KR20180020035A - 광 조향용 OPA, 및 그 OPA를 구비한 LiDAR 시스템 - Google Patents

광 조향용 OPA, 및 그 OPA를 구비한 LiDAR 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명의 기술적 사상은 신뢰성을 향상시키고 소형화 및 저가화를 구현시킬 수 있는 광 조향용 OPA, 및 그 OPA를 구비한 LiDAR 시스템을 제공한다. 그 광 조향용 OPA는 각각 입력된 광신호를 1:1로 분할하여 출력하고, 포화 이진 트리(full binary tree) 구조로 M(M은 1 이상의 정수) 번 분기하도록 배치된 복수 개의 스플리터들(splitter); 상기 스플리터들 각각의 2개의 출력단 중 어느 하나인 제1 출력단에 배치되고, 분기 위치에 따라 다른 개수로 배치된 제1 위상 쉬프터(Phase Shifter: PS); 및 최종 분기를 수행하는 M 번째의 상기 스플리터들 각각의 2개의 출력단에 연결되고, 각각이 채널을 대표하는 N(N = 2M) 개의 안테나들;을 포함한다.

Description

광 조향용 OPA, 및 그 OPA를 구비한 LiDAR 시스템{OPA(Optical Phased Array) for beam steering, and LiDAR(Light Detection And Ranging) system comprising the same OPA}
본 발명의 기술적 사상은 LiDAR 시스템에 관한 것으로, 특히 광 조향용 OPA를 구비한 LiDAR 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, LiDAR(Light Detection And Ranging)는 레이저 광을 이용하여 대기 중의 수증기, 먼지, 연기, 에어로졸, 구름입자 등의 존재와 이동을 측정하기 위한 장치로서, 레이저 레이더라고도 한다. 예컨대, LiDAR는 가시광선이나 적외선 등의 레이저 광을 대기중에 발사해 그 반사체 또는 산란체를 이용하여 거리 또는 대기현상 등을 측정한다. LiDAR에는, 레이저 광이 마이크로파에 비해 도플러 효과가 크다는 것을 이용하여 미세한 저속도 목표물의 속도 측정을 하는 도플러 레이더와, 라만 시프트(Raman-shift) 현상을 이용하여 목표 물체에 대한 성분 분석 등도 동시에 실행하는 라만 레이더 등이 있다. 최근, LiDAR는 지능형 자동차, 스마트카 분야에서 장애물을 감지하기 위한 센서 또는 스캐너로써 이용되고 있다. 이때, LiDAR는 일반적으로 레이저 광을 목표 지점으로 조사하기 위한 다수의 안테나들 및 빔 조향용 장치를 구비할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상이 해결하고자 하는 과제는, 신뢰성을 향상시키고 소형화 및 저가화를 구현시킬 수 있는 광 조향용 OPA, 및 그 OPA를 구비한 LiDAR 시스템을 제공하는 데에 있다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 기술적 사상은 각각 입력된 광신호를 1:1로 분할하여 출력하고, 포화 이진 트리(full binary tree) 구조로 M(M은 1 이상의 정수) 번 분기하도록 배치된 스플리터들(splitter); 상기 스플리터들 각각의 2개의 출력단 중 어느 하나인 제1 출력단에 배치되고, 분기 위치에 따라 다른 개수로 배치된 제1 위상 쉬프터(Phase Shifter: PS); 및 최종 분기를 수행하는 M 번째의 상기 스플리터들 각각의 2개의 출력단에 연결되고, N(N = 2M) 개의 채널들에 대응하는 안테나들;을 포함하는 광 조향용 OPA(Optical Phased Array)을 제공한다.
또한, 본 발명의 기술적 사상은 상기 과제를 해결하기 위하여, 입력된 광신호를 균등하게 분할하여 출력하고, M(M은 1 이상의 정수) 번 캐스캐이딩(cascading) 하는 구조로 배치되며, i(1≤ i ≤ M, i은 정수) 번째의 분기 위치에 2i-1 개가 배치된 1x2 스플리터; 상기 1x2 스플리터의 2개의 출력단 중 어느 하나인 제1 출력단에 배치되고, 상기 i 번째의 분기 위치의 상기 제1 출력단에 2M-i 개가 배치된 제1 PS; 상기 M 번째의 분기 위치의 상기 1x2 스플리터의 출력단에 연결된 N(N = 2M) 개의 안테나들; 및 상기 안테나들 전단에 모두 배치되거나 또는 하나의 안테나를 제외하고 배치된 N 또는 N-1 개의 제2 PS;를 포함하는 광 조향용 OPA를 제공한다.
더 나아가, 본 발명의 기술적 사상은 상기 과제를 해결하기 위하여, 파장 가변(tunable) 레이저 다이오드(LD); 상기 LD로부터의 광신호를 M(M은 1 이상의 정수) 번 분기를 통해 N(N = 2M) 개의 채널들로 균등 분할하되, 상기 채널들에 대응하는 안테나들을 통해 요구된 방향으로 광신호가 출력되도록 하는 광 조향용 OPA; 및 상기 광신호가 주변 사물에서 반사된 광신호를 수신하는 수신기;를 포함하고, 상기 LD, OPA, 및 수신기는 벌크-실리콘(Bulk-Si) 기판에 집적된 광 집적 회로를 제공한다.
한편, 본 발명의 기술적 사상은 상기 과제를 해결하기 위하여, 파장 가변 LD; 상기 LD로부터의 광신호를 M(M은 1 이상의 정수) 번 분기를 통해 N(N = 2M) 개의 채널들로 균등 분할하되, 상기 채널들에 대응하는 안테나들을 통해 요구된 방향으로 광신호가 출력되도록 하는 광 조향용 OPA; 상기 광신호가 주변 사물에서 반사된 광신호를 수신하는 수신기; 및 상기 LD, OPA 및 수신기를 제어하는 제어부;를 포함하는 LiDAR(Light Detection And Ranging) 시스템을 제공한다.
본 발명의 기술적 사상에 의한 광 조향용 OPA은, PS를 통해 안테나들의 광신호들의 방향을 변경하므로 빔 조향의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 또한, 비교적 작은 개수의 PS를 이용하여 빔 조향을 구현하므로 광 조향용 OPA의 소형화 및 저가화에 기여할 수 있다.
또한, 본 발명의 기술적 사상에 의한 광 집적 회로에서, 광 조향용 OPA, LD, 및 수신기가 실리콘 포토닉스 기술을 통해 벌크-실리콘 기판에 함께 집적될 수 있다. 그에 따라, 저가화 및 소형화가 구현되고 또한 신뢰성이 향상된 광소자 시스템을 구현할 수 있도록 한다.
예컨대, 본 발명의 기술적 사상에 의한 광 집적 회로는, 광 조향용 OPA, LD, 및 수신기를 제어하는 제어부들과 함께 LiDAR 시스템을 구성함으로써, LiDAR 시스템의 신뢰성을 향상시키고, 또한, LiDAR 시스템의 소형화 및 저가화를 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 조향용 OPA에 대한 구성도이다.
도 2는 도 1의 광 조향용 OPA에 이용되는 PS의 개수와 기존의 광 조향용 OPA들에 이용된 PS의 개수를 비교하여 보여주는 그래프이다.
도 3a은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 조향용 OPA에 대한 구성도이다.
도 3b는 도 3a의 광 조향용 OPA에 이용된 MMI 스플리터를 개략적으로 보여주는 평면도이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 조향용 OPA에 대한 구성도이다.
도 4b 및 도 4c는 도 4a의 광 조향용 OPA에 이용된 Y-branch 스플리터를 개략적으로 보여주는 평면도들이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시예들에 따른 광 조향용 OPA들에 대한 구성도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 조향용 OPA를 구비한 광 집적 회로에 대한 사시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예의 광 집적 회로에서, 벌크-실리콘(Bulk-Si) 기판 상의 형성된 레이저 다이오드(LD) 또는 위상 쉬프터(PS)에 대한 개략적인 단면도이다.
도 8은 도 7의 레이저 다이오드(LD)를 좀 더 구체적으로 보여주는 예시적인 단면도이다.
도 9 및 도 10은 도 7의 위상 쉬프터(PS)를 좀 더 구체적으로 보여주는 예시적인 단면도들이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예의 광 집적 회로에서, 벌크-실리콘 기판 상의 형성된 안테나에 대한 개략적인 단면도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 조향용 OPA를 구비한 LiDAR 시스템에 대한 구성도이다.
도 13a 및 도 13b는 도 12의 LiDAR 시스템에 대한 사시도들이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 도면 상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고, 이들에 대한 중복된 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 조향용 OPA에 대한 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예의 광 조향용 OPA(100, Optical Phased Array)는 스플리터(110, splitter), 제1 위상 쉬프터(120, Phased Shifter: PS), 제2 PS(130), 및 안테나(160)를 포함할 수 있다.
스플리터(110)는 입력된 광 또는 광신호를 1:1로 균등하게 분할하여 출력하는 1x2 광 분기 소자일 수 있다. 스플리터(110)는 벌크-실리콘(Bulk-Si) 기판에 형성될 수 있다. 예컨대, 스플리터(110)는 벌크-실리콘 기판에 형성된 MMI(Multi-Mode Interference) 스플리터, Y-branch 스플리터, DC(Directional Coupler) 등일 수 있다. MMI 스플리터는 도 3b의 설명 부분에서 좀 더 설명하고, Y-branch 스플리터는 도 4b 및 도 4c의 설명 부분에서 좀 더 상세히 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 스플리터(110)는 레이저 다이오드(200, Laser Diode: LD)로부터의 출력된 광신호를 M(M은 1 이상의 정수) 번 캐스캐이딩(cascading) 하는 구조로 배치될 수 있다. 스플리터(110)는 i(1≤i≤ M, i은 정수) 번째 분기 위치에 2i-1개가 배치될 수 있고, 그에 따라, i 번째 분기 위치에는 2i-1개의 스플리터들(110)에 의한 2i 개의 출력단이 존재할 수 있다. 예컨대, 만약, M=4인 경우, 제1(i=1) 분기 위치에는 1개의 스플리터(110-1)가 배치되고 2개의 출력단이 존재할 수 있다. 제2(i=2) 분기 위치에는 2개의 스플리터들(110-2)이 배치되고 4개의 출력단이 존재할 수 있다. 제3(i=3) 분기 위치에는 4개의 스플리터들(110-3)이 배치되고 8개의 출력단이 존재할 수 있다. 마지막으로, 제4(i=4) 분기 위치에는 8개의 스플리터들(110-4)이 배치되고 16개의 출력단이 존재할 수 있다. 한편, i=M=4에 해당하는 최종 분기 위치의 스플리터들(110-4)의 출력단은 N 개의 채널을 대표하는 안테나들(160)로 각각 연결될 수 있다. 여기서, N과 M 사이에는 N=2M의 관계가 성립할 수 있다. 한편, 1x2 스플리터(110)에 의한 M 번 분기를 통해 2M 개의 출력단이 형성되는 구조는, 분기 구조상 포화 이진 트리(full binary tree) 구조에 해당할 수 있다. 또한, 이러한 포화 이진 트리 구조를 구현하기 위하여 2M-1 개의 1x2 스플리터들(110)이 필요할 수 있다.
참고로, 포화 이진 트리 구조 대신에 다른 분기 구조를 통해 N 채널에 대응하는 출력단이 구현될 수도 있다. 예컨대, 비균등 분할 특성의 DC(Directional Coupler)를 이용하여 N 채널에 대응하는 출력단이 구현될 수 있다. 구체적인 예로, N=4인 경우, 제1 DC는 입력 광신호를 제1 출력단과 제2 출력단으로 1:3으로 분할하여 출력하고, 제1 DC의 제1 출력단은 바로 안테나로 연결되며 제2 출력단은 제2 DC로 연결될 수 있다. 제2 DC는 입력 광신호를 1:2로 분할하여 출력하고, 제2 DC의 제1 출력단은 안테나로 연결되며 제2 출력단은 제3 DC로 연결될 수 있다. 제3 DC는 입력 광신호를 1:1로 분할하여 출력하고, 제3 DC의 제1 출력단과 제2 출력단은 각각 안테나로 연결될 수 있다. 비균등 분할 특성의 DC를 이용한 N 개의 채널의 출력단들을 구현하는 경우에도, 필요한 DC의 개수는 N-1 개, 즉 2M-1 개일 수 있다. 물론, 1:1 균등 분할 특성의 DC을 이용하여 포화 이진 트리 구조로 N 채널에 대응하는 출력단이 구현될 수도 있다.
제1 PS(120)는 입력된 광 또는 광신호의 위상을 천이시켜 출력할 수 있다. 즉, 제1 PS(120)는 도파로에 열, 광, 전류, 전압, 및 압력 중 어느 하나를 인가하여 도파로를 통과하는 광신호의 위상을 천이시킬 수 있다. 제1 PS(120)는 벌크-실리콘 기판에 형성될 수 있다. 예컨대, 제1 PS(120)는 메탈 히터(metal heater), PIN PS, PN PS, SISCAP(Silicon-Insulator-Silicon Capacitive) PS 등으로 형성될 수 있다. 메탈 히터는 도파로 주변에 배치되어 도파로에 열을 인가하여 광신호의 위상을 천이시킬 수 있다. PIN PS는 PIN 다이오드 구조를 통해 도파로에 수평 방향으로 전류를 주입하여 광신호의 위상을 천이시킬 수 있다. PN PS는 PN 다이오드 구조를 통해 도파로에 수직 방향으로 전압을 인가하여 광신호의 위상을 천이시킬 수 있다. SISCAP PS는 SISCAP 도파로 구조를 통해 도파로에 수직 방향으로 전압을 인가하여 광신호의 위상을 천이시킬 수 있다. 메탈 히터를 이용한 PS는 도 9의 설명 부분에서 좀 더 상세히 설명하고, PN PS는 도 10의 설명 부분에서 좀 더 상세히 설명한다.
본 실시예의 광 조향용 OPA(100)에서, 제1 PS(120)는 안테나들(160)로부터 출력되는 광신호들이 서로 다른 위상을 가지도록 할 수 있다. 광신호들의 위상이 달라지면 안테나들(160)로부터 광신호들의 출력 방향이 달라질 수 있다. 그에 따라, 제1 PS(120)를 통해 광신호들의 위상을 적절히 조절하면 안테나들(160)의 광신호들의 출력 방향을 요구되는 방향으로 향하도록 할 수 있다. 결과적으로, 본 실시예의 광 조향용 OPA(100)에서, 제1 PS(120)를 통해 광신호들의 위상을 조절함으로써, 안테나들(160)의 광신호들을 요구되는 방사 패턴으로 출력시킬 수 있다.
안테나들(160)의 광신호들의 위상을 서로 다르게 하기 위하여, 안테나들(160) 각각에 대응하여 균일한 특성의 제1 PS(120)를 다른 개수로 배치할 수 있다. 다시 말해서, LD(200)로부터 안테나들(160) 각각에 이르는 경로에는 실질적으로 동일한 제1 PS(120)가 서로 다른 개수로 배치될 수 있다. 예컨대, 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 안테나(A1)에 대응하는 경로의 경우, 제1 분기 위치에 제1 PS(120-1)가 8개, 제2 분기 위치에 제1 PS(120-2)가 4개, 제3 분기 위치에 제1 PS(120-3)가 2개, 그리고 제4 분기 위치에 제1 PS(120-4)가 1개 배치되어 총 15개의 제1 PS(120)가 배치될 수 있다. 또한, 제8 안테나(A8)에 대응하는 경로의 경우, 제1 분기 위치에 제1 PS(120-1)가 8개 배치되고 제2 내지 제4 분기 위치에는 제1 PS(120)가 배치되지 않으므로 총 8개의 제1 PS(120)가 배치될 수 있다. 한편, 제16 안테나(A16)에 대응하는 경로의 경우, 제1 내지 제4 분기 위치 모두 제1 PS(120)가 배치되지 않으므로 총 0개의 제1 PS(120)가 배치될 수 있다.
한편, 균일한 특성의 제1 PS(120)가 배치된다는 것은, 배치된 모든 제1 PS(120)가 동일한 종류 및 동일한 사이즈로 형성된다는 것을 의미할 수 있다. 제1 PS(120)가 동일한 종류 및 동일한 사이즈로 형성됨으로써, 제1 PS(120) 각각이 실질적으로 동일한 위상 천이 특성을 발휘할 수 있다. 따라서, 하나의 제1 PS(120)의 위상 천이가 결정되면, 안테나별로 제1 PS(120)의 개수에 따라 전체 위상 천이가 자동으로 계산될 수 있다.
본 실시예의 광 조향용 OPA(100)에서, 제1 PS(120)는 스플리터들(110) 각각의 2개의 출력단 중 어느 하나의 출력단에만 배치될 수 있다. 스플리터들(110) 각각의 2개의 출력단 중 제1 PS(120)가 배치된 출력단을 제1 출력단이라고 할 때, 분기 위치에 따른 스플리터들(110) 각각의 제1 출력단에는 2M-i 개의 제1 PS(120)가 배치될 수 있다. 예컨대, M=4일 때, 제1(i=1) 분기 위치의 스플리터(110-1)의 제1 출력단에 8개의 제1 PS(120-1)가 배치될 수 있다. 제2(i=2) 분기 위치의 2개의 스플리터들(110-2) 각각의 제1 출력단에 4개의 제1 PS(120-2)가 배치될 수 있다. 제3(i=3) 분기 위치의 4개의 스플리터들(110-3) 각각의 제1 출력단에 2개의 제1 PS(120-3)가 배치될 수 있다. 마지막으로, 제4(i=4) 분기 위치의 8개의 스플리터들(110-4) 각각의 제1 출력단에 1개의 제1 PS(120-4)가 배치될 수 있다.
각각의 분기 위치당 총 8개씩 제1 PS(120)가 배치되므로 제1 PS(120)의 전체 개수는 8*4 = 32개일 수 있다. 제1 PS(120)의 전체 개수를 채널의 개수 N으로 일반화하면, 각각의 분기 위치당 총 N/2개씩 제1 PS(120)가 배치되고 분기는 M 번 수행되므로, 제1 PS(120)의 전체 개수는 N/2*M 개일 수 있다. 한편, N=2M의 관계가 있으므로, 결국 제1 PS(120)의 전체 개수는 N/2*log2N 개일 수 있다.
본 실시예의 광 조향용 OPA(100)에 포함되는 제1 PS(120)의 개수는, 1x2 스플리터를 이용한 기존 광 조향용 OPA에 포함된 PS의 개수보다는 현저하게 작을 수 있다. 본 실시예의 광 조향용 OPA(100)는 기존 광 조향용 OPA에 비해 작은 개수의 제1 PS(120)를 포함함으로써, 광 조향용 OPA(100)의 소형화 및 LiDAR 시스템의 소형화에 기여할 수 있다. 기존 광 조향용 OPA들과의 PS의 개수 비교에 대해서는 도 2의 그래프부분에서 좀 더 상세히 설명한다.
제2 PS(130)는 최종 분기 위치의 스플리터들(110-4)의 출력단들 각각에 배치될 수 있다. 다만, 최종 분기 위치의 스플리터들(110-4)의 2개의 출력단 중 어느 하나의 출력단에는 제1 PS(120-4)가 배치되므로, 제1 PS(120-4)가 배치된 출력단에는 제2 PS(130)가 제1 PS(120-4)의 출력단에 배치될 수 있다. 제2 PS(130)의 구조나 작용 등은 제1 PS(120)와 실질적으로 동일할 수 있다. 예컨대, 제2 PS(130) 역시 입력된 광신호의 위상을 천이시켜 출력하며, 메탈 히터, PIN PS, PN PS, SISCAP PS 등으로 형성될 수 있다. 한편, 제2 PS(130)의 역할은 제1 PS(120)의 역할과 다를 수 있다. 즉, 제2 PS(130)는 각각의 채널, 즉 각각의 안테나의 광신호의 산포를 보정하는 기능을 할 수 있다. 예컨대, 안테나들의 광신호들 간의 위상 차를 균일하게 유지시키려고 하는데, 여러 가지 요인들에 의해 최종 분기 위치의 스플리터들(110-4)의 출력단의 광신호들 간의 위상 차가 균일하게 유지되지 못하고 약간씩의 에러가 존재할 수 있다. 제2 PS(130)는 이러한 에러를 보상하는 역할을 할 수 있다.
제2 PS(130) 역시 동일한 종류 및 동일한 사이즈로 형성될 수 있다. 그러나 제2 PS(130)는 서로 다른 종류 및/또는 다른 사이즈로 형성되는 것을 전적으로 배제하는 것은 아니다. 이는, 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 PS(120)은 공통 패드(140)를 통해 함께 제어되는 반면, 제2 PS(130)는 각각의 패드(150)를 통해 개별적으로 제어되기 때문이다.
좀 더 구체적으로 설명하면, 본 실시예의 광 조향용 OPA(100)에서, 조향 신호(Steering Signal: SS), 예컨대 조향을 위한 전류를 이용하여 제1 PS(120)가 위상을 천이시킨다고 하자. 전술한 바와 같이, 제1 PS(120)는 동일한 종류 및 동일한 사이즈로 형성될 수 있다. 또한, 도시된 바와 같이 제1 PS(120)는 공통 입력 패드(140in)와 공통 출력 패드(140out) 사이에 서로 직렬로 연결될 수 있다. 따라서, 공통 입력 패드(140in)를 통해 조향 신호(SS)를 인가함으로써, 제1 PS(120) 각각의 위상 천이를 일률적으로 조절할 수 있다. 또한, 안테나별 광신호의 위상 천이 역시 제1 PS(120)의 개수에 따라 일률적으로 조절할 수 있다. 그에 반해, 제2 PS(130)는 각 채널당 광신호의 위상 산포를 보상해야 하므로, 제2 PS(130) 각각에 입력 패드(150in)와 출력 패드(150out)가 연결되고 그러한 입력 패드(150in)를 통해 트리밍 신호(Trimming Signal: TS)가 개별적으로 입력될 수 있다. 따라서, 트리밍 신호(TR)는 제2 PS(130)에 따라 서로 다를 수 있다. 여기서, 굵은 선은 전류가 흐르는 배선(102)이고, 얇은 선은 광신호가 통과하는 도파로(101)에 해당할 수 있다. 배선(102)과 도파로(101)는 벌크-실리콘 기판에 형성될 수 있다.
참고로, 도 1에서 제1 안테나(A1)와 제16 안테나(A16)의 전단의 제2 PS(130)에만 패드(150)가 연결된 것으로 도시되고 있지만, 그것은 도시의 편의를 위한 것이고 실제로는 모든 제2 PS(130) 각각에 패드(150)가 연결될 수 있다.
한편, 조향 신호나 트리밍 신호로서 전류를 예로 들었지만, 조향 신호나 트리밍 신호가 전류에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 전압, 압력, 열, 광 등 다양한 물리량이 조향 신호나 트리밍 신호로서 채용될 수 있다. 물론, 인가되는 물리량의 종류에 따라 PS 종류가 다르고, 또한 PS로 연결되는 패드나 배선들의 구조가 달라질 수 있다.
덧붙여, 제16 안테나(A16) 전단의 제2 PS(130)는 생략될 수도 있다. 왜냐하면, 제16 안테나(A16)의 광신호의 위상을 기준으로 하여 다른 안테나(160)의 위상을 보상한다고 하면, 제16 안테나(A16)의 광신호의 위상은 보상할 필요가 없기 때문이다. 따라서, 제2 PS(130)의 개수는 제16 안테나(A16) 전단의 제2 PS(130)의 생략 여부에 따라 16개 또는 15개일 수 있다. 또한, 채널의 개수 N으로 일반화하면, 제2 PS(130)의 개수는 N 개 또는 N-1 개일 수 있다. 전술한 바와 같이, 제1 PS(120)의 개수가 N/2*log2N 개이고, 제2 PS(130)이 N 개 또는 N-1 개이므로, 결국, 본 실시예의 광 조향용 OPA(100)에 포함된 모든 PS의 개수, 즉 제1 PS(120)의 개수와 제2 PS(130)의 개수의 총합은 N/2*log2N + N 개 또는 N/2*log2N + (N-1) 개일 수 있다.
안테나들(160) 각각은 채널에 대응하며, 마지막 분기 위치의 스플리터들(110-4)의 출력단에 연결될 수 있다. 좀 더 구체적으로, 안테나들(160) 각각은 스플리터들(110-4)의 출력단에 배치된 제2 PS(130)에 연결될 수 있다. 안테나들(160) 역시 벌크-실리콘 기판에 형성되며, 도파로에 격자가 새겨진 구조로 형성될 수 있다. 안테나(160)의 구체적인 구조에 대해서는 도 11의 설명 부분에서 좀 더 상세히 설명한다.
한편, 도시하지는 않았지만 LD(200)로부터 출력된 광신호를 증폭하거나 또는 안테나들(160)을 통해 방사되는 광신호를 증폭하기 위하여, 본 실시예의 광 조향용 OPA(100)는 LD(200)의 출력단 및/또는 안테나들(160)의 입력단에 배치된 반도체 광증폭기(Semiconductor Optical Amplifier: SOA)를 포함할 수 있다. SOA에 대해서는 도 3a 및 도 3b의 설명 부분에서 좀 더 상세히 설명한다.
참고로, 기존의 LiDAR의 경우 기계식 회전을 통해 안테나들의 광신호들의 방향을 변경하므로 빔 조향(steering)의 신뢰성이 낮고 소형화에도 한계가 있다. 또한, 기존의 LiDAR의 경우 광원, 광 조향 소자, 수신기 등이 모듈 레벨에서 조립되어 구현되므로 저가화가 매우 어려울 수 있다. 그러나 본 실시예의 광 조향용 OPA(100)의 경우, PS를 통해 안테나들의 광신호들의 방향을 변경하므로 빔 조향의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 실시예의 광 조향용 OPA(100)는 비교적 작은 개수의 PS를 이용하여 빔 조향을 구현할 수 있으므로 광 조향용 OPA의 소형화에 기여할 수 있다. 더 나아가, 이러한 본 실시예의 광 조향용 OPA(100)를 LiDAR 시스템에 적용함으로써, LiDAR 시스템의 신뢰성을 향상시키고, 또한, LiDAR 시스템의 소형화 및 저가화를 구현할 수 있다.
도 2는 도 1의 광 조향용 OPA에 이용되는 PS의 개수와 기존의 광 조향용 OPA들에 이용된 PS의 개수를 비교하여 보여주는 그래프로서, x축은 채널 개수를 나타내고, y 축은 PS 개수를 로그(log) 스케일로 나타낸다. 여기서, OPA 1은 포화 이진 트리 구조로 N 개의 채널을 구현한 기존의 광 조향용 OPA를 의미하고, OPA 2는 비균등 분할 특성의 DC를 이용하여 N 개의 채널을 구현한 광 조향용 OPA를 의미하며, OPA 3은 본 실시예에 따른 광 조향용 OPA(100)를 의미할 수 있다.
도 2를 참조하면, OPA 1의 경우 최종 분기 위치의 스플리터들의 출력단에만 PS가 배치되고 또한 서로 다른 개수로 배치될 수 있다. 여기서, PS는 제1 PS와 제2 PS를 포함하는 개념일 수 있다. 예컨대, 채널이 N 개인 경우, 1개부터 N 개의 PS가 배치되므로 전체 PS의 개수는 N/2*(N+1) 개가 될 수 있다. 한편, 기준이 되는 채널에 PS가 배치되지 않으면, 전체 PS의 개수는 N/2*(N+1)-1 개가 될 수 있다.
다음, OPA 2의 경우, DC의 2개의 출력단 각각에 1개의 PS가 배치될 수 있다. 예컨대, 제1 분기 위치의 제1 DC의 제1 출력단에 1개의 PS(1-1)와 제2 출력단에 1개의 PS(1-2)가 배치될 수 있다. 상기 PS(1-1)에는 제1 안테나가 연결되고 상기 PS(1-2)에는 제2 분기 위치의 제2 DC가 연결되며, 상기 제2 DC의 제1 출력단에 1개의 PS(2-1)와 제2 출력단에 1개의 PS(2-2)가 배치될 수 있다. 상기 PS(2-1)에는 제2 안테나가 연결되고 상기 PS(2-2)에는 제3 분기 위치의 제3 DC가 연결되며, 상기 제3 DC의 제1 출력단에 1개의 PS(3-1)와 제2 출력단에 1개의 PS(3-2)가 배치될 수 있다. 이러한 연결이 계속 진행되면, 제(N-1) 분기 위치의 제(N-1) DC의 제1 출력단에 1개의 PS((N-1)-1)와 제2 출력단에 1개의 PS((N-1)-2)가 배치되고, 상기 PS((N-1)-1)에는 제(N-1) 안테나가 연결되며, 상기 PS((N-1)-2)에는 1개의 PS(N-1)가 배치되며, 상기 PS(N-1)에는 제N 안테나가 연결될 수 있다.
제1 안테나에 하나의 PS가 연결되는 것을 제외하고, 안테나 하나당 2개씩의 PS가 배치된다고 볼 수 있으므로 전체 PS의 개수는 2*(N-1)+1개가 될 수 있다. 또한, 기준이 되는 채널, 예컨대 제1 안테나의 부분에 PS가 배치되지 않으면, 전체 PS의 개수는 2*(N-1) 개가 될 수 있다.
한편, 본 실시예의 광 조향용 OPA(100)에 해당하는 OPA 3의 경우는 전술한 바와 같이, 전체 PS의 개수가 N/2*log2N + N 개 또는 N/2*log2N + (N-1) 개일 수 있다.
OPA 3은 OPA 1에 비해 PS의 개수가 작고, PS 개수의 차이는 채널의 개수가 증가할수록 급격하게 증가할 수 있다. 따라서, 채널의 개수가 많을 때, OPA 3의 구조가 OPA 1 구조에 비해 소형화 및 저가화의 광 조향용 OPA 구현에 크게 유리할 수 있다. 한편, OPA 2의 경우는 OPA 3에 비해 PS의 개수가 작으나 그 차이는 크지 않을 수 있다. 전술한 바와 같이 OPA 2는 광 분기를 위해 DC를 이용하게 되는데, DC는 공정 산포에 매우 민감하고, 또한, 파장에 따라 요구되는 비율로 광을 분할하기가 매우 어려워 신뢰성 문제가 발생할 수 있으며, 비용적인 면에서도 불리할 수 있다.
결론적으로, OPA 3에 해당하는 본 실시예의 광 조향용 OPA(100)는 소형화 및 저가화의 달성에 유리하고, 또한 신뢰성을 향상시킬 수 있는 최적의 구조에 해당할 수 있다.
도 3a은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 조향용 OPA에 대한 구성도이고, 도 3b는 도 3a의 광 조향용 OPA에 이용된 MMI 스플리터를 개략적으로 보여주는 평면도이다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 본 실시예의 광 조향용 OPA(100a)는 도 1의 광 조향용 OPA(100)와 유사하나 입력 SOA(170)와 출력 SOA(180)를 더 포함할 수 있다. 또한, 1x2 광 분기 소자로서, MMI 스플리터(110a)를 채용할 수 있다.
입력 SOA(170)는 LD(200)의 출력단에 배치되어, LD(200)로부터의 출력 광을 증폭하는 역할을 할 수 있다. 입력 SOA(170)는 벌크-실리콘 기판에 FPA(Fabry-Perot Amplifier)형, 또는 TWA(Travelling Wave Amplifier)형 등으로 구현될 수 있다. 일반적으로 SOA는 소형으로 제작 가능하고, 1310㎚ 및 1150㎚ 파장 대역에서 동작하며 양 방향 전송이 가능한데, 입력 SOA(170) 역시 그러한 특성을 가질 수 있다. 입력 SOA(170)의 출력단에는 제1 분기 위치의 MMI 스플리터(110a-1)가 배치될 수 있다. 한편, 이용되는 광의 파장이 1150㎚인 경우에, 입력 SOA(170) 대신 EDFA(Erbium Doped Fiber Amplifier)가 사용될 수도 있다.
출력 SOA들(180)은 N 개의 채널에 대응하는 안테나들(160)의 전단에 각각 배치될 수 있다. 예컨대, 출력 SOA(180)는 최종 분기 위치의 MMI 스플리터들(110a-4)의 출력단 각각에 배치된 제2 PS(130)와 안테나들(160) 사이에 배치될 수 있다. 출력 SOA들(180)은 제2 PS(130)로부터의 광신호를 증폭하여 대응하는 안테나들(160)로 제공하는 역할을 할 수 있다. 출력 SOA들(180) 역시 벌크-실리콘 기판에 FPA형, 또는 TWA형 등으로 구현될 수 있다. 출력 SOA들(180)의 구조나 특성 등은 입력 SOA(170)에 대해 설명한 바와 같다.
도 3b에 도시된 바와 같이, MMI 스플리터(110a)는 입력 도파로 영역(20), 다중 모드 도파로 영역(25), 및 출력 도파로 영역(22, 24)을 포함할 수 있다. 입력 도파로 영역(20)은 다중 모드 도파로 영역(25)의 중심선(CL) 부분에 배치되고, 출력 도파로 영역(22, 24)은 다중 모드 도파로 영역(25)의 중심선(CL)에서 이격되어 배치될 수 있다. 다중 모드 도파로 영역(25)은 제1 길이(l) 및 제1 폭(W)을 가질 수 있다. 다중 모드 도파로 영역(25)에서 다중 모드 간섭을 통한 빔 분할을 제공하기 위하여 제1 길이(l)와 제1 폭(W)은 l=W/2λ의 관계가 성립할 수 있다. 여기서, λ는 광의 파장에 해당할 수 있다. 참고로, 일반적으로 MMI 스플리터에서 입력 광을 N 분할하는 경우 l=W/Nλ의 관계가 성립할 수 있다.
MMI 스플리터(110a)는 벌크-실리콘 기판에 중심 코어(core) 구조로 형성될 수 있다. 중심 코어 구조는 에피층의 코어를 중심으로 하여 하부 및 상부에 클래드(clad)가 형성된 구조를 가질 수 있다. 한편, 코어의 측면으로는 공기층이 배치되거나 별도의 측면 클래드가 배치될 수 있다. 한편, MMI 스플리터(110a)는 중심 코어 구조에 한하지 않고 중공 코어 구조로 형성될 수도 있다. 중공 코어 구조에서 광이 통과하는 코어는 빈 공간의 공기층으로 형성될 수 있다. 다만, 벌크-실리콘 기판에 중공 코어 구조를 구현하기 위해 코어를 둘러싸는 측면에 금속 코팅이 형성될 수 있다.
본 실시예의 광 조향용 OPA(100a)는 LD(200) 출력단에 입력 SOA(170)와 안테나들(160) 전단에 출력 SOA들(180)을 배치하고, 또한 1x2 광 분기 소자로서, MMI 스플리터(110a)를 채용함으로써, 소형화 및 저가화를 달성하면서도 신뢰성이 우수한 광 조향용 OPA를 구현할 수 있도록 한다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 조향용 OPA에 대한 구성도이고, 도 4b 및 도 4c는 도 4a의 광 조향용 OPA에 이용된 Y-branch 스플리터를 개략적으로 보여주는 평면도들이다.
도 4a 내지 도 4c를 참조하면, 본 실시예의 광 조향용 OPA(100b)는 1x2 광 분기 소자로서, Y-branch 스플리터(110b)를 채용한다는 점에서, 도 3a의 광 조향용 OPA(100a)와 다를 수 있다. 그에 따라, 본 실시예의 광 조향용 OPA(100b) 역시 LD(200) 출력단에 배치된 입력 SOA(170)와 안테나들(160) 전단에 배치된 출력 SOA들(180)을 포함할 수 있다.
도 4b에 도시된 제1 Y-branch 스플리터(110b)는 입력 도파로 영역(30), 테이퍼 도파로 영역(40), 및 출력 도파로 영역(50, 60)을 포함할 수 있다. 제1 Y-branch 스플리터(110b)는 PLC(Planar Lightwave Circuit) 소자로서, 벌크-실리콘 기판에 고굴절률의 코어와 상기 코어를 둘러싸는 저굴절률의 클래드로 구성될 수 있다. 상기 코어로 광신호가 진행될 수 있다.
입력 도파로 영역(30)은 직선형 구조를 가지며, 테이퍼 도파로 영역(40)은 광신호가 진행하는 방향으로 점점 넓어지는 구조를 가질 수 있다. 출력 도파로 영역(50, 60)은 테이퍼 도파로 영역(40)의 중심선(CL)에 대하여 소정 각도를 가지고 대칭되게 연장된 구조를 가질 수 있다.
광신호는 입력 도파로 영역(30)의 제1 단면(32)으로 입력되어 입력 도파로 영역(30)을 통과하여, 테이퍼 도파로 영역(40)의 제2 단면(42)으로 입력될 수 있다. 이후, 광신호는 테이퍼 도파로 영역(40)의 제3 단면(52, 62)에서 2개의 광신호로 분기되어 출력 도파로 영역(50, 60)으로 입력될 수 있다. 2개의 광신호는 각각의 출력 도파로 영역(50, 60)을 통과하여 제4 단면(54, 64)을 통해 출력될 수 있다.
도 4c에 도시된 제2 Y-branch 스플리터(110b')는 입력 테이퍼 도파로 영역(70), 및 출력 테이퍼 도파로 영역(80, 90)을 포함할 수 있다. 제2 Y-branch 스플리터(110b') 역시 PLC(Planar Lightwave Circuit) 소자로서, 벌크-실리콘 기판에 고굴절률의 코어와 상기 코어를 둘러싸는 저굴절률의 클래드로 구성될 수 있다.
입력 테이퍼 도파로 영역(70)은 광신호가 진행하는 방향으로 폭이 점점 넓어지는 구조를 가질 수 있다. 출력 테이퍼 도파로 영역(80, 90)은 입력 테이퍼 도파로 영역(70)의 제2 단면(82, 92)에서부터 연장하되 소정 곡률로 벤딩(bending)되어 아크(arc) 구조를 가질 수 있다. 또한, 출력 테이퍼 도파로 영역(80, 90)은 광신호가 진행한 방향으로 폭이 넓어지며 중심선(CL)을 기준으로 대칭인 구조를 가질 수 있다. 한편, 출력 테이퍼 도파로 영역(80, 90)의 내측면(88, 98)은 제2 단면(82, 92) 부분에서 제1 간격(G1)으로 서로 이격될 수 있다. 또한, 출력 테이퍼 도파로 영역(80, 90)의 외측면(87, 97)과 입력 테이퍼 도파로 영역(70)의 외측면(78)은 제2 단면(82, 92) 부분에서 제2 간격(G2)으로 이격될 수 있다.
광신호는 입력 테이퍼 도파로 영역(70)의 제1 단면(72)으로 입력되고, 제2 단면(82, 92)에서 2개의 광신호로 분기하여 출력 테이퍼 도파로 영역(80, 90)으로 입력될 수 있다. 2개의 광신호는 각각의 출력 테이퍼 도파로 영역(80, 90)을 통과하여 제3 단면(84, 94)을 통해 출력할 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시예들에 따른 광 조향용 OPA들에 대한 구성도이다.
도 5a를 참조하면, 본 실시예의 광 조향용 OPA(100c)는 제1 PS(120)의 개수에서, 도 1의 광 조향용 OPA(100)와 다를 수 있다. 구체적으로, 본 실시예의 광 조향용 OPA(100c)에서, 제2 분기 위치의 2개의 스플리터들(110-2) 중 상부 쪽 스플리터(110-2)의 상부 출력단에 5개의 제1 PS(120-2)가 배치될 수 있다. 이와 같이 배치되는 경우, 제4 안테나(A4)의 경로에 13개의 제1 PS(120)가 배치되고 제5 안테나(A5)의 경로에 11개의 제1 PS(120)가 배치되어 인접하는 안테나들 간에 2개의 제1 PS(120)의 개수 차이가 발생할 수 있다. 그러나 모든 안테나들(160)의 경로에 서로 다른 개수의 PS(120, 130)가 배치되므로, 여전히 안테나들(160)의 광신호들의 위상을 서로 다르게 할 수 있다.
본 실시예의 광 조향용 OPA(100c)에서, 제2 분기 위치의 상부 쪽 스플리터(110-2)의 상부 출력단의 제1 PS(120-2)의 개수를 증가시켰지만, 위치가 그에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 제1 분기 위치의 스플리터(110-1)의 상부 출력단, 제3 분기 위치의 최상부 쪽 스플리터(110-3)의 상부 출력단, 그리고 제4 분기 위치의 최상부 쪽 스플리터(110-4)의 상부 출력단 중 적어도 하나에서 제1 PS(120-1, 120-3, 120-4)의 개수를 증가시킬 수 있다. 또한, 증가하는 개수도 1개의 한정되지 않고 2개 이상 증가시킬 수도 있다.
도 5b를 참조하면, 본 실시예의 광 조향용 OPA(100d)는 제1 PS(120)의 배치 위치에서, 도 1의 광 조향용 OPA(100)와 다를 수 있다. 구체적으로, 본 실시예의 광 조향용 OPA(100d)에서, 제2 분기 위치의 2개의 스플리터들(110-2) 중 상부 쪽 스플리터(110-2)의 하부 출력단에 4개의 제1 PS(120-2)가 배치될 수 있다. 이와 같이 배치되는 경우, 제1 내지 제4 안테나(A1, A2, A3, A4)의 경로의 제1 PS(120)의 개수와 제5 내지 제8 안테나(A5, A6, A7, A8)의 경로의 제1 PS(120)의 개수가 서로 바뀌었을 뿐, 모든 안테나들(160)의 경로에 서로 다른 개수의 PS(120, 130)가 배치되는 것은 차이가 없다. 따라서, 서로 다른 개수의 PS(120, 130)를 이용하여 안테나들(160)의 광신호들의 위상을 서로 다르게 할 수 있다.
결론적으로, 본 발명의 기술적 사상은, 각 분기 단계에서 스플리터들(110) 각각의 2개의 출력단 중 어느 하나의 출력단으로만 제1 PS(120)가 배치되고, 또한 N 개의 안테나들(160)의 경로에 서로 다른 개수의 제1 PS(120)가 배치되도록 하는 모든 광 조향용 OPA 구조에 미친다고 할 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 조향용 OPA를 구비한 광 집적 회로에 대한 사시도이다.
도 6을 참조하면, 본 실시예의 광 집적 회로(1000)는 벌크-실리콘 기판(1)에 집적된 광 조향용 OPA(100), LD(200), 및 수신기(300)를 포함할 수 있다. 벌크-실리콘 기판(1) 내의 광 조향용 OPA(100), LD(200), 및 수신기(300)의 배치 구조는 도 6의 구조에 한정되지 않고 다양하게 변경될 수 있다.
광 조향용 OPA(100)는 도 1의 설명 부분에서 설명한 바와 같다. 물론, 도 1의 광 조향용 OPA(100) 대신, 도 3a, 도 4a, 도 5a 및 도 5b의 광 조향용 OPA(100a, 100b, 100c, 100d)가 광 집적 회로(1000)에 채용될 수도 있다.
LD(200)는 벌크-실리콘 기판(1)을 기반으로 하는 반도체 레이저 소자일 수 있다. LD(200)는 수백 ㎛ 정도의 소형 사이즈로 제작될 수 있고, 또한, 구동전력이 작아 전류 인가를 통해 레이저 광이 직접 변조될 수 있다. 또한, LD(200)는 반도체 재료의 선택 조합에 의하여 가시광선에서 적외선에 이르는 발진 파장을 얻을 수 있다. 예컨대, LD(200)는 발진 파장을 소정 범위에서 변화시킬 수 있는 파장 가변(tunable) 레이저 다이오드일 수 있다. LD(200)는 펄스파(Pulse Wave: PW) 또는 연속파(Continuous Wave: CW) 형태로 레이저 광을 출력할 수 있다.
수신기(300)는 안테나(160)를 통해 방사된 광신호가 주변 사물에서 반사되어 되돌아온 광신호를 수신하는 일종의 센서일 수 있다. 예컨대, 수신기(300)는 벌크-실리콘 기판(1)을 기반으로 한 포토다이오드로 형성될 수 있다. 수신기(300)는 벌크-실리콘 기판(1)에 복수 개의 포토다이오드들이 어레이 구조로 배치되어 형성될 수 있다. 물론, 수신기(300)는 하나의 포토다이오드를 포함할 수도 있다.
참고로, 실리콘 기판을 기반으로 광소자들을 형성하는 기술을 실리콘 포토닉스 기술이라고 한다. 본 실시예의 광 집적 회로(1000)에서, 광 조향용 OPA(100), LD(200), 및 수신기(300)는 실리콘 포토닉스 기술을 통해 벌크-실리콘 기판(1)에 함께 집적될 수 있다. 그에 따라, 본 실시예의 광 집적 회로(1000)는 다양한 광소자들이 벌크-실리콘 기판(1)에 함께 집적되어 저가화와 소형화되고 신뢰성이 향상된 광소자 시스템을 구현할 수 있도록 한다. 예컨대, 본 실시예의 광 집적 회로(1000)는 광 조향용 OPA(100), LD(200), 및 수신기(300)를 제어하는 제어부들과 함께 LiDAR 시스템을 구성할 수 있고, 그러한 LiDAR 시스템은 저가화, 소형화 및 신뢰성 향상을 구현할 수 있다. LiDAR 시스템에 대해서는 도 12 내지 도 13b의 설명 부분에서 좀 더 상세히 설명한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예의 광 집적 회로에서, 벌크-실리콘(Bulk-Si) 기판 상에 형성된 레이저 다이오드(LD) 또는 위상 쉬프터(PS)에 대한 개략적인 단면도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예의 광 집적 회로(1000)에서, LD(200) 또는 PS(120)는 벌크-실리콘 기판(1)에 형성될 수 있다. 여기서, PS(120)은 도 1의 광 조향용 OPA(100)에서, 제1 PS(120) 또는 제2 PS(130)일 수 있다. 벌크-실리콘 기판(1) 상부 영역에 매몰 절연층(3, BOX)이 형성될 수 있다. 예컨대, 매몰 절연층(3)은 실리콘옥사이드(SiOx)와 같은 산화막으로 형성될 수 있다. 물론, 매몰 절연층(3)의 재질이 산화막에 한정되는 것은 아니다.
벌크-실리콘 기판(1)과 매몰 절연층(3) 상에는 에피층(5)이 형성될 수 있다. 에피층(5)은 에피택셜 성장(epitaxial growth)을 통해 형성될 수 있다. 에피택셜 성장은 실리콘 기판 표면 상에 기판 결정축에 따라 동일 결정 구조를 갖는 단결정 박막을 성장시키는 것을 의미할 수 있다. 에피층(5)은 예컨대 고상성장(Solid Phase Epitaxial: SPE)법을 통해 벌크-실리콘 기판(1)과 매몰 절연층(3) 상에 형성될 수 있다.
에피층(5) 상에 LD(200) 또는 PS(120)을 위한 물질층이 형성될 수 있다. 도 7에서, 에피층(5) 상의 네모 블록을 LD(200) 또는 PS(120)로 지칭하고 있지만, 이는 설명의 편의를 위한 것이고, LD(200) 또는 PS(120)의 내부에는 다양한 물질층들이 포함될 수 있다. 또한, LD(200) 또는 PS(120)는 벌크-실리콘 기판(1), 매몰 절연층(3) 및 에피층(5)의 일부를 구성요소로서 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예의 광 집적 회로(1000)에서, LD(200) 또는 PS(120)가 벌크-실리콘 기판(1)을 기반으로 형성될 수 있다. 벌크-실리콘 기판(1)은 비용이 저렴하고, 또한, 열 전도도가 매우 높다. 따라서, LD(200) 또는 PS(120)에서 발생한 열이 벌크-실리콘 기판(1)을 통해 하부로 용이하게 배출될 수 있다. 벌크-실리콘 기판(1)의 우수한 열 배출 효율은 LD(200) 또는 PS(120)의 신뢰성 향상에 크게 기여할 수 있다. 참고로, LD(200) 또는 PS(120)는 SOI(Silicon On Insulator) 기판을 기반으로 형성될 수도 있는데, SOI 기판은 비용이 매우 비싸고, 중간의 절연층의 존재로 열 배출 효율이 낮을 수 있다.
도 8은 도 7의 레이저 다이오드(LD)를 좀 더 구체적으로 보여주는 예시적인 단면도이다.
도 8을 참조하면, LD(200)는 벌크-실리콘 기판(1) 상에 매몰 절연층(3), 에피층(5), 측면 클래드(210), 하부 콘택층(220), 활성 영역(230), 양자 임플란트층(240), 상부 콘택층(250), 및 메탈층(260, 270)을 포함할 수 있다.
측면 클래드(210)는 타원의 점선으로 표시된 코어(Co.)의 측면을 둘러싸는 구조로 형성될 수 있다. 측면 클래드(210)는 예컨대, 에피층(5) 상부 영역에 형성되고, 실리콘산화막과 같이 굴절률이 낮은 절연층으로 형성될 수 있다. 경우에 따라, 측면 클래드(210)는 에피층(5)을 관통하여 하면이 매몰 절연층(3)에 콘택할 수도 있다.
하부 콘택층(220)과 상부 콘택층(250)은 도전성 물질로 형성될 수 있다. 예컨대, 하부 콘택층(220)은 N형 물질층으로 형성되고, 상부 콘택층(250)은 P형 물질층으로 형성될 수 있다. 이러한 하부 콘택층(220)과 상부 콘택층(250)은 활성 영역(230)과 메탈층(260, 270)을 전기적으로 연결하는 기능을 할 수 있다.
활성 영역(230)은 레이저 광이 발생하는 영역으로서, Ⅲ/Ⅴ족 이득 물질을 포함할 수 있다. 예컨대, 활성 영역(230)은 중심의 활성층과 상부 및 하부의 캐리어 트래핑(trapping)층을 포함할 수 있다. 캐리어 트래핑층은 SCH(Separate Confinement Hetero) 층으로 형성될 수 있다. 활성층은 예컨대, p 또는 n형 GaAs로 형성되고, 상부 캐리어 트래핑층은 p형 SCH층으로서 p형 AlxGa1 - xAs로 형성되며, 하부 캐리어 트래핑층은 n형 SCH층으로서 n형 AlxGa1 - xAs로 형성될 수 있다. 물론, 활성층과 캐리어 트래핑층들의 물질이 상기 재질들에 한정되는 것은 아니다.
양자 임플란트층(240)은 활성 영역(230) 양 측면으로 배치되고, 전류 구속(constriction)의 기능을 수행하는 일종의 전류 구속층일 수 있다. 경우에 따라, 양자 임플란트층(240) 대신 선택적 측면 산화나 메사(mesa) 에칭을 통해 전류 구속층이 형성될 수도 있다. 메탈층(260, 270)은 하부 콘택층(220)과 상부 콘택층(250) 상에 형성될 수 있다. 메탈층(260, 270)은 활성 영역(230)으로 전류를 인가하기 위한 전극들일 수 있다. 한편, 상부 콘택층(250)과 활성 영역(230) 사이에 p형 클래드가 배치될 수도 있다.
한편, LD(200)의 구조가 도 8의 구조에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 본 실시예의 광 집적 회로(1000)에서, LD(200)은 벌크-실리콘 기판(1)을 기반으로 하여 다양한 구조로 형성될 수 있다.
본 실시예의 광 집적 회로(1000)에서, LD(200)는 벌크-실리콘 기판(1)을 기반으로 형성될 수 있다. 그에 따라, LD(200)는 저비용으로 소형으로 형성될 수 있다. 또한, LD(200)는 벌크-실리콘 기판(1)의 높은 열 배출 효율에 기인하여 신뢰성이 향상될 수 있다.
도 9 및 도 10은 도 7의 위상 쉬프터(PS)를 좀 더 구체적으로 보여주는 예시적인 단면도들이다.
도 9를 참조하면, PS(120a)는 열광학(thermo-optic) 효과를 이용한 PS로서 도파로 주변에 메탈 히터(126)가 배치될 수 있다. 예컨대, PS(120a)는 벌크-실리콘 기판(1) 상에 매몰 절연층(3), 에피층(5), 측면 클래드(122), 상부 클래드(124), 및 메탈 히터(126)를 포함할 수 있다. 도 8의 LD(200)에서와 마찬가지로 점선의 원으로 표시된 부분이 광신호가 통과하는 코어(Co.)에 해당할 수 있다. 측면 클래드(122)와 상부 클래드(124)는 코어(Co.)의 측면과 상면을 둘러싸는 구조로 형성될 수 있다. 측면 클래드(122)와 상부 클래드(124)는 코어(Co.)보다 낮은 굴절률의 절연층으로 형성될 수 있다. 예컨대, 측면 클래드(122)와 상부 클래드(124)는 실리콘산화막과 같은 산화막으로 형성될 수 있다. 측면 클래드(122)와 상부 클래드(124)는 동일 물질로 형성될 수도 있고 서로 다른 물질로 형성될 수도 있다.
메탈 히터(126)는 코어(Co.)의 상부에 배치되며, 크롬(Cr), 니켈(Ni), 니크롬, 텅스텐(W), 텅스텐실리사이드(WSix) 등으로 형성될 수 있다. 메탈 히터(126)에 전류를 인가하여 열을 발생시키고, 발생한 열은 하부의 도파로, 즉, 코어(Co.)의 온도를 국부적으로 증가시켜 도파로를 통과하는 광의 위상을 천이시키게 된다. 좀 더 구체적으로 설명하면, 증가한 온도 변화량(ΔT)에 따라, 도파로 물질의 열광학계수(Coefficient of Thermal Expansion: CTE)에 비례하여 도파로, 즉 코아(Co.)의 굴절률이 변화게 된다. 통상적으로 주어진 온도 변화량(ΔT)에서, 열광학계수(CTE)에 의한 굴절률 변화량 Δn은 다음 식(1)에 의하여 표현될 수 있다.
Δn= CTE x ΔT..........................................식 (1)
코아(Co.)의 굴절률 변화는 광의 위상을 천이시키게 된다. 굴절률 변화에 따른 광의 위상 천이는 하기 식(2) 부분에서 설명한다. 한편, 온도 변화량이 시간에 따라서 변하지 않도록 벌크-실리콘 기판(1)의 온도는 열전냉각(Thermo-electric Cooling: TEC) 소자 또는 방열판을 이용하여 어느 정도 일정하게 유지될 수 있다.
도 10을 참조하면, PS(120b)는 PN 다이오드를 이용한 PS로서, 광이 통과하는 도파로에 수직 방향으로 전압을 인가하여 광신호의 위상을 천이시킬 수 있다. 예컨대, PS(120b)는 벌크-실리콘 기판(1) 상에 매몰 절연층(3), 에피층(5), 측면 클래드(122), 및 전극(128, 129)을 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이, 도파로(125)는 종방향(vertical) PN 다이오드 구조로 형성될 수 있다. 여기서 PN 다이오드는 상부층(124)이 P형이 되고 하부층(127)이 N형이 될 수 있으나, 그 반대로 형성되어도 무방하다. PN 다이오드에 역방향(reverse) 전압을 인가할 수 있도록 상부층(124) 상에 제1 전극(128)이 배치되고, 외곽의 하부층(127) 상부에 제2 전극(129)이 배치될 수 있다. 이러한 역방향 전압의 인가를 통해 통과되는 광신호의 위상이 변화, 즉 위상 천이가 발생하게 된다.
전압 인가를 통한 광신호의 위상 천이 원리를 간단히 설명하면, 전압 인가를 통해 도파로의 캐리어 농도가 변하게 되고, 캐리어 농도 변화는 도파로의 굴절률을 변화시킨다. 굴절률 변화(△n)와 위상 변화는 다음 식(2)와 같은 관계가 있다.
Lπ = λ/△n ...........................................식(2)
여기서, Lπ는 광이 도파로를 지나면서 위상이 π만큼 변화는 도파로의 길이를 의미하며, λ는 광신호를 파장을 의미한다. 식(2)에 따르면, 굴절률 변화(△n)가 커지면 Lπ는 작아지게 된다. 만약, 도파로의 길이가 일정하다고 하면, 굴절률 변화가 커질수록 도파로 전체에 걸친 위상의 변화는 커지게 된다.
도 9 및 도 10에서, PS(120a, 120b)가 메탈 히터 또는 PN 다이오드 구조를 이용하여 구현되고 있지만, PS의 구조가 그에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 본 실시예의 광 집적 회로(1000)에서, PS는 PIN 다이오드, MOS 트랜지스터, SISCAP 등의 구조를 통해 구현될 수도 있다. 더 나아가, 본 실시예의 광 집적 회로(1000)에서, PS는 벌크-실리콘 기판(1)을 기반으로 하여 전술한 구조들 이외의 다른 다양한 구조로 형성될 수도 있다.
본 실시예의 광 집적 회로(1000)에서, PS(120a, 120b)는 벌크-실리콘 기판(1)을 기반으로 형성될 수 있다. 그에 따라, PS(120a, 120b)는 저비용으로 소형으로 형성될 수 있다. 또한, PS(120a, 120b)는 벌크-실리콘 기판(1)의 높은 열 배출 효율에 기인하여 신뢰성이 향상될 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예의 광 집적 회로에서, 벌크-실리콘 기판 상에 형성된 안테나에 대한 개략적인 단면도이다.
도 11을 참조하면, 안테나(160a)는 벌크-실리콘 기판(1) 상에 형성된 안테나층(162)을 포함할 수 있다. 안테나층(162)의 상면 상에는 격자(G)가 형성될 수 있다. 이러한 안테나층(162)은 예컨대 에피층(도 7의 5)으로 형성될 수 있다. 한편, 안테나층(162)은 안테나층(162)의 전단에 배치된 도파로와 일체로 결합한 구조로 형성될 수 있다. 상기 도파로는 에피층의 코어를 클래드가 둘러싸는 구조로 형성되고, 코어는 안테나층(162)과 결합할 수 있다. 안테나층(162)을 통해 광신호가 진행하므로 안테나층(162)은 일종의 도파로에 해당할 수 있다. 따라서, 안테나(160a)는 도파로에 격자(G)가 형성된 구조를 포함할 수 있다.
광신호(Li)는 코어로부터 안테나층(162)으로 입사될 수 있다. 안테나층(162)에 격자(G)가 주기적으로 배열되어 형성되면, 격자(G)가 있는 위치에서 굴절률이 일정하지 않은 분포를 가지게 되므로 입사된 광신호(Li)는 방사파(Le)로 변경되어 소정 각도(θ)를 가지고 외부로 방사하게 된다. 한편, 안테나층(162)의 굴절률, 격자(G)의 피치(P)와 두께(D) 등을 조절하여 안테나층으로 들어오는 광신호의 모드를 선택할 수 있다. 예컨대, 입력된 광신호(Li) 중 가장 낮은 기본 모드만 안테나층(162)으로 진행하도록 할 수 있다.
한편, 안테나(160a)의 구조는 도 11의 구조에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 본 실시예의 광 집적 회로(1000)에서, 안테나는 경사진 브라그 격자(tilted Bragg grating) 또는 장주기 격자(long period grating)가 형성된 코어와 그 코어를 둘러싸고 적어도 1개의 V-홈이 형성된 클래드 구조를 통해 구현될 수도 있다. 더 나아가, 본 실시예의 광 집적 회로(1000)에서, 안테나는 벌크-실리콘 기판(1)을 기반으로 하여 전술한 구조들 이외의 다른 다양한 구조로 형성될 수 있다.
본 실시예의 광 집적 회로(1000)에서, 안테나(160a)는 벌크-실리콘 기판(1)을 기반으로 형성될 수 있다. 그에 따라, 안테나(160a)는 저비용으로 소형으로 형성될 수 있다. 또한, 안테나(160a)는 벌크-실리콘 기판(1) 상에 균일한 간격과 균일한 사이즈를 갖는 단위 안테나들이 어레이 구조로 배치되어 형성될 수 있다. 그에 따라, 안테나(160a)는 출력되는 광신호의 방사 방향을 균일하게 제어할 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 조향용 OPA를 구비한 LiDAR 시스템에 대한 구성도이다.
도 12를 참조하면, 본 실시예의 LiDAR 시스템(2000)은 광 조향용 OPA(100), LD(200), 수신기(300), 및 제어부(500)를 포함할 수 있다.
광 조향용 OPA(100)는 도 1의 설명 부분에서 설명한 바와 같다. 다만, 도 12에서 광신호가 출력되는 안테나(160)를 다른 구성요소들과 분리하여 도시하고 있다. 그에 따라, OPA(100')는 광 조향용 OPA(100)에서 안테나(160)를 제외한 나머지 구성요소들, 예컨대, 스플리터(110), 제1 PS(120), 제2 PS(130), 입력 SOA(170) 및 출력 SOA(180)을 포함할 수 있다.
수신기(300)는 도 6의 설명 부분에서 설명한 바와 같이, 벌크-실리콘 기판(1)을 기반으로 포토다이오드로 형성될 수 있다. 본 실시예의 LiDAR 시스템(2000)에서, 수신기(300)는 다수의 포토다이오드들이 어레이 구조로 배치되어 형성될 수 있다. 수신기(300)의 어레이 구조의 강조를 위해, 도 12에서, 수신기(300)에 'Rx array'를 병기하고 있다. 한편, 안테나(160) 역시 벌크-실리콘 기판(1)을 기반으로 형성되고 또한 다수의 단위 안테나들이 어레이 구조로 배치되어 형성될 수 있다. 따라서, 도 12에서, 안테나(160)에 "Tx Antenna Array"를 병기하고 있다.
제어부(500)는 LD 제어부(520), 수직방향 제어부(530), 수평방향 제어부(540) 및 주(main) 제어부(510)를 포함할 수 있다. LD 제어부(520)는 LD(200)의 광 출력을 제어한다. 예컨대, LD 제어부(520)는 LD(200)로의 전원 공급 제어, LD(200)의 온/오프 제어, LD(200)의 펄스파(PW)나 연속파(CW) 발생 제어 등을 수행할 수 있다.
수직방향 제어부(530)는 LD(200)의 출력 광의 파장 또는 주파수를 조절하여 안테나(160)로부터 출력되는 광신호의 수직방향 각도를 제어할 수 있다. 수평방향 제어부(540)는 광 조향용 OPA(100')를 조절하여 안테나(160)로부터 출력되는 광신호의 수직방향 각도를 제어할 수 있다. 여기서, 광 조향용 OPA(100')를 조절한다는 것은 광 조향용 OPA(100')의 제1 PS(120) 또는 제2 PS(130)으로 인가되는 물리량, 예컨대 전류량을 조절하여 광신호의 위상을 조절하는 것을 의미할 수 있다. 광신호의 위상 천이는 안테나(160)로부터 광신호의 출력 방향, 예컨대 광신호의 수평방향의 각도를 변경시킬 수 있다.
주 제어부(510)는 LD 제어부(520), 수직방향 제어부(530), 수평방향 제어부(540), 및 수신기(300)를 전반적으로 제어할 수 있다. 또한, 주 제어부(510)는 수신기(300)로부터 반사된 광신호에 대한 정보를 입력받아 대상 물체에 대한 거리를 계산할 수 있다. 예컨대, 주 제어부(510)는 TOF(Time of Flight) 기술을 이용하여 대상 물체에 대한 거리를 계산할 수 있다.
TOF 기술은 근적외선, 초음파, 레이저 등의 신호를 이용하여 대상 물체에 대한 거리를 측정하는 기술이다. 구체적으로, TOF 기술은 신호가 발사되어 대상 물체에 부딪혀 되돌아오는 시간(비행 시간)을 측정하여 거리를 계산하게 된다. TOF 기술은 송신부에서 신호를 발사하고 수신부에서 대상 물체에서 반사된 신호를 수신하여 신호의 비행시간을 측정하므로, 송신부와 수신부는 한 장치에서 약간 떨어져 배치될 수 있다. 또한, 송신부로부터의 신호가 수신부에 영향을 미칠 수 있으므로 송신부와 수신부 사이에 차단막이 설치될 수도 있다.
송신부에서는 특정 주파수(f)로 변조된 광신호를 보내고, 수신부에서는 물체에 반사되어 되돌아오는 광신호를 감지한다. 광신호가 물체까지 왕복하는 시간에 의한 위상 변화를 감지하여 식(3)과 같이 물체 사이의 거리를 계산할 수 있다.
D = c/(2f)*(n+θ/(2π)).................................식(3)
여기서, D는 측정 거리, c는 빛의 속도, f는 광신호 주파수, n은 위상 주기가 반복되면서 생기는 상수, 그리고 θ는 수신된 광신호의 위상을 의미할 수 있다.
그런데 D의 최대 거리가 결정되어 있을 때 n은 0으로 가정되고, 그러한 경우, 측정 거리는 다음 식(4)로 나타낼 수 있다.
D = cθ/(4πf)..........................................식(4)
본 실시예의 LiDAR 시스템(2000)에서, 광 조향용 OPA(100), LD(200) 및 수신기(300)는 벌크-실리콘 기판(1)에 함께 집적되어 구현될 수 있다. 도 12에서, 광 조향용 OPA(100), LD(200) 및 수신기(300)가 벌크-실리콘 기판(1)에 집적됨을 표시하기 위하여 점선으로 함께 둘러싸여 표시하고 있다. 이와 같이 벌크-실리콘 기판(1)에 광 조향용 OPA(100), LD(200) 및 수신기(300)가 함께 집적된 구조는 도 6의 광 집적 회로(1000)에 대응할 수 있다.
제어부(500)의 경우, LD 제어부(520), 수직방향 제어부(530), 수평방향 제어부(540), 및 주 제어부(510) 각각이 하나의 칩으로 형성되거나, 또는, 모두가 하나의 칩에 함께 집적된 구조로 형성될 수 있다. 그에 따라, 제어부(500)를 표시하는 점선은 각각의 요소 제어부들(510, 520, 530, 540)이 함께 집적된다는 의미가 아니고, 단지 요소 제어부들(510, 520, 530, 540)이 제어부(500)의 구성요소로서 속함을 의미할 수 있다. 한편, 경우에 따라, 제어부(500)는 광 집적 회로(1000)의 벌크-실리콘 기판(1)에 함께 집적될 수 있다.
도 13a 및 도 13b는 도 12의 LiDAR 시스템에 대한 사시도들이다.
도 13a를 참조하면, 본 실시예의 LiDAR 시스템(2000)은 광 집적 회로(1000)와 제어부(500)를 포함할 수 있다. 광 집적 회로(1000)는 벌크-실리콘 기판(1)에 광 조향용 OPA(100), LD(200) 및 수신기(300)가 함께 집적된 구조를 가질 수 있다. 예컨대, 광 집적 회로(1000)는 도 6의 광 집적 회로(1000)에 해당할 수 있다.
도 13a에 도시된 바와 같이, 제어부(500)는 하나의 칩으로 구현될 수 있다. 예컨대, 제어부(500)를 구성하는 LD 제어부(520), 수직방향 제어부(530), 수평방향 제어부(540), 및 주 제어부(510)가 하나의 칩에 함께 집적될 수 있다. 또한, 제어부(500)는 접착제 등을 통해 광 집적 회로(1000) 상에 부착되고, 와이어 본딩을 통해 광 집적 회로(1000)에 전기적으로 연결될 수 있다. 와이어 본딩을 위해 제어부(500)에는 복수 개의 제1 패드(501)가 형성되고 광 집적 회로(1000)에는 복수 개의 제2 패드(1001)가 형성될 수 있다. 제1 패드(501)는 대응하는 제2 패드(1001)에 와이어(550)를 통해 연결될 수 있다.
한편, 도시하지는 않았지만, 광 집적 회로(1000)와 제어부(500)를 외부의 물리적 화학적 손상으로부터 보호하기 위하여, 본 실시예의 LiDAR 시스템(2000)은 광 집적 회로(1000)와 제어부(500)를 밀봉재로 밀봉한 패키지 구조를 가질 수 있다.
도 13b를 참조하면, 본 실시예의 LiDAR 시스템(2000a) 역시 광 집적 회로(1000)와 제어부(500)를 포함한다는 점에서, 도 13a의 LiDAR 시스템(2000)과 유사할 수 있다. 그러나 본 실시예의 LiDAR 시스템(2000a)에서, 광 집적 회로(1000)와 제어부(500)는 벌크-실리콘 기판(10)에 함께 집적될 수 있다. 그에 따라, 본 실시예의 LiDAR 시스템(2000a)은 LiDAR 시스템의 사이즈 축소 및 신뢰성 향상에 기여할 수 있다. 본 실시예의 LiDAR 시스템(2000a) 역시 패키지 구조로 구현될 수 있음은 물론이다.
지금까지, 본 발명을 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
1: 벌크-실리콘 기판, 3: 매몰 절연층, 5: 에피층, 100, 100a ~ 100d: 광 조향용 OPA, 110: 스플리터, 110a: MMI 스플리터, 110b, 110b': Y-branch 스플리터, 120, 120a, 120b: 제1 PS, 130: 제2 PS, 140: 공통 입력 패드, 150: 패드, 160: 안테나, 170, 180: SOA, 200: LD, 300: 수신기 어레이, 500: 제어부1000: 광 집적 회로, 2000: LiDAR 시스템

Claims (20)

  1. 각각 입력된 광신호를 1:1로 분할하여 출력하고, 포화 이진 트리(full binary tree) 구조로 M(M은 1 이상의 정수) 번 분기하도록 배치된 스플리터들(splitter);
    상기 스플리터들 각각의 2개의 출력단 중 어느 하나인 제1 출력단에 배치되고, 분기 위치에 따라 다른 개수로 배치된 제1 위상 쉬프터(Phase Shifter: PS); 및
    최종 분기를 수행하는 M 번째의 상기 스플리터들 각각의 2개의 출력단에 연결되고, N(N = 2M) 개의 채널들에 대응하는 안테나들;을 포함하는 광 조향용 OPA(Optical Phased Array).
  2. 제1 항에 있어서,
    i(1≤ i ≤ M, i은 정수) 번째의 상기 분기 위치의 상기 스플리터들 각각의 제1 출력단에 2M-i 개의 상기 제1 PS가 배치되고,
    상기 i 번째의 상기 분기 위치에 상기 제1 PS가 복수 개 배치되는 경우, 상기 제1 PS들은 서로 직렬로 연결된 것을 특징으로 하는 광 조향용 OPA.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 M 번째의 상기 스플리터들의 출력단 모두에 배치된 N 개, 또는 하나의 출력단을 제외하고 배치된 N-1 개의 제2 PS를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 조향용 OPA.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 제1 PS와 상기 제2 PS의 전체 개수는 N/2*log2N + N 개 또는 N/2*log2N + (N-1) 개인 것을 특징으로 하는 광 조향용 OPA.
  5. 제2 항에 있어서,
    상기 제1 PS는 광신호의 위상을 천이시켜 상기 안테나들부터 출력된 광신호들이 서로 다른 위상을 가지도록 하고,
    상기 제2 PS는 상기 채널들 각각의 광신호의 산포를 보정하는 것을 특징으로 하는 광 조향용 OPA.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 PS는, 상기 제1 PS의 도파로에 열, 광, 전류, 전압, 및 압력 중 어느 하나를 인가하여 상기 제1 PS를 통과하는 광신호의 위상을 천이시키는 것을 특징으로 하는 광 조향용 OPA.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 PS는 도파로 주변에 배치되는 메탈 히터(metal heater), 상기 도파로에 수평 방향으로 전류를 주입하는 PIN PS, 상기 도파로에 수평 방향으로 전압을 인가하는 PN PS, 및 상기 도파로에 수직 방향으로 전압을 인가하는 SISCAP(Silicon-Insulator-Silicon Capacitive) PS 중 어느 하나로 형성된 것을 특징으로 하는 광 조향용 OPA.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 스플리터는 MMI(Multi-Mode Interference) 스플리터, Y-branch 스플리터, 및 DC(Directional Coupler) 중 어느 하나로 형성된 것을 특징으로 광 조향용 OPA.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 안테나들은 도파로에 격자가 형성된 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 조향용 OPA.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 M 번째의 상기 스플리터들의 출력단에 배치된 제2 PS를 더 포함하고,
    상기 제1 PS는 조향 신호(steering signal)를 통해 제어되고,
    상기 제2 PS는 트리밍 신호(trimming signal)를 통해 제어되는 것을 특징으로 하는 광 조향용 OPA.
  11. 제1 항에 있어서,
    레이저 다이오드(Laser Diode: LD)로부터의 광신호를 증폭시켜 첫 번째 상기 스플리터로 입력시키는 입력 반도체 광증폭기(Semiconductor Optical Amplifier: SOA); 및
    상기 M 번째 상기 스플리터들로부터의 광신호들을 증폭하여 상기 안테나들로 입력시키는 출력 SOA들;을 더 포함하는 광 조향용 OPA.
  12. 입력된 광신호를 균등하게 분할하여 출력하고, M(M은 1 이상의 정수) 번 캐스캐이딩(cascading) 하는 구조로 배치되며, i(1≤ i ≤ M, i은 정수) 번째의 분기 위치에 2i-1 개가 배치된 1x2 스플리터;
    상기 1x2 스플리터의 2개의 출력단 중 어느 하나인 제1 출력단에 배치되고, 상기 i 번째의 분기 위치의 상기 제1 출력단에 2M-i 개가 배치된 제1 PS;
    상기 M 번째의 분기 위치의 상기 1x2 스플리터의 출력단에 연결된 N(N = 2M) 개의 안테나들; 및
    상기 안테나들 전단에 모두 배치되거나 또는 하나의 안테나를 제외하고 배치된 N 또는 N-1 개의 제2 PS;를 포함하는 광 조향용 OPA.
  13. 파장 가변(tunable) 레이저 다이오드(LD);
    상기 LD로부터의 광신호를 M(M은 1 이상의 정수) 번 분기를 통해 N(N = 2M) 개의 채널들로 균등 분할하되, 상기 채널들에 대응하는 안테나들을 통해 요구된 방향으로 광신호가 출력되도록 하는 광 조향용 OPA; 및
    상기 광신호가 주변 사물에서 반사된 광신호를 수신하는 수신기;를 포함하고,
    상기 LD, OPA, 및 수신기는 벌크-실리콘(Bulk-Si) 기판에 집적된 광 집적 회로.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 OPA는,
    각각 입력된 광신호를 균등 분할하고, 상기 M 번 분기하도록 배치된 1x2 스플리터들;
    상기 1x2 스플리터들 각각의 2개의 출력단 중 어느 하나인 제1 출력단에 배치되고, 분기 위치에 따라 다른 개수로 배치된 제1 PS;
    M 번째의 분기 위치의 상기 1x2 스플리터들의 출력단에 연결된 상기 안테나들; 및
    상기 안테나들 전단에 배치된 제2 PS;를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 집적 회로.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 1x2 스플리터는 i(1≤ i ≤ M, i은 정수) 번째의 분기 위치에 2i-1 개가 배치되어, 모두 2M-1 개가 배치되고,
    상기 제1 PS는 상기 i 번째의 분기 위치의 상기 제1 출력단에 2M-i 개가 배치되어, 모두 N/2*log2N 개 배치되며,
    상기 제2 PS는 상기 안테나들 전단에 모두 배치되거나, 또는 하나의 안테나를 제외하고 배치되어 N 개 또는 N-1 개 배치되는 것을 특징으로 하는 광 집적 회로.
  16. 파장 가변 LD;
    상기 LD로부터의 광신호를 M(M은 1 이상의 정수) 번 분기를 통해 N(N = 2M) 개의 채널들로 균등 분할하되, 상기 채널들에 대응하는 안테나들을 통해 요구된 방향으로 광신호가 출력되도록 하는 광 조향용 OPA;
    상기 광신호가 주변 사물에서 반사된 광신호를 수신하는 수신기; 및
    상기 LD, OPA 및 수신기를 제어하는 제어부;를 포함하는 LiDAR(Light Detection And Ranging) 시스템.
  17. 제16 항에 있어서,
    상기 OPA는,
    각각 입력된 광신호를 균등 분할하고, 상기 M 번 분기하도록 배치된 1x2 스플리터들;
    상기 1x2 스플리터들 각각의 2개의 출력단 중 어느 하나인 제1 출력단에 배치되고, 분기 위치에 따라 다른 개수로 배치된 제1 PS;
    M 번째의 상기 분기 위치의 상기 1x2 스플리터들의 출력단에 연결된 상기 안테나들; 및
    상기 안테나들 전단에 배치된 제2 PS;를 포함하는 것을 특징으로 하는 LiDAR 시스템.
  18. 제17 항에 있어서,
    상기 제1 PS는 i 번째의 상기 분기 위치의 상기 제1 출력단에 2M-i 개 배치되고,
    상기 제1 PS와 제2 PS의 전체 개수는 N/2*log2N + N 개 또는 N/2*log2N + (N-1) 개인 것을 특징으로 하는 LiDAR 시스템.
  19. 제16 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 LD의 광 출력을 제어하는 LD 제어부;
    상기 LD의 파장을 조절하여 상기 광신호의 수직방향을 제어하는 수직방향 제어부;
    상기 OPA를 조절하여 상기 광신호의 수평방향을 제어하는 수평방향 제어부; 및
    상기 LD 제어부, 수직방향 제어부, 수평방향 제어부, 및 수신기를 제어하는 주(main) 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 LiDAR 시스템.
  20. 제16 항에 있어서,
    상기 LD, OPA, 및 수신기는 벌크-실리콘 기판에 집적되어 광 집적 회로를 구성하고,
    상기 제어부는 상기 벌크-실리콘 기판에 함께 집적되거나 별도의 칩으로 제작되어 상기 광 집적 회로와 결합한 것을 특징으로 하는 LiDAR 시스템.
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