KR102429878B1 - 빔 스티어링 장치 및 이를 포함하는 시스템 - Google Patents

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Abstract

빔 스티어링 장치 및 이를 적용한 시스템이 개시된다.
개시된 빔 스티어링 장치는, 입사빔을 서로 다른 방향으로 스티어링하도록 마련된 복수의 투과형 광변조 소자를 구비한다. 복수의 투과형 광변조 소자 각각은, 나노 구조열이 복수개 배열된 나노안테를 포함하며 복수의 나노 구조열로 이루어진 메타 표면을 구비하는 위상 변조부와, 나노 구조열 단위로 전기 신호를 독립적으로 인가하도록 마련되어, 각 나노 구조열의 위상 변화를 제어하기 위한 복수의 구동부를 포함한다. 나노 구조열은 복수의 나노 구조가 서로 연결된 형태로 이루어진다.

Description

빔 스티어링 장치 및 이를 포함하는 시스템{Beam steering device and system including the same}
빔 스티어링 장치 및 이를 포함하는 시스템에 관한 것이다.
빔을 원하는 위치로 스티어링하기 위해 여러 방법이 제안되고 있다. 빔 조사부분을 기계적으로 회전시키는 기계식 방식이나 광위상 어레이(OPA : optical phased array) 방식을 이용하는 비기계식 방식이 있다.
기계식 빔 스티어링은 빔을 원하는 위치로 스티어링(steering)하기 위해 모터 또는 멤스(MEMS) 구조 등을 이용한다. 모터를 이용하는 기계식 빔 스티어링은 부품 전체를 회전시키면서 레이저 다이오드나 발광다이오드 등에서 조사되는 광을 스티어링한다. 이러한 모터를 이용하는 기계식 빔 스티어링은, 스티어링 시스템의 부피가 커지고 가격이 상승할 수 있으며, 모터의 적용으로 소음이 발생할 수 있다.
또한, 멤스 구조 기반 빔 스티어링은 시야각이 작고, 고출력의 광을 조사할 경우, 미러에 가해지는 스트레스로 인해 광의 전달 거리가 낮을 수 있다. 또한, 진동 문제가 발생할 수 있어 응용이 제한적일 수 있으며, 그 구동 방식의 특성상 동작 응답시간이 수 ㎲ 이상으로 느릴 수 있다.
한편, 광위상 어레이(OPA) 방식을 이용하는 비기계식 방식으로는, 도파로 형태의 빔 다발의 간섭을 이용하거나 나노 구조체를 반사체로 사용하는 방식이 사용되고 있다. 도파로를 이용하는 광위상 어레이 방식의 경우, 전기적 또는 열적 구동을 위해 도파로마다 구동 픽셀이 있어야 하고, 픽셀 구동부를 위한 구동 드라이버가 있어야 하므로, 회로 및 소자가 복잡해지고 공정 가격이 증가할 수 있다. 나노 구조체를 이용한 반사 방식은 구동 픽셀부의 복잡성 이외에도 낮은 반사 효율에 기인한 원거리 검출 문제가 있어 실용화에 어려움이 있다.
투과형 메타 구조를 적용한 빔 스티어링 장치 및 이를 포함하는 시스템을 제공한다.
일 유형에 따른 빔 스티어링 장치는, 입사빔을 서로 다른 방향으로 스티어링하도록 마련된 복수의 투과형 광변조 소자를 구비하며, 상기 복수의 투과형 광변조 소자 각각은, 복수의 나노 구조가 서로 연결된 형태의 나노 구조열이 복수개 배열된 나노 안테나를 포함하며, 상기 복수의 나노 구조열로 이루어진 메타 표면을 구비하는 위상 변조부와; 상기 나노 구조열 단위로 전기 신호를 독립적으로 인가하도록 마련되어, 각 나노 구조열의 위상 변화를 제어하기 위한 복수의 구동부;를 포함한다.
상기 나노 구조열은 라인형 위상 변조부를 형성하며, 상기 위상 변조부는, 라인 단위로 위상을 변조하는 라인형 위상 변조부를 어레이로 구비할 수 있다.
상기 투과형 광변조 소자에서 상기 복수의 나노 구조열은 일차원적으로 배열될 수 있다.
상기 복수의 투과형 광변조 소자는, 제1투과형 광변조 소자와 제2투과형 광변조 소자를 포함하며, 상기 제1투과형 광변조 소자에 마련된 나노 구조열을 제1나노 구조열, 상기 제2투과형 광변조 소자에 마련된 나노 구조열을 제2나노 구조열이라 할 때, 복수의 제1나노 구조열은 제1방향으로 배열되고, 복수의 제2나노 구조열은 제2방향으로 배열될 수 있다.
상기 제1투과형 광변조 소자와 제2투과형 광변조 소자는, 상기 복수의 제1나노 구조열의 배열 방향인 상기 제1방향과 상기 복수의 제2나노 구조열의 배열 방향인 제2방향이 서로 크로스되도록, 배치될 수 있다.
상기 제1투과형 광변조 소자와 제2투과형 광변조 소자는, 서로 동일 구조를 가지며, 입사빔을 서로 크로스되는 방향으로 스티어링하도록 배치되어, 입사빔을 2차원적으로 스티어링할 수 있다.
상기 복수의 투과형 광변조 소자는, 서로 동일 구조를 가지며, 입사빔을 서로 다른 방향으로 스티어링하도록 배치될 수 있다.
상기 복수의 투과형 광변조 소자는 서로 다른 평면에서 동일 빔 경로 상에 배치되어, 상기 복수의 투과형 광변조 소자의 조합에 의해 입사빔을 2차원으로 스티어링할 수 있다.
상기 복수의 투과형 광변조 소자는 서로 이격되거나 서로 결합된 구조를 가질 수 있다.
상기 위상 변조부는 전기적인 제어에 따라 굴절율이 변화되는 활성층을 구비하며, 상기 활성층 상에 상기 나노 안테나를 구비하여, 상기 나노 구조열 및 이에 대응하는 활성층은 라인형 위상 변조부를 형성할 수 있다.
상기 활성층은 인가 전압에 따라 캐리어 농도가 가변되는 영역을 포함할 수 있다.
상기 활성층은 투명 전도성 산화물(transparent conductive oxide), 전이 금속 질화물(transition metal nitride), LiNbO3, LiTaO3 KTN(potassium tantalate niobate), PZT(lead zirconate titanate) 또는 전기 광학(electro-optic) 특성을 갖는 폴리머(polymer) 물질을 포함할 수 있다.
상기 활성층과 나노 안테나 사이에 절연층을 더 포함할 수 있다.
일 유형에 따른 라이다 시스템은, 광원부; 상기 광원부로부터의 광이 피사체를 향하도록 2차원적으로 스티어링(steering) 하는 것으로, 상기한 빔 스티어링 장치; 및 상기 빔 스티어링 장치에서 스티어링 되며 상기 피사체에 조사된 후 상기 피사체에서 반사되는 광을 수신하는 센서부;를 포함할 수 있다.
실시예에 따른 빔 스티어링 장치 및 이를 적용한 시스템에 따르면, 서로 다른 방향으로 빔을 스티어링하도록 투과형 메타 소자를 구성하는 복수의 광변조 소자를 서로 다른 평면 상에 동일 빔 경로 상에 배치함으로써, 2차원적으로 빔을 스티어링할 수 있다.
이러한 빔 스티어링 장치는 투과형 구조로 구현되므로, 반사형 구조 대비 효율이 좋으며, 구동부를 나노안테나 외부에 위치시킬 수 있으므로, 시계가 넓고 구성이 간단해질 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 빔 스티어링 장치의 예시적인 구조를 개략적으로 보여준다.
도 2는 실시예에 따른 빔 스티어링 장치에 적용되는 위상 변조부의 예시적인 적층 구조를 보인 단면도이다.
도 3은 제1투과형 광변조 소자와 제2투과형 광변조 소자가 서로 이격된 경우, 실시예에 따른 빔 스티어링 장치에서 입사빔이 2차원적으로 스티어링되는 과정을 보여준다.
도 4는 제1투과형 광변조 소자와 제2투과형 광변조 소자가 서로 결합된 경우, 실시예에 따른 빔 스티어링 장치에서 입사빔이 2차원적으로 스티어링되는 과정을 보여준다.
도 5는 실시예에 따른 빔 스티어링 장치에서 빔 스티어링이 구현되는 원리를 설명하는 개념도이다.
도 6a 내지 도 6c는 실시예에 따른 빔 스티어링 장치에 적용되는 제1나노 구조열 및 제2나노 구조열의 나노 구조 예시적인 형상들을 보여준다.
도 7 및 도 8은 실시예에 따른 빔 스티어링 장치에 적용되는 위상 변조부의 다른 예시적인 적층 구조를 보인 단면도이다.
도 9는 실시예에 따른 라이다 시스템의 개략적인 구성을 보여준다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하면서, 본 발명의 실시예에 따른 빔 스티어링 장치 및 이를 포함하는 시스템을 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조번호는 동일한 구성 요소를 지칭하며, 각 구성 요소의 크기나 두께는 설명의 편의를 위해 과장되어 있을 수 있다. 한편, 이하에 설명되는 실시예들은 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 이하에서, 한 층이 기판이나 다른 층의 "위", "상부" 또는 "상"에 구비된다고 설명될 때, 그 층은 기판이나 다른 층에 직접 접하면서 위에 존재할 수도 있고, 그 사이에 또 다른 층이 존재할 수도 있다.
도 1은 실시예에 따른 빔 스티어링 장치(10)의 예시적인 구조를 개략적으로 보여준다.
도 1을 참조하면, 빔 스티어링 장치(10)는, 입사빔을 서로 다른 방향으로 스티어링하도록 마련된 복수의 투과형 광변조 소자(100)(200) 예를 들어, 제1 및 제2투과형 광변조 소자(100)(200)를 구비한다. 실시예에 따른 빔 스티어링 장치(10)가 2개의 투과형 광변조 소자(100)(200)를 구비하는 경우를 예를 들어 설명하지만, 실시예가 이에 한정되는 것은 아니며, 3개 이상의 투과형 광변조 소자를 입사빔을 서로 다른 방향으로 스티어링하도록 배치할 수도 있다.
제1 및 제2투과형 광변조 소자(100)(200) 각각은 투과형 메타 소자로서, 나노 안테나로 이루어진 메타 표면을 구비하며, 나노 안테나는 복수의 나노 구조가 서로 연결된 형태의 나노 구조열(110)(210) 단위로 구동이 가능하도록 마련될 수 있다. 즉, 제1 및 제2투과형 광변조 소자(100)(200)에서, 나노 안테나는 복수의 나노 구조가 서로 연결된 형태의 나노 구조열(110)(210)이 복수개 배열된 형태를 가지며, 나노 구조열(110)(210) 단위로 독립적으로 구동이 가능하도록 마련될 수 있다. 복수의 나노 구조열(110)(210)은 각각 예를 들어, 일차원적으로 배열될 수 있다.
제1 및 제2투과형 광변조 소자(100)(200) 각각은, 독립적으로 구동되는 복수의 나노 구조열(110)(210)을 포함하는 위상 변조부와, 나노 구조열(110)(210) 단위로 전기 신호를 독립적으로 인가하여 위상을 제어하는 복수의 구동부(150)(250)를 포함할 수 있다. 이에 의해, 나노 안테나는 복수의 나노 구조열(110)(210)이 어레이로 배치된 구조를 가지게 되며, 나노 구조열(110)(210) 및 이에 대응하는 활성층(130)(230)은 라인형 위상 변조부를 형성하여, 위상 변조부는 라인 단위로 위상을 변조하는 라인형 위상 변조부를 어레이로 구비하는 구조를 가질 수 있다.
이와 같이 제1 및 제2투과형 광변조 소자(100)(200)의 위상 변조부는 복수의 나노 구조열(110)(210)로 이루어진 메타 표면을 구비하며, 복수의 구동부(150)(250)로부터 각 나노 구조열에 독립적으로 인가되는 전기 신호에 따라 위상을 제어할 수 있다.
제1투과형 광변조 소자(100)는 예를 들어, 사용 파장에 대해 투명한 제1기판(101) 상에 제1위상 변조부와 제1구동부(150)를 구비하며, 제1위상 변조부는 전기적인 제어에 따라 굴절율이 변화되는 제1활성층(130), 제1활성층(130) 상에 복수의 나노 구조가 서로 연결된 형태의 제1나노 구조열(110)이 복수개 배열된 제1나노 안테나를 포함할 수 있다. 제1활성층(130)과 제1나노 구조열(110) 사이에 제1절연층(120)을 더 구비할 수 있다.
제2투과형 광변조 소자(200)는 예를 들어, 사용 파장에 대해 투명한 제2기판(201) 상에 제2위상 변조부와 제2구동부(250)를 구비하며, 제2위상 변조부는 전기적인 제어에 따라 굴절율이 변화되는 제2활성층(230), 제2활성층(230) 상에 복수의 나노 구조가 서로 연결된 형태의 제2나노 구조열(210)이 복수개 배열된 제2나노 안테나를 포함할 수 있다. 제2활성층(230)과 제2나노 구조열(210) 사이에 제2절연층(220)을 더 구비할 수 있다.
이때, 제1 및 제2구동부(150)(250)는 각각 제1나노 구조열(110) 단위와 제2나노 구조열(210) 단위로 전기 신호를 독립적으로 인가하도록 마련되어, 제1 및 제2나노 구조열(110)(210)에 대응하는 제1 및 제2활성층(130)(230)의 굴절율을 전기적으로 제어할 수 있다.
제1투과형 광변조 소자(100) 및 제2투과형 광변조 소자(200)의 제1위상 변조부 및 제2위상 변조부는 각각 도 2에서와 같은 구조의 위상 변조부(300)를 적용할 수 있다.
도 2는 도 1의 빔 스티어링 장치(10)에 적용되는 위상 변조부(300)의 예시적인 적층 구조를 보인 단면도이다.
도 2를 참조하면, 위상 변조부(300)는, 예를 들어 사용 파장에 대해 투명한 기판(301) 상에 전기적인 제어에 따라 굴절율이 변화되는 활성층(330)과, 활성층(330) 상에 나노 안테나(315)를 포함할 수 있다. 활성층(330)과 나노 안테나(315) 사이에 절연층(320)을 더 포함할 수 있다. 기판(301)은 도 1에서 제1기판(101) 및 제2기판(201)에 해당할 수 있다. 활성층(330)은 도 1에서 제1활성층(130) 및 제2활성층(230)에 해당할 수 있다. 나노 안테나(315)는 도 1에서 제1나노 구조열(110)이 복수개 배열된 제1나노 안테나, 제2나노 구조열(210)이 복수개 배열된 제2나노 안테나에 해당할 수 있다. 절연층(320)은 도 1에서 제1절연층(120) 및 제2절연층(220)에 해당할 수 있다.
기판(301)은, 사용 파장에 대해 투명한 것으로서, 실리콘을 포함하는 재질, 유리 재질, 플라스틱 재질 등 절연성을 가지는 다양한 재질로 형성될 수 있다.
활성층(330)은 외부 신호에 따라 광학적 특성이 변하는 물질로 이루어질 수도 있다. 외부 신호는 전기 신호일 수 있다. 활성층(330)은 예를 들어, ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide), AZO(aluminium zinc oxide), GZO(gallium zinc oxide)와 같은 투명 전도성 산화물(transparent conductive oxide, TCO)로 이루어질 수 있다. 또한, TiN, ZrN, HfN, TaN과 같은 전이 금속 질화물(transition metal nitrice)도 사용 가능하다. 이외에도, 전기 신호가 가해지면 유효 유전율이 변하는 전기 광학(electro-optic 물질), 즉, LiNbO3, LiTaO3 KTN(potassium tantalate niobate), PZT(lead zirconate titanate)이 사용될 수 있고, 또한, 전기광학 특성을 갖는 다양한 폴리머(polymer) 물질이 사용될 수 있다.
활성층(330)은 전압 인가 여하에 따라 전하 캐리어(charge carrier)의 농도가 가변되는 영역(335)을 포함할 수 있다. 캐리어 농도가 가변되는 캐리어 가변 영역(335)은 활성층(330) 내에서 절연층(320)과 인접한 영역 쪽, 즉, 절연층(320)과 활성층(330)의 경계면에 근접한 위치에 형성될 수 있다. 도 1의 제1 및 제2투과형 광변조 소자(100)(200)의 경우에도, 도 3에 나타낸 바와 같이 제1활성층(130) 및 제2활성층(230) 내에서 제1 및 제2절연층(120)(220)과 인접한 영역에 캐리어 농도가 가별되는 캐리어 가변 영역(135)(235)을 구비할 수 있다.
캐리어 가변 영역(335)의 캐리어 농도는 인가 전압에 따라 변한다. 가변되는 캐리어 농도는 활성층(330)의 유전율, 구체적으로 파장에 대한 유전율 특성을 변화시켜, 위상 변조부(300)에 입사되는 광이 변조되는 형태가 조절될 수 있다.
활성층(330)의 유전율(permittivity)은 파장에 따라 변하는 값을 갖는다. 진공의 유전율(ε0)에 대한 상대 유전율(relative permittivity, εr)을 유전 상수(dielectric constant)라고 하며, 활성층(330)의 유전 상수의 실수부는 소정 파장 대역에서 0의 값을 나타낸다. 유전 상수의 실수부가 0 또는 0에 매우 가까운 값을 갖게 되는 파장 대역을 ENZ(epsilon near zero) 파장 대역이라고 한다. 대부분의 물질의 유전 상수는 파장의 함수로 나타나며, 복소수(complex number)로 나타낼 수 있다. 진공의 유전 상수는 1이 되며, 일반적인 유전체(dielectric material)의 경우, 유전 상수의 실수부(real part)는 1보다 큰 양수이다. 금속(metal)의 경우, 유전 상수의 실수부는 음수가 될 수도 있다. 대부분의 파장 대역에서, 대부분의 물질의 유전 상수는 1보다 큰 값을 가지지만, 또한, 특정 파장에서, 유전 상수의 실수부는 0의 값을 가질 수 있다.
유전 상수의 실수부가 0 또는 0에 매우 가까운 값을 가질 때, 특이한 광학적 성질을 나타내는 것으로 알려져 있으며, 실시예의 위상 변조부(300)의 동작 파장 대역은 활성층(330)의 ENZ 파장 대역을 포함하는 영역일 수 있다. 즉, 나노안테나(315)의 공진 파장 대역과, 활성층(330)의 ENZ(epsilon near zero) 파장 대역을 유사하게 설정함으로써, 인가 전압에 의한 광 변조 성능이 조절되는 범위를 더욱 크게 할 수 있다.
활성층(330)의 ENZ 파장 대역은 캐리어 가변 영역(335)에 형성되는 캐리어 농도에 따라 다르게 나타날 수 있다. 활성층(330)의 ENZ 파장 대역을 활용하기 위해, 나노안테나(315)의 공진 파장 대역과 활성층(330)의 ENZ(epsilon near zero) 성질을 나타내는 파장 대역이 유사 내지 일치하도록, 위상 변조부(300)에 인가되는 전기 신호가 구동부(350)를 통해 제어될 수 있다.
나노안테나(315)는 서브 파장(sub-wavelength)의 형상 치수를 가지는 인공 구조(artificial structure)이며, 소정 파장 대역의 빛과 강하게 상호 작용한다. 여기서, 서브 파장(sub-wavelength)은 위상 변조부(300)가 변조하고자 하는 광의 파장, 즉, 나노안테나(315)의 동작 파장보다 작은 치수를 의미한다. 나노안테나(315)의 형상을 이루는 어느 한 치수가 서브 파장의 치수를 가질 수 있다.
나노안테나(315)의 상기한 기능은 전도성 물질과 유전체 물질의 경계에서 일어나는 표면 플라즈몬 공명(surface plasmon resonance)에 의한 것으로 알려져 있으며, 나노안테나(315)의 세부적인 형상에 따라 공진 파장이 달라진다.
실시예에 따른 위상 변조부(300)에서 나노안테나(315)는 도 1에 도시된 나노 구조가 서로 연결된 형태의 제1 및 제2나노 구조열(110)(210)이 복수개 배열 형태이고, 나노 구조의 형상은 다양한 형태를 가질 수 있다.
나노안테나(315)는 전도성 나노안테나로 구현될 수 있다. 즉, 도 1에서 제1 및 제2나노 구조열(110)(210)을 형성하는 전도성 물질로 표면 플라즈몬 여기(surface plasmon excitation)가 일어날 수 있는 도전성이 높은 금속 물질이 채용될 수 있다. 예를 들어, Cu, Al, Ni, Fe, Co, Zn, Ti, 루세늄(ruthenium, Ru), 로듐(rhodium, Rh), 팔라듐(palladium, Pd), 백금(Pt), 은(Ag), 오스뮴(osmium, Os), 이리듐(iridium, Ir), 백금(Pt), 금(Au), 중에서 선택된 적어도 어느 하나가 채용될 수 있고, 이들 중 어느 하나를 포함하는 합금으로 이루어질 수 있다. 또한, 그래핀(graphene)과 같이 전도성이 좋은 이차원 물질, 또는, 전도성 산화물이 채용될 수도 있다. 이때 전도성으로 형성되는 나노안테나(315)는 사용 파장의 투과가 가능하도록 얇은 두께로 형성될 수 있다.
또한, 나노안테나(315)는 유전체 물질로 형성되어 유전체 나노안테나로 구현될 수 있다. 이때, 활성층(330)의 굴절율은 유전체 나노안테나의 굴절율보다 작을 수 있다. 유전체 나노안테나는 유전 상수(dielectric constant)가 10이상인 물질로 이루어질 수 있다.
즉, 유전체 나노안테나는 변위 전류(displacement current)에 의한 Mie resonance를 이용하여 높은 안테나 효율을 나타낼 수 있다. 이를 위해, 유전체 나노안테나는 서브 파장(sub-wavelength) 오더의 수치로 정의되는 형상과, 높은 유전율, 예를 들어, 활성층(330)의 유전율보다 큰 유전율을 가질 수 있다.
서브 파장은 위상 변조부(300)에서 변조하고자 하는 광의 파장보다 작은 치수를 의미한다. 유전체 나노안테나의 형상을 정의하는 치수들 중 적어도 하나는 서브 파장의 치수일 수 있고, 예를 들어, 위상 변조부(300)가 변조하고자 하는 광의 파장이 λ인 경우, λ/2이하의 치수일 수 있다.
한편, 나노안테나(315)를 유전체 나노안테나로 구현하는 경우, 유전체 나노안테나는 활성층(330)의 굴절률보다 큰 굴절률을 가질 수 있다. 유전체 나노안테나는 활성층(330)이 전기 신호에 따라 굴절률이 변화하는 범위에서 가장 큰 굴절률보다 큰 값의 굴절률을 가질 수 있다. 유전체 나노안테나의 유전 상수(dielectric constant)는 예를 들어, 10 이상일 수 있다.
한편, 절연층(320)으로 다양한 절연성 재질이 사용될 수 있고, 예를 들어, SiNx, SiOx, Al2O3, 또는 HfO2를 포함할 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 제1투과형 광변조 소자(100)에 마련된 복수의 제1나노 구조열(110)은 제1방향, 제2투과형 광변조 소자(200)에 마련된 복수의 제2나노 구조열(210)은 제2방향으로 배열될 수 있다.
이때, 제1방향 및 제2방향은 서로 크로스되는 방향일 수 있다. 예를 들어, 상기 제1투과형 광변조 소자(100)와 제2투과형 광변조 소자(200)는, 복수의 제1나노 구조열(110)의 배열 방향인 제1방향과 복수의 제2나노 구조열(210)의 배열 방향인 제2방향이 서로 크로스되도록, 배치될 수 있다. 도 1에서는 제1투과형 광변조 소자(100)의 제1나노 구조열(110)의 배열 방향인 제1방향이 x축 방향에 대응하고, 제2투과형 광변조 소자(200)의 제2나노 구조열(210)의 배열 방향인 제2방향이 y축 방향에 대응하도록 제1 및 제2투과형 광변조 소자(100)(200)가 배치되는 경우를 예시적으로 보여준다.
한편, 복수의 투과형 광변조 소자(100)(200)가 제1투과형 광변조 소자(100)와 제2투과형 광변조 소자(200)로 구성되는 경우, 제1투과형 광변조 소자(100)와 제2투과형 광변조 소자(200)는, 서로 동일 구조를 가지며, 입사빔을 서로 크로스되는 방향으로 스티어링하도록 배치될 수 있다. 이 경우, 제1 및 제2투과형 광변조 소자(100)(200)의 조합에 의해 입사빔은 2차원적으로 스티어링될 수 있어, 실시예에 따른 빔 스티어링 장치(10)는 2차원 빔 스티어링을 구현할 수 있다.
실시예에 따른 빔 스티어링 장치(10)에 의해 2차원 빔 스티어링을 위해서는, 제1 방향 및 제2방향 예를 들어, x 방향 및 y 방향으로 모두 스티어링이 가능해야한다.
실시예에 따른 빔 스티어링 장치(10)에 따르면, 예를 들어 각각이 투과형 메타 소자에 해당하는 제1 및 제2투과형 광변조 소자(100)(200)를 구비하여, 제1투과형 광변조 소자(100)로 x 방향 스티어링부를 구성하고, 제2투과형 광변조 소자(200)로 y 방향 스티어링부를 구성할 수 있다.
이때, 제1투과형 광변조 소자(100)의 제1나노 안테나를 이루는 복수의 제1나노 구조열(110)에 각각 독립적으로 전기 신호를 인가할 수 있도록 복수의 제1구동부(150)가 연결되어, 입사빔을 예를 들어, x 축 방향에 대해 스티어링할 수 있다. 제2투과형 광변조 소자(200)의 제2나노 안테나에 해당하는 복수의 제2나노 구조열(210)에 각각 독립적으로 전기 신호를 인가할 수 있도록 복수의 제2구동부(250)가 연결되어, 입사빔을 예를 들어, y 축 방향에 대해 스티어링할 수 있다.
실시예에 따른 빔 스티어링 장치(10)에 따르면, 광변조 소자를 투과형으로 구비함으로써, 제1 및 제2투과형 광변조 소자(100)(200)가 서로 다른 평면 상에서, 동일 빔 경로 상에 위치할 수 있다. 또한, 제1 및 제2투과형 광변조 소자(100)(200)를 동일 구조로 형성하면서, 나노 구조열의 배열 방향이 서로 크로스되게 배치 즉, 90도를 이루도록 위치시킴으로써 2차원 빔 스티어링을 구현할 수 있다.
도 3은 실시예에 따른 빔 스티어링 장치(10)에서 입사빔이 2차원적으로 스티어링되는 과정을 보여준다.
도 3을 참조하면, 제1투과형 광변조 소자(100)에서 제1나노 구조열(110)이 x 방향으로 배열되고, 제2투과형 광변조 소자(200)에서 제2나노 구조열(210)이 y 방향으로 배열되고, 빔이 입사되는 쪽에서부터 제1투과형 광변조 소자(100), 제2투과형 광변조 소자(200) 순서로 배치되는 경우를 예를 들어 보자.
제1투과형 광변조 소자(100)에 빔이 입사되면, 제1구동부(150)에 의해 제1나노 구조열(110)에 인가되는 전기 신호를 제어함에 따라, 입사된 빔은 제1투과형 광변조 소자(100)에 의해 x-z 평면 내에서 빔의 진행 방향이 제어될 수 있다. x-z 평면 내에서 스티어링되는 빔은 이어서 제2투과형 광변조 소자(200)에 입사된다. 제2구동부(250)에 의해 제2나노 구조열(210)에 인가되는 전기 신호를 제어함에 따라, 입사된 빔은 제2투과형 광변조 소자(200)에 의해 y-z 평면 내에서 빔의 진행 방향이 제어될 수 있다. 따라서, 제1투과형 광변조 소자(100)와 제2투과형 광변조 소자(200)를 투과한 빔은 2차원적으로 스티어링될 수 있다.
한편, 도 1 및 도 3에서는 제1투과형 광변조 소자(100)와 제2투과형 광변조 소자(200) 사이에 이격 거리가 존재하는 경우를 예시적으로 보여주는데, 제1 및 제2투과형 광변조 소자(100)(200)는 이격되는 대신에 도 4에서와 같이 결합된 구조로 배치될 수도 있다.
도 4에서와 같이 제1투과형 광변조 소자(100)와 제2투과형 광변조 소자(200)를 결합 구조로 형성하는 경우, 예를 들어, 제2투과형 광변조 소자(200)는 제2기판(201)을 구비하는 대신에 절연층을 구비할 수도 있다. 즉, 제1투과형 광변조 소자(100)의 제2나노 구조열(210) 상에 절연층을 적층하고, 이 절연층 상에 제2투과형 광변조 소자(200)를 이루는 제2위상 변조부(300) 및 제2구동부(250)를 형성할 수 있다.
도 5는 실시예에 따른 빔 스티어링 장치(10)에서 빔 스티어링이 구현되는 원리를 설명하는 개념도이다. 도 5에서는 나노 구조열이 x 방향으로 배열된 광변조 소자 예를 들어, 제1투과형 광변조 소자(100)에서의 빔 스티어링 원리를 예를 들어 보여준다.
제1투과형 광변조 소자(100)의 제1위상 변조부에 구비되는 복수의 제1나노 구조열(110) 각각은 입사빔(Li)의 위상을 대응하는 제1구동부(150)로부터 인가된 전기 신호에 따라 다르게 변조할 수 있다. 제1투과형 광변조 소자(100)에 의한 변조광(Lm)은 인접하는 제1나노 구조열(110)에 의한 위상값들을 연결한 추이선(LL)에 수직인 방향이 될 수 있다.
인접한 복수의 제1나노 구조열(110)들의 위상 변화 추이가 선형이고, 인접한 위상차가 Δφ이며, 인접한 제1나노 구조열(110)들 간의 간격이 d인 경우, 파장 λ의 입사광(Li)은 다음과 같이 정의되는 각 θ 방향으로 스티어링 된다.
Figure 112017071065056-pat00001
여기서, 각 θ 방향은 x-z 평면 내에서 z 방향에 대해 각 θ를 이루는 방향이다.
위의 조건에 따라, 원하는 위상 변화 추이를 형성하기 위해, 각 제1나노 구조열(110)에 인가되는 전압이 설정될 수 있다.
제1나노 구조열(110) 각각에 인가되는 예컨대, V1 내지 V9의 전압이 개별적으로 제어될 수 있다. 추이선(LL)이 x 축과 이루는 각이 조절될 수 있으므로, 입사광(Li)이 스티어링 된 변조광(Lm)의 방향은 x-z 평면 내에서 조절될 수 있다.
같은 원리로 제2투과형 광변조 소자(200)의 제2나노 구조열(210) 각각에 인가되는 전압은 개별적으로 제어될 수 있으며, 제2투과형 광변조 소자(200)에 의한 변조광은 인접하는 제2나노 구조열(210)에 의한 위상값들을 연결한 추이선이 y 방향과 이루는 각이 조절될 수 있으므로, 제2투과형 광변조 소자(200)에 입사된 빔이 스티어링 된 변조빔의 방향은 y-z 평면 내에서 조절될 수 있다.
따라서, 제1투과형 광변조 소자(100)와 제2투과형 광변조 소자(200)에서 스티어링된 변조빔의 방향은 2차원적으로 조절될 수 있다.
한편, 실시예에 따른 빔 스티어링 장치(10)에 적용되는 제1나노 구조열(110) 및 제2나노 구조열(210)의 나노 구조는, 예를 들어 도 6a 내지 도 6c에서와 같이 다양한 형상을 가질 수 있다.
도 6a에 도시된 바와 같이, 나노 구조(410)는 십자형태일 수 있고, 십자 형태를 형성하는 두 방향으로의 길이는 서로 같거나, 또는 서로 다를 수 있다.
도 6b와 같이, 나노 구조(420)는 복수의 막대가 교차된, 별 형상일 수 있다.
도 6c와 같이, 나노 구조(430)는 십자 형상의 나노홀이 형성되어 이루어질 수 있다. 도 6c는 도 6a의 역상 형태로 도시하였으나, 이에 한정되지 않으며, 도 6b 또한 예시된 형상의 역상으로 형성될 수도 있다.
나노 구조는 예시된 형상들 2이상이 조합된 형태가 될 수도 있으며, 이외에도 다양한 형상으로 형성될 수 있다.
한편, 이상에서는 실시예에 따른 빔 스티어링 장치(10)의 제1 및 제2투과형 광변조 소자(100)(200)에 적용되는 위상 변조부가 도 2에서와 같은 캐리어 가변 영역(335)을 가지는 활성층(330), 절연층(320) 및 나노 안테나(315)의 적층 구조로 형성되는 경우를 예를 들어 설명하였는데, 다양한 실시예가 가능하다.
예를 들어, 실시예에 따른 빔 스티어링 장치(10)의 제1 및 제2투과형 광변조 소자(100)(200)에 적용되는 위상 변조부는 도 7에서와 같이, 사용 파장에 대해 투명한 기판(301) 상에 제1도전형의 제1반도체층(450)과 이와 반대의 제2도전형의 제2반도체층(460)을 적층 하여 p-n 접합을 만들고, 위에 나노 안테나(315)를 구비하는 구조로 형성될 수도 있다.
또한, 실시예에 따른 빔 스티어링 장치(10)의 제1 및 제2투과형 광변조 소자(100)(200)에 적용되는 위상 변조부는 도 8에서와 같이, 사용 파장에 대해 투명한 기판(301) 상에 전광(EO:electro-optic) 재료 또는 열광(TO: thermal-optic) 재료로 활성층(470)을 형성하고, 이 활성층(470) 상에 바로 나노 안테나(315)를 구비하는 구조로 형성될 수도 있다.
이때 활성층(470)은, 예를 들어, 전기 신호가 가해지면 유효 유전율이 변하는 전기 광학(electro-optic 물질), 즉, LiNbO3, LiTaO3 KTN(potassium tantalate niobate), PZT(lead zirconate titanate)이 사용될 수 있고, 또한, 전기광학 특성을 갖는 다양한 폴리머(polymer) 물질이 사용될 수 있다.
한편, 이상에서는 실시예에 따른 빔 스티어링 장치(10)에 복수의 투과형 광변조 소자로 제1 및 제2투과형 광변조 소자(100)(200)를 구비하여, 제1 및 제2투과형 광변조 소자(100)(200)의 나노 구조열의 배열 방향이 서로 크로스되게 배치되는 경우를 예를 들어 설명 및 도시하였으며, 복수의 투과형 광변조 소자로 3개 이상의 투과형 광변조 소자를 구비하는 경우, 나노 구조열의 배열 방향은 다른 각도로 배치될 수 있으며, 각 나노 구조열에 인가되는 전기 신호를 조절하여 입사빔을 2차원으로 스티어링 할 수 있다.
도 9는 실시예에 따른 라이다 시스템(1000)의 개략적인 구성을 보이는 블록도이다.
도 9를 참조하면, 라이다 시스템(1000)은 광을 조사하는 광원부(1200), 광원부(1200)에서 조사된 광을 피사체(OBJ)를 향하도록 조준하는 빔 스티어링 장치(1300) 및 피사체(OBJ)로부터 반사된 광을 센싱하는 센서부(1400)를 포함한다.
라이다 시스템(1000)은 또한, 빔 스티어링 장치(1300)에서의 위상 프로파일을 조절하는 제어부(1100), 센서부(1400)에서 센싱된 신호를 처리하는 신호처리부(1500)를 더 포함할 수 있다.
광원부(1200)는 피사체(OBJ)의 위치, 형상의 분석에 사용할 광을 조사한다. 광원부(1200)는 소장 파장의 광을 생성, 조사하는 광원을 포함할 수 있다. 광원부(1200)는 피사체(OBJ)의 위치, 형상 분석에 적합한 파장 대역의 광, 예를 들어, 적외선 대역 파장의 광을 생성 조사하는 LD(laser diode), LED(light emitting diode), SLD(super luminescent diode)등의 광원을 포함할 수 있다. 광원부(1200)는 복수의 서로 다른 파장 대역의 광을 생성 조사할 수도 있다. 광원부(1200)는 펄스광 또는 연속광을 생성 조사할 수 있다.
빔 스티어링 장치(1300)는 입사광(Li)의 위상을 독립적으로 변조하여 입사빔을 서로 다른 방향으로 스티어링하도록 마련된 복수의 투과형 광변조 소자를 포함하여, 2차원적으로 입사빔을 스티어링하도록 마련될 수 있다. 빔 스티어링 장치(1300)는 도 1 내지 도 8을 참조로 전술한 실시예의 빔 스티어링 장치(10) 구성 또는 이로부터 변형된 형태의 구성을 가질 수 있다.
광원부(1200)와 빔 스티어링 장치(1300) 사이 및/또는 빔 스티어링 장치(1300)와 피사체(OBJ) 사이에는 다른 광학 부재들, 예를 들어, 광원부(1200)에서 조사된 광의 경로 조절이나 파장 분할을 위해 또는 추가적인 변조를 위한 부재들이 더 배치될 수도 있다.
제어부(1100)는 빔 스티어링 장치(1300)가 빔 스티어링 기능을 수행하는 위상 프로파일을 갖도록 빔 스티어링 장치(1300)에 구비된 복수의 투과형 광변조 소자의 복수의 구동부로의 입력 신호를 제어할 수 있다. 제어부(1100)는 또한, 빔 스티어링 장치(1300)의 스티어링 방향이 시순차적으로 조절되며 피사체를 스캔하도록 빔 스티어링 장치(1300)를 제어할 수 있다. 빔 스티어링 장치(1300)는 입사빔을 서로 다른 방향으로 스티어링하는 복수의 투과형 광변조 소자를 서로 다른 평면의 동일 경로 상에 배치함으로써 이차원 방향으로의 빔 스티어링이 가능하며, 따라서, 피사체(OBJ)를 이차원 방향을 따라 스캔할 수 있다. 피사체(OBJ)를 스캔하는 동안 피사체(OBJ)로부터 반사된 반사광(Lr)은 센서부(1400)에서 센싱된다. 센싱된 광신호는 신호처리부(1500)에 전달되어, 피사체(OBJ)의 존재 여부, 위치, 형상 등의 분석에 사용될 수 있다.
센서부(1400)는 피사체(OBJ)로부터 반사되는 광을 센싱하는 광검출을 위한 복수의 센서들의 어레이를 포함할 수 있다. 센서부(1400)는 복수의 서로 다른 파장의 광을 센싱할 수 있는 센서들의 어레이들을 포함할 수 있다.
신호처리부(1500)는 센서부(1400)로부터 검출된 광신호로부터 소정 연산, 예를 들어, 광 비행 시간(Time of Flight) 측정을 위한 연산과 이로부터 피사체(OBJ)의 3차원 형상 판별을 수행할 수 있다. 신호처리부(1500)에서는 다양한 연산 방법을 사용할 수 있다. 예를 들어, 직접 시간 측정 방법은 피사체(OBJ)에 펄스광을 투사하고 피사체에 반사되어 광이 돌아오는 시간을 타이머로 측정하여 거리를 구한다. 상관법(correlation)은 펄스광을 피사체(OBJ)에 투사하고 피사체(OBJ)에 반사되어 돌아오는 반사광의 밝기로부터 거리를 측정한다. 위상지연 측정 방법은 사인파와 같은 연속파(continuous wave) 광을 피사체(OBJ)에 투사하고 피사체(OBJ)에 반사되어 돌아오는 반사광의 위상차를 감지하여 거리로 환산하는 방법이다. 신호처리부(1500)는 이러한 연산에 필요한 프로그램 및 기타 데이터들이 저장되는 메모리를 포함할 수 있다.
신호처리부(1500)는 연산 결과, 즉, 피사체(OBJ)의 형상, 위치에 대한 정보를 다른 유닛으로 전송할 수 있다. 예를 들어, 라이다 시스템(1000)이 채용된 자율 구동 기기의 구동 제어부, 또는 경고 시스템 등에 상기한 정보가 전송될 수 있다.
라이다 시스템(1000)은 전방 물체에 대한 3차원 정보를 실시간으로 획득하는 센서로 활용될 수 있어 자율 구동 기기, 예를 들어, 무인자동차, 자율주행차, 로봇, 드론 등에 적용될 수 있다. 라이다 시스템(1000)은 또한, 자율 구동 기기뿐 아니라, 블랙박스 등에 적용되어, 이미지 센서만으로 물체 식별이 어려운 야간에 전, 후방의 장애물 판단을 위해 적용될 수도 있다.
상술한 서로 다른 방향으로 빔을 스티어링하는 복수의 투과형 광변조 소자(100)(200)를 구비하는 빔 스티어링 장치(1300)는 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
10...빔 스티어링 장치 100,200...제1 및 제2투과형 광변조 소자
101,201,301...기판 110,210...나노 구조열
120,220...절연층 130,230...활성층
150,250,350...구동부 300...위상 변조부
315...나노안테나 335...캐리어 가변 영역

Claims (20)

  1. 입사빔을 서로 다른 방향으로 스티어링하도록 제1기판과 제2기판을 포함하는 적어도 두개의 기판에 마련된 복수의 투과형 광변조 소자를 구비하며,
    상기 복수의 투과형 광변조 소자 각각은,
    복수의 나노 구조가 서로 연결된 형태의 나노 구조열이 복수개 배열된 나노 안테나를 포함하며, 상기 나노 구조열의 복수의 나노 구조는 서로 물리적으로 연결되고 서로 컨택되며, 상기 복수의 나노 구조열로 이루어진 메타 표면을 구비하는 위상 변조부와;
    상기 나노 구조열 단위로 전기 신호를 독립적으로 인가하도록 마련되어, 각 나노 구조열의 위상 변화를 제어하기 위한 복수의 구동부;를 포함하며,
    상기 제1기판은 상기 제2기판과 나란하게 서로 이격 배치되며,
    상기 복수의 나노 구조는 상기 제1기판에 제1방향으로 배열되고, 상기 제2기판에 상기 제1방향에 수직인 제2방향으로 배열되는 빔 스티어링 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 나노 구조열은 라인형 위상 변조부를 형성하며,
    상기 위상 변조부는, 라인 단위로 위상을 변조하는 라인형 위상 변조부를 어레이로 구비하는 빔 스티어링 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 투과형 광변조 소자에서 상기 복수의 나노 구조열은 일차원적으로 배열되는 빔 스티어링 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 복수의 투과형 광변조 소자는,
    제1투과형 광변조 소자와 제2투과형 광변조 소자를 포함하며,
    상기 제1투과형 광변조 소자에 마련된 나노 구조열을 제1나노 구조열, 상기 제2투과형 광변조 소자에 마련된 나노 구조열을 제2나노 구조열이라 할 때,
    복수의 제1나노 구조열은 상기 제1기판에 상기 제1방향으로 배열되고, 복수의 제2나노 구조열은 상기 제2기판에 상기 제2방향으로 배열되는 빔 스티어링 장치.
  5. 삭제
  6. 제4항에 있어서, 상기 제1투과형 광변조 소자와 제2투과형 광변조 소자는, 서로 동일 구조를 가지며, 입사빔을 서로 크로스되는 방향으로 스티어링하도록 배치되어, 입사빔을 2차원적으로 스티어링하는 빔 스티어링 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 복수의 투과형 광변조 소자는, 서로 동일 구조를 가지며, 입사빔을 서로 다른 방향으로 스티어링하도록 배치된 빔 스티어링 장치.
  8. 제1항 내지 제4항, 제6항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 투과형 광변조 소자는 서로 다른 평면에서 동일 빔 경로 상에 배치되어,
    상기 복수의 투과형 광변조 소자의 조합에 의해 입사빔을 2차원으로 스티어링하는 빔 스티어링 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 복수의 투과형 광변조 소자는 서로 이격된 빔 스티어링 장치.
  10. 제8항에 있어서, 상기 복수의 투과형 광변조 소자는 서로 결합된 구조를 가지는 빔 스티어링 장치.
  11. 제8항에 있어서, 상기 위상 변조부는 전기적인 제어에 따라 굴절율이 변화되는 활성층을 구비하며, 상기 활성층 상에 상기 나노 안테나를 구비하여,
    상기 나노 구조열 및 이에 대응하는 활성층은 라인형 위상 변조부를 형성하는 빔 스티어링 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 활성층은 인가 전압에 따라 캐리어 농도가 가변되는 영역을 포함하는 빔 스티어링 장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 활성층은 투명 전도성 산화물(transparent conductive oxide), 전이 금속 질화물(transition metal nitride), LiNbO3, LiTaO3 KTN(potassium tantalate niobate), PZT(lead zirconate titanate) 또는 전기 광학(electro-optic) 특성을 갖는 폴리머(polymer) 물질을 포함하는 빔 스티어링 장치.
  14. 제12항에 있어서, 상기 활성층과 나노 안테나 사이에 절연층을 더 포함하는 빔 스티어링 장치.
  15. 광원부;
    상기 광원부로부터의 광이 피사체를 향하도록 2차원적으로 스티어링(steering) 하는 것으로, 청구항 1항 내지 4항, 6항 내지 7항 중 어느 한 항의 빔 스티어링 장치; 및
    상기 빔 스티어링 장치에서 스티어링 되며 상기 피사체에 조사된 후 상기 피사체에서 반사되는 광을 수신하는 센서부;를 포함하는 라이다(lidar) 시스템.
  16. 제15항에 있어서, 상기 빔 스티어링 장치의 복수의 투과형 광변조 소자는 서로 다른 평면에서 동일 빔 경로 상에 배치되어,
    상기 복수의 투과형 광변조 소자의 조합에 의해 입사빔을 2차원으로 스티어링하는 라이다 시스템.
  17. 제16항에 있어서, 상기 복수의 투과형 광변조 소자는 서로 이격되거나 서로 결합된 구조를 가지는 라이다 시스템.
  18. 제16항에 있어서, 상기 위상 변조부는 전기적인 제어에 따라 굴절율이 변화되는 활성층을 구비하며, 상기 활성층 상에 상기 나노 안테나를 구비하여,
    상기 나노 구조열 및 이에 대응하는 활성층은 라인형 위상 변조부를 형성하는 라이다 시스템.
  19. 제18항에 있어서, 상기 활성층은 인가 전압에 따라 캐리어 농도가 가변되는 영역을 포함하는 라이다 시스템.
  20. 제19항에 있어서, 상기 활성층과 나노 안테나 사이에 절연층을 더 포함하는 라이다 시스템.
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