KR20220068832A - 이중격자 구조를 갖는 광도파로 방식의 광위상 배열 안테나 및 이를 포함하는 라이다 - Google Patents

이중격자 구조를 갖는 광도파로 방식의 광위상 배열 안테나 및 이를 포함하는 라이다 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 광위상 배열 안테나로서, 레이저 발생기로부터 광을 입력받는 결합부; 결합부로부터 전파되는 광을 복수의 안테나소자 도파로로 분배하는 광분배부; 복수의 안테나소자 도파로를 통해 전파되는 광의 위상을 변조하는 위상 변조부; 및 위상 변조부에서 변조된 광을 출력하되, 일 방향으로 연장되는 안테나소자 도파로를 포함하는 광출력부; 를 포함하고, 안테나소자 도파로는, 일 방향을 따라, 상부면을 기준으로 하방으로 만입된 하방 만입부위와, 하부면을 기준으로 상방으로 만입된 상방 만입부위가 교번하여 반복 형성된 이중격자 안테나부를 포함하는, 광위상 배열 안테나를 제공한다.

Description

이중격자 구조를 갖는 광도파로 방식의 광위상 배열 안테나 및 이를 포함하는 라이다{Optical Phase Array Antenna Based On Optical Waveguide Type With Double Grating Structure and LIDAR including the same}
본 발명은 이중격자 구조를 갖는 광도파로 방식의 광위상 배열 안테나 및 이를 포함하는 라이다에 관한 것이다.
자율주행용 차량용 라이다 센서는 입사된 펄스 레이저가 물체에 반사되어 돌아오는 시간을 측정하여 3차원 공간정보를 획득한다. 레이저 방출 방식에 따라 크게 '플래시 방식'과 '스캐닝 방식'으로 나누어진다. 플래시 방식은 넓은 면적에 레이저 빔을 동시에 주사하는 방법으로, 수신부도 반사되어 오는 이미지를 인식할 수 있게 수광소자가 2D-어레이(2D-array) 형태이다. 이와는 달리, 스캐닝 방식의 라이다는 레이저 빔의 수직 수평방향의 회전을 통해 삼차원 공간을 포인트 맵핑(Point Mapping)한다. 그렇기 때문에 플래시 방식에 비해 적은 레이저 광원 출력과 단순한 수신부 수광소자 구조를 갖는다. 기존의 스캐닝 방식의 라이다는 기계적 모터 회전에 의한 360° 시야각을 측정한다.
그러나, 기본의 기계적 라이다는 회전을 위한 모터의 무게가 무겁고 많은 전력을 소모하기 때문에, 제한된 전력과 중량을 요구하는 무인비행체에서 사용될 수 없을 뿐만 아니라, 자율주행 차량의 고속도로 주행에서 필요한 회전속도에 기계식 회전속도가 상응하지 못한다.
광위상 배열 안테나는 입사된 레이저를 여러 개의 방향성 결합기를 통하여 각각의 안테나소자로 분산하고, 분산된 레이저의 위상을 변조하여 원하고자하는 출력 레이저 진행방향을 얻을 수 있다.
라이다의 최대 측정거리를 늘리기 위해서는 안테나는 더 높은 레이저 출력이 필요하지만, 낮은 레이저 임계파워(Laser Threshold Power)와 높은 선형, 비선형 손실을 갖는 실리콘 도파로는 질화 실리콘 도파로에 비해서 불리하다.
질화 실리콘 도파로는 낮은 굴절률로 인해 도파로 모드의 소멸파(Evanescent Wave)의 크기가 커지므로, 같은 전파상수(Propagation Constant)를 갖는 인접한 도파로와 쉽게 상호작용 할 수 있다. 광위상 배열 안테나가 가지고 있는 제한된 수평시야각을 넓히기 위해서, 안테나소자 사이의 간격이 파장의 반 (λ/2)만큼의 거리에 근접해야 하는데, 안테나소자 사이가 가까워질수록 인접한 소자 사이의 혼선(Cross-talk)로 인해 원하고자하는 출력 위상 분포를 얻지 못한다.
자율주행차량 내에 장착을 목적으로 하는 라이다의 경우, 차량 내 온도변화(-40~85℃)에 영향을 받지 않고 정상적인 작동을 하는 것이 탑승자와 보행자의 안전에 중요하기 때문에, 질화 실리콘 도파로에 사용될 수 있는 국소가열에 의한 위상변화는 사용하기 힘들다.
웨이퍼 상의 공정으로 인한 평면 형태의 광학 소자는 수직 굴절률 대칭으로 인해 칩 밖으로의 레이저 출력이 지향성을 갖기 힘들어 등방으로 출력된 레이저가 소자 밑면에서 반사되어 상부로 진행하는 레이저와 간섭현상을 일으켜 출력 레이저의 진행방향을 변화시키고 노이즈를 발생시키는 문제가 발생된다.
광위상 배열 안테나 관련 종래기술로는, 본 출원인에 의한 한국등록특허 제10-1924890호인 '광위상 배열 안테나 및 이를 포함하는 라이다'가 개시된다. 상기 종래기술은 광출력부의 안테나소자 도파로의 높이를 변화시켜 형성하며, 안테나소자 도파로의 높이를 더 높게 한 회절 격자를 복수개 이격하여 구비하는 구조를 개시한다. 상기의 구조를 통해, 기계적 구동 장치를 이용하지 않고, 입사된 레이저를 원하는 방향으로 출력이 가능하며, 외부 환경 변화에 의한 영향을 최소화시키는 장점이 있다.
다만, 최근에는 투과율 및 지향성이 보다 개선된 광위상 배열 안테나에 대한 필요성이 증대되고 있는 실정이다.
(특허문헌 1) 한국등록특허 제10-1924890호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것이다.
첫째로, 본 발명은 광위상 배열 안테나 기반의 자율주행 및 무인비행체용 라이다 개발로 기존 방식의 기계적 회전을 대체하여 보다 가볍고 저렴하며, 양산화가 용이한 라이다 개발을 목적으로 하는 광위상 배열 안테나 구조를 제안하고자 한다.
둘째로, 본 발명은 종래에 비해, 투과율 및 지향성이 개선된 광위상 배열 안테나 구조를 제안하고자 한다.
셋째로, 본 발명은 CMOS 반도체 공정기술로 제작이 가능하고, 최대 출력 2W 이상이며, 전기-광학변조를 이용한 시야각 120ㅀ를 만족하는 광위상 배열 안테나의 구조 변경을 통해, 잡음대비 신호의 증대를 가져오는 광위상 배열 안테나 구조를 제안하고자 한다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예는, 광위상 배열 안테나로서, 레이저 발생기로부터 광을 입력받는 결합부; 상기 결합부로부터 전파되는 광을 복수의 안테나소자 도파로로 분배하는 광분배부; 상기 복수의 안테나소자 도파로를 통해 전파되는 광의 위상을 변조하는 위상 변조부; 및 상기 위상 변조부에서 변조된 광을 출력하되, 일 방향으로 연장되는 상기 안테나소자 도파로를 포함하는 광출력부; 를 포함하고, 상기 안테나소자 도파로는, 상기 일 방향을 따라, 상부면을 기준으로 하방으로 만입된 하방 만입부위와, 하부면을 기준으로 상방으로 만입된 상방 만입부위가 교번하여 반복 형성된 이중격자 안테나부를 포함하는, 광위상 배열 안테나를 제공한다.
또한, 상기 안테나소자 도파로는, 상부면 및 하부면의 높이가 일정한 상태로 상기 일 방향으로 연장되는 플랫 도파로부; 를 더 포함하며, 상기 일 방향을 기준으로, 상기 플랫 도파로부 및 상기 이중격자 안테나부 순서로 배치될 수 있다.
또한, 상기 이중격자 안테나부는, 수직 방향을 기준으로, 상기 하방 만입부위의 깊이인 제1 깊이가 상기 상방 만입부위의 깊이인 제2 깊이보다 상대적으로 더 크게 형성될 수 있다.
또한, 상기 이중격자 안테나부는, 상기 일 방향을 기준으로, 상기 제1 만입부위의 길이인 제1 길이가 상기 상방 만입부위의 길이인 제2 길이보다 상대적으로 더 크게 형성될 수 있다.
또한, 상기 이중격자 안테나부는, 수직 방향을 기준으로, 상기 상방 및 하방 만입부위가 중복되어, 상기 상방 및 하방 만입부위가 상호 연통되는 중복영역을 포함하며, 상기 중복영역은 소정의 중공을 형성할 수 있다.
또한, 상기 상방 및 하방 만입부위는, 사각형의 수직 단면을 갖도록 형성될 수 있다.
또한, 상기 상방 및 하방 만입부위 각각은, 상기 일 방향을 따라, 소정의 거리를 피치로 반복형성되며, 상기 일 방향을 기준으로, 상기 상방 만입부위 및 하방 만입부위의 피치는 상기 소정의 거리로 동일하게 형성될 수 있다.
또한, 상기 광출력부를 통해 출력되는 광의 정방향으로부터 수직방향으로의 방사각도(θ); 모드의 유효굴절률(n eff ); 배경굴절률(n background ); 동작파장(λ); 및 상기 상방 만입부위 및 하방 만입부위의 피치(Λ); 는 하기의 식 1에 따를 수 있다.
Figure pat00001
[식 1]
또한, 상기 이중격자 안테나부는, 하부 레이어 및 상부 레이어가 적층된 상태로 구성되며, 상기 하방 만입부위는, 상기 상부 레이어의 상부를 식각(etching) 처리하여 형성되고, 상기 상방 만입부위는, 상기 하부 레이어의 하부를 식각 처리하여 형성될 수 있다.
한편, 본 발명은 전술한 광위상 배열 안테나의 이중격자 안테나부 가공 방법으로서, (a) 제1 내지 제3 레이어가 적층된 상태인 절연체상-실리콘(silicon-on-insulator, SOI)를 준비하는 단계(S110); (b) 상기 제3 레이어에 상기 상방 만입부위를 형성하기 위해, 상기 제3 레이어를 식각(etching) 가공하는 단계(S120); (c) 실리콘(SiO2)을 통해 상기 제3 레이어에 디포지션(deposition) 처리를 수행하는 단계(S130); (d) 상기 (c) 단계에서 디포지션 처리된 상기 실리콘이 상기 제3 레이어의 상부면과 대응되는 높이로 형성되어 평탄화되도록, 상기 제3 레이어 상측의 실리콘을 식각 가공하는 단계(S140); (e) 상기 (d) 단계에서 식각 가공된 상기 제3 레이어 상부면에, 제4 레이어를 디포지션 처리하는 단계(S150); (f) 상기 제4 레이어에 상기 하방 만입부위를 형성하기 위해, 상기 제4 레이어를 식각 가공하는 단계(S160); 및 (g) 상기 제4 레이어에 실리콘을 통해 디포지션(deposition) 처리를 수행하는 단계(S170); 를 포함하며, 상기 하부 레이어는, 상기 (b) 단계의 상기 제3 레이어이고, 상기 상부 레이어는 상기 (f) 단계의 상기 제4 레이어인 방법을 제공한다.
또한, 상기 (e) 단계(S150)에서, 상기 제3 및 제4 레이어는, 질화규소(Si3N4)로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 (a) 단계(S110) 이후 및 (b) 단계(S120) 이전에는, (a1) 상기 상방 만입부위 형성을 위해, 상기 제3 레이어 상에, 전자 레지스트(electron resist, ER)를 코팅 처리하는 단계(S111); 및 (a2) 상기 (a1) 단계에서 코팅 처리된 상기 전자 레지스트의 기설정된 부위에 전자빔(electron-beam, E-Beam)을 조사하는 단계로서, 상기 전자 레지스트가 상기 상방 만입부위와 대응되는 형상으로 식각 가공되는 단계(S112); 를 더 포함하며, 상기 (b) 단계(S120)는, 상기 (a2) 단계(S112)에 따른, 상기 전자 레지스트의 형상을 이용하여, 상기 제3 레이어를 식각 가공할 수 있다.
또한, 상기 (e) 단계(S150) 이후 및 (f) 단계(S160) 이전에는, (e1) 상기 하방 만입부위 형성을 위해, 상기 제4 레이어 상에, 전자 레지스트를 코팅 처리하는 단계(S151); 및 (e2) 상기 (e1) 단계에서 코팅 처리된 상기 전자 레지스트의 기설정된 부위에 전자빔(electron-beam, E-Beam)을 조사하는 단계로서, 상기 전자 레지스트가 상기 상방 만입부위와 대응되는 형상으로 식각 가공되는 단계(S152); 를 더 포함하며, 상기 (f) 단계(S160)는, 상기 (e2) 단계(S152)에 따른, 상기 전자 레지스트의 형상을 이용하여, 상기 제4 레이어를 식각 가공할 수 있다.
본 발명은 레이저 발생기; 전술한 광위상 배열 안테나; 상기 광위상 배열 안테나에서 방사된 후 물체에 의해 반사된 광을 수신하는 광 수신부; 및 상기 광 수신부에서 수신된 신호를 처리하는 신호처리부; 를 포함하는, 라이다를 제공한다.
본 발명은 향후 스캔이 필요 없는 방식의 차량용 라이다 센서의 핵심소자로 활용이 기대되며, 이뿐만 아니라 3차원 이미지를 획득하기 위해서 쓰고 있는 기존의 CMOS 센서를 역할을 기능성 있게 대체 가능하도록 하는 효과를 발휘한다.
본 발명은 안테나소자 도파관의 상단 뿐만 아니라, 하단까지 식각 가공하여 이중격자를 형성함으로써, 상향 투과율 및 최대 지향성을 극대화시키는 효과를 발휘한다.
도 1은 본 발명에 따른 광위상 배열 안테나의 개략적인 사시도이다.
도 2는 도 1에서 Y축 방향으로 광위상 배열 안테나를 바라본 개략적인 사시도이다.
도 3은 도 1에서 Y축 방향으로 광위상 배열 안테나를 바라본 상태를 도시한다.
도 4는 파장에 따른 조향된 상부 측의 투과율을 나타내는 그래프이다.
도 5는 파장에 따른 라이다의 빔 지향성을 나타내는 그래프이다.
도 6은 파장에 따른 반사광을 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명에 따른 광위상 배열 안테나의 개념도이다.
도 8은 본 발명에 따른 광위상 배열 안테나의 구조를 개략적으로 도시하는 모식도이다.
도 9는 본 발명에 따른 광위상 배열 안테나의 광분배부를 구성하는 커플러를 개략적으로 도시하는 모식도이다.
도 10은 도 9에서 Z축 방향으로 바라본 상태를 도시한다.
도 11은 도 9에서 Y축 방향으로 바라본 상태를 도시한다.
도 12는 본 발명에 따른 광위상 배열 안테나의 광분배부를 구성하는 다중모드 간섭기(Multi-mode interferometer, MMI)의 개략적인 모식도이다.
도 13은 본 발명에 따른 광위상 배열 안테나의 금속 히터가 내장된 상태를 도시하는 개략적인 모식도이다.
도 14는 본 발명에 따른 광위상 배열 안테나의 이중격자 안테나부 가공 방법의 순서도이다.
도 15는 도 14의 설명을 위한 공정 순서를 개략적으로 도시하는 모식도이다.
이하에서는, 도면을 참고하여 본 발명에 따른 이중격자 구조를 갖는 광도파로 방식의 광위상 배열 안테나를 설명한다. 본원에서 '일 방향'은 도면에서는 'X축 방향'으로 도시되며, 본 발명에 따른 광위상 배열 안테나의 길이 방향을 의미한다. 또한, '폭 방향'은 도면을 기준으로 'Y축 방향'으로 도시되며, '높이 방향'은 도면을 기준으로 'Z축 방향'으로 도시된다. 다만, 본원에서 정의된 방향은 이해의 편의를 위해 정의된 것인 바, 본 발명의 적용을 상기의 방향에 한정하는 것은 아니다.
도 1 내지 3을 참조하여, 본 발명에 따른 광위상 배열 안테나를 설명하며, 전체 구성에 대해서는 도 7 및 8을 함께 참조한다.
본 발명에 따른 광위상 배열 안테나는 결합부, 광분배부, 위상 변조부 및 광출력부를 포함한다.
광위상 배열 안테나와, 광위상 배열 안테나의 광분배부에 레이저 빔을 공급하는 레이저 발생기를 포함하여 라이다의 레이저 송신 모듈이 구성될 수 있다. 한편, 본 발명에 따른 라이다는 레이저 송신 모듈에서 외부로 방사된 광이 물체에 반사된 후 반사된 광을 수신하는 레이저 수신 모듈을 더 포함하여 구성될 수 있다.
레이저 발생기는 발생되는 레이저의 파장을 변화시킬 수 있는 것이 바람직하고, 일례로서 레이저 발생기는 튜너블 레이저 다이오드(tunable laser diode)일 수 있다. 광위상 배열 안테나로 공급되는 레이저 빔의 파장 변화에 따라 광위상 배열 안테나에서 외부로 출력되는 레이저 빔을 일 방향으로 회전시킬 수 있다.
도 8을 참조하면, 광분배부는 결합부로 입력된 광을 복수의 안테나소자 도파로로 분할하여 전달한다. 광분배부는 복수의 커플러로 구성될 수 있다. 광분배부를 구성하는 커플러로서, 다중모드 간섭기(multimode interference coupler, MMI), Y-접합부 커플러(Y-junction coupler), 또는 방향성 결합기(directional coupler) 등이 이용될 수 있다. 여기서, 상기의 다중모드 간섭기는 MMI라고 불리는 다중모드 간섭기는 도 12에 도시된다.
위상 변조부는 광분배부에서 각각의 안테나소자 도파로로 분배된 광의 위상을 변조한다. 다시 말해, 안테나소자 도파로를 통해 전달되는 광의 위상을 변조하는 바, 위상 변조부에서 광의 위상이 변조됨에 따라 광출력부에서 출력되는 레이저 빔의 방향을 X축을 중심으로 회전시킬 수 있다.. 본원의 도면에 구체적으로 도시되지는 않았으나, 위상 변조부는 전극을 이용하여 전위를 인가함으로써, 전기장을 형성할 수 있고, 이를 통해 광의 위상을 변조하는 방식으로 채택될 수 있다. 다만, 상기의 방식 이외에도, 광의 위상을 변조하는 방식이라면, 그 어떠한 방식도 적용될 수 있음을 미리 명시한다. 변조부에서 필요한 구조는 위에서부터 산화실리콘, 실리콘, 산화실리콘, 실리콘기판 순으로 적층되어 있는 형태이며, 안테나소자 도파로는 산화 실리콘에 둘려 쌓여 있고, 격자는 산화실리콘을 에칭함으로써, 구성한다.
이 때, 상부의 실리콘은 높은 굴절률을 갖기 때문에 하이브리드 도파로의 실효 굴절률(Effective Refractive Index)의 값을 높여주는 역할과 모드 크기를 축소해주지만, 2-광자 흡수로 인한 비선형적 소실을 최소화 하기 위해 두께를 120nm 이하로 하는 것이 바람직하다.
광출력부는 위상 변조부에서 변조된 위상 분포를 유지하여 레이저 빔을 상부로 출력한다. 도 7 및 8을 참조하면, 광출력부는 레이저 빔을 X-Y 평면에서 Z축 방향으로 출력하는데, 광분배부로 입력되는 레이저 빔의 파장과, 위상 변조부에서 변조된 위상에 따라 광출력부에서 출력되는 레이저 빔의 출력 방향이 스티어링(steering)된다.
이와 관련하여, 도 8을 참고하면, 광출력부를 통해 출력되는 광의 정방향으로부터 수직방향으로의 방사각도(θ)는 하기의 식 1에 따라, 제어될 수 있다.
Figure pat00002
[식 1]
상기의 식 1을 통해 알 수 있듯이, 모드의 유효굴절률(n eff ), 배경굴절률(n background ), 동작파장(λ) 및 상방 만입부위 및 하방 만입부위의 피치(Λ)를 입력하면, 상기의 방사각도(θ)를 연산할 수 있다.
광출력부에서는 안테나소자 도파로들의 거리를 좁히기 위해 최적화된 도파로 너비를 사용해야 하는데, 이는 소멸파의 크기가 작게 하는 넓은 너비이지만 넓은 너비로 인해 가까워진 소자간 거리를 보상해야 한다. 안테나소자 상부로의 지향적 방출을 위해서 하이브리드 도파로의 실리콘 층의 두께를 주기적으로 변화시킨 회절격자를 이용하는데, 이때 실리콘 층의 두께 변화는 얇은 부분과 두꺼운 부분에서 겪는 위상변화가 상부에서는 보강간섭, 하부에서는 상쇄간섭을 만족하도록 하는 바, 상부로의 지향적으로 방출하게 하고, 하이브리드 도파로를 둘러싼 상층과 하층의 산화 실리콘 박막의 두께는 파장의 반의 배수에 근접하여 보강간섭을 만족하도록 구성된다.
또한, 수직 굴절율 대칭을 없애기 위해 주기적으로 변화 시킨 실리콘의 두께의 최대값은 수신부나 위상 변조부보다 더 두꺼울 수 있고, 도파로 상부를 덮는 물질은 라이다의 사용 환경에 따라 산화 실리콘을 대신해 그보다 큰 굴절률을 갖는 질화 실리콘을 사용할 수 있다.
안테나소자의 회절격자의 형태는 하이브리드 도파로의 너비변화가 이용될 수 있고, 너비가 좌우로 교차되면서 변화하면 인접한 도파로 사이의 간격을 일정하게 유지할 수 있고, 너비가 주변 도파로와 교차하면서 변화하는 경우에는 인접한 도파로 간의 너비차이가 생기기 때문에(넓고-좁고-넓고), 전파상수가 다름으로 생기는 소멸파를 통한 혼선의 세기를 줄일 수 있다. 이 외에도 짧은 거리에서 많은 양의 출력을 원하는 경우 안테나소자 도파로를 불연속적으로 배치하는 형태도 갖을 수 있다.
도 1 내지 3을 다시 참조하여, 본 발명에 따른 광위상 배열 안테나의 구체적인 구조를 설명한다. 광위상 배열 안테나를 구성하는 레이어에 대해서는 별도로 후술하도록 한다.
본 발명에 따른 광위상 배열 안테나의 안테나소자 도파로는 일 방향(X축 방향)을 따라, 상부면을 기준으로 하방으로 만입된 하방 만입부위(331), 하부면을 기준으로 상방으로 만입된 상방 만입부위(332)가 교번하여 반복 형성된 이중격자 안테나부(330)를 포함한다.
안테나소자 도파로(300)는 크게 플랫 도파로부(310) 및 이중격자 안테나부(330)로 구분될 수 있다. 여기서, 플랫 도파로부(310) 및 이중격자 안테나부(330)는 모두 일 방향의 연장선 상에 위치되되, 일 방향을 기준으로, 상기 플랫 도파로부 및 상기 이중격자 안테나부 순서로 배치된다. 플랫 도파로부(310)는 소정의 길이를 갖도록 형성되며, 이중격자 안테나부(330)는 기설정된 3차원 형상의 단위유닛(330a, 330b, 330c)이 일 방향을 따라, 반복되도록 배치된다. 또한, 플랫 도파로부(310) 및 이중격자 안테나부(330)는 질화규소(Si3N4)로 구성되는 바(bar) 형태로 이루어질 수 있다. 본 발명의 안테나소자 도파로(300)는 소위 웨이퍼(wafer)라고 불리는 기재(substrate)(410) 상에 배치되며, 실리콘(SiO2)(420)에 의해 둘러싸이면서 매립되는 형태이다. 여기서, 플랫 도파로부(310) 및 이중격자 안테나부(330)의 상단면 및 하단면은 동일한 높이로 구성될 수 있고, 상단면으로부터 실리콘(420) 상단까지의 거리(H3) 및 하단면으로부터 기재(410)까지의 거리(H4)는 설계자의 선택에 따라, 최적의 수치로 선택될 수 있다.
전술한 바와 같이, 이중격자 안테나부(330)는 하방 만입부위(331) 및 상방 만입부위(332)를 포함한다. 여기서, 하방 만입부위(331)는 상부면을 기준으로 하방을 향해 소정의 깊이만큼 만입된 공간을 의미하며, 이와는 반대로, 상방 만입부위(332)는 하부면을 기준으로 상방을 향해 소정의 깊이만큼 만입된 공간을 의미한다.
도 2 및 3을 참조하면, 본 발명의 이중격자 안테나부에 형성된 하방 만입부위(331) 및 상방 만입부위(332)는 모두 공동(cavity) 형태이긴 하나, 구체적인 형상은 일부 차이가 있다.
플랫 도파로부(310) 및 이중격자 안테나부(330)는 동일한 높이(H1)로 형성될 수 있다. 하방 만입부위(331)의 깊이는 'H2'이며, 상방 만입부위(332)의 깊이는 'H1 및 H2의 차'로 도출될 수 있다. 이 때, 이중격자 안테나부는, 수직 방향을 기준으로, 하방 만입부위(331)의 깊이인 제1 깊이(H2)가 상방 만입부위(332)의 깊이인 제2 깊이(H1-H2)보다 상대적으로 더 크게 형성될 수 있다.
이 때, 하방 만입부위(331) 및 상방 만입부위(332)는 수직 방향을 기준으로, 상호 중복되는 영역이 형성될 수 있다. 즉, 상방으로 만입되는 부위와 하방으로 만입되는 부위가 상호 만나게 되어 연통됨으로써, 관통홀 또는 중공을 형성하는 영역을 의미하며, 본원에서는 이를 중복영역(333)이라 칭한다. 본 발명의 광위상 배열 안테나는 중복영역(333)이 주기적으로 형성되는 바, 주기적으로 도파관이 끊긴 것과 동일한 효과를 발휘하며, 이를 통해, 투과도, 빔 지향성 및 반사광에 있어서, 종래의 구조들에 비해 현저한 효과를 발휘한다(도 5 내지 7 참조). 도 5 및 6을 참조하면, 본 발명은 기존의 구조(z+ = 15%, directionality = 70%)와 Etched Waveguide Grating 구조(z+ = 55%, directionality = 60%)에 비해 매우 높은 효율(z+ = 85%, directionality = 85.5%)을 보이는 바, 투과율 및 지향성을 현저히 개선하였다. 또한, 도 6을 참조하면, Etched Waveguide Grating구조에 비해 back reflection이 적어 FMCW LiDAR에 더 적합함을 알 수 있다.
다시 도 2 및 3을 참조하면, 본 발명의 안테나소자 도파로의 하방 만입부위(331) 및 상방 만입부위(332)는 주기적으로 교번하여 반복되는 구조이다. 즉, 소정의 거리를 피치로 반복형성되며, 상방 만입부위의 피치(L2) 및 하방 만입부위의 피치(L1)는 소정의 거리로 동일하게 형성될 수 있다.
일 방향을 기준으로, 이중격자 안테나부(330)의 상단부 길이(D1)는 하방 만입부위(331)의 크기에 따라 달라질 수 있다. 물론, 하단부 길이(D2) 역시, 상방 만입부위(332)의 크기에 따라 달라질 수 있다. 일 방향을 기준으로, 제1 만입부위(332)의 길이인 제1 길이(L2-D2)가 상방 만입부위의 길이인 제2 길이(L1-D1)보다 상대적으로 더 크게 형성될 수 있다.
또한, 이중격자 안테나부(330)는 하부 레이어 및 상부 레이어가 적층된 상태로 구성되며, 하방 만입부위(331)는, 상부 레이어의 상부를 식각(etching) 처리하여 형성되고, 상방 만입부위(332)는, 하부 레이어의 하부를 식각 처리하여 형성된다.
도 9 내지 11은 본 발명에 따른 광위상 배열 안테나의 광분배부를 구성하는 커플러를 개략적으로 도시한다. 전술한 바와 같이, 레이저 다이오드로 레이저 발생기를 구성한 경우, 레이저 다이오드에서 출력된 레이저 빔의 모드 지름이, 광위상 배열 안테나의 도파로의 모드 지름보다 크기 때문에, 결합부는 모드 지름 축소를 위하여 역테이퍼 형태(레이저 빔이 입력되는 부분의 폭이 좁고 위상 변조부 방향으로 폭이 커지는 형태)를 갖도록 설계된다.
도 12는 본 발명에 따른 광위상 배열 안테나의 광분배부를 구성하는 다중모드 간섭기를 개략적으로 도시한다. 다중모드 간섭기(MMI)는 안테나소자 도파관을 따라 진행하는 빛을 분할할 때 사용되는 장치이다. 광섬유-칩 커플러와 비슷하게 도파관과 도파관 사이의 모드 매칭이 중요하며, 마름모 형태가 사용될 수 있다. 이 때, 모드(mode)는 도파관(광섬유) 내에서 빛이 에너지 손실 없이 진행할 수 있는 상태를 의미하며, 도파관의 재질과 형태 및 빛의 특성에 따라서 모드의 형태가 달라진다. 도파관에 입사하는 빛의 모드가 도파관의 모드와 매칭이 되지 않을 경우, 그 빛은 빠르게 감쇠되어 사라진다.
도 13을 참조하면, 본 발명에 따른 광위상 배열 안테나의 금속 히터가 내장된 상태를 개략적으로 도시한다. 안테나소자 도파로의 유효굴절률을 변화시키어 각 광파의 위상을 변화시키는 마이크로 히터는, 마이크로미터 사이즈의 너비를 가지고 있는 금속전극으로 전극에 전류를 흘려주면 전극이 가지고 있는 저항으로 인해 줄 가열(Joule heating)이 되어 발열하게 되는데 이러한 열-광학 현상을 이용하여 위상 변조가 가능하도록 구성된다. 참고로, 광위상 배열 안테나의 핵심 요소 중 하나는 칩의 수직방향으로 빔을 방출하는 기능을 하는 회절격자 기반의 Waveguide Grating Antenna(WGA)이며, WGA의 지향성 제어를 위해 최적화된 회절격자구조를 개발하고 발산각의 제어를 위해 마이크로 히터를 포함하도록 제작한다.
도 14 및 15를 참조하여, 본 발명에 따른 광위상 배열 안테나의 이중격자 안테나부 가공 방법을 설명한다.
본 방법은 단계(S110) 내지 단계(S170)을 포함한다.
단계(S110)은 제1 내지 제3 레이어가 적층된 상태인 절연체상-실리콘(silicon-on-insulator, SOI)를 준비하는 단계이다.
이 때, 단계(S110) 이후 및 단계(S120) 이전에는, 단계(S111) 및 단계(S112)를 포함한다.
단계(S111)은 상기 상방 만입부위 형성을 위해, 상기 제3 레이어 상에, 전자 레지스트(electron resist, ER)를 코팅 처리하는 단계(S111)이다. 단계(S112)는 상기 단계(S111)에서 코팅 처리된 상기 전자 레지스트의 기설정된 부위에 전자빔(electron-beam, E-Beam)을 조사하는 단계로서, 상기 전자 레지스트가 상기 상방 만입부위와 대응되는 형상으로 식각 가공되는 단계(S112)이다. 특히, 단계(S120)에서는, 단계(S112)에 따른, 상기 전자 레지스트의 형상을 이용하여, 상기 제3 레이어를 식각 가공하도록 구성된다.
단계(S120)은 상기 제3 레이어에 상기 상방 만입부위를 형성하기 위해, 상기 제3 레이어를 식각(etching) 가공하는 단계이다.
단계(S130)은 실리콘(SiO2)을 통해 상기 제3 레이어에 디포지션(deposition) 처리를 수행하는 단계이다.
단계(S140)은 상기 단계(S130)에서 디포지션 처리된 상기 실리콘이 상기 제3 레이어의 상부면과 대응되는 높이로 형성되어 평탄화되도록, 상기 제3 레이어 상측의 실리콘을 식각 가공하는 단계이다.
단계(S150)은 상기 단계(S140)에서 식각 가공된 상기 제3 레이어 상부면에, 제4 레이어를 디포지션 처리하는 단계이다.
이 때, 단계(S150) 이후 및 단계(S160) 이전에는, 단계(S151) 및 단계(S152)를 더 포함한다.
단계(S151)은 하방 만입부위 형성을 위해, 상기 제4 레이어 상에, 전자 레지스트를 코팅 처리하는 단계이다.
단계(S152)는 단계(S151)에서 코팅 처리된 상기 전자 레지스트의 기설정된 부위에 전자빔(electron-beam, E-Beam)을 조사하는 단계로서, 상기 전자 레지스트가 상기 상방 만입부위와 대응되는 형상으로 식각 가공되는 단계이다. 특히, 단계(S160)는, 단계(S152)에 따른, 상기 전자 레지스트의 형상을 이용하여, 상기 제4 레이어를 식각 가공하도록 구성된다.
이상, 본 명세서에는 본 발명을 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 도면에 도시한 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당업자라면 본 발명의 실시예로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 보호범위는 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
300: 안테나소자 도파로
310: 플랫 도파로부
330: 이중격자 안테나부
331: 하방 만입부위
332: 상방 만입부위
333: 중복영역

Claims (14)

  1. 광위상 배열 안테나로서,
    레이저 발생기로부터 광을 입력받는 결합부;
    상기 결합부로부터 전파되는 광을 복수의 안테나소자 도파로로 분배하는 광분배부;
    상기 복수의 안테나소자 도파로를 통해 전파되는 광의 위상을 변조하는 위상 변조부; 및
    상기 위상 변조부에서 변조된 광을 출력하되, 일 방향으로 연장되는 상기 안테나소자 도파로를 포함하는 광출력부; 를 포함하고,
    상기 안테나소자 도파로는,
    상기 일 방향을 따라, 상부면을 기준으로 하방으로 만입된 하방 만입부위와, 하부면을 기준으로 상방으로 만입된 상방 만입부위가 교번하여 반복 형성된 이중격자 안테나부를 포함하는,
    광위상 배열 안테나.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 안테나소자 도파로는,
    상부면 및 하부면의 높이가 일정한 상태로 상기 일 방향으로 연장되는 플랫 도파로부; 를 더 포함하며, 상기 일 방향을 기준으로, 상기 플랫 도파로부 및 상기 이중격자 안테나부 순서로 배치되는,
    광위상 배열 안테나.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 이중격자 안테나부는,
    수직 방향을 기준으로, 상기 하방 만입부위의 깊이인 제1 깊이가 상기 상방 만입부위의 깊이인 제2 깊이보다 상대적으로 더 크게 형성되는,
    광위상 배열 안테나.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 이중격자 안테나부는,
    상기 일 방향을 기준으로, 상기 제1 만입부위의 길이인 제1 길이가 상기 상방 만입부위의 길이인 제2 길이보다 상대적으로 더 크게 형성되는,
    광위상 배열 안테나.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 이중격자 안테나부는,
    수직 방향을 기준으로, 상기 상방 및 하방 만입부위가 중복되어, 상기 상방 및 하방 만입부위가 상호 연통되는 중복영역을 포함하며,
    상기 중복영역은 소정의 중공을 형성하는,
    광위상 배열 안테나.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 상방 및 하방 만입부위는,
    사각형의 수직 단면을 갖도록 형성된,
    광위상 배열 안테나.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 상방 및 하방 만입부위 각각은,
    상기 일 방향을 따라, 소정의 거리를 피치로 반복형성되며,
    상기 일 방향을 기준으로,
    상기 상방 만입부위 및 하방 만입부위의 피치는 상기 소정의 거리로 동일하게 형성되는,
    광위상 배열 안테나.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 광출력부를 통해 출력되는 광의 정방향으로부터 수직방향으로의 방사각도(θ);
    모드의 유효굴절률(n eff );
    배경굴절률(n background );
    동작파장(λ); 및
    상기 상방 만입부위 및 하방 만입부위의 피치(Λ); 는 하기의 식 1에 따르는,
    광위상 배열 안테나.

    Figure pat00003
    [식 1]
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 이중격자 안테나부는,
    하부 레이어 및 상부 레이어가 적층된 상태로 구성되며,
    상기 하방 만입부위는, 상기 상부 레이어의 상부를 식각(etching) 처리하여 형성되고,
    상기 상방 만입부위는, 상기 하부 레이어의 하부를 식각 처리하여 형성되는,
    광위상 배열 안테나.
  10. 청구항 9에 따른 광위상 배열 안테나의 이중격자 안테나부 가공 방법으로서,
    (a) 제1 내지 제3 레이어가 적층된 상태인 절연체상-실리콘(silicon-on-insulator, SOI)를 준비하는 단계(S110);
    (b) 상기 제3 레이어에 상기 상방 만입부위를 형성하기 위해, 상기 제3 레이어를 식각(etching) 가공하는 단계(S120);
    (c) 실리콘(SiO2)을 통해 상기 제3 레이어에 디포지션(deposition) 처리를 수행하는 단계(S130);
    (d) 상기 (c) 단계에서 디포지션 처리된 상기 실리콘이 상기 제3 레이어의 상부면과 대응되는 높이로 형성되어 평탄화되도록, 상기 제3 레이어 상측의 실리콘을 식각 가공하는 단계(S140);
    (e) 상기 (d) 단계에서 식각 가공된 상기 제3 레이어 상부면에, 제4 레이어를 디포지션 처리하는 단계(S150);
    (f) 상기 제4 레이어에 상기 하방 만입부위를 형성하기 위해, 상기 제4 레이어를 식각 가공하는 단계(S160); 및
    (g) 상기 제4 레이어에 실리콘을 통해 디포지션(deposition) 처리를 수행하는 단계(S170); 를 포함하며,
    상기 하부 레이어는, 상기 (b) 단계의 상기 제3 레이어이고,
    상기 상부 레이어는 상기 (f) 단계의 상기 제4 레이어인,
    방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 (e) 단계(S150)에서,
    상기 제3 및 제4 레이어는, 질화규소(Si3N4)로 이루어진,
    방법.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 (a) 단계(S110) 이후 및 (b) 단계(S120) 이전에는,
    (a1) 상기 상방 만입부위 형성을 위해, 상기 제3 레이어 상에, 전자 레지스트(electron resist, ER)를 코팅 처리하는 단계(S111); 및
    (a2) 상기 (a1) 단계에서 코팅 처리된 상기 전자 레지스트의 기설정된 부위에 전자빔(electron-beam, E-Beam)을 조사하는 단계로서, 상기 전자 레지스트가 상기 상방 만입부위와 대응되는 형상으로 식각 가공되는 단계(S112); 를 더 포함하며,
    상기 (b) 단계(S120)는,
    상기 (a2) 단계(S112)에 따른, 상기 전자 레지스트의 형상을 이용하여, 상기 제3 레이어를 식각 가공하는,
    방법.
  13. 청구항 10에 있어서,
    상기 (e) 단계(S150) 이후 및 (f) 단계(S160) 이전에는,
    (e1) 상기 하방 만입부위 형성을 위해, 상기 제4 레이어 상에, 전자 레지스트를 코팅 처리하는 단계(S151); 및
    (e2) 상기 (e1) 단계에서 코팅 처리된 상기 전자 레지스트의 기설정된 부위에 전자빔(electron-beam, E-Beam)을 조사하는 단계로서, 상기 전자 레지스트가 상기 상방 만입부위와 대응되는 형상으로 식각 가공되는 단계(S152); 를 더 포함하며,
    상기 (f) 단계(S160)는,
    상기 (e2) 단계(S152)에 따른, 상기 전자 레지스트의 형상을 이용하여, 상기 제4 레이어를 식각 가공하는,
    방법.
  14. 레이저 발생기;
    청구항 1 내지 9 중 어느 한 항에 따른 광위상 배열 안테나;
    상기 광위상 배열 안테나에서 방사된 후 물체에 의해 반사된 광을 수신하는 광 수신부; 및
    상기 광 수신부에서 수신된 신호를 처리하는 신호처리부; 를 포함하는,
    라이다.
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