KR20200084863A

KR20200084863A - 광학 빔 지향기

Info

Publication number: KR20200084863A
Application number: KR1020207009838A
Authority: KR
Inventors: 시비 풀리카세릴; 본디 페데리코 콜라테
Original assignee: 바라자 피티와이 엘티디
Priority date: 2017-09-06
Filing date: 2018-09-06
Publication date: 2020-07-13
Also published as: JP2020532714A; EP3679666A1; CN111386472B; CN111386472A; US11448764B2; CA3074245A1; US20230029264A1; US20200363633A1; US11740361B2; WO2019046895A1; AU2018329874A1; EP3679666A4

Abstract

빛을 2개 차원을 넘어 지향하는 시스템이 설명된다. 첫번째 실시예에서, 광학 빔 지향기는 자유-공간 회절 커플러와 같이 분산 소자들의 어레이에 광학적으로 결합된 광학 인터리버와 같은 파장 라우터를 포함한다. 두번째 실시예에서, 광학 빔 지향기는 1D-대-2D 공간 인터리버와 광학상 연결되는 회절 소자를 포함한다.

Description

광학 빔 지향기

본 발명은 일반적으로 광학 빔을 지향시키는 시스템 및 방법에 관한 것이다. 더 구체적으로는, 본 발명은 광학 빔을 2차원으로 지향시키는 시스템 및 방법에 관한 것이다. 빛을 환경으로 지향시키는 구체적인 실시예들은 2차원 이상의 깊이 차원을 갖는다.

광학 빔 지향은 여러가지 용도를 갖는데, 예컨대 LiDAR(light detection and ranging, 빛 탐지 및 레인징)이 있으나 이에 한정되지는 않으며, 여기서 빛은 맵핑 목적으로 환경에 보내진다. 3차원 맵핑에서, 하나의 차원은 광학 빔의 원점으로부터의 지점의 범위와 관련되며, 반면 다른 2개의 차원은 2차원 공간(예컨대 카테시안(Cartesian)(x,y) 또는 극좌표(r, theta) 좌표계)과 관련되어 광학 빔이 이를따라 조향된다. 광학 빔 지향에 LiDAR를 사용하는 예시는 WO 2017/054036에 설명되어 있다.

본 명세서에서 임의의 선행기술에 대한 참조는 그 선행 기술이 어떠한 곳에서 주지관용기술의 일부를 형성한다는 것 또는 그 선행 기술이 당업자에 의해 관련 있는 것으로 및/또는 다른 선행 기술과 조합되는 것으로 간주되거나 이해되는 것으로 합리적으로 기대됨을 인정하거나 어떠한 형태로든 제안하는 것으로 받아들여질 수 없다.

본 발명의 목적은, 2개 차원들 너머로 빛을 지향시키는 광학 시스템 또는 제1 차원과 제2차원 이외에 깊이 차원을 구비한 환경으로 빛을 지향시키기 위한 광학 시스템을 제공하는 것이다. 본 발명의 또다른 목적은 2개 차원들 이외에 깊이 차원을 가진 환경을 프로파일링하기 위한 공간 프로파일링 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 2개 차원들 너머로 빛을 지향시키는 광학 시스템이 제공되며, 상기 2개 차원들은 제1 차원 및 상기 제1 차원과 실질적으로 수직인 제2 차원을 포함하고, 상기 빛은 인접하지 않은 파장 채널들(non-neighbouring wavelength channels)의 그룹들로 그룹핑되는 복수의 파장 채널들 중에서 선택된 하나를 포함하고, 상기 광학 시스템은:

상기 선택된 파장 채널에 기초하여 제1 포트로부터 제2 포트들 중의 하나로 상기 빛을 라우팅하는 파장 라우터로서, 상기 제2 포트들은 (a) 상기 환경의 상기 제1 차원과 연관된 파장 차원(wavelength dimension)을 가로질러 상기 라우팅된 빛을 지향시키도록 구성되고, (b) 각각이 상기 인접하지 않는 파장 채널들의 그룹들 중의 하나에 각각 연관되는, 파장 라우터(wavelength router); 및

분산 소자들의 어레이로서, 상기 각각의 분산 소자는 상기 제2 포트들 중의 하나로부터 상기 라우팅된 빛을 수신하도록 구성되고, 상기 분산 소자들의 어레이의 각각의 분산 소자는 상기 수신된 빛을 상기 환경의 상기 제2 차원을 가로질러 지향시키도록 구성되는, 분산 소자들의 어레이(array of dispersive element);를 포함한다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 제1 차원과 제2차원 이외에 깊이 차원을 구비한 환경으로 빛을 지향시키기 위한 광학 시스템이 제공되며, 상기 제2 차원은 상기 제1 차원에 실질적으로 수직이고, 상기 빛은 복수의 파장 채널들 중에서 선택된 하나를 포함하고, 상기 광학 시스템은:

상기 복수의 파장 채널들 중에서 선택된 파장 채널에 기초하여 파장 차원으로 상기 빛을 지향시키도록 구성된 분산 소자;

복수의 제1 포트들 중의 하나로부터 복수의 제2 포트들 중의 하나로 상기 빛을 라우팅하는 공간 라우터(spatial router)로서, 상기 복수의 제1 포트들은 상기 파장 차원에 따라 배치되고, 상기 복수의 제2 포트들은 상기 제1 차원과 상기 제2 차원과 연관된 2개 차원들을 따라 배치되는, 공간 라우터;를 포함한다.

본 발명의 또다른 측면에 따르면, 2개 차원들 이외에 깊이 차원을 가진 환경을 프로파일링(profiling)하기 위한 공간 프로파일링 시스템이 제공되며, 상기 공간 프로파일링 시스템은:

바로 앞 문단들에서 설명된 광학 시스템의 실시예;

빛을 제공하는 상기 광학 시스템에 광학적으로 연결된 광원; 및

상기 2개 차원들 이외에 상기 환경의 상기 깊이 차원을 결정하는 상기 광학 시스템에 동작상 연결된 프로세싱 유닛;을 포함한다.

본 발명의 추가적인 측면과 앞 문단들에서 설명된 측면들의 추가적인 실시예들은 이하의 설명과, 예시로서 참조되는 도면과 함께 명백해질 것이다.

본 발명에 따르면, 2개 차원들 너머로 빛을 지향시키는 광학 시스템 또는 제1 차원과 제2차원 이외에 깊이 차원을 구비한 환경으로 빛을 지향시키기 위한 광학 시스템을 제공된다. 또한 본 발명에 따르면 2개 차원들 이외에 깊이 차원을 가진 환경을 프로파일링하기 위한 공간 프로파일링 시스템이 제공된다.

도 1은 환경을 공간적으로 프로파일링하기 위한 모듈을 도시한 것이다.
도 2는 광학 빔 지향기의 제1 실시예를 개념적으로 도시한 것이다.
도 3a 및 3b는 광학 인터리버의 다른 배치를 도시한 것이다.
도 4는 어레이된 도파관 그레이팅의 예시를 도시한 것이다.
도 5는 시준 소자를 가진 빔 지향기의 제1 실시예를 도시한 것이다.
도 6은 광학 빔 지향기의 제2 실시예를 개념적으로 도시한 것이다.
도 7은 광학 빔 지향기의 제1 실시예의 예시를 도시한 것이다.

<관련 출원>

본 발명은 출원인의 국제특허출원 PCT/AU2016/050899 (WO 2017/054036으로 공개됨)과 관련되며, 그 내용이 전체로서 본 출원에 포함된다.

<실시예의 상세한 설명>

여기에서는 빛을 2차원 이상으로 지향시키기 위한 광학 시스템의 실시예들이 설명된다. 2개의 차원들은 제1 차원(예컨대 y-축 또는 수직 방향을 따르는)과 제1 차원에 실질적으로 수직인 제2 차원(예컨대 x-축 또는 수평 방향을 따르는)을 포함한다. 설명되는 시스템은 하나 또는 그 이상의 선택된 파장 채널들에 기초하여 그리고 기계적으로 부품을 움직임이 없이 빛을 조향하는 것이 가능하다. 비록 이하의 설명에서 단일 파장 채널을 선택하는 것을 인용하고 있지만(예컨대 파장-가변 레이저를 조율함으로써), 당업자라면 이러한 설명이 약간의 수정만으로(예컨대, 2개 이상의 파장-가변 레이저를 광학적으로 커플링하여) 2개 또는 그 이상의 파장 채널들을 선택하는 것에도 적용될 수 있음을 이해할 것이다.

스캐닝 속도, 지향 안정성 및 공간 해상도의 면에서 조향성(steerability)은 그러므로 각각 파장-조율 속도, 파장 안정성 및 파장-해상도에 의존한다. 설명된 시스템은 그 안정적인 성질 때문에, 기계적 오류나 기계적 피로의 충격이나 발생을 저감하는 것과 같이, 기계적 성능에의 의존도를 줄이는데 유용할 수 있다.

설명되는 실시예는 예컨대 환경의 공간적 프로파일(예컨대 z-축이나 깊이)를 평가하기 위한 공간적 프로파일링 배치로 빔 지향기를 사용할 수 있다. 빔 지향의 다른 예시적인 응용으로는 분광계(spectrometry), 광학 시선 통신기, 제조라인 상의 2D 스캐닝, 프로젝터, 2D 프린터, 적응형 조명 등이다. 이하의 설명이 공간적 프로파일 평가에만 초점을 맞추고 있기는 하지만, 당업자라면 그 설명이, 약간의 수정만으로, 다른 빔 지향 응용에도 적용가능함을 이해할 것이다.

도 1은 공간적 프로파일링 배치(100)의 예시를 도시한 것이다. 배치(100)는 광원(102), 빔 지향기(103), 광 수신기(104) 및 프로세싱 유닛(105)을 포함한다. 도 1의 배치에서, 광원(102)에서 나온 빛은 빔 지향기(103)에 의해 공간적 프로파일을 갖는 환경(110)으로 2차원의 방향으로 지향된다. 만약 발사된 빛이 물체나 반사 표면에 맞게 되면, 적어도 발사된 빛의 일부분이 물체 또는 반사 표면에 의해 반사되어(직선 화살표로 표시), 예컨대 산란(scatter)되어, 빔 지향기(103)로 되돌아와 광 수신기(104)에 수신된다. 프로세싱 유닛(105)은 동작 제어를 위해 광원(102)에 작동상 결합되어 있다. 프로세싱 유닛(105)은 또한 반사광에 의해 지나간 왕복 거리를 결정함으로써, 반사 표면까지의 거리를 결정하기 위해 광 수신기(104)와 작동상 결합되어 있다.

광원(102), 빔 지향기(103), 광 수신기(104)는 2D나 3D 도파관 형태의(이하에서 더 자세히 설명) 광섬유나 광회로와 같은 광 도파관 및/또는 자유-공간 광학계를 통해 서로 간에 광학적으로 연결될 수 있다. 광원(102)으로부터 나가는 빛은 환경으로 지향되기 위해 빔 지향기(103)에 제공된다. 빔 지향기(103)에 의해 수집된 어떠한 반사광이라도 광 수신기(104)로 지향될 수 있다. 일 예시로서, 광원(102)으로부터의 빛은 또한 광원(102)으로부터 광 수신기(104)로의 직접적인 광 경로(도시되지 않음)를 통해 광학 프로세싱의 목적을 위해 광 수신기(104)에 제공된다. 예컨대, 광원(102)으로부터의 빛은 먼저 샘플러(예컨대 90/10 광섬유 커플러)에 진입하여, 거기서 빛의 대부분(예컨대 90%)은 빔 지향기(103)로 제공되고 빛의 나머지 샘플 부분(예컨대 10%)은 직접 경로를 통해 광 수신기(104)에 제공된다. 다른 예시에서, 광원(102)으로부터의 빛은 먼저 광 스위치의 입력 포트에 진입하고 2개의 출력 포트 중의 하나로부터 탈출하며, 여기서 그 하나의 출력 포트는 빛을 빔 지향기(103)로 지향시키고 다른 출력 포트는 빛을 프로세싱 유닛(105)에 의해 결정되는 시간에 광 수신기(104)로 재-지향시킨다. 환경에서 공간 프로파일을 결정하는 기술은 출원인의 국제특허출원 PCT/AU2016/050899(WO 2017/054036으로 공개됨)에 설명되어 있으며, 그 내용이 전체로서 본 명세서에 포함된다.

도 2a는 도 1의 빔 지향기(103)의 실시예(103A)를 도시한 것이다. 광원(102)으로부터의 빛(201)은 M개 그룹의 인접하지 않은 파장 채널들로 그룹화된 N개의 파장 채널들 중에서 선택된 하나를 포함한다. 광원(102)은 파장-가변 레이저로서, 전기 제어 신호를 통해 원하는 파장 채널의 선택을 가능케 하는 것일 수 있다. 각각의 인접하지 않는 파장 채널들의 그룹은 비-연속적인 파장 채널들을 포함한다. M개 그룹의 인접하지 않은 파장 채널들은 인터리브된(interleaved) 파장 채널들일 수 있다. 일 예시에서, N개의 파장 채널들이 그들의 중심 파장에 의해 λ₁, λ₂, ... λ_N으로 지정되면, M개 그룹의 인터리브된 파장 채널들은 {λ₁, λ_M+1, ... λ_N-M+1}, {λ₂, λ_M+2, ... λ_N-M+2}, ... {λ_M, λ_2M, ... λ_N}이다. 즉, 이 예시에서, 각각의 그룹은 균일하게 이격된 파장 채널들(이 경우 매 M 파장 채널들마다)을 포함하고, 모든 M 그룹들은 동일한 간격을 갖는다. 다른 예시에서, 인접하지 않는 파장 채널들은 인터리브 되지 않은 파장 채널들일 수 있지만, 여전히 거의 λ₁부터 λ_N까지 퍼져있다(예컨대, {λ₁, ... λ_N}, {λ₂, ... λ_N-2}, ... 및 {λ_M, ... λ_N-M}). 각 예시에서, 각각의 인터리브된 파장 채널들의 그룹은 광원(102)의 가변가능한 범위인 거의 λ₁부터 λ_N까지 퍼져 있다. 아래에서 설명되는 것과 같이, 이 넓은 파장 채널들의 퍼짐은, 인접하지 않은 파장 채널들을 그룹지음으로써, 빔 지향기(103)의 주어진 분산에 대하여 더 큰 범위의 지향적 조향을 가능케 한다.

예시된 빔 지향기(103A)는 제1 포트(204)로부터 제2 포트(206-1, 206-2, ... 206-M)((206)으로 통칭) 중의 어느 하나로 인접하지 않은 파장 채널들의 그룹의 빛(201)을 라우팅하는 파장 라우터(wavelength router)(202)(예컨대, 광학 인터리버(optical interleaver))를 포함한다. 이 라우팅은 선택된 파장 채널에 기초한다. 예컨대, 한 인터리빙 배치에서, 예시된 빔 지향기(103A)는 첫 M개의 연속적인 파장 채널들을 각각의 M개의 제2 포트에 라우팅하도록 구성된다. 즉, λ₁는 포트(206-1)로, λ₂는 포트(206-2)로, ... 그리고 λ_M는 포트(206-M)으로 라우팅된다. 이에 더하여, 빔 지향기(103A)는 두번째 M개의 연속적인 파장 채널들을 각각의 M개의 제2 포트에 라우팅하도록 구성된다. 즉, λ_M+1는 포트(206-1)로, λ_M+2는 포트(206-2)로, ... 그리고 λ_2M는 포트(206-M)으로 라우팅된다. 예시된 빔 지향기(103A)는 남은 파장 채널들에 대하여 유사한 라우팅을 하도록 구성된다. 즉, 인터리빙 배치에서, M개의 연속된 파장 채널들의 각각의 연속된 랏(lot)은 각각 M개의 제2 포트로 라우팅된다. 그 결과, 각각의 제2 포트는 인접하지 않은 파장 채널 λ_kM+n의 그룹들 중의 하나와 각각 연관되며, 여기서 k ∈ 0에서 N-1이고, n은 지정된 제2 포트를 나타낸다. 예컨대, 예시된 빔 지향기(103A)는 임의의 파장 채널 λ_kM+1에서 빛(201)을 포트(206-1)로 라우팅할 수 있고, 파장 채널 λ_kM+2에서 빛(201)을 포트(206-2)로 ... 그리고 파장 채널 λ_(k+1)M에서 빛(201)을 포트(206-M)으로 라우팅할 수 있다.

제2 포트들(206)은 라우팅된 빛을 한 파장 차원을 가로질러 지향하도록 배치된다. 이 파장 차원은, 제1 차원(예컨대 도 2a의 y-축 또는 수직 방향을 따라)에 관한 것이거나 또는 연관된 것일 수 있다. 도 2a에서, y-축을 따라 나가는 빛의 방향이 독립적이 되도록 하는 것을 가능케 하기 위해 제2 포트가 물리적으로 분리된 배치로부터 연관이 발생한다. 빔 지향기(103A)는 또한 각각의 제2 포트(206) 중의 하나로부터 라우팅된 빛을 수신하도록 배치된 분산 소자(208-1, 208-2 ... 208-M)((208)로 통칭함)의 어레이를 포함한다. 분산 소자(208)는 라우팅된 빛을 수신하기 위하여 제2 포트(206)에 광학적으로 결합된다(예컨대 도파관-커플링, 광섬유-커플링 및 자유-공간-커플링 메커니즘(시준 소자들을 포함) 중의 하나 또는 그 이상을 통해). 광학적 결합은 도 2에서 파선으로 표현되고 있다. 각각의 분산 소자들(208)의 어레이는 수신된 광이 제2 차원(예컨대 도 2a의 x-축 또는 수평 방향을 따라)을 가로질러 더 지향되도록 구성된다. 일 예시에서, 각각의 분산 소자의 어레이(208) 중의 하나 또는 그 이상은 자유-공간 회절 커플러(free-space diffractive coupler)를 포함한다. 대안으로서 또는 추가적으로, 분산 소자의 어레이(208) 중의 하나 또는 그 이상은 회절 격자(diffraction grating), 프리즘과 그리즘(grism)을 포함한다. 또한 대안으로서 또는 추가적으로, 분산 소자(208)는 각각 단일 소자나 다중 소자일 수 있으며, 분산 소자(208) 각각은 도파관에서 출력 포트들(206)에 도파관-커플링된 것일 수 있고(총 M개의 도파관들), 여기서 M개의 도파관은 모두 동일한 광학 소자를 통과해 전파하는 것이다. 빔 지향기(103A)는 분산 소자들(208)로부터 나가는 빛(212)(도 2a에서 파선으로 표현됨)을 시준하기 위한 하나 또는 그 이상의 시준 소자들을 포함할 수 있다.

도시적인 목적으로, 시스템(103A)의 일부분이 아닌 스크린(210)이 도 2a와 2b에 묘사되어 있어서, 선택된 파장이 λ₁부터 λ_N까지 진행할 때 나가는 광학 빔(212)의 공간적 분포를 묘사한다. 도 2b는 나가는 빛을 가로채기 위하여 시스템(103A)의 출력에 위치된 스크린(210)의 도시적인 이미지(250)를 개념적으로 도시한 것이다. 도 2b의 각각의 점은 파장 채널 λ₁, λ₂ ... λ_N에서 선택된 하나를 나타낸다. 각각의 점은 실제로는 선택된 파장 채널(들)에 기초하여 독립적으로 나타나지만, 도시를 위하여 도 4에서 묘사된 모든 점들이 마치 동시에 캡춰될 수 있는 것처럼 동시에 표현되었다. 도시적인 이미지(250)는 출력광의 M개 그룹(212-1, 212-2 ... 212-M)을 나타낸다. 그룹당 점의 숫자는 도시적일 뿐이며 실제 숫자를 나타내는 것이 아니다. M개 그룹의 빛의 출력은 각각의 M개의 분산 소자(201-1, 208-2 ... 208-M)에 대응된다. 이 그룹들은 제1 차원(예컨대 y-축)에 걸쳐 분포되며, 각각은 제1 차원에 실질적으로 수직인 제2 차원(예컨대 x-축)을 가로질러 확장된다. 제1 차원은 파장 차원(즉, 파장 라우터(202)에 의해 빛이 지향되는 차원)과 반드시 일치하지 않을 수도 있으며, 제2 차원은 파장 차원에 수직인 차원과 반드시 일치하지 않을 수도 있다.

설명적 목적의 비한정적인 예시로서, 광원(102)은 원거리통신-등급 레이저를 포함할 수 있다. 원거리통신-등급 레이저는 100nm의 파장-가변 범위를 가지며, 예컨대 약 1527nm에서 약 1567nm(또는 1550nm에서 약 5000GHz)이고, 0.0004nm에서 0.08nm 단위로(또는 1550nm에서 약 50MHz에서 1GHz의 단위로) 조율가능하다. 예컨대, 광원(102)이 40nm에 걸친 파장-가변이면, 총합 약 5000단계(즉 N=5000)가 있게 된다. 만약 파장 라우터(202)가 8개(즉 M=8)의 제2 포트들을 포함하는 광학 인터리버이고, 각각의 포트는 625개의 인터리빙된 파장 채널들과 연관된다(예컨대, λ₁, λ₉, λ₁₇... λ₄₉₉₂가 하나의 제2 포트에 라우팅되고, λ₂, λ₁₀, λ₁₈... λ₄₉₉₃이 다른 제2 포트에 라우팅되고, 계속되어 λ₈, λ₁₆, λ₂₄... λ₅₀₀₀가 마지막 제2 포트에 라우팅된다). 인접하지 않는 파장 채널들을 각각의 제2 포트들에, 인터리빙된 파장 채널들의 그룹과 같이, 그룹핑하기 때문에, 각각의 제2 포트는 광원(120)으로부터 거의 전체 가변 범위로 확장하는 광을 수신 및 지향하도록 구성된다(예컨대, λ₁, λ₉, λ₁₇... λ₄₉₉₂까지 약 40nm - (8 × 0.008nm) = 39.936nm에 확장). 이와 비교하여, 인접하는 채널들을 다르게 그룹핑되며(예컨대, λ₂ 부터 λ₆₂₅까지의 첫번째 제2 포트 등), 각각의 그룹은 광원(120)의 전체 가변 범위의 오직 일부분에만(예컨대 1/8) 확장한다(예컨대 λ₂ 부터 λ₆₂₅까지 40nm/8 = 5.0nm). 따라서, 인접하지 않는 파장 채널들을 각각의 제2 포트들로 그룹핑하는 것은 제1 차원을 가로지르는 빔 지향을 용이하게 할 뿐만 아니라, 그룹핑된 파장 채널들이 인접하지 않는 것이 또한 파장 채널들의 범위가 더 크게 퍼져있는 것을 가능케 하며, 따라서, 분산 소자(208)의 주어진 분산에 대하여, 제2 차원을 가로지르는 빔 분산을 증가시킨다.

일 배치에서, 광학 인터리버(202)는 하나 또는 그 이상의 마하-젠더 간섭계(Mach-Zehnder interferometer, MZI)들을 포함할 수 있다. 도 3a는 1 바이 2 광학 인터리버에서 MZI(300)의 예시를 도시한 것이다. MZI(300)는 도파관-기반 또는 광섬유-기반일 수 있다. MZI(300)는 입력 포트(302)와 2개의 출력 포트(304-1, 304-2)((304)로 통칭)를 포함한다. MZI는 간섭계의 2개의 아암들 사이의 고정된 경로 차이를 포함하여 입력 포트(302)에 진입하는 빛이 파장 채널들에 기초하여 출력 포트들(304) 중의 하나에 나타난다. 일 예시에서, 입력 포트(302)는 파장 채널 {λ₁, λ₂, ... λ_N}들의 빛을 수신하고, 만약 수신된 파장 채널이 {λ₁, λ₃, ... λ_N-1} 중의 하나이면 그 빛을 출력 포트(304-1)로 라우팅하고, 만약 수신된 파장 채널이 {λ₂, λ₄, ... λ_N} 중의 하나이면 그 빛을 출력 포트(304-2)로 라우팅하도록 구성된다. 위의 수치적인 예시에서의 매개변수들을 사용하면, 1-바이-2 광학 인터리버는 MZI(300)를 0.008nm (또는 1550nm에서 약 1GHz)의 자유 스펙트럼 범위(free spectral range, FSR)을 갖도록 구성함으로써 구현될 수 있다.

도 3b는 1x4 광학 인터리버에서 캐스캐이드(cascade)된 MZI(306)를 도시한 것이다. 캐스케이드 MZI(306)은 각각이 도 3a에 도시된 것과 같은 3개의 구성요소 MZI들 (300-1), (300-2) 및 (300-3)을 포함한다. 선행하는 MZI(300-1)의 2개의 출력 포트들은 2개의 이어지는 MZI들인 (300-2)와 (300-3)의 입력 포트에 각각 광학적으로 연결된다. 각각의 이어지는 MZI들인 (300-2)와 (300-3)은 2개의 출력 포트들을 포함한다. 캐스캐이드된 MZI(306)은 그러므로 총 4개의 출력 포트들을 포함한다. MZI(306)의 각각의 구성요소 MZI는 인터리빙 방식으로 파장 채널들의 라우팅을 용이하게 하기 위하여 그들의 2개의 간섭성 아암들(interferometric arms)에서 각각의 경로 차이를 가진다. 예컨대, 캐스캐이드 MZI(306)는 파장 채널 {λ₁, λ₂, ... λ_N}의 빛을 수신하고 만약 수신된 파장 채널이 {λ_k, λ_k+4, ... λ_N-k+1} 중의 하나이면 그 빛을 출력 포트 번호 k(여기서 k ∈ {1, 2, 3, 4})로 라우팅하도록 구성된다. 당업자라면 1-바이-M 광학 인터리버를 Q개의 구성요소 MZI를 캐스캐이딩하여 구현될 수 있음을 이해할 것인데, 여기서 M = 2^Q-1은 출력 포트들의 갯수이며, 각각은 인터리빙된 파장 채널들의 그룹과 연관된다. 출력 포트 번호 k(여기서 k ∈ {1, 2, ... M})는 만약 수신된 파장 채널이 {λ_k, λ_k+M, ... λ_N-M+1} 중의 하나이면 라우팅된 빛을 수신할 것이다.

당업자라면 또한, 실제로는, 의도되지 않은 포트로 라우팅되는 빛 때문에 혼선(cross-talk)이 존재함을 이해할 것이다. 즉, 실제로는, 출력 포트 번호 k가 심지어 수신된 파장 채널이 {λ_k, λ_k+M, ... λ_N-M+1} 중의 하나가 아닐 때에도 라우팅된 빛의 작은 양을 수신할 수 있다. 일 예시로서, 혼선의 수준은 약 -30dB이나 그보다 낮을 수 있다.

다른 배치에서, 광학 인터리버(202)는 하나 또는 그 이상의 배열 도파로 격자들(arrayed waveguide gratings, AWGs)을 포함할 수 있다. 일 예시로서, 하나 또는 그 이상의 AWG들은 적어도 하나의 시클릭(cyclic) AWG(때때로 무색 AWG라고 알려짐)을 포함한다. 도 4는 M-바이-M 시클릭 AWG(400)의 예시를 도시한 것이다. 시클릭 AWG(400)은 도파관-기반 또는 광섬유-기반일 수 있다. 시클릭 AWG(400)은 다중 입력 포트 (402-1), ... (402-M)과 다중 출력 포트 (404-1), ... (404-M)을 포함한다. 예컨대, 시클릭 AWG(400)은 입력 포트들(402) 중의 임의의 입력 포트에서 파장 채널 {λ₁, λ₂, ... λ_N}의 빛을 수신하고, 만약 수신된 파장 채널이 {λ_k, λ_k+M, ... λ_N-M+1} 중의 하나이면 그 빛을 출력 포트(404) 번호 k로 라우팅하도록 구성된다. 시클릭 AWG들은 전형적으로 비-시클릭 AWG들과 비교하여 작은 FSR을 가져서, 출력 포트 당 더 많은 파장 채널들이 라우팅될 것이 기대된다.

또다른 배치에서는, 광학 인터리버(202)는 하나 또는 그 이상의 에켈 역다중화기(echelle demultiplexer)를 포함할 수 있다.

또다른 배치에서는, 광학 인터리버(202)는 하나 또는 그 이상의 MZI들, 시클릭 AWG들과 같은 하나 또는 그 이상의 AWG들 및 하나 또는 그 이상의 에켈 역다중화기의 임의의 조합을 포함할 수 있다.

따라서, 광학 인터리버(202)는 M개의 제2 포트들을 포함하며, 파장 채널들의 M개 그룹에 대응하며, 각각의 제2 포트는 M/N개의 인접하지 않는 채널들을 운반한다. 한가지 경우에, M 중의 하나와 N/M은 적어도 8, 16 또는 32이다. 이 경우는 빛이 적어도 8, 16 또는 32 픽셀(예컨대 도 2b에서 x 또는 y 축을 가로질러 8, 16 또는 32개 점을 생성하는)에 걸쳐 제1 차원 및 제2 차원 중의 하나를 가로질러 지향되는 경우의 빔 지향기에 대응된다. 예컨대, 이하에서 설명되는 배치에서, M은 8이다. 다른 예시에서, M은 16이다. 또다른 예시에서, M은 32이다.

게다가, 더 작은 FSR을 가진 광학 인터리버는 제2 포트 당 더 많은 파장 채널들을 운반한다. 한 사용례에서, FSR은 10GHz 이하으로 지정된다. 다른 사용례에서, FSR은 5GHz 이하로 지정된다. 또다른 사용례에서, FSR은 1GHz 이하로 지정된다. 예컨대, 이하의 설명되는 배치에서, FSR은 1GHz이다.

일 배치에서, 도 5에 도시된 것처럼, 빔 지향기(103A)는 나가는 광학 빔(212)을 시준하기 위하여 시준 소자(502)와 광학적으로 연결되거나 또는 더 포함할 수 있다. 편의상, 나가는 광학 빔(212)의 오직 3개의 평면만이 도시된다. 일 예시에서, 시준 렌즈(502)는 원통형 렌즈를 포함한다. 이 예시에서, 분산 소자(208)가 원통형 렌즈의 초점면 내에 또는 근처에 위치된다. 도시되지는 않았지만, 만약 스크린이 원통형 렌즈의 출력 근처에 위치되면, 도 2b가 개념적으로 도시하는 나가는 빛을 가로채기 위해 시스템(103A)의 출력에 위치된 스크린(210)의 도시적인 이미지(250)와 유사한 분포가 될 것이다.

도 6은 도 1의 빔 지향기(103)의 다른 실시예(103B)를 도시한 것이다. 광원(102)으로부터의 빛(601)은 N개의 파장 채널들 중의 선택된 하나를 포함한다. 광원(102)은 파장-가변 레이저일 수 있으며, 전기 제어 신호를 통해 원하는 파장 채널의 선택이 가능하다.

도 6에 도시된 것과 같이, 빔 지향기(103B)는 복수의 파장 채널 λ₁, λ₂, ... λ_N 중의 선택된 하나에 기초하여 파장 차원(예컨대, 도 6의 x-축을 따라)에 걸쳐 빛을 지향하도록 배치된 분산 소자(602)를 포함한다. 빔 지향기(103B)는 또한 파장-채널-기반으로 지향된 빛 (601-1)에서 (601-N)을 수신하는 공간 라우터(604)를 포함한다. 공간 라우터(604)는 지향된 빛을 수신하기 위해 파장 채널에 맞춰 배치된 복수의 제1 포트 (606-1), ... (606-N)((606)으로 통칭)을 포함한다. 공간 라우터(604)는 또한 복수의 제2 포트 (608-1) ... (608-N)((608)로 통칭)을 포함하는데, 각각은 복수의 제1 포트(606) 중의 하나와 각각 연관되며, 제1 차원(예컨대 x-축을 따른) 및 제2 차원(예컨대 y-축을 따른)을 포함하는 2개의 차원으로 배열된다. 빔 지향기(103B)는 하나 또는 그 이상의 GRIN 렌즈들과 같은 시준 광학계(도시되지 않음)를 포함할 수 있어서, 파장-채널-기반의 지향된 빛 (601-1) 내지 (601-N)을 복수의 제1 포트들로 초점을 맞추거나 시준할 수 있다. 공간 라우터(604)는 지향된 빛(601)을 복수의 제1 포트들(606) 중의 하나로부터 복수의 제2 포트들(608) 중의 하나로 각각 라우팅하도록 구성된다. 일 배치에서, 공간 라우터(604)는 광학 도파관의 1D-에서-2D 어레이를 포함한다. 공간 라우터(604)는 제1 포트들과 제2 포트들 각각을 광학적으로 커플링하기 위한 광학 도파관 (605-1) ... (605-N)((605)로 통칭하나 편의상 2개만이 도시됨)을 포함할 수 있다.

광학 도파관(605)은 투명 재질에 레이저 직접 가공(direct laser writing) 기술에 의해 가공될 수 있다. 그러한 기술 중의 하나로는 도파관(605)을 새기기 위해 비선형 흡수를 통해 투명 물질의 굴절률을 제어가능하게 조절하는 펨토초 레이저 펄스(femtosecond laser pulse)의 사용이 있다. 투명 재질의 예로는 벌크 실리카(bulk silica)가 있는데, 광원(102)의 파장(예컨대 원거리통신-등급 광원에 대한 약 1550nm 파장 밴드) 및 직접-가공 레이저의 파장(에컨대 Ti:사파이어 펨토초레이저에 대하여 약 810nm 파장 밴드)을 포함하는 넓은 범위의 파장 범위에서 투명하다.

각각의 차원과 정렬된 파장 채널들의 숫자는 임의의 숫자일 수 있으며, 레이저 직접 가공 공정에 의해 결정된다. 예컨대, N개의 파장 채널 λ₁, λ₂, ... λ_N은 파장 채널들의 M개의 그룹들로 그룹핑될 수 있다. 파장 채널들의 M개의 그룹들은 제2 포트(608)의 M개 행 또는 M개 열을 나타낼 수 있다. 파장 채널들의 M개의 그룹들은 {λ₁, λ_M+1, ... λ_N-M+1}, {λ₂, λ_M+2, ... λ_N-M+2} ... 및 {λ_M, λ_2M, ... λ_N}일 수 있다. 다른 예시에서, 파장 채널들의 M개의 그룹들은 {λ₁, ... λ_N/M}, {λ_N/M+1, ... λ_2M/N} ... 및 {λ_N-N/M, ... λ_N}일 수 있다. 따라서 파장 채널(예컨대 광원(102)의 파장-조율을 통해)을 선택함으로써, 빛(601)은 대응하는 제2 포트들(608) 중의 하나로 라우팅될 수 있다. 빔 지향기(103B)는 (만약 환경(110)으로 출발된 경우) 제2 포트(608)를 빠져나오거나 (만약 환경(110)으로부터 반사된 경우) 제2 포트(608)에 진입하는 빛(610)을 시준하거나 초점을 맞추기 위해, 렌즈 어레이(도시되지 않음)와 같은 하나 또는 그 이상의 시준 소자를 포함할 수 있다. 빔 지향기(103B)는 도 5의 시준 소자(502)와 유사하게, 초점 평면 배치에서 하나 또는 그 이상의 출력 시준 렌즈들을 포함할 수 있다. 이 배치에서, 출력 포트들의 2D 어레이는 하나 또는 그 이상의 출력 시준 렌즈를 통과하여 변형함으로서 2개의 대응하는 차원들에서 빔 지향 각도에 매핑되도록 구성된다.

일 실시예에서, 분산 소자(602)는 프리즘, 회절 격자 및 그리즘 중의 임의의 하나 또는 그 이상을 포함한다. 다른 배치에서, 도 7에 도시된 것과 같이, 분산 소자(602)는 도 4에 예시된 AWG(400)과 유사한 배열 도파로 격자(AWG)(700)을 포함한다. AWG(700)은 입력 포트(702)와 복수의 출력 포트 (704-1) ... (704-N)를 포함한다. AWG(700)의 출력 포트 (704-1) ... (704-N)는 공간 인터리버(604)의 제1 포트들 (606-1) ... (606-N)에 각각 광학적으로 결합된다.

이제 본 발명의 배치들이 설명되었고, 당업자에게 설명된 배치들 중의 적어도 하나가 다음의 장점들을 가짐이 명백할 것이다:

● 파장-의존 빔 지향기의 사용은 나가는 빛을 파장에 기초한 2개 차원 너머로 지향시키며, 움직이는 부품을 요구하지 않고 빔 재-지향의 속도를 향상시키기 위하여 관성이 없거나 거의 필요하지 않다.

● 광학 인터리버의 형태에서, 첫번째 실시예의 파장 라우터는 잠재적으로 분산 소자의 어레이에 의해 경험되는 파장 범위를 최대화하며, 그럼으로써 환경으로 나가는 빔의 공간적 속도를 최대화한다.

● 두번째 실시예에서 공간적 인터리버는 1D-투-2D 변환의 맞춤가능성(customability)을 가능케 하며, 행과 열의 각각의 숫자와 같은 것들이다.

● 본 발명의 실시예들은 설치 공간 및/또는 광학 정렬 요구사항을 저감하기 위해 칩-기반일 수 있다. 예컨대, 빔 지향기(103A)의 경우에, 파장 라우터는 도파관-기반 시클릭 AWG로 구현될 수 있고 분산 소자는 도파관-기반 자유-공간 회절 커플러로 구현될 수 있다. 빔 지향기(103B)의 경우에, 분산 소자는 도파관-기반 AWG로 구현될 수 있고 1D-투-2D 공간 인터리버는 레이저 직접 가공 도파관으로 구현될 수 있다.

● 본 발명의 실시예들은 이방성 빛(예컨대 환경(110)으로 나가는 빛 뿐만 아니라 환경(110)으로부터 들어오는 빛)으로 구성될 수 있으며,여기서 나가는 경로와 들어오는 경로는 광학적으로 유사하게 거동할 수 있다.

● 파장 선택성은 다른 광원으로 인한 간섭에 대한 보호를 용이하게 한다.

본 명세서에서 개시되고 정의된 개시내용은 상기 기재나 도면들에 언급되거나 그로부터 명백한 개별적 특징들의 모든 둘 이상의 대안적인 조합들로 확장가능함이 이해될 것이다. 이 모든 상이한 조합들은 본 발명의 다양한 대안적인 측면들을 구성한다.

Claims

2개 차원들 이외의 깊이 차원(depth dimension)을 구비한 환경으로 빛을 지향시키기 위한 광학 시스템으로서, 상기 2개 차원들은 제1 차원 및 상기 제1 차원과 실질적으로 수직인 제2 차원을 포함하고, 상기 광학 시스템은:
인접하지 않은 파장 채널들(non-neighbouring wavelength channels)의 그룹들로 그룹핑되는 복수의 파장 채널들 중에서 하나 또는 그 이상의 파장 채널을 선택하는 파장 선택기(wavelength selector);
상기 선택된 파장 채널에 기초하여 제1 포트로부터 제2 포트들 중의 하나로 상기 빛을 라우팅하는 파장 라우터로서, 상기 제2 포트들은 (a) 상기 환경의 상기 제1 차원과 연관된 파장 차원(wavelength dimension)을 가로질러 상기 라우팅된 빛을 지향시키도록 구성되고, (b) 각각이 상기 인접하지 않는 파장 채널들의 그룹들 중의 하나에 각각 연관되는, 파장 라우터(wavelength router);
분산 소자들의 어레이로서, 상기 각각의 분산 소자는 상기 제2 포트들 중의 하나로부터 상기 라우팅된 빛을 수신하도록 구성되고, 상기 분산 소자들의 어레이의 각각의 분산 소자는 상기 수신된 빛을 상기 환경의 상기 제2 차원을 가로질러 지향시키도록 구성되는, 분산 소자들의 어레이(array of dispersive element); 및
상기 환경으로부터 돌아온 빛을 수신하는 수신기로서, 상기 돌아온 빛은 상기 제1 차원과 상기 제2 차원 이외의 상기 깊이 차원을 결정하기 위한 정보를 포함하는, 수신기;
를 포함하는, 광학 시스템.
제1항에 있어서,
상기 파장 라우터는 광학 인터리버(optical interleaver)를 포함하는, 광학 시스템.
제2항에 있어서,
상기 광학 인터리버는 배열 도파로 격자(arrayed waveguide grating, AWG)를 포함하는, 광학 시스템.
제3항에 있어서,
상기 AWG는 시클릭(cyclic) AWG를 포함하는, 광학 시스템.
제2항에 있어서,
상기 광학 인터리버는 마하-젠더 간섭기(Mach-Zehnder interferometer, MZI)를 포함하는, 광학 시스템.
제2항에 있어서,
상기 광학 인터리버는 캐스캐이드 인터리버(cascade interleaver)를 포함하는, 광학 시스템.
제2항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광학 인터리버는 10 GHz 이하의 자유 스펙트럼 범위(free spectral range)를 가지는, 광학 시스템.
제2항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광학 인터리버는 5 GHz 이하의 자유 스펙트럼 범위를 가지는, 광학 시스템.
제2항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광학 인터리버는 1 GHz 이하의 자유 스펙트럼 범위를 가지는, 광학 시스템.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
M 또는 M/N은 적어도 8이며, M은 상기 그룹들의 숫자이고 N은 복수의 파장 채널들의 숫자인, 광학 시스템.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
M 또는 M/N은 적어도 16이며, M은 상기 그룹들의 숫자이고 N은 복수의 파장 채널들의 숫자인, 광학 시스템.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
M 또는 M/N은 적어도 32이며, M은 상기 그룹들의 숫자이고 N은 복수의 파장 채널들의 숫자인, 광학 시스템.
제1항에 있어서,
상기 분산 소자들의 어레이는 적어도 자유-공간 회절 커플러(free-space diffractive coupler)를 포함하는, 광학 시스템.
제1항에 있어서,
상기 지향된 빛을 시준하기 위한 시준 소자(collimating element)를 더 포함하는, 광학 시스템.
제14항에 있어서,
상기 시준 소자는 초점면(focal plane)을 포함하고, 상기 분산 소자들의 어레이는 상기 초점면에 위치되는, 광학 시스템.
제15항에 있어서,
상기 시준 소자는 원통형 렌즈인, 광학 시스템.
제1 차원과 제2차원 이외에 깊이 차원을 구비한 환경으로 빛을 지향시키기 위한 광학 시스템으로서, 상기 제2 차원은 상기 제1 차원에 실질적으로 수직이고, 상기 광학 시스템은:
인접하지 않은 파장 채널들의 그룹들로 그룹핑되는 복수의 파장 채널들 중에서 하나 또는 그 이상의 파장 채널을 선택하는 파장 선택기;
상기 복수의 파장 채널들 중에서 선택된 파장 채널에 기초하여 파장 차원으로 상기 빛을 지향시키도록 구성된 분산 소자;
복수의 제1 포트들 중의 하나로부터 복수의 제2 포트들 중의 하나로 상기 빛을 라우팅하는 공간 라우터(spatial router)로서, 상기 복수의 제1 포트들은 상기 파장 차원에 따라 배치되고, 상기 복수의 제2 포트들은 상기 제1 차원과 상기 제2 차원과 연관된 2개 차원들을 따라 배치되는, 공간 라우터; 및
상기 환경으로부터 돌아오는 빛을 수신하는 수신기로서, 상기 돌아오는 빛은 상기 제1 차원과 상기 제2 차원 이외의 상기 깊이 차원을 결정하기 위한 정보를 포함하는, 수신기;
를 포함하는, 광학 시스템.
제17항에 있어서,
상기 분산 소자는 배열 도파로 격자(AWG)를 포함하는, 광학 시스템.
제18항에 있어서,
상기 공간 라우터는 도파관의 1차원 대 2차원 어레이(one-dimension to two-dimension array)를 포함하는, 광학 시스템.
2개 차원들 이외에 깊이 차원을 가진 환경을 프로파일링(profiling)하기 위한 공간 프로파일링 시스템으로서, 상기 공간 프로파일링 시스템은:
제1항 내지 제19항 중 어느 한 항의 광학 시스템;
빛을 제공하는 상기 광학 시스템에 광학적으로 연결된 광원; 및
상기 2개 차원들 이외에 상기 환경의 상기 깊이 차원을 결정하는 상기 광학 시스템에 동작상 연결된 프로세싱 유닛;을 포함하는, 공간 프로파일링 시스템.