KR102501469B1 - 빔 스티어링 장치를 포함한 시스템 - Google Patents

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Abstract

빔 스티어링 장치를 포함한 시스템이 개시된다.
개시된 시스템은 기판과, 상기 기판에 구비된 적어도 하나의 광원, 및 복수 개의 광학 위상 어레이들을 포함하고, 복수 개의 광학 위상 어레이들이 상기 기판의 동일 평면에 배열되고, 서로 다른 화각을 가진다.

Description

빔 스티어링 장치를 포함한 시스템{System including beam steering device}
다양한 실시예는 광빔의 스캐닝 영역을 넓힐 수 있는 빔 스티어링 장치를 포함한 시스템에 관한 것이다.
다양한 기능의 운전자보조시스템(Advanced Driving Assistance System; ADAS)이 상용화되고 있다. 예를 들어, 다른 차량의 위치와 속도를 인식하여 충돌 위험이 있을 경우에는 속도를 줄이고 충돌 위험이 없을 경우에는 설정된 속도 범위 내에서 차량을 주행하는 자동감응식 순항제어(Adaptive Cruise Control; ACC)나 전방 차량을 인식하여 충돌 위험이 있지만 운전자가 이에 대한 대응을 하지 않거나 대응 방식이 적절하지 않는 경우에 자동으로 제동을 가하여 충돌을 방지하는 자율긴급제동시스템(Autonomous Emergency Braking System; AEB) 등과 같은 기능을 장착한 차량이 증가하고 있는 추세이다. 또한, 가까운 장래에 자율 주행(autonomous driving)이 가능한 자동차가 상용화될 것으로 기대되고 있다.
이에 따라, 차량 주변의 정보를 제공할 수 있는 광학 측정 장치에 대한 관심이 증가하고 있다. 예를 들어, 차량용 LiDAR(Light Detection and Ranging)는 차량 주변의 선택된 영역에 레이저를 조사하고, 반사된 레이저를 감지하여 차량 주변에 있는 물체와의 거리, 상대 속도 및 방위각 등에 관한 정보를 제공할 수 있다. 이를 위해 차량용 LiDAR는 원하는 영역에 빔을 스티어링할 수 있는 빔 스티어링 장치를 포함한다.
레이저 빔을 원하는 위치로 스티어링하기 위해서, 일반적으로 레이저가 조사 되는 부분을 기계적으로 회전시켜 주는 방법과 광학 위상 어레이(OPA;Optical Phased Array, 이하 OPA라고 함) 방식을 이용하여 다수의 단위셀 또는 다수의 도파관으로부터 나오는 다발 형태의 레이저빔의 간섭을 이용하는 방법이 사용되고 있다. OPA 방식에서는 단위셀들이나 도파관들을 전기적 또는 열적으로 제어함으로써 레이저 빔을 스티어링할 수 있다.
다양한 실시예는 광빔의 스캐닝 영역을 확장할 수 있는 빔 스티어링 장치를 포함한 시스템을 제공한다.
일 실시예에 따른 시스템은, 기판; 상기 기판에 구비된 적어도 하나의 광원;
상기 기판의 동일 평면에 배열되고, 상기 적어도 하나의 광원으로부터 조사된 광빔의 출력 방향을 조절하도록 구성되고 서로 다른 화각 범위를 가지는 복수 개의 광학 위상 어레이들; 및 상기 복수 개의 광학 위상 어레이들에서 출력되어 피사체에서 반사된 광빔을 검출하는 광검출요소들;을 포함하고, 상기 광검출요소들이 상기 복수 개의 광학 위상 어레이들에 각각 대응되게 구비될 수 있다.
상기 복수 개의 광학 위상 어레이들이 각각 독립적으로 구동되고, 상기 대응되는 광검출요소들에 의해 광빔이 각각 검출되도록 구성될 수 있다.
상기 광학 위상 어레이가 상기 적어도 하나의 광원으로부터 조사된 빔을 전달하는 도파관, 상기 도파관을 통해 전달된 빔을 분기하는 빔 분리기, 및 상기 광빔의 위상을 쉬프트시키는 위상 쉬프터를 포함할 수 있다.
상기 위상 쉬프터를 통해 위상이 조절된 광빔의 방향을 조절하도록 구성된 그레이팅을 포함하는 안테나를 더 포함할 수 있다.
상기 광원이 파장 변환이 가능한 레이저 빔을 출사하도록 구성될 수 있다.
상기 광원이 상기 복수 개의 광학 위상 어레이에 각각 대응되게 구비될 수 있다.
상기 광원이 하나 구비되고, 상기 복수 개의 광학 위상 어레이에 공동으로 사용되도록 구성될 수 있다.
상기 광학 위상 어레이 하나에 복수 개의 광원이 결합될 수 있다.
상기 광학 위상 어레이가 광 증폭기를 포함할 수 있다.
다양한 실시예에 따른 빔 스티어링 장치는 하나의 기판에 복수 개의 광학 위상 어레이들을 구비하여 광빔의 스캐닝 영역을 확대할 수 있다. 반도체 공정을 통해 복수 개의 광학 위상 어레이들을 간단하게 하나의 기판에 구비할 수 있다.
다양한 실시예에 따른 시스템은 복수 개의 광학 위상 어레이들을 이용하여 넓은 범위에 걸쳐 신속하게 스캐닝함으로써 피사체에 대한 정보를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 스티어링 장치를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 스티어링 장치에 채용되는 광학 위상 어레이를 도시한 것이다.
도 3은 도 2의 III-III 단면도이다.
도 4는 도 2의 IV-IV 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 스티어링 장치에 채용되는 광원의 일 예를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 스티어링 장치에 채용되는 광 증폭기의 일 예를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 스티어링 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 스티어링 장치의 구동 장치를 개략적으로 도시한 것이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 빔 스티어링 장치를 도시한 것이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 빔 스티어링 장치를 도시한 것이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템을 도시한 것이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 시스템을 도시한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 다양한 실시예에 따른 빔 스티어링 장치 및 이를 포함한 시스템에 대해 상세히 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 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 의미한다. 또한, 도면에서 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다. 또한, 소정의 물질층이 기판이나 다른 층 상에 존재한다고 설명될 때, 그 물질층은 기판이나 다른 층에 직접 접하면서 존재할 수도 있고, 그 사이에 다른 제3의 층이 존재할 수도 있다. 그리고, 아래의 실시예에서 각 층을 이루는 물질은 예시적인 것이므로, 이외에 다른 물질이 사용될 수도 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 빔 스티어링 장치(100)를 개략적으로 도시한 것이다.
빔 스티어링 장치(100)는 기판(110)과, 기판(110)에 구비된 적어도 하나의 광원(S1,S2,S3,S4), 및 기판(110)의 동일한 평면 상에 배열된 복수 개의 광학 위상 어레이들(101)(102)(103)(104)을 포함할 수 있다.
기판(110)은 예를 들어, 실리콘 기판일 수 있다. 하지만, 여기에 한정되는 것은 아니다. 적어도 하나의 광원은 예를 들어 제1 광원(S1), 제2 광원(S2), 제3 광원(S3), 제4 광원(S4)를 포함할 수 있다. 복수 개의 광학 위상 어레이들은 예를 들어 제1 광학 위상 어레이(101), 제2 광학 위상 어레이(102), 제3 광학 위상 어레이(103), 및 제4 광학 위상 어레이(104)을 포함할 수 있다. 제1 광학 위상 어레이(101), 제2 광학 위상 어레이(102), 제3 광학 위상 어레이(103), 및 제4 광학 위상 어레이(104)는 하나의 기판(110)의 동일 평면 상에 배열될 수 있다. 이들 광학 위상 어레이들은 기판 상에 반도체 공정을 통해 제작될 수 있다. 여기서, 광원과, 광학 위상 어레이의 개수를 각각 4개인 경우를 예시하였으나 개수나 배열 구조는 다양하게 변형될 수 있다.
광학 위상 어레이는 적어도 하나의 광원으로부터 조사된 광빔의 출력 방향을 조절하도록 구성될 수 있다. 복수 개의 광학 위상 어레이들은 서로 다른 화각 범위를 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 광학 위상 어레이(101)는 제1 화각 범위를 가지고 광빔의 출력 방향을 조절하고, 제2 광학 위상 어레이(102)는 제2 화각 범위를 가지고 광빔의 출력 방향을 조절하고, 제3 광학 위상 어레이(103)는 제3 화각 범위를 가지고 광빔의 출력 방향을 조절하고, 제4 광학 위상 어레이(104)는 제4 화각 범위를 가지고 광빔의 출력 방향을 조절할 수 있다.
도 2는 제1 광학 위상 어레이(101)의 일 예를 도시한 것이다. 제2 내지 제4 광학 위상 어레이(102)(103)(104)는 제1 광학 위상 어레이(101)과 동일하게 구성될 수 있다.
제1 광학 위상 어레이(101)는 적어도 하나의 광원으로부터 조사된 빔을 전달하는 도파관(121), 도파관(121)을 통해 전달된 광빔을 분기하는 빔 분리기(130), 및 광빔의 위상을 쉬프트시키는 위상 쉬프터(120)를 포함할 수 있다.
내부에 광이 진행하는 도파관(121)은 빔 분리기들(130)에 의해 복수개의 도파관(121)으로 분리될 수 있다. 도 2에는 외부의 광이 입사되는 하나의 도파관(121)이 7개의 빔 분리기들(130)에 의해 8개의 도파관(121)으로 분리되는 경우가 예시적으로 도시되어 있다. 빔 분리기들(130)에 의해 분리된 도파관들(121)에는 위상 쉬프터(120)가 마련될 수 있다. 위상 쉬프터(120)는 각각 전기 신호가 인가됨에 따라 도파관(121)을 지나가는 광빔의 위상(phase)을 독립적으로 변화시킬 수 있다.
도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ선을 따라 본 단면도이다. 그리고, 도 4는 도 2의 Ⅳ-Ⅳ선을 따라 본 단면도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 위상 쉬프터(120) 각각은 기판(110)에 마련되는 도파관(121) 및 클래드층(cladding layer, 122)을 포함할 수 있다.
기판(110)으로는 예를 들면 실리콘 기판이 사용될 수 있다. 하지만, 이는 단지 예시적으로 것으로 기판(110)은 다른 다양한 재질을 포함할 수 있다. 기판(110)의 상면에는 도파관(121)이 마련되어 있다. 도파관(121)은 반도체 물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 도파관(121)은 실리콘을 포함할 수 있다. 하지만 이는 단지 예시적인 것으로 이외에도 도파관(121)은 다른 다양한 물질을 포함할 수 있다.
도파관(121)의 상면에는 클래드층(122)이 마련되어 있다. 클래드층(122)은 도파관(121)을 지나가는 광빔의 위상을 변조시키기 위해 마련될 수 있다. 이를 위해 클래드층(122)은 전기적인 신호의 인가에 따라 굴절률이 변화하는 물질을 포함할 수 있다.
클래드층(122)은 예를 들면, 산화물 반도체를 포함할 수 있다. 구체적인 예로서, 클래드층(122)은 전기적인 신호의 인가에 의해 굴절률 변화가 비교적 큰 물질인 투명한 도전성 산화물(TCO; Transparent Conductive Oxide)을 포함할 수 있다. 여기서, 투명한 도전성 산화물은 예를 들면, ITO(Indium-Tin-Oxide), IZO(Indium-Zinc-Oxide), GIZO(Ga-In-Zn-Oxide), AZO(Al-Zn-Oxide), GZO(Ga-Zn-Oxide) 및 ZnO 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 하지만, 이에 한정되지는 않는다. 이러한 클래드층(122)은 도파관(121)과 p-n 접합 구조를 형성할 수 있다.
위상 쉬프터(120)에서, 구동부(미도시)를 통해 클래드층(122)에 전압과 같은 전기적인 신호가 인가되면 클래드층(122)와 도파관(121)의 계면에서 클래드층(122) 내부의 전하 농도(carrier density)가 변하게 되고. 이러한 전하 농도의 변화에 따라 클래드층(122)의 굴절률이 변할 수 있다. 클래드층(122)의 굴절률이 변하면 소멸파 간섭으로 인해 클래드층(122) 하부의 도파관(121)을 지나는 광빔의 위상이 변조될 수 있다. 도 4에서 L은 위상 변조 구간의 길이 즉, 광빔의 진행 방향에 따른 위상 쉬프터(120)의 길이를 나타낸다.
위상 쉬프터(120)를 적용한 도 2에 도시된 광학 위상 어레이를 참조하면, 광빔이 하나의 도파관(121)에 입사된 후 빔 분리기들(130)에 의해 분기된 다수의 도파관들(121)을 통과하여 출사하게 되고, 이렇게 출사된 다발 형태의 광빔의 간섭에 의해 광빔이 특정 위치로 조사될 수 있다. 여기서, 도파관들(121)을 통과하는 광빔들은 위상 쉬프터(120)에 의해 그 위상이 변조되어 출사됨으로써 최종적으로 출사되는 다발 형태의 광빔의 위상 프로파일(phase profile)이 결정될 수 있다. 그리고, 위상 프로파일에 따라 광의 진행 방향이 결정됨으로써 원하는 위치로 광빔이 조사될 수 있다. 위상 쉬프터(120)는 광빔의 진행 방향을 조절하여 스캐닝할 수 있다. 예를 들어, 위상 쉬프터(120)는 기판(110)에 대해 수평한 방향으로 광빔을 스캐닝할 수 있다.
일반적으로 도파관을 지나는 광빔의 위상을 변조시키기 위해서 도파관 자체의 굴절률을 변화시키는 방법이 사용되고 있었다. 여기서, 도파관의 굴절률을 변화시키기 위한 방식으로는 열을 이용한 방식과 전기를 이용한 방식이 있다. 열을 이용한 방식은 위상 변화가 크고, 도파관을 다양한 물질로 형성할 수 있지만, 속도(speed)가 느리고, 도파관들 사이의 간섭이 심해서 도파관들 사이가 일정 간격 이상이어야 되며, 넓은 시계(FOV; Field Of View)를 확보하기가 어렵다. 또한, 전기를 이용한 방식은 속도가 빠르고 도파관들 사이의 간섭이 없어 넓은 시계(FOA)를 얻을 수 있지만, 위상 변화가 작아서 긴 도파관이 필요하게 되고, p-n 또는 p-i-n 접합 구조가 적용되어야 하기 때문에 도파관 물질로 Si 등과 같은 반도체 물질로 한정되어야 하고 이에 따라 다양한 파장의 레이저 빔을 스팅어링할 수 없다는 단점이 있다.
본 실시예에 따른 빔 스티어링 장치(100)에서, 위상 쉬프터(120) 각각은 도파관(121)을 통과하는 광빔의 위상을 변조시키기 위해 도파관(121) 주위에 전기적인 신호의 인가에 따라 굴절률이 변화하는 클래드층(122)을 포함할 수 있다. 따라서, 본 실시예에서는 도파관(121) 자체의 굴절률을 변화시키지 않고, 도파관(121) 주위에 마련된 클래드층(122)의 굴절률을 변화시킴으로써 도파관(121)을 지나는 광빔이 소멸파 간섭에 의해 그 위상이 변조될 수 있다. 도파관(121) 자체의 굴절률을 변화시키지 않기 때문에 빔 손실이 적고, 실리콘이나 실리콘 질화물 등과 같은 다양한 물질을 도파관(121)의 물질로 사용할 수 있으므로 다양한 파장의 광빔을 스티어링 할 수 있다. 또한, 열이 아닌 전기적 신호를 사용하기 때문에 속도가 빠르고 도파관들(121) 사이의 간격을 좁힐 수 있어 넓은 시계(FOV; Field Of View) 확보가 가능하다.
위상 쉬프터(140)에서 연장된 도파관(121)의 단부에 안테나(AT)가 더 구비될 수 있다. 안테나(AT)는 도파관(121)에 형성된 그레이팅(G)을 포함할 수 있다. 그레이팅(G)의 사이즈, 깊이, 피치 등에 따라 광빔의 진행 방향을 조절할 수 있다. 위상 쉬프터(140)는 기판(110)에 대해 수평한 방향으로 광빔을 스캐닝하도록 광빔의 진행 방향을 조절하고, 안테나(AT)는 기판(110)에 대해 두께 방향으로 광빔을 스캐닝하도록 광빔의 진행 방향을 조절할 수 있다. 여기서, 기판(110)에 대한 두께 방향은 기판(110)에 대해 수직한 방향뿐만 아니라 사선 방향도 포함될 수 있다.
제1 내지 제4 광원(S1)(S2)(S3)(S4)은 단일 파장의 광을 조사하거나 복수 파장의 광을 조사하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제1 내지 제4 광원(S1)(S2)(S3)(S4)은 예를 들어, LD(laser diode), LED(light emitting diode), SLD(super luminescent diode). TLD(tunable laser diode) 등의 광원을 포함할 수 있다.
복수 파장의 광을 조사하는 광원으로 예를 들어, 튜너블 레이저 다이오드가 채용될 수 있다.
도 5는 튜너블 레이저 다이오드(300)의 구조를 개략적으로 보여주는 평면도다.
도 5를 참조하면, 튜너블 레이저 다이오드(300)는 제1 도파관(321) 및 제2 도파관(322)이 구비될 수 있다. 제1 도파관(321)과 제2 도파관(322)은 서로 평행하게 배치될 수 있다. 제1 도파관(321)에는 제1 광 증폭기(351)가 구비될 수 있다. 제2 도파관(322)에는 제2 광 증폭기(352)가 구비될 수 있다. 제1 및 제2 광 증폭기(351)(352)는 예를 들어, 반도체 광 증폭기(semiconductor optical amplifier) 또는 이온 도핑 증폭기일 수 있다. 제1 광 증폭기(351)와 제2 광 증폭기(352)는 빛을 생성하는 광원 역할을 할 수 있다. 광 증폭기에 대해서는 후술하기로 한다. 제1 도파관(321) 및 제2 도파관(322) 사이에 제1 링 공진기(311) 및 제2 링 공진기(312)가 배치될 수 있다. 제1 및 제2 링 공진기(311)(312)는 각각 링(331)을 포함하며, 링(331)의 외주에는 링(331)을 감싸는 히팅 요소(320)가 배치될 수 있다. 히팅 요소(320)는 불순물이 고농도로 도핑되며, 그 양단에 전압을 인가하면 열을 발생하며, 이에 따라 제1 및 제2 링 공진기(311)(312)로 입력된 광에 열을 가해서 광의 파장을 변경할 수 있다. 히팅 요소(320)는 대략 1018 ~ 1019 /cm3 농도로 불순물이 도핑된 영역일 수 있다.
제 1광 증폭기(351)와 제2 광 증폭기(352)에서 발생한 광은 제1 광 증폭기(351)에서 증폭되어 출력된 후, 제1 링 공진기(311)로 전송될 수 있다. 전송된 광빔은 제1 링 공진기(311)를 순환한 뒤, 제2 도파관(322)으로 입력될 수 있다. 이어서, 제2 도파관(322)으로 입력된 광빔은 제2 광 증폭기(352)에서 증폭된 뒤, 제2 도파관(322)으로 출력될 수 있다. 이어서, 광빔이 제2 링 공진기(312)에 전송되고 다시 제1 도파관(321)으로 전송될 수 있다. 이 과정에서 히팅 요소(320)에 입력된 전압에 따라서 해당 링 공진기를 통과하는 광의 파장이 조절될 수 있다. 상기 과정을 반복하며, 원하는 파장을 가진 광이 생성되면 제1 도파관(321) 또는 제2 도파관(322)를 통해서 외부로 방출될 수 있다.
도 5에 도시된 광원은 일 예일 뿐이며, 다양한 구조의 광원이 가능하다.
다시 도 2를 참조하면, 도파관(121)에 적어도 하나의 광 증폭기(140)가 더 구비될 수 있다.
광 증폭기(140)는 반도체 광 증폭기(semiconductor optical amplifier) 또는 이온 도핑 증폭기를 포함할 수 있다.
도 6은 광 증폭기(140)의 일 예를 도시한 것이다. 광 증폭기(140)는 예를 들어, 하부 클래드층(141), 활성층(142) 및 상부 클래드층(143)을 포함할 수 있다. 하부 클래드층(141), 활성층(142) 및 상부 클래드층(143)은 III-V족 화합물 반도체 물질 또는 II-VI족 화합물 반도체 물질을 포함할 수 있다. 활성층(142)은 예를 들어, InGaAs, InGaNAs, InGaAsP, 또는 InAlGaAs 등을 포함할 수 있다. 하부 클래드층(141)과 상부 클래드층(143)은 활성층(142)의 밴드갭보다 큰 밴드갭을 갖는 반도체 물질을 포함할 수 있다. 하부 클래드층(141)과 상부 클래드층(143)은 예를 들어, GaAs, GaP, AlGaAs, InGaP, GaAs 또는 InP 등을 포함할 수 있다. 광 증폭기(140)의 물질은 증폭하고자 하는 빛의 파장 (에너지 밴드갭)에 맞추어 선택될 수 있다. 예를 들어, 1.55um 파장의 빛을 증폭하는 경우 클래드층과 활성층에 InP/InGaAs 물질이 사용될 수 있다.
하부 클래드층(141)과 상부 클래드층(143)에 각각 도전층(145)이 구비될 수 있다. 도전층(145)은 도전 물질을 포함할 수 있다. 또는, 도전층(145)은 예를 들면, Ti, Au, Ag, Pt, Cu, Al, Ni 및 Cr 으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나 또는 합금, 이들의 적층 등을 포함할 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며 이외에도 예를 들면 ITO(Indium-Tin-Oxide), IZO(Indium-Zinc-Oxide), GIZO(Ga-In-Zn-Oxide), AZO(Al-Zn-Oxide), GZO(Ga-Zn-Oxide) 및 ZnO 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 도전층(145)은 그 자체로 전극이 되거나 또는 도전층(145)에 별도의 전극이 외측에서 결합되는 구조도 가능하다.
반도체 광 증폭기(semiconductor optical amplifier)는 여기 레이저(exiting laser)가 별도로 필요 없고, 도파로의 양측에 전계를 인가함으로써 이를 통해 광신호를 증폭할 수 있다. 도전층(145)을 통해 전계가 인가되면 광자(photon)의 흡수와 유도 방출(stimulated emission)이 일어나는데, 광자가 흡수되면 전자-정공 쌍이 생기고, 반대로 전자-정공 쌍이 결합되면 광자의 유도 방출이 일어난다. 광신호를 증폭하기 위해서 광자의 유도 방출이 광자의 흡수보다 상회해야 한다. 반도체 광증폭기에는 FPA(Fabry-Perot Amplifier)형과 TWA(Traveling Wave Amplifier) 형이 있다. FPA 형은 주입 전류에 의해 높은 에너지 준위인 전도대에서의 밀도 반전이 이루어져, 낮은 에너지 준위인 가전자대로의 천이에 의해 유도 방출이 일어나고 공진기에 의해 증폭될 수 있다. TWA 형은 반도체 레이저의 양단면에 무반사(Anti-Reflection) 코팅을 하여 출사면에서의 반사를 억제하고, 공진 현상을 억제하여 FPA 형에 비해 이득 대역 폭을 넓히는 구조를 가질 수 있다.
광 증폭기(140)는 도파관(121)보다 큰 폭을 가질 수 있다. 그럼으로써, 도파관(121)을 통해 전송된 광이 광 증폭기(140)쪽으로 이동될 때 누광되는 것을 감소시킬 수 있다.
도 7은 다양한 실시예에 따른 빔 스티어링 장치(100)의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 본 실시예에서 복수 개의 광학 위상 어레이들은 서로 다른 화각 범위를 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 광학 위상 어레이(101)는 제1 화각 범위를 가지고 광빔의 출력 방향을 조절하고, 제2 광학 위상 어레이(102)는 제2 화각 범위를 가지고 광빔의 출력 방향을 조절하고, 제3 광학 위상 어레이(103)는 제3 화각 범위를 가지고 광빔의 출력 방향을 조절하고, 제4 광학 위상 어레이(104)는 제4 화각 범위를 가지고 광빔의 출력 방향을 조절할 수 있다.
예를 들어, 제1 광학 위상 어레이(101)로부터 출력되는 광빔이 A 영역에 조사되고, 제2 광학 위상 어레이(102)으로부터 출력되는 광빔이 B 영역에 조사되고, 제3 광학 위상 어레이(103)으로부터 출력되는 광빔이 C 영역에 조사되고, 제4 광학 위상 어레이(104)으로부터 출력되는 광빔이 D 영역에 조사될 수 있다. 광학 위상 어레이 각각에 의해 광빔의 진행 방향이 조절될 수 있다. 광학 위상 어레이의 위상 변조에 따라 광빔을 기판(110)에 대해 수평한 방향으로 스티어링할 수 있다. 또한, 광학 위상 어레이의 안테나(AT) 구조에 따라 기판(110)에 대한 두께 방향으로 스티어링 할 수 있다. 그럼으로써, 광빔을 수평 방향과 두께 방향으로 스캐닝할 수 있다. 복수 개의 광학 위상 어레이 각각의 스캐닝 범위를 다르게 조절하여 전체적으로 스캐닝할 수 있는 범위를 넓힐 수 있다.
또한, 광원의 파장을 조절하여 광빔을 기판(110)의 두께 방향으로 스티어링하는 것도 가능하다. 예를 들어, 제1 내지 제4 광원(S1)(S2)(S3)(S4)이 튜너블 레이저 다이오드로 구성될 때, 파장을 조절하여 각 광학 위상 어레이에서 기판(110)의 두께 방향으로 광의 진행 방향을 조절할 수 있다. 광원과 광학 위상 어레이의 안테나가 협력하여 세로 방향(기판의 두께 방향)으로의 광빔의 스티어링 범위를 넓힐 수 있다.
도 8은 다양한 실시예에 따른 빔 스티어링 장치의 구동 장치를 개략적으로 도시한 것이다. 구동 장치는 구동 회로(D)와 각 광학 위상 어레이의 동작을 ON-OFF 시키는 제1 내지 제4 스위치(SW1)(SW2)(SW3)(SW4)를 포함할 수 있다. 제1 내지 제4 스위치(SW1)(SW2)(SW3)(SW4)를 선택적으로 개폐함으로써 광빔의 스캐닝 범위를 선택할 수 있다. 또한, 제1 내지 제4 스위치(SW1)(SW2)(SW3)(SW4)를 이용하여 제1 내지 제4 광학 위상 어레이(101)(102)(103)(104)를 순차적으로 동작시키거나 동시에 동작시킬 수 있다.
도 9는 하나의 광원에 대해 두 개의 광학 위상 어레이가 대응되게 구성된 예를 도시한 것이다. 예를 들어, 기판(110)에 제1 내지 제4 광학 위상 어레이(101)(102)(103)(104)가 구비되고, 제1광원(S1A)에서 조사된 광빔이 제1 광학 위상 어레이(101)과 제2 광학 위상 어레이(102)에 공급될 수 있다. 제2광원(S2A)에서 조사된 광빔이 제3 광학 위상 어레이(103)와 제4 광학 위상 어레이(104)에 공급될 수 있다. 제1광원(S1A)과 제1 광학 위상 어레이(101) 사이 및 제1광원(S1A)과 제2 광학 위상 어레이(102) 사이에 도파관(WG)이 더 구비될 수 있다. 제2광원(S2A)과 제3 광학 위상 어레이(103) 사이 및 제2광원(S2A)과 제4 광학 위상 어레이(104) 사이에 도파관(WG)이 더 구비될 수 있다. 제1광원(S1A)의 파장을 변화시켜 세로 방향으로의 광빔의 스캐닝을 할 수 있다. 제1 광학 위상 어레이(101)과 제2 광학 위상 어레이(102)이 제1 광원(S1A)을 공동으로 사용하므로 제1 광학 위상 어레이(101)과 제2 광학 위상 어레이(102)의 세로 방향으로의 스캐닝 범위가 같을 수 있다. 하지만, 제1 광학 위상 어레이(101)과 제2 광학 위상 어레이(102)의 안테나(AT, 도 1 참조) 구조에 따라 스캐닝 범위가 달라지는 것도 가능하다.
도 10은 하나의 광학 위상 어레이에 대해 두 개의 광원이 대응되게 구성된 예를 도시한 것이다. 예를 들어, 기판(110)에 제1 내지 제4 광학 위상 어레이(101)(102)(103)(104)이 구비되고, 제1 내지 제4 광학 위상 어레이(101)(102)(103)(104) 각각에 제1광원(S11)과 제2광원(S12)이 대응되게 구비될 수 있다. 하나의 광학 위상 어레이에 두 개의 광원이 구비되고, 두 개의 광원의 가변 파장 범위가 다른 경우 파장 변화에 따른 세로 방향으로의 광빔의 스캐닝 범위가 넓어질 수 있다. 여기서, 제1광원(S11)과 제2광원(S12)이 대응되는 광학 위상 어레이에 가깝게 배치되어 도파관이 별도로 구비될 필요가 없을 수 있다.
도 11은 다양한 실시예에 따른 시스템(1000)의 구성을 개략적으로 보이는 블록도이다.
시스템(1000)은 광빔의 진행 방향을 제어하는 빔 스티어링 장치(1200)와, 피사체(OBJ)로부터 반사되는 광을 수신하는 수신기(1500) 및 수신기(1500)에 수신되는 광의 위치별 분포 및/또는 시간별 분포를 분석하여 상기 복수 방향으로 피사체(OBJ)에 조사된 광을 구분하여 처리하는 프로세서(1700)를 포함할 수 있다.
빔 스티어링 장치(1200)는 광원(1100)과, 광원(1100)으로부터의 광빔의 위상을 변조하여, 피사체(OBJ)를 향해 복수 방향으로 광을 출사하는 복수 개의 광학 위상 어레이들(1210)을 포함할 수 있다. 빔 스티어링 장치(1200)는 도 1 내지 도 10을 참조하여 설명한 실시예들이 적용될 수 있다.
광원(1100)은 피사체(OBJ)의 위치, 형상의 분석에 사용할 광빔을 조사할 수 있다. 광원(1100)은 소정 파장의 광을 생성, 조사하며, 예를 들어, 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). TLD(tunable laser diode) 등의 광원을 포함할 수 있다. 광원(1100)은 복수의 서로 다른 파장 대역의 광을 생성 조사할 수도 있다. 광원(1100)은 펄스광 또는 연속광을 생성 조사할 수 있다.
광학 위상 어레이들(1210)들은 입사 광빔의 위상을 변조하여 광의 진행 방향을 조절할 수 있다. 그리고, 광학 위상 어레이들 각각에 변조 신호를 인가하는 신호 입력부(1230)가 구비될 수 있다.
광학 위상 어레이들(1210)은 프로세서(1700)에 의해 제어되며, 복수 방향을 향한 광빔(L1, L2, L3, L4)의 진행 방향이 각각 조절될 수 있다. 광학 위상 어레이들(210)은 피사체(OBJ)를 복수의 스캔 방향(SL1, SL2, SL3, SL4)을 따라 동시에 스캔하거나, 순차적으로 스캔할 수 있다. 동시에 스캔하는 경우 피사체(OBJ)를 스캔하는 속도가 빨라질 수 있다. 수신기(1500)는 피사체(OBJ)로부터의 반사광(Lr)을 센싱하는 복수의 광검출요소들을 포함할 수 있다. 프로세서(1700)는 시스템(1000)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다. 프로세서(1700)는 수신기(1500)에 수신되는 광의 위치별 분포 및/또는 시간별 분포를 분석하여 광학 위상 어레이들(1210)로부터 복수 방향으로 피사체(OBJ)에 조사된 광빔을 구분하여 처리하는 분석부(1710)를 포함할 수 있다.
프로세서(1700)는 또한, 광학 위상 어레이들(1200)로부터 출사광의 복수 방향을 형성하기 위해, 위상 프로파일을 설정하고 상기 위상 프로파일에 따라 신호 입력부(1230)를 제어하는 위상 설정부(1730)를 포함할 수 있다. 프로세서(1700)는 이외에도, 광원(1100), 수신기(1500)의 동작을 제어할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(1700)는 광원(1100)에 대해 전원 공급 제어, 온/오프 제어, 펄스파(PW)나 연속파(CW) 발생 제어 등을 수행할 수 있다. 또한, 프로세서(1700)는 수신기(1500)의 광검출요소들 각각에 대한 제어 신호를 인가할 수 있다.
도 12는 다양한 실시예에 따른 시스템에 복수 개의 광검출요소들이 적용된 예를 도시한 것이다. 도 1에 도시된 빔 스티어링 장치(100)의 제1 내지 제4 광학 위상 어레이(101)(102)(103)(104)들에 의해 스캐닝 영역이 서로 다르게 구성될 수 있다. 다시 말하면, 제1 내지 제4 광학 위상 어레이(101)(102)(103)(104)들은 각각 서로 다른 화각을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 광학 위상 어레이(101)에 의해 제1 피사체(OBJ1)가 스캐닝되고, 제2 광학 위상 어레이(102)에 의해 제2 피사체(OBJ2)가 스캐닝되고, 제3 광학 위상 어레이(103)에 의해 제3 피사체(OBJ3)가 스캐닝되고, 제4 광학 위상 어레이(104)에 의해 제4 피사체(OBJ4)가 스캐닝될 수 있다. 여기서, 제1 내지 제4 피사체(OBJ1)(OBJ2)(OBJ3)(OBJ4)는 각각 독립적인 대상일 수 있다. 하지만, 여기에 한정되는 것은 아니고, 제1 내지 제4 피사체(OBJ1)(OBJ2)(OBJ3)(OBJ4)가 하나의 대상에 대해 서로 다른 화각 범위에 대응되는 복수 개의 영역일 수 있다. 그리고, 제1 내지 제4 광학 위상 어레이(101)(102)(103)(104)들에 각각 대응되게 제1 내지 제4 광검출요소(R1)(R2)(R3)(R4)들이 구비될 수 있다. 제1 내지 제4 광학 위상 어레이(101)(102)(103)(104)로부터 조사되어 제1 내지 제4 피사체(OBJ1)(OBJ2)(OJB3)(OBJ4)에서 반사된 광빔이 각각에 대응되는 제1 내지 제4 광검출요소(R1)(R2)(R3)(R4)에 의해 검출될 수 있다. 이와 같이 광검출요소들이 각각의 광학 위상 어레이들에 대응되게 구비되는 경우, 광학 위상 어레이들을 동시에 구동하여 피검체를 스캔할 수 있다. 따라서, 본 실시예에 따른 시스템은 넓은 범위의 영역을 빠르게 스캔할 수 있다.
다양한 실시예에 따른 빔 스티어링 장치는 LiDAR(Light Detection and Ranging)에 적용할 수 있다. LiDAR는 레이저를 목표물에 조사하여 사물까지의 거리, 방향, 속도, 온도, 물질 분포 및 농도 특성 등을 감지할 수 있다. 라이다가 자율 주행 자동차를 위한 레이저 스캐너 및 3D 영상 카메라에 사용될 있다.
LiDAR로는 차량용 LiDAR(Light Detection and Ranging), 로봇용 LiDAR, 드론용 LiDAR 등에 적용될 수 있다. 이 밖에, 다양한 실시예에 따른 빔 스티어링 장치가 보안용 침입자 감지 시스템, 지하철 스크린 도어 장애물 감지 시스템, 깊이 센서, 모바일폰에서의 사용자 얼굴인식용 센서, 증강현실(Ar; augmented reality), TV 혹은 오락기기에서의 동작인식 및 물체 형태 검사(object profiling) 등에 적용될 수 있다.
상기한 실시예들은 예시적인 것에 불과한 것으로, 당해 기술분야의 통상을 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다. 따라서, 예시적인 실시예에 따른 진정한 기술적 보호범위는 하기의 특허청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상에 의해 정해져야만 할 것이다.
S1,S2,S3,S4,S1A,S2A,S11,S12:광원
101,102,103,104:광학 위상 어레이
110:기판, 121:도파관
130:빔 분리기, 140:광 증폭기
AT:안테나, G:그레이팅
300:튜너블 레이저 다이오드
301:서브 광원
321,322:도파관
311,312:링 공진기
1000:시스템, 1500:수신기
1700:프로세서
R1,R2,R3,R4:광검출요소

Claims (9)

  1. 기판;
    상기 기판에 구비된 적어도 하나의 광원;
    상기 기판의 동일 평면에 배열되고, 상기 적어도 하나의 광원으로부터 조사된 광빔의 출력 방향을 조절하도록 구성되고 서로 다른 화각 범위를 가지는 복수 개의 광학 위상 어레이들; 및
    상기 복수 개의 광학 위상 어레이들에서 출력되어 피사체에서 반사된 광빔을 검출하는 광검출요소들;을 포함하고,
    상기 광검출요소들이 상기 복수 개의 광학 위상 어레이들에 각각 대응되게 구비되고,
    상기 복수 개의 광학 위상 어레이들이 각각 독립적으로 구동되고, 상기 대응되는 광검출요소들에 의해 광빔이 각각 검출되도록 구성되고,
    상기 복수 개의 광학 위상 어레이들이 제1 광학 위상 어레이, 제2 광학 위상어레이, 제3 광학 위상 어레이, 및 제4 광학 위상 어레이를 포함하고, 상기 제1 광학 위상 어레이로부터 출력되는 광빔이 제1 영역에 조사되고, 상기 제2 광학 위상 어레이로부터 출력되는 광빔이 제2 영역에 조사되고, 상기 제3 광학 위상 어레이로부터 출력되는 광빔이 제3 영역에 조사되고, 상기 제4 광학 위상 어레이로부터 출력되는 광빔이 제4 영역에 조사되며, 상기 제1 영역, 제2 영역, 제3 영역, 및 제4 영역을 각각 다르게 조절하여 전체적으로 스캐닝하는 영역을 넓히도록 구성된 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 광학 위상 어레이가 상기 적어도 하나의 광원으로부터 조사된 빔을 전달하는 도파관, 상기 도파관을 통해 전달된 빔을 분기하는 빔 분리기, 및 상기 광빔의 위상을 쉬프트시키는 위상 쉬프터를 포함하는 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 위상 쉬프터를 통해 위상이 조절된 광빔의 방향을 조절하도록 구성된 그레이팅을 포함하는 안테나를 더 포함하는 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 광원이 파장 변환이 가능한 레이저 빔을 출사하도록 구성된 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 광원이 상기 복수 개의 광학 위상 어레이에 각각 대응되게 구비되는 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 광원이 하나 구비되고, 상기 복수 개의 광학 위상 어레이에 공동으로 사용되도록 구성된 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 광학 위상 어레이 하나에 복수 개의 광원이 결합되는 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 광학 위상 어레이가 광 증폭기를 더 포함하는 시스템.
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