KR20230022147A

KR20230022147A - 광학 장치

Info

Publication number: KR20230022147A
Application number: KR1020227027776A
Authority: KR
Inventors: 이병구; 김상천; 박효훈; 윤현호; 심준섭; 김영인
Original assignee: 엘지전자 주식회사; 한국과학기술원
Priority date: 2020-01-31
Filing date: 2020-01-31
Publication date: 2023-02-14
Also published as: EP4099081A4; WO2021153828A1; US20230350216A1; EP4099081A1

Abstract

본 발명의 광학 장치는 광신호를 복수의 채널로 분기하는 광분배기, 상기 광분배기로부터 전달된 상기 광신호의 위상을 조절하는 광위상 제어기 및 상기 광위상 제어기로부터 전달된 상기 광신호를 방사하는 단면발광 광방사기를 포함하는 단면발광 광위상 배열기 및 상기 방사된 광신호의 경로상에 위치하여 수직 발산각을 조절하는 원통형 렌즈를 포함한다.

Description

광학 장치

본 발명은 단면발광 광위상배열기(End-fire optical phased array)에서 방사되는 빔의 조향을 제어할 수 있는 광학 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 방사되는 빔의 수직발산각(Horizontal divergence angle)을 줄일 수 있는 광학장치에 관한 것이다.

원거리에 있는 물체의 위치나 형상을 감지하기 위하여, 전자기파를 이용하는 레이다(Radio Detection And Ranging; RADAR) 기술은 오랜 시간동안 다양한 분야에서 사용되어 왔다. 최근에는 이러한 감지기술을 발전시켜, 더욱 정밀하고, 빠르며, 소형화된 라이다(Light Detection and Ranging; LiDAR) 기술이 발전하고 있다. 광을 이용하는, 라이다기술은 자율주행자동차, 무선 광통신, 그리고 3-D 감지분야 등 차세대 주요 산업의 핵심 기술로 간주되고 있다.

라이다는 레이져에 의해 생성된 빔을 조향장치를 이용하여, 원하는 방향으로 방사하고, 방사된 빔이 물체에 의하여 반사되면, 반사광을 감지하여, 물체와의 거리를 측정한다. 일반적인 LiDAR는 빔을 조향하기 위한 장치로 미러가 탑재된 기계식 회전장치를 사용하였다. 그러나 이러한 기계식 LiDAR는 회전을 위한 기계장치나 반사를 위한 미러 때문에 소형화가 어렵고, 기계적 운동에 의한 마모나 떨림에 의한 성능저하에 취약하며, 소비전력이 크다는 문제점을 갖고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여, 기계적 조향장치를 이용하지 않고, 다수의 광방사배열기(Radiator array)에서 방사되는 광파의 간섭특성을 이용하여 빔조향을 하는 단면발광 광위상배열기가 연구 개발되었다.

상기 단면발광 광위상배열기(End-fire optical phased array)에서 빔의 수평방사각은 각 광방사기에서 방사된 광파의 위상차에 의하여 결정되는데, 이 때 방사되는 각 광파의 위상을 구비된 광위상제어기(Optical phased array)로 조정함으로써 빔을 수평방향으로 조향 할 수 있다.

이 때 조향 가능한 최대범위인 수평시야각의 크기가 단면발광 광방사기의 배열 각격에 반비례하는 특성에 따라, 배열 간격이 파장보다 작을수록 커져서, 파장의 반이 되는 경우에 최대 수평시야각을 얻을 수 있다.

그러나, 상기 광방사기의 배열 간격이 반파장으로 작아지는 경우에 광도파로간에 도파되는 광의 파워가 전달되는 간섭이 발생하게 되고, 이러한 간섭현상은 조향된 방사빔의 성능을 저하시키는 원인이 된다.

따라서, 효율적으로 조향각을 넓히기 위해서는, 광방사기의 배열이 반파장인 구조에서도 광간섭 현상을 억제할 수 있는 방법이 필요하다.

또 한, 상기 단면발광 광위상배열기의 광방사기는 단면발광으로 집적광학칩 (Integrated optical chip)에 형성된 단일모드 광도파로의 단면을 방사기(Radiator)로 하여, N 개를 배열로 사용하므로, 방사기의 두께는 파장보다 작고, 광방사기들의 배열 폭은 파장보다 클 수 있다.

그 결과, 상기 단면발광 광위상배열기의 단면발광 광방사기 배열은 좁은 두께의 광방사기로 인하여, 넓은 수직방사각 (Vertical radiation angle)을 가질 수 있다.

이러한, 넓은 수직방사각은 수직방향으로의 분해능을 저해하고, 빔의 확산이 커서 감지거리가 짧아지는 원인이 된다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제를 설명하면 다음과 같다.

첫째, 본 발명은 단면발광 광위상배열기에서 발산되는 빔의 수직발산각을 감소시킬 수 있는 광학 장치를 제공하는데 있다.

둘째, 본 발명은 단면발광 광위상배열기에서 발산되는 빔의 수평시야각을 넓게 구현하면서 파워간섭을 억제할 수 있는 광학 장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 실시예에 따른 광학 장치는 광신호를 복수의 채널로 분기하는 광분배기, 상기 광분배기로부터 전달된 상기 광신호의 위상을 조절하는 광위상 제어기 및 상기 광위상 제어기로부터 전달된 상기 광신호를 방사하는 단면발광 광방사기를 포함하는 단면발광 광위상 배열기 및 상기 방사된 광신호의 경로상에 위치하여 수직 발산각을 조절하는 원통형 렌즈를 포함한다.

상기 원통형 렌즈는 평면볼록렌즈일 수 있다.

상기 원통형 렌즈의 볼록면이 입사면이되고, 평면이 방사면이 될 수 있다.

상기 원통형 렌즈의 평면이 입사면이되고, 볼록면이 방사면이 될 수 있다.

상기 원통형 렌즈의 입사면 및 방사면이 볼록면일 수 있다.

상기 원통형 렌즈의 방사면은 볼록면이고 입사면은 방사면보다 작은 곡률의 오목면일 수 있다.

상기 원통형 렌즈는 수평 방향으로 부채꼴의 호 형상이고, 상기 원통형 렌즈의 입사면이 평면이며, 방사면이 볼록면일 수 있다.

상기 단면발광 광방사기로부터 상기 입사면까지의 거리가 균일할 수 있다.

상기 원통형 렌즈는 수평 방향으로 부채꼴의 호 형상이고, 상기 원통형 렌즈의 방사면이 평면이며, 입사면이 볼록면일 수 있다.

상기 원통형 렌즈와 상기 단면발광 광방사기까지의 거리가 상기 원통형 렌즈의 초점 거리보다 클 수 있다.

상기 단면발광 광방사기는 방사 방향으로 연장된 복수의 광도파로를 포함하며, 상기 복수의 광도파로의 폭이 서로 다를 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 광학 장치는 단면발광 광방사기의 방사단면을 동작 파장의 반 크기로 줄임으로써, 넓은 수평시야각을 갖는 동시에 단면발광 광위상배열기로부터 방사된 빔의 경로의 적절한 위치에 광학 렌즈를 배치함으로써 조향되어 방사된 빔의 수직발산각을 줄일 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 단면발광 광방사배열기이에 포함되어 방사단면을 만들기 위한 광도파로 배열에 포함된 광도파로의 폭을 다르게 함으로써 광도파로 배열간에 상호간섭을 충분히 억제한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 포함된 16개의 광도파로 채널을 인접한 4개의 채널로 묶어서 서로 다른 폭을 할당하고 이를 반복하는 형태로 구성함으로써, 충분한 간섭억제를 효과를 얻으면서도, 설계 및 제작 효율을 높일 수 있는 수단을 제공하였다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 단면발광 광위상배열기로부터 수평방향으로 조향되어 방사됨 빔을 수평방향의 조향방향은 유지하면서, 수직 발산각을 조정할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 수직발산각을 줄임으로써 방사빔을 이용하여 물체를 감지하는 응용분야에 있어서, 수직 분해능을 향상시킬 수 있고, 또한, 빔의 확산을 줄임으로써 감지거리를 늘릴 수 있는 장점을 갖는다.

도 1은 발명의 실시예에 따른 광학 장치의 구성 관계를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 광학 장치의 사시도이다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 장치에서 칩상에 구현될 수 있는 단면발광 광방사기의 배열 구조를 나타낸 단면도이다.
도 4는 배열 간격이 반파장 길이와 같을 때 광도파로간의 너비의 차이에 따른 간섭량을 도시한 것이다.
도 5은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 장치에서, 단면발광 광방사기와 렌즈의 배치에 대한 개념도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 장치에서 단면발광 광방사기와 원통형 렌즈의 배치에 따른 빔의 방사각을 나타낸 개념도이다.
도 7는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 장치에서 단면발광 광방사기와 렌즈의 위치에 따른 방사각 변화를 나타낸 것이다.
도 8는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학 장치 사시도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학 장치 사시도이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학 장치 사시도이다.
도 11는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학 장치의 평면도 및 단면도이다.

이 하, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 또한, 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.

또한, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 시청자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광학 장치(100)의 구성을 도시한 것으로, 넓은 수평시야각을 갖는 단면발광 광위상배열기(101)와 그 수직발산각을 조정할 수 있는 광학렌즈(160)의 구성 관계를 도시한 것이다.

먼저 도 1을 참고하여 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 장치(100)의 구성에 대해 개괄한다.

광학 장치(100)는 광원(110), 광위상 배열기(101) 및 렌즈(160)을 포함할 수 있다.

구체적으로, 광원(110)은 레이저 또는 LED 등을 포함할 수 있고, 저 굴절률 상하부 클래드층 및 고 굴절율 도파로층을 포함하는 집적광학칩상에 구현될 수 있다.

광원(110)은 광파이버로 광신호를 보내는 독립된 광모듈로 구성될 수 있으며, 이 때는 상기 광결합기(120)를 통하여, 칩상의 광도파로에 광신호를 연결할 수 있다.

다만, 광원(110)의 종류, 구성 및 구조는 상기 기재 및 도면에 게시된 사항에 한정되는 것은 아니며, 통상의 기술자가 용이하게 설계 변경할 수 있는 범위까지 포함할 수 있다.

광결합기(120)는 광원(110)으로부터 파이버를 통해 전달되는 단일 모드 광신호를 칩상에 구현된 광도파로에 연결할 수 있다.

광 결합기(120)는 일 실시예에 따라 일정한 간격으로 굴절률을 다르게 하여 광의 회절을 이용하여 광신호를 연결하는 광격자커플러(Grating coupler)로 구현 될 수 있다. 또 다른 실시예로 단일모드 광파이버를 칩상에 구현된 도파로 단면과 연결하는 단면 커플러(Edge coupler)로 구현될 수 있다.

또한, 광 결합기(120)는 생략될 수 있으며, 이 경우, 광원(110)은 광 결합기(120) 없이 송출된 광신호를 광도파로를 통해 상기 1xN 광분배기(130)로 연결할 수 있다.

1xN 광분배기(130)는 광결합기(120)로부터 전달된 광신호를 N개의 채널 규모로 분기하여, 1xN 광위상 제어기(140)로 광신호를 전달할 수 있다.

1xN 광위상 제어기(140)는 N개 채널로 분기되어 전달된 광신호를 채널별로 위상을 조정할 수 있으며, 그 기능을 이용하여, 각 채널별로 순차적인 위상차를 인가 할 수 있다.

1xN 광방사기(150)는 위상 제어기(140)를 통해 각 채널로 전달된 광신호를 자유공간으로 방사하여 N 개의 채널에 의한 간섭효과로 자유공간에 빔을 형성할 수 있다.

렌즈(160)는 단면발광 광방사기(150)에서 방사된 빔의 수평 조향각을 유지하면서, 수직발산각을 조정할 수 있다.

다만, 광학 장치(100)에 포함된 구성들의 배치구조 및 포함관계는 상기 기재 및 도면에 한정되는 것은 아니며, 구성에 병합되거나 분리될 수 있다.

예를 들어, 광원(110) 및 렌즈(160) 중 적어도 하나가 광위상 배열기(101)에 포함될 수도 있고, 또는 광학 장치(100)가 광원(110)을 제외하고, 광위상 배열기(101) 및 렌즈(106)만을 포함할 수도 있다.

이어서, 도 2 내지 도 4를 참고하여, 광학 장치(100)에 포함된 구성의 동작 내용과 원리를 구체적으로 설명한다.

도 2는 본 발명 일 실시예에 따른 광학 장치(200)의 사시도로서, 편의상 채널수(N)를 5로 도시하였다.

본 발명의 실시예에 따른 광학 장치(200)는 광위상 배열기(201) 및 렌즈(250)을 포함하며, 광위상 배열기(201)은 실리콘집적광학칩에 구현되는 광결합기(210), 1x5 광분배기(220), 1x5 광위상 제어기(230) 및 1x5 광방사기(240)를 포함할 수 있고, 렌즈(250)는 원통형(cylindrical)일 수 있다.

구체적으로, 광결합기(210)는 외부에서 생성된 레이져빔을 실리콘집적광학칩의 실리콘광도파로에 결합하기 위하여, 실리콘광도파로에 파장과 입사각에 따른 브래그조건에 맞는 일정한 주기와 깊이를 갖도록 형성된 격자을 만들고, 설계된 입사각으로 빔을 격자에 의한 회절을 이용하여, 실리콘광도파로에 결합할 수 있다.

1x5 광분배기(220)는 광결합기(210)에 의하여 결합된 도파로상의 단일모드 광신호를 다중모드간섭(Multimode interference)을 이용하여, 보강간섭조건의 N 채널 규모로 분기시키고, 1x5 광위상 제어기(150)로 전달할 수 있다.

1x5 광위상 제어기(230)는 1x5 광분배기(220)로부터 전달되는 광신호의 위상을 채널별로 조정하여, 채널간 위상차를 조정하는 수단을 제공한다.

일 실시예로 실리콘집적광학칩상에서 립형 광도파로를 형성시키고, 슬랩영역에 p 또는 n 타입 도핑을 이용하고, 이에 전기를 인가하여, 전기광학(Electro-optic)효과나 또는 열광학(Thermo-optic)효과를 이용하여, 광도파로의 유효굴절율(Effective refractive index)을 조정하여 도파하는 광신호의 위상을 가변 할 수 있다.

1x5 단면발광 광발산기(End-fire optical radiator, 240)는 간격이 파장의 반으로 설정된 N개의 사각형단면을 갖는 실리콘광도파 단면을 자유공간에 노출시켜 만들어진다.

예를 들면, 1550 nm의 파장을 사용하는 경우, 배열된 광발산기(240)들이 775nm의 간격을 가질 수 있다. 이 때, 광도파로에 전달되는 파워가 인접 광도파로로 전파되는 간섭현상을 억제하기 위하여, 인접 도파로의 폭을 다르게 설계할 수 있다.

다시 도 3을 참고하면, 광도파로(240a)는 광이 도파하는 고굴절율의 실리콘(Si)과 저굴절율의 실리카클래딩으로 구성될 수 있다.

N 개의 광도파로(240a)는 도 3과 같이 w1, w2, w3, w4 가 반복되는 구조로, 두께는 220 nm, 광도파로(240a)의 간격은 775 nm이고, N을 16개로 하고, 폭이 350, 420, 385, 455nm인 경우, 전체 폭이 12μm 가 된다.

인접한 광도파로(240a)에 있어서, 그 폭을 다르게 함으로써, 광도파로(240a)간의 파워간섭을 억제할 수 있다.

또 한, 제안된 구조에서 광도파로(240a)간의 간격이 775nm이고, 사용파장이 1550 nm 이므로, 이론적으로 시야각은 180º이다.

다만, 도 3에 나타난 구체적 수치로서 광도파로(240a)의 사이 간격, 두께 및 전체 폭 등은 본 발명 일 실시예에 따른 일 예를 나타낸 것으로 달라질 수 있다.

즉, 본 발명 일 실시예에 따른 광학 장치(100)는 광방사기(240)의 광도파로(240a)의 폭을 달리 제어하여 넓은 수평시야각을 구현하는 동시에 발생할 수 있는 파워간섭을 억제할 수 있다.

또한, 도 4는 배열 간격이 반파장 길이와 같을 때 도파로간의 너비의 차이에 따른 간섭량을 나타낸 것으로, 예를 들어, 1550 nm의 파장의 광을 775 nm 간격의 광도파로(240a)에 도파시킬 때, 광도파로(240a)간에 전달되는 광파워의 비를 도시한 것이다.

가로축은 원신호가 인가되는 원광도파로(240a)의 폭을 나타내며, 세로축은 인접한 광도파로(240a)의 폭을 나타낸다.

지도에 표시된 값은 간섭현상에 의하여 인접한 광도파로(240a)에 전달된 파워를 원신호의 파워와의 비로 나타낸 것이다.

원광도파로(240a)의 폭과 인접한 광도파로(240a)의 폭이 일치할 때 -5dB 수준으로 전달되고, 차이가 커짐에 따라 작아지는 것을 확인할 수 있다. 상기 일시예에서 선택된 광도파로폭(240a)은 이러한 조건을 고려하여, 선택된 것으로 다른 조합의 선택도 가능 할 수 있다.

이어서, 도 2 및 도 5 내지 도 8을 참고하여, 렌즈(250)의 구성과 효과에 대해 자세하게 설명한다.

렌즈(250)는 광학 렌즈로서 자유공간에 형성된 빔의 진행방향에 위치하여, 빔의 수직 발산각을 조정하는 기능을 수행할 수 있다.

구체적으로, 렌즈(250)는 원통형 렌즈(Cylindrical lens)일 수 있고 1xN 단면발광 광발산기(240)로 방사되어 공간에 형성된 원기리장(Farfileld pattern, 260)을 통과 시키면서, 방사된 빔의 형태를 바꾼다.

예를 들어, 원통형인 렌즈(250)의 단면은 수직한 두 방향으로 원통형단면과 사각형단면을 갖질 수 있다.

구체적으로, x, z축을 포함하는 평면의 단면은 원통형 단면일 수 있고, 상기 원통형 단면으로 입사된 빔은 시준빔으로서 초점으로 모일 수 있다.

한편, x, y축을 포함하는 평면의 단면은 사각형 단면일 수 있고, 상기 사각형 단면으로 입사된 빔은 입사된 방향과 동일한 방향으로 통과한다.

이러한 특성을 이용하여 본 발명 일 실시예에 따른 광학 장치(200)는, 단면발광 광발산기(240)로부터 방사된 조향된 발산빔(260)있어서, 조향각은 사각형 단면으로 유지하면서, 수직발산각은 원통형 단면을 이용하여, 줄이거나 또는 시준할 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 장치(200)에서 넓은 수평 조향각을 갖는 단면발광 광방사기(240)와 단면발광 광방사기(240)로부터 방사된 빔의 수직발산각을 조정하는 원통형 렌즈(250)의 구조와 배치에 대한 개략도이다.

도 5a는 단면발광 광방사기(240) 및 원통형 렌즈(250)의 배치 구조에 대한 평면도이고, 도 5b는 단면발광 광방사기(240) 및 원통형 렌즈(250)의 배치 구조에 대한 단면도이다.

실리콘기반 단면발광 광방사기(240)는 SOI(Silico-on-insulator) 기판(243)에 매몰되어 있는 실리콘옥사이드(SiO2, 242)층 위의 고굴절율의 실리콘(Si, 240a)층을 코어로하고, 상기 매몰되어 있는 실리콘옥사이드와 상면에 증착된 실리콘옥사이드(SiO2, 241)를 클래딩으로 하여 형성될 수 있다.

상기 소자들의 평면도를 나타내는 도 5a와 같이 단면발광 광방사기(240)는 일반적으로 다수의 실리콘 광도파로(240a)를 배열로 구성되어 광방사기(240)의 폭이 광도파로(240a)의 수십~수백배가 된다.

예를 들어 본 발명의 일 실시예와 같이 구성하는 경우 실리콘기반 단면발광 광방사기(240)의 크기는 실리콘 코어의 두께 220nm보다 54배가 큰 12 mm의 크기를 갖는다.

광학의 회절이론에 따르면, 발산각은 방사기의 크기에 반비례하므로, 수직 발산각은 수평 발산각에 비교하여 54배나 큰 발산산각을 갖는다.

한편, 도 5b에 있어서, 실리콘기반 단면발광 광방사기(240)에서 거리 d에 배치된 원통형 렌즈(250)는 수직방향으로 발산하는 빔을 원통형렌즈의 수직단면인 평면블록렌즈(Plano convex lens)을 이용하여 발산각을 줄이거나, 시준(Collimation)하여 통과시킬 수 있다.

즉, 본 발명 일 실시예에 따른 광학 장치(200)는 원통형인 렌즈(250)를 빔의 진행방향에 위치시킴(볼록면이 입사면이되고, 평면이 방사면)으로서, 빔의 수평 시양각을 왜곡시키지 않으면서 수직 발산각을 효과적으로 감축시킬 수 있다.

그 결과, 수직 발산각이 줄어들어, 빔의 직진성을 키우고 포커싱 능력을 향상시킬 수 있으며, 나아가, 빔의 포커싱이 향상됨에 따라 사용되는 파워도 감소 및 데이터 전송 효율도 현저히 향상될 수 있다.

한편, 본 발명 실시예에 따른 광학 장치(200)는 단면발광 광방사기(240)와 렌즈(250) 사이의 거리(d) 및 평면볼록렌즈단면을 갖는 원통형 렌즈(250)의 초점(focal point, f)을 제어하여 더욱 효과적으로 수직 발산각을 줄일 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 장치(200)에서 단면발광 광방사기(240)와 실린더형 렌즈(250)의 배치에 따라 렌즈를 투과하는 빔의 발산각과 위치와 관계를 설명하기 위하여 도시한 것이다.

구체적으로, 도 6a는 단면발광 광방사기(240)의 빔 방사위치가 실린더형 렌즈(250)의 초점보다 멀리 배치된 경우이다.

도 6b는 단면발광 광방사기(240)의 빔 방사위치가 실린더형 렌즈(250)의 초점에 위치한 경우이다.

도 6c는 단면발광 광방사기(240)의 빔 방사위치가 실린더형 렌즈(250)의 초점에 가까이 배치된 경우이다.

본 발명 일 실시예에 따른 광학 장치(100)는 도 6b와 같이 단면발광 광방사기(240)의 위치가 원통형 렌즈(250)의 초점에 위치할 때, 가장 작은 빔 발산각을 가질 수 있다.

반면, 단면발광 광방사기(240)의 위치가 초점 거리보다 작거나 커지면 빔 발산각이 도 6a, 6c와 같이 커질 수 있다.

따라서, 본 발명 일 실시예에 따른, 광학 장치(200)는 단면발광 광방사기(240)의 위치를 조절하여 빔을 수렴, 시준 및 발산시킬 수 있으며, 예를 들어, 수렴빔을 구현하여 빔의 수직발산각을 감소시킬 수 있다.

이러한, 성질을 이용하여, 상기 단면발광 광방사기배열의 위치를 적당히 조정하면, 원통형렌즈의 통과한 빔의 발산각을 조정할 수 있다.

이와 같은 사항은 구체적 실험결과를 통해서도 확인할 수 있다.

도 7은 단면발광 광방사기(240)와 원통형 렌즈(250)의 위치에 따른 수직, 수평 방사각 변화를 나타낸 것이다.

도 7a는 수직방사각의 변화, 도 7b는 수평방사각의 변화를 나타내었다.

구체적으로, 도 7a을 참고하면, 단면 발광 광방사기(240)가 원통형 렌즈(250)의 초점 위치(f)인 150mm에 위치할 때, 수직발산각은 수평조향각이 증가할 수록 증가하여, 수평조향각 30°에서 10°의 수직발산각이 된다.

또한, 초점 위치(f)에서 단면발광 광방사기(240)의 위치를 가깝게 할수록, 수평조향각이 30°에서의 수직발산각이 작아지는 것을 확인할 수 있다.

원통형 렌즈(250)가 가 좌우 대칭인 점을 고려하면, +/-30° 범위에서 수직 발산각의 최대값이 140mm에서 8°, 130에서mm 6°로 점점 작아진다.

단면발광 광방사기(240)와 원통형 렌즈(250)의 거리를 120mm이하로 줄이면, 수평조향각 0°에서 발산각이 증가하여, 최대 발산각이 커진다. 따라서, 발산각을 최소로 하는 단면발광 광방사기(240)의 위치는 120mm~130mm사이에 존재함을 확인할 수 있다.

도 7b는 단면발광 광발산기(240)의 위치에 따른 수평발산각의 변화를 나타낸 것으로, 단면발광 광발산기(240)가 초점인 150mm에 위치한 경우, 수평조향각이 증가할 수록 수평발산각이 증가하며, 수평조향각이 30°인 경우에, 조향범위 +/- 30°에서, 최대수평발산각인 11°가 되었다.

원통형 렌즈(250)가 대칭이기 때문에, -30°에서도 최대값인 11°의 수평발산각을 보인다.

단면발광 광방사기(240)와 원통형 렌즈(250)의 거리가 작아지면, 수평조향각 30°에서 측정되는 수평발산각이 작아지는 것을 확인할 수 있고, +/-30° 조향범위 내에서의 최대수평발산각이 140mm에서 10.5°, 130mm에서 9.5°, 120mm에서 8.5°로 점점 작아진다.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 장치(200)는 단면발광 광발산기(240)와 원통형 렌즈(250)의 거리를 적당한 값으로 결정함으로써, 수평조향범위내에서 최대수직발산각과 최대수평 발산각을 결정 할 수 있다.

예를 들어, 단면발광 광방사기(240)와 원통형 렌즈(250)의 거리를 120mm~130mm의 값으로 결정하는 경우, 최대수직발산각 95.6°이 6.7°로, 최대수평발산각이 7.6°에서 10°로 조정될 수 있다.

이어서, 도 8 내지 도 10을 참고하여, 본 발명 다른 실시예에 따른 광학 장치(300,400,500, 600)를 설명한다.

이어서 설명할 광학 장치(300,400,500,600)들은 전술한 광학 장치(200)와 비교하여 렌즈(350,450,550,650)의 형상이 상이한 것을 제외하고 유사하다.

따라서, 다른 구성들에 대한 설명은 전술한 광학 장치(200)의 설명이 그대로 적용될 수 있다.

도 8을 참고하면, 본 발명 다른 실시예에 따른 광학 장치(300)는 도 2의 광학 장치(200)와 비교하여 도 2의 광학 렌즈(250)가 z-y축을 포함하는 평면에 평면 대칭된 형상일 수 있다.

구체적으로, 렌즈(350)는 곡면을 형성한 면과 상기 곡면에 반대되는 면이 평면인 원통형 렌즈(350)일 수 있다.

본 발명 다른 실시예에 따른 광학 장치(300)역시 수직 방향으로 렌즈(350)에 곡면이 형성되어있어 수직발산각을 줄일 수 있으며, 수평 방향으로 렌즈(350)의 단면이 사각형이므로, 수평방향으로는 시야각을 왜곡시키지 않는다.

도 9를 참고하면, 본 발명 다른 실시예에 따른 광학 장치(400)는 도 2의 광학 장치(200)와 비교하여 광학 렌즈(450)가 양면(빔이 입사하는 면 및 빔이 렌즈를 통과해 방출되는 면)이 곡면을 형성할 수 있다.

구체적으로, 렌즈(450)는 빔이 입사하는 면과 빔이 렌즈를 통과해 방출되는 면이 모두 수직 방향으로 곡면을 형성할 수 있다.

본 발명 다른 실시예에 따른 광학 장치(400)역시 수직 방향으로 렌즈(450)에 곡면이 형성되어있어 수직발산각을 줄일 수 있으며, 수평 방향으로 렌즈(450)의 단면이 사각형이므로, 수평방향으로는 시야각을 왜곡시키지 않는다.

도 10을 참고하면, 본 발명 다른 실시예에 따른 광학 장치(500)는 도 2의 광학 장치(200)와 비교하여 렌즈(550)가 양면(빔이 입사하는 면 및 빔이 렌즈를 통과해 방출되는 면)이 곡면을 형성할 수 있다.

뿐만 아니라, 도 9의 광학 장치(400)과 비교하여 렌즈(550)의 입사면이 오목한 곡면을 형성할 수 있다.

구체적으로, 렌즈(550)는 빔이 입사하는 면과 빔이 렌즈를 통과해 방출되는 면이 모두 수직 방향으로 곡면을 형성할 수 있으며, 입사면은 빔의 방사 방향으로 오목한 오목면일 수 있다.

나아가, 상기 오목면의 곡률은 방사면의 곡률보다 작을 수 있다.

본 발명 다른 실시예에 따른 광학 장치(500)역시 수직 방향으로 렌즈(550)에 곡면이 형성되어 있어 수직발산각을 줄일 수 있으며, 수평 방향으로 렌즈(550)의 단면이 사각형이므로, 수평방향으로는 시야각을 왜곡시키지 않는다.

도 11을 참고하면, 본 발명의 다른 실시예로써 광학 장치(600)는 구부러진 원통형 렌즈(650)를 포함할 수 있다.

도 1a는 구부러진 원통형 렌즈(650)를 적용한 실시예의 평면도이고, 도 11b는 구부러진 원통형 렌즈(650)를 적용한 실시예의 단면도이다.

구부러진 원통형 렌즈(650)는 수평방향에서 부채꼴의 호 형상일 수 있고, 수직 방향에서는 단면이 평면볼록렌즈 일 수 있다. 나아가, 입사면이 평면이고 방사면이 볼록면일 수 있다.

다만, 입사면이 볼록면이고 방사면이 평면일 수도 있다.

본 실시예에 따른 구부러진 원통형 렌즈(650)를 적용하는 경우, 빔조향 과 관계없이 상기 단면발광 광위상배열기(201)의 단면발광 광방사기(240)와 일정한 거리를 유지할 수 있으므로, 빔의 발산각을 일정하게 할 수 있는 장점이 있다.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

Claims

광신호를 복수의 채널로 분기하는 광분배기;
상기 광분배기로부터 전달된 상기 광신호의 위상을 조절하는 광위상 제어기; 및
상기 광위상 제어기로부터 전달된 상기 광신호를 방사하는 단면발광 광방사기;를 포함하는 단면발광 광위상 배열기 및 상기 방사된 광신호의 경로상에 위치하여 수직 발산각을 조절하는 원통형 렌즈를 포함하는 광학 장치.
상기 제1항에 있어서,
상기 원통형 렌즈는 평면볼록렌즈인 광학 장치.
상기 제2항에 있어서,
상기 원통형 렌즈의 볼록면이 입사면이되고, 평면이 방사면이 되는 광학 장치.
상기 제2항에 있어서,
상기 원통형 렌즈의 평면이 입사면이되고, 볼록면이 방사면이 되는 광학 장치.
상기 제1항에 있어서,
상기 원통형 렌즈의 입사면 및 방사면이 볼록면인 광학 장치.
상기 제1항에 있어서,
상기 원통형 렌즈의 방사면은 볼록면이고, 입사면은 상기 방사면보다 작은 곡률의 오목면인 광학 장치.
상기 제1항에 있어서,
상기 원통형 렌즈는 수평 방향으로 부채꼴의 호 형상이고, 상기 원통형 렌즈의 입사면이 평면이며, 방사면이 볼록면인 광학 장치.
상기 제7항에 있어서,
상기 단면발광 광방사기로부터 상기 입사면까지의 거리가 균일한 광학 장치.
상기 제1항에 있어서,
상기 원통형 렌즈는 수평 방향으로 부채꼴의 호 형상이고, 상기 원통형 렌즈의 방사면이 평면이며, 입사면이 볼록면인 광학 장치.
상기 제1항에 있어서,
상기 원통형 렌즈와 상기 단면발광 광방사기까지의 거리가 상기 원통형 렌즈의 초점 거리보다 큰 광학 장치.
상기 제1항에 있어서,
상기 단면발광 광방사기는 방사 방향으로 연장된 복수의 광도파로를 포함하며,
상기 복수의 광도파로의 폭이 서로 다른 광학 장치.