KR20220124192A - 솔리드 스테이트 LiDAR용의 매트릭스 어드레스 지정 가능한 VCSEL - Google Patents

솔리드 스테이트 LiDAR용의 매트릭스 어드레스 지정 가능한 VCSEL Download PDF

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마크 제이. 도노반
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옵시스 테크 엘티디
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Abstract

광 검출 및 측거 시스템들용의 매트릭스 어드레스 지정 가능한 수직 공동 면발광 레이저 어레이는 다이에 형성된 복수의 행의 수직 공동 면발광 레이저들을 포함하고, 하나의 행의 수직 공동 면발광 레이저들은 다이의 일측에 공통의 캐소드 전기 연결부로 각각 구성된 복수의 수직 공동 면발광 레이저를 포함하고 다른 하나의 행의 수직 공동 면발광 레이저들은 다이의 타측에 공통의 캐소드 전기 연결부로 각각 구성된 복수의 수직 공동 면발광 레이저를 포함한다. 수직 공동 면발광 레이저들의 행들 각각은 클래스 1 아이 세이프티가 유지될 수 있도록 특정 시간에 행의 일부분만 활성화할 수 있게 하는 애노드 연결부들로 구성된다.

Description

솔리드 스테이트 LiADR용의 매트릭스 어드레스 지정 가능한 VCSEL
본 명세서에서 사용된 섹션의 표제들은 편성상의 목적만을 위한 것으로 어떤 식으로도 본 출원서에 기재된 주제를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2020년 1월 23일자로 제출된 "솔리드 스테이트 LiDAR용의 매트릭스 어드레스 지정 가능한 VCSEL"이라는 발명의 명칭의 미국 가특허출원 일련번호: 62/965,161의 정규 출원(비가출원)이다. 미국 가특허출원 일련번호: 62/965,161의 전체 내용은 본 명세서에 참조로 편입되어 있다.
자율 주행, 자가 주행, 및 반자율 주행 자동차들은 주변 물체들의 검출 및 위치 파악을 위해 레이더, 이미지 인식 카메라, 소나와 같은 다양한 센서들과 기술들의 조합을 사용한다. 이들 센서는 충돌 경고, 자동 긴급 제동, 차선 이탈 경고, 차선 유지 보조, 어댑티브 크루즈 컨트롤, 및 파일럿 주행을 포함한 운전자 안전에 있어서의 다수의 개선을 가능케 한다. 이들 센서 기술 중, LiDAR(Light Detection and Ranging: 광 검출 및 측거) 시스템들은 중대한 역할을 하여, 주변 환경의 실시간 고해상도 3D 매핑을 가능케 한다.
오늘날의 자율 주행 차량들에 사용되는 대부분의 현재의 LiDAR 시스템들은 환경을 기계적으로 스캔하는 모종의 방법과 결합된 소수의 레이저를 이용한다. 몇몇 종래 기술의 LiDAR 시스템은 2차원 VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Lasers: 수직 공동 면발광 레이저) 어레이들을 조명 소스로 사용한다. 향후의 자율 주행 차량들은 높은 신뢰성과 폭넓은 환경 작동 범위를 갖는 솔리드 스테이트 반도체 기반의 LiDAR 시스템들을 이용하는 것이 매우 바람직하다. 이들 시스템은 가동 부분들을 갖지 않기 때문에 유리하며 신뢰성이 높을 수 있다. 하지만, 현재 종래 기술의 LiDAR 시스템들은 많은 실용적인 제한이 있다.
바람직한 예시적인 실시예들에 따른 본 교시가 그 추가 이점들과 함께 첨부 도면들과 연계하여 취해진 다음의 상세한 설명에서 보다 구체적으로 설명된다. 본 기술분야의 통상의 기술자는 아래에 설명된 도면들이 예시의 목적만을 위한 것임을 이해할 것이다. 도면들은 반드시 축척에 맞지는 않으며; 대신에 일반으로 교시의 원리를 예시하는 데 중점을 두고 있다. 도면은 어떤 식으로도 본 출원인의 교시의 범위를 제한하기 위한 것은 아니다.
도 1은 알려진 수직 공동 면발광 레이저 어레이의 평면도를 도시한다.
도 2a는 본 교시에 따른 LiDAR 시스템용 수직 공동 면발광 레이저 어레이의 실시예의 평면도를 도시한다.
도 2b는 레이저 구조 및 전극들의 추가 세부사항을 도시하는, 도 2a와 관련하여 설명된 수직 공동 면발광 레이저 어레이의 일부의 상부 사시도를 도시한다.
도 2c는 레이저 드라이버들을 나타내는 도 2a와 관련하여 설명된 수직 공동 면발광 레이저 어레이를 포함하는 LiDAR 시스템용 송신기의 물리적 레이아웃의 실시예를 도시한다.
도 3은 본 교시에 따른 LiDAR 시스템용 수직 공동 면발광 레이저 어레이의 다른 실시예의 평면도를 도시한다.
도 4는 본 교시에 따른 단일단 캐소드들(single-ended cathodes)을 갖는 LiDAR 시스템용 수직 공동 면발광 레이저 어레이의 레이아웃의 평면도를 도시한다.
도 5는 본 교시에 따른 단일단 애노드들(single-ended anodes)을 갖는 LiDAR 시스템용 수직 공동 면발광 레이저 어레이의 레이아웃의 평면도를 도시한다.
이제 첨부 도면들에 도시된 바와 같은 예시적인 실시예들을 참조하여 본 교시가 보다 상세히 설명될 것이다. 본 교시가 다양한 실시예들 및 예들과 연계하여 설명되지만, 본 교시는 이러한 실시예들로 한정되는 것을 의도하지는 않는다. 그 보다는, 본 교시는 본 기술분야의 통상의 기술자에 의해 이해되다시피 다양한 대체, 수정, 및 동등물을 포함한다. 본 명세서의 교시에 접근할 수 있는 본 기술분야의 통상의 기술자는 본 명세서에 기재된 본 발명의 범위 내에 있는 추가 구현, 수정, 및 실시예들뿐만 아니라 다른 사용 분야들도 인식할 것이다.
본 명세서에서의 "일 실시예" 또는 "실시예"에 대한 언급은 그 실시예와 관련하여 설명된 특정 특징, 구조, 또는 특성이 본 교시의 적어도 하나의 실시예에 포함된다는 것을 의미한다. 본 명세서의 다양한 장소에서의 "일 실시예에서"라는 어구의 출현은 반드시 모두 동일한 실시예를 지칭하는 것은 아니다.
본 교시의 방법의 개별 단계들은 교시가 작동 가능한 상태로 유지되는 한 임의의 순서로 및/또는 동시에 수행될 수도 있음을 이해해야 한다. 또한, 본 교시의 장치와 방법은 교시가 작동 가능한 상태로 유지되는 한 설명된 실시예들 중 임의의 개수 또는 모두를 포함할 수 있음을 이해해야 한다.
본 교시는 물체들까지의 거리들(범위들)을 측정하기 위해 레이저 광을 사용하는 원격 감지 방법인 LiDAR(Light Detection and Ranging: 광 검출 및 측거)에 관한 것이다. 자율 주행 차량들은 세밀한 해상도로 주변 환경의 고도로 정확한 3D 맵을 생성하기 위해 LiDAR 시스템들을 이용한다. 본 명세서에 기재된 시스템들과 방법들은 긴 측정 범위와 저비용을 유지하는 것과 함께 높은 수준의 신뢰성을 갖는 솔리드 스테이트의 펄스형 TOF(Time-of-Flight) LiDAR 시스템을 제공하는 것에 대한 것이다.
또한, 솔리드 스테이트의 펄스형 TOF LiDAR를 제공하는 본 명세서에 기재된 시스템들과 방법들은 또한 클래스 1 아이 세이프티(Class 1 eye safety)를 유지하도록 구성된다. 클래스 1 아이 세이프티 등급은 시스템이 모든 통상적인 사용 조건 하에서 안전함을 의미한다. 클래스 1 아이 세이프티를 유지하기 위해서는, 레이저 광 에너지 또는 레이저 광 파워가 미국 및 국제 안전 표준에서 규정한 최대 허용 노출(maximum permissible exposure: MPE) 수준을 초과할 수 없다. 하지만, LiDAR 시스템의 측정 범위는 최대 전송 광 펄스 에너지 또는 파워 레벨에 크게 의존한다. 따라서, 자동차용 LiDAR 시스템들은 실행 가능한 한 클래스 1 MPE 한계에 가깝게 의도적으로 작동하는 것이 바람직하다. 그래서, 최적의 성능을 달성하는 데 있어 2차원 VCSEL 어레이의 구성 및 레이아웃이 중대하다.
2차원 VCSEL 어레이의 개별 레이저들은 LiDAR 시스템에 의해 측정되는 상이한 관심 포인트들 또는 영역들을 조명하기 위해 사전 결정된 시퀀스로 활성화된다. 시스템의 해상도 및/또는 시야(field-of-view: FOV)는 2차원 VCSEL 어레이에서 어떤 레이저들이 활성화되는지에 의해 결정된다. 그래서 세밀한 해상도 및/또는 넓은 FOV를 갖는 시스템들의 경우, 레이저의 개수는 매우 많으며, 수백 또는 심지어는 수천 개의 개별 레이저가 될 수 있다. 개별 레이저 드라이버들로 2차원 VCSEL 어레이의 매우 다수의 레이저를 개별적으로 구동하는 것은 결과적인 LiDAR 송신기 시스템이 상대적으로 크고, 복잡하며, 고비용이 되게 한다.
본 교시의 한 가지 특징은 LiDAR 송신기의 물리적 크기, 복잡성, 및 비용을 저감하기 위해 2차원 VCSEL 어레이들을 사용하는 LiDAR 송신기들에서 매트릭스 어드레싱을 사용하는 것이다. 본 교시에 따른 2차원 VCSEL 어레이의 매트릭스 어드레싱을 사용하는 것은 각 레이저마다 개별 레이저 드라이버를 필요로 함이 없이 개별 레이저들을 활성화하는 능력을 제공하기 때문에 바람직하다. 매트릭스 어드레싱에 의해, 레이저 드라이버의 개수는 N*M의 오더(order)의 스케일링 대신에 N+M의 오더로 스케일링되는데, 여기서 N과 M은 각각 공유된 애노드 및 캐소드 전기 접점들의 정수 개수이다.
본 교시에 따른 LiDAR 시스템들의 다양한 실시예들에서, 2차원 VCSEL 어레이의 지오메트리(geometry)와 개별 레이저들의 특정 레이아웃은 각 레이저의 원하는 광 출력 파워, 레이저 광 효율, 최대 레이저 바이어스 전류, 원하는 개별 및 전체 광 방출 면적들의 크기, 아이 세이프티 파워 한계, 전기 회로의 인덕턴스/임피던스, RF 펄스 특성들을 포함한 다수의 설계 제약뿐만 아니라 기타 물리적, 광학적, 및 전기적 설계 제약들을 기초로 개선되거나 최적화될 수 있다. 그래서, 본 교시는 적어도 부분적으로는 이들 제약 중 적어도 일부를 다루는 솔리드 스테이트 LiDAR 시스템용으로 특별히 구성된 매트릭스 어드레스 지정 가능한 VCSEL 어레이들에 대한 다양한 구성에 관한 것이다. 예를 들어, 본 교시의 일 양태는 수직 공동 면발광 레이저들의 행(row)의 해당 부분의 수직 공동 면발광 레이저들이 활성화되면 클래스 1 아이 세이프티가 유지되고 수직 공동 면발광 레이저들의 적어도 하나의 행 전체가 활성화되면 클래스 1 아이 세이프티가 초과되도록 수직 공동 면발광 레이저들의 행들(rows) 중 적어도 하나가 특정 바이어스 전류로 수직 공동 면발광 레이저들의 적어도 하나의 행의 수직 공동 면발광 레이저들의 일부를 활성화할 수 있게 하는 애노드 연결부들을 갖도록 매트릭스 어드레스 지정 가능한 수직 공동 면발광 레이저가 구성될 수 있다는 것이다. 또한, 복수의 수직 공동 면발광 레이저는 각각 수직 공동 면발광 레이저들의 행의 해당 부분의 수직 공동 면발광 레이저들이 활성화되면 클래스 1 아이 세이프티가 유지되고 수직 공동 면발광 레이저들의 해당 행 전체가 활성화되면 클래스 1 아이 세이프티가 초과되도록 특정 바이어스 전류로 수직 공동 면발광 레이저들의 행의 수직 공동 면발광 레이저들의 일부를 활성화할 수 있게 하는 애노드 연결부들을 갖는 다이의 일측에 공통의 캐소드 전기 연결부를 구비하여 구성될 수 있다.
도 1은 알려진 매트릭스 어드레스 지정 가능한 수직 공동 면발광 레이저(Vertical Cavity Surface Emitting Laser: VCSEL) 어레이(100)의 평면도를 도시한다. 보다 구체적으로, 도 1은 16개의 개별 레이저를 갖는 상단 조명식, 2차원 VCSEL 어레이의 평면도를 도시하는데, 여기서 16개의 레이저 VCSEL 각각은 16개의 애퍼처(102)를 갖는다. 본 명세서에서 개별 이미터, 레이저 소자, 또는 어레이 소자로도 지칭되는 개별 레이저는 인가된 전기 신호가 이미터로 하여금 광빔을 발생시키도록 개별적으로 어드레스 지정 가능한 소자이다. 다양한 실시예들에서는, 다양한 개수의 애퍼처가 개별 레이저, 이미터, 또는 소자에 포함된다. 도 1에 도시된 구성에서, VCSEL 어레이에 대한 전기적 접촉은 다이(104)의 에지들 - 이곳에는 필요한 전류를 반송하기에 물리적으로 충분히 큰 연결부들과 전기적 접촉을 이루는 물리적 공간이 있음 - 에서 이루어진다. 종종 전기 접점들은 와이어 본딩 기법들을 사용하여 만들어진다.
레이저들의 애노드들 및 캐소드들과 드라이버 회로 사이에는 와이어 본드들 또는 기타 전기 접점들이 만들어진다. 전기 접점 면적의 물리적 크기는 일부 설계에서 제한 요인이 될 수 있다. 전형적인 접점은 가장 넓은 치수로 250 미크론 정도일 수 있다. 종래 기술의 LiDAR 시스템들의 펄스 작동과 관련된 빠른 상승/하강 시간으로 인해, 와이어 본드의 바람직하지 않은 인덕턴스 및 관련 임피던스를 최소화하기 위해 복수의 와이어 본드 및/또는 금 리본이 있는 큰 전기 접점 패드를 갖는 것이 종종 바람직하다. 보다 큰 단면의 와이어 및/또는 복수의 본드도 또한 보다 높은 전류 반송 용량을 가져다 주는데, 이는 매우 바람직하다.
매트릭스 어드레스 지정 가능한 VCSEL 어레이(100)의 상단 및 하단에서의 VCSEL 어레이(100)에 대한 전기 접점들(106)은 p형 반도체 전기 접점인 레이저 애노드들에의 전기 접점들이다. 매트릭스 어드레스 지정 가능한 VCSEL 어레이(100)의 좌측 및 우측에 대한 전기 접점(108)은 n형 전기 접점들인 매트릭스의 레이저 캐소드들에의 전기 접점들이다. 각 행/열의 전기 접점들(106, 108)을 적절히 바이어싱함으로써, 매트릭스 내의 개별 레이저들이 활성화된다. 컨트롤러 또는 프로세서는 전형적으로 전기 바이어스 회로에 아이 세이프티 제약들을 유지하는 동시에 원하는 작동에 따라 사전 결정된 시퀀스로 매트릭스 내의 특정 행/열 위치들을 바이어스시키도록 지시한다. 도 1에 나타낸 이 알려진 VCSEL 구성에서, VCSEL 어레이 지오메트리는 대칭인데, 각 공유 애노드는 VCSEL 어레이의 상단과 하단 양자 모두에 접점들을 가지며, 각 공유 캐소드는 좌측과 우측 양자 모두에 접점들을 갖는다. 본 교시의 일 양태는 이 접점 지오메트리가 개별적으로 어드레스 지정 가능한 레이저 소자의 크기를 제한하는 구현이다.
이 예시적인 어레이(100)에서, 개별적으로 어드레스 지정 가능한 레이저 소자는 공통의 애노드(106) 및 캐소드(108) 전극을 공유하는 16개의 이미터(102)를 갖는다. 16개의 이미터(102)의 그룹들의 어레이는 전극들(108)의 피치와 동일한 수직 치수의 피치를 갖는다. 16개의 이미터(102)의 그룹들의 어레이는 애노드 전극들(106)의 피치와 동일한 수평 치수의 피치를 갖는다. 그래서, 16개의 이미터를 포함하는 어드레스 지정 가능한 레이저 소자의 크기는 애노드 이미터들의 피치 곱하기 캐소드 이미터의 피치이다. 본 명세서에서 설명하는 바와 같이 접점 전극의 크기는 커야 하기 때문에, 접점 전극에 의해 공통적으로 어드레스 지정되는 레이저 이미터들의 그룹의 물리적 크기가 접점 전극의 크기 및/또는 전극들 사이의 간격(피치)보다 물리적으로 더 작을 수 있도록 새로운 연결 접근법이 필요하다.
도 2a는 본 교시에 따른 LiDAR 시스템용 수직 공동 면발광 레이저 어레이(200)의 실시예의 평면도를 도시한다. 도 1과 관련하여 설명된 알려진 VCSEL 구성과 비교하여, 다이(202)의 에지들 상의 접점 패드들의 전체 치수 및 개수는 도 1 및 도 3에 주어진 예들에서와 같다. 하지만, 도 2a에 도시된 VCSEL 레이저의 구성은 유리하게도, 도 1과 관련하여 설명된 알려진 구성보다 훨씬 더 많은 개별적으로 어드레스 지정 가능한 레이저 소자를 포함할 수 있다. 본 교시의 이 실시예 및 다양한 다른 실시예들의 한 가지 특징은 전기 접점 구성이 종래 기술의 전기 접점 구성들과 비교하여 특정 다이 크기의 에지들 상의 특정 개수의 접점 패드 및 특정 전체 치수에 대해 훨씬 더 많은 수의 개별적으로 어드레스 지정 가능한 레이저 또는 레이저 이미터 그룹을 갖는다는 것이다.
예를 들어, 도 2a에 도시된 VCSEL 구성에서, 어레이(200)에는 32개의 VCSEL 레이저(204) - 각각 8개의 애퍼처를 가짐 - 가 있다. 도 1에 도시된 구성에서, 어레이(100)에는 16개의 VCSEL 레이저 - 각각 16개의 애퍼처를 가짐 - 가 있다. 그래서, 도 2a의 어레이(200)의 레이저들(204)의 수직 치수의 피치는 도 1의 어레이(100)의 레이저들의 수직 치수의 피치의 절반이다. 그래서, 본 교시의 어레이 애노드 및 캐소드 연결 구성은 도 1에 도시된 알려진 어레이 애노드 및 캐소드 구성보다 단위 면적당 더 많은 수의 개별적으로 어드레스 지정 가능한 이미터를 제공한다. 또한, 결과적으로 얻어지는 보다 큰 접점 패드 크기는 와이어 본드들의 제조 및/또는 적용에 유리할 수 있다. 개별 레이저 이미터 그룹 크기가 접점의 크기에 직접 결부되지 않고, 특히 접점 크기보다 작도록 하는 능력은 종래 기술에 있어서 상당한 진전으로 이어진다. 특히, 개별 레이저 이미터 그룹 크기가 접점의 크기에 독립적이 되도록 하는 능력은 개선된 해상도 및/또는 방출된 광빔들의 크기, 위치, 및/또는 광 파워에 대한 제어를 또한 제공하면서 예를 들면, 송신기의 비용, 크기, 및/또는 복잡성의 개선으로 이어진다.
본 교시의 다양한 실시예들에서는, 이미터들의 각 행(row)이 다이(202)의 일측에만 캐소드 접점을 갖기 때문에 추가적인 제어로 단위 면적당 더 많은 개별적으로 어드레스 지정된 이미터들(레이저들(204))이 달성된다. 행은 본 명세서에서는 일반적으로 개별적으로 어드레스 지정 가능한 레이저 그룹으로 지칭된다. 예를 들어, 도 2a에 도시된 구성에서, 이미터들의 상단 행(206)은 최상부의 우측 캐소드 접점(208)에 전기적으로 연결되고, 이미터들의 제2 행(210)은 최상부의 좌측 캐소드 접점(212)에 대응한다. 몇몇 구성에서는, 예를 들어 이미터들의 제3 행(214)이 제2 우측 캐소드 접점(216)에 전기적으로 연결되고, 이미터들의 제4 행(218)이 제2 좌측 캐소드 접점(220)에 전기적으로 연결되는 전기적 연결부들의 교호적인 패턴이 계속된다. 그래서, 어레이(200)의 수직 치수에서 캐소드들에 대한 전기적 연결부들의 피치는 레이저들(206, 210, 214, 218)의 행들(rows)의 피치의 2배이다. 전기적 피치는 접점(212)과 접점(220) 사이의 간격, 혹은 접점(208)과 접점(216) 사이의 피치에 의해 주어진다. 그래서, 광학적 피치는 수직 치수에서 전기적 피치의 절반이다.
이미터들의 각 행이 다이(202)의 일측에만 캐소드 접점을 갖기 때문에 개별적으로 제어되는 주어진 어레이 크기에서 레이저 개수의 증가가 달성 가능하다. 즉, 상단 행이 어레이의 일측에 연결되고 하단 행이 어레이의 타측에 연결되도록 캐소드 전극에 연결된 이미터들의 적어도 몇몇의 인접한 행, 예를 들면 상단 행 및 하단 행을 가짐으로써, 2개의 행은 개별적으로 어드레스 지정 가능하게 된다. 행은 개별적으로 어드레스 지정 가능한 레이저 그룹을 가리키므로, 이들 행은 구성에 따라 하나, 또는 2개 이상의 레이저의 수직 범위를 가질 수 있다. 중요하게는, 개별적으로 어드레스 지정 가능한 행의 피치가 반드시 캐소드들의 피치와 같지는 않으며, 특히 개별적으로 어드레스 지정 가능한 행들은 캐소드 전극들보다 더 밀접하게 이격된다.
도 2b는 레이저 구조 및 전극들의 추가 세부사항을 도시하는, 도 2a와 관련하여 설명된 수직 공동 면발광 레이저(VCSEL) 어레이(250)의 일부의 상부 사시도를 도시한다. VCSEL 레이저 어레이(250) 부분의 상부 사시도는 각각 8개의 애퍼처를 갖는 3개의 VCSEL 레이저를 포함한다. 이 사시도는 많은 용도에서 갈륨 비소 기판인 기판(252)과, 수직 레이저 공동 구조(254)를 도시한다. 각각 8개의 애퍼처를 갖는 3개의 VCSEL 레이저에 대한 공통 애노드 접점(256)도 도시되어 있다. 또한, 3개의 VCSEL 레이저 각각에 대해 하나씩, 3개의 개별 캐소드 접점(258)이 도시되어 있다. 도 2b에 도시된 VCSEL 레이저들은 상단 발광 VCSEL 레이저들이다. VCSEL 레이저들은 상단 발광, 하단 발광일 수 있고, 수직 외부 공동 면발광 레이저들로서 구성될 수도 있음을 이해해야 한다.
도 2c는 레이저 드라이버들을 나타내는 도 2a와 관련하여 설명된 수직 공동 면발광 레이저 어레이(200)를 포함하는 LiDAR 시스템용 송신기(280)의 물리적 레이아웃의 실시예를 도시한다. 도 2a의 VCSEL 어레이(200)는 다이(202) 및 개별적으로 어드레스 지정 가능한 이미터들(204)을 구비하여 도시되어 있다. 송신기(280)의 각 측에는 4개의 캐소드 접점(282)이 있다. 로우 사이드 드라이버들(284)이 송신기(280)의 각 측의 교호적인 캐소드 연결부들(282)에 전기적으로 연결된다. 하이 사이드 드라이버들(286)이 교호적인 애노드 연결부들(288)에 전기적으로 연결된다.
도 2a 내지 도 2c와 관련하여 설명된 전기 접점 구성은 도 1과 관련하여 설명된 알려진 구성과 비교하여 적어도 하나의 치수(도 2a 내지 도 2c에 도시된 수직 치수)에 있어서 개별적으로 어드레스 지정 가능한 레이저들의 보다 작은 피치를 가능케 한다. 이 예에는, 도 1의 어레이(100)의 16개와 비교하여, 어레이(200)에는 공통의 애노드 전극과 캐소드 전극을 공유하는 8개의 개별적으로 어드레스 지정 가능한 이미터가 있다. 레이저 이미터 그룹들로도 지칭되는 개별적으로 어드레스 지정 가능한 레이저들의 이 결과적인 피치 감소는 보다 고해상도 및/또는 보다 넓은 시야를 달성하는 것과 같은 다양한 성능 목표들을 달성하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 2a의 어레이(200)를 사용하는 시스템의 수직 방향의 해상도는 도 1의 어레이(100)를 사용하는 시스템의 해상도의 2배일 수 있다. 또한, 이 구성으로 달성 가능한 잠재적으로 보다 작은 물리적 레이저 크기는 아이 세이프티 또는 레이저 효율 제약들과 같은 솔리드 스테이트 LiDAR 시스템의 많은 제약을 다루는 데 사용될 수 있다.
도 3은 본 교시에 따른 LiDAR 시스템용 수직 공동 면발광 레이저 어레이(300)의 다른 실시예의 평면도를 도시한다. 도 3에 도시된 VCSEL 어레이(300) 구성의 행들(rows)에 대한 전기 접점들은 이미터들의 각 행이 다이(302)의 일측에만 캐소드 접점을 갖는다는 점에서 도 2a와 관련하여 설명된 VCSEL 어레이(200) 구성과 유사하다. 어레이(300)는 4개의 애퍼처를 구비한 개별적으로 어드레스 지정 가능한 레이저 소자들(304)을 갖는다. 레이저 소자들(304)의 제1 행(306)은 다이(302)의 일측의 접점(308)에 연결되고, 레이저 소자들(304)의 제2 행(310)은 다이(302)의 타측의 접점(312)에 연결된다. 레이저들의 제3 행(313)은 접점(308)과 동일한 측의 접점(314)에 연결된다. 추가적인 행들은 이 교호적인 방식으로 연결된다. 레이저 소자들(304)의 제1 열(first column)은 애노드 접점인 상단 접점(316)에 연결된다. 레이저 소자들(304)의 제2 열은 역시 애노드 접점인 하단 접점(318)에 연결된다. 레이저 소자들(304)의 제3 열은 역시 애노드 접점인 상단 접점(320)에 연결된다.
그래서, 도 3과 관련하여 설명된 전극 구성은 도 2a와 관련하여 설명된 스킴(scheme)과 유사한 어레이(300)의 수직 및 수평 방향으로 전기적 연결부 스킴의 교호적인 패턴을 제공한다. 수직 치수의 전기적 피치는 수직으로 정렬된 접점들 사이의 간격, 예를 들면 접점(308)과 접점(314) 사이의 간격으로 나타낼 수 있다. 수평 치수의 전기적 피치는 수평으로 정렬된 접점들 사이의 간격, 예를 들면 접점(316)과 접점(320) 사이의 간격으로 주어진다.
수직 치수의 광학적 피치는 레이저 어레이들의 행들(rows) 사이의 거리, 예를 들면 제1 행(306)과 제2 행(310) 사이의 거리로 나타낼 수 있다. 수평 치수의 광학적 피치는 레이저 어레이들의 열들(columns) 사이의 거리, 예를 들면 제1 열(322)과 제2 열(324) 사이의 거리로 나타낼 수 있다. 그래서, 도 3과 관련하여 설명된 구성의 경우, 어레이(300)는 수직 및 수평 치수 양자 모두에 있어서 전기적 피치의 절반인 광학적 피치를 갖는다.
도 3의 구성에서, 다이(302)는 도 1에 도시된 알려진 VCSEL 어레이 구성과 관련하여 설명된 다이(104)와 동일한 전체 크기 및 도 2a에 도시된 본 교시에 따른 VCSEL 어레이 구성의 다이(202)와 동일한 전체 크기를 갖는다. 하지만, 도 3과 관련하여 설명된 VCSEL 어레이는 각각 4개의 애퍼처를 갖는 64개의 개별적으로 어드레스 지정 가능한 레이저(304)를 갖는다. 전극들의 이 특정 구성에서, 도 3에 도시된 어레이(300)의 수직 및 수평 방향 양자 모두에 있어서 동일한 전기적 피치를 유지하면서, 어레이(300)는 도 1의 어레이(100)의 4배나 되는 개별적으로 어드레스 지정 가능한 레이저 소자를 갖는다.
종래 기술에 있어서의 이 개선은 다이의 양측이 아니라 일측에서만 행들(캐소드 연결)과 열들(캐소드 연결) 양자 모두를 연결함으로써 달성된다. 그래서, 도 3과 관련하여 설명된 예시적인 실시예에서, 개별적으로 어드레스 지정 가능한 행과 개별적으로 어드레스 지정 가능한 열 - 이 구성에서는 각각 2개의 이미터 소자를 포함함 - 양자 모두는 전극들의 피치의 절반인 피치를 갖는다. 본 교시의 다양한 실시예들에서, 레이저 어레이들의 어드레스 지정 가능한 행들 및/또는 열들과 관련된 전극들의 피치에 대한 레이저 어레이들의 어드레스 지정 가능한 행들 및/또는 열들의 피치의 다양한 조합이 얻어질 수 있다.
본 교시의 일 실시예에서는, 전체 레이저 어레이의 부분들에 대해 원하는 독립적인 제어를 달성하기 위해 수직 또는 수평 방향 중 어느 하나 또는 양자 모두를 따라 상이한 피치비(pitch ratios)가 사용될 수 있다. 예를 들어, 전체 어레이의 에지들에는 보다 저해상도(개별적으로 어드레스 지정 가능한 이미터들의 보다 큰 그룹들)가 사용될 수 있고, 전체 어레이의 중심 근처에서는 보다 고해상도(개별적으로 어드레스 지정 가능한 이미터들의 보다 작은 그룹들)가 사용될 수 있다. 그 연결되는 전극들에 대한 개별 이미터의 크기 및 위치와 조합하여 전극들의 크기, 위치, 연결 패턴을 기초로 거의 무제한적인 개수의 다양한 패턴이 구현될 수 있다.
본 교시의 한 가지 특징은 단일단 접점 구성이 애노드와 캐소드 전극들 양자 모두에 적용될 수 있다는 것이다. 도 4는 본 교시에 따른 단일단 캐소드들(single-ended cathodes)을 갖는 LiDAR 시스템용 수직 공동 면발광 레이저 어레이의 레이아웃의 평면도를 도시한다. 어레이의 크기는 명목상 폭 3.3 mm 및 높이 2.3 mm이다. 수평 및 수직 치수 양자 모두에 있어서 전기적 피치는 0.25이다. 수직 치수의 광학적 피치는 전기적 피치의 절반이다. 수평 치수의 광학적 피치는 전기적 피치와 같다.
도 5는 본 교시에 따른 단일단 애노드들(single-ended anodes)을 갖는 LiDAR 시스템용 수직 공동 면발광 레이저 어레이의 레이아웃의 평면도를 도시한다. 어레이의 크기는 명목상 폭 3.3 mm 및 높이 2.3 mm이다. 수평 및 수직 치수 양자 모두에 있어서 전기적 피치는 0.25이다. 수직 치수의 광학적 피치는 전기적 피치의 절반이다. 수평 치수의 광학적 피치는 전기적 피치와 같다.
본 기술분야의 통상의 기술자는 예를 들어, 이미터들의 각 행이 다이의 일측에만 캐소드 접점을 갖는 본 교시에 따른 다수의 다른 VCSEL 어레이 구성이 존재한다는 것과 이들 구성은 특정 가격대에서 보다 고해상도 및/또는 보다 넓은 시야를 달성하는 것과 같은 다양한 비용 및/또는 성능 목표들을 달성하도록 선택될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
또한, 애노드 드라이버와 캐소드 드라이버의 설계가 레이저 어레이의 전체적인 설계에 영향을 미칠 수 있음을 이해해야 한다. 이 두 유형의 드라이버는 종종 구현하는 데 비용이 상이하며, 이들 비용이 종종 전체적인 설계를 좌우한다. 본 교시의 한 가지 특징은 레이저 캐소드들 또는 레이저 애노드들 중 어느 하나에 단일단 전극을 제공하는 능력이 레이저 어레이의 광학적 및 전기적 피치와 드라이버 유형을 다양한 비용 및/또는 성능 메트릭에 대해 개별적으로 최적화할 수 있게 한다는 것이다. 단 일례로서, VCSEL 어레이가 N * M의 형상 - 여기서 N은 M과 같지 않음 - 을 갖는 경우, 본 기술분야의 통상의 기술자는 보다 많은 개수의 접점을 구동하기 위해 가장 저비용의 드라이버를 어떻게 선택할지를 알 것이다.
동등물
다양한 실시예들과 연계하여 본 출원인의 교시가 설명되어 있으나, 본 출원인의 교시는 이러한 실시예들로 한정되는 것을 의도하지 않는다. 그 보다는, 본 기술분야의 통상의 기술자에 의해 이해될 수 있다시피, 본 출원인의 교시는 본 교시의 정신과 범위로부터 일탈함이 없이 그 안에서 이루어질 수 있는 다양한 대체, 수정, 및 동등물들을 포함한다.

Claims (26)

  1. 광 검출 및 측거(Light Detection and Ranging: LiDAR) 시스템들용의 매트릭스 어드레스 지정 가능한 수직 공동 면발광 레이저 어레이(vertical cavity surface emitting laser array)로서,
    상기 레이저 어레이는 다이에 형성된 복수의 행(row)의 수직 공동 면발광 레이저들을 포함하며, 하나의 행(one row)의 수직 공동 면발광 레이저들은 상기 다이의 일측에 공통의 캐소드 전기 연결부로 각각 구성된 복수의 수직 공동 면발광 레이저를 포함하고 다른 하나의 행(another row)의 수직 공동 면발광 레이저들은 상기 다이의 타측에 공통의 캐소드 전기 연결부로 각각 구성된 복수의 수직 공동 면발광 레이저를 포함하며, 상기 수직 공동 면발광 레이저들의 행들(rows) 각각은 클래스 1 아이 세이프티(Class 1 eye safety)가 유지될 수 있도록 특정 시간에 상기 행의 일부분만 활성화할 수 있게 하는 애노드 연결부들로 구성되는,
    매트릭스 어드레스 지정 가능한 수직 공동 면발광 레이저 어레이.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 수직 공동 면발광 레이저들의 복수의 행 중 적어도 일부의 상기 복수의 수직 공동 면발광 레이저는 공통의 애노드 전기 연결부로 구성되는,
    매트릭스 어드레스 지정 가능한 수직 공동 면발광 레이저 어레이.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 수직 공동 면발광 레이저들의 행의 해당 일부분의 수직 공동 면발광 레이저들이 활성화되면 클래스 1 아이 세이프티가 유지되고 수직 공동 면발광 레이저들의 적어도 하나의 행 전체가 활성화되면 클래스 1 아이 세이프티가 초과되도록 상기 수직 공동 면발광 레이저들의 행들 중 적어도 하나는 특정 바이어스 전류로 상기 수직 공동 면발광 레이저들의 적어도 하나의 행의 상기 수직 공동 면발광 레이저들의 상기 일부분을 활성화할 수 있게 하는 애노드 연결부들로 구성되는,
    매트릭스 어드레스 지정 가능한 수직 공동 면발광 레이저 어레이.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 수직 공동 면발광 레이저들의 복수의 행 중 적어도 일부는 2차원 어레이로 배열되는,
    매트릭스 어드레스 지정 가능한 수직 공동 면발광 레이저 어레이.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 다이의 일측의 상기 공통의 캐소드 전기 연결부를 연결하는 전기 접점들 사이의 간격은 수직 공동 면발광 레이저들의 행들 사이의 간격보다 큰,
    매트릭스 어드레스 지정 가능한 수직 공동 면발광 레이저 어레이.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 다이의 일측의 상기 공통의 캐소드 전기 연결부를 연결하는 전기 접점들 사이의 간격은 수직 공동 면발광 레이저들의 행들 사이의 간격의 2배인,
    매트릭스 어드레스 지정 가능한 수직 공동 면발광 레이저 어레이.
  7. 제1 항에 있어서,
    수직 공동 면발광 레이저들의 행들의 피치는 전기 캐소드 연결부들의 피치와는 상이한,
    매트릭스 어드레스 지정 가능한 수직 공동 면발광 레이저 어레이.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 수직 공동 면발광 레이저들의 복수의 행은, 각 열의 수직 공동 면발광 레이저들이 공통의 애노드 연결부를 갖는 열들(columns)로 배열되는,
    매트릭스 어드레스 지정 가능한 수직 공동 면발광 레이저 어레이.
  9. 제8 항에 있어서,
    수직 공동 면발광 레이저들의 교호적인 열들은 상기 다이의 교호적인 측(alternating sides)에서 상기 다이에 대한 애노드 연결부들을 갖는,
    매트릭스 어드레스 지정 가능한 수직 공동 면발광 레이저 어레이.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 수직 공동 면발광 레이저들의 복수의 행 각각은 동일한 개수의 수직 공동 면발광 레이저를 갖는,
    매트릭스 어드레스 지정 가능한 수직 공동 면발광 레이저 어레이.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 수직 공동 면발광 레이저들의 복수의 행 중 적어도 하나는 상기 수직 공동 면발광 레이저들의 복수의 행 중 다른 하나와는 상이한 개수의 수직 공동 면발광 레이저를 갖는,
    매트릭스 어드레스 지정 가능한 수직 공동 면발광 레이저 어레이.
  12. 제1 항에 있어서,
    상기 수직 공동 면발광 레이저들의 복수의 행의 상기 수직 공동 면발광 레이저들 중 적어도 일부는 상단(top) 발광 레이저들을 포함하는,
    매트릭스 어드레스 지정 가능한 수직 공동 면발광 레이저 어레이.
  13. 제1 항에 있어서,
    상기 수직 공동 면발광 레이저들의 복수의 행의 상기 수직 공동 면발광 레이저들 중 적어도 일부는 하단(bottom) 발광 레이저들을 포함하는,
    매트릭스 어드레스 지정 가능한 수직 공동 면발광 레이저 어레이.
  14. 제1 항에 있어서,
    상기 수직 공동 면발광 레이저들의 복수의 행의 상기 수직 공동 면발광 레이저들 중 적어도 일부는 수직 외부 공동 면발광 레이저들을 포함하는,
    매트릭스 어드레스 지정 가능한 수직 공동 면발광 레이저 어레이.
  15. 광 검출 및 측거(Light Detection and Ranging: LiDAR) 시스템들용의 매트릭스 어드레스 지정 가능한 수직 공동 면발광 레이저 어레이로서,
    상기 레이저 어레이는 다이에 형성된 복수의 행 및 복수의 열의 수직 공동 면발광 레이저들을 포함하고, 수직 공동 면발광 레이저들의 제1 행은 상기 다이의 일측에 공통의 캐소드 전기 연결부로 각각 구성된 복수의 수직 공동 면발광 레이저를 포함하며, 상기 레이저 어레이는 상기 수직 공동 면발광 레이저들의 복수의 열 각각이 클래스 1 아이 세이프티가 유지될 수 있도록 특정 시간에 행의 일부분만을 활성화할 수 있게 하는 공통의 애노드 전기 연결부로 구성된 복수의 수직 공동 면발광 레이저를 포함하도록 배열되고, 수직 공동 면발광 레이저들의 교호적인 열들은 상기 다이의 교호적인 측에 애노드 연결부들을 갖는,
    매트릭스 어드레스 지정 가능한 수직 공동 면발광 레이저 어레이.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 다이의 일측에 상기 공통의 캐소드 전기 연결부로 각각 구성된 상기 복수의 수직 공동 면발광 레이저를 포함하는 상기 수직 공동 면발광 레이저들의 제1 행은, 상기 수직 공동 면발광 레이저들의 제1 행의 해당 일부분의 수직 공동 면발광 레이저들이 활성화되면 클래스 1 아이 세이프티가 유지되고 상기 수직 공동 면발광 레이저들의 제1 행 전체가 활성화되면 클래스 1 아이 세이프티가 초과되도록, 특정 바이어스 전류로 상기 수직 공동 면발광 레이저들의 제1 행의 상기 수직 공동 면발광 레이저들의 상기 일부분을 활성화할 수 있게 하는 애노드 연결부들로 구성되는,
    매트릭스 어드레스 지정 가능한 수직 공동 면발광 레이저 어레이.
  17. 제15 항에 있어서,
    상기 수직 공동 면발광 레이저들의 복수의 행 중 제2 행은 상기 다이의 타측에 공통의 캐소드 전기 연결부로 각각 구성된 복수의 수직 공동 면발광 레이저를 포함하는,
    매트릭스 어드레스 지정 가능한 수직 공동 면발광 레이저 어레이.
  18. 제15 항에 있어서,
    상기 수직 공동 면발광 레이저들의 복수의 행 중 적어도 일부는 2차원 어레이로 배열되는,
    매트릭스 어드레스 지정 가능한 수직 공동 면발광 레이저 어레이.
  19. 제15 항에 있어서,
    상기 다이의 일측의 상기 공통의 캐소드 전기 연결부를 연결하는 전기 접점들 사이의 간격은 수직 공동 면발광 레이저들의 행들 사이의 간격보다 큰,
    매트릭스 어드레스 지정 가능한 수직 공동 면발광 레이저 어레이.
  20. 제15 항에 있어서,
    상기 다이의 일측의 상기 공통의 캐소드 전기 연결부를 연결하는 전기 접점들 사이의 간격은 수직 공동 면발광 레이저들의 행들 사이의 간격의 2배인,
    매트릭스 어드레스 지정 가능한 수직 공동 면발광 레이저 어레이.
  21. 제15 항에 있어서,
    수직 공동 면발광 레이저들의 행들의 피치는 전기 캐소드 연결부들의 피치와는 상이한,
    매트릭스 어드레스 지정 가능한 수직 공동 면발광 레이저 어레이.
  22. 제15 항에 있어서,
    상기 수직 공동 면발광 레이저들의 복수의 행 각각은 동일한 개수의 수직 공동 면발광 레이저를 갖는,
    매트릭스 어드레스 지정 가능한 수직 공동 면발광 레이저 어레이.
  23. 제15 항에 있어서,
    상기 수직 공동 면발광 레이저들의 복수의 행 중 적어도 하나는 상기 수직 공동 면발광 레이저들의 복수의 행 중 다른 하나와는 상이한 개수의 수직 공동 면발광 레이저를 갖는,
    매트릭스 어드레스 지정 가능한 수직 공동 면발광 레이저 어레이.
  24. 제15 항에 있어서,
    상기 수직 공동 면발광 레이저들의 복수의 행의 상기 수직 공동 면발광 레이저들 중 적어도 일부는 상단 발광 레이저들을 포함하는,
    매트릭스 어드레스 지정 가능한 수직 공동 면발광 레이저 어레이.
  25. 제15 항에 있어서,
    상기 수직 공동 면발광 레이저들의 복수의 행의 상기 수직 공동 면발광 레이저들 중 적어도 일부는 하단 발광 레이저들을 포함하는,
    매트릭스 어드레스 지정 가능한 수직 공동 면발광 레이저 어레이.
  26. 제15 항에 있어서,
    상기 수직 공동 면발광 레이저들의 복수의 행의 상기 수직 공동 면발광 레이저들 중 적어도 일부는 수직 외부 공동 면발광 레이저들을 포함하는,
    매트릭스 어드레스 지정 가능한 수직 공동 면발광 레이저 어레이.
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