KR102425721B1 - 셀프-헤테로다인 검파를 이용하여 거리를 측정하는 라이다 장치 - Google Patents

셀프-헤테로다인 검파를 이용하여 거리를 측정하는 라이다 장치 Download PDF

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Abstract

가간섭성(coherence)을 이용하는 셀프-헤테로다인 측정법(Self-heterodyne detection)에 기반하여 거리를 측정하는 라이다 장치가 개시된다. 일 실시예에 따르면, 라이다 장치는 특정 구간에서 제1 주파수를 갖는 연속된 가간섭 송신 광 신호가 대상체에 반사되어 수신되는 수신 광 신호에 기초하는 비트 주파수(Beat frequency)의 전기 신호 및 상기 송신 광 신호의 상기 제1 주파수로의 주파수 변조 시점에 기반하여, 상기 대상체까지의 거리를 측정하는 거리 측정 회로를 포함할 수 있다.

Description

셀프-헤테로다인 검파를 이용하여 거리를 측정하는 라이다 장치{LIDAR FOR MEASURING DISTANCE USING SELF-HETERODYNE DETECTION}
아래의 설명은 공간상의 물체의 거리를 측정하는 라이다 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가간섭성(Coherence)을 이용하는 셀프-헤테로다인 검파(Self-heterodyne detection)에 기반하여 거리를 측정하는 방법과 이를 적용한 라이다(LiDAR; Light detection and ranging) 장치에 대한 기술이다.
원거리에 있는 물체의 위치나 형상을 정밀하고, 빠르게 감지하기 위한 소형화된 라이다 기술이 발전하고 있다. 광 간섭(Optical interference)을 이용한 광 위상 배열기(Optical phased array)로 종래의 기계적 회전부의 빔 스티어링(Beam steering)을 제거한 고정형 라이다(Solid state LiDAR)는 소형화 및 저전력화가 가능하고, 고집적 실리콘 반도체 집적기술의 적용으로 대량생산에 유리한 장점을 갖는다.
그러나, 실리콘 기반의 광 위상 배열기를 포함한 고정형 라이다는 광 위상 배열기 내에서 광학적인 손실이 커서 반도체 레이저 광원을 사용해서는 광 위상 배열기로부터 10mW 이상의 광 출력을 내기 어려우며, 물체와의 거리 L이 멀수록 방사 빔이 물체에서 반사 및/또는 산란 후 광 검출기로 수광되는 빛 에너지가
Figure 112020115129173-pat00001
에
Figure 112020115129173-pat00002
반비례하며 감소하기 때문에 단광장 검출기(Single photon detector)를 사용하는 10mW 파워로 몇 m이상의 거리를 측정하기 어려운 문제점을 갖는다. 일례로, 한국등록특허 제10-1802243호에 개시된 종래의 라이다 시스템에서 거리측정을 위해 이용하는 비행 거리(ToF; Time of flight) 측정 방식은 반사광의 광 파워를 광 검출기(PD; Photodector)에서 집적 측정하는 직접 검파(Direct detection)를 사용하므로, 측정 가능한 거리가 짧은 단점을 갖는다.
한국등록특허 제10-1877388호에 개시된 FMCW (Frequency modulation continuous wave)를 사용하는 종래의 다른 측정 방식은 반사광과 기준광의 간섭에 의한 비팅 주파수(Beating frequency)를 이용하여 거리를 측정하는 방식이다. 이 때, 비팅 주파수의 광 파워는 비팅 효과에 따라 기준광의 파워에 의하여 증폭된다. 따라서, 기준광의 파워가 높으면, 반사광의 수신감도가 크게 높아질 수 있다. 현재 기술로는 수 mW의 100m 이상의 거리 측정도 가능하다.
그러나 이러한 FMCW 방식은 발진 주파수에 매우 민감한 방식으로, 200THz의 carrier 주파수에서 1GHz 수준의 극히 작은 범위(1/100,000 이하)에서의 안정적이고 연속인 주파수 변화가 가능한 파장 가변형 레이저를 요구한다. 이에, 열적 안정을 유지하면서 선형적으로 미세하게 주파수를 가변하는 파장 가변형 레이저를 적용하여, 경제적이며 효율적인 초소형의 라이다를 제작하는 것이 어려운 단점이 존재한다.
따라서, 설명된 종래의 거리 측정 방식이 개선된, 대량 생산에 유리한 실리콘 광 위상 배열기를 포함하는 라이다 장치가 제안될 필요가 있다.
일 실시예들은 수신 광 신호의 수신 감도를 증가시켜 종래의 거리 측정 방식보다 먼 거리의 측정이 가능하며 정밀한 주파수 제어를 필요로 하는 레이저를 포함하지 않는 셀프-헤테로다인 방식을 이용한 거리 측정 방식 기반의 라이다 장치를 제안한다.
보다 상세하게, 일 실시예들은 대상체에 반사되어 수신되는 수신 광 신호를 큰 파워를 갖는 가간섭성 기준 광 신호와 혼합하여 비팅(Beating)시켜 비트 주파수를 갖는 증폭된 전기 신호를 생성하고, 생성된 전기 신호를 기반으로 대상체까지의 거리를 측정하는 라이다 장치를 제안한다.
또한, 일 실시예들은 종래의 FMCW 방식과 같이 광원에 대한 정밀하고 선형적 주파수 변환이 필요하지 않아 경제적이며 효율적인 라이다 장치를 제안한다.
일 실시예들은 고집적 대량 생산이 가능한 고집적 및 저전력의 실리콘 광 위상 배열기(Si-OPA; Silicon optical phased array )를 기반으로 하는 라이다 장치를 제안한다.
이 때, 일 실시예들은 광 헤테로다인 검파기에 포함되는 밸런스 광 검출기가 광 도파로 광 검출기 형태의 Si-PAT-PD(Silicon photon assisted tunneling photodetector)로 구현됨으로써, 광 헤테로다인 검파기와 연결되는 실리콘 광 위상 배열기 또는 광 분배기와의 광 결합부가 제거되어 구조 복잡도가 낮아진 라이다 장치를 제안한다.
또한, 일 실시예들은 각기 다른 스캐닝 범위를 갖는 실리콘 광 위상 배열기 중 어느 하나를 선택하여 광 도파로를 연결시키는 스위치를 포함함으로써, 대상체로 송신 광 신호가 조사되는 스캐닝 범위를 효율적으로 갖는 라이다 장치를 제안한다.
일 실시예에 따르면, 라이다 장치는, 특정 구간에서 제1 주파수를 갖는 연속된 가간섭 송신 광 신호가 대상체에 반사되어 수신되는 수신 광 신호에 기초하는 비트 주파수(Beat frequency)의 전기 신호 및 상기 송신 광 신호의 상기 제1 주파수로의 주파수 변조 시점에 기반하여, 상기 대상체까지의 거리를 측정하는 거리 측정 회로를 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 라이다 장치는, 특정 구간에서 제1 주파수를 갖는 연속된 가간섭 송신 광 신호를 생성하고, 상기 제1 주파수로의 주파수 변조 시점을 거리 측정 회로로 전달하는 광 생성부; 상기 광 생성부로부터 전달되는 상기 송신 광 신호를 광 헤테로다인 검파기(Optical heterodyne detector)로 전달하고, 자유 공간의 대상체에 조사하는 광 송신부; 상기 송신 광 신호가 상기 대상체에 의해 반사된 수신 광 신호를 수신하는 광 수신부; 상기 광 생성부로부터 전달되는 상기 송신 광 신호 및 상기 광 수신부로부터 전달되는 상기 수신 광 신호에 기초하여, 비트 파수(Beat frequency)의 전기 신호를 출력하는 상기 광 헤테로다인 검파기; 및 상기 광 헤테로다인 검파기로부터 전달되는 상기 비트 주파수의 전기 신호 및 상기 광 생성부로부터 전달되는 상기 주파수 변조 시점에 기초하여, 상기 대상체까지의 거리를 측정하는 상기 거리 측정 회로를 포함할 수 있다.
다른 일측에 따르면, 상기 광 생성부는, 발진 주파수가 변하는 상기 송신 광 신호를 생성하는 광원; 및 상기 광원의 발진 주파수가 변경되도록 구동 전류를 변경하며 상기 광원으로 공급하는 광원 구동기를 포함하고, 상기 광 송신부는, 상기 광원으로부터 전달되는 상기 송신 광 신호를 송신 광 위상 배열기 및 상기 광 헤테로다인 검파기에 분기하여 출력하는 광 분배기; 및 상기 광 분배기로부터 전달되는 상기 송신 광 신호를 다중 채널로 분기하고 채널간 위상을 조절하며 신호 송신 방향을 결정하여 상기 대상체에 조사하는 상기 송신 광 위상 배열기를 포함하고, 상기 광 수신부는, 채널간 위상을 조절하고 신호 수신 방향을 결정하여 상기 수신 광 신호를 수집함으로써 상기 광 헤테로다인 검파기로 전달하는 수신 광 위상 배열기를 포함하며, 상기 라이다 장치는, 상기 송신 광 위상 배열기 및 상기 수신 광 위상 배열기 각각의 채널간 위상을 조절하여 신호 송수신 방향을 결정하고, 거리 측정 개시 신호를 상기 광원 구동기 및 상기 거리 측정 회로로 제공하는 제어기를 더 포함할 수 있다.
또 다른 일측에 따르면, 상기 광원은, 상기 광원 구동기로부터 공급되는 상기 구동 전류에 의해 발진 주파수가 선형적으로 변하는 DFB 레이저(Distributed feedback laser)로 구현될 수 있다.
또 다른 일측에 따르면, 상기 광원 구동기는, 상기 제어기로부터 수신되는 거리 측정 개시 신호에 대응되는 구동 전류를 상기 광원에 공급하도록, 반도체로 구현된 직접 변조 구동 칩(Direct modulation driver chip)으로 구성될 수 있다.
또 다른 일측에 따르면, 상기 송신 광 위상 배열기 및 상기 수신 광 위상 배열기는, 단일 구성부로 구현될 수 있다.
또 다른 일측에 따르면, 상기 광 헤테로다인 검파기는, 상기 광 생성부로부터 전달되는 상기 송신 광 신호 및 상기 광 수신부로부터 전달되는 상기 수신 광 신호를 혼합하는 방향성 광 결합기(Directional optical coupler); 및 상기 방향성 광 결합기로부터 전달받은 광 신호를 검파하여 상기 비트 주파수의 전기 신호를 출력하는 밸런스 광 검출기를 포함할 수 있다.
또 다른 일측에 따르면, 상기 밸런스 광 검출기는, 실리콘 도파로의 p-n 접합 구조에 인가되는 역바이어스 전압에 의한 광자 보조 터널링(Photon assisted tunneling) 효과를 이용하여 광 전류를 획득하는 광 도파로 광 검출기 형태의 Si PAT-PD(Silicon photon assisted tunneling photodetector)로 구현될 수 있다.
또 다른 일측에 따르면, 상기 광 헤테로다인 검파기 또는 상기 거리 측정 회로 중 어느 하나는, 상기 밸런스 광 검출기로부터 출력되는 상기 전기 신호를 전압 신호로 변환하여 증폭하는 트랜스 임피던스 증폭기(TIA; Trans impedance amplifier); 및 상기 비트 주파수를 갖는 전압 신호로부터 포락선을 검출하는 포락선 검출기(Envelop detector)를 포함할 수 있다.
또 다른 일측에 따르면, 상기 광 헤테로다인 검파기 또는 상기 거리 측정 회로 중 어느 하나는, 상기 트랜스 임피던스 증폭기로부터 전달되는 상기 비트 주파수를 갖는 전압 신호에서 중간 주파수 대역만을 통과시켜 상기 포락선 검출기로 출력하는 대역 필터를 더 포함할 수 있다.
또 다른 일측에 따르면, 상기 광 분배기, 상기 송신 광 위상 배열기, 상기 수신 광 위상 배열기, 상기 방향성 광 결합기 및 상기 밸런스 광 검출기는, 단일 실리콘 광학칩 내에 집적될 수 있다.
또 다른 일측에 따르면, 상기 거리 측정 회로는, 상기 비트 주파수의 전기 신호가 생성되는 시점과 상기 제1 주파수로의 주파수 변조 시점을 비교하는 비교기; 및 상기 비교기에서 비교된 상기 비트 주파수의 전기 신호가 생성되는 시점과 상기 제1 주파수로의 주파수 변조 시점 사이의 차이에 기초하여 상기 송신 광 신호의 비행 시간을 측정하고, 상기 송신 광 신호의 비행 시간을 이용하여 상기 대상체까지의 거리를 계산하는 시간 거리 계산기를 포함할 수 있다.
또 다른 일측에 따르면, 상기 비트 주파수의 전기 신호가 생성되는 시점은, 상기 광 수신부에서 상기 수신 광 신호를 수신하는 시점일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 라이다 장치의 거리 측정 방법은, 특정 구간에서 제1 주파수를 갖는 연속된 가간섭 송신 광 신호가 대상체에 반사되어 수신되는 수신 광 신호에 기초하는 비트 주파수의 전기 신호 및 상기 송신 광 신호의 제1 주파수로의 주파수 변조 시점에 기반하여, 상기 대상체까지의 거리를 측정하는 단계를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 광 생성부, 광 송신부, 광 수신부, 광 헤테로다인 검파기 및 거리 측정 회로를 포함하는 라이다 장치의 거리 측정 방법은, 상기 광 생성부가, 특정 구간에서 제1 주파수를 갖는 연속된 가간섭 송신 광 신호를 생성하고, 상기 제1 주파수로의 주파수 변조 시점을 거리 측정 회로로 전달하는 단계; 상기 광 송신부가, 상기 광 생성부로부터 전달되는 상기 송신 광 신호를 광 헤테로다인 검파기(Optical heterodyne detector)로 전달하고, 자유 공간의 대상체에 조사하는 단계; 상기 광 수신부가, 상기 송신 광 신호가 상기 대상체에 의해 반사된 수신 광 신호를 수신하는 단계; 상기 광 헤테로다인 검파기가, 상기 광 생성부로부터 전달되는 상기 송신 광 신호 및 상기 광 수신부로부터 전달되는 상기 수신 광 신호에 기초하여, 비트 주파수(Beat frequency)의 전기 신호를 출력하는 단계; 및 상기 거리 측정 회로가, 상기 광 헤테로다인 검파기로부터 전달되는 상기 비트 주파수의 전기 신호 및 상기 광 생성부로부터 전달되는 상기 주파수 변조 시점에 기초하여, 상기 대상체까지의 거리를 측정하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 라이다 장치는, 특정 구간에서 제1 주파수를 갖는 연속된 가간섭 송신 광 신호를 생성하고, 상기 제1 주파수로의 주파수 변조 시점을 거리 측정 회로로 전달하는 광 생성부; 상기 광원으로부터 전달되는 상기 송신 광 신호를 송신 광 위상 배열기 및 방향성 광 결합기(Directional optical coupler)에 분기하여 출력하는 광 분배기; 상기 광 분배기로부터 전달되는 상기 송신 광 신호를 다중 채널로 분기하고 채널간 위상을 조절하며 신호 송신 방향을 결정하여 상기 대상체에 조사하는 상기 송신 광 위상 배열기; 채널간 위상을 조절하고 신호 수신 방향을 결정하여, 상기 송신 광 신호가 상기 대상체에 의해 반사된 수신 광 신호를 수신하여 상기 방향성 광 결합기로 전달하는 수신 광 위상 배열기; 상기 광 분배기로부터 전달되는 상기 송신 광 신호 및 상기 수신 광 위상 배열기로부터 전달되는 상기 수신 광 신호를 혼합하는 상기 방향성 광 결합기; 상기 방향성 광 결합기로부터 전달받은 광 신호를 검파하여 비트 주파수(Beat frequency)의 전기 신호를 출력하는 밸런스 광 검출기; 및 상기 밸런스 광 검출기로부터 전달되는 상기 비트 주파수의 전기 신호 및 상기 광 생성부로부터 전달되는 상기 주파수 변조 시점에 기초하여, 상기 대상체까지의 거리를 측정하는 상기 거리 측정 회로를 포함하고, 상기 광 분배기, 상기 송신 광 위상 배열기, 상기 수신 광 위상 배열기, 상기 방향성 광 결합기 및 상기 밸런스 광 검출기는, 단일 실리콘 광학칩 내에 집적될 수 있다.
일 실시예들은 수신 광 신호의 수신 감도를 증가시켜 종래의 거리 측정 방식보다 먼 거리의 측정이 가능하며 정밀한 주파수 제어를 필요로 하는 레이저를 포함하지 않는 셀프-헤테로다인 방식을 이용한 거리 측정 방식 기반의 라이다 장치를 제안할 수 있다.
보다 상세하게, 일 실시예들은 대상체에 반사되어 수신되는 수신 광 신호를 큰 파워를 갖는 가간섭성 기준 광 신호와 혼합하여 비팅(Beating)시켜 비트 주파수를 갖는 증폭된 전기 신호를 생성하고, 생성된 전기 신호를 기반으로 대상체까지의 거리를 측정하는 라이다 장치를 제안할 수 있다.
또한, 일 실시예들은 종래의 FMCW 방식과 같이 광원에 대한 정밀하고 선형적 주파수 변환이 필요하지 않아 경제적이며 효율적인 라이다 장치를 제안할 수 있다.
일 실시예들은 고집적 대량 생산이 가능한 고집적 및 저전력의 실리콘 광 위상 배열기(Si-OPA; Silicon optical phased array )를 기반으로 하는 라이다 장치를 제안할 수 있다.
이 때, 일 실시예들은 광 헤테로다인 검파기에 포함되는 밸런스 광 검출기가 광 도파로 광 검출기 형태의 Si-PAT-PD(Silicon photon assisted tunneling photodetector)로 구현됨으로써, 광 헤테로다인 검파기와 연결되는 실리콘 광 위상 배열기 또는 광 분배기와의 광 결합부가 제거되어 구조 복잡도가 낮아진 라이다 장치를 제안할 수 있다.
또한, 일 실시예들은 각기 다른 스캐닝 범위를 갖는 실리콘 광 위상 배열기 중 어느 하나를 선택하여 광 도파로를 연결시키는 스위치를 포함함으로써, 대상체로 송신 광 신호가 조사되는 스캐닝 범위를 효율적으로 갖는 라이다 장치를 제안할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 라이다 장치 및 라이다 장치에서 송수신하는 광 신호의 시간에 따른 거동을 나타낸 도면이다.
도 2a 내지 2b는 일 실시예에 따른 셀프-헤테로다인 검파를 이용한 비행 시간 측정 방식과 종래의 직접 검파를 이용한 비행 시간 측정 방식을 비교 설명하기 위하여, 송신 광 신호의 시간에 따른 거동과 수신 광 신호가 검파된 전기 신호의 시간에 따른 거동을 나타낸 도면이다.
도 3a 내지 3b는 일 실시예에 따른 라이다 장치가 실리콘 광학칩에 구현되는 실리콘 광 위상 배열기를 포함하도록 구현된 구조를 나타낸 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 라이다 장치에 포함되는 거리 측정 회로의 상세 기능 구성도를 나타낸 도면이다.
도 5는 일 실시예에 따른 광원이 DFB 레이저로 구현될 때 동작 전류의 변화에 따른 발진 주파수의 가변 특성을 나타낸 도면이다.
도 6a 내지 6b는 일 실시예에 따른 라이다 장치가 실리콘 광학칩에 구현되는 실리콘 기반 광 분배기 및 실리콘 기반 방향성 광 결합기의 구조를 나타낸 도면이다.
도 7은 일 실시예에 따른 라이다 장치의 셀프-헤테로다인 검파 방식의 수신 광 신호의 증폭 효과를 설명하기 위하여 도 6a 내지 6b에 제시된 구조 별로 획득되는 전력을 직접 검파 방식의 전력으로 나눈 수신 전력 이득을 나타낸 도면이다.
도 8은 일 실시예에 따른 라이다 장치에 포함되는 밸런스 광 검출기가 Si PAT-PD로 구현될 때의 밸런스 광 검출기의 구조를 나타낸 도면이다.
이하, 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 사용자, 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 일 실시예에 따른 라이다 장치 및 라이다 장치에서 송수신하는 광 신호의 시간에 따른 거동을 나타낸 도면이다. 보다 상세하게, 도 1a는 일 실시예에 따른 라이다 장치를 나타낸 블록도이고, 도 1b는 도 1a에 도시된 라이다 장치에서 송수신하는 광 신호의 시간에 따른 거동을 나타낸 도면이다.
도 1a 내지 1b를 참조하면, 일 실시예에 따른 라이다 장치(100)는 수신 광 신호(수신 광 신호는 특정 구간에서 제1 주파수를 갖는 연속된 가간섭 송신 광 신호가 대상체에 반사되어 수신되는 신호를 의미함)에 기초하는 비트 주파수(Beat frequency)의 전기 신호 및 송신 광 신호의 제1 주파수로의 주파수 변조 시점에 기반하여, 대상체까지의 거리를 측정함을 특징으로 한다.
이를 위해, 라이다 장치(100)는 광 생성부(110), 광 송신부(120), 광 수신부(130), 광 헤테로다인 검파기(Optical heterodyne detector)(140) 및 거리 측정 회로(150)를 포함할 수 있다. 이하, 라이다 장치(100)의 구성요소들은 서로 광 도파로를 통해 연결될 수 있으나, 이에 제한되거나 한정되지 않고 광 송신부(120), 광 수신부(130) 및 광 헤테로다인 검파기(140) 각각의 구성 요소들이 단일 실리콘 광학칩 내에 집적되는 경우 광 송신부(120), 광 수신부(130) 및 광 헤테로다인 검파기(140) 각각의 구성 요소들을 서로 연결하기 위한 광 도파로가 생략될 수 있다.
광 생성부(110)는 특정 구간에서 제1 주파수를 갖는 연속된 가간섭 송신 광 신호(Coherent transmission light source)를 생성하고, 제1 주파수로의 주파수 변조 시점인 제1 시점(
Figure 112020115129173-pat00003
)을 거리 측정 회로(150)로 전달할 수 있다.
광 생성부(110)는 시간에 따라 주파수가 변환되는 가간섭 광 신호(Coherent light source)를 생성하여 광 분배기(120)로 전달할 수 있다. 보다 상세하게, 광 생성부(110)는 거리 측정을 개시하는 제1 시점(
Figure 112020115129173-pat00004
)으로부터 제2 시점(
Figure 112020115129173-pat00005
)까지 제1 주파수(
Figure 112020115129173-pat00006
)를 갖고, 제2 시점(
Figure 112020115129173-pat00007
)에 제2 주파수(
Figure 112020115129173-pat00008
)를 갖도록 주파수가 변환되는 송신 광 신호를 생성할 수 있다.
이처럼 광 생성부(110)에서 생성하여 송출되는 송신 광 신호의 파장과 파워의 특성은 그래프(111)와 같이 나타난다. 설명의 편의를 위해 라이다 장치를 구성하는 소자 및 소자간 송신 광 신호를 전달하기 위한 지연시간은 고려하지 않는다. 그래프(111)를 참조하면, 광 생성부(110)는 발진 주파수(Lasing frequency)로 제2 주파수를 생성하고, 거리 측정을 개시하는 제1 시점에 제1 주파수로 변환하여 유지한 후, 제2 시점에서 제2 주파수로 다시 변환할 수 있다. 광 생성부(110)는 다음 거리측정 개시 시점까지 제2 주파수를 유지하며, 설명된 과정을 반복할 수 있다.
이와 같은 광 생성부(110)는 광원(미도시) 및 광원 구동기(미도시)를 포함할 수 있다. 광원은 발진 주파수가 변하는 송신 광 신호를 생성할 수 있으며(보다 상세하게, 제1 시점에 제1 주파수를 갖는 송신 광 신호를 생성하고 제2 시점에 제2 주파수를 갖는 송신 광 신호를 생성함), 광원 구동기는 광원의 발진 주파수가 변경되도록 구동 전류를 변경하며 광원으로 공급할 수 있다.
이 때, 광원은 광원 구동기로부터 공급되는 구동 전류에 의해 발진 주파수가 선형적으로 변하는 DFB 레이저(Distributed feedback laser)로 구현될 수 있다. 이에 대한 상세한 설명은 도 5를 참조하여 기재하기로 한다.
또한, 광원 구동기는 제어기(송신 광 위상 배열기(Transmission optical phased array) 및 수신 광 위상 배열기(Receive optical phased array) 각각의 채널간 위상을 조절하여 신호 송수신 방향을 결정하고, 거리 측정 개시 신호를 광원 구동기 및 거리 측정 회로(150)로 제공하는 등 라이다 장치(100)의 전체 동작을 제어하는 구성요소로서 도 1a에는 미도시됨)로부터 수신되는 거리 측정 개시에 대응되는 구동 전류를 광원에 공급하도록, 반도체로 구현된 직접 변조 구동 칩(Direct modulation driver chip)으로 구성될 수 있다.
광 송신부(120)는 광 생성부(110)로부터 전달되는 송신 광 신호를 광 헤테로다인 검파기(140)로 전달하고 자유 공간의 대상체에 조사할 수 있다. 보다 상세하게, 광 송신부(120)는 광 분배기(미도시) 및 송신 광 위상 배열기(미도시)로 구성됨으로써, 광 분배기를 통해, 광원으로부터 전달되는 송신 광 신호를 송신 광 위상 배열기 및 광 헤테로다인 검파기(140)에 분기하여 출력할 수 있고, 송신 광 위상 배열기를 통해, 광 분배기로부터 전달되는 송신 광 신호를 다중 채널로 분기하고 채널간 위상을 조절하며 신호 송신 방향을 결정하여 대상체에 조사할 수 있다.
이처럼 광 생성부(110)에서 생성되어 광 분배기를 거쳐 광 헤테로다인 검파기(140)로 전달되는 송신 광 신호는 거쳐
Figure 112020115129173-pat00009
의 파워를 갖는 기준 광 신호(Reference optical signal)로서 광 헤테로다인 검파기(140)에서 사용될 수 있다. 그래프(111)에 따르면, 제1 주파수와 제2 주파수로 발진하는 송신 광 신호의 파워는 같을 수 있지만, 이에 한정되거나 제한되지는 않는다.
광 생성부(110)에서 생성되어 광 분배기를 거쳐 송신 광 위상 배열기를 통해 대상체에 조사된 송신 광 신호는 대상체에 의해 반사되게 되고, 광 수신부(130)는 대상체에 의해 반사된 수신 광 신호(이하, 수신 광 신호는 송신 광 신호가 대상체에 의해 반사되어 광 수신부(130)에서 수신되는 광 신호를 의미함)를 수신하고, 이를 광 헤테로다인 검파기(140)로 전달할 수 있다. 여기서, 광 수신부(130)는 채널간 위상을 조절하고 신호 수신 방향을 결정하여 수신 광 신호를 수집함으로써 광 헤테로다인 검파기(140)로 전달할 수 있다.
이와 같은 광 송신부(120) 및 광 수신부(130)에 각각 포함되는 송신 광 위상 배열기 및 수신 광 위상 배열기는, 채널간 위상을 조절할 수 있도록 격자 어레이 안테나 구조 또는 안테나 어레이 사이에 p 타입 또는 n 타입 도핑의 슬랩 영역이 포함되는 구조를 가질 수 있다.
광 수신부(130)로부터 광 헤테로다인 검파기(140)로 전달되는 수신 광 신호의 시간에 따른 거동을 나타내는 그래프(131)를 참조하면, 제1 시점에 광 생성부(110)에 의하여 생성된 제1 주파수를 갖는 광 신호는 광 송신부(120)에서 대상체까지, 그리고 대상체에서 광 수신부(130)까지의 경로에 의한 지연이 발생하여, 제3 시점(
Figure 112020115129173-pat00010
)에 광 헤테로다인 검파기(140)에 전달될 수 있다. 여기서, 제3 시점은 광 수신부(130)에서 수신 광 신호를 수신하는 시점으로서, 광 헤테로다인 검파기(140)에서 비트 주파수(Bear frequency)를 갖는 전기 신호(비트 신호(Beat signal))가 생성되는 시점을 의미한다.
이 때, 광 헤테로다인 검파기(140)에 전달되는 수신 광 신호(Received optical signal)의 파워
Figure 112020115129173-pat00011
는 광 신호의 전달 및 반사 과정에서 발생하는 모든 손실을 포함한다. 광 헤테로다인 검파기(140)에 입력되는 입력 광 신호들(광 생성부(110)에서 생성되어 광 분배기를 거쳐 전달되는 송신 광 신호 및 광 수신부(130)로부터 전달되는 수신 광 신호)의 그래프(160)에 의하면, 입력 광 신호들은 아래의 식 1 내지 3으로 표현되는 전기 신호로서 거리 측정 회로(150)에 전달될 수 있다.
<식 1>
Figure 112020115129173-pat00012
식 1에서,
Figure 112020115129173-pat00013
는 제2 주파수와
Figure 112020115129173-pat00014
파워를 갖는 기준 광 신호(광 생성부(110)에서 생성되어 광 분배기를 거쳐 전달되는 송신 광 신호)의 전기장을 의미하며,
Figure 112020115129173-pat00015
는 제1 주파수와
Figure 112020115129173-pat00016
의 파워를 갖는 수신 광 신호의 전기장을 의미한다.
광 헤테로다인 검파기(140)는 광 생성부(110)로부터 전달되는 송신 광 신호 및 광 수신부(130)로부터 전달되는 수신 광 신호에 기초하여, 비트 주파수의 전기 신호(비트 신호)를 출력할 수 있다. 보다 상세하게, 광 헤테로다인 검파기(140)는 방향성 광 결합기(Directional optical coupler)(미도시) 및 밸런스 광 검출기(미도시)를 포함할 수 있다.
방향성 광 결합기는 광 생성부(110)(보다 정확하게는 광 생성부(110)에 포함되는 광 분배기)로부터 전달되는 송신 광 신호 및 광 수신부(130)로부터 전달되는 수신 광 신호를 혼합하여 밸런스 광 검출기로 전달할 수 있다.
밸런스 광 검출기는 방향성 광 결합기로부터 전달받은 광 신호를 검파하여 비트 주파수의 전기 신호를 출력할 수 있다. 일례로, 밸런스 광 검출기는 수신 광 신호와 송신 광 신호 사이의 가간섭성(Coherence)을 이용하여, 수신 광 신호가 갖는 제1 주파수와 송신 광 신호가 갖는 제2 주파수의 차이인 비트 주파수를 갖는 교류 신호를 출력할 수 있다. 특히, 밸런스 광 검출기는 실리콘 도파로의 p-n 접합 구조에 인가되는 역바이어스 전압을 인가하여 광자 보조 터널링(Photon assisted tunneling) 효과를 이용하여 광 전류를 획득하는 광 도파로 광 검출기 형태의 Si PAT-PD(Silicon photon assisted tunneling photodetector)로 구현될 수 있다. 이에 대한 상세한 설명은 도 8을 참조하여 기재하기로 한다.
이와 같은 구조의 광 헤테로다인 검파기(140)에서, 방향성 광 결합기가 기준 광 신호(송신 광 신호)와 수신 광 신호의 전기장을 더하고, 밸런스 광 검출기가 방향성 광 결합기에 전기장이 더해진 신호에서 비트 신호의 전력에 비례하는 광전류(Photo-current)를 생성함으로써, 밸런스 광 검출기가 출력하는 광전류(교류 신호)의 전력은 아래의 식 2로 표현될 수 있다.
<식 2>
Figure 112020115129173-pat00017
식 2에서,
Figure 112020115129173-pat00018
은 통상의 광 검출기에서의 광 응답도(Responsivity)를 의미한다. 밸런스 광 검출기에 의하여 생성되는 광전류에 의한 전력
Figure 112020115129173-pat00019
은 광 헤테로다인 검파기(140)의 입력된 제1 주파수와 제2 주파수의 차이인 비트 주파수(
Figure 112020115129173-pat00020
, 기준 광 신호와 수신 광 신호의 곱에 비례하는 크기를 갖는다. 생성된 전력
Figure 112020115129173-pat00021
을 갖는 교류 신호는 광 헤테로다인 검파기(140)에 포함된 통상의 포락선 검파기(Envelop detector)에 전달된다. 포락선 검파기는 비트 주파수를 갖는 전기 신호를 아래의 식 3과 같이
Figure 112020115129173-pat00022
의 전력을 갖는 기저 신호
Figure 112020115129173-pat00023
로 변환하여 기저 신호로부터 포락선을 검출할 수 있다.
<식 3>
Figure 112020115129173-pat00024
이하에서는, 광 헤테로다인 검파기(140)에서 생성하는 전기 신호의 시간에 대한 거동을 나타내는 그래프(161)를 참조하여 일 실시예에 따른 라이다 장치(100)의 거리 측정 방법과 거리 정보를 포함하는 전기 신호의 특성을 설명한다. 그래프(161)에 표시된 바와 같이, 광 헤테로다인 검파기(140)에는 기준 광 신호와 수신 광 신호가 연속적으로 입력된다. 여기서, 광 헤테로다인 검파기(140)에서 출력되는 전기 신호는 제1 주파수와 제2 주파수의 차이인 비트 주파수에서 검출되는 전력을 표시할 수 있다.
따라서, 거리 측정이 개시되기 이전 시점(제1 시점의 이전 시점)에는 제1 주파수가 존재하지 않으므로 비팅 주파수에서 검출되는
Figure 112020115129173-pat00025
는 0이다. 거리 측정 개시 시점인 제1 시점에서 제1 주파수가 지속되는 제2 시점 사이에는 기준 광 신호가 제1 주파수이고, 수신 광 신호가 제2 주파수일 수 있으므로 비트 주파수에서 그래프(161)과 같이 상승된 파워
Figure 112020115129173-pat00026
가 감지될 수 있다. 하지만, 수신 광 신호가 아닌 기준 광 신호의 주파수 변화에 의한 것이므로 거리 측정에 참조되지 않는다. 제2 시점 이후에는 기준 광 신호에서 제2 주파수가 입력되므로
Figure 112020115129173-pat00027
가 다시 유지된다.
Figure 112020115129173-pat00028
로 유지되던 파워는 대상체에 의해 반사된 제1 주파수의 수신 광 신호가 광 헤테로다인 검파기(140)에 도달하는 제3 시점에 제2 주파수의 기준 광 신호와 비트되어 파워가
Figure 112020115129173-pat00029
로 크게 상승하여 검출된다.
이에, 제1 시점과 제3 시점과의 차이
Figure 112020115129173-pat00030
를 측정하면, 대상체까지의 거리를 계산할 수 있는 바, 거리 측정 회로(150)는 광 헤테로다인 검파기(140)로부터 전달되는 비트 주파수의 전기 신호 및 광 생성부(110)로부터 전달되는 주파수 변조 시점에 기초하여, 대상체까지의 거리를 측정할 수 있다. 이를 위해, 거리 측정 회로(150)는 비트 주파수의 전기 신호가 생성되는 제3 시점과 제1 주파수로의 주파수 변조 시점인 제1 시점을 비교하는 비교기(미도시) 및 비교기에서 비교된 비트 주파수의 전기 신호가 생성되는 제3 시점과 제1 주파수로의 주파수 변조 시점인 제1 시점 사이의 차이에 기초하여 송신 광 신호의 비행 시간을 측정하고, 송신 광 신호의 비행 시간을 이용하여 대상체까지의 거리를 계산하는 시간 거리 계산기를 포함하도록 구성될 수 있다.
이 때, 포락선 검파기가 광 헤테로다인 검파기(140)에 포함되는 것으로 설명되었으나, 포락선 검파기는 광 헤테로다인 검파기(140)가 아닌 거리 측정 회로(150)에 포함될 수도 있다. 어느 경우에서건, 거리 측정 회로(150)에 포함되는 비교기는 포락선 검출기에서 전달되는 제3 시점에서 상승 국면을 갖는 신호(기저 신호
Figure 112020115129173-pat00031
)와 제1 시점에서 거리 측정을 개시하는 신호를 비교할 수 있다.
또한, 광 헤테로다인 검파기(140)에는 밸런스 광 검출기에서 출력되는 교류 신호를 전압 신호로 변환하여 증폭하는 트랜스 임피던스 증폭기(TIA; Trans impedance amplifier)(미도시) 및 트랜스 임피던스 증폭기로부터 전달되는 비트 주파수를 갖는 전압 신호에서 중간 주파수 대역만을 통과시켜 포락선 검출기로 출력하는 대역 필터(미도시)가 더 포함될 수 있으며, 트랜스 임피던스 증폭기 및 대역 필터 역시 광 헤테로다인 검파기(140)가 아닌 거리 측정 회로(150)에 포함될 수도 있다.
제3 시점에 관찰되는 전기 신호는 위의 식 3에 따라, 수신 광 신호의 파워
Figure 112020115129173-pat00032
에 기준 광 신호의 파워
Figure 112020115129173-pat00033
가 증폭된 크기로 나타나며, 통상적으로 기준 광 신호의 파워가 수신 광 신호의 파워보다 훨씬 크다는 점을 고려하면, 수 내지 수십 배의 이득을 얻을 수 있다.
이하에서는, 도 2a 내지 2b를 참조하여 일 실시예에 따른 셀프-헤테로다인 검파를 이용한 비행 시간 측정 방식과 종래의 직접 검파를 이용한 비행 시간 측정 방식이 비교 설명된다.
도 2a 내지 2b는 일 실시예에 따른 셀프-헤테로다인 검파를 이용한 비행 시간 측정 방식과 종래의 직접 검파를 이용한 비행 시간 측정 방식을 비교 설명하기 위하여, 송신 광 신호의 시간에 따른 거동과 수신 광 신호가 검파된 전기 신호의 시간에 따른 거동을 나타낸 도면이다. 보다 상세하게, 도 2a는 종래의 직접 검파를 이용한 비행 시간 측정 방식에서의 송신 광 신호의 시간에 따른 거동과 수신 광 신호가 검파된 전기 신호의 시간에 따른 거동을 나타낸 도면이고, 도 2b는 일 실시예에 따른 셀프-헤테로다인 검파를 이용한 비행 시간 측정 방식에서의 송신 광 신호의 시간에 따른 거동과 셀프-헤테로다인 검파에 의해 생성된 전기 신호의 시간에 따른 거동을 나타낸 도면이다.
도 2a를 참조하면, 종래의 직접 검파를 이용한 비행 시간 측정 방식에서 송신 광 신호의 시간에 따른 거동(210)과, 수신 광 신호가 직접 검파되어 생성된 전기 신호의 시간에 따른 거동(220)은 도면과 같다.
송신 광 신호가 대상체에 의해 반사되어 수신하는 수신 광 신호의 시점을 구별하기 위하여, 파워가 변화하는 광 펄스(211)가 사용되며, 이 때 사용되는 송신 광 신호의 주파수(212)는 직접 검파 방식에 의한 거리 측정에 사용되지 않으므로 구성 소자나 연결에 영향을 미치지 않는 범위에서 제한되지 않는다. 송신 광 신호는 거리 측정의 개시 시점인 제1 시점(
Figure 112020115129173-pat00034
)에
Figure 112020115129173-pat00035
의 파워로 생성되어 제2 시점(
Figure 112020115129173-pat00036
)까지 유지되고, 제2 시점부터 다음 거리 측정 개시시점까지
Figure 112020115129173-pat00037
의 파워를 유지할 수 있다. 이 때,
Figure 112020115129173-pat00038
는 대상체에 반사되는 수신 광 신호의 수신 방해를 줄이기 위하여 0이 될 수 있다.
수신 광 신호는 그 파워에 비례하는 전류 신호를 생성하는 종래의 직접 검파 방식의 광 검출기를 사용하므로, 수신 전기 신호의 전력은 아래의 식 4에 의하여 표현될 수 있다.
<식 4>
Figure 112020115129173-pat00039
식 4에서
Figure 112020115129173-pat00040
는 수신 전기 신호의 전력;
Figure 112020115129173-pat00041
는 수신된 광 신호의 파워;
Figure 112020115129173-pat00042
은 광 응답도를 의미한다. 그래프(220)를 참조하면, 수신 광 신호의 검파에 의하여 생성되는 전기 신호는 거리 측정 개시 시점인 제1 시점부터 낮은 전력(221)을 유지하다가, 제1 시점에 방출된 광 신호가
Figure 112020115129173-pat00043
의 파워로 수신되면서 식 4에 따라 검파된 전기 신호의 전력(222)이
Figure 112020115129173-pat00044
로 상승한다. 따라서, 제1 시점에 송출된 광 신호가 반사되어 돌아온 제3 시점이 측정될 수 있다. 제1 시점과 제3 시점과의 차이
Figure 112020115129173-pat00045
를 측정하면, 대상체까지의 거리가 계산될 수 있다.
도 2b를 참조하면, 일 실시예에 따른 셀프-헤테로다인 검파를 이용한 비행 시간 측정 방식에서 송신 광 신호의 시간에 따른 거동(230)과, 수신 광 신호가 셀프-헤테로다인 검파되어 생성된 전기 신호의 시간에 따른 거동(240)은 도면과 같다.
전술된 종래의 직접 검파 방식과는 달리, 송신 광 신호가 반사되어 도착하는 시점을 구별하기 위하여 주파수가 변화하는 주파수 펄스(Frequency pulse, 231)가 사용되며, 이 때 종래에 직접 검파 방식에서 사용되던 파워(232)의 파워 변화는 사용되지 않는다. 송신 광 신호는 발진 주파수(Lasing frequency)로 제2 주파수(
Figure 112020115129173-pat00046
)로 생성된 후, 거리 측정을 개시하는 제1 시점(
Figure 112020115129173-pat00047
)에 제1 주파수(
Figure 112020115129173-pat00048
)로 변환되어 유지되다가, 제2 시점(
Figure 112020115129173-pat00049
)에서 제2 주파수로 다시 변환되고, 다음 거리 측정 개시 시점까지 제2 주파수를 유지되는 과정이 반복될 수 있다.
수신 광 신호와 기준 광 신호가 셀프-헤테로다인 검파에 의해 생성되는 전기 신호의 시간에 대한 거동은 그래프(240)와 같다. 전술된 식 1 내지 3에 의해, 제1 시점에 제1 주파수로 송출된 광 신호가 수신되는 제3 시점 이전에는 비트 주파수에서의 파워(241)가 없다가, 제3 시점에서
Figure 112020115129173-pat00050
의 파워(242)를 갖는 전기 신호가 생성된다. 따라서, 제1 시점에 송출된 광 신호가 반사되어 돌아온 제3 시점이 측정될 수 있으며, 제1 시점과 제3 시점과의 차이
Figure 112020115129173-pat00051
를 측정하면, 대상체까지의 거리가 계산될 수 있다
일 실시예에 따른 셀프-헤테로다인 검파에 의한 전력과 종래의 직접 검파에 의한 전력
Figure 112020115129173-pat00052
을 비교하면 일 실시예에 따른 셀프-헤테로다인 검파에 기반한 경우가
Figure 112020115129173-pat00053
만큼 증폭된 파워를 갖는다. 통상적으로 기준 파워가 수신 파워보다 훨씬 크다는 점을 고려하면, 수 내지 수십 배의 이득이 획득될 수 있다.
도 3a 내지 3b는 일 실시예에 따른 라이다 장치가 실리콘 광학칩에 구현되는 실리콘 광 위상 배열기를 포함하도록 구현된 구조를 나타낸 도면이다. 보다 상세하게, 도 3a는 도 1에 설명된 광 생성부, 광 송신부 및 광 헤테로다인 검파기 각각에 포함되는 구성요소들을 포함하도록 도시된 라이다 장치의 구조를 나타낸 도면이고, 도 3b는 도 3a에 도시된 송신 광 위상 배열기 및 수신 광 위상 배열기가 단일 구성부로 구현되는 구조를 나타낸 도면이다.
도 3a를 참조하면, 라이다 장치(300)는 광원(310), 광원 구동기(311), 광 분배기(320), 송신 광 위상 배열기(321), 수신 광 위상 배열기(330), 방향성 광 결합기(340), 밸런스 광 검출기(341), 거리 측정 회로(350) 및 제어기(360)를 포함할 수 있다. 여기서, 광 분배기(320), 송신 광 위상 배열기(321), 수신 광 위상 배열기(330), 방향성 광 결합기(340) 및 밸런스 광 검출기(341)는 단일 실리콘 광학칩(370)에 구현될 수 있다.
라이다 장치(300)에서 광원 구동기(311)는 실리콘 광학칩(370)의 외부에 배치되는 광원(310)의 발진 주파수가 변경되도록 구동 전류를 변경하며 광원(310)으로 공급할 수 있다.
이에, 광원(310)은 발진 주파수가 변하는 송신 광 신호(제1 시점에 제1 주파수를 갖고 제2 주파수를 갖는 송신 광 신호)를 생성하여 실리콘 광학칩(370)으로 전달할 수 있다.
실리콘 광학칩(370)은 전달되는 송신 광 신호를 대상체에 조사하고, 대상체에 의해 반사되는 수신 광 신호를 수신하여 전기 신호로 변환하여 거리 측정 회로(350)로 제공할 수 있다.
보다 상세하게, 실리콘 광학칩(370)에 포함되는 광 분배기(320)는 광원(310)으로부터 전달되는 송신 광 신호를 분기하여 송신 광 위상 배열기(321) 및 방향성 광 결합기(340) 각각으로 전달할 수 있고, 송신 광 위상 배열기(321)는 다중 채널로 분기하고 채널간 위상을 조절하여 신호 송신 방향을 결정함으로써, 자유 공간으로 송신 광 신호를 방사할 수 있다. 수신 광 위상 배열기(330)는 채널간 위상을 조절하고 신호 수신 방향을 결정하여 수신 광 신호를 수집함으로써, 방향성 광 결합기(340)로 전달할 수 있다.
방향성 광 결합기(340)는 광 분배기(320)로부터 수신되는 송신 광 신호를 둘로 나누어 두 개의 출력 포트(두 개의 실리콘 도파로)로 전달하고 수신 광 위상 배열기(330)로부터 전달되는 수신 광 신호 역시 둘로 나누어 두 개의 출력 포트로 전달함으로써, 송신 광 신호와 수신 광 신호를 혼합하여 두 개의 출력 포트간 반파장의 위상 차이를 갖는 신호를 두 개의 출력 포트를 통해 밸런스 광 검출기(341)로 전달할 수 있다. 밸런스 광 검출기(341)는 방향성 광 결합기(340)로부터 전달되는 수신 광 신호와 송신 광 신호가 더해진 광 신호로부터 수신 광 신호와 송신 광 신호의 주파수 차이인 비트 주파수를 갖는 광전류(Photocurrent)를 생성하는 Si PAT-PD로 구현됨으로써, Si PAT-PD를 구성하는 두 개의 실리콘 기반 광 검출기를 연결하여 광전류에서 직류 전류를 차단하고 교류 전류만을 거리 측정 회로(350)로 출력할 수 있다. 이에 대한 상세한 설명은 도 8을 참조하여 기재하고, 광 분배기(320) 및 방향성 광 결합기(340)에 대한 상세한 설명은 도 6a 내지 6b를 참조하여 기재하기로 한다.
거리 측정 회로(350)는 실리콘 광학칩(370)(정확하게는, 밸런스 광 검출기(341))로부터 출력되는 교류 전류를 증폭하여 변환된 전압 신호에서 포락선을 감지하고, 거리 측정이 개시된 제1 시점과 개시 시점에 송신된 송신 광 신호가 대상체에 의해 반사된 수신 광 신호가 수신된 제3 시점을 비교하여 대상체까지의 거리를 측정할 수 있다. 이에 대한 상세한 설명은 아래의 도 4에서 기재하기로 한다.
이와 같은 라이다 장치(300)의 동작에서, 거리 측정을 개시하는 신호를 생성하여 광원 구동기(311) 및 거리 측정 회로(350)로 제공하는 것과, 실리콘 광 위상 배열기(321, 330)의 방사 방향을 제어하는 것(조향을 조정)은 제어기(360)에 의해 수행될 수 있다.
이상, 송신 광 위상 배열기(321) 및 수신 광 위상 배열기(330)가 각기 독립적으로 구현되는 것으로 도시되었으나, 도 3b와 같이 하나의 구성부로 구현될 수도 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 라이다 장치에 포함되는 거리 측정 회로의 상세 기능 구성도를 나타낸 도면이다. 보다 상세하게, 도 4는 도 3에 도시된 거리 측정 회로의 상세 기능 구성도를 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 거리 측정 회로(350)는 트랜스 임피던스 증폭기(410) 및 포락선 검출기(420)를 포함하도록 구현되나, 이에 제한되거나 한정되지 않고 트랜스 임피던스 증폭기(410) 및 포락선 검출기(420)를 제외한 구성요소들(비교기(430) 및 시간 거리 계산기(440))만을 포함하도록 구현될 수 있다. 이러한 경우, 트랜스 임피던스 증폭기(410) 및 포락선 검출기(420)는 광 헤테로다인 검파기에 포함될 수 있다.
거리 측정 회로(350)에 포함되는 트랜스 임피던스 증폭기(410)는 도 3에 도시된 밸런스 광 검출기에서 출력되는 비트 주파수를 갖는 교류 전류를 증폭하여 전압 신호(411)로 변환할 수 있고, 거리 측정 회로(350)에 포함되는 포락선 검출기(420)는 트랜스 임피던스 증폭기(410)에서 출력되는 전압 신호의 고주파 신호를 제거하여 포락선(421)만을 감지하여 출력할 수 있다.
따라서, 거리 측정 회로(350)에 포함되는 비교기(430)는 출력되는 포락선(421)의 크기를 감지하여 거리 측정이 개시된 제1 시점(제1 주파수로의 주파수 변조 시점)과 개시 시점에 송신된 송신 광 신호가 대상체에 의해 반사된 수신 광 신호가 수신된 제3 시점(비트 주파수의 전기 신호가 생성되는 시점)을 비교할 수 있고, 시간 거리 계산기(440)는 제1 시점 및 제3 시점 사이의 차이에 기초하여 송신 광 신호의 비행 시간을 측정하고, 송신 광 신호의 비행 시간을 이용하여 대상체까지의 거리를 계산 및 측정할 수 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 광원이 DFB 레이저로 구현될 때 동작 전류의 변화에 따른 발진 주파수의 가변 특성을 나타낸 도면이다.
도 1 및 도 3a 내지 3b에서 전술된 광원으로는 광원 구동기로부터 공급되는 전류에 의해 발진하는 주파수가 선형적으로 변하는 DFB 레이저(Distributed feedback laser)가 사용될 수 있다.
이와 관련하여 도 5를 참조하면, 광원은 가간섭성을 유지하면서 외부 제어를 통해 발진 주파수를 변조할 수 있어야 한다. 이에, DFB 레이저는 아래의 식 5의 관계에 따라 동작 전류를 변화시켜 발진 주파수를 선형적으로 변조하는 특성을 가질 수 있다.
<식 5>
Figure 112020115129173-pat00054
식 5에서
Figure 112020115129173-pat00055
는 발진 주파수의 변화량,
Figure 112020115129173-pat00056
는 DFB 레이저의 선폭 확장 인자(Linewidth enhancement factor),
Figure 112020115129173-pat00057
는 DFB 레이저의 첩 인자(Chirp coefficient),
Figure 112020115129173-pat00058
는 DFB 레이저의 기울기 효율(Slop efficiency)을 의미한다. 상기 식 5에서
Figure 112020115129173-pat00059
,
Figure 112020115129173-pat00060
,
Figure 112020115129173-pat00061
의 값으로 각각 통상적인 DFB 레이저에서 관측되는 대표값인 3.5,
Figure 112020115129173-pat00062
(Hz/W), 0.25를 대입한 전류 변화량(
Figure 112020115129173-pat00063
, mA)에 대한 주파수 변화량(
Figure 112020115129173-pat00064
, Ghz)은 그래프(510)과 같다.
그래프에서 나타나듯이, DFB 레이저는 약 3mA의 동작 전류 변화를 통하여 1Ghz의 변조된 광 신호를 획득할 수 있다. 통상의 DFB 레이저가 고속의 동작 속도를 갖는 것을 고려하면, DFB 레이저는 제안된 셀프-헤테로다인 검파를 이용한 라이다 장치의 광원으로 사용될 수 있다.
도 6a 내지 6b는 일 실시예에 따른 라이다 장치가 실리콘 광학칩에 구현되는 실리콘 기반 광 분배기 및 실리콘 기반 방향성 광 결합기의 구조를 나타낸 도면이다. 도 6a 내지 6b에서 도시된 구조는 고 굴절률의 실리콘을 코어로 하고, 저 굴절률의 실리카를 클래딩으로 하여 광 도파로를 형성하는 실리콘 집적광학을 기반으로 했지만 이러한 구조는 실리콘 집적광학에 한정되거나 제한되자 않고, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 화합물 반도체 등 다양한 물질에 적용될 수 있다.
도 3a에 도시된 것처럼 송신 광 위상 배열기 및 수신 광 위상 배열기가 분리된 구조에 적용될 수 있는 다중광모드 간섭(Multimode interference) 광 분배기(610)와 방향성 광 결합기(620)을 포함하는 구조를 나타내는 도 6a를 참조하면, 광원으로부터 단일모드 도파로에 의하여 전달되던 송신 광 신호는 도파 영역이 확장하는 광 분배기(610)의 영역에서 다중모드로 결합되어 자아결상 원리(Self-imaging theory)에 의한 다중모드 간섭 패턴을 형성한다. 이에, 패턴이 발생하는 영역에 출력 도파로를 배치하면 임의의 분기율을 갖는 광 분배기(610)가 구성될 수 있다.
광 분배기(610)의 영역에서 광 분배율은, 간섭 구간의 거리에 의하여 결정되므로, 일 실시예와 같이 50:50 또는 라이다 장치의 성능을 고려하여
Figure 112020115129173-pat00065
의 비율로 적응적으로 변경될 수 있다. 방향성 광 결합기(620)의 영역에서는 제1 광 도파로(621)의 기준 광 신호와 제2 광도파로(622)의 수신 광 신호의 감쇄 모드(Evanescent mode)가 상대의 도파로와 겹치도록 가깝게 배치되므로, 신호가 도파되면서 인접 도파로로 이동하는 결합 모드 원리(Coupled mode theory)가 적용될 수 있다. 일 실시예에 따른 도면에서는 기준 광 신호와 수신 신호를 50:50으로 혼합하여 밸런스 광 검출기로 전달하는 방향성 광 결합기(620)가 도시되었다.
도 3b에 도시된 것처럼 송신 광 위상 배열기 및 수신 광 위상 배열기가 단일 구성부로 구현되는 2개의 방향성 광 결합기들(630, 640)이 연결된 구조를 나타내는 도 6b를 참조하면, 제1 방향성 광 결합기(630)는 광원으로부터 전달된 송신 광 신호를 50:50으로 분기하여 송/수신 광 위상배열기와 제2 방향성 광 결합기(640)의 제2 광 도파로(642)에 제공할 수 있다. 상기 광 분배율은 라이다 장치의 성능을 고려하여
Figure 112020115129173-pat00066
의 비율로 적응적으로 변경될 수 있다.
이어서, 송/수신 광 위상 배열기가 대상체에 의하여 반사된 수신 광 신호를 송신 광 신호가 전달된 제1 방향성 광 결합기(630)의 제1 광 도파로(631)로 전달한다. 제1 광 도파로(631)로 입력된 수신 광 신호는 결합 모드 원리에 의하여 제1 방향성 광 결합기(630)의 제2 광 도파로(632)로 전달되어 연결된 제2 방향성 광 결합기(640)의 제1 광 도파로(641)에 전달한다.
제2 방향성 광 결합기(640)의 제1 광도파로(641)에 전달된 수신 광 신호는 결합 모드 원리에 의하여 일부의 광 신호가 제2 광 도파로(642)에 전달되고, 제2 방향성 광 결합기(640)의 제2 광 도파로(642)에 전달된 기준 광 신호도 일부의 광 신호가 제1 광 도파로(641)에 전달되어, 기준 광 신호와 수신 광 신호가 혼합된 광 신호가 두 개의 도파로에 의하여 밸런스 광 검출기에 전달될 수 있다.
도 7은 일 실시예에 따른 라이다 장치의 셀프-헤테로다인 검파 방식의 수신 광 신호의 증폭 효과를 설명하기 위하여 도 6a 내지 6b에 제시된 구조 별로 획득되는 전력을 직접 검파 방식의 전력으로 나눈 수신 전력 이득을 나타낸 도면이다. 보다 상세하게, 도 7a는 대상체에 조사되는 경로에서 발생되는 손실의 변화에 대한 수신 전력 이득을 나타낸 도면이고, 도 7b는 도 6a 내지 6b에 제시된 구조 별 광분기율에 따른 수신 전력 이득을 나타낸 도면이다.
도 6a의 구조에서는 수신 전력 이득(
Figure 112020115129173-pat00067
)이 아래의 식 6을 따른다.
<식 6>
Figure 112020115129173-pat00068
식 6에서
Figure 112020115129173-pat00069
는 도 6a의 구조와 헤테로다인 검파에 의한 수신 전력 이득을 나타내며,
Figure 112020115129173-pat00070
는 도 6a의 MMI 광 분배기(610)의 광분기율, L은 도 6a의 MMI 광분배기(610)에 의하여 분기된 광 신호가 방향성 광 결합기(620)에 도달하는 경로상에 존재하는 모든 손실을 나타낸다. 분기율(
Figure 112020115129173-pat00071
을 0.5로 가정한 도 7a를 참조하면, 수신 전력 이득(
Figure 112020115129173-pat00072
)은 그래프(711)와 같이 식 6에 의하여 손실이 증가할수록 증가한다. 예를 들어 광 경로 손실이 50dB인 경우에 수신 전력 이득이 49dB이므로 광 손실이 약 25dB 감소하는 효과가 있다. 즉, 10dBm 광원을 사용하는 경우에 -15dBm의 입력을 받는 경우와 동일한 수신전력을 발생시킨다.
도 6b의 구조에서는 수신 전력 이득(
Figure 112020115129173-pat00073
이 아래의 식 7을 따른다.
<식 7>
Figure 112020115129173-pat00074
식 7에서
Figure 112020115129173-pat00075
는 도 6b의 구조와 헤테로다인 검파에 의한 수신 전력 이득을 나타내며,
Figure 112020115129173-pat00076
는 도 6b의 제1 방향성 광 결합기(630)의 광 분기율, L은 도 6b의 제1 방향성 광 결합기(630)에 의하여 분기된 광 신호가 제1 방향성 광 결합기(630)에 도달하는 경로상에 존재하는 모든 손실을 나타낸다. 분기율(
Figure 112020115129173-pat00077
을 0.5로 가정한 도 7b를 참조하면, 수신 전력 이득(
Figure 112020115129173-pat00078
)은 그래프(712)와 같이 식 7에 의하여 손실이 증가할수록 증가하며, 도 6a 방식과 비교하여 3dB 작은 값을 갖는다. 예를 들어 광 경로 손실이 50dB인 경우에 수신 전력 이득이 46dB이므로 광 손실이 약 23dB 감소하는 효과가 있다. 즉, 10dBm 광원을 사용하는 경우에 -18dBm의 입력을 받는 경우와 동일한 수신전력을 발생시킨다.
도 7b는 상기 도 6a와 도 6b에서 광 손실(L)이 50dB일 때 기울기(
Figure 112020115129173-pat00079
)에 따른 수신 전력 이득
Figure 112020115129173-pat00080
(721)와
Figure 112020115129173-pat00081
(722)를 도시한 것이다.
Figure 112020115129173-pat00082
는 분기율(
Figure 112020115129173-pat00083
)이 0.5일 때 최대값 46.99dB이며,
Figure 112020115129173-pat00084
는 분기율(
Figure 112020115129173-pat00085
)이 약 0.33일 때 최대값으로 44.71dB이다. 수신 전력 이득의 최대값을 얻는 분기율은 광 손실(L)과 무관하게 구조에 따라 결정됨을 알 수 있다. 분기율과 수신전력이득과의 관계를 표현하는 식 6과 식 7은 다양한 분기 구조에 따라 변형되어 적용될 수 있다.
도 8은 일 실시예에 따른 라이다 장치에 포함되는 밸런스 광 검출기가 Si PAT-PD로 구현될 때의 밸런스 광 검출기의 구조를 나타낸 도면이다.
도 8을 참조하면, 밸런스 광 검출기(810)는 방향성 광 결합기로부터 전달되는 수신 광 신호와 송신 광 신호가 더해진 광 신호로부터 수신 광 신호와 송신 광 신호의 주파수 차이인 비트 주파수를 갖는 광전류(Photocurrent)를 생성하도록, 광 도파로 광 검출기 형태의 Si PAT-PD(Silicon photon assisted tunneling photodetector)로 구현될 수 있다.
Si PAT-PD는 통상의 실리콘기반 립(Rib) 도파로 형태를 가지며, 진성 반도체인 실리콘에 5족 반도체의 p 도핑과 3족 반도체의 n 도핑을 실시하여 PN 접합면을 구성하고, 외부에서 전압을 인가할 수 있도록 금속박막을 형성하여 구성된다. 이 때, PAT-PD는 실리콘 도파로 상에 구현된 p-n 접합 구조의 PN 접합면에 강한 역바이어스 전압을 인가하여 전계를 형성함으로써, 밴드갭(Bandgap)보다 작은 에너지의 파장인 1300nm의 파장의 광자(photon)가 입사되어도 전계의 도움으로 전기 운반자를 생성하여 광자를 검출하는 광자 보조 터널링(Photon assisted tunneling) 효과를 이용하여 광 전류를 획득할 수 있다.
이처럼 밸런스 광 검출기가 PAT-PD로 구현됨으로써, 단일 실리콘 광학칩에 셀프-헤테로다인 검파 기능이 구현된 일체형 구조가 가능하게 된다. 이에, PAT-PD를 포함하는 일체형 구조인 단일 실리콘 광학칩은 별도의 칩으로 분리되어 구현되는 밸런스 광 검출기를 포함하는 종래의 라이다 장치보다 복잡도를 현저히 줄이고, 집적도를 높여 경제적이고, 효율적인 라이다가 가능하도록 한다.
이상 설명된 라이다 장치는 수신 광 신호(특정 구간에서 제1 주파수를 갖는 연속된 가간섭 송신 광 신호가 대상체에 반사되어 수신되는 신호를 의미함)에 기초하는 비트 주파수의 전기 신호 및 송신 광 신호의 제1 주파수로의 주파수 변조 시점에 기반하여, 대상체까지의 거리를 측정하는 단계로 구성되는 거리 측정 방법을 수행할 수 있다.
보다 상세하게, 라이다 장치는 전술된 구조를 통해 다음과 같은 단계들로 구성되는 거리 측정 방법을 수행할 수 있다.
제1 단계: 광 생성부가, 특정 구간에서 제1 주파수를 갖는 연속된 가간섭 송신 광 신호를 생성하고, 제1 주파수로의 주파수 변조 시점을 거리 측정 회로로 전달하는 단계
제2 단계: 광 송신부가, 광 생성부로부터 전달되는 송신 광 신호를 광 헤테로다인 검파기(Optical heterodyne detector)로 전달하고, 자유 공간의 대상체에 조사하는 단계
제3 단계: 광 수신부가, 송신 광 신호가 대상체에 의해 반사된 수신 광 신호를 수신하는 단계
제4 단계: 광 헤테로다인 검파기가, 광 생성부로부터 전달되는 송신 광 신호 및 광 수신부로부터 전달되는 수신 광 신호에 기초하여, 비트 주파수(Beat frequency)의 전기 신호를 출력하는 단계
제5 단계: 거리 측정 회로가, 광 헤테로다인 검파기로부터 전달되는 비트 주파수의 전기 신호 및 광 생성부로부터 전달되는 주파수 변조 시점에 기초하여, 대상체까지의 거리를 측정하는 단계
각 단계에서의 세부적인 동작은 라이다 장치의 구조와 각 구성요소들의 기능들에 대해 전술한 내용을 포함할 수 있다.
또한, 라이다 장치는 이상 설명된 구조를 갖는 것에 제한되거나 한정되지 않고, 수신 광 신호(특정 구간에서 제1 주파수를 갖는 연속된 가간섭 송신 광 신호가 대상체에 반사되어 수신되는 신호를 의미함)에 기초하는 비트 주파수의 전기 신호 및 송신 광 신호의 제1 주파수로의 주파수 변조 시점에 기반하여, 대상체까지의 거리를 측정하는 거리 측정 회로를 포함하는 것을 전제로 다양한 구성요소들로 구성될 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 (16)

  1. 특정 구간에서 제1 주파수를 갖는 연속된 가간섭 송신 광 신호를 생성하고, 상기 송신 광 신호의 상기 제1 주파수로의 주파수 변조 시점을 거리 측정 회로로 전달하는 광 생성부;
    상기 광 생성부로부터 전달되는 상기 송신 광 신호를 광 헤테로다인 검파기(Optical heterodyne detector)로 전달하고, 자유 공간의 대상체에 조사하는 광 송신부;
    상기 송신 광 신호가 상기 대상체에 반사되어 수신되는 수신 광 신호를 수신하는 광 수신부;
    상기 광 생성부로부터 전달되는 상기 송신 광 신호 및 상기 광 수신부로부터 전달되는 상기 수신 광 신호에 기초하여, 비트 주파수(Beat frequency)의 전기 신호를 출력하는 상기 광 헤테로다인 검파기; 및
    상기 제1 주파수로의 주파수 변조 시점 및 상기 광 헤테로다인 검파기로부터 전달되는 상기 비트 주파수의 전기 신호의 전력이 검출되는 시점 사이의 차이에 기초하여, 상기 대상체까지의 거리를 측정하는 상기 거리 측정 회로
    를 포함하고,
    상기 광 헤테로다인 검파기는,
    상기 광 생성부로부터 전달되는 상기 송신 광 신호 및 상기 광 수신부로부터 전달되는 상기 수신 광 신호를 혼합하는 방향성 광 결합기(Directional optical coupler); 및
    상기 방향성 광 결합기로부터 전달받은 광 신호를 검파하여 상기 비트 주파수의 전기 신호를 출력하는 밸런스 광 검출기
    를 포함하며,
    상기 광 생성부는,
    발진 주파수가 변하는 상기 송신 광 신호를 생성하는 광원; 및
    상기 광원의 발진 주파수가 변경되도록 구동 전류를 변경하며 상기 광원으로 공급하는 광원 구동기
    를 포함하고,
    상기 광 송신부는,
    상기 광원으로부터 전달되는 상기 송신 광 신호를 송신 광 위상 배열기 및 상기 광 헤테로다인 검파기에 분기하여 출력하는 광 분배기; 및
    상기 광 분배기로부터 전달되는 상기 송신 광 신호를 다중 채널로 분기하고 채널간 위상을 조절하며 신호 송신 방향을 결정하여 상기 대상체에 조사하는 상기 송신 광 위상 배열기
    를 포함하며,
    상기 광 수신부는,
    채널간 위상을 조절하고 신호 수신 방향을 결정하여 상기 수신 광 신호를 수집함으로써 상기 광 헤테로다인 검파기로 전달하는 수신 광 위상 배열기
    를 포함하고,
    상기 라이다 장치는,
    상기 송신 광 위상 배열기 및 상기 수신 광 위상 배열기 각각의 채널간 위상을 조절하여 신호 송수신 방향을 결정하고, 거리 측정 개시 신호를 상기 광원 구동기 및 상기 거리 측정 회로로 제공하는 제어기
    를 더 포함하며,
    상기 송신 광 위상 배열기 및 상기 수신 광 위상 배열기는,
    단일 구성부로 구현되고,
    상기 광 헤테로다인 검파기 또는 상기 거리 측정 회로 중 어느 하나는,
    상기 밸런스 광 검출기로부터 출력되는 상기 전기 신호를 전압 신호로 변환하여 증폭하는 트랜스 임피던스 증폭기(TIA; Trans impedance amplifier);
    상기 트랜스 임피던스 증폭기로부터 전달되는 상기 비트 주파수를 갖는 전압 신호에서 중간 주파수 대역만을 통과시키는 대역 필터; 및
    상기 대역 필터에서 통과된 중간 주파수 대역의 비트 주파수를 갖는 전압 신호로부터 포락선을 검출하는 포락선 검출기(Envelop detector)
    를 포함하는 라이다 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 광원은,
    상기 광원 구동기로부터 공급되는 상기 구동 전류에 의해 발진 주파수가 선형적으로 변하는 DFB 레이저(Distributed feedback laser)로 구현되는 라이다 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 광원 구동기는,
    상기 제어기로부터 수신되는 거리 측정 개시 신호에 대응되는 구동 전류를 상기 광원에 공급하도록, 반도체로 구현된 직접 변조 구동 칩(Direct modulation driver chip)으로 구성되는 라이다 장치.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 밸런스 광 검출기는,
    실리콘 도파로의 p-n 접합 구조에 인가되는 역바이어스 전압에 의한 광자 보조 터널링(Photon assisted tunneling) 효과를 이용하여 광 전류를 획득하는 광 도파로 광 검출기 형태의 Si PAT-PD(Silicon photon assisted tunneling photodetector)로 구현되는 라이다 장치.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제1항에 있어서,
    상기 광 분배기, 상기 송신 광 위상 배열기, 상기 수신 광 위상 배열기, 상기 방향성 광 결합기 및 상기 밸런스 광 검출기는,
    단일 실리콘 광학칩 내에 집적되는 되는 라이다 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 거리 측정 회로는,
    상기 제1 주파수로의 주파수 변조 시점 및 상기 광 헤테로다인 검파기로부터 전달되는 상기 비트 주파수의 전기 신호의 전력이 검출되는 시점을 비교하는 비교기; 및
    상기 비교기에서 비교된 상기 제1 주파수로의 주파수 변조 시점 및 상기 비트 주파수의 전기 신호의 전력이 검출되는 시점 사이의 차이에 기초하여 상기 송신 광 신호의 비행 시간을 측정하고, 상기 송신 광 신호의 비행 시간을 이용하여 상기 대상체까지의 거리를 계산하는 시간 거리 계산기
    를 포함하는 라이다 장치.
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20220027541A (ko) * 2020-08-27 2022-03-08 삼성전자주식회사 시간 지연된 국부 발진 광을 이용한 라이다 장치 및 그 작동 방법
CN112068107B (zh) * 2020-09-09 2022-08-05 北京理工大学 一种基于外差锁相的脉冲光相控阵激光雷达系统
US11404596B1 (en) * 2021-04-20 2022-08-02 Ciena Corporation Balancing a pair of avalanche photodiodes in a coherent receiver
CN114006660B (zh) * 2021-10-29 2023-02-10 上海交通大学 基于延时的光学频率传递装置和光学频率传递方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013238474A (ja) * 2012-05-15 2013-11-28 Mitsubishi Electric Corp レーザーレーダー装置
WO2019008670A1 (ja) * 2017-07-04 2019-01-10 三菱電機株式会社 レーザレーダ装置

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20110029375A (ko) * 2009-09-15 2011-03-23 이엠와이즈 통신(주) 주파수변조-진폭변조 레이더 및 그 거리 측정 방법

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013238474A (ja) * 2012-05-15 2013-11-28 Mitsubishi Electric Corp レーザーレーダー装置
WO2019008670A1 (ja) * 2017-07-04 2019-01-10 三菱電機株式会社 レーザレーダ装置

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