KR102253244B1 - Device system for constituting 3d image lidar sensor based on transceiving optical phased array - Google Patents

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박효훈
유종범
심준섭
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    • G01S17/00Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/88Lidar systems specially adapted for specific applications
    • G01S17/89Lidar systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging

Abstract

본 발명은 송수신 기능이 통합된 광위상배열(Optical Phased Array; OPA) 기술에 기반하여 3차원 영상을 획득하는 라이다(Light Detection And Ranging; LiDAR) 센서를 구성하는 소자 시스템에 관한 것으로, 기판 상 혹은 칩 상에 구현되어 레이저의 송신 광신호를 송출하는 광원, 상기 송신 광신호에 의해 광학 안테나로부터 수신되는 수신 광신호와 송신 광신호 일부의 기준 광신호를 추출하여 혼합하는 방향성 결합기, 상기 방향성 결합기로부터 공급된 혼합 광신호를 전기 신호로 변환하고, 중간주파수 정보를 출력하는 광검출기, 상기 광원 또는 상기 광학 안테나로부터 수신되는 상기 동위상 광모드를 보강 간섭 조건에서 N 채널 규모로 분기 및 결합하는 광분배기, 송신 동작 또는 수신 동작에 따라 상기 광모드에 순차적인 위상차를 인가하거나, 상기 광모드들의 위상을 위상화하는 위상 제어기 및 상기 위상 제어기를 통해 각 채널의 상기 광모드를 위상차 조건에 따라 처리하는 광학 안테나 배열을 포함한다. The present invention relates to a device system constituting a light detection and ranging (LiDAR) sensor that acquires a 3D image based on an optical phased array (OPA) technology in which a transmission/reception function is integrated. Alternatively, a light source that is implemented on a chip and transmits a transmission optical signal of a laser, a directional coupler that extracts and mixes a reference optical signal of a part of the transmission optical signal and the reception optical signal received from the optical antenna by the transmission optical signal, the directional coupler A photodetector that converts the mixed optical signal supplied from the optical signal into an electrical signal and outputs intermediate frequency information, and the in-phase optical mode received from the light source or the optical antenna is branched and combined on an N-channel scale under constructive interference conditions. A phase controller that sequentially applies a phase difference to the optical mode according to a divider, a transmission operation, or a reception operation, or phases the optical modes, and processes the optical mode of each channel according to a phase difference condition through the phase controller. Includes an optical antenna array.

Figure R1020190152999
Figure R1020190152999

Description

송수신 광위상배열 기반의 3차원 영상 라이다 센서를 구성하는 소자 시스템{DEVICE SYSTEM FOR CONSTITUTING 3D IMAGE LIDAR SENSOR BASED ON TRANSCEIVING OPTICAL PHASED ARRAY}Device system that composes 3D image lidar sensor based on transmission/reception optical phase array {DEVICE SYSTEM FOR CONSTITUTING 3D IMAGE LIDAR SENSOR BASED ON TRANSCEIVING OPTICAL PHASED ARRAY}

본 발명은 송수신 기능이 통합된 광위상배열(Optical Phased Array; OPA) 기술에 기반하여 3차원 영상을 획득하는 라이다(Light Detection And Ranging; LiDAR) 센서를 구성하는 소자 시스템에 관한 것으로, 송수신 광위상배열을 구성하는 단위 요소기술 및 동작 방식에 관한 것이다. The present invention relates to a device system constituting a light detection and ranging (LiDAR) sensor that acquires a 3D image based on an optical phased array (OPA) technology in which a transmission/reception function is integrated. It relates to unit element technology and operation method constituting a phased array.

반도체 집적 기술을 활용하는 광위상배열(OPA) 기술은 거리 정보를 포함하는 3차원 영상을 제공하는 라이다(LiDAR) 센서 기술에 활용 가능하며, 기존의 기계 회전식 레이저빔 스캐너에 비해 저가격화, 초소형화에 유리하다. 다만, 현재까지의 광위상배열 기술은 주로 송신(Tx) 기능만을 제공하는 송신용 광위상배열(Tx-OPA) 기술에 집중되어 왔으므로, 3차원 이미지 센서를 구성하기 위해서는 별도의 수신(Rx) 기술, 광학계 기술 및 신호처리 기술이 필수적으로 요구된다.Optical phase array (OPA) technology using semiconductor integration technology can be used for LiDAR sensor technology that provides 3D images including distance information. It is advantageous for anger. However, since the optical phase array technology up to now has been mainly focused on the transmission optical phase array (Tx-OPA) technology that provides only the transmission (Tx) function, a separate reception (Rx) technology is required to construct a 3D image sensor. Technology, optical system technology and signal processing technology are indispensable.

수신부의 광검출기는 고속 처리 및 저잡음 동작을 위해 소형화되며, 반사빔의 세기가 낮기 때문에 수신감도 향상을 위해 렌즈계 등의 광학계 기술이 필요하며, 렌즈의 굴절에 의한 입사각에 따라 입사동(entrance pupil)의 위치가 달라지기 때문에 고가의 배열 광검출기 기술이 필수적으로 요구된다. 또한, 가시광선보다 장파장에 해당하는 근적외선 파장 영역을 사용하더라도 라이다(LiDAR) 센서가 주간에 사용되는 경우, 태양 빛에서 방출되는 적외선에 의한 간섭 및 인접한 외부의 라이다 센서가 방출하는 레이저빔에 의한 간섭을 배제하는 기술이 추가적으로 요구되었다. The photodetector of the receiver is miniaturized for high-speed processing and low-noise operation, and since the intensity of the reflected beam is low, optical technology such as a lens system is required to improve the reception sensitivity, and the entrance pupil according to the angle of incidence due to refraction of the lens Because the position of the photodetector is different, an expensive array photodetector technology is indispensable. In addition, even if a near-infrared wavelength range corresponding to a longer wavelength than visible light is used, when a LiDAR sensor is used during the day, interference by infrared rays emitted from sunlight and a laser beam emitted by an adjacent external LiDAR sensor An additional technique for excluding interference was required.

이러한 문제를 극복하기 위해 최근에는 동일한 규모의 송신용 광위상배열(Tx-OPA)과 수신용 광위상배열(Rx-OPA)을 분리하여 집적하는 송수신용 광위상배열(Tx/Rx-OPA) 방식으로 거리 정보를 인식하는 센서에 대한 기술이 보고되었다. 하지만, 해당 기술에 사용되는 광 안테나의 종방향 크기(aperture size)는 소규모로 구성되어 탐지 거리에 제한이 존재하며, 독립적인 2개의 광위상배열(OPA)을 구동하기 위한 전력 소모, 소자 면적 및 위상 정합 복잡도 등이 증가한다는 단점이 존재하였다. In order to overcome this problem, recently, the optical phase array for transmission and reception (Tx/Rx-OPA) method that separates and integrates the same-scale optical phase array for transmission (Tx-OPA) and optical phase array for reception (Rx-OPA). As a result, a technology for a sensor that recognizes distance information has been reported. However, the aperture size of the optical antenna used in the technology is small, so there is a limit on the detection distance, power consumption for driving two independent optical phase arrays (OPA), device area, and There is a disadvantage in that the complexity of phase matching increases.

예를 들면, 광위상배열(OPA) 광 안테나의 종방향 크기가 증가되는 경우, 송신 측면에서는 분해능 향상 효과를 가져오며, 수신 측면에서는 수신 효율이 향상되어 최종적으로 송수신 탐지 거리를 증대시킬 수 있다. 특히, 종방향 크기가 수 mm 수준으로 늘어나게 되면 가시거리(<20m) 응용에 한해서는 렌즈 광학계가 없이도 동작이 가능할 수 있다. 그러나, 현재까지의 선행 연구 결과에서 사용하는 광 안테나 구조의 특성상 광 안테나 채널 간의 간섭을 피하기는 어려우며, 광 안테나 종방향 크기는 mm 이하 수준으로 그치는 등의 한계가 존재하였다. For example, when the size of the optical phase array (OPA) optical antenna in the longitudinal direction is increased, a resolution improves effect on a transmission side, and reception efficiency is improved on a reception side, thereby finally increasing a transmission/reception detection distance. In particular, when the size in the longitudinal direction is increased to the level of several mm, it may be possible to operate without a lens optical system only for applications with a viewing distance (<20m). However, due to the characteristics of the optical antenna structure used in the results of previous studies to date, it is difficult to avoid interference between optical antenna channels, and the optical antenna lengthwise size is limited to a level of mm or less.

본 발명의 목적은 종래의 단방향성 송신용 광위상배열(Tx-OPA) 또는 분리형 송수신용 광위상배열(Tx/Rx-OPA)의 비효율성을 개선하기 위한 송수신 통합형 양방향성 광위상배열(TRx-OPA) 구조 및 송수신 효율 향상을 위한 단위소자 구조를 제공하고자 한다. It is an object of the present invention to improve the inefficiency of the conventional unidirectional transmission optical phase arrangement (Tx-OPA) or separate transmission optical phase arrangement (Tx/Rx-OPA). ) To provide a unit device structure to improve the structure and transmission/reception efficiency.

본 발명의 실시예에 따른 송수신 광위상배열 기반의 3차원 영상 라이다 센서를 구성하는 소자 시스템에 포함되는 송수신 광전소자부에 있어서, 기판 상 혹은 칩 상에 구현되어 레이저의 송신 광신호를 송출하는 광원, 상기 송신 광신호에 의해 광학 안테나로부터 수신되는 수신 광신호와 송신 광신호 일부의 기준 광신호를 추출하여 혼합하는 방향성 결합기 및 상기 방향성 결합기로부터 공급된 혼합 광신호를 전기 신호로 변환하고, 중간주파수 정보를 출력하는 광검출기를 포함한다.In the transmission/reception photoelectric device unit included in the device system constituting the 3D image lidar sensor based on the transmission/reception optical phase arrangement according to an embodiment of the present invention, it is implemented on a substrate or on a chip to transmit a laser transmission optical signal. A light source, a directional coupler that extracts and mixes the reference optical signal of a part of the transmission optical signal and the reception optical signal received from the optical antenna by the transmission optical signal, and converts the mixed optical signal supplied from the directional coupler into an electric signal, and intermediate It includes a photodetector that outputs frequency information.

상기 광원은 상기 기판 상에 저 굴절률 상하부 클래드층 및 고 굴절률 도파로층을 포함하는 집적광학칩상에 구현되며, 주파수 변조가 가능할 수 있다. The light source is implemented on an integrated optical chip including a low refractive index upper and lower clad layer and a high refractive index waveguide layer on the substrate, and frequency modulation may be possible.

상기 광원은 주파수 변조된 레이저빔의 상기 송신 광신호를 발생하여 광도파로를 통해 출력하며, 상기 출력되는 송신 광신호 중 일부의 기준 광신호는 상기 방향성 결합기를 통해 결합되고, 나머지 송신 광신호는 송수신 광위상배열부로 도파될 수 있다. The light source generates the transmission optical signal of the frequency-modulated laser beam and outputs it through an optical waveguide, and some of the reference optical signals of the output transmission optical signals are combined through the directional coupler, and the remaining transmission optical signals are transmitted/received. It can be guided by the optical phase arrangement part.

상기 방향성 결합기는 상기 기준 광신호와 상기 광학 안테나로부터 수신되는 상기 수신 광신호 중 일부의 수신 광신호를 결합하여 주파수 차에 해당하는 상기 중간주파수 정보를 획득할 수 있다. The directional coupler may obtain the intermediate frequency information corresponding to a frequency difference by combining the reference optical signal and some of the received optical signals received from the optical antenna.

상기 광검출기는 상기 중간주파수 정보를 출력하며, 상기 소자 시스템은 상기 중간 주파수 정보를 통해 직접적으로 대상과의 거리 정보를 획득하여 상기 거리 정보를 포함하는 3차원 영상을 제공할 수 있다.The photodetector outputs the intermediate frequency information, and the device system directly acquires distance information to a target through the intermediate frequency information and provides a 3D image including the distance information.

본 발명의 실시예에 따른 송수신 광위상배열 기반의 3차원 영상 라이다 센서를 구성하는 소자 시스템에 있어서, 광원 및 광학 안테나를 통해 송신되는 송신 광신호 일부의 기준 광신호와 상기 송신 광신호에 의해 수신되는 수신 광신호를 혼합하여 중간주파수 정보를 출력하는 송수신 광전소자부 및 상기 광원 또는 상기 광학 안테나로부터 수신되는 동위상 광모드를 N 채널 규모로 분기 및 결합하며, 송신 동작 또는 수신 동작에 따른 광모드의 위상을 제어하여 위상차 조건에 따라 처리하는 송수신 광위상배열부를 포함한다.In the device system for configuring a 3D image lidar sensor based on a transmission/reception optical phase array according to an embodiment of the present invention, a reference optical signal of a part of a transmission optical signal transmitted through a light source and an optical antenna and the transmission optical signal The transceiving photoelectric device unit for outputting intermediate frequency information by mixing received optical signals and the in-phase optical mode received from the light source or the optical antenna are branched and combined in an N-channel scale, and light according to a transmission operation or a reception operation It includes a transmission/reception optical phase arrangement unit that controls the phase of the mode and processes according to the phase difference condition.

상기 송수신 광전소자부는 기판 상 혹은 칩 상에 구현되어 레이저의 상기 송신 광신호를 송출하는 상기 광원, 상기 송신 광신호에 의해 상기 광학 안테나로부터 수신되는 상기 수신 광신호와 상기 송신 광신호 일부의 기준 광신호를 추출하여 혼합하는 방향성 결합기 및 상기 방향성 결합기로부터 공급된 혼합 광신호를 전기 신호로 변환하고, 중간주파수 정보를 출력하는 광검출기를 포함할 수 있다. The transmit/receive photoelectric device unit is implemented on a substrate or on a chip, and the light source for transmitting the transmission optical signal of a laser, the reception optical signal received from the optical antenna by the transmission optical signal and the reference light of a part of the transmission optical signal A directional coupler for extracting and mixing signals, and a photodetector for converting the mixed optical signal supplied from the directional coupler into an electric signal and outputting intermediate frequency information.

상기 송수신 광위상배열부는 상기 광원 또는 상기 광학 안테나로부터 수신되는 상기 동위상 광모드를 보강 간섭 조건에서 N 채널 규모로 분기 및 결합하는 광분배기, 송신 동작 또는 수신 동작에 따라 상기 광모드에 순차적인 위상차를 인가하거나, 상기 광모드들의 위상을 위상화하는 위상 제어기 및 상기 위상 제어기를 통해 각 채널의 상기 광모드를 위상차 조건에 따라 처리하는 광학 안테나 배열을 포함할 수 있다. The transmission/reception optical phase array unit is an optical splitter that branches and combines the in-phase optical mode received from the light source or the optical antenna at an N-channel scale under constructive interference conditions, and a phase difference sequentially between the optical modes according to a transmission operation or a reception operation. It may include a phase controller that applies or phases the phases of the optical modes, and an optical antenna array that processes the optical modes of each channel through the phase controller according to a phase difference condition.

상기 위상 제어기는 송신 동작 시, 상기 광학 안테나에서 특정 방향으로 상기 송신 광신호를 방사하기 위해 상기 광분배기로부터 분기된 N 채널 동위상 광모드에 순차적인 위상차를 인가할 수 있다. During a transmission operation, the phase controller may apply a sequential phase difference to the N-channel in-phase optical mode branched from the optical splitter in order to radiate the transmission optical signal from the optical antenna in a specific direction.

상기 위상 제어기는 수신 동작 시, 상기 광학 안테나를 통해 특정 방향에서 수신되어 각 채널에서의 순차적 위상차를 나타내는 상기 광모드의 위상을 동위상화할 수 있다. During a reception operation, the phase controller may in-phase the phase of the optical mode, which is received in a specific direction through the optical antenna and represents a sequential phase difference in each channel.

상기 광학 안테나 배열은 상기 위상 제어기를 통과하여 순차적 위상차를 나타내는 각 채널의 상기 광모드를 자유공간 상에 방사하여 위상차 조건에 따라 특정 방향으로 지향시키거나, 특정 방향으로부터 입사되는 상기 수신 광신호를 수광하여 각 채널에서 순차적 위상차를 가지도록 제공할 수 있다. The optical antenna array passes through the phase controller and radiates the optical modes of each channel representing a sequential phase difference onto a free space, and directs the optical mode in a specific direction according to a phase difference condition, or receives the received optical signal incident from a specific direction. Thus, it can be provided to have a sequential phase difference in each channel.

상기 광학 안테나 배열은 배열 종 방향 크기 증가에 유리한 나노홀 - 체인 안테나 구조를 나타낼 수 있다. The optical antenna array may exhibit a nano-hole-chain antenna structure that is advantageous in increasing the size of the array in the longitudinal direction.

상기 광학 안테나 배열은 복수의 홀(hole)을 나타내는 공동 구조로 형성되어 복수의 채널들 간의 간격을 최소화하여 넓은 횡방향 광시야각을 제공하는 협소한 단위 채널을 제공할 수 있다. The optical antenna array may be formed in a cavity structure representing a plurality of holes, thereby minimizing a gap between a plurality of channels to provide a narrow unit channel providing a wide horizontal viewing angle.

상기 광학 안테나 배열은 상기 복수의 채널들 간의 간섭 최소화를 통해 종 방향의 안테나 구경을 확대할 수 있다. The optical antenna array may enlarge the aperture of the antenna in the longitudinal direction by minimizing interference between the plurality of channels.

본 발명의 실시예에 따른 송수신 광위상배열 기반의 3차원 영상 라이다 센서를 구성하는 소자 시스템에 있어서, 기판 상 혹은 칩 상에 구현되어 레이저의 송신 광신호를 송출하는 광원, 상기 송신 광신호에 의해 광학 안테나로부터 수신되는 수신 광신호와 송신 광신호 일부의 기준 광신호를 추출하여 혼합하는 방향성 결합기, 상기 방향성 결합기로부터 공급된 혼합 광신호를 전기 신호로 변환하고, 중간주파수 정보를 출력하는 광검출기, 상기 광원 또는 상기 광학 안테나로부터 수신되는 상기 동위상 광모드를 보강 간섭 조건에서 N 채널 규모로 분기 및 결합하는 광분배기, 송신 동작 또는 수신 동작에 따라 상기 광모드에 순차적인 위상차를 인가하거나, 상기 광모드들의 위상을 위상화하는 위상 제어기 및 상기 위상 제어기를 통해 각 채널의 상기 광모드를 위상차 조건에 따라 처리하는 광학 안테나 배열을 포함한다. In the device system for configuring a 3D image lidar sensor based on a transmission/reception optical phase arrangement according to an embodiment of the present invention, a light source that is implemented on a substrate or on a chip to transmit a transmission optical signal of a laser, and the transmission optical signal A directional coupler that extracts and mixes the reference optical signal of a part of the reception optical signal and the transmission optical signal received from the optical antenna by means of a directional coupler, and a photodetector that converts the mixed optical signal supplied from the directional coupler into an electrical signal and outputs intermediate frequency information , An optical splitter for branching and combining the in-phase optical mode received from the light source or the optical antenna at an N-channel scale under constructive interference conditions, applying a phase difference sequentially to the optical mode according to a transmission operation or a reception operation, or And a phase controller for phasing the phases of the optical modes, and an optical antenna array for processing the optical modes of each channel through the phase controller according to a phase difference condition.

본 발명의 실시예에 따르면, 레이저빔 송신과 반사빔 수신 동작을 수행하는 단일의 광위상배열(OPA)을 구현하며, 단일 광위상배열만으로 송수신 동작을 수행함으로써, 전력 소모를 낮추고, 정확한 송신부 및 수신부의 위상 정합이 불필요해 신호처리 복잡도를 낮출 수 있다. According to an embodiment of the present invention, a single optical phase arrangement (OPA) for performing laser beam transmission and reflection beam reception is implemented, and by performing a transmission/reception operation with only a single optical phase arrangement, power consumption is reduced, and an accurate transmission unit and Since phase matching of the receiver is unnecessary, signal processing complexity can be reduced.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 완전흡수 도파로를 포함하는 방향성 결합기를 포함하여 광원(송신부) 및 광검출기(수신부)를 격리시킴으로써, 송신부와 수신부의 간섭을 최소화할 수 있다. In addition, according to an embodiment of the present invention, by isolating a light source (transmitter) and a photodetector (receiver) including a directional coupler including a fully absorbing waveguide, interference between the transmitter and the receiver can be minimized.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 종방향 크기 증가에 따른 수직 분해능 향상과 채널간 간격을 최소화에 횡방향 시야각 확대에 유리한 나노홀 - 체인 구조 안테나 구조의 광학 안테나 배열을 포함함으로써, 감지거리를 향상시킬 수 있다. In addition, according to an embodiment of the present invention, by including an optical antenna array of a nano-hole-chain structure antenna structure, which is advantageous for increasing the horizontal viewing angle in order to improve the vertical resolution according to the increase in the size in the vertical direction and minimize the interval between channels, the sensing distance is reduced. Can be improved.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 송수신 광위상배열 기반의 3차원 영상 라이다 센서를 구성하는 소자 시스템을 통해 저가 및 대량 생산에 이점을 가지는 실리콘 CMOS 프로세스를 활용할 수 있다. In addition, according to an embodiment of the present invention, a silicon CMOS process having advantages in low cost and mass production may be utilized through a device system constituting a 3D image lidar sensor based on a transmission/reception optical phase array.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 송수신 광위상배열 기반의 3차원 영상 라이다 센서를 구성하는 소자 시스템의 구성도를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 송수신 광전소자부 및 광위상배열부를 포함하는 소자 시스템을 설명하기 위해 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 주파수 변조 방식을 통해 대상과의 거리를 탐지하는 원리를 설명하기 위해 도시한 것이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 방향성 결합기 및 도파로를 설명하기 위해 도시한 것이다.
도 6, 도 7a 및 도 7b는 본 발명의 실시예에 따른 나노홀 - 체인 안테나 배열의 구조를 도시한 것이다.
1 is a block diagram of a device system constituting a three-dimensional image lidar sensor based on a transmission/reception optical phase arrangement according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram illustrating a device system including a transmission/reception photoelectric device unit and an optical phase arrangement unit according to an exemplary embodiment of the present invention.
3 is a diagram illustrating a principle of detecting a distance to an object through a frequency modulation scheme according to an embodiment of the present invention.
4 and 5 are views for explaining a directional coupler and a waveguide according to an embodiment of the present invention.
6, 7A and 7B illustrate the structure of a nano-hole-chain antenna array according to an embodiment of the present invention.

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.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited or limited by the embodiments. In addition, the same reference numerals shown in each drawing indicate the same member.

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. In addition, terms used in the present specification are terms used to properly express preferred embodiments of the present invention, which may vary according to the intention of viewers or operators, or customs in the field to which the present invention belongs. Therefore, definitions of these terms should be made based on the contents throughout the present specification.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 송수신 광위상배열 기반의 3차원 영상 라이다 센서를 구성하는 소자 시스템의 구성도를 도시한 것이다.1 is a block diagram of a device system constituting a 3D image lidar sensor based on a transmission/reception optical phase arrangement according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 송수신 광위상배열 기반의 3차원 영상 라이다 센서를 구성하는 소자 시스템은 광원 및 광검출기의 연동성을 제공하는 송수신 광전소자부(TRx-OE(Optical Electrical)) 및 레이저빔 스캐닝을 수행하는 송수신 광위상배열부(TRx-OPA(Optical Phased Array))로 분류될 수 있다. 이를 위해, 본 발명의 실시예에 따른 송수신 광위상배열 기반의 3차원 영상 라이다 센서를 구성하는 소자 시스템(100)은 광원(110), 광검출기(120), 방향성 결합기(130), 광분배기(140), 위상 제어기(150) 및 광학 안테나 배열(160)을 포함한다. 나아가, 본 발명의 실시예에 따른 송수신 광위상배열 기반의 3차원 영상 라이다 센서를 구성하는 소자 시스템(100)을 구성하는 송수신 광전소자부(TRx-OE)는 광원(110), 광검출기(120) 및 방향성 결합기(130)를 포함하며, 송수신 광위상배열부(TRx-OPA)는 광분배기(140), 위상 제어기(150) 및 광학 안테나 배열(160)을 포함한다. Referring to FIG. 1, a device system constituting a 3D image lidar sensor based on a transmission/reception optical phase arrangement according to an embodiment of the present invention is a transmission/reception photoelectric device unit (TRx-OE) that provides interoperability between a light source and a photodetector. Electrical)) and a transmission/reception optical phase array unit (TRx-OPA (Optical Phased Array)) that performs laser beam scanning. To this end, the device system 100 constituting a 3D image lidar sensor based on a transmission/reception optical phase arrangement according to an embodiment of the present invention includes a light source 110, a photodetector 120, a directional coupler 130, and an optical splitter. 140, a phase controller 150, and an optical antenna array 160. Further, the transmission/reception photoelectric device unit (TRx-OE) constituting the device system 100 constituting the 3D image lidar sensor based on the transmission/reception optical phase arrangement according to an embodiment of the present invention includes a light source 110 and a photodetector ( 120 and a directional coupler 130, and the transmission/reception optical phase array unit TRx-OPA includes an optical splitter 140, a phase controller 150, and an optical antenna array 160.

본 발명의 실시예에 따른 송수신 광위상배열 기반의 3차원 영상 라이다 센서를 구성하는 소자 시스템(100)은 단일 광위상배열(OPA)을 활용하는 것을 특징으로 하며, 이를 통해 레이저빔 송신과 반사빔 수신을 동시에 수행하는 송수신 통합형 OPA(송수신 광위상배열부(TRx-OPA))를 제공한다.The device system 100 constituting a 3D image lidar sensor based on a transmission/reception optical phase arrangement according to an embodiment of the present invention is characterized by utilizing a single optical phase arrangement (OPA), through which laser beam transmission and reflection It provides a transmission/reception integrated OPA (transmission/reception optical phase array unit (TRx-OPA)) that simultaneously performs beam reception.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 송수신 광위상배열 기반의 3차원 영상 라이다 센서를 구성하는 소자 시스템(100)은 광 안테나의 종 방향 크기 증가와 안테나 채널간 간격 최소화에 유리하도록 공동 구조(Nano-hole chain)를 가지는 광학 안테나 배열의 구조를 포함함으로써, 지향성 및 광시야각 반사빔 수광에 유리하고, 송신을 위한 레이저 다이오드(또는 광원, Laser Diode; LD, 110)와 수신을 위한 포토 다이오드(또는 광검출기, PhotoDiode; PD, 120)의 격리를 위해 방향성 결합기(130) 구조를 제안한다. 이때, PD는 혼합 분기된 차동 광신호를 수신하기 위해 밸런스 형태로 구성될 수 있다.In addition, the element system 100 constituting a 3D image lidar sensor based on a transmission/reception optical phase array according to an embodiment of the present invention has a cavity structure (Nano By including a structure of an optical antenna array having a -hole chain, it is advantageous for receiving the directional and wide-view angle reflected beam, and a laser diode (or light source, Laser Diode; LD, 110) for transmission and a photodiode (or To isolate the photodetector, PhotoDiode; PD, 120, the structure of the directional coupler 130 is proposed. In this case, the PD may be configured in a balanced form to receive a mixed and branched differential optical signal.

광원(110)은 기판 외부(예를 들면, 칩) 혹은 기판 상에 구현되어 레이저의 송신 광신호를 송출하며 주파수 변조가 가능할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 소자 시스템(100)은 실리콘 기판 또는 광집적회로(photonic integrated circuit; PIC) 칩 상에 각 구성요소(광원(110), 광검출기(120), 방향성 결합기(130), 광분배기(140), 위상 제어기(150) 및 광학 안테나 배열(160))를 포함할 수 있다.The light source 110 may be implemented outside a substrate (eg, a chip) or on a substrate to transmit a laser transmission optical signal and perform frequency modulation. The device system 100 according to the embodiment of the present invention includes components (light source 110, photodetector 120, directional coupler 130) on a silicon substrate or a photonic integrated circuit (PIC) chip. An optical splitter 140, a phase controller 150, and an optical antenna array 160 may be included.

이때, 광원(110)은 레이저빔을 송출하는 레이저(Laser)일 수 있다. 광원(110)은 레이저빔의 주파수를 변조하며, 주파수 변조된 레이저빔의 송신 광신호를 발생하여 광도파로를 통해 출력할 수 있다. 이에, 출력되는 송신 광신호 중 일부의 송신 광신호는 방향성 결합기(130)를 통해 광검출기(120)에 결합되고, 나머지 송신 광신호는 송수신 광위상배열부(140, 150, 160)로 도파될 수 있다. 송신 광신호의 결합 및 도파에 대해서는 이하의 방향성 결합기(130)를 통해 상세히 설명하고자 한다. In this case, the light source 110 may be a laser that transmits a laser beam. The light source 110 modulates the frequency of the laser beam, generates a transmission optical signal of the frequency-modulated laser beam, and outputs it through an optical waveguide. Accordingly, some of the transmitted optical signals among the output transmission optical signals are coupled to the photodetector 120 through the directional coupler 130, and the remaining transmitted optical signals are guided to the transmission/reception optical phase arrangement units 140, 150, and 160. I can. The combination of the transmission optical signal and the waveguide will be described in detail through the directional coupler 130 below.

방향성 결합기(130)는 광원(110)으로부터 송신된 송신 광신호의 일부인 기준 광신호와 광위상배열부(140, 150, 160)를 통해 수신된 수신 광신호를 2x2 MMI에 결합하는 역할을 하며 상기 MMI의 2 port 출구를 통해 광검출기(120)로 혼합 광신호를 공급하여 중간주파수 정보를 획득하게끔 할 수 있다. 이때, 방향성 결합기의 신호 분기비는 수신감도를 최대화하는 값으로 조정될 수 있다. 광검출기(120)는 상기 방향성 결합기(130)을 통해 송신 광신호에 의해 광학 안테나로부터 수신되는 수신 광신호와 상기 기준 광신호가 혼합된 혼합 광신호를 수신하여 전기 신호로 변환한다. 광검출기(120)가 수신한 혼합 광신호에 실려 있는 중간주파수 정보를 출력할 수 있으며 밸런스(balenced) 구조를 가질 수 있다. The directional coupler 130 combines the reference optical signal, which is a part of the transmission optical signal transmitted from the light source 110, and the received optical signal received through the optical phase arrangement unit 140, 150, 160, to a 2x2 MMI. It is possible to obtain intermediate frequency information by supplying a mixed optical signal to the photodetector 120 through the 2 port exit of the MMI. In this case, the signal branch ratio of the directional coupler may be adjusted to a value that maximizes reception sensitivity. The photodetector 120 receives a mixed optical signal in which a received optical signal received from an optical antenna and the reference optical signal are mixed by a transmission optical signal through the directional coupler 130 and converts it into an electrical signal. The photodetector 120 may output intermediate frequency information carried in the mixed optical signal received and may have a balanced structure.

예를 들면, 광원(110)을 통해 송출되는 송신 광신호 중에서 99 대 1의 비율로 1의 기준 광신호는 방향성 결합기(130)에 주입되고, 수신되는 수신 광신호 중에서 50 대 50의 비율로 50의 수신 광신호 또한 방향성 결합기(130)에 주입될 수 있다. 이에, 방향성 결합기(130)는 1의 비율인 기준 광신호와 50의 비율인 수신 광신호의 주파수 차이로부터 광검출기(120)는 중간주파수 값을 획득할 수 있게 된다. 방향성 결합기(130)에 결합된 기준 광신호의 위상은 최대 수신감도 획들을 위해 위상 제어기(150)에 의해 조절될 수 있다. 광검출기(120)는 혼합신호에 포함된 중간주파수 정보를 출력하며, 본 발명의 실시예에 따른 소자 시스템(100)은 중간 주파수 정보를 통해 직접적으로 대상(object)과의 거리 정보를 획득하여 거리 정보를 포함하는 3차원 영상을 제공할 수 있다.For example, a reference optical signal of 1 in the ratio of 99 to 1 among the transmitted optical signals transmitted through the light source 110 is injected into the directional coupler 130, and 50 in the ratio of 50 to 50 among the received optical signals. The received optical signal of may also be injected into the directional coupler 130. Accordingly, the directional coupler 130 may obtain an intermediate frequency value from a frequency difference between the reference optical signal having a ratio of 1 and a received optical signal having a ratio of 50. The phase of the reference optical signal coupled to the directional coupler 130 can be adjusted by the phase controller 150 for maximum reception sensitivity strokes. The photodetector 120 outputs intermediate frequency information included in the mixed signal, and the device system 100 according to an embodiment of the present invention directly acquires distance information to an object through the intermediate frequency information A 3D image including information may be provided.

광분배기(140)는 광원(110)으로부터 송신되거나 광학 안테나로부터 수신되는 동위상 광모드를 보강 간섭 조건에서 N 채널 규모로 분기 및 결합한다. The optical splitter 140 divides and combines the in-phase optical mode transmitted from the light source 110 or received from the optical antenna on an N-channel scale under constructive interference conditions.

위상 제어기(150)는 송신 동작 또는 수신 동작에 따라 광모드에 순차적인 위상차를 인가하거나, 광모드들의 위상을 동위상화한다. The phase controller 150 sequentially applies a phase difference to the optical mode according to a transmission operation or a reception operation, or phases the optical modes in phase.

예를 들면, 위상 제어기(150)는 송신 동작 시, 광학 안테나에서 특정 방향으로 송신 광신호를 방사하기 위해 광분배기(140)로부터 분기된 N 채널 동위상 광모드에 순차적인 위상차를 인가할 수 있다. 또한, 위상 제어기(150)는 수신 동작 시, 광학 안테나를 통해 특정 방향에서 수신되어 각 채널에서의 순차적 위상차를 나타내는 광모드의 위상을 동위상화할 수 있다. For example, the phase controller 150 may sequentially apply a phase difference to the N-channel in-phase optical mode branched from the optical splitter 140 in order to radiate a transmission optical signal from the optical antenna in a specific direction during a transmission operation. . In addition, during the reception operation, the phase controller 150 may in-phase the phase of the optical mode, which is received in a specific direction through an optical antenna and represents a sequential phase difference in each channel.

광학 안테나 배열(160)은 위상 제어기(150)를 통과하여 순차적 위상차를 나타내는 각 채널의 광모드를 자유공간 상에 방사하여 위상차 조건에 따라 특정 방향으로 지향시키거나, 특정 방향으로부터 입사되는 수신 광신호를 수광하여 각 채널에서 송신 시 설정된 순차적 위상차를 통해 동위상화를 제공할 수 있다. The optical antenna array 160 passes through the phase controller 150 and radiates an optical mode of each channel representing a sequential phase difference onto a free space and directs it in a specific direction according to a phase difference condition, or a received optical signal incident from a specific direction. It is possible to receive in-phase through the sequential phase difference set during transmission in each channel.

예를 들면, 방향성 결합기(130)를 통해 광분배기(140)를 지나 위상 제어기(150)로부터 위상변조된 송신 광신호는 광학 안테나 배열(160)을 통해 자유공간으로 방사(송신)될 수 있으며, 자유공간으로 방사된 광신호는 특정 물체(object)를 맞고 반사된 뒤, 다시 광학 안테나 배열(160)을 통해 위상 제어기(150)로 입사(수신)되어 동위상화될 수 있다. 이에, 수신 광신호는 광분배기(140) 및 방향성 결합기(130)로 향하며, 방향성 결합기(130)를 통해 획득되는 중간주파수 정보는 광검출기(120)를 통해 전기 신호로 변환되어 검출될 수 있다. For example, the transmitted optical signal phase-modulated from the phase controller 150 passing through the optical splitter 140 through the directional coupler 130 may be radiated (transmitted) into the free space through the optical antenna array 160, The optical signal radiated into the free space may hit a specific object and be reflected, and then incident (received) to the phase controller 150 through the optical antenna array 160 to be in-phase. Accordingly, the received optical signal is directed to the optical splitter 140 and the directional coupler 130, and intermediate frequency information obtained through the directional coupler 130 may be converted into an electric signal through the photodetector 120 and detected.

본 발명의 실시예에 따른 광학 안테나 배열(160)은 배열 종 방향 크기 증가에 유리한 나노홀 - 체인 안테나 구조를 나타낼 수 있다. The optical antenna array 160 according to an embodiment of the present invention may exhibit a nano-hole-chain antenna structure that is advantageous for increasing the size in the longitudinal direction of the array.

광학 안테나 배열(160)은 복수의 채널들을 포함하며, 복수의 채널들 각각은 복수의 홀(hole)을 나타내는 공동 구조로 형성되어 복수의 채널들 간의 간격을 최소화하는 협소한 단위 채널간 간격을 제공할 수 있어 횡방향 광시야각 달성에 유리하다. 광학 안테나 배열(160)은 구멍 형상의 공동 구조를 포함함으로써, 채널간 저간섭성을 제공하여 종 방향의 안테나 구경을 확대하기에 용이하며, 복수의 채널(또는 광 발산기)들 간에 간섭을 최소화할 수 있다. 이를 통해, 광학 안테나 배열(160)은 수직 방향 안테나 구경 확대하기에 용이함으로써, 종방향(또는 수직방향) 분해능을 향상할 수 있다. The optical antenna array 160 includes a plurality of channels, and each of the plurality of channels is formed in a cavity structure representing a plurality of holes to provide a narrow unit-channel spacing that minimizes the spacing between the plurality of channels. It is advantageous in achieving a wide viewing angle in the horizontal direction. The optical antenna array 160 includes a hole-shaped cavity structure, providing low interference between channels, making it easy to enlarge the antenna aperture in the longitudinal direction, and minimizing interference between a plurality of channels (or light emitters). can do. Through this, the optical antenna array 160 is easy to enlarge the aperture of the antenna in the vertical direction, thereby improving the resolution in the longitudinal direction (or in the vertical direction).

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 송수신 광전소자부 및 광위상배열부를 포함하는 소자 시스템을 설명하기 위해 도시한 것이며, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 주파수 변조 방식을 통해 대상과의 거리를 탐지하는 원리를 설명하기 위해 도시한 것이다.2 is a diagram illustrating a device system including a transmission/reception photoelectric device unit and an optical phase arrangement unit according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a distance to a target through a frequency modulation method according to an embodiment of the present invention. It is shown to explain the principle of detection.

본 발명의 실시예에 따른 3차원 영상 라이다 센서를 구성하는 소자 시스템(100)은 도 2에 도시된 바와 같이, 광원 또는 레이저(LD, 110) 및 광검출기(PD, 120)의 연동성을 제공하는 송수신 광전소자부(TRx-OE, 200)와 레이저빔을 송신(Tx)하고, 수신(Rx)하는 기능을 단일 광위상배열(OPA)에 통합하는 송수신 광위상배열부(TRx-OPA, 300)로 분류되어 레이저빔의 가간섭성 송수신 효과를 통해 대상(Target)과의 거리를 정밀 측정할 수 있다.The device system 100 constituting a 3D image lidar sensor according to an embodiment of the present invention provides interoperability between a light source or a laser (LD, 110) and a photodetector (PD, 120), as shown in FIG. Transmitting/receiving photoelectric element unit (TRx-OE, 200) and transceiving optical phase array unit (TRx-OPA, 300) that integrates the functions of transmitting (Tx) and receiving (Rx) laser beams into a single optical phase array (OPA). ), it is possible to accurately measure the distance to the target through the coherent transmission/reception effect of the laser beam.

본 발명의 실시예에 따른 송수신 광위상배열부(TRx-OPA, 300)는 실리콘 반도체 기술에 기반하여 모노리식(monolithic) 집적 방식으로 제작이 가능하며, 수광부의 렌즈를 배제하여 초소형 및 초박형화를 실현할 수 있다. 송수신 광위상배열부(TRx-OPA, 300)의 초입부는 서로 연동하는 광원 또는 레이저(LD, 110) 및 광검출기(PD, 120)로 구성되어 본 발명의 실시예에 따른 소자 시스템(100)은 하드웨어적으로 거리 정보를 획득할 수 있으며, 이를 통해 3차원 이미지를 획득하는 라이다(LiDAR) 센서를 구현할 수 있다. The transmission/reception optical phase array unit (TRx-OPA, 300) according to an embodiment of the present invention can be manufactured in a monolithic integration method based on silicon semiconductor technology, and miniaturization and ultra-thinness are achieved by excluding the lens of the light receiving unit. Can be realized. The initial part of the transceiving optical phase arrangement unit (TRx-OPA, 300) is composed of a light source or laser (LD, 110) and a photodetector (PD, 120) interlocking with each other, and the device system 100 according to the embodiment of the present invention is Distance information can be acquired by hardware, and a LiDAR sensor that acquires a 3D image can be implemented through this.

송수신 광전소자부(TRx-OE, 200)는 주파수 변조가 가능한 광원(LD, 110)과 높은 수신감도를 제공하는 광검출기(PD, 120) 집적 구조로 구성되며, 광원(LD) - 광검출기(PD) 연동 및 중간 주파수 획득을 위한 방향성 결합기(130)를 포함한다. The transceiver photoelectric device unit (TRx-OE, 200) is composed of a light source (LD, 110) capable of frequency modulation and an integrated structure of a photodetector (PD, 120) providing high reception sensitivity, and a light source (LD)-photodetector ( PD) includes a directional coupler 130 for interlocking and intermediate frequency acquisition.

송수신 광위상배열부(TRx-OPA, 300)는 다채널 광 분기를 위한 광분배기, 빛의 위상 제어를 통해 광위상배열(OPA)의 횡방향 조향성을 조절하는 위상 제어기, 및 넓은 광시야각과 높은 분해능, 그리고 수직 방향 가변성을 나타내는 광학 안테나 배열의 집적 구조를 포함한다. The transceiving optical phase array unit (TRx-OPA, 300) is an optical splitter for multi-channel optical branching, a phase controller that adjusts the lateral steering of the optical phase array (OPA) through phase control of light, and a wide viewing angle and high It includes an integrated structure of an optical antenna array that exhibits resolution, and vertical variability.

여기서, 송수신 광전소자부(TRx-OE, 200)의 광원(FMCW-LD, 110)는 주파수 변조된 레이저빔을 발생하여 광도파로를 통해 출력하며, 이때 일부의 빛(송신 광신호)이 방향성 결합기(130)를 통해 결합되고, 나머지 빛(송신 광신호)은 송수신 광위상배열부(TRx-OPA, 300)로 도파된다. 이에 따라, 송수신 광위상배열부(TRx-OPA, 300)는 송수신 광전소자부(TRx-OE, 200)로부터 전송된 빛을 광분배기를 통해 N 개의 채널로 분기하고, N 개의 위상 제어기를 통해 독립적으로 각 채널의 위상을 제어할 수 있다. 각기 독립적으로 위상 제어된 빛은 N 개의 배열 안테나에 공급되어 자유공간 상으로 발산하며, 위상 제어의 정도에 따라 횡방향 조향성을 가질 수 있다. Here, the light source (FMCW-LD, 110) of the transmission/reception photoelectric device unit (TRx-OE, 200) generates a frequency-modulated laser beam and outputs it through an optical waveguide, and at this time, some light (transmission optical signal) is a directional coupler. It is coupled through 130, and the remaining light (transmitting optical signal) is guided to the transmit/receive optical phase arrangement unit (TRx-OPA, 300). Accordingly, the transmission/reception optical phase arrangement unit (TRx-OPA, 300) diverges the light transmitted from the transmission/reception photoelectric device unit (TRx-OE, 200) into N channels through the optical splitter, and independently through the N phase controllers. You can control the phase of each channel. Each independently phase-controlled light is supplied to the N array antennas and radiates into free space, and may have lateral steering according to the degree of phase control.

이후에, 탐지하고자 하는 대상(Target)에 레이저빔이 도달하여 형성된 반사빔을 송수신 광위상배열부(TRx-OPA, 300)의 광학 안테나 배열을 통해 수광하며, 광분배기를 통해 결합된 단일 모드로 송수신 광전소자부(TRx-OE, 200)에 수신할 수 있다. 송수신 광전소자부(TRx-OE, 200)에 수신된 빛(수신 광신호)는 방향성 결합기(130)에서 기존의 광원(LD, 110) 중 일부 분배된 빛(일부의 송신 광신호)과 결합하게 되면서 주파수 차에 해당하는 중간주파수 정보가 혼합신호에 포함될 수 있도록 하며, 광검출기(Balanced-PD, 120)는 상기 혼합신호의 중간주파수 값을 출력할 수 있다. 이에, 본 발명의 실시예에 따른 소자 시스템(100)은 중간 주파수 값을 통해 직접적으로 대상(Target)과의 거리 정보를 획득할 수 있다. Thereafter, the reflected beam formed by the laser beam reaching the target to be detected is received through the optical antenna array of the transmission/reception optical phase array unit (TRx-OPA, 300), and a single mode combined through the optical splitter It may be received by the transceiving photoelectric device unit TRx-OE 200. The light (received optical signal) received by the transceiving photoelectric device unit (TRx-OE, 200) is combined with some distributed light (some transmitted optical signal) of the existing light sources (LD, 110) in the directional coupler 130. As a result, intermediate frequency information corresponding to the frequency difference may be included in the mixed signal, and the photodetector (Balanced-PD) 120 may output an intermediate frequency value of the mixed signal. Accordingly, the device system 100 according to the exemplary embodiment of the present invention may directly obtain distance information from the target through the intermediate frequency value.

도 2를 참조하면, 전술한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 소자 시스템(100)의 동작 개념도를 확인할 수 있으며, 광원(LD, 110)에서 출력된 빛(송신 광신호)는 송수신 광위상배열부(TRx-OPA, 300)를 통해 자유공간 상의 대상(Target)을 탐지하며, 반사된 빛(수신 광신호)을 수광하여 광검출기(PD, 120)에서 수신한다.Referring to FIG. 2, a conceptual diagram of the operation of the device system 100 according to the embodiment of the present invention as described above can be confirmed, and light (transmission optical signal) output from the light sources LD and 110 is transmitted/received optical phase arrangement. A target in free space is detected through the unit (TRx-OPA, 300), and reflected light (received optical signal) is received and received by the photodetector (PD, 120).

이에, 본 발명의 실시예에 따른 소자 시스템(100)은 도 3에 도시된 바와 같이, 광원(LD, 110)의 주파수가 증가하는 영역에서 발생하는 fdn(Down-interval beat frequency) 값과 광원(LD, 110)의 주파수가 하강하는 영역에서 발생하는 fup(Up-interval beat frequency) 값을 통해 대상(Target)과의 거리 정보를 획득할 수 있다. Accordingly, as shown in FIG. 3, the device system 100 according to the embodiment of the present invention includes a down-interval beat frequency (fdn) value and a light source ( Distance information from a target may be obtained through an up-interval beat frequency (fup) value occurring in a region in which the frequency of the LD 110 falls.

도 4 및 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 방향성 결합기 및 도파로를 설명하기 위해 도시한 것이다.4 and 5 are views for explaining a directional coupler and a waveguide according to an embodiment of the present invention.

보다 상세하게는, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 광원 및 광검출기 격리를 위한 방향성 결합기의 구조를 도시한 것이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 완전흡수 도파로의 구조를 도시한 것이다.More specifically, FIG. 4 shows a structure of a directional coupler for isolating a light source and a photodetector according to an embodiment of the present invention, and FIG. 5 shows a structure of a fully absorbing waveguide according to an embodiment of the present invention. .

도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 방향성 결합기는 제1 영역(410) 및 제2 영역(420)에서 송신 광신호 중 일부의 기준 광신호와 수신 광신호 중 일부의 수신 광신호를 결합하며, 양 측 하단에는 도 5에 도시된 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 완전흡수 도파로(Perfect Absorber; PA)를 포함할 수 있다. 결합된 기준 광신호는 위상 제어기(430)에 의해 최적의 조건으로 위상제어 되어 수신감도 향상을 실현할 수 있다. Referring to FIG. 4, the directional coupler according to an embodiment of the present invention may generate a reference optical signal of some of the transmitted optical signals and a received optical signal of some of the received optical signals in the first region 410 and the second region 420. Combined, and at the lower ends of both sides, a perfect absorber (PA) according to an embodiment of the present invention may be included as shown in FIG. 5. The combined reference optical signal is phase-controlled under optimal conditions by the phase controller 430 to realize an improvement in reception sensitivity.

예를 들면, 광원을 통해 송신 광신호가 송출되는 경우 좌측에서 우측으로 광도파로에서 빛이 입사되며, 제1 영역(410)에서 99 대 1의 비율로 1의 송신 광신호는 방향성 결합기에 주입되고, 나머지 99의 송신 광신호는 안테나를 통해 자유공간으로 송출될 수 있다. 이후에, 자유공간에서 안테나로 수신 광신호가 수신되는 경우 우측에서 좌측으로 광도파로에서 빛이 입사되며, 제2 영역(420)에서 50 대 50의 비율로 50의 수신 광신호는 방향성 결합기에 주입되고, 나머지 50의 수신 광신호는 완전흡수 도파로(PA)에 주입되어 제거된다. 이는 노이즈를 없애기 위한 것이다.For example, when a transmission optical signal is transmitted through a light source, light is incident from the optical waveguide from left to right, and a transmission optical signal of 1 is injected into the directional coupler at a ratio of 99 to 1 in the first region 410, The remaining 99 transmit optical signals may be transmitted to the free space through an antenna. Thereafter, when the received optical signal is received from the antenna in the free space, light is incident from the optical waveguide from right to left, and the received optical signal of 50 is injected into the directional coupler at a ratio of 50 to 50 in the second region 420. , The remaining 50 received optical signals are injected into and removed from the complete absorption waveguide PA. This is to eliminate noise.

이에 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 방향성 결합기는 1의 비율인 송신 광신호와 50의 비율인 수신 광신호의 주파수 차이로부터 중간주파수 정보를 포함하는 혼신 광신호를 생성할 수 있다. 결합기들의 분기비는 수신감도 최적화를 위해 변경 가능하다. 방향성 결합기에 의해 중간주파수 정보(또는 중간주파수 값)가 혼합 광신호에 포함되는 경우, 광검출기(120)는 혼합 광신호로부터 중간주파수 정보를 출력하며, 본 발명의 실시예에 따른 송수신 광위상배열 기반의 3차원 영상 라이다 센서를 구성하는 소자 시스템은 중간 주파수 정보를 통해 직접적으로 대상(object)과의 거리 정보를 획득하여 거리 정보를 포함하는 3차원 영상을 제공할 수 있다.Accordingly, the directional coupler according to an embodiment of the present invention can generate a crosstalk optical signal including intermediate frequency information from a frequency difference between a transmission optical signal having a ratio of 1 and a reception optical signal having a ratio of 50. The branch ratio of the combiners can be changed to optimize the reception sensitivity. When the intermediate frequency information (or intermediate frequency value) is included in the mixed optical signal by the directional coupler, the photodetector 120 outputs the intermediate frequency information from the mixed optical signal, and the transmission/reception optical phase arrangement according to an embodiment of the present invention The device system constituting the based 3D image lidar sensor may directly acquire distance information to an object through intermediate frequency information to provide a 3D image including distance information.

도 6, 도 7a 및 도 7b는 본 발명의 실시예에 따른 나노홀 - 체인 안테나 배열의 구조를 도시한 것이다.6, 7A and 7B illustrate the structure of a nano-hole-chain antenna array according to an embodiment of the present invention.

보다 상세하게는, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 나노홀 - 체인 안테나 배열의 구조를 도시한 것이며, 도 7a는 본 발명의 실시예에 따른 안테나의 횡방향 단면을 도시한 것이고, 도 7b는 본 발명의 실시예에 따른 안테나의 종방향 단면을 도시한 것이다.In more detail, FIG. 6 shows a structure of a nano-hole-chain antenna array according to an embodiment of the present invention, and FIG. 7A shows a cross-section of an antenna according to an embodiment of the present invention, and FIG. 7B Shows a longitudinal section of an antenna according to an embodiment of the present invention.

도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 광학 안테나 배열(600)은 배열 종 방향 크기 증가에 유리한 나노홀 - 체인 안테나 구조를 나타낼 수 있다. 광학 안테나 배열(600)은 복수의 채널들(또는 광 발산기, 610)을 포함하며, 복수의 채널들(610) 각각은 복수의 홀(hole)을 나타내는 공동 구조(611)가 형성되어 복수의 채널들(610) 간의 간격을 최소화하는 협소한 단위 채널간 간격을 제공할 수 있다. Referring to FIG. 6, the optical antenna array 600 according to an embodiment of the present invention may exhibit a nano-hole-chain antenna structure that is advantageous in increasing the size of the array in the longitudinal direction. The optical antenna array 600 includes a plurality of channels (or light emitters, 610), and each of the plurality of channels 610 has a cavity structure 611 representing a plurality of holes. A narrow inter-channel spacing that minimizes the spacing between the channels 610 may be provided.

본 발명의 실시예에 따른 광학 안테나 배열(600)이 나타내는 나노홀 - 체인 안테나 구조는 횡방향 광시야각 및 종방향 분해능 향상의 효과를 제공할 수 있다. 일 예로, 안테나 간격이 좁아지더라도 안테나 간의 간섭을 최소화할 수 있는 구조 즉, 안테나 채널 간격 최소화에 따른 광시야각을 달성할 수 있는 횡방향 광시야각 효과를 제공할 수 있다. 다른 예로, 안테나 간의 간섭이 적으므로 주어진 안테나 간격에서 최대한 종방향으로 길게 안테나 구경을 형성시킴으로써, 큰 종방향 안테나 구경에 따른 분해능을 향상시키는 효과를 제공할 수 있다. The nano-hole-chain antenna structure represented by the optical antenna array 600 according to an embodiment of the present invention may provide an effect of improving a wide viewing angle in a horizontal direction and a resolution in a vertical direction. For example, a structure capable of minimizing interference between antennas even when the antenna spacing is narrowed, that is, a lateral wide viewing angle effect capable of achieving a wide viewing angle according to minimizing the antenna channel spacing may be provided. As another example, since interference between antennas is small, by forming an antenna aperture as long as possible in a longitudinal direction at a given antenna interval, an effect of improving resolution according to a large longitudinal antenna aperture can be provided.

횡방향의 광시야각 달성을 위한 채널(610)의 간격을 좁힐수록 간섭이 많이 일어나며, 본 발명의 실시예에 따른 광학 안테나 배열(600)은 도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 같이 각 채널(610)에 나노 공동 구조(611)를 형성함으로써, 채널(610) 간의 간격을 최소화할 수 있다. As the distance between the channels 610 for achieving a wide viewing angle in the lateral direction decreases, the more interference occurs, and the optical antenna array 600 according to the embodiment of the present invention includes each channel 610 as shown in FIGS. 7A and 7B. ) By forming the nano-cavity structure 611, it is possible to minimize the gap between the channels 610.

이에, 본 발명의 실시예에 따른 광학 안테나 배열(600)은 구멍 형상의 나노 공동 구조(611)를 포함함으로써, 채널간 저간섭성을 제공하여 종 방향의 안테나 구경을 확대하기에 용이하며, 복수의 채널(610)들 간에 간섭을 최소화할 수 있다. 또한, 광학 안테나 배열(600)은 횡방향의 배열 안테나간 간격을 최소화 할 수 있어 횡방향 시야각을 넓힐 수 있다. Accordingly, the optical antenna array 600 according to the embodiment of the present invention includes a nano-cavity structure 611 in the shape of a hole, thereby providing low interference between channels, making it easy to enlarge the diameter of the antenna in the longitudinal direction. It is possible to minimize interference between the channels 610 of. In addition, the optical antenna array 600 can minimize the distance between the array antennas in the lateral direction, thereby widening the viewing angle in the lateral direction.

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.As described above, although the embodiments have been described by the limited embodiments and drawings, various modifications and variations are possible from the above description to those of ordinary skill in the art. For example, the described techniques are performed in a different order from the described method, and/or components such as systems, structures, devices, circuits, etc. described are combined or combined in a form different from the described method, or other components Alternatively, even if substituted or substituted by an equivalent, an appropriate result can be achieved.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and those equivalent to the claims also fall within the scope of the claims to be described later.

100: 송수신 광위상배열 기반의 3차원 영상 라이다 센서를 구성하는 소자 시스템
110: 광원(laser)
120: 광검출기
130: 방향성 결합기
140: 광분배기
150, 430: 위상 제어기
160, 600: 광학 안테나 배열
200: 송수신 광전소자부
300: 송수신 광위상배열부
410: 제1 영역
420: 제2 영역
610: 채널(또는 광 발산기)
611: 공동 구조
100: device system constituting a 3D image lidar sensor based on a transmission/reception optical phase array
110: light source (laser)
120: photodetector
130: directional coupler
140: optical splitter
150, 430: phase controller
160, 600: optical antenna array
200: Transmitting and receiving photoelectric device unit
300: transmission/reception optical phase array unit
410: first area
420: second area
610: channel (or light emitter)
611: cavity structure

Claims (19)

송수신 광위상배열 기반의 3차원 영상 라이다 센서를 구성하는 소자 시스템에 있어서,
광원 및 광학 안테나를 통해 송신되는 송신 광신호 일부의 기준 광신호와 상기 송신 광신호에 의해 수신되는 수신 광신호를 혼합하여 중간주파수 정보를 출력하는 송수신 광전소자부; 및
상기 광원 또는 상기 광학 안테나로부터 수신되는 동위상 광모드를 N 채널 규모로 분기 및 결합하며, 송신 동작 또는 수신 동작에 따른 광모드의 위상을 제어하여 위상차 조건에 따라 처리하는 송수신 광위상배열부를 포함하되,
상기 송수신 광위상배열부는
상기 광원 또는 상기 광학 안테나로부터 수신되는 상기 동위상 광모드를 보강 간섭 조건에서 N 채널 규모로 분기 및 결합하는 광분배기;
송신 동작 또는 수신 동작에 따라 상기 광모드에 순차적인 위상차를 인가하거나, 상기 광모드들의 위상을 위상화하는 위상 제어기; 및
상기 위상 제어기를 통해 각 채널의 상기 광모드를 위상차 조건에 따라 처리하는 광학 안테나 배열을 포함하며,
상기 위상 제어기는
송신 동작 시, 상기 광학 안테나에서 특정 방향으로 상기 송신 광신호를 방사하기 위해 상기 광분배기로부터 분기된 N 채널 동위상 광모드에 순차적인 위상차를 인가하는 것을 특징으로 하는, 소자 시스템.
In a device system constituting a three-dimensional image lidar sensor based on a transmission/reception optical phase array,
A transmission/reception optoelectronic device for outputting intermediate frequency information by mixing a reference optical signal of a part of a transmission optical signal transmitted through a light source and an optical antenna and a reception optical signal received by the transmission optical signal; And
A transmission/reception optical phase array unit for branching and combining the in-phase optical mode received from the light source or the optical antenna in an N-channel scale, and controlling a phase of the optical mode according to a transmission operation or a reception operation and processing according to a phase difference condition ,
The transmitting and receiving optical phase arrangement unit
An optical splitter for branching and combining the in-phase optical mode received from the light source or the optical antenna in an N-channel scale under constructive interference conditions;
A phase controller that sequentially applies a phase difference to the optical modes or phases the phases of the optical modes according to a transmission operation or a reception operation; And
An optical antenna array for processing the optical mode of each channel according to a phase difference condition through the phase controller,
The phase controller is
During a transmission operation, a phase difference is applied sequentially to an N-channel in-phase optical mode branched from the optical splitter in order to radiate the transmission optical signal from the optical antenna in a specific direction.
제1항에 있어서,
상기 송수신 광전소자부는
기판 상 혹은 칩 상에 구현되어 레이저의 상기 송신 광신호를 송출하는 상기 광원;
상기 송신 광신호에 의해 상기 광학 안테나로부터 수신되는 상기 수신 광신호와 상기 송신 광신호 일부의 기준 광신호를 추출하여 혼합하는 방향성 결합기; 및
상기 방향성 결합기로부터 공급된 혼합 광신호를 전기 신호로 변환하고, 중간주파수 정보를 출력하는 광검출기
를 포함하는 소자 시스템.
The method of claim 1,
The transceiving photoelectric device unit
The light source implemented on a substrate or on a chip to transmit the transmission optical signal of the laser;
A directional coupler for extracting and mixing the received optical signal received from the optical antenna by the transmission optical signal and a reference optical signal of a portion of the transmitted optical signal; And
A photodetector for converting the mixed optical signal supplied from the directional coupler into an electric signal and outputting intermediate frequency information
Device system comprising a.
제2항에 있어서,
상기 광원은
상기 기판 상에 저 굴절률 상하부 클래드층 및 고 굴절률 도파로층을 포함하는 집적광학칩상에 구현되며, 주파수 변조가 가능한 것을 특징으로 하는, 소자 시스템.
The method of claim 2,
The light source is
A device system, characterized in that it is implemented on an integrated optical chip including a low refractive index upper and lower clad layer and a high refractive index waveguide layer on the substrate, and capable of frequency modulation.
제3항에 있어서,
상기 광원은
주파수 변조된 레이저빔의 상기 송신 광신호를 발생하여 광도파로를 통해 출력하며,
상기 출력되는 송신 광신호 중 일부의 상기 기준 광신호는 상기 방향성 결합기를 통해 결합되고, 나머지 송신 광신호는 상기 송수신 광위상배열부로 도파되는 것을 특징으로 하는, 소자 시스템.
The method of claim 3,
The light source is
Generates the transmission optical signal of the frequency modulated laser beam and outputs it through an optical waveguide,
The device system, characterized in that some of the reference optical signals of the output transmission optical signals are combined through the directional coupler, and the remaining transmission optical signals are guided to the transmission/reception optical phase arrangement unit.
제4항에 있어서,
상기 방향성 결합기는
상기 기준 광신호와 상기 광학 안테나로부터 수신되는 상기 수신 광신호 중 일부의 수신 광신호를 결합하여 주파수 차에 해당하는 상기 중간주파수 정보를 획득하는 것을 특징으로 하는, 소자 시스템.
The method of claim 4,
The directional coupler is
The device system, characterized in that the intermediate frequency information corresponding to the frequency difference is obtained by combining the reference optical signal and some of the received optical signals of the received optical signals received from the optical antenna.
제5항에 있어서,
상기 광검출기는
상기 중간주파수 정보를 출력하며,
상기 소자 시스템은
상기 중간 주파수 정보를 통해 직접적으로 대상과의 거리 정보를 획득하여 상기 거리 정보를 포함하는 3차원 영상을 제공하는, 소자 시스템.
The method of claim 5,
The photodetector is
Outputs the intermediate frequency information,
The device system
A device system for providing a 3D image including the distance information by directly acquiring distance information to an object through the intermediate frequency information.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 위상 제어기는
수신 동작 시, 상기 광학 안테나를 통해 특정 방향에서 수신되어 각 채널에서의 순차적 위상차를 나타내는 상기 광모드의 위상을 동위상화하는, 소자 시스템.
The method of claim 1,
The phase controller is
In a receiving operation, a phase of the optical mode that is received in a specific direction through the optical antenna and represents a sequential phase difference in each channel is in-phased.
제10항에 있어서,
상기 광학 안테나 배열은
상기 위상 제어기를 통과하여 순차적 위상차를 나타내는 각 채널의 상기 광모드를 자유공간 상에 방사하여 위상차 조건에 따라 특정 방향으로 지향시키거나, 특정 방향으로부터 입사되는 상기 수신 광신호를 수광하여 각 채널에서 순차적 위상차를 가지도록 제공하는 것을 특징으로 하는, 소자 시스템.
The method of claim 10,
The optical antenna array is
After passing through the phase controller, the optical mode of each channel representing the sequential phase difference is radiated onto a free space and directed in a specific direction according to a phase difference condition, or the received optical signal incident from a specific direction is received and sequentially in each channel. A device system, characterized in that it provides to have a phase difference.
제1항에 있어서,
상기 광학 안테나 배열은
배열 종 방향 크기 증가에 유리한 나노홀 - 체인 안테나 구조를 나타내는, 소자 시스템.
The method of claim 1,
The optical antenna array is
A device system, representing a nanohole-chain antenna structure, which is advantageous for increasing the array longitudinal size.
제12항에 있어서,
상기 광학 안테나 배열은
복수의 홀(hole)을 나타내는 공동 구조로 형성되어 복수의 채널들 간의 간격을 최소화하여 넓은 횡방향 광시야각을 제공하는, 소자 시스템.
The method of claim 12,
The optical antenna array is
A device system that is formed in a cavity structure representing a plurality of holes to minimize a gap between a plurality of channels to provide a wide transverse wide viewing angle.
제13항에 있어서,
상기 광학 안테나 배열은
상기 복수의 채널들 간의 간섭 최소화를 통해 종 방향의 안테나 구경을 확대하는 것을 특징으로 하는, 소자 시스템.
The method of claim 13,
The optical antenna array is
The device system, characterized in that the aperture of the antenna in the longitudinal direction is enlarged by minimizing interference between the plurality of channels.
송수신 광위상배열 기반의 3차원 영상 라이다 센서를 구성하는 소자 시스템에 있어서,
기판 상 혹은 칩 상에 구현되어 레이저의 송신 광신호를 송출하는 광원;
상기 송신 광신호에 의해 광학 안테나로부터 수신되는 수신 광신호와 송신 광신호 일부의 기준 광신호를 추출하여 혼합하는 방향성 결합기;
상기 방향성 결합기로부터 공급된 혼합 광신호를 전기 신호로 변환하고, 중간주파수 정보를 출력하는 광검출기;
상기 광원 또는 상기 광학 안테나로부터 수신되는 동위상 광모드를 보강 간섭 조건에서 N 채널 규모로 분기 및 결합하는 광분배기;
송신 동작 또는 수신 동작에 따라 상기 광모드에 순차적인 위상차를 인가하거나, 상기 광모드들의 위상을 위상화하는 위상 제어기; 및
상기 위상 제어기를 통해 각 채널의 상기 광모드를 위상차 조건에 따라 처리하는 광학 안테나 배열을 포함하되,
상기 위상 제어기는
송신 동작 시, 상기 광학 안테나에서 특정 방향으로 상기 송신 광신호를 방사하기 위해 상기 광분배기로부터 분기된 N 채널 동위상 광모드에 순차적인 위상차를 인가하는 것을 특징으로 하는, 소자 시스템.
In a device system constituting a three-dimensional image lidar sensor based on a transmission/reception optical phase array,
A light source that is implemented on a substrate or on a chip to transmit a transmission optical signal of the laser;
A directional coupler for extracting and mixing a reference optical signal of a part of a reception optical signal and a transmission optical signal received from an optical antenna by the transmission optical signal;
A photodetector for converting the mixed optical signal supplied from the directional coupler into an electric signal and outputting intermediate frequency information;
An optical splitter for branching and combining the in-phase optical mode received from the light source or the optical antenna on an N-channel scale under constructive interference conditions;
A phase controller that sequentially applies a phase difference to the optical modes or phases the phases of the optical modes according to a transmission operation or a reception operation; And
Including an optical antenna array for processing the optical mode of each channel according to a phase difference condition through the phase controller,
The phase controller is
During a transmission operation, a phase difference is applied sequentially to an N-channel in-phase optical mode branched from the optical divider in order to radiate the transmission optical signal from the optical antenna in a specific direction.
삭제delete 제15항에 있어서,
상기 위상 제어기는
수신 동작 시, 상기 광학 안테나를 통해 특정 방향에서 수신되어 각 채널에서의 순차적 위상차를 나타내는 상기 광모드의 위상을 동위상화하는, 소자 시스템.
The method of claim 15,
The phase controller is
In a receiving operation, a phase of the optical mode that is received in a specific direction through the optical antenna and represents a sequential phase difference in each channel is in-phased.
제17항에 있어서,
상기 광학 안테나 배열은
상기 위상 제어기를 통과하여 순차적 위상차를 나타내는 각 채널의 상기 광모드를 자유공간 상에 방사하여 위상차 조건에 따라 특정 방향으로 지향시키거나, 특정 방향으로부터 입사되는 상기 수신 광신호를 수광하여 각 채널에서 순차적 위상차를 가지도록 제공하는 것을 특징으로 하는, 소자 시스템.
The method of claim 17,
The optical antenna array is
After passing through the phase controller, the optical mode of each channel representing the sequential phase difference is radiated onto a free space and directed in a specific direction according to a phase difference condition, or the received optical signal incident from a specific direction is received and sequentially in each channel. A device system, characterized in that it provides to have a phase difference.
제15항에 있어서,
상기 광학 안테나 배열은
배열 종 방향 크기 증가에 유리한 나노홀 - 체인 안테나 구조를 나타내는, 소자 시스템.
The method of claim 15,
The optical antenna array is
A device system, representing a nanohole-chain antenna structure, which is advantageous for increasing the array longitudinal size.
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