KR102494190B1 - Two-dimensional Directional Optical Phased Array Device - Google Patents
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Abstract
Description
본 실시예는 별도의 능동소자의 구비 없이도 출력광의 경로를 2차원상에서 조정할 수 있는 광위상배열 디바이스에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 수평방향은 가변 레이저와 광위상배열 디바이스를 사용하고 수직방향은 전기적으로 가변하여 2차원적으로 빔을 스티어링(Steering)할 수 있는 광위상배열 디바이스에 관한 것이다.The present embodiment relates to an optical phased array device capable of two-dimensionally adjusting a path of output light without having a separate active element. More specifically, it relates to an optical phased array device capable of two-dimensionally steering a beam by using a tunable laser and an optical phased array device in the horizontal direction and electrically varying the vertical direction.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.The contents described in this part merely provide background information on the present embodiment and do not constitute prior art.
반도체 집적 기술을 활용하는 광위상배열(Optical Phased Array, OPA) 기술은 거리 정보를 포함하는 3차원 영상을 제공하는 라이다(Light Detection And Ranging, LiDAR) 센서 기술에 활용될 수 있으며, 기존의 기계 회전식 레이저빔 스캐너에 비해 저가격화, 초소형화에 유리하다.Optical Phased Array (OPA) technology, which utilizes semiconductor integration technology, can be used for Light Detection And Ranging (LiDAR) sensor technology that provides 3D images including distance information. Compared to rotary laser beam scanners, it is advantageous for low price and miniaturization.
LiDAR는 레이저 펄스를 방사하고, 방사된 레이저 펄스가 주위의 사물에 반사된 후 되돌아오는 것을 수광하여 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. LiDAR is a technology that detects the distance to an object by emitting a laser pulse and receiving the reflected light after the emitted laser pulse is reflected on a surrounding object. With the advent of the 4th industrial revolution and the commercialization of autonomous driving technology, LiDAR technology has recently received more attention. In particular, because small lidar can be mounted on small weapon systems such as drones, unmanned robots, and unmanned aerial vehicles, research is being actively conducted in the field of defense.
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.Initially, a silicon-based optical phased array structure was proposed, but there is a limit to obtaining high output due to non-linearity that occurs when high power is applied to an optical waveguide. As a result, it is difficult to detect an object at a relatively long distance, making it difficult to apply it to fields such as LiDAR. To overcome these limitations, an optical phased array structure based on silicon nitride, which has a relatively low refractive index compared to silicon, was proposed, and its applicability to real systems such as LiDAR and short-range communication was confirmed through years of research. It became.
광위상배열 안테나는 기계적인 구동부 없이 레이저빔을 상하좌우로 조향할 수 있는 장점이 있다. 열광학(Thermo-optic) 위상변조기 혹은 전기광학(Electro-optic) 위상변조기를 이용하여 안테나의 각 채널을 통과하는 레이저 펄스의 위상을 조절함으로써 빔 조향이 가능하다.An optical phased array antenna has the advantage of being able to steer a laser beam up, down, left and right without a mechanical driving unit. Beam steering is possible by adjusting the phase of a laser pulse passing through each channel of an antenna using a thermo-optic phase modulator or an electro-optic phase modulator.
광위상배열 안테나는 광원 및 수신기와 함께 실리콘 포토닉스(Si Photonics) 기술에 의해 반도체 기판에 함께 집적될 수 있다. 광위상변조기는 위상 반전 특성을 가진 진행파 전극 구조에서 구현될 수 있는데, 목표 통과 대역폭, 중심주파수에 대하여 유연하도록 전극 구조로 설계될 수 있다. An optical phased array antenna, together with a light source and a receiver, may be integrated on a semiconductor substrate by Si Photonics technology. The optical phase modulator may be implemented in a traveling wave electrode structure having a phase inversion characteristic, and the electrode structure may be designed to be flexible with respect to a target pass bandwidth and center frequency.
실리콘 포토닉스 기술 기반의 광위상배열 안테나는 집적화될 수 있고, 소형화 될 수 있으며, 곡률 반경이 작은 장점이 있는 반면에, OPA에서 삽입손실이 크며, 위상을 맞추기 어렵고, 광위상 변조기와 같은 능동 제어 소자가 반드시 필요하다는 문제점이 있다. Optical phased array antennas based on silicon photonics technology can be integrated, can be miniaturized, and have a small radius of curvature. On the other hand, insertion loss is large in OPA, it is difficult to match the phase, and active control elements such as optical phase modulators There is a problem that is absolutely necessary.
본 발명의 일 실시예는, 능동 제어 소자 없이도 2차원 상에서 출력광의 경로를 조정할 수 있는 광위상배열 디바이스를 제공하는 데 일 목적이 있다.An object of one embodiment of the present invention is to provide an optical phased array device capable of adjusting the path of output light in two dimensions without an active control device.
또한, 본 발명의 일 실시예는, x축 방향은 수평방향은 수평방향은 파장 레이저와 광위상배열 디바이스를 이용하여 회전하고, y축 방향으로는 추가적으로 앞단에 한축을 제어할 수 있는 디바이스를 두어 2차원의 빔 회전을 가능케한 광위상배열 디바이스를 제공하는데 일 목적이 있다.In addition, in one embodiment of the present invention, the horizontal direction in the x-axis direction is rotated using a wavelength laser and an optical phased array device in the horizontal direction, and in the y-axis direction, a device capable of controlling one axis is additionally placed at the front end. One object is to provide an optical phased array device capable of two-dimensional beam rotation.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 기 설정된 파장 대역의 레이저 광을 조사하는 광원과 상기 광원에서 조사되는 레이저 광을 입사받는 입력 도파로와 상기 입력 도파로로 입사되는 레이저 광을 균일한 파워를 갖도록 기 설정된 개수의 채널로 분배하는 광 분배부 및 상기 광 분배부에서 분배된 레이저 광을 M개의 채널로 분산하여 도파시키고, 자유 공간상에 조사하는 채널 도파로를 포함하는 것을 특징으로 하는 광위상배열 디바이스를 제공한다.According to one aspect of the present embodiment, a light source for irradiating laser light in a predetermined wavelength band, an input waveguide receiving laser light emitted from the light source, and a predetermined number of laser lights incident to the input waveguide to have uniform power. Provided is an optical phased array device comprising a light distribution unit for distributing to channels of the light distribution unit and a channel waveguide for dispersing and guiding the laser light distributed in the light distribution unit to M channels and radiating onto a free space. .
본 실시예의 일 측면에 의하면, 상기 광위상배열 디바이스는 상기 채널 도파로의 출력단이 광을 조사하는 방향으로 상기 출력단의 전방에 배치되어, 조사되는 레이저 광의 경로를 조정하는 광경로 조정부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.According to one aspect of this embodiment, the optical phased array device further includes an optical path adjustment unit disposed in front of the output terminal of the channel waveguide in a direction in which light is irradiated, and adjusting a path of the irradiated laser light. to be characterized
본 실시예의 일 측면에 의하면, 상기 광경로 조정부는 가변프리즘으로 구현되는 것을 특징으로 한다.According to one aspect of this embodiment, the optical path adjustment unit is characterized in that implemented as a variable prism.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 상기 가변프리즘은 내부에 액정(Liquid Crystal)을 포함하는 것을 특징으로 한다.According to one aspect of this embodiment, the variable prism is characterized in that it includes a liquid crystal (Liquid Crystal) therein.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 상기 광경로 조정부는 음향광변조기(Acousto-Optic Modulator)으로 구현되는 것을 특징으로 한다.According to one aspect of this embodiment, the optical path adjusting unit is characterized in that it is implemented as an acoustic-optical modulator.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 상기 광경로 조정부는 원통형 렌즈(Circular Cylindrical Lens)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.According to one aspect of this embodiment, the light path adjustment unit is characterized in that it further comprises a cylindrical lens (Circular Cylindrical Lens).
본 실시예의 일 측면에 의하면, 상기 원통형 렌즈는 상기 출력단과 상기 가변프리즘 또는 상기 출력단과 상기 음향광변조기의 사이에 배치되는 것을 특징으로 한다.According to one aspect of this embodiment, the cylindrical lens is characterized in that it is disposed between the output end and the variable prism or between the output end and the acousto-light modulator.
이상에서 설명한 바와 같이 본 실시예의 일 측면에 따르면, 위상 변조기와 같은 능동 소자를 포함하지 않더라도 수동으로 위상을 조절할 수 있어 제조 단가가 저렴해지며, 소자 단독으로 사용되거나 라이다 센서 등에 적용될 수 있는 장점이 있다.As described above, according to one aspect of the present embodiment, the phase can be manually adjusted even if an active element such as a phase modulator is not included, so the manufacturing cost is low, and the element can be used alone or applied to a lidar sensor. there is
또한, 본 실시예의 일 측면에 따르면, 조사되는 레이저 광의 분산을 방지하여, 원거리까지 레이저 광이 조사되거나 사물에서 반사된 광이 되돌아올 수 있도록 하는 장점이 있다.In addition, according to one aspect of the present embodiment, there is an advantage of preventing the dispersion of the irradiated laser light so that the laser light is irradiated to a long distance or the light reflected from the object can be returned.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광위상배열 디바이스의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광위상배열 소자의 구현예이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 채널 도파로의 출력단을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 광위상배열 디바이스의 구현예이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 광위상배열 디바이스의 구현예이다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 광위상배열 디바이스의 구현예이다.
도 7은 본 발명의 제4 실시예에 따른 광위상배열 디바이스의 구현예이다.
도 8은 본 발명의 제5 실시예에 따른 광위상배열 소자의 구현예이다.
도 9는 본 발명의 제6 실시예에 따른 광위상배열 소자의 구현예이다.1 is a diagram showing the configuration of an optical phased array device according to an embodiment of the present invention.
2 is an implementation example of an optical phased array device according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram illustrating an output end of a channel waveguide according to an embodiment of the present invention.
4 is an implementation example of an optical phased array device according to the first embodiment of the present invention.
5 is an implementation example of an optical phased array device according to a second embodiment of the present invention.
6 is an implementation example of an optical phased array device according to a third embodiment of the present invention.
7 is an implementation example of an optical phased array device according to a fourth embodiment of the present invention.
8 is an implementation example of an optical phased array device according to a fifth embodiment of the present invention.
9 is an implementation example of an optical phased array device according to a sixth embodiment of the present invention.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.Since the present invention can make various changes and have various embodiments, specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and should be understood to include all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention. Like reference numerals have been used for like elements throughout the description of each figure.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.Terms such as first, second, A, and B may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. These terms are only used for the purpose of distinguishing one component from another. For example, a first element may be termed a second element, and similarly, a second element may be termed a first element, without departing from the scope of the present invention. The terms and/or include any combination of a plurality of related recited items or any of a plurality of related recited items.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에서, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.It is understood that when an element is referred to as being "connected" or "connected" to another element, it may be directly connected or connected to the other element, but other elements may exist in the middle. It should be. On the other hand, when an element is referred to as “directly connected” or “directly connected” to another element, it should be understood that no intervening element exists.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서 "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. Terms used in this application are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. It should be understood that terms such as "include" or "having" in this application do not exclude in advance the possibility of existence or addition of features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof described in the specification. .
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해서 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the present invention belongs.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Terms such as those defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related art, and unless explicitly defined in the present application, they should not be interpreted in an ideal or excessively formal meaning. don't
또한, 본 발명의 각 실시예에 포함된 각 구성, 과정, 공정 또는 방법 등은 기술적으로 상호간 모순되지 않는 범위 내에서 공유될 수 있다.In addition, each configuration, process, process or method included in each embodiment of the present invention may be shared within a range that does not contradict each other technically.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광위상배열 디바이스의 구성을 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광위상배열 소자의 구현예이다.1 is a diagram showing the configuration of an optical phased array device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an implementation example of an optical phased array device according to an embodiment of the present invention.
도 1 및 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광위상배열 디바이스(100)는 광원(110), 광위상배열 소자(200) 및 광경로 조정부(150)를 포함하고, 광위상배열 소자(200)는 입력 도파로(120), 광 분배부(130) 및 채널 도파로(140)를 포함한다.1 and 2, an optical
광위상배열 디바이스(100)는 실리콘 포토닉스의 기술을 충분히 활용하면서 OPA의 삽입 손실 및 회절 특성이 우수한 실리카 광도파로를 이용하여 제작된다. 광위상배열 디바이스(100)는 광 경로를 조정하기 위해 별도의 능동 제어소자를 포함하지 않으면서도, 2차원 상에서 출력광의 경로를 조정할 수 있다. 이와 같은 광위상배열 디바이스(100)는 라이다(LiDAR) 장치와 같이 일정 범위의 영역으로 광을 조사하여야 하는 장치에 포함되어 출력광의 경로를 조정할 수 있다. 이때, 광위상배열 디바이스(100)는 별도의 능동 제어소자를 포함하지 않기 때문에, 제조단가도 저렴해지면서 소형화될 수 있는 장점을 갖는다.The optical
광원(110)은 기 설정된 파장 대역의 가변 레이저 광원에 해당하는 광위상배열 소자(200), 특히, 입력 도파로(120)로 조사한다. 광원(110)은 발진 파장을 기 설정된 범위에서 변화시킬 수 있는 파장 가변형 레이저 다이오드로 구현될 수 있다. The
도 2a에 도시된 바와 같이, 입력 도파로(120)로 광원(110)에서 조사되는 레이저 광이 입사되고, 도파로(120)를 따라 슬랩도파로(132)를 지나 각각의 채널도파로(142)에 광이 분배되어 출력단(141)에 이르게 된다. 이때, 슬랩도파로의 끝면(133)에서의 파워분포는 슬랩도파로의 입사면(131)의 형태 변화를 통하여 조절이 가능하며, 둘사이의 관계는 푸리에 트랜스폼(Fourier Transform) 관계를 갖는다. 슬랩도파로 입사면(131)이 가우시안 분포를 가지면, 슬랩도파로의 끝면(133)은 가우시안 분포를 가지며, 각 도파로(142)에서는 전체적으로 가우시안 분포의 형태를 갖는다. 이때 슬랩도파로의 입사면(131)에서 계단함수 형태의 광분포를 갖게 되면, 슬랩도파로(132)를 지나면서 슬랩도파로의 끝면(133)에 이르러서는 계단함수의 푸리에 트랜스폼 관계인 싱크 함수의 분포를 갖게 된다. 반면, 슬랩도파로 입사면(131)이 싱크함수의 분포를 가지면 슬랩도파로의 끝면(133)에서는 스텝함수 형태의 분포를 갖고 채널도파로(142)에서는 균일한 분포의 파워비를 갖는다. 출력단에서의 각각의 도파로의 파워분포는 빔이 파 필드(Far Fild) 분포가 된다. As shown in FIG. 2A, the laser light irradiated from the
슬랩도파로 끝단(133)에서의 빛은 채널 도파로(142)에 입사되며 M개의 채널로 나누어, 일정 간격을 갖는 출력단(141)까지 레이저 광을 전달한다. 채널 도파로(140)에 의해 출력단(141)까지 도파된 레이저 광은 자유 공간상에 방사(Radiation)된다. 이때, 채널 도파로(140)에는 M개의 실리카 광도파로(WG1~WGM)들이 배열(도 3을 참조하여 후술)되고, 각 광도파로는 인접한 광도파로와 ΔL의 길이차를 갖는다.Light from the
광 분배부형태를 갖는 경우 일정보통의 경우 50 :50 의 분배비율을 갖으나 출력단(141)의 분포 광파워 분포를 가우시안 함수를 갖게 하기 위하여 비대칭으로 조절 할 수 있다. In the case of having an optical distribution unit, a distribution ratio of 50:50 is normally provided, but the optical power distribution of the
[수학식 1][Equation 1]
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 나타낸다. 채널 도파로(140)의 출력단에서 중심 파장(λ0)을 기준으로 회절 차수(m, m=정수배)가 결정되면, 채널 도파로(140)의 각 광도파로의 ΔL이 결정된다. 이때, 도파로의 개수가 많아지면 더 많은 도파로가 회절현상을 일으켜 직전성이 좋아진다.In Equation 1, n c is the refractive index of the optical waveguide, m is the diffraction order, and λ 0 represents the center wavelength of the incident light (λ). Equation 1 indicates that light is incident from an input terminal at the center having a central wavelength (λ 0 ) and proceeds to an output terminal at the center. When the diffraction order (m, m = integer multiple) is determined based on the center wavelength (λ 0 ) at the output terminal of the
한편, 도 2b에 도시된 바와 같이, 입력 도파로(120)로 광원(110)에서 조사되는 레이저 광이 입사되고, 광 분배부(130)는 입력 도파로(120)로 입사되는 광신호를 기 설정된 파워 비율을 갖도록 M개의 채널로 분배한다. 이때, 광 분배부(130)는 N개의 입력 포트와 M(M, M>n)개의 출력포트를 갖는 적어도 하나 이상의 광 커플러(135a, 130b, 135c, 135d 등)를 사용할 수 있고, 광 커플러는 입력되는 레이저 광의 파워를 기 설정된 비율로 분배하여 다른 채널로 전송한다. 이때, 광 커플러(135a, 130b, 135c, 135d 등)는 입력된 레이저 광을 일괄적으로 균등한 파워로 분배하는 것이 아니라, 중심으로부터 멀어질수록 작은 파워를 갖도록 분배한다. 즉, 광 분배부(130)의 광 커플러(135a, 130b, 135c, 135d 등)는 출력단(141)까지 전달되는 레이저 광이 가우시안 분포를 갖도록 분배한다. 도 2b를 참조하면, 광 분배부(130a)가 입력되는 레이저 광을 최초로 입사받을 경우, 해당 위치에서는 1:1의 파워로 레이저 광을 분배할 수 있다. 다만, 광 분배부(130a)가 해당 위치 이후의 지점에서 레이저 광을 분배함에 있어서는, 파워가 균등하도록 레이저 광을 분배하는 것이 아니라 상대적으로 (출력단의) 중심에 가까이로 분배되는 레이저 광이 상대적으로 더 많은 파워를 갖도록 분배한다. Meanwhile, as shown in FIG. 2B, the laser light irradiated from the
광원(110)으로부터 조사되어 슬랩 도파로(132)를 거치며 M개의 분기로 나눠진 광은 각각 일정한 길이차(ΔL)를 가지며 휘어진 광도파로가 배열된 채널 도파로(140)를 거치며 출력단(141)에서 회절된다. 이에 따라, 레이저 광은 (도 2에 도시된 y축 상에서) 특정 방향으로 지향성을 가지며 진행하게 된다. 이때, 입사광의 파장이 변화하면 그에 따라 길이차(ΔL, 광경로차)도 함께 변화하게 되어, 레이저 광의 진행 방향이 해당 축 상에서 변화하게 된다. 이에 따라, 광원(110) 및 광위상배열 소자(200)는 이를 이용하여 일 축상에서 광경로를 조정할 수 있다.The light irradiated from the
광경로 조정부(150)는 광위상배열 소자(200)의 출력단(141)의 광을 조사하는 방향으로의 전방에 배치되어, 조사되는 레이저 광의 경로를 조정한다. 특히, 광경로 조정부(150)는 광위상배열 소자(200)가 조정하는 축(도 2에서 x축)과는 수직한 방향(도 2에서 y축)으로 조정한다. The optical
한편, 입력 도파로(120)로 입사되는 레이저 광은 슬랩도파로의 입사면(131) 에서 가우시안(Gaussian) 특성을 갖는다. 광 분배부형 구조를 갖는 경우 각각의 분배기에서 분배비율을 조절하여 출력단(141) 에서 가우시안 광파워 분배비를 조절할 수 있다.Meanwhile, the laser light incident to the
최종적으로 출력되는 레이저 광이 가우시안 특성을 갖는 경우, 물체 등 조사되어야 할 지점으로 집중되는 특성을 가질 수 있다. 출력 레이저 광이 집중될 경우, 조사된 레이저 광은 보다 적은 영역에서 반사될 수 있어, (광위상배열 디바이스(100)가 적용된) 라이다 장치 등은 상대적으로 우수한 분해능을 확보할 수 있다.When the finally output laser light has a Gaussian characteristic, it may have a characteristic focused on a point to be irradiated, such as an object. When the output laser light is concentrated, the irradiated laser light can be reflected in a smaller area, so that a lidar device or the like (to which the optical phased
반면, 입력 도파로(120)로 입사되는 레이저 광이 슬랩도파로(131)에서 스텝(Step) 함수의 특성을 갖는 경우, 슬랩도파로의 끝면(133)에서는 싱크(Sinc) 함수의 특성으로 변환된다. 이후, 채널 도파로(142)를 거쳐 출력될 경우, 레이저 광은 스텝 함수의 특성을 갖는다. 그러나 스텝 함수는 한 지점으로 집중되지 않기에, 조사된 레이저 광은 상대적으로 상당히 넓은 영역에서 반사되며, (광위상배열 디바이스(100)가 적용된) 라이다 장치 등은 상대적으로 낮은 분해능을 확보할 수 있다.On the other hand, when the laser light incident on the
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 채널 도파로의 출력단을 도시한 도면이다.3 is a diagram illustrating an output end of a channel waveguide according to an embodiment of the present invention.
도 3a를 참조하면, 중심 파장과 회절 차수가 결정되면 광위상배열 디바이스(100)는 채널 도파로(140)의 각 광도파로의 길이가 결정된다. Referring to FIG. 3A , when the center wavelength and the diffraction order are determined, the length of each optical waveguide of the
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 모이게 된다. The
이에 따라, 도 3a에 도시된 바와 같이, 채널 도파로(140)의 출력단(141)이 형성될 경우, 레이저 광은 회절현상을 일으켜 파장에 따라 각각의 방향으로 향하게 된다.Accordingly, as shown in FIG. 3A, when the
y축 방향과 달리 x축 방향으로는 광위상배열 소자(200)에 의해 회절현상이 발생하지 않으며, 도파로의 Far Field가 나오게 된다. 또한, 도파로의 크기 및 굴절률에 따라 분산각(Divergence Angle)을 가지며 수직방향으로 퍼지게 된다.Unlike the y-axis direction, diffraction does not occur by the optical phased
한편, 도 3b에 도시된 바와 같이, 출력단(141)이 사선으로 절단하고 연마된 면의 형태를 가질 수 있다. 이처럼 출력면이 사선으로 가공될 경우, 출력단(141)에서 출력되는 레이저 광은 종래와 같이 도파로(140)가 진행하는 방향이 아닌 그에 수직한 방향(+y축 방향)으로 출력된다. 이에 따라, 광위상배열 디바이스(100)의 패키징 두께가 얇아질 수 있어, 디바이스(100)가 다양한 장치 내에 장착되어 동작할 수 있다.Meanwhile, as shown in FIG. 3B, the
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 광위상배열 디바이스의 구현예이다.4 is an implementation example of an optical phased array device according to the first embodiment of the present invention.
도 4를 참조하면, 광경로 조정부(150)는 각도 변화 가변 프리즘(Tunable Prism, 410)으로 구현되어 출력단(141)의 (광을 조사하는 방향으로의) 전방에서 자신으로 입사되는 레이저 광의 진행방향을 가변한다. 특히, 각도 변화 가변 프리즘(410)은 입사되는 방향과 수직인 축(x축) 상에서 방향을 조정한다. 각도 변화 가변 프리즘(410)은 평평한 두 개의 유리와 두 유리 사이에 채워진 유체로 구현될 수 있으며, 어느 하나의 유리의 각도가 조정되며 입사되는 레이저광 또는 출력되는 레이저 광의 각도에 변화를 가하며 광의 진행방향을 가변한다.Referring to FIG. 4 , the
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 광위상배열 디바이스의 구현예이다. 5 is an implementation example of an optical phased array device according to a second embodiment of the present invention.
도 5를 참조하면, 광경로 조정부(150)는 액정(Liquid Cristal을 포함하는 가변 프리즘(510)으로 구현되어 출력단(141)의 전방에서 자신으로 입사되는 레이저 광의 진행방향을 변화시킨다. 액정을 포함하는 가변 프리즘(510)은 각도 변화 가변 프리즘과 같이 두 개의 유리를 포함하되, 두 유리 사이에 액정이 채워진다. 두 유리로 인가되는 전압의 크기에 따라 액정의 방향이 변화하며, 액정 방향의 변화에 따라 출력되는 레이저 광의 진행방향도 변화한다.Referring to FIG. 5, the
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 광위상배열 디바이스의 구현예이다.6 is an implementation example of an optical phased array device according to a third embodiment of the present invention.
도 6을 참조하면, 광경로 조정부(150)는 음향광변조기(AOM: Acousto-Optic Modulator, 610)으로 구현되어 출력단(141)의 전방에서 자신으로 입사되는 레이저 광의 진행방향을 가변한다. 음향광변조기(610)는 광이 통과하는 부분인 쿼츠(Quartz)부분과 음파를 발생시키는 트랜스듀서(Transducer)를 포함한다. 트랜스듀서는 전압을 인가받으면 팽창하거나 수축하며, 인가되는 전압을 조정하여 일정한 주파수를 갖는 음파를 발생시킨다. Referring to FIG. 6 , the
광이 음파가 형성되고 있는 쿼츠를 향해 일정 각도로 입사하게 될 경우, 해당 각도로 그대로 통과하는 광과 그와 다른 각도로 진행하는 광으로 분리된다. When light is incident at a certain angle toward the quartz where sound waves are formed, it is separated into light that passes through at that angle and light that proceeds at a different angle.
음향광변조기(610)는 트랜스듀서로 인가되는 전압의 크기에 따라 출력되는 레이저 광의 진행방향을 변화시킬 수 있다. The acoustic
도 7은 본 발명의 제4 실시예에 따른 광위상배열 디바이스의 구현예이다.7 is an implementation example of an optical phased array device according to a fourth embodiment of the present invention.
도 7을 참조하면, 본 발명의 제4 실시예에 따른 광위상배열 디바이스는 광경로 조정부로서, 도 4 내지 6을 참조하여 설명한 각 구성에 추가적으로 원통형 실린더리컬 렌즈(Circular Cylindrical Lens, 710)를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 7, the optical phased array device according to the fourth embodiment of the present invention is an optical path adjusting unit, and includes a circular
원통형 실린더리컬 렌즈(710)는 출력단(141)과 가변프리즘 또는 음향광변조기의 사이에 배치된다. 원통형 실린더리컬 렌즈(710)는 해당 위치에 배치되어, 출력단(141)에서 x 축방향으로 출력되는 광을 평행하게 보내는 역할을 하며, 광출력단에서 x=0인 면에서 동일한 거리에 원통형 실린더리컬 렌즈(710)가 원형으로 배치되는 형태를 갖추게 되어, 빛의 출구에서 y 축으로 동일한 거리에서 수직한 형태로 빛이 입사할 수 있어 전방 180 °회전하면서 x 축으로 빛이 퍼짐이 없어 빛을 멀리 보낼 수 있다A cylindrical
원통형 실린더리컬 렌즈(710)는 전술한 위치에 배치되어, 출력단(141)에서 출력된 광의 분산을 방지한다. 특히, 원통형 실린더리컬 렌즈(710)는 출력단(141)에서 출력된 광에 대해 광경로 조정부(150)에 의해 조정되는 방향으로 광의 분산을 방지한다. 원통형 실린더리컬 렌즈(710)는 자신으로 입사되는 광을 평행광으로 광 경로를 변이시킨다. 이에 따라, 원통형 실린더리컬 렌즈(710)는 자신을 통과하는 광 대부분이 중심축에 근접한(중심축과 이루는 각도가 기 설정된 기준치 이하인) 광과 같이 진행하도록 하여, 레이저 광의 왜곡 발생을 최소화한다.The cylindrical
도 8은 본 발명의 제5 실시예에 따른 광위상배열 소자의 구현예이다.8 is an implementation example of an optical phased array device according to a fifth embodiment of the present invention.
도 8을 참조하면, 광위상배열 소자(200) 내 입력 도파로(120)와 출력단(141)에 각각 그레이팅 패턴(810, 815)이 각각 형성될 수 있다. 입력 도파로(120)에 그레이팅 패턴(810)이 형성됨에 따라, 입력 도파로(120)로 입력되는 광이 입력 도파로(120)를 향해 -y축 방향으로 입사될 수 있다. 마찬가지로, 출력단(141)에 그레이팅 패턴(815)이 형성됨에 따라, 출력단(141)에서 출력되는 출력단(141)에서 +y축 방향으로 조사될 수 있다. 이에 따라, 광위상배열 디바이스(100)가 배치될 위치나 방향, 광위상배열 디바이스(100)가 배치될 소자의 두께 등을 고려하여 입력 도파로(120)와 출력단(141)에 각각 그레이팅 패턴(810, 815)이 각각 형성될 수 있다.Referring to FIG. 8 ,
그레이팅 패턴(815)의 격자 간격에 따라 출력되는 레이저 광의 방향이 조정될 수 있으며, 도 4 내지 7을 참조하여 설명한 광경로 조정부(150)가 출력단(141)으로부터 레이저 광이 출력되는 위치에 배치되어 광경로를 조정할 수 있다.The direction of the laser light output can be adjusted according to the lattice spacing of the
도 9는 본 발명의 제6 실시예에 따른 광위상배열 소자의 구현예이다.9 is an implementation example of an optical phased array device according to a sixth embodiment of the present invention.
도 9(a)와 같이 출력단(141)의 끝단(143a)이 평평한 상태로 구현될 수 있다. 다만, 끝단(143a)이 평평하게 구현된다면, 출력단(141)에서 출력되는 레이저 광은 광위상배열 소자(200)가 조정할 수 있는 방향으로 (정도는 상대적으로 덜하더라도) 분산되며 진행하게 된다. As shown in FIG. 9 (a), the
반면, 도 9(b)와 같이, 출력단(141)의 각 도파로의 출력 방향이 끝단(143b)을 향해 모이도록 구현될 수 있다. 즉, 도파로 중 중앙부에 위치한 도파로는 출력광의 광축과 평행하도록 배치되되, 도파로가 중앙부로부터 멀어질수록 도파로의 끝단(143b)이 서로 모이는 방향으로 틀어지도록(출력광의 광축과 일정 각도를 갖는 형태로) 배치된다. 즉, 도파로를 연장할 경우, 출력단(141)의 끝단(143b)으로부터 f 지점만큼 떨어진 거리에서 모이도록 배치된다. 도파로가 이와 같이 배치될 경우, 출력광은 f 지점까지는 분산되지 않고 수렴하는 형태를 가지며, 해당 지점 이후부터 분산되며 진행한다. 이처럼, 도파로가 가상으로 연장될 경우 출력단(141)의 끝단(143b)에서 f지점에서 모이도록 배치됨에 따라, 적어도 2f 지점까지는 출력광이 분산되지 않도록 조정할 수 있다.On the other hand, as shown in FIG. 9(b) , output directions of each waveguide of the
한편, 곡률이 구현된 끝단(143b)을 갖는 광위상배열 디바이스(200)의 전단에도 도 4 내지 7을 참조하여 설명한 광경로 조정부(150)가 배치되어 광경로를 조정할 수 있다. 이때, 도 7을 참조하여 설명한 원통형 실린더리컬 렌즈(710)가 추가로 배치된다 하더라도, 원통형 실린더리컬 렌즈(710)는 곡률이 구현된 끝단(143b)과 달리 광경로 조정부(150)에 의해 조정되는 방향으로 광의 분산을 방지하기 때문에, 양자(143b, 710)가 서로 상충되는 경우는 발생하지 않는다.Meanwhile, the
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The above description is merely an example of the technical idea of the present embodiment, and various modifications and variations can be made to those skilled in the art without departing from the essential characteristics of the present embodiment. Therefore, the present embodiments are not intended to limit the technical idea of the present embodiment, but to explain, and the scope of the technical idea of the present embodiment is not limited by these embodiments. The scope of protection of this embodiment should be construed according to the claims below, and all technical ideas within the scope equivalent thereto should be construed as being included in the scope of rights of this embodiment.
100: 광위상배열 디바이스
110: 광원
120: 입력 도파로
130: 광 분배부
132: 슬랩 도파로
135: 광 분배기
140: 채널 도파로
141: 출력단
150: 광경로 조정부
200: 광위상배열 소자
410, 510: 가변 프리즘
610: 음향광변조기
710: 원통형 실린더리컬 렌즈
810, 815: 그레이팅 패턴100: optical phased array device
110: light source
120: input waveguide
130: optical distribution unit
132: slab waveguide
135 optical splitter
140: channel waveguide
141: output stage
150: optical path adjustment unit
200: optical phased array element
410, 510: variable prism
610: Acousto-optical modulator
710: cylindrical cylindrical lens
810, 815: grating pattern
Claims (7)
상기 광원에서 조사되는 레이저 광을 입사받는 입력 도파로;
상기 입력 도파로로 입사되는 레이저 광을 균일한 파워를 갖도록 기 설정된 개수의 채널로 분배하는 광 분배부;
상기 광 분배부에서 분배된 레이저 광을 M개의 채널로 분산하여 도파시키고, 자유 공간상에 조사하는 채널 도파로; 및
상기 채널 도파로의 출력단이 광을 조사하는 방향으로 상기 출력단의 전방에 배치되어, 조사되는 레이저 광의 경로를 조정하는 광경로 조정부를 포함하며,
상기 광경로 조정부는 음향광변조기(Acousto-Optic Modulator)으로 구현되고, 원통형 실린더리컬 렌즈(Circular Cylindrical Lens)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광위상배열 디바이스. a light source for irradiating laser light of a preset wavelength band;
an input waveguide receiving the laser light irradiated from the light source;
an optical distribution unit distributing the laser light incident to the input waveguide to a predetermined number of channels to have uniform power;
a channel waveguide for dispersing and guiding the laser light distributed from the light distribution unit into M channels and radiating the laser light onto a free space; and
An optical path adjustment unit disposed in front of the output terminal of the channel waveguide in a direction in which light is irradiated and adjusting a path of the irradiated laser light;
The optical phased array device according to claim 1 , wherein the optical path adjustment unit is implemented as an acoustic-optic modulator and further comprises a circular cylindrical lens.
상기 광경로 조정부는,
가변프리즘으로 구현되는 것을 특징으로 하는 광위상배열 디바이스.According to claim 1,
The optical path adjusting unit,
An optical phased array device, characterized in that implemented as a variable prism.
상기 가변프리즘은,
내부에 액정(Liquid Crystal)을 포함하는 것을 특징으로 하는 광위상배열 디바이스.According to claim 4,
The variable prism,
An optical phased array device comprising a liquid crystal therein.
상기 원통형 실린더리컬 렌즈는,
상기 출력단과 상기 음향광변조기의 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 광위상배열 디바이스.According to claim 1,
The cylindrical cylindrical lens,
An optical phased array device characterized in that it is disposed between the output terminal and the acoustooptic modulator.
상기 원통형 실린더리컬 렌즈는,
상기 출력단과 상기 가변프리즘 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 광위상배열 디바이스.According to claim 4,
The cylindrical cylindrical lens,
An optical phased array device, characterized in that disposed between the output end and the variable prism.
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