KR20020008266A - Angle sensor using photonic quantum ring laser - Google Patents

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이구택
포항종합제철 주식회사
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Abstract

PURPOSE: An azimuth angle sensor by using PQR(Photonic Quantum Ring) laser is provided to conveniently produce the azimuth angle sensor by simplifying structure and to extend measuring range of the azimuth angle. CONSTITUTION: An azimuth angle sensor by PQR laser comprises a PQR laser changing output spectrum wave according to the azimuth angle; an optical spectrum analyzer measuring wave of the output spectrum of the PQR laser; and an angle changing algorithm; a first DBR formed on a semiconductor base plate; a cavity layer installed on the first DBR; a second DBR formed on the cavity layer; and a unit element containing the second DBR. The cavity layer and the second DBR are mesa structure by having a smaller diameter than the semiconductor case plate and the first DBR. The mesa structure of the cavity structure and the second DBR is formed by a CAIBE(Chemically Assisted Ion Beam Etching) method. Thereby, the azimuth angle sensor by the PQR laser extends a measuring range of the azimuth angle.

Description

광양자테 레이저를 이용한 방위각 센서{Angle sensor using photonic quantum ring laser}Angle sensor using photonic quantum ring laser

본 발명은 방위각 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 레이저를 이용한 방위각 센서에 관한 것이다.The present invention relates to an azimuth sensor, and more particularly to an azimuth sensor using a laser.

오늘날 공장 자동화에 많이 응용되고 있는 이동 로봇은 주변 환경에 대한 인식 능력의 한계로 인해 주로 무인 운반차 (AGV : automatic guided vehicle) 형태로 사용되고 있는 상황이다. 무인 운반차는 공장이나 창고 등 물류 자동화가 필요한 곳에서 정해진 경로만을 주행하는 것으로, 이보다는 이동 로봇 스스로가 주변 환경을 인식하여 사용자가 원하는 목적지까지 가장 효율적인 경로를 계산해서 주행하는 것이 요구된다.Mobile robots, which are widely used in factory automation today, are mainly used in the form of automatic guided vehicles (AGVs) due to the limitation of the perception of the surrounding environment. The unmanned vehicle runs only a predetermined route in a place where logistics automation is required, such as a factory or a warehouse. Instead, the mobile robot itself needs to recognize the surrounding environment and calculate and drive the most efficient route to the desired destination.

이를 위해서는 주변 환경에 대한 인식 능력이 뛰어난 센서의 개발이 필요하다. 일반적인 중거리 측정용 센서인 초음파 센서는 그 접속 방법이 간단하고 가격이 저렴하다는 장점 때문에 널리 사용되고 있다. 그러나 센서 자체의 환경 인식 능력 부족으로 좋은 환경 인식 결과를 기대하기는 어렵다.This requires the development of a sensor with excellent perception of the environment. Ultrasonic sensors, which are general sensors for measuring medium distances, are widely used because of their simple connection method and low cost. However, due to the lack of environmental awareness of the sensor itself, it is difficult to expect good environmental awareness.

요즘 널리 사용되고 있는 카메라의 경우 실제 사람이 볼 수 있는 것처럼 영상을 획득할 수 있는 장점이 있지만 방대한 양의 데이터 처리에 따른 시간지연으로 실시간 자동화 기술의 실현이 어렵다.Cameras that are widely used these days have the advantage of acquiring images as can be seen by real people, but real time automation technology is difficult to realize due to the time delay caused by massive data processing.

이에 반해 레이저를 이용한 센서는 초음파 센서와 카메라의 장점을 모두 갖춘 기능을 수행할 수 있는데, 기존 레이저 기술은 도플러(Doppler) 효과를 이용한 거리측정이라는 재래 기술의 한계에 머물고 있다. 한편, 각도 감지 기술은 보통 회전축의 기계적 회전각도의 눈금들을 광학적으로 읽어내는 인코더(encoder) 기술을 사용하는 원시적 수준에 매여 있고, 거리 측정 기술과는 별도로 복잡하게 혼합하여 사용할 수 있는 형편이다.On the other hand, a sensor using a laser can perform a function having both the advantages of an ultrasonic sensor and a camera, and existing laser technology is limited to the conventional technology of distance measurement using a Doppler effect. On the other hand, the angle sensing technique is usually tied to a primitive level using an encoder technique that optically reads the scales of the mechanical rotation angle of the rotating shaft, and can be mixed and used separately from the distance measuring technique.

따라서 초음파 센서 또는 카메라 보다 우수한 환경 인식 능력을 이동 로봇에 부여해 줄 수 있는 센서의 개발이 필요한 실정이다.Therefore, there is a need for the development of a sensor that can give a mobile robot superior environmental awareness than an ultrasonic sensor or camera.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 우수한 환경 인식 능력을 이동 로봇에 부여해 줄 수 있도록 측정가능한 방위각의 범위가 넓고, 넓은 범위의 측정거리를 가지는 방위각 센서를 제공하는 데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and an object thereof is to provide an azimuth sensor having a wide range of measurable azimuth angles and a wide range of measurement distances to impart excellent environmental awareness to a mobile robot. have.

도 1은 본 발명에 따른 방위각 센서에 이용된 광양자테 레이저 단위소자의 단면도이다.1 is a cross-sectional view of a photon frame laser unit device used in the azimuth sensor according to the present invention.

도 2a 및 도 2b는 각각 투명조건 및 문턱조건에서의, 본 발명에 따른 방위각 센서에 이용된 8×8 광양자테 레이저 어레이의 근접장 사진이다.2A and 2B are close-up photographs of an 8 × 8 photon frame laser array used in an azimuth sensor according to the present invention under transparent and threshold conditions, respectively.

도 3은 본 발명에 따른 방위각 센서에 이용된 8×8 광양자테 레이저 어레이의 거리에 따른 스펙트럼을 측정한 결과이다.3 is a result of measuring the spectrum according to the distance of the 8 × 8 photon frame laser array used in the azimuth sensor according to the present invention.

도 4는 본 발명에 따른 방위각 센서에 이용된 8×8 광양자테 레이저 어레이에 대해, 일정한 측정거리에서 측정거리와 수평한 방향(x축)으로 이동시킨 거리변화에 따른 스펙트럼을 측정한 결과이다.4 is a result of measuring the spectrum of the 8 × 8 photon frame laser array used in the azimuth sensor according to the present invention according to the distance change in the horizontal direction (x-axis) and the measurement distance at a constant measurement distance.

도 5는 본 발명에 따른 방위각 센서에 이용된 8×8 광양자테 레이저 어레이 소자와 같은 형태를 갖는 8×8 점광원을 모델링하여 계산된 간섭효과를 도시한 것이다.5 illustrates an interference effect calculated by modeling an 8 × 8 point light source having the same shape as an 8 × 8 photon frame laser array device used in an azimuth sensor according to the present invention.

도 6은 본 발명에 따른 방위각 센서에 이용된 광양자테 레이저 단위소자의 방위각에 따른 스펙트럼을 측정한 결과이다.6 is a result of measuring the spectrum according to the azimuth angle of the photon frame laser unit device used in the azimuth sensor according to the present invention.

도 7은 본 발명에 따른 방위각 센서에 이용된 8×8 광양자테 레이저 어레이에 대해 80 cm의 거리에서 방위각에 따른 스펙트럼을 측정한 결과이다.7 is a result of measuring the spectrum according to the azimuth angle at a distance of 80 cm for the 8 × 8 photon frame laser array used in the azimuth sensor according to the present invention.

도 8은 광양자테 레이저 소자로부터 방출되는 빛을 도시한 것이다.8 shows the light emitted from the photon frame laser element.

도 9는 메사 주변이 잘 제어된 소자의 방위각에 따른 스펙트럼을 측정한 결과이다.9 is a result of measuring the spectrum according to the azimuth angle of the device well controlled around the mesa.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 광양자테(photonic quantum ring : PQR) 레이저를 이용한 방위각 센서는, 방위각에 따라서 출력 스펙트럼의 파장이 변화하는 광양자테 레이저; 광양자테 레이저의 출력 스펙트럼의 파장을 측정하는 광 스펙트럼 분석기(optical spectrum analyzer) 및 각도 변환 알고리즘을 포함하여 이루어진다.In order to achieve the object as described above, the azimuth sensor using a photonic quantum ring (PQR) laser according to the present invention, the photon laser having a wavelength of the output spectrum changes according to the azimuth angle; And an optical spectrum analyzer and an angle conversion algorithm for measuring the wavelength of the output spectrum of the photon laser.

이 때, 광양자테 레이저는, 반도체 기판, 반도체 기판 상에 형성된 제 1 DBR, 제 1 DBR 상에 형성된 캐비티층 및 케비티층 상에 형성된 제 2 DBR을 포함하는 단위소자로 이루어진 어레이 구조이며, 단위소자는, 캐비티층 및 제 2 DBR이, 반도체 기판 및 제 1 DBR보다 좁은 직경을 가지도록 형성된 메사구조인 것을 특징으로 한다.At this time, the photon laser is an array structure consisting of a unit device including a semiconductor substrate, a first DBR formed on the semiconductor substrate, a cavity layer formed on the first DBR, and a second DBR formed on the cavity layer, and unit The device is characterized in that the cavity layer and the second DBR are mesa structures formed so as to have a diameter smaller than that of the semiconductor substrate and the first DBR.

또한, 메사구조에서, 캐비티층 및 제 2 DBR의 옆면은, 화학보조이온빔식각(chemically assisted ion beam etching : CAIBE) 방법을 이용하여 식각된 것을 특징으로 한다.In addition, in the mesa structure, the side surfaces of the cavity layer and the second DBR are etched using a chemically assisted ion beam etching (CAIBE) method.

이하, 본 발명에 따른 광양자테 레이저 어레이를 이용한 방위각 센서에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, an azimuth sensor using a photon frame laser array according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

일반적으로 레이저는 전류의 주입을 받아서 활성층(active layer)안에서 빛이 발생되고, 그 빛이 거울면의 반사에 의해 증폭이 되어 어떤 한계(이를 문턱전류: threshold current라 함)를 넘어 충분히 증폭되면 거울면을 뚫고 나오는 것이다.In general, a laser is injected with an electric current to generate light in an active layer, and the light is amplified by the reflection of the mirror surface, and the light is amplified sufficiently beyond a certain limit (called threshold current). It comes through the surface.

현재 많은 연구가 진행 중인 수직 캐비티 표면 방출 레이저(vertical cavity surface emitting laser : VCSEL, 이하 VCSEL 이라 칭한다) 소자는 다수개의 단위소자로 이루어진 어레이(array)를 제작할 경우, 어레이의 집적도가 8×8 정도의 낮은 수준에 머물러 있는데, 이는 VCSEL 어레이가 비교적 많은 구동 전류를 필요로 하기 때문이다. mA급 이상의 높은 구동 전류에서는 어레이 면에서 발생하는 열의 불균일성으로 인해 균일한 고집적 VCSEL 어레이의 제작이 불가능하다. (IEEE J.Slected topics in Quant. Elec., Vol. 1, pp. 681-696, 1995)The vertical cavity surface emitting laser (VCSEL, VCSEL) device, which is currently being researched, has a density of 8 × 8 when an array of a plurality of unit devices is manufactured. It stays at a low level because the VCSEL array requires relatively high drive current. At high drive currents above mA, it is not possible to fabricate a uniform, highly integrated VCSEL array due to heat irregularities in the array plane. (IEEE J. Selected topics in Quant. Elec., Vol. 1, pp. 681-696, 1995)

반면에, 본 발명에 따른 방위각 센서에 이용된 광양자테 레이저는 ㎂급 극소전류에서부터 작동이 가능하며, 스펙트럼이 온도의 제곱근에 비례하여 포화점으로 근사 접근하는 특성으로 인해 상온 이상의 실제온도에서도 광양자테 레이저의 발진 파장이 안정되는 큰 장점이 있다. 따라서 광양자테 레이저 소자를 어레이로 제작할 경우 VCSEL 어레이에 비해 고집적이 가능하다.On the other hand, the photon frame laser used in the azimuth sensor according to the present invention can be operated from a class-class microcurrent, and the photon frame can be operated even at actual temperature above room temperature due to the characteristic that the spectrum approximates the saturation point in proportion to the square root of temperature. There is a big advantage that the oscillation wavelength of the laser is stabilized. Therefore, when fabricating a photon frame laser device in an array, high integration is possible compared to a VCSEL array.

도 1은 본 발명에 따른 방위각 센서에 이용된 광양자테 레이저 단위소자의 단면도로서, 여기에는 광양자테 레이저 소자의 에피택셜 구조가 도시되어 있다. 도 1에 도시된 에피택셜 구조는 금속유기화학기상증착(metal organic vapor phase epitaxy : MOVPE)에 의해 성장된 것으로서, n+ GaAs 기판(1) 상에 n-GaAs 버퍼층과 40층 정도의 n-DBR(2)이 차례로 형성되어 있으며, n-DBR(2) 상에는 4개의 양자 우물을 가지고 상부 및 하부에 스페이서층(3)이 구비된 1-λ캐비티층(4), 30층 정도의 p-DBR(5), 그리고 음접촉을 위한 p+ GaAs(6)로 이루어진 상부층이, 하부의 n+ GaAs 기판(1), n-GaAs 버퍼층 및 n-DBR(2)로 이루어진 하부층에 비해 좁은 직경을 가지도록 차례로 형성된 메사구조로 되어 있다.1 is a cross-sectional view of a photon frame laser unit device used in an azimuth sensor according to the present invention, in which the epitaxial structure of the photon frame laser device is shown. The epitaxial structure shown in FIG. 1 is grown by metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE), and the n-GaAs buffer layer and about 40 layers of n-DBR (n-GaS) on the n + GaAs substrate 1 2) are formed in order, 1-λ cavity layer (4) having four quantum wells on the n-DBR (2) and a spacer layer (3) at the top and bottom, p-DBR (about 30 layers) 5) and an upper layer formed of p + GaAs 6 for negative contact, in turn, to have a narrower diameter than the lower layer consisting of an n + GaAs substrate 1, an n-GaAs buffer layer, and an n-DBR (2) Mesa structure.

상기한 바와 같은, 광양자테 레이저 소자의 에피택셜 구조를 제조하는 방법은, 먼저, 상기한 금속유기화학기상증착에 의해 n+ GaAs 기판(1) 상에 n-GaAs 버퍼층, n-DBR(2), 1-λ캐비티(4), p-DBR(5), p+ GaAs 층(6)을 차례로 형성한 후, 메사구조를 형성하기 위해 화학보조이온빔식각 방법을 이용하여 상부층인 1-λ캐비티(4), p-DBR(5), 및 p+ GaAs(6) 층을 식각하여, n+ GaAs 기판(1), n-GaAs버퍼층 및 n-DBR(2)로 이루어진 하부층에 비해 좁은 직경을 가지도록 형성한다. 이 때, 본 발명의 연구진이 새롭게 제작한 장비를 이용하여 화학보조이온빔식각 방법에 의해 상부층 옆면의 요철을 제어할 수 있었다.As described above, the method for producing an epitaxial structure of a photon-type laser device, first, the n-GaAs buffer layer, n-DBR (2), on the n + GaAs substrate (1) by the metal organic chemical vapor deposition described above After forming the 1-λ cavity (4), the p-DBR (5), and the p + GaAs layer (6) in sequence, the upper layer 1-λ cavity (4) using a chemically assisted ion beam etching method to form a mesa structure , p-DBR (5), and p + GaAs (6) layers are etched to form a narrower diameter than the underlying layer made of n + GaAs substrate 1, n-GaAs buffer layer and n-DBR (2). At this time, the researchers of the present invention were able to control the unevenness of the side surface of the upper layer by a chemically assisted ion beam etching method using the newly manufactured equipment.

다음, 상기한 화학보조이온빔식각 방법에 의해 식각된 표면 상에 산화막이 형성되는 것을 방지하기 위해 황화물을 형성한다.Next, sulfides are formed to prevent the formation of an oxide film on the surface etched by the chemical auxiliary ion beam etching method.

다음, 소자간 절연과 소자의 평탄화를 위하여, 메사구조로 인해 소자간 이격된 거리를 포함하여 소자의 상부에는 폴리이미드(polyimide)를 충진한 후, 이를 연마하여 평탄화한다.Next, in order to insulate the devices and planarize the devices, a polyimide is filled in the upper part of the device, including a distance between the devices due to the mesa structure, and then polished and planarized.

상기한 바와 같은 방법으로 제조된 에피택셜 구조의 광양자테 레이저 소자의 근접장 사진이 도 2a 및 도 2b에 도시되어 있다.A close-up photograph of an epitaxial photon laser device manufactured by the method as described above is shown in FIGS. 2A and 2B.

본 발명에 따른 광양자테 레이저에서는 활성층 안에서 형성된 광파들이 도우넛 모양의 영역에서 양방향으로 전파되어서 그 양방향이 어느 지점에서 만나면 fabry-perot 공진 조건을 만족시켜 그 광파들이 밖으로 나오는 형태이다.In the photon frame laser according to the present invention, the light waves formed in the active layer are propagated in the donut-shaped region in both directions, and when the two directions meet at some point, the light waves satisfy the fabry-perot resonance condition.

도 2a 및 도 2b에 도시된 광양자테 레이저 단위소자의 직경은 15 ㎛이며, 단위소자간 간격은 35 ㎛이다.2A and 2B, the photon frame laser unit device has a diameter of 15 μm, and a space between unit devices is 35 μm.

도 2a는 투명조건(transparence condition)인 상태를 도시한 것으로서, 이 때의 전류는 8×8 어레이 전체에 대해 0.1 mA, 즉 단위소자 당 1.56 ㎂이다. 도 2b는 문턱조건(threshold condition)인 상태를 도시한 것으로서, 문턱전류는 8×8 어레이 전체에 대해 1 mA, 즉 단위소자 당 15.6 ㎂이다. 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 본 발명에서 이용된 광양자테 레이저 단위소자의 특성은 기존의 단위소자와 유사한 수준임을 알 수 있다.FIG. 2A shows a state in a transparent condition, where the current is 0.1 mA for the entire 8x8 array, that is, 1.56 mA per unit element. FIG. 2B shows a state of a threshold condition, where the threshold current is 1 mA for the entire 8x8 array, that is, 15.6 mA per unit device. As shown in Figure 2a and 2b, it can be seen that the characteristics of the photon frame laser unit device used in the present invention is similar to the conventional unit device.

도 3은 상기한 바와 같은 8×8 광양자테 레이저 어레이의 거리에 따른 스펙트럼을 측정한 결과를 도시한 것으로서, 광양자테 레이저 어레이로부터 떨어진 거리가 5 cm, 10 cm, 20 cm, 30 cm, 40 cm, 50 cm, 60 cm, 70 cm 및 80 cm인 각각의 경우에 대해 출력 스펙트럼을 측정한 것이다.Figure 3 shows the results of measuring the spectrum according to the distance of the 8 × 8 photon frame laser array as described above, the distance from the photon frame laser array is 5 cm, 10 cm, 20 cm, 30 cm, 40 cm The output spectrum is measured for each case, 50 cm, 60 cm, 70 cm and 80 cm.

이 때 광양자테 레이저 어레이는 연속파(continuous wave : CW) 모드로 구동하였으며, 주입전류는 200 mA로서 단위소자 당 3.125 mA였으며, 발진파장은 780 nm였다.At this time, the photon laser array was driven in continuous wave (CW) mode, the injection current was 200 mA, 3.125 mA per unit device, and the oscillation wavelength was 780 nm.

도 3에 도시된 바와 같이, 80 cm의 거리에서도 스펙트럼의 분석이 가능하였는데, 이것은, 같은 직경의 메사크기를 갖는 단위소자의 경우 약 3-4 mm 정도의 거리 내에서만 스펙트럼 분석이 가능한 데 반해, 어레이의 경우 8×8 정도의 집적화로 수십 cm 이상의 거리에서도 스펙트럼을 분석할 수 있는 것이다.As shown in FIG. 3, spectrum analysis was possible even at a distance of 80 cm, whereas in case of a unit device having a mesa size of the same diameter, spectrum analysis is possible only within a distance of about 3-4 mm. Arrays of 8x8 can be used to analyze spectra at distances of several tens of centimeters or more.

이로부터, 어레이를 보다 고집적화하거나, 8×8 어레이를 다수개 병렬로 연결하여 사용하면 수십 m까지 그 측정범위를 확장시킬 수 있음을 알 수 있었다.From this, it can be seen that the measurement range can be extended to several tens of meters by using more integrated arrays or by connecting multiple 8 × 8 arrays in parallel.

도 3에서, 30 cm의 거리와 50 cm의 거리에서보다 각각 40 cm의 거리와 60 cm의 거리에서 스펙트럼의 세기가 더 큰 것은, 각각의 어레이에서 나온 빛이 간섭효과를 일으켜 어느 정도의 주기성을 갖는 최대, 최소 위치가 존재하기 때문이다.In FIG. 3, the greater the intensity of the spectrum at a distance of 40 cm and 60 cm than at a distance of 30 cm and 50 cm, respectively, indicates that the light emitted from each array causes an interference effect and thus some degree of periodicity. This is because there is a maximum and minimum position to

이러한 간섭효과를 보다 상세히 측정하기 위해, 일정한 측정거리에서 광양자테 레이저 소자를 측정거리와 수평한 방향(x축)으로 조금씩 이동시켜 단위평면에서 어느 정도까지 파장의 세기 변화가 있는지를 조사하였으며, 그 결과가 도 4에 도시되어 있다.In order to measure the interference effect in more detail, it was investigated how far the intensity change of the wavelength was in the unit plane by moving the photon laser device at a constant measurement distance in the horizontal direction (x axis) little by little. The results are shown in FIG.

도 4에 도시된 바와 같이, 간섭효과로 인해 소정의 주기성을 갖는 최대, 최소 위치가 나타난다.As shown in Fig. 4, the maximum and minimum positions having a predetermined periodicity appear due to the interference effect.

도 5는 본 발명의 광양자테 레이저 어레이 소자와 같은 형태를 갖는 8×8 점광원을 모델링하여 30 cm의 거리에서 점광원으로부터 계산된 간섭효과를 도시한 것이다.FIG. 5 illustrates an interference effect calculated from a point light source at a distance of 30 cm by modeling an 8 × 8 point light source having the same shape as the photon frame laser array device of the present invention.

상기한 바와 같은 광양자테 레이저 어레이 소자는 방위각에 따라서 스펙트럼의 중심파장이 이동되는 다파장 특성을 보이며, 이러한 다파장 특성을 방위각 센서에 이용한다.The photon frame laser array device as described above has a multi-wavelength characteristic in which the center wavelength of the spectrum is shifted according to the azimuth angle, and this multi-wavelength characteristic is used for the azimuth sensor.

도 6은 광양자테 레이저 단위소자의 방위각에 따른 다파장 특성을 도시한 것으로서, 방위각이 0°, 15°, 30°,45°, 60°및 75°인 각각의 경우에 대해 스펙트럼의 파장이 795 nm, 792 nm, 786 nm, 779 nm, 772 nm 및 764 nm으로 이동됨으로써 약 30 nm 정도의 다파장 특성이 도시되어 있다.FIG. 6 illustrates multi-wavelength characteristics according to azimuth angles of the photon-telemetry laser unit element, and the wavelength of the spectrum is 795 for each case where the azimuth angles are 0 °, 15 °, 30 °, 45 °, 60 °, and 75 °. By shifting to nm, 792 nm, 786 nm, 779 nm, 772 nm and 764 nm, multiwavelength characteristics on the order of about 30 nm are shown.

도 7은 80 cm의 거리에서 측정된 8×8 광양자테 레이저 어레이의 방위각 스펙트럼을 도시한 것으로서, 방위각이 각각 0°, 15°, 30°인 각각의 경우에 대해 측정된 스펙트럼이 도시되어 있으며, 단위소자와 비슷한 양상의 방위각-다파장 특성이 나타나 있다.FIG. 7 shows the azimuth spectra of an 8 × 8 photon laser array measured at a distance of 80 cm, showing the measured spectra for each case with an azimuth angle of 0 °, 15 °, and 30 °, respectively. Azimuth-multi-wavelength characteristics similar to those of unit devices are shown.

도 7의 결과는 한방향으로 30°까지의 방위각에 대해 스펙트럼을 측정한 것이므로, 양방향, 즉 -30°까지를 고려하면 2차원 평면에서 60°의 방위각에까지 측정이 가능함을 알 수 있다.7 shows that the spectrum is measured for an azimuth angle of up to 30 ° in one direction, and thus it is possible to measure up to 60 ° azimuth in a two-dimensional plane in consideration of bidirectional, that is, -30 °.

도 8은 광양자테 레이저 소자로부터 방출되는 빛을 도시한 것으로서, 이에 도시된 바와 같이, 광양자테 레이저 소자의 내부에서는 광파가 나선형으로 진행하는데, 이 때 전진(forward)방향과 후진(backward)방향이 만나는 지점에서 패브리-페럿(fabry-perot) 공진조건을 만족시켜서 두 방향의 벡터 합 방향으로 빛이 나오게 된다. 이로 인해, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같은 방위각에 따른 다파장 특성을 얻을 수 있게 된다.FIG. 8 illustrates light emitted from the photon-type laser element, and as shown therein, light waves travel in a spiral form inside the photon-type laser element, wherein forward and backward directions are different. At the point of meeting, the light meets the Fabry-perot resonance condition and light is emitted in the direction of the vector sum in two directions. As a result, multi-wavelength characteristics according to the azimuth angle as shown in FIGS. 6 and 7 can be obtained.

이러한 벡터 합 방향으로 출력되는 모드들은 여러 파장에서 존재하는데, 이것은 메사의 옆면 거칠기가 잘 제어된 소자에서의 스펙트럼 결과로부터 확인할 수 있다. 도 9는 화학보조이온빔식각 방법에 의해 메사의 옆면의 거칠기가 잘 제어된 광양자테 레이저 단위 소자에 대해, 방위각이 0°와 10°인 경우의 스펙트럼을 도시한 것이다. 이에 도시된 바와 같이, 벡터 합 방향으로 나오는 모드들이 여러 파장에서 존재하며, 출력 스펙트럼을 관측하는 광섬유와 소자가 이루는 각도인 방위각에 따라 달라지는 광섬유의 커플링 효율에 의해 출력 스펙트럼의 파장이 변화하는 것이다.The modes output in this vector sum direction exist at different wavelengths, which can be seen from the spectral results in devices with well controlled mesa side roughness. FIG. 9 shows the spectra when the azimuth angles are 0 ° and 10 ° for the photon-element laser unit device in which the roughness of the side of the mesa is well controlled by the chemically assisted ion beam etching method. As shown here, the modes appearing in the vector sum direction exist at different wavelengths, and the wavelength of the output spectrum is changed by the coupling efficiency of the optical fiber which depends on the azimuth angle, which is the angle between the optical fiber for observing the output spectrum and the device. .

이러한 광양자테 레이저의 다파장 특성을 방위각 센서에 이용할 때에는, 별도의 복잡한 장치가 필요 없이, 광양자테 레이저 어레이를 컴퓨터와 연결하여 레이저의 파장을 검출하는 광 스펙트럼 분석기 및 각도 변환 알고리즘만을 구비하여, 실시간으로 방위각을 측정한다.When using the multi-wavelength characteristics of the photon frame laser in the azimuth sensor, only a light spectrum analyzer and an angle conversion algorithm for detecting the wavelength of the laser by connecting the photon frame laser array to a computer, without the need for a separate complicated device, Measure the azimuth angle with.

상기한 바와 같은, 본 발명에 따른 광양자테 레이저 소자를 이용한 방위각센서는, 별도의 데이터 처리나 복잡한 회로의 센서 장치가 필요 없이 광양자테 레이저 어레이와 컴퓨터를 연결하여 레이저의 파장을 검출하는 광 스펙트럼 분석기 및 각도 변환 알고리즘만으로 실시간대의 방위각을 측정하므로, 방위각 센서의 구조 및 그 제조방법이 매우 간단한 효과가 있다.As described above, the azimuth sensor using the photon frame laser device according to the present invention, an optical spectrum analyzer for detecting the wavelength of the laser by connecting the photon frame laser array and a computer without the need for a separate data processing or sensor device of a complex circuit And since the azimuth angle is measured only by the angle conversion algorithm, the structure and manufacturing method of the azimuth sensor has a very simple effect.

또한, 본 발명에 따른 방위각 센서에 이용된 광양자테 레이저는 ㎂급 극소전류에서부터 작동이 가능하며, 상온 이상의 실제온도에서도 광양자테 레이저의 발진 파장이 안정되어 어레이로 제작 시 고집적이 가능하므로, 방위각 센서의 측정거리를 수십 m 까지 확장시킬 수 있는 효과가 있다.In addition, the photon frame laser used in the azimuth sensor according to the present invention can be operated from a small class current, and the oscillation wavelength of the photon frame laser is stable even at an actual temperature of room temperature or higher, so that it can be highly integrated when manufactured as an array. It is effective to extend the measuring distance of several tens of meters.

또한, 본 발명에 따른 광양자테 레이저를 이용한 방위각 센서로는 2차원 평면에서 약 60°의 방위각까지 측정가능한 효과가 있다.In addition, the azimuth sensor using the photon laser according to the present invention has an effect that can be measured up to an azimuth angle of about 60 ° in a two-dimensional plane.

Claims (3)

방위각에 따라서 출력 스펙트럼의 파장이 변화하는 광양자테 레이저;A photon frame laser whose wavelength of the output spectrum changes in accordance with the azimuth angle; 상기 광양자테 레이저의 출력 스펙트럼의 파장을 측정하는 광 스펙트럼 분석기(optical spectrum analyzer) 및An optical spectrum analyzer for measuring a wavelength of an output spectrum of the photon laser; 각도 변환 알고리즘Angle conversion algorithm 을 포함하는 광양자테 레이저를 이용한 방위각 센서.Azimuth sensor using a photon frame laser including a. 제 1 항에 있어서, 상기 광양자테 레이저는,The method of claim 1, wherein the photon laser, 반도체 기판, 상기 반도체 기판 상에 형성된 제 1 DBR, 상기 제 1 DBR 상에 형성된 캐비티층 및 상기 케비티층 상에 형성된 제 2 DBR을 포함하는 단위소자로 이루어진 어레이 구조이며,An array structure including a unit substrate including a semiconductor substrate, a first DBR formed on the semiconductor substrate, a cavity layer formed on the first DBR, and a second DBR formed on the cavity layer, 상기 단위소자는, 상기 캐비티층 및 상기 제 2 DBR이, 상기 반도체 기판 및 상기 제 1 DBR보다 좁은 직경을 가지도록 형성된 메사구조인 것을 특징으로 하는 광양자테 레이저를 이용한 방위각 센서.The unit device may have an mesa structure in which the cavity layer and the second DBR have a diameter smaller than that of the semiconductor substrate and the first DBR. 제 2 항에 있어서, 상기 메사구조에서,The method of claim 2, wherein in the mesa structure, 상기 캐비티층 및 상기 제 2 DBR의 옆면은, 화학보조이온빔식각(chemically assisted ion beam etching : CAIBE) 방법을 이용하여 식각된 것을 특징으로 하는 광양자테 레이저를 이용한 방위각 센서.Side surfaces of the cavity layer and the second DBR are etched using a chemically assisted ion beam etching (CAIBE) method.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR100648512B1 (en) * 2006-07-20 2006-11-29 (주)아이엔아이 Annular photonic quantum element high level integrated array module and apparatus for irradiating lights produced thereof
KR100779170B1 (en) * 2005-08-16 2007-11-23 학교법인 포항공과대학교 Butt coupling method with photonic quantum ring hole emitter
CN101924327A (en) * 2009-06-11 2010-12-22 三星电子株式会社 Semiconductor laser diode, printhead and imaging device

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