KR20220004432A - 향상된 신호대 잡음비를 갖는 라이다 장치 - Google Patents

향상된 신호대 잡음비를 갖는 라이다 장치 Download PDF

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Abstract

향상된 신호대 잡음비을 갖는 라이다 장치가 개시된다. 개시된 라이다 장치는, 소정의 파장을 갖는 광을 발생시키는 광원; 상기 광원에서 발생한 광을 외부에 방출하는 광 송신기; 외부로부터 오는 광을 수신하는 광 수신기; 상기 광 수신기에서 수신한 광 중에서 상기 광원에서 발생한 광의 파장과 동일한 파장의 광을 선택적으로 증폭시켜 검출하는 공진형 광 검출기; 및 상기 광원 및 상기 공진형 광 검출기의 동작을 제어하는 프로세서;를 포함할 수 있다.

Description

향상된 신호대 잡음비를 갖는 라이다 장치 {LiDAR apparatus having improvded signal-to-noise ratio}
개시된 실시예들은 라이다 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 향상된 신호대 잡음비를 갖는 라이다 장치에 관한 것이다.
최근 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, 차량의 전방 정보를 제공하는 차량용 레이더의 중요성이 점차 증가하고 있다. 예를 들어, 레이저를 발사하여 산란되거나 반사된 레이저가 돌아오는 시간, 레이저의 세기 변화, 레이저의 주파수 변화, 레이저의 편광 상태 변화 등으로부터 측정 대상의 거리, 속도, 방위각 위치 등을 측정하는 라이다(LiDAR; light detection and ranging) 센서가 차량용 레이더로서 많이 사용된다.
향상된 신호대 잡음비를 갖는 라이다 장치를 제공한다.
실시예에 따른 라이다 장치는, 소정의 파장을 갖는 광을 발생시키는 광원; 상기 광원에서 발생한 광을 외부에 방출하는 광 송신기; 외부로부터 오는 광을 수신하는 광 수신기; 상기 광 수신기에서 수신한 광 중에서 상기 광원에서 발생한 광의 파장과 동일한 파장의 광을 선택적으로 증폭시켜 검출하는 공진형 광 검출기; 및 상기 광원 및 상기 공진형 광 검출기의 동작을 제어하는 프로세서;를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 공진형 광 검출기는: 공진기; 상기 공진기 상에 배치되어 상기 공진기를 따라 진행하는 광의 위상을 상기 프로세서의 제어를 기초로 조절하는 위상 변조기; 및 상기 공진기를 따라 진행하는 광의 세기를 검출하는 광 검출기;를 포함할 수 있다.
상기 프로세서는, 상기 광원에서 발생한 광을 상기 광 송신기에 제공하기 전에 상기 공진기에 먼저 제공하고, 상기 위상 변조기를 제어하여 상기 공진기를 따라 진행하는 광의 위상을 조절함으로써 상기 공진기의 공진 파장을 상기 광원에서 발생한 광의 파장과 일치시키고, 상기 공진기의 공진 파장을 결정한 후에 상기 광원에서 발생한 광을 상기 광 송신기에 제공할 수 있다.
또한, 상기 프로세서는 상기 위상 변조기를 제어하여 상기 공진기를 따라 진행하는 광의 위상을 조절하는 동안 상기 광 검출기에서 검출되는 광의 세기가 최고에 이를 때 상기 공진기의 공진 파장이 상기 광원에서 발생한 광의 파장과 일치하는 것으로 판단할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 라이다 장치는 상기 광원의 온도를 측정하는 온도 센서를 더 포함하며, 상기 프로세서는 상기 온도 센서에서 측정한 온도를 기초로 상기 광원에서 발생하는 광의 파장을 결정하고, 상기 광원에서 발생하는 광의 파장이 소정의 범위 이상으로 변화하면, 상기 위상 변조기를 제어하여 상기 공진기를 따라 진행하는 광의 위상을 조절함으로써 상기 공진기의 공진 파장을 상기 광원에서 발생한 광의 파장과 일치시킬 수 있다.
또한, 일 실시예에 따른 상기 라이다 장치는, 상기 광원과 상기 광 송신기 사이에 배치된 제 1 도파로; 상기 광원과 상기 공진기 사이에 배치된 제 2 도파로; 상기 광 수신기와 상기 공진기 사이에 배치된 제 3 도파로; 및 상기 프로세서의 제어에 따라 상기 광원에서 발생한 광을 상기 제 1 도파로에 제공하거나 또는 상기 제 2 도파로에 제공하는 광 스위치;를 더 포함할 수 있다.
또한, 일 실시예에 따른 상기 라이다 장치는, 상기 제 3 도파로의 말단에 연결되어 외부 노이즈의 세기를 측정하는 추가적인 광 검출기를 더 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 상기 라이다 장치는 상기 제 1 도파로 상에 배치된 광 커플러를 더 포함하고, 상기 제 2 도파로의 일단이 상기 광 커플러까지 연장되어 있으며, 상기 제 1 도파로를 통해 상기 광 송신기에 제공되는 광의 일부가 상기 광 커플러와 상기 제 2 도파로를 통해 상기 공진기에 제공될 수 있다.
예를 들어, 상기 광원은 연속파 광을 발생시키는 연속파 광원이며, 상기 프로세서는 상기 광원이 주파수 변조된 광을 발생시키도록 상기 광원을 제어하고, FMCW(frequency modulated continuous wave) 방식으로 외부의 물체에 관한 거리 정보 및 속도 정보를 추출할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 공진기는 광 경로 길이가 서로 다르며 광학적으로 서로 연결되어 있는 제 1 공진기와 제 2 공진기를 포함하고, 상기 위상 변조기는 상기 제 1 공진기 상에 배치되어 상기 제 1 공진기를 따라 진행하는 광의 위상을 상기 프로세서의 제어를 기초로 조절하는 제 1 위상 변조기 및 상기 제 2 공진기 상에 배치되어 상기 제 2 공진기를 따라 진행하는 광의 위상을 상기 프로세서의 제어를 기초로 조절하는 제 2 위상 변조기를 포함하고, 상기 광 검출기는 상기 제 1 공진기를 따라 진행하는 광의 세기를 검출하는 제 1 광 검출기 및 상기 제 2 공진기를 따라 진행하는 광의 세기를 검출하는 제 2 광 검출기를 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 프로세서는, 상기 광원에서 발생한 광을 상기 광 송신기에 제공하기 전에 상기 제 1 공진기에 먼저 제공하고, 상기 제 1 위상 변조기를 제어하여 상기 제 1 공진기를 따라 진행하는 광의 위상을 조절함으로써 상기 제 1 공진기의 공진 파장을 상기 광원에서 발생한 광의 파장과 일치시키고, 상기 제 2 위상 변조기를 제어하여 상기 제 2 공진기를 따라 진행하는 광의 위상을 조절함으로써 상기 제 2 공진기의 공진 파장을 상기 광원에서 발생한 광의 파장과 일치시키고, 상기 제 1 공진기 및 제 2 공진기의 공진 파장을 결정한 후에 상기 광원에서 발생한 광을 상기 광 송신기에 제공할 수 있다.
다른 실시예에서, 상기 라이다 장치는, 상기 광원과 상기 광 송신기 사이에 배치된 제 1 도파로; 상기 광원과 상기 제 1 공진기 사이에 배치된 제 2 도파로; 상기 광 수신기와 상기 제 2 공진기 사이에 배치된 제 3 도파로; 및 상기 프로세서의 제어에 따라 상기 광원에서 발생한 광을 상기 제 1 도파로에 제공하거나 또는 상기 제 2 도파로에 제공하는 광 스위치;를 더 포함할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 상기 라이다 장치는, 상기 광원과 상기 광 송신기 사이에 배치된 제 1 도파로; 상기 제 1 도파로 상에 배치된 광 커플러; 상기 광 커플러와 상기 공진기 사이에 배치된 제 2 도파로; 및 상기 광 수신기와 상기 공진기 사이에 배치된 제 3 도파로;를 더 포함하며, 상기 제 1 도파로를 통해 상기 광 송신기에 제공되는 광의 일부가 상기 광 커플러와 상기 제 2 도파로를 통해 사이 공진기에 제공된다.
일 실시예에서, 상기 공진기는, 예를 들어, 폐곡선 도파로 공진기일 수 있다.
다른 실시예에서, 상기 공진기는 도파로 상에 형성된 제 1 루프형 미러와 제 2 루프형 미러를 포함하며, 상기 위상 변조기와 상기 광 검출기는 제 1 루프형 미러와 제 2 루프형 미러 사이의 도파로 상에 배치될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 상기 라이다 장치는, 상기 광원과 상기 광 송신기 사이에 배치된 제 1 도파로; 상기 광원과 상기 제 1 루프형 미러 사이에 배치된 제 2 도파로; 상기 광 수신기와 상기 제 2 루프형 미러 사이에 배치된 제 3 도파로; 및 상기 프로세서의 제어에 따라 상기 광원에서 발생한 광을 상기 제 1 도파로에 제공하거나 또는 상기 제 2 도파로에 제공하는 광 스위치;를 더 포함할 수 있다.
상기 광 송신기와 상기 광 수신기는, 예를 들어, 광 위상 배열(OPA; optical phased array) 소자일 수 있다.
예를 들어, 상기 광 송신기는, 기판; 상기 기판 상에 배치된 도파로; 하나의 도파로와 연결된 입력단 및 복수의 도파로와 연결된 출력단을 각각 포함하는 복수의 분배기; 상기 복수의 분배기에 의해 분기된 복수의 광들의 위상을 독립적으로 조절하는 복수의 위상 제어 소자; 및 상기 복수의 위상 제어 소자에 각각 연결되어 상기 위상 조절된 복수의 광들을 방출하는 복수의 격자 패턴 그룹;을 포함할 수 있다.
상기 광원, 상기 광 송신기, 상기 광 수신기, 및 상기 공진형 광 검출기는 하나의 기판 상에 함께 배치될 수 있다.
상기 프로세서는, 상기 복수의 위상 제어 소자를 제어하여 상기 분기된 복수의 광들의 위상을 조절함으로써 상기 광 송신기로부터 방출되는 광의 방위각 방향을 조절하고, 상기 광원에서 발생하는 광의 파장을 조절함으로써 상기 광 송신기로부터 방출되는 광의 고도각 방향을 조절할 수 있다.
또한, 상기 프로세서는, 상기 광 송신기로부터 방출되는 광의 고도각 방향을 바꿀 때마다, 상기 위상 변조기를 제어하여 상기 공진기의 공진 파장을 상기 광원에서 발생한 광의 파장과 일치시킬 수 있다.
예를 들어, 상기 프로세서는, 상기 광원이 제 1 파장의 광을 발생시키도록 상기 광원을 제어하고, 상기 광원에서 발생한 제 1 파장의 광을 상기 공진기에 제공하고, 상기 위상 변조기를 제어하여 상기 공진기를 따라 진행하는 광의 위상을 조절함으로써 상기 공진기의 공진 파장을 상기 제 1 파장과 일치시키고, 상기 광원에서 발생한 제 1 파장의 광을 상기 광 송신기에 제공하면서 상기 복수의 위상 제어 소자를 제어하여 상기 광 송신기로부터 방출되는 광의 방위각 방향을 조절하고, 상기 광원이 제 2 파장의 광을 발생시키도록 상기 광원을 제어하고, 상기 광원에서 발생한 제 2 파장의 광을 상기 공진기에 제공하고, 상기 위상 변조기를 제어하여 상기 공진기를 따라 진행하는 광의 위상을 조절함으로써 상기 공진기의 공진 파장을 상기 제 2 파장과 일치시키고, 상기 광원에서 발생한 제 2 파장의 광을 상기 광 송신기에 제공하면서 상기 복수의 위상 제어 소자를 제어하여 상기 광 송신기로부터 방출되는 광의 방위각 방향을 조절할 수 있다.
또한 다른 실시예에서, 상기 광 송신기와 상기 광 수신기는, 예를 들어, 일체로 결합된 광 송수신기일 수 있다.
이 경우, 상기 라이다 장치는, 상기 광원과 상기 광 송수신기 사이에 배치된 제 1 도파로; 상기 광원과 상기 공진기 사이에 배치된 제 2 도파로; 상기 광 송수신기와 상기 공진기 사이에 배치된 제 3 도파로; 상기 프로세서의 제어에 따라 상기 광원에서 발생한 광을 상기 제 1 도파로에 제공하거나 또는 상기 제 2 도파로에 제공하는 광 스위치; 및 상기 제 1 도파로 상에 배치된 광 커플러;를 포함하며, 상기 제 3 도파로의 일단이 상기 광 커플러에 연결되며, 상기 광 커플러는 상기 광 송수신기에서 수신되는 광을 상기 제 3 도파로에 전달할 수 있다.
다른 실시예에서, 상기 라이다 장치는, 제 1 포트로 입력되는 광을 제 2 포트로 출력하고 제 2 포트로 입력되는 광을 제 3 포트로 출력하는 광 써큘레이터; 상기 광원과 상기 광 써큘레이터의 제 1 포트 사이에 연결된 제 1 도파로; 상기 제 1 도파로 상에 배치된 광 커플러; 상기 공진기와 상기 광 커플러 사이에 연결된 제 2 도파로; 및 상기 광 써큘레이터의 제 3 포트와 상기 공진기 사이에 연결된 제 3 도파로;를 포함하며, 상기 광 써큘레이터의 제 3 포트에 상기 광 송수신기가 연결될 수 있다.
개시된 실시예에 따르면, 라이다 장치의 광 수신기는 광원에서 발생한 광과 동일한 파장의 광을 선택적으로 증폭하여 검출할 수 있다. 따라서, 광원에서 발생한 광의 파장과 상이한 파장을 갖는 외부의 노이즈 성분의 광이 라이다 장치에 유입되더라도 신호대 잡음비가 향상될 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 라이다 장치의 구성을 개략적으로 보이는 블록도이다.
도 2a 및 도 2b는 도 1에 도시된 라이다 장치의 동작을 개략적으로 설명하기 위한 블록도이다.
도 3은 도 1에 도시된 라이다 장치에서 검출되는 신호의 분포를 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 4는 도 1에 도시된 라이다 장치의 공진형 광 검출기의 다른 구성을 예시적으로 보인다.
도 5는 다른 실시예에 따른 라이다 장치의 구성을 개략적으로 보이는 블록도이다.
도 6은 또 다른 실시예에 따른 라이다 장치의 구성을 개략적으로 보이는 블록도이다.
도 7은 또 다른 실시예에 따른 라이다 장치의 구성을 개략적으로 보이는 블록도이다.
도 8은 도 7에 도시된 라이다 장치에서 제 1 및 제 2 공진기 각각의 공진 특성과 결과적인 공진형 광 검출기의 공진 특성을 예시적으로 보인다.
도 9는 도 7에 도시된 라이다 장치의 공진형 광 검출기의 다른 구성을 예시적으로 보인다.
도 10은 또 다른 실시예에 따른 라이다 장치의 구성을 개략적으로 보이는 블록도이다.
도 11은 삼각(triangle) FMCW 방식에서 송신광의 주파수 성분과 수신광의 주파수 성분을 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 12는 또 다른 실시예에 따른 라이다 장치의 구성을 개략적으로 보이는 블록도이다.
도 13은 또 다른 실시예에 따른 라이다 장치의 구성을 개략적으로 보이는 블록도이다.
도 14는 또 다른 실시예에 따른 라이다 장치의 구성을 개략적으로 보이는 블록도이다.
도 15는 광학 위상 어레이 소자의 예시적인 구성을 개략적으로 보이는 사시도이다.
도 16은 도 15에 도시된 광학 위상 어레이 소자를 포함하는 라이다 장치의 구성을 개략적으로 보이는 블록도이다.
도 17은 도 16에 도시된 라이다 장치로부터 방출된 신호광의 분포를 예시적으로 보인다.
도 18은 도 16에 도시된 라이다 장치의 구동 방식을 예시적으로 보인다.
도 19는 또 다른 실시예에 따른 라이다 장치의 구성을 개략적으로 보이는 블록도이다.
도 20은 또 다른 실시예에 따른 라이다 장치의 구성을 개략적으로 보이는 블록도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 향상된 신호대 잡음비를 갖는 라이다 장치에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 또한, 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. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 다수의 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.
"상기"의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 다수 모두에 해당하는 것일 수 있다. 방법을 구성하는 단계들에 대하여 명백하게 순서를 기재하거나 반하는 기재가 없다면, 이러한 단계들은 적당한 순서로 행해질 수 있으며, 반드시 기재된 순서에 한정되는 것은 아니다.
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.
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.
모든 예들 또는 예시적인 용어의 사용은 단순히 기술적 사상을 상세히 설명하기 위한 것으로서 청구범위에 의해 한정되지 않는 이상 이런 예들 또는 예시적인 용어로 인해 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 일 실시예에 따른 라이다 장치의 구성을 개략적으로 보이는 블록도이다. 도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 라이다 장치(100)는 소정의 파장을 갖는 광을 발생시키는 광원(110), 광원(110)에서 발생한 광을 외부에 방출하는 광 송신기(120), 외부로부터 오는 광을 수신하는 광 수신기(130), 광 수신기(120)에서 수신한 광 중에서 광원(110)에서 발생한 광의 파장과 동일한 파장의 광을 선택적으로 증폭시켜 검출하는 공진형 광 검출기(140), 및 광원(110) 및 공진형 광 검출기(140)의 동작을 제어하는 프로세서(150)를 포함할 수 있다.
광원(110)은 프로세서(150)의 제어에 따라 일정한 시간 간격으로 펄스 광을 방출하도록 구성될 수 있다. 또한, 광원(110)은 사람의 눈에는 보이지 않는 적외선 대역의 광을 방출하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 광원(110)은 약 800 nm 내지 약 2,000 nm 대역 중에서 선택된 일부 파장 대역을 갖는 광을 방출하도록 구성될 수 있다. 광원(110)은, 예를 들어, 펄스 레이저 광원일 수 있지만 반드시 이에 한정되지는 않는다. 공차 범위 내에서 발광 파장을 제어할 수 있다면 발광 다이오드(LED)를 광원(110)으로서 사용할 수도 있다.
광 송신기(120)는 광원(110)에서 발생한 광을, 프로세서(150)의 제어에 따라, 특정한 방향으로 지향시켜 송신하도록 구성될 수 있다. 광 송신기(120)는 전방의 복수의 영역에 대해 순차적으로 광을 조사하는 빔 조향 장치일 수 있다. 이하에서, 광 송신기(120)로부터 외부로 방출되는 광을 신호광이라고 부른다. 예를 들어, 광 송신기(120)는 선택된 고도각에서 방위각 방향을 순차적으로 변화시키면서 신호광을 조사한 후에, 고도각을 변화시키고 다시 방위각 방향을 순차적으로 변화시키면서 신호광을 조사하는 방식으로, 전방에 대한 2차원 스캔을 수행할 수 있다.
이러한 광 송신기(120)는, 예를 들어, 광 위상 어레이(OPA; optical phased array) 방식으로 구현될 수 있지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 광 송신기(120)는 광원(110)을 회전시키는 액추에이터를 포함할 수도 있다. 이 경우, 광 송신기(120)는 광원(110)을 회전시켜 신호광의 조사 방향을 조절할 수 있다. 다른 예에서, 광 송신기(120)는 광원(110)에서 발생한 광을 반사하는 거울 및 거울을 회전시키는 액추에이터를 포함할 수도 있고, 또는 광원(110)에서 발생한 광의 반사 방향을 전기기계적으로 조절하는 MEMS(micro electro mechanical system) 소자를 포함할 수도 있다.
광 수신기(130)는 전방의 물체(OBJ)로부터 반사된 광을 수광하는 역할을 한다. 광 수신기(130)는 외부로부터 라이다 장치(100)를 향해 오는 모든 광을 수광할 수도 있지만, 특히 광 송신기(120)가 신호광을 송신한 방향으로부터 오는 광을 수광하도록 구성될 수도 있다. 예를 들어, 광 수신기(130)는 광 위상 어레이 방식으로 구현될 수 있다. 또는, 광 수신기(130)는 복수의 마이크로 렌즈가 2차원 배열된 렌즈 어레이로 구현될 수도 있다. 광 수신기(130)가 렌즈 어레이로 구현되는 경우, 광 수신기(130)는 프로세서(150)의 제어에 따라 렌즈 어레이의 방향을 조절하는 액추에이터를 더 포함할 수도 있다.
또한, 라이다 장치(100)는 필요에 따라 광 송신기(120)로부터 방출되는 신호광을 외부에 투사하도록 구성된 광학계(160)를 더 포함할 수도 있다. 광학계(160)는 광 송신기(120)로부터 방출되는 신호광의 빔경이 원거리까지 증가하지 않도록 포커싱할 수 있다. 또한, 광학계(160)는 외부로부터 오는 광을 광 수신기(130) 상에 포커싱할 수도 있다. 그러나, 빔경이 충분히 제어된 신호광이 광 송신기(120)로부터 방출되는 경우에 광학계(160)는 생략될 수도 있다.
또한, 라이다 장치(100)는 외부로부터 라이다 장치(100)를 향해 오는 광 중에서 특정한 파장 대역의 광만을 선택적으로 투과시키는 대역 통과 필터(161)를 더 포함할 수도 있다. 대역 통과 필터(161)는 광 수신기(130)의 수광면에 마주하여 배치되어 광 수신기(130)에 입사하는 광의 파장 대역을 제한할 수 있다. 대역 통과 필터(161)의 통과 대역은 신호광의 파장 대역과 일치할 수 있다. 예를 들어, 광원(110)이 약 800 nm 내지 약 2,000 nm 대역 중에서 선택된 파장 대역을 갖는 광을 방출하는 경우에, 대역 통과 필터(161)의 통과 대역은 약 800 nm 내지 약 2,000 nm 내에서 선택될 수 있다.
프로세서(150)는 광원(110), 광 송신기(120), 및 광 수신기(130)의 동작을 제어하고, 공진형 광 검출기(140)로부터 받은 수신 신호를 기초로, 예를 들어, 비행시간법(TOF; time of flight)으로 외부의 물체(OBJ)에 관한 거리 정보 또는 속도 정보를 추출할 수 있다. 프로세서(150)는, 예를 들어, 전용의 반도체칩으로 구현될 수도 있으며, 또는 컴퓨터에서 실행시킬 수 있는 소프트웨어로 구현되어 기록 매체에 저장될 수도 있다. 또 다른 예에 따르면, 프로세서(150)는 프로그램 가능 로직 제어기(PLC; programmable logic controller) 또는 FPGA(field-programmable gate array) 등으로 구현될 수도 있다. 또한, 프로세서(150)는 광원(110), 광 송신기(120), 광 수신기(130), 및 공진형 광 검출기(140)와 함께 하나의 기판 상에 탑재될 수도 있으며, 또는 서로 별개의 기판에 탑재될 수도 있다.
공진형 광 검출기(140)는 광 수신기(120)에서 수신한 광 중에서 신호광의 파장과 동일한 파장의 광을 선택적으로 증폭시켜 검출함으로써 라이다 장치(100)의 신호대 잡음비를 향상시키는 역할을 한다. 대역 통과 필터(161)를 사용하더라도, 광원(110)의 파장 변화를 고려할 때 대역 통과 필터(161)의 통과 대역폭은 수십 nm 정도로 선택된다. 따라서, 대역 통과 필터(161)를 사용하더라도, 예컨대, 태양광, 가로등의 불빛, 다른 차량의 헤드 라이트 등과 같은 외부의 노이즈가 광 수신기(120)를 통해 공진형 광 검출기(140)에 유입될 수 있다. 공진형 광 검출기(140)는 광 수신기(120)에서 수신한 광 중에서 신호광의 파장과 동일한 파장의 광만을 선택하여 검출할 수 있다.
이를 위해, 공진형 광 검출기(140)는 공진기(141), 공진기(141) 상에 배치되어 공진기(141)를 따라 진행하는 광의 위상을 프로세서(150)의 제어를 기초로 조절하는 위상 변조기(142), 및 공진기(141)를 따라 진행하는 광의 세기를 검출하는 광 검출기(143)를 포함할 수 있다.
공진기(141)는, 예를 들어, 폐곡선 도파로 공진기일 수 있다. 도 1에는 편의상 공진기(141)가 원형인 것으로 도시되었으나 공진기(141)의 형태가 반드시 원형일 필요는 없으며, 폐곡선 구조를 갖는다면 타원형이나 다각형과 같은 어떠한 형태라도 가질 수 있다. 공진기(141)의 공진 파장은 폐곡선 도파로의 광학적 길이에 의해 결정될 수 있다. 폐곡선 도파로의 광학적 길이는 폐곡선 도파로의 물리적인 길이와 폐곡선 도파로의 평균적인 굴절률과의 곱으로 나타낼 수 있다.
광원(110)에서 발생한 광의 파장은 필요에 따라 프로세서(150)의 제어를 기초로 변화할 수도 있으며, 또는 온도와 같은 외부의 환경 변수에 의해 변화할 수도 있다. 위상 변조기(142)는 프로세서(150)의 제어를 기초로 공진기(141)의 공진 파장을 광원(110)에서 발생한 광의 파장과 일치시키는 역할을 한다. 예를 들어, 공진기(141)를 따라 진행하는 광의 위상이 변화하면, 폐곡선 도파로의 광학적 길이가 변화하는 효과가 발생하여 공진기(141)의 공진 파장이 변화한다. 광의 위상 지연이 커지면 폐곡선 도파로의 광학적 길이가 길어져서 공진기(141)의 공진 파장이 커지고, 반대로 광의 위상 지연이 작아지면 폐곡선 도파로의 광학적 길이가 짧아져서 공진기(141)의 공진 파장이 작아진다. 따라서, 위상 변조기(142)는 공진기(141) 상에 배치되어 공진기(141)를 따라 진행하는 광의 위상을 조절함으로써 공진기(141)의 공진 파장을 조절할 수 있다.
이러한 위상 변조기(142)는 도파로의 온도를 변화시키거나 캐리어(예컨대, 전자 또는 정공)의 농도를 변화시키는 방식으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 온도 변화 방식은 도파로 주위의 온도를 변화시켜 도파로의 굴절률을 변화시키는 방식으로 광의 위상을 조절할 수 있다. 또한, 캐리어 농도 변화 방식은 도파로 중심부 주위에 다이오드 접합(diode junction)을 위치시켜 캐리어 농도 변화를 통해 도파로의 굴절률을 변화시키는 방식으로 광의 위상을 조절할 수 있다.
광 검출기(143)는 공진기(141)를 따라 진행하는 광의 세기를 검출한다. 광 검출기(143)가 공진기(141)를 따라 진행하는 광을 모두 흡수하면 공진기(141) 내에서 공진이 일어나지 않기 때문에, 광 검출기(143)는 공진기(141)를 따라 진행하는 광의 일부만을 흡수하여 검출하고 광의 나머지를 통과시켜 공진기(141)를 따라 계속 진행하도록 할 수 있다. 광 검출기(143)에서 검출되는 광의 세기는 공진기(141)의 공진 파장에 해당하는 광의 세기이다. 따라서, 광 검출기(143)는 광원(110)에서 발생한 광의 파장과 동일한 파장을 갖는 광의 세기를 측정하게 된다.
또한, 라이다 장치(100)는 광원(110)과 광 송신기(120) 사이에 배치된 제 1 도파로(102), 광원(110)과 공진기(141) 사이에 배치된 제 2 도파로(103), 광 수신기(130)와 공진기(141) 사이에 배치된 제 3 도파로(104), 및 프로세서(150)의 제어에 따라 광원(110)에서 발생한 광을 제 1 도파로(102)에 제공하거나 또는 제 2 도파로(103)에 제공하는 광 스위치(101)를 더 포함할 수 있다.
광 스위치(101), 제 1 도파로(102), 제 2 도파로(103), 및 제 3 도파로(104)는 공진형 광 검출기(140), 광 송신기(120), 및 광 수신기(130)와 함께 동일 기판 상에 탑재될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 제 1 도파로(102), 제 2 도파로(103), 및 제 3 도파로(104)는 각각 광섬유로 이루어질 수 있으며, 광 스위치(101), 공진형 광 검출기(140), 광 송신기(120), 및 광 수신기(130)는 라이다 장치(100)의 케이스 내부에 각각 개별적으로 고정될 수도 있다.
광 스위치(101)는 전기적인 신호에 따라 광 경로가 바뀌는 소자이다. 예를 들어, 광 스위치(101)는 마하젠더 간섭계(Mach-Zehnder interferometer) 스위치, 가열 히터(thermal heater), 또는 이들의 조합 등 다양한 방식으로 구현이 가능하다.
제 1 도파로(102)의 제 1 단부는 광 스위치(101)에 연결되어 있으며, 제 1 단부의 반대쪽에 있는 제 2 단부는 광 송신기(120)의 입력 포트에 연결될 수 있다. 프로세서(150)의 제어에 따라 광 스위치(101)가 광원(110)에서 발생한 광을 제 1 도파로(102)에 제공하면, 광원(110)에서 발생한 광은 제 1 도파로(102)를 따라서 광 송신기(120)에 공급된다.
또한, 제 2 도파로(103)의 제 1 단부는 광 스위치(101)에 연결되어 있으며, 제 1 단부의 반대쪽에 있는 제 2 단부를 포함하는 제 2 도파로(103)의 일부 영역은 공진기(141)에 인접하여 배치된다. 제 2 도파로(103)의 일부 영역은 공진기(141)의 접선 방향과 평행한 방향으로 배치되지만 공진기(141)와 물리적으로 접촉하지는 않는다. 예를 들어, 공진기(141)와 제 2 도파로(103) 사이의 최단 거리는 0보다 크고 제 2 도파로(103)의 폭의 5배 이하일 수 있다. 또한, 공진기(141)와 제 2 도파로(103) 사이의 최단 거리는 제 2 도파로(103)의 폭의 2배 이하, 예를 들어, 제 2 도파로(103)의 폭의 0.5배 내지 1배일 수 있다. 그러면, 제 2 도파로(103)가 공진기(141)의 공진 파장에 영향을 주지 않으면서, 제 2 도파로(103)를 따라 제 2 단부를 향해 진행하는 광이 공진기(141)로 전달될 수 있다. 프로세서(150)의 제어에 따라 광 스위치(101)가 광원(110)에서 발생한 광을 제 2 도파로(103)에 제공하면, 광원(110)에서 발생한 광은 제 2 도파로(103)를 따라서 공진기(141)에 공급된다.
제 3 도파로(104)의 제 1 단부는 광 수신기(130)에 연결되어 있으며, 제 1 단부의 반대쪽에 있는 제 2 단부를 포함하는 제 3 도파로(104)의 일부 영역은 공진기(141)에 인접하여 배치된다. 제 3 도파로(104)의 일부 영역은 공진기(141)의 접선 방향과 평행한 방향으로 배치되지만 공진기(141)와 물리적으로 접촉하지는 않는다. 예컨대, 공진기(141)와 제 3 도파로(104) 사이의 최단 거리는 0보다 크고 제 3 도파로(104)의 폭의 5배 이하일 수 있다. 또한, 공진기(141)와 제 3 도파로(104) 사이의 최단 거리는 제 3 도파로(104)의 폭의 2배 이하, 예컨대, 제 3 도파로(104)의 폭의 0.5배 내지 1배일 수 있다. 그러면, 제 3 도파로(104)는 공진기(141)의 공진 파장에 영향을 주지 않으며, 광 수신기(130)로부터 제 3 도파로(104)의 제 1 단부에 입사한 광은 제 3 도파로(104)를 따라 제 2 단부를 향해 진행하는 과정에서 공진기(141)로 전달될 수 있다. 제 3 도파로(104)는 공진기(141)를 중심으로 제 2 도파로(103)의 반대쪽에 배치될 수 있지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
상술한 구조를 갖는 라이다 장치(100)에서, 광원(110)에서 발생한 광을 광 송신기(120)에 제공하여 광 송신기(120)를 통해 외부로 광을 방출하기 전에, 공진기(141)에 먼저 광을 제공하여 공진기(141)의 공진 파장을 광원(110)에서 발생하는 광의 파장과 일치시킨다. 그런 후, 광 송신기(120)에 광을 공급하여 외부로 광을 방출하고 광 수신기(130)로부터 수신된 광 중에서 공진기(141)의 공진 파장에 해당하는 신호광만을 선택적으로 증폭하여 검출할 수 있다. 예를 들어, 도 2a 및 도 2b는 도 1에 도시된 라이다 장치(100)의 동작을 개략적으로 설명하기 위한 블록도이다.
먼저, 도 2a는 광원(110)에서 발생하는 광의 파장과 일치하도록 공진기(141)의 공진 파장을 조율하는 과정을 도시한다. 도 2a를 참조하면, 프로세서(150)는 광 스위치(101)를 제어하여 광원(110)과 제 2 도파로(103)를 광학적으로 연결시킨다. 그리고, 프로세서(150)는 광원(110)을 턴온시켜 광을 발생시킨다. 프로세서(150)는 이때 광원(110)을 제어하여 광원(110)에서 발생하는 광의 파장을 조절할 수도 있다. 광원(110)에서 발생한 광은 제 2 도파로(103)를 거쳐 공진기(141)에 전달되고 공진기(141) 내에서 공진하게 된다. 프로세서(150)는 광 검출기(143)의 출력을 모니터링하면서 위상 변조기(142)를 제어하여 공진기(141)를 따라 진행하는 광의 위상을 점진적으로 변화시킨다. 위상 변조기(142)에 의한 위상 지연을 조절하는 과정은 광 검출기(143)의 출력이 최대가 될 때까지 반복될 수 있다.
프로세서(150)는 위상 변조기(142)를 제어하여 공진기(141)를 따라 진행하는 광의 위상을 조절하는 동안 광 검출기(143)에서 검출되는 광의 세기가 최고에 이를 때 공진기(141)의 공진 파장이 광원(110)에서 발생한 광의 파장과 일치하는 것으로 판단한다. 이러한 방식으로 공진기(141)의 공진 파장을 결정한 후, 프로세서(150)는 도 2a에 도시된 조율 모드를 종료하고, 조율 모드에서 결정된 광원(110)의 파장과 위상 변조기(142)에 의한 위상 지연을 일정하게 고정시킬 수 있다. 필요에 따라, 프로세서(150)는 조율 모드에서 결정된 제어 조건을 메모리에 저장할 수 있다.
그런 후, 프로세서(150)는 신호 검출 모드를 수행한다. 예를 들어, 도 2b에 도시된 바와 같이, 프로세서(150)는 스위치(101)를 제어하여 광원(110)과 제 1 도파로(102)를 광학적으로 연결시킨다. 그러면, 광원(110)에서 발생한 광은 제 1 도파로(102)를 거쳐 광 송신기(120)에 전달된다. 프로세서(150)는 광 송신기(120)를 제어하여 전방의 복수의 영역에 대해 순차적으로 또는 불규칙적으로 광을 조사할 수 있다. 신호 검출 모드에서, 프로세서(150)는 조율 모드에서 결정된 광원(110)의 파장과 위상 변조기(142)에 의한 위상 지연을 유지할 수 있다.
한편, 외부로부터 광 수신기(130)에 입사하는 광은 제 3 도파로(104)를 따라 진행하게 된다. 제 3 도파로(104)를 따라 진행하는 광 중에서 공진기(141)의 공진 조건을 만족하는 파장을 갖는 광만이 공진기(141) 내에서 공진하며 광 검출기(143)에 의해 검출될 수 있다. 공진기(141)의 공진 조건을 만족하는 파장을 갖는 광은 신호광의 파장과 정확히 일치하는 파장을 갖는 광뿐만 아니라, 공진기(141)의 폐곡선 도파로의 광학적 길이의 정수배에 해당하는 복수의 파장을 갖는 광을 포함할 수 있다.
예를 들어, 도 3은 도 1에 도시된 라이다 장치(100)에서 검출되는 신호의 분포를 예시적으로 보이는 그래프이다. 도 3을 참조하면, 광 수신기(130)를 통해 신호광과 함께 들어오는 외부 노이즈는 적어도 수십 nm 이상의 넓은 파장 대역에 거쳐 분포한다. 이러한 외부 노이즈의 대부분은 공진기(141)의 공진 파장에 정확히 맞지 않는 성분이다. 따라서 공진기(141)에 들어온 신호광 성분은 폐곡선 도파로에서 증폭되고, 노이즈 성분은 제 3 도파로(104)의 제 2 단부로 빠져나가 제 3 도파로(104)가 탑재된 회로 기판 또는 제 3 도파로(104)를 포함하는 칩 내에서 산란되어 없어진다.
외부 노이즈 중에서는 공진기(141)의 공진 파장과 일치하는 성분만이 신호광과 함께 광 검출기(143)에서 검출된다. 예를 들어, 도 3에는 공진기(141)의 공진 파장에 해당하는 복수의 피크들이 예시적으로 도시되었다. 도 3의 그래프에 예시적으로 도시된 바와 같이, 약 1 nm 주기마다 반치폭을 기준으로 약 0.01 nm 너비의 노이즈가 광 검출기(143)에서 검출될 수 있다. 따라서, 광 수신기(130)를 통해 신호광과 함께 들어오는 외부 노이즈가 모든 파장 대역에서 균일한 세기의 광을 포함한다고 가정할 때, 외부 노이즈 중에서 약 1/100 정도만이 광 검출기(143)에서 검출될 수 있으며, 이렇게 감소된 노이즈로 인해 라이다 장치(100)의 신호대 잡음비가 향상될 수 있다. 도 3에 도시된 피크들의 주기와 너비는 공진기(141)의 폐쇄형 도파로의 길이, 손실, 제 3 도파로(104)와의 간격 등 여러 설계요소에 의해 결정될 수 있으므로, 위에서 예시한 수치들은 단지 이해를 돕기 위한 예일 뿐이다.
공진기(141)와 광학적으로 연결된 광 검출기(143)에 입사하는 광의 세기는 공진기(141)에서 공진 현상으로 인해 실제보다 수십 배 증폭되는 효과가 있다. 따라서, 광검추기(143)의 감도가 증가한 것과 동일한 효과를 가질 수 있다. 이러한 효과로 인해 라이다 장치(100)의 신호대 잡음비가 향상될 수 있다. 따라서, 도 1에 도시된 대역 통과 필털(161)를 제거하더라도 높은 신호대 잡음비를 달성할 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 광 검출기(143)는 공진기(141)를 따라 진행하는 광을 모두 흡수하지 않고 일부만을 흡수하여 검출할 수 있다. 이러한 조건은 실리콘 광 검출기의 사용을 가능하게 한다. 이상적인 실리콘 결정은 가시광선은 흡수하지만 적외선 파장 영역의 빛은 흡수하지 않는다. 그러나, 실제적으로는 실리콘 내부 및 표면에 존재하는 격자의 결함으로 인한 이광자 흡수(two-photon absorption)에 의한 적외선 흡수가 관찰된다. 이광자 흡수 메커니즘에 의한 광전류(photocurrent)의 생성은 일반적으로 약 5mA/W 수준으로 매우 약하다고 알려졌다. 그러나, 실시예에 따른 라이다 장치(100)의 경우, 실리콘 광 검출기를 공진기(141)에 결합시킴으로써 약 0.1A/W 수준의 응답성을 얻을 수 있다. 이는 게르마늄(Ge)이나 Ⅲ-Ⅴ 족 화합물 반도체를 이용한 광 검출기의 적외선 파장 영역에 대한 응답성과 유사한 정도이다.
따라서, 적외선 파장 영역의 신호를 검출하는 광 검출기(143)로서 실리콘 검출기를 사용하는 것이 가능하다. 실리콘 검출기를 사용하면 공진기(141) 내의 공진 현상을 유지할 수 있을 정도로 광의 일부만을 흡수할 수 있다. 또한 공진기(141)에 결합됨으로써, 실리콘 검출기는 다른 반도체 재료를 이용한 적외선 검출기와 유사한 성능을 달성할 수 있다. 광 검출기(143)로서 실리콘 검출기를 사용하면, 현재의 CMOS(complementary metal oxide semiconductor) 제조 공정을 그대로 이용하여 도 1에 도시된 광 송신기(120), 광 수신기(130), 및 공진형 광 검출기(140)를 구현할 수 있어서, 라이다 장치(100)의 생산 비용을 크게 낮출 수 있다.
도 1에는 광 검출기(143)가 공진기(141)의 폐곡선 도파로 상에 배치된 것으로 도시되었으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 도 4는 도 1에 도시된 라이다 장치(100)의 공진형 광 검출기의 다른 구성을 예시적으로 보인다. 도 4를 참조하면, 공진형 광 검출기(140a)는 공진기(141)의 폐곡선 도파로 상에 배치된 광 커플러(144) 및 광 커플러(144)와 연결된 광 검출기(143)를 포함할 수 있다. 광 커플러(144)는 공진기(141) 내에서 진행하는 광의 일부를 광 검출기(143)에 제공할 수 있다.
도 5는 다른 실시예에 따른 라이다 장치의 구성을 개략적으로 보이는 블록도이다. 도 5를 참조하면, 라이다 장치(100a)는 온도 센서(151)를 더 포함할 수 있다. 온도 센서(151)는 라이다 장치(100a) 주변의 온도, 특히 광원(110)의 온도를 측정하도록 배치될 수 있다. 광원(110)에서 발생하는 광의 파장은 일반적으로 온도에 의한 영향을 크게 받는다. 프로세서(150)는 광원(110)의 온도와 광의 파장 사이의 관계를 저장한 메모리를 포함할 수 있다.
프로세서(150)는 도 2a에 도시된 조율 모드를 수행하는 동안 온도 센서(151)에서 측정된 온도를 메모리에 저장할 수 있다. 그리고, 도 2b에 도시된 신호 검출 모드를 수행하는 동안, 프로세서(150)는 온도 센서(151)로부터 광원(110)의 온도를 모니터링할 수 있다. 신호 검출 모드 동안 온도 센서(151)에서 측정된 온도가 메모리에 저장된 온도와 크게 달라진다면, 프로세서(150)는 신호 검출 모드를 임시로 중단하고 조율 모드를 다시 수행할 수 있다. 예를 들어, 조율 모드를 수행하는 동안 측정된 온도를 기초로 계산된 광원(110)에서 발생한 광의 파장과 비교하여, 신호 검출 모드를 수행하는 동안 측정된 온도를 기초로 계산된 광원(110)에서 발생한 광의 파장이 공진기(141)의 공진 조건을 충분히 만족하지 않을 정도로 변화한다면, 프로세서(150)는 신호 검출 모드를 중단하고 조율 모드를 수행할 수 있다. 예컨대, 광원(110)에서 발생한 광의 파장이 약 1 nm 이상 변화한다면 프로세서(150)는 다시 조율 모드를 수행할 수 있다. 이러한 방식으로 프로세서(150)는 공진기(141)의 공진 파장을 광원(110)에서 발생하는 광의 변화된 파장에 실시간으로 일치시킬 수 있다.
도 6은 또 다른 실시예에 따른 라이다 장치의 구성을 개략적으로 보이는 블록도이다. 도 6을 참조하면, 라이다 장치(100b)는 제 3 도파로(104)의 제 2 단부에 배치된 추가적인 광 검출기(152)를 더 포함할 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 광 수신기(130)를 통해 들어온 광 중에서, 신호광 성분은 공진기(141)에서 증폭되고, 노이즈 성분은 제 3 도파로(104)의 제 2 단부를 향해 진행한다. 따라서, 제 3 도파로(104)의 제 2 단부에 배치된 광 검출기(152)는 외부 노이즈의 세기를 측정할 수 있다. 외부 노이즈의 파장 분포는 외부의 상태에 따라, 예를 들어, 주간, 야간, 터널, 날씨 등에 따라 달라질 수 있다. 프로세서(150)는 광 검출기(152)로부터 제공되는 외부 노이즈의 파장 분포를 기초로 외부의 상태를 예측하여 외부 정보를 사용자에게 제공할 수 있다.
도 7은 또 다른 실시예에 따른 라이다 장치의 구성을 개략적으로 보이는 블록도이다. 도 7을 참조하면, 라이다 장치(100c)는 광 경로 길이가 상이하며 광학적으로 서로 연결되어 있는 적어도 2개의 공진기를 구비한 공진형 광 검출기(140b)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 공진형 광 검출기(140b)는 제 1 광 경로 길이를 갖는 제 1 공진기(141a), 제 1 공진기(141a) 상에 배치되어 제 1 공진기(141a)를 따라 진행하는 광의 위상을 조절하는 제 1 위상 변조기(142a), 제 1 공진기(141a)를 따라 진행하는 광의 세기를 검출하는 제 1 광 검출기(143a), 제 1 광 경로 길이와 상이한 제 2 광 경로 길이를 갖는 제 2 공진기(141b), 제 2 공진기(141b) 상에 배치되어 제 2 공진기(141b)를 따라 진행하는 광의 위상을 조절하는 제 2 위상 변조기(142b), 및 제 2 공진기(141b)를 따라 진행하는 광의 세기를 검출하는 제 2 광 검출기(143b)를 포함할 수 있다.
제 1 공진기(141a)와 제 2 공진기(141b)는, 예를 들어, 폐곡선 도파로 공진기일 수 있다. 도 7에는 예시적으로, 제 1 공진기(141a)는 제 1 직경(R1)을 갖는 원형의 폐곡선 도파로이고, 제 2 공진기(141b)는 제 1 직경(R1)과 상이한 제 2 직경(R2)을 갖는 원형의 폐곡선 도파로인 것으로 도시되었지만, 제 1 공진기(141a)와 제 2 공진기(141b)의 폐곡선 도파로가 반드시 원형일 필요는 없으며, 광 경로 길이가 상이한 다양한 형태를 갖는 폐곡선 도파로들이 사용될 수도 있다. 또한, 제 1 공진기(141a)의 폐곡선 도파로와 제 2 공진기(141b)의 폐곡선 도파로가 서로 다른 형태를 가질 수도 있다.
광 스위치(101)와 광학적으로 연결된 제 2 도파로(103)는 광원(110)에서 발생한 광을 제 1 공진기(141a)에 전달하도록 배치된다. 광 수신기(130)와 광학적으로 연결된 제 3 도파로(104)는 광 수신기(130)로 들어온 광을 제 2 공진기(141b)에 전달하도록 배치된다. 예를 들어, 제 2 도파로(103)는 제 1 공진기(141a)의 인근에서 제 1 공진기(141a)의 접선 방향과 평행한 방향으로 배치되고, 제 3 도파로(104)는 제 2 공진기(141b)의 인근에서 제 2 공진기(141b)의 접선 방향과 평행한 방향으로 배치될 수 있다.
제 1 공진기(141a)와 제 2 공진기(141b)는 광학적으로 서로 연결될 수 있다. 예를 들어, 공진형 광 검출기(140b)는 제 1 공진기(141a)와 제 2 공진기(141b) 사이에 연결된 제 4 도파로(145)를 더 포함할 수 있다. 제 1 공진기(141a)를 따라 진행하는 광은 제 4 도파로(145)를 통해 제 2 공진기(141b)로 전달되며, 또한 제 2 공진기(141b)를 따라 진행하는 광은 제 4 도파로(145)를 통해 제 1 공진기(141a)로 전달될 수 있다. 따라서, 제 2 도파로(102)를 통해 제 1 공진기(141a)에 공급된 광 및 제 3 도파로(104)를 통해 제 2 공진기(141b)에 공급된 광은 제 1 공진기(141a)와 제 2 공진기(141b)를 따라 '8'자 형태로 진행하게 된다.
폐곡선 도파로의 광 경로 길이가 달라지면 공진기의 공진 파장이 달라지며 공진 파장들 사이의 간격, 다시 말해 공진 주기도 달라진다. 2개의 폐곡선 도파로가 직렬로 연결된 경우, 2개의 폐곡선 도파로의 공진 조건이 모두 만족되어야 신호가 검출이 되고, 따라서 신호와 함께 검출되는 외부 노이즈도 2개의 폐곡선 도파로의 공진 조건이 동시에 만족되는 파장으로 한정되어, 결과적으로 공진 주기가 늘어나는 효과를 얻을 수 있다.
예를 들어, 도 8은 도 7에 도시된 라이다 장치(100c)에서 제 1 및 제 2 공진기(141a, 141b) 각각의 공진 특성과 결과적인 공진형 광 검출기(140b)의 공진 특성을 예시적으로 보인다. 공진기의 공진 주기는 광 경로 길이의 역수에 비례하며 광 경로 길이가 증가할수록 공진 주기도 짧아진다. 도 8에서는 제 1 공진기(141a)와 제 2 공진기(141b)가 각각 직경 R1과 R2를 갖는 원형 폐곡선 도파로인 것으로 가정하였다. 도 8을 참조하면, 제 1 및 제 2 공진기(141a, 141b) 각각의 공진 주기는 비교적 짧지만, 제 1 공진기(141a)와 제 2 공진기(141b)의 직렬 연결에 의한 결과적인 공진형 광 검출기(140b)의 공진 주기는 크게 증가한다. 예를 들어, 결과적인 공진형 광 검출기(140b)의 공진 주기는 제 1 공진기(141a)의 공진 주기와 제 2 공진기(141b)의 공진 주기의 최소 공배수와 같다. 따라서, 제 1 광 검출기(143a)와 제 2 광 검출기(143b)에서 검출되는 외부 노이즈를 더욱 줄일 수 있다.
2개의 공진기를 사용하는 경우, 조율 모드는 하나의 공진기씩 순차적으로 수행될 수 있다. 예를 들어, 프로세서(150)는 먼저 제 1 광 검출기(143a)에서 측정되는 광의 세기가 최대가 될 때까지 제 1 위상 변조기(142a)에 의한 위상 지연을 제어한다. 이러한 방식으로 제 1 공진기(141a)의 공진 파장을 광원(110)에서 발생한 광의 파장과 일치시킨다. 제 1 광 검출기(143a)에서 측정되는 광의 세기가 최대가 되면, 이어서 프로세서(150)는 제 2 광 검출기(143b)에서 측정되는 광의 세기가 최대가 될 때까지 제 2 위상 변조기(142b)에 의한 위상 지연을 제어할 수 있다. 이러한 방식으로 제 2 공진기(141b)의 공진 파장을 광원(110)에서 발생한 광의 파장과 일치시킨다.
프로세서(150)는 제 1 공진기(141a)와 제 2 공진기(141b)의 공진 파장을 결정한 후에 광원(110)에서 발생한 광을 광 송신기(120)에 제공하여 신호 검출 모드를 수행한다. 신호 검출 모드에서, 프로세서(150)는 제 1 광 검출기(143a)에서 검출되는 신호와 제 2 광 검출기(143b)에서 검출되는 신호를 모두 이용하여 외부 물체에 대한 정보를 계산할 수 있다. 2개의 광 검출기를 사용함으로써 조율 모드와 신호 검출 모드에서의 정확성 및 정밀성을 향상시킬 수 있다.
도 7에는 제 1 공진기(141a)와 제 2 공진기(141b)가 제 4 도파로(145)를 통해 직렬 연결된 것으로 도시되었으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 도 9는 도 7에 도시된 라이다 장치(100c)의 공진형 광 검출기의 다른 구성을 예시적으로 보인다. 도 9를 참조하면, 공진형 광 검출기(140c)는 제 4 도파로(145) 없이 서로 근접한 제 1 공진기(141a)와 제 2 공진기(141b)를 포함할 수 있다. 제 1 공진기(141a)와 제 2 공진기(141b)는 서로 물리적으로 접촉하지 않으며, 제 1 공진기(141a)와 제 2 공진기(141b) 사이의 최단 거리는, 예를 들어, 0보다 크고 폐곡선 도파로의 폭의 5배 이하일 수 있다. 또한, 제 1 공진기(141a)와 제 2 공진기(141b) 사이의 최단 거리는 폐곡선 도파로의 폭의 2배 이하, 예컨대, 폐곡선 도파로의 폭의 0.5배 내지 1배일 수 있다. 공진형 광 검출기(140c)의 나머지 구성은 도 7에 도시된 공진형 광 검출기(140b)의 구성과 동일하다.
도 10은 또 다른 실시예에 따른 라이다 장치의 구성을 개략적으로 보이는 블록도이다. 도 10을 참조하면, 라이다 장치(100d)는 제 1 도파로(102) 상에 배치된 광 커플러(105)를 더 포함할 수 있다. 따라서, 광 커플러(105)는 광 스위치(101)와 광 송신기(120) 사이의 광 경로에 배치된다. 또한, 라이다 장치(100d)의 제 2 도파로(103)의 제 1 단부는 광 스위치(101)에 연결되고 제 2 단부는 광 커플러(105)까지 연장되어 있다. 제 2 도파로(103)의 제 1 단부와 제 2 단부 사이의 일부 영역이 공진기(141)에 인접하여 공진기(141)의 접선 방향으로 지나가게 된다.
본 실시예에 따르면, 광원(110)에서 발생하여 제 1 도파로(102)를 통해 광 송신기(120)에 제공되는 광의 일부가 광 커플러(105)와 제 2 도파로(103)를 통해 공진기(141)에 제공될 수 있다. 따라서, 신호 검출 모드에서 공진기(141)에는 광 수신기(130)를 통해 수신한 광뿐만 아니라 광원(110)에서 발생한 광이 함께 제공될 수 있다. 이 경우, 광 검출기(143)에서 측정되는 신호는 광 수신기(130)를 통해 수신한 수신광과 광원(110)에서 발생한 송신광 사이의 간섭에 의해 형성되는 간섭광의 신호이다.
그러면, 프로세서(150)는 FMCW(frequency modulated continuous wave) 방식으로 수신 신호의 주파수를 분석하여 전방의 물체에 관한 정보를 계산할 수 있다. 예를 들어, 도 11은 삼각(triangle) FMCW 방식에서 송신광의 주파수 성분과 수신광의 주파수 성분을 예시적으로 보이는 그래프이다. 도 11에서 세로축은 주파수를 나타내며 가로축은 시간을 나타낸다. 도 11에 도시된 바와 같이, 송신광과 수신광의 그래프는 주파수가 시간에 따라 선형적으로 증가하였다가 다시 선형적으로 감소하는 삼각형 형태를 보인다. 송신광의 주파수 피크와 수신광의 주파수 피크 사이에는 Δt만큼의 시간 지연이 있다. FMCW 방식에 따르면, 광 검출기(143)에서 측정되는 간섭광의 신호를 이용하여 프로세서(150)는 송신광의 주파수 피크와 수신광의 주파수 피크 사이의 시간 지연 Δt을 계산할 수 있으며, 이를 통해 전방의 물체까지의 거리 정보 및 전방의 물체와의 상대 속도 정보를 정확하게 계산할 수 있다. 도 11에는 예시적으로 삼각 FMCW 방식을 도시하였으나, 선형(linear) FMCW 방식을 이용하는 것도 가능하다.
앞선 실시예들에서는 광원(110)이 펄스 광원이고 프로세서(150)가 TOF 방식으로 전방의 물체에 대한 정보를 계산하는 것으로 설명하였다. 그러나, 도 10에 도시된 실시예에서 FMCW 방식을 이용하기 위하여, 광원(110)은 지속적으로 발진하여, 예를 들어, 사인파와 같은 파형을 갖는 연속파(continuous wave) 광을 발생시키는 연속파 광원일 수 있다. 또한, 프로세서(150)는 광원(110)이 도 11에 도시된 것과 같은 주파수 변조된 광을 발생시키도록 광원(110)을 제어할 수 있다. FMCW 방식을 이용하는 경우에도, 주파수 변조된 광의 파장 변화는, 예들 들어, 0.006 nm 정도로 매우 작다. 따라서 주파수 변조된 광의 최소 파장과 최대 파장이 모두 공진기(141)의 공진 조건을 만족시킬 수 있다.
도 12는 또 다른 실시예에 따른 라이다 장치의 구성을 개략적으로 보이는 블록도이다. 도 12를 참조하면, 라이다 장치(100e)는 광 스위치(101)를 포함하지 않으며, 광원(110)과 광 송신기(120) 사이에 배치된 제 1 도파로(102), 제 1 도파로(102) 상에 배치된 광 커플러(105), 및 광 커플러(105)와 공진기(141) 사이에 배치된 제 2 도파로(103)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제 1 도파로(102)의 제 1 단부는 광원(110)에 직접적으로 연결되어 있으며 제 2 단부는 광 송신기(120)에 직접적으로 연결될 수 있다. 또한, 제 2 도파로(103)의 제 1 단부는 광 커플러(105)에 연결되어 있으며 제 2 단부는 공진기(141)의 인근에서 공진기(141)의 접선 방향과 평행한 방향으로 지나간다.
도 12에 도시된 실시예에서, 프로세서(150)는 조율 모드와 신호 검출 모드 사이의 전환시 광 스위칭이 필요 없다. 조율 모드에서, 광원(110)에서 발생한 광의 일부가 광 커플러(105)와 제 2 도파로(103)를 통해 공진기(141)에 제공될 수 있다. 조율 모드에서, 프로세서(120)는 광 송신기(120)의 동작을 중지시킬 수 있다. 또한, 신호 검출 모드에서, 공진기(141)에는 광 수신기(130)를 통해 수신한 광뿐만 아니라 광원(110)에서 발생한 광이 함께 제공될 수 있다. 이 경우, 광 검출기(143)에서 측정되는 신호는 광 수신기(130)를 통해 수신한 수신광과 광원(110)에서 발생한 송신광 사이의 간섭에 의해 형성되는 간섭광의 신호이다. 프로세서(150)는 FMCW 방식으로 수신 신호의 주파수를 분석하여 전방의 물체에 관한 정보를 계산할 수 있다.
도 13은 또 다른 실시예에 따른 라이다 장치의 구성을 개략적으로 보이는 블록도이다. 도 13에 도시된 라이다 장치(100f)의 구성은 도 12에 도시된 라이다 장치(100e)의 구성과 유사하며, 단지 공진기(141) 내에서 광이 진행하는 방향만이 다르다. 예를 들어, 도 12에 도시된 라이다 장치(100e)의 경우, 공진기(141) 내에서 송신광은 반시계 방향으로 진행하고 수신광은 시계 방향으로 진행한다. 이와 반대로, 도 13에 도시된 라이다 장치(100f)의 경우, 공진기(141) 내에서 송신광은 시계 방향으로 진행하고 수신광은 반시계 방향으로 진행한다. 이를 위해, 도 13에 도시된 라이다 장치(100f)에서 제 2 도파로(103)는 180도 절곡된 후에 공진기(141)의 인근에서 공진기(141)의 접선 방향과 평행한 방향으로 지나간다. 제 3 도파로(104)도 역시 180도 절곡된 후에 공진기(141)의 인근에서 공진기(141)의 접선 방향과 평행한 방향으로 지나간다.
비록 도 13에는 제 2 도파로(103)와 제 3 도파로(104)가 모두 180도 절곡된 것으로 도시되었지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 제 2 도파로(103)만이 180도 절곡될 수도 있고 또는 제 3 도파로(104)만이 180도 절곡될 수도 있다. 제 2 도파로(103)와 제 3 도파로(104) 중에서 어느 하나만이 180도 절곡되는 경우에, 공진기(141) 내에서 송신광과 수신광은 동일한 방향으로 진행할 수 있다. 공진기(141) 내에서 송신광과 수신광이 동일한 방향으로 진행하더라도 송신광과 수신광 사이의 간섭 신호가 발생할 수 있다.
지금까지는 공진형 광 검출기의 공진기가 폐곡선 도파로 공진기인 것으로 예시되었으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 도 14는 또 다른 실시예에 따른 라이다 장치의 구성을 개략적으로 보이는 블록도이다. 도 14를 참조하면, 라이다 장치(100g)의 공진형 광 검출기(140d)는 루프형 미러 공진기(141c)를 포함할 수도 있다. 루프형 미러 공진기(141c)는 도파로 상에 형성된 제 1 루프형 미러(146)와 제 2 루프형 미러(147)를 포함할 수 있다.
제 1 루프형 미러(146)와 제 2 루프형 미러(147)는 도파로의 일부 구간을 루프 형태로 접어서 도파로의 일부가 서로 가까이 마주하도록 구성된다. 도파로의 일부가 서로 가까이 마주하는 제 1 루프형 미러(146)와 제 2 루프형 미러(147)의 좁은 목 부분에서는 부분적인 반사와 부분적인 투과가 발생한다. 따라서, 제 1 루프형 미러(146)와 제 2 루프형 미러(147) 사이에서 광이 공진하는 효과가 발생하므로 제 1 루프형 미러(146)와 제 2 루프형 미러(147)가 공진기의 역할을 할 수 있다. 위상 변조기(142)와 광 검출기(143)는 공진이 일어나는 제 1 루프형 미러(146)와 제 2 루프형 미러(147) 사이의 도파로 상에 배치될 수 있다.
도 14에 도시된 실시예에서, 제 2 도파로(103), 루프형 미러 공진기(141c), 및 제 3 도파로(104)는 하나로 도파로를 이용하여 일체로 구성될 수 있다. 예를 들어, 하나의 도파로가 광 스위치(101)로부터 광 수신기(130)까지 연장되어 있으며, 도파로의 중간 부분에 제 1 루프형 미러(146)와 제 2 루프형 미러(147)를 형성할 수 있다. 도 14에는 편의 상, 광 스위치(101)와 제 1 루프형 미러(146) 사이를 제 2 도파로(103)로 표시하고, 광 수신기(130)와 제 2 루프형 미러(147) 사이를 제 3 도파로(104)로 표시하였다.
한편, 광 송신기(120)와 광 수신기(130)를 광 위상 어레이(OPA) 방식으로 구현할 경우, 광 송신기(120)와 광 수신기(130)를 하나의 칩 내에 집적하여 구성할 수 있다. 또한, 광 송신기(120), 광 수신기(130), 및 공진형 광 검출기(140)를 하나의 칩 내에 집적하거나, 나아가 광원(110), 광 송신기(120), 광 수신기(130), 및 공진형 광 검출기(140)를 하나의 칩 내에 집적하는 것도 가능하다. 따라서, 광 송신기(120)와 광 수신기(130)를 광 위상 어레이(OPA) 방식으로 구현하면 라이다 장치를 매우 소형화할 수 있다.
예를 들어, 도 15는 광학 위상 어레이 소자의 예시적인 구성을 개략적으로 보이는 사시도이다. 도 15를 참조하면, 광학 위상 어레이 소자(200)는 기판(201), 기판(201) 상에 배치된 광원(110), 분기 영역(200A), 위상 제어 영역(200B), 증폭 영역(200C), 및 방출 영역(200D)을 포함할 수 있다. 광원(110), 분기 영역(200A), 위상 제어 영역(200B), 증폭 영역(200C), 및 방출 영역(200D)은 제 1 방향(DR1)을 따라 배열될 수 있다. 광학 위상 어레이 소자(200)는 광원(110)에서 발생한 광을 분기 영역(200A), 위상 제어 영역(200B), 증폭 영역(200C), 및 방출 영역(200D)에 차례로 전달하는 복수의 도파로(211)를 포함할 수 있다. 광원(110)에서 발생한 광은 도파로(211)를 통해 제 1 방향(DR1)을 따라 진행할 수 있다. 도 15에는 예시적으로 광원(110)이 광학 위상 어레이 소자(200)와 일체로 제작된 것으로 도시되었지만, 광원(110)은 광학 위상 어레이 소자(200)와 별개로 제작될 수도 있다.
분기 영역(200A)은 복수의 분배기(220)를 포함할 수 있다. 복수의 분배기(220)는 도파로(211)를 따라 진행하는 하나의 광을 여러 광들로 나눌 수 있다. 이를 위해, 각각의 분배기(220)의 입력단에는 하나의 도파로(211)가 연결되고 출력단에는 복수의 도파로(211)가 연결될 수 있다. 예시적으로, 도 15에 하나의 광을 두 개의 광들로 나누는 복수의 분배기(220)가 도시되었다. 광원(110)에서 발생한 광은 분기 영역(200A) 내에서 복수의 광으로 분할될 수 있다. 분할된 복수의 광은 복수의 도파로(211)를 따라 각각 진행하게 된다. 도 15에는 광원(110)에서 발생한 광이 분기 영역(200A)에서 8개의 광들로 분할되는 것으로 도시되었으나, 이는 단순한 예시이며 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
위상 제어 영역(200B)은 복수의 도파로(211)에 각각 배치된 복수의 위상 제어 소자(230)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 복수의 위상 제어 소자(230)는 제 1 방향(DR1)에 수직한 제 2 방향(DR2)을 따라 배열될 수 있다. 분기 영역(200A) 내에서 분기된 복수의 광들은 복수의 위상 제어 소자(230)에 각각 제공될 수 있다. 위상 제어 소자(230)는 전기적으로 제어되는 가변적인 굴절률을 가질 수 있다. 위상 제어 소자(230)의 굴절률에 따라 위상 제어 소자(230)를 통과하는 광들의 위상들이 결정될 수 있다. 위상 제어 소자(230)는 분기된 복수의 광들의 위상들을 독립적으로 조절할 수 있다.
증폭 영역(200C)은 복수의 도파로(211)에 각각 배치된 복수의 광증폭기(240)를 포함할 수 있다. 복수의 광증폭기(240)는 제 1 방향(DR1)에 수직한 제 2 방향(DR2)을 따라 배열될 수 있다. 광증폭기(240)는 광 신호의 크기를 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 각각의 광증폭기(240)는 반도체 광증폭기(semiconductor optical amplifier) 또는 이온 도핑 증폭기를 포함할 수 있다.
방출 영역(200D)은 복수의 격자 패턴 그룹(250)을 포함할 수 있다. 복수의 격자 패턴 그룹(250)은 제 2 방향(DR2)을 따라 배열될 수 있다. 복수의 격자 패턴 그룹(250)은 복수의 광증폭기(240)와 각각 연결될 수 있다. 각각의 격자 패턴 그룹(250)은 증폭 영역(200C)에서 증폭된 광들을 각각 방출할 수 있다. 이를 위해, 각각의 격자 패턴 그룹(250)은 주기적으로 배열된 복수의 격자 패턴(250a)을 포함할 수 있다. 복수의 격자 패턴(250a)은 제 1 방향(DR1)을 따라 배열될 수 있다. 위상 제어 영역(200B)에서 결정된 분할된 광들 사이의 위상차, 격자 패턴(250a) 사이의 간격, 격자 패턴(250a)의 높이, 및 격자 패턴(250a)의 폭에 의해 격자 패턴 그룹(250)에 의해 방출되는 출력광(OL)의 진행 방향이 결정될 수 있다. 예를 들어, 출력광(OL)의 진행 방향은 제 1 방향(DR1)의 성분, 제 2 방향(DR2)의 성분, 및 제 1 방향(DR1)과 제 2 방향(DR2)에 수직한 제 3 방향(DR3)의 성분을 가질 수 있다.
도 15에 도시된 광학 위상 어레이 소자(200)를 광 송신기로 사용하는 경우, 프로세서(150)는 복수의 위상 제어 소자(230)를 독립적으로 제어하여 분기된 복수의 광들의 위상들을 조절함으로써 격자 패턴 그룹(250)을 통해 방출되는 송신광의 방위각 방향을 조절할 수 있다. 예를 들어, 복수의 위상 제어 소자(230)에 설정된 위상차에 따라 송신광이 다른 방위각 방향으로 방사된다. 한편, 격자 패턴 그룹(250)을 통해 방출되는 신호광의 고도각 방향은 광원(110)의 파장을 바꾸어 구현할 수 있다. 예를 들어, 1,310 nm의 파장 대역에서는 파장이 10 nm바뀔 때 고도각은 약 2°가 바뀐다.
또한, 도 15에 도시된 광학 위상 어레이 소자(200)는 광 수신기로도 사용할 수도 있다. 이 경우, 광학 위상 어레이 소자(200)는 광 송신기와 반대로 작동한다. 예를 들어, 격자 패턴 그룹(250)을 통해 광을 입력 받을 수 있으며, 프로세서(150)는 광 입력이 예상되는 방향에 맞도록 복수의 위상 제어 소자(230)의 위상을 미리 조절할 수 있다. 프로세서(150)가 설정한 방향에서 입사한 광은 복수의 위상 제어 소자(230)를 지나 하나의 도파로로 결합되면서 보강 간섭이 되어 광 검출기에서 검출될 수 있지만, 설정된 방향과 맞지 않는 방향에서 입사한 광은 복수의 위상 제어 소자(230)를 지나 하나의 도파로로 결합되면서 상쇄 간섭되어 광 검출기에서 검출되지 않는다.
도 16은 도 15에 도시된 광학 위상 어레이 소자를 포함하는 라이다 장치의 구성을 개략적으로 보이는 블록도이다. 도 16에 도시된 라이다 장치(100h)는 도 1에 도시된 라이다 장치(100)와 실질적으로 동일한 구성을 가지며, 단지 광학 위상 어레이 소자(200)로 구성된 광 송신기(120a)와 광 수신기(130a)를 포함한다는 점에서 차이가 있다. 또한, 라이다 장치(100h)는 광원(110), 광 송신기(120a), 광 수신기(130a), 및 공진형 광검출기(140)가 함께 탑재되어 있는 하나의 기판(121)을 포함할 수 있다. 광 송신기(120a)는 복수의 위상 제어 소자(124) 및 복수의 격자 패턴 그룹(126)을 포함할 수 있으며, 광 수신기(130a)도 복수의 위상 제어 소자(134) 및 복수의 격자 패턴 그룹(136)을 포함할 수 있다. 광학 위상 어레이 소자를 포함하는 구성은 도 1에 도시된 라이다 장치(100)뿐만 아니라 전술한 모든 실시예들에 따른 라이다 소자들에 모두 적용될 수 있다.
라이다 장치(100h)는 광 송신기(120a)와 광 수신기(130a)를 이용하여 전방의 영역에 대해 2차원 스캐닝을 수행할 수 있다. 예를 들어, 도 17은 도 16에 도시된 라이다 장치(100h)로부터 방출된 신호광의 분포를 예시적으로 보인다. 도 17에 도시된 바와 같이, 라이다 장치(100h)는 제 1 고도각 방향(φ1)을 고정한 채 제 1 방위각 방향(θ1)부터 제 N 방위각 방향(θN)까지 순차적으로 스캐닝할 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 방위각은 복수의 위상 제어 소자(124)를 통해 제어되며 고도각은 광원(110)에서 발생한 광의 파장에 의해 결정된다. 프로세서(110)는 제 1 고도각 방향(φ1)으로 광을 방사하기 위해 광원(110)이 제 1 파장(λ1)의 광을 생성하도록 광원(110)을 제어할 수 있다.
그런 후, 라이다 장치(100h)는 고도각 방향을 제 2 고도각 방향(φ2)으로 조절한다. 이를 위해, 프로세서(110)는 광원(110)이 제 2 파장(λ2)의 광을 생성하도록 광원(110)을 제어할 수 있다. 그리고, 프로세서(110)는 위상 제어 소자(124)를 제어하여 제 1 방위각 방향(θ1)부터 제 N 방위각 방향(θN)까지 순차적으로 스캐닝할 수 있다. 이러한 방식으로 고도각 방향을 바꿀 때마다 광원(110)에서 발생하는 광의 파장이 바뀌기 때문에, 라이다 장치(100h)는 고도각 방향을 바꿀 때마다 공진형 광 검출기(140)의 위상 변조기(142)를 제어하여 공진기(141)의 공진 파장을 광원(110)에서 발생하는 광의 파장과 일치시키는 조율 모드를 수행할 수 있다.
예를 들어, 도 18은 도 16에 도시된 라이다 장치(100h)의 구동 방식을 예시적으로 보인다. 도 18을 참조하면, 프로세서(150)는 제 1 고도각 방향(φ1)으로 광을 방사하기 위하여 광원(110)이 제 1 파장(λ1)의 광을 발생시키도록 광원(110)을 제어한다. 조율 모드에서, 광원(110)에서 발생한 제 1 파장의 광을 공진기(141)에 제공하고, 위상 변조기(142)를 제어하여 공진기(141)를 따라 진행하는 광의 위상을 조절함으로써 공진기(141)의 공진 파장을 제 1 파장과 일치시킨다. 그런 후, 신호 검출 모드에서, 프로세서(150)는 광원(110)에서 발생한 제 1 파장의 광을 광 송신기(120a)에 제공하면서 복수의 위상 제어 소자(124)를 제어하여 광 송신기(120a)로부터 방출되는 광의 방위각 방향을 제 1 방위각 방향(θ1)으로부터 제 N 방위각 방향(θN)까지 순차적으로 조절한다.
제 1 고도각 방향(φ1)에 대한 스캐닝이 완료되면, 제 2 고도각 방향(φ2)으로 광을 방사하기 위하여 프로세서(150)는 광원(110)이 제 2 파장(λ2)의 광을 발생시키도록 광원(110)을 제어한다. 조율 모드에서, 광원(110)에서 발생한 제 2 파장의 광을 공진기(141)에 제공하고, 위상 변조기(142)를 제어하여 공진기(141)를 따라 진행하는 광의 위상을 조절함으로써 공진기(141)의 공진 파장을 제 2 파장과 일치시킨다. 그런 후, 신호 검출 모드에서, 프로세서(150)는 광원(110)에서 발생한 제 2 파장의 광을 광 송신기(120a)에 제공하면서 복수의 위상 제어 소자(124)를 제어하여 광 송신기(120a)로부터 방출되는 광의 방위각 방향을 제 1 방위각 방향(θ1)으로부터 제 N 방위각 방향(θN)까지 순차적으로 조절할 수 있다.
또한, 광학 위상 어레이 소자를 사용하는 경우, 상술한 광 송신기(120a)와 광 수신기(130a)가 하나의 광 송수신기로 일체로 결합되어 제작될 수도 있다. 예를 들어, 도 19는 또 다른 실시예에 따른 라이다 장치의 구성을 개략적으로 보이는 블록도이다. 도 19를 참조하면, 라이다 장치(100i)는 광원(110), 광 송수신기(125), 및 공진형 광 검출기(140)를 포함할 수 있다. 광 송수신기(125)는 광학 위상 어레이 소자로 구성되며 광 송신기와 광 수신기의 역할을 모두 수행할 수 있다.
또한, 라이다 장치(100i)는 광원(110)과 광 송수신기(125) 사이에 배치된 제 1 도파로(102), 광원(110)과 공진형 광 검출기(140)의 공진기(141) 사이에 배치된 제 2 도파로(103), 광 송수신기(125)와 공진기(141) 사이에 배치된 제 3 도파로(104), 프로세서(150)의 제어에 따라 광원(110)에서 발생한 광을 제 1 도파로(102)에 제공하거나 또는 제 2 도파로(103)에 제공하는 광 스위치(101), 및 제 1 도파로(102) 상에 배치된 광 커플러(105)를 포함할 수 있다. 제 3 도파로(104)의 제 1 단부는 광 커플러(105)에 연결되어 있다. 광 커플러(105)는 제 1 도파로(102)로부터 오는 광을 광 송수신기(125)에 전달하고, 광 송수신기(125)로부터 수신되는 광을 제 3 도파로(104)에 전달할 수 있다.
도 20은 또 다른 실시예에 따른 라이다 장치의 구성을 개략적으로 보이는 블록도이다. 도 20을 참조하면, 라이다 장치(100j)는 광원(110), 광 송수신기(125), 및 공진형 광 검출기(140)를 포함할 수 있다. 또한, 라이다 장치(100j)는 제 1 포트로 입력되는 광을 제 2 포트로 출력하고 제 2 포트로 입력되는 광을 제 3 포트로 출력하는 광 써큘레이터(106), 광원(110)과 광 써큘레이터(106)의 제 1 포트 사이에 연결된 제 1 도파로(102), 제 1 도파로(102) 상에 배치된 광 커플러(105), 공진기(141)와 광 커플러(105) 사이에 연결된 제 2 도파로(103), 및 공진기(141)기와 광 써큘레이터(106)의 제 3 포트 사이에 연결된 제 3 도파로(104)를 포함할 수 있다.
광원(110)에서 발생한 광은 광 커플러(105)에서 분기되어 공진기(141)와 광 써큘레이터(106)의 제 1 포트로 공급된다. 광 써큘레이터(106)의 제 1 포트로 공급된 광은 제 2 포트로 출력되어 광 송수신기(125)에 전달될 수 있다. 또한, 광 송수신기(125)에서 수신되는 광은 광 써큘레이터(106)의 제 2 포트로 입력되어 광 써큘레이터(106)의 제 3 포트로 출력된다. 그리고, 광 써큘레이터(106)의 제 3 포트로 출력된 광은 제 3 도파로(104)를 통해 공진기(141)에 제공된다. 따라서, 신호광과 수신광이 공진기(141)에 동시에 제공되며, 도 2에 도시된 라이다 장치(100j)는 예를 들어 FMCW 방식으로 전방의 물체에 대한 정보를 계산할 수 있다.
상술한 라이다 장치들은, 예컨대, 차량에 장착되어 전방의 차량들과의 거리 및 상대 속도 정보를 추출하도록 구성될 수 있다. 그러나, 본 실시예에 따른 라이다 장치들은 반드시 차량에만 적용될 수 있는 것은 아니다. 예를 들어, 라이다 장치들은 차량 외에도 선박, 항공기 등에 장착되거나 또는 드론 등에 장착되어, 선박, 항공기, 드론 등의 전방의 장애물을 탐색하고 회피하는데 이용될 수도 있다.
상술한 향상된 신호대 잡음비를 갖는 라이다 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. 권리범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 권리범위에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
100.....라이다 장치 101.....광 스위치
102, 103, 104, 211.....도파로 105, 144.....광 커플러
106.....광 써큘레이터 110.....광원
120.....광 송신기 125.....광 송수신기
130.....광 수신기 140.....공진형 광 검출기
141.....공진기 142.....위상 변조기
143, 152.....광 검출기 146, 147.....루프형 미러
150.....프로세서 151.....온도 센서
160.....광학계 161.....대역 통과 필터
200.....광학 위상 어레이 소자 220.....분배기
230.....위상 제어 소자 250.....격자 패턴 그룹

Claims (24)

  1. 소정의 파장을 갖는 광을 발생시키는 광원;
    상기 광원에서 발생한 광을 외부에 방출하는 광 송신기;
    외부로부터 오는 광을 수신하는 광 수신기;
    상기 광 수신기에서 수신한 광 중에서 상기 광원에서 발생한 광의 파장과 동일한 파장의 광을 선택적으로 증폭시켜 검출하는 공진형 광 검출기; 및
    상기 광원 및 상기 공진형 광 검출기의 동작을 제어하는 프로세서;를 포함하며,
    상기 공진형 광 검출기는:
    공진기;
    상기 공진기 상에 배치되어 상기 공진기를 따라 진행하는 광의 위상을 상기 프로세서의 제어를 기초로 조절하는 위상 변조기; 및
    상기 공진기를 따라 진행하는 광의 세기를 검출하는 광 검출기;를 포함하는, 라이다 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 프로세서는:
    상기 광원에서 발생한 광을 상기 광 송신기에 제공하기 전에 상기 공진기에 먼저 제공하고,
    상기 위상 변조기를 제어하여 상기 공진기를 따라 진행하는 광의 위상을 조절함으로써 상기 공진기의 공진 파장을 상기 광원에서 발생한 광의 파장과 일치시키고,
    상기 공진기의 공진 파장을 결정한 후에 상기 광원에서 발생한 광을 상기 광 송신기에 제공하는, 라이다 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 프로세서는 상기 위상 변조기를 제어하여 상기 공진기를 따라 진행하는 광의 위상을 조절하는 동안 상기 광 검출기에서 검출되는 광의 세기가 최고에 이를 때 상기 공진기의 공진 파장이 상기 광원에서 발생한 광의 파장과 일치하는 것으로 판단하는, 라이다 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 광원의 온도를 측정하는 온도 센서를 더 포함하며,
    상기 프로세서는:
    상기 온도 센서에서 측정한 온도를 기초로 상기 광원에서 발생하는 광의 파장을 결정하고,
    상기 광원에서 발생하는 광의 파장이 소정의 범위 이상으로 변화하면, 상기 위상 변조기를 제어하여 상기 공진기를 따라 진행하는 광의 위상을 조절함으로써 상기 공진기의 공진 파장을 상기 광원에서 발생한 광의 파장과 일치시키는, 라이다 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 광원과 상기 광 송신기 사이에 배치된 제 1 도파로;
    상기 광원과 상기 공진기 사이에 배치된 제 2 도파로;
    상기 광 수신기와 상기 공진기 사이에 배치된 제 3 도파로; 및
    상기 프로세서의 제어에 따라 상기 광원에서 발생한 광을 상기 제 1 도파로에 제공하거나 또는 상기 제 2 도파로에 제공하는 광 스위치;를 더 포함하는, 라이다 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 3 도파로의 말단에 연결되어 외부 노이즈의 세기를 측정하는 추가적인 광 검출기를 더 포함하는 라이다 장치.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 도파로 상에 배치된 광 커플러를 더 포함하고,
    상기 제 2 도파로의 일단이 상기 광 커플러까지 연장되어 있으며, 상기 제 1 도파로를 통해 상기 광 송신기에 제공되는 광의 일부가 상기 광 커플러와 상기 제 2 도파로를 통해 상기 공진기에 제공되는, 라이다 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 광원은 연속파 광을 발생시키는 연속파 광원이며,
    상기 프로세서는 상기 광원이 주파수 변조된 광을 발생시키도록 상기 광원을 제어하고, FMCW(frequency modulated continuous wave) 방식으로 외부의 물체에 관한 거리 정보 및 속도 정보를 추출하는, 라이다 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 공진기는 광 경로 길이가 서로 다르며 광학적으로 서로 연결되어 있는 제 1 공진기와 제 2 공진기를 포함하고,
    상기 위상 변조기는 상기 제 1 공진기 상에 배치되어 상기 제 1 공진기를 따라 진행하는 광의 위상을 상기 프로세서의 제어를 기초로 조절하는 제 1 위상 변조기 및 상기 제 2 공진기 상에 배치되어 상기 제 2 공진기를 따라 진행하는 광의 위상을 상기 프로세서의 제어를 기초로 조절하는 제 2 위상 변조기를 포함하고,
    상기 광 검출기는 상기 제 1 공진기를 따라 진행하는 광의 세기를 검출하는 제 1 광 검출기 및 상기 제 2 공진기를 따라 진행하는 광의 세기를 검출하는 제 2 광 검출기를 포함하는, 라이다 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 프로세서는:
    상기 광원에서 발생한 광을 상기 광 송신기에 제공하기 전에 상기 제 1 공진기에 먼저 제공하고,
    상기 제 1 위상 변조기를 제어하여 상기 제 1 공진기를 따라 진행하는 광의 위상을 조절함으로써 상기 제 1 공진기의 공진 파장을 상기 광원에서 발생한 광의 파장과 일치시키고,
    상기 제 2 위상 변조기를 제어하여 상기 제 2 공진기를 따라 진행하는 광의 위상을 조절함으로써 상기 제 2 공진기의 공진 파장을 상기 광원에서 발생한 광의 파장과 일치시키고,
    상기 제 1 공진기 및 제 2 공진기의 공진 파장을 결정한 후에 상기 광원에서 발생한 광을 상기 광 송신기에 제공하는, 라이다 장치.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 광원과 상기 광 송신기 사이에 배치된 제 1 도파로;
    상기 광원과 상기 제 1 공진기 사이에 배치된 제 2 도파로;
    상기 광 수신기와 상기 제 2 공진기 사이에 배치된 제 3 도파로; 및
    상기 프로세서의 제어에 따라 상기 광원에서 발생한 광을 상기 제 1 도파로에 제공하거나 또는 상기 제 2 도파로에 제공하는 광 스위치;를 더 포함하는, 라이다 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 광원과 상기 광 송신기 사이에 배치된 제 1 도파로;
    상기 제 1 도파로 상에 배치된 광 커플러;
    상기 광 커플러와 상기 공진기 사이에 배치된 제 2 도파로; 및
    상기 광 수신기와 상기 공진기 사이에 배치된 제 3 도파로;를 더 포함하며,
    상기 제 1 도파로를 통해 상기 광 송신기에 제공되는 광의 일부가 상기 광 커플러와 상기 제 2 도파로를 통해 사이 공진기에 제공되는, 라이다 장치.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 공진기는 폐곡선 도파로 공진기인, 라이다 장치.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 공진기는 도파로 상에 형성된 제 1 루프형 미러와 제 2 루프형 미러를 포함하며,
    상기 위상 변조기와 상기 광 검출기는 제 1 루프형 미러와 제 2 루프형 미러 사이의 도파로 상에 배치되어 있는, 라이다 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 광원과 상기 광 송신기 사이에 배치된 제 1 도파로;
    상기 광원과 상기 제 1 루프형 미러 사이에 배치된 제 2 도파로;
    상기 광 수신기와 상기 제 2 루프형 미러 사이에 배치된 제 3 도파로; 및
    상기 프로세서의 제어에 따라 상기 광원에서 발생한 광을 상기 제 1 도파로에 제공하거나 또는 상기 제 2 도파로에 제공하는 광 스위치;를 더 포함하는, 라이다 장치.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 송신기와 상기 광 수신기는 광 위상 배열(OPA; optical phased array) 소자인, 라이다 장치.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 광 송신기는:
    기판;
    상기 기판 상에 배치된 도파로;
    하나의 도파로와 연결된 입력단 및 복수의 도파로와 연결된 출력단을 각각 포함하는 복수의 분배기;
    상기 복수의 분배기에 의해 분기된 복수의 광들의 위상을 독립적으로 조절하는 복수의 위상 제어 소자; 및
    상기 복수의 위상 제어 소자에 각각 연결되어 상기 위상 조절된 복수의 광들을 방출하는 복수의 격자 패턴 그룹;을 포함하는, 라이다 장치.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 광원, 상기 광 송신기, 상기 광 수신기, 및 상기 공진형 광 검출기가 하나의 기판 상에 함께 배치되어 있는, 라이다 장치.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 복수의 위상 제어 소자를 제어하여 상기 분기된 복수의 광들의 위상을 조절함으로써 상기 광 송신기로부터 방출되는 광의 방위각 방향을 조절하고,
    상기 광원에서 발생하는 광의 파장을 조절함으로써 상기 광 송신기로부터 방출되는 광의 고도각 방향을 조절하는, 라이다 장치.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 프로세서는, 상기 광 송신기로부터 방출되는 광의 고도각 방향을 바꿀 때마다, 상기 위상 변조기를 제어하여 상기 공진기의 공진 파장을 상기 광원에서 발생한 광의 파장과 일치시키는, 라이다 장치.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 광원이 제 1 파장의 광을 발생시키도록 상기 광원을 제어하고,
    상기 광원에서 발생한 제 1 파장의 광을 상기 공진기에 제공하고,
    상기 위상 변조기를 제어하여 상기 공진기를 따라 진행하는 광의 위상을 조절함으로써 상기 공진기의 공진 파장을 상기 제 1 파장과 일치시키고,
    상기 광원에서 발생한 제 1 파장의 광을 상기 광 송신기에 제공하면서 상기 복수의 위상 제어 소자를 제어하여 상기 광 송신기로부터 방출되는 광의 방위각 방향을 조절하고,
    상기 광원이 제 2 파장의 광을 발생시키도록 상기 광원을 제어하고,
    상기 광원에서 발생한 제 2 파장의 광을 상기 공진기에 제공하고,
    상기 위상 변조기를 제어하여 상기 공진기를 따라 진행하는 광의 위상을 조절함으로써 상기 공진기의 공진 파장을 상기 제 2 파장과 일치시키고,
    상기 광원에서 발생한 제 2 파장의 광을 상기 광 송신기에 제공하면서 상기 복수의 위상 제어 소자를 제어하여 상기 광 송신기로부터 방출되는 광의 방위각 방향을 조절하는, 라이다 장치.
  22. 제 16 항에 있어서,
    상기 광 송신기와 상기 광 수신기는 일체로 결합된 광 송수신기인, 라이다 장치.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 광원과 상기 광 송수신기 사이에 배치된 제 1 도파로;
    상기 광원과 상기 공진기 사이에 배치된 제 2 도파로;
    상기 광 송수신기와 상기 공진기 사이에 배치된 제 3 도파로;
    상기 프로세서의 제어에 따라 상기 광원에서 발생한 광을 상기 제 1 도파로에 제공하거나 또는 상기 제 2 도파로에 제공하는 광 스위치; 및
    상기 제 1 도파로 상에 배치된 광 커플러;를 포함하며,
    상기 제 3 도파로의 일단이 상기 광 커플러에 연결되며, 상기 광 커플러는 상기 광 송수신기에서 수신되는 광을 상기 제 3 도파로에 전달하는, 라이다 장치.
  24. 제 22 항에 있어서,
    제 1 포트로 입력되는 광을 제 2 포트로 출력하고 제 2 포트로 입력되는 광을 제 3 포트로 출력하는 광 써큘레이터;
    상기 광원과 상기 광 써큘레이터의 제 1 포트 사이에 연결된 제 1 도파로;
    상기 제 1 도파로 상에 배치된 광 커플러;
    상기 공진기와 상기 광 커플러 사이에 연결된 제 2 도파로; 및
    상기 광 써큘레이터의 제 3 포트와 상기 공진기 사이에 연결된 제 3 도파로;를 포함하며,
    상기 광 써큘레이터의 제 3 포트에 상기 광 송수신기가 연결되어 있는, 라이다 장치.
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