KR20200019243A - 음향광학 빔 조향 시스템 - Google Patents
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Abstract
광학 빔을 2차원적으로 조향하는 시스템 및 방법이 개시된다. 상기 시스템은 음향 광학 안테나 어레이(acousto-optic antenna array) 및 음향 변환기(acoustic transducer)를 포함하는 기판을 포함한다. 안테나 어레이의 각 안테나는, 광신호를 전달하는 높은 구속성 표면파 웨이브가이드(high-confinement surface waveguide)를 포함한다. 음향 변환기(acoustic transducer)는 음향 에너지를 기계적 파동으로서 각 표면파 웨이브가이드에 가한다. 각 표면파 웨이브가이드 안의 광신호와 기계적 파동의 상호작용은, 빛이 자유공간으로 산란되도록 유도한다. 복수 개의 웨이브가이드로부터 산란된 빛은 총체적으로 출력빔을 이룬다. 기판에 대한 출력빔의 종축각(longitudinal angle)은 기계적 파동과 광신호의 상대적 주파수에 의해 결정된다. 출력빔의 횡축각(transverse angle)은 표면파 웨이브가이드에 걸쳐서 기계적 파동 및/또는 광신호의 상대 위상을 제어함으로써 제어된다.
Description
본 출원은 2017 년 6 월 30 일에 출원된 미국 가출원 제 62/527,332호(대리인 사건 번호: 146-071PR1)를 우선권으로 주장한다. 미국 가출원 제 62/527,332호의 전체 개시 내용은 본원에 참조로 포함된다.
본 발명은 미국 국립 과학 재단(National Science Foundation)으로부터 도급된 계약 1509107 및 미국 해군 연구청(Office of Naval Research)으로부터 도급된 계약 N00014-15-1-2761하에 정부 지원으로 이루어졌다. 정부는 본 발명에서 특정 권리를 가진다.
본 발명은 일반적으로 광학 빔 조향에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 광학 위상 어레이 기반의 빔 조향에 관한 것이다.
2차원적 광학 빔 조향은 여러 분야 중에서도 전기통신, 라이다(LiDAR), 3차원 이미징(imaging), 초분광(hyperspectral) 이미징, 광학 센싱 애플리케이션 등을 포함하는 다양한 응용분야에서 널리 쓰이는 중요한 기술이다.
역사적으로, 대부분의 빔 조향 시스템은 느리고 비싼 거시 기계적 빔 편향(macro-mechanical-beam-deflection) 시스템, 예를 들면 2차원적 짐벌 기반(gimbal-based) 이동식 거울, 1차원적 이동식 거울 쌍, 위치조절식 대형 광학 기기 등을 사용했다. 안타깝게도, 그러한 시스템들은 구현하기 복잡하며, 비싸고, 제한된 응답속도를 가지며, 신뢰성 문제가 산적해있다.
대조적으로, 온칩 광학 위상 어레이(on-chip optical phased arrays, OPAs)는 광학 빔 조향에 대한 실질적으로 고체물리적인 접근방식을 제공하여 빠르고, 보다 강하고, 더 싼 빔 조향 시스템을 제공한다. 기존 OPA들은 액정 위상 변위기, MEMS 기반 피스톤 또는 격자 기반 거울, 열광학(thermo-optic) 위상 변위기와 격자 커플러가 내장된 통합 광학 기반(integrated-optics-based) 표면파 웨이브가이드 어레이 등의 매우 다양한 기술을 이용하여 구현되어왔다. 그러한 기존 기술 시스템은 거시 기계적 빔 편향 시스템보다 싸고 신뢰성이 높지만, 안타깝게도 여전히 큰 단점을 가진다.
예를 들어 액정 기반 위상 변위기는 상대적으로 느린 응답속도를 가지며 온도와 파장의 변화에 매우 민감한 것으로 알려져있다.
피스톤으로 동작하는 거울을 사용하는 미시 기계적 (즉, MEMS 기반) OPA들은 빠른 응답속도의 구현이 가능하지만; 작은 요소간(inter-element) 피치(pitch)를 가지는 MEMS기반 OPA는 구현이 어려워서, 구현가능한 시야의 크기가 제한된다.
파장 가변 레이저와 통합 광학 기반 표면파 웨이브가이드 격자 기반의 OPA들도 장래성이 있다. 그러한 시스템들에서는, 표면파 웨이브가이드 격자가 가지는 큰 분산(dispersion) 성질을 이용하여 빛의 방향을 바꾸기 위해 빠른 가변 레이저가 사용된다. 불행하게도, 이 경우, 빠른 가변 레이저를 실리콘 포토닉스로 구현해야하며, 같은 안테나에서의 송수신 간의 혼신(cross-talk)이 발생하며, 라이트 필드(light field)상에서 전송될 수 있는 RF 대역폭이 각분산(angular dispersion)에 의해 제한된다.
또한, OPA에 사용하기 적합한 표면파 웨이브가이드 격자를 만드는 기하학적 퍼터베이션(geometric perturbations)의 경우, 바람직하게는 표준 리소그래피(lithography) 기술을 이용하여 격자를 만들 수 있다. 그러나 낮은 광 발산(beam divergence)을 가지는 빔을 출력하기 위해서는 긴 웨이브가이드(수 밀리미터 이상)와 고해상도 패터닝(1나노미터 정도의 크기 정도)이 필요할 수 있다. 불행히도, 표준 패터닝 기술을 사용하면 불가능하진 않더라도 나노미터 크기의 특징들을 넓은 영역에 패터닝하는 것은 매우 어려울 수 있다. 그러므로, e-beam 리소그래피, 엑스선 리소그래피 등의 고비용 패터닝 방법이 필요하다. 또 다른 방법으로는, 필요한 리소그래피 치수(dimensions)를 증가시키기 위하여, 표면파 웨이브가이드와 그 내부의 격자를 확대함으로써 웨이브가이드 배치 밀도를 낮출 수 있다.
이러한 단점을 완화하기 위하여 고정 주파수 레이저가 사용되었으나; 이 경우에는 온칩 2차원적 빔 조향을 매우 어렵게 하는 다른 문제가 발생할 수 있다. 예를 들면, 틈(aperture)의 크기가 늘어남에 따라, 필요한 위상 변위기와 커플러의 갯수가 늘어나는 정도가 지나치게 된다. 또한, 가장 널리 쓰이는 위상 변위기는 열광학 위상 변위기로, 전력효율이 낮다. 그러므로, 소자(element) 당, 보통 수 밀리와트 정도의 일정한 소비 전력이 필요하다. 따라서, 밀리미터 크기의 틈(aperture)의 경우 2차원적 빔 조향은 위상 변위기의 구동 자체만으로도 킬로와트급의 전력을 소비하게 된다.
또한, 마이크로스트립 패치 안테나(microstrip patch antennas)가 효율적으로 복사방출을 할 수 있고 전자기장의 자유공간 파장보다 작은 풋프린트(footprints)를 가지는, 마이크로웨이브 주파수를 사용하는 위상 어레이와는 다르게, 광학적 영역에서는 광학적 도파 파동(optical guided wave)으로부터 작은 풋프린트(자유공간 파장 이하)를 가지는 복사모드(radiating mode)로 빛을 완전히 산란시키기가 어렵다. 그러므로 포토닉 시스템에서의 안테나 또는 복사방출 소자는 보통 크고, 빛의 파장보다 큰 피치의 2차원적 간격을 가진다. 큰 간격은 큰 부엽(side-lobes)이 생기게 하며 위상 어레이의 성능을 저하시킨다.
기존 기술로는 2차원에서의 유용한 광학 빔 조향을 가능하게 하는 장치 기술을 구현하지 못하고 있다.
본 발명은 표면파 웨이브가이드(surface waveguides)의 어레이 각각에 동적 격자 구조를 사용함으로써 광학 빔 조향을 가능하게 한다. 동적 격자는 표면파 웨이브가이드 안에서 원하는 주파수를 가진 기계적 파동을 가함으로써 형성된다. 그러므로, 각각의 표면파 웨이브가이드 안에서 진행되는 광학 파동은, 광학 파동이 표면파 웨이브가이드로부터 자유공간 광학복사로서 산란되도록 하는 음향 광학(acousto-optical) 상호작용의 영향을 받을 수 있다. 표면파 웨이브가이드의 어레이로부터 산란된 빛은 총체적으로 하나 이상의 광학 빔을 이루며, 이 광학 빔은 기계적 파동의 파장을 제어함으로써 제1 차원(종 방향 차원)에서 개별적으로 조향될 수 있다. 제2 차원(횡 방향 차원)에서의 조향은 각 표면파 웨이브가이드에서 기계적 파동과 광학 파동의 상대 위상을 제어함으로써 수행될 수 있다. 또한, 표준 실리콘 포토닉스 공정과 호환되는 소재를 사용함으로써, 본 발명에 따른 실시예들은 실리콘 포토닉스(예를 들면, 레이저, 위상 변위기(phase shifter), 검출기 등) 분야에서 기존 개발된 기술들과 호환되며, 전자회로의 단일 집적(monolithic integration)을 가능하게 함으로써 시스템 단위(system-scale)의 집적을 가능하게 한다. 본 발명에 따른 실시예들은 라이다(light detection and ranging, LIDAR), 자율주행차, 로봇공학, 라이트 필드(light field) 이미징, 플렌옵틱 카메라(plenoptic cameras), 자유공간 광학 통신 및 스위칭 시스템, 무선송전, 의료진단 등과 같은 응용분야에서의 사용에 특히 적합할 수 있다.
기존 기술과 대조적으로, 본 발명에 따른 실시예들은 기존 기술의 음향 광학 시스템에 비해 1) 보다 효율적인 빛 산란; 및 2) 보다 높은 웨이브가이드 배치 밀도를 가짐으로써 빔 조향 시스템의 출력 신호에서 생기는 원치않는 부엽(sidelobes)을 보다 더 억제 할 수 있는 장점을 가지는 하나 이상의 높은 구속성(high-confinement) 웨이브가이드를 사용한다.
일 실시예로서, 표면파 웨이브가이드의 소재 안에 기계적 파동을 제공하는 기계적 변환기(mechanical transducer)와 커플링되어 동작하는 각각의 높은 구속성 웨이브가이드의 어레이를 포함하는 광학 빔 조향 시스템을 들 수 있다. 기계적 변환기는 해당하는 표면파 웨이브가이드 안의 기계적 파동의 위상에 대한 제어를 가능하게 하는 기계적 위상 변위기를 통해 각각의 표면파 웨이브가이드와 커플링될 수 있다. 2차원적 빔 조향은 표면파 웨이브가이드의 어레이에 걸친 기계적 파동의 상대 위상 뿐만 아니라 표면파 웨이브가이드 안의 기계적 파동의 파장의 제어를 통해 가능할 수 있다.
어떤 실시예들에서는, 개별적으로 설정된 웨이브가이드의 어레이 대신 고굴절률차(high-index-contrast) 평판(slab) 웨이브가이드가 사용된다. 광학 및/또는 기계적 위상 변위기는 평판 안에서의 빛 및/또는 기계적 파동의 방향을 제어함으로써 방출되는 복사를 조향한다.
어떤 실시예들에서는, 표면파 웨이브가이드들은 좁은 지지 구조물들에 의해 기판 위에 들려있어서, 표면파 웨이브가이드들의 구조를 이루는 소재들의 대부분이 기판에 상대적으로 움직일 수 있다.
어떤 실시예들에서는, 각각의 표면파 웨이브가이드들은 각각의 해당 광 신호의 위상을 제어할 수 있는 위상 변위기를 포함할 수 있다. 그러한 실시예들에서는, 기계적 위상 변위기가 포함될 수도 또는 포함되지 않을 수도 있다.
어떤 실시예들에서는, 적어도 하나의 표면파 웨이브가이드는, 레이저, 위상 변위기, 검출기, 게인 소자(gain elements), 변조기(modulators), 회절 소자(diffraction elements), 브래그 거울(Bragg mirrors), 스플리터(splitters), 결합기(combiners) 등의 하나 이상의 포토닉 소자를 포함하는, 포토닉 광파동 회로와 광학적으로 커플링 될 수 있다. 어떤 실시예들에서는, 표면파 웨이브가이드의 어레이는 전자 회로, 논리 소자(logic elements) 등을 또한 포함하는 포토닉 집적 회로의 일부일 수 있다.
본 발명에 따른 일 실시예는, 기판; 각각 높은 구속성(high-confinement) 웨이브가이드이며 광 신호를 전달(conveying)하는, 상기 기판 위에 배치된 복수 개의 표면파 웨이브가이드(surface waveguide); 복수 개의 기계적 파동을 유도(induce)하도록 구성되어 상기 복수 개의 기계적 파동 각각이 상기 복수 개의 표면파 웨이브가이드의 서로 상이한 표면파 웨이브가이드와 커플링되도록 하는, 상기 복수 개의 표면파 웨이브가이드와 커플링되어 동작하는 음향 변환기(acoustic transducer); 및 각각의 해당하는 표면파 웨이브가이드에 의해 전달되는 기계적 파동 각각과 광 신호의 상대 위상을 제어하기 위한 위상 변위기;를 포함하는 위상 제어기를 포함하는 광학 빔 조향 시스템일 수 있다.
본 발명에 따른 다른 실시예는, 기판 위에 배치된 복수 개의 표면파 웨이브가이드 - 상기 표면파 웨이브가이드는 높은 구속성(high-confinement) 웨이브가이드이며, 상이한 복수 개의 광 신호 각각을 전달함 - 를 통해 파장 λ를 가진 복수 개의 광 신호가 전달되는 단계; 복수 개의 기계적 파동을 상기 복수 개의 표면파 웨이브가이드와 커플링함으로써, 상기 복수 개의 기계적 파동 및 상기 복수 개의 광 신호 사이의 상호작용을 통해 상기 복수 개의 표면파 웨이브가이드로부터 광학 빔이 방출되도록 하되, 상기 기계적 파동은 제1 주파수 ω를 가지는 것을 특징으로 하는 단계; 및 상기 제1 주파수 ω가 제어되는 단계;를 포함하는, 광학 빔을 조향하기 위한 방법일 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 일 실시예에 따른 빔 조향 시스템을 나타내는 기능적 블록 다이어그램이다.
도 2a는 기계적 파동과 하나의 표면파 웨이브가이드 안에서 진행(propagating)되는 광 신호 간의 상호작용에 의한 자유공간 복사(free-space radiation)의 생성을 나타내는 도면이다.
도 2b는 도파된(guided) 광학 및 기계적 파동과 커플링 각도 θ 사이의 위상매칭(phase-matching)에서 위상 간의 관계를 나타내는 도면이다.
도 3a는 시스템(100)의 자세한 원근법 시점을 나타내는 도면이다.
도 3b는 음향 광학 안테나 어레이(acousto-optic antenna array)(102)의 일부분의 단면을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 조향 시스템을 형성하는 방법의 동작을 나타낸 도면이다.
도 5는 음향 광학 안테나 어레이(102)의 단면을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 빔을 2차원적으로 조향하는 방법의 동작을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 빔 조향 시스템을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 빔 조향 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2a는 기계적 파동과 하나의 표면파 웨이브가이드 안에서 진행(propagating)되는 광 신호 간의 상호작용에 의한 자유공간 복사(free-space radiation)의 생성을 나타내는 도면이다.
도 2b는 도파된(guided) 광학 및 기계적 파동과 커플링 각도 θ 사이의 위상매칭(phase-matching)에서 위상 간의 관계를 나타내는 도면이다.
도 3a는 시스템(100)의 자세한 원근법 시점을 나타내는 도면이다.
도 3b는 음향 광학 안테나 어레이(acousto-optic antenna array)(102)의 일부분의 단면을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 조향 시스템을 형성하는 방법의 동작을 나타낸 도면이다.
도 5는 음향 광학 안테나 어레이(102)의 단면을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 빔을 2차원적으로 조향하는 방법의 동작을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 빔 조향 시스템을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 빔 조향 시스템을 나타낸 도면이다.
도 1은 본 발명에 따른 일 실시예에 따른 빔 조향 시스템을 나타내는 기능적 블록 다이어그램이다. 시스템(100)은 음향 광학 안테나 어레이(acousto-optic antenna array)(102), 광원(104), 음향원(106), 위상 제어기(108), 및 처리회로(110)를 포함할 수 있다. 시스템(100)은 출력 빔(116)을 2차원적으로 생성하고 조향하도록 동작한다.
음향 광학 안테나 어레이(102)는 기판 위에 배치된, 고굴절률차(high-index-contrast)를 가지는 복수 개의 높은 구속성(high-confinement) 표면파 웨이브가이드(surface waveguides)를 포함하는 평판형 광파동 회로(planar lightwave circuit, PLC)이되, 각각의 표면파 웨이브가이드는 상기 안테나 어레이의 상이한 안테나 소자로서 기능하며, 상기 PLC는 음향원(106)에 의해 제공되는 기계적 에너지를 상기 표면파 웨이브가이드에 효율적으로 커플링하도록 구성될 수 있다.
통상의 기술자에게 알려져있듯이, 통합 광학 기반 웨이브가이드(integrated-optics-based optical waveguide, 여기서 표면파 웨이브가이드 또는 웨이브가이드로 지칭)는 기판의 표면에 형성된 광 도파(light-guiding) 구조일 수 있다. 광 도파 구조는 광학 에너지를 표면파 웨이브가이드 안에 구속하는 역할을 하는 클래딩 층(cladding layers)에 의해 둘러싸인 광 도파 코어(core)를 포함할 수 있다. 상기 코어와 클래딩의 소재는, 코어 소재의 굴절률이 클래딩 소재(들)의 굴절률보다 약간 높도록 선택될 수 있다. 이러한 굴절률들 간의 차이는, 표면파 웨이브가이드를 통해 진행(propagating)되는 광 신호의 광학 에너지가 코어 영역에 얼마나 좁게 집속되는지를 결정할 수 있다.
전형적으로, 기존 기술의 음향 광학 빔 조향 시스템들은 코어와 클래딩 소재들의 굴절률에 약간의 차이만 있는 표면파 웨이브가이드에 기반하기 때문에, 빛의 낮은 구속성을 보인다. 전형적으로, 기존 기술의 음향 광학 빔 조향 시스템들은 기판에 고정된 표면파 웨이브가이드에 기반하기 때문에 기계적 파동에 대한 낮은 구속성을 보인다. 이러한 표면파 웨이브가이드들은 여기서 "낮은 구속성 표면파 웨이브가이드"들로 지칭된다. 대조적으로, 본 발명에 따른 실시예들은, 아래 논의된 바와 같이, 기존 기술에 비해 뛰어난 장점을 가지는 높은 구속성 웨이브가이드를 사용한다. 청구항을 포함하는 본 명세서의 목적을 위한 "높은 구속성 웨이브가이드"는 통합 광학 기반 웨이브가이드이되, 이의 광 도파 코어는 코어를 둘러싸는 클래딩 소재의 굴절률보다 적어도 10% 높은 굴절률을 가지는 소재를 포함하고 해당 기판으로부터 떨어져서(released) 기계적으로 활성화될 수 있다. 따라서, 높은 구속성 웨이브가이드를 통해 진행되는 빛 또는 음향 신호의 광학 또는 기계적 에너지는, 표면파 웨이브가이드의 클래딩 영역으로 약간 연장되는(존재하지 않을 수도 있음) 모드 필드(mode field)를 가질 수 있다. 도시된 예에서는, 시스템(100)에서 사용되는 높은 구속성 웨이브가이드는 공기로 둘러싸이고(air-cladded), 실리콘 코어 표면파 웨이브가이드는 실리콘을 포함하는 코어를 가지며 이는 공기로 둘러싸이고, 공기는 표면파 웨이브가이드의 클래딩 소재로서 기능할 수 있다. 실리콘은 약 3.5 정도의 굴절률을 가지며, 공기의 굴절률은 1이다. 본 발명에 따른 실시예들에서의 사용에 적합한 높은 구속성 웨이브가이드의 다른 예들은, 질화 규소(silicon nitride)로 이루어지는 코어 및 공기와 이산화 규소(silicon dioxide)로 이루어지는 클래딩을 가지는 표면파 웨이브가이드, 적어도 하나의 이산화 규소 기반의 클래딩 층을 가지는 실리콘 코어 표면파 웨이브가이드, 특정 실리콘 산화질소 코어 웨이브가이드 등을 포함하며, 이에 한정되지는 않는다.
광원(104)은 광신호(112)를 제공하는 레이저이며, 광신호 각각은 약 1.55 마이크론의 파장 λ1을 가지며 음향 광학 안테나 어레이(102)의 표면파 웨이브가이드에 광학적으로 커플링될 수 있다. 어떤 실시예들에서는, 광원(104)은 결맞는 빛(coherent light)을 제공하는 다른 광원일 수 있다. 어떤 실시예들에서는, 광 신호는 1.55 마이크론이 아닌 파장을 가질 수 있다.
음향원(106)은, 주파수 ω를 가지는 기계적 파동으로서 음향 광학 안테나 어레이(102)의 각 안테나(즉, 높은 구속성 웨이브가이드)로 커플링되는 음향 에너지(114)를 생성하도록 동작하는 생성기(generator)일 수 있다.
위상 제어기(108)는 음향 광학 안테나 어레이(102)의 표면파 웨이브가이드 안의 기계적 파동 각각의 위상을 제어하기 위해 동작하는 제어기일 수 있다. 어떤 실시예들에서는, 위상 제어기(108)는 음향원(106)과 각 표면파 웨이브가이드 사이의 소재의 탄성 및/또는 밀도를 제어하기 위해 동작하는 복수 개의 열 튜닝 소자를 포함할 수 있다. 어떤 실시예들에서는, 위상 제어기는, 또 다른 물리적 기제를 통해 각 표면파 웨이브가이드 안의 기계적 파동의 위상을 제어하는 복수 개의 소자를 포함할 수 있다. 어떤 실시예들에서는, 위상 제어기(108)는, 음향 광학 안테나 어레이(102)의 표면파 웨이브가이드를 통해 진행되는 광 신호 각각의 광학적 위상을 제어하는 광학 위상 제어기들의 어레이를 포함할 수 있다.
처리회로(110)는 출력 빔(116)을 2차원적으로 조향하기 위하여, 특히, 위상 제어기(108), 음향원(106), 및 광원(104)의 출력을 제어하기 위해 동작하는 기존의 프로세서를 포함하는 전자회로일 수 있다. 도시된 예시에서는, 처리회로(110)는 음향 광학 안테나 어레이(102)와 동일한 기판 위에 단일 집적(monolithically integrated)될 수 있다. 도시된 예시에서는, 처리회로는 단일 개별 구성요소로서 도시된다. 다양한 다른 실시예들에서는, 여기에 개시된 기능들을 수행하기 위하여, 처리회로는 적어도 부분적으로 시스템(100)의 복수 개의 구성요소에 분배되거나, 클라우드 기반 컴퓨팅 시스템 또는 원격 컴퓨팅 시스템에 부분적으로 또는 완전히 구현되거나, 또는 적절한 장비에 구현될 수 있다.
광기계적(optomechanical) 안테나의 작동 원리
본 발명에 따른 실시예들의 작동원리는 표면파 웨이브가이드에 커플링된 음향 파동은 웨이브가이드 안의 도파 광학 파동(guided optical wave)으로서 진행되는 빛을 자유공간(free space)으로 진행되는 빔으로 효율적으로 산란시킬 수 있다는 사실에 의거한다. 이는 길이 방향으로 진행되는 두 개의 광학파동 간의 위상 매칭은 음향 파동 모멘텀을 사용하여 수행될 수 있고, 반면, 수직 방향으로의 병진 대칭성(translational symmetry)을 깨는 표면에서의 광학파동에 대해서는 수직 모멘텀이 보존될 필요가 없기 때문이다. 아래 논의된 바와 같이, 출력 빔이 진행되는 길이 방향의 각도는, 음향 파동과 도파 광학 파동의 상대적 파장에 의존한다.
도 2a는 기계적 파동과 하나의 표면파 웨이브가이드 안에서 진행되는 광 신호 간의 상호작용에 의한 자유공간 복사(free-space radiation)의 생성을 나타내는 도면이다. 그림(200)에는 표면파 웨이브가이드(204)에 입사(injection)되어 표면파 웨이브가이드 안에서 파장 ω의 특징을 가지는 도파 광학 파동(202)이 도시되어 있다.
기계적 파동(206)은 표면파 웨이브가이드(204) 안에 유도(induced)되어, 상호작용 거리(interaction length)에 걸쳐 기계적 파동과 도파 광학 파동(202)이 상호작용함으로써, 도파된(guided) 광학 에너지가 자유공간으로 산란되도록 한다. 기계적 파동은, 예를 들어, 경로 길이(path length)의 증가, 부피 탄성 광학 효과(volume elasto-optic effect)에 의한 굴절률 변화의 야기, 및/또는 경계 퍼터베이션 효과(boundary perturbation effect)의 실현에 의해 표면파 웨이브가이드 소재의 광학적 성질의 변화를 야기할 수 있다.
에너지와 모멘텀의 보존법칙이 지켜져야하므로, 기계적 파동과 도파 광학 파동 사이의 상호작용은 도플러 편이된 자유공간 복사(208)를 일으키며 이는 파장 ωrad의 특징을 지니되, ωrad=ω+Ω이고 Ω는 기계적 파동(206)의 주파수이다.
이상적인 경우, 웨이브가이드 모멘텀 보존으로부터 다음의 위상 매칭 조건이 나온다:
β(ω)-Κ(Ω)=k0 (ωrad )cos(θ)
(1)
이때 β(Ω)는 도파 광학 파동(202)의 웨이브 벡터, K(Ω)는 기계적 파동(206)의 웨이브 벡터, θ는 출력 복사가 진행되는 커플링 각도, 즉 웨이브가이드의 표면에 대한 x-z 평면 상의 각도, 그리고 k0=ωrad/c 일 수 있다(c는 광속).
그러므로, 기계적 파동(206)과 도파 광학 파동(202) 사이의 위상 관계를 제어함으로써, 커플링 각도 θ의 크기를 제어할 수 있다.
도 2b는 도파된(guided) 광학 및 기계적 파동과 커플링 각도 θ 사이의 위상매칭(phase-matching)에서 위상 간의 관계를 나타내는 도면이다. 그림(210)은, 그림(200)에 도시된 시스템에서의 상이한 3개의 위상 매칭 조건을 위한 커플링 각도 θ를 나타낸다.
본 발명에 따른 실시예들에서 경계 퍼터베이션 효과 뿐 아니라 부피 탄성 광학 효과에 의해 야기된 굴절률 변화는, 음향 광학 안테나 어레이(102)에 포함된 표면파 웨이브가이드가 기존 기술에 의한 시스템에서 쓰이는 낮은 구속성 웨이브가이드가 아닌 높은 구속성 웨이브가이드라는 사실에 의하여 매우 강화된다는 점을 알아두어야 할 것이다. 이에 따라 본 발명에 따른 실시예들에서는, 표면파 웨이브가이드로부터 산란되는 빛의 원하는 양을 성취하기 위해서 필요한 기계적 움직임의 크기가 작아진다.
이제 일 실시예로 다시 돌아가면, 도 3a는 시스템(100)의 자세한 원근법 시점을 나타내는 도면이다. 도 3a에 도시된 바와 같이 시스템(100)은, 음향 광학 안테나 어레이(102), 음향원(106), 및 위상 제어기(108)가 기판(302)에 단일 집적(monolithically integrated)된 빔 조향 시스템의 예시이다. 도시된 예시에서는, 시스템(100)은 단일 집적된 처리회로(110) 또한 포함한다. 어떤 실시예들에서는, 음향 광학 안테나 어레이(102), 음향원(106), 위상 제어기(108), 및 처리회로(110) 중 적어도 하나는, 시스템(100)의 나머지 소자들과 별도의 기판에 형성되고 하이브리드 방식(또는 동작하도록 커플링되는 방식)으로 집적될 수 있다. 어떤 실시예들에서는, 광원(104)은 기판(302)에 단일 집적된 것일 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 조향 시스템을 형성하는 방법의 동작을 나타낸 도면이다. 방법(400)은 동작(401)으로 시작되며, 음향 광학 안테나 어레이(102)의 표면파 웨이브가이드 소자들의 구조는 기판(302)에 제공될 수 있다. 방법(400)은 도 1, 도 3a, 및 도 3b를 계속 참조하여 기술된다.
기판(302)은 평판 처리 제조기법(planar processing fabrication method)에 사용하기에 적합한 기존의 기판일 수 있다. 도시된 예시에서는, 기판(302)은 기존의 실리콘 핸들 웨이퍼(silicon handle wafer)(316), 매몰 산화실리콘막(buried oxide layer, BOX)(318), 및 단결정 실리콘 활성층(single-crystal-silicon active layer)(320)을 포함하는 기존의 절연체 상 실리콘(silicon-on-insulator, SOI) 기판일 수 있으며, 이때 활성층(320)의 두께는 약 300 나노미터(nm)일 수 있다.
도시된 예시에서 기판(302)은 SOI 기판이지만, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다양한 다른 기판이 기판(302)으로 쓰일 수 있다. 본 발명에 따른 실시예들에 사용하기 적합한 기판들은 실리콘, 니오브산 리튬(lithium niobate), 화합물 반도체(예를 들어, 갈륨 비소(gallium arsenide), 알루미늄 갈륨 비소(aluminum gallium arsenide), 인화 인듐(indium phosphide), 텔루르화 카드뮴(cadmium telluride) 등), 반도체 화합물(예를 들어, 탄화규소(silicon carbide), 실리콘 게르마늄(silicon germanium) 등), 유전체, 유전체 스택(dielectric stacks), 유리, 복합 재료 등을 포함하는 기판일 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
음향 광학 안테나 어레이(102)는 표면파 웨이브가이드(304)의 선형 어레이를 포함할 수 있다. 표면파 웨이브가이드(304) 각각은 직선형 웨이브가이드인 부분을 포함할 수 있으며, 이러한 직선형 웨이브가이드 부분들은 y 방향을 따라 병렬적으로 배열될 수 있다. 예시적으로, 음향 광학 안테나 어레이(102)는 5개의 안테나 소자, 즉 표면파 웨이브가이드(304), 만을 가지는 것으로 도 3에 도시되어 있다. 보통, 음향 광학 안테나 어레이(102)에 포함되는 안테나의 갯수는 10 내지 10000개이지만, 본 발명에 따른 음향 광학 안테나 어레이는 실용적인 임의의 갯수의 안테나를 포함할 수 있다.
도 3b는 음향 광학 안테나 어레이(acousto-optic antenna array)(102)의 일부분의 단면을 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 3b는, 도 3a에 도시된 선 a-a를 따른 시점에 의한다. 표면파 웨이브가이드(304) 각각은 공기로 둘러싸인, 실리콘 코어 릿지(ridge)타입 표면파 웨이브가이드이며, 기계적 활성 영역(314) 안에서 핸들 웨이퍼(316) 위로 거리 d1인 곳에 떨어져있다.
표면파 웨이브가이드(304)의 구조는, 활성층(320)에 배치된 포토레지스트 마스크에 각 웨이브가이드 구조의 릿지 부분의 측방향 부분을 만든 후, 활성층의 노출된 부분을 기존 반응성 이온 에칭(RIE)방식으로 부분적으로 에칭함으로써 기계적 활성 영역(314)에 형성된다.
도시된 예시에서는, 표면파 웨이브가이드(304) 각각은 릿지 부분(328)과 평판(slab) 부분(330)을 포함하는 릿지타입 웨이브가이드일 수 있다. 릿지 부분(328)은 폭 w1과 두께 t1을 가지고, 평판 부분(330)은 폭 w2와 두께 t2를 가질 수 있다. 릿지 부분들은 실질적으로 연속적인 평판 부분으로부터, y 방향으로의 균일한 피치(pitch) p1마다 돌출될 수 있다. 도시된 예시에서는, w1과 w2는 500 nm, t1은 300 nm, t2는 약 100 nm, 그리고 웨이브가이드 피치 p1은 1500 nm일 수 있다. 보통, 표면파 웨이브가이드(304)들은 음향 에너지(114)의 기계적 파동 뿐 아니라 광 신호(112)의 광학 파동을 도파(guide)하도록 구성될 수 있다.
상기 제공된 치수들은 예시일 뿐이며, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 넓은 범위의 웨이브가이드 치수가 사용될 수 있다. 또한, 표면파 웨이브가이드(304)는 채널 웨이브가이드 구조 등의 임의의 실용적 웨이브가이드 구조를 가질 수 있으며, 그리고/또는 임의의 실용적 코어와 클래딩 소재(예를 들어, 질화 규소(silicon nitride), 규소 리치 질화 규소(silicon-rich silicon nitride), 이산화 규소(silicon dioxide), 니오브산 리튬(lithium niobate), 화합물 반도체 등)를 포함할 수 있다. 또한 아래 논의된 바와 같이 어떤 실시예들에서는 음향 광학 안테나 어레이(102)의 표면파 웨이브가이드 어레이는 평판(slab) 웨이브가이드에 의해 대체될 수 있다.
바람직하게는, 표면파 웨이브가이드(304)는 기판(302)의 "기계적 활성" 영역에 형성될 수 있다. 이에 따라, 선택적 동작(402)에서, 기계적 활성 영역(314)이 형성될 수 있다. 어떤 실시예들에서는, 표면파 웨이브가이드(304)는 기계적 활성 층에 배치되지 않는다.
기계적 활성 영역(314)은 그 밑의 BOX 층(318)을 제거하여 형성됨으로써, 핸들 웨이퍼(316)로부터 활성층의 해당 부분을 떨어뜨리게(releasing) 될 수 있다. 기계적 활성 영역(314)을 형성하기 위해, 평판 영역(330)을 관통하여 밑에 있는 BOX 층(318)까지 릴리스 구멍(release holes)(324)이 에칭될 수 있다. 릴리스 에칭액(release etchant), 예를 들면 불산(hydrofluoric acid), 을 사용하여 릴리스 구멍(324)을 통해 BOX 층을 에칭함으로써, 활성층(320)의 밑을 제거하여 기계적 활성 영역(314)을 만들 수 있다. 지지대(322)를 만들기 위해, 이러한 릴리스 에칭(release etch)은 BOX 층(318)의 일부분이 제자리에 그대로 위치하도록 시간조절되며, 지지대(322)는 인접한 표면파 웨이브가이드(304)들 간의 음향 에너지의 측방향 진행을 억제한다.
어떤 실시예들에서는 기계적 활성 영역(314)은 복수 개의 앵커들에 의해 핸들 웨이퍼(316)의 위에 지지되며, 앵커들은, 릴리스 에칭이 수행되기 전에 구조층(320)과 BOX 층(318)을 관통하여 형성된 비아(vias)들 안에 등각으로(conformally) 침전된 구조재(예를 들어, 폴리실리콘, 질화 규소 등)에 의해 형성될 수 있다.
기계적 활성 영역(314)의 포함은 음향 에너지(114)가 핸들 웨이퍼에 커플링되는 것을 완화함으로써, 매우 효율적인(기존 기술 시스템에 비해 세 크기 정도(orders of magnitude)만큼) 산란과정을 가능케 한다. 이에 따라, 표면파 웨이브가이드로부터의 빛 방출(light emission)을 달성하기 위한 장치의 동작에 필요한 전력량이 감소한다. 보다 효율적인 산란과정은, 필요한 상호작용 거리(interaction length), 즉 기계적 파동(326)과 광신호(112)가 상호작용할 수 있는 거리, 또한 감소시킬 수 있다. 그러나, 원거리장 해상도(far-field resolution)를 높이고 전력소비를 줄이기 위해서는 일반적으로 상호작용 거리가 긴 것이 바람직하다. 이 명세서를 읽은 후 통상의 기술자는, 기계적 활성 영역(314)의 형성은 표면파 웨이브가이드 안에서의 광신호의 전반사와 어느 정도 유사한 기계적 효과를 발생시키며 기판에 의한 기계적 에너지의 기계적 감쇠를 줄인다는 것을 알 수 있을 것이며, 이런 효과들은 칩 위에서 음향 에너지(114)가 진행될 수 있는 거리를 증가시킬 수 있다.
도시된 예시에서는, 표면파 웨이브가이드의 평판 영역은 표면파 웨이브가이드의 전체 길이에 걸쳐서 기계적으로 연결되어있으나; 어떤 실시예들에서는, 평판 영역은 각 표면파 웨이브가이드의 길이를 따라 분포하는 개별 테더(tethers)들을 만들도록 패터닝되어 인접한 웨이브가이드 간에 연장되도록 할 수 있다. 이에 따라, 테더들은 표면파 웨이브가이드들을 핸들 웨이퍼(316)위에 지지하며, 인접한 표면파 웨이브가이드들 간의 기계적 커플링도 완화할 수 있다. 이에 더해서, 표면파 웨이브가이드들 간의 기계적 및/또는 광학적 누화(cross-talk)는, 별개의 표면파 웨이브가이드 간의 광학 및/또는 기계적 파동의 커플링을 억제하기 위하여 웨이브가이드 코어의 치수를 변화시키는 것과 더불어, 평판을 보다 복잡한 양상(예를 들면 파장보다 작은 표면파 웨이브가이드를 만드는 등)으로 패터닝함으로써 억제될 수 있다. 표면파 웨이브가이드(304)들은 임의의 실용적 소재 시스템에 형성될 수 있으며, 이는 산화물 상 실리콘(silicon on oxide)(부유 또는 비부유(suspended or unsuspended)), 질화 규소(silicon nitride), 다이아몬드, 탄화규소(silicon carbide), 질화 갈륨(gallium nitride), 갈륨 비소와 그 화합물, 인화 인듐과 그 화합물, 질화 알루미늄(aluminum nitride), 니오브산 리튬, 리튬 탄탈레이트(lithium tantalite) 등을 포함하며, 이에 한정되지 않는다.
위상 배열 안테나(phased antenna arrays)에서는 안테나 소자 간의 간격에 매우 의존하는 크기를 가지는 부엽(sidelobes)이 발생함이 잘 알려져있다. 다루는 광신호의 파장보다 긴 간격으로 안테나들이 배치되면, 부엽은 주요 빔에 필적하게 된다. 또한, 부엽이 커질뿐 아니라 이 부엽들의 각밀도(angular density) 또한 증가한다.
낮은 구속성 표면파 웨이브가이드는 이의 클래딩 안으로 깊게 침투하는 진행 광학 모드(propagating optical mode)를 가지므로, 이들의 광학 모드 간의 교차 커플링(cross-coupling)을 피하기 위하여 인접한 낮은 구속성 표면파 웨이브가이드들은 큰 간격으로 떨어져야한다. 그러므로, 낮은 구속성 표면파 웨이브가이드에 기반하는 음향 광학 안테나 어레이는 큰 부엽을 나타낼 것이며, 시스템의 시야와 주요 출력 빔의 광학적 파워가 감소할 것이다.
그러나, 상기 기술된 것과 같이, 본 발명에 따른 실시예들은 높은 구속성 웨이브가이드에 기반하는 음향 광학 안테나 어레이를 사용한다. 광학 모드들이 클래딩 안으로 많이 침투하지 않으므로, 높은 구속성 웨이브가이드들은 훨씬 더 작은 거리만큼 떨어질 수 있고 이 거리는 광신호(112)의 파장 λ와 비슷할 수 있다. 일반적으로, 표면파 웨이브가이드(304)들은 약 λ/3 내지 2λ까지의 범위 안의 피치를 가지도록 배열될 수 있다. 실시예들에서는, p1은 약 600 nm 내지 약 2.5 마이크론의 범위 내에 있다. 따라서, 산란과정이 보다 효율적이므로(세 크기 정도(orders of magnitude) 이상), 빔 조향에 필요한 표면파 웨이브가이드의 길이 뿐 아니라 필요한 RF 파워를 감소시킬 수 있다.
또한, 낮은 구속성 웨이브가이드에 기반하는 음향 광학 편향 시스템에 반하여, 표면파 웨이브가이드(304)의 길이가 더 줄어들 수 있으며, 보통 약 100 마이크론 내지 약 1 cm의 범위까지 줄어들 수 있다. 제조 중 일반적으로 발생하는 표면파 웨이브가이드의 결함 때문에 수 mm 이상에 걸쳐 광학적 결맞음(optical coherence)을 유지하기가 어려우므로, 통합 광학 기반 웨이브가이드에서는 짧은 거리가 중요할 수 있다. 또한 짧은 거리는 빠른 빔 조향을 가능케 한다. 어떤 실시예들에서는, 큰 웨이퍼 상에서의 자외선 리소그래피를 이용한 제조과정을 통해 웨이브가이드 비균일성의 영향이 완화된다.
어떤 실시예들에서는, 적어도 하나의 표면파 웨이브가이드(304)는, 레이저, 위상 변위기(phase shifters), 검출기, 게인 소자(gain elements), 변조기(modulators), 회절 소자(diffraction elements), 브래그 거울(Bragg mirrors), 스플리터(splitters), 결합기(combiners) 등의 하나 이상의 포토닉 소자를 포함하는, 포토닉 광파동 회로와 광학적으로 커플링 될 수 있다.
동작(403)에서는, 음향 변환기(106)가 기판(302)에 형성되어 음향 광학 안테나 어레이(102)와 커플링되어 동작할 수 있다.
도시된 예시에서는, 음향 변환기(106)는, 압전 평판(piezoelectric slab)(310)과 교차 전극(interdigitated electrodes)(312)을 포함하는 교차 변환기(interdigitated transducer, IDT)(306)일 수 있다. 압전 평판(310)은, 활성층(320)의 상부 표면에 형성된 압전소재(예를 들어, 질화 알루미늄, 니오브산 리튬, 납 지르코늄 티탄산염(lead zirconium titanate, PZT), 인화 인듐, 갈륨 비소와 그 화합물 등)의 층일 수 있다. 어떤 실시예들에서는, 음향 변환기(106)는 ?트 교차 변환기(chirped IDT), 정전 액추에이션(electro-static actuation), 전열 액추에이션(electro-thermal actuation), 열 액추에이션(thermal actuation), 자기변형 액추에이션(magneto-strictive actuation), 광학적 여기(optical excitation) 등을 포함하는, 상이한 기계적 변환기(mechanical transducer)를 포함할 수 있다. 어떤 실시예들에서는, 음향 변환기(106)는 니오브산 리튬(lithium niobate, LiNbO3) 등의 압광 소재(piezo-optic material)를 포함할 수 있다.
전극(312)들은 압전 평판(310)의 상부 표면에 형성된 교차형(interdigitated) 전도성 모양(traces)일 수 있다. 정현곡선으로 변화하는 전압과 같은 주기적 구동 신호가 교차형 전극에 인가되면, 교차 변환기(306)는, 기계적 파동(326)으로서 기계적 위상 변위기(308)를 통해 표면파 웨이브가이드(304)로 진행되는 음향 에너지(114)를 생성할 수 있다. 각각의 기계적 위상 변위기(308)는, 음향 변환기(106) 및 상이한 표면파 웨이브가이드(304) 사이에 개재하는, 활성화 영역(320)의 부분에 위치할 수 있다.
도시된 예시에서는, 기계적 파동(326)과 광신호(112)는 표면파 웨이브가이드 안에서 반대로 진행(counter propagating)된다. 어떤 실시예들에서는, 표면파 웨이브가이드 안에서 기계적 파동과 광신호는 같은 방향으로 진행될 수 있다.
동작(404)에서는, 위상 제어기(108)는 기판(302) 위에 형성될 수 있다.
위상 제어기(108)는, 활성층(320)의 상부 표면에 각각 형성된 복수 개의 기계적 위상 변위기(308)를 포함할 수 있다. 각각의 기계적 위상 변위기(308)는, 음향 광학 안테나 어레이(102)의 다른 표면파 웨이브가이드(304) 및 음향 변환기(106) 사이에서 음향 에너지가 진행되는 속력을 변화시키도록 동작하는 소자일 수 있다. 따라서, 각 기계적 위상 변위기(308)는 이와 커플링되어 동작하는 표면파 웨이브가이드(304)에 의해 수신된 음향 파동의 위상을 제어하도록 동작할 수 있다.
도시된 예시에서는, 각 기계적 위상 변위기(308)는 음향 변환기(106)와 이의 각 표면파 웨이브가이드(304) 사이의 활성층(320) 영역의 탄성을 조정하기 위한 열소자(thermal element)일 수 있다. 어떤 실시예들에서는, 적어도 하나의 기계적 위상 변위기(308)는, 음향 변환기(106) 및 각각의 표면파 웨이브가이드(304) 사이의 영역 중 일부분의 활성층(320)의 소재의 밀도를 제어할 수 있다. 어떤 실시예들에서는, 광학적 위상 변위기를 사용하여 광신호(112)의 위상을 제어함으로써, y-z 평면 상의 빔 조향을 수행할 수 있다.
기계적 위상 변위기(308)들은 y-z 평면 상의 출력 빔(116)의 횡축각(transverse angle) φ를 결정하는, 표면파 웨이브가이드로부터 산란되는 빛의 위상관계(phase relationship)를 총체적으로 제어하도록 동작할 수 있다.
도 5는 음향 광학 안테나 어레이(102)의 단면을 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 5는, 도 3a에 도시된 선 b-b를 따른 시점에 의한다. 표면파 웨이브가이드(304-1 내지 304-5) 안의 기계적 파동(326-1 내지 326-5)의 위상(ψ1 내지 ψ5) 각각은, 출력 빔(116)이 진행되는 y-z 평면 상의 각도 φ를 결정할 수 있다.
예시적 실시예는, 동일한 기판 위에 단일집적된, 즉 동일한 기판 위에 형성된, 음향 변환기, 위상 제어기, 음향 광학 안테나 어레이를 포함하나, 본 명세서를 읽은 통상의 기술자에게는 본 발명에 따른 음향 변환기(106) 및 위상 제어기(108) 중 적어도 하나가 하이브리드-통합 기법(hybrid-integration techniques)을 통해 기판에 기계적으로 고정되어 음향 광학 안테나 어레이(102)와 커플링되어 동작하는 대안적 실시예를 어떻게 구체화하고 만들고 사용할지가 자명할 것이다. 어떤 실시예들에서는, 음향 광학 안테나 어레이(102), 음향 변환기(106), 및 위상 제어기(108) 중 적어도 하나는, 시스템(100)의 나머지 소자들과 별도의 기판에 배치되고 중개 매체를 통해 커플링되어 동작할 수 있다.
동작(405)에서, 광원(104) 및 음향 광학 안테나 어레이(102)를 광학적으로 커플링함으로써, 광신호(112)는 표면파 웨이브가이드(304)에 입사될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 빔을 2차원적으로 조향하는 방법의 동작을 나타낸 도면이다. 방법(600)은 동작(601)으로 시작되며, 광신호(112)는 처리회로(110)로부터의 구동 신호에 대응하여 표면파 웨이브가이드(304)로 입사될 수 있다.
필수사항은 아니지만, 시스템(100)이 휴지상태(quiescent state)에 있을 때, 즉 음향 변환기(106)에 의해 생성되는 기계적 에너지가 없으며 광신호에 선행적으로(proactively) 가해지는 위상 변화가 없을 때, 광신호(112)가 안테나 어레이의 표면파 웨이브가이드를 통해 진행될 때 총체적으로 동상(in phase)이 되도록, 광원(104)은 보통 음향 광학 안테나 어레이(102)와 광학적으로 커플링되어 있을 수 있다.
동작(602)에서는, 처리회로(110)는 다른 기계적 파동(326)으로서 각 표면파 웨이브가이드(304)와 커플링되는 음향 에너지(114)를 생성하는 음향 변환기(106)에 에너지를 공급함으로써, 출력 빔(116)을 이루는 자유공간 산란 에너지를 발생시키도록 한다.
동작(603)에서는, 종축각(longitudinal angle) θ를 결정하는 기계적 파동(326)의 주파수를 제어함으로써, 처리 회로(110)는 위상 제어기(108)로 하여금 출력 빔(116)을 x-z 평면 상에서 조향하도록 할 수 있다.
동작(604)에서는, 횡축각(transverse angle) φ를 제어하기 위햐여, 처리회로(110)는 위상 제어기(108)로 하여금 표면파 웨이브가이드(304-1 내지 304-5)와 커플링된 기계적 파동(326-1 내지 326-5)의 상대 위상(ψ1 내지 ψ5)을 제어하도록 할 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 빔 조향 시스템을 나타낸 도면이다. 시스템(700)은 상기 기술된 시스템(100)과 유사하지만; 시스템(700)은 개별적으로 제공되는 채널 타입 표면파 웨이브가이드의 어레이가 아닌 고굴절률차 평판 웨이브가이드를 포함할 수 있다.
평판 웨이브가이드(702)는, 광원(104)에 의해 제공된 광신호를 z 방향으로 강력하게 구속하여 도파 파동(guided wave)(704)을 발생시키는 높은 구속성 평판 웨이브가이드일 수 있다. 도시된 예시에서는, 평판 웨이브가이드(702)는 약 300 nm의 두께를 가지는 단결정 실리콘 층일 수 있으나; 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다른 치수 및/또는 소재가 평판 웨이브가이드(702)에 쓰일 수 있다.
동작 시, 평판 웨이브가이드(702)는 광원(104)으로부터 광신호(704)를 받을 수 있다. 기계적 위상 변위기(308)는, 기계적 위상 변위기에서 가해진 위상 변위를 제어함으로써 평판 웨이브가이드(702) 안에서 조향되는 합성 기계적 파동(706)을 제공하는 "위상 어레이"로서 동작할 수 있다.
합성 기계적 파동(706) 및 도파 파동(704)이 상호작용할 때, 도파 파동으로부터의 빛은, 합성 기계적 파동과 도파 파동 간의 입사각에 기반하는 횡축각 φ를 가진 출력 빔(708)으로서 자유공간으로 산란될 수 있다.
어떤 실시예들에서는, 시스템(700)은 평판 웨이브가이드(702) 안의 광신호(704)의 진행 방향을 총체적으로 제어하는 복수 개의 광학적 위상 변위기들을 포함할 수 있다. 그러한 실시예들에서는, 출력 빔(708)의 진행 방향. 이러한 실시예들 중 일부에서는, 기계적 위상 변위기(308)들이 포함되지 않고, 광신호(704)의 진행 방향 및 광신호(704)와 기계적 파동(326)의 상대적 주파수를 제어함으로써 출력 빔(708)의 진행 방향이 제어될 수 있다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 빔 조향 시스템을 나타낸 도면이다. 시스템(800)은 상기 기술된 시스템(700)과 유사하지만; 시스템(800)은 광 부분이 평판 웨이브가이드(702)를 통해 진행되면서 광신호(704)의 복수 개의 광부분의 위상이 제어되도록 구성된 복수 개의 광학적 위상 변위기를 포함하는 위상 제어기를 포함할 수 있다.
각각의 광학적 위상 변위기(802)는 광신호가 커플링되어 동작하는 평판 웨이브가이드(702)의 영역을 통해 진행되는 광신호(704)의 부분의 위상을 제어하기에 적합한 기존의 통합 광학 기반 위상 변위기일 수 있다. 도시된 예시에서는, 각 위상 변위기(802)는 열 위상 변위기(thermal phase shifter)일 수 있다. 본 발명에 따른 실시예들에 사용하기 적합한 다른 광학적 위상 변위기들은 응력 기반 위상 변위기(stress-based phase shifters), 표면탄성파 기반 위상 변위기(surface acoustic wave-based (SAW-based) phase shifters) 등을 포함할 수 있다.
각 광학적 위상 변위기(802)로부터 평판 웨이브가이드(702)로 진행되는 광 부분은 그러한 위상 변위기에 의해 제어되는 위상을 가질 수 있다. 총체적으로, 복수 개의 광 부분은, 평판 웨이브가이드 안에서의 진행 방향이 자신들의 상대 위상에 기반하는 합성 광학 신호(804)를 발생시키도록 한다.
시스템(700)의 동작과 유사한 방식으로, 출력 빔(806)의 횡축각은 기계적 파동(326)과 합성 도파 파동(804) 사이의, 광학적 위상 변위기(802)에 의해 제어되는 입사각에 기반할 수 있다.
어떤 실시예들에서는, 광학적 위상 변위기(802)와 기계적 위상 변위기(308) 모두 포함될 수 있다.
본 발명은 예시적 실시예의 일부 예시를 개시할 뿐이며, 본 발명을 읽은 통상의 기술자들은 여기에 기술된 실시예들의 다양한 변형 실시예를 고안할 수 있을 것이며, 본 발명의 범위는 다음의 청구항에 의해 결정될 것이다.
Claims (24)
- 광학 빔 조향 시스템에 있어서,
기판;
각각 높은 구속성(high-confinement) 웨이브가이드이며 광 신호의 적어도 일부분을 전달하는, 상기 기판 위에 배치된 적어도 하나의 표면파 웨이브가이드(surface waveguide);
상기 적어도 하나의 표면파 웨이브가이드에 적어도 하나의 기계적 파동을 유도(induce)하도록 구성된 음향 변환기(acoustic transducer); 및
상기 적어도 하나의 표면파 웨이브가이드 중 제1 표면파 웨이브가이드 안의 (1) 상기 적어도 하나의 기계적 파동의 제1 기계적 파동의 위상(phase) 및 (2) 상기 광 신호의 제1 광 부분의 위상 중 적어도 하나를 제어하도록 구성된 제1 위상 변위기(phase shifter)를 포함하는 복수의 위상 변위기를 포함하는 위상 제어기;를 포함하는 광학 빔 조향 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 표면파 웨이브가이드는 상기 기판 위에 배치된 복수 개의 표면파 웨이브가이드를 포함하고, 상기 복수 개의 표면파 웨이브가이드 각각은 상기 광 신호의 상이한 광 부분을 전달하며;
상기 적어도 하나의 기계적 파동은 복수 개의 기계적 파동을 포함하고, 상기 복수 개의 기계적 파동 각각은 상기 복수 개의 표면파 웨이브가이드 중 상이한 표면파 웨이브가이드에 커플링되며;
상기 복수의 위상 변위기 각각은, 각각의 해당 표면파 웨이브가이드에 의해 전달되는 상기 광 부분 및 상기 복수 개의 기계적 파동 각각의 상대 위상을 제어하도록 구성되는 광학 빔 조향 시스템. - 제2항에 있어서,
상기 복수 개의 표면파 웨이브가이드 각각이 상기 기판에 대해 상대적으로 이동이 가능하도록, 상기 복수 개의 표면파 웨이브가이드는 기계적 활성 영역에 배치되는 광학 빔 조향 시스템. - 제3항에 있어서,
상기 기판 위의 상기 기계적 활성 영역을 지지하는 복수 개의 지지부를 더 포함하되, 각각의 상기 지지부는 인접한 상기 복수 개의 표면파 웨이브가이드 쌍 사이에 위치하고, 각각의 상기 지지부는 이에 해당하는 각각의 인접한 상기 표면파 웨이브가이드 쌍 사이의 기계적 커플링을 완화하도록 구성되는 광학 빔 조향 시스템. - 제2항에 있어서,
상기 제1 위상 변위기는 상기 음향 변환기와 상기 제1 표면파 웨이브가이드 사이에 위치한 제1 소재 영역의 물리적 성질을 제어하도록 동작하는 광학 빔 조향 시스템. - 제5항에 있어서,
상기 물리적 성질은 탄성과 밀도로 구성된 그룹으로부터 선택되는 광학 빔 조향 시스템. - 제2항에 있어서,
상기 복수 개의 위상 변위기 각각은 복수 개의 상이한 소재 영역을 제어하기 위해 동작하는 기계적 위상 변위기이며, 각각의 상기 소재 영역은 상기 음향 변환기 및 상기 복수 개의 표면파 웨이브가이드의 서로 상이한 표면파 웨이브가이드 사이에 위치하는 광학 빔 조향 시스템. - 제2항에 있어서,
상기 복수 개의 위상 변위기 각각은 상기 광 신호의 상이한 부분에 위상 변위를 가하도록 구성되는 광학적 위상 변위기인 광학 빔 조향 시스템. - 제2항에 있어서,
상기 광 신호는 파장 λ를 가지는 것을 특징으로 하고, 상기 복수 개의 표면파 웨이브가이드 각각은 제1부분을 포함하며, 복수 개의 제1부분은 약 λ/3 내지 약 2λ의 범위 내의 균일한 피치(pitch)를 가지는 선형 어레이로 배열되는 광학 빔 조향 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 표면파 웨이브가이드는 평판(slab) 웨이브가이드를 포함하며, 상기 적어도 하나의 기계적 파동은 상기 평판 웨이브가이드를 통해 진행되는 복수 개의 기계적 파동을 포함하며, 추가적으로 상기 위상 제어기는 상기 복수 개의 기계적 파동의 상기 상대 위상을 제어하도록 구성되는 광학 빔 조향 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 표면파 웨이브가이드는 평판(slab) 웨이브가이드를 포함하며, 상기 광 신호는 복수 개의 광 부분을 포함하고, 추가적으로 상기 위상 제어기는 상기 복수 개의 광 부분의 상대 위상을 제어하도록 구성되는 광학 빔 조향 시스템. - 광학 빔을 조향하기 위한 방법에 있어서,
기판 위에 배치된 높은 구속성(high-confinement) 웨이브가이드인 적어도 하나의 표면파 웨이브가이드를 통해 파장 λ를 가진 광 신호가 전달되는 단계;
복수 개의 기계적 파동을 상기 적어도 하나의 표면파 웨이브가이드와 커플링함으로써, 상기 복수 개의 기계적 파동 및 적어도 하나의 상기 광 신호 사이의 상호작용을 통해 상기 복수 개의 표면파 웨이브가이드로부터 광학 빔이 방출되도록 하되, 상기 기계적 파동은 제1 주파수 ω를 가지는 것을 특징으로 하는 단계; 및
상기 제1 주파수 ω가 제어되는 단계;를 포함하는 방법. - 제12항에 있어서,
상기 적어도 하나의 표면파 웨이브가이드는 높은 구속성 웨이브가이드인 복수 개의 표면파 웨이브가이드를 포함하며, 상기 광 신호는 복수 개의 광 부분을 포함하며, 상기 복수 개의 광 부분 각각은 상기 복수 개의 표면파 웨이브가이드의 서로 상이한 표면파 웨이브가이드 내부에서 진행되고, 추가적으로 상기 복수 개의 기계적 파동의 서로 상이한 기계적 파동은 상기 복수 개의 표면파 웨이브가이드 각각에 커플링되는 방법. - 제13항에 있어서,
상기 복수 개의 표면파 웨이브가이드 각각의 제1부분은, 상기 기판에 대해 상대적으로, 기계적으로 활성인 방법. - 제13항에 있어서,
상기 복수 개의 표면파 웨이브가이드 중 제1 표면파 웨이브가이드 안의, 상기 복수 개의 기계적 파동 중 제1 기계적 파동 및 상기 복수 개의 광 부분 중 제1 광 부분의 제1 상대 위상을 제어하는 단계를 더 포함하되, 상기 제1 상대 위상은 상기 제1 기계적 파동의 위상의 제어에 의하여 적어도 부분적으로 제어되는 방법. - 제15항에 있어서,
상기 제1 기계적 파동의 상기 위상은, 음향 변환기(acoustic transducer)와 상기 제1 표면파 웨이브가이드 사이에 위치한 제1 소재 영역의 물리적 성질의 제어에 의하여 제어되며, 상기 물리적 성질은 탄성과 밀도로 구성된 그룹으로부터 선택되는 방법. - 제13항에 있어서,
상기 복수 개의 표면파 웨이브가이드 중 제1 표면파 웨이브가이드 안의, 상기 복수 개의 기계적 파동 중 제1 기계적 파동 및 상기 복수 개의 광 부분 중 제1 광 부분의 제1 상대 위상을 제어하는 단계를 더 포함하되, 상기 제1 상대 위상은 상기 제1 광 부분의 위상의 제어에 의하여 적어도 부분적으로 제어되는 방법. - 제13항에 있어서,
상기 복수 개의 기계적 파동의 상기 상대 위상을 제어하는 단계를 더 포함하는 방법. - 제13항에 있어서,
상기 복수 개의 광 부분의 상기 상대 위상을 제어하는 단계를 더 포함하는 방법. - 제13항에 있어서,
상기 복수 개의 표면파 웨이브가이드 각각은 제1부분을 포함하며, 복수 개의 상기 제1부분은 약 λ/3 내지 약 2λ의 범위 내의 균일한 피치(pitch)를 가지는 선형 어레이로 배열되는 방법. - 제12항에 있어서,
상기 적어도 하나의 표면파 웨이브가이드는 평판(slab) 웨이브가이드를 포함하며, 상기 복수 개의 기계적 파동은 상기 평판 웨이브가이드와 커플링되는 방법. - 제21항에 있어서,
상기 적어도 하나의 표면파 웨이브가이드는 상기 평판(slab) 웨이브가이드를 포함하며, 상기 복수 개의 기계적 파동은 합성파동으로서 상기 평판 웨이브가이드와 커플링되는 방법. - 제22항에 있어서,
상기 복수 개의 기계적 파동의 상기 위상을 제어하는 단계를 더 포함하되, 상기 평판 웨이브가이드 안의 상기 합성파동의 진행 방향은 상기 복수 개의 기계적 파동의 상기 위상에 기반하는 방법. - 제22항에 있어서,
상기 광 신호에 포함된 복수 개의 광 부분의 상기 위상을 제어하는 단계를 더 포함하되, 상기 평판 웨이브가이드 안의 상기 광 신호의 진행 방향은 상기 복수 개의 광 부분의 상기 위상에 기반하는 방법.
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