KR102570360B1

KR102570360B1 - 파장 분할 다중화 lidar

Info

Publication number: KR102570360B1
Application number: KR1020197031597A
Authority: KR
Inventors: 에산 호쎄이니; 마이클 왓츠; 크리스토퍼 포울탄; 디에드릭 베르무렌
Original assignee: 아날로그 포토닉스, 엘엘씨
Priority date: 2017-04-25
Filing date: 2018-04-25
Publication date: 2023-08-25
Also published as: JP2020517912A; DE112018002172T5; JP7062013B2; US11061140B2; WO2018200754A1; US20180306925A1; JP2022109947A; US20210318442A1; KR20200051519A; US11960006B2

Abstract

본 개시내용의 양상들은 큰 튜닝 범위를 가지는 레이저들을 이용하지 않고 넓은 시야를 유리하게 제공하는 파장 분할 다중화 LiDAR 시스템들, 방법들 및 구조들을 설명한다.

Description

파장 분할 다중화 LIDAR

본 출원은 본원에 상세히 설명되는 바와 같이 참고로 통합된 2017년 4월 25일에 출원된 미국 가특허 출원 일련 번호 제 62/490,000호의 이익을 주장한다.

본 개시내용은 일반적으로 스캐닝 광학 거리측정 및 검출 시스템들, 방법들 및 구조들에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 개시내용은 파장 분할 다중화(WDM) 기법들을 이용하는 LiDAR(light detection and ranging) 시스템들, 방법들 및 구조들에 관한 것이다.

객체들을 물리적으로 터치하지 않고 환경 내의 이들 객체의 거리 및 반사도를 측정하기 위한 능력은 많은 분야에서 큰 관심을 끌고 있다. LiDAR는, 레이저 광이 방출되고 반사된 광이 검출되는 거리 범위 측정 기법이다. 반사된 광의 방출과 검출 사이의 측정된 시간(비행 시간)은 LiDAR 검출기와 반사 객체 사이의 거리에 대응한다.

현대의 응용들에서 LiDAR의 유용성을 고려할 때, LiDAR 시스템들, 방법들 및 구조들의 추가 개발 및/또는 개선은 관련 기술분야에 대해 환영 받을 부분을 나타낼 것이다.

관련 기술분야의 진보는 큰 튜닝 범위를 가지는 레이저들을 이용하지 않고 넓은 시야를 유리하게 제공하는 파장 분할 다중화 LiDAR 시스템들, 방법들 및 구조들에 관한 본 개시내용의 양상들에 따라 이루어진다. 특히, 본 개시내용에 따른 시스템들, 방법들 및 구조들은 복수의 개별 레이저의 출력을 포함하는 다중파장 빔을 이용한다. 다중파장 빔을 포함하는 개별 파장들은 개별 빔 - 이들 별개의 파장 빔은 개별 스캔 라인을 형성함 - 으로 분리된다. 개별 스캔 라인은 영역에 걸쳐 전체적으로 스캐닝되어, 해당 영역에 걸쳐 효과적인 2D 스캔을 제공한다.

단순화된 예시적인 실시예에서, 본 개시내용의 양상들에 따라 구성된 파장 분할 다중화 LiDAR 시스템은 기판; 기판에 부착된 다중파장 광 소스; 위상 시프터들 및 격자 방출기들을 포함하는 능동 광학 위상 어레이; 및 다중파장 광 소스를 능동 광학 위상 어레이에 광학적으로 연결하는 광학 분할기 네트워크를 포함한다.

그런 파장 분할 다중화 LiDAR 배열체들은 유리하게 다수의 현대 응용 중 임의의 응용에 대한 거리측정, 감지, 이미징 및 검출 능력들을 제공할 수 있다.

유리하게, 본 개시내용에 따른 시스템들, 방법들 및 구조들은 현대의 CMOS 기법들을 사용하여 제조되고, 단일 기판 상에 집적될 수 있다.

예시적인 실시예들에서, 방출기들은 렌즈의 초점 평면에 곡선 패턴으로 배열될 수 있고, 이에 의해 사고 회피를 포함하는 이미징, 거리측정 및 감지 응용들에 사용하기에 적합한 방출된 광의 방향 제어 및 반사된 광의 선택적인 수신을 허용한다.

본 개시내용의 더 완전한 이해는 첨부 도면들을 참조하여 실현될 수 있다.
도 1a는 본 개시내용의 양상들에 따른 2D 래스터 스캔 방향들로 연속적으로 조종가능한 빔에 의해 생성된 예시적인 이미지를 도시하는 토포그래피 맵(topography map)이다.
도 1b는, 본 개시내용의 양상들에 따른 측면 방향으로의 스캔이 연속적이고 상/하 방향의 피처(feature)들이 이산적인 다수의 스캔 라인에 의한 단일 차원에서의 조종에 의해 생성된 예시적인 맵을 도시하는 토포그래피 맵이다.
도 2a는, 본 개시내용의 양상들에 따른 방출기 소형화 및 측방향 로브들의 수가 문제가 되는 단일 주파수 레이저를 사용하여 다수의 방향으로 광을 조종할 수 있는 위상 시프터들을 가진 방출기들의 예시적인 2-차원 어레이의 개략도이다.
도 2b는 본 개시내용의 양상들에 따른 위상 및 파장 조종 둘 모두를 이용하는 예시적인 1-차원 어레이의 개략도이다.
도 3a는 본 개시내용의 양상들에 따른 브래그 조건(Bragg condition)으로 인해 파장에 대한 방출 각 의존성을 예시하는 개략도이다.
도 3b는 본 개시내용의 양상들에 따른 실리콘 도파관 격자에 대한 파장에 의한 방출 각의 변화를 예시하는 각도 대 파장의 플롯(plot)이다.
도 4는 본 개시내용의 양상들에 따른 다른 차원에서 연속적인 스캐닝을 제공하면서 파장 다이버시티를 갖는 이산 스캔 라인들을 생성하기 위해 스위블링 반사 격자를 갖는 벌크 광학 파장 다중화 LiDAR를 예시하는 개략도이다.
도 5a 및 도 5b는 본 개시내용의 양상들에 따른 다른 차원에서 연속적인 스캐닝을 위해 스캐닝 미러로 스캔 라인들을 생성하기 위해 도 5a 반사 격자 및 도 5b 투과 격자를 갖는 벌크 광학 파장 다중화 LiDAR 시스템의 개략도들이다.
도 6은 본 개시내용의 양상들에 따른 다른 차원에서 연속적인 스캐닝을 위한 스캐닝 미러를 갖는 스캔 라인들을 생성하기 위해 수동 위상 어레이를 갖는 반-통합 파장 다중화 LiDAR 시스템을 예시하는 개략도이다.
도 7은 본 개시내용의 양상들에 따른 다른 차원에서 연속적인 스캐닝을 위해 스캐닝 미러로 스캔 라인들을 생성하기 위해 단일 입력을 수동 위상 어레이에 결합하도록 온-칩(on-chip) 레이저들 및 파장 (디)멀티플렉서를 갖는 반-통합 파장 다중화 LiDAR 시스템을 예시하는 개략도이다.
도 8은 본 개시내용의 양상들에 따른 단일 애퍼처(aperture)가 송신 및 수신에 사용되는 온-칩 레이저들, 파장 (디)멀티플렉서, 능동 위상 어레이 및 온-칩 수신기들을 갖는 완전-통합 파장 다중화 LiDAR 시스템을 예시하는 개략도이다.
도 9는 본 개시내용의 양상들에 따른, 2 개의 애퍼처가 사용되는 - 하나의 애퍼처는 송신용이고 다른 하나의 애퍼처는 수신용임 - 온-칩 레이저들, 파장 (디)멀티플렉서, 능동 위상 어레이 및 온-칩 수신기들을 갖는 완전-통합 파장 다중화 LiDAR 시스템에 대한 예시적인 레이아웃을 도시하는 개략도이다.
도 10은 본 개시내용의 양상들에 따른, 온-칩 레이저들, 파장 (디)멀티플렉서, 광학 분할기 네트워크, 온 칩 상에 완전 WDM LiDAR 시스템을 제공하는 통합된 대면 CMOS 전자장치를 가진 능동 위상 어레이를 갖는 완전-통합 파장 다중화 LiDAR 시스템에 대한 예시적인 레이아웃을 도시하는 개략도이다.
예시적인 실시예들은 도면들 및 상세한 설명에 의해 더 충분히 설명된다. 그러나, 본 개시내용에 따른 실시예들은 다양한 형태들로 구현되고 도면 및 상세한 설명에 설명된 특정 또는 예시적인 실시예들로 제한되지 않을 수 있다.

이하는 본 개시내용의 원리들을 단지 예시한다. 따라서, 본원에 명시적으로 설명 또는 도시되지 않지만, 본 개시내용의 원리들을 구현하고 본 개시내용의 사상 및 범위 내에 포함되는 다양한 배열들을 통상의 기술자들이 고안할 수 있음이 인식될 것이다.

게다가, 본원에 나열된 모든 예들 및 조건 언어는 독자가 본 개시내용의 원리들 및 발명가(들)에 의해 관련 기술분야를 더 발전시키는 데 기여하는 개념들을 이해하는 것을 돕기 위해 교육학적인 목적들만을 위한 것으로 의도되고 그런 구체적으로 나열된 예들 및 조건들로 제한되지 않는 것으로 이해된다.

게다가, 본 개시내용의 원리들, 양상들 및 실시예들을 나열하는 본원의 모든 진술들 및 이의 특정 예들은 구조적 및 이의 기능적 등가물들 둘 모두를 포함하는 것으로 의도된다. 부가적으로, 그런 등가물들이 현재 알려진 등가물들 및 미래에 개발되는 등가물들, 즉 구조에 상관 없이 동일한 기능을 수행하도록 개발된 임의의 엘리먼트들 둘 모두를 포함하는 것이 의도된다.

따라서, 예컨대, 본원의 임의의 블록도들이 본 개시내용의 원리들을 구현하는 예시적인 회로의 개념도들을 나타내는 것이 통상의 기술자들에 의해 인식될 것이다.

본원에서 달리 명시적으로 특정되지 않으면, 도면을 포함하는 도면들은 축척대로 도시되지 않는다.

알려진 바와 같이, 광 위상 어레이들은, 이동 부품들 없이 조종가능한 동위상 파면(phase front)들을 방출하는 능력이 특히 매력적이기 때문에 LiDAR 응용들에 사용하기 위해 최근에 상당한 관심을 끌었다. CMOS 응용들을 위해 개발된 진보된 리소그래피, 에칭 및 다른 최신 제조 기법들이 제조에 적용될 수 있다는 것을 고려하면 이들 매력은 더 증가된다.

보여주고 설명할 바와 같이, 우리는 극히 큰 튜닝 범위(들)를 가진 레이저들을 사용하지 않고 유리하게 시야(FOV)를 확장시킴으로써, 특히 LiDAR 및 이미징, 거리측정 및 감지를 포함하는 다른 응용들에 사용하기 위한 광 위상 어레이들의 매력을 더 증가시켰다.

이 시점에서, 우리는, LiDAR - 또는 다른 시스템 - 가 2 차원들에서 연속적으로 FOV 내의 장면을 스캔하도록 구조화 및 구성될 수 있다는 것을 주목한다. 그러나, 2 차원들에서 장면의 스캐닝은 적어도 2 개의 상이한 스캐닝 장치/메커니즘을 요구하고 스캐닝될 2-차원 공간이 있기 때문에 더 많은 시간을 요구한다. 장면을 스캔하는 대안적인 방법은 다수의 지점을 한 차원에서 범위 지정하고 이어서 다른 차원에서 이들 다수의 지점을 스캔하는 스캔 라인 기법을 이용하는 것이다. 이런 스캔 라인 기법이 단지 한 차원에서만 장면을 이산적으로 재구성하지만 - 이는 유리하게 단지 하나의 스캐닝 메커니즘만을 요구하고 언급된 2D 방법(들)에 비해 시간이 덜 소비된다.

그런 기법들의 동작 결과(들)는 도시된 도 1a 및 도 1b를 참조하여 보여질 수 있고: 도 1a는 양 방향으로 연속적으로 조종가능하고 2-차원적으로 장면을 래스터 스캔하는 빔으로 이미지화되는 토포그래피이고, 도 1b는 다수의 스캔 라인으로 1-차원에서 조종하여 이루어진 토포그래피이고, 측면 방향으로의 스캔은 연속적이고 상/하 방향들의 피처들은 이산적이다.

우리는, 광학 위상 어레이가 2 차원들에서 연속적으로 스캔하기 위해, 2D 위상 어레이(도 2a 참조)가 단일 파장 레이저 및 2D 어레이로 배열된 방출기들의 어레이와 함께 사용될 수 있음을 주목한다. 방출기들의 위상을 조정함으로써, 횡방향 및 방위각 방향 둘 모두로 방출들을 조종할 수 있다. 그런 2D 어레이들의 하나의 중요한 단점은, 모든 격자 방출기들, 테이퍼(taper)들 및 분할기들이 방출들의 파장보다 몇 배 더 크기 때문에 방출기들이 λ/2 미만의 크기를 나타내는 그리드로 패키지될 수 없다는 것이다. 시스템이 λ/2보다 큰 주기성을 나타낼 때마다, 에일리어싱(aliasing) 효과(들)로 인해 하나 이상의 측면-로브가 어레이 팩터(factor)에 나타나는 것을 추가로 주목하라. 결과적으로, 전체 어레이는 FOV를 불리하게 감소시키는 몇몇 공간 방향으로 방사하고 몇몇 공간 방향으로부터 수신하고, 시스템에 손실 및 잘못된 검출들을 도입한다.

위에서 주목된 2D 어레이의 패키징 제한을 처리하기 위해, 도 2b에 도시된 바와 같은 대안적인 배열이 이용될 수 있다. 이 도면에 예시적으로 도시된 바와 같이, 위상 시프터들 및 광학 격자(들)를 포함하는 다수의 방출기 엘리먼트는 트리-기반 분배 네트워크를 통해 튜닝가능 레이저에 광학적으로 커플링된다. 그런 배열은 유리하게 위상에 의한 방출 조종 및 파장에 의한 방출 조종 둘 모두를 제공한다.

동작가능하게, 단일 레이저는 - ID 어레이를 통해 - 수 천(또는 수 만)의 방출기 엘리먼트를 공급할 수 있고, 긴 도파관 격자들은 자신의 길이에 걸쳐 상향 방향으로 점진적으로 방출된다. 그런 시스템 구성의 이점은, 광이 도파관들에 충분히 한정되어, 교차-커플링하지 않는 한, 엘리먼트들이 서로 매우 밀접하게 위치될 수 있고, 이에 의해 어레이 팩터 격자-로브들을 억제할 수 있다는 것이다. 도 2b에 개략적으로 도시된 바와 같이, 이런 어레이는 레이저 파장 변화에 의해 유도된 격자 방출을 변경함으로써 횡 방향으로 방출기 엘리먼트들의 위상 제어 및 전방/후방 방향으로 조종에 의해 조종될 수 있다.

통상의 기술자들에 의해 쉽게 인식 및 이해될 바와 같이, ID 어레이에서 파장 조종은 격자 방출기들에 의해 생성되고 도 3a에 개략적으로 예시된 바와 같이 브래그 조건에 의해 설명될 수 있다. 이 도면에서 관찰될 수 있는 바와 같이, 파장을 변경함으로써, 격자 방출 방향은 전방 및 후방 방향으로 회전한다. 실리콘 도파관 격자에 대한 θ(도) 대 파장(nm)의 플롯을 도시하는 도 3b로부터 더 알 수 있는 바와 같이, 상/하 방향으로 큰(>30°) 스윕(sweep) 범위를 달성하기 위해, 튜닝가능 레이저 소스는 전체 1400-1600 nm 범위로 방출하여야 한다. 통상의 기술자들에 의해 추가로 이해 및 인식될 바와 같이, 그런 응용들에 사용되는 반도체 레이저 소스들은 통상적으로, 다수의 양자 웰 성장으로부터의 이득이 낮은 임계 동작을 제공하는 범위에서 동작된다. 그런 구조들에 대한 이득 스펙트럼의 피크가 통상적으로 20 nm보다 좁기 때문에, 값싼 분산형 피드백(DFB) 레이저가 200 nm-폭 대역에 걸쳐 동작할 것으로 기대하는 것은 비현실적이다.

그런 동작 어려움을 고려할 때, 본 개시내용에 따른 시스템들, 방법들 및 구조들은 유리하게 측면 스캔(도 1b에 예시된 것과 유사함)으로 다수의 이산 스캔 라인을 생성하기 위해 하나 초과의 레이저를 이용하고, 여기서 각각의 레이저는 주변의 2D 이미지를 생성하기 위해 후속적으로 결합되는 수평 라인들 중 단지 하나의 수평 라인만을 담당한다. 보여줄 바와 같이, 하나 초과의 레이저를 활용하는 것은 유리하게 더 복잡하고 - 그리고 덜 안정적인 - 튜닝가능 레이저들을 필요로 하지 않고 각각의 레이저가 최적화되게 한다.

이제 도 4를 참조하여, 본 개시내용의 양상들에 따른, 다른 차원에서 연속적으로 스캐닝하면서 파장 다이버시티를 갖는 이산 스캔 라인들을 생성하기 위해 스위블링 반사 격자를 갖는 벌크 광학 파장 다중화 LiDAR 시스템을 예시하는 개략도가 도시된다. 이 도면에서 관찰될 수 있는 바와 같이, 몇몇 독립적인 레이저들(구체적으로 도시되지 않음)의 출력으로부터 생성된 다중-파장 입력 신호는 격자에 의해 스캔 라인들로 분할된다. 더 구체적으로, 다중-파장 입력 신호는 입사 광을 반사하는 격자에 입사된다.

격자는 자신의 길이방향 축을 중심으로 스위블링하도록 구성되고, 상이한 파장들에 상이하게 영향을 준다 - 가장 긴 파장의 광이 가장 많이 회절함. 자신의 축을 중심으로 격자의 연속적인 스위블은 빔들을 횡 방향으로 스캔한다.

통상의 기술자들은, 그런 구조들이 벌크 광학에서 쉽게 구현되고, - 단순함을 위해 - 도 5a 및 도 5b에 개략적으로 도시된 바와 같이 다른 차원에서 연속적으로 스캔하기 위해 벌크 격자 및 스캐닝 미러(즉, 45° 회전 미러, ID MEMS 미러 등)를 사용하여 구현될 수 있음을 쉽게 인식할 것이다. 이 도면들을 동시에 참조하여, 다른 방향으로 연속적인 스캐닝을 제공하는 스캐닝 미러로 스캔 라인들을 생성하기 위해 도 5a의 반사 격자; 및 도 5b의 투과 격자를 갖는 벌크 광학 파장 다중화 LiDAR 시스템이 도시된다.

동작가능하게, 자유 공간 다중-파장 빔은 격자(즉, 반사성(도 5a) 또는 투과성(도 5b))에 입사하는 것으로 도시된다. 격자는 빔을 격자 차원에서 별도의 빔들로 분할한다. 이어서, 이들 다수의 빔은 제어가능한 스캐닝 미러로 지향된다(이에 입사됨). 이런 스캐닝 미러는 다른 차원에서 조종을 제공하고, 이에 의해 입력 광의 각각의 파장에 대해 하나인 다수의 스캔 라인으로 2D FOV를 생성한다. 본 개시내용에 따른 그런 벌크-광학 시스템들은 다수의 이산 스캔 라인 및 단일 스캐닝 제어로 2D 스캐닝을 허용한다. 타겟으로부터 반사된 광은 동일한 경로로 이동하고, 전자기 방사선들의 시간-반전 및 수집된 광의 상이한 컬러들로 인해 격자 이후 동일한 빔으로 결합할 것이다.

더 높은 제조가능성을 나타내는 더 한층의 소형 시스템들을 달성하기 위해, 우리는 추가 시스템들, 방법들 및 구조들을 개시하고, 여기서 벌크 광학 엘리먼트들은 상보적 CMOS 호환가능 제조 흐름(들)으로 유리하게 제조될 수 있는 평면 통합 광학 시스템들에 의해 대체된다.

이제 도 6을 참조하여, 본 개시내용의 양상들에 따른, 스캔 라인들을 생성하는 수동 위상 어레이 및 다른 방향으로 연속적인 스캐닝을 위한 이동가능 스캐닝 미러를 포함하는 예시적인 반-통합 파장 다중화 LiDAR 시스템의 개략도가 도시된다. 이 도면의 검사에 의해 이해될 수 있는 바와 같이, 격자-기반 방출기들의 방출 각도가 파장에 매우 의존하기 때문에, 이전에 도시 및 설명된 벌크 격자는 다중-파장 입력 신호를 성분 파장들로 분할하기 위해 ID 광학 위상 어레이로 유리하게 대체된다.

동작가능하게, 다중파장 광섬유 모드는 입력 광 도파관에 커플링된다. 이어서, 수신된 모드 에너지는 광학 분할기 네트워크를 포함하는 다수의 도파관(즉, 수천) 사이에 균일하게(또는 가우시안 분배로) 분배된다. 그렇게 분배된 에너지는 도파관들의 광학 위상 어레이로 지향되고, 여기서 각각의 도파관은 도파관들을 따라 약하게 섭동하는 격자들을 갖는 방출 엘리먼트로 작용한다. 바람직하게, 인입 섬유 모드에 존재하는 모든 레이저 파장들은 도파관들의 집단 사이에서 독립적으로 분배되고 이들의 광학 주파수 사이의 차이들로 인해 서로 상호작용하거나 간섭하지 않는다. 따라서, 분할기 네트워크 및 임의의 도파관들 및 분할기들은 이용된 파장들의 전체 범위를 수용하기에 충분히 광대역이다. 따라서, 방출 도파관들은 도 3a에 이미 예시된 바와 같이 파장의 함수로서 방향성으로 방출할 것이다.

본 개시내용에 따른 또 다른 통합은 이미 설명된 격자 및 광학 위상 어레이와 함께 다중-파장 소스들(온-칩 레이저들) 및 통합된 파장 (디)멀티플렉서를 통합함으로써 달성된다. 도 7은 단일 입력을 수동 위상 어레이에 커플링하고, 이에 의해 연속적 스캐닝 미러에 의해 다른 방향으로 후속하여 스캐닝되는 스캔 라인들을 생성하는 온-칩 레이저들 및 파장 (디)멀티플렉서를 갖는 본 개시내용에 따른 다른 반-통합 파장 다중화 LiDAR 시스템을 도시한다.

유리하게, 레이저들은 (단일 양자 웰 구조보다 더 넓은 범위의 이득 스펙트럼을 커버하기 위해) 모두가 동일한 기판 상에 있거나 상이한 양자 웰 에피택셜 성장으로부터 다양한 격자 주기들을 나타내는 DFB 구조들로 제조될 수 있다. 각각의 레이저들의 출력은 파장 (디)멀티플렉서로 지향되고, 여기서 출력은 단일 다중 파장 신호로 결합되고 후속하여 위상 어레이 시스템의 입력에 인가되고 - 그 출력은 스캔 라인들을 생성한다. 알려지고 이해될 바와 같이, 이런 (디)멀티플렉서는 유리하게 공진기 필터들, 브래그 필터(Bragg filter)들, 캐스케이드된 마흐 젠더(cascaded Mach-Zehnder), 어레이 도파관 격자들(AWG), 에셀(Echelle) 격자들 등을 포함(그러나 이에 제한되지 않음)할 수 있다.

우리는, 횡 방향으로 스윕을 제공하기 위해 미러를 이용하는 것이 그렇게 구성된 시스템의 기계적 강성 및 바람직한 작은 폼 팩터(form factor)를 제한한다는 것을 주목한다. 본 개시내용의 또 다른 양상들에 따라, 스캔 라인들은 위상 시프터들을 통합함으로써 활성화된 온-칩 위상 어레이를 이용함으로써 추가로 스캐닝될 수 있다. 유리하게 - 그리고 시스템의 분산이 낮다고 가정하면 - 스캔 라인들은, 위상 시프터들이 위상 어레이의 엘리먼트들을 따라 선형 위상 램프(ramp)를 적용하는 방식으로 제어될 때 집합적으로 이동(스캔)할 것이다.

추가의 장점으로, 그런 능동 칩으로, 예컨대 게르마늄 광검출기들로 만들어진 LiDAR 수신기들은 또한 온-칩으로 제조될 수 있고 공통(동일) 위상 어레이는 수신 애퍼처로서 사용될 수 있다.

도 8은 단일 애퍼처가 송신 및 수신 둘 모두에 사용되는 온-칩 레이저들, 파장 (디)멀티플렉서, 능동 위상 어레이 및 온-칩 수신기들을 갖는 예시적인 완전-통합 파장 다중화 LiDAR 시스템의 개략도를 도시한다.

도 9는 2 개의 애퍼처가 사용되는 - 하나의 애퍼처는 송신용이고 다른 하나의 애퍼처는 수신용임 - 온-칩 레이저들, 파장 (디)멀티플렉서, 능동 위상 어레이 및 온-칩 수신기들을 갖는 예시적인 완전-통합 파장 다중화 LiDAR 시스템의 개략도를 도시한다.

유리하게, 동일한 파장 (디)멀티플렉서 설계는 수신된 광을 스캔 라인과 연관된 개별 수신기들에 디멀티플렉싱하는 데 사용될 수 있다. 단일 애퍼처 설계에서, 단일 파장 (디)멀티플렉서만이 필요하다. 이중 애퍼처 설계에서, 2 개의 파장 (디)멀티플렉서가 사용되고, (디)멀티플렉서는 각각의 애퍼처에 대해 하나이다.

도 8에 도시된 단일 애퍼처 설계에서, 레이저의 출력은 50/50(또는 전자적으로 튜닝가능) 분할기를 통해 지향되어, 레이저 광의 하나의 분할 부분은 (선택적으로) 변조되고 후속하여 로컬 발진기(LO)로서 사용되며, 레이저 광의 다른 분할 부분은 다른 레이저 광들과 결합되도록 mux/demux(이를테면 AWG)에 적용되고 - 각각의 레이저 광은 상이한 파장을 나타냄 -, 후속하여 단일 도파관으로 지향된다. 모든 이들 파장들을 전달하는 단일 도파관은 위상 어레이로 지향되고, 위상 어레이로부터 몇몇 개별 빔들이 방출된다. 후속하여 객체를 타격하는 방출된 광은 위상 어레이 애퍼처를 향해 다시 산란할 것이고, 이는 단일 도파관으로 수신되어 다시 커플링된다.

각각의 순간에, 위상 어레이는 또한 특정 파장에 대해 동일한 방향으로 "응시"하면서, 공간에서 하나의 방향으로 각각의 파장을 방출함에 유의한다. 결과적으로 - 몇몇 레이저들이 이용될 때 - 위상 어레이는 공간의 몇몇 지점들을 동시에 조명하고 관찰하며, 임의의 후방산란된 수신된 광은 해당 파장으로부터 식별된다.

이런 고유 식별을 위해, 후방산란된 광은 방출 전에 레이저 광(들)을 결합한 동일한 (디)멀티플렉서 회로들을 가로지르고; 상이한 파장 성분들은 분리되고; 각각의 성분은, 원래 방출되었던 레이저를 향해 지향되고 여전히 일관성이 있다. 유사하게, 로컬 발진기로서 레이저 광의 일부를 초기에 분리한 동일한 50/50(또는 전자적 튜닝가능) 분할기는 이제 후방산란된 광의 일부를 수신기를 향해 지향시킨다.

이런 수신기들은 유리하게 각각의 레이저로부터 탭핑(tap)되는 로컬 발진기를 포함하는 코히어런트 주파수-변조 연속파(FMCW) LiDAR 수신기들일 수 있다. 대안적인 구성들은 수신된 펄스 신호를 검출하기 위해 애벌런치(avalanche) 포토다이오드들을 이용할 수 있다. FMCW의 경우, 수신기는 4 개의 포트 3dB 커플러, 한 쌍의 검출기들, 및 로컬 발진기 및 후방산란된 광을 위한 2 개의 입력을 포함하는 헤테로다인 검출 유닛이다. 추가 장점으로, 로컬 발진기 광은 임의의 1/f 기저대역 노이즈를 회피하기 위해 중간 주파수로 변조될 수 있다.

도 9에 도시된 것과 같은 본 개시내용의 또 다른 양상들에 따른 예시적인 이중 애퍼처 구성에서, 몇몇 레이저들이 이용되고, 레이저들의 광은 WDM(이를테면 AWG 또는 다중 마이크로-링 필터 뱅크)을 사용하여 단일 도파관으로 결합되어 지향된다. 이전에 설명된 단일 애퍼처 시스템의 WDM과 달리, 이런 WDM 유닛은 리턴 신호를 디멀티플렉싱하지 않는다.

동작가능하게, 각각의 순간에, 상이한 파장을 각각 갖는 몇몇 방출된 빔들은 이들의 파장 및 방출 위상 어레이의 위상 구성에 의해 결정된 방향으로 애퍼처를 빠져 나간다. 다른 한편으로, 수신 애퍼처는 이런 이중 애퍼처 구성에 대한 FOV의 몇몇 지점들을 관찰한다. 수신 애퍼처 엘리먼트들의 위상은 바람직하게, 해당 파장에 대해 전송 애퍼처의 방향이 향해질 때 각각의 시점에서 - 모든 파장들에 대해 - 수신 위상 어레이가 원 시야의 정확히 동일한 지점을 관찰하도록 조정된다. 유리하게, 전송 및 수신 애퍼처는 정확히 동일한 방식(각각의 순간에 모든 엘리먼트들에 대해 동일한 위상 기능을 가짐)으로 구성될 수 있거나, 또는 메인 빔들이 동일한 방향으로 지향될 때 전송 및 수신 애퍼처들에 대한 어레이 팩터의 임의의 원하지 않는 측방향 모드들이 정렬되지 않도록 약간 상이하게 구성될 수 있다.

수신 애퍼처에 의해 수집된 임의의 광은 단일 도파관에 커플링되고, 송신 신호에 사용된 디멀티플렉서와 실질적으로 동일한 디멀티플렉서를 통해 지향되고, 그리고 현재 분리된 후방산란된 파장들 각각은 자신의 별도의 수신 유닛을 향해 지향된다.

헤테로다인 검출 방식의 경우, 각각의 레이저 소스로부터 방출된 광의 일부는 또한 해당 파장에 대해 설계 및/또는 구성된 특정 수신기로 지향된다. (도 8에 도시된 바와 같이) 수신기 유닛들이 구성되는 방법에 따라, 로컬 발진기 광이 수신기들에 도달하도록 도파관 교차부들을 횡단해야 하고, 그러므로 가장 높은 신호 대 노이즈 비율(SNR)을 달성하기 위해 수집된 후방산란된 광에 대한 임의의 손실이 최소로 유지되는 것이 중요하다는 것을 주목하라.

마지막으로, 우리는 모든 광 컴포넌트들이 단일 칩(칩-스케일 통합)에 집적될 때, CMOS 전자장치가 본 개시내용의 또 다른 양상들(완전히 통합된 칩-스케일)에 따라 드라이버들로서 포함될 수 있다는 것을 주목한다. 도 10은 WDM LiDAR 시스템 상의 부가적인 대면 CMOS 전자장치의 예시적인 레이아웃을 도시하고, 이에 의해 칩 구성 상에 완전한 LiDAR를 제공하는 개략도이다. 이런 플립-칩, 대면 구성이 단일 다이, 또는 웨이퍼-스케일 본딩을 갖는 3D 이종 플랫폼에 모놀리식으로 통합될 수 있다는 것을 주목하라. 광 및 CMOS 칩들 둘 모두는 또한 CMOS 드라이버들로부터 광 칩으로 전자 신호들을 전달하고, 또한 광검출기들로부터 증폭기들 - 이를테면 트랜스임피던스 증폭기(TIA)들 - 및 프로세싱 유닛에 검출된 전자 신호들을 전달하는 트랜스포저(transposer) 칩 상에 자리할 수 있다. 통상의 기술자들은, 본 개시내용의 양상들에 따른 CMOS 전자장치의 그런 부가가 다수의 스캔 라인을 이용하고 단일 차원에서 조종되는 2D FOV를 갖는 진정한 칩-스케일 LiDAR 시스템을 생성하는 것을 인식할 것이다.

이 시점에서, 우리는 일부 특정 예들을 사용하여 본 개시내용을 제시하였지만, 통상의 기술자들은, 유리의 교시가 그렇게 제한되지 않는 것을 인식할 것이다. 따라서, 본 개시내용은 본원에 첨부된 청구항들의 범위에 의해서만 제한되어야 한다.

Claims

칩-스케일 파장 분할 다중화 LiDAR를 동작시키는 방법으로서,
다중파장 광학 신호를 제공하는 단계;
상기 다중파장 광학 신호를 분배 네트워크를 통해 광학 위상 어레이로 지향시키는 단계 - 상기 광학 위상 어레이는 격자 방출기들 및 위상-제어 방출기들 둘 모두를 포함함 -;
격자 방출기들의 효과를 통해 상기 다중파장 광학 신호를 자신의 성분 파장들로 분리하고 개별 성분 파장들을 자신의 파장에 따라 장면을 향해 개별 방향으로 개별 빔들로서 방출하는 단계; 및
상기 위상-제어 방출기들의 효과를 통해 상기 개별 빔들을 조종하는 단계
를 포함하고, 상기 개별 빔들은 상기 개별 빔 방향들에 실질적으로 직교하는 방향으로 집합적으로 조종되는, 칩-스케일 파장 분할 다중화 LiDAR를 동작시키는 방법.
제1항에 있어서,
상기 개별 빔들의 일부가 상기 장면의 객체에 의해 반사된 이후 상기 개별 빔들의 적어도 일부를 수신하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제2항에 있어서,
상기 객체와 상기 칩-스케일 파장 분할 다중화 LiDAR 사이의 거리를 결정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
파장 분할 다중화 LiDAR 시스템으로서,
상이한 파장에서 레이저 광을 각각 방출하는 복수의 레이저 광 소스를 포함하는 다중파장 소스 - 상기 상이한 파장들 각각은 다중파장 빔으로 결합됨 -; 및
상기 결합된 다중파장 빔에 포함된 상기 상이한 파장들을 상이하게 반사시키기 위한 회전가능 반사 격자
를 포함하고,
상기 다중파장 소스 및 상기 회전가능 반사 격자의 동작 시, 복수의 스캔 라인은 상기 복수의 레이저 광 소스 중 상이한 레이저 광 소스에 대응하는 상이한 파장을 각각 나타내게 생성되는, 파장 분할 다중화 LiDAR 시스템.
파장 분할 다중화 LiDAR 시스템으로서,
다중파장 빔을 출력하는 다중파장 소스; 및
상기 다중파장 빔을 개별 빔으로 분리하는 격자 - 각각의 개별 빔은 상이한 파장을 나타냄 -; 및
상기 개별 빔들을 개별 스캔 라인들로 재지향시키는 회전 스캐닝 미러 - 각각의 개별 스캔 라인은 재지향된 상기 개별 빔의 상이한 파장을 나타냄 -
를 포함하는, 파장 분할 다중화 LiDAR 시스템.
제5항에 있어서, 상기 격자는 반사 격자 및 투과 격자로 이루어진 그룹으로부터 선택된 격자인, 파장 분할 다중화 LiDAR 시스템.
제5항에 있어서, 상기 회전 스캐닝 미러는 마이크로 전자기계 시스템(micro-electromechanical system)(MEMS) 미러인, 파장 분할 다중화 LiDAR 시스템.
제5항에 있어서, 상기 격자는 격자-기반 방출기들을 포함하는 광학 위상 어레이를 포함하고, 상기 시스템은 다중파장 빔을 수신하는 광섬유 및 상기 광섬유를 상기 광학 위상 어레이에 광학적으로 연결하는 광학 분할기 네트워크를 더 포함하고, 상기 광학 분할기 네트워크는 광학 위상 어레이 방출기들 사이에 상기 다중파장 빔의 모드 에너지를 균일하게 분배하도록 구성되는, 파장 분할 다중화 LiDAR 시스템.
제8항에 있어서, 상기 다중파장 소스, 상기 광학 분할기 네트워크 및 상기 광학 위상 어레이가 제조되는 단일 기판을 더 포함하는, 파장 분할 다중화 LiDAR 시스템.
제9항에 있어서,
상기 다중파장 소스는 복수의 개별 레이저를 포함하고, 상기 개별 레이저들의 각각의 개별 레이저는 상이한 파장에서 광을 방출하도록 구성되고;
파장 멀티플렉서는, 상기 개별 레이저들로부터 방출된 광을 상기 다중파장 빔으로 결합하고 해당 다중파장 빔을 상기 광학 분할기 네트워크에 적용하는, 파장 분할 다중화 LiDAR 시스템.
파장 분할 다중화 LiDAR 시스템으로서,
기판;
상기 기판 상에 형성된 다중파장 광 소스;
상기 기판 상에 형성된 능동 광학 위상 어레이 - 상기 능동 광학 위상 어레이는 위상 시프터들 및 격자 방출기들을 포함함 -;
상기 기판 상에 형성된 광학 분할기 네트워크 - 상기 광학 분할기 네트워크는 상기 다중파장 광 소스를 상기 능동 광학 위상 어레이에 광학적으로 연결함 -
를 포함하는, 파장 분할 다중화 LiDAR 시스템.
제11항에 있어서, 상기 기판 상에 형성된 복수의 송신기/수신기(TX/RX) 유닛을 더 포함하고, 각각의 개별 TX/RX 유닛은 상기 다중파장 광 소스의 개별 파장을 생성하고 해당 동일한 개별 파장을 검출하도록 구성되는, 파장 분할 다중화 LiDAR 시스템.
제12항에 있어서, 상기 복수의 TX/RX 유닛과 상기 광학 분할기 네트워크 사이에 개재된 파장 멀티플렉서를 더 포함하고, 상기 TX/RX 유닛들의 개별 파장들을 다중파장 빔으로 결합하도록 구성된 상기 멀티플렉서는 해당 다중파장 빔을 상기 광학 분할기 네트워크에 제공하는, 파장 분할 다중화 LiDAR 시스템.
제13항에 있어서, 상기 다중파장 빔을 상기 격자 방출기들의 효과를 통해 자신의 파장에 따라 분리하고 방향성 있게(directionally) 방출하며 상기 위상 시프터들을 조정함으로써 방향성 있게 방출된 광을 직교 방향으로 조종하도록 더 구성되는, 파장 분할 다중화 LiDAR 시스템.
제14항에 있어서, 상기 방향성 있게 방출되고 직교 방향으로 조종된 광은 객체에 의해 후방산란되고, 상기 능동 광학 위상 어레이의 선택적 방출기들에 의해 수신되고, 자신의 파장에 기반하여 개별 TX/RX 유닛으로 지향되는, 파장 분할 다중화 LiDAR 시스템.
제15항에 있어서, 광을 방출하는 별도의 송신기 광학 위상 어레이 및 상기 후방산란된 광을 수신하는 별도의 수신기 광학 위상 어레이를 더 포함하는, 파장 분할 다중화 LiDAR 시스템.
제16항에 있어서, 상기 수신기 광학 위상 어레이는 수신된 광을, 방출된 각각의 파장에 대해 하나씩인 복수의 검출기에 의한 후속 검출을 위해 변조기 및 파장 디멀티플렉서로 지향시키는, 파장 분할 다중화 LiDAR 시스템.
파장 분할 다중화 LiDAR 방법으로서,
다중파장 빔을 제공하는 단계;
해당 다중파장 빔을 개별 빔들로 분리하는 단계 - 각각의 개별 빔은 상기 다중파장 빔의 상이한 파장을 나타냄 -;
상기 개별 빔들을 개별 스캔 라인들로서 재지향시키는 단계 - 각각의 개별 스캔 라인은 재지향된 상기 개별 빔의 상이한 파장을 나타냄 -
를 포함하는, 파장 분할 다중화 LiDAR 방법.
제18항에 있어서,
복수의 레이저 광 소스를 동작시키는 단계 - 상기 복수의 레이저 광 소스 중 각각의 개별 레이저 광 소스는 상이한 파장에서 광을 방출함 -; 및
상기 복수의 상이한 파장 광을 상기 다중파장 빔으로 결합하는 단계
를 더 포함하는, 파장 분할 다중화 LiDAR 방법.