KR102566411B1 - 파장 가변 광원, 이를 포함한 장치 - Google Patents

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Abstract

파장 가변 광원 및 이를 포함한 장치가 개시된다.
개시된 파장 가변 광원은, 제1 도파관, 제1 도파관에 대해 이격된 제2 도파관, 제1 이득 매질을 포함하는 제1 광 증폭기, 및 제1 이득 매질과 다른 제2 이득 매질을 포함하는 제2 광 증폭기를 포함한다.

Description

파장 가변 광원, 이를 포함한 장치{Variable wavelength light source and apparatus including the same}
다양한 실시예는 가변 파장 범위를 확장할 수 있는 파장 가변 광원 및 이를 포함하는 장치에 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.
또한, 회절 격자를 이용하여 세로 방향으로 빔 스티어링을 달성하기 위해서 파장 가변 광원을 사용하여 회절 격자의 특성에 따른 방출 각도를 조절하는 빔 스티어링 장치가 연구되고 있다.
예시적인 실시예는 파장 가변 범위를 확장할 수 있는 파장 가변 광원을 제공한다.
예시적인 실시예는 파장 가변 범위를 확장할 수 있는 파장 가변 광원을 포함한 장치를 제공한다.
예시적인 실시예에 따른 파장 가변 광원은, 제1 도파관; 상기 제1 도파관에 대해 이격된 제2 도파관; 상기 제1 도파관과 제2 도파관 사이에 구비된 제1 및 제2 공진기; 상기 제1 도파관에 구비되고, 제1 이득 매질을 포함하는 제1 광 증폭기; 및 상기 제2 도파관에 구비되고, 상기 제1 이득 매질과 다른 제2 이득 매질을 포함하는 제2 광 증폭기;를 포함할 수 있다.
상기 제1 이득 매질과 제2 이득 매질이 III-V족 화합물 반도체 물질과 II-VI족 화합물 반도체 물질 중 서로 다른 매질로 구성될 수 있다.
상기 제1 이득 매질과 제2 이득 매질이 GaN, AlGaInP, GaAlAs, InGaAs, InGaNAs, InGaAsP, InAlGaAs, GaAs, GaP, AlGaAs, InGaP, GaAs, InP을 포함하는 그룹 중 서로 다른 매질로 구성될 수 있다.
상기 제1 이득 매질과 제2 이득 매질이 양자 우물 구조를 가질 수 있다.
상기 제1 이득 매질과 제2 이득 매질이 상기 양자 우물 구조의 물질, 조성, 두께 중 적어도 하나가 다르게 구성될 수 있다.
상기 제1 광 증폭기와 제2 광 증폭기가 서로 다른 중심 파장을 가질 수 있다.
상기 제1 광 증폭기와 제2 광 증폭기가 각각 800-3000nm 범위 내의 중심 파장을 가질 수 있다.
상기 제1 광 증폭기와 제2 광 증폭기가 각각 1100-1600nm 범위 내의 중심 파장을 가질 수 있다.
상기 제1 광 증폭기와 제2 광 증폭기가 각각 30-120nm 범위의 파장 대역 폭을 가질 수 있다.
상기 제1 광 증폭기와 제2 광 증폭기에 의한 합성 파장 대역 폭이 40-240nm 범위를 가질 수 있다.
상기 제1 및 제2 공진기는 각각 링과, 링의 외주 및 내주 중 적어도 하나에 구비된 변조기를 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 도파관이 실리콘을 포함할 수 있다.
상기 제1 광 증폭기는 제1 하부 클래드층, 상기 제1 이득 매질을 포함하는 제1 이득 매질 층 및 제1 상부 클래드층을 포함하고, 상기 제2 광 증폭기는 제2 하부 클래드층, 상기 제2 이득 매질을 포함하는 제2 이득 매질 층 및 제2 상부 클래드층을 포함할 수 있다.
상기 제1 공진기와 제2 공진기는 제1 공진기와 제2 공진기에 인가되는 전압 또는 전류를 조절하여 파장을 가변 하도록 구성될 수 있다.
예시적인 실시예에 따른 장치는 파장 가변 광원; 및 상기 파장 가변 광원으로부터 조사된 광빔의 출력 방향을 조절하도록 구성된 적어도 하나의 광학 위상 어레이;를 포함하고,
상기 파장 가변 광원이 제1 도파관, 상기 제1 도파관에 대해 이격된 제2 도파관, 상기 제1 도파관과 제2 도파관 사이에 구비된 제1 및 제2 공진기, 상기 제1 도파관에 구비되고, 제1 이득 매질을 포함하는 제1 광 증폭기, 및 상기 제2 도파관에 구비되고, 상기 제1 이득 매질과 다른 제2 이득 매질을 포함하는 제2 광 증폭기를 포함할 수 있다.
상기 제1 도파관에 하나의 광학 위상 어레이가 결합되고, 상기 제2 도파관에 다른 광학 위상 어레가 결합될 수 있다.
예시적인 실시예에 따른 파장 가변 광원은 이종의 이득 매질을 포함하여 파장 가변 범위를 넓힐 수 있다. 예시적인 실시예에 따른 장치는 파장 가변 범위가 넓은 광원을 사용하여 적용되는 분야에 따라 빔 스티어링 범위를 확장하거나 파장에 따른 정보를 확장할 수 있다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 파장 가변 광원을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 도 1의 II-II 단면도이다.
도 3은 도 2의 도면에 클래드 층을 더 추가한 예를 도시한 것이다.
도 4는 도 1의 IV-IV 단면도이다.
도 5는 도 1의 V-V 단면도이다.
도 6은 예시적인 실시예에 따른 가변 파장 광원의 파장에 따른 게인 영역을 도식적으로 도시한 것이다.
도 7은 비교예의 가변 파장 광원의 파장 가변 범위를 나타낸 것이다.
도 8은 예시적인 실시예에 따른 가변 파장 광원의 파장 가변 범위를 나타낸 것이다.
도 9는 예시적인 실시예에 따른 빔 스티어링 장치를 도시한 것이다.
도 10은 도 9의 X-X 단면도이다.
도 11은 도 9의 XI-XI 단면도이다.
도 12는 도 9의 XII-XII 단면도이다.
도 13은 다른 예시적인 실시예에 따른 빔 스티어링 장치를 도시한 것이다.
도 14는 예시적인 실시예에 따른 장치를 도시한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 다양한 실시예에 따른 파장 가변 광원 및 이를 포함한 장치에 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 파장 가변 광원(100)을 개략적으로 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 파장 가변 광원(100)은 기판(110)에 구비된 제1 도파관(121) 및 제2 도파관(122)을 포함할 수 있다. 기판(110)은 예를 들어 실리콘 기판일 수 있다. 제1 도파관(121)과 제2 도파관(122)은 나란하게 배치될 수 있다. 여기서, 제1 도파관(121)과 제2 도파관(122)이 일자형 구조를 가지는 예가 도시되었지만, 여기에 한정되는 것은 제1 도파관(121)과 제2 도파관(122)의 구조는 다양하게 변형될 수 있다. 제1 도파관(121)과 제2 도파관(122)은 반도체 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 도파관(121)(122)은 실리콘을 포함할 수 있다. 하지만, 이는 단지 예시적인 것으로, 이외에도 제1 및 제2 도파관(121)(122)은 다른 다양한 물질을 포함할 수 있다.
제1 도파관(121)에는 제1 광 증폭기(151)가 구비될 수 있다. 제2 도파관(122)에는 제2 광 증폭기(152)가 구비될 수 있다. 제1 및 제2 광 증폭기(151)(152)는 예를 들어, 반도체 광 증폭기(semiconductor optical amplifier) 또는 이온 도핑 증폭기일 수 있다.
제1 도파관(121) 및 제2 도파관(122) 사이에 제1 링 공진기(111) 및 제2 링 공진기(112)가 이격되어 배치될 수 있다. 도 2는 도 1의 II-II 단면도이다. 제1 및 제2 링 공진기(111)(112)는 각각 링(115)을 포함하며, 링(115)의 외주에는 링(115)을 감싸는 변조기(120)가 배치될 수 있다. 변조기(120)가 링 공진기의 내주에 구비되는 것도 가능하다. 하지만, 이에 한정되지 않고 변조기(120)의 형태 및 위치는 다양하게 변형될 수 있다. 링(115)은 예를 들어, 실리콘 등과 같은 반도체 물질을 포함할 수 있다. 변조기(120)는 링(115)의 전파 상수를 변조할 수 있다.
변조기(120)는 예를 들어, 히팅 요소(heating element), 전극 요소(electrode element) 또는 압전 요소(piezoelectric element)를 포함할 수 있다. 여기서, 히팅 요소는 링(115)에 열을 가하여 링(115)의 길이를 변화시키고, 이에 따라 발생되는 링(115)의 굴절률 변화에 의해 발진 파장을 가변시킬 수 있다. 히팅 요소는 불순물이 도핑되며, 예를 들어, 대략 1018 ~ 1019 /cm3 농도로 불순물이 도핑될 수 있다. 전극 요소는 링(115)의 주위에 전류를 인가하여 링(115) 내의 전류 밀도를 변화시키고, 이에 따라 발생되는 링(115)의 굴절률 변화에 의해 발진 파장을 가변시킬 수 있다. 압전 요소는 전압 인가에 따른 변형에 의해 링(115)이나 그 주위의 굴절률을 변화시킴으로써 발진 파장을 가변시킬 수 있다.
제1 광 증폭기(151)에서 증폭된 광이 제1 도파관(121)을 통해 전달되고, 제1 링 공진기(111)로 전송될 수 있다. 전송된 광은 제1 링 공진기(111)를 순환한 뒤, 제2 도파관(122)으로 입력될 수 있다. 이어서, 제2 도파관(122)으로 입력된 광은 제2 광 증폭기(152)에서 증폭된 뒤, 제2 도파관(122)으로 출력될 수 있다. 또한, 제2 도파관(122)을 통해 전달된 광이 제2 링 공진기(112)에 전송되고 다시 제1 도파관(121)으로 전송될 수 있다. 이 과정에서 변조기(120)에 입력된 전압 또는 전류에 따라서 해당 링 공진기를 통과하는 광의 파장이 조절될 수 있다. 상기 과정을 반복하며, 원하는 파장을 가진 광이 생성되면 제1 도파관(121) 또는 제2 도파관(122)을 통해서 외부로 출력될 수 있다.
도 3은 도 2에서 기판(110)에 클래드층(151)이 더 구비된 예를 도시한 것이다. 클래드층(151)은 예를 들면, 실리콘 산화물 등을 포함할 수 있지만, 이에 한정되지 않는다.
한편, 제1 및 제2 광 증폭기(151)(152)는 반도체 광 증폭기(semiconductor optical amplifier) 또는 이온 도핑 증폭기를 포함할 수 있다.
제1 광 증폭기(151)는 제1 이득 매질을 포함하고, 제2 광 증폭기(152)는 제1 이득 매질과 다른 제2 이득 매질을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 이득 매질은 예를 들어, 화합물 반도체를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 이득 매질은 예를 들어, III-V족 화합물 반도체 물질과 II-VI족 화합물 반도체 물질 중 서로 다른 물질로 구성될 수 있다. 여기서, 다른 물질(이종 물질)이란 물질 구성이 다른 경우, 물질 구성이 같고, 조성비가 다른 경우, 물질 구성이 같고 두께가 다른 경우, 이들의 조합 등을 포함할 수 있다. 또는, 다른 물질이란, 제1 광 증폭기와 제2 광 증폭기가 서로 다른 중심 파장의 광을 가지는 매질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 이득 매질과 제2 이득 매질이 각각 800-3000nm 범위 내에서 서로 다른 중심 파장을 가지는 매질을 포함할 수 있다. 여기서, 중심 파장은 각각의 광 증폭기에 의해 증폭된 광의 중심 파장을 나타낼 수 있다. 또는, 다른 물질이란, 제1 광 증폭기와 제2 광 증폭기가 같은 중심 파장을 가지고, 증폭 파장 대역이 다른 경우도 포함될 수 있다.
도 4는 도 1의 IV-IV 단면도이다. 도 4는 제1 광 증폭기(151)의 일 예를 도시한 것이다. 제1 광 증폭기(151)는 예를 들어, 하부 클래드층(141), 제1 이득 매질을 포함하는 제1 이득 매질 층(142) 및 상부 클래드층(143)을 포함할 수 있다. 제1 이득 매질 층(142)은 III-V족 화합물 반도체 물질 또는 II-VI족 화합물 반도체 물질을 포함할 수 있다. 제1 이득 매질(142)은 예를 들어, GaN, AlGaInP, GaAlAs, InGaAs, InGaNAs, InGaAsP, InAlGaAs, GaAs, GaP, AlGaAs, InGaP, GaAs, InP을 포함하는 그룹 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 하부 클래드층(141)과 상부 클래드층(143)은 제1 이득 매질 층(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. 제1 광 증폭기(151)의 이득 매질은 증폭하고자 하는 빛의 파장 대역(에너지 밴드갭)에 맞추어 선택될 수 있다. 예를 들어, GaN은 400-480nm, AlGaInP은 530-690nm, GaAlAs는 750-900nm, InGaAsP은 1200-2000nm 범위의 증폭 파장 대역을 가질 수 있다. 예를 들어, 1300nm 파장의 빛을 증폭하는 경우 InAlGaAs 또는 InGaAsP이 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.
제1 광 증폭기(151)는 도파관(121)보다 큰 폭을 가질 수 있다. 그럼으로써, 도파관(121)을 통해 전송된 광이 제1 광 증폭기(151)쪽으로 이동될 때 누광되는 것을 감소시킬 수 있다.
도 5는 제2 광 증폭기(152)의 일 예를 도시한 것이다. 제2 광 증폭기(152)는 예를 들어, 하부 클래드층(141), 제2 이득 매질을 포함하는 제2 이득 매질 층(144) 및 상부 클래드층(143)을 포함할 수 있다. 제2 이득 매질 층(144)은 III-V족 화합물 반도체 물질 또는 II-VI족 화합물 반도체 물질을 포함할 수 있다. 제2 이득 매질 층(144)은 예를 들어, GaN, AlGaInP, GaAlAs, InGaAs, InGaNAs, InGaAsP, InAlGaAs, GaAs, GaP, AlGaAs, InGaP, GaAs, InP을 포함하는 그룹 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
제2 이득 매질 층(144)은 제1 이득 매질 층(142)과 다른 매질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 제1 이득 매질 층(142)과 제2 이득 매질 층(144)은 1100-1600nm 범위 내의 서로 다른 중심 파장을 가지고 증폭되도록 하는 물질을 포함할 수 있다. 이는 예를 들어, 실리콘 도파관을 사용하는 경우 적용될 수 있다. 또는, 도파관의 물질에 따라 제1 이득 매질 층(142)과 제2 이득 매질 층(144)은 800-3000nm 범위 내의 중심 파장을 가지고 증폭되도록 하는 물질을 포함할 수 있다.
예를 들어, 제1 이득 매질 층(142)은 1300nm의 중심 파장을 가지는 매질을 포함하고, 제2 이득 매질 층(144)은 1550nm의 중심 파장을 가지는 매질을 포함할 수 있다. 제1 이득 매질 층(142)과 제2 이득 매질 층(144)은 각각 양자 우물 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 이득 매질 층(142)은 Al0 . 289Ga0 . 461In0 . 45As를 포함하고, 제2 이득 매질 층(144)은 In0 . 6986Al0 . 178Ga0 . 1234As를 포함할 수 있다. 이는 일 예일 뿐이며, 조성비를 다양하게 변경할 수 있다.
도 6은 파장(λ)에 따른 이득 영역(G)을 개략적으로 나타낸 것이다. 제1 광 증폭기(151)에 의한 제1 가변 파장 대역을 Δλ1이라고 하고, 제2 광 증폭기(152)에 의한 제2 가변 파장 대역을 Δλ2라고 하고, 제1 광 증폭기(151)와 제2 광 증폭기(152)에 의한 합성 가변 파장 대역을 Δλ3라고 한다. 제1 광 증폭기(151)의 중심 파장이 λ1이고, 제2 광 증폭기(152)의 중심 파장이 λ2일 때, 제1 광 증폭기(151)와 제2 광 증폭기(152)가 λ1과 λ2가 다르게 되도록 구성될 수 있다. 또한, 합성 가변 파장 대역은 Δλ3 = Δλ1+Δλ2를 만족하도록 구성될 수 있다. 제1 가변 파장 대역과 제2 가변 파장 대역이 최소한으로 겹치도록 구성할 때, 합성 가변 파장 대역이 넓을 수 있다. 합성 가변 파장 대역이 넓을 때 가변 파장 범위가 넓어져 후술하는 광 스티어링 장치에서 스티어링 범위를 넓힐 수 있다. 제1 가변 파장 대역과 제2 가변 파장 대역이 분리되는 경우 가변되지 않는 공백 영역이 생길 수 있으므로, 제1 광 증폭기(151)와 제2 광 증폭기(152)가 제1 가변 파장 대역과 제2 가변 파장 대역이 경계 영역에서 접하거나 일부 중첩될 수 있도록 구성될 수 있다. 이와 같이 구성함으로써 가변 파장 대역을 확장할 수 있다.
도 7은 비교예의 파장 가변 범위를 나타낸 것이고, 도 8은 예시적인 실시예에 따른 파장 가변 범위를 나타낸 것이다. 가로 축은 주파수를 나타내고, 세로 축은 증폭기에 인가되는 전압을 나타낸 것이다. 비교예는 제1 광 증폭기와 제2 광 증폭기를 같은 이득 매질로 구성하고, 예시적인 실시예는 제1 광 증폭기와 제2 광 증폭기를 서로 다른 이득 매질로 구성한다. 비교예에서는 제1 광 증폭기에 의한 파장 가변 범위와 제2 광 증폭기에 의한 파장 가변 범위가 거의 중첩되어 나타난다. 이에 반해, 예시적인 실시예에서는 제1 광 증폭기에 의한 파장 가변 범위와 제2 광 증폭기에 의한 파장 가변 범위가 서로 다른 영역에서 생성된다. 따라서, 예시적인 실시예에서는 파장 가변 범위가 확장될 수 있다.
도 9는 일 실시예에 따른 빔 스티어링 장치(101)를 개략적으로 도시한 것이다.
빔 스티어링 장치(101)는 기판(110)과, 기판(110)에 구비된 파장 가변 광원(100), 및 광학 위상 어레이(103)를 포함할 수 있다. 도 9는 예시적인 실시예에 따른 파장 가변 광원(100)이 빔 스티어링 장치(101)에 적용된 예를 보인 것이다.
기판(110)은 예를 들어, 실리콘 기판일 수 있다. 하지만, 여기에 한정되는 것은 아니다. 파장 가변 광원(100)은 도 5를 참조하여 설명한 바와 같다.
파장 가변 광원(100)의 제1 도파관(121)과 제2 도파관(122) 중 하나가 광학의 광위상 어레이(103)에 결합될 수 있다.
광학 위상 어레이(103)는 파장 가변 광원(100)으로부터 조사된 빔의 출력 방향을 조절하도록 구성될 수 있다. 도 9는 광학 위상 어레이(103)의 일 예를 도시한 것이다.
광학 위상 어레이(103)는 파장 가변 광원(100)으로부터 조사된 빔을 전달하는 제3 도파관(125), 제3 도파관(125)을 통해 전달된 광빔을 분기하는 빔 분리기(130), 및 광빔의 위상을 쉬프트시키는 위상 쉬프터(135)를 포함할 수 있다.
제1 도파관(121)과 제2 도파관(122) 중 하나가 제3 도파관(125)에 연결될 수 있다. 도면에서 다른 부호를 사용하였으나 제1 도파관(121)과 제2 도파관(122) 중 하나가 제3 도파관(125)과 일체형으로 연결될 수 있다. 도 9에서는 제1 도파관(121)이 제3 도파관(125)에 연결된 예를 도시한다. 제3 도파관(125)은 빔 분리기들(130)에 의해 복수개의 제3 도파관(125)으로 분리될 수 있다. 도 9에는 제3 도파관(125)이 7개의 빔 분리기들(130)에 의해 8개의 제3 도파관(125)으로 분리되는 경우가 예시적으로 도시되어 있다. 빔 분리기들(130)에 의해 분리된 제 3도파관들(125)에는 위상 쉬프터(135)가 마련될 수 있다. 위상 쉬프터(135)는 각각 전기 신호가 인가됨에 따라 제3 도파관(125)을 지나가는 광빔의 위상(phase)을 독립적으로 변화시킬 수 있다.
도 10은 도 9의 X-X 단면도이고, 도 11은 도 9의 XI-XI 단면도이다. 도 10 및 도 11을 참조하면, 위상 쉬프터(135) 각각은 기판(110)에 마련되는 제3 도파관(125) 및 클래드층(cladding layer, 1352)을 포함할 수 있다.
제3 도파관(125)의 상면에는 클래드층(1352)이 마련되어 있다. 클래드층(122)은 도파관(121)을 지나가는 광빔의 위상을 변조시키기 위해 마련될 수 있다. 이를 위해 클래드층(1352)은 전기적인 신호의 인가에 따라 굴절률이 변화하는 물질을 포함할 수 있다.
클래드층(1352)은 예를 들면, 산화물 반도체를 포함할 수 있다. 클래드층(1352)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(1352)은 제3 도파관(125)과 p-n 접합 구조를 형성할 수 있다.
위상 쉬프터(135)에서, 클래드층(1352)에 전압과 같은 전기적인 신호가 인가되면 클래드층(1352)과 제3 도파관(125)의 계면에서 클래드층(1352) 내부의 전하 농도(carrier density)가 변하게 되고. 이러한 전하 농도의 변화에 따라 클래드층(1352)의 굴절률이 변할 수 있다. 클래드층(1352)의 굴절률이 변하면 소멸파 간섭으로 인해 클래드층(1352) 하부의 제3 도파관(125)을 지나는 광빔의 위상이 변조될 수 있다. 도 11에서 L은 위상 변조 구간의 길이 즉, 광빔의 진행 방향에 따른 위상 쉬프터(135)의 길이를 나타낸다.
위상 쉬프터(135)를 적용한 도 9에 도시된 광학 위상 어레이를 참조하면, 광빔이 하나의 제3 도파관(125)에 입사된 후 빔 분리기들(130)에 의해 분기된 다수의 제3 도파관들(125)을 통과하여 출사하게 되고, 이렇게 출사된 다발 형태의 광빔의 간섭에 의해 광빔이 특정 위치로 조사될 수 있다. 여기서, 제3 도파관들(125)을 통과하는 광빔들은 위상 쉬프터(135)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(135)는 광빔의 진행 방향을 조절하여 스캐닝할 수 있다. 예를 들어, 위상 쉬프터(135)는 기판(110)에 대해 가로 방향, 도면 상 Y 방향으로 광빔을 스캐닝할 수 있다. 여기서, 가로 방향은 광학 위상 어레이(103)의 끝 부분에서 복수 개의 제3 도파관(125)들이 배열된 방향(Y 방향) 일 수 있다. 여기서, 기판(110)에 대한 가로 방향은 사선 방향, 곡선 방향도 포함될 수 있다.
도파관을 지나는 광빔의 위상을 변조시키기 위해서 도파관 자체의 굴절률을 변화시키는 방법이 있다. 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 시야각(FOV; Field Of View)을 확보하기가 어렵다. 또한, 전기를 이용한 방식은 속도가 빠르고 도파관들 사이의 간섭이 없어 넓은 시야각(FOA)을 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 없을 수 있다.
본 실시예에 따른 빔 스티어링 장치(101)에서, 위상 쉬프터(135) 각각은 제3도파관(125)을 통과하는 광빔의 위상을 변조시키기 위해 제3 도파관(125)에 전기적인 신호의 인가에 따라 굴절률이 변화하는 클래드층(1352)을 포함할 수 있다. 본 실시예에서는 제3 도파관(125) 자체의 굴절률을 변화시키지 않고, 제3 도파관(125) 주위에 마련된 클래드층(1352)의 굴절률을 변화시킴으로써 제3 도파관(125)을 지나는 광빔이 소멸파 간섭에 의해 그 위상이 변조될 수 있다. 제3 도파관(125) 자체의 굴절률을 변화시키지 않기 때문에 빔 손실이 적고, 실리콘이나 실리콘 질화물 등과 같은 다양한 물질을 제3 도파관(125)의 물질로 사용할 수 있으므로 다양한 파장의 광빔을 스티어링 할 수 있다. 또한, 열이 아닌 전기적 신호를 사용하기 때문에 속도가 빠르고 제3 도파관들(125) 사이의 간격을 좁힐 수 있어 넓은 시야각(FOV; Field Of View) 확보가 가능하다.
위상 쉬프터(135)에서 연장된 제3 도파관(125)의 단부에 안테나(AT)가 더 구비될 수 있다.
도 12는 도 9의 XII-XII선을 따라 본 단면도이다.
안테나(AT)는 제3 도파관(125)에 형성된 그레이팅(G)을 포함할 수 있다. 그레이팅(G)의 사이즈, 깊이, 피치 등에 따라 광빔의 진행 방향을 조절할 수 있다. 안테나(AT)는 파장 가변 광원(100)으로부터 나오는 광의 파장에 따라 기판(110)에 대해 수직 방향(도 9의 Z 방향)으로 광빔의 진행 방향을 조절하여 스캐닝할 수 있다. 즉, 광의 파장이 λ1일 때와 λ2일 때 안테나(AT)에 의해 광의 수직 방향으로의 진행 방향이 달라질 수 있다. 여기서, 수직 방향은 사선 방향도 포함할 수 있다. 파장 가변 광원(100)의 파장 가변 범위가 넓을수록 안테나(AT)에 의한 광의 수직 방향 스캐닝 범위(수직 시야각)를 확장할 수 있다. 예를 들어, 1500nm 중심 파장을 가지는 이득 매질을 사용하는 경우, 가변 파장 대역이 40nm 정도일 수 있고, 이것을 이용하여 빔 스티어링 시 대략 5.2도 정도의 수직 시야각을 가질 수 있다. 1300nm 중심 파장을 가지는 이득 매질을 사용하는 경우, 가변 파장 대역이 50nm 정도일 수 있고, 이것을 이용하여 빔 스티어링 시 대략 6.8도 정도의 수직 시야각을 가질 수 있다. 그리고, 1300nm 중심 파장을 가지는 제1 이득 매질과 1500nm 중심 파장을 가지는 제2 이득 매질을 이용하여 가변 파장 범위를 확장할 수 있다. 예시적인 실시예에 따른 파장 가변 광원에서 제1 이득 매질에 의해 제1 가변 파장 대역을 구현하고, 제2 이득 매질에 의해 제2 가변 파장 대역을 구현함으로써, 이들의 합성 가변 파장 대역을 확장할 수 있다. 따라서, 이종의 이득 매질을 사용함으로써 수직 방향 스캐닝 범위를 확장할 수 있다.
본 실시예에 따른 빔 스티어링 장치에서, 위상 쉬프터(135)는 기판(110)에 대해 가로 방향(도 9의 Y 방향)으로 광빔을 스캐닝하고, 파장 가변 광원(100)과 안테나(AT)는 기판(110)에 대한 수직 방향으로 광을 스캐닝할 수 있다.
도 13은 2개의 광학 위상 어레이를 구비한 빔 스티어링 장치(101')를 도시한 것이다.
빔 스티어링 장치(101')는 파장 가변 광원(100)과 두 개의 광학 위상 어레이(103)를 포함할 수 있다. 파장 가변 광원(100)과 광학 위상 어레이(103)는 도 1 내지 도 12를 참조하여 설명한 바와 같으므로 여기서는 상세한 설명을 생략한다. 파장 가변 광원(100)의 제1 도파관(121)이 하나의 광학 위상 어레이(103)에 결합되고, 제2 도파관(122)이 다른 광학 위상 어레이(103)에 결합될 수 있다.
두 개의 광학 위상 어레이(103)를 이용함으로써 하나의 광학 위상 어레이에 비해 가로 방향(Y 방향)으로의 스캐닝 범위를 넓힐 수 있다. 또한, 파장 가변 광원(100)의 제1 도파관(121)과 제2 도파관(122)을 통해 나오는 광빔을 모두 이용할 수 있으므로 광 효율을 높일 수 있다. 또한, 파장 가변 광원(100)의 파장 가변 범위를 확장하여 세로 방향(Z 방향)으로의 스캐닝 범위를 넓힐 수 있다. 따라서, 피사체에 대한 스캐닝 범위를 가로 방향 및 세로 방향으로 확장할 수 있다. 또한, 스캐닝 속도를 높일 수 있다. 여기서는, 하나의 파장 가변 광원을 적용하였으나, 두 개 이상의 파장 가변 광원과, 이에 대응되게 광학 위상 어레이를 구비하는 것도 가능하다
도 14는 예시적인 실시예에 따른 장치(1000)의 구성을 개략적으로 보이는 블록도이다.
장치(1000)는 광빔의 진행 방향을 제어하는 빔 스티어링 장치(1200)와, 피사체(OBJ)로부터 반사되는 광빔을 수신하는 수신기(1500) 및 수신기(1500)에 수신되는 광의 위치별 분포 및/또는 시간별 분포를 분석하여 복수 방향으로 피사체(OBJ)에 조사된 광을 구분하여 처리하는 프로세서(1700)를 포함할 수 있다.
빔 스티어링 장치(1200)는 파장 가변 광원(1100)과, 파장 가변 광원(1100)으로부터의 광빔의 위상을 변조하여, 피사체(OBJ)를 향해 복수 방향으로 광을 출사하는 적어도 하나의 위상 어레이(1210)를 포함할 수 있다. 빔 스티어링 장치(1200)는 도 1 내지 도 13을 참조하여 설명한 실시예들이 적용될 수 있다.
파장 가변 광원(1100)은 피사체(OBJ)의 위치, 형상의 분석에 사용할 광빔을 조사할 수 있다. 파장 가변 광원(1100)은 소정 파장의 광을 생성, 조사하며, 예를 들어, 피사체(OBJ)의 위치, 형상 분석에 적합한 파장 대역의 광을 조사하도록 구성될 수 있다. 파장 가변 광원(1100)은 펄스광 또는 연속광을 생성 조사할 수 있다. 파장 가변 광원(1100)은 이종의 이득 매질을 포함하는 두 개의 광 증폭기를 포함하여 가변 파장 범위를 확장할 수 있다.
광학 위상 어레이(1210)는 입사 광빔의 위상을 변조하여 광의 가로 방향 스캐닝을 조절할 수 있다. 그리고, 광학 위상 어레이에 변조 신호를 인가하는 신호 입력부(1230)가 구비될 수 있다. 광학 위상 어레이(1210)는 프로세서(1700)에 의해 제어될 수 있다.
프로세서(1700)는 장치(1000)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다. 프로세서(1700)는 수신기(1500)에 수신되는 광의 위치별 분포 및/또는 시간별 분포를 분석하여 광학 위상 어레이(1210)로부터 피사체(OBJ)에 조사된 광빔을 구분하여 처리하는 분석부(1710)를 포함할 수 있다.
프로세서(1700)는 또한, 광학 위상 어레이(1210)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, 파장 가변 광원(1100), 수신기(1500)의 동작을 제어할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(1700)는 파장 가변 광원(1100)에 대해 전원 공급 제어, 온/오프 제어, 펄스파(PW)나 연속파(CW) 발생 제어 등을 수행할 수 있다.
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.
장치(1000)는 예를 들어, 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.
또한, 다양한 실시예에 따른 가변 파장 광원이 파장분할 다중 장치(WDM)에 적용될 수 있다. 파장 분할 다중 장치에서는 통신 트래픽의 효과적인 대응을 위해 하나의 광섬유에 복수 개의 파장을 동시에 전송한다. 이를 위해 파장 가변 레이저가 이용될 수 있다. 또한, 다양한 실시예에 따른 가변 파장 광원이 광간섭단층영상(Optical Coherence Tomography) 장치에 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.
100:파장 가변 광원, 101:빔 스티어링 장치
103:광학 위상 어레이, 110:기판
111:제1 공진기, 112:제2 공진기
115:링, 120:변조기
121,122:도파관, 125,151,152:광 증폭기
142:제1 이득 매질 층, 144:제2 이득 매질 층
λ1:제1 중심 파장, λ2:제2 중심 파장
Δλ1:제1 파장 대역, Δλ2:제2 파장 대역
Δλ3:합성 파장 대역

Claims (29)

  1. 제1 도파관;
    상기 제1 도파관에 대해 이격된 제2 도파관;
    상기 제1 도파관과 제2 도파관 사이에 구비된 제1 및 제2 공진기;
    상기 제1 도파관에 구비되고, 제1 이득 매질을 포함하는 제1 광 증폭기; 및
    상기 제2 도파관에 구비되고, 상기 제1 이득 매질과 다른 제2 이득 매질을 포함하는 제2 광 증폭기;를 포함하고,
    상기 제1 이득 매질과 제2 이득 매질이 III-V족 화합물 반도체 물질과 II-VI족 화합물 반도체 물질 중 서로 다른 매질로 구성된 파장 가변 광원.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 이득 매질과 제2 이득 매질이 GaN, AlGaInP, GaAlAs, InGaAs, InGaNAs, InGaAsP, InAlGaAs, GaAs, GaP, AlGaAs, InGaP, GaAs, InP을 포함하는 그룹 중 서로 다른 매질로 구성된 파장 가변 광원.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 이득 매질과 제2 이득 매질이 양자 우물 구조를 가지는 파장 가변 광원.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 이득 매질과 제2 이득 매질이 상기 양자 우물 구조의 물질, 조성, 두께 중 적어도 하나가 다르게 구성된 파장 가변 광원.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 광 증폭기와 제2 광 증폭기가 서로 다른 중심 파장을 가지는 파장가변 광원.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 광 증폭기와 제2 광 증폭기가 각각 800-3000nm 범위 내의 중심 파장을 가지는 파장 가변 광원.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 광 증폭기와 제2 광 증폭기가 각각 1100-1600nm 범위 내의 중심 파장을 가지는 파장 가변 광원.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 광 증폭기와 제2 광 증폭기가 각각 30-120nm 범위의 파장 대역 폭을 가지는 파장 가변 광원.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 광 증폭기와 제2 광 증폭기에 의한 합성 파장 대역 폭이 40-240nm 범위를 가지는 파장 가변 광원.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 공진기는 각각 링과, 링의 외주 및 내주 중 적어도 하나에 구비된 변조기를 포함하는 파장 가변 광원.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 도파관이 실리콘을 포함하는 파장 가변 광원.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제1 광 증폭기는 제1 하부 클래드층, 상기 제1 이득 매질을 포함하는 제1 이득 매질 층 및 제1 상부 클래드층을 포함하고, 상기 제2 광 증폭기는 제2 하부 클래드층, 상기 제2 이득 매질을 포함하는 제2 이득 매질 층 및 제2 상부 클래드층을 포함하는 파장 가변 광원.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 제1 공진기와 제2 공진기는 제1 공진기와 제2 공진기에 인가되는 전압 또는 전류를 조절하여 파장을 가변 하도록 구성된 파장 가변 광원.
  15. 파장 가변 광원; 및
    상기 파장 가변 광원으로부터 조사된 광빔의 출력 방향을 조절하도록 구성된 적어도 하나의 광학 위상 어레이;를 포함하고,
    상기 파장 가변 광원이 제1 도파관, 상기 제1 도파관에 대해 이격된 제2 도파관, 상기 제1 도파관과 제2 도파관 사이에 구비된 제1 및 제2 공진기, 상기 제1 도파관에 구비되고, 제1 이득 매질을 포함하는 제1 광 증폭기, 및 상기 제2 도파관에 구비되고, 상기 제1 이득 매질과 다른 제2 이득 매질을 포함하는 제2 광 증폭기를 포함하고,
    상기 제1 이득 매질과 제2 이득 매질이 III-V족 화합물 반도체 물질과 II-VI족 화합물 반도체 물질 중 서로 다른 매질로 구성된 장치.
  16. 삭제
  17. 제15항에 있어서,
    상기 제1 이득 매질과 제2 이득 매질이 GaN, AlGaInP, GaAlAs, InGaAs, InGaNAs, InGaAsP, InAlGaAs, GaAs, GaP, AlGaAs, InGaP, GaAs, InP을 포함하는 그룹 중 서로 다른 매질로 구성된 장치.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 제1 이득 매질과 제2 이득 매질이 양자 우물 구조를 가지는 장치.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 제1 이득 매질과 제2 이득 매질이 상기 양자 우물 구조의 물질, 조성, 두께 중 적어도 하나가 다르게 구성된 장치.
  20. 제15항에 있어서,
    상기 제1 광 증폭기와 제2 광 증폭기가 서로 다른 중심 파장을 가지는 장치.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 제1 광 증폭기와 제2 광 증폭기가 각각 800-3000nm 범위 내의 중심 파장을 가지는 장치.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 제1 이득 매질과 제2 이득 매질이 각각 1100-1600nm 범위 내의 중심 파장을 가지는 장치.
  23. 제15항에 있어서,
    상기 제1 광 증폭기와 제2 광 증폭기가 각각 30-120nm 범위의 파장 대역 폭을 가지는 장치.
  24. 제15항에 있어서,
    상기 제1 광 증폭기와 제2 광 증폭기에 의한 합성 파장 대역 폭이 40-240nm 범위를 가지는 장치.
  25. 제15항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 공진기는 각각 링과, 링의 외주 및 내주 중 적어도 하나에 구비된 변조기를 포함하는 장치.
  26. 제15항에 있어서,
    상기 제1 공진기와 제2 공진기는 제1 공진기와 제2 공진기에 인가되는 전압 또는 전류를 조절하여 파장을 가변 하도록 구성된 장치.
  27. 제15항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 광학 위상 어레이가 상기 파장 가변 광원으로부터 조사된 광빔을 전달하는 도파관, 상기 도파관을 통해 전달된 광빔을 분기하는 빔 분리기, 및 상기 광빔의 위상을 쉬프트시키는 위상 쉬프터를 포함하는 장치.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 위상 쉬프터를 통해 위상이 조절된 광빔의 방향을 조절하도록 구성된 그레이팅을 포함하는 안테나를 더 포함하는 장치.
  29. 제15항에 있어서,
    상기 제1 도파관에 하나의 광학 위상 어레이가 결합되고, 상기 제2 도파관에 다른 광학 위상 어레가 결합된 장치.
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