KR20080106899A - Ｓｏｉ 기반 광전자 컴포넌트를 이용한 ｌｉｄａｒ 시스템 - Google Patents

Ｓｏｉ 기반 광전자 컴포넌트를 이용한 ｌｉｄａｒ 시스템 Download PDF

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비제이 엘버커키
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Abstract

컴팩트하고 집적된 LIDAR 시스템은 종래 LIDAR 시스템에 비해, 저렴한 비용과 높은 신뢰도를 주는 SOI 기반 광전자 컴포넌트들을 이용한다. 바람직하게는, SOI 기반 LIDAR 송신부 및 수신부(모두 광학 컴포넌트 및 전기 컴포넌트임)는 단일 모듈 내에 집적된다. 상기 다양한 광학 및 전기 컴포넌트들은 SOI 층의 일부에 공지된 CMOS 제조공정(예:패터닝, 에칭, 도핑)을 적용하여 형성될 수 있으며, 필요한 소자를 제공하기 위해서 SOI 층 위에 부가적인 층을 형성할 수 있다. 레이저소스 자체는 SOI 장치에 부착되고, 집적된 변조장치(예컨대, MZI(MachZehnder interferometer))를 통해 연결되어 스캐닝 레이저 출력신호(스캔은 예컨대, MZI로의 전기(인코더)입력에 의해 제어됨)를 제공한다. 반송, 반사된 광신호는 SOI 장치내에 집적된 광검출기에 의해 수신되며, 그리고 나서 바람직한 형태의 신호 특징 분석을 수행하기 위해 전기 신호로 변환되며 다양한 형태의 신호 처리를 거친다.

Description

ＳＯＩ 기반 광전자 컴파운드를 이용한 ＬＩＤＡＲ 시스템{LIDAR SYSTEM UTILIZING SOI-BASED OPTO-ELECTRONIC COMPOUNDS}
본 출원은 2006.01.27.에 출원된 60/762994 가출원의 이익을 주장한다.
본 발명은 "LIDAR(LIght Detection And Ranging)" 시스템에 관한 것으로써, 보다 구체적으로는 종래 LIDAR 시스템에 비해, SOI(silicon-on-insulator) 기반 광전자 컴포넌트들을 이용하여 저렴한 비용과 높은 신뢰도를 제공하는 컴팩트하고 집적된 LIDAR 시스템에 관한 것이다.
LIDAR 시스템은 교통 제한 속도를 모니터하기 위해 경찰들이 사용하는 "레이더 건", 지상 조사, 수중 스캐닝, 항공 지오-매핑(geo-mapping) 장치, 에어로졸 모니터링 등을 포함하고, 이에 한정되지 않는 많은 서로 다른 장치에도 이용하는 것으로 알려져 있다. LIDAR 시스템은 지속파(continuous wave) 도플러, 펄스 도플러, 지속파-PSK( phase-shift keying), 펄스 PSK 등을 포함하는 다양한 형태의 광 출력신호를 기반으로 동작할 수 있다. 예시적인 장치에서, LIDAR장치는 선택된 타겟을 향하는 협(narrow)빔 형태의 단펄스 적외선을 방사한다. 일반적으로 단펄스는 타겟을 때리고, LIDAR 장치를 향해 다시 반사되어 돌아온다. 그리고 나서, 상기 반사된 에너지는 광 수신 엘리먼트에 의해 포착되며 빛 에너지에서 전기 신호로 변환된다. 전체 이동(trip) 시간을 결정하기 위해 고속 클럭(clock)이 사용되며, 상기 전체 이동 시간은 타겟까지의 범위(range)를 계산하는 데 사용될 수 있다. 속도 계산을 위해, 다중 범위(multiple ranges)가 사용되며, 단기간에 걸친 범위의 변화가 결정된다. 통상적으로, 경찰들이 사용하는 LIDAR 스피드 건과 조사 범위 파인더(finder)는 상당한 범위 내의 타겟까지의 거리를 측정하기 위해 요구되는 적외선 에너지 펄스를 방사하기 위해서, 줄무늬 배열(array) 레이저 다이오드 에미터(emitter)를 사용한다. 시스템이 달성할 수 있는 최대 범위는 레이저에 의해 펄스당 방사되는 에너지량에 비례한다. 이 레이저들로부터 방사되는 에너지량은 통상적으로 LIDAR 유닛들이 판매된 국가의 레이저 안전 규정들에 의해 제한된다. 상기 레이저 안전 규정들은 이 장치들이 사용될 수 있는 최대 범위에 영향을 주게 된다.
LIDAR 유닛은 운전자 보조 상황을 위한 자동차 애플리케이션(application)에도 사용되기 시작했다. 통상적으로, 이러한 유닛들은 운전자에게 경고하거나, 자동차의 속도를 변화시키는 등의 임의의 필요한 조치를 취할 수 있는 적절한 거리에서, 자동차와 같은 물체를 검출하기 위한 시야 범위와 시야각을 갖는다. 필요한 시야각(field of view)를 얻기 위해서, 종래 시스템들은 두 가지 방법을 이용하였다. 한 종래의 LIDAR 시스템은 위상단열(phased-array)로 이루어져 있으며, 생성 및 소멸 광파의 방사 패턴을 생성하도록 조정되는 상대적 위상을 가진 수개의 광 송신 엘리먼트로 구성되어, 개별 광 송신 엘리먼트의 위상을 조정함으로써 전자적으로 편향될 수 있는 빔을 형성한다. 이 위상단열 시스템은 일반적으로 자동차 상황에 사용하기엔 비용이 많이 든다.
다른 장치에서는, 에어로졸 LIDAR 시스템은 생물학적 무기 에이전트를 포함할 수 있는 에어로졸 구름을 검출하는 데 사용될 수 있다. 이 경우, 에어로졸의 "시그너쳐(signature)"를 발달시키고 그것의 화학적 성분을 확인하는데 사용되는 대규모의 광 산란 데이터를 생성하기 위해 서로 다른 파장에서 동작하는 다수의 레이저 소스가 사용된다. 그러나 에어로졸 LIDAR을 위해 요구되는 레이저 파워 레벨과 복잡성 때문에, 현재의 기술은 그 범위가 제한되며, 실제로 사용되는 휴대용 검출 시스템에는 적절치 않다.
그러므로 이러한 분야에서, 상대적으로 작고 휴대하기 간편하면서도, 복잡한 애플리케이션을 위해 충분히 정확한 LIDAR 시스템에 대한 요구가 남아있다.
"LIDAR(LIght Detection And Ranging)" 시스템과 관련되어 종래 기술에 남아있던 요구는 본 발명에 의해 처리되었고, 보다 구체적으로는 종래 LIDAR 시스템에 비해, SOI(silicon-on-insulator) 기반 광전자 컴포넌트들을 이용하여 저렴한 비용과 높은 신뢰도를 제공하는 컴팩트하고 집적된 LIDAR 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따른 일실시예에서, LIDAR 송신부와 LIDAR 수신부의 다양한 컴포넌트들(모두 광학 컴포넌트 및 전기 컴포넌트임)은 SOI(silicon-on-insulator) 장치 기판의 단일 모듈내에 집적된다. 상기 SOI 장치는 실리콘 기판, 상기 기판 위에 형성된 절연층("내장형 옥사이드" 층) 및 상기 절연층 위에 위치된 상대적으로 박막인(통상적으로 마이크론 이하의 두께) 실리콘 표면층(해당 기술분야에서는 "SOI 층"이라 함)을 포함한다. 상기 다양한 광학 및 전기 컴포넌트들은 SOI 층의 일부에 공지된 CMOS 제조공정(예:패터닝, 에칭, 도핑)을 적용하여 형성될 수 있으며, 필요한 소자를 제공하기 위해서 SOI 층 위에 부가적인 층을 형성할 수 있다. 레이저소스 자체는 SOI 장치에 부착되고, 집적된 변조소자(예컨대, MZI(Mach-Zehnder interferometer))를 통해 연결되어 스캐닝 레이저 출력신호(스캔은 예컨대, MZI로의 전기(인코더)입력에 의해 제어됨)를 제공한다. 반송, 반사된 광신호는 SOI 장치내에 집적된 광검출기에 의해 수신되며, 그리고 나서 바람직한 형태의 신호 특징 분석을 수행하기 위해 전기 신호로 변환되며 다양한 형태의 신호 처리를 거친다.
본 발명에 따른 다른 실시예에서, 상기 장치는 분리된 실리콘 기판 내에 집적된 서로 다른 서브시스템 및/또는 서로 다른 컴포넌트를 가진 "멀티 칩 모듈”로 형성될 수 있고, 상기 멀티 칩 모듈은 광학 및 전자 상호연결을 위해 단일의 공통 기판에 실장된 다양한 실리콘 기판으로 형성될 수 있다. 일실시예에서, 모든 송신 엘리먼트는 하나의 "모듈"로 형성될 수 있으며, 모든 수신 엘리먼트들은 또 다른 "모듈"로 형성될 수 있다. 상기 두 모듈은 공통 기판에 지지되고, 필요한 입력 및 출력 광전자 신호에 연결될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 모든 전기 컴포넌트들(인코더, 트랜스 임피던스 증폭기(transimpedance amplifier), 신호 프로세서)은 하나의 기판상에 형성될 수 있으며, 능동 및 수동 광 소자들은 별개의 모듈로 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 LIDAR 송신부는 모두 단일 입력 레이저 소스에서 나오고, 단일 SOI 기판위에 모놀리식으로 된 복수의 독립된 레이저 출력 신호를 발생하기 위해, 광 스플리터 및/또는 광 컴바이너(SOI 기판에 집적된)를 포함할 수 있다. 다수의 이러한 SOI 기판들은 자동 크루즈 콘트롤(Automatic cruise control) 애플리케이션에 대한 요구에 따라 함께 사용되어 다중 신호 프로세서와 다중 레이저 경로(path)를 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 LIDAR 시스템의 추가적인 실시예들 및 장점은, 후술되는 내용과 첨부된 도면을 통해서 명백하게 설명될 것이다.
도 1은 본 발명에 상응하는 SOI 기반 플랫폼(platform)내에 집적된 예시적인 LIDAR 시스템의 사시도이다.
도 2는 개별 레이저 소스와 결합된 개별 콜리메이트 렌즈를 이용하는 LIDAR 시스템의 예시적인 광 송신부를 나타낸다.
도 3은 개별 레이저 소스 및 집적된 콜리메이트 렌즈를 이용하는 변형된 송신부가 SOI 층의 일부를 구성하는 것를 나타낸다.
도 4는 본 발명에 따른 LIDAR 시스템의 일부인 예시적인 마흐-젠더 간섭계(Mach-Zehnder interferometer)를 포함하기 위해 형성된 SOI 구조의 일부를 나타낸다.
도 5는 본 발명에 상응하기 위해 형성된 LIDAR 송신부의 예시적인 집적된 장치의 상면도이다.
도 6은 LIDAR 수신 장치의 일부를 형성하는데 사용되는 예시적인 SOI 구조(12)의 일부를 나타낸다.
도 7은 본 발명에 상응하기 위해 형성된 예시적인 다중 모듈 SOI 기반 LIDAR 시스템을 나타낸다.
도 8은 본 발명에 따른 변형된 다중 모듈 LIDAR 시스템을 나타낸 사시도이다.
도 9는 본 발명에 따른 예시적인 광 시야각(field of view)을 나타낸다.
도 10은 도 9에 도시된 장치에 스캔된 전체 시야각을 나타낸다.
도 11은 본 발명에 상응하기 위해 형성될 수 있는 광 시야각 장치의 변형된 실시예를 나타낸다.
도 12는 본 발명에 따른 집적된 LIDAR 시스템을 이용하는 집적된 자동 크루즈 콘트롤(Automatic cruise control) 장치를 가진 예시적인 자동차 충돌 방지 시스템을 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 SOI 기반 플랫폼내에 집적된 예시적인 LIDAR 시스템을 나타낸 사시도이다. 이 실시예에서, LIDAR 시스템(10)의 다양한 컴포넌트들은 단일 SOI 구조(12)내에 집적된다. 후술하는 바와 같이, "다중" 모듈 장치도 사용될 수 있다. 그러나 구체적으로, 도 1을 참조하면, SOI 구조(12)는 실리콘 기판(14), 그 위를 덮고 있는 절연층(16)(이산화규소와 같은 유전체 물질로 형성되고 "내장형 옥사이드"라 함) 및 실리콘 표면층(18)(이하, "SOI층"이라 함)을 포함하는 것으로 도시되어 있으며, 상기 SOI층은 일반적으로 마이크론 이하의 두께이다.
도 1을 참조하면, LIDAR 시스템(10)은 LIDAR 송신부(20)와 수신부(30)를 포함한다. 상기 LIDAR 송신부는 레이저소스(22), 포커싱 렌즈(24), 인코더(25)로부터 의 인코딩/변조 전기 입력을 가진 광 변조부(26)(예컨대, Mach-Zehnder interferometer), 변조된 광 출력신호를 SOI　구조(10)로부터 "자유공간" 또는 다른 적절한 광 송신 매체로 아웃-커플링(out-coupling)하기 위한 출력 콜리메이트 렌즈(28)를 포함한다. LIDAR 전송부(20)로부터의 광 출력신호는 분석되고 있는 특정 물체("타겟")을 향한다. 상기 LIDAR 수신부(30)는 타겟으로부터 반사되어 돌아오는 "자유공간" 광 신호 중 충분한 양을 수집하기 위해 수신용 포커싱 렌즈(32), 수신된 광 신호를 전기신호로 변환하는 광 검출기(34), 전기신호를 디지털 형식으로 변환하는 트랜스 임피던스 증폭기(TransImpedance Amplifier)(36), 상기 변환된 디지털 형식을 분석하고 이상적인 반사 데이터(즉, 범위계산, 속도, 타겟 물체의 특징 등)를 생성할 수 있는 신호 프로세서(38)(예컨대, 미리 구성된 전용 마이크로프로세서)를 포함한다. 다른 실시예에서는, 채널 할당구조(channel assignments) 사이에서 올바른 동기를 제공하기 위해서 인코더(25)로 인가되는 제어 신호 입력(C)도 신호 프로세서(38)에 대한 입력으로 인가된다(즉, "채널 1"에 대해 송신된 출력 신호는 신호(C)에 의해 통제된 채널할당구조 "채널 1"에 반사된 신호와 관련된다).
대부분의 경우에, 레이저 소스(22)는 SOI 구조(12)(SOI층(18) 또는 그 위에 형성된 다른 층)의 상부표면(40)에 실장되고, 출력신호가 콜리메이트 렌즈(24)를 통과하도록 배치된(능동 또는 수동 커플링 동작을 통해) 별개의(separate) 개별(discrete) 컴포넌트를 포함한다. 콜리메이트 렌즈(24)는 개별 컴포넌트 자체이거나, SOI층(18) 내에 형성될 수도 있다. 전자의 경우의 장치는 도 2에 도시되어 있는데, 이는 예시적인 개별 레이저 소스(22-D)와 결합된 개별 콜리메이트 렌즈(24-D)를 도시하고 있다. 개별 콜리메이트 렌즈(24-D)는 SOI 구조(12)를 관통하여 형성된 캐비티(cavity)(17)를 따라 고정된 것으로 도시되어 있으며, 상기 렌즈(24-D)는 변조부(26)로 최대의 광 에너지를 연결시키도록 조절가능하게 배치된다.
후자의 경우의 장치는 도 3에 도시되어 있는데, 도 3은 LIDAR 수신부의 일부를 나타낸 상면도이며, SOI구조(12) 내에 렌즈가 직접 설치된 개별 레이저 소스(22-D)의 사용을 나타낸다. 도시된 바와 같이, 콜리메이트 렌즈(24-I)는 SOI층(18)과 일체로 형성된다. 이 경우에, 콜리메이트 렌즈(24-I)의 영역 내의 SOI층(18)의 선택된 부분 내에 자유전자를 적절히 도핑하고 자유전자의 분산을 전기적으로 조절함으로써 레이저 소스로부터 발생된 출력 신호의 바람직한 수준의 콜리메이션(collimation)을 달성할 수 있다.
유사한 형태로, 변조부(26)는 SOI 구조(12)의 집적된 컴포넌트로서 제조될 수 있는데, 도 4는 SOI층(18)내에 형성된 도파영역을 포함하는 예시적인 마흐-젠더 간섭계(Mach-Zehnder interferometer)(26-I)를 포함하는 SOI 구조(12)의 일부를 나타내며, SOI층(18) 위에 2개의 별개의 재료, 즉 얇은 산화막(19)과 그 위를 덥고 있는 폴리실리콘층(21)을 포함하는 가이딩(guiding) 구조를 가진다. 복수의 전극(23)은 도시된 바와 같이 배치되어 인코더(25)의 "집적된" 버전인 인코더(25-I)에 연결되며, 변조부 구조에 바람직한 전기 입력을 제공한다. SOI 구조(12)에 직접 통합되는 대신에, 변조부(26)는 별개의 칩 상에 제조될 수 있으며, 그리고나서 SOI 구조(12)에 실장되며, 전기적, 광학적으로 연결된다.
도 5는 본 발명에 따른 LIDAR 송신부(20)의 예시적인 집적된 장치를 나타낸 상면도이다. 도시된 바와 같이, 개별 레이저 컴포넌트(22-D)는 광신호를 제공하기 위해 사용되며, 상기 광신호는 그 후에 집적 렌즈 컴포넌트(24-I)를 통과한다. 렌즈(24)의 출력으로부터 나온 광신호는 변조부(26-I)의 입력에 연결된다. 상기 변조부(26-I)로의 전기적 입력 신호(데이타)는 인코더(25-I)에 의해 제공되며, 상기 인코더(25-I)는 공지된 CMOS 제조공정을 이용하여 SOI 구조(12)내에 형성될 수 있는 전기 컴포넌트이다. 그 후, 변조된 출력 신호는 집적 출력 렌즈(28-I)에 의해 콜리메이트(collimated)되며, 정해진 타겟을 향해 "자유공간"(또는 다른 적절한 광 송신 매체)로 발사된다.
유사한 방식으로, 다양한 컴포넌트를 포함하는 LIDAR 수신부(30)는 SOI 구조(12)내에 통합되어 극히 작고 효율적인 LIDAR 시스템을 형성할 수 있다. 도 6은 예시적인 포커싱 렌즈(32)와 그와 결합된 광 검출기(34)를 형성하기 위해 사용된 SOI 구조(12)의 일부를 나타낸다. LIDAR 송신부(20)의 경우처럼, 포커싱 렌즈(32)는 개별 컴포넌트 또는 바람직하게는 도 6에 도시된 바와 같이, SOI 층(18)의 집적된 컴포넌트를 포함할 수 있다. 예시적인(집적된) 광 검출기(34)의 형성에 있어서, 게르마늄층(33)은 반사되어 되돌아 오는 광신호의 대부분을 모으기 위해서 SOI층(18)의 일부 상에 배치되어 있다. 금속 접촉 장치(35)는 게르마늄층(33)에 연결되며, 광 검출기(34)부터 트랜스 임피던스 증폭기(36, 미도시)까지의 전기적 신호 경로(path)가 제공된다. 인라인(in-line) 검출 장치, 개별 광 검출기 또는 다른 감 광 물질을 이용하는 집적 장치를 포함하는 다양한 검출기 장치가 이 예시적인 게르마늄 검출기를 대신하여 사용될 수 있다.
전술한 바와 같이, LIDAR 수신부(30)를 형성하는 다양한 컴포넌트들은 LIDAR 송신부(20)를 형성하기 위해 사용된 것과 동일한 기판내에 형성될 수 있다. 다른 실시예에서는, 다중 모듈 장치에서 구현될 수 있다. 도 7은 그러한 장치의 예시적인 형상을 나타내며, LIDAR 송신부(20)는 첫 번째 SOI 구조(12-T) 내에 형성되며, LIDAR 수신부(30)는 두 번째 SOI 구조(12-R) 내에 형성된다. 상기 SOI 구조(12-T, 12-R)는 공통 기판 플랫폼(120)상에 실장된다. 도시된 바와 같이, 이 구체적인 실시예에서, 별개의 LIDAR 제어 시스템(50)도 기판 플랫폼(120)상에 실장되며, 인코더(25)에 제공될 입력 신호를 생성하고, 신호 프로세서(38)에 의해 생성된 반사 신호를 분석하는데 이용된다. 상기 다양한 모듈은 플립칩 실장이나 직접 와이어 본딩과 같은 해당 기술분야에서 공지된 다양한 기술들을 사용하여 서로 연결될 수 있다.
도 8은 본 발명에 따른 다른 다중 모듈 LIDAR 시스템을 나타낸 사시도이다. 이 구체적인 일실시예에서, 입력 및 출력 광 컴포넌트들(레이저 소스(22), 렌즈(24, 28, 32), 변조부(26), 검출기(34))은 모두 전술한, 특히 도 5 내지 도 6에 도시된 장치를 사용하여 SOI층(18) 내에 형성된다. 이런 관점에서 LIDAR 송신부(20)와 결합된 다양한 광 컴포넌트의 위치는 숨겨져 있다. 이런 실시예에서, 시스템을 완성시키기 위해 필요한 다양한 전자 엘리먼트들은 별개의 집적회로 칩(200) 내에 형성된다. 특히, 회로 칩(200)은 인코더(25), 트랜스 임피던스 증폭 기(36), 신호 프로세서(38)를 포함하도록 형성된다. 도시된 바와 같이, 회로 칩(200)은(예컨대, 와이어 본딩이나 플립칩 실장으로) 도전성 기판(210)에 실장되며, 도전성 기판(210)을 SOI 구조(12)의 SOI층(18)과 회로칩(200) 사이에 전기적 연결을 제공한다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 장치의 장점은 단일 기판 위에 다양한 컴포넌트를 집적할 수 있다는 점이다. 이러한 집적은 다수의 시스템들을 결합하여 상대적으로 작고 휴대가능하며, 광 시야각을 제공할 수 있는 다중 출력 유닛을 가능케한다. 도 9는 단일의 SOI 구조(12) 내에 집적될 수 있는 본 발명의 일실시예에 따른 광 시야각 실시예를 나타낸다. 전술한 장치와 같이, LIDAR송신부(20)는 레이저소스(22)와 그와 결합된 콜리메이트 렌즈(24)를 포함한다(SOI 구조(12) 내에 집적되거나 분리됨). 이 실시예에서, 렌즈(24)로부터 발생된 출력은 광 프로세서(21)를 통과하여, 1:N 스위치(23)로의 입력에 인가된다. 광 프로세서(21)는 (인코더(25)와 같은)전기 인코더와 (MZI(26)와 같은)결합된 광 변조부, 또는 레이저 소스(22)로부터 출력된 값에 "인라인" 광 인코딩을 적용할 수 있는 임의의 장치를 포함할 수 있다. 실제로, 한 실시예에서, 레이저 소스(22)의 직접적인 변조가 이용될 수 있으며, 이에 따라 별개의 광 프로세서 엘리먼트에 대한 요구가 제거될 수 있다.
이 실시예의 변형예에서, 인코딩된 광 출력신호는 1:N 광 스위치(23)의 입력에 인가된다. 도 9에 도시된 바와 같이, 광 스위치(23)는 생성된 광신호를 N개의 이용가능한 출력 포트 중의 하나로 보내는데 사용될 수 있다. N개의 콜리메이트 렌 즈(28-1, 28-2, ...,28-N)는 SOI 구조(12)내에 집적되며, 광 스위치(23)의 출력에 별개의 도파 경로를 따라 배치된다. 광 스위치(23)는 광 스위칭을 제공할 수 있는 공지의 장치를 포함할 수 있으며(한 장치는 복수개의 캐스케이드 연결된 간섭계 엘리먼트를 포함한다), 이 경우 연속적으로 스위치를 온 시킴으로써, 광 출력신호는 다양한 출력 포트 중 하나에 나타날 수 있다. 한 실시예에서 제어되고 순차적인 방식으로, 빔이 전체 시야범위를 스윕(sweep)하도록 하기 위해 시분할 스위칭 방식(time division switching scheme)이 사용될 수 있다. 그러한 장치에서, 광신호의 스위칭을 조절하는데 사용되는 제어 신호도 LIDAR 수신부(30)에 입력으로 인가되어 개별적인 송신 빔과 반사 신호 사이의 상호관련을 유지하도록 한다. 도 10은 도 9에 도시된 장치로 스캐닝된 전체 시야각를 나타낸다.
도 11은 본 발명에 따라 형성될 수 있는 예시적인 광 시야각 장치의 다른 실시예를 나타낸다. 이 경우, LIDAR 송신부(20)는 22-P 주(primary)와 22-B 부(back-up)로 지정된 한 쌍의 레이저 소스를 포함하며, 상기 레이저 22-B는 주 레이저 소스 22-P이 오작동하는 경우에 동작한다. 상술한 장치와 유사하게, 각 레이저 소스(22)는 연결된 콜리메이트 렌즈(24)(개별이거나 SOI 구조내에 집적된)를 갖는다. 도 11에서 보여진 바와 같이, 이 구체적인 실시예에서, 렌즈(24-P, 24-B)로부터 나온 출력은 1:N 스플리터(27)의 입력으로 인가되며, 단일의 입력 광신호는 복수 개의 분리 신호로 분할되며, 이 각각은 분리된 광 프로세서(21)의 입력으로 인가된다. 각 분리된 광 프로세서는 미리 정해진 방향으로 빔을 "편향"하는 데 이용되며, 도시된 장치는 다수의 출력빔을 스위칭함으로써 도9의 실시예에서 사용된 단일빔의 물리적인 스위칭을 요하지 않고도, 상대적으로 광 시야 범위를 통해 "스위핑"할 수 있다. 구체적으로 도시되어 있지는 않지만, 서로 다른 파장에서 동작하는 다수의 광신호가 사용될 수 있으며, 이들은 별개의 빔들과 결합될 수 있고, 파장이 다양한 장치를 제공할 수 있음이 이해될 것이다.
도 12는 전술한 본 발명에 따른 집적된 LIDAR 시스템을 사용하는 집적된 자동 크루즈 콘트롤(automatic cruise control) 장치를 가진 예시적인 자동차 충돌 방지 시스템을 나타낸다. 이 실시예에서, 복수개의 분리된 LIDAR 시스템(10-1,...,10-N)은 차의 수개의 개별 지점에 위치되어 사용된다. 상기 시스템(10)은 본 발명의 집적된 장점의 결과로서 상대적으로 작기 때문에, 상기 시스템들은 넓은 공간을 필요로 하지 않고, 차 배터리로부터 상당한 전원을 소모하지도 않는다. 각각의 분리된 LIDAR 시스템(10)은 차 안의 신호 프로세서(38)로부터 중앙 프로세서(100)까지 반사(return)정보를 공급하면서 끊임없이 스캐닝 작업을 수행한다. 다른 소스, 즉, 레이더 시스템(105)로부터 제공되는 입력정보와 함께 반사 정보를 비교함으로써, 중앙 프로세서(100)는 휴먼/머신 인터페이스(110)를 통해 급박한 충돌에 대해 운전자에게 경고를 주는 것과 같은 다양한 기능을 수행할 수 있다. 필요한 경우는, 중앙 프로세서(100)로 제공되는 정보는 크루즈 콘트롤(cruise control) 과정을 자동적으로 중지하기 위해서 크루즈 콘트롤러 모듈(cruise controller module)(120)로 송신될 수 있다. 다양한 다른 옵션들은 본 발명의 범위 안에서 이용가능하며 본 발명의 범위 내의 것으로 여겨진다.
상술한 장치는 본 발명의 원리에 대한 애플리케이션을 보여주는 장치가 되는 많은 구체적인 실시예에 대해 단지 설명한 것에 불과하다. 무수히 다양한 다른 장치는 본 발명의 범위와 개념으로부터 범어남이 없이 당업자에 의해 이 원리들과 상응하도록 고안될 수 있다.

Claims (14)

  1. 실리콘 온 인슐레이터(SOI:Silicon-on-Insulator) 구조내에 형성된 집적된 LIDAR 시스템에 있어서,
    상기 SOI 구조상에 배치되며, 레이저 소스, 상기 레이저 소스의 출력부와 연결된 포커싱 렌즈, 상기 포커싱 렌즈에서 나온 포커스된 출력신호를 수신하도록 배치된 광 변조부, 상기 SOI 구조로부터 나온 광신호를 아웃 커플링(out-coupling)하고, 정해진 타겟으로 광신호를 향하게 하기 위해 상기 광 변조부의 출력부에 배치된 콜리메이트 렌즈, 및 상기 레이저 소스, 포커싱 렌즈, 광 변조부 및 콜리메이트 렌들을 상호 연결시키기 위해 SOI 구조의 실리콘 표면층 내에 형성된 광 도파로를 포함하는 LIDAR 송신부; 및
    상기 SOI 구조상에 배치되며, 상기 정해진 타겟으로부터 반사된 신호를 수신하는 포커싱 렌즈,상기 포커싱 렌즈에 의해 포착된 포커스된 광신호를 차단하고, 전기 출력신호를 생성하기 위해 배치된 광 검출기, 상기 발생된 전기 출력신호를 분석하고, 상기 정해진 타겟에 대한 정보를 결정하는 신호 프로세서를 포함하는 LIDAR 수신부,
    를 포함하는 집적된 LIDAR 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 LIDAR 송신부의 포커싱 렌즈와 콜리메이트 렌즈는 상기 SOI 구조 내에 집적되고, 상기 SOI 구조 위 표면 실리콘층 내에 형성된 집적된 LIDAR 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 LIDAR 송신부의 광 변조부의 적어도 일부분은 상기 SOI 구조의 실리콘 표면층 내에 집적되어진 집적된 LIDAR 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 LIDAR 송신부의 광 변조부는 SOI 구조내에 집적된 마흐-젠더 간섭계(Mach-Zehnder interferometer) 및 연결된 전기적 인코더를 포함하며,
    상기 전기적 인코더는 광출력 신호의 변조를 제어하기 위해 상기 마흐-젠더 간섭계(Mach-Zehnder interferometer)로 전기적으로 변조된 신호를 제공하는 집적된 LIDAR 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 LIDAR 송신부의 전기적 인코더는 SOI 구조내에 집적된 LIDAR 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 LIDAR 송신부의 전기적 인코더는 별개의 집적 회로 모듈 내에 형성되고 SOI 구조와 전기적으로 연결된 집적된 LIDAR 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 LIDAR 수신부의 포커싱 렌즈는 상기 SOI 구조 내에 집적되고, 상기 SOI 구조 위 실리콘 표면층 내에 형성된 집적된 LIDAR 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 LIDAR 수신부의 광 검출기는 상기 SOI 구조 내에 집적되고, 상기 SOI 구조 위 실리콘 표면층 내에 형성된 집적된 LIDAR 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 LIDAR 수신부의 광 검출기는 상기 SOI 구조의 실리콘 표면층을 따라 배치되고 상기 SOI 구조의 표면층에 광학적으로 연결된 개별 컴포넌트를 포함하는 집적된 LIDAR 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 LIDAR 송신부는 제1 SOI 모듈 내에 집적되고, 상기 LIDAR 수신부는 제2 SOI 모듈 내에 집적되며, 상기 제1 및 제2 SOI 모듈은 SOI 구조를 형성하기 위한 공통 실리콘 기판 위에 실장되는 집적된 LIDAR 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 LIDAR 송신부는 광 변조부를 지나서 배치된 1:N 광 스위치, N개의 광 출력 도파로를 더 포함하며,
    상기 1:N 광 스위치는 송신된 출력 신호를 상기 N개의 광 출력을 갖는 도파로 중 어느 하나 이상을 따라가게 하고, 상기 출력 광신호를 N개의 정해진 타겟 영역을 통과하게 하는 집적된 LIDAR 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 1:N 광 스위치는 적어도 상기 SOI 구조의 실리콘 표면층 내에 형성된 집적된 스위치인 집적된 LIDAR 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 LIDAR 송신부는
    상기 광 변조부를 지나서 배치된 1:N 광 스플리터와 N개의 광 출력 도파로를 더 포함하며,
    상기 1:N 광 스플리터는 상기 광신호의 일부를 상기 다수의 N개의 출력 광 도파로에 연결하고 광 출력신호의 광 시야각를 생성하는 집적된 LIDAR 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 1:N 광 스플리터는 SOI 구조의 최소한 실리콘 표면층 내에 형성된 집적된 스플리터인 집적된 LIDAR 시스템.
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