KR20160126154A - 아발란치 광 검출기 어레이를 이용한 고해상도 레이저 레이더 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레이저 레이더 시스템에 관한 것으로, 비 회전하는 고해상도 광각의 3차원 영상 검출을 위한 아발란치 광 검출기 어레이를 이용하는 레이저 레이더 시스템에 관한 것이다.
이에 따른 본 발명은, 펄스 레이저로부터 출력되는 광을 편향시켜 목표물의 원하는 영역에 조사되도록 하는 광 편향기, 상기 목표물로부터 반사되고 수광 렌즈를 거쳐 전달되는 광을 수신하고, 수신한 광으로부터 신호를 검출하는 아발란치 광 검출기, 상기 아발란치 광 검출기에 의해 검출된 신호를 증폭시키는 증폭기, 상기 증폭기에 의해 증폭된 신호를 통합하는 결합기 및 상기 결합기에 의해 통합된 신호를 처리하여 3차원 영상으로 출력하는 영상 처리기를 포함하되, 상기 아발란치 광 검출기는 특정한 형태로 배열된 복수의 아발란치 광 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 레이더 시스템에 관한 것이다.
특히, 본 발명은 타겟에서 반사되어 오는 신호를 수광렌즈를 통하여 수신되는 광을 인포커싱하여 수신함에 있어서, 광각의 고해상도 영상을 얻기 위해 각각의 아발란치 광 검출기 어레이의 간격을 최적화하는 레이저 레이더 시스템에 관한 것이다.

Description

아발란치 광 검출기 어레이를 이용한 고해상도 레이저 레이더 시스템{HIGH RESOLUTION LASER RADER SYSTEM USING AVALANCHE PHOTODETECTOR ARRAY}

본 발명은 레이저 레이더 시스템에 관한 것으로, 비 회전하는 고해상도 광각의 3차원 영상 검출을 위한 아발란치 광 검출기 어레이를 이용하는 레이저 레이더 시스템에 관한 것이다.

레이저 레이더 시스템은 3차원 디스플레이 TV 등과 같은 제품에 사용될 뿐만 아니라 원거리의 군사 목표물 탐지, 자연 환경 감지 및 무인 자율 주행차량의 운행에 있어서 3차원 영상을 확보하기 위해 사용될 수 있다.

최근까지의 3차원 영상 획득 기술은 열악한 품질에도 불구하고, 일부 영역에서 그 역할을 수행하여 왔다. 그러나 최근에는 3차원 영상의 응용 영역이 확대됨에 따라, 다양한 환경에서도 우수한 품질의 3차원 영상을 획득할 수 있는 3차원 영상 획득 기술이 요구하고 있으며, 그에 따라 레이저 레이더 시스템(Laser Radar System)이 각광받고 있다.

우수한 품질의 3차원 영상을 얻기 위해서는 수신감도가 높은 광 검출기의 광수신 소자를 필요로 하게 되는데 이 경우 사용되는 것이 아발란치 광 다이오드(Avalanche photo-diode; APD)이다. 아발란치 광 다이오드는 높은 전기장을 가해서 정공(hole) 또는 전자(electron)를 발생시키는 아발란치 증폭(Avalanche Multiplication)을 이용하여 신호의 이득(Gain)을 발생시키는 방법을 이용한다.

아발란치 광 다이오드 이외에 광 수신소자로 사용되는 것으로 핀(P-type Intrinsic N-type; PIN) 또는 PN 다이오드가 있다. 핀 또는 PN 다이오드는 빛에 의해 발생하는 EHP(Electron-Hole Pair)를 포토 다이오드 이후에 연결된 전치 증폭기(Pre-Amplifier) 또는 TIA(Trans-Impedance Amplifier)에 의하여 증폭시키는 방법을 이용한다.

하지만, 전치 증폭기(Pre-Amplifier) 또는 TIA(Trans-Impedance Amplifier)를 이용하는 경우에는 후속 증폭기에 의하여 노이즈가 증가하여 전체적으로 입력 노이즈 레벨이 증가하는 등 수신단 감도가 감소하게 된다. 이러한 수신단 감도 감소를 아발란치 포토 다이오드의 이득(Gain)을 이용하여 방지할 수 있다.

물론, 아발란치 광 다이오드에서 신호 증폭을 하는 경우에도 노이즈가 추가로 발생하지만, 아발란치 광 다이오드에서는 노이즈보다 신호의 이득이 크기 때문에 다른 광 수신소자보다 신호잡음 비(SNR, Signal-Noise Ratio) 측면에서 유리하다. 따라서, 아발란치 광 다이오드는 소자 수준에서 이득이 없는 경우인 핀(PIN) 또는 PN 다이오드보다 우수한 수신단 감도를 제공한다.

아발란치 광 다이오드의 이득을 이용하여 수신단 감도의 감소를 방지하기 위해서는 아발란치 광 다이오드의 아발란치를 일으키는 영역에 해당하는 증폭층에서 아발란치가 고르게 발생되도록 하여야 한다.

만약, 특정 영역의 전기장의 세기가 강해져, 해당 영역에서 아발란치가 집중적으로 발생되면(경계항복(Edge Breakdown)이 발생되면), 고른 증폭 특성을 얻기 힘들다. 더욱 심각한 문제는 이러한 경계항복 상황에서는 확보된 이득특성에 비하여 노이즈 특성이 훨씬 나빠져서 결국은 신호잡음 비(SNR)가 오히려 나빠진다는 것이다. 결국, 노이즈는 최대로 억제하면서 일정한 아발란치 이득을 얻도록 하는 것이 중요하며, 이를 위해서는 경계항복(Edge Breakdown)을 방지하도록 소자를 적절하게 설계해야 한다.

3차원 영상 검출을 위한 아발란치 광 다이오드는 수신 영역의 크기가 커질수록 커패시턴스(capacitance) 값이 커지게 된다. 이렇게 커패시턴스 값이 커지면 대역폭(band width)은 감소하기 때문에 수신감도가 떨어지는 단점이 있다.

이러한 단점을 보완하기 위하여 고해상도의 광각 영상 구현에 이용되는 아발란치 광 검출기는 복수의 아발란치 광 다이오드가 일정한 형태로 배열되는 아발란치 광 검출기 어레이로 구현된다. 아발란치 광 검출기 어레이의 형태는 기존의 원형을 벗어나 여러 형태를 가질 수 있는데 그 중 하나가 도 2에 도시된 바와 같이 복수의 아발란치 광 다이오드가 사각형의 어레이로 배열되는 것이다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 광각의 고해상도 레이저 레이더 시스템을 위하여 수신 영역은 커지지만 커패시턴스 값은 커지지 않도록 아발란치 광 검출기 어레이를 구성하는 복수의 아발란치 광 다이오드가 이상적인 간격으로 배열되도록 설계된 레이저 레이더 시스템을 제공한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 레이저 레이더 시스템은 펄스 레이저로부터 출력되는 광을 편향시켜 목표물의 원하는 영역에 조사되도록 하는 광 편향기, 상기 목표물로부터 반사되고 수광 렌즈를 거쳐 전달되는 광을 수신하고, 수신한 광으로부터 신호를 검출하는 아발란치 광 검출기, 상기 아발란치 광 검출기에 의해 검출된 신호를 증폭시키는 증폭기, 상기 증폭기에 의해 증폭된 신호를 통합하는 결합기 및 상기 결합기에 의해 통합된 신호를 처리하여 3차원 영상으로 출력하는 영상 처리기를 포함하되, 상기 아발란치 광 검출기는 특정한 형태로 배열된 복수의 아발란치 광 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 아발란치 광 검출기는 어레이 형태를 가지며, 아발란치 광 검출기 어레이를 구성하는 각각의 아발란치 광 다이오드의 간격(G)은 고해상도 영상을 얻기 위한 최적의 간격을 가져야 한다. 각각의 아발란치 광 다이오드의 간격은 수광렌즈를 통하여 집광되는 빛을 포커싱하게 되는데, 고해상도를 얻기 위해서는 집광되는 빛의 크기가 작아 아발란치 광 다이오드의 간격(G)이 크게 되면 영상을 얻지 못하기 때문이다.

이에 따라, 일 실시 예에서, 상기 아발란치 광 검출기는, 상기 복수의 아발란치 광 다이오드가 상기 수신한 광의 포커싱 거리와 세기를 기초로 결정되는 간격에 따라 배열되는 어레이 형태를 갖는 것을 특징으로 한다. 일 실시 예에서, 상기 아발란치 광 검출기는, 상기 복수의 아발란치 광 다이오드가 1um 이상의 간격으로 배열된 어레이 형태를 갖는 것을 특징으로 한다.

일 실시 예에서, 상기 복수의 아발란치 광 검출기는, 모서리가 곡률을 갖는 사각 형태인 것을 특징으로 한다. 일 실시 예에서, 상기 곡률은, 5 내지 20μm의 값을 갖는 것을 특징으로 한다.

일 실시 예에서, 상기 복수의 아발란치 광 다이오드는, M×N 형태로 배열되는 것을 특징으로 한다.

일 실시 예에서, 본 발명에 따른 레이저 레이더 시스템은, 상기 아발란치 광 검출기의 온도를 일정하게 유지하기 위한 온도 제어 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

일 실시 예에서, 상기 영상 처리기는, 상기 펄스 레이저 및 상기 광 편향기 중 적어도 하나 이상을 제어하는 것을 특징으로 한다.

일 실시 예에서, 상기 광 검출기, 상기 증폭기 및 상기 결합기는 하나의 보드에 집적된 형태로 구현된다.

일 실시 예에서, 상기 아발란치 광 검출기는, 기판, 상기 기판의 일면에 형성되는 적층 구조의 반도체층, 상기 반도체층에 소정의 간격으로 이격되어 형성되는 활성영역과 가드링, 상기 반도체층 상에 형성되는 절연층, 상기 절연층 상에 형성되며, 상기 절연층에 형성되는 비아 홀을 통해 상기 활성영역과 연결되는 제 1 전극 및 상기 기판의 타면에 형성되는 제 2 전극을 포함하는 것을 특징으로 한다.

일 실시 예에서, 상기 가드링은, 상기 활성영역과 전기적으로 분리되고, 상기 활성영역을 둘러싸는 링 형태로 형성되는 것을 특징으로 한다.

일 실시 예에서, 상기 반도체층은, 상기 기판의 일면에 순차적으로 적층되는 광 흡수층, 그레이딩층, 전기장 완충층 및 증폭층을 포함하고, 상기 활성영역 및 가드링은, 상기 증폭층에 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다양한 실시 예에 따르면, 아발란치 광 검출기가 다수의 아발란치 광 다이오드로 구성됨으로써, 수신광에 대한 광각을 이룰 수 있으며, 다양한 거리에 위치한 목표물에 대한 정보 및 넓은 영역의 목표물에 대한 정보를 검출하는 데 용이하다.

또한, 본 발명의 다양한 실시 예에 따르면, 아발란치 광 검출기 어레이가 사각 형태로 형성되기 때문에 레이저 스캔 영역과 수신 영역의 빈 공간을 최대한 줄일 수 있고, 영상 출력 장치에서 출력되는 영상과 거의 동일한 영상을 획득할 수 있다.

또한, 본 발명의 다양한 실시 예에 따르면, 아발란치 광 다이오드의 모서리 영역에 곡률이 형성되어 있기 때문에 경계항복(edge-breakdown)을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명의 다양한 실시 예에 따르면, 아발란치 광 다이오드에 활성영역 주변에 가드링이 형성되기 때문에 광 수신영역 외부에 형성되는 경계항복을 완화시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 아발란치 광 검출기를 이용한 레이저 레이더 시스템의 일 예의 구성도이다.
도 2(a)는 본 발명의 실시 예에 따른 아발란치 광 검출기의 일례를 도시한 모식도이다.
도 2(b)는 실제 제작된 아발란치 광 검출기를 촬영한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 아발란치 광 검출기, 증폭기 및 결합기가 집적된 모듈의 예를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 아발란치 광 검출기의 일부분을 도시한 부분 단면도다.

이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

실시 예를 설명함에 있어서 본 발명이 속하는 기술 분야에 익히 알려져 있고 본 발명과 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 설명을 생략한다. 이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 발명의 요지를 흐리지 않고 더욱 명확히 전달하기 위함이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.

본 발명의 다양한 실시 예에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명의 다양한 실시 예를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명의 다양한 실시 예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명의 다양한 실시 예에서 명백하게 정의되지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 아발란치 광 검출기를 이용한 레이저 레이더 시스템의 일 예의 구성도이다. 물론, 본 실시 예에서는 아발란치 광 검출기가 레이저 레이더 시스템에 적용된 것을 예로 드나, 본 발명의 아발란치 광 검출기의 적용 분야가 레이저 레이더 시스템에 국한되는 것은 아니다.

도 1을 참조하면, 레이저 레이더 시스템(100)은 펄스 레이저(110), 광 편향기(120), 수광 렌즈(130), 광 검출기(140), 증폭기(150), 결합기(160) 및 영상 처리기(170)로 구성될 수 있다.

상기 펄스 레이저(110)는 매우 짧은 단위 예를 들어, 나노 단위의 펄스 형태의 광을 출력하는 것으로, 상기 펄스 레이저(110)의 형태나 구성이 본 발명의 실시 예에 국한되는 것이 아니며, 공지되어 있는 펄스 레이저를 임의로 선택하여 사용될 수 있으므로, 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.

상기 광 편향기(120)는 입력되는 광을 편향시켜 원하는 위치에 조사되도록 하기 위한 것으로, 상기 광 편향기(120)의 구조는 다양하게 설계될 수 있는 것으로서, 이에 대한 상세한 구조 및 동작에 대해서는 생략하도록 한다.

본 발명의 실시 예에 있어서의 광 편향기(120)는 펄스 레이저(110)와 목표물(target) 사이에 위치하여, 펄스 레이저(110)로부터 출력되는 광을 목표물(target)의 원하는 영역에 조사시키기 위해 구성된다. 이때, 상기 광 편향기(120)는 펄스 레이저(110)로부터 출력되는 빛을 시간의 경과에 따라 목표물의 다른 위치에 조사되도록 한다.

상기 펄스 레이저(110)와 광 편향기(120)는 별도의 모듈로 구현될 수 있으나, 하나의 모듈로 구현될 수도 있다.

상기 수광 렌즈(130)는 목표물로부터 반사되어 입사되는 광을 모아 광 검출기(140)로 전달하고, 상기 광 검출기(140)는 수광 렌즈(130)를 거쳐 전달되는 광을 수신하고, 수신한 광으로부터 신호('수광 신호')를 검출한다.

이때, 상기 광 검출기(140)는 본 발명의 실시 예에 따른 아발란치 광 다이오드를 포함하는 아발란치 광 검출기일 수 있으며, 상기 광 검출기(140)의 구조에 대해서는 후술하도록 한다. 상기 광 검출기(140)는 단일 구조의 광 검출기, 분할 구조의 광 검출기 혹은 어레이(array) 형태의 광 검출기 중 어느 하나일 수 있다.

한편, 상기 수광 렌즈(130)와 광 검출기(140)는 수광부를 형성하며, 수광부는 목표물에 의해 반사되어 입사되는 모든 또는 일부의 광을 모으고, 이 모아진 광으로부터 신호를 검출한다.

이에 더하여, 수광부는 온도에 따라 특성이 민감하게 변경되는 광 검출기(140)의 성능을 일정하게 유지하기 위한 온도 제어 모듈(미도시)을 더 포함할 수 있다. 상기 온도 제어 모듈의 위치는 어느 한 곳에 국한되지 않으며, 광 검출기(140)의 온도를 일정하게 유지하도록 하기 위해 적절하게 선택될 수 있다.

상기 증폭기(150)는 광 검출기(140)에 의해 검출된 수광 신호를 증폭하기 위한 것으로, 예를 들면 트랜스-임피던스 증폭기(Trans-Impedance Amplifier, TIA)일 수 있으나, 상기 증폭기(150)가 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 결합기(Combiner, 160)는 증폭기(150)에 의해 증폭된 수광 신호를 수신 및 결합하여 하나의 신호로 통합하기 위한 것으로, 예를 들면 RF 결합기일 수 있으나, 상기 결합기(160)가 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 영상 처리기(170)는 결합기(160)에 의해 통합된 신호('통합 신호')를 수신하고, 수신한 통합 신호를 3차원 영상 처리하여 하나의 영상으로 출력한다.

또한, 상기 영상 처리기(170)는 입력되는 신호를 영상 처리할 뿐만 아니라 펄스 레이저(110)와 광 편향기(120)에 대한 제어를 수행할 수 있다.

이때, 상기 영상 처리기(170)는 펄스 레이저(110)와 광 편향기(120) 모두를 제어하도록 구현될 수 있고, 펄스 레이저(110) 및 광 편향기(120) 중 하나를 제어하도록 구현될 수 있다.

예를 들어, 상기 영상 처리기(170)는 펄스 레이저(110)의 광 출력 여부 및 광 출력 패턴 등을 제어할 수 있고, 광 편향기(120)의 편향 정도를 제어할 수 있다.

상기 광 검출기(140), 증폭기(150) 및 결합기(160)는 별도의 모듈로 구현될 수 있으나, 하나의 보드(180)에 집적된 형태로 구현될 수 있다.

이하, 도 1에 도시된 바와 같은 구성을 가지는 레이저 레이더 시스템(100)의 동작을 구체적으로 설명한다.

펄스 레이저(110)가 광을 출력하면, 펄스 레이저(110)로부터 출력된 광은 광 편향기(120)를 통해 목표물의 원하는 영역에 조사되고, 목표물에 조사된 빛은 목표물에 맞은 후 반사되어 수광 렌즈(130)로 입사된다.

이후, 목표물로부터 반사되어 수광 렌즈(130)로 입사되는 광은 수광 렌즈(130)를 통과하여 광 검출기(140)로 입사되고, 광 검출기(140)는 입사되는 광을 수신하고, 수신한 광으로부터 신호('수광 신호')를 검출한다.

이후, 광 검출기(140)에 의해 검출된 수광 신호는 증폭기(150)에 의해 증폭되어 결합기(160)로 전송되고, 결합기(160)는 증폭기(150)에 의해 증폭된 수광 신호를 수신 및 결합하여 하나의 신호로 통합하고, 상기 영상 처리기(170)는 결합기(160)에 의해 통합된 신호('통합 신호')를 수신하고, 수신한 통합 신호를 3차원 영상 처리하여 하나의 영상으로 출력한다.

이상에서는 본 발명의 실시 예에 따른 아발란치 광 검출기가 적용된 레이저 레이더 시스템의 구성 및 동작에 살펴보았다. 이하에서는 본 발명의 실시 예에 따른 아발란치 광 검출기에 대해서 구체적으로 설명한다.

도 2(a)는 본 발명의 실시 예에 따른 아발란치 광 검출기의 일례를 도시한 모식도이고, 도 2(b)는 실제 제작된 아발란치 광 검출기를 촬영한 도면이다.

도 2(a) 및 도 2(b)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 아발란치 광 검출기(140)는 다수의 아발란치 광 다이오드(141)가 배열된 어레이 형태를 갖는다. 본 발명의 다양한 실시 예에서, 아발란치 광 검출기(140)의 어레이를 구성하는 각 아발란치 광 다이오드(141) 사이의 간격(G)은 수신되는 광에 대한 포커싱되는 거리와 수신되는 광의 세기에 따라 적절하게 조절된다.

수광 렌즈(130)를 통하여 입사된 빛을 아웃 포커싱하는 경우, 수광 렌즈(130)를 통하여 입사된 빛이 촘촘한지 여부는 중요한 요소가 아니나, 고해상도 영상을 얻는 것은 불가능하다. 반면, 수광 렌즈(130)를 통하여 입사된 빛을 인 포커싱하는 경우, 수광부에 빛이 촘촘하게 입사되며 고해상도 영상을 얻을 수 있게 된다. 이때, 아발란치 광 다이오드(141) 사이의 간격(G)이 너무 작으면 인접한 아발란치 광 다이오드에 의해 간섭이 일어날 수 있고, 아발란치 광 다이오드(141) 사이의 간격(G)이 너무 크면 넓은 간격(G)으로 입사되는 빛을 검출하지 못함으로써 영상에서 빈 공간이 생길 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시 예에서는, 아발란치 광 다이오드(141)들이 1μm 이상의 간격(G)을 갖도록 배열된다. 물론, 상기 아발란치 광 다이오드(141) 사이의 간격(G)은 수광 렌즈(130)를 통하여 입사된 빛을 인 포커싱하는 경우에, 고해상도 영상을 획득할 수 있는 범위 내에서 다양하게 설정될 수 있다.

본 발명의 다양한 실시 예에서, 아발란치 광 다이오드(141)의 모서리 영역(141a)은 경계항복(edge-breakdown)을 방지하기 위하여 5 μm 이상의 곡률을 가질 수 있으며, 특히 5 내지 20μm의 곡률을 가지도록 형성될 수 있다. 아발란치 광 다이오드(141)의 모서리 영역(141a)의 곡률은 고해상도 영상을 얻을 수 있도록 다양하게 설계 변경될 수 있다.

도 2(a) 및 도 2(b)에는 아발란치 광 다이오드(141)가 1×4 형태로 배열된 아발란치 광 검출기(140)를 도시하였으나, 아발란치 광 다이오드(141)의 배열 구조가 이에 한정되는 것은 아니며, 아발란치 광 검출기(140)가 적용되는 시스템에 따라 아발란치 광 다이오드(141)는 M×1 형태 혹은 M×N 등과 같이 다양한 구조로 배열될 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 아발란치 광 검출기, 증폭기 및 결합기가 집적된 모듈의 예를 도시한 도면이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 아발란치 광 검출기(140), 증폭기(150) 및 결합기(160)는 보드(180)에 실장되고, 아발란치 광 검출기(140)의 아발란치 광 다이오드(141)는 와이어(W1)에 의해 증폭기(150)와 접속되고, 증폭기(150)는 와이어(W2)에 의해 결합기(160)와 접속된다. 이때, 아발란치 광 다이오드(141) 및 증폭기(150)에는 와이어 본딩을 위한 단자들(T1, T2)이 마련될 수 있다.

도 3에 도시된 모듈은 하나의 일례로서, 아발란치 광 검출기(140), 증폭기(150) 및 결합기(160)의 연결 구조가 도 3에 도시되어 있는 구조에 한정되는 것은 아니다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 아발란치 광 검출기의 일부분을 도시한 부분 단면도다.

도 4에는 2개의 아발란치 광 다이오드(APD1, APD2)가 도시되어 있으나, 아발란치 광 검출기에 구비되는 아발란치 광 다이오드의 개수가 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 아발란치 광 검출기에 구비되는 모든 아발란치 광 다이오드의 구조는 동일하다.

따라서, 이하에서는 한 개의 아발란치 광 다이오드를 대상으로 하여 아발란치 광 다이오드의 구조를 살펴보기로 한다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 아발란치 광 다이오드(APD)는 기판(401)에 형성되는 적층 구조의 반도체층(S)을 포함하며, 상기 반도체층(S)은 기판(401)의 일면 상에 순차적으로 형성되는 광 흡수층(402), 그레이딩층(403), 전기장 완충층(404) 및 증폭층(405)을 포함한다. 상기 기판(401) 및 반도체층(S)은 당업자에 공지된 것으로서, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

또한, 상기 아발란치 광 다이오드(APD)는 증폭층(405)에 형성된 활성영역(406)과 가드링(407)을 포함하고, 증폭층(405) 상에는 절연층(408)이 형성된다.

또한, 상기 아발란치 광 다이오드(APD)는 절연층(408) 상에 형성되며, 절연층(408)에 형성되는 비아 홀을 통해 활성영역(406)과 연결되는 제 1 전극(409)인 p형 전극과 기판(401)의 타면에 형성되는 제 2 전극(410)인 n형 전극을 포함한다.

한편, 기판(401) 및 기판(401) 상에 형성되는 각층의 물질 및 형성방법은 당업자에 공지된 기술이라면 특별히 한정되지 않으나, 구체적으로는 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 장치나 MBE(Molecular Beam Epitaxy) 등과 같은 결정 박막 성장 장비를 이용하여 InP 기판(401)에 InGaAs 광 흡수층(402), 복층 구조이며, 도핑되지 않은 n-InGaAsP 그레이딩층(403), InP 전기장 완충층(404) 및 InP 증폭층(405)을 순차적으로 형성시킬 수 있다.

상기 활성영역(406)은 광을 수광하는 수광영역이 되며, 상기 가드링(407)은 활성영역(406)과 전기적으로 분리되고, 활성영역(406)을 둘러싸는 링(ring) 형태를 갖도록 형성될 수 있다. 이때, 상기 가드링(407)은 활성영역(406)의 외곽에 집중되는 전기장의 피크를 감소하기 위해서 적절한 거리만큼 이격되어 배치되는 것이 바람직하다.

상기 활성영역(406)과 가드링(407)을 형성하는 방법은 당업자들에게 기 공지된 기술이라면 국한되지 않으나, 예를 들어 상기 활성영역(406) 및 가드링(407)은 확산마스크를 이용하는 방법에 의해 형성될 수 있다.

또한, 상기 제 1 전극(409)은 p형 전극 물질을 증착하여 형성되고, 상기 제 2 전극(410)은 n형 전극 물질을 증착하여 형성되는데, 제 1 및 제 2 전극(409, 410)을 형성하는 구체적인 방법은 당업계에 공지된 기술이라면 특별히 한정되지 않는다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

상술한 실시 예들에서, 모든 단계는 선택적으로 수행의 대상이 되거나 생략의 대상이 될 수 있다. 또한, 각 실시 예에서 단계들은 반드시 순서대로 일어날 필요는 없으며, 뒤바뀔 수 있다. 한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 명세서의 실시 예들은 본 명세서의 기술 내용을 쉽게 설명하고 본 명세서의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 명세서의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 즉 본 명세서의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 명세서가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

한편, 본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

100 : 레이저 레이더 시스템 110 : 펄스 레이저
120 : 광 편향기 130 : 수광 렌즈
140 : 광 검출기 141 : 아발란치 광 다이오드(APD)
150 : 증폭기 160 : 결합기
170 : 영상 처리기 180 : 보드
401 : 기판 402 : 광 흡수층
403 : 그레이딩층 404 : 전기장 완충층
405 : 증폭층 406 : 활성영역
407 : 가드링 408 : 절연층
409 : 제 1 전극(p형 전극) 410 : 제 2 전극(n형 전극)
T1, T2 : 단자 W1, W2 : 와이어

Claims (12)

1. 펄스 레이저로부터 출력되는 광을 편향시켜 목표물의 원하는 영역에 조사되도록 하는 광 편향기;
   상기 목표물로부터 반사되고 수광 렌즈를 거쳐 전달되는 광을 수신하고, 수신한 광으로부터 신호를 검출하는 아발란치 광 검출기;
   상기 아발란치 광 검출기에 의해 검출된 신호를 증폭시키는 증폭기;
   상기 증폭기에 의해 증폭된 신호를 통합하는 결합기; 및
   상기 결합기에 의해 통합된 신호를 처리하여 3차원 영상으로 출력하는 영상 처리기를 포함하되,
   상기 아발란치 광 검출기는 특정한 형태로 배열된 복수의 아발란치 광 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 레이더 시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 아발란치 광 검출기는,
   상기 복수의 아발란치 광 다이오드가 상기 수신한 광의 포커싱 거리와 세기를 기초로 결정되는 간격에 따라 배열되는 어레이 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 레이더 시스템.
3. 제2항에 있어서, 상기 아발란치 광 검출기는,
   상기 복수의 아발란치 광 다이오드가 1um 이상의 간격으로 배열된 어레이 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 레이더 시스템.
4. 제1항에 있어서, 상기 복수의 아발란치 광 검출기는,
   모서리가 곡률을 갖는 사각 형태인 것을 특징으로 하는 레이저 레이더 시스템.
5. 제4항에 있어서, 상기 아발란치 광 검출기의 곡률반경은,
   5 μm 이상의 값을 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 레이더 시스템.
6. 제1항에 있어서, 상기 복수의 아발란치 광 검출기는,
   M×N 형태로 배열되는 것을 특징으로 하는 레이저 레이더 시스템.
7. 제1항에 있어서,
   상기 아발란치 광 검출기의 온도를 일정하게 유지하기 위한 온도 제어 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 레이더 시스템.
8. 제1항에 있어서, 상기 영상 처리기는,
   상기 펄스 레이저 및 상기 광 편향기 중 적어도 하나 이상을 제어하는 것을 특징으로 하는 레이저 레이더 시스템.
9. 제1항에 있어서,
   상기 광 검출기, 상기 증폭기 및 상기 결합기는 하나의 보드에 집적된 형태로 구현되는 레이저 레이더 시스템.
10. 제1항에 있어서, 상기 아발란치 광 검출기는,
    기판;
    상기 기판의 일면에 형성되는 적층 구조의 반도체층;
    상기 반도체층에 소정의 간격으로 이격되어 형성되는 활성영역과 가드링;
    상기 반도체층 상에 형성되는 절연층;
    상기 절연층 상에 형성되며, 상기 절연층에 형성되는 비아 홀을 통해 상기 활성영역과 연결되는 제 1 전극; 및
    상기 기판의 타면에 형성되는 제 2 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 레이더 시스템.
11. 제10항에 있어서, 상기 가드링은,
    상기 활성영역과 전기적으로 분리되고, 상기 활성영역을 둘러싸는 링 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저 레이더 시스템.
12. 제10항에 있어서, 상기 반도체층은,
    상기 기판의 일면에 순차적으로 적층되는 광 흡수층, 그레이딩층, 전기장 완충층 및 증폭층을 포함하고,
    상기 활성영역 및 가드링은,
    상기 증폭층에 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저 레이더 시스템.

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