KR20210062136A - 빔 스티어링 장치 및 이를 포함한 시스템 - Google Patents

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박보철
김선일
박정현
정병길
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Abstract

빔 스티어링 장치 및 이를 포함한 시스템이 개시된다.
개시된 빔 스티어링 장치는, 기판에 구비된 적어도 하나의 광원, 상기 적어도 하나의 광원으로부터 조사된 광빔을 전달하는 도파관, 상기 도파관을 통해 전달된 광빔을 분기하는 적어도 하나의 빔 분리기, 및 상기 도파관에 구비되어 상기 광빔의 위상을 변조하고, 광빔의 세기를 증폭하도록 구성된 양자점 광증폭기를 포함한다.

Description

빔 스티어링 장치 및 이를 포함한 시스템{Beam steering apparatus and system}
다양한 실시예는 광 증폭과 위상 변조를 할 수 있는 빔 스티어링 장치 및 이를 포함한 시스템에 관한 것이다.
다양한 기능의 운전자보조시스템(Advanced Driving Assistance System; ADAS)이 상용화되고 있다. 예를 들어, 다른 차량의 위치와 속도를 인식하여 충돌 위험이 있을 경우에는 속도를 줄이고 충돌 위험이 없을 경우에는 설정된 속도 범위 내에서 차량을 주행하는 자동감응식 순항제어(Adaptive Cruise Control; ACC)나 전방 차량을 인식하여 충돌 위험이 있지만 운전자가 이에 대한 대응을 하지 않거나 대응 방식이 적절하지 않는 경우에 자동으로 제동을 가하여 충돌을 방지하는 자율긴급제동시스템(Autonomous Emergency Braking System; AEB) 등과 같은 기능을 장착한 차량이 증가하고 있는 추세이다. 또한, 가까운 장래에 자율 주행(autonomous driving)이 가능한 자동차가 상용화될 것으로 기대되고 있다.
이에 따라, 차량 주변의 정보를 제공할 수 있는 광학 측정 장치에 대한 관심이 증가하고 있다. 예를 들어, 차량용 LiDAR(Light Detection and Ranging)는 차량 주변의 선택된 영역에 레이저를 조사하고, 반사된 레이저를 감지하여 차량 주변에 있는 물체와의 거리, 상대 속도 및 방위각 등에 관한 정보를 제공할 수 있다. 이를 위해 차량용 LiDAR는 원하는 영역에 빔을 스티어링할 수 있는 빔 스티어링 장치를 포함한다.
레이저 빔을 원하는 위치로 스티어링하기 위해서, 일반적으로 레이저가 조사 되는 부분을 기계적으로 회전시켜 주는 방법과 광학 위상 어레이(OPA;Optical Phased Array, 이하 OPA라고 함) 방식을 이용하여 다수의 단위셀 또는 다수의 도파관으로부터 나오는 다발 형태의 레이저빔의 간섭을 이용하는 방법이 사용되고 있다. OPA 방식에서는 단위셀들이나 도파관들을 전기적 또는 열적으로 제어함으로써 레이저 빔을 스티어링할 수 있다.
예시적인 실시예는 광 증폭과 위상 변조를 할 수 있는 빔 스티어링 장치 및 이를 포함한 시스템을 제공한다.
예시적인 실시예에 따른 빔 스티어링 장치는, 기판; 상기 기판에 구비된 적어도 하나의 광원; 상기 적어도 하나의 광원으로부터 조사된 광빔을 전달하는 도파관; 상기 도파관을 통해 전달된 광빔을 분기하는 적어도 하나의 빔 분리기; 및 상기 도파관에 구비되어 상기 광빔의 위상을 변조하고, 광빔의 세기를 증폭하도록 베리어층, 양자점층, 습윤층을 포함하는 양자점 광증폭기; 를 포함할 수 있다.
상기 양자점 광증폭기는 상기 베리어층에 구비된 제1전극층과 상기 습윤층에구비된 제2전극층을 더 포함할 수 있다.
상기 베리어층과 제1전극층 사이에 제1스페이서가 구비되고, 상기 습윤층과 제2전극층 사이에 제2스페이서가 구비될 수 있다.
상기 양자점 광증폭기에 임계전류(Ith)에 대해 0.1Ith~1Ith 범위의 전류가 공급될 수 있다.
상기 양자점 광증폭기에 인가된 전류에 의해 전하 밀도가 증가할 때, 상기 양자점층의 바닥 상태에서의 전하 밀도의 증가가 제한되어 상기 양자점 광증폭기의 이득은 일정하게 유지되고, 상기 습윤층의 전하 밀도는 증가됨에 따라 상기 습윤층의 굴절률이 변하여 위상이 변조되도록 구성될 수 있다.
상기 양자점층은 III-V족 반도체 물질을 포함할 수 있다.
상기 양자점층은 InAs 양자점을 포함할 수 있다.
상기 습윤층은 In0 . 15GaAs를 포함할 수 있다.
상기 베리어층, 양자점층, 습윤층이 2-30회 범위에서 반복되어 적층될 수 있다.
상기 양자점 광증폭기에서 연장된 도파관의 단부에 안테나가 더 구비될 수 있다.
예시적인 실시예에 따른 시스템은, 광빔의 진행 방향을 제어하는 빔 스티어링 장치; 상기 빔 스티어링 장치에서 피사체로 조사되어 반사되는 광빔을 수신하는 수신기; 및 상기 수신기에 수신되는 광빔의 위치별 분포와 시간별 분포를 분석하여 복수 방향으로 피사체에 조사된 빔을 구분하여 처리하도록 구성된 프로세서;를 포함하고,
상기 빔 스티어링 장치가, 기판, 상기 기판에 구비된 적어도 하나의 광원, 상기 적어도 하나의 광원으로부터 조사된 광빔을 전달하는 도파관, 상기 도파관을 통해 전달된 광빔을 분기하는 적어도 하나의 빔 분리기, 및 상기 도파관에 구비되어 상기 광빔의 위상을 변조하고, 광빔의 세기를 증폭하도록 베리어층, 양자점층, 습윤층을 포함하는 양자점 광증폭기를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예에 따른 빔 스티어링 장치는 간단한 구조로 광 증폭과 위상 변조를 할 수 있다. 빔 스티어링 장치는 증폭된 광 빔을 원하는 위치로 스티어링할 수 있다. 이러한 빔 스티어링 장치는 라이다(LiDAR)를 포함한 다양한 시스템에 적용될 수 있다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 빔 스티어링 장치의 개략적인 사시도이다.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ 단면도이다.
도 3은 도 2의 A부 확대도이다.
도 4는 도 2의 평면도이다.
도 5는 예시적인 실시예에 따른 빔 스티어링 장치의 양자점 광증폭기의 에너지 밴드 다이어그램을 도시한 것이다.
도 6은 예시적인 실시예에 따른 빔 스티어링 장치의 양자점 광증폭기에 전하량이 증가할 때, 광 파장에 따른 매질 이득(Material Gain)의 변화를 도시한 것이다.
도 7은 예시적인 실시예에 따른 빔 스티어링 장치의 양자점 광증폭기에 전하량이 증가할 때, 광 파장에 따른 굴절률 변화를 도시한 것이다.
도 8은 예시적인 실시예에 따른 빔 스티어링 장치의 양자점 증폭기의 전하 밀도 변화에 따른 매질 이득의 변화와 굴절률 변화를 도시한 것이다.
도 9는 도 2에 도시된 양자점 광증폭기에 스페이서가 더 구비된 예를 도시한 것이다.
도 10은 예시적인 실시예에 따른 빔 스티어링 장치를 포함한 시스템의 블록도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 다양한 실시예에 따른 빔 스티어링 장치 및 이를 포함한 시스템에 대해 상세히 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 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, 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.
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.
본 실시예에서 설명하는 특정 실행들은 예시들로서, 어떠한 방법으로도 기술적 범위를 한정하는 것은 아니다. 명세서의 간결함을 위하여, 종래 전자적인 구성들, 제어 시스템들, 소프트웨어, 상기 시스템들의 다른 기능적인 측면들의 기재는 생략될 수 있다. 또한, 도면에 도시된 구성 요소들 간의 선들의 연결 또는 연결 부재들은 기능적인 연결 및/또는 물리적 또는 회로적 연결들을 예시적으로 나타낸 것으로서, 실제 장치에서는 대체 가능하거나 추가의 다양한 기능적인 연결, 물리적인 연결, 또는 회로 연결들로서 나타내어질 수 있다.
“상기”의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다.
방법을 구성하는 단계들은 설명된 순서대로 행하여야 한다는 명백한 언급이 없다면, 적당한 순서로 행해질 수 있다. 또한, 모든 예시적인 용어(예를 들어, 등등)의 사용은 단순히 기술적 사상을 상세히 설명하기 위한 것으로서 청구항에 의해 한정되지 않는 이상 이러한 용어로 인해 권리 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 빔 스티어링 장치(100)를 도시한 것이다.
빔 스티어링 장치(100)는 기판(110)과, 기판(110)에 구비된 적어도 하나의 광원(101)과, 적어도 하나의 광원으로부터 조사된 광빔을 전달하는 도파관(120), 도파관(120)을 통해 전달된 광빔을 분기하는 적어도 하나의 빔 분리기(130), 및 양자점 광증폭기(140)를 포함할 수 있다.
기판(110)은 예를 들어, 실리콘 기판일 수 있다. 하지만, 이는 단지 예시적으로 것으로 기판(110)은 다른 다양한 재질을 포함할 수 있다. 광원(101)은 예를 들어, LD(laser diode), LED(light emitting diode), SLD(super luminescent diode) 등을 포함할 수 있다. 또는 복수 파장의 광을 조사하는 광원으로 예를 들어, 튜너블 레이저 다이오드가 채용될 수도 있다.
도파관(120)은 기판(110)에 구비될 수 있다. 도파관(120)은 빔 분리기들(130)에 의해 복수 개의 도파관(120)으로 분리될 수 있다. 도 1에는 광원(101)으로부터 광이 입사되는 하나의 도파관(120)이 7개의 빔 분리기들(130)에 의해 8개의 도파관(120)으로 분리되는 경우가 예시적으로 도시되어 있다. 하지만, 도파관(120)의 개수와 구조는 여기에 한정되는 것은 아니고, 빔 분리기(130)를 이용하여 다양하게 구성될 수 있다.
빔 분리기들(130)에 의해 분리된 도파관들(120)에는 양자점 광증폭기(140)가 구비될 수 있다. 양자점 광증폭기(140)는 도파관(120)을 지나가는 광빔의 위상을 변조함과 아울러 광빔의 세기를 증폭할 수 있다. 양자점 광증폭기(140)는 전류가 인가될 때, 굴절률이 변화하는 물질을 포함하여 위상을 변화시킬 수 있다. 양자점 광증폭기(140)는 각각 독립적으로 위상을 변조할 수 있도록 구성될 수 있다. 양자점 광증폭기(140)는 하나의 소자로 위상 변조와 광 증폭을 같이 수행할 수 있다. 그러므로 위상 변조를 위한 소자와 광 증폭을 위한 소자가 각각 구비되는 경우에 비해 빔 스티어링 장치의 구조를 단순화할 수 있다.
위상이 변조되어 복수 개의 도파관(120)을 통해 출력된 빔들은 간섭에 의해 진행 방향이 결정될 수 있다. 위상 변조에 의한 빔의 진행 방향은 기판(110)에 대해 평행한 방향(수평 방향)으로 조절될 수 있다. 즉, 도 1에서 XY 평면에서의 빔 스티어링이 이루어질 수 있다. 각 도파관(120)을 통과하는 빔의 위상을 변화시킴으로써 수평 방향으로의 빔의 진행 방향을 조절할 수 있다.
양자점 광증폭기(140)에서 연장된 도파관(120)의 단부에 안테나(AT)가 더 구비될 수 있다. 안테나(AT)는 도파관(120)에 형성된 그레이팅(G)을 포함할 수 있다. 안테나(AT)는 기판(110)의 두께 방향으로의 빔의 진행 방향으로 조절할 수 있다. 예를 들어, 그레이팅(G)의 사이즈, 깊이, 피치 등에 따라 광빔의 진행 방향을 조절할 수 있다. 양자점 광증폭기(140)는 기판(110)에 대해 수평한 방향으로 광빔을 스캐닝하도록 광빔의 진행 방향을 조절하고, 안테나(AT)는 기판(110)에 대해 두께 방향으로 광빔을 스캐닝하도록 광빔의 진행 방향을 조절함으로써 광빔을 스티어링할 수 있다. 여기서, 기판(110)에 대한 두께 방향은 기판(110)에 대해 수직한 방향뿐만 아니라 사선 방향도 포함될 수 있다.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선 단면도이다.
도 2를 참조하면, 도파관(120)은 제1클래드층(121), 코어층(122), 제2클래드층(123)을 포함할 수 있다. 코어층(122)은 제1클래드층(121)과 제2 클래드층(123)보다 큰 굴절률을 가지는 물질을 포함할 수 있다. 그리고, 코어층(122)은 도파되는 광의 흡수 계수가 적은 물질로 형성될 수 있다. 코어층(122)은 예를 들어, 실리콘, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 또는 폴리머 광물질 등을 포함할 수 있다. 제1클래드층(121)과 제2 클래드층(123)은 서로 다른 물질로 구성될 수 있다. 또는, 제1클래드층(121)과 제2 클래드층(123)은 같은 물질로 구성되는 것도 가능하다. 제1클래드층(121)과 제2 클래드층(123)은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 또는 폴리머 광물질 등을 포함할 수 있다.
양자점 광증폭기(140)는 이득층(145)을 포함할 수 있다. 도 3은 이득층(145)의 A 부분의 확대도를 나타낸 것이다. 도 3을 참조하면, 이득층(145)은 베리어층(1451), 양자점층(1452) 및 습윤층(wetting layer)(1453)을 포함할 수 있다. 양자점층(1452)은 복수 개의 양자점을 포함할 수 있다. 베리어층(1451)은 III-V족 반도체 물질, 예를 들어, GaAs를 포함할 수 있다. 양자점층(1452)은 III-V족 반도체 물질을 포함할 수 있다. 양자점층(1452)은 예를 들어, InAs를 포함할 수 있다. 습윤층(1453)은 양자점이 생성되는 표면에서 에피택셜 성장되는 원자의 초기층이다. 습윤층(1453)은 III-V족 반도체 물질, 예를 들어 In0 . 15GaAs를 포함할 수 있다.
도 2를 참조하면, 베리어층(1451)에 제1전극층(141)이 구비되고, 습윤층(1453)에 제2전극층(142)이 구비될 수 있다.
한편, 베리어층(1451), 양자점층(1452), 습윤층(1453)을 포함하는 이득층(145)이 2회 이상 반복되어 적층될 수 있다. 예를 들어, 이득층(145)이 2-30 범위 내에서 적층될 수 있다.
도 4는 도 2의 평면도를 도시한 것이다. 도파관(120)은 제1폭(w1)을 가지는 제1부분(1201)과 제1폭(w1)보다 작은 제2폭(w2)을 제2부분(1202)을 포함할 수 있다. 양자점 광증폭기(140)는 제2폭(w2)을 가지는 제2부분(1202)에 구비될 수 있다. 양자점 광증폭기(140)는 도파관(120)의 제1폭(w1)보다 큰 제3폭(w3)을 가질 수 있다. 그럼으로써, 도파관(120)을 통해 전송된 광빔이 양자점 광증폭기(140)쪽으로 이동될 때 누광되는 것을 감소시킬 수 있다.
하지만, 도파관(120)과 양자점 광증폭기(140)의 폭의 관계가 여기에 한정되는 것은 아니고, 예를 들어, 도파관(120)과 양자점 광증폭기(140)의 폭이 같을 수도 있다.
다음은 양자점 광증폭기(140)의 동작에 대해 설명하기로 한다.
도 5는 양자점 광증폭기(140)의 에너지 밴드 다이어그램을 나타낸다.
습윤층(1452)은 전류 인가에 따라 굴절률이 변화하는 물질을 포함할 수 있다.
양자점 광증폭기(140)에 전류가 인가되면 습윤층(1453)을 통해 양자점층(1452)에 전하가 공급되어 양자점층(1452) 내의 전하 밀도(carrier density)가 증가하게 된다. 주입 전류에 의해 여기 상태(ES; excited state)에서의 밀도 반전이 이루어지고, 이에 따라, 바닥 상태(GS; ground state)로의 천이에 의해 광자(photon) 유도 방출이 일어남으로써 빔의 세기가 증폭될 수 있다. 그런데, 양자점층(1452)은 전류 인가에 따른 전하공급량이 일정 수준 이상이 되면 바닥상태(ground state)에서의 전하 밀도가 더 이상 증가하지 않도록 제한되는 특성을 가진다. 그러면, 전하가 더 이상 양자점층(1452)으로 공급되지 않고, 습윤층(1453)에 전하가 쌓이게 되어 습윤층(1453)의 전하 밀도가 증가된다. 습윤층(1453)의 전하 밀도가 증가됨에 따라 습윤층(1453)의 굴절률이 변하게 된다. 습윤층(1453)의 굴절률이 변하면 소멸파 간섭으로 인해 양자점 광증폭기(140)를 지나는 광빔의 위상이 변조될 수 있다. 이상 설명한 바와 같이 양자점 광증폭기(1452)는 빔의 위상을 변조함과 동시에 빔의 세기를 증폭할 수 있다. 예를 들어, 양자점 광증폭기(140)에 임계전류(Ith)에 대해 0.1Ith~1Ith 범위의 전류를 공급하여 광 증폭과 함께 광빔의 위상을 변조할 수 있다. 임계전류(Ith)는 양자점층(1452)에서 광의 유도 방출이 일어나기 시작하는 전류를 나타낸다.
양자점층(1452)의 에너지 밴드갭(Eb1)에 따라 유도 방출되는 광의 파장이 결정될 수 있다. Eb2는 양자점층(1452)의 여기 상태의 에너지 차를 나타내고, Eb3은 습윤층(1453)의 에너지 차를 나타낸다.
도 6은 전하량이 증가될 때, 광빔의 파장에 따른 매질 이득(Material Gain)의 변화를 나타낸 것이다. 도 6을 참조하면, 대략 1.3㎛의 사용 파장대에서 전하량 증가에 대해 양자점층(1452)의 바닥 상태(GS)에서의 매질 이득이 처음에는 증가하다가 소정의 전하량 이상이 되면 매질 이득이 더 이상 증가하지 않고 포화되는 구간(SA)이 있음을 확인할 수 있다. 이는 양자점층(1452)이 전류 인가에 따른 전하공급량이 일정 수준 이상이 되면 바닥상태(ground state)에서의 전하 밀도가 더 이상 증가하지 않음을 보여준다. 그러므로 양자점 광증폭기에 전하공급량이 일정 수준 이상이 되면 광빔의 증폭이 일정하게 유지될 수 있다.
다음, 도 7은 전하량을 증가시킬 때, 광빔의 파장에 따른 습윤층(1453)의 굴절률 변화를 나타낸 것이다. 대략 1.3㎛의 사용 파장대에서 굴절률 변화의 폭이 증가하는 구간(RI)이 있음을 확인할 수 있다. 이 구간(RI)에서는 습윤층(1453)의 굴절률 변화량이 점진적으로 증가함을 알 수 있다. 이는 전류 인가에 따른 전하공급량이 일정 수준 이상이 되면, 양자점층(1452)에서의 전하 밀도가 더 이상 증가하지 않고, 습윤층(1453)에서의 전하 밀도가 증가함에 따라 습윤층(1453)의 굴절률이 변하고, 그에 따라 빔의 위상을 변조할 있음을 보여준다.
도 8은 도 6 및 도 7에 기초하여 대략 1.3㎛의 사용 파장대의 광에 대하여 전하 밀도의 변화에 따른 매질 이득의 변화와, 굴절률 변화를 함께 보인 것이다. 도면에서 점선은 굴절률 변화를, 실선은 매질 이득을 나타낸다. 도 8을 참조하면, 전하 밀도의 증가에 따라 매질 이득은 거의 일정하게 유지되는 한편, 굴절률 변화량은 거의 선형적으로 변한다. 이와 같이, 양자점 광증폭기(140)가 광증폭의 기능과 함께 굴절률 변화에 의한 빔 위상 변조 기능을 하도록 구성될 수 있다. 다시 말하면, 양자점 광증폭기(140)에 인가된 전류에 의해 전하 밀도가 증가할 때, 양자점 광증폭기(140)는, 양자점층(1452)의 바닥 상태에서의 전하 밀도의 증가가 제한되어 양자점 광증폭기(140)의 이득은 일정하게 유지되고, 습윤층(1453)의 전하 밀도는 증가됨에 따라 습윤층(1453)의 굴절률이 변하여 위상이 변조되도록 구성될 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 광빔이 하나의 도파관(120)에 입사된 후 빔 분리기들(130)에 의해 분기된 다수의 도파관들(120)을 통해 전송된다. 그리고, 광빔이 양자점 광증폭기(140)에 의해 증폭 및 위상 변조가 되어 출사하게 되고, 이렇게 출사된 다발 형태의 광빔의 간섭에 의해 광빔이 특정 위치로 조사될 수 있다. 도파관들(120)을 통과하는 광빔들은 양자점 광증폭기(140)에 의해 그 위상이 변조되어 출사됨으로써 광빔의 위상 프로파일(phase profile)이 결정될 수 있다. 그리고, 위상 프로파일에 따라 수평 방향에 대한 광빔의 진행 방향이 결정되고, 기판(110)에 대해 수평한 방향으로 광빔을 스캐닝할 수 있다.
일반적으로 도파관을 지나는 광빔의 위상을 변조시키기 위해서 도파관 자체의 굴절률을 변화시키는 방법이 사용되고 있었다. 여기서, 도파관의 굴절률을 변화시키기 위한 방식으로는 열을 이용한 방식과 전기를 이용한 방식이 있다. 열을 이용한 방식은 위상 변화가 크고, 도파관을 다양한 물질로 형성할 수 있지만, 속도(speed)가 느리고, 도파관들 사이의 간섭이 심해서 도파관들 사이가 일정 간격 이상이어야 되며, 넓은 시계(FOV; Field Of View)를 확보하기가 어렵다. 또한, 전기를 이용한 방식은 속도가 빠르고 도파관들 사이의 간섭이 없어 넓은 시계(FOA)를 얻을 수 있지만, 위상 변화가 작아서 긴 도파관이 필요하게 되고, p-n 또는 p-i-n 접합 구조가 적용되어야 하기 때문에 도파관 물질로 Si 등과 같은 반도체 물질로 한정되어야 하고 이에 따라 다양한 파장의 레이저 빔을 스티어링할 수 없다는 단점이 있다.
본 실시예에 따른 빔 스티어링 장치(100)에서, 양자점 광증폭기(140)는 도파관(120)을 통과하는 광빔의 위상을 변조시키기 위해 도파관(120) 주위에서 전류 인가에 따라 굴절률이 변화하는 습윤층(1453)을 포함할 수 있다. 따라서, 본 실시예에서는 도파관(120) 자체의 굴절률을 변화시키지 않고, 도파관(120) 주위에 마련된 습윤층(1453)의 굴절률을 변화시킴으로써 도파관(120)을 지나는 광빔이 소멸파 간섭에 의해 그 위상이 변조될 수 있다. 도파관(120) 자체의 굴절률을 변화시키지 않기 때문에 빔 손실이 적고, 실리콘이나 실리콘 질화물 등과 같은 다양한 물질을 도파관(120)의 물질로 사용할 수 있으므로 다양한 파장의 광빔을 스티어링 할 수 있다. 또한, 열이 아닌 전기적 신호를 사용하기 때문에 속도가 빠르고 도파관들(120) 사이의 간격을 좁힐 수 있어 넓은 시계(FOV; Field Of View) 확보가 가능하다.
또한, 하나의 양자점 광증폭기(140)로 광증폭과 함께 위상 변조도 할 수 있으므로 부품 수를 줄여 생산비를 줄일 수 있고, 제조 공정도 단순화시킬 수 있다. 또한, 빔 스티어링 장치를 소형화하는 것도 가능하다.
도 9는 도 2에 도시된 양자점 광증폭기에 스페이서층이 더 구비된 예를 도시한 것이다. 도 2와 동일한 참조 번호를 사용하는 구성 요소는 도 2를 참조하여 설명한 것과 실질적으로 동일하므로 여기서는 설명을 생략한다. 양자점 광증폭기(140A)는 이득층(145)의 가장 하부의 베리어층(1451)과 제1전극(141) 사이에 제1스페이서층(151)이 구비되고, 이득층(145)의 가장 상부의 습윤층(1453) 과 제2전극(142) 사이에 제2스페이서층(152)이 구비될 수 있다.
제1스페이서층(151)과 제2스페이서층(152)은 양자점 광증폭기(140A)의 전체 두께를 조절하기 위한 층일 수 있다. 양자점 광증폭기(140A)의 두께를 조절하여 적절한 광증폭 모드를 구현할 수 있다.
도 10은 예시적인 실시예에 따른 시스템(1000)의 구성을 개략적으로 보이는 블록도이다.
시스템(1000)은 광빔의 진행 방향을 제어하는 빔 스티어링 장치(1200)와, 빔 스티어링 장치(1200)에서 피사체(OBJ)로 조사되어 반사되는 광빔을 수신하는 수신기(1500) 및 수신기(1500)에 수신되는 광의 위치별 분포와 시간별 분포를 분석하여 복수 방향으로 피사체(OBJ)에 조사된 광을 구분하여 처리하는 프로세서(1700)를 포함할 수 있다.
빔 스티어링 장치(1200)는 광원(1100)과, 광원(1100)으로부터의 광빔의 위상을 변조하고 빔 세기를 증폭하여, 피사체(OBJ)를 향해 복수 방향으로 광을 출사하는 적어도 하나의 광학 위상 어레이(1210)를 포함할 수 있다. 광학 위상 어레이(1210)는 도 1을 참조할 때 도파관(120), 빔 분리기(130), 양자점 광증폭기(140)를 포함할 수 있다. 빔 스티어링 장치(1200)는 도 1 내지 도 9를 참조하여 설명한 실시예들이 적용될 수 있다.
광원(1100)은 피사체(OBJ)의 위치, 형상의 분석에 사용할 광빔을 조사할 수 있다. 광원(1100)은 펄스광 또는 연속광을 생성 조사할 수 있다. 광원(1100)으로 예를 들어, 파장 가변 광원을 사용할 수 있다.
빔 스티어링 장치(1200)는 입사 광빔의 위상을 변조하여 광의 가로 방향 스캐닝을 조절하고, 광빔의 세기를 증폭할 수 있다. 또한, 빔 스티어링 장치(1200)는 안테나(도 1의 AT)와 광원(1100)의 파장을 조절하여 광의 세로 방향 스캐닝을 조절할 수 있다. 빔 스티어링 장치(1200)에 변조 신호를 인가하는 신호 입력부(1230)가 구비될 수 있다. 빔 스티어링 장치(1200)는 프로세서(1700)에 의해 제어될 수 있다.
프로세서(1700)는 시스템(1000)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다. 프로세서(1700)는 수신기(1500)에 수신되는 광의 위치별 분포 및 시간별 분포를 분석하여 빔 스티어링 장치(1200)로부터 피사체(OBJ)에 조사된 광빔을 구분하여 처리하는 분석부(1710)를 포함할 수 있다.
프로세서(1700)는 또한, 빔 스티어링 장치(1200)로부터 출사광의 복수 방향을 형성하기 위해, 위상 프로파일을 설정하고 상기 위상 프로파일에 따라 신호 입력부(1230)를 제어하는 위상 설정부(1730)를 포함할 수 있다. 프로세서(1700)는 이외에도, 광원(1100), 수신기(1500)의 동작을 제어할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(1700)는 광원(1100)에 대해 전원 공급 제어, 온/오프 제어, 펄스파(PW)나 연속파(CW) 발생 제어 등을 수행할 수 있다.
시스템(1000)은 예를 들어, LiDAR(Light Detection and Ranging)에 적용할 수 있다. LiDAR는 레이저를 목표물에 조사하여 사물까지의 거리, 방향, 속도, 온도, 물질 분포 및 농도 특성 등을 감지할 수 있다. LiDAR가 자율 주행 자동차를 위한 레이저 스캐너 및 3D 영상 카메라에 사용될 있다. LiDAR로는 차량용 LiDAR(Light Detection and Ranging), 로봇용 LiDAR, 드론용 LiDAR 등에 적용될 수 있다.
이 밖에, 다양한 실시예에 따른 빔 스티어링 장치가 보안용 침입자 감지 시스템, 지하철 스크린 도어 장애물 감지 시스템, 깊이 센서, 모바일폰에서의 사용자 얼굴인식용 센서, 증강현실(Ar; augmented reality), TV 혹은 오락기기에서의 동작인식 및 물체 형태 검사(object profiling) 등에 적용될 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:빔 스티어링 장치, 101:광원
110:기판, 120:도파관
121,123:클래드층, 122:코어층
130:빔 분리기, 140,140A:양자점 광증폭기
141,142:전극, 145:이득층
1451:베리어층, 1452:양자점층
1453:습윤층, 1000:시스템
1200:빔 스티어링 장치, 1210:광학 위상 어레이
1500:수신기, 1700:프로세서

Claims (19)

  1. 기판;
    상기 기판에 구비된 적어도 하나의 광원;
    상기 적어도 하나의 광원으로부터 조사된 광빔을 전달하는 도파관;
    상기 도파관을 통해 전달된 광빔을 분기하는 적어도 하나의 빔 분리기; 및
    상기 도파관에 구비되어 상기 광빔의 위상을 변조하고, 광빔의 세기를 증폭하도록 베리어층, 양자점층, 습윤층을 포함하는 양자점 광증폭기;를 포함하는 빔 스티어링 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 양자점 광증폭기는 상기 베리어층에 구비된 제1전극층과 상기 습윤층에구비된 제2전극층을 더 포함하는 빔 스티어링 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 베리어층과 제1전극층 사이에 제1스페이서가 구비되고, 상기 습윤층과 제2전극층 사이에 제2스페이서가 구비된 빔 스티어링 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 양자점 광증폭기에 임계전류(Ith)에 대해 0.1Ith~1Ith 범위의 전류가 공급되도록 구성된 빔 스티어링 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 양자점 광증폭기에 인가된 전류에 의해 전하 밀도가 증가할 때, 상기 양자점층의 바닥 상태에서의 전하 밀도의 증가가 제한되어 상기 양자점 광증폭기의 이득은 일정하게 유지되고, 상기 습윤층의 전하 밀도는 증가됨에 따라 상기 습윤층의 굴절률이 변하여 위상이 변조되도록 구성된 빔 스티어링 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 양자점층은 III-V족 반도체 물질을 포함하는 빔 스티어링 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 양자점층은 InAs 양자점을 포함하는 빔 스티어링 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 습윤층은 In0 . 15GaAs를 포함하는 빔 스티어링 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 베리어층, 양자점층, 습윤층이 2-30회 범위에서 반복되어 적층된 빔 스티어링 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 양자점 광증폭기에서 연장된 도파관의 단부에 안테나가 더 구비된 빔 스티어링 장치.
  11. 광빔의 진행 방향을 제어하는 빔 스티어링 장치;
    상기 빔 스티어링 장치에서 피사체로 조사되어 반사되는 광빔을 수신하는 수신기; 및
    상기 수신기에 수신되는 광빔의 위치별 분포와 시간별 분포를 분석하여 복수 방향으로 피사체에 조사된 빔을 구분하여 처리하도록 구성된 프로세서;를 포함하고,
    상기 빔 스티어링 장치가,
    기판;
    상기 기판에 구비된 적어도 하나의 광원;
    상기 적어도 하나의 광원으로부터 조사된 광빔을 전달하는 도파관;
    상기 도파관을 통해 전달된 광빔을 분기하는 적어도 하나의 빔 분리기; 및
    상기 도파관에 구비되어 상기 광빔의 위상을 변조하고, 광빔의 세기를 증폭하도록 베리어층, 양자점층, 습윤층을 포함하는 양자점 광증폭기;를 포함하는 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 양자점 광증폭기는 상기 베리어층에 구비된 제1전극층과 상기 습윤층에구비된 제2전극층을 더 포함하는 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 베리어층과 제1전극층 사이에 제1스페이서가 구비되고, 상기 습윤층과 제2전극층 사이에 제2스페이서가 구비된 시스템.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 양자점 광증폭기에 임계전류(Ith)에 대해 0.1Ith~1Ith 범위의 전류가 공급되도록 구성된 시스템.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 양자점 광증폭기에 인가된 전류에 의해 전하 밀도가 증가할 때, 상기 양자점층의 바닥 상태에서의 전하 밀도의 증가가 제한되어 상기 양자점 광증폭기의 이득은 일정하게 유지되고, 상기 습윤층의 전하 밀도는 증가됨에 따라 상기 습윤층의 굴절률이 변하여 위상이 변조되도록 구성된 시스템.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 양자점층은 III-V족 반도체 물질을 포함하는 시스템.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 양자점층은 InAs 양자점을 포함하는 시스템.
  18. 제11항에 있어서,
    상기 습윤층은 In0 . 15GaAs를 포함하는 시스템.
  19. 제11항에 있어서,
    상기 베리어층, 양자점층, 습윤층이 2-30회 범위에서 반복되어 적층된 시스템.
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