KR20220148760A - 라이다 센서 - Google Patents
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Abstract
일 실시예에 따른 라이다 센서는, 기판의 상면과 하면 중 어느 일 면에 레이저와 스캐너가 적층되고, 상기 일 면의 상기 레이저 및 상기 스캐너의 주변에 디텍터가 위치된 광집적회로; 상기 레이저와 상기 스캐너 및 상기 디텍터의 제어기와 함께 신호 분석기를 포함하는 전자집적회로; 및 상기 전자집적회로로부터 상기 레이저, 상기 스캐너 및 상기 디텍터까지 각각 전기적으로 연결된 커넥팅 라인;을 포함한다.
Description
본 발명은 라이다(LIDAR) 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 집적회로(integrated circuit) 기술을 통해 초소형화를 이룬 라이다 센서에 관한 것이다.
주지하고 있는 바와 같이, 라이다 센서는 빛을 발생시키는 레이저(laser), 레이저 빛을 특정방향으로 유도하는 스캐너(scanner), 탐지 대상체로부터 반사된 빛을 검출하는 디텍터(detector)를 포함한다.
종래 기술에 따르면, 레이저 모듈, 스캐너 모듈 및 디텍터 모듈을 각각 제작하고, 이 모듈들을 결합하는 방식이 이용되었다.
이 중 스캐너 모듈은 물리적으로 움직이는 모터를 사용하여 광학계를 움직이는 방식이 주로 채택되고, 이로 인해, 가격과 크기를 줄이기 힘든 한계점이 있다.
이에 대한 대안으로, 물리적으로 움직이는 모터 대신 광 위상 배열 안테나(optical phase array antenna, OPA)나 MEMS(microelectromechanical systems) 등과 같은 반도체를 사용해 스캐너 기능을 구현한 SS(solid-state) 스캐너 방식이 주목을 받고 있다. 이와 더불어, 스캐너와 디텍터를 단일 칩에 구현하는 방식도 제안되었다.
SS 스캐너 방식은 광집적회로(photonic IC) 위에 인플레인(in-plane) 방향으로 구현된다. 단일 레이저에서 나온 빛이 인플레인 방향의 빔 스플리터(beam splitter) 등을 통해 여러 채널의 광도파로(optical waveguide)로 나뉜 뒤, 각 광파로 채널에 흐르는 빛의 위상을 조절(phase shifting)한 후, 격자 결합기(grating coupler)나 거울(mirror) 등을 통해 인플레인 방향의 빛을 수직방향으로 출력한다. 각 도파로 채널 사이의 위상 차를 조절하여, 출력 빔의 파면(wave front) 방향을 조절한다.
하지만, SS 스캐너 방식에서는 상당한 광손실이 일어난다. 칩에 집적되지 않은 인플레인 레이저로부터 광집적회로 내 광도파로로 빛을 커플링시킬 때, 많은 숫자의 빔 스플리터에서 빛을 나눌 때, 격자 결합기에서 수직방향으로 빛의 방향을 변환시킬 때 많은 광손실이 일어난다.
따라서, SS 스캐너 방식에서는 광손실을 보상하기 위해서 레이저에 높은 출력이 요구되거나, 큰 이득값(gain)을 갖는 SOA(semiconductor optical amplifier)가 필요하며, 높은 출력의 레이저 혹은 큰 이득값을 갖는 SOA에서는 많은 열이 발생한다. 한편, 디텍터는 열로 인한 잡음에 취약한데, 이로 인해 SS 스캐너 방식에서는, 디텍터와 레이저 혹은 디텍터와 SOA를 동일한 칩에 집적하는 것이 용이하지 않다.
또한 SS 스캐너 방식은 넓은 푸트프린트(footprint)가 요구된다. 위상 조절(phase shift)을 위한 광도파로를 형성하기 위해, 광도파로 내 수평방향으로 진행하는 빛을 수직방향으로 출력하기 위한 격자 결합기의 2차원 배열을 구성하기 위해 넓은 면적이 요구된다.
또한 실리콘 포토닉스에서 위상 조절기(phase shifter)를 만드는 표준방법은 히터(heater)를 사용하는 것인데, 이는 반응속도가 느리다. 가령 120도x30도의 시야각(viewing angle)을 0.1도 간격으로 스캔하기 위해서는, 총 360,000번의 빔 스티어링(beam steering)이 필요한데, 늦은 반응속도 때문에 높은 재생률(refresh rate), 즉 FPS(frame per second)를 얻는 것이 어렵다.
또한 위상 조절기 갯수만큼 구동회로(driver IC)가 필요하고, SOA 갯수만큼 구동회로가 필요하다. 즉 많은 구동 회로가 필요하다.
또한 빔 스티어링의 최대 각도는 격자 결합기 사이의 간격(pitch)에 의해서 결정되는데, 격자 결합기에 연결된 광도파로 사이의 크로스토크(cross talk)을 막기 위해서 또한 격자 결합기의 자체 크기 때문에 간격을 줄이는데 한계점이 있다.
또한 빔 스폿 크기(beam spot size)가 작을수록 반사되어 돌아오는 광량이 증가하고, 증가한 광량은 탐지거리를 증가시키기 때문에, 작은 빔 스폿 크기가 선호된다. 빔 스폿 크기는 격자 결합기의 배열로 구성된 광학 안테나의 면적에 반비례한다. 광학 안테나의 크기를 증가시키기 위해서는 격자 결합기의 갯수를 늘려야 하는데, 광도파로를 각 격자 결합기까지 연결하는데 공간적 한계점이 있다. 즉, 빔 스폿 크기를 줄이는데 한계점이 있다. 복수의 렌즈를 사용하여 빔 스폿 크기를 조정할 수 있으나, 패키징(packaging) 시에 정렬(alignment)을 위한 상당한 비용 증가가 수반된다.
일 실시예에 따르면, 레이저와 스캐너가 적층된 구조를 포함하고 디텍터까지 단일의 집적회로로 구현한 라이다 센서를 제공한다.
본 발명의 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 것으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 해결하고자 하는 과제는 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
일 관점에 따른 라이다 센서는, 기판의 상면과 하면 중 어느 일 면에 레이저와 스캐너가 적층되고, 상기 일 면의 상기 레이저 및 상기 스캐너의 주변에 디텍터가 위치된 광집적회로(photonic IC); 상기 레이저와 상기 스캐너 및 상기 디텍터의 제어기와 함께 신호 분석기를 포함하는 전자집적회로(electronic IC); 및 상기 전자집적회로로부터 상기 레이저, 상기 스캐너 및 상기 디텍터까지 각각 전기적으로 연결된 커넥팅 라인;을 포함한다.
일 실시예에 따르면, 레이저와 스캐너가 적층된 구조를 포함하고 디텍터까지 단일의 광집적회로로 구현한 라이다 센서를 제공한다. 이처럼, 레이저와 스캐너가 적층된 구조의 라이다 센서는 넓은 면적을 갖는 고출력 단일모드 표면발광 레이저(surface emitting laser)를 채용할 수 있다.
또한, 외부 레이저가 채용된 라이다 센서와 비교할 때에, 외부 레이저와 광집적회로 사이의 커플러, 많은 수의 빔 스플리터, SOA, 격자 결합기 등이 필요하지 않기 때문에, 광집적회로에 소요되는 전력소모와 면적을 현저하게 줄일 수 있다.
또한, 작은 전력소모로 인해 레이저의 발열량이 작으며, 이는 레이저와 디텍터를 단일칩에 집적하는 것을 가능케 한다.
또한, 레이저가 고속 직접 변조(high-speed direct modulation)를 하여, 이를 통해 특정 강도(intensity) 혹은 위상(phase) 패턴을 출력시키고, 디텍터에서 검출된 신호를 이 패턴과 비교 분석함을 통해 잡음 대비 신호비(signal to noise ratio, SNR)를 현저히 향상시킬 수 있다.
또한, 라이다 센서의 크기를 현저히 줄일 수 있고, 가격을 현저히 낮출 수 있으며, 전력 소모가 현저히 줄어드는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 라이다 센서의 구성을 설명하기 위한 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 레이저와 스캐너의 광학적 특성을 설명하기 위한 개념도이다.
도 3 및 도 4는 도 1에 도시된 라이다 센서에 채용될 수 있는 렌즈 구조에 대한 예시도들이다.
도 5는 도 1에 도시된 라이다 센서를 구성하는 전자집적회로의 구성도이다.
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 라이다 센서의 구성을 설명하기 위한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 라이다 센서의 구성을 설명하기 위한 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 라이다 센서의 구성을 설명하기 위한 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 레이저와 스캐너의 광학적 특성을 설명하기 위한 개념도이다.
도 3 및 도 4는 도 1에 도시된 라이다 센서에 채용될 수 있는 렌즈 구조에 대한 예시도들이다.
도 5는 도 1에 도시된 라이다 센서를 구성하는 전자집적회로의 구성도이다.
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 라이다 센서의 구성을 설명하기 위한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 라이다 센서의 구성을 설명하기 위한 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 라이다 센서의 구성을 설명하기 위한 단면도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함'한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략한다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 라이다 센서의 구성을 설명하기 위한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 제 1 실시예에 따른 라이다 센서(100)는 레이저(111)와 스캐너(112) 및 디텍터(113)를 포함하는 광집적회로(110), 레이저(111)와 스캐너(112) 및 디텍터(113)의 제어기와 함께 신호 분석기를 포함하는 전자집적회로(120), 및 전자집적회로(120)로부터 레이저(111), 스캐너(112) 및 디텍터(113)까지 각각 전기적으로 연결된 커넥팅 라인(130)을 포함한다.
광집적회로(110)는 기판(1)의 상면과 하면 중 어느 일 면에 레이저(111)와 스캐너(112)가 적층될 수 있고, 상기 일 면의 레이저(111) 및 스캐너(112)의 주변에 디텍터(113)가 위치될 수 있다. 예를 들어, 기판(1)은 실리콘 기판 등의 반도체 기판일 수 있고, PCB 기판일 수도 있다.
기판(1)의 상면에 레이저(111)와 디텍터(113)가 이격 상태로 위치될 수 있고, 레이저(111)의 상부에 스캐너(112)가 위치될 수 있으며, 스캐너(112)는 레이저(111)로부터 입사되는 빛의 위상을 변화시켜 레이저(111)가 위치된 방향의 반대방향으로 레이저 광(101)을 출력할 수 있고, 디텍터(113)는 레이저(111)가 위치된 방향의 반대방향으로부터 입사되는 빛(102)을 검출할 수 있다.
전자집적회로(120)는 기판(1)의 하면에 위치될 수 있고, 커넥팅 라인(130)은 전자집적회로(120)와 레이저(111) 사이, 전자집적회로(120)와 스캐너(112) 사이 및 전자집적회로(120)와 디텍터(113) 사이에 기판(1)을 관통하여 각각 형성된 홀에 마련될 수 있다.
레이저(111)와 스캐너(112)가 적층된 구조이기 때문에, 예를 들어, 레이저(111)는 넓은 면적을 갖는 고출력 단일모드 표면발광 레이저(surface emitting laser)를 채용할 수 있다. 또는, 인플레인(in-plane) 레이저와 이 인플레인 레이저에 의한 빛의 방향을 인플레인에서 수직방향으로 전환시키는 구성을 결합해 표면발광 레이저를 대체할 수도 있다.
도 2는 도 1에 도시된 레이저(111)와 스캐너(112)의 광학적 특성을 설명하기 위한 개념도이다.
레이저(111)는 하부 전하 주입층(111a), 게인(gain) 물질층(111b) 및 상부 전하 주입층(111c)을 포함할 수 있다.
하부 전하 주입층(111a)과 상부 전하 주입층(111c)은 P형 도핑(p-type doping) 또는 N형 도핑(n-type doping)이 될 수 있다. 모두 동일하게 P형 도핑이 되거나 N형 도핑이 될 수 있고, 어느 하나는 P형 도핑 다른 하나는 N형 도핑이 될 수 있다. 예를 들어, 하부 전하 주입층(111a)과 상부 전하 주입층(111c)이 모두 N형 도핑이 된 경우는 하부 전하 주입층(111a)과 상부 전하 주입층(111c) 중 어느 하나는 터널 정션(tunnel junction) 구조일 수 있다. 예컨대, 하부 전하 주입층(111a)과 상부 전하 주입층(111c)에는 외부에서 전류를 공급할 수 있는 전극이 형성될 수 있다.
게인 물질층(111b)은 Ⅲ-V 반도체 혹은 게르마늄(Ge), 게르마늄-주석(GeSn) 혹은 폴리머 혹은 콜로이드 퀀텀 닷(colloidal quantum dot)일 수도 있다.
레이저(111)는 웨이퍼 본딩 또는 플립칩(flip-chip) 본딩을 통해 기판(1)에 결합될 수 있고, 접착제가 사용되어 레이저(111)가 기판(1)에 결합될 수도 있다. 또는 에피택시 성장(epitaxy growth)을 통해 기판 위에 성장될 수도 있다.
레이저(111)의 출력광(104)은 출력 위치에 상관없이 동일한 위상을 가질 수 있다. 그 결과, 레이저(111)의 출력면과 평행한 위상면(phase front)(103)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 레이저(111)는 필요에 따라 멀티모드(multi-mode)로 동작할 수도 있으며, 단일모드로 동작하는 복수의 표면발광 레이저의 어레이로 구성될 수도 있다. 예컨대, 레이저는 BIC laser(bound-state-in-the continuum laser), PCSEL(photonic crystal surface emitting laser), VCSEL(vertical-cavity surface-emitting laser) 어레이 중 어느 하나일 수 있다.
레이저(111)와 스캐너(112)의 사이에는 공기, 유전체(dielectric), 폴리머(polymer) 등이 존재할 수 있다.
스캐너(112)는 레이저(111)의 형성 후에 웨어퍼 본딩, 폴리머 본딩(polymer bonding), 플립칩 본딩 등을 통해 집적될 수도 있다. 또는, 에피택시 성장을 통해 한 기판 위에 성장된 후 공정을 통해 구분되었을 수도 있다.
스캐너(112)는 여러 개의 픽셀(112a)로 구분될 수 있다. 각 픽셀(112a)별로 외부에서 인가된 전류 혹은 전압에 따라, 수직으로 입사된 빛의 위상을 변화시켜 수직방향으로 출력할 수 있다. 각 픽셀(112a)별로 인가된 전류 혹은 전압을 달리하여 수평방향의 특정 위치에 따라 위상을 달리 변화시킬 수 있으며, 이를 통해 출력빔(106)의 위상면(105)의 형태를 제어할 수 있고, 이를 통해 출력빔의 진행방향을 제어할 수 있다. 이러한 스캐너(112)는 공진효과를 사용하여 위상변화를 극대화 시킬 수 있다. 예컨대, 금속(metal), 광결정체(photonic crystal) 구조, 패브릿-패럿(Fabry-Perot) 공진구조, 연속준위속박상태(bound-state in the continuum) 현상 등을 통해 수직방향의 공진 현상을 일으킬 수 있다. 또한, 튜너블(tunable)한 위상변화를 발생시키기 위해, thermo-optic, electro-optic, plasma dispersion, piezoelectric 등의 현상을 이용하여 열을 가하거나, 전압이나 전류를 가하여 굴절률 변화를 일으키는 현상을 사용하거나, 액정(liquid crystal)물질을 사용하거나, 물질의 상변화 현상을 사용할 수 있다.
한편, 디텍터(113)는 흡수물질층을 포함할 수 있다. 흡수물질층은 Ⅲ-V 반도체 혹은 게르마늄, 게르마늄-주석 혹은 폴리머 혹은 콜로이드 퀀텀 닷일 수도 있다. 예를 들어, 디텍터(113)는 기판(1)에 웨어퍼 본딩, 플립칩 본딩 등을 통해 결합될 수 있다. 또는 디텍터(113)는 접착제가 사용되어 기판(1)에 결합되거나 에피택시 성장이 이용될 수 있다. 예컨대, 디텍터(113)는 기능상 PD(photo-detector)일 수 있고, 증폭기능이 있는 APD(avalanche photodetector) 혹은 SPAD(single photon avalanche photodetector)일 수도 있다. 또한, 디텍터(113)는 특정 파장의 입사광의 흡수효율을 증가시키기 위한 공진구조를 가질 수 있다.
도 3 및 도 4는 도 1에 도시된 라이다 센서에 채용될 수 있는 렌즈 구조에 대한 예시도들이다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 레이저(111), 스캐너(112) 및 디텍터(113)는 한 개의 렌즈(107)를 공용으로 사용할 수 있다. 또는, 도시하지는 않았지만 레이저(111)와 스캐너(112)가 하나의 렌즈를 더 사용할 수 있다.
또는, 도 4에 나타낸 바와 같이, 레이저(111)와 스캐너(112)가 하나의 렌즈(108)를 사용하고, 디텍터(113)가 다른 하나의 렌즈(109)를 사용할 수 있다. 여기서, 레이저(111)와 스캐너(112)가 사용하는 렌즈(108)는 출력빔(110)의 조향각도를 더 크게 만들도록 설계될 수 있다.
도 5는 도 1에 도시된 라이다 센서(100)를 구성하는 전자집적회로(120)의 구성도이다.
도 5를 참조하면, 전자집적회로(120)는 패턴 발생기(121), 레이저 제어기(122), 스캐너 제어기(123), 디텍터 제어기(124) 및 신호 분석기(125)를 포함한다.
패턴 발생기(121)에서 변조 전기신호가 발생되어 레이저 제어기(122)에 전달된다. 레이저 제어기(122)에서는 변조 전기신호에 따라 변조된 전압 혹은 전류를 레이저(111)에 공급한다. 레이저(111)에서는 세기(intensity)가 변조된 광출력을 스캐너(112)에 공급한다. 스캐너(112)는 출력방향이 제어된 광학빔(optical beam)을 출력한다. 그 후 외부 대상체에서 반사된 광신호가 디텍터(113)에 입사된다. 디텍터(113)는 디텍터 제어기(124)로부터 구동전압을 공급받는다. 디텍터(113)에 입사된 광신호는 전기신호로 변환되어 디텍터 제어기(124)에 전달된다. 디텍터 제어기(124)에 의해 처리/증폭된 전기신호는 신호 분석기(125)에 전달된다.
상기 문단에서는 패턴 발생기(121)에서 생성된 변조 전기신호가 레이저 제어기(122)에 전달되어 레이저에 의해 세기가 변조되는 것을 설명하였다. 한편, 패턴 발생기(121)에서 생성된 변조신호가 스캐너 제어기(123)에 전달되어 레이저에서 스캐너에 공급된 광출력의 전체적인 위상을 변조할 수도 있다. 이 위상 변조는 출력빔의 방향을 제어하기 위한 위상 제어에 추가되는 것이다.
디텍터(113)에 도달한 빛은 레이저(111)에서 출력된 빛에 잡음 신호가 섞여 있는데, 신호 분석기(125)는 디텍터(113)에서 제공받은 전기신호를 패턴 발생기(121)에서 제공받은 기준(reference) 파형과 비교하여 잡음 신호를 제거함으로써, 신호 대 잡음비(SNR)를 현저히 향상시킨다.
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 라이다 센서의 구성을 설명하기 위한 단면도이다.
제 2 실시예에 따른 라이다 센서(200)는 레이저(211)와 스캐너(212) 및 디텍터(213)를 포함하는 광집적회로(210), 레이저(211)와 스캐너(212) 및 디텍터(213)의 제어기와 함께 신호 분석기를 포함하는 전자집적회로(220), 및 전자집적회로(220)로부터 레이저(211), 스캐너(212) 및 디텍터(213)까지 각각 전기적으로 연결된 커넥팅 라인(230)을 포함한다.
이러한 제 2 실시예에 따른 라이다 센서(200)를 도 1에 도시된 제 1 실시예에 따른 라이다 센서(100)와 비교하여 보면, 전자집적회로(220)의 위치와 커넥팅 라인(230)의 형태가 변화된 것을 알 수 있다.
제 2 실시예에 따른 라이다 센서(200)의 전자집적회로(220)는 기판(1)의 상면에 위치될 수 있고, 커넥팅 라인(230)은 전자집적회로(220)와 레이저(111) 사이, 전자집적회로(220)와 스캐너(112) 사이 및 전자집적회로(220)와 디텍터(113) 사이에 각각 연결된 금속 라인(metal line) 형태로 마련될 수 있다.
제 2 실시예에 따른 라이다 센서(200)에서, 스캐너(212)는 레이저(211)로부터 입사되는 빛의 위상을 변화시켜 레이저(211)가 위치된 방향의 반대방향으로 레이저 광(201)을 출력할 수 있고, 디텍터(213)는 레이저(211)가 위치된 방향의 반대방향으로부터 입사되는 빛(202)을 검출할 수 있다.
도 7은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 라이다 센서의 구성을 설명하기 위한 단면도이다.
제 3 실시예에 따른 라이다 센서(300)는 레이저(311)와 스캐너(312) 및 디텍터(313)를 포함하는 광집적회로(310), 레이저(311)와 스캐너(312) 및 디텍터(313)의 제어기와 함께 신호 분석기를 포함하는 전자집적회로(320), 및 전자집적회로(320)로부터 레이저(311), 스캐너(312) 및 디텍터(313)까지 각각 전기적으로 연결된 커넥팅 라인(330)을 포함한다.
이러한 제 3 실시예에 따른 라이다 센서(300)를 도 1에 도시된 제 1 실시예에 따른 라이다 센서(100)와 비교하여 보면, 전자집적회로(320)의 위치와 커넥팅 라인(330)의 형태가 변화된 것을 알 수 있다.
제 3 실시예에 따른 라이다 센서(300)의 전자집적회로(320)는 공용 기판(10)의 상면에 위치될 수 있고, 레이저(311)와 스캐너(312) 및 디텍터(313)를 포함하는 광집적회로(310)가 형성된 기판(1)이 공용 기판(10)의 상면에 전자집적회로(320)와 함께 위치할 수 있다. 커넥팅 라인(330)은 전자집적회로(320)와 레이저(311) 사이, 전자집적회로(320)와 스캐너(312) 사이 및 전자집적회로(320)와 디텍터(313) 사이에 각각 연결된 와이어(wire) 형태로 마련될 수 있다.
제 3 실시예에 따른 라이다 센서(300)에서, 스캐너(312)는 레이저(311)로부터 입사되는 빛의 위상을 변화시켜 레이저(311)가 위치된 방향의 반대방향으로 레이저 광(301)을 출력할 수 있고, 디텍터(313)는 레이저(311)가 위치된 방향의 반대방향으로부터 입사되는 빛(302)을 검출할 수 있다.
도 8은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 라이다 센서(400)의 구성을 설명하기 위한 단면도이다.
도 8을 참조하면, 제 4 실시예에 따른 라이다 센서(400)는 레이저(411)와 스캐너(412) 및 디텍터(413)를 포함하는 광집적회로(410), 레이저(411)와 스캐너(412) 및 디텍터(413)의 제어기와 함께 신호 분석기를 포함하는 전자집적회로(420), 및 전자집적회로(420)로부터 레이저(411), 스캐너(412) 및 디텍터(413)까지 각각 전기적으로 연결된 커넥팅 라인(430)을 포함한다.
광집적회로(410)는 기판(1)의 상면과 하면 중 어느 일 면에 레이저(411)와 스캐너(412)가 적층될 수 있고, 상기 일 면의 레이저(411) 및 스캐너(412)의 주변에 디텍터(413)가 위치될 수 있다.
기판(1)의 하면에 스캐너(412)와 디텍터(413)가 이격 상태로 위치될 수 있고, 스캐너(412)의 하부에 레이저(411)가 위치될 수 있으며, 스캐너(412)는 레이저(411)로부터 입사되는 빛의 위상을 변화시켜 레이저(411)가 위치된 방향의 반대방향으로 레이저 광(401)을 출력할 수 있고, 디텍터(413)는 레이저(411)가 위치된 방향의 반대방향으로부터 입사되는 빛(402)을 검출할 수 있다.
라이다 센서(400)는 기판(1)의 상면에 위치하여 빛의 반사를 억제하는 반사억제층(440)을 더 포함할 수 있다.
또한, 라이다 센서(400)는 기판(1)의 상면의 표면 아래 중 스캐너(412)와 동일 위치 및 디텍터(413)와 동일 위치에 각각 마련된 렌즈(451, 452)를 더 포함할 수 있다.
여기서, 라이다 센서(400)는 도 8에 예시한 바와 같이 반사억제층(440)과 렌즈(451, 452)를 모두 포함할 수도 있고, 반사억제층(440)과 렌즈(451, 452) 중 어느 하나만 포함할 수도 있다.
전자집적회로(420)는 레이저(411) 및 디텍터(413)의 하부에 위치될 수 있고, 커넥팅 라인(430)은 전자집적회로(420)와 레이저(411) 사이, 전자집적회로(420)와 스캐너(412) 사이 및 전자집적회로(420)와 디텍터(413) 사이에 각각 위치된 범프(bump) 형태로 마련될 수 있다.
지금까지 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, 레이저와 스캐너가 적층된 구조를 포함하고 디텍터까지 단일의 광집적회로로 구현한 라이다 센서를 제공한다. 이처럼, 레이저와 스캐너가 적층된 구조의 라이다 센서는 넓은 면적을 갖는 고출력 단일모드 표면발광 레이저를 채용할 수 있다.
또한, 외부 레이저가 채용된 라이다 센서와 비교할 때에, 외부 레이저와 광집적회로 사이의 커플러, 많은 수의 빔 스플리터, SOA, 격자 결합기 등이 필요하지 않기 때문에, 광집적회로에 소요되는 전력소모와 면적을 현저하게 줄일 수 있다.
또한, 레이저가 고속 직접 세기 변조(direct intensity modulation)를 하여, 이를 통해 특정 강도 패턴을 출력시키고, 디텍터에서 검출된 신호를 이 패턴과 비교 분석함을 통해 잡음 대비 신호비를 현저히 향상시킬 수 있다. 혹은 스캐너가 고속 위상 변조(phase modulation)를 하여 특정 위상 패턴을 출력시키고, 디텍터에서 검출된 신호를 이 패턴과 비교 분석함을 통해 잡음 대비 신호비를 현저히 향상시킬 수 있다.
또한, 라이다 센서의 크기를 현저히 줄일 수 있고, 대량 생산이 용이한 반도체 공정을 통해 제조 가격을 현저히 낮출 수 있으며, 전력 소모가 현저히 줄어드는 효과가 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 품질에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100, 200, 300, 400: 라이다 센서
110, 210, 310, 410: 광집적회로
111, 211, 311, 411: 레이저
112, 212, 312, 412: 스캐너
113, 213, 313, 413: 디텍터
120, 220, 320, 420: 전자집적회로
130, 230, 330, 430: 커넥팅 라인
110, 210, 310, 410: 광집적회로
111, 211, 311, 411: 레이저
112, 212, 312, 412: 스캐너
113, 213, 313, 413: 디텍터
120, 220, 320, 420: 전자집적회로
130, 230, 330, 430: 커넥팅 라인
Claims (9)
- 기판의 상면과 하면 중 어느 일 면에 레이저와 스캐너가 적층되고, 상기 일 면의 상기 레이저 및 상기 스캐너의 주변에 디텍터가 위치된 광집적회로(photonic IC);
상기 레이저와 상기 스캐너 및 상기 디텍터의 제어기와 함께 신호 분석기를 포함하는 전자집적회로(electronic IC); 및
상기 전자집적회로로부터 상기 레이저, 상기 스캐너 및 상기 디텍터까지 각각 전기적으로 연결된 커넥팅 라인;
을 포함하는 라이다 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 상면에 상기 레이저와 상기 디텍터가 이격 상태로 위치되고, 상기 레이저의 상부에 상기 스캐너가 위치되며,
상기 스캐너는 상기 레이저로부터 입사되는 빛의 위상을 변화시켜 상기 레이저가 위치된 방향의 반대방향으로 출력하고,
상기 디텍터는 상기 반대방향으로부터 입사되는 빛을 검출하는
라이다 센서. - 제 2 항에 있어서,
상기 전자집적회로는 상기 하면에 위치되고,
상기 커넥팅 라인은 상기 전자집적회로와 상기 레이저 사이, 상기 전자집적회로와 상기 스캐너 사이 및 상기 전자집적회로와 상기 디텍터 사이에 상기 기판을 관통하여 각각 형성된 홀에 마련된
라이다 센서. - 제 2 항에 있어서,
상기 전자집적회로는 상기 상면에 위치되고,
상기 커넥팅 라인은 상기 전자집적회로와 상기 레이저 사이, 상기 전자집적회로와 상기 스캐너 사이 및 상기 전자집적회로와 상기 디텍터 사이에 각각 연결된 금속 라인(metal line) 형태로 마련된
라이다 센서. - 제 2 항에 있어서,
상기 전자집적회로는 상기 상면에 위치되고,
상기 커넥팅 라인은 상기 전자집적회로와 상기 레이저 사이, 상기 전자집적회로와 상기 스캐너 사이 및 상기 전자집적회로와 상기 디텍터 사이에 각각 연결된 와이어(wire) 형태로 마련된
라이다 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 하면에 상기 스캐너와 상기 디텍터가 이격 상태로 위치되고, 상기 스캐너의 하부에 상기 레이저가 위치되며,
상기 스캐너는 상기 레이저로부터 입사되는 빛의 위상을 변화시켜 상기 레이저가 위치된 방향의 반대방향으로 출력하고,
상기 디텍터는 상기 반대방향으로부터 입사되는 빛을 검출하는
라이다 센서. - 제 6 항에 있어서,
상기 상면에 위치하여 빛의 반사를 억제하는 반사억제층을 더 포함하는
라이다 센서. - 제 6 항에 있어서,
상기 상면의 표면 아래 중 상기 스캐너와 동일 위치 및 상기 디텍터와 동일 위치에 각각 마련된 렌즈를 더 포함하는
라이다 센서. - 제 6 항에 있어서,
상기 전자집적회로는 상기 레이저 및 상기 디텍터의 하부에 위치되고,
상기 커넥팅 라인은 상기 전자집적회로와 상기 레이저 사이, 상기 전자집적회로와 상기 스캐너 사이 및 상기 전자집적회로와 상기 디텍터 사이에 각각 위치된 범프(bump) 형태로 마련된
라이다 센서.
Applications Claiming Priority (2)
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|---|---|---|---|
| KR1020210055835 | 2021-04-29 | ||
| KR20210055835 | 2021-04-29 |
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Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| KR20220048196A (ko) | 2020-10-12 | 2022-04-19 | 주식회사 케이티 | 라이다 장치 |
-
2022
- 2022-04-29 KR KR1020220053847A patent/KR20220148760A/ko not_active Application Discontinuation
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20220048196A (ko) | 2020-10-12 | 2022-04-19 | 주식회사 케이티 | 라이다 장치 |
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