KR20190003111A - 빔 스티어링 소자 및 이를 포함하는 전자 장치 - Google Patents

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Abstract

빔 스티어링 소자는 입력된 광을 복수개의 경로로 분기하여 비주기적으로 배열된 복수의 출력단으로 출력하는 광도파로; 상기 복수개의 경로에 배치되며, 적어도 2이상이 서로 다른 위상 지연 길이를 가지는 복수의 위상 지연자들; 및 상기 복수의 위상 지연자들에 같은 신호를 인가하는 신호 입력부;를 포함한다.

Description

빔 스티어링 소자 및 이를 포함하는 전자 장치{Beam steering device and electronic apparatus including the same}
본 개시는 입사광의 위상을 위치에 따라 다르게 변조하여 출사광의 방향을 조절하는 빔 스티어링 소자 및 이를 포함하는 전자장치에 대한 것이다.
입사광의 투과/반사, 편광, 위상, 세기, 경로 등을 변경하는 광학 소자는 다양한 광학 장치에서 활용된다. 광학 시스템 내에서 원하는 방식으로 상기한 성질을 제어하기 위해 다양한 방식의 광 변조기들이 제시되고 있다.
출사광의 방향을 조절하기 위해, 입사광의 위상을 위치에 따라 다르게 변조하는 방식이 사용되고 있으며, 이러한 위상 배열을 광학 위상 어레이(optical phased array, OPA)라고 한다. OPA가 특정 방향으로 광을 출사시키는 것은 상기 특정 방향에서 보강 간섭이 일어나기 때문이다. 하지만, OPA에 구비된 출광 배열 간의 간격에 의해 의도하지 않은 방향으로 광의 출사되는 왜곡이 일어날 수 있다.
출광 방향 조절이 용이하며, 정확도가 높은 빔 스티어링 소자를 제공한다.
빔 스티어링 소자를 채용한 전자 장치를 제공한다.
일 유형에 따르면, 입력된 광을 복수개의 경로로 분기하여 비주기적으로 배열된 복수의 출력단으로 출력하는 광도파로; 상기 복수개의 경로에 배치되며, 적어도 2이상이 서로 다른 위상 지연 길이를 가지는 복수의 위상 지연자들; 및 상기 복수의 위상 지연자들에 같은 신호를 인가하는 신호 입력부;를 포함하는, 빔 스티어링 소자가 제공된다.
상기 복수의 위상 지연자들 각각의 위상 지연 길이는, 상기 복수의 출력단 중 어느 하나를 향하는 경로상에 놓인 위상 지연자들에 의한 위상 지연 길이의 총합이 상기 복수의 출력단의 비주기적 배열 및 출력광의 스티어링 각도에 따른 위상 조건을 만족하도록 정해질 수 있다.
상기 광도파로는, 입력된 광을 포화 이진 트리(full binary tree) 구조로 M(M은 1 이상의 정수)번 분기하는 형태의 광경로를 제공하며, 2M-1개의 분기점을 가지며, 2M 개의 상기 출력단을 가질 수 있다.
상기 빔 스티어링 소자는 상기 복수의 분기점들에 각각 배치되어, 입력된 광을 두 갈래로 분기하는 복수의 스플리터(splitter);를 더 포함할 수 있다.
상기 복수의 스플리터 각각에 의해 형성되는 두 갈래의 분기 중 어느 하나에만, 상기 위상 지연자가 배치될 수 있다.
상기 복수의 출력단 중 i(i는 1에서 2M까지의 정수)번째 출력단을 향하는 경로 상에 놓인 위상 지연자들에 의한 위상 지연 길이의 총합(Li)은, 첫번째 출력단(OP1)을 향하는 경로 상에 놓인 위상 지연자들에 의한 위상 지연 길이의 총합(L1)을 0, 첫번째 출력단의 위치(d1)를 0, i번째 출력단(OPi)의 위치를 di라고 할 때, 다음 조건을 만족할 수 있다.
Figure pat00001
여기서, λ는 입사광의 파장, θ는 스티어링 각도, c는 0이 아닌 실수이다.
상기 복수의 출력단 중, 짝수번째 출력단(OP2k, k는 1에서 2M-1까지의 정수)을 향하는, M번째 분기의 광경로에 놓인 위상 지연자의 위상 지연 길이는 L2k-L2k -1일 수 있다.
첫번째 분기점에 놓인 스플리터에 의한 두 분기 중 어느 하나에 놓인 위상 지연자의 위상 지연 길이는 Ln(n=2M-1+1)일 수 있다.
상기 위상 지연자는 입력 신호에 따라 상기 광도파로의 소정 영역의 굴절률을 변화시켜 상기 소정 영역을 지나는 광의 위상을 지연시킬 수 있다.
상기 위상 지연자는 전기적으로 히팅되어 상기 소정 영역을 가열하는 히터(heater)를 포함할 수 있다.
상기 히터의 상기 광경로 방향으로의 길이는 상기 위상 지연자의 위상 지연 길이에 비례할 수 있다.
상기 위상 지연자는 상기 소정 영역의 캐리어 농도를 변화시키기 위해 상기 소정 영역의 양단에 전압을 인가하는 두 전극을 포함할 수 있다.
상기 두 전극 중 어느 한 전극의 상기 광경로 방향으로의 길이는 상기 위상 지연자의 위상 지연 길이에 비례할 수 있다.
상기 빔 스티어링 소자는 상기 광도파로의 입력단에 배치되어 입력된 광신호를 증폭하는 제1 광증폭기; 및 상기 복수의 출력단 각각과 M번째 분기를 수행하는 스플리터들 사이에 마련되어, 광신호를 증폭하여 상기 복수의 출력단 각각으로 전달하는 제2 광증폭기;를 더 포함할 수 있다.
상기 빔 스티어링 소자는 상기 광도파로를 향해 광을 출사하는 광원;을 더 포함할 수 있다.
상기 광원, 상기 광도파로, 상기 복수의 위상 지연자들은 하나의 실리콘 기판에 집적되게 형성되는, 빔 스티어링 소자.
일 유형에 따르면, 광원; 상기 광원으로부터의 광을 소정 각도로 스티어링하여 출력하는 것으로, 입력된 광을 복수개의 경로로 분기하여 비주기적으로 배열된 복수의 출력단으로 출력하는 광도파로와, 상기 복수개의 경로에 배치되며, 적어도 2이상이 서로 다른 위상 지연 길이를 가지는 복수의 위상 지연자들과, 상기 복수의 위상 지연자들에 같은 신호를 인가하는 신호 입력부를 포함하는, 빔 스티어링 소자; 상기 빔 스티어링 소자에서 출력되고 대상체에서 반사된 광을 수신하는 수신기; 및 상기 광원, 상기 빔스티어링 소자 및 상기 수신기를 제어하는 제어부;를 포함하는, 라이다(LiDAR) 장치가 제공된다.
상기 빔 스티어링 소자는 입력된 광을 포화 이진 트리(full binary tree) 구조로 M(M은 1 이상의 정수)번 분기하는 형태의 광경로를 제공하며, 2M-1개의 분기점을 가지며, 2M 개의 상기 출력단을 가지는 광도파로; 상기 복수의 분기점에 각각 배치되어 입력된 광을 두 갈래로 분기하는 스플리터들;를 포함할 수 있다.
상기 복수의 출력단 중 i(i는 1에서 2M까지의 정수)번째 출력단을 향하는 경로 상에 놓인 위상 지연자들에 의한 위상 지연 길이의 총합(Li)은, 첫번째 출력단(OP1)을 향하는 경로 상에 놓인 위상 지연자들에 의한 위상 지연 길이의 총합(L1)을 0, 첫번째 출력단의 위치(d1)를 0, i번째 출력단(OPi)의 위치를 di라고 할 때, 다음 조건을 만족할 수 있다.
Figure pat00002
여기서, λ는 입사광의 파장, θ는 스티어링 각도, c는 0이 아닌 실수이다.
상기 광원, 상기 빔 스티어링 소자, 상기 수신기는 하나의 실리콘 기판에 집적되게 형성될 수 있다.
상술한 빔 스티어링 소자는 출력단이 비주기적으로 배열되어 있어 스티어링 각도에 노이즈가 적고 정확성이 향상될 수 있다.
상술한 빔 스티어링 소자는 복수의 위상 지연자들에 같은 신호를 인가하며 원하는 스티어링 각도를 구현할 수 있어 구동이 용이하다.
상술한 빔 스티어링 소자는 다양한 광학 장치, 전자 장치에 채용될 수 있고, 예를 들어, 라이다 장치에 채용되어 피사체에 대한 정보를 획득할 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 빔 스티어링 소자의 개략적인 구성을 보이는 개념도이다.
도 2는 실시예에 따른 빔 스티어링 소자에서 출력단들의 위치 별로 해당 출력단을 향하는 경로에서의 위상 지연 길이를 나타낸 그래프이다.
도 3은 다른 실시예에 따른 빔 스티어링 소자의 개략적인 구성을 보이는 평면도이다.
도 4는 도 3의 평면도에서 A-A' 단면을 상세히 보인 단면도이다.
도 5는 도 3의 변형예에 따른 빔 스티어링 소자에 대한 A-A' 단면도이다.
도 6a 내지 도 6c는 도 3의 빔 스티어링 소자에 채용될 수 있는 스플리터의 예시적인 형상들을 보이는 평면도이다.
도 7은 또 다른 실시예에 따른 빔 스티어링 소자의 개략적인 구성을 보이는 평면도이다.
도 8은 또 다른 실시예에 따른 빔 스티어링 소자의 개략적인 구성을 보이는 평면도이다.
도 9는 또 다른 실시예에 따른 빔 스티어링 소자(104)의 구성요소들이 집적된 형태를 예시적으로 보이는 사시도이다.
도 10은 실시예에 따른 라이다 장치의 개략적인 구성을 보이는 블록도이다.
도 11은 도 10의 라이다 장치의 구성요소들이 집적된 형태를 예시적으로 보이는 사시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 한편, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다.
이하에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다.
제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서에 기재된 “...부”, “모듈” 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 빔 스티어링 소자(100)의 개략적인 구성을 보이는 개념도이다.
빔 스티어링 소자(100)는 입사광(Li)을 복수개의 경로로 분기하여 복수의 출력단(OP1, OP2, ..., OPN)으로 출력한다. 빔 스티어링 소자(100)가 원하는 출사각(θ)을 구현할 수 있도록 출력단(OP1, OP2, ... OPN) 각각의 위상과 배열 위치가 정해지며, 이러한 점에서 출력단(OP1, OP2, ... OPN) 배열은 광학 위상 어레이(optical phased array, OPA)라고도 지칭할 것이다.
출사각(θ)을 구현할 수 있도록, 빔 스티어링 소자(100)는 입사광(Li)을 복수개의 경로로 분기하여 복수의 출력단(OP1, OP2, ... OPN)으로 출력하는 광도파로(120), 복수개의 경로에 배치되는 복수의 위상 지연자들(PS1, PS2, ..., PSN) 및 복수의 위상 지연자들(PS1, PS2, ..., PSN)에 신호를 인가하는 신호 입력부(180)를 포함한다.
광도파로(120)는 입사광(Li)이 N개의 출력단(OP1, OP2, ..., OPN)을 향하게 하는 광경로(P1, P2, ..., PN)를 제공한다. 도시된 광경로(P1, P2, ..., PN)는 개념적인 것이며, 예시적인 세부 구성은 다른 실시예에서 설명할 것이다.
실시예에 따른 빔 스티어링 소자(100)는 출력단(OP1, OP2, ..., OPN)의 배치가 비주기적이다. 즉, 출력단(OP1, OP2, ..., OPN)간의 간격은 일정하지 않으며, 출력단(OP1, OP2, ..., OPN)의 위치를 d1, d2, ..., dN으로 표시할 때, 이 값들은 규칙이 없고 랜덤하다.
출력단(OP1, OP2, ..., OPN)의 배치를 비주기적으로 한 것은 각 출력단(OP1, OP2, ..., OPN)에서 출사되는 광의 고차항의 회절광을 줄이기 위한 것이다. 0차 회절광은 의도한 방향으로의 출사광, 즉, 출사각(θ)를 구현하는 광이며, 1차 이상의 고차항은 다른 각도로의 출사광이다. 이러한 광은 사이드 로브(side lobe)라고도 하며, 출광 방향 조절에 있어 노이즈 성분이 된다. 출력단(OP1, OP2, ..., OPN)의 비주기 특성을 크게 할수록 고차항의 회절광을 무시할 수 있는 수준으로 줄일 수 있음이 알려져 있다.
이와 같이 비주기적으로 배열된 출력단(OP1, OP2, ..., OPN)에서 출사되는 광의 위상 조합으로 소정 출사각(θ)를 구현할 수 있도록, 각 출력단(OP1, OP2, ..., OPN)을 향하는 광경로(P1, P2, ..., PN)에는 위상 지연자(phase shifter)(PS1, PS2, ..., PSN)들이 배치되어 있다. 각 경로에 놓인 위상 지연자(PS1, PS2, ..., PSN)는 해당 경로가 향하는 출력단(OP1, OP2, ..., OPN)에 따라 정해진 위상 지연 길이를 달성하도록 정해진다. 도면에서는 각 경로에 하나의 위상 지연자가 구비된 것으로 도시되어 있으나, 이는 도시의 편의에 의한 것이며, 요구되는 위상 지연을 구현할 수 있도록 하나 이상의 위상 지연자가 배치될 수 있다.
출력단(OP1, OP2, ..., OPN)에서 구현할 위상을 각각 Ф1, Ф1, ...,ФN 으로 나타낼 수 있고, 이는 위상 지연자(PS1, PS2, ..., PSN)에 의한 위상 지연 길이(L1, L2, ..., LN)와 관련된다. 예를 들어, 위상과 위상 지연 길이는 다음의 관계를 가질 수 있다
.
Figure pat00003
(1)
여기서, c는 0이 아닌 실수이다.
위상 지연 길이를 조절하여 원하는 위상을 구현하는 방식은 신호 입력부(180)에서 복수의 위상 지연자(PS1, PS2, ..., PSN)에 같은 신호를 인가할 수 있도록 제안된다. 서로 다른 복수의 위상 지연자(PS1, PS2, ..., PSN)에 같은 신호가 인가되어도, 각각에 설계된 위상 지연 길이에 따라 서로 다른 위상 지연이 일어난다. 위상 지연 길이(L1, L2, ..., LN)는 위상 지연자(PS1, PS2, ..., PSN)의 광경로 방향으로의 길이와 같거나, 이에 비례할 수 있다.
비주기적 배열(d1, d2, ..., dN)로 배치된 출력단(OP1, OP2, ..., OPN)들에서 출력되는 광의 위상은 출력광의 스티어링 각도(θ)에 따른 위상 조건을 만족하도록 Ф1, Ф1, ...,ФN 으로 설정될 수 있고, 이를 구현하기 위해, 광경로(Pi)에 놓인 하나 이상의 위상 지연자(PSi)에 위한 위상 지연 길이의 총합은 Li가 된다.
도 2는 실시예에 따른 빔 스티어링 소자(100)에서 출력단(OP1, OP2, ..., OPN)들의 위치(d1, d2, ..., dN) 별로 해당 출력단(OP1, OP2, ..., OPN)을 향하는 경로에서의 위상 지연 길이(L1, L2, ..., LN)를 나타낸 그래프이다.
입사광의 파장(λ)에 따라, 스티어링 각도(θ)는 다음과 같이 정해진다.
Figure pat00004
(2)
그래프는 첫번째 출력단의 위치(d1)와 위상 지연 길이(L1)를 0으로 가정하였고, 출력단의 위치별 위상 지연 길이를 나타낸 그래프의 기울기(Li/di)는 (2π/cλ)sinθ가 된다.
도 3은 다른 실시예에 따른 빔 스티어링 소자(101)의 개략적인 구성을 보이는 평면도이다.
빔 스티어링 소자(101)는 입력된 광(Li)을 포화 이진 트리(full binary tree) 구조로 M(M은 1 이상의 정수)번 분기하는 형태의 광경로를 제공하는 광도파로(121)를 포함한다. 광도파로(121)는 2M-1개의 분기점을 가지며, 2M 개의 출력단을 가진다. 실시예의 빔 스티어링 소자(101)의 광도파로(121)는 M이 3인 경우로서, 8개의 출력단(OP1, OP2, ..., OP8)과 7개의 분기점을 가지고 있다. 도면에서, 광도파로(121)의 표시는 광이 진행하게 되는 광경로만을 실선으로 표시하고 있으며, 이의 예시적인 세부 구조는 도 4에서 후술할 것이다.
상기 분기점들에는 입력된 광을 두 갈래로 분기하는 복수의 스플리터(splitter)들이 마련될 수 있다. 스플리터(splitter)들은 입력광을 두 갈래로 1:1로 분기할 수 있으며, 다만, 이에 한정되는 것은 아니다. 분기점들에 놓인 스플리터는 130_m_i로 표시되고 있으며, 스플리터(130_m_i)는 m번째 분기 위치에서, 아래로부터 i번째에 놓인 스플리터를 의미한다. m은 1에서 3까지의 정수이고, i는 1에서 2m-1까지의 정수이다.
위상 지연자(140_m_i)(m은 1에서 3까지의 정수이고, i는 1에서 2m-1까지의 정수)는 m번 분기한 갈래에서 아래로부터 i번째 놓인 위상 지연자를 의미한다. 위상 지연자(140_m_i)는 포화 이진 트리 형태의 광도파로(121) 구조에서, 복수의 스플리터(130_m_i) 각각에 의해 형성되는 두 갈래의 분기 중 어느 하나에만 배치될 수 있다. 다만, 이는 각 위상 지연자의 위상 지연 길이를 설정하는 편의에 의한 것이며, 이에 한정되는 것은 아니다.
각 위상 지연자(140_m_i) 아래의 표시는 해당 위상 지연자(140_m_i)에 설정된 위상 지연 길이이다. i번째 출력단(OPi)을 향하는 경로 상에 놓인 위상 지연자들에 의한 위상 지연 길이의 총합은 Li가 되도록 각 위상 지연자(140_m_i)들의 위상 지연 길이가 설정된다.
예를 들어, 출력단(OP1)의 위치 d1은 0으로 설정되고, 출력단(OP1)을 향하는 경로에서의 위상 지연 길이 L1은 0으로 설정될 때, 출력단(OP2)를 향하는 경로 상에 놓인 위상 지연자(140_3_1)의 위상 지연 길이 총합은 L2이며, 출력단(OP6)을 향하는 경로상에 놓인 위상 지연자(140_1, 140_2_1)들의 위상 지연 길이 총합은 L6이다. 출력단(OP8)을 향하는 경로상에 놓인 위상 지연자(140_1, 140_2_1, 140_3_1)들의 위상 지연 길이 총합은 L8이다.
Li는 전술한 식(2)에 따라 정해진다.
각 출력단(OP1, OP2, ..., OP8)을 향하는 광경로 상의 위상 지연 길이 총합(L1, L2, ..., LN)을 설정하기 위해, 각 경로상에 놓인 위상 지연자(140_m_i)들 각각의 위상 지연 길이를 설정하는 방법을 살펴보기로 한다.
먼저, 짝수번째 출력단(OP2k, k는 1에서 2M-1까지의 정수)을 향하는, 마지막 분기인 M번째 분기의 광경로에 놓인 위상 지연자(140_3_k)의 위상 지연 길이는 L2k-L2k-1로 설정할 수 있다. 즉, 출력단(OP2)을 향하는 마지막 분기인 세번째 분기의 광경로에 놓인 위상 지연자(140_3_1)의 위상 지연 길이는 L2-L1=L2, 출력단(OP4)을 향하는 세번째 분기의 광경로에 놓인 위상 지연자(140_3_2)의 위상 지연 길이는 L4-L3, 출력단(OP6)을 향하는 세번째 분기의 광경로에 놓인 위상 지연자(140_3_4)의 위상 지연 길이는 L6-L6, 출력단(OP8)을 향하는 세번째 분기의 광경로에 놓인 위상 지연자(140_3_4)의 위상 지연 길이는 L8-L7로 설정할 수 있다.
다음, 첫번째 분기점에 놓인 스플리터(130_1)에 의한 두 분기 중 어느 하나에 놓인 위상 지연자(140_1)의 위상 지연 길이를 Ln(n=2M-1+1), 즉, L5로 설정할 수 있다.
다음, 두번째 분기점에 놓인 스플리터(130_2_1, 130_2_2)에 의한 두 분기 중 어느 하나에 놓인 위상 지연자(140_2_1, 140_2_2, 140_2_3, 140_2_4)의 위상 지연 길이는 각 출력단(OPi)을 향하는 경로에서 위상 지연 길이 총합이 요구되는 위상 지연 길이(Li)를 만족하도록 정할 수 있다.
예를 들어, 출력단(OP8)을 향하는 광경로의 위상 지연 길이 총합이 L8이 되도록, 위상 지연자(140_2_2)의 위상 지연길이를 L7-L5로 정하게 된다.
이와 같은 방식으로, 광경로상의 모든 위상 지연자(140_m_i)에서 각각 달성해야 할 위상 지연 길이를 설정할 수 있다. 그리고, 위상 지연자(140_m_i)의 광경로 방향으로의 길이가 위상 지연 길이와 같거나 이에 비례하도록 위상 지연자(140_m_i)가 설계될 수 있다.
위상 지연자(140_m_i)들은 신호 입력부(180)로부터 같은 신호를 인가 받을 수 있도록 도시된 바와 같이 연결될 수 있다. 도시된 연결 형태는 예시적인 것이며, 이에 한정되는 것은 아니다. 신호 입력부(180)로부터의 신호는 전기 신호일 수 있고, 예를 들어, 전류일 수 있다. 위상 지연자(140_m_i)들이 직렬로 연결된 형태이므로, 신호 입력부(180)로부터 인가된 같은 전류가 위상 지연자(140_m_i)들에 흐르게 된다. 신호 입력부(180)로부터의 신호가 전압인 경우, 각 위상 지연자(140_m_i)들에 같은 전압이 인가되도록, 도시된 연결 형태는 병렬 연결 형태로 변경될 수 있다.
위상 지연자(140_m_i)들은 각기 다른 위상 지연 길이를 나타내며, 신호 입력부(180)에서 스티어링 각도(θ)를 고려하여 정해진 같은 신호가 각 위상 지연자(140_m_i)들에 인가된다. 스티어링 각도(θ)를 변화시키기 위해, 신호 입력부(180)에서의 신호 값은 변화되며, 변화된 값은 위상 지연자(140_m_i)들에 공통으로 인가된다.
이와 같이, 스티어링 각도 조절을 위해 각 위상 지연자(140_m_i)에 인가되는 신호가 별도로 조절되는 것이 아니라, 각 위상 지연자(140_m_i)에 인가되는 같은 신호값이 조절되는 것이므로, 다양한 스티어링 각도를 보다 용이하게 구현할 수 있다.
도 4는 도 3의 평면도에서 A-A' 단면을 상세히 보인 단면도이다.
도 4를 참조하면, 광도파로(121)는 실리콘 기판(10) 상에 구현될 수 있다. 실리콘 기판(10)에는 매몰 절연층(30), 에피층(50), 측면 클래드(60), 상부 클래드(70)가 형성될 수 있다. 측면 클래드(60)와 상부 클래드(70)는 에피층(50) 보다 낮은 굴절률의 절연층으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 측면 클래드(60)와 상부 클래드(70)는 실리콘 산화막과 같은 산화막으로 형성될 수 있다. 측면 클래드(60)와 상부 클래드(70)는 동일 물질로 형성될 수도 있고 서로 다른 물질로 형성될 수도 있다. 에피층(50)에서 측면 클래드(60), 상부 클래드(70)로 둘러싸인 코어 영역(55)은 광이 진행하는 경로(x 방향)를 제공하며, 코어 영역(55)이 도 3의 평면도에서 실선으로 표시한 방향으로 연장되도록, 광도파로(121)의 전체 형상이 설정될 수 있다.
위상 지연자(140_1_1)는 입력 신호에 따라 코어 영역(55)의 굴절률을 변화시켜 코어 영역(55)을 지나는 광의 위상을 지연시킬 수 잇다. 위상 지연자(140_1_1)는 코어 영역(55)의 상부에 마련되며, 전기적으로 히팅되어 코어 영역(55)을 가열하는 히터(heater)일 수 있다. 이러한 히터로서, 크롬(Cr), 니켈(Ni), 니크롬, 텅스텐(W), 텅스텐실리사이드(WSix) 등의 메탈 재질이 사용될 수 있다. 위상 지연자(140_1_1)에 전류가 인가되어 열이 발생하고, 발생한 열은 하부의 광도파로(121)의 코어 영역(55)의 온도를 국부적으로 증가시킨다. 코어 영역(55)을 이루는 물질의 열광학 계수에 따라, 증가한 온도 변화량에 비례하여 코어 영역(55)의 굴절률이 변하게 되며, 이에 따라, 코어 영역(55)을 지나는 광의 위상이 천이된다. 위상 지연자(140_1_1)의 위상 지연 길이는 L7-L5로 설정되므로, 위상 지연자(140_1_1)가 히팅하여 굴절률을 변화시키는 코어 영역(55)의 x방향 길이가 L7-L5가 되도록, 위상 지연자(140_1_1)의 x 방향 길이를 정할 수 있다. 위상 지연자(140_1_1)의 x 방향 길이는 위상 지연 길이(L7-L5)와 같거나 이에 비례하는 값일 수 있다.
도 5는 도 3의 변형예에 따른 빔 스티어링 소자에 대한 A-A' 단면도이다.
도 5를 참조하면, 광도파로(122)는 실리콘 기판(10) 상에 구현될 수 있다. 실리콘 기판(10)에는 매몰 절연층(30), 에피층(50), 측면 클래드(60)가 형성될 수 있다. 코어 영역(54)은 PN 다이오드로 이루어질 수 있다. 상부층(52)이 P형이 되고 하부층(54)이 N형이 될 수 있으나, 그 반대로 형성되어도 무방하다. 위상 지연자는 PN 다이오드에 역방향(reverse) 전압을 인가할 수 있는 두 전극(142, 143)을 포함할 수 있다. 두 전극(142, 143)을 통해 PN 다이오드에 역방향 전압이 인가되면, 코어 영역(54)을 구성하는 PN 다이오드에 함유된 캐리어 농도가 변하게 되고 이에 따라 코어 영역(54)의 굴절률이 변하게 된다. 이와 같이, 굴절률이 변화된 코어 영역(54)을 지나는 광의 위상이 천이될 수 있다.
두 전극(142, 143) 간에 인가된 전압에 의해 굴절률이 변화되는 코어 영역(54)의 x 방향 길이가 설정된 위상 지연 길이를 구현하도록, 위상 지연자를 구성하는 두 전극(142, 143) 중 어느 한 전극의 광경로 방향(x 방향)으로의 길이는 설정된 위상 지연 길이와 같거나 이에 비례하도록 정해질 수 있다.
도 4 및 도 5에서, 위상 지연자는 전기적으로 히팅되어 코어 영역의 굴절률을 변화시키는 히터 또는 PN 다이오드 구조에 역방향 전압을 인가하여 굴절률 변화를 일으키는 전극 구조인 것으로 설명되고 있다. 그러나, 위상 지연자는 이에 한정되지 않으며, 광도파로의 코어 영역에서 광학적 성질이 변하는 영역 길이를 조절하여 위상 지연 길이를 조절할 수 있는 다양한 구조가 채용될 수 있다.
도 6a 내지 도 6c는 도 3의 빔 스티어링 소자(101)에 채용될 수 있는 스플리터들의 예시적인 형상들을 보이는 평면도이다.
스플리터들은 입사광을 두 갈래로 분기하기 위해 하나의 입력 영역과 두개의 출력 영역을 구비할 수 있다.
도 6a에 도시된 스플리터는 MMI(multimode interference) 스플리터로서, 입력 도파로 영역(21), 다중 모드 도파로 영역(23), 출력 도파로 영역(25)을 포함할 수 있다. 다중 모드 도파로 영역(23)은 다중 모드 간섭을 통한 빔 분할을 제공하기 위하여 소정 길이와 폭 조건을 만족하는 형상을 가질 수 있다.
도 6b, 도 6c에 도시된 스플리터는 Y-branch 스플리터이다. 도 6b의 스플리터는 입력 도파로 영역(31), 출력 도파로 영역(35)을 포함한다. 입력 도파로 영역(31), 출력 도파로 영역(35)의 폭은 일정할 수 있다. 도 6c의 스플리터는 입력 도파로 영역(32), 출력 도파로 영역(36)을 포함한다. 입력 도파로 영역(32), 출력 도파로 영역(36)은 진행 방향에 따라 폭이 변하는 테이퍼(tapered) 형태를 가질 수 있다.
도 6a 내지 도 6c에서 MMI 스플리터, Y-branch 스플리터를 예시하여 설명하였으나, 스플리터는 이에 한정되지 않으며, 예를 들어, DC(Directional Coupler)가 채용될 수도 있다.
도 7은 또 다른 실시예에 따른 빔 스티어링 소자(102)의 개략적인 구성을 보이는 평면도이다.
빔 스티어링 소자(102)는 광도파로(122)가 입사광(Li)을 네 번 분기(M=4)하는 포화 이진 트리의 광경로를 제공하도록 구성된 점에서 도 3의 빔 스티어링 소자(101)와 차이가 있다.
빔 스티어링 소자(102)는 입력된 광(Li)을 포화 이진 트리(full binary tree) 구조로 M(M=4)번 분기하는 형태의 광경로를 제공하는 광도파로(122)를 포함한다. 광도파로(122)는 2M-1개의 분기점을 가지며, 2M 개의 출력단을 가진다. 즉, 빔 스티어링 소자(102)의 광도파로(122)는 M이 3인 경우로서, 16개의 출력단(OP1, OP2, ..., OP16)과 15개의 분기점을 가지고 있다.
상기 분기점들에는 입력된 광을 두 갈래로 분기하는 복수의 스플리터(splitter)들이 마련될 수 있다. 분기점들에 놓인 스플리터는 130_m_i로 표시되고 있으며, 스플리터(130_m_i)는 m번째 분기 위치에서, 아래로부터 i번째에 놓인 스플리터를 의미한다. m은 1에서 4까지의 정수이고, i는 1에서 2m-1까지의 정수이다.
위상 지연자(140_m_i)(m은 1에서 4까지의 정수이고, i는 1에서 2m-1까지의 정수)는 m번 분기한 갈래에서 아래로부터 i번째 놓인 위상 지연자를 의미한다. 위상 지연자(140_m_i)는 포화 이진 트리 형태의 광도파로(122) 구조에서, 복수의 스플리터(130_m_i) 각각에 의해 형성되는 두 갈래의 분기 중 어느 하나에만 배치될 수 있다.
출력단(OP1, OP2, ..., OP16)의 위치(d1, d2, ..., d16)는 비주기적으로 설정되며, 각 위치의 출력단(OP1, OP2, ..., OP16)을 향하는 광경로에서 위상 지연 길이의 총합이 Li가 되도록, 위상 지연자(140_m_i)(m은 1부터 4까지의 정수, i는 1부터 1에서 2m-1까지의 정수)들의 위상 지연 길이가 설정되어 있다.
각 출력단(OP1, OP2, ..., OP16)을 향하는 광경로 상의 위상 지연 길이 총합(L1, L2, ..., L16)을 설정하기 위해, 각 경로상에 놓인 위상 지연자(140_m_i)의 위상 지연 길이를 설정하는 방법을 살펴보기로 한다.
먼저, 짝수번째 출력단(OP2k, k는 1에서 2M-1까지의 정수, M=4)을 향하는, 마지막 분기인 네번째 분기의 광경로에 놓인 위상 지연자(140_4_k)의 위상 지연 길이는 L2k-L2k -1로 설정할 수 있다. 즉, 출력단(OP2)을 향하는 마지막 분기인 네번째 분기의 광경로에 놓인 위상 지연자(140_3_1)의 위상 지연 길이는 L2-L1=L2, 출력단(OP4)을 향하는 네번째 분기의 광경로에 놓인 위상 지연자(140_4_2)의 위상 지연 길이는 L4-L3, 출력단(OP6)을 향하는 네번째 분기의 광경로에 놓인 위상 지연자(140_4_4)의 위상 지연 길이는 L6-L5, 출력단(OP8)을 향하는 세번째 분기의 광경로에 놓인 위상 지연자(140_4_5)의 위상 지연 길이는 L8-L7로 설정할 수 있다. 출력단(OP10)을 향하는 네번째 분기의 광경로에 놓인 위상 지연자(140_4_5)의 위상 지연 길이는 L10-L9, 출력단(OP12)을 향하는 네번째 분기의 광경로에 놓인 위상 지연자(140_4_6)의 위상 지연 길이는 L12-L11, 출력단(OP14)을 향하는 네번째 분기의 광경로에 놓인 위상 지연자(140_4_7)의 위상 지연 길이는 L14-L13, 출력단(OP16)을 향하는 네번째 분기의 광경로에 놓인 위상 지연자(140_4_8)의 위상 지연 길이는 L16-L15로 설정할 수 있다.
다음, 첫번째 분기점에 놓인 스플리터(130_1_1)에 의한 두 분기 중 어느 하나에 놓인 위상 지연자(140_1_1)의 위상 지연 길이를 Ln(n=2M-1+1), 즉, L9로 설정할 수 있다.
마지막 분기 위치 및 첫번째 분기 위치의 위상 지연 길이를 위와 같이 설정한 다음, 두번째 분기점에 놓인 스플리터(130_2_1, 130_2_2)에 의한 두 분기 중 어느 하나에 놓인 위상 지연자(140_2_1, 140_2_2)의 위상 지연길이, 세번째 분기점에 놓인 스플리터(130_3_1, 130_3_2, 130_3_3, 130_3_4)에 의한 두 분기 중 어느 하나에 놓인 위상 지연자(140_3_1, 140_3_2, 140_3_3, 140_3_4)의 위상 지연 길이는 각 출력단(OPi)을 향하는 경로에서의 위상 지연 길이 총합, Li를 만족하도록 정할 수 있다.
도 8은 또 다른 실시예에 따른 빔 스티어링 소자(103)의 개략적인 구성을 보이는 평면도이다.
빔 스티어링 소자(103)는 광도파로(121)를 향해 광을 출사하는 광원(110), 광도파로(121)의 입력단, 즉, 광원(110)과 첫번째 스플리터(130_1_1) 사이에 배치되어 입력된 광신호를 증폭하는 제1 광증폭기(OA1), 및 복수의 출력단(OP1, OP2, ..., OP8) 각각과 세번째 분기를 수행하는 스플리터(130_3_1, 130_3_2, 130_3_3, 130_3_4)들 사이에 마련되어, 광신호를 증폭하여 복수의 출력단(OP1, OP2, ..., OP8) 각각으로 전달하는 제2 광증폭기(OA2)들을 더 포함하는 점에서, 도 3의 빔 스티어링 소자(101)와 차이가 있으며, 나머지 구성은 실질적으로 동일하다.
광원(110)은 LD(laser diode), LED(light emitting diode), SLD(super luminescent diode)등의 광원을 포함할 수 있다. 광원(110)은 파장 가변 레이저 다이오드 일수 있다. 광원(110)는 복수의 서로 다른 파장 대역의 광을 생성 조사할 수 있다. 광원(110)는 펄스광 또는 연속광을 생성 조사할 수 있다.
제1 광증폭기(OA1), 제2 광증폭기(OA2)는 실리콘 기판에 형성되는 반도체 광증폭기(semiconductor optical amplifier)일 수 있다. 제1 광증폭기(OA1), 제2 광증폭기(OA2)는 FPA(Fabry-Perot Amplifier)형, 또는 TWA(Travelling Wave Amplifier)형 등으로 구현될 수 있다. 제1 광증폭기(OA1)는 광원(110)과 일체형으로 형성될 수도 있다.
도 9는 또 다른 실시예에 따른 빔 스티어링 소자(104)의 구성요소들이 집적된 형태를 예시적으로 보이는 사시도이다.
빔 스티어링 소자(104)는 하나의 실리콘 기판(SU)에 광 집적 회로 형태로 형성될 수 있다.
광원(110)은 실리콘 기반의 LD(laser diode)나 LED(light emitting diode)로 형성될 수 있으며, 광도파로(190)도 실리콘 기반의 구조를 가지도록 형성될 수 있다. 여기서, 광도파로(190)는 설명과 도시의 편의상, 전술한 스플리터들과 위상 지연자들을 포함하는 것으로 한다. 광원(100)과 광도파로(190)는 하나의 실리콘 기판(SU)에 집적 형성될 수 있다. 실리콘 기판을 기반으로 광소자들을 형성하는 기술을 실리콘 포토닉스(Si-Photonics)라고 하며, 실리콘 포토닉스 구현에 사용되는 공정을 사용하여, 빔 스티어링 소자(104)를 제조할 수 있다.
전술한 실시예들에 따른 빔 스티어링 소자는 다양한 전자 장치에 채용될 수 있다.
도 10은 실시예에 따른 라이다(Light Detection And Ranging, LiDAR) 장치(1000)의 개략적인 구성을 보이는 블록도이다.
라이다 장치(1000)는 광을 조사하는 광원(1100), 광원(1100)에서 조사된 광을 피사체(OBJ)를 향하도록 조준하는 빔 스티어링 소자(1200), 피사체(OBJ)로부터 반사된 광을 수신하는 수신기(1400), 및 광원(1100), 빔 스티어링 소자(1200), 수신기(1400)를 제어하는 제어부(1500) 를 포함한다.
광원(1100)는 피사체(OBJ)의 위치, 형상의 분석에 사용할 광을 조사한다. 광원(1100)는 소장 파장의 광을 생성, 조사하는 광원을 포함할 수 있다. 광원(1100)는 피사체(OBJ)의 위치, 형상 분석에 적합한 파장 대역의 광, 예를 들어, 적외선 대역 파장의 광을 생성 조사하는 LD(laser diode), LED(light emitting diode), SLD(super luminescent diode)등의 광원을 포함할 수 있다. 광원(1100)은 파장 가변의 레이저 다이오드일 수 있다. 광원(1100)는 복수의 서로 다른 파장 대역의 광을 생성 조사할 수도 있다. 광원 (1100)는 펄스광 또는 연속광을 생성 조사할 수 있다.
빔 스티어링 소자(1200)는 광원(1100)으로부터의 광을 복수개의 경로로 분기하여 비주기적으로 배치된 복수의 출력단으로 출력하며, 이 때, 출력단에서의 위상을 단일 신호로 조절할 수 있는 위상지연자들을 구비하여, 원하는 출사각(θ)을 구현할 수 있다. 빔 스티어링 소자(1200)로는 전술한 빔 스티어링 소자(100, 101, 102, 103, 104)들 중 어느 하나, 이들의 조합 또는 균등 범위로 변형한 구조가 사용될 수 있다. 빔 스티어링 소자(1200)에서의 출사각은 전술한 바와 같이, 빔 스티어링 소자(1200)에 구비된 위상 지연자들에 인가하는 신호에 따라 조절될 수 있으며, 이에 따라 피사체(OBJ)를 포함하는 소정 범위를 스캔할 수 있다.
빔 스티어링 소자(1200)과 피사체(OBJ) 사이에는 다른 광학 부재들, 예를 들어, 빔 스티어링 소자(1200)에서 스티어링 된 광의 경로 조절, 분광, 그 외, 추가적인 변조를 위한 광학 부재들이 더 배치될 수도 있다.
수신기(1400)는 피사체(OBJ)로부터 반사되는 광을 센싱하는 광검출을 위한 복수의 센서들의 어레이를 포함할 수 있다. 수신기(1400)는 복수의 서로 다른 파장의 광을 센싱할 수 있는 센서들의 어레이들을 포함할 수 있다. 수신기(1400)는 실리콘 기반의 포토 다이오드들의 어레이로 이루어질 수 있다. 빔 스티어링 소자(1200)가 피사체(OBJ)를 스캐하는 동안, 수신기(1400)가 수신하는 광신호는 피사체(OBJ)의 존재 여부, 위치, 형상 등의 분석에 사용될 수 있다.
제어부(1500)는 라이다 장치(1000)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다. 제어부(1500)는 광원(1100), 빔 스티어링 소자(1200), 수신기(1400)의 동작을 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어부(1500)는 광원(1100)에 대해 전원 공급 제어, 온/오프 제어, 펄스파(PW)나 연속파(CW) 발생 제어 등을 수행할 수 있다. 또한, 제어부(1500)는 빔 스티어링 소자(1200)가 구현하는 출사각 제어를 위해 빔 스티어링 소자(1200)에 구비된 위상 지연자들에 인가되는 신호를 제어할 수 있다.
제어부(1500)는 또한, 피사체(OBJ)로부터의 광 신호를 수신하여, 피사체(OBJ)의 존재 여부, 위치, 형상, 물성 등의 분석을 수행할 수 있다. 제어부(1500)는 예를 들어, 광 비행 시간(Time of Flight) 측정을 위한 연산과 이로부터 피사체(OBJ)의 3차원 형상 판별을 수행하거나, 라만 분석법을 이용한 물성 분석을 수행할 수 있다.
제어부(1500)에서는 다양한 연산 방법을 사용할 수 있다. 예를 들어, 직접 시간 측정 방법은 피사체(OBJ)에 펄스광을 투사하고 피사체에 반사되어 광이 돌아오는 시간을 타이머로 측정하여 거리를 구한다. 상관법(correlation)은 펄스광을 피사체(OBJ)에 투사하고 피사체(OBJ)에 반사되어 돌아오는 반사광의 밝기로부터 거리를 측정한다. 위상지연 측정 방법은 사인파와 같은 연속파(continuous wave) 광을 피사체(OBJ)에 투사하고 피사체(OBJ)에 반사되어 돌아오는 반사광의 위상차를 감지하여 거리로 환산하는 방법이다.
제어부(1500)는 또한, 피사체(OBJ)에 의한 파장 변이를 검출하는 라만 분석법에 의해 피사체(OBJ)의 종류, 성분, 농도, 물성 분석을 수행할 수도 있다.
라이다 장치(1000)는 상기 연산에 필요한 프로그램 및 기타 데이터들이 저장되는 메모리를 포함할 수 있다.
제어부(1500)는 연산 결과, 즉, 피사체(OBJ)의 형상, 위치, 물성에 대한 정보를 다른 유닛으로 전송할 수 있다. 예를 들어, 피사체(OBJ)의 3차원 형상이나 동작, 위치에 대한 정보가 필요한 자율 구동 기기에 상기한 정보가 전송될 수 있다. 또는, 대상체(OBJ)의 물성 정보, 예를 들어, 생체 정보를 활용하는 의료 기기에 상기한 정보가 전송될 수 있다. 또는, 결과가 전송되는 다른 유닛은 결과를 출력하는 디스플레이 장치나 프린터일 수도 있다. 이외에도, 스마트폰, 휴대폰, PDA(personal digital assistant), 랩톱(laptop), PC, 및 기타 모바일 또는 비모바일 컴퓨팅 장치일 수 있으며, 이에 제한되지 않는다.
라이다 장치(1000)는 전방 물체에 대한 3차원 정보를 실시간으로 획득하는 센서로 활용될 수 있어 자율 구동 기기, 예를 들어, 무인자동차, 자율주행차, 로봇, 드론 등에 적용될 수 있다.
도 11은 도 10의 라이다 장치의 구성요소들이 집적된 형태를 예시적으로 보이는 사시도이다.
라이다 장치(1000)는 실리콘 포토닉스 기술을 사용하여 하나의 실리콘 기판(SU)에 집적되게 형성될 수 있다. 즉, 실리콘 기반의 광원(1100), 실리콘 기반의 빔 스티어링 소자(1200), 실리콘 기반의 수신기(1400)가 하나의 실리콘 기판(SU)에 함께 집적될 수 있다. 또한, 그 외 다양한 광소자들이 실리콘 기판(SU)에 함께 집적 형성될 수 있으며, 저가화와 소형화되고 신뢰성이 향상된 실리콘 포토닉스 시스템을 구현할 수 있다.
상술한 빔 스티어링 소자 및 이를 포함하는 전자 장치는 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
100, 101, 102, 103, 104 - 빔 스티어링 소자
120, 121, 122 - 광도파로
130_1_1, 130_2_1, 130_2_2, 130_3_1, 130_3_2, 130_3_3, 130_3_4, 130_4_i - 스플리터
140_1_1, 140_2_1, 140_2_2, 140_3_1, 140_3_2, 140_3_3, 140_3_4, 140_4_i - 위상 지연자
1000 - 라이다 장치

Claims (20)

  1. 입력된 광을 복수개의 경로로 분기하여 비주기적으로 배열된 복수의 출력단으로 출력하는 광도파로;
    상기 복수개의 경로에 배치되며, 적어도 2이상이 서로 다른 위상 지연 길이를 가지는 복수의 위상 지연자들; 및
    상기 복수의 위상 지연자들에 같은 신호를 인가하는 신호 입력부;를 포함하는, 빔 스티어링 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 위상 지연자들 각각의 위상 지연 길이는,
    상기 복수의 출력단 중 어느 하나를 향하는 경로상에 놓인 위상 지연자들에 의한 위상 지연 길이의 총합이 상기 복수의 출력단의 비주기적 배열 및 출력광의 스티어링 각도에 따른 위상 조건을 만족하도록 정해지는, 빔 스티어링 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 광도파로는,
    입력된 광을 포화 이진 트리(full binary tree) 구조로 M(M은 1 이상의 정수)번 분기하는 형태의 광경로를 제공하며, 2M-1개의 분기점을 가지며, 2M 개의 상기 출력단을 가지는, 빔 스티어링 소자.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 복수의 분기점들에 각각 배치되어, 입력된 광을 두 갈래로 분기하는 복수의 스플리터(splitter);를 더 포함하는, 빔 스티어링 소자.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 복수의 스플리터 각각에 의해 형성되는 두 갈래의 분기 중 어느 하나에만, 상기 위상 지연자가 배치되는, 빔 스티어링 소자.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 복수의 출력단 중 i(i는 1에서 2M까지의 정수)번째 출력단을 향하는 경로 상에 놓인 위상 지연자들에 의한 위상 지연 길이의 총합(Li)은,
    첫번째 출력단(OP1)을 향하는 경로 상에 놓인 위상 지연자들에 의한 위상 지연 길이의 총합(L1)을 0, 첫번째 출력단의 위치(d1)를 0, i번째 출력단(OPi)의 위치를 di라고 할 때,
    다음 조건을 만족하는, 빔 스티어링 소자.
    Figure pat00005

    여기서, λ는 입사광의 파장, θ는 스티어링 각도, c는 0이 아닌 실수이다.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 복수의 출력단 중, 짝수번째 출력단(OP2k, k는 1에서 2M-1까지의 정수)을 향하는, M번째 분기의 광경로에 놓인 위상 지연자의 위상 지연 길이는 L2k-L2k -1인, 빔 스티어링 소자.
  8. 제6항에 있어서,
    첫번째 분기점에 놓인 스플리터에 의한 두 분기 중 어느 하나에 놓인 위상 지연자의 위상 지연 길이는 Ln(n=2M-1+1)인, 빔 스티어링 소자.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 위상 지연자는 입력 신호에 따라 상기 광도파로의 소정 영역의 굴절률을 변화시켜 상기 소정 영역을 지나는 광의 위상을 지연시키는, 빔 스티어링 소자.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 위상 지연자는 전기적으로 히팅되어 상기 소정 영역을 가열하는 히터(heater)를 포함하는, 빔 스티어링 소자.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 히터의 상기 광경로 방향으로의 길이는 상기 위상 지연자의 위상 지연 길이에 비례하는, 빔 스티어링 소자.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 위상 지연자는 상기 소정 영역의 캐리어 농도를 변화시키기 위해 상기 소정 영역의 양단에 전압을 인가하는 두 전극을 포함하는, 빔 스티어링 소자.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 두 전극 중 어느 한 전극의 상기 광경로 방향으로의 길이는 상기 위상 지연자의 위상 지연 길이에 비례하는, 빔 스티어링 소자.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 광도파로의 입력단에 배치되어 입력된 광신호를 증폭하는 제1 광증폭기; 및
    상기 복수의 출력단 각각과 M번째 분기를 수행하는 스플리터들 사이에 마련되어, 광신호를 증폭하여 상기 복수의 출력단 각각으로 전달하는 제2 광증폭기;를 더 포함하는, 빔 스티어링 소자.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 광도파로를 향해 광을 출사하는 광원;을 더 포함하는, 빔 스티어링 소자.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 광원, 상기 광도파로, 상기 복수의 위상 지연자들은 하나의 실리콘 기판에 집적되게 형성되는, 빔 스티어링 소자.
  17. 광원;
    상기 광원으로부터의 광을 소정 각도로 스티어링하여 출력하는 것으로,
    입력된 광을 복수개의 경로로 분기하여 비주기적으로 배열된 복수의 출력단으로 출력하는 광도파로와,
    상기 복수개의 경로에 배치되며, 적어도 2이상이 서로 다른 위상 지연 길이를 가지는 복수의 위상 지연자들과,
    상기 복수의 위상 지연자들에 같은 신호를 인가하는 신호 입력부를 포함하는, 빔 스티어링 소자;
    상기 빔 스티어링 소자에서 출력되고 대상체에서 반사된 광을 수신하는 수신기; 및
    상기 광원, 상기 빔스티어링 소자 및 상기 수신기를 제어하는 제어부;를 포함하는, 라이다(LiDAR) 장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 빔 스티어링 소자는
    입력된 광을 포화 이진 트리(full binary tree) 구조로 M(M은 1 이상의 정수)번 분기하는 형태의 광경로를 제공하며, 2M-1개의 분기점을 가지며, 2M 개의 상기 출력단을 가지는 광도파로;
    상기 복수의 분기점에 각각 배치되어 입력된 광을 두 갈래로 분기하는 스플리터들;를 포함하는, 라이다 장치.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 복수의 출력단 중 i(i는 1에서 2M까지의 정수)번째 출력단을 향하는 경로 상에 놓인 위상 지연자들에 의한 위상 지연 길이의 총합(Li)은,
    첫번째 출력단(OP1)을 향하는 경로 상에 놓인 위상 지연자들에 의한 위상 지연 길이의 총합(L1)을 0, 첫번째 출력단의 위치(d1)를 0, i번째 출력단(OPi)의 위치를 di라고 할 때,
    다음 조건을 만족하는, 라이다 장치.
    Figure pat00006

    여기서, λ는 입사광의 파장, θ는 스티어링 각도, c는 0이 아닌 실수이다.
  20. 제17항에 있어서,
    상기 광원, 상기 빔 스티어링 소자, 상기 수신기는 하나의 실리콘 기판에 집적되게 형성되는, 라이다 장치.
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