위상배열기로 입사된 상기 광신호를 자유공간으로 방사하는 변조가능한 송수신용 안테나 어레이 및 상기 변조가능한 송수신용 안테나 어레이를 통해 송신된 송신 광신호에 의해 수신되는 수신 광신호를 전기 신호로 변환하는 광검출기를 포함한다.
상기 멀티플렉서는 Y-브랜치(Y-branch) 광도파로 기반의 구조 또는 링공진기(ring resonator) 기반의 구조로 형성될 수 있다.
상기 Y-브랜치 광도파로 기반의 멀티플렉서 구조는 테이퍼 및 역테이퍼 구조의 광도파로를 포함할 수 있다.
상기 링공진기 기반의 멀티플렉서 구조는 서로 다른 반지름으로 구성된 복수 개의 링공진기를 포함할 수 있다.
상기 광스위치는 복수 개의 다단으로 배치되거나, 하나의 소자로 구현될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 광위상배열 기반의 변조된 광신호의 무선 데이터 송수신이 가능한 3차원 영상 센서를 구성하는 소자 시스템에 있어서, 출력 파장이 서로 다른 레이저 다이오드 어레이 및 상기 레이저 다이오드 어레이에서 취사 선택된 파장을 갖는 광파를 광도파로에 전송하는 멀티플렉서와 동일한 광집적회로 칩 상에 집적되어 광파를 특정 광신호로 변조하는 광변조기, 광스위치를 통해 수신되는 상기 광신호를 변조가능한 송수신용 안테나 어레이를 이용하여 자유공간으로 방사하는 광위상배열기 및 상기 광위상배열기를 통해 송신된 송신 광신호에 의해 수신되는 수신 광신호를 전기 신호로 변환하는 광검출기를 포함하되, 상기 광위상배열기는 상기 광스위치의 각 출력포트에 연결된 격자 안테나 어레이의 형태를 나타내는 상기 변조가능한 송수신용 안테나 어레이를 포함하며, 복수의 광위상배열기에서 상기 격자 안테나 어레이의 격자 주기 값이 각기 다르게 설계 및 배치된다.
상기 광위상배열기는 상기 격자 안테나 어레이에 전압 또는 전류를 인가하여 상기 격자 안테나 어레이를 구성하는 격자 안테나의 유효 굴절률을 변화시키며, 상기 격자 안테나의 수직 방향의 시야각 범위를 확대하여 상기 광신호를 송수신할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 광위상배열 기반의 변조된 광신호의 무선 데이터 송수신이 가능한 3차원 영상 센서를 구성하는 소자 시스템에 있어서, 출력 파장이 서로 다른 레이저 다이오드 어레이 및 상기 레이저 다이오드 어레이에서 취사 선택된 파장을 갖는 광파를 광도파로에 전송하는 멀티플렉서와 동일한 광집적회로 칩 상에 집적되어 광파를 특정 광신호로 변조하는 광변조기, 광스위치를 통해 수신되는 상기 광신호를 변조가능한 송수신용 안테나 어레이를 이용하여 자유공간으로 방사하는 광위상배열기 및 상기 광위상배열기를 통해 송신된 송신 광신호에 의해 수신되는 수신 광신호를 전기 신호로 변환하는 광검출기를 포함하되, 상기 광위상배열기는 상기 변조가능한 송수신용 안테나 어레이를 구성하는 각 안테나 사이에 p 또는 n 타입 도핑의 슬랩 영역을 위치시켜 상기 슬랩 영역의 도핑 타입 배치에 따라 수직 방향의 송수신 시야각 범위를 확대시킨다.
상기 광위상배열기는 상기 슬랩 영역의 도핑 타입 배치에 따라 전기 광학(electro-optic) 또는 열 광학(thermo-optic) 효과를 이용하여 송수신용 상기 각 안테나의 유효 굴절률을 변화시켜 안테나 표면의 법선 방향에 따른 수직 방향의 송수신 시야각을 확대시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 다수의 광소자의 배치, 구조 및 구동 방법을 기존의 광위상배열 기반의 센서에 적용함으로써, 별도의 외부 광변조기와 별도의 수신부를 사용하지 않고도, 광집적회로 칩 상에서 대단히 넓은 범위의 시야각을 가지고 변조된 광신호의 무선 데이터 송수신을 동시에 겸할 수 있는 3차원 영상 센서를 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광위상배열 기반의 변조된 광신호의 무선 데이터 송수신이 가능한 3차원 영상 센서를 구성하는 소자 시스템의 개략도를 도시한 것이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 멀티플렉서의 구조를 개략도로 도시한 것이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 광스위치의 구조를 개략도로 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 변조가능한 송수신용 안테나 어레이의 구조를 개략도로 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 광변조기를 통해 자유공간으로 특정 신호로 변조된 광신호를 송수신하는 구조를 개략도로 도시한 것이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 실시예에 따른 변조가능한 송수신용 안테나 어레이를 이용하여 송수신 광신호의 수직방향 각도를 변조하는 구조를 개략도로 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 넓은 범위의 수직방향 시야각을 가지고 광신호의 무선 데이터 송수신을 수행하는 3차원 영상 센서를 구성한 소자 시스템 구조의 개략도를 도시한 것이다.
이하, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 또한, 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 시청자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광위상배열 기반의 변조된 광신호의 무선 데이터 송수신이 가능한 3차원 영상 센서를 구성하는 소자 시스템의 개략도를 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 광위상배열 기반의 변조된 광신호의 무선 데이터 송수신이 가능한 3차원 영상 센서를 구성하는 소자 시스템(100)은 광집적회로(photonic integrated circuit, PIC) 칩 상에 광변조기(optical modulator, 110), 광위상배열기(optical phased array, 120) 및 광검출기(photodetector, 130)를 함께 집적하여 자유공간 상에서 변조된 광신호의 무선 송수신을 가능케 한다.
본 발명의 실시예에 따른 광위상배열 기반의 변조된 광신호의 무선 데이터 송수신이 가능한 3차원 영상 센서를 구성하는 소자 시스템(100)은 복수 개의 단일 파장 광원을 사용하여 광신호의 무선 송수신 시야각을 확대시킬 수 있다.
광변조기(110)는 출력 파장이 서로 다른 레이저 다이오드 어레이(101) 및 레이저 다이오드 어레이(101)에서 취사 선택된 파장을 갖는 광파를 광도파로(102)에 전송하는 멀티플렉서(Multiplexer, 103)와 동일한 광집적회로 칩 상에 집적되어 광파를 특정 광신호로 변조한다.
광위상배열기(120)는 광스위치(Optical switch, 104)를 통해 수신되는 광신호를 변조가능한 송수신용 안테나 어레이(124)를 이용하여 자유공간으로 방사한다.
광검출기(130)는 광위상배열기(120)를 통해 송신된 송신 광신호에 의해 수신되는 수신 광신호를 전기 신호로 변환한다. 이때, 수신 광신호는 광스위치(104)를 거치며, 광스위치의 입력 포트(input port) 중 하나로 이어지는 광검출기(130)를 통해 전기 신호로 변환되어 검출될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 광위상배열 기반의 변조된 광신호의 무선 데이터 송수신이 가능한 3차원 영상 센서를 구성하는 소자 시스템(100)은 광스위치(104)의 각 출력포트에 연결된 서로 다른 격자 주기의 격자 안테나 어레이를 갖는 광위상배열기(120)를 이용하여 송신 광신호의 수직 방향의 송수신을 수행할 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 실시예에 따른 광위상배열 기반의 변조된 광신호의 무선 데이터 송수신이 가능한 3차원 영상 센서를 구성하는 소자 시스템(100)은 레이저 다이오드 어레이(101)를 통해 서로 다른 파장을 갖는 광파 중 하나를 취사 선택하여 수직 방향 송수신 각도를 변화시키고, 변조가능한 송수신용 안테나 어레이(124)를 이용하여 변화시킨 송수신 각도 범위에 해당하는 각도 범위의 송수신의 역할을 수행하며, 광위상배열기(120)를 이용하여 송신 광신호의 수직 방향에 대한 송수신 시야각 범위를 확대시킬 수 있다.
도 1을 참조하면, 레이저 다이오드 어레이(laser diode array, 101)는 출력 파장이 서로 다른 복수의 레이저 다이오드(laser diode, 105)를 포함하며, 레이저 다이오드(105) 각각은 광도파로(optical waveguide, 102)를 통해 멀티플렉서(103)와 연결된다.
멀티플렉서(103)는 레이저 다이오드 어레이(101)에서 서로 다른 파장을 갖는 광파 중 취사 선택된 파장을 갖는 광파를 각 광도파로(102)를 통해 수신하여 하나의 광도파로에 전송하며, 1×N 레이저 다이오드 어레이(1×N laser diode array, 101)와 이와 연결되는 멀티플렉서(103)의 구조는 광집적회로 칩 상에 파장의 변조가 가능한 광원 집적의 기술적인 난이도가 상당히 높아 상용화의 관점에서 실용적이지 못하나, 본 발명의 실시예에 따른 소자 시스템(100)은 이에 대한 문제 해결의 대안이 가능하다. 따라서, 파장 변조가 가능한 광원을 집적하여 사용할 경우, 1×N 레이저 다이오드 어레이(101) 및 멀티플렉서(103)의 구조를 사용하지 않아도 무방하다.
도 1을 참조하여 본 발명에서 제시하는 변조된 광신호의 무선 데이터 송수신을 겸할 수 있는 광위상배열 기반의 3차원 영상 센서를 구성하는 소자 시스템(100)의 구동 방법을 설명하자면, 1×N 레이저 다이오드 어레이(101)를 구성하는 각 레이저 다이오드(105)에서 선택적으로
Figure 112019090252866-pat00001
중 하나의 파장을 갖는 광파는 광도파로(102)를 통해 도파되어 멀티플렉서(103)로 입사된다. 멀티플렉서(103)로 입사된 광파는 다시 광변조기(110)를 통해 특정 광신호로 변조되며, 변조된 송신 광신호는 2×M 광스위치(2×M Optical switch, 104)를 통해 (1), (2), …, (M)번째 중 하나의 1×K 광위상배열기(1×K Optical phased array, 120)로 입사되어 광위상배열기(120)를 구성하는 변조가능한 송수신용 안테나 어레이(Tunable TRx antenna array, 124)를 통해 자유공간으로 방사(송신, 141)된다.
이에, 자유공간으로 방사된 광신호(141)는 특정 물체를 맞고 반사된 뒤, 이는 다시 변조가능한 송수신용 안테나 어레이(124)를 통해 (1), (2), …, (M)번째 중 하나의 1×K 광위상배열기(120)로 입사(수신, 142)된다. 이후에, 수신 광신호(142)는 2×M 광스위치(2×M Optical switch, 104)를 거쳐, 광 스위치의 입력 포트(input port) 중 하나로 이어지는 광검출기(Photodetector, 130)를 통해 전기 신호로 변환되어 검출된다.
본 발명의 실시예에 따른 광위상배열 기반의 변조된 광신호의 무선 데이터 송수신이 가능한 3차원 영상 센서를 구성하는 소자 시스템(100)은 이하에서 설명하는 바와 같이, 소자 배치의 구조를 크게 세가지로 구분하여 넓은 시야각 범위로 변조된 광신호를 무선 데이터 송수신할 수 있다.
첫번째, 본 발명의 실시예에 따른 광위상배열 기반의 변조된 광신호의 무선 데이터 송수신이 가능한 3차원 영상 센서를 구성하는 소자 시스템(100)은 1×N 레이저 다이오드 어레이(101) 구조를 배치하여 각 레이저 다이오드(105)에서 선택적으로
Figure 112019090252866-pat00002
중 하나의 파장을 갖는 광파를 취사선택할 수 있다.
두번째, 본 발명의 실시예에 따른 광위상배열 기반의 변조된 광신호의 무선 데이터 송수신이 가능한 3차원 영상 센서를 구성하는 소자 시스템(100)은 2×M 광스위치(104)를 배치하여
Figure 112019090252866-pat00003
주기 구조의 격자 형태를 갖는 변조가능한 송수신용 안테나 어레이(124)가 배치된 (1), (2), …, (M)번째 중 하나의 1×K 광위상배열기(120)로
Figure 112019090252866-pat00004
중 하나의 파장을 갖는 광파를 입사시킬 수 있다.
세번째, 본 발명의 실시예에 따른 광위상배열 기반의 변조된 광신호의 무선 데이터 송수신이 가능한 3차원 영상 센서를 구성하는 소자 시스템(100)은 변조가능한 송수신용 안테나 어레이(124)를 구성하는 각 i타입 격자 안테나(i type grating antenna) 사이에 p 또는 n 타입 도핑의 슬랩 영역(p or n type doped slab region)과 p+ 또는 n+ 타입 도핑의 슬랩 영역(p+ or n+ type doped slab region)을 배치하고, 그 위에 전극(Electrode)를 배치할 수 있다. 상기 구조로 소자를 배치함으로써, 본 발명의 실시예에 따른 소자 시스템(100)은 전기 광학(electro-optic) 효과 또는 열 광학(thermo-optic) 효과를 이용해 i타입 격자 안테나의 유효 굴절률(effective refractive index)을 변화시켜, 송수신 광신호의 수직방향 각도를 연속적으로 변화시킬 수 있다.
즉, 전술한 세가지의 소자 배치 구조를 적절하게 활용한다면, 넓은 범위의 수직방향 시야각 범위를 가지고 변조된 광신호의 무선 데이터 송수신을 수행할 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 멀티플렉서의 구조를 개략도로 도시한 것이다.
보다 상세하게는, 도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 소자 시스템 내 Y-브랜치(Y-branch) 광도파로 기반의 멀티플렉서 구조를 도시한 것이고, 도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 소자 시스템 내 링공진기(ring-resonator) 기반의 멀티플렉서 구조를 도시한 것이다.
도 2a 및 도 2b는 도 1에서 설명된 멀티플렉서(103) 구조로 사용될 수 있는 구체적인 예시를 나타낸다.
도 2a를 참조하면, 1×N 레이저 다이오드 어레이를 구성하는 각 레이저 다이오드에서
Figure 112019090252866-pat00005
중 하나의 파장을 갖는 광파는 각 파장을 갖는 광파의 입사를 위해 할당된 광도파로(200)로 입사되어 테이퍼 구조 광도파로(Tapered optical waveguide, 201)를 거쳐 상대적으로 너비가 커다란 중심 광도파로(202)를 통해 도파된다. 이후에, 광파는 역테이퍼 구조 광도파로(Inverse tapered optical waveguide, 203)를 거쳐 다시 기존 너비를 갖는 광도파로(200)로 도파된다.
여기서, 도 2a에 도시된 바와 같이, Y-브랜치 기반의 멀티플렉서 구조를 통해 테이퍼 구조 광도파로(201) 및 역테이퍼 구조 광도파로(203)를 활용하는 것은 멀티플렉서의 삽입 손실(Insertion loss)을 줄이기 위함이다. 또한, 본 발명은 테이퍼 구조 광도파로(201) 및 역테이퍼 구조 광도파로(203)를 사용하여 광도파로(200 또는 202)의 너비를 조절할 수 있다.
도 2b를 참조하면, 도 2a의 경우와 마찬가지로, 1×N 레이저 다이오드 어레이를 구성하는 각 레이저 다이오드에서
Figure 112019090252866-pat00006
중 하나의 파장을 갖는 광파는 각 파장을 갖는 광파의 입사를 위해 할당된 광도파로(204)로 입사된다. 이때,
Figure 112019090252866-pat00007
의 파장을 갖는 광파가 입사되는 경우, R2, R3, …, RN의 반지름을 갖는 링공진기(Ring resonator)와 공진이 발생되지 않은 채 도파된다. 반면에,
Figure 112019090252866-pat00008
의 파장을 갖는 광파가 입사되는 경우에는 도 2b와 같이 각각에 적합한 반지름 R2, R3, …, RN으로 설계되어 할당된 인접 링공진기(Ring resonator, 205)를 통해 도파된다.
이때, 도 2b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 소자 시스템은 링공진기의 반지름을 서로 다르게 구현함으로써, 멀티플렉서의 삽입 손실(Insertion loss)을 줄일 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 광스위치의 구조를 개략도로 도시한 것이다.
보다 상세하게, 도 3a 및 도 3b는 도 1의 2×M 광스위치(2×M Optical switch, 104)의 구조를 나타내는 개략도이며, 멀티플렉서(103)를 통해 입사된
Figure 112019090252866-pat00009
중 하나의 파장을 갖는 광파는 2×M 광스위치(106)를 통해 M개의 출력포트(output port) 중 하나의 출력포트로 취사선택되어 출력되며, 각 출력포트에 할당되어 있는 (1), (2), …, (M)번째 중 하나의 1×K 광위상배열기(1×K Optical phased array, 120)로 입사된다.
이때, 도 3a는 2×2 광스위치(300) 뒷 편에 복수 개의 1×2 광스위치(301)를 다단으로 배치하여 2×M 광스위치(106)의 역할을 수행하는 구조이고, 도 3b는 하나의 소자(302)로 2×M 광스위치(106)의 역할을 수행하는 구조의 개략도이다.
다만, 전술한 두 가지 구조 이외에도, 본 발명에 적합한 2×M 광스위치의 역할을 수행할 수 있는 다른 구조의 소자로도 대체 가능하다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 변조가능한 송수신용 안테나 어레이의 구조를 개략도로 도시한 것이다.
반도체 기반의 광위상배열 안테나는 일반적으로 격자(grating) 구조로 이루어져 있기 때문에, 본 발명에서도 격자 구조의 안테나를 상정하여 구체적인 예시를 제시한다.
도 1에서, 2×M 광스위치(104)를 통해 (1), (2), …, (M)번째 중 하나의 1×K 광위상배열기(120)로 입사된 광파는 1×K 광파워 분배기(1×K Power distributor, 121), 위상제어기 어레이(Phase controller array, 122), 그리고 광도파로(Optical waveguide, 123)를 지나면서 원하는 값으로 위상이 제어된 채 변조가능한 송수신용 안테나 어레이(Tunable TRx antenna array, 124)로 입사된다.
이때, 본 발명의 실시예에 따른 소자 시스템은 변조가능한 송수신용 안테나 어레이(124)를 구성하는 각 i타입 격자 안테나(i type grating radiator, 400) 사이에 p 또는 n 타입 도핑의 슬랩 영역(p or n type doped slab region, 401) 및 이와 동일한 도핑 종류의 p+ 또는 n+ 타입 도핑의 슬랩 영역(p+ or n+ type doped slab region, 402), 그리고 전극(Electrode, 403)을 위치시킴으로써, 각 i타입 격자 안테나(400)의 유효 굴절률을 변화시킬 수 있다.
상기 구조로 소자를 배치함으로써, 본 발명의 실시예에 따른 소자 시스템은 전기 광학(electro-optic) 효과 또는 열 광학(thermo-optic) 효과를 이용해 i타입 격자 안테나(400)의 유효 굴절률(effective refractive index)을 변화시키며, 송수신 광신호의 수직방향(예를 들면, 격자 안테나 표면의 법선 방향) 각도를 연속적으로 변화시킬 수 있다.
일 예로, p-i-n-i-p-i-n-…-i-n과 같은 배열의 어레이 구조에서 전극(Electrode, 403) 사이에 전압 또는 전류를 인가하는 경우, 그 크기 및 인가 방향에 따라 각 i타입 격자 안테나(400) 내부에 전자(electron)와 홀(hole) 즉, 캐리어(carrier)의 농도가 변화되어 전기 광학(electro-optic) 효과를 발생시킬 수 있다. 더욱 구체적으로, 전기 광학 효과인 FCPD(Free Carrier Plasma Dispersion) 효과에 의해 i타입 격자 안테나(400)의 유효 굴절률(effective refractive index)을 변화시킬 수 있다.
다른 예로, p-i-p-…-i-p 또는 n-i-n-…-i-n과 같은 배열의 어레이 구조에서 전극(Electrode, 403) 사이에 전압 또는 전류를 인가하는 경우, 줄열(Joule heat)이 발생된다. 이에 따라, i타입 격자 안테나(400)의 온도가 변화하게 되어 열 광학(thermo-optic) 효과가 발생되고, 이에 의해 유효 굴절률(effective refractive index)을 변화시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 광변조기를 통해 자유공간으로 특정 신호로 변조된 광신호를 송수신하는 구조를 개략도로 도시한 것이다.
도 1에서, 광변조기(Optical modulator, 110)를 통해 특정 신호로 광신호를 변조한 뒤, 1×K 광위상배열기(1×K Optical phased array, 120 및 500)로 변조된 광신호를 입사시키면, 위상제어기로부터 입사되는 광신호(Optical signal from phase controller, 501)는 변조되며, 변조된 송신 광신호(Modulated Tx Optical signal, 141 및 503)는 자유공간으로 방사(송신)될 수 있다. 이후, 자유공간으로 방사된 광신호는 특정 물체를 맞고 반사된 뒤, 다시 변조가능한 송수신용 안테나 어레이(124)를 통해 (1), (2), …, (M)번째 중 하나의 1×K 광위상배열기(120)로 입사(수신)된다. 이에, 변조된 수신 광신호(Modulated Rx optical signal, 142 및 504)는 광검출기로 향하며(Optical signal towards photodetector, 502), 2×M 광스위치(104)의 입력 포트(input port) 중 하나로 이어지는 광검출기(Photodetector, 130)를 통해 전기 신호로 변환되어 검출된다.
본 발명의 실시예에 따른 광변조기는 마하-젠더(Mach-Zehnder) 간섭계 또는 링공진기(ring resonator)를 기반으로 구성된 구조일 수 있으며, 관련 기술 분야에서 반도체 기반의 광변조기는 널리 알려진 기술이므로 상세한 설명은 생략한다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 실시예에 따른 변조가능한 송수신용 안테나 어레이를 이용하여 송수신 광신호의 수직방향 각도를 변조하는 구조를 개략도로 도시한 것이다.
보다 구체적으로, 도 6a는 송신 광신호의 수직방향(예를 들면, 격자 안테나 어레이(610) 표면의 법선 방향) 각도를 변조하는 구조를 도시한 것이며, 도 6b는 수신 광신호의 수직방향(예를 들면, 격자 안테나 어레이(620) 표면의 법선 방향) 각도를 변조하는 구조를 도시한 것이다.
도 6a 및 도 6b는 도 4에 도시된 변조가능한 송수신용 격자 안테나 어레이 구조의 실시예에 의하여 전기 광학(electro-optic) 또는 열 광학(thermo-optic) 효과로 인해 격자 안테나 어레이(610, 620)의 유효 굴절률을 변화시켜 송수신 광신호(612, 622)의 수직방향 각도 시야각을 변조 가능하게 하는 구조를 나타낸다.
도 6a을 참조하면, 격자 안테나 어레이(610) 구조로부터 자유공간으로 방사되는 광파의 방사각은 회절(diffraction) 원리에 의한 [수식 1]을 활용하여 나타낼 수 있다.
[수식 1]
Figure 112019090252866-pat00010
여기서,
Figure 112019090252866-pat00011
은 입사된 광파의 파장을 나타내고,
Figure 112019090252866-pat00012
은 2×M 광스위치를 통해 취사선택되어 광파가 입사된 1×K 광위상배열기의 격자 안테나 어레이의 격자 주기를 나타낸다. 또한,
Figure 112019090252866-pat00013
는 격자 안테나의 유효 굴절률(effective refractive index)을 나타내며,
Figure 112019090252866-pat00014
은 수직방향(격자 안테나 어레이(610) 표면의 법선 방향)의 방사 각도를 나타낸다.
보다 구체적으로 설명하자면, 위상제어기로부터 입사되어
Figure 112019090252866-pat00015
의 파장을 갖는 광파(611)가
Figure 112019090252866-pat00016
의 격자 주기를 갖는 격자 안테나 어레이(610)를 도파하는 경우, 안테나의 주기적인 격자 구조로 인하여 산란될 수 있다. 이때, 회절로 형성된 회절 패턴 중에서 빛의 세기가 가장 큰 중심에 해당되는 방사 각도는
Figure 112019090252866-pat00017
이고,
Figure 112019090252866-pat00018
는 격자 안테나의 소재 구조, 그리고 광파의 파장에 따른 굴절률(refractive index)을 기반으로 하여 결정된다.
[수식 1]에서 확인할 수 있듯이, 본 발명은
Figure 112019090252866-pat00019
값을 전기 광학(electro-optic) 또는 열 광학(thermo-optic) 효과를 통해 변화시킴으로써, 수직방향(격자 안테나 어레이 표면의 법선 방향) 방사 각도를
Figure 112019090252866-pat00020
크기 범위 내에서 연속적으로 변조시킬 수 있다. 이때,
Figure 112019090252866-pat00021
값은 전기 광학(electro-optic) 또는 열 광학(thermo-optic) 효과에 따른
Figure 112019090252866-pat00022
값 변화의 크기에 따라 결정된다.
도 6b에 도시된 수신의 경우도 송신의 경우와 마찬가지로 [수식 1]이 적용될 수 있으며, 도 6a에 도시된 송신의 경우와 동일한 방법으로 수신 각도를
Figure 112019090252866-pat00023
크기 범위 내에서 연속적으로 변조시킬 수 있다. 이에, 수신된 광신호(622)는 광검출기로 향하며(Optical signal towards photodetector, 621), 2×M 광스위치의 입력 포트(input port) 중 하나로 이어지는 광검출기(Photodetector)를 통해 전기 신호로 변환되어 검출된다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 넓은 범위의 수직방향 시야각을 가지고 광신호의 무선 데이터 송수신을 수행하는 3차원 영상 센서를 구성한 소자 시스템 구조의 개략도를 도시한 것이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 광위상배열 기반의 변조된 광신호의 무선 데이터 송수신이 가능한 3차원 영상 센서를 구성하는 소자 시스템은 1×N 레이저 다이오드 어레이를 통해 N개의 파장을 갖는 광파를 취사선택하는 구조, 2×M 광스위치를 통해 M개의 격자 주기를 갖는 각각의 1×K 광위상배열기 중 하나의 광위상배열기로 광파를 선택적으로 입사시키는 구조 및 변조가능한 송수신용 안테나 어레이를 통해 특정 범위 내에서 송수신 광신호의 수직방향(예를 들면, 격자 안테나 표면의 법선 방향) 각도 시야각을 변조 가능케하는 구조를 모두 활용하여 대단히 넓은 범위의 수직방향 시야각 범위를 가지고 광신호의 무선 데이터 송수신을 수행할 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 1×N 레이저 다이오드 어레이를 이용하여
Figure 112019090252866-pat00024
의 파장을 갖는 광신호를 특정 격자 주기를 갖는 해당 1×K 광위상배열기의 격자 안테나 어레이(700)로 입사시켜 자유공간 상으로 방사(송신, 703)시키는 경우, 본 발명은 특정한 N개의 각도로 송신할 수 있으며, N개 각도 사이의 각도 범위는 변조가능한 송수신용 안테나 어레이를 통해 전기 광학(electro-optic) 효과 또는 열 광학(thermo-optic) 효과를 이용하여 연속적으로 변화시킬 수 있다. 이후에, 물체에 맞고 반사되어 돌아오는 수신 광신호(704)는 광검출기로 향하여(702) 광스위치의 입력 포트 중 하나로 이어지는 광검출기를 통해 전기 신호로 변환되어 검출된다.
본 발명의 실시예에 따른 소자 시스템은 특정 1×K 광위상배열기를 이용하여 광신호를 송신할 수 있는 수직방향(예를 들면, 격자 안테나 표면의 법선 방향) 각도의 시야각 범위를 (1), (2),…, (M)개의 1×K 광위상배열기(700)끼리 겹치지 않게(또는 겹치는 범위가 최소화되게) 각 설계 변수를 알맞게 설정할 수 있으며, 이에 따라서 대단히 넓은 범위의 수직방향 시야각으로 광신호의 무선 데이터 송신(703)을 수행할 수 있다. 또한, 수신(704)의 경우도 송신(703)의 경우와 마찬가지의 방법으로 대단히 넓은 범위의 수직방향 시야각을 가진 채로 이루어질 수 있다.
한편, 일반적으로 광위상배열 기반 센서의 수평방향 시야각의 확대는 광위상배열을 구성하는 안테나 간의 간격을 동작 파장의 절반에 가깝게 설정하거나, 안테나 간의 간격을 비균일하게 설계함으로써 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상대적으로 손쉽게 구현할 수 있음은 자명하다. 따라서, 본 발명에서 제시하는 상기 방법을 함께 활용하여 각 소자의 변수 설계 및 배치를 적절하게 수행한다면, 수평방향 시야각뿐 만 아니라 수직방향(격자 안테나 표면의 법선 방향) 시야각까지 대단히 넓은 범위를 가지고 변조된 광신호의 무선 데이터 송수신을 수행할 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.

Claims (18)

  1. 광위상배열 기반의 변조된 광신호의 무선 데이터 송수신이 가능한 3차원 영상 센서를 구성하는 소자 시스템에 있어서,
    출력 파장이 서로 다른 레이저 다이오드 어레이 및 상기 레이저 다이오드 어레이에서 취사 선택된 파장을 갖는 광파를 광도파로에 전송하는 멀티플렉서와 동일한 광집적회로 칩 상에 집적되어 광파를 특정 광신호로 변조하는 광변조기;
    광스위치를 통해 수신되는 상기 광신호를 변조가능한 송수신용 안테나 어레이를 이용하여 자유공간으로 방사하는 광위상배열기; 및
    상기 광위상배열기를 통해 송신된 송신 광신호에 의해 수신되는 수신 광신호를 전기 신호로 변환하는 광검출기를 포함하되,
    상기 광위상배열기는
    상기 광스위치의 각 출력포트에 연결된 격자 안테나 어레이의 형태를 나타내는 상기 변조가능한 송수신용 안테나 어레이를 포함하며, 복수의 광위상배열기에서 상기 격자 안테나 어레이의 격자 주기 값이 각기 다르게 설계 및 배치되는 것을 특징으로 하는, 소자 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 광위상배열기는
    상기 변조가능한 송수신용 안테나 어레이를 구성하는 각 안테나 사이에 p 또는 n 타입 도핑의 슬랩 영역을 위치시켜 상기 슬랩 영역의 도핑 타입 배치에 따라 수직 방향의 송수신 시야각 범위를 확대시키는, 소자 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 광변조기는
    마하-젠더(Mach-Zehnder) 간섭계 또는 링공진기(ring resonator)를 기반으로 구성된 구조인 것을 특징으로 하는, 소자 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 수신 광신호는
    상기 광스위치를 거쳐, 상기 광스위치의 입력 포트 중 하나로 이어지는 상기 광검출기를 통해 전기 신호로 변환되어 검출되는 것을 특징으로 하는, 소자 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 소자 시스템은
    복수 개의 단일 파장 광원을 사용하여 상기 광신호의 무선 송수신 시야각을 확대시키는 것을 특징으로 하는, 소자 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 소자 시스템은
    상기 광위상배열기와 동일한 광집적회로 칩 상에 상기 광변조기 및 상기 광검출기를 함께 집적 및 배치하여 자유공간 상에서 광무선 데이터 송수신을 수행하는 것을 특징으로 하는, 소자 시스템.
  8. 광위상배열 기반의 변조된 광신호의 무선 데이터 송수신이 가능한 3차원 영상 센서를 구성하는 소자 시스템에 있어서,
    출력 파장이 서로 다른 레이저 다이오드 어레이 및 상기 레이저 다이오드 어레이에서 취사 선택된 파장을 갖는 광파를 광도파로에 전송하는 멀티플렉서와 동일한 광집적회로 칩 상에 집적되어 광파를 특정 광신호로 변조하는 광변조기;
    광스위치를 통해 수신되는 상기 광신호를 변조가능한 송수신용 안테나 어레이를 이용하여 자유공간으로 방사하는 광위상배열기; 및
    상기 광위상배열기를 통해 송신된 송신 광신호에 의해 수신되는 수신 광신호를 전기 신호로 변환하는 광검출기를 포함하되,
    상기 소자 시스템은
    상기 광스위치의 각 출력포트에 연결된 서로 다른 격자 주기의 격자 안테나 어레이를 갖는 상기 광위상배열기를 이용하여 상기 송신 광신호의 수직 방향의 송수신을 수행하는, 소자 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 소자 시스템은
    상기 레이저 다이오드 어레이를 통해 서로 다른 파장을 갖는 광파 중 하나를 취사 선택하여 수직 방향 송수신 각도를 변화시키고, 상기 변조가능한 송수신용 안테나 어레이를 이용하여 상기 변화시킨 송수신 각도 범위에 해당하는 각도 범위의 송수신의 역할을 수행하며, 상기 광위상배열기를 이용하여 상기 송신 광신호의 수직 방향에 대한 송수신 시야각 범위를 확대시키는 것을 특징으로 하는, 소자 시스템.
  10. 광위상배열 기반의 변조된 광신호의 무선 데이터 송수신이 가능한 3차원 영상 센서를 구성하는 소자 시스템에 있어서,
    출력 파장이 서로 다른 복수의 레이저 다이오드를 포함한 레이저 다이오드 어레이;
    상기 레이저 다이오드 어레이에서 서로 다른 파장을 갖는 광파 중 취사 선택된 파장을 갖는 광파를 각 광도파로를 통해 수신하여 하나의 광도파로에 전송하는 멀티플렉서;
    상기 레이저 다이오드 어레이 및 상기 멀티플렉서와 동일한 광집적회로 칩 상에 집적되어 광파를 특정 광신호로 변조하는 광변조기;
    상기 광변조기를 통해 변조된 광신호를 광위상배열기의 특정 출력포트에 선택적으로 송수신하는 광스위치;
    상기 광위상배열기를 구성하며, 상기 광스위치를 통해 임의의 광위상배열기로 입사된 상기 광신호를 자유공간으로 방사하는 변조가능한 송수신용 안테나 어레이; 및
    상기 변조가능한 송수신용 안테나 어레이를 통해 송신된 송신 광신호에 의해 수신되는 수신 광신호를 전기 신호로 변환하는 광검출기
    를 포함하는 소자 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 멀티플렉서는
    Y-브랜치(Y-branch) 광도파로 기반의 구조 또는 링공진기(ring resonator) 기반의 구조로 형성되는, 소자 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 Y-브랜치 광도파로 기반의 멀티플렉서 구조는
    테이퍼 및 역테이퍼 구조의 광도파로를 포함하는, 소자 시스템.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 링공진기 기반의 멀티플렉서 구조는
    서로 다른 반지름으로 구성된 복수 개의 링공진기를 포함하는, 소자 시스템.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 광스위치는
    복수 개의 다단으로 배치되거나, 하나의 소자로 구현되는, 소자 시스템.
  15. 광위상배열 기반의 변조된 광신호의 무선 데이터 송수신이 가능한 3차원 영상 센서를 구성하는 소자 시스템에 있어서,
    출력 파장이 서로 다른 레이저 다이오드 어레이 및 상기 레이저 다이오드 어레이에서 취사 선택된 파장을 갖는 광파를 광도파로에 전송하는 멀티플렉서와 동일한 광집적회로 칩 상에 집적되어 광파를 특정 광신호로 변조하는 광변조기;
    광스위치를 통해 수신되는 상기 광신호를 변조가능한 송수신용 안테나 어레이를 이용하여 자유공간으로 방사하는 광위상배열기; 및
    상기 광위상배열기를 통해 송신된 송신 광신호에 의해 수신되는 수신 광신호를 전기 신호로 변환하는 광검출기를 포함하되,
    상기 광위상배열기는
    상기 광스위치의 각 출력포트에 연결된 격자 안테나 어레이의 형태를 나타내는 상기 변조가능한 송수신용 안테나 어레이를 포함하며, 복수의 광위상배열기에서 상기 격자 안테나 어레이의 격자 주기 값이 각기 다르게 설계 및 배치되는, 소자 시스템.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 광위상배열기는
    상기 격자 안테나 어레이에 전압 또는 전류를 인가하여 상기 격자 안테나 어레이를 구성하는 격자 안테나의 유효 굴절률을 변화시키며, 상기 격자 안테나의 수직 방향의 시야각 범위를 확대하여 상기 광신호를 송수신하는 것을 특징으로 하는, 소자 시스템.
  17. 광위상배열 기반의 변조된 광신호의 무선 데이터 송수신이 가능한 3차원 영상 센서를 구성하는 소자 시스템에 있어서,
    출력 파장이 서로 다른 레이저 다이오드 어레이 및 상기 레이저 다이오드 어레이에서 취사 선택된 파장을 갖는 광파를 광도파로에 전송하는 멀티플렉서와 동일한 광집적회로 칩 상에 집적되어 광파를 특정 광신호로 변조하는 광변조기;
    광스위치를 통해 수신되는 상기 광신호를 변조가능한 송수신용 안테나 어레이를 이용하여 자유공간으로 방사하는 광위상배열기; 및
    상기 광위상배열기를 통해 송신된 송신 광신호에 의해 수신되는 수신 광신호를 전기 신호로 변환하는 광검출기를 포함하되,
    상기 광위상배열기는
    상기 변조가능한 송수신용 안테나 어레이를 구성하는 각 안테나 사이에 p 또는 n 타입 도핑의 슬랩 영역을 위치시켜 상기 슬랩 영역의 도핑 타입 배치에 따라 수직 방향의 송수신 시야각 범위를 확대시키며,
    상기 소자 시스템은
    상기 광스위치의 각 출력포트에 연결된 서로 다른 격자 주기의 격자 안테나 어레이를 갖는 상기 광위상배열기를 이용하여 상기 송신 광신호의 수직 방향의 송수신을 수행하는, 소자 시스템.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 광위상배열기는
    상기 슬랩 영역의 도핑 타입 배치에 따라 전기 광학(electro-optic) 또는 열 광학(thermo-optic) 효과를 이용하여 송수신용 상기 각 안테나의 유효 굴절률을 변화시켜 안테나 표면의 법선 방향에 따른 수직 방향의 송수신 시야각을 확대시키는 것을 특징으로 하는, 소자 시스템.
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