KR102579675B1 - 반도체 레이저 및 광 증폭기 포토닉 패키지 - Google Patents

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앤드류 스테일 마이클스
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아워스 테크놀로지, 엘엘씨.
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Abstract

광 검출 및 거리 측정(LIDAR) 장치는 레이저 어셈블리 계층과 포토닉 집적 회로(PIC) 계층을 포함한다. 레이저 어셈블리 계층은 레이저 광을 방출하도록 구성된 레이저를 포함한다. PIC 계층은 반도체 광 증폭기(SOA)와 레이저 광을 PIC 웨이퍼에 인커플(incouple)하고 레이저 광을 SOA로 보내도록 구성된 PIC 웨이퍼를 포함한다.

Description

반도체 레이저 및 광 증폭기 포토닉 패키지
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2020년 7월 1일자 출원된 미국 임시 출원 제63/046,906호에 대한 우선권을 주장하는 2021년 6월 29일자 출원된 미국 정규 출원 제17/362,080호에 대한 우선권을 주장한다. 출원 제17/362,080호 및 제63/046,906호는 참조로 본 명세서에 포함된다.
기술분야
본 개시 내용은 개괄적으로 레이저, 특히 포토닉(photonics) 패키징에 관한 것이다.
지난 20년에 걸쳐 광학 인터커넥트(interconnect) 및 광 검출 및 거리 측정(LIDAR)과 같은 통신 및 감지를 포함한 광범위한 응용들을 위한 실리콘 포토닉(photonic) 장치들이 엄청나게 발전해 왔다. 실리콘 포토닉스는 실리콘의 고유한 재료 특성으로 인해 다른 포토닉 기술 플랫폼들에 비해 많은 장점들을 제공한다. 그러나, 그 모든 장점들에도 불구하고, 단일 모드 실리콘 도파관들의 매우 작은 광 모드 필드로 인해 레이저들 및 광 증폭기들과 같은 필수 광원들과 유리 섬유들과 함께 실리콘 포토닉 장치들을 패키징하는 것은 메우 어렵다. 또한, 소형화 및 전력 소비 제한을 위한 관련 광원들은 종종 바람직하게는 밀봉된 인클로저들에 패키징되는 화합물 반도체 재료들로 제조된 반도체 레이저 다이오드들 및 반도체 광 증폭기들(SOA)이다.
실리콘 포토닉 제품들의 패키징 비용이 실리콘 포토닉 집적 회로(PIC), 레이저 다이오드들(LD), 및 SOA 칩들을 생산하기 위한 웨이퍼 제조 비용을 훨씬 넘는다는 것이 일반적으로 동의된다. 실리콘 포토닉 소자들의 패키징 기술들에 혁신과 개발이 요구된다.
본 개시 내용의 구현 예들은 자율 주행 차량용 광 검출 및 거리 측정(LIDAR) 장치를 포함한다. LIDAR 장치는 레이저 어셈블리 계층과 포토닉 집적 회로(PIC) 계층을 포함한다. 레이저 어셈블리 계층은 레이저 광을 방출하도록 구성된 레이저를 포함한다. PIC 계층은 반도체 광 증폭기(SOA)와 레이저 광을 PIC 웨이퍼에 인커플(incouple)하고 레이저 광을 SOA로 보내도록 구성된 PIC 웨이퍼를 포함한다.
일 구현 예에서, LIDAR 장치는 레이저 어셈블리 계층과 PIC 웨이퍼 사이에 배치된 웨이퍼 층을 더 포함한다. 레이저 광은 적외선 레이저 광이며, 웨이퍼 층은 적외선 레이저 광에 대해 투명하다.
일 구현 예에서, 웨이퍼 층은 레이저 어셈블리 계층으로부터 적외선 레이저 광을 수광하도록 구성된 렌즈를 포함하고, 렌즈는 웨이퍼 층으로 통합되고 적외선 레이저 광을 PIC 웨이퍼의 입력 격자에 집속하도록 구성된다.
일 구현 예에서, 웨이퍼 층은 레이저 캐리어 웨이퍼 및 SOA 캡 웨이퍼를 포함한다. 레이저는 레이저 캐리어 웨이퍼에 커플(couple)된다. SOA 캡 웨이퍼는 LIDAR 장치의 환경으로부터 SOA를 밀봉하고, SOA 캡 웨이퍼는 PIC 웨이퍼와 레이저 캐리어 웨이퍼 사이에 배치된다.
일 구현 예에서, 웨이퍼 층 및 PIC 웨이퍼는 단결정 실리콘으로 형성된다.
일 구현 예에서, 웨이퍼 층은 LIDAR 장치의 환경으로부터 SOA를 밀봉하고, 레이저는 웨이퍼 층에 커플된다.
일 구현 예에서, PIC 웨이퍼는 레이저 어셈블리 계층으로부터 레이저 광을 수광하도록 구성된 렌즈를 포함하고, 렌즈는 PIC 웨이퍼에 통합되고 레이저 광을 PIC 웨이퍼의 입력 격자(input grating)에 집속하도록 구성된다.
일 구현 예에서, PIC 웨이퍼는 PIC 웨이퍼에 통합된 출구 특징부를 포함한다. 출구 특징부는 SOA에 의해 생성된 증폭된 레이저 광을 수광하고 PIC 웨이퍼로부터 증폭된 레이저 광을 아웃커플(outcouple)하도록 구성된다.
일 구현 예에서, 레이저 어셈블리 계층은 레이저와 PIC 계층의 미러(mirror) 사이에 배치된 레이저 렌즈를 포함한다. 레이저 렌즈는 레이저로부터 방출된 레이저 광을 콜리메이트(collimate)하도록 구성된다.
일 구현 예에서, SOA는 PIC 웨이퍼에 플립 접합된다(flip-bonded).
일 구현 예에서, PIC 웨이퍼는 SOA를 위한 땜납을 수용할 크기의 트렌치 및 SOA를 기계적으로 지지하고 수직 정렬 기준을 제공하도록 PIC 웨이퍼로 형성된 지지대들을 포함한다.
일 구현 예에서, PIC 웨이퍼는 PIC 웨이퍼의 입력 격자로부터 레이저 광을 수광하는 하나 이상의 에지 커플러들을 포함한다. 하나 이상의 에지 커플러들은 레이저 광을 SOA에 인커플하도록 구성된다.
일 구현 예에서, PIC 웨이퍼의 출력 격자는 입력 격자보다 PIC 웨이퍼 내로 더 깊게 배치된다.
일 구현 예에서, 레이저 어셈블리 계층은 LIDAR 장치의 환경으로부터 레이저를 밀봉하는 캐핑층(capping layer) 및 캐핑층의 경사벽 상에 배치된 미러를 더 포함한다. PIC 웨이퍼는 입력 격자와 출력 격자를 포함한다. 입력 격자는 미러로부터 반사된 레이저 광을 인커플하고 레이저 광을 SOA로 보내도록 구성된다. 출력 격자는 SOA로부터 증폭된 레이저 광을 수광하고 PIC 웨이퍼로부터 증폭된 레이저 광을 아웃커플하도록 구성된다.
본 개시 내용의 구현 예들은 LIDAR 장치, 광 검출기, 및 하나 이상의 프로세서들을 포함하는 자율 주행 차량 제어 시스템을 포함한다. LIDAR 장치는 레이저 어셈블리 계층과 PIC 계층을 포함한다. 레이저 어셈블리 계층은 적외선 레이저 광을 방출하도록 구성된 적외선 레이저를 포함한다. PIC 계층은 SOA와 적외선 레이저 광을 PIC 웨이퍼에 인커플하고 적외선 레이저 광을 SOA로 보내도록 구성된 PIC 웨이퍼를 포함한다. 광 검출기는 SOA에 의해 생성된 증폭된 레이저 광을 반사하는 자율 주행 차량 제어 시스템의 환경 내의 객체들로부터 반사된 적외선 레이저 광을 수광하도록 구성된다. 하나 이상의 프로세서들은 광 검출기에 의해 생성된 신호들에 응답하여 자율 주행 차량 제어 시스템을 제어한다.
일 구현 예에서, 웨이퍼 층은 레이저 어셈블리 계층과 PIC 웨이퍼 사이에 배치된다. 웨이퍼 층은 적외선 레이저 광에 대해 투명하다.
일 구현 예에서, 웨이퍼 층은 레이저 어셈블리 계층으로부터 적외선 레이저 광을 수광하도록 구성된 렌즈를 포함한다. 렌즈는 웨이퍼 층에 통합되고, 적외선 레이저 광을 PIC 웨이퍼의 입력 격자에 집속하도록 구성된다.
일 구현 예에서, 웨이퍼 층은 레이저 캐리어 웨이퍼 및 SOA 캡 웨이퍼를 포함한다. 레이저는 레이저 캐리어 웨이퍼에 커플된다. SOA 캡 웨이퍼는 LIDAR 장치의 환경으로부터 SOA를 밀봉하고, SOA 캡 웨이퍼는 PIC 웨이퍼와 레이저 캐리어 웨이퍼 사이에 배치된다.
본 개시 내용의 구현 예들은 LIDAR 장치, 광 검출기, 및 하나 이상의 프로세서들을 포함하는 자율 주행 차량을 포함한다. LIDAR 장치는 레이저 어셈블리 계층 및 포토닉 집적 회로(PIC) 계층을 포함한다. 레이저 어셈블리 계층은 근적외선 레이저 광을 방출하도록 구성된 근적외선 레이저를 포함한다. PIC 계층은 반도체 광 증폭기(SOA) 및 근적외선 레이저 광을 PIC 웨이퍼에 인커플하고 근적외선 레이저 광을 SOA로 보내도록 구성된 PIC 웨이퍼를 포함한다. 광 검출기는 SOA에 의해 생성된 증폭된 레이저 광을 반사하는 자율 주행 차량의 환경 내의 객체들로부터 반사된 근적외선 레이저 광을 수광하도록 구성된다. 하나 이상의 프로세서들은 광 검출기에 의해 생성된 신호들에 응답하여 자율 주행 차량을 제어한다.
일 구현 예에서, 웨이퍼 층이 레이저 어셈블리 계층과 PIC 웨이퍼 사이에 배치된다. 웨이퍼 층은 근적외선 레이저 광에 대해 투명하다.
본 발명의 비제한적이고 비포괄적인 구현 예들은 다음의 도면들을 참조하여 설명되며, 유사한 참조 번호는 달리 명시되지 않는다면 다양한 도면에 걸쳐 유사한 부분을 나타낸다.
도 1a 및 도 1b는 본 개시 내용의 구현 예들에 따른 레이저 어셈블리 계층 및 PIC 계층을 포함하는 장치를 예시한다.
도 2는 본 개시 내용의 구현 예들에 따른 레이저 어셈블리 계층 및 PIC 계층 - PIC 계층은 PIC 웨이퍼의 출구 특징부로서 출구 렌즈를 포함함 - 을 포함하는 장치를 예시한다.
도 3은 본 개시 내용의 구현 예들에 따른 레이저 어셈블리 계층 및 웨이퍼 층 - 해당 웨이퍼 층의 레이저 캐리어 웨이퍼에 포함된 집속 렌즈를 포함함 - 을 포함하는 장치를 예시한다.
도 4는 본 개시 내용의 구현 예들에 따른 레이저 어셈블리 계층 및 PIC 계층의 PIC 웨이퍼에 포함된 집속 렌즈를 포함하는 장치를 예시한다.
도 5는 본 개시 내용의 구현 예들에 따른 레이저 어셈블리 계층 및 웨이퍼 층의 집적 웨이퍼에 포함된 집속 렌즈를 포함하는 장치를 예시한다.
도 6-9는 본 개시 내용의 구현 예들에 따른 레이저 및 포토닉 소자를 제조하기 위한 광학 구조체들의 측면도 및 평면도를 예시한다.
도 10-13은 본 개시 내용의 구현 예들에 따른 PIC 웨이퍼를 포함하는 광학 구조체들의 측면도 및 평면도를 예시한다.
도 14는 본 개시 내용의 구현 예들에 따른 도 9의 광학 구조체 및 도 13의 광학 구조체를 포함하는 광학 구조체의 측면도 및 평면도를 예시한다.
도 15a는 본 개시 내용의 구현 예들에 따른 예시적인 센서들의 어레이를 포함하는 자율 주행 차량을 예시한다.
도 15b는 본 개시 내용의 구현 예들에 따른 예시적인 센서들의 어레이를 포함하는 자율 주행 차량의 상면도를 예시한다.
도 15c는 본 개시 내용의 구현 예들에 따른 센서들, 파워트레인 및 제어 시스템을 포함하는 예시적인 차량 제어 시스템을 예시한다.
광 검출 및 거리 측정(LIDAR) 장치 및 시스템에 구현될 수 있는 레이저 및 포토닉(photonics) 패키징의 구현 예들이 본 명세서에 설명된다. 이어지는 설명에서, 구현 예들의 대한 철저한 이해를 제공하기 위해 수많은 특정한 세부 사항들이 설명된다. 그러나, 관련 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 명세서에 설명된 기술이 하나 이상의 특정한 세부 사항들이 없이 실시될 수 있거나, 다른 방법들, 구성요소들 또는 재료들과 함께 실시될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 다른 예에서, 잘 알려진 구조들, 재료들 또는 동작들은 특정한 양태들을 모호하게 하는 것을 피하기 위해 상세히 표시되거나 설명되지 않는다.
본 명세서 전반에 걸쳐 "하나의 구현 예(one implementation)" 또는 "일 구현 예(an implementation)"에 대한 언급은 구현 예과 관련하여 설명된 특정한 특징, 구조 또는 특성이 본 발명의 적어도 하나의 구현 예에 포함된다는 것을 의미한다. 따라서, 본 명세서 전반에 걸쳐 다양한 곳에서 "하나의 구현 예에서" 또는 "일 구현 예에서"라는 문구의 출현이 반드시 모두 동일한 구현 예를 지칭하는 것은 아니다. 더욱이, 특징들, 구조들, 또는 특성들은 하나 이상의 구현 예들에서 임의의 적절한 방식으로 조합될 수 있다.
자동차 산업은 현재 특정한 상황에서 차량을 제어하기 위한 자율 기능(autonomous feature)을 개발하고 있다. SAE 국제 표준 J3016에 따르면, 레벨 0(자율 없음)으로부터 레벨 5(모든 조건에서 운전자 입력 없이 작동할 수 있는 차량)까지의 6개 레벨의 자율성이 있다. 자율 기능을 갖는 차량은 차량이 주행하는 환경을 감지하기 위하여 센서를 활용한다. 센서로부터 데이터를 획득하고 처리하는 것은 차량이 이의 환경을 통해 주행할 수 있게 한다. 자율 주행 차량들은 그 환경을 감지하기 위한 개시된 LIDAR 장치들 및 시스템들 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 명세서 전반에 걸쳐, 여러 기술 용어들이 사용된다. 이러한 용어들은, 본 명세서에 구체적으로 정의되거나 이들의 사용 맥락상 명백히 달리 암시하지 않는 한, 해당 기술 분야에서의 이들의 통상적인 의미를 취해야 한다. 본 개시 내용의 목적을 위해, "자율 주행 차량(autonomous vehicle)"이라는 용어는 SAE 국제 표준 J3016의 임의의 자율 레벨에서의 자율 기능들을 갖는 차량을 포함한다.
본 개시 내용의 양태에서, 가시광선은 대략 380 nm 내지 700 nm의 파장 범위를 갖는 것으로 정의될 수 있다. 비가시광선은 자외선 및 적외선과 같이 가시광선 범위를 벗어난 파장들을 갖는 광으로 정의될 수 있다. 대략 700 nm 내지 1 mm의 파장 범위를 갖는 적외선은 근적외선을 포함한다. 본 개시 내용의 양태에서, 근적외선은 대략 700 nm 내지 1.6 ㎛의 파장 범위를 갖는 것으로 정의될 수 있다.
본 개시 내용의 구현 예들에서, "투명한(transparent)"이라는 용어는 90%를 초과한 광 투과율을 갖는 것으로 정의될 수 있다. 일부 구현 예들에서, "투명한"이라는 용어는 90%를 초과한 가시광선의 투과율을 갖는 재료로서 정의될 수 있다.
본 개시 내용은 웨이퍼 레벨 패키징 기술에 의해 실리콘 마이크로 광학 벤치(MOB)를 사용하여 밀봉되는 광 증폭기 및 반도체 레이저를 갖는 실리콘 포토닉 장치의 구성에 관한 것이다. 본 개시 내용의 구현 예들은 실리콘 포토닉 집적 회로(PIC), 레이저 다이오드들, 및 반도체 광 증폭기(SOA)뿐만 아니라, 포토다이오드들(PD), 집속 렌즈, 아이솔레이터들, 프리즘, 미러들 등과 같은 다른 광전자 및 마이크로 광학 구성요소들을 포함하는 실리콘 포토닉 패키지들의 설계 및 조립 공정들을 설명한다. 이러한 패키지들의 캐리어 및 인클로저는 실리콘 마이크로 기계 가공 기술들을 이용하여 제작된 실리콘 마이크로 벤치일 수 있다. 조립 공정들은 다이 또는 웨이퍼 레벨에서 수행될 수 있으며, 기밀 밀봉은 진공 또는 불활성 분위기 하에서 웨이퍼 접합에 의해 달성될 수 있다. 완성된 웨이퍼 어셈블리는 웨이퍼 레벨의 자동화된 테스트로 테스트된 다음, 다른 전자 처리 장치들과 통합될 수 있도록 완전히 기밀하게 밀봉된 PIC, LD 및 SOA를 포함하는 개별 다이들로 다이스-절단될 수 있다.
도 1a는 본 개시 내용의 구현 예들에 따른 레이저 어셈블리 계층(110) 및 PIC 계층(150)을 포함하는 장치(100)를 예시한다. 장치(100)는 자율 주행 차량에 활용되는 LIDAR 장치 및/또는 시스템에 포함될 수 있다. 장치(100)는 실리콘 PIC 웨이퍼(160), 하나 이상의 레이저 다이오드들(123), 및 SOA(151)를 포함하는 예시적인 포토닉 패키지를 예시한다. 장치(100)는 또한 추가의 포토다이오드들, 추가의 집속 렌즈들, 프리즘, 미러들, 및 /또는 빔 모니터링, 보정 및 스티어링 구성요소들과 같은 다른 광전자 및 마이크로 구성요소들을 포함할 수 있다.
레이저 어셈블리 계층(110)은 레이저 광(191)을 방출하도록 구성된 레이저(123)를 포함한다. 레이저(123)는 연속파(CW) 레이저일 수 있다. 레이저(123)는 적외선 레이저 광을 방출하는 적외선 레이저일 수 있다. 레이저(123)는 근적외선 레이저 광을 방출하는 근적외선 레이저일 수 있다. 도 1a에서, 레이저 어셈블리 계층(110)은 또한 포토다이오드(121), 레이저 렌즈(125), 및 아이솔레이터(127)를 포함한다. 레이저 어셈블리 계층(110)은 또한 장치(100)의 환경으로부터 레이저(123, 및 레이저 어셈블리 계층(110)의 다른 구성요소들)를 밀봉하는 캐핑층(111)을 포함한다. 미러(115)는 캐핑층(111)의 경사벽 상에 배치된다. 일부 구현 예들에서, 미러(115)는 캐핑층(111)의 경사벽 상에 배치되지 않는 개별 구성요소일 수 있다.
장치(100)의 웨이퍼 층(130)은 레이저 어셈블리 계층(110)과 PIC 계층(150)의 PIC 웨이퍼(160) 사이에 배치된다. 웨이퍼 층(130)은 실리콘일 수 있다. 일 구현 예에서, 웨이퍼 층(130)은 단결정 실리콘으로 형성된다. 특히, 실리콘은 적외선 파장들에서 적어도 부분적으로 투명하다. 실리콘은 일부 적외선 파장들에서 투명한 것으로 간주될 수 있다. 도 1a에서, 웨이퍼 층(130)은 레이저 캐리어 웨이퍼(131) 및 SOA 캡 웨이퍼(132)를 포함한다. 레이저 캐리어 웨이퍼(131) 및 SOA 캡 웨이퍼(132)는 실리콘 또는 다른 반도체 재료일 수 있다. 레이저 캐리어 웨이퍼(131)와 SOA 캡 웨이퍼(132)는 함께 접합될 수 있다. 광학 구성요소들(121, 123, 125) 및 아이솔레이터(127)는 레이저 캐리어 웨이퍼(131)에 커플될 수 있다. 캐핑층(111)은 레이저 캐리어 웨이퍼(131)에 의해 지지된다.
웨이퍼 층(130)은 장치(100)의 환경으로부터 SOA(151)를 밀봉하도록 구성된다. 도 1a의 특정한 구현 예에서, SOA 캡 웨이퍼(132)는 장치(100)의 환경으로부터 SOA(151)를 밀봉하도록 구성된다. SOA 캡 웨이퍼(132)는 PIC 웨이퍼(160)와 레이저 캐리어 웨이퍼(131) 사이에 배치된다. 웨이퍼 층(130)은 레이저 어셈블리 계층(110)으로부터 (도 1a의 예시된 구현 예에서 미러(115)로부터 반사된) 레이저 광(193)을 수광하도록 구성된 집속 렌즈(133)를 포함한다. 집속 렌즈(133)는 웨이퍼 층(130)에 통합된다. 도 1a에서, 집속 렌즈(133)는 SOA 캡 웨이퍼(132)에 통합된다. 집속 렌즈(133)는 레이저 광(193)을 PIC 웨이퍼(160)의 입력 격자(163)에 집속하도록 구성된다. 집속 렌즈(133)의 렌즈화 곡률은 SOA 캡 웨이퍼(132)에 집속 렌즈(133)를 형성하는 서브트랙티브 공정(subtractive process, 예를 들어, 플라즈마 에칭 기술)에서 형성될 수 있다.
일 구현 예에서, PIC 웨이퍼(160)는 단결정 실리콘으로 형성된다. PIC 웨이퍼(160)는 입력 격자(163) 및 출력 격자(165)를 포함한다. 입력 격자(163) 및 출력 격자(165)는 단결정 실리콘으로 형성된 회절 광학 요소들일 수 있다. 입력 격자(163)는 (미러(115)로부터 반사된) 레이저 광(193)을 인커플하고 인커플된 레이저 광(195)으로서 레이저 광(193)을 SOA(151)로 유도하도록 구성된다. 입력 격자(163)는 표면 릴리프 기술을 이용하여 형성될 수 있다. 입력 격자(163)는 특정한 파장을 갖고 특정한 각도로 수광된 광을 인커플(및 방향전환)하도록 설계될 수 있다. 집속 렌즈(133)는 레이저 광(193)을 수광하고 입력 격자(163)의 효율을 증가시키는 특정한 각도로 입력 격자(163)를 조명하도록 구성될 수 있다. 집속 렌즈(133)는 또한 인커플링 효율을 증가 및/또는 최대화하기 위해 입력 격자(163)의 2차원 영역을 조명하도록 구성될 수 있다.
SOA(151)는 입력 격자(163)로부터 인커플된 레이저 광(195)을 수광한다. 인커플된 레이저 광(195)은 SOA(151)에 의해 증폭되고 증폭된 레이저 광(197)으로서 출력 격자(165)로 유도된다. 도 1b는 PIC 웨이퍼(160) 및 SOA(151)를 다소 확대한 도면을 예시한다. 도 1b에서, 인커플된 레이저 광(195)은 파선 화살표로 표시되고, 증폭된 레이저 광(197)은 점선 화살표로 표시된다. 도 1a에서, 땜납(152)은 SOA(151)를 PIC 웨이퍼(160)에 고정한다. SOA(151)는 PIC 웨이퍼(160)에 플립-접합될 수 있다. SOA(151)를 PIC 웨이퍼(160)에 연결하기 위해 전기적 패드들 및 트레이스(trace)들이 PIC 웨이퍼(160) 상에 형성될 수 있다. 출력 격자(165)는 SOA(151)로부터 증폭된 레이저 광(197)을 수광하고, PIC 웨이퍼(160)로부터 증폭된 레이저 광(197)을 아웃커플한다. 도 1a의 도시에서, 출력 격자(165)는 출력 광(198)을 생성한다. 출구 특징부(169)는 증폭된 레이저 광을 수광하고, PIC 웨이퍼(160)로부터 증폭된 레이저 광을 출력 광(199)으로서 아웃커플한다. 도 1a의 특정한 구현 예에서, 출구 특징부(169)는 출력 광(198)으로서 출력 격자(165)를 통해 증폭된 레이저 광(197)을 수광한다. 출구 특징부(169)는 PIC 웨이퍼(160)에 통합될 수 있고, 특정한 설계 각도의 출력 광(199)을 다른 장치(미도시)로 유도하도록 설계될 수 있다. 도 1a의 특정한 구현 예에서, 출구 특징부(169)는 PIC 웨이퍼(160)의 서브트랙티브 공정(예를 들어, 화학적 에칭 기술)에서 형성될 수 있는 프리즘 구조체이다.
동작 중, 레이저(123)는 레이저 광(191)을 방출한다. 레이저 렌즈(125)는 레이저 광을 콜리메이트(collimate)할 수 있다. 레이저 렌즈(125)는 레이저(123)와 미러(115) 사이에 배치된다. 도 1a의 특정한 구현 예에서, 레이저 렌즈(125)는 아이솔레이터(127)와 레이저(123) 사이에 배치된다. 아이솔레이터(127)는 레이저 렌즈(125)로부터 레이저 광(191)을 수광한다. 아이솔레이터(127)는 광학 시스템에서 아이솔레이터(127)에 후속하는 광학 요소들로부터 레이저(123)를 광학적으로 격리시킨다. 예를 들어, 아이솔레이터(127)는 레이저 광이 미러(115)에 의해 레이저(123)로 다시 반사되는 것을 방지한다. 미러(115)는 아이솔레이터(127)로부터 레이저 광을 수광하고 레이저 광을 레이저 광(193)으로서 렌즈(133)에 반사한다. 레이저 광(193)은 적외선 레이저 광일 수 있고 실리콘은 적외선에 대해 적어도 부분적으로 투명하기 때문에, 레이저 광(193)은 집속 렌즈(133)로 전파된다. 집속 렌즈(133)는 레이저 광(193)을 입력 격자(163)에 집속하고 입력 격자(163)는 레이저 광(193)을 인커플된 레이저 광(195)으로서 PIC 웨이퍼(160)에 인커플한다.
인커플된 레이저 광(195)은 PIC 웨이퍼(160)에 형성된 (구체적으로 도시되지 않은) 도파관들에 의해 획정된 SOA(151)로 전파될 수 있다. PIC 웨이퍼(160)는 인커플된 레이저 광(195)을 수광하고 레이저 광(195)을 SOA(151)의 하나 이상의 입력들로 인커플하는 것을 용이하게 할 수 있는 (도 1a에 구체적으로 도시되지 않은) 에지 커플러들을 포함할 수 있다. SOA(151)는 인커플된 레이저 광(195)을 증폭하고 증폭된 레이저 광(197)을 출력한다. PIC 웨이퍼(160)는 증폭된 레이저 광(197)을 PIC 웨이퍼(160)로 출력하는 것을 용이하게 할 수 있는 (도 1a에 구체적으로 도시되지 않은) 에지 커플러들을 포함할 수 있다. 증폭된 레이저 광(197)은 PIC 웨이퍼(160)에 형성된 (구체적으로 도시되지 않은) 도파관들에 의해 획정된 출력 격자(165)로 전파될 수 있다. 출력 격자(165)는 증폭된 레이저 광(197)을 수광하고 광을 출력 광(198)으로서 재유도한다. 출구 특징부(169)는 출력 광(198)을 수광하고 광을 출력 광(199)으로서 아웃커플한다.
도 2는 본 개시 내용의 구현 예들에 따른 레이저 어셈블리 계층(110) 및 PIC 웨이퍼(260)의 출구 특징부로서 출구 렌즈(271)를 포함하는 PIC 계층(250)을 포함하는 장치(200)를 예시한다. 장치(200)의 일부 구조는 장치(100)와 동일하지만, PIC 웨이퍼(260)의 출구 특징부는 프리즘이 아니라 출구 렌즈(271)이다. 출구 렌즈(271)는 PIC 웨이퍼(260)에 통합된다. 출구 렌즈(271)의 렌즈화 곡률은 PIC 웨이퍼(260)에 출구 렌즈(271)를 형성하는 서브트랙티브 공정(예를 들어, 플라즈마 에칭 기술)으로 형성될 수 있다. 렌즈화 곡률은 구면 또는 비구면일 수 있고, 출력 광(299)을 특정한 각도로 출력하도록 구성될 수 있다.
도 3은 본 개시 내용의 구현 예들에 따른 레이저 어셈블리 계층(110) 및 웨이퍼 층(330)의 레이저 캐리어 웨이퍼(331)에 포함된 집속 렌즈(333)를 포함하는 웨이퍼 층(330)을 포함하는 장치(300)를 예시한다. 장치(300)의 일부 구조는 장치(100)와 동일하지만, 도 1a에서와 같이 집속 렌즈(133)가 SOA 캡 웨이퍼(132)에 통합되기보다는 집속 렌즈(333)가 레이저 캐리어 웨이퍼(331)에 통합된다. 도 3에서, 집속 렌즈(333)는 레이저 캐리어 웨이퍼(331)로 형성되고, SOA 캡 웨이퍼(332) 내로 돌출된 집속 렌즈(333)를 수용하기 위해 대응하는 보이드(339)가 SOA 캡 웨이퍼(332)에 형성된다. 집속 렌즈(333)의 렌즈화 곡률은 레이저 캐리어 웨이퍼(331)에 집속 렌즈(333)를 형성하는 서브스트랙티브 공정(예를 들어, 플라즈마 에칭 기술)으로 형성될 수 있다. 렌즈화 곡률은 구면 또는 비구면일 수 있고, 레이저 광(193)을 특정한 각도로 입력 격자(163)에 집속하도록 구성될 수 있다.
도 4는 본 개시 내용의 구현 예들에 따른 레이저 어셈블리 계층(110) 및 PIC 계층(450)의 PIC 웨이퍼(460)에 포함된 집속 렌즈(433)를 포함하는 장치(400)를 예시한다. 장치(400)의 일부 구조는 장치(100)와 동일하지만, 도 1a에서와 같이 집속 렌즈(133)가 SOA 캡 웨이퍼(132)에 통합되기보다는 집속 렌즈(433)가 PIC 웨이퍼(460)에 통합된다. 도 4에서, 집속 렌즈(433)는 PIC 웨이퍼(460)로 형성되고, SOA 캡 웨이퍼(432) 내로 돌출된 집속 렌즈(433)를 수용하기 위해 대응하는 보이드(439)가 SOA 캡 웨이퍼(432)에 형성된다. 집속 렌즈(433)의 렌즈화 곡률은 PIC 웨이퍼(460)에 집속 렌즈(433)를 형성하는 서브스트랙티브 공정(예를 들어, 플라즈마 에칭 기술)으로 형성될 수 있다. 렌즈화 곡률은 구면 또는 비구면일 수 있고, 레이저 광(193)을 특정한 각도로 입력 격자(163)에 집속하도록 구성될 수 있다.
도 5는 본 개시 내용의 구현 예들에 따른 레이저 어셈블리 계층(110) 및 웨이퍼 층(530)의 통합 웨이퍼(531)에 포함된 집속 렌즈(533)를 포함하는 장치(500)를 예시한다. 통합 웨이퍼(531)는 레이저 캐리어 웨이퍼 및 SOA 캡 층 모두로서 기능한다. 웨이퍼 층(530)은 실리콘의 연속층으로 형성될 수 있다. 도 5에서, 집속 렌즈(533)는 통합된 웨이퍼(531)로 형성된다. 집속 렌즈(533)의 렌즈화 곡률은 통합 웨이퍼(531)에 집속 렌즈(533)를 형성하는 서브스트랙티브 공정(예를 들어, 플라즈마 에칭 기술)으로 형성될 수 있다. 렌즈화 곡률은 구면 또는 비구면일 수 있고, 레이저 광(193)을 특정한 각도로 입력 격자(163)에 집속하도록 구성된다.
도 6은 본 개시 내용의 구현 예들에 따른 레이저 및 포토닉 소자를 제조하기 위한 광학 구조체(601)의 측면도 및 평면도를 예시한다. 도 6의 좌측은 레이저 캐리어 웨이퍼(131)를 포함하는 광학 구조체(601)의 측면도를 예시한다. 도 6의 우측은 온도 센서(640) 및 언더 범프 금속(under-bump metal: UBM) 패드(642)를 포함하는 광학 구조체(601)의 평면도를 예시한다. 금속 트레이스들 및 패드들은 장치들에 전력을 제공하고 전기 신호들을 전송 및 수신하는 것을 용이하게 하기 위해 레이저 캐리어 웨이퍼(131) 상에 형성될 수 있다. 땜납 트레이스는 전기 및/또는 광학 구성요소들을 위한 트레이스들 및 패드들을 포위하거나 둘러싸서 제조되고 있는 장치의 환경으로부터 전기 및/또는 광학 구성요소들을 기밀하게 밀봉하는 것을 도울 수 있다. 광학 구조체(601)의 제조는 온도 센서(640), 납땜을 위한 금속 필름 스택, 및 전원 공급 및 장치 모니터링을 위한 전기 트레이스들과 같은 박막 구조체들을 갖는 레이저 캐리어 웨이퍼를 제조하는 것을 포함할 수 있다.
도 7은 본 개시 내용의 구현 예들에 따른 레이저 및 포토닉 소자를 제조하기 위한 광학 구조체(701)의 측면도 및 평면도를 예시한다. 도 7의 좌측은 레이저 캐리어 웨이퍼(131)에 커플된 포토다이오드(121) 및 레이저(123)를 갖는 광학 구조체(701)의 측면도를 예시한다. 포토다이오드(121) 및 레이저(123)는 레이저 캐리어 웨이퍼(131) 상에 형성된 전기 패드들에 금 와이어들로 와이어 접합될 수 있다. 도 7의 우측은 레이저 캐리어 웨이퍼(131) 상에 형성된 전기 패드들에 와이어 접합된 포토다이오드(121) 및 레이저(123)를 포함하는 광학 구조체(701)의 평면도를 예시한다.
도 8은 본 개시 내용의 구현 예들에 따른 레이저 및 포토닉 소자를 제조하기 위한 광학 구조체(801)의 측면도 및 평면도를 예시한다. 도 8의 좌측은 레이저 캐리어 웨이퍼(131)에 커플된 포토다이오드(121), 레이저(123), 레이저 렌즈(125) 및 아이솔레이터(127)를 갖는 광학 구조체(801)의 측면도를 예시한다. 레이저 렌즈(125) 및 아이솔레이터(127)는 수동 포토닉 소자로 간주될 수 있다. 레이저 빔 콜리메이션 및 정렬은 조립 과정에서 능동 정렬로 달성될 수 있다. 레이저(123)는 레이저 광(191)을 방출하고, 레이저 렌즈(125)는 레이저 광(191)을 콜리메이트된 레이저 광으로 콜리메이트한다. 도 8의 우측은 광학 구조체(801)의 평면도를 예시한다.
도 9는 본 개시 내용의 구현 예들에 따른 레이저 및 포토닉 소자를 제조하기 위한 광학 구조체(901)의 측면도 및 평면도를 예시한다. 도 9의 좌측은 광학 구조체(801)의 전기적 및 광학적 구성요소들을 캐핑 및 밀봉하는 캐핑층(111)을 갖는 광학 구조체(901)의 측면도를 예시한다. 도 9의 캐핑 공정은 레이저들의 기밀한 밀봉을 제공하기 위해 진공에서 또는 불활성 분위기 하에서 수행될 수 있다. 캐핑층(111)은 또한 (도 9에 도시되지 않은) PIC 계층을 향해 레이저 광을 재유도하는 내장 미러(115)를 포함한다. 도 9의 우측은 광학 구조체(901)의 평면도를 예시한다. 캐핑층(111)은 광학 구조체(901)에 포함된 전기적 및 광학적 구성요소들을 밀봉하기 위해 땜납 트레이스와 일치하도록 크기가 형성될 수 있다.
도 10은 본 개시 내용의 구현 예들에 따른 예시적인 PIC 웨이퍼(1060)를 포함하는 광학 구조체(1001)의 측면도 및 평면도를 예시한다. 도 10의 좌측(광학 구조체(1001)의 측면도)은 깊은 트렌치(1064) 및 지지대(1066)가 SOA(151)를 수용(및 정렬)하기 위해 PIC 웨이퍼(1060)에 형성될 수 있음을 보여준다. 깊은 트렌치(1064)는 SOA(151)를 PIC 웨이퍼(1060)의 트레이스들/패드들에 전기적으로 커플하기 위해 땜납을 수용하도록 구성된다. 지지대(1066)는 SOA(151)와 PIC 웨이퍼(1060) 사이에서 전파되는 레이저 빔들의 수직 정렬을 지원하도록 구성된다. PIC 웨이퍼(1060)는 또한 레이저 광을 조향하기 위해 PIC 웨이퍼(1060)로 형성된 내장 프리즘들 및/또는 렌즈들을 포함할 수 있다. 광학 구조체(1001)의 측면도는 일부 구현 예들에서 출력 격자(1065)가 입력 격자(1063)보다 PIC 웨이퍼(1060)에 더 깊게 배치될 수 있음을 보여준다. 레이저 광은 에지 커플러들(1068)을 통해 PIC 웨이퍼(1060)와 SOA(151, 도 12에 추가됨) 사이에서 전파된다. 도 10의 우측은 광학 구조체(1001)의 평면도를 예시한다.
도 11은 본 개시 내용의 구현 예들에 따른 PIC 웨이퍼(1060)의 깊은 트렌치(1064)에 형성된 땜납 볼들을 포함하는 광학 구조체(1101)의 측면도 및 평면도를 예시한다. 땜납 볼들은 깊은 트렌치(1064)에 주입(범핑)되고 지지대들(1066)의 높이 아래로 오래된 볼들의 높이를 낮추기 위해 프레스(코인(coin))될 수 있다.
도 12는 본 개시 내용의 구현 예들에 따른 PIC 웨이퍼(1060)에 SOA(151)를 접합하는 것을 포함하는 광학 구조체(1201)의 측면도 및 평면도를 예시한다. 일부 구현 예들에서, SOA(151)는 PIC 웨이퍼(1060)에 (P-측면이 아래로) 플립-칩 접합된다. SOA(151)는 PIC 웨이퍼(1060)의 에지 커플러들(1068)에 결합되는 입력 및 출력 포트들을 동일한 에지에 포함한다. 수직 정렬이 지지대들(1066)의 사전 설정 높이에 의해 조절되는 동안 플립-칩 접합에 의해 수평 정렬이 달성된다. 땜납 볼들이 가열에 의해 리플로우(reflow)되면, 이들 볼은 팽창 상승되어 SOA(151) 표면 상의 금속 필름에 접촉됨으로써 SOA(151)를 PIC 웨이퍼(1060)에 납땜하게 된다.
도 13은 본 개시 내용의 구현 예들에 따른 렌즈(133)를 포함하는 SOA 캐핑 웨이퍼(132)로 SOA(151)를 캐핑하는 것을 포함하는 광학 구조체(1301)의 측면도 및 평면도를 예시한다. 도 13에 예시된 동작은 SOA(151)의 기밀 밀봉을 제공하기 위해 진공 또는 불활성 분위기에서 수행될 수 있다.
도 14는 본 개시 내용의 구현 예들에 따른 함께 접합되는 광학 구조체(901, 1301)를 포함하는 광학 구조체(1401)의 측면도 및 평면도를 예시한다. 광학 구조체(901, 1301)의 접합은 웨이퍼-웨이퍼 접합 또는 다이-웨이퍼 접합으로 수행될 수 있다. 접합 공정 후에, 웨이퍼는 다이스 절단될 수 있고, 알려진 양품 다이는 시스템의 다른 장치들과의 통합을 위해 픽업될 수 있다. TSV에 대한 와이어 접합 또는 납땜으로 전기적 연결을 제공할 수 있다.
본 개시 내용의 구현 예들은 장치 캐리어 및 인클로저로서 미세 가공된 실리콘 마이크로 광학 벤치(MOB)를 사용하여 실리콘 포토닉 패키지들의 제조를 허용한다. 전기적 및/또는 광학적 구성요소들은 생산 규모를 증가시키기 위해 웨이퍼-레벨에서 조립될 수 있다. 또한, 캡(예를 들어, 캐핑층(111) 및/또는 SOA 캡 웨이퍼(132))을 사용하여 진공 또는 불활성 분위기에서 웨이퍼 접합 공정을 통해 웨이퍼 상의 완성된 어셈블리 전체를 다른 캡 웨이퍼로 캐핑하는 것은 장치의 환경으로부터 개시된 장치들을 밀봉하는 데 도움이 된다.
단결정 실리콘 웨이퍼의 고유한 물리적 및 화학적 특성들은 실리콘 포토닉 구성요소들을 위한 패키지를 제조하는 데 도움이 될 수 있다. 예를 들어, 적외선 파장들에서의 단결정 실리콘의 투명성은 광통신 및 LIDAR를 포함한 많은 감지 응용 분야들에서 개시된 장치의 사용을 허용한다. 또한, 단결정 실리콘은 화학적으로 에칭되어 미러들과 프리즘들로 만들어질 수 있는 특정한 각도들에서 원자적으로 평탄한 패싯(facet)들을 형성할 수 있다. 또한, 단결정 실리콘은 플라즈마 에칭되어 웨이퍼에 내장된 마이크로 렌즈들을 형성할 수 있다. 단결정 실리콘은 견고한 보호층(passivation layer)으로서 매우 안정적인 산화물, 높은 열전도율, 우수한 기계적 강도를 가진다. 그 결과, 설계자들은 본 개시 내용에 설명된 바와 같이 포토닉 집적 회로, 마이크로 광학 장치들, 히트 싱크 및 기계적 지지와 같은 많은 주요 기능들을 하나의 실리콘 웨이퍼에 통합할 수 있다.
도 1a는 하이브리드로 통합된 실리콘 패키지를 예시한다. 하나는 대상 응용을 위한 모든 주요 기능들을 갖춘 PIC 웨이퍼(예를 들어, PIC 웨이퍼(160))를 구성하는 것으로 시작한다. 이 동일한 웨이퍼에 광 조향을 위한 미러들, 렌즈들 및 프리즘들과 같은 미세 광학 구성요소들을 제작할 수 있다. 또한, 에지 또는 격자 커플러들을 통해 PIC와 광원 사이에 커플된 광으로 레이저 다이오드들(LD) 또는 SOA 칩들을 부착하기 위한 칩 캐리어로 사용될 수 있다. LD와 SOA는 발열 소자들이며, 실리콘 웨이퍼는 히트 싱크 역할을 한다. 웨이퍼 레벨 패키징 접근 방식을 채택하여 설계자들은 잘 개발된 자동화된 웨이퍼 테스트 방법을 활용하여 웨이퍼의 전체에서 완성된 어셈블리들을 조사(probe)하고 선별(screen)하여 나중에 사용할 양품 다이(KGD)를 매핑할 수 있다. 어셈블리들을 웨이퍼 상에 유지하는 것은 웨이퍼 접합을 진공 또는 불활성 분위기에서 어셈블리들을 밀폐된 상태로 둘러싸기 위한 접근 가능한 기술이 되게 한다. 실제로, 여러 개의 다기능 실리콘 웨이퍼들을 제작하고 함께 접합할 수 있다.
도 1a-도 5는 레이저 어셈블리 계층, PIC 계층, 및 레이저 어셈블리 계층과 PIC 계층 사이에 배치된 웨이퍼 층을 포함하는 구조체를 공유하는 패키지 설계들의 상이한 구현 예들을 예시한다. 도 6-9는 레이저 어셈블리를 구성하기 위한 조립 공정을 예시한다. 조립 공정은 온도 센서, 납땜을 위한 금속 필름 스택, 전기적 연결을 위한 금속 트레이스들과 같은 다양한 박막 특징부들이 제공되는 레이저 캐리어 웨이퍼의 제조로 시작한다. 설계자들은 또한 전기적 연결을 위한 TSV(실리콘 관통 비아, 미도시)를 포함할 수 있다. 이 캐리어 상에 설계자들은 먼저 LD와 같은 능동 소자들을 납땜으로 부착할 수 있는 데, 이는 이들 소자들이 전력 집약적이고 방열의 이점이 있기 때문이다. 이들 소자들을 전기적으로 연결하는 TSV가 없는 경우 와이어 접합이 수행된다. 다음으로, 렌즈 및 아이솔레이터와 같은 수동 구성요소들이 정확하게 배치되도록 능동 정렬 공정에서 UV 점착 접착제로 부착될 수 있다. 이 조립 공정은 다이 레벨 및 웨이퍼 레벨 조립에 적용될 수 있다. 웨이퍼 레벨 어셈블리는 자동화된 테스트 및 밀폐를 허용할 수 있다. 웨이퍼 레벨 조립 공정에서, 인접 부위들에서 임의의 사전 부착된 땜납을 방해하지 않도록 국부적 가열로 납땜이 수행될 수 있다. 조립이 완료되고 웨이퍼가 기밀 상태로 캐핑된 후, 웨이퍼 테스트를 수행할 수 있으며 추후 사용을 위해 KGD를 다이스 절단할 수 있다.
도 10-13은 SOA 칩을 PIC 웨이퍼에 부착하기 위한 조립 공정을 예시한다. PIC 웨이퍼(예를 들어, PIC 웨이퍼(1060))는 땜납을 수용하기 위한 깊은 트렌치들(예를 들어, 트렌치(1064)) 및 SOA(151)를 기계적으로 지지하고 수직 정렬 기준을 제공하기 위한 지지대들(예를 들어, 지지대들(1066))을 제공한다. 땜납 볼들을 사용하는 것은 레이저 제팅(jetting) 또는 레이저 선별(screening)에 의한 도입을 허용한다. 땜납은 또한 트렌치 바닥에 전기 도금되고 리플로우되어 볼들을 형성할 수 있다. 땜납 퇴적물들의 부피와 형상은 다음 2가지 조건들을 충족하도록 결정될 수 있다. (1) 땜납은 SOA가 지지대 상에 배치될 때 SOA에 닿지 않아야 한다. (2) 땜납은 리플로우시 SOA(151)와 접촉하여 연결부를 형성하도록 팽창 상승되어야 한다. 실용적인 접근 방식은 언더 범프 금속(UBM) 패드의 직경을 그 위에 안착되는 땜납 볼보다 더 작게 하고 땜납 볼을 평탄하게 누르는 것이다(소위 "코이닝(coining)" 공정). 이 기술은 땜납 높이를 지지대보다 낮게 줄일 수 있다. 가열시, 땜납은 UBM 패드에 집합하게 되고, 해당 땜납은 제한된 패드 영역으로 인해 볼이 상승하여 SOA에 도달하게 된다. 이 배열은 땜납이 용융될 때 SOA의 약간의 미끄러짐을 야기할 수 있는 리플로우 이전에 땜납 바로 위에 SOA를 배치하는 것을 회피함으로써 정확한 정렬을 보장하도록 수행된다. PIC 웨이퍼의 다른 특징부들은 입력/출력 격자 및 에지 커플러들, 광 조향을 위한 프리즘들/렌즈들, 및 전기 연결을 위한 와이어 접합 패드들을 포함할 수 있다.
도 10-13에 예시된 구현 예들에서, 광은 격자 커플러들을 통해 PIC 내/외로 입력 및 출력되고, 광은 에지 커플러들을 통해 PIC와 SOA 사이를 이동한다. 따라서, SOA와 PIC는 직접 결합(맞대기 결합, butt coupling)이 가능하도록 조립되며, 이는 PIC의 에지 커플러들에 대한 SOA의 정확한 배치를 필요로 할 수 있다. 이를 위해, 지지대 높이를 정확하게 조정하여 적절한 수직 정렬을 제공하는 한편, 수평 정렬을 고정밀 플립 칩 본더(bonder)를 사용하여 관리할 수 있다. 다시 말해, 조립 공정은 다이 레벨 또는 웨이퍼 레벨 조립에 적용될 수 있다. 웨이퍼 레벨 조립은 자동화된 테스트 및 밀폐를 허용할 수 있다. 웨이퍼 레벨 조립 공정에서, 인접 부위들에서 임의의 사전 부착된 땜납을 방해하지 않도록 국부적 가열로 납땜을 수행할 수 있다. 조립이 완료되고 웨이퍼가 기밀 상태로 캐핑된 후, 웨이퍼 테스트를 수행하고 KGD를 매핑할 수 있다.
도 14는 레이저 유닛들을 SOA/PIC 유닛들에 부착하는 최종 조립 동작들을 예시한다. 이것은 웨이퍼-웨이퍼 또는 다이-웨이퍼 접합으로 달성될 수 있다. 전기적 연결이 예시된 바와 같은 2-단 와이어 접합 또는 TSV에 대한 (구체적으로 예시되지 않은) 납땜에 의해 제공될 수 있다.
도 15a는 본 개시 내용의 양태들에 따른 도 1a-14의 LIDAR 설계들을 포함할 수 있는 예시적인 자율 주행 차량(1500)을 예시한다. 예시된 자율 주행 차량(1500)은 자율 주행 차량의 외부 환경의 하나 이상의 객체들을 캡처하고 자율 주행 차량(1500)의 동작을 제어할 목적으로 캡처된 하나 이상의 객체들과 관련된 센서 데이터를 생성하도록 구성되는 센서들의 어레이를 포함한다. 도 15a는 센서(1533A, 1533B, 1533C, 1533D, 1533E)를 도시한다. 도 15b는 센서들(1533A, 1533B, 1533C, 1533D, 1533E)에 추가하여 센서들(1533F, 1533G, 1533H, 1533I)을 포함하는 자율 주행 차량(1500)의 상면도를 도시한다. 센서들(1533A, 1533B, 1533C, 1533D, 1533E, 1533F, 1533G, 1533H 및/또는 1533I) 중 임의의 것은 도 1a-14의 설계들을 포함하는 LIDAR 장치를 포함할 수 있다. 도 15c는 자율 주행 차량(1500)을 위한 예시적인 시스템(1599)의 블록도를 도시한다. 예를 들어, 자율 주행 차량(1500)은 에너지원(1506)에 의해 동력을 공급받고 구동 트레인(1508)에 동력을 제공할 수 있는 원동기(1504)를 포함하는 파워트레인(1502)을 포함할 수 있다. 자율 주행 차량(1500)은 방향 제어 장치(1512), 파워트레인 제어 장치(1514) 및 브레이크 제어 장치(1516)를 포함하는 제어 시스템(1510)을 더 포함할 수 있다. 자율 주행 차량(1500)은 사람 및/또는 화물을 수송할 수 있고 다양한 상이한 환경들에서 이동할 수 있는 차량들을 포함하는 임의의 수의 상이한 차량들로서 구현될 수 있다. 전술한 구성요소들(1502 내지 1516)은 이러한 구성요소들이 활용되는 차량의 유형에 따라 크게 달라질 수 있다는 것을 이해할 것이다.
이하에서 논의되는 구현 예들은 예를 들어, 승용차, 밴, 트럭 또는 버스와 같은 차륜형 육상 차량(wheeled land vehicle)에 중심으로 할 것이다. 이러한 구현 예들에서, 원동기(1504)는 (무엇보다도) 하나 이상의 전기 모터 및/또는 내연 기관을 포함할 수 있다. 에너지원은 예를 들어, (예를 들어, 가솔린, 디젤, 수소를 제공하는) 연료 시스템, 배터리 시스템, 태양 전지판 또는 기타 재생 가능한 에너지원 및/또는 연료 전지 시스템을 포함할 수 있다. 구동 트레인(1508)은 변속기 및/또는 원동기(1504)의 출력을 차량 모션으로 변환하는 데 적합한 임의의 다른 기계적 구동 구성요소들과 함께 휠들 및/또는 타이어들을 포함할 수 있을 뿐만 아니라, 자율 주행 차량(1500)을 제어 가능하게 정지시키거나 감속시키도록 구성되는 하나 이상의 브레이크들 또는 자율 주행 차량(1500)의 궤적을 제어하기에 적합한 방향 또는 조향 구성요소들(예를 들어, 자율 주행 차량(1500)의 하나 이상의 휠들이 대체로 수직인 축을 중심으로 피벗되게 하여 차량의 길이 방향 축에 대한 휠들의 회전 평면들의 각도를 변경시킬 수 있게 하는 랙 앤 피니언 조향 연결 장치(rack and pinion steering linkage))를 포함할 수 있다. 일부 구현 예들에서, (예를 들어, 전기/가스 하이브리드 차량의 경우) 파워트레인들과 에너지원들의 조합들이 사용될 수 있다. 일부 구현 예들에서, (예를 들어, 개별 휠들 또는 차축들에 전용인) 다중 전기 모터들이 원동기로 사용될 수 있다.
방향 제어 장치(1512)는 자율 주행 차량(1500)이 원하는 궤적을 따를 수 있도록 방향 또는 조향 구성요소들로부터 피드백을 수신하고 제어하기 위한 하나 이상의 액추에이터들 및/또는 센서들을 포함할 수 있다. 파워트레인 제어 장치(1514)는 파워트레인(1502)의 출력을 제어하여, 예를 들어 원동기(1504)의 출력 동력을 제어하고, 구동 트레인(1508)에서 변속기의 기어를 제어함으로써, 이에 의해 자율 주행 차량(1500)의 속도 및/또는 방향을 제어하도록 구성될 수 있다. 브레이크 제어 장치(1516)는 자율 주행 차량(1500)을 감속시키거나 정지시키는 하나 이상의 브레이크들, 예를 들어, 차량의 휠들에 결합된 디스크 또는 드럼 브레이크들을 제어하도록 구성될 수 있다.
본 개시 내용의 이익을 갖는 통상의 지식을 가진 자에 의해 이해되는 바와 같이, 오프로드 차량, 전 지형(all-terrain) 차량 또는 궤도 차량 또는 건설 장비를 포함하지만 이에 국한되지 않는 다른 차량 유형은 필연적으로 상이한 파워트레인들, 구동 트레인들, 에너지원들, 방향 제어 장치들, 파워트레인 제어 장치들 및 브레이크 제어 장치들을 사용할 것이다. 더욱이, 일부 구현 예들에서, 구성요소들의 일부는 예를 들어, 차량의 방향 제어 장치가 하나 이상의 원동기들의 출력을 변경함으로써 주로 처리되는 경우, 조합될 수 있다. 따라서, 본 명세서에 개시된 구현 예들은 자율 주행 차륜형 육상 차량에서의 본 명세서에 설명된 기술들의 특정한 응용으로 제한되지 않는다.
예시된 구현 예에서, 자율 주행 차량(1500)에 대한 자율 제어는 처리 로직(1522) 내 하나 이상의 프로세서들 및 하나 이상의 메모리들(1524)을 포함할 수 있으며, 처리 로직(1522)은 메모리(1524)에 저장된 프로그램 코드(예를 들어, 명령어(1526))를 실행하도록 구성된 차량 제어 시스템(1520)에서 구현된다. 처리 로직(1522)은 예를 들어, 그래픽 처리 유닛(들)(GPU) 및/또는 중앙 처리 유닛(들)(CPU)을 포함할 수 있다.
센서들(1533A 내지 1533I)은 자율 주행 차량의 동작을 제어하는 데 사용하기 위한 데이터를 자율 주행 차량의 주변 환경으로부터 수집하기에 적합한 다양한 센서들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 센서들(1533A 내지 1533I)은 RADAR 유닛(1534), LIDAR 유닛(1536), 예를 들어 GPS, GLONASS, BeiDou, Galileo 또는 Compass와 같은 위성 항법 시스템인 3D 포지셔닝 센서(들)(1538)를 포함할 수 있다. 도 1a-14의 LIDAR 설계들이 LIDAR 유닛(1536)에 포함될 수 있다. LIDAR 유닛(1536)은 예를 들어, 자율 주행 차량(1500) 주위에 분포된 복수의 LIDAR 센서들을 포함할 수 있다. 일부 구현 예들에서, 3D 포지셔닝 센서(들)(1538)는 위성 신호들을 사용하여 지구 상의 차량의 위치를 결정할 수 있다. 센서들(1533A 내지 1533I)은 선택적으로 하나 이상의 초음파 센서들, 하나 이상의 카메라들(1540) 및/또는 관성 측정 유닛(Inertial Measurement Unit(IMU), 1542)을 포함할 수 있다. 일부 구현 예들에서, 카메라(1540)는 모노그래픽 또는 스테레오그래픽 카메라일 수 있고 정지영상 및/또는 동영상들을 기록할 수 있다. 카메라(1540)는 자율 주행 차량(1500)의 외부 환경에서 하나 이상의 객체들의 이미지들을 캡처하도록 구성되는 CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) 이미지 센서를 포함할 수 있다. IMU(1542)는 3개의 방향들에서 자율 주행 차량(1500)의 선형 및 회전 모션을 검출할 수 있는 다수의 자이로스코프들 및 가속도계들을 포함할 수 있다. 휠 인코더들과 같은 하나 이상의 인코더들(미도시)이 자율 주행 차량(1500)의 하나 이상의 휠들의 회전을 모니터링하는 데 사용될 수 있다.
센서들(1533A 내지 1533I)의 출력들은 위치 파악(localization) 서브시스템(1552), 궤적(trajectory) 서브시스템(1556), 지각(perception) 서브시스템(1554) 및 제어 시스템 인터페이스(1558)를 포함하는 제어 서브시스템(1550)에 제공될 수 있다. 위치 파악 서브시스템(1552)은 자율 주행 차량(1500)의 위치 및 지향(또는 때로 "포즈(pose)"라고도 함)을 이의 주변 환경 내에서, 그리고 일반적으로 특정한 지리적 영역 내에서 결정하도록 구성된다. 자율 주행 차량의 위치는 레이블이 지정된 자율 주행 차량 데이터를 생성하는 기능의 일부로서 동일한 환경 내의 추가 차량의 위치와 비교될 수 있다. 지각 서브시스템(1554)은 자율 주행 차량(1500)을 둘러싸는 환경 내의 객체들을 검출, 추적, 분류 및/또는 결정하도록 구성될 수 있다. 궤적 서브시스템(1556)은 환경 내에서 정지 및 이동하는 객체들뿐만 아니라 원하는 목적지를 고려할 때 특정한 타임프레임에 걸친 자율 주행 차량(1500)을 위한 궤적을 생성하도록 구성된다. 여러 구현 예들에 따른 기계 학습 모델은 차량 궤적을 생성하는 데 활용될 수 있다. 제어 시스템 인터페이스(1558)는 자율 주행 차량(1500)의 궤적을 구현하기 위해 제어 시스템(1510)과 통신하도록 구성된다. 일부 구현 예들에서, 기계 학습 모델이 계획된 궤적을 구현하기 위해 자율 주행 차량을 제어하는 데 활용될 수 있다.
차량 제어 시스템(1520)은 센서들(1533)에 포함된 광 검출기들에 의해 생성된 신호들에 응답하여 자율 주행 차량(1500)의 파워트레인(1502)을 제어하도록 구성될 수 있다. 하나 이상의 광 검출기들(예를 들어, 포토다이오드들 또는 이미지 센서들)은 SOA(151)에 의해 생성되고 장치들로부터 출력 광(199)으로서 아웃커플된 증폭된 레이저 광을 반사하는 자율 주행 차량 제어 시스템의 환경 내의 타겟들(예를 들어, 객체들)로부터 반사된 적외선 레이저 광을 수광하도록 구성될 수 있다. 광 검출기들은 LIDAR 유닛(들)(1536)에 포함될 수 있고, 도 1a-14에 개시된 장치들도 LIDAR 유닛(들)(1536)에 포함될 수 있다. 차량 제어 시스템(1520)은 복수의 LIDAR 센서들(1536)로부터의 출력들에 응답하여 자율 주행 차량(1500)의 파워트레인(1502)을 제어하도록 구성될 수 있다.
차량 제어 시스템(1520)을 위한 도 15c에 도시된 구성요소들의 집합은 단지 본질적으로 예시적이라는 것이 이해될 것이다. 개별 센서들은 일부 구현 예들에서 생략될 수 있다. 일부 구현 예들에서, 도 15c에 도시된 상이한 유형의 센서들이 중복성을 위해 그리고/또는 자율 주행 차량을 둘러싸는 환경 내 다른 영역을 커버하기 위하여 사용될 수 있다. 일부 구현 예들에서, 상이한 유형들 및/또는 조합들의 제어 서브시스템들이 사용될 수 있다. 또한, 서브시스템들(1552 내지 1558)은 처리 로직(1522) 및 메모리(1524)와 별개인 것으로 도시지만, 일부 구현 예들에서, 서브시스템들(1552 내지 1558)의 기능의 일부 또는 전부가 메모리(1524)에 상주하고 처리 로직(1522)에 의해 실행되는 명령어들(1526)와 같은 프로그램 코드로 구현될 수 있고, 이러한 서브 시스템들(1552 내지 1558)은 일부 경우에 동일한 프로세서(들) 및/또는 메모리를 사용하여 구현될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 일부 구현 예들에서 서브시스템들은 다양한 전용 회로 로직, 다양한 프로세서들, 다양한 필드 프로그래머블 게이트 어레이들(FPGA), 다양한 주문형 집적 회로들(ASIC), 다양한 실시간 컨트롤러들 등을 적어도 부분적으로 사용하여 구현될 수 있으며, 전술한 바와 같이, 다중 서브시스템들은 회로, 프로세서들, 센서들 및/또는 다른 구성요소들을 활용할 수 있다. 또한, 차량 제어 시스템(1520)의 다양한 구성요소들은 다양한 방식으로 네트워크화될 수 있다.
일부 구현 예들에서, 소프트웨어, 하드웨어, 회로 로직, 센서들, 및 네트워크들의 다양한 조합들을 포함하는 수많은 상이한 아키텍처들이 도 15c에 예시된 다양한 구성요소들을 구현하는 데 사용될 수 있다. 각각의 프로세서는 예를 들어, 마이크로프로세서로 구현될 수 있으며, 각각의 메모리는 주 저장 장치 및 임의의 보조 레벨들의 메모리 - 예를 들어, 캐시 메모리들, 비휘발성 또는 백업 메모리들(예를 들어, 프로그램 가능 또는 플래시 메모리들), 및 읽기 전용 메모리들 - 를 포함하는 랜덤 액세스 메모리(RAM) 장치들을 나타낼 수 있다. 또한, 각각의 메모리는 물리적으로 자율 주행 차량(1500)의 다른 곳에 위치된 메모리 저장 장치, 예를 들어 프로세서 내의 캐시 메모리 및 (예컨대, 대용량 저장 장치 또는 다른 컴퓨터 컨트롤러에 격납되어) 가상 메모리로 사용되는 임의의 저장 용량을 포함하는 것으로 간주될 수 있다. 도 15c에 도시된 처리 로직(1522) 또는 완전히 별개인 처리 로직을 사용하여 자율 주행 제어 목적 이외의 자율 주행 차량(1500)의 추가 기능, 예를 들어, 엔터테인먼트 시스템들을 제어하고 도어들, 조명들, 또는 편의 기능들을 작동시키는 추가 기능을 구현하는 데 사용될 수 있다.
또한, 추가적인 저장을 위해, 자율 주행 차량(1500)은 또한 하나 이상의 대용량 저장 장치들, 예를 들어, 특히, 이동식 디스크 드라이브, 하드 디스크 드라이브, 직접 액세스 저장 장치(DASD), 광학 드라이브(예를 들어, CD 드라이브, DVD 드라이브 등), 고체 상태 저장 드라이브(SSD), 네트워크 연결된 저장 장치, 저장 영역 네트워크 및/또는 테이프 드라이브 등을 포함할 수 있다. 또한, 자율 주행 차량(1500)은 자율 주행 차량(1500)이 탑승자로부터 다수의 입력들을 수신하고 탑승자에 대한 출력들을 생성토록 하는, 예를 들어, 하나 이상의 디스플레이들, 터치스크린들, 음성 및/또는 제스처 인터페이스들, 버튼들 및 다른 촉각 제어 장치와 같은 사용자 인터페이스(1564)를 포함할 수 있다. 일부 구현 예들에서, 탑승자로부터의 입력은 다른 컴퓨터 또는 전자 장치, 예를 들어 모바일 장치의 앱 또는 웹 인터페이스를 통해 수신될 수 있다.
일부 구현 예들에서, 자율 주행 차량(1500)은 하나 이상의 네트워크(1570, 예를 들어, 특히, 근거리 통신망(LAN), 광역 통신망(WAN), 무선 네트워크 및/또는 인터넷)와의 통신에 적절한 네트워크 인터페이스(1562)와 같은 하나 이상의 네트워크 인터페이스들을 포함하여, 다른 컴퓨터들 및 전자 장치들과의 정보 통신을 허용할 수 있다. 상기 정보 통신은 예를 들어, 클라우드 서비스와 같은 중앙 서비스를 포함하며, 자율 주행 차량(1500)은 상기 서비스로부터 그 자율 주행 제어에 사용되는 환경 및 다른 데이터를 수신한다. 일부 구현 예들에서, 하나 이상의 센서들(1533A-1533I)에 의해 수집된 데이터는 네트워크(1570)를 통해 컴퓨팅 시스템(1572)에 업로드되어 추가적인 처리될 수 있다. 이러한 구현 예들에서, 타임 스탬프가 업로드 전에 차량 데이터의 각각의 경우(instance)와 연관될 수 있다.
도 15c에 도시된 처리 로직(1522) 및 여기에 개시된 다양한 추가적인 컨트롤러들과 서브시스템들은 아래에 더 상세히 설명되는 바와 같이 일반적으로 운영 시스템의 제어 하에 작동하고 다양한 컴퓨터 소프트웨어 애플리케이션들, 컴포넌트들, 프로그램들, 개체들, 모듈들 또는 데이터 구조들을 실행하거나 아니면 이들에 의존한다. 더욱이, 다양한 애플리케이션들, 컴포넌트들, 프로그램들, 객체들 또는 모듈들은 또한 네트워크(1570)를 통해 자율 주행 차량(1500)에 결합된 다른 컴퓨터의 하나 이상의 프로세서들에서, 예를 들어 분산 컴퓨팅, 클라우드 기반 컴퓨팅 또는 클라이언트-서버 컴퓨팅 환경에서 실행할 수 있어서 컴퓨터 프로그램의 기능을 구현하는 데 필요한 처리가 네트워크를 통해 다수의 컴퓨터들 및/또는 서비스들에 할당될 수 있다.
운영 시스템의 일부로 구현되거나, 특정한 애플리케이션, 컴포넌트, 프로그램, 객체, 모듈 또는 명령어들의 시퀀스, 또는 이들의 서브세트로서 구현되든지 간에, 여기에 설명된 다양한 구현 예들을 구현하기 위해 실행되는 루틴들은 여기에서 "프로그램 코드"로 지칭될 것이다. 프로그램 코드는 전형적으로, 다양한 메모리들 및 저장 장치들 내에 다양한 시간들에 상주하고, 하나 이상의 프로세서들에 의해 판독 및 실행될 때, 본 개시 내용의 다양한 양태들을 구현하는 단계들 또는 요소들을 실행하는 데 필요한 단계들을 수행하는 하나 이상의 명령어들을 포함한다. 더욱이, 구현 예들은 완전히 기능하는 컴퓨터 및 시스템의 맥락에서 설명되고 이하에서 설명될 것이지만, 여기에 설명된 다양한 구현 예들은 다양한 형태들의 프로그램 제품으로 배포될 수 있으며, 구현 예들은 이러한 배포를 실제로 수행하는 데 사용되는 특정한 유형의 컴퓨터 판독 가능 매체와 무관하게 구현될 수 있음을 이해할 것이다. 컴퓨터 판독 가능 매체의 예들로는 특히, 휘발성 및 비휘발성 메모리 장치들, 플로피 및 기타 이동식 디스크들, 고체 상태 드라이브들, 하드 디스크 드라이브들, 자기 테이프 및 광 디스크들(예를 들어, CD-ROM, DVD 등)과 같은 실감형의 비일시적 매체가 포함된다.
또한, 이하에서 설명되는 다양한 프로그램 코드는 이것이 특정한 구현 예로 구현되는 애플리케이션을 기초로 식별될 수 있다. 그러나, 이하의 임의의 특정한 프로그램 명명법은 단지 편의를 위해 사용된 것이며, 따라서 본 발명은 그러한 명명법에 의해 식별 및/또는 암시된 임의의 특정한 애플리케이션에서만 사용하도록 제한돼서는 안된다는 것을 이해해야 한다. 더욱이, 컴퓨터 프로그램들이 루틴들, 절차들, 방법들, 모듈들, 객체들 등으로 체계화될 수 있는 전형적으로 무한한 수의 방식과 프로그램 기능이 전형적인 컴퓨터 내에 상주하는 다양한 소프트웨어 계층들(예를 들어, 운영 시스템들, 라이브러리들, API들, 애플리케이션들, 애플릿들 등) 중에 할당될 수 있는 다양한 방식을 고려할 때, 본 발명은 여기에 설명된 프로그램 기능의 특정한 체계화 및 할당으로 제한되지 않음을 이해해야 한다.
본 개시 내용의 이익을 가지는 통상의 지식을 가진 자는 도 15c에 도시된 예시적인 환경이 여기에 개시된 구현 예들을 제한하도록 의도되지 않음을 인식할 것이다. 실제로, 통상의 지식을 가진 자는 다른 대안적인 하드웨어 및/또는 소프트웨어 환경들이 여기에 개시된 구현 예들의 범위를 벗어나지 않고 사용될 수 있음을 인식할 것이다.
본 개시 내용에서의 "처리 로직"(예를 들어, 처리 로직(1522))이라는 용어는 본 명세서에 개시된 동작을 실행하기 위하여 하나 이상의 프로세서들, 마이크로프로세서들, 다중 코어 프로세서들, ASIC 및/또는 FPGA를 포함할 수 있다. 일부 구현 예들에서, 메모리(미도시)는 동작을 실행하고 그리고/또는 데이터를 저장하기 위한 명령어를 저장하기 위해 처리 로직에 통합된다. 또한, 처리 로직은 본 개시 내용의 구현 예들에 따른 동작을 수행하기 위한 아날로그 또는 디지털 회로를 포함할 수 있다.
본 개시 내용에서 설명된 "메모리" 또는 "메모리들"은 하나 이상의 휘발성 또는 비휘발성 메모리 아키텍처를 포함할 수 있다. "메모리" 또는 "메모리들"은 컴퓨터 판독 가능한 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현된 이동식 및 비이동식 매체일 수 있다. 예시적인 메모리 기술은 RAM, ROM, EEPROM, 플래시 메모리, CD-ROM, DVD(digital versatile disk), 고화질 멀티미디어/데이터 저장 디스크 또는 기타 광학 저장 장치, 자기 카세트, 자기 테이프, 자기 디스크 스토리지 또는 기타 자기 저장 장치 또는 컴퓨팅 장치에 의한 액세스를 위해 정보를 저장하는 데 사용될 수 있는 임의의 다른 비전송 매체를 포함할 수 있다.
네트워크는 임의의 네트워크 또는 네트워크 시스템을 포함할 수 있고, 이 네트워크 또는 네트워크 시스템으로 피어 투 피어(peer-to-peer) 네트워크, LAN(Local Area Network), WAN(Wide Area Network), 인터넷과 같은 공용 네트워크, 사설 네트워크, 셀룰러 네트워크, 무선 네트워크, 유선 네트워크, 유무선 조합 네트워크, 및 위성 네트워크 등이 있지만 이에 국한되지 않는다.
통신 채널은 IEEE 802.11 프로토콜, SPI(Serial Peripheral Interface), I2C(Inter-Integrated Circuit), USB(Universal Serial Port), CAN(Controller Area Network), 셀룰러 데이터 프로토콜(예를 들어, 3G, 4G, LTE, 5G), 광통신 네트워크, ISP(Internet Service Provider), 피어 투 피어 네트워크, LAN, WAN, 공용 네트워크(예를 들어, "인터넷"), 사설 네트워크, 위성 네트워크 또는 다른 것을 활용하는 하나 이상의 유선 또는 무선 통신을 포함하거나 이를 통해 라우팅될 수 있다.
컴퓨팅 장치는 데스크탑 컴퓨터, 랩탑 컴퓨터, 태블릿, 패블릿, 스마트폰, 피처 폰, 서버 컴퓨터 또는 다른 것을 포함할 수 있다. 서버 컴퓨터는 데이터 센터에 원격으로 위치되거나 로컬로 저장하는(locally stored) 서버일 수 있다.
위에서 설명된 프로세스들은 컴퓨터 소프트웨어 및 하드웨어 측면에서 설명된다. 설명된 기술들은 유형이거나 비일시적인 기계(예를 들어, 컴퓨터) 판독 가능한 저장 매체 내에 구체화되고, 기계에 의해 실행될 때 기계가 설명된 동작을 수행하게 할 기계 실행 가능한 명령어를 구성할 수 있다. 추가적으로, 프로세스들은 ASIC 또는 다른 것과 같은 하드웨어 내에서 구체화될 수 있다.
실감형 비일시적인 기계 판독 가능한 저장 매체는 기계(예를 들어, 컴퓨터, 네트워크 장치, 개인 휴대 정보 단말기, 제조 도구, 하나 이상의 프로세서 세트를 갖는 임의의 장치 등)에 의해 액세스 가능한 형태로 정보를 제공(예를 들어, 저장)하는 임의의 메커니즘을 포함한다. 예를 들어, 기계 판독 가능한 저장 매체는 기록 가능/기록 불가능 매체(예를 들어, ROM, RAM, 자기 디스크 저장 매체, 광학 저장 매체, 플래시 메모리 장치 등)를 포함한다.
요약서에 설명된 것을 포함하여 본 발명의 예시된 구현 예들 대한 상술한 설명은 포괄적이거나 본 발명을 개시된 정확한 형태로 제한하도록 의도된 것은 아니다. 본 발명의 특정한 구현 및 본 발명에 대한 예가 예시적인 목적으로 본 명세서에 설명되지만, 관련 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 인식하는 바와 같이, 본 발명의 범위 내에서 다양한 수정이 가능하다.
이러한 본 발명의 수정은 상술한 상세한 설명에 비추어 본 발명에 이루어질 수 있다. 다음의 청구범위에 사용된 용어는 본 발명을 명세서에 개시된 특정한 구현 예로 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다. 오히려, 본 발명의 범위는 확립된 청구범위 해석 원칙에 따라 해석되어야 하는 다음의 청구범위에 의해 전적으로 결정되어야 한다.

Claims (20)

  1. 레이저 광을 방출하도록 구성된 레이저를 포함하는 레이저 어셈블리 계층;
    포토닉 집적 회로(PIC) 계층 - 상기 PIC 계층은
    반도체 광 증폭기(SOA); 및
    상기 레이저 광을 PIC 웨이퍼에 인커플(incouple)하고 상기 레이저 광을 상기 SOA로 보내도록 구성된 PIC 웨이퍼
    를 포함함 -; 및
    상기 레이저 어셈블리 계층과 상기 PIC 웨이퍼 사이에 배치된 웨이퍼 층을 포함하는, LIDAR 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 레이저 광은 적외선 레이저 광이며, 상기 웨이퍼 층은 상기 적외선 레이저 광에 대해 투명한, LIDAR 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 웨이퍼 층은 상기 레이저 어셈블리 계층으로부터 상기 적외선 레이저 광을 수광하도록 구성된 렌즈를 포함하고, 상기 렌즈는 상기 웨이퍼 층으로 통합되고 상기 적외선 레이저 광을 상기 PIC 웨이퍼의 입력 격자에 집속하도록 구성된, LIDAR 장치.
  4. 청구항 2에 있어서, 상기 웨이퍼 층은
    레이저 캐리어 웨이퍼 - 상기 레이저는 상기 레이저 캐리어 웨이퍼에 커플됨 - ; 및
    상기 LIDAR 장치의 환경으로부터 상기 SOA를 밀봉하고, 상기 PIC 웨이퍼와 상기 레이저 캐리어 웨이퍼 사이에 배치된 SOA 캡 웨이퍼를 포함하는, LIDAR 장치.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 웨이퍼 층 및 상기 PIC 웨이퍼는 단결정 실리콘으로 형성되는, LIDAR 장치.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 웨이퍼 층은 상기 LIDAR 장치의 환경으로부터 상기 SOA를 밀봉하고, 상기 레이저는 상기 웨이퍼 층에 커플되는, LIDAR 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 웨이퍼 층은 상기 레이저 어셈블리 계층으로부터 상기 레이저 광을 수광하도록 구성된 렌즈를 포함하고, 상기 렌즈는 상기 웨이퍼 층에 통합되고 상기 레이저 광을 상기 PIC 웨이퍼의 입력 격자에 집속하도록 구성된, LIDAR 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 PIC 웨이퍼는 해당 PIC 웨이퍼에 통합된 출구 특징부를 포함하고, 상기 출구 특징부는 상기 SOA에 의해 생성된 증폭된 레이저 광을 수광하고 상기 PIC 웨이퍼로부터 상기 증폭된 레이저 광을 아웃커플(outcouple)하도록 구성된, LIDAR 장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 레이저 어셈블리 계층은 상기 레이저와 상기 레이저 어셈블리 계층의 미러(mirror) 사이에 배치된 레이저 렌즈를 포함하고, 상기 레이저 렌즈는 상기 레이저로부터 방출된 레이저 광을 콜리메이트(collimate)하도록 구성된, LIDAR 장치.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 SOA는 상기 PIC 웨이퍼에 플립-접합되는, LIDAR 장치.
  11. 청구항 1에 있어서, 상기 PIC 웨이퍼는
    상기 SOA를 위한 땜납을 수용할 크기의 트렌치; 및
    상기 SOA를 기계적으로 지지하고 수직 정렬 기준을 제공하도록 상기 PIC 웨이퍼로 형성된 지지대들을 포함하는, LIDAR 장치.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 PIC 웨이퍼는 해당 PIC 웨이퍼의 입력 격자로부터 레이저 광을 수광하는 하나 이상의 에지 커플러들을 포함하고, 상기 하나 이상의 에지 커플러들은 상기 레이저 광을 상기 SOA에 인커플하도록 구성된, LIDAR 장치.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 PIC 웨이퍼의 출력 격자는 상기 입력 격자보다 상기 PIC 웨이퍼 내로 더 깊게 배치되는, LIDAR 장치.
  14. 청구항 1에 있어서, 상기 레이저 어셈블리 계층은
    상기 LIDAR 장치의 환경으로부터 상기 레이저를 밀봉하는 캐핑층(capping layer); 및
    상기 캐핑층의 경사벽 상에 배치된 미러
    를 더 포함하고, 상기 PIC 웨이퍼는
    입력 격자와 출력 격자를 포함하고,
    상기 입력 격자는 상기 미러로부터 반사된 상기 레이저 광을 인커플하고 상기 레이저 광을 상기 SOA로 보내도록 구성되며, 상기 출력 격자는 상기 SOA로부터 증폭된 레이저 광을 수광하고 상기 PIC 웨이퍼로부터 상기 증폭된 레이저 광을 아웃커플하도록 구성된, LIDAR 장치.
  15. 레이저 어셈블리 계층과 포토닉 집적 회로(PIC) 계층을 포함하는 광 검출 및 거리 측정(LIDAR) 장치 - 상기 레이저 어셈블리 계층은 적외선 레이저 광을 방출하도록 구성된 적외선 레이저를 포함하고, 상기 PIC 계층은 반도체 광 증폭기(SOA) 및 상기 적외선 레이저 광을 PIC 웨이퍼에 인커플하고 상기 적외선 레이저 광을 상기 SOA로 보내도록 구성된 PIC 웨이퍼를 포함하고, 상기 LIDAR 장치는 상기 레이저 어셈블리 계층과 상기 PIC 웨이퍼 사이에 배치된 웨이퍼 층을 포함함 -;
    상기 SOA에 의해 생성된 증폭된 레이저 광을 반사하는 자율 주행 차량 제어 시스템의 환경 내의 타겟들로부터 반사된 적외선 레이저 광을 수광하도록 구성된 광 검출기; 및
    상기 광 검출기에 의해 생성된 신호들에 응답하여 상기 자율 주행 차량 제어 시스템을 제어하는 하나 이상의 프로세서들을 포함하는, 자율 주행 차량 제어 시스템.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 웨이퍼 층은 상기 적외선 레이저 광에 대해 투명한, 자율 주행 차량 제어 시스템.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 웨이퍼 층은 상기 레이저 어셈블리 계층으로부터 상기 적외선 레이저 광을 수광하도록 구성된 렌즈를 포함하고, 상기 렌즈는 상기 웨이퍼 층에 통합되고, 상기 적외선 레이저 광을 상기 PIC 웨이퍼의 입력 격자에 집속하도록 구성되는, 자율 주행 차량 제어 시스템.
  18. 청구항 16에 있어서, 상기 웨이퍼 층은
    레이저 캐리어 웨이퍼 - 상기 적외선 레이저는 상기 레이저 캐리어 웨이퍼에 커플됨 - ; 및
    상기 자율 주행 차량 제어 시스템의 상기 환경으로부터 상기 SOA를 밀봉하고, 상기 PIC 웨이퍼와 상기 레이저 캐리어 웨이퍼 사이에 배치된 SOA 캡 웨이퍼를 포함하는, 자율 주행 차량 제어 시스템.
  19. 레이저 어셈블리 계층 및 포토닉 집적 회로(PIC) 계층을 포함하는 광 검출 및 거리 측정(LIDAR) 장치 - 상기 레이저 어셈블리 계층은 근적외선 레이저 광을 방출하도록 구성된 근적외선 레이저를 포함하고, 상기 PIC 계층은 반도체 광 증폭기(SOA)와 상기 근적외선 레이저 광을 PIC 웨이퍼에 인커플하고 상기 근적외선 레이저 광을 상기 SOA로 보내도록 구성된 PIC 웨이퍼를 포함하고, 상기 LIDAR 장치는 상기 레이저 어셈블리 계층과 상기 PIC 웨이퍼 사이에 배치된 웨이퍼 층을 포함함 -;
    상기 SOA에 의해 생성된 증폭된 레이저 광을 반사하는 자율 주행 차량의 환경 내의 타겟들로부터 반사된 근적외선 레이저 광을 수광하도록 구성된 광 검출기; 및
    상기 광 검출기에 의해 생성된 신호들에 응답하여 상기 자율 주행 차량을 제어하는 하나 이상의 프로세서들을 포함하는, 자율 주행 차량.
  20. 청구항 19에 있어서,
    상기 웨이퍼 층은 상기 근적외선 레이저 광에 대해 투명한, 자율 주행 차량.
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