KR102614185B1 - Polymer optical ic-based laser integrated two-dimensional beam scanner and manufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

라이다, 자유공간 통신, 바이오포토닉스와 같은 분야에서 필요로 하는 소형 고정형 빔스캐너를 개발하기 위해 광학 위상 어레이(optical phased array) 구조가 연구되고 있다. 불소치환 폴리머의 뛰어난 광학적 특성들을 바탕으로 저전력 구동이 가능하고 높은 출력파워를 내보낼 수 있는 폴리머 광도파로 OPA 기반 빔스캐너를 제안한다. 현재 많은 연구가 이루어지고 있는 실리콘 포토닉스 기반의 OPA와 다르게 폴리머 OPA는 저전력 안정적 위상제어가 가능하다. 폴리머 브래그 격자를 적용한 가변 파장 레이저와 함께 집적화시켜서 제작된 OPA를 이용하여 2D 빔스캐닝 동작을 확인하였으며, 이로부터 광원 집적형 폴리머 OPA 빔스캐너 구조를 제안한다.Optical phased array structures are being researched to develop small fixed beam scanners needed in fields such as lidar, free space communication, and biophotonics. Based on the excellent optical properties of fluorine-substituted polymers, we propose a polymer optical waveguide OPA-based beam scanner that can operate at low power and emit high output power. Unlike OPA based on silicon photonics, on which much research is currently being conducted, polymer OPA is capable of stable phase control at low power. 2D beam scanning operation was confirmed using an OPA manufactured by integrating a tunable laser using a polymer Bragg grating, and from this, a light source integrated polymer OPA beam scanner structure was proposed.

Description

폴리머 광IC 기반 레이저 집적형 이차원 빔스캐너 및 그의 제조 방법{POLYMER OPTICAL IC-BASED LASER INTEGRATED TWO-DIMENSIONAL BEAM SCANNER AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}Polymer optical IC-based laser integrated two-dimensional beam scanner and manufacturing method thereof {POLYMER OPTICAL IC-BASED LASER INTEGRATED TWO-DIMENSIONAL BEAM SCANNER AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

다양한 실시예들은 폴리머 광IC 기반 레이저 집적형 이차원 빔스캐너 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 구체적으로 공간상으로 뻗어나가는 레이저 빔을 기계적인 구동부가 없이도 광파의 위상조절을 통하여 스캐닝할 수 있는 소형 빔스캐너 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.Various embodiments relate to a polymer optical IC-based laser integrated two-dimensional beam scanner and a manufacturing method thereof. Specifically, a small beam scanner capable of scanning a laser beam extending in space through phase control of light waves without a mechanical driver. and its manufacturing method.

광도파로(optical waveguide)를 이용하여 어레이 형태의 광출력을 형성하면 위상분포 조절을 통한 빔스캐닝을 할 수 있게 된다. 이로 인해, 기존 기계식 빔스캐너에서 사용하는 회전 미러(rotating mirror)와 같은 가동부(moving part)가 없어 안정적인 구동이 가능할 뿐만 아니라 관성(inertia)으로 인한 프레임 레이트(frame rate)의 제한이 없다. 또한, 광IC 기술을 통해 소형화와 동시에 저가격 모듈 개발이 가능하며, 자율주행자동차 및 무인기기에 필요한 라이다 기술을 혁신적으로 발전시킬 수 있을 것이다. 이밖에도 OPA(optical phased array) 빔스캐너 기술은 자유공간 광링크(free-space optical link), 이미지 프로젝션(image projection), 렌즈가 없는 이미징(lens-less imaging) 등의 다양한 분야에 필요한 기술이다. By forming optical output in the form of an array using an optical waveguide, beam scanning can be performed through phase distribution control. As a result, stable operation is possible as there are no moving parts such as rotating mirrors used in existing mechanical beam scanners, and there are no frame rate limitations due to inertia. In addition, optical IC technology will enable the development of modules that are both miniaturized and low-cost, and will enable innovative development of LiDAR technology required for self-driving cars and unmanned devices. In addition, OPA (optical phased array) beam scanner technology is a necessary technology in various fields such as free-space optical link, image projection, and lens-less imaging.

OPA 빔스캐너는 실리콘 포토닉스 기술을 이용하여 광도파로 출력광의 회절 각도(diffraction angle)을 크게 확장할 수 있고 도파로 간의 간격을 줄여서 빔스캐닝 각도를 크게 만들 수 있는 점이 부각되면서 연구가 활발히 진행되게 되었다. OPA 소자에서 출력된 빔의 원거리장(far-field)을 고려할 때, 실리콘 광도파로 어레이의 피치를 줄이면 사이드 로브(side lobe)의 위치가 메인 로브(main lobe)로부터 멀어지면서 스캐닝 범위가 확장되고, 어레이(array) 도파로의 채널수를 늘리면 메인 빔(main beam)의 발산각을 줄여서 스캐닝 해상도(resolution)를 향상시킬 수 있다. 도파로 어레이 1024 채널과 출력 도파로 피치(pitch) 2 um 인 OPA 소자를 CMOS 공정을 통해 제작하여, 확산 각도(divergence angle) 0.03, 스캐닝 각도 45°인 빔스캐너를 구현하였다. 스캐닝 각도를 90°까지 향상시키기 위하여 불규칙한 도파로 어레이(aperiodic waveguide array)를 이용하는 방법도 제안되었다. 빔스캐너를 이용해 높은 프레임 레이트를 얻기 위해서는 위상변조기의 응답속도를 향상시켜야 하며 이를 위해 InAlGaAs 와 같은 III-V족 화합물로 제작된 다이오드(diode) 구조에서 인가전압에 의한 전하 밀도(charge density) 변화를 이용하는 위상변조기(phase modulator)를 제작하여 마이크로 초 단위의 응답속도를 보였다. 그러나 위상 변화와 함께 나타나는 광흡수 현상은 극복해야할 문제점이다. Research on OPA beam scanners has become active as it has been highlighted that the diffraction angle of output light from optical waveguides can be greatly expanded using silicon photonics technology and the beam scanning angle can be increased by reducing the gap between waveguides. Considering the far-field of the beam output from the OPA device, reducing the pitch of the silicon optical waveguide array increases the scanning range as the position of the side lobe moves away from the main lobe, Increasing the number of channels of an array waveguide can improve scanning resolution by reducing the divergence angle of the main beam. An OPA device with a waveguide array of 1024 channels and an output waveguide pitch of 2 um was manufactured through a CMOS process, and a beam scanner with a diffusion angle of 0.03 and a scanning angle of 45° was implemented. A method using an aperiodic waveguide array was also proposed to improve the scanning angle to 90°. In order to obtain a high frame rate using a beam scanner, the response speed of the phase modulator must be improved. To this end, the charge density change due to the applied voltage in the diode structure made of III-V group compound such as InAlGaAs is required. The phase modulator used was manufactured and a response speed of microseconds was demonstrated. However, the light absorption phenomenon that occurs with phase change is a problem that must be overcome.

OPA 소자와 쇼트 펄스(short pulse) 레이저로 구성되는 라이다 모듈을 통하여 원거리에 위치한 물체를 검출하기 위해서는 빔스캐너의 출력이 +10 dBm 이상이 되어야 하는데, 이 경우 실리콘 재료가 지니고 있는 비선형 광학 특성은 까다로운 문제를 일으킨다. 또한 OPA 채널수가 증가함에 따라 실리콘 소자의 높은 열전달 특성으로 인해 인접한 위상변조기에 열적 크로스토크(thermal crosstalk)를 일으키게 되어 안정적 위상 분포 제어가 어렵게 된다. 또한, 좁은 광도파로 폭을 지니는 실리콘 소자에서는 제작 공정에서 피하기 힘든 미세한 패턴 폭 변화로 인해 출력 위상의 편차가 발생하게 되며, 이를 보정하기 위해서는 위상 분포를 미리 측정하여 각 출력 각도에 해당하는 위상 변조 인가 전압 룩업 테이블(look-up table; LUT)을 사전에 형성해야 한다. 이 때문에 메모리가 적은 FPGA를 사용하는 경우 빔스캐닝 가능한 포인트가 200 개로 제한되기도 하였다.In order to detect objects located at a distance through a LiDAR module consisting of an OPA element and a short pulse laser, the output of the beam scanner must be greater than +10 dBm. In this case, the nonlinear optical characteristics of the silicon material are It raises tricky problems. Additionally, as the number of OPA channels increases, the high heat transfer characteristics of silicon devices cause thermal crosstalk in adjacent phase modulators, making it difficult to control stable phase distribution. In addition, in silicon devices with narrow optical waveguide widths, deviations in output phase occur due to subtle changes in pattern width that are difficult to avoid during the manufacturing process. To correct this, measure the phase distribution in advance and apply phase modulation corresponding to each output angle. A voltage look-up table (LUT) must be formed in advance. For this reason, when using an FPGA with low memory, the number of beam scanning points was limited to 200.

실리콘 광도파로에 비하여 실리콘나이트라이드 재료를 이용한 광도파로 OPA는 작은 굴절률 콘트라스트(contrast)로 인해 광도파로가 상대적으로 넓어지지만 재료의 광학적 비선형 특성이 미약하므로 고출력 광을 다루기에 적합하다. 그렇지만, 실리콘에 비해 1/10정도로 낮은 열광학 계수로 인해 위상변조기 어레이를 제어하기 위해서는 높은 구동 전력이 필요하게 되는 단점이 있다. 이러한 재료들의 특성을 고려하여 실리콘나이트라이드 광도파로 구조를 기반으로 위상변조기 어레이 부분만 실리콘으로 구성하는 하이브리드(hybrid) 형식의 소자도 제안되었다.Compared to silicon optical waveguides, OPA, an optical waveguide using silicon nitride material, has a relatively wide optical waveguide due to a small refractive index contrast, but the optical nonlinear characteristics of the material are weak, so it is suitable for handling high-output light. However, there is a disadvantage in that high driving power is required to control the phase modulator array due to the thermo-optic coefficient being as low as 1/10 compared to silicon. Considering the characteristics of these materials, a hybrid type device in which only the phase modulator array portion is made of silicon was also proposed based on the silicon nitride optical waveguide structure.

한편, 폴리머 재료는 높은 열광학 효과와 우수한 열국한(thermal confinement) 효과를 바탕으로 가변 광감쇠기(variable optical attenuator), 파장 가변 레이저(tunable laser), 광학 센서(optical sensor) 등의 광소자 개발에 이용되어 왔다. 특히, 폴리머 광도파로 브래그 격자를 이용한 파장 가변 레이저는 폴리머의 높은 열광학 효과를 바탕으로 간단한 소자구조를 이용하여 브래그(Bragg) 반사파장을 넓은 범위에 걸쳐 튜닝 가능하며, 최근 들어 5G 프론트홀(fronthaul) 네트워크에서 필요한 WDM 광통신용 광원으로 채용되었다. 이와 같이 성숙한 폴리머 광IC 기술을 이용하여 OPA를 구현하게 되면 낮은 전력으로 효율적인 위상제어가 가능하며, 강한 광출력을 필요로 하는 라이다 모듈에서도 비선형 효과에 의한 악화(deterioration)를 배제할 수 있을 것이다. 이와 더불어 폴리머 파장 가변 레이저와 폴리머 OPA는 모놀리식 집적(monolithic integration)이 가능하기 때문에 광원집적형 콤팩트 솔리드 스테이트 광학 빔스캐너(compact solid-state optical beam scanner)를 구현할 수 있게 된다.Meanwhile, polymer materials are used in the development of optical devices such as variable optical attenuators, tunable lasers, and optical sensors based on their high thermo-optic effects and excellent thermal confinement effects. It has been used. In particular, the wavelength-tunable laser using a Bragg grating as a polymer optical waveguide can tune the Bragg reflected wavelength over a wide range using a simple device structure based on the high thermo-optic effect of polymer, and has recently been used in 5G fronthaul. ) was adopted as a light source for WDM optical communication required in the network. If OPA is implemented using mature polymer optical IC technology, efficient phase control is possible with low power, and deterioration due to nonlinear effects can be excluded even in lidar modules that require strong optical output. . In addition, since polymer tunable lasers and polymer OPA are capable of monolithic integration, it is possible to implement a light source-integrated compact solid-state optical beam scanner.

다양한 실시예들은, 실리콘 광도파로 OPA를 기반으로 한 빔스캐너에서 비선형광학 효과에 의해 높은 광출력을 내보내기 힘든 문제와 열누화 현상으로 인해 위상분포제어가 쉽지 않은 문제를 해결하기 위해 폴리머 광도파로를 하여 광원이 집적된 이차원 빔 스캐너를 구현하기 위한 것이다. 폴리머 파장 가변 레이저는 그 성능이 검증되어 상용화된 상황이며 폴리머로 광학 위상 어레이(optical phased array; OPA)와 하나의 칩 상에 집적시킬 수 있다. 두 소자를 각각 제작하여 2차원 빔스캐너 소자를 구현하여 가능성을 확인하였다. 불소치환 폴리머를 이용하여 OPA 소자(device)를 설계 및 제작하였으며 그 특성을 확인하였다. 초기에 랜덤 위상분포로 인해 흩어져서 출력되는 빛을 위상분포 정렬 알고리즘을 통해 빔포밍을 하였으며, 간단한 형태의 개방 루프 위상 제어(open-loop phase control)를 통해 수평방향 빔스캐닝을 수행하였다. 다음으로 폴리머 브래그 격자 기반 파장 가변 레이저를 광원으로 사용하고 OPA 출력광을 외부 블레이즈드 격자(external blazed grating)에서 회절시켜 파장 가변에 따른 수직 방향 빔스캐닝을 구현하였다. 최종적으로 파장 가변 레이저와 위상변조기 어레이를 동시에 제어하여 폴리머 OPA를 이용한 2D 빔스캐닝 실험결과를 최초로 시범(demonstration)하였다.Various embodiments use a polymer optical waveguide to solve the problem of difficulty in emitting high optical output due to non-linear optical effects in a beam scanner based on silicon optical waveguide OPA and the problem of difficulty in controlling phase distribution due to thermal crosstalk. This is to implement a two-dimensional beam scanner with an integrated light source. Polymer tunable lasers have been commercialized with their performance verified, and can be integrated with polymer optical phased arrays (OPA) on one chip. The two devices were fabricated separately and a two-dimensional beam scanner device was implemented to confirm the feasibility. An OPA device was designed and manufactured using a fluorine-substituted polymer, and its characteristics were confirmed. Initially, the light output scattered due to random phase distribution was beam formed using a phase distribution alignment algorithm, and horizontal beam scanning was performed through a simple form of open-loop phase control. Next, a polymer Bragg grating-based tunable laser was used as a light source and the OPA output light was diffracted on an external blazed grating to implement vertical beam scanning according to wavelength tunability. Finally, the results of a 2D beam scanning experiment using polymer OPA were demonstrated for the first time by simultaneously controlling the tunable laser and the phase modulator array.

다양한 실시예들에 따른 폴리머 광도파로 기반 광원 집적형 OPA 빔스캐너는 도 1의 (a)에서 보인 바와 같이 단일 칩 상에 함께 제작된 폴리머 브래그 격자, 1ХN 파워 스플리터, 위상변조기 어레이, 빔 콘센트레이터(concentrator) 광도파로 소자들과 칩 주변에 정렬되어 부착된 브로드밴드(broadband) SLD(superluminescent diode) 소자, 수직 방향 빔 콜리메이션을 위한 원통형 렌즈, 그리고 스펙트럼 분산(spectral dispersion)을 위한 외부 격자로 구성된다. 위상변조기를 통과하여 좁은 간격으로 모인 후 각 도파로에서 출력되는 빔은 서로간에 위상 차이가 없을 경우 한점으로 모이는 원거리장(far-field)을 형성하게 된다. 이후 위상변조기를 이용하여 도 1의 (b)와 같이 기울어진 위상분포를 형성해주면 수평(horizontal) 방향으로 빔을 스캐닝할 수 있게 된다. 한편, 출력광이 나아가는 방향에 회절격자를 정렬시켜 두면 도 1의 (c)와 같이 파장 가변 레이저의 출력 파장에 따라 수직(vertical) 방향으로 회절각도가 변화하게 된다. 이와 같이 위상분포 제어 및 파장 가변 제어를 하게 되면 2차원 빔 스캐닝 동작을 할 수 있다.The polymer optical waveguide-based light source integrated OPA beam scanner according to various embodiments includes a polymer Bragg grating, a 1ХN power splitter, a phase modulator array, and a beam concentrator ( It consists of optical waveguide elements (concentrator), a broadband SLD (superluminescent diode) element aligned and attached around the chip, a cylindrical lens for vertical beam collimation, and an external grating for spectral dispersion. After passing through the phase modulator and converging at narrow intervals, the beams output from each waveguide form a far-field that converges to one point if there is no phase difference between them. Afterwards, by using a phase modulator to form a tilted phase distribution as shown in (b) of FIG. 1, the beam can be scanned in the horizontal direction. Meanwhile, if the diffraction grating is aligned in the direction in which the output light travels, the diffraction angle changes in the vertical direction according to the output wavelength of the tunable laser, as shown in Figure 1 (c). By performing phase distribution control and wavelength variable control in this way, two-dimensional beam scanning operation can be performed.

다양한 실시예들에 따르면, 저손실 불소치환 폴리머 광도파로 소자의 특성을 이용하여 파장 가변 레이저와 함께 집적화 가능한 폴리머 OPA 소자를 완성하고, 위상 분포 제어와 파장 가변을 통하여 이차원 빔스캐닝을 실현할 수 있다. 불소 치환 폴리머 광도파로는 고출력의 광파워를 견딜 수 있고 낮은 삽입 손실을 가지므로 고출력 OPA 기반 라이다 소자를 가능하게 하며, 외부 격자를 이용함으로써 격자 회절 효율을 높이고 광손실을 최소화시키며 파장 가변에 따른 스캐닝 범위를 향상시킬 수 있다. 폴리머 위상변조기의 높은 효율과 낮은 열적 크로스토크(thermal crosstalk)으로 인해서 빔스캐닝 도중에 초기 빔포밍 조건이 흩어지는 것은 나타나지 않았으며 이는 실리콘 OPA 소자에 비하여 큰 장점으로 부각된다. 폴리머 열광학 위상변조기의 응답속도는 하이 콘트라스트 도파로(high contrast waveguide) 구조와 열전도도가 높은 클래딩을 도입하여 수십 us까지 향상시킬 수 있기 때문에 빠른 프레임 레이트(frame rate) 빔스캐닝도 가능하다. 마지막으로 폴리머는 IR 뿐만 아니라 가시 파장(visible wavelength)에서도 투명한 특성을 가지고 있기 때문에 가시광에서도 사용가능한 OPA 빔스캐너를 구현할 수 있으며, 무안경 3D 디스플레이 해저 라이다(bathy metric lidar), 뉴럴 프로브(neural probe), 광학 집게(optical tweezer_에 등에도 적용 가능한 기술이 될 것이다.According to various embodiments, a polymer OPA device that can be integrated with a wavelength tunable laser is completed using the characteristics of a low-loss fluorine-substituted polymer optical waveguide device, and two-dimensional beam scanning can be realized through phase distribution control and wavelength tunability. Fluorine-substituted polymer optical waveguides can withstand high-output optical power and have low insertion loss, enabling high-output OPA-based lidar devices. By using an external grating, grating diffraction efficiency is increased, optical loss is minimized, and wavelength variation is reduced. Scanning range can be improved. Due to the high efficiency and low thermal crosstalk of the polymer phase modulator, the initial beamforming conditions were not scattered during beam scanning, which stands out as a major advantage over silicon OPA devices. The response speed of the polymer thermo-optical phase modulator can be improved to several tens of us by introducing a high contrast waveguide structure and high thermal conductivity cladding, making fast frame rate beam scanning possible. Lastly, since polymers have transparent properties not only in IR but also in visible wavelengths, it is possible to implement OPA beam scanners that can be used in visible light, as well as glasses-free 3D display bathy metric lidar and neural probes. ), it will be a technology that can be applied to optical tweezers, etc.

도 1은 폴리머 광도파로 기반 광원 집적형 OPA 빔스캐너의 구조를 도시한다. (a)는 단일 칩 상에 제작된 폴리머 광도파로 브래그 격자, 1xN 파워 스플리터, 위상변조기 어레이, 빔 콘센트레이터 소자와 칩의 주변에 정렬되어 부착된 SLD 소자, 수직 빔 콜리메이션(vertical beam collimation)을 위한 원통형 렌즈(cylindrical lens), 회절 격자(diffraction grating)로 구성되는 2D 빔스캐너 구조를 도시한다. (b)는 폴리머 위상변조기 어레이를 통하여 각 도파로에서 출력되는 빔의 위상 분포를 조절하면 수평 방향의 출력각도를 조절할 수 있음을 나타낸다. (c)는 출력 파동이 격자에 회절되도록 정렬하고 폴리머 브래그 격자의 반사파장을 튜닝시키면 파장 변화로 인한 회절 각도(diffraction angle) 변화를 얻을 수 있음을 나타낸다.
도 2는 폴리머 광도파로 빔 스캐너 소자 설계 내용을 도시한다. (a)는 OPA를 구성하는 1Х32 스플리터, 위상변조기 어레이, 그리고 빔 콘센트레이터를 제작하기 위한 포토마스크 레이아웃(photomask layout)을 도시한다. (b)는 마이크로 히터가 광도파로 상부에 위치한 열광학 위상변조기의 단면 구조를 도시한다. (c)는 열분포 해석 시뮬레이션 계산 결과를 나타낸다.
도 3은 OPA의 출력 도파로 간격을 설계하기 위한 내용이다. (a)는 도파로 어레이(Waveguide array)에서 피치(pitch)에 따른 광파워 크로스토크(optical power crosstalk)를 확인하기 위한 BPM 시뮬레이션 결과를 나타낸다. (b)는 출력 도파로 어레이의 피치가 3.5 um 인 하이 콘트라스트(high contrast) 광도파로 어레이 출력에 대한 원거리장(far-field) 분포를 나타낸다. (c)는 출력 도파로 어레이의 피치가 10 um 인 로우 콘트라스트(low contrast) 광도파로 어레이 출력의 원거리장 분포를 나타낸다.
도 4는 폴리머 파장 가변 레이저와 외부격자를 이용한 스캐닝 각도 변화를 설계한 내용을 도시한다. (a)는 폴리머 광도파로 브래그 반사기와 SLD 칩을 정렬하여 완성된 외부 공진기 구조의 파장 가변 레이저를 도시한다. (b)는 브래그 격자에 의한 반사 스펙트럼 계산 및 열광학 효과를 이용한 반사 파장 가변 범위 설계 결과 0.20 nm/mW 파장 가변 효율을 얻을 수 있음을 나타낸다. (c)는 파장 변화에 따른 격자의 회절 각도 변화를 설명하기 위한 k-벡터(vector) 다이어그램(diagram)을 나타낸다. (d)는 입력 파장 변화 범위를 1530 nm에서 1630 nm 로 두고, 회절각도 변화 범위를 다양한 격자 주기와 입력 각도에 따라 계산한 결과를 나타낸다. 입사 각도(incidence angle)가 39° 이며, 주기가 1 um 인 경우 100 nm 파장 가변에 대하여 25° 정도의 회절 각도 튜닝 범위를 가지게 된다.
도 5는 폴리머 도파로 하이 파워 전송 테스트(Polymer waveguide high power transmission test) 내용을 도시한다. (a)는 직선 폴리머 광도파로에 EDFA 광원을 이용하여 입력파워를 +15 dBm 증대시키면서 광도파로 출력 파워를 측정한 결과를 나타내며, 입력 파워에 선형적으로 비례하는 출력 파워를 볼 수 있었다. (b)는 하이 파워(high power) EDFA 광원을 이용하여 1 W 광파워를 입력시킨 상태에서 160 시간 동안 관찰한 결과를 나타내며, 삽입손실의 변화는 나타나지 않았다.
도 6은 16 채널 MZI 소자에서 입력 파워에 따른 출력 파워 변화 확인 실험에 대해 도시한다. (a)는 16채널 MZI 소자 제작을 위한 CAD 도면이다. (b)는 패키징이 완료된 소자 사진이다. (c)는 32채널 위상변조기에 전력을 인가하여 16채널 MZI에서 출력되는 간섭신호 측정 결과이다. (d)는 (c)로부터 채널별 초기 위상 값들을 계산한 결과를 나타내며, 초기 랜덤 위상분포를 보이는 것이 확인된다.
도 7은 폴리머 OPA 소자의 특성 확인 내용을 도시한다. (a)는 광섬유가 피그테일된 폴리머 소자를 패키지에 부착하고 원통형 렌즈와 미러를 정렬시킨 상태를 나타낸다. (b)에서, 폴리머 광도파로 어레이 출력 근거리장(near field) 패턴(pattern)으로부터 광도파로 출력빔의 균일도를 확인해볼 수 있다. (c)에서, 원통형 렌즈를 통과한 원거리장 패턴은 초기에 수평 방향으로 흩어져서 나타난다. (d)에서, 빔포밍 알고리즘을 적용하여 위상 정렬을 하게 되면 중앙의 한점에 모인 메인 빔(main beam)과 좌우로 떨어져 나타나는 미약한 사이드 로브(side lode)를 볼 수 있음. (e) 및 (f)에서, 위상변조기 어레이에 기울어진 위상 신호를 인가해주면 좌우로 스캐닝되는 빔을 관찰할 수 있다.
도 8은 폴리머 파장 가변 레이저 소자와 외부 격자를 이용한 빔스캐닝 특성을 도시한다. (a)는 폴리머 브래그 반사 격자와 외부 SLD 소자를 연결하여 완성한 외부공진기 구조의 파장 가변 레이저를 나타낸다. (b)는 브래그격자 상부 히터에 전력을 인가하여 나타나는 출력 스펙트럼 변화를 광 스펙트럼 분석기(optical spectrum analyzer)로 측정한 결과를 나타낸다. (c)는 파장 가변 레이저 출력을 콜리메이션(collimation)시킨 후 블레이즈드 격자(blazed grating)의 리트로 각도(Littrow angle)로 입사시킨 뒤 파장 가변에 따른 회절 각도 변화를 측정하기 위한 실험 셋업을 나타낸다. 파장 가변 레이저(tunable laser) 장비를 이용하여 95 nm 만큼의 파장 변환을 일으킬 때 14.7°의 회절각도 변환을 얻을 수 있다.
도 9는 폴리머 광IC 기반 2D 빔스캐닝 소자 구조를 도시한다. (a)는 폴리머 파장 가변 레이저를 광원으로 사용하고 폴리머 OPA 소자 상부에 블레이즈드 격자(blazed grating)를 올려서 완성한 패키지 구조를 나타낸다. 2D 빔스캐닝 측정을 위해 렌즈를 통과한 빛을 IR CCD 카메라(camera)를 통하여 측정하기 위한 셋업이 구성된다. (b)에서, 파장 가변과 위상제어를 동시에 수행하여 13 Х 7 포인트(point)로 좌표에 해당하는 2D 스캐닝을 수행한다. (c) 및 (d)는 확인된 입출력 관계를 바탕으로 신호를 조절하여 형성한 하트 패턴(heart pattern), figure-8 패턴 모습을 나타낸다.
도 10은 빔스캐닝 동작을 위한 위상분포 제어신호를 도시한다. (a)는 빔포밍 이후 스캐닝을 위하여 위상변조기 어레이에 인가되는 위상 슬로프(phase slope) 신호를 나타낸다. (b), (c) 및 (d)는 위상 슬로프에 비례하여 나타나는 스캐닝빔 CCD 이미지들을 나타낸다. 위상분포 정렬이 없어도 빔형태를 유지하면서 스캐닝 동작이 가능하다.
도 11은 폴리머 OPA 소자를 이용한 빔스캐너 응답속도 측정 결과를 도시한다. (a)는 스캐닝 속도 측정 셋업 구조를 도시한다. (b)는 위상분포 제어를 통해 수평 방향 빔스캐닝 동작시 디텍터에서 측정되는 파워 변화를 나타내며, 0.2초 주기신호를 주었을 때 7 ms의 응답속도가 확인된다. (c)는 파장 가변제어를 통해 vertical 방향으로 빔스캐닝 동작시 디텍터에서 측정되는 파워 변화를 나타내며, 2초 주기로 신호를 주었을 때 20 ms의 응답속도가 확인된다.
Figure 1 shows the structure of a polymer optical waveguide-based light source integrated OPA beam scanner. (a) is a polymer optical waveguide fabricated on a single chip with a Bragg grating, 1xN power splitter, phase modulator array, beam concentrator element, SLD element aligned and attached around the chip, and vertical beam collimation. A 2D beam scanner structure consisting of a cylindrical lens and a diffraction grating is shown. (b) shows that the horizontal output angle can be adjusted by adjusting the phase distribution of the beam output from each waveguide through the polymer phase modulator array. (c) shows that by arranging the output wave to be diffracted on the grating and tuning the reflected wavelength of the polymer Bragg grating, a change in the diffraction angle due to the wavelength change can be obtained.
Figure 2 shows the design of a polymer optical waveguide beam scanner device. (a) shows the photomask layout for manufacturing the 1Х32 splitter, phase modulator array, and beam concentrator that constitute the OPA. (b) shows the cross-sectional structure of a thermo-optical phase modulator with a micro heater located on the top of the optical waveguide. (c) shows the heat distribution analysis simulation calculation results.
Figure 3 shows details for designing the output waveguide spacing of OPA. (a) shows the results of BPM simulation to check optical power crosstalk according to pitch in the waveguide array. (b) shows the far-field distribution for the output of a high contrast optical waveguide array with a pitch of the output waveguide array of 3.5 um. (c) shows the far-field distribution of the output of a low contrast optical waveguide array with a pitch of the output waveguide array of 10 um.
Figure 4 shows the design of scanning angle change using a polymer tunable laser and an external grid. (a) shows a wavelength-tunable laser with an external resonator structure completed by aligning a Bragg reflector and an SLD chip with a polymer optical waveguide. (b) shows that 0.20 nm/mW wavelength tunable efficiency can be obtained as a result of reflection spectrum calculation using Bragg grating and reflection wavelength tunable range design using thermo-optic effects. (c) shows a k-vector diagram to explain the change in the diffraction angle of the grating according to the change in wavelength. (d) shows the results of calculating the input wavelength change range from 1530 nm to 1630 nm and the diffraction angle change range according to various grating periods and input angles. When the incidence angle is 39° and the period is 1 um, the diffraction angle tuning range is about 25° for a 100 nm wavelength change.
Figure 5 shows the contents of a polymer waveguide high power transmission test. (a) shows the results of measuring the output power of the optical waveguide while increasing the input power by +15 dBm using an EDFA light source on a straight polymer optical waveguide, and the output power was seen to be linearly proportional to the input power. (b) shows the results of observation for 160 hours with 1 W optical power input using a high power EDFA light source, and no change in insertion loss was observed.
Figure 6 shows an experiment to check the change in output power according to input power in a 16-channel MZI device. (a) is a CAD drawing for manufacturing a 16-channel MZI device. (b) is a photo of a device whose packaging has been completed. (c) is the result of measuring the interference signal output from the 16-channel MZI by applying power to the 32-channel phase modulator. (d) shows the results of calculating the initial phase values for each channel from (c), and it is confirmed that the initial random phase distribution is shown.
Figure 7 shows confirmation of the characteristics of the polymer OPA device. (a) shows a state in which a polymer element with a pigtailed optical fiber is attached to a package and a cylindrical lens and mirror are aligned. In (b), the uniformity of the optical waveguide output beam can be confirmed from the polymer optical waveguide array output near field pattern. In (c), the far-field pattern passing through the cylindrical lens initially appears scattered in the horizontal direction. In (d), when phase alignment is performed by applying the beamforming algorithm, the main beam gathered at one point in the center and weak side lobes appearing left and right can be seen. In (e) and (f), when an inclined phase signal is applied to the phase modulator array, a beam scanning left and right can be observed.
Figure 8 shows beam scanning characteristics using a polymer tunable laser device and an external grating. (a) shows a wavelength-tunable laser with an external resonator structure completed by connecting a polymer Bragg reflection grating and an external SLD element. (b) shows the results of measuring the output spectrum change that appears when power is applied to the upper heater of the Bragg grid using an optical spectrum analyzer. (c) shows an experimental setup for measuring the diffraction angle change according to the wavelength change after collimating the wavelength-tunable laser output and making it incident at the Littrow angle of the blazed grating. When causing a wavelength conversion of 95 nm using a tunable laser device, a diffraction angle conversion of 14.7° can be obtained.
Figure 9 shows the structure of a 2D beam scanning device based on a polymer optical IC. (a) shows a package structure completed by using a polymer wavelength-tunable laser as a light source and placing a blazed grating on top of the polymer OPA element. For 2D beam scanning measurement, a setup is configured to measure the light passing through the lens through an IR CCD camera. In (b), 2D scanning corresponding to the coordinates of 13 Х 7 points is performed by simultaneously performing wavelength variation and phase control. (c) and (d) show the heart pattern and figure-8 pattern formed by adjusting the signal based on the confirmed input-output relationship.
Figure 10 shows a phase distribution control signal for beam scanning operation. (a) shows the phase slope signal applied to the phase modulator array for scanning after beamforming. (b), (c), and (d) show scanning beam CCD images that appear proportional to the phase slope. Scanning operation is possible while maintaining the beam shape even without phase distribution alignment.
Figure 11 shows the results of beam scanner response speed measurement using a polymer OPA device. (a) shows the scanning speed measurement setup structure. (b) shows the power change measured at the detector during horizontal beam scanning operation through phase distribution control, and a response speed of 7 ms is confirmed when a 0.2 second periodic signal is given. (c) shows the power change measured by the detector during beam scanning operation in the vertical direction through wavelength variable control, and a response speed of 20 ms is confirmed when a signal is given at a 2-second cycle.

이하, 본 문서의 다양한 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 설명된다. Hereinafter, various embodiments of this document are described with reference to the attached drawings.

일반적인 폴리머 재료는 광통신용 파장대역(1300 ~ 1600 nm)에서 C-H 결합(bond)의 바이브레이션 오버톤(vibration overtone)으로 인한 흡수 손실이 존재하는데, 이를 줄이기 위해서 C-H 결합을 C-F 결합으로 치환한 CYTOP, LFR, 불화 폴리이미드(fluorinated polyimide)와 같은 불소 치환 폴리머가 연구 개발되었다. 본 개시에서는 폴리머 광도파로 OPA 제작을 위해 불소 치환도가 매우 높은 ChemOptics사의 LFR 폴리머를 사용하게 되었으며, 광도파로 코아와 클래딩을 위하여 굴절률이 각각 1.397, 1.372인 폴리머를 채택하였으며, 이 경우 코어의 크기가 3Х3 um2일때 단일모드 광도파로 조건을 만족시키게 된다. OPA를 구성하는 1Х32 splitter, 위상변조기 어레이, 그리고 빔 콘센트레이터를 제작하기 위한 포토마스크 레이아웃(photomask layout)은 도 2의 (a)와 같은 형태가 된다.In general polymer materials, there is an absorption loss due to the vibration overtone of the CH bond in the optical communication wavelength range (1300 ~ 1600 nm). To reduce this, CYTOP, LFR, and CH bonds are used in which the CH bond is replaced by a CF bond. Fluorine-substituted polymers such as fluorinated polyimide have been researched and developed. In this disclosure, ChemOptics' LFR polymer, which has a very high degree of fluorine substitution, was used to manufacture the polymer optical waveguide OPA, and polymers with refractive indices of 1.397 and 1.372 were selected for the optical waveguide core and cladding, respectively. In this case, the size of the core was 1.397 and 1.372, respectively. When 3Х3 um 2 , the conditions for a single-mode optical waveguide are satisfied. The photomask layout for manufacturing the 1Х32 splitter, phase modulator array, and beam concentrator that constitute the OPA has the same form as (a) in Figure 2.

각 채널의 위상을 제어하기 위한 열광학 위상변조기는 도 2의 (b)와 같이 광도파로 상부에 금속 박막 마이크로-히터(thin metal film micro-heater)를 형성하여 제작된다. 저항열에 의해 히터에 열이 발생하면 도 2의 (c)와 같이 광도파로 코아 부분까지 열이 전달되어 열광학 효과로 인한 굴절률 변화를 일으키게 된다. 폴리머 위상변조기의 효율을 계산하기 위해 유한 요소법(finite element method)(Optodesigner Software)을 이용하여 히터에 의한 열분포를 계산하고, 열광학 효과(thermo-optic effect)를 반영하여 Pπ를 계산할 수 있었다. 히터 아래에 위치하여 광도파로를 구성하는 폴리머의 두께는 하부 클래딩, 코어 그리고 상부 클래딩으로 도 2의 (b) 와 같이 t1, t2, t3로 나타나 있으며 각각 9 um, 3 um, 6 um으로 정하였다. 열분포 계산을 위해 사용된 폴리머의 열전도율(thermal conductivity)은 0.2 W/mK, 열광학 계수(thermo-optic coefficient)는 2.5Х10-4/°C, 히터폭은 10 um이다. 폴리머 재료가 지니는 우수한 열광학 효과와 열국한(thermal confinement)으로 인하여 주어진 폴리머 위상변조기 구조에서 π-phase 위상 변화를 위한 전력 Pπ는 2.1 mW로 정도로 매우 낮은 값을 가지는 것으로 계산되었다.A thermo-optical phase modulator for controlling the phase of each channel is manufactured by forming a thin metal film micro-heater on the top of the optical waveguide, as shown in (b) of FIG. 2. When heat is generated in the heater due to resistance heat, the heat is transferred to the core part of the optical waveguide, as shown in Figure 2 (c), causing a change in the refractive index due to the thermo-optic effect. To calculate the efficiency of the polymer phase modulator, heat distribution by the heater was calculated using the finite element method (Optodesigner Software), and Pπ was calculated by reflecting the thermo-optic effect. The thickness of the polymer located below the heater and constituting the optical waveguide, including the lower cladding, core, and upper cladding, is indicated by t1, t2, and t3 as shown in Figure 2 (b), and is set to 9 um, 3 um, and 6 um, respectively. . The thermal conductivity of the polymer used to calculate heat distribution is 0.2 W/mK, the thermo-optic coefficient is 2.5Х10 -4 /°C, and the heater width is 10 um. Due to the excellent thermo-optic effect and thermal confinement of polymer materials, the power Pπ for π-phase phase change in a given polymer phase modulator structure was calculated to have a very low value of 2.1 mW.

최종 출력 도파로 어레이의 피치는 사이드 로브(side lobe) 위치와 최대 스캐닝 각도를 결정짓게 된다. 어레이 피치를 줄일수록 넓은 범위 스캐닝이 가능해지지만 좁은 피치는 도파로 간 크로스토크(crosstalk)를 발생시킨다. OPA 소자의 출력부인 빔 콘센트레이팅 도파로 어레이(beam concentrating waveguide array) 부분에서 도파로 피치(waveguide pitch)를 결정하기 위하여 빔전파 방법 시뮬레이션(beam propagation method simulation)(Rsoft 사의 Optodesigner 프로그램을 이용)을 수행하였다. 두 개의 인접한 직선 광도파로가 있을 때 한쪽 광도파로에 입력광을 여기(excitation)시킨 후 1 mm를 진행한 뒤 다른쪽 광도파로로 넘어온 광세기를 확인하였다(도 3의 (a)). 코아와 클래딩 폴리머 재료의 굴절률이 1.397, 1.372인 폴리머 광도파로에서는 도파로 간의 간격이 10 um 이상이 되어야 크로스토크가 -10 dB 이하가 되었다. 도파로 간격을 더 줄이기 위한 방법으로는 최근 활발히 연구 개발되고 있는 ZrO2, TiO2와 같은 무기 나노입자 분산형 폴리머(inorganic nanoparticle dispersed polymer), 또는 황 기반 폴리머(sulfur based polymer)를 이용하여 광도파로 코아의 굴절률을 한층 더 높이는 방법이 있다. 코어의 굴절률이 1.8이 되면 단일모드 광도파로 크기가 0.8 Х 0.6 um2 정도로 줄어들게 되며 어레이 피치(array pitch)를 3.5 um로 줄이더라도 크로스토크는 -10 dB 이하로 유지됨을 확인하였다. The pitch of the final output waveguide array determines the side lobe positions and the maximum scanning angle. As the array pitch is reduced, wider range scanning becomes possible, but a narrow pitch causes crosstalk between waveguides. Beam propagation method simulation (using Rsoft's Optodesigner program) was performed to determine the waveguide pitch at the beam concentrating waveguide array, which is the output part of the OPA device. When there are two adjacent straight optical waveguides, the input light was excited in one optical waveguide and then advanced 1 mm before checking the light intensity transmitted to the other optical waveguide (Figure 3(a)). In a polymer optical waveguide where the refractive index of the core and cladding polymer material is 1.397 and 1.372, the gap between the waveguides must be 10 um or more for crosstalk to be less than -10 dB. A method to further reduce the waveguide spacing is to use inorganic nanoparticle dispersed polymers such as ZrO 2 and TiO 2 , or sulfur based polymers, which have been actively researched and developed recently, to create optical waveguide cores. There is a way to further increase the refractive index. When the refractive index of the core becomes 1.8, the size of the single-mode optical waveguide is reduced to about 0.8 Х 0.6 um 2, and it was confirmed that even if the array pitch is reduced to 3.5 um, the crosstalk is maintained below -10 dB.

좁은 피치를 가지는 도파로 어레이에서 출력되는 빛은 진행해 나가면서 원거리장(far-field)을 형성하게 되는데, 이는 광도파로 어레이 모드 분포로부터 푸리에 변환(Fourier transform)을 통하여 구할 수 있다. 로우 콘트라스트 도파로(Low contrast waveguide)와 하이 콘트라스트 도파로(high contrast waveguide)의 모드 필드 지름(mode field diameter; MFD)을 모드 풀이(mode solver) 프로그램(Optodesigner software)을 이용하여 구하고 이와 동일한 크기의 반값 전폭(full width half maximum; FWHM)을 가지는 가우시안 프로파일(Gaussian profile)을 어레이 구조로 만든 후 푸리에 변환 계산을 통해 원거리장 프로파일을 구하였다. 이 결과로부터 하이 콘트라스트 도파로인 경우 사이드 로브는 메인 로브로부터 25°만큼 떨어져서 나타남을 확인하였다(도 3의 (c)). 하이 콘트라스트 도파로 어레이에서 출력된 빛이 형성하는 원거리장 패턴을 계산해보면 도 2의 (b)와 같이 25°위치에서 사이드 로브가 형성된다. 본 실험에서는 제작 공정이 잘 확립되어 있는 로우 콘트라스트 폴리머 도파로(low contrast polymer waveguide) 구조를 이용하였으며 어레이 피치(array pitch)는 10 um으로 제작하였고 이때의 사이드 로브는 도 3의 (b)와 같이 9.1°에서 나타난다.As the light output from the narrow-pitch waveguide array proceeds, it forms a far-field, which can be obtained through Fourier transform from the optical waveguide array mode distribution. The mode field diameter (MFD) of the low contrast waveguide and the high contrast waveguide is obtained using the mode solver program (Optodesigner software), and the full width at half maximum of the same size is obtained. A Gaussian profile with (full width half maximum; FWHM) was created in an array structure, and then the far-field profile was obtained through Fourier transform calculation. From these results, it was confirmed that in the case of a high contrast waveguide, the side lobes appear 25° away from the main lobe (Figure 3(c)). When calculating the far-field pattern formed by the light output from the high-contrast waveguide array, a side lobe is formed at a 25° position as shown in (b) of FIG. 2. In this experiment, a low contrast polymer waveguide structure with a well-established manufacturing process was used, and the array pitch was manufactured at 10 um, and the side lobes at this time were 9.1 as shown in (b) of Figure 3. It appears in °.

OPA 소자와 집적하여 제작 가능한 폴리머 파장 가변 레이저는 OPA 제작에 사용된 것과 동일한 폴리머 재료를 이용해 광도파로를 설계하고, 도 4의 (a) 와 같이 코어 상부에 격자구조를 형성하여 C-band(1530 - 1565 nm)에서 브래그(Bragg) 반사가 일어나도록 설계되었다. 반사 스펙트럼 특성 향상과 제작 공정의 호환성을 고려하여 5차(5th order) 브래그 격자를 이용하게 되었으며, 격자 주기 2.8 um, 식각 깊이 350 nm 인 경우, 전달 매트릭스(transmission matrix) 계산 결과 20% 정도의 반사가 나타났으며, 이는 외부 캐비티 레이저(external cavity laser)의 피드백(feedback) 신호로 적절한 반사율이다. 히터에 인가되는 전력을 200 mW까지 단계적으로 증대시키면 도 4의 (b)와 같은 반사 스펙트럼의 변화를 얻을 수 있으며, 이때 파장 가변 효율은 0.20 nm/mW로 나타났다. A polymer wavelength tunable laser that can be manufactured by integrating with an OPA device is designed by designing an optical waveguide using the same polymer material used to manufacture OPA, and forming a lattice structure on the upper part of the core as shown in (a) of Figure 4 to achieve C-band (1530). - It is designed to cause Bragg reflection at 1565 nm). Considering the improvement of the reflection spectrum characteristics and the compatibility of the manufacturing process, a 5th order Bragg grating was used. When the grating period is 2.8 um and the etching depth is 350 nm, the transmission matrix calculation results show a reflection of about 20%. appeared, which is an appropriate reflectance as a feedback signal from an external cavity laser. By gradually increasing the power applied to the heater to 200 mW, a change in the reflection spectrum as shown in (b) of FIG. 4 can be obtained, and at this time, the wavelength variable efficiency was found to be 0.20 nm/mW.

파장 가변 레이저 출력빔을 외부 격자를 통하여 회절시키는 방법으로 수직 방향 빔스캐닝을 할 수 있으며, 이때 필요한 격자의 주기 및 리트로 각도(Littrow angle)는 k-벡터 다이어그램을 이용하여 계산할 수 있다. 도 4의 (C) 와 같이 k-벡터 다이어그램에서 나타난 입사각 θi 방향으로 블레이즈드 격자(blazed grating)에 입사된 빛은 θd 방향으로 회절되어 나아가게 되며 블레이즈드 격자의 특성상 0차(0th order) 반사는 최소화시킬 수 있다. 입사광의 파장 λ 격자 주기Λ인 경우 회절각도는 다음 식과 같이 구할 수 있다.Vertical beam scanning can be performed by diffracting a tunable laser output beam through an external grating. At this time, the required period and Littrow angle of the grating can be calculated using a k-vector diagram. As shown in (C) of FIG. 4, the light incident on the blazed grating in the direction of incident angle θi shown in the k-vector diagram is diffracted in the direction θd, and due to the nature of the blazed grating, 0th order reflection occurs. It can be minimized. If the wavelength of the incident light is λ and the grating period is Λ, the diffraction angle can be obtained by the following equation.

여기서, k = 2π/λ이고, Kg = 2 π/Λ이다. 입력 파장 변화 범위를 1530 nm에서 1630 nm 로 두고, 회절각도 변화 범위(Δθd)를 다양한 격자 주기와 입력 각도에 따라 계산한 결과를 도 4의 (d)에 보이고 있다. 입사 각도(Incidence angle)가 39°이며, 주기가 1 um 인 경우 100 nm 파장 가변에 대하여 25° 정도의 회절 각도 튜닝 범위를 가지게 된다. 블레이즈 각도(Blaze angle)가 39°이며, 주기가 1 um 인 블레이즈드 격자를 이용하게 되면 100 nm 파장 가변에 대하여 25°만큼의 수직방향 빔스캐닝이 가능하다.Here, k = 2π/λ and Kg = 2π/Λ. The input wavelength change range is set from 1530 nm to 1630 nm, and the diffraction angle change range (Δθd) is calculated according to various grating periods and input angles. The results are shown in Figure 4 (d). When the incidence angle is 39° and the period is 1 um, the diffraction angle tuning range is about 25° for 100 nm wavelength variation. The blaze angle is 39°, and by using a blazed grating with a period of 1 um, vertical beam scanning of as much as 25° is possible for a 100 nm wavelength change.

설계 내용을 바탕으로 스핀 코팅(spin coating), 포토-리소그래피(photo-lithography), 플라즈마 에칭(plasma etching)과 같은 일반적인 반도체 공정을 통하여 폴리머 광도파로 OPA 소자와 폴리머 파장 가변 레이저를 제작하였다. 폴리머 광도파로 OPA 소자를 제작하기 위해 실리콘 기판(silicon substrate) 위에 폴리머 재료를 스핀 코팅한 다음 UV-경화(curing) 및 열경화 공정을 통해 하부 클래딩(lower cladding) 층을 형성하고, 포토-리소그래피 공정을 통하여 코어 패턴(core pattern)을 형성하고 O2 플라즈마를 이용해 하부 클래딩 층을 식각하여 채널 형태의 홈을 구성한다. 그 다음 폴리머 재료를 코팅하여 홈을 채우면서 코어 클래딩 층을 형성하고 다시 한번 홈에 대응하여 전면을 식각하여 채널 형태의 코어 클래딩 층을 남기게 된다. 그 위에 폴리머 재료를 스핀코팅하고 경화하면 상부 클래딩 층이 형성되어, 광도파로 구조가 완성되며, 상부 클래딩 층 위에 Cr-Au를 10-100 nm로 증착하고 패터닝하여 히터(heater) 패턴을 형성한다. 폴리머 파장 가변 레이저 제작을 위해서 OPA 소자에 사용된 동일한 폴리머 재료를 이용하여 동일한 광도파로 구조를 제작한다. 유일한 차이점은 코어패턴을 형성한 뒤 포토-리소그래피 공정을 통해 2.8 um의 주기의 격자 패턴을 형성하고 O2 플라즈마를 이용하여 350 nm 깊이로 식각하여 형성하는 것이다. 폴리머 광도파로는 반도체 재료에 비해 굴절률이 상대적으로 낮기 때문에 2.8 um 정도의 넓은 주기를 가지는 격자를 포토-리소그래피 공정으로 제작하여 브래그 반사기(Bragg reflector)를 완성할 수 있다. Based on the design details, a polymer optical waveguide OPA device and a polymer wavelength-tunable laser were manufactured through general semiconductor processes such as spin coating, photo-lithography, and plasma etching. To manufacture a polymer optical waveguide OPA device, a polymer material is spin-coated on a silicon substrate, then a lower cladding layer is formed through UV-curing and thermal curing processes, and a photo-lithography process is performed. A core pattern is formed through and the lower cladding layer is etched using O 2 plasma to form a channel-shaped groove. Next, a polymer material is coated to fill the groove to form a core cladding layer, and the entire surface is etched again in response to the groove, leaving a channel-shaped core cladding layer. When a polymer material is spin-coated and cured on top, an upper cladding layer is formed, completing the optical waveguide structure. Cr-Au is deposited to 10-100 nm on the upper cladding layer and patterned to form a heater pattern. To manufacture a polymer wavelength-tunable laser, the same optical waveguide structure is manufactured using the same polymer material used in the OPA device. The only difference is that after forming the core pattern, a grid pattern with a period of 2.8 um is formed through a photo-lithography process and etched to a depth of 350 nm using O 2 plasma. Because polymer optical waveguides have a relatively low refractive index compared to semiconductor materials, a Bragg reflector can be completed by producing a grid with a wide period of about 2.8 um through a photo-lithography process.

제작된 폴리머 소자의 기본적 성능 평가를 위해 분산형 피드백(distributed feedback; DFB) 레이저 출력을 UHNA 파이버(fiber)를 통하여 2-cm 길이의 직선 광도파로에 커플링(coupling)시켰다. 삽입손실은 1.2 dB로 나타났으며, 이는 커플링 손실(coupling loss) 0.3 dB/facet, 전파 손실(propagation loss) 0.3 dB/cm로 나눌 수 있다. 폴리머 광도파로에서 견딜 수 있는 최대 광파워를 확인하기 위하여 광섬유가 정렬 부착된 상태에서 에르븀 첨가 광섬유 증폭기(erbium-doped fiber amplifier; EDFA)를 이용하여 +15 dBm까지 입력 광파워를 증폭시켜 보았지만 삽입손실의 변화는 나타나지 않았으며, 하이 파워(high power) EDFA 광원을 이용하여 1 W 파워를 입력시킨 상태에서 160 시간 동안 관찰한 결과 삽입손실의 변화는 나타나지 않았다(도 5). To evaluate the basic performance of the fabricated polymer device, distributed feedback (DFB) laser output was coupled to a 2-cm-long linear optical waveguide through a UHNA fiber. The insertion loss was found to be 1.2 dB, which can be divided into coupling loss of 0.3 dB/facet and propagation loss of 0.3 dB/cm. In order to confirm the maximum optical power that the polymer optical waveguide can withstand, the input optical power was amplified to +15 dBm using an erbium-doped fiber amplifier (EDFA) with the optical fibers aligned and attached, but the insertion loss was not found. No change was observed, and no change in insertion loss was observed as a result of observation for 160 hours with 1 W power input using a high power EDFA light source (FIG. 5).

폴리머 광도파로를 기반으로 제작된 열광학 위상변조기의 성능 평가를 위해 도 6과 같이 32 채널 OPA 소자의 출력부를 두 개씩 결합시켜서 16채널 마하젠더(Mach-Zender; MZ) 간섭계 소자를 함께 제작하여 특성을 확인하였다. 제작된 위상변조기의 저항은 46~53Ω 범위내로 측정되었으며, 각각의 위상변조기에 전력을 인가하여 출력 간섭신호를 측정하고 전력 효율을 계산하였다. 16채널 MZ 소자의 Pð는 1.8 ~ 2.0 mW 정도의 범위로 설계값보다 0.2 mW 정도 작게 나타났으며, 위상변조기에 의한 추가적인 광손실은 나타나지 않았다. 그러나 MZ 소자의 초기 위상 상태는 동일하지 않음을 확인할 수 있었으며 이는 소자 제작 과정에서 필연적으로 발생하는 도파로 패턴의 미세한 차이로부터 기인하며 구동 단계에서 보정이 필요한 위상값이다.To evaluate the performance of a thermo-optical phase modulator manufactured based on a polymer optical waveguide, a 16-channel Mach-Zender (MZ) interferometer device was fabricated by combining two output units of a 32-channel OPA device as shown in Figure 6 to determine the characteristics. was confirmed. The resistance of the manufactured phase modulator was measured in the range of 46~53Ω, and power was applied to each phase modulator to measure the output interference signal and calculate power efficiency. The Pð of the 16-channel MZ device ranged from 1.8 to 2.0 mW, which was approximately 0.2 mW lower than the design value, and no additional optical loss due to the phase modulator was observed. However, it was confirmed that the initial phase state of the MZ device is not the same. This is due to the slight difference in the waveguide pattern that inevitably occurs during the device manufacturing process and is a phase value that requires correction in the driving stage.

제작된 폴리머 OPA소자의 입력부에 광섬유를 연결한 뒤 TEC가 부착된 케이스에 부착하고, 도 7의 (a)와 같이 출력부에 원통형 렌즈(cylindrical lens)를 정렬 고정하고 45° 미러(mirror)를 통하여 수직방향으로 빛이 출력되도록 만든 후 출력 빔을 CCD로 확인하였다. 광도파로 단면에 초점을 맞추어서 확인한 근거리장 패턴(near-field pattern)은 도 7의 (b)와 같이 각 채널 별로 고른 광파워 분포를 보여주고 있으며, 원통형 렌즈를 통과한 원거리장 패턴(far-field pattern)을 관찰해보면 도 7의 (c)와 같이 수평 방향으로 흩어져서 나타나며, 빔포밍 알고리즘을 통하여 위상을 맞추어주면 도 7의 (d)와 같이 한점으로 모인다. 빠른 속도의 효율적인 빔포밍(beam forming)을 위하여 회전 요소 벡터(rotating element vector; REV) 방법을 응용시킨 알고리즘을 개발하였다. 흩어진 형태로 나타나는 원거리장 패턴에서 상대적으로 밝게 나타나는 포인트(point)는 출력 광도파로 어레이에서 나온 빛들 중에서 위상이 일치하는 일부의 빛들이 모여서 형성된 것이며 이 빛의 위상을 도미넌트 위상(dominant phase)으로 정의한다. 각 채널의 위상을 조금씩 변화시키면서 모인 빛의 세기(intensity) 변화를 측정해보면 각 채널의 위상 변화와 도미넌트 위상 간의 관계를 파악할 수 있으며 이 과정을 각 채널별로 반복 수행하면 모든 채널의 현재 위상 상태를 추정할 수 있다. 빔스캐닝 범위는 중앙에 위치한 메인 빔(main beam)과 사이드 로브(side lobe)의 간격에 의해 결정되며 8.9°로 측정되었다. 이때 형성되는 메인 빔은 입력 광파워 대비 5.2 dB의 손실을 가지는 것으로 측정되었다. 이 후 광도파로 위상분포가 기울기를 가지도록 추가적인 위상값을 계산하여 위상변조기 인가전력을 조절하면 도 7의 (e) 및 (f)와 같이 좌우로 빔스캐닝을 할 수 있게 된다. 폴리머 위상변조기의 높은 효율과 낮은 열적 크로스토크(thermal crosstalk)로 인해서 빔스캐닝 도중에 초기 빔포밍 조건이 흩어지는 것은 나타나지 않았으며 이는 실리콘 OPA 소자에 비하여 큰 장점으로 부각된다(도 8). After connecting the optical fiber to the input part of the manufactured polymer OPA device, attach it to the case with the TEC attached, align and fix the cylindrical lens to the output part as shown in (a) of Figure 7, and install a 45° mirror. After making light output in the vertical direction through the beam, the output beam was checked with a CCD. The near-field pattern confirmed by focusing on the cross-section of the optical waveguide shows an even distribution of optical power for each channel, as shown in Figure 7 (b), and the far-field pattern passing through the cylindrical lens When observing the pattern, it appears scattered horizontally as shown in (c) of Figure 7, and when the phase is adjusted through the beamforming algorithm, it converges to one point as shown in (d) of Figure 7. For fast and efficient beam forming, an algorithm applying the rotating element vector (REV) method was developed. The point that appears relatively bright in the far-field pattern that appears in a scattered form is formed by gathering some lights that are in phase among the lights coming from the output optical waveguide array, and the phase of this light is defined as the dominant phase. . By measuring the change in intensity of the light collected while slightly changing the phase of each channel, the relationship between the phase change of each channel and the dominant phase can be identified. By repeating this process for each channel, the current phase status of all channels can be estimated. can do. The beam scanning range is determined by the distance between the centrally located main beam and the side lobes and was measured at 8.9°. The main beam formed at this time was measured to have a loss of 5.2 dB compared to the input optical power. Afterwards, if the power applied to the phase modulator is adjusted by calculating an additional phase value so that the phase distribution of the optical waveguide has a slope, beam scanning can be performed left and right as shown in Figures 7 (e) and (f). Due to the high efficiency and low thermal crosstalk of the polymer phase modulator, the initial beamforming condition did not appear to be scattered during beam scanning, which stands out as a major advantage compared to the silicon OPA device (FIG. 8).

폴리머 파장 가변 레이저는 폴리머 브래그 격자 광도파로 소자와 SLD 게인(gain) 칩(chip)을 도 9의 (a)와 같이 정렬하여 제작된다. 브래그 격자위에 제작된 히터에 전류를 인가하여 브래그 반사 파장을 변화시키고 이로 인해 얻어진 출력 스펙트럼 변화를 광 스펙트럼 분석기(optical spectrum analyzer)로 측정한 결과를 도 9의 (b)에 보이고 있다. 파장 가변 레이저 출력을 콜리메이션(collimation)시킨 후 도 9의 (c)와 같은 셋업을 구성하여 블레이즈드 격자(blazed grating)의 리트로 각도(Littrow angle)로 입사시킨 뒤 파장 가변에 따른 회절 각도 변화를 측정하였다. Santec사의 파장 가변 레이저 장비를 이용하여 95 nm에 걸친 파장 가변을 하였을 때, 도 9의 (d)와 같이 14.7°의 회절각도 변화를 얻을 수 있었다. 폴리머 파장 가변 레이저의 안정적인 파장 가변 범위는 1538 nm - 1568 nm 정도이며 이로 인한 회절각도 변화는 3.9° 정도가 된다. 블레이즈드 격자의 우수한 회절 특성으로 인해 회절된 빔의 광파워 손실은 측정 파장대역에 걸쳐서 1 dB 이내로 유지되었다. A polymer tunable laser is manufactured by aligning a polymer Bragg grating optical waveguide element and an SLD gain chip as shown in (a) of FIG. 9. The Bragg reflection wavelength is changed by applying a current to the heater manufactured on the Bragg grating, and the result of measuring the change in the resulting output spectrum using an optical spectrum analyzer is shown in Figure 9(b). After collimating the wavelength-tunable laser output, configure the setup as shown in (c) of Figure 9, enter it at the Littrow angle of the blazed grating, and change the diffraction angle according to the wavelength change. Measured. When the wavelength was tunable over 95 nm using Santec's tunable laser equipment, a diffraction angle change of 14.7° was obtained as shown in (d) of Figure 9. The stable wavelength tunable range of the polymer tunable laser is about 1538 nm - 1568 nm, and the resulting diffraction angle change is about 3.9°. Due to the excellent diffraction properties of the blazed grating, the optical power loss of the diffracted beam was maintained within 1 dB throughout the measurement wavelength range.

이차원 빔스캐닝(2-dimentional beam scanning) 동작을 완성하기 위해서 폴리머 파장 가변 레이저를 광원으로 사용하고 폴리머 OPA 소자 상부에 블레이즈드 격자를 올려서 도 10의 (a)와 같이 정렬시켰다. 레이저와 OPA를 모놀리식 집적(monolithic integration) 상태로 제작하는 것은 다음 단계 연구로 남기고 이번에는 이들을 광섬유를 통하여 연결시켰다. 위상변조기 어레이 소자에서 출력된 빔을 외부 격자에 정확한 각도로 입력시키기 위해 3D 프린터(printer)로 출력한 지그(jig)를 사용하였다. 빔스캐닝 동작을 CCD 카메라(camera)로 확인하기 위하여 빔 스캐너 소자와 CCD 카메라 사이에 5배율의 대물렌즈(objective lens)를 정렬시켰다. 각각의 파장에 대해서 빔정렬을 하여 초기 위상 정보를 획득하여 look-up table (LUT)을 완성한다. 파장 변환과 함께 빔포밍 위상 정보를 수정해가면서 vertical 방향의 스캐닝을 할 수 있었으며, 30 nm 파장 가변에 대하여 측정된 각도 변화는 6.0° 였다. 외부격자에 대한 입사 각도가 리트로 각도(Littrow angle)인 41°가 아닌 36.6°로 정렬되어 파장 가변 각도가 설계치인 3.9° 보다 약간 향상되었다. 특정 파장에 대하여 빔포밍이 완성된 상태에서 수평방향 스캐닝을 하는 경우에는 별도의 빔포밍 없이 위상 슬로프(phase slope)를 형성하기 위한 위상변조기 입력 신호만 변경해주면 된다(도 10). CCD 로 측정한 빔이 충분히 떨어져서 구분이 가능한 정도로 스캐닝 스텝을 정하였다. 수평 방향으로는 위상 슬로프를 15°씩 증가시킬 때 스캐닝 각도의 변화는 0.7°간격이 되었으며, 수직 방향으로는 5 nm 간격으로 파장을 가변시킬 때 스캐닝 각도는 1.0°씩 변화하게 되었으며 그 결과 도 10의 (b)와 같이 CCD 상에 13 x 7 point의 좌표에 해당하는 빔스캐닝을 할 수 있었다. 13 Х 7 point를 형성하기 위한 입력값들을 추출하고, 이로부터 하트(heart) 패턴(도 10의 (c)), figure-8(figure-of-eight) 패턴(도 10의 (d))을 형성하는 스캐닝을 수행할 수 있었다.To complete the two-dimensional beam scanning operation, a polymer wavelength-tunable laser was used as a light source, and a blazed grid was placed on top of the polymer OPA element and aligned as shown in (a) of Figure 10. Manufacturing the laser and OPA in a monolithic integration state was left as the next step of research, and this time, they were connected through optical fiber. A jig printed with a 3D printer was used to input the beam output from the phase modulator array element into the external grid at a precise angle. In order to check the beam scanning operation with a CCD camera, a 5x objective lens was aligned between the beam scanner element and the CCD camera. Beam alignment is performed for each wavelength to obtain initial phase information to complete the look-up table (LUT). By modifying the beamforming phase information along with wavelength conversion, scanning in the vertical direction was possible, and the angle change measured for 30 nm wavelength change was 6.0°. The angle of incidence on the external grid was aligned at 36.6° instead of the Littrow angle of 41°, so the wavelength variation angle was slightly improved from the design value of 3.9°. When horizontal scanning is performed with beamforming completed for a specific wavelength, only the phase modulator input signal needs to be changed to form a phase slope without separate beamforming (FIG. 10). The scanning step was set so that the beams measured by the CCD were far enough apart to be distinguishable. When increasing the phase slope by 15° in the horizontal direction, the scanning angle changed at 0.7° intervals, and when changing the wavelength at 5 nm intervals in the vertical direction, the scanning angle changed at 1.0° increments. As a result, Figure 10 As shown in (b), beam scanning corresponding to the coordinates of 13 x 7 points was possible on the CCD. Input values to form 13 Х 7 points are extracted, and from these, a heart pattern ((c) in Figure 10) and a figure-of-eight pattern ((d) in Figure 10) are created. Formative scanning could be performed.

폴리머 광IC 빔스캐너의 스캐닝 응답 시간을 확인하기 위해 애퍼처 사이즈(aperture size)가 0.3 mm인 Newport 사의 포토 디텍터(photo detector)에 OPA에서 출력된 빔을 정렬시킨 후 폴리머 위상변조기 어레이에 신호를 인가하여 빔을 디텍터 밖으로 스캐닝 시킬 때 나타나는 광신호를 측정하였다. 파장 가변을 통한 수직 방향 빔스캐닝 속도를 측정하기 위해서는 폴리머 파장 가변 레이저의 응답시간을 측정하여야 한다. 브래그 반사 격자 위에 형성된 히터에 전력 신호를 인가하여 파장 변환이 일어나면 회절 격자(diffraction grating)에서 회절되는 각도가 변하면서 수직방향 스캐닝이 이루어지면서 광신호의 변화를 검출할 수 있다. 히터에는 0.2 s 주기로, 50 mW의 전력을 인가하여 파장 가변이 30 nm 일어나도록 구성하여 빔을 디텍터 밖으로 스캐닝 시키면서 나타나는 광신호를 측정하였다(도 11). 측정결과 수평 방향과 수직 방향의 스캐닝 응답속도는 각각 7 ms, 21 ms로 나타났다To check the scanning response time of the polymer optical IC beam scanner, the beam output from the OPA was aligned with a Newport photo detector with an aperture size of 0.3 mm, and then a signal was applied to the polymer phase modulator array. The optical signal that appears when the beam is scanned out of the detector was measured. In order to measure the vertical beam scanning speed through wavelength tunability, the response time of the polymer wavelength tunable laser must be measured. When wavelength conversion occurs by applying a power signal to a heater formed on a Bragg reflection grating, the angle of diffraction from the diffraction grating changes and vertical scanning occurs, allowing changes in the optical signal to be detected. The heater was configured to change the wavelength by 30 nm by applying 50 mW of power at a cycle of 0.2 s, and the optical signal that appeared while scanning the beam out of the detector was measured (FIG. 11). As a result of the measurement, the scanning response speed in the horizontal and vertical directions was found to be 7 ms and 21 ms, respectively.

다양한 실시예들에 따른 이차원 빔스캐너(beam scanner)는, 폴리머 광도파로(polymer optical waveguide)와 폴리머 광도파로의 일부 상의 브래그 반사기(Bragg reflector)를 포함하는 광학 위상 어레이(OPA) 소자, 및 광학 위상 어레이 소자의 일측에 배치되고, 광학 위상 어레이 소자에 광을 입사시키는 다이오드(diode) 소자(예: SLD)를 포함하고, 브래그 반사기가 다이오드 소자로부터 입사되는 광을 반사시키고, 이로써 입사되는 광의 파장이 변화되면서 입사되는 광이 회절될 수 있다. A two-dimensional beam scanner according to various embodiments includes an optical phased array (OPA) element including a polymer optical waveguide and a Bragg reflector on a portion of the polymer optical waveguide, and an optical phase It is disposed on one side of the array element and includes a diode element (e.g., SLD) that makes light incident on the optical phased array element, and the Bragg reflector reflects the light incident from the diode element, thereby changing the wavelength of the incident light. As the change occurs, the incident light may be diffracted.

다양한 실시예들에 따르면, 이차원 빔스캐너는, 광학 위상 어레이 소자의 타측에 배치되고, 광학 위상 어레이 소자의 타측으로부터 출력되는 빔을 회절시키고, 이로써 출력되는 빔의 출력 각도를 수직 방향으로 변화시키는 외부 격자(grating)를 더 포함할 수 있다. According to various embodiments, the two-dimensional beam scanner is disposed on the other side of the optical phased array element, diffracts the beam output from the other side of the optical phased array element, and changes the output angle of the beam in the vertical direction. It may further include grating.

다양한 실시예들에 따르면, 폴리머 광도파로는, 하나의 입력단과 복수의 출력단들 사이에서 스플리트되면서 연장될 수 있다.According to various embodiments, the polymer optical waveguide may extend while being split between one input terminal and a plurality of output terminals.

다양한 실시예들에 따르면, 광학 위상 어레이 소자는, 폴리머 광도파로의 출력단들에 배치되고, 출력단들에서 출력되는 빔들의 위상 분포를 조절하고, 이로써 출력되는 빔들의 출력 각도를 수평 방향으로 변화시키는 위상변조기 어레이(phase modulator array)를 더 포함할 수 있다. According to various embodiments, the optical phased array element is disposed at the output terminals of the polymer optical waveguide, adjusts the phase distribution of the beams output from the output terminals, and changes the output angle of the beams output in the horizontal direction. It may further include a modulator array (phase modulator array).

다양한 실시예들에 따르면, 광학 위상 어레이 소자는, 위상변조기 어레이와 광학 위상 어레이 소자의 타측 사이에 배치되고, 위상변조기 어레이로부터 출력되는 빔들을 모아서 광학 위상 어레이 소자의 타측으로 출력시키는 빔 콘센트레이터(beam concentrator) 소자를 더 포함할 수 있다.According to various embodiments, the optical phased array element is a beam concentrator (beam concentrator) disposed between the phase modulator array and the other side of the optical phased array element, and collecting the beams output from the phase modulator array and outputting them to the other side of the optical phased array element. It may further include a beam concentrator) element.

다양한 실시예들에 따르면, 이차원 빔스캐너는, 광학 위상 어레이 소자의 타측과 외부 격자 사이에 배치되고, 광학 위상 어레이 소자의 타측으로부터 출력되는 빔을 수평 방향으로 분산시키면서 외부 격자를 향해 수직 방향으로 콜리메이션하는 원통형 렌즈(cylindrical lens)를 더 포함할 수 있다. According to various embodiments, the two-dimensional beam scanner is disposed between the other side of the optical phased array element and the external grid, and disperses the beam output from the other side of the optical phased array element in the horizontal direction and collides in the vertical direction toward the external grid. It may further include a cylindrical lens.

다양한 실시예들에 따른 이차원 빔스캐너의 제조 방법은, 폴리머 광도파로와 폴리머 광도파로의 일부 상의 브래그 반사기를 포함하는 광학 위상 어레이(OPA) 소자를 제조하는 단계, 및 광학 위상 어레이 소자의 일측에, 광학 위상 어레이 소자에 광을 입사시키는 다이오드 소자를 부착하는 단계를 포함하고, 브래그 반사기가 다이오드 소자로부터 입사되는 광을 반사시키고, 이로써 입사되는 광의 파장이 변화되면서 입사되는 광이 회절될 수 있다. A method of manufacturing a two-dimensional beam scanner according to various embodiments includes manufacturing an optical phased array (OPA) device including a polymer optical waveguide and a Bragg reflector on a portion of the polymer optical waveguide, and on one side of the optical phased array device, It includes the step of attaching a diode element that causes light to enter the optical phased array element, wherein the Bragg reflector reflects the light incident from the diode element, and as a result, the wavelength of the incident light changes and the incident light may be diffracted.

다양한 실시예들에 따르면, 이차원 빔스캐너의 제조 방법은, 광학 위상 어레이 소자의 타측에 외부 격자를 부착하는 단계를 더 포함하고, 외부 격자는, 광학 위상 어레이 소자의 타측으로부터 출력되는 빔을 회절시키고, 이로써 출력되는 빔의 출력 각도를 수직 방향으로 변화시킬 수 있다. According to various embodiments, a method of manufacturing a two-dimensional beam scanner further includes attaching an external grating to the other side of the optical phased array element, wherein the external grating diffracts the beam output from the other side of the optical phased array element. , This allows the output angle of the output beam to be changed in the vertical direction.

다양한 실시예들에 따르면, 광학 위상 어레이 소자를 제조하는 단계는, 기판 위에 폴리머 재료로 이루어지는 하부 클래딩 층을 형성하는 단계, 하부 클래딩 층을 식각하여, 하부 클래딩 층에 홈을 형성하는 단계, 하부 클래딩 층 상에 폴리머 재료로 이루어지는 코어 클래딩층을 형성하는 단계, 코어 클래딩 층을 식각하여, 홈에 대응하는 코어 패턴을 형성하는 단계, 코어 클래딩 층을 식각하여, 코어 클래딩 층에 브래그 반사기를 형성하는 단계, 코어 클래딩 층 상에 폴리머 재료로 이루어지는 상부 클래딩 층을 형성하여, 코어 패턴으로부터 폴리머 광도파로를 형성하는 단계, 및 상부 클래딩 층을 패터닝하여, 상부 클래딩 층에 히터를 형성하는 단계를 포함할 수 있다. According to various embodiments, manufacturing an optical phased array device includes forming a lower cladding layer made of a polymer material on a substrate, etching the lower cladding layer to form a groove in the lower cladding layer, and forming a groove in the lower cladding layer. forming a core cladding layer made of a polymer material on the layer, etching the core cladding layer to form a core pattern corresponding to the groove, etching the core cladding layer to form a Bragg reflector in the core cladding layer. , forming an upper cladding layer made of a polymer material on the core cladding layer, forming a polymer optical waveguide from the core pattern, and patterning the upper cladding layer to form a heater in the upper cladding layer. .

다양한 실시예들에 따르면, 폴리머 광도파로는, 하나의 입력단과 복수의 출력단들 사이에서 스플리트되면서 연장될 수 있다.According to various embodiments, the polymer optical waveguide may extend while being split between one input terminal and a plurality of output terminals.

다양한 실시예들에 따르면, 광학 위상 어레이 소자는, 폴리머 광도파로의 출력단들에 배치되고, 출력단들에서 출력되는 빔들의 위상 분포를 조절하고, 이로써 출력되는 빔들의 출력 각도를 수평 방향으로 변화시키는 위상변조기 어레이를 더 포함할 수 있다. According to various embodiments, the optical phased array element is disposed at the output terminals of the polymer optical waveguide, adjusts the phase distribution of the beams output from the output terminals, and changes the output angle of the beams output in the horizontal direction. It may further include a modulator array.

다양한 실시예들에 따르면, 광학 위상 어레이 소자는, 위상변조기 어레이와 광학 위상 어레이 소자의 타측 사이에 배치되고, 위상변조기 어레이로부터 출력되는 빔들을 모아서 광학 위상 어레이 소자의 타측으로 출력시키는 빔 콘센트레이터 소자를 더 포함할 수 있다. According to various embodiments, the optical phased array element is a beam concentrator element that is disposed between the phase modulator array and the other side of the optical phased array element, and collects beams output from the phase modulator array and outputs them to the other side of the optical phased array element. It may further include.

다양한 실시예들에 따르면, 외부 격자를 부착하는 단계는, 광학 위상 어레이 소자의 타측에 원통형 렌즈를 부착하는 단계, 및 원통형 렌즈에 외부 격자를 부착하는 단계를 포함하고, 원통형 렌즈는, 광학 위상 어레이 소자의 타측으로부터 출력되는 빔을 수평 방향으로 분산시키면서 외부 격자를 향해 수직 방향으로 콜리메이션할 수 있다. According to various embodiments, attaching the external grating includes attaching a cylindrical lens to the other side of the optical phased array element, and attaching the external grating to the cylindrical lens, wherein the cylindrical lens is attached to the optical phased array element. The beam output from the other side of the device can be dispersed in the horizontal direction and collimated in the vertical direction toward the external grid.

본 문서의 다양한 실시예들 및 이에 사용된 용어들은 본 문서에 기재된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 해당 실시 예의 다양한 변경, 균등물, 및/또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성 요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 본 문서에서, "A 또는 B", "A 및/또는 B 중 적어도 하나", "A, B 또는 C" 또는 "A, B 및/또는 C 중 적어도 하나" 등의 표현은 함께 나열된 항목들의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다. "제 1", "제 2", "첫째" 또는 "둘째" 등의 표현들은 해당 구성 요소들을, 순서 또는 중요도에 상관없이 수식할 수 있고, 한 구성 요소를 다른 구성 요소와 구분하기 위해 사용될 뿐 해당 구성 요소들을 한정하지 않는다. 어떤(예: 제 1) 구성 요소가 다른(예: 제 2) 구성 요소에 "(기능적으로 또는 통신적으로) 연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 상기 어떤 구성 요소가 상기 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되거나, 다른 구성 요소(예: 제 3 구성 요소)를 통하여 연결될 수 있다.The various embodiments of this document and the terms used herein are not intended to limit the technology described in this document to a specific embodiment, and should be understood to include various changes, equivalents, and/or replacements of the embodiments. In connection with the description of the drawings, similar reference numerals may be used for similar components. Singular expressions may include plural expressions, unless the context clearly indicates otherwise. In this document, expressions such as “A or B”, “at least one of A and/or B”, “A, B or C” or “at least one of A, B and/or C” refer to all of the items listed together. Possible combinations may be included. Expressions such as "first", "second", "first" or "second" can modify the corresponding components regardless of order or importance, and are only used to distinguish one component from another. The components are not limited. When a component (e.g. a first) component is said to be "connected (functionally or communicatively)" or "connected" to another (e.g. a second) component, it means that the component is connected to the other component. It may be connected directly to a component or may be connected through another component (e.g., a third component).

다양한 실시예들에 따르면, 기술한 구성 요소들의 각각의 구성 요소는 단수 또는 복수의 개체를 포함할 수 있다. 다양한 실시예들에 따르면, 전술한 해당 구성 요소들 중 하나 이상의 구성 요소들 또는 단계들이 생략되거나, 또는 하나 이상의 다른 구성 요소들 또는 단계들이 추가될 수 있다. 대체적으로 또는 추가적으로, 복수의 구성 요소들은 하나의 구성 요소로 통합될 수 있다. 이런 경우, 통합된 구성 요소는 복수의 구성 요소들 각각의 구성 요소의 하나 이상의 기능들을 통합 이전에 복수의 구성 요소들 중 해당 구성 요소에 의해 수행되는 것과 동일 또는 유사하게 수행할 수 있다. 다양한 실시예들에 따르면, 단계들은 순차적으로, 병렬적으로, 반복적으로, 또는 휴리스틱하게 실행되거나, 단계들 중 하나 이상이 다른 순서로 실행되거나, 생략되거나, 또는 하나 이상의 다른 단계들이 추가될 수 있다. According to various embodiments, each of the described components may include a single or plural entity. According to various embodiments, one or more of the components or steps described above may be omitted, or one or more other components or steps may be added. Alternatively or additionally, multiple components may be integrated into one component. In this case, the integrated component may perform one or more functions of each component of the plurality of components identically or similarly to those performed by the corresponding component of the plurality of components prior to integration. According to various embodiments, the steps may be executed sequentially, in parallel, iteratively, or heuristically, or one or more of the steps may be executed in a different order, omitted, or one or more other steps may be added. .

Claims (5)

이차원 빔스캐너에 있어서,
광학 위상 어레이(optical phased array; OPA) 소자;
상기 광학 위상 어레이 소자의 일측에 배치되고, 상기 광학 위상 어레이 소자에 광을 입사시키는 다이오드 소자; 및
상기 광학 위상 어레이 소자의 타측에 배치되고, 상기 광학 위상 어레이 소자의 상기 타측으로부터 출력되는 빔을 회절시키고, 이로써 상기 출력되는 빔의 출력 각도를 수직 방향으로 변화시키는 외부 격자
를 포함하고,
상기 광학 위상 어레이 소자는,
기판;
상기 기판 상에서, 하나의 입력단과 복수의 출력단들 사이에서 스플리트되면서 연장되는 폴리머 광도파로;
상기 기판 상의 상기 폴리머 광도파로의 일부 상에서, 상기 다이오드 소자로부터 상기 입사되는 광을 반사시키고, 이로써 상기 입사되는 광의 파장이 변화되면서 상기 입사되는 광이 회절되도록 하는 브래그 반사기;
상기 기판 상에서 상기 폴리머 광도파로의 상기 출력단들에 배치되고, 상기 출력단들에서 출력되는 빔들의 위상 분포를 조절하고, 이로써 상기 출력되는 빔들의 출력 각도를 수평 방향으로 변화시키는 위상변조기 어레이; 및
상기 기판 상에서 상기 위상변조기 어레이와 상기 광학 위상 어레이 소자의 상기 타측 사이에 배치되고, 상기 위상변조기 어레이로부터 출력되는 빔들을 모아서 상기 광학 위상 어레이 소자의 상기 타측으로 출력시키는 빔 콘센트레이터 소자
를 포함하고,
상기 광학 위상 어레이 소자는,
상기 기판 위에 폴리머 재료로 이루어지는 하부 클래딩 층을 형성하고,
상기 하부 클래딩 층을 식각하여, 상기 하부 클래딩 층에 홈을 형성하고,
상기 하부 클래딩 층 상에 폴리머 재료로 이루어지는 코어 클래딩층을 형성하고,
상기 코어 클래딩 층을 식각하여, 상기 홈에 대응하는 코어 패턴을 형성하고,
상기 코어 클래딩 층을 식각하여, 상기 코어 클래딩 층에 상기 브래그 반사기를 형성하고,
상기 코어 클래딩 층 상에 폴리머 재료로 이루어지는 상부 클래딩 층을 형성하여, 상기 코어 패턴으로부터 상기 폴리머 광도파로를 형성하고,
상기 상부 클래딩 층을 패터닝하여, 상기 상부 클래딩 층에 히터를 형성하는
것을 포함하여 제조되고,
상기 이차원 빔스캐너는,
상기 광학 위상 어레이 소자의 상기 타측과 상기 외부 격자 사이에서 상기 기판의 일 모서리에 걸쳐 배치되고, 상기 모서리에 나란한 축을 둘러싸는 원통형이고, 상기 광학 위상 어레이 소자의 상기 타측으로부터 출력되는 빔을 수평 방향으로 분산시키면서 상기 외부 격자를 향해 수직 방향으로 콜리메이션하는 원통형 렌즈
를 더 포함하는,
이차원 빔스캐너.
In a two-dimensional beam scanner,
optical phased array (OPA) device;
a diode element disposed on one side of the optical phased array element and allowing light to enter the optical phased array element; and
An external grid disposed on the other side of the optical phased array element and diffracting the beam output from the other side of the optical phased array element, thereby changing the output angle of the output beam in the vertical direction.
Including,
The optical phased array element,
Board;
A polymer optical waveguide extending while being split between one input terminal and a plurality of output terminals on the substrate;
A Bragg reflector that reflects the incident light from the diode element on a portion of the polymer optical waveguide on the substrate, thereby diffracting the incident light as the wavelength of the incident light changes;
a phase modulator array disposed at the output terminals of the polymer optical waveguide on the substrate and adjusting the phase distribution of the beams output from the output terminals, thereby changing the output angle of the beams output in the horizontal direction; and
A beam concentrator element disposed between the phase modulator array and the other side of the optical phased array element on the substrate, and collecting beams output from the phase modulator array and outputting them to the other side of the optical phased array element.
Including,
The optical phased array element,
Forming a lower cladding layer made of a polymer material on the substrate,
Etching the lower cladding layer to form a groove in the lower cladding layer,
Forming a core cladding layer made of a polymer material on the lower cladding layer,
Etching the core cladding layer to form a core pattern corresponding to the groove,
Etching the core cladding layer to form the Bragg reflector in the core cladding layer,
Forming an upper cladding layer made of a polymer material on the core cladding layer to form the polymer optical waveguide from the core pattern,
Patterning the upper cladding layer to form a heater in the upper cladding layer.
manufactured including,
The two-dimensional beam scanner,
It is disposed across one corner of the substrate between the other side of the optical phased array element and the external grid, has a cylindrical shape surrounding an axis parallel to the corner, and directs the beam output from the other side of the optical phased array element in a horizontal direction. A cylindrical lens that collimates in a vertical direction toward the external grid while dispersing
Containing more,
Two-dimensional beam scanner.
삭제delete 이차원 빔스캐너의 제조 방법에 있어서,
광학 위상 어레이(OPA) 소자를 제조하는 단계;
상기 광학 위상 어레이 소자의 일측에, 상기 광학 위상 어레이 소자에 광을 입사시키는 다이오드 소자를 부착하는 단계;
상기 광학 위상 어레이 소자의 타측에 원통형 렌즈를 부착하는 단계; 및
상기 원통형 렌즈에 외부 격자를 부착하는 단계
를 포함하고,
상기 외부 격자는,
상기 광학 위상 어레이 소자의 상기 타측으로부터 출력되는 빔을 회절시키고, 이로써 상기 출력되는 빔의 출력 각도를 수직 방향으로 변화시키고,
상기 광학 위상 어레이 소자는,
기판;
상기 기판 상에서, 하나의 입력단과 복수의 출력단들 사이에서 스플리트되면서 연장되는 폴리머 광도파로;
상기 기판 상의 상기 폴리머 광도파로의 일부 상에서, 상기 다이오드 소자로부터 상기 입사되는 광을 반사시키고, 이로써 상기 입사되는 광의 파장이 변화되면서 상기 입사되는 광이 회절되도록 하는 브래그 반사기;
상기 기판 상에서 상기 폴리머 광도파로의 상기 출력단들에 배치되고, 상기 출력단들에서 출력되는 빔들의 위상 분포를 조절하고, 이로써 상기 출력되는 빔들의 출력 각도를 수평 방향으로 변화시키는 위상변조기 어레이; 및
상기 기판 상에서 상기 위상변조기 어레이와 상기 광학 위상 어레이 소자의 상기 타측 사이에 배치되고, 상기 위상변조기 어레이로부터 출력되는 빔들을 모아서 상기 광학 위상 어레이 소자의 상기 타측으로 출력시키는 빔 콘센트레이터 소자
를 포함하고,
상기 광학 위상 어레이 소자를 제조하는 단계는,
상기 기판 위에 폴리머 재료로 이루어지는 하부 클래딩 층을 형성하는 단계;
상기 하부 클래딩 층을 식각하여, 상기 하부 클래딩 층에 홈을 형성하는 단계;
상기 하부 클래딩 층 상에 폴리머 재료로 이루어지는 코어 클래딩층을 형성하는 단계;
상기 코어 클래딩 층을 식각하여, 상기 홈에 대응하는 코어 패턴을 형성하는 단계;
상기 코어 클래딩 층을 식각하여, 상기 코어 클래딩 층에 상기 브래그 반사기를 형성하는 단계;
상기 코어 클래딩 층 상에 폴리머 재료로 이루어지는 상부 클래딩 층을 형성하여, 상기 코어 패턴으로부터 상기 폴리머 광도파로를 형성하는 단계; 및
상기 상부 클래딩 층을 패터닝하여, 상기 상부 클래딩 층에 히터를 형성하는 단계
를 포함하고,
상기 원통형 렌즈는,
상기 광학 위상 어레이 소자의 상기 타측과 상기 외부 격자 사이에서 상기 기판의 일 모서리에 걸쳐 배치되고, 상기 모서리에 나란한 축을 둘러싸는 원통형이고, 상기 광학 위상 어레이 소자의 상기 타측으로부터 출력되는 빔을 수평 방향으로 분산시키면서 상기 외부 격자를 향해 수직 방향으로 콜리메이션하는, 방법.
In the method of manufacturing a two-dimensional beam scanner,
manufacturing an optical phased array (OPA) device;
Attaching a diode element that makes light incident on the optical phased array element to one side of the optical phased array element;
attaching a cylindrical lens to the other side of the optical phased array element; and
Attaching an external grid to the cylindrical lens.
Including,
The external grid is,
Diffracts the beam output from the other side of the optical phased array element, thereby changing the output angle of the output beam in the vertical direction,
The optical phased array element,
Board;
A polymer optical waveguide extending while being split between one input terminal and a plurality of output terminals on the substrate;
A Bragg reflector that reflects the incident light from the diode element on a portion of the polymer optical waveguide on the substrate, thereby diffracting the incident light as the wavelength of the incident light changes;
a phase modulator array disposed at the output terminals of the polymer optical waveguide on the substrate and adjusting the phase distribution of the beams output from the output terminals, thereby changing the output angle of the beams output in the horizontal direction; and
A beam concentrator element disposed between the phase modulator array and the other side of the optical phased array element on the substrate, and collecting beams output from the phase modulator array and outputting them to the other side of the optical phased array element.
Including,
The step of manufacturing the optical phased array element is,
forming a lower cladding layer made of a polymer material over the substrate;
etching the lower cladding layer to form a groove in the lower cladding layer;
forming a core cladding layer made of a polymer material on the lower cladding layer;
etching the core cladding layer to form a core pattern corresponding to the groove;
forming the Bragg reflector in the core cladding layer by etching the core cladding layer;
forming an upper cladding layer made of a polymer material on the core cladding layer, thereby forming the polymer optical waveguide from the core pattern; and
Patterning the upper cladding layer to form a heater in the upper cladding layer.
Including,
The cylindrical lens is,
It is disposed across one corner of the substrate between the other side of the optical phased array element and the external grid, has a cylindrical shape surrounding an axis parallel to the corner, and directs the beam output from the other side of the optical phased array element in a horizontal direction. A method of collimating in a vertical direction toward the external grid while dispersing.
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