KR102337648B1 - 라이다 센서용 광위상배열 디바이스 - Google Patents

라이다 센서용 광위상배열 디바이스 Download PDF

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Abstract

본 발명은 라이다 센서용 광위상배열 디바이스에 관한 것으로서, 기 설정된 파장 대역의 레이저빔을 조사하는 광원; 상기 광원에서 조사되는 레이저빔이 통과하는 입력 도파로; 상기 입력 도파로의 출력단에 위치하여, 상기 입력 도파로에서 입력되는 광신호가 싱크 함수 분포를 갖도록 분기시키는 슬랩 도파로; 및 상기 슬랩 도파로에서 분기된 광신호를 M개의 채널로 분산하여 도파시키고, 상기 광신호가 자유 공간상에 방사(radiation)되도록 하는 채널 도파로를 포함하되, 상기 채널 도파로는 M개의 채널마다 실리카 광도파로를 배열하고, 각 광도파로의 길이는 인접한 광도파로와 ΔL의 길이차를 갖는 것이다.

Description

라이다 센서용 광위상배열 디바이스{Optical Phased Array Device for LiDAR Sensor}
본 발명은 실리카 광도파로를 이용한 라이다 센서용 광위상배열 디바이스에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 발명의 일 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
반도체 집적 기술을 활용하는 광위상배열(Optical Phased Array, OPA) 기술은 거리 정보를 포함하는 3차원 영상을 제공하는 라이다(Light Detection And Ranging, LiDAR) 센서 기술에 활용 가능하며, 기존의 기계 회전식 레이저빔 스캐너에 비해 저가격화, 초소형화에 유리하다.
LiDAR는 송신기에서 전송한 레이저 펄스가 사물에 반사된 후 수신기까지 돌아오는 비행시간(Time-of-Flight, ToF)을 측정하여 사물까지의 거리를 탐지하는 기술이다. 4차 산업혁명의 도래와 더불어 자율 주행 기술의 상용화로 인하여 LiDAR 기술은 최근 더 많은 관심을 받고 있다. 특히, 소형 라이다는 드론, 무인 로봇, 무인 항공기 등 소형 무기 체계에 탑재될 수 있기 때문에 국방 분야에서도 활발히 연구가 진행되고 있다.
초기에는 실리콘(silicon) 기반의 광위상배열 구조가 제안되었으나, 높은 전력을 광도파로(waveguide)로 인가했을 때 발생하는 비선형성(non-linearity) 때문에 높은 출력을 얻기에 한계가 있다. 그로 인해 상대적으로 먼 거리에 있는 물체를 감지하기에는 무리가 있어 LiDAR와 같은 분야에 적용하기에는 어려움이 있다. 이러한 한계를 극복하기 위해 실리콘에 비해 상대적으로 낮은 굴절률을 갖는 실리콘 나이트라이드(silicon nitride) 기반의 광위상배열 구조가 제안되었고, 수년간의 연구에 걸쳐 LiDAR 및 근거리 통신 등 실제 시스템으로의 적용 가능성이 확인되었다.
광위상배열 안테나는 기계적인 구동부 없이 레이저빔을 상하좌우로 조향할 수 있는 장점이 있다. 안테나 격자 구조의 간격을 조절하거나, 안테나를 통과하는 파장을 변화시킴으로써 빔 조향이 가능하다. 또한, 열광학(thermo-optic) 위상변조기 혹은 전기광학(electro-optic) 위상변조기를 이용하여 안테나의 각 채널을 통과하는 레이저 펄스의 위상을 조절함으로써 빔 조향이 가능하다.
도 1은 종래 기술의 일 실시예에 따른 광위상배열 안테나의 구성을 설명하는 도면이고, 도 2는 종래 기술의 일 실시예에 따른 광위상배열 안테나의 집적회로를 설명하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 광위상배열 안테나(10)는 레이저 펄스가 통과하는 광도파로(11), 레이저 펄스를 N개의 채널로 나누어주는 광분배기(splitter)(12), 각 채널(14)을 통과하는 레이저 펄스의 위상(phase)을 조절해주는 광위상변조기(phase modulator)(13), 레이저 펄스를 방사(radiation)시키는 회절격자 구조의 회절 커플러(grating coupler)(또는 광학 안테나 배열)(15)로 이루어져 있다.
이러한 광위상배열 안테나(10)는 레이저가 광도파로(11)로 조사되면, 광분배기(12), 광위상변조기(13)를 거쳐 회절 커플러(25)를 통하여 자유공간상으로 방사된다. 이때, 광위상배열 안테나(10)는 레이저 펄스의 파장을 변화시킴으로써 방사되는 레이저빔을 세로(y 방향) 방향으로 조향(steering) 할 수 있고, 인접 채널 사이의 위상차를 변화시킴으로써 방사되는 레이저빔을 가로(x 방향) 방향으로 조향할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 광위상배열 안테나(10)는 광원 및 수신기와 함께 실리콘 포토닉스(Si Photonics) 기술을 통해 반도체 기판에 함께 집적될 수 있다. 광위상변조기(13)는 위상 반전 특성을 가진 진행파 전극 구조에서 구현될 수 있는데, 목표 통과 대역폭, 중심주파수에 대하여 유연하게 전극 구조를 설계할 수 있다. 이러한 진행파 전극은 전극으로부터 광도파로(11)에 인가되는 전계 분포가 변조 영역 전체에 걸쳐 균일한 반면, 위상 반전 진행파 전극은 변조 영역을 M-섹션으로 나누어 교변적으로 전계분포의 벡터가 바뀌는 구조를 갖는다.
상기한 광위상배열 안테나(10)는 실리콘 포토닉스를 이용한 경우 집적화가 가능하고, 소형으로 제작 가능하며, 곡률 반경이 작은 장점이 있는 반면에, OPA에서 삽입손실이 크며, 위상을 맞추기 어렵고, 광위상 변조기와 같은 능동 제어 소자가 반드시 필요하다는 문제점이 있다.
고가의 장비와 공정 기술을 요구하는 실리카 광도파로 공정기술은 실리콘 포토닉스 기술을 이용한 OPA에 비해 능동 제어 소자가 불필요하고, 삽입 손실이 작으며 크로스토크 특성이 우수한 장점이 있는 반면에, 칩 사이즈가 크고, 실리카 기판에 집적화가 어려울 뿐만 아니라 곡률 반경이 크다는 단점이 있다. 특히, 실리카 광도파로 공정 기술은 기술의 난이도도 높고, 연구개발비가 많이 소요되는 부분이 있으며, 특히 전문화된 각각의 공정에 연구원 및 장비의 노하우(Know How) 등이 많이 있어 개별 기업이 독자적으로 연구, 개발, 생산하는데 비용 및 시간이 많이 소요되는 문제점이 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따라 삽입 손실 및 회절 특성이 우수한 실리카 광도파로를 이용하여 제작된 라이다 센서용 광위상배열 디바이스를 제공하는 것에 목적이 있다.
다만, 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서 본 발명의 일 실시예에 따른 라이다 센서용 광위상배열 디바이스는, 기 설정된 파장 대역의 레이저빔을 조사하는 광원; 상기 광원에서 조사되는 레이저빔이 통과하는 입력 도파로; 상기 입력 도파로의 출력단에 위치하여, 상기 입력 도파로에서 입력되는 광신호가 싱크 함수 분포를 갖도록 분기시키는 슬랩 도파로; 및 상기 슬랩 도파로에서 분기된 광신호를 M개의 채널로 분산하여 도파시키고, 상기 광신호가 자유 공간상에 방사(radiation)되도록 하는 채널 도파로를 포함하되, 상기 채널 도파로는 M개의 채널마다 실리카 광도파로를 배열하고, 각 광도파로의 길이는 인접한 광도파로와 ΔL의 길이차를 갖는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 채널 도파로의 입력단 중앙에서 입사되어 출력단의 중앙으로 진행하는 광에 대한 중심 파장(λ0)을 기준으로 회절 차수(m, m=정수)가 결정되면, 결정된 중심 파장(λ0)과 회절 차수(m)에 따라 ΔL이 결정되는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 채널 도파로는 입사광이 파장이 변화되면 상기 채널 도파로의 각 광도파로의 길이차에 의해 진행 방향이 변화되는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 채널 도파로에 배열된 각 광도파로는, 상기 입력 도파로에서 입력되는 광신호가 이동되도록 기 설정된 길이의 직선 형태로 형성된 제1 도파로 영역; 상기 제2 도파로 영역에서 연결되어 기 설정된 곡률을 갖도록 곡선 형태로 형성된 제2 도파로 영역; 및 상기 제2 도파로 영역을 통과한 광신호가 광 회절 현상에 의해 기 설정된 방향으로 직진하도록 기 설정된 길이의 직선 형태로 형성된 제3 도파로 영역으로 이루어지고, 상기 제1 도파로 영역, 제2 도파로 영역, 제3 도파로 영역은 각 광도파로가 인접한 광도파로와 ΔL의 길이차를 갖도록 하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 채널 도파로의 출력단은 기 설정된 기울기를 갖는 경사면이 형성된 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 채널 도파로에 배열된 광도파로는 코어와 클래딩을 포함하고, 상기 클래딩의 표면에 렌즈를 배치하고, 상기 코어의 광축과 렌즈의 광축이 한점에서 서료 교차하도록 하는 것이다.
전술한 본 발명의 과제 해결 수단에 의하면, 삽입 손실이 작고, 회절 특성이 우수한 실리카 광도파로를 이용한 광위상배열(OPA)를 디바이스에 직접화하여 패키징 가능한 사이즈로 제공할 수 있고, 그로 인해 기존의 위상 변조기(phased shifter array) 등 광경로차 조절을 위한 능동 소자가 필요 없고, 수동으로 위상을 조절할 수 있어 제조 단가가 저렴해질 수 있고, OPA 디바이스 소자 단독으로 사용 가능할 뿐만 아니라 라이다 센서에 적용되어 빔 스티어링으로 사용될 수 있다.
도 1은 종래 기술의 일 실시예에 따른 광위상배열 안테나의 구성을 설명하는 도면이다.
도 2는 종래 기술의 일 실시예에 따른 광위상배열 안테나의 집적회로를 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 측면에 따른 라이다 센서용 광위상배열 디바이스의 구성을 설명하는 블럭도이다.
도 4는 본 발명의 일측면에 따른 라이다 센서용 광위상배열 디바이스에서 기 설계된 회절 차수와 중심 파장에 따른 광분배기와 채널 도파로의 배열 상태를 설명하는 도면이다.
도 5는 도 4의 채널 도파로의 출력단을 설명하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일측면에 따른 라이다 센서용 광위상배열 디바이스의 입력 도파로에서의 광 강도 분포와 채널 도파로의 출력단에서의 광강도 분포를 설명하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 라이다 센서용 광위상배열 디바이스의 구성을 설명하는 블럭도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 채널 도파로의 출력단을 설명하는 단면도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 라이다 센서용 광위상배열 디바이스의 채널 도파로의 출력단에서의 광 강도 분포를 설명하는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 기 설계된 회절 차수와 중심 파장에 따른 도파로 배열 상태를 설명하는 도면이다.
도 11은 도 10의 각 도파로 영역별 길이를 길이 차이를 설명하는 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 기준 광도파로의 전체 길이를 설명하는 도면이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 채널 도파로의 구성을 설명하는 단면도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미하며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하의 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 상세한 설명이며, 본 발명의 권리 범위를 제한하는 것이 아니다. 따라서 본 발명과 동일한 기능을 수행하는 동일 범위의 발명 역시 본 발명의 권리 범위에 속할 것이다.
또한, 본 발명의 각 실시예에 포함된 각 구성, 과정, 공정 또는 방법 등은 기술적으로 상호간 모순되지 않는 범위 내에서 공유될 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 일 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
기존의 광위상배열 디바이스가 광위상 변조기와 같은 능동 제어 소자를 사용하고 있고, 실리콘 포토닉스를 이용하면 집적화는 가능하지만 OPA에서 삽입손실이 크다는 단점이 있으므로, 이러한 단점을 해소하기 위해 본 발명에서는 실리콘 포토닉스의 기술을 충분히 활용하면서 OPA의 삽입 손실 및 회절 특성이 우수한 실리카 광도파로를 이용하여 광위상배열 디바이스를 제작하고자 한다.
도 3은 본 발명의 일 측면에 따른 라이다 센서용 광위상배열 디바이스의 구성을 설명하는 블럭도이다.
도 3을 참조하면, 라이다 센서용 광위상배열 디바이스(100)는 광원(110), 입력 도파로(120), 광분배기(130) 및 채널 도파로(140)를 포함한다.
광원(110)은 기 설정된 파장 대역의 레이저빔을 조사하는데, 발진 파장을 기 설정된 범위에서 변화시킬 수 있는 파장 가변(tunable)형 레이저 다이오드를 사용할 수 있다.
입력 도파로(120)는 광원(110)에서 조사되는 레이저빔이 통과되고, 광분배기(130)는 입력 도파로(120)에서 입력되는 광신호를 균일한 파워를 갖도록 M개의 채널로 나누게 되는데, N개의 입력 포트와 M(M, M>n)개의 출력포트를 갖는 적어도 하나 이상의 광커플러를 사용할 수 있고, 광 커플러는 입력되는 레이저빔의 광 파워를 균일하게 분배하여 다른 채널로 전송한다.
채널 도파로(140)는 광분배기(130)에서 분배된 광신호를 M개의 채널로 나누어 일정 간격을 갖는 출력단(141)까지 빛이 진행하여, 채널 도파로(140)의 출력단(141)에서 도파된 광신호를 자유 공간상에 방사(radiation)된다. 이때, 채널 도파로(141)는 M개의 실리카 광도파로(WG1~WGM)들이 배열되고, 각 광도파로의 길이는 인접한 광도파로와 ΔL의 길이차를 갖는다.
[수학식 1]
Figure 112021096820990-pat00001
수학식 1에서, nc는 광도파로의 굴절률이고, m은 회절 차수이며, λ0은 입사된 광의 파장(λ)에 대한 중심 파장을 각각 나타낸다. 수학식 1은 중심 파장(λ0)이 한 중앙의 입력단에서 광이 입사하여 중앙의 출력단으로 광이 진행하는 것을 나타내고, 채널 도파로(140)의 출력단에서 중심 파장(λ0)을 기준으로 회절 차수(m, m=정수배)를 결정하게 되면, 채널 도파로(140)의 각 광도파로의 ΔL이 결정된다. 이때, 회절차수(M)가 많을 수록 광의 직진성이 좋아진다.
광원(110)으로부터 M개의 분기로 나눠진 광이 각각 일정한 길이차(ΔL)를 갖으며 휘어진 광도파로가 배열된 채널 도파로(140)의 출력단(141)에서 광 회절 현상에 의하여 광이 특정 방향으로 직진하게 된다. 이때, 입사광의 파장이 변화되면 자동적으로 길이차(ΔL, 광경로차)에 의해 진행 방향이 바뀌고, 이를 이용하여 라이다 센서용 빔 스티어링으로 사용할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일측면에 따른 라이다 센서용 광위상배열 디바이스에서 기 설계된 회절 차수와 중심 파장에 따른 광분배기와 채널 도파로의 배열 상태를 설명하는 도면이고, 도 5는 도 4의 채널 도파로의 출력단을 설명하는 도면이며, 도 6은 본 발명의 일측면에 따른 라이다 센서용 광위상배열 디바이스의 입력 도파로에서의 광 강도 분포와 채널 도파로의 출력단에서의 광강도 분포를 설명하는 도면이다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 일반적인 라이다 센서용 광위상배열 디바이스(100)는 중심 파장과 회절 차수가 결정되면 채널 도파로(140)의 각 광도파로의 길이가 결정된다. 일례로, 제1 광도파로(WG1)은 인접한 제2 광도파로(WG2)보다 짧고, WG1에서 WGM으로 갈수록 길이가 길어질 수 있다.
채널 도파로(140)는 인접한 광도파로 간의 길이차(ΔL)로 인해 기 설정된 길이를 갖는 직선과 기 설정된 곡률을 갖는 곡선이 결합되어 휘어진 형태를 갖고, 출력단(141)에서 중심 파장을 기준으로 모아지게 된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 이러한 채널 도파로(140)의 출력단(141)은 채널의 개수만큼 광도파로(WG1~WGM)가 배치되고, 출력단(141)의 출사면이 지면에 대해 평행한 방향(x축 방향)으로 직선 형태를 갖는다.
도 5에 도시된 바와 같이, 중심 파장이 λ0 +λ1, 즉 기 설정된 중심 파장보다 장파장이 되면 출력단(141)의 출사면의 각도가 변경되어 XY 평면상에서 중앙의 출력단을 중심(0, 0)으로 양의 기울기를 갖는 직선 형태로 변경된다. 그리고 중심 파장이 λ0 -λ2, 즉 기설정된 중심 파장보다 단파장이 되면 출력단(141)의 출사면의 각도가 변경되어 XY 평면상에서 중앙의 출력단을 중심(0, 0)으로 음의 기울기를 갖는 직선 형태로 변경된다. 이와 같이, 라이다 센서용 광위상배열 디바이스(100)는 파장 변화에 따라 스티어링됨을 알 수 있다.
한편, 채널 도파로(140)의 출력단(141)은 직선 형태가 아닌, 광도파로의 초점거리(f)인 로랜드 써클(Rowland Circle)의 1/2 지점을 원점으로 하는 원과 동심원상에 모이는 형태가 될 수 있다. 이때, 채널 도파로(140)의 출력단(141)은 지면에 대해 평행한 직선 형태가 아니라, 로랜드 써클과 만나는 접선이 그 접점을 지나는 반지름에 수직이 되도록 기 설정된 곡률을 갖도록 형성된다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일측면에 따른 라이다 센서용 광위상배열 디바이스(100)는 실리콘 포토닉스를 이용하면서 기존의 광위상 변조기와 같은 능동제어 소자를 사용하지 않고, 입력 도파로(120)에서 광 강도가 균일한 레이저빔이 입력되면, 광분배기(130)는 균일한 파워를 갖도록 M개의 채널로 광신호를 분배하여 채널 도파로(140)의 각 채널에 해당하는 광도파로에 전송한다.
이때, 채널 도파로(140)는 일정한 길이차(ΔL)를 갖는 광도파로들을 배열하여 고차의 회절격자와 같은 회절 특성을 갖도록 하고, 그로 인해 채널 도파로(140)의 출력단(141)에서는 채널별로 서로 다른 길이를 갖는 광도파로의 길이차(또는 광경로차)를 이용한 위상차로 인해 싱크(SINC) 함수 형태의 광신호가 출력된다.
이때, 채널 도파로(140)의 출력단(141)에서 출력되는 싱크 함수 형태의 레이저빔은 메인 로브(Main lobe)의 양측에 사이드 로브(side lobe)를 가지는 주파수 특성을 갖는다. 이때, 사이드 로브는 메인 로브와 다르게 원하지 않는 방향으로 신호를 주고받게 되므로, 라이다 센서에서 신호 송수신시 잡음이 되고, 사이드 로브가 높을수록 크로스토크(Crosstalk)가 커지게 되어 센싱 정밀도까 떨어진다. 이로 인해 원하지 않는 정보나 잡음에 의한 간섭을 줄이기 위하여 사이드 로브의 크기를 줄이고, 크로스토크를 감소시킬 수 있어야 한다. 따라서, 본 발명에서는 사이드 로브의 크기를 줄이고, 크로스토크를 감소시키기 위해 슬랩 도파로를 이용하여 라이다 센서용 광위상배열 디바이스를 제작한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 라이다 센서용 광위상배열 디바이스의 구성을 설명하는 블럭도이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 채널 도파로의 출력단을 설명하는 단면도이며, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 라이다 센서용 광위상배열 디바이스의 채널 도파로의 출력단에서의 광 강도 분포를 설명하는 도면이다.
도 7 내지 도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 라이다 센서용 광위상배열 디바이스(200)는 광원(210), 입력 도파로(220), 슬랩 도파로(230), 채널 도파로(240) 및 출력단(240a)를 포함하지만 이에 한정되지는 않는다.
광원(210)은 기 설정된 파장 대역의 레이저빔을 조사하는데, 발진 파장을 기 설정된 범위에서 변화시킬 수 있는 파장 가변(tunable)형 레이저 다이오드를 사용할 수 있다.
입력 도파로(220)는 광원(210)에서 조사되는 레이저빔이 통과되고, 슬랩 도파로(230)는 기 설정된 길이차(ΔL)를 갖는 복수의 광도파로가 배열된 채널 도파로(240)에 연결되고, 슬랩 도파로(230)로부터 채널 도파로(240)로 입력되는 광신호가 싱크 함수 분포를 갖도록 한다.
따라서, 입력 도파로(220)에서 입사된 광신호는 슬랩 도파로(230)에서 분기되고, 분기된 M개의 광신호가 채널 도파로(240)를 통과하면서 일정한 위상차를 겪은 후 다시 출력단(240a)에서 간섭하여 하나로 모이게 된다. 이때, 광도파로 배열을 구성하는 채널 도파로(240)를 슬랩 도파로(230)에 자연스럽게 연결해주기 위해, 슬랩 도파로(230)의 출력단과 채널 도파로(240)의 입력단 사이에 테이퍼 또는 라운드 형상의 광도파로로 연결되어 광파워 손실없이 각각의 도파로에 입력되도록 한다. 각 도파로를 진행하는 광신호는 광파워의 손실없이 도파로의 길이에 의해 주어지는 위상변화만 겪은 후에 채널도파로(240)의 출력단(240a)으로 전송된다.
도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 채널 도파로(240)의 출력단(240a)은 클래딩(242) 및 코어(241)로 형성된 실리카 광도파로를 이용하여 구성되는데, 64개 또는 128개의 코어 구조를 갖는다. 이와 같이, 라이다 센서용 광위상배열 디바이스(200)는 파장 변화(Δλ)에 따라 스티어링됨을 알 수 있다.
일례로, 각 광도파로의 코어 구조는 64개 또는 128개의 코어, 각 코어의 직경이 4㎛, 코어와 코어 간의 간격은 2㎛이며, 채널 도파로(240)의 출력단(240a)의 전체 수평 길이(x축 방향)는 300㎛로 설계하여 라이다 센서에 적용할 수 있고, 라이다 센서의 중심 파장(λ0 )이 1520nm~1575nm일 경우에 회절 차수를 조절하여 200m 거리에서 2cm 크기의 물체를 감지하도록 할 수 있다.
채널 도파로(240) 중에서 기준이 되는 기준 광도파로(WGr)는 입사된 광의 파장(λ)에 대한 중심 파장(λ0)을 갖고, 광강도가 최대치를 갖는다. 채널 도파로(240)는 기준 광도파로를 중심으로 양측으로 멀어질수록 광 강도가 줄어들어, 최외곽의 광도파로는 광강도가 최소치가 된다.
입력 도파로(220)로 입력되는 광 강도 분포가 가우시안 형태이기 때문에 채널 도파로(240)에서 출력되는 출력 광신호도 가우시안 형태되고, 채널별 광도파로를 도파한 광이 다시 만나 중첩되면서 회절격자와 같은 역할을 하게 된다. 도 6 및 도 9를 비교하면, 도 9에서 사이드 로브의 성분을 억제하고 메인 로브의 신호 성분만을 얻을 수 있어, 피크 모드의 첨두 전력 대 그 다음 모드의 첨두 전력간의 비 SMSR(Side Mode Suppression Ratio)가 훨씬 커지고 크로스토크 특성을 크게 개선할 수 있어 라이다 센서의 정밀도가 향상될 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 기 설계된 회절 차수와 중심 파장에 따른 도파로 배열 상태를 설명하는 도면이고, 도 11은 도 10의 각 도파로 영역별 길이를 길이 차이를 설명하는 도면이며, 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 기준 광도파로의 전체 길이를 설명하는 도면이다.
도 10 내지 도 12에 도시된 바와 같이, 채널 도파로(240)는 채널별 광도파로가 기 설정된 길이차(ΔL)를 두고 배열되어 있는 형태이고, 채널별 광도파로의 각 광도파로를 진행하면서 광도파로간의 길이차(ΔL)에 의해 일정한 위상차가 발생하며, 광도파로를 통과하면서 광이 m차만큼의 회절 현상을 거치면서 한곳, 즉 채널 도파로(240)의 출력단(240a)에 모이게 된다.
이러한 채널 도파로(240)는 입력되는 광신호가 이동되도록 기 설정된 길이의 직선 형태로 형성된 제1 도파로 영역(d1)과, 제1 도파로 영역(d1)에 연결되어 기 설정된 곡률을 갖는 곡선 형태로 형성된 제2 도파로 영역(d2=d21+d22) 및 제2 도파로 영역(d2)을 통과한 광신호가 광 회절 현상에 의해 기 설정된 방향으로 직진하여 출력단(240a)에서 모이도록 하는 기 설정된 길이의 직선 형태로 형성된 제3 도파로 영역(d3)을 포함한다. 이때, 각 광도파로의 길이에 따라 제1 도파로 영역(d1), 제2 도파로 영역(d2) 및 제3 도파로 영역(d3)은 서로 상이한 길이와 곡률을 갖고, 각 광도파로가 인접한 광도파로와 ΔL의 길이차를 갖도록 한다.
기준 광도파로의 총 길이(Rt)는 하기 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다
[수학식 2]
Figure 112021096820990-pat00002
수학식 2에서, Rl0는 제2 도파로 영역에서 d21과 d22의 연결점(P0)을 기준으로 좌측 호 부분의 r값, θl0는 제2 도파로 영역에서 제2 도파로 영역에서 연결점(P0)을 기준으로 좌측 호 부분의 각도, l10은 제1 도파로 영역의 직선 이동 길이, Rr0는 제2 도파로 영역에서 연결점(P0)을 기준으로 우측 호 부분의 r값, θr0는 제2 도파로 영역에서 연결점(P0)을 기준으로 우측 호 부분의 각도, l20는 제3 도파로 영역의 직선 이동 길이를 각각 나타낸다.
채널 도파로의 제2 도파로 영역(d2)은 기 설정된 곡률을 갖는 곡선 형태, 즉 일정 길이의 호로 형성되어 있지만, 제2 도파로 영역(d2)의 각 광도파로는 이웃한 광도파로와 ΔL의 길이차를 갖고 있기 때문에 각 광도파로의 변곡을 이루는 점(연결점)을 중심으로 비대칭의 곡선형태를 갖게 된다. 따라서, 기준 광도파로의 총 길이를 계산할 때 제2 도파로 영역의 길이는 연결점을 기준으로 좌측 호 부분(d21)/우측의 호 부분(d22)의 길이를 각각 계산하여 합산하게 된다.
상기한 수학식 2와 광경로차(±ΔL=
Figure 112021096820990-pat00003
), 초점 길이(Lf), Z축 초점 길이(Lfz), X축 초점 길이(Lfx)이고, 최종 위치의 도파로 사이의 폭(Dz, Dx), 기준 점의 Z축 최종 위치(z0), 기준점의 X축 최종 위치(x0), n번째 도파로 z축 최종 위치(
Figure 112021096820990-pat00004
), n번째 도파로 x축 최종 위치(
Figure 112021096820990-pat00005
), 초점 길이 진행 후 폭(d), 초점 길이 진행 후 사이각(
Figure 112021096820990-pat00006
), 최초 진행 각(θ0), n번째 진행 각(
Figure 112021096820990-pat00007
)을 이용하여 수학식 3 내지 5를 도출할 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112021096820990-pat00008
[수학식 4]
Figure 112021096820990-pat00009
[수학식 5]
Figure 112021096820990-pat00010
수학식 3을 I1n에 대한 식으로 변형한 후에 수학식 4 및 수학식 5에 삽입하여 정리하면 수학식 6 및 7이 된다.
[수학식 6]
Figure 112021096820990-pat00011
[수학식 7]
Figure 112021096820990-pat00012
수학식 6을 Rn에 대한 식으로 변형한 후에 수학식 7에 삽입하면 최종적으로 수학식 8 내지 10이 된다.
[수학식 8]
Figure 112021096820990-pat00013
[수학식 9]
Figure 112021096820990-pat00014
[수학식 10]
Figure 112021096820990-pat00015
이렇게 산출된 수학식 8 내지 수학식 10을 이용하여 각 도파로의 총 길이를 구할 수 있다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 채널 도파로의 구성을 설명하는 단면도이다.
도 13에 도시된 바와 같이, 채널 도파로(240)는 실리카 광도파로를 이용하여 구성된다. 클래딩(242) 및 코어(241)로 형성된 실리카 광도파로는 저손실 광도파로 박막 제조를 위해 플라즈마 화학기상증착(PECVD) 공정 및 고온 열처리 공정을 이용하여 Si 웨이퍼에 SiO2 또는 Ge-SiO2와 SiON 후막을 SiH4, N2O, N2가스를 혼합하여 증착하고, I-line Stepper를 이용한 Photo 공정, 식각 공정, 편광 의존성을 최소화한 열처리 공정이 적용된 도파로의 수축이 없는 덮개층 증착 공정을 거쳐 제조될 수 있다.
실리카 광도파로 박막 제조 공정은 실리카 박막 굴절률 차가 2.0~2.5%, 굴절률 균일도가 ±0.0005 이내가 되도록 하고, I-line Stepper를 이용한 Photo 공정은 박막 패턴 및 OPA 패턴을 형성하고, ICP 및 CCP 장비를 이용한 식각 공정은 하드 마스크(Hard mask) 식각, 실리카 박막 식각, OPA 수직 식각 공정을 통해 수직도 90°±3°이면서 8인치 내의 향상된 균일도를 갖도록 한다.
이러한 실리카 광도파로가 채널별 배열된 채널 도파로(240)는 수평 조향 범위가 15도 이상, 광분기수가 64채널 이상, 수평 발사각 1도 이하, FSR(Free Spectral Range)은 10nm 이하, 삽입손실은 2dB 이하, 사이드로브 억제(Side-Lobe Suppression)은 13dB 이상 부엽이 억제될 수 있다.
코어(241)는 입사되는 광을 일정한 경로에 따라 이동시키는데, 인접한 광도파로의 코어와 서로 상이한 광경로차를 갖기 때문에 각 경로를 지나는 광에 위상차가 발생한다. 클래딩(242)은 코어(241)보다 낮은 굴절율을 가지며 코어(241) 주변에 배치된다.
코어(241) 및 클래딩(242)을 포함한 광도파로가 M개 배열된 채널 도파로(140, 240)의 출력단은 코어(241)를 기준으로 기 설정된 기울기(예를 들어, 45°)는 갖는 경사면(250)을 포함하고, 경사면(250)은 빛을 경사면(250)과 일정 각도 이상이면 상면으로 전반사시킬 수 있다. 따라서, 채널 도파로(240)의 출력단(240a)은 코어(241)를 따라 이동된 광의 진행방향이 경사면(250)에 의해 자유 공간상의 기 설정된 방향, 경사면(250) 기준으로 임계각 이상이 되면 입사되는 빛을 전반사시킨다.
이때, 경사면(250)에 의해 반사되어 기 설정된 방향으로 출력되는 광의 집광 효율을 향상시키기 위한 렌즈(260)를 더 포함할 수 있다. 이때, 렌즈(260)는 클래딩(242)의 표면상에 형성하되, 광도파로의 코어(241)의 광축과 렌즈(260)의 광축이 90도를 유지하면서 교차하도록 한다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 컴퓨터에 의해 실행되는 프로그램 모듈과 같은 컴퓨터에 의해 실행 가능한 명령어를 포함하는 기록 매체의 형태로도 구현될 수 있다. 이러한 기록 매체는 컴퓨터 판독 가능 매체를 포함하며, 컴퓨터 판독 가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 가용 매체일 수 있고, 휘발성 및 비휘발성 매체, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 또한, 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터 저장 매체를 포함하며, 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현된 휘발성 및 비휘발성, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
200 : 라이다 센서용 광위상배열 디바이스
210 : 광원
220 : 입력 도파로
230 : 슬랩 도파로
240 : 채널 도파로
240a : 출력단
241 : 코어
242 : 클래딩
250 : 경사면
260 : 렌즈

Claims (7)

  1. 기 설정된 파장 대역의 레이저빔을 조사하는 광원;
    상기 광원에서 조사되는 레이저빔이 통과하는 입력 도파로;
    상기 입력 도파로의 출력단에 위치하여, 상기 입력 도파로에서 입력되는 광신호가 싱크 함수 분포를 갖도록 분기시키는 슬랩 도파로; 및
    상기 슬랩 도파로에서 분기된 광신호를 M개의 채널로 분산하여 도파시키고, 상기 광신호가 자유 공간상에 방사(radiation)되도록 하고, M개의 채널마다 실리카 광도파로를 배열하며, 각 광도파로의 길이가 인접한 광도파로와 ΔL의 길이차를 갖도록 하는 채널 도파로를 포함하되,
    상기 채널 도파로의 입력단 중앙에서 입사되어 출력단의 중앙으로 진행하는 광에 대한 중심 파장(λ0)을 기준으로 회절 차수(m, m=정수)가 결정되면, 결정된 중심 파장(λ0)과 회절 차수(m)에 따라 ΔL이 결정되는 것인, 라이다 센서용 광위상배열 디바이스.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광원은 발진 파장을 기 설정된 범위에서 변화시킬 수 있는 파장 가변(tunable)형 레이저 다이오드를 사용하는 것인, 라이다 센서용 광위상배열 디바이스.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 채널 도파로는 입사광이 파장이 변화되면 상기 채널 도파로의 각 광도파로의 길이차에 의해 진행 방향이 변화되는 것인, 라이다 센서용 광위상배열 디바이스.
  5. 기 설정된 파장 대역의 레이저빔을 조사하는 광원;
    상기 광원에서 조사되는 레이저빔이 통과하는 입력 도파로;
    상기 입력 도파로의 출력단에 위치하여, 상기 입력 도파로에서 입력되는 광신호가 싱크 함수 분포를 갖도록 분기시키는 슬랩 도파로; 및
    상기 슬랩 도파로에서 분기된 광신호를 M개의 채널로 분산하여 도파시키고, 상기 광신호가 자유 공간상에 방사(radiation)되도록 하고, M개의 채널마다 실리카 광도파로를 배열하며, 각 광도파로의 길이가 인접한 광도파로와 ΔL의 길이차를 갖도록 하는 채널 도파로를 포함하되,
    상기 채널 도파로에 배열된 각 광도파로는,
    상기 입력 도파로에서 입력되는 광신호가 이동되도록 기 설정된 길이의 직선 형태로 형성된 제1 도파로 영역;
    상기 제1 도파로 영역에서 연결되어 기 설정된 곡률을 갖도록 곡선 형태로 형성된 제2 도파로 영역; 및
    상기 제2 도파로 영역을 통과한 광신호가 광 회절 현상에 의해 기 설정된 방향으로 직진하도록 기 설정된 길이의 직선 형태로 형성된 제3 도파로 영역으로 이루어지고,
    상기 제1 도파로 영역, 제2 도파로 영역, 제3 도파로 영역은 각 광도파로가 인접한 광도파로와 ΔL의 길이차를 갖도록 하는 것인, 라이다 센서용 광위상배열 디바이스.
  6. 기 설정된 파장 대역의 레이저빔을 조사하는 광원;
    상기 광원에서 조사되는 레이저빔이 통과하는 입력 도파로;
    상기 입력 도파로의 출력단에 위치하여, 상기 입력 도파로에서 입력되는 광신호가 싱크 함수 분포를 갖도록 분기시키는 슬랩 도파로; 및
    상기 슬랩 도파로에서 분기된 광신호를 M개의 채널로 분산하여 도파시키고, 상기 광신호가 자유 공간상에 방사(radiation)되도록 하는 채널 도파로를 포함하되,
    상기 채널 도파로는 M개의 채널마다 실리카 광도파로를 배열하고, 각 광도파로의 길이는 인접한 광도파로와 ΔL의 길이차를 갖고, 상기 채널 도파로의 출력단은 기 설정된 기울기를 갖는 경사면이 형성된 것인, 라이다 센서용 광위상배열 디바이스.
  7. 기 설정된 파장 대역의 레이저빔을 조사하는 광원;
    상기 광원에서 조사되는 레이저빔이 통과하는 입력 도파로;
    상기 입력 도파로의 출력단에 위치하여, 상기 입력 도파로에서 입력되는 광신호가 싱크 함수 분포를 갖도록 분기시키는 슬랩 도파로; 및
    상기 슬랩 도파로에서 분기된 광신호를 M개의 채널로 분산하여 도파시키고, 상기 광신호가 자유 공간상에 방사(radiation)되도록 하고, M개의 채널마다 실리카 광도파로를 배열하며, 각 광도파로의 길이가 인접한 광도파로와 ΔL의 길이차를 갖도록 하는 채널 도파로를 포함하되,
    상기 채널 도파로에 배열된 광도파로는 코어와 클래딩을 포함하고, 상기 클래딩의 표면에 렌즈를 배치하고, 상기 코어의 광축과 렌즈의 광축이 한점에서 서로 교차하도록 하는 것인, 라이다 센서용 광위상배열 디바이스.
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