KR20190033282A - 증폭 도파 장치 및 이를 포함한 빔 스티어링 장치 - Google Patents

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Abstract

증폭 도파 장치 및 이를 포함한 빔 스티어링 장치에 관한 것이다. 본 증폭 도파 장치는 광이 진행하는 제1 코어층, 광을 증폭시키는 활성층 및 증폭된 광이 진행하는 제2 코어층을 포함한다.

Description

증폭 도파 장치 및 이를 포함한 빔 스티어링 장치{Amplification waveguide device and amplification beam steering apparatus}
개시된 실시예들은 광을 증폭시켜 진행시키는 증폭 도파 장치 및 이를 포함한 빔 스티어링 장치에 관한 것이다.
레이저 빔을 원하는 위치로 스티어링하기 위해, 일반적으로 광원을 기계적으로 회전시켜 주는 방법과 OPA(Optical Phased Array) 방식을 이용하여 다수의 단위셀 또는 다수의 도파로로부터 나오는 다발 형태의 레이저빔의 간섭을 이용하는 방법이 사용되고 있다. 광원을 기계적으로 회전시켜 주는 방법은 모터 또는 MEMS(Micro Electro Mechanical System)가 적용되는 바, 부피가 커지고 비용이 상승할 수 있다. OPA 방식에서는 단위셀들이나 도파로들을 전기적 또는 열적으로 제어함으로써 레이저빔을 스티어링할 수 있다. OPA 방식은 다수의 도파로를 구비하여야 하므로 전체 부피가 크고, 위상을 변조하는데 있어 에러가 발생되고, 광 효율이 낮을 수 있다.
한편, 반도체 기반 OPA 소자는 반도체 증폭 소자를 도파로 상에 배치시킴으로써 광 커플링에 의해 증폭된 광이 도파로를 이동할 수 있다. 그러나, 증폭된 광의 세기가 크면 비선형 광학 효과에 의해 도파로로 광이 커플링이 되지 않을 수 있다.
다양한 실시예는 고출력의 광을 방출할 수 있는 증폭 도파 장치를 제공한다.
다양한 실시예는 고출력의 광을 방출할 수 있는 빔 스티어링 장치를 제공한다.
일 측면(aspect)에 따르는 증폭 도파 장치는, 광이 진행하는 제1 코어층을 포함하는 제1 도파로; 상기 제1 도파로로부터 입사된 상기 광을 증폭시키는 활성층을 포함하는 광 증폭기; 및 상기 광 증폭기와 동일층상에 배치되며, 상기 광 증폭기로부터 입사된 증폭된 광이 진행하는 제2 코어층을 포함하는 제2 도파로;를 포함한다.
그리고, 상기 제2 코어층의 비선형 계수는 상기 활성층의 비선형 계수 이하일 수 있다.
또한, 상기 제2 코어층의 비선형 계수는, 50이하인 물질을 포함할 수 있다.
그리고, 상기 제2 코어층은, 질소의 조성비가 실리콘의 조성비보다 큰 실리콘 질화물로 형성될 수 있다.
또한, 상기 제2 코어층의 입력단은, 상기 제2 코어층의 광축에 대해 55도 이상으로 경사질 수 있다.
그리고, 상기 활성층과 상기 제2 코어층은 직접 접할 수 있다.
또한, 상기 제2 코어층 중 적어도 일부는 상기 제2 코어층의 광축을 기준으로 상기 활성층과 중첩될 수 있다.
그리고, 상기 활성층과 상기 제2 코어층 사이에 배치되는 무반사 코팅층;을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 무반사 코팅층은, 굴절률이 서로 다른 복수 개의 물질층이 교대로 코팅될 수 있다.
그리고, 상기 무반사 코팅층은, 상기 활성층의 굴절률과 상기 제2 코어층의 굴절률 사이의 굴절률을 갖는 물질로 코팅될 수 있다.
또한, 상기 제1 도파로는, 상기 광 증폭기와 동일 층상에 배치될 수 있다.
그리고, 상기 제1 코어층은, 상기 제2 코어층과 동일한 물질로 형성될 수 있다.
또한, 상기 제1 코어층과 활성층은 직접 접할 수 있다.
그리고, 상기 제1 코어층은 상기 활성층과 단차질 수 있다.
또한, 상기 제1 코어층은 실리콘을 포함할 수 있다.
그리고, 상기 활성층은, 이온이 도핑될 수 있다.
또한, 상기 이온은, 에르븀(Er)을 포함할 수 있다.
한편, 일 실시예에 따른 빔 스티어링 장치는 광의 출사 방향을 변환하는 빔 스티어링 유닛; 상기 빔 스티어링 유닛으로부터 입사된 광이 진행하는 제1 코어층을 포함하는 제1 도파로; 상기 제1 도파로로부터 입사된 상기 광을 증폭시키는 활성층을 포함하는 광 증폭기; 및 상기 광 증폭기와 동일층상에 배치되며, 상기 광 증폭기로부터 입사된 증폭된 광이 진행하는 제2 코어층을 포함하는 제2 도파로;를 포함한다.
그리고, 상기 빔 스티어링 유닛로부터의 광을 상기 제1 도파로에 결합시키는 커플러;를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 커플러는, 콜리메이팅 렌즈, 광섬유, 그레이팅 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
비선형 계수가 낮은 물질을 포함하기 때문에 고출력의 광을 진행시킬 수 있다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 빔 스티어링 장치를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 도 1의 A-A선 단면도로, 증폭 도파 장치의 일 예를 나타낸다.
도 3은 물질들의 커 계수와 비선형 계수를 나타낸 표이다.
도 4은 다른 실시예에 따른 증폭 도파 장치를 나타내는 도면이다.
도 5는 일 실시예에 따른 활성층과 제2 코어층의 연결 관계를 도시한 도면이다.
도 6는 일 실시예에 따른 제2 코어층의 입사단의 각도에 따른 반사율을 나타낸 그래프이다.
도 7은 다른 실시예에 따른 활성층과 제2 코어층의 연결 관계를 도시한 도면이다.
도 8은 무반사 코팅층이 배치되었을 때의 반사율을 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 9는 또 다른 실시예에 따른 증폭 도파 장치를 도시한 도면이다.
도 10는 일 실시예에 따른 콜리메이팅 렌즈를 포함하는 빔 스티어링 장치를 도시한 도면이다.
도 11은 일 실시예에 따른 광 섬유를 포함한 빔 스티어링 장치를 도시한 도면이다.
도 12은 일 실시예에 따른 그레이팅을 포함한 빔 스티어링 장치를 도시한 도면이다.
도 13은 다양한 실시예에 따른 빔 스티어링 장치를 포함한 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 다양한 실시예에 따른 증폭 도파 장치 및 이를 포함한 빔 스티어링 장치에 대해 상세히 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 제1, 제2 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, 도면에서 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다. 또한, 소정의 물질층이 기판이나 다른 층 상에 존재한다고 설명될 때, 그 물질층은 기판이나 다른 층에 직접 접하면서 존재할 수도 있고, 그 사이에 다른 제3의 층이 존재할 수도 있다. 그리고, 아래의 실시예에서 각 층을 이루는 물질은 예시적인 것이므로, 이외에 다른 물질이 사용될 수도 있다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 빔 스티어링 장치(100)를 개략적으로 도시한 것이다. 그리고, 도 2는 도 1의 A-A선 단면도로, 증폭 도파 장치(200)의 일 예를 나타낸다.
빔 스티어링 장치(100)는 빔 스티어링 유닛(110)과, 빔 스티어링 유닛(110)으로부터 입사된 광이 진행하는 복수 개의 도파로(130)과, 도파로(130)을 진행하는 광을 증폭시키는 광 증폭기(light amplifier)(140)를 포함할 수 있다. 도파로(130) 및 광 증폭기(140)는 기판(120)에 구비될 수 있다. 기판(120)은 SiO2를 주성분으로 하는 투명한 유리 재질로 이루어질 수 있다. 기판(120)은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 투명한 플라스틱 재로 형성할 수도 있다.
빔 스티어링 유닛(110)은 광의 출사 방향을 변환하도록 구성될 수 있다. 빔 스티어링 유닛(110)은 MEMS(Micro Electric Mechanical System) 방식에 의해 레이저를 스캐닝하는 구조, 광 위상 변조 어레이(OPA; Optical Phased Array) 구조 또는 메타 라이다 구조를 가질 수 있다. 빔 스티어링 유닛(110)은 광(L)의 진행 방향을 조절하여 도파로(130)에 입사되도록 할 수 있다.
도파로(130) 및 광 증폭기(140)는 증폭 도파 장치(200)를 구성할 수 있다. 도파로(130)은 빔 스티어링 유닛(110)에 의해 조절된 광의 진행 방향에 대응되게 배치될 수 있다. 도파로(130)는 광 증폭기(140)와 동일층 상에 배치될 수 있다. 도 2에는 도파로(130) 및 광 증폭기(140)가 동일층인 기판(120)상에 배치되는 것으로 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않는다. 도파로(130) 및 광 증폭기(140)가 기판(120) 이외의 다른 동일층상에 배치될 수도 있다.
광 증폭기(140)는 반도체 광 증폭기(semiconductor optical amplifier) 또는 이온(217) 도핑 증폭기를 포함할 수 있다.
광 증폭기(140)는 예를 들어, 활성층(212), 제1 클래드층(214) 및 전극(216)을 포함할 수 있다. 활성층(212) 및 제1 클래드층(214)은 III-V족 화합물 반도체 물질 또는 II-VI족 화합물 반도체 물질을 포함할 수 있다. 활성층(212)은 예를 들어, GaAs, InGaAs, InGaNAs, InGaAsP, 또는 InAlGaAs 등을 포함할 수 있다. 제1 클래드층(214)은 활성층(212)의 밴드갭보다 큰 밴드갭을 갖는 반도체 물질을 포함할 수 있다. 제1 클래드층(214)은 예를 들어, GaAs, GaP, AlGaAs, InGaP, GaAs 또는 InP 등을 포함할 수 있다. 광 증폭기(140)의 물질은 증폭하고자 하는 광의 파장(에너지 밴드갭)에 맞추어 선택될 수 있다. 예를 들어, 1.55um 파장의 광을 증폭하는 경우 제1 클래드층(214) 및 활성층(212)/ 제1 클래드층(214)은 InGaAs/ InP 물질이 사용될 수 있다.
제1 클래드층(214) 상에는 전극(216)이 구비될 수 있다. 전극(216)은 전도성 물질을 포함할 수 있다. 또는, 전극(216)은 예를 들면, Ti, Au, Ag, Pt, Cu, Al, Ni 및 Cr 으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나 또는 합금, 이들의 적층 등을 포함할 수 있다. 하지만, 이에 한정되지 않으며, ITO(Indium-Tin-Oxide), IZO(Indium-Zinc-Oxide), GIZO(Ga-In-Zn-Oxide), AZO(Al-Zn-Oxide), GZO(Ga-Zn-Oxide) 및 ZnO 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
광 증폭기(140)(semiconductor optical amplifier)는 전극(216)을 통해 광 증폭기(140)의 양측에 전계를 인가함으로써 광을 증폭시킬 수 있다. 전극(216)을 통해 전계가 인가되면 광자(photon)의 흡수와 유도 방출(stimulated emission)이 일어나는데, 광자가 흡수되면 전자-정공 쌍이 생기고, 반대로 전자-정공 쌍이 결합되면 광자의 유도 방출이 일어난다. 광자의 유도 방출이 광자의 흡수보다 상회하면 광이 증폭될 수 있다.
도파로(130)는 광 증폭기(140)를 기준으로, 광 증폭기(140)의 앞단에 배치되는 제1 도파로(131) 및 광 증폭기(140)의 후단에 배치되는 제2 도파로(132)를 포함할 수 있다. 제1 도파로(131)를 통해 빔 스티어링 유닛(110)으로부터 출사된 광이 진행하여 광 증폭기(140)로 입사되며, 제2 도파로(132)를 통해 광 증폭기(140)에서 증폭된 광이 진행한다.
제1 도파로(131)는 광이 진행하는 제1 코어층(222) 및 제1 코어층(222)을 둘러싸는 제2 클래드층(224)을 포함할 수 있으며, 제2 도파로(132)도 광이 진행하는 제2 코어층(232) 및 제2 코어층(232)의 외곽을 둘러싸는 제3 클래드층(234)을 포함할 수 있다.
제2 및 제3 클래드층(224, 234) 각각은 제1 및 제2 코어층(222, 232)과 굴절률이 다른 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제2 및 제3 클래드층(224, 234) 각각은 제1 및 제2 코어층(222, 232)보다 굴절률이 작은 물질로 형성될 수 있다. 제2 및 제3 클래드층(224, 234)은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 또는 폴리머 광물질 등을 포함할 수 있다. 제2 및 제3 클래드층(224, 234)은 필수 구성 요소가 아니다. 기판(120)의 굴절률이 제1 및 제2 코어층(222, 232)의 굴절률보다 작은 경우, 제2 및 제3 클래드층(224, 234)은 구비되지 않아도 무방하다. 제1 및 제2 코어층(222, 232)과 접하는 기판(120) 및 공기가 제2 및 제3 클래드층(224, 234)의 역할을 수행할 수도 있다.
제1 및 제2 코어층(222, 232)은 비선형 계수가 작은 물질로 형성될 수 있다. 제2 코어층(232)은 광 증폭기(140)의 활성층(212)보다 비선형 계수가 작은 물질로 형성될 수 있으며, 제1 코어층(222)은 제2 코어층(232)과 동일한 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 코어층(222, 232는 비선형 계수가 50이하인 물질로 형성될 수 있다. 제1 및 제2 코어층(222, 232)은 질소의 성분비가 실리콘의 성분비보다 큰 실리콘 질화물, 예를 들어, Si3N4로 형성될 수 있다.
도 3은 물질들의 커 계수와 비선형 계수를 나타낸 표이다. 도 3에 도시된 바와 같이, Si3N4 및 질소가 많은 실리콘 질화물은 커 계수가 c-Si 또는 a-Si에 비해 작음을 확인할 수 있다. Si3N4의 비선형계수도 c-Si 또는 a-Si에 비해 훨씬 작음을 확인할 수 있다. 그리하여, 제2 코어층(232)을 Si3N4로 형성하면, 광 증폭기(140)로부터 고출력의 광(예를 들어, 수십~100mW 이상의 광)이 입사된다 하더라고 제2 도파로(132)의 제2 코어층(232)은 비선형성이 생기지 않기 때문에 고출력의 광을 진행시킬 수 있다.
제1 및 제2 코어층(222, 232) 각각은 활성층(212)과 직접 접하게 배치될 수 있다. 예를 들어, 제1 코어층(222)의 적어도 일부 영역은 제1 코어층(222)의 광축(X1)을 기준으로 활성층(212)과 중첩되게 배치될 수 있고, 제2 코어층(232)의 적어도 일부 영역도 제2 코어층(232)의 광축(X2)을 기준으로 활성층(212)과 중첩되게 배치될 수 있다. 제1 코어층(222)을 진행하는 광이 모두 활성층(212)에 인가되도록 활성층(212)과 접촉하는 제1 코어층(222)의 단면적은 제1 코어층(222)과 접촉하는 활성층(212)의 단면적보다 클 수 있다. 또한, 활성층(212)에서 증폭된 광이 제2 코어층(232)에 인가되도록 활성층(212)과 접촉하는 제2 코어층(232)의 단면적은 제2 코어층(232)과 접촉하는 활성층(212)의 단면적보다 클 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
제1 도파로(131)은 제2 도파로(132)와 동일한 구조로 형성됨으로써 증폭 도파 장치(200)의 제조 공정이 간소화될 수 있다. 한편, 빔 스티어링 유닛(110)으로부터 입사된 광은 일반적으로 고출력 광이 아니다. 그리하여, 제1 코어층(222)은 비선형계수가 작은 물질로 형성되지 않아도 무방하다.
도 4은 다른 실시예에 따른 증폭 도파 장치(201)를 나타내는 도면이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 도파로(131)의 적어도 일부 영역은 광 증폭기(140)의 하부 영역에 배치될 수 있다. 활성층(212)와 제1 코어층(222)는 단차지게 배치될 수 있다. 제2 코어층(232)의 광축(X2)을 기준으로 제1 도파로(131)의 제1 코어층(222)은 제2 코어층(232)과 중첩되지 않을 수 있다. 빔 스티어링 유닛(110)에서 출력된 광은 제1 도파로(131)를 따라 진행하다가 광 증폭기(140)에 커플링되어 광 증폭기(140)에서 활성화될 수 있다. 그리고, 광 증폭기(140)에서 증폭된 광은 제2 도파로(132)를 통해 진행할 수 있다.
제1 코어층(222)은 고출력의 광이 진행하지 않을 수 있다. 제1 코어층(222)은 빔 스티어링 유닛(110)로부터 입사된 광을 광 증폭기(140)의 활성층(212)으로 잘 인가하여야 하기 때문에 제1 코어층(222)은 활성층(212)과 광 커플링이 잘 되는 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 코어층(222)은 활성층(212)과 굴절률이 유사한 물질로 형성될 수 있다. 제1 코어층(222)은 실리콘, 실리콘 성분비가 높은 실리콘 산화물, 실리콘 성분비가 높은 실리콘 질화물 등을 포함할 수 있다.
도 4에서는 제1 코어층(222)이 활성층(212)과 직접 접촉하지 않는 것으로 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않는다. 제1 코어층(222)의 적어도 일부 영역은 활성층(212)과 직접 접할 수 있다. 또는 제1 코어층(222)의 광축(X1)을 기준으로 제1 코어층(222)의 적어도 일부 영역은 활성층(212)과 중첩될 수 있다.
다시 도 1를 참조하면, 제2 코어층(232)의 입사단은 제2 코어층(232)의 광 축에 대해 수직인 것으로 도시되어 있다. 그러나, 이에 한정되지 않는다. 제2 코어층(232)의 입사단은 광축에 대해 소정 각도 기울어질 수 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 활성층(212)과 제2 코어층(232)의 연결 관계를 도시한 도면이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 제2 코어층(232)의 입사단(S)은 활성층(212)의 출사단과 직접 접할 수 있다. 제2 코어층(232)은 비선형 계수가 작은 물질로 형성된다 하더라도 활성층(212)의 물질과 다른 물질로 구성되기 때문에 활성층(212)에서 제2 코어층(232)으로 입사되는 광은 제2 코어층(232)의 입사단(S)에서 일정량 반사될 수 있다. 따라서, 반사율을 줄이기 위해 제2 코어층(232)의 입사단(S)은 광축에 대해 소정 각도 기울어질 수 있다. 예를 들어, 제2 코어층(232)의 입사단(S)은 제2 코어층(232)의 광축(X2)에 대해 55도 이상 기울어질 수 있다. 또는 2 코어층(232)의 입사단(S)은 제2 코어층(232)의 광축(X2)에 대해 55도 이상 90도 이하 기울어질 수 있다.
도 6는 일 실시예에 따른 제2 코어층(232)의 입사단(S)의 각도에 따른 반사율을 나타낸 그래프이다. 활성층(212)은 굴절률이 3.4인 물질로 형성하였고, 제2 코어층(232)은 굴절률이 약 2인 물질로 형성하였다. 진행하는 광의 파장이 약 1300nm일 때, 입사각에 따른 반사율을 측정하였다. 도 6에서 S는 광이 TE모드일 때의 편광을 나타내고 P는 광이 TM 모드일 때 편광을 나타낸다. 도 6에 도시된 바와 같이, 입사각이 약 35도 이상일 때 반사율이 급격하게 증가하였음을 확인할 수 있다. 입사각의 평균이 광축인 바, 특히, 제2 코어층(232)의 입사단(S)과 제2 코어층(232)의 광축(X2)간의 각도(θ)는 55도 이상 90도 이하 경사지게 배치되면 반사율을 현저히 낮출 수 있다. 따라서, 일 실시예에 따른 제2 코어층(232)의 입사단(S)은 광축에 소정 각도 기울어지게 배치시킴으로써 활성층(212)에서 입사되는 광의 반사를 줄일 수 있다.
도 7은 다른 실시예에 따른 활성층(212)과 제2 코어층(232)의 연결 관계를 도시한 도면이다. 도 6과 비교하면 도 7의 활성층(212)과 제2 코어층(232) 사이에는 무반사 코팅층(240)이 더 배치될 수 있다. 무반사 코팅층(240)은 굴절률이 서로 다른 복수 개의 박막, 예를 들어, 2개 또는 3개의 박막이 교대로 코팅된 구조일 수 있다. 또는 무반사 코팅층(240)의 굴절률은 활성층(212)의 굴절률과 제2 코어층(232)의 굴절률 사이일 수 있다. 상기한 무반사 코팅층(240)은 제2 코어층(232)의 입사단(S)에서의 반사를 억제하고, 공진 현상을 억제하여 이득 대역 폭을 넓힐 수 있다. 무반사 코팅층(240)은 SiO2, TiO2, ZnO2, Si3N4 등일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
도 8은 무반사 코팅층(240)이 배치되었을 때의 반사율을 측정한 결과를 나타내는 그래프이다. 활성층(212)은 굴절률이 3.4인 물질로 형성하였고, 제2 코어층(232)은 굴절률이 약 2인 물질로 형성하였다. 그리고, 활성층(212)과 제2 코어층(232) 사이에 SiO2로 형성된 제1 박막과 TiO2로 형성된 제2 박막이 배치시켰다. 반사율을 측정한 결과, 도 6에 비해 반사율이 현저히 줄어들었음을 확인할 수 있다. 특히 입사각이 30일 때, 즉 제2 코어층(232)의 입사단(S)이 광축(X2)에 대해 약 60도 기울어진 경우, 광의 편광 특성에 상관없이 반사율이 거의 O에 가까움을 확인할 수 있다.
도 9는 또 다른 실시예에 따른 증폭 도파 장치(202)를 도시한 도면이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 증폭 도파 장치(202)는 도파로(130) 내부에 광을 증폭시킬 수 있는 이온(217)을 도핑함으로써 광 증폭기(140)를 형성할 수 있다. 도핑 이온(217)은 예를 들어, 에르븀(Er)을 포함할 수 있다. 도핑 이온(217)을 이용하여 광을 충분히 증폭할 수 있는 경우, 도파로(130)의 별도로 광 증폭기(140)를 구비하지 않음으로써 증폭 도파 장치(200)를 소형화 할 수 있다.
한편, 빔 스티어링 장치(100)는 빔 스티어링 유닛(110)과 도파로(130)간의 광 결합 효율을 높이기 위해 빔 스티어링 유닛(110)과 도파로(130) 사이에 커플러를 더 포함할 수 있다. 커플러는 콜리메이팅 렌즈(150), 광 섬유(160), 그레이팅 등일 수 있다.
도 10는 일 실시예에 따른 콜리메이팅 렌즈(150)를 포함하는 빔 스티어링 장치(101)를 도시한 도면이다. 도 10을 참조하면, 콜리메이팅 렌즈(150)는 입사되는 광을 평행하게 만들어 도파로(130)으로 입사되도록 할 수 있다. 그리하여, 도파로(130)에 대한 광 결합 효율을 높일 수 있다. 콜리메이팅 렌즈(150)를 통해 광이 평행하게 도파로(130)에 입사될 수 있다. 또한, 복수 개의 도파로(130) 중 적어도 하나의 도파로(130)는 광의 진행 방향을 변경시키는 밴딩 영역(133)을 포함할 수 있다. 밴딩 영역(133)은 곡면으로 형성되어 광손실을 줄일 수 있다.
도 11은 일 실시예에 따른 광 섬유(160)를 포함한 빔 스티어링 장치(102)를 도시한 도면이다. 도 11을 참조하면, 빔 스티어링 유닛(110)과 도파로(130) 사이에 광섬유(160)가 구비될 수 있다. 광섬유(160)는 빔 스티어링 유닛(110)에서 나온 광을 도파로(130)에 직접적으로 전달함으로써 광 결합 효율을 높일 수 있다.
도 12은 일 실시예에 따른 그레이팅을 포함한 빔 스티어링 장치(103)를 도시한 도면이다. 도 12를 참조하면, 빔 스티어링 유닛(110)은 도파로(130)의 상부에 배치될 수 있다. 빔 스티어링 유닛(110)으로부터의 광이 입사되는 도파로(130), 즉, 제1 도파로(131)의 일 측에 제1 그레이팅(171)이 배치되고, 광이 방출되는 도파로(130), 즉, 제2 도파로(132)의 일측에 제2 그레이팅(172)이 배치될 수 있다.
제1 그레이팅(171)은 입력 커플러 역할을 하고, 제2 그레이팅(172)은 출력 커플러 역할을 할 수 있다. 빔 스티어링 유닛(110)으로부터의 광은 제1 그레이팅(171)을 통해 제1 도파로(131)에 입사되고, 광 증폭기(140)에 의해 증폭된 후 제2 도파로(132)를 진행하다가 제2 그레이팅(172)을 통해 외부로 출력될 수 있다. 제1 그레이팅(171)과 제2 그레이팅(172)에 의해 광의 입력 방향과 출력 방향을 조절할 수 있다.
도 13은 다양한 실시예에 따른 빔 스티어링 장치(100)를 포함한 시스템을 개략적으로 도시한 것이다. 도 13을 참조하면, 예시적인 실시예에 따른 시스템(300)은 빔을 증폭하여 스티어링하는 빔 스티어링 장치(320), 구동부(330) 및 스티어링된 빔이 대상체(10)에서 반사된 빔을 검출하는 검출부(340)를 포함할 수 있다. 구동부(330)는 빔 스티어링 장치(320) 및 검출부(340)를 구동하는 구동 회로를 포함할 수 있다.
빔 스티어링 장치(320)는 입사된 빔을 증폭하여 원하는 위치로 스티어링할 수 있다. 이러한 빔 스티어링 장치(320)는 전술한 바와 같이 다양한 실시예들에 따른 빔 스티어링 장치(100)를 포함할 수 있다. 그리고, 빔 스티어링 장치(320)에 의해 스티어링된 빔이 대상체(10)에 조사되어 반사되면, 검출부(340)가 반사된 빔을 검출할 수 있다. 빔 스티어링 장치(320)가 적용된 시스템(300)은 예를 들면, 깊이 센서(depth sensor), 3차원 센서(3D sensor), 라이다(LiDAR; light detection and ranging) 등과 같은 다양한 장치에 적용될 수 있다.
다양한 실시예에 따른 빔 스티어링 장치(100)는, 자율 주행 자동차, 드론과 같은 비행 물체, 모바일 기기, 자전거, 오토바이, 유모차, 보드 등과 같은 소형보행 수단, 로봇, 사물 인터넷, 건물 보안 장치, 3차원 이미징 장치 등에 응용될 수 있다. 또한, 다양한 실시예에 따른 광 스티어링 장치는, 지팡이, 헬멧, 옷, 장신구, 시계, 가방 등과 같은 다양한 생활 용품 등에도 응용될 수 있다.
상기한 실시예들은 예시적인 것에 불과한 것으로, 당해 기술분야의 통상을 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다. 따라서, 예시적인 실시예에 따른 진정한 기술적 보호범위는 하기의 특허청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상에 의해 정해져야만 할 것이다.
100, 101, 102, 103: 빔 스티어링 장치
110:빔 스티어링 유닛
120: 기판
130: 도파로
131: 제1 도파로
132: 제2 도파로
104: 광 증폭기
200, 201, 202: 증폭 도파 장치
212: 활성층
222: 제1 코어층
232: 제2 코어층

Claims (20)

  1. 광이 진행하는 제1 코어층을 포함하는 제1 도파로;
    상기 제1 도파로로부터 입사된 상기 광을 증폭시키는 활성층을 포함하는 광 증폭기; 및
    상기 광 증폭기와 동일층상에 배치되며, 상기 광 증폭기로부터 입사된 증폭된 광이 진행하는 제2 코어층을 포함하는 제2 도파로;를 포함하는 증폭 도파 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제2 코어층의 비선형 계수는
    상기 활성층의 비선형 계수 이하인 증폭 도파 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제2 코어층의 비선형 계수는
    50이하인 물질을 포함하는 증폭 도파 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 제2 코어층은,
    질소의 조성비가 실리콘의 조성비보다 큰 실리콘 질화물로 형성된 증폭 도파 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제2 코어층의 입력단은,
    상기 제2 코어층의 광축에 대해 55도 이상으로 경사진 증폭 도파 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 활성층과 상기 제2 코어층은 직접 접하는 증폭 도파 장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 제2 코어층 중 적어도 일부는
    상기 제2 코어층의 광축을 기준으로 상기 활성층과 중첩되는 증폭 도파 장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 활성층과 상기 제2 코어층 사이에 배치되는 무반사 코팅층;을 더 포함하는 증폭 도파 장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 무반사 코팅층은,
    굴절률이 서로 다른 복수 개의 물질층이 교대로 코딩된 증폭 도파 장치.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 무반사 코팅층은,
    상기 활성층의 굴절률과 상기 제2 코어층의 굴절률 사이의 굴절률을 갖는 물질로 코팅된 증폭 도파 장치.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 도파로는,
    상기 광 증폭기와 동일 층상에 배치되는 증폭 도파 장치.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 코어층은,
    상기 제2 코어층과 동일한 물질로 형성된 증폭 도파 장치.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 코어층과 활성층은 직접 접하는 증폭 도파 장치.
  14. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 코어층은 상기 활성층과 단차진 증폭 도파 장치.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 제1 코어층은
    실리콘을 포함하는 증폭 도파 장치.
  16. 제 1항에 있어서,
    상기 활성층은,
    이온이 도핑된 증폭 도파 장치.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 이온은,
    에르븀(Er)을 포함하는 증폭 도파 장치.
  18. 광의 출사 방향을 변환하는 빔 스티어링 유닛;
    상기 빔 스티어링 유닛으로부터 입사된 광이 진행하는 제1 코어층을 포함하는 제1 도파로;
    상기 제1 도파로로부터 입사된 상기 광을 증폭시키는 활성층을 포함하는 광 증폭기; 및
    상기 광 증폭기와 동일층상에 배치되며, 상기 광 증폭기로부터 입사된 증폭된 광이 진행하는 제2 코어층을 포함하는 제2 도파로;를 포함하는 빔 스티어링 장치.
  19. 제 18항에 있어서,
    상기 빔 스티어링 유닛로부터의 광을 상기 제1 도파로에 결합시키는 커플러;를 더 포함하는 빔 스티어링 장치.
  20. 제 19항에 있어서,
    상기 커플러는,
    콜리메이팅 렌즈, 광섬유, 그레이팅 중 적어도 하나를 포함하는 빔 스티어링 장치.
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