KR20230101823A - 광학 위상 어레이 광 조향 - Google Patents

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KR20230101823A
KR20230101823A KR1020237015899A KR20237015899A KR20230101823A KR 20230101823 A KR20230101823 A KR 20230101823A KR 1020237015899 A KR1020237015899 A KR 1020237015899A KR 20237015899 A KR20237015899 A KR 20237015899A KR 20230101823 A KR20230101823 A KR 20230101823A
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steering
optical phased
plane
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마이클 로버트 왓츠
카티아 시티르코바
크리스토퍼 빈센트 포울틴
에샨 샤흐 호세이니
벤자민 로이 모스
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아날로그 포토닉스, 엘엘씨
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Abstract

장치는 (예를 들어, 광자 집적 회로 상의) 광학 위상 어레이, 광학 위상 어레이에 대해 고정된 위치에 있고 광학 위상 어레이로부터 광학 빔을 수신하도록 구성될 수 있는 포커싱 요소, 및 포커싱 요소에 대해 고정된 위치에 있고 포커싱 요소로부터 수신된 광학 빔을 전송하도록 구성될 수 있는 조향 요소를 포함한다.　 일부 구현들에서, 포커싱 요소 또는 조향 요소 중 적어도 하나는 광자 집적 회로에 외부적으로 결합된다.

Description

광학 위상 어레이 광 조향
관련 출원에 대한 상호참조
본 출원은 2020년 11월 11일자로 출원되고 발명의 명칭이 "광학 위상 어레이 광 조향(Optical Phased Array Light Steering)"인 미국 가출원 제63/112,301호, 및 2021년 7월 23일자로 출원되고 발명의 명칭이 "광학 위상 어레이 광 조향(Optical Phased Array Light Steering)"인 미국 가출원 제63/203,468호의 우선권 및 이익을 주장한다.
기술분야
본 개시 내용은 광학 위상 어레이 광 조향에 관한 것이다.
일부 광학 위상 어레이들(OPA들)은 방출기 요소들(방출기들 또는 안테나들이라고도 함)의 선형 분포를 갖는다. 선형 분포에 수직인 제1 축을 중심으로 하는 조향은 방출기 요소들 각각에 공급하는 위상 시프터들의 상대적인 위상 시프트들을 변경함으로써 제공될 수 있다. 제1 축에 직교하는 제2 축을 중심으로 조향하기 위해 다른 기술들이 사용될 수 있다.
일 양태에서, 일반적으로, 장치는 광학 위상 어레이를 포함하는 광자 집적 회로(photonic integrated circuit), 광학 위상 어레이에 대해 고정된 위치에 있고 광학 위상 어레이로부터 광학 빔을 수신하도록 구성된 포커싱 요소, 및 포커싱 요소에 대해 고정된 위치에 있고 포커싱 요소로부터 수신된 광학 빔을 전송하도록 구성된 조향 요소를 포함한다. 포커싱 요소 또는 조향 요소 중 적어도 하나는 광자 집적 회로에 외부적으로 결합된다.
양태들은 다음의 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
조향 요소는 분산 요소를 포함한다.
분산 요소는 회절 요소를 포함한다.
분산 요소는 굴절 요소를 포함한다.
굴절 요소는 프리즘을 포함한다.
포커싱 요소는 렌즈를 포함한다.
포커싱 요소는 반사 표면을 포함한다.
광자 집적 회로, 포커싱 요소, 및 조향 요소는 LiDAR 시스템의 적어도 일부에 포함된다.
광자 집적 회로, 포커싱 요소, 및 조향 요소는 통신 시스템의 자유 공간 광학 링크의 적어도 일부에 포함된다.
다른 양태에서, 일반적으로, 장치는 광학 위상 어레이, 광학 위상 어레이에 대해 고정된 위치에 있고 광학 위상 어레이로부터 수신된 광학 빔을 재지향하도록 구성된 반사 표면, 및 반사 표면에 대해 고정된 위치에 있고 반사 표면으로부터 재지향된 광학 빔을 전송하도록 구성된 조향 요소를 포함한다.
양태들은 다음의 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
반사 표면은 적어도 제1 평면에서 광학 빔을 실질적으로 시준하도록 성형된다(shaped).
장치는 광학 위상 어레이의 안테나 요소들에 광학파(optical wave)를 제공하도록 구성된 광학 소스를 더 포함한다.
안테나 요소들 간의 상대적인 위상 시프트들은 제1 평면에 수직인 제2 평면에서 광학 위상 어레이로부터 방출된 광학 빔의 조향을 제공한다.
조향 요소는 회절 요소를 포함하고, 광학 소스는 광학 위상 어레이의 안테나 요소들에 제공되는 광학파의 파장을 튜닝하도록 구성되는 튜닝 가능한 광학 소스를 포함하고, 튜닝된 파장은 제1 평면에서 회절 요소로부터 방출되는 광학 빔의 조향을 제공한다.
조향 요소는 제1 평면에서 빔을 조향하기 위해 전자적으로 튜닝되도록 구성되는 회절 요소를 포함한다.
광학 위상 어레이, 반사 표면, 및 조향 요소는 LiDAR 시스템의 적어도 일부에 포함된다.
광학 위상 어레이, 반사 표면, 및 조향 요소는 통신 시스템의 자유 공간 광학 링크의 적어도 일부에 포함된다.
다른 양태에서, 일반적으로, 장치는 광학 위상 어레이, 광학 위상 어레이에 대해 고정된 위치에 있고 광학 위상 어레이로부터 광학 빔을 수신하도록 구성된 렌즈, 및 렌즈에 대해 고정된 위치에 있고 렌즈로부터 수신된 광학 빔을 전송하도록 구성된 조향 요소를 포함한다.
양태들은 다음의 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
렌즈는 적어도 제1 평면에서 광학 빔을 실질적으로 시준하도록 성형된다.
장치는 광학 위상 어레이의 안테나 요소들에 광학파를 제공하도록 구성된 광학 소스를 더 포함한다.
안테나 요소들 간의 상대적인 위상 시프트들은 제1 평면에 수직인 제2 평면에서 광학 위상 어레이로부터 방출된 광학 빔의 조향을 제공한다.
조향 요소는 회절 요소를 포함하고, 광학 소스는 광학 위상 어레이의 안테나 요소들에 제공되는 광학파의 파장을 튜닝하도록 구성되는 튜닝 가능한 광학 소스를 포함하고, 튜닝된 파장은 제1 평면에서 회절 요소로부터 방출되는 광학 빔의 조향을 제공한다.
조향 요소는 제1 평면에서 빔을 조향하기 위해 전자적으로 튜닝되도록 구성되는 회절 요소를 포함한다.
광학 위상 어레이는 광자 집적 회로 내에 형성된 각각의 광학 도파관들에 결합되는 복수의 안테나 요소들을 포함한다.
광학 위상 어레이, 렌즈, 및 조향 요소는 LiDAR 시스템의 적어도 일부에 포함된다.
광학 위상 어레이, 렌즈, 및 조향 요소는 통신 시스템의 자유 공간 광학 링크의 적어도 일부에 포함된다.
다른 양태에서, 일반적으로, 장치는 복수의 광학 위상 어레이들, 및 광학 위상 어레이들에 대해 고정된 위치에 있고 광학 위상 어레이들로부터 광학 빔들을 수신하도록 구성된 포커싱 요소를 포함한다. 포커싱 요소는 적어도 제1 평면에서 광학 빔들을 실질적으로 시준하도록 위치되고 구성된다.
양태들은 다음의 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
광학 위상 어레이들 및 포커싱 요소는 LiDAR 시스템의 적어도 일부에 포함된다.
광학 위상 어레이들 및 포커싱 요소는 통신 시스템의 자유 공간 광학 링크의 적어도 일부에 포함된다.
복수의 광학 위상 어레이들은 각각의 받침대 상에 배열되고, 각각의 광학 위상 어레이는 제1 축을 따라 배열된 방출기 요소들의 선형 어레이를 포함하고, 방출기 요소들의 각각의 선형 어레이는 제1 축을 따라 다른 선형 어레이들에 대해 오프셋되고, 제1 축에 수직인 제2 축을 따라 다른 선형 어레이들에 대해 오프셋된다.
다른 양태에서, 일반적으로, 장치는 광학 위상 어레이, 및 광학 위상 어레이에 대해 고정된 위치에 있고 위상 어레이로부터 광학 빔을 수신하도록 구성된 포커싱 조향 요소를 포함하고, 포커싱 조향 요소는 적어도 제1 평면에서 광학 빔을 실질적으로 시준하고, 제1 평면에서 광학 빔을 조향하도록 구성된다.
양태들은 다음의 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
포커싱 조향 요소는 포커싱 회절 요소를 포함한다.
광학 위상 어레이 및 포커싱 조향 요소는 LiDAR 시스템의 적어도 일부에 포함된다.
광학 위상 어레이 및 포커싱 조향 요소는 통신 시스템의 자유 공간 광학 링크의 적어도 일부에 포함된다.
다른 양태에서, 일반적으로, 장치는 광학 위상 어레이, 및 광학 위상 어레이에 대해 고정된 위치에 있고, 광학 위상 어레이로부터 광학 빔을 수신하고 광학 빔을 전송하도록 구성된 반사 포커싱 요소를 포함한다.
양태들은 다음의 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
반사 포커싱 요소는 반사 표면을 포함한다.
장치는 반사 포커싱 요소에 대해 고정된 위치에 있고, 반사 표면으로부터 재지향된 광학 빔을 투과시키도록 구성된 회절 요소를 더 포함한다.
회절 요소는 곡면 회절 요소를 통해 광학 빔을 투과시키는 곡면 회절 요소를 포함한다.
광학 위상 어레이 및 반사 포커싱 요소는 LiDAR 시스템의 적어도 일부에 포함된다.
광학 위상 어레이 및 반사 포커싱 요소는 통신 시스템의 자유 공간 광학 링크의 적어도 일부에 포함된다.
양태들은 다음의 이점들 중 하나 이상을 가질 수 있다.
본 명세서에 설명된 기술들은 하나 이상의 OPA를 포함하는 OPA 기반 송수신기에 대한 다양한 조향 및/또는 포커싱 메커니즘들을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 송수신기는 원하는 전송 및/또는 수신 각도로 광학 빔을 전송 및/또는 수신하기 위해 사용될 수 있다. OPA 기반 송수신기의 일부 구현들에서, 하나 이상의 광자 집적 회로(또는 칩)는 OPA 위상 시프트들을 사용하여 제1 축을 중심으로 조향되는 빔을 제공하기 위해 코히어런트 간섭하는 광을 방출하는 OPA 안테나들의 선형 어레이를 포함한다. OPA 기반 송수신기는 제1 축에 수직인 제2 축을 중심으로 조향하기 위한 다양한 다른 조향 메커니즘들 중 임의의 것을 포함하도록 콤팩트하고 효율적인 방식으로 구성될 수 있다. 빔 시준은 또한 아래에 더 상세히 설명되는 바와 같이, 다양한 기술들에 의해 제공될 수 있다. 이러한 기술들은, 예를 들어, OPA 기반 LiDAR 센서 시스템들, 및 노드들 사이의 자유 공간 광학 링크들을 사용하는 통신 시스템의 노드들과 같은 원격 통신 단말기들에 사용될 수 있다. 그러한 광학 시스템들의 경우, 빔을 형성하는 파동은 특정 범위의, 광학파, 광파, 또는 단순히 광으로도 지칭되는, 광학 파장(예를 들어, 약 100 nm 내지 약 1 mm, 또는 그 일부 하위 범위)에 속하는 피크 파장을 갖는 스펙트럼을 갖는다.
다른 특징들 및 이점들은 다음의 설명, 도면들, 및 청구항들로부터 명백해질 것이다.
본 개시 내용은 첨부 도면들과 함께 읽을 때 다음의 상세한 설명으로부터 가장 잘 이해된다. 통상의 관행에 따르면, 도면들의 다양한 특징들은 축척에 맞지 않는다는 것이 강조된다. 반대로, 다양한 특징들의 치수들은 명료성을 위해 임의로 확대 또는 축소된다.
도 1은 예시적인 OPA 기반 송수신기의 개략도이다.
도 2a 및 도 2b는 예시적인 OPA 칩의 개략도들이다.
도 3a, 도 3b, 및 도 3c는 OPA 빔 확장의 개략도들이다.
도 4a 및 도 4b는 빔 확장을 제한하기 위한 구조물들의 개략도들이다.
도 5는 빔 확장을 제한하기 위한 격자 방출기들의 어레이의 개략도이다.
도 6은 시준 렌즈를 갖는 OPA의 개략도이다.
도 7은 시준 렌즈 및 2차 조향 메커니즘을 갖는 OPA의 개략도이다.
도 8은 포커싱 조향 요소를 갖는 OPA의 개략도이다.
도　9는 빔 위상 전면들을 평탄화 및 경사화하도록 구성된 요소의 개략도이다.
도 10은 빔 위상 전면들을 평탄화하도록 구성된 요소의 개략도이다.
도 11은 빔 위상 전면들을 평탄화 및 경사화하도록 구성된 요소의 개략도이다.
도 12는 위상 플레이트 구조물의 개략도이다.
도 13a 및 도 13b는 예시적인 렌즈 배열들의 개략도들이다.
도 14a 및 도 14b는 예시적인 렌즈 배열들의 개략도들이다.
도 15는 포커싱 요소로서 사용되는 곡면 거울의 개략도이다.
도 16a, 도 16b, 및 도 16c는 포커싱 요소로서 사용되는 곡면 거울에 대한 광선들의 개략도들이다.
도 17a 및 도 17b는 빔 확장의 스케치들이다.
도 18a, 도 18b, 및 도 18c는 엔드-파이어 도파관 예의 특성들을 나타내는 개략도들이다.
도 19는 하프-미러 예의 개략도이다.
도 20은 하프-미러 예와 연관된 광선들의 스케치이다.
도 21은 원통형 거울에 의해 포커싱되는 평면파들의 개략도이다.
도 22는 도 21의 예와 연관된 파수벡터들의 개략도이다.
도 23은 하향 방향으로 비춰지는 빔에 대한 초점의 개략도이다.
도 24는 도 23의 예에 대한 초점 평면 곡선의 개략도이다.
도 25는 OPA 위치 이동에 대응하는 빔 회전의 개략도이다.
도 26a 및 도 26b는 받침대들 상의 예시적인 OPA 칩 배열들의 개략도들이다.
도 27은 거울 및 2차 조향 요소를 사용하는 OPA 조향 배열의 개략도이다.
도 28 및 도 29는 예시적인 LiDAR 센서 시스템들의 개략도들이다.
도 30a 및 도 30b는 다수의 OPA 칩들을 갖는 OPA 조향 배열들의 개략도들이다.
도 31은 통신 시스템의 개략도이다.
도 32a, 도 32b, 및 도 32c는 예시적인 2차 조향 구성들의 개략도들이다.
도 33a 및 도 33b는 파장 기반 조향에 사용되는 예시적인 격자 반사의 개략도들이다.
도 34는 프리즘 또는 웨지를 사용하는 예시적인 굴절 조향 메커니즘의 개략도이다.
도 35a, 도 35b, 및 도 35c는 상이한 굴절 조향 배열들에 대한 파장 의존성의 개략도들이다.
도 36은 곡면 회절 요소를 사용하는 예시적인 조향 메커니즘의 개략도이다.
OPA 기반 송수신기 내의 광학 위상 어레이로부터 방출되는 광학 빔은, 예를 들어, 반사, 분산, 및/또는 굴절 구조물들을 사용하여 조향될 수 있다. 동일한 "조향" 메커니즘들이 광학 위상 어레이 내로 수신되는 입사 광학 빔에 대한 수신 각도를 구성하는 데 사용될 수 있다. 일부 구현들은 빔의 빔 발산을 변경하기 위해 2차 시준 또는 포커싱 디바이스를 이용한다. 이러한 구성의 일 예시가 도 1에 도시되어 있다. 이 구현에서, OPA 기반 송수신기(100)는, 예를 들어, 안테나들의 선형 어레이에 걸친 간섭에 의해 형성된 빔을 방출/수신하기 위한 엔드-파이어 안테나들(end-fire antennas) 또는 짧은 격자 안테나들(short grating antennas)(또는 다른 짧은 안테나들)인 광학 안테나들을 이용하도록 구성될 수 있는 OPA들(102)의 세트를 포함한다. 이 예에서, 각각의 OPA(102)는 별개의 칩 상에 있다. 출사 빔(106A)의 방출 각도, 및 입사 빔(106B)의 (동일한) 수신 각도는 위상 제어(즉, 각각의 안테나에 결합된 위상 시프터들에 의해 적용되는 상대적 위상 시프트들을 제어함)에 의해 X-Z 평면에서(또는 동등하게, Y 축에 대해) 조향된다. 이러한 엔드 파이어(또는 짧은 격자) 안테나로부터의 빔은 확장되어 오목 거울(104)을 채운다. OPA들(102)의 단부들이 거울(104)에 대해 초점 거리(105)에 배치되기 때문에, 거울(104) 상의 조명된 지점(109)으로부터 재지향되는 시준된 빔(107)에 대해 도시된 바와 같이, 거울을 빠져나가는 출사 빔(106A)은 Y-Z 평면에서 발산하기보다는 시준될 것이다. 이 예에서, Y-Z 평면에서의 조향은 레이저 튜닝을 통해 입사 파장을 변경함으로써 회절 요소(예를 들어, 회절 격자와 같은 회절 표면 요소)와 같은 분산 요소(110)를 사용하여 구현되는 조향 요소에 의해 수행된다. 예를 들어, 각각의 OPA(102) 상의 개별 레이저들(도시되지 않음), 또는 모든 OPA들(102)에 광을 공급하는 단일 레이저(도시되지 않음)가 사용될 수 있다. 대안적으로, 조향 요소는 액정, 메타 표면, 편광 격자들, 음향 광학, 굴절 요소(예를 들어, 프리즘), 및/또는 다른 종류의 분산 요소와 같은 대안적인 조향 메커니즘을 사용할 수 있다.　 X-Z 평면에서의 조향을 위한 OPA(102) 및 Y-Z 평면에서의 조향을 위한 조향 요소는 송수신기(100)의 전방에서 광 원뿔을 커버하는 비기계적 빔 조향기(Z 방향으로 광 원뿔의 중심 축을 가짐)를 생성하도록 조합될 수 있다.　 X-Z 평면에서의 시야는 단일 OPA(102)의 단일 빔 조향 범위에 의해 결정된다.　 예를 들어, 위상 조향각들(108)의 범위가 도시되어 있다. 다수의 OPA들(102)은 도 26a 및 도 26b에 대해 아래에 더 상세히 설명되는 바와 같이, 단일 OPA(102)에 의해 가능한 것을 넘어서 시야(FOV)를 연장하기 위해, 받침대들(112)의 세트 상의 상이한 위치들에 분포될 수 있다.
OPA 기반 송수신기(100)가 LiDAR 센서 시스템에서 사용되는 경우, 후방 산란된 광은 동일한 경로를 역으로 이동하고, 동일한 OPA(102), 이웃한 Rx OPA(도 30a 및 도 30b에 대해 아래에 더 상세히 설명됨), 또는 이웃한 송수신기에 의해 수집된다. 방출된 출사 빔(106A) 내에 수차를 도입하지 않도록 구성될 수 있기 때문에, 이 예에서 포커싱 광학 요소로서 오목(예를 들어, 원통형) 거울(104)이 선택된다. 그러나, 원통형 렌즈에 대해서는 동일한 것이 맞지 않을 수 있다. 맥스웰 방정식을 이용한 예시적인 분석은 이 점을 입증하고, 아래에 제공된다. 큰 표면-방출 개구들에 의존하는 광학 위상 어레이들은 제조 결함들에 의해 야기되는 수차들을 겪을 수 있고, 이는 개구 크기를 제한할 수 있다. 이러한 결함들은, 예를 들어, 표면 왜곡(휘어짐), 층 두께 불균일성, 또는 불완전한 도파관을 따른 불균등한 위상 축적에 의해 야기될 수 있다.
또한, 표면 방출이 긴 격자들에 의해 달성되는 경우, 방출의 방향은 매우 파장 의존적이며, 이는 유용할 수 있거나(예를 들어, 파장 스위프들을 갖는 의도적인 조향의 경우) 유해할 수 있다(예를 들어, WDM 데이터 통신 시스템들의 경우). 이 예시적인 구현에서, 긴 안테나 요소들을 필요로 하지 않고 큰 유효 개구를 달성하기 위해, 외부 1-D 포커싱/시준 광학계에 결합된 엔드 파이어(또는 짧은 격자) 안테나 광학 위상 어레이들이 도입된다.　
도 2a를 참조하면, OPA 칩(200)은 광 입력(202)으로부터 도파관들(204)의 어레이로 광학 필드의 동일한(또는 가우시안과 같이, 미리 결정된) 분포를 전달하는 분배 네트워크(201)(예를 들어, 도파관 트리 또는 스타 커플러)를 포함한다. 개별 위상 시프터들(206)(예를 들어, 전기 광학, 열, 액정, pn 접합 기반 등)은 도파관들(204)의 어레이의 단부들에서 엔드-파이어 방출기들(208)로부터 방출되는 광의 위상을 제어하기 위해 각각의 도파관(204)에 결합될 수 있다.
광은 OPA 칩(200) 상에 또는 그 밖에 있는 레이저로부터 OPA 칩(200) 상의 광 입력(202) 내로 결합될 수 있다. 각각의 방출기(208)로부터의 광은 위상 시프터들(206) 및 방출기들(208)을 통과하고, 광의 원뿔(210) 내로 방출된다. 각각의 방출기(208)는 측 방향 및 상하 방향 둘 다에서 방출기 자신의 요소 인자를 생성한다. 위상 시프터들(206)이 방출기들(208)로부터 나오는 광에 (0-2π 내로 래핑될 수 있는) 위상의 선형 진행을 부여하면, 모든 방출기들로부터의 광은, 도 2b에 도시된 바와 같이, OPA 칩(200)의 평면에서 실질적으로 평탄한 위상 전면들(phase fronts)(214)(예를 들어, 평면파 방출)을 갖는 방출된 빔(212)으로 결합한다. 동작동안의 OPA 칩(200)의 광학 위상 어레이 부분의 평면도를 도시하는 도 2b에서 알 수 있는 바와 같이, 광학 위상 어레이로부터 방출된 빔(212)은 광학 위상 어레이의 폭(및 관찰 각도)에 의해 결정된 패턴으로 회절한다. 따라서, 각각의 방출기로부터 방출된 광(216)이 빠르게 확장하더라도, 전체 어레이 빔 회절(218)은 느리게 확장하는 세미-가우시안(semi-gaussian) 빔처럼 거동한다. 그럼에도 불구하고, 수직 방향에서, 이 평면 어레이의 거동은 도 2b에 도시된 평면 뷰와 비슷하지 않다.
도 3a에서 볼 수 있는 바와 같이, 측면으로부터 본 광학 위상 어레이의 단면을 도시하고, 기판(304)(예를 들어, 실리콘-온-인슐레이터(SOI) 플랫폼의 매립 산화물(BOX) 층)의 상부에 있는 클래딩(302)(예를 들어, 실리콘 이산화물) 내의 코어 층(예를 들어, 실리콘)에 대응하는 도파관 모드(300)가 있다. 도파관 모드(300)로부터 방출된 빔(306)은 단일 방출기의 확장에 따라 방출기들의 선형 어레이에 수직인, 도시된 평면에서 확장을 겪고, 따라서 그 평면에서 빠르게 확장한다. 모드 원뿔각에 의해서도 측정되는 확장률은 모드 크기에 따라 달라진다. 도시된 평면의 수직 방향에서의 빔 확장은 엔드-파이어 방출기의 유효 개구 크기에 따라 달라진다. 도 3b에서, 빠른 빔 확장(312)을 초래하는 작은 모드 단면(310)이 있다.　 도 3c에서, 더 느린 빔 확장(316)을 초래하는 더 큰 모드 단면(314)이 있다.
모드 및 연관된 빔 확장의 제어는 임의의 다양한 기술들에 의해 수행될 수 있다. 도 4a는 빔(402)의 확장을 제한하기 위해 낮은 굴절률의 느슨하게 안내하는 구조물(low index loosely guiding structure)(400)(예를 들어, 폴리머, 실리콘 산질화물, 실리콘 질화물 등)에 광을 결합하는 예를 도시하고, 도 4b는 빔(412)의 확장을 제한하기 위해 다수의 안내층들(410)에 점진적으로 결합하는 예를 도시한다.　 증가된 빔 크기를 통해 빔 발산을 감소시키는 다른 방법은, 격자 방출기를 이용하는 것이다.　 도 5는 격자 방출기들의 평면에서 벗어나는 방향으로 출력 빔(502)을 방출하도록 구성된 격자 방출기들의 어레이(500)의 예를 도시한다. 이 격자 결합기의 강도는 방출기들의 총 길이 및 대응하는 유효 개구 크기(504)가 원하는 빔 발산 각도에 적합하게 되는 방식으로 조정될 수 있다.
위에서 언급한 기술들은 유효 개구 크기를 서브마이크로미터 스케일에서 수 마이크로미터로 증가시킬 수 있다. 그럼에도 불구하고, 빔의 가로 모드 크기(transverse mode size)는 여전히 측면 방향(어레이의 평면 방향)에서보다 수직 방향(어레이에 수직 방향)에서 훨씬 더 빠르게 확장된다. 빔의 과확장을 극복하는 한 가지 방법은 원하는 평면에서만 시준 파워를 갖는 포커싱 요소를 이용하는 것이다.
도 6에서 알 수 있는 바와 같이, OPA(600)의 단부-패싯 방출기들(end-facet emitters)의 에지로부터 출력된 광은 빠르게 확장하고, 확장 빔(602)은 원통형 렌즈(604)를 채운다. 렌즈(604)는 OPA(600)의 에지를 따라 병진 대칭을 가지며, 따라서 렌즈(604)는 그 에지를 따라 더 낮은 포커싱 파워를 가지고, 이는 빔(602)이 XZ 평면에서 천천히 확장하기 때문에 적절하다. 수직 방향에서, 빔(602)은 더 급속하게 팽창하므로, 렌즈(604)는 수직 방향에서 빔(602)을 시준하도록 선택된 초점 길이(f)를 갖는다.　 프라운호퍼 거리보다 큰 거리로부터의 관찰자는 근거리 필드의 푸리에 변환인 필드 분포를 본다.　 각각의 방향에서의 원거리 필드에서의 빔(602)의 각도 범위는 그 방향에서의 개구 크기에 의존한다. 측면 방향(X)에서의 유효 개구 크기는 광학 위상 어레이의 크기에 따라 달라지고, 수직 방향(Y)에서의 유효 개구 크기는 렌즈 개구의 크기 및 OPA(600)의 단부-패싯 방출기들로부터의 확장 빔(602)으로 채워진 개구의 백분율에 의존한다.　 이 구성은 한 방향으로만 위상을 갖는 광을 조향할 수 있다(즉, XZ 평면 내에서 "측방 조향"). 제2 방향(X 축에 대한 방향)으로의 조향은 2차 조향 메커니즘에 의해 달성될 수 있다.　 도 7은 그러한 2차 조향 메커니즘의 예를 도시한다.　 이 예에서, 2차 조향 메커니즘은 분산 요소(700)에 의해 제공되고, 분산 요소(700)는 액정, 편광 격자, 음향-광학 빔 조향기, 또는 상/하 방향으로(X 축에 대해, 또는 YZ 평면 내에서) 광을 조향할 수 있는 다른 고속-조향 전기 제어 메커니즘으로서 구현될 수 있다.
도 8을 참조하면, 일부 구현들에서, 동일한 회절/분산 요소는 수직(YZ 평면) 방향으로 조향을 수행하고, 또한 포커싱 능력들을 제공하는 포커싱 조향 요소(800)로서 구성될 수 있는 것이 가능하다. Y 방향에서의 임의의 위상 함수가 주어지면, 포커싱 조향 요소(800)의 유효 위상 함수는 원하는 방향으로(예를 들어, 이 예에서 Y 방향으로) 광을 시준하고 조향하도록 조정될 수 있다.　 도 9에서 알 수 있는 바와 같이, 요소(900)는 YZ 평면에서 특정 방향들로 빔을 지향시키기 위해 요구되는 위상 경사를 갖는 평면파들을 생성하기 위해 빔(904)의 위상 전면들을 조정(예를 들어, 평탄화되고 경사짐)하는 확장 빔(902)에 작용하는 조정 가능한 위상 함수를 적용하도록 구성될 수 있다. 이것은, 예를 들어, 형상 변화 렌즈(YZ 평면에서만) 또는 위상 프로그래밍된 플레이트로 구현된 요소(900)에 의해 수행될 수 있다.
도 10을 참조하면, 요소(1000)는 임의의 형상을 갖는 튜닝 가능한 3D 원통형 렌즈로서 확장 빔(1002)에 작용하는 조정 가능한 위상 함수를 적용하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 위상 함수는 평탄화된 위상 전면들을 갖는 빔(1004)을 제공하는 프레넬 렌즈를 구현하기 위해 0-2pi 범위로 랩핑될 수 있다. 요소(1000)는 빔의 확장 및 방향 모두를 동시에 변화시킬 수 있는, 조정 가능한 위상 전면들을 갖는 프레넬 렌즈와 같은 회절/포커싱 요소일 수 있다.
도 11을 참조하면, 요소(1100)의 각각의 지점에서 위상 함수를 제어하는 방법의 일 예시는 전자 제어로 그들의 유효 인덱스를 변경하는 작은 구조물들을 제공하는 것이다. 확장 빔(1102)에 작용하는 요소(1100)는 평탄화되고 경사진 위상 전면들을 갖는 빔(1104)을 제공한다. 그러한 인덱스 변경 구조물들의 일 예시로서, 캐리어를 위상 플레이트 상의 pn 접합 기반 공진 구조물들로 펌핑하는 것은 빔(1104)을 동시에 시준하고 조향할 수 있는 위상의 2D 패턴을 생성할 수 있다. 도 12를 참조하면, 위상 플레이트 구조물(1200)은 입력 빔(1202)의 수신된 위상 전면에 걸쳐 상이한 지점들에서 변하는 전압 제어 유효 인덱스를 인가하는 2D 어레이 내의 전압 제어 인덱스 변경 요소들을 포함한다.　 위상 플레이트 구조물(1200)은 또한 인덱스 변경 효과를 증가시키기 위해 액정들로 코팅될 수 있다.　
도 13a를 참조하면, 두꺼운 원통형 렌즈(1300)의 일 예시에서, 연관된 렌즈 함수는 입사각에 의존할 수 있다. 도 13a에서 알 수 있는 바와 같이, 수직 입사를 위한 렌즈의 초점 거리가 YZ 평면에서의 시준을 위해 f이고, 광학 위상 어레이 출력이 초점에 배치되면, OPA(600)의 중심으로부터 Z 축을 따라 각도(θ)로 조향된 위상-조향된 빔들(θ=z로 표시됨)에 대한 상황은 Z 축에서 벗어난 각도(θ)(θ>z로 표시됨)와 상이할 것이다. 도 13b를 참조하면, (YZ 평면에 대한) 0이 아닌 각도(θ)에서, 렌즈의 유효 초점 거리(f(θ))는 f와 상이할 것이고, 또한 확장 빔이 렌즈로 이동하는 거리(d)는 f보다 길다. 이 경우, f(θ)와 d는 일치하지 않고, OPA는 렌즈의 유효 초점 거리에 배치되지 않을 것으로 예상된다.　 이는 멀리 있는 타겟에 도달하기 전에 시준되지 않고 신속하게 발산하는 빔들로 이어진다.　 빔 발산의 양은 타겟이 짧은 거리에 있는 경우에는 허용될 수 있지만, 이러한 시스템은 자동차 라이다 센서, 또는 장거리 자유 공간 광학 링크와 같은 장거리 응용들에 적합하지 않을 수 있다.
도 14a를 참조하면, (도 13b에 도시된 바와 같은) 0이 아닌 각도(θ)에서의 발산을 완화하는 한 가지 방법은 렌즈 설계를 각도 빔 확장 문제들을 보상하는 보다 복잡한 형상으로 변경하는 것이다. 예를 들어, 도 14a에서 알 수 있는 바와 같이, 렌즈의 중심은 거리(d)가 초점 거리(f)와 동일하게 유지되게끔 거리의 변화가 조정되도록 XZ 평면 내의 곡선 상에 있을 수 있다. 대안적으로, 도 14b를 참조하면, 유효 초점 거리(f(θ))에 의해 표현되는 렌즈의 강도는 θ 및 d가 변화함에 따라 f(θ) 및 d가 실질적으로 동일하게 유지되도록 상이한 입사각들에 대해 수정될 수 있다.　 예를 들어, 도 14b에서 알 수 있는 바와 같이, 중심에서의 렌즈의 초점 곡률은 각도의 함수인 유효 초점 길이를 변경하는 2개의 단부들에서의 초점 곡률과 상이할 수 있다(예를 들어, 더 작을 수 있다). 다른 구현들에서, 위의 2가지 접근법들은 렌즈의 강도 및 중심점 모두가 각도에 따라 변하는 렌즈에서 결합될 수 있다.
도 15를 참조하면, YZ 평면에서 확장하고 있는 빔에 대한 시준을 달성하는 다른 방법은 OPA(1502)로부터의 빔에 대한 포커싱 요소로서 곡면 거울(1500)을 이용하는 것이다. 거울(1500)은 YZ 평면에서 곡면 오목 프로파일을 갖고, X 방향을 따라 그 길이에 걸쳐 균일하다. 도 16a에서 알 수 있는 바와 같이, OPA 칩(1600)은 방출기들이 대략 거울(1602)의 초점에 위치되도록 오목 거울(1602)의 전방(즉, 내부)에 배치될 수 있다. OPA 칩(1600)에 인가되는 상대적 위상들은 X 방향을 따라(즉, Y 축을 중심으로 XZ 평면에서) 빔을 조향할 수 있는 반면, 빔은 칩들로부터 나오는 Y 방향으로(즉, YZ 평면에서) 확장한다. 거울은 초점 길이(f)를 갖는 포물선(
Figure pct00001
)일 수 있다. OPA 칩(1600)으로부터 나오는 빔 부분들(광선들 또는 간단히 "빔들"이라고도 함)은 모두 Z 방향을 따라 시준된다. 이 예에서, OPA 칩(1600)은 거울(1602)의 중심에 배치되어 거울(1602)의 중심을 향해 하향으로 비추기 때문에, 후방-반사된 광의 일부는 OPA 칩(1600)에 의해 차단되어 손실로 이어진다.
OPA 칩(1600)에 의한 차단으로 인한 광 손실에 대한 하나의 해결책은 OPA 칩(1600)이 거울(1602)을 비스듬히 비추게 하는 것이다. 예를 들어, 도 16b에서 알 수 있는 바와 같이, OPA 칩(1600)의 패싯이 초점에 유지되고, OPA 칩(1600)의 배향이 변경되어 거울(1602)의 우측만이 조명되면, 광학 차단이 발생하지 않을 것이다. 시스템으로부터 나오는 시준된 빔의 크기는 초점 길이, OPA 칩(1600)으로부터의 빔 발산, 및 OPA 칩(1600)의 배향에 따라 달라진다. 예를 들어, 도 16c를 참조하면, OPA 칩(1600)에서 벗어난 광 원뿔 범위가 θ1 및 θ2인 경우, 광학 위상 어레이의 배향 각도(θ0)는 θ1보다 커야 하고, 빔 크기는 f, θ0, θ1, 및 θ2에 의존한다.　
포커싱 요소로서 사용되는 곡면 거울의 크기는 조향된 빔(X 방향, 여기서 길이라고도 함) 및 YZ 방향(거울의 폭)으로의 빔 확장 또한 수용하기에 충분히 커야 한다. 일 예시로서, 도 17a 및 도 17b는 거울의 폭이 그 초점 길이의 4배(W>4f)이고(도 17a에 도시된 바와 같이), 거울의 길이는 그 초점 길이의 10배인(L>10f)(도 17b에 도시된 바와 같이) 빔 확장의 표현을 도시한다. 이 예는 조향각 외에, 양 방향으로 대략 ±60도를 커버한다. 정확한 최소 크기는 빔 발산 및 요구되는 조향 범위에 달려있다.
도 18a 내지 도 18c는 OPA에서 사용될 수 있는 엔드-파이어 도파관들로부터의 빔 발산의 예를 도시한다. 도 18a는 각각의 방향에서의 빔의 발산의 상이한 척도들을 도시하며, 이는 빔 강도가 피크 빔 강도로부터 -10dB 아래로 떨어지는 지점들 사이의 전체 빔 각도로서 정의될 수 있다. 도 18a에서 알 수 있는 바와 같이, α 및 β는 각각 측면(X) 및 수직(Y) 방향에서의 빔의 10dB 원뿔 각도들이다. 도 18b를 참조하면, 도파관들의 폭(W) 및 높이(H)는 전폭 부분 및 테이퍼링된 단부 패싯 부분에 대해 도시된다. 이 예에서, 도파관들은 넓은 단면으로부터 더 좁은 단면으로 테이퍼링된다(폭 W는 감소되고 높이 H는 동일하게 유지됨). 도파관의 높이가 단부 패싯에서의 도파관의 폭보다 작게 유지되면, 출력 빔은 Y 방향으로 더 빠르게 발산한다. 도 18c에 도시된 바와 같이, 더 작은 도파관 높이는 β가 α보다 더 커지게 한다.
도 19는 하프 미러(half mirror)(1902)에 빔을 제공하는 OPA 칩(1900)의 예를 도시한다. 이 예에서, 포인팅 각도(1904)는 β/2보다 크다.　 이것은 OPA 칩(1900)에 의해 발생하는 임의의 빔 차단이 -10dB 미만의 강도로 제한되게 한다. 포인팅 각도(1904)는 점점 더 적은 빔 차단을 위해 훨씬 더 증가될 수 있지만, 우측의 거울 폭은 광 원뿔이 하프 미러(1902)의 우측으로 이동함에 따라 증가되어야 한다. 즉, 더 큰 빔 크기와 더 콤팩트한 디바이스 크기 사이에 절충이 있다.
도 20은 도 19에서와 같은 하프 미러 구성에 대해 ±60°의 광 원뿔을 갖는 OPA 칩으로부터 나오는 빔들의 어레이의 광선 추적을 도시한다. OPA 칩은 65°로 경사진다.　 광선들로부터 알 수 있는 바와 같이, 빔의 우측 절반은 이 경사로 인해 더 확산되고, 거울 상의 훨씬 더 큰 영역을 차지한다. 결과적으로, 하프-미러 시스템으로부터 나오는 빔은 빔의 우측에서 더 많은 Y 확산을 가지면서 비대칭일 것이다.
다른 고려사항은 광학 위상 어레이가 X(길이) 방향을 따라 광학 빔을 조향할 때 빔 시준(Y 확산)이다. 도 13a 및 도 13b에 도시된 바와 같이, Y 방향으로 빔을 시준하기 위해 일반 원통형 렌즈가 이용되면, X에 따른 조향은 출사 빔이 초점에서 벗어나 발산하게 한다. X 방향을 따라 조향되고 포물면 거울로 시준된 빔은 이러한 수차(디포커싱) 문제들을 겪지 않는다는 것을 알 수 있다.
도 21은 입사 평면파들을 포커싱하는 원통형 거울의 예를 도시한다. 가능한 디포커싱 문제는 직선 하향으로 입사하는 평면파의 초점 거리(f1)를, 이 예에서 Y를 따라 있는 거울의 길이를 따라 경사진 평면파의 초점 거리(f2)와 비교함으로써 조사될 수 있다. 도 21의 점 A를 타격하는 평면파에 대해, 연관된 파수 벡터 (k)가 도 22에 도시되어 있다. 파수 벡터의 관련 성분들은 다음과 같이 관련된다.
Figure pct00002
Figure pct00003
Figure pct00004
Figure pct00005
Figure pct00006
그리고, 예로서, 이론에 얽매이지 않고, 파동 방정식으로부터, 분산 관계를 갖는다.
Figure pct00007
따라서, 다음의 조건이 성립한다.
Figure pct00008
그리고, 각도는 다음과 같이 관련된다.
Figure pct00009
따라서, x축을 따른 초점 위치는 y축 입력 각도(
Figure pct00010
)의 함수가 아니라 입력 각도의 x 성분(
Figure pct00011
)의 함수일 뿐이다.
다음은 원통형 렌즈 예시에 대한 파수 벡터 성분 관계들의 예들이다.
Figure pct00012
Figure pct00013
Figure pct00014
Figure pct00015
Figure pct00016
Figure pct00017
Figure pct00018
따라서, x축을 따른 굴절각은 y축을 따른 입사각의 함수이다. 따라서, x축을 따른 초점 위치는 입력 각도의 y 성분(
Figure pct00019
)에 의해 영향을 받는다. 그리고, 따라서, 원통형 렌즈는 포커싱된 빔에 수차를 도입한다.
도 23에서 알 수 있는 바와 같이, 빔이 Z축을 따라 똑바로 아래로 거울에 비추어질 때, 빔은 거울의 중심에 있는 포물선의 초점에 포커싱한다. 도 24에 도시된 바와 같이, 빔이 X축을 따라 기울어질 때, 빔의 초점은 초점 평면 곡선(2400) 상에서 X 및 Z 방향 모두에서 이동한다.
이 특성은 시스템의 출력 빔들이 XZ 평면에서 회전(Y 축을 중심으로 한 회전) 되어야 하는 경우에 이용될 수 있다. 예를 들어, 도 25에 도시된 바와 같이, OPA 칩(2500)이 초점들의 위치를 따라 도시된 3개의 서로 다른 위치들로 이동되면, 시준된 출력 빔은 도시된 각각의 서로 다른 3개의 출력 각도들을 따라 XZ 평면에서 회전한다.
이 특성은 더 큰 각도 범위를 커버하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 거울(2602)을 따라 받침대들(2600)의 계단 구조물 상에 나란히 적층된 몇 개의 OPA 칩들에 대해, 상이한 각각의 중심 빔 각도들 주위의 각도 커버리지에서의 이러한 변화가 도 26a에서 보여질 수 있고, OPA 칩들 간의 차이는 Z 방향에서의 초점거리에 가까운 YZ 평면에서의 그들의 출력 도파관들 및 방출기들의 위치일 뿐이다. 각각의 OPA 칩은 Y 축을 따라 배열된 방출기 요소들의 선형 어레이를 포함한다. 방출기 요소들의 각각의 선형 어레이는 Y 축을 따른 다른 선형 어레이들에 관하여 오프셋된다(예를 들어, 이 예에서, OPA 칩들은 Y 축을 따라 중첩없이 나란히 있음). 방출기 요소들의 각각의 선형 어레이는 또한 Z 축을 따라 다른 선형 어레이들에 대해 오프셋된다. 선형 어레이들은 X 축을 따라 실질적으로 동일한 위치에 있다.
이 특성은 빔의 정적 중심이 XZ 평면에서 각도들의 범위를 커버하는 빔들의 세트를 허용한다. 그럼에도 불구하고, 도 26a에 도시된 이러한 구성에서, Y축(XY 평면에서)을 따른 조향만이 위상 제어를 제공받는다. 도 26b를 참조하면, 렌즈 기반 시스템들에 대해 도 7에 제시된 예와 유사하게, XZ 평면에서 조향 능력을 추가하기 위해, 회절/분산 플레이트(2604)가 파장이 변함에 따라 X 방향으로(즉, XZ 평면에서) 빔들을 조향하기 위해 거울(2602)의 전방에 추가될 수 있다. 이 시스템의 단면도가 도 27에 도시되어 있다. Y 방향(페이지 안/밖)을 따른 OPA(2700)의 조향은 OPA(2700) 내의 위상 시프터들에 의해 적용된 위상들을 사용하여 수행되고, 측방 조향은 거울(2704)로부터의 반사 후에 2차 조향 요소(2702)(예를 들어, 회절/분산 플레이트)를 사용하여 수행된다.
여기서 논의된 2차원 조향 능력은 LiDAR 센서 시스템들에 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 28을 참조하면, 2개의 거울 기반 OPA 시스템들이 나란히 배치될 수 있으며, 둘 다는 OPA 위상 제어 및 2차 조향 요소로서 사용되는 회절/분산 플레이트를 모두 사용하여 동일한 방향들로 조향한다. 이 예에서, Tx 위상 어레이 시스템(2800)은 출사 빔에서 광학 에너지의 송신기로서 동작하고, Rx 위상 어레이 시스템(2802)은 수집된 빔에서 후방 산란된 광을 수집한다. 예를 들어, FMCW 또는 비행 시간 검출 방식들을 이용하여, 물체(2804)까지의 거리 및 그 속도가 측정될 수 있다(도플러 천이 검출로).
도 29에서 알 수 있는 바와 같이, LiDAR 센서 시스템은 또한 적어도 하나의 송신기(Tx) 유닛(2900) 및 다수의 수신기(Rx) 유닛들(2902)을 포함하도록 구성될 수 있으며, 이는 LiDAR 센서 시스템의 집광 능력 및 범위를 증가시키기 위해 이용될 수 있다.
대안적으로, 도 30a에 도시된 바와 같이, 하나의 오목한 시준 거울(3000)은 더 콤팩트한 시스템을 위해 몇 개의 Tx 및 Rx OPA 칩들(3002)의 배열과 함께 이용될 수 있다. OPA 칩들(3002)은 이 예에서 X 방향을 따라 적층되고, OPA 칩들(3002) 모두에 대해 Y 조향을 수행하기 위해 하나의 회절 광학 요소(3004)만이 사용된다. 예를 들어, WDM 또는 서큘레이터 컴포넌트들이 이용되는 경우, 동일한 OPA 칩이 송신 및 수신 모두를 수행하도록 구성될 수 있는 것 또한 가능하다. 대안적으로, 도 30b는 한 쌍(3006)의 TX 및 RX OPA 칩들을 동일한 거울(3000)의 전방에 나란히 배열함으로써 각각의 단말의 거울 및 회절 광학계가 단순화될 수 있는 예를 도시한다.
도 31은 2개의 OPA 기반 Tx/Rx 송수신기 시스템들의 예를 도시하고, 이는 자유 공간 광학 빔들로 WDM 하이 데이터 레이트 통신 시스템을 구현하기 위해 사용될 수 있는 광학 링크의 각각의 단부에 있는 로컬 단말(3100) 및 원거리 단말(3102)을 포함한다.
회절/분산 요소, 또는 다른 2차 조향 요소를 사용하는 2차 조향은 다양한 상이한 방식들로 수행될 수 있다. 예를 들어, 일부 2차 조향 기술들은 광의 편광 상태에 의존한다. 도 32a를 참조하면, OPA 칩(3200)으로부터의 빛의 편광 상태가 횡방향 전기(TE)와 유사한(Ex 우세, 여기서 Ex는 x-방향 전기장의 성분임) 경우, 오목 거울(3202)에 부딪히는 빛은 S-편광(Ex)될 것이고, 회절 요소(3204)(또는 다른 형태의 분산 요소와 같은 다른 2차 조향 요소)에 부딪히는 빛에 대해서도 마찬가지이다. 회절 요소(3204)에 의한 YZ 평면에서의 빛의 조향 효율에 따라, 빛의 편광은 OPA 칩(3200)에서(예를 들어, 횡방향 자기(TM)와 유사한 편광으로 변환함으로써), 또는 회절 요소 이전/이후에 회전될 수 있다.　 도 32b는 오목 거울(3202)과 회절 요소(3204) 사이에 위치한 편광 회전기(3206)를 갖는 예를 도시한다.　 대안적으로, 회절 요소(3204)(또는 다른 형태의 분산 요소)는 편광에 둔감하도록 설계될 수 있다.
2차 조향에 사용되는 회절/분산 요소에 대한 최적 편광을 결정한 후에, 조향 범위, 속도, 필요한 연속 조향 대 이산 조향, 및/또는 삽입 손실이 2차 조향 메커니즘의 선택을 결정하는 데 사용될 수 있다. 비교적 간단한 회절/분산 요소, 잠재적으로 더 복잡한 레이저, 및 광자 칩들을 사용하는 하나의 조향 방법은 2차 조향 메커니즘을 구현하기 위해 파장 변화를 이용한다.　 예를 들어, 도 32c는 OPA 칩(3200)에 빛을 제공하는 튜닝 가능한 레이저(3208)를 포함한다.　 튜닝 가능한 레이저(3208)에 의해 제공되는 빛의 파장은 특정 파장 범위(예컨대, 1400 내지 1600 nm)에 걸쳐 튜닝될 수 있다.　 파장의 변화는 반사 회절 요소(3210) 후에 빔의 분산 기반 조향을 유도한다.　 예를 들어, 반사 회절 요소(3210)는 격자일 수 있다. 도 33a는 입사광(3300)의 빔이 격자(3302)에서 반사되고, 회절된 빔 방향이 파장 의존적인 예를 도시한다.　 추가 격자(3304)를 포함하는 도 33b에 도시된 바와 같이, 다수의 격자들을 이용하여 이 효과를 향상시키는 것도 가능하다. LIDAR에 사용될 때, 원하지 않는 회절 차수들은, (예를 들어, 미사용 회절 차수들로부터의) 원하지 않는/불필요한 반사들이 LIDAR 시스템 내로 다시 전파되는 것을 방지하기 위해, 배플들 또는 다른 형태의 광기계적 어셈블리로 차단될 수 있다.
대안으로서, 전기 광학, 액정, 또는 메타 표면 회절을 갖는 튜닝 가능한 격자 구조물들이 파장 튜닝 대신에, 또는 파장 튜닝과 함께 이용될 수 있다.
분산 요소는 분산 요소의 각도 분산에 기초하여 조향을 제공할 수 있다. 예를 들어, 빔 조향 장치는 제1 차원에서 위상 시프터 조향을 갖고 포커싱 요소에 입사하는 광을 제공하는 광학 위상 어레이를 포함할 수 있고, 광학 위상 어레이는 하나 이상의 후속 빔 조향 요소에 제공되는 시준된 빔을 생성하며, 후속 빔 조향 요소는 위상 시프터 차원에 더하여 제2 차원에서 2차 조향을 제공한다. 하나 이상의 빔 조향 요소는 입력 광의 파장에 기초하여 조향하는 분산 요소일 수 있다. 광학 위상 어레이에 결합된 튜닝 가능한 레이저 소스가 Δλ nm의 광학 대역폭을 갖는 경우, ∂θ/∂λ의 각도 분산 값을 갖는 분산 요소는 파장 기반 조향을 달성하기 위해 Δθ = (∂θ/∂λ) x Δλ 도의 파장 변화 함수로서 각도 변화를 제공할 수 있다.　
분산 요소는 예를 들어 격자와 같은 회절 요소, 프리즘과 같은 굴절 요소, 양자의 조합, 또는 소정의 다른 분산 요소일 수 있다. 일부 구현들에서, 시스템의 각도 분산을 증가시키기 위해 광학 웨지가 또한 사용될 수 있다.
도 34, 도 35a 내지 도 35c, 및 도 36은 조향 요소들로서 사용되는 굴절 요소들의 예들을 도시한다.
도 34는 파장 기반 조향을 제공하기 위해 사용되는 프리즘/웨지 굴절 요소(3402)에 제공되는 시준된 입력 빔(3400)의 3D 사시도를 도시한다. 입력 빔(3400)은, 예를 들어, 본 명세서에 기술되는 다양한 구현들에서와 같이, 광학 위상 어레이 및 원통형 거울 이후에 오는 빔을 사용함으로써 시준될 수 있다. 이 예에서, 굴절각이 파장 의존적이기 때문에, 입력 빔(3400)이 3개의 상이한 각자의 파장으로 튜닝될 때 입력 빔(3400)이 3개의 상이한 각도로 분산된다.
도 35a는, 도 34에 도시된 예와 유사하게, 파장-기반의 조향을 제공하기 위해 이용되는 프리즘/웨지 굴절 요소(3502)에 제공되는 시준된 입력 빔(3500)의 2D 측면도를 도시하며, 여기서, 파장 튜닝은 이 측면도의 평면에서 조향을 제공하기 위해 이용된다.
도 35b는 파장 튜닝이 조향을 위해 사용될 때 파장 기반 시야를 더 증가시키기 위해 사용되는 프리즘/웨지(3502) 및 후속 프리즘/웨지(3504)를 사용하여 분산되는 시준된 입력 빔(3500)의 2D 측면도를 도시한다.
도 35c는 각도 분산을 더 증가시키기 위해 프리즘/웨지 굴절 요소(3508)가 뒤따르는 회절 격자(3506)(투과에 사용됨)를 사용하여 분산되는 시준된 입력 빔(3500)의 2D 측면도를 도시한다. 회절 격자(3506)는 반사 대신에 투과를 제외하고는, 예를 들어, 도 33a에 도시된 바와 같이, 특정 회절 차수로 고효율 회절 빔을 생성한다.　 그러나, 어느 정도의 빛은 여전히 원하지 않는 다른 회절 차수들로 지향될 수 있다.　 LIDAR에 대해 사용되는 경우, 그러한 원하지 않는 회절 차수들로부터의 빛은 일부 먼 타겟들로 전파되고, LIDAR 시스템 내로 다시 반사되며, 측정에 사용되는 특정 회절 차수로부터의 동작 복귀 신호를 압도할 수 있다.　 이것은 광 배플들 또는 광기계적 어셈블리를 이용하여 그러한 원하지 않는 회절 차수들을 차단함으로써 완화될 수 있다.
도 36은 OPA 칩(3600), 이어서 원통형 거울(3602), 이어서 곡면 회절 요소(3604)(예를 들어, 투과에 사용되는 회절 격자)를 포함하는 예시적인 시스템을 도시한다.
이러한 예들에 대한 다양한 대안들이 사용될 수 있다. 도 34(3D 도면), 및 도 35a(동일한 구성에 대한 2D 도면)의 예를 다시 참조하면, 프리즘/웨지(3402 및 3502)는 위상-기반 조향 메커니즘을 사용하는 조향이 전체 수평(위상-기반) 각도 시야에 대해 업스트림 광학 위상 어레이 및/또는 시준기 요소로부터 오는 빛을 캡처할 수 있도록 2D 도면에 수직인 차원(즉, x-차원, 페이지 밖)에서 충분히 길어야 한다. 추가적으로, 도 35b의 예(이 예에서, 2개의 프리즘들을 가짐)에 도시된 바와 같이, 임의의 수의 프리즘들이 각도 분산을 더 증가시키기 위해 캐스케이드될 수 있다.　 특정 범위의 조향각에 대해, 2-프리즘 시스템의 분산은 단일 프리즘 분산의 2배이고, 이는 프리즘의 수에 따라 더 스케일링될 수 있다. 프리즘은 각도 분산을 최대화하도록 설계될 수 있다.　 회절 격자는 분산 요소로서 유사하게 사용될 수 있다. 프리즘/웨지(들)의 굴절률 뿐만 아니라 정점 각도는 각도 분산의 양을 제어한다. 회절 격자는 투과 또는 반사에 사용될 수 있다. 회절 효율, 각도 분산, 편광에 대한 둔감성, 및 전체 크기 사이의 올바른 균형을 갖는 구성이 선택될 수 있다. 시스템의 각도 분산을 증가시키고, 따라서 그 차원에서 각도 FOV를 증가시키기 위해 다수의 회절 격자들이 차례로 적층될 수 있다. 도 35c는 투과 회절 격자(3506) 다음에 광학 프리즘/웨지(3508)가 이어지는 예를 도시한다. 투과 회절 격자(3506)는 시스템에 대한 초기 파장 기반 FOV를 제공하는 반면, 광학 프리즘/웨지(3508)는 빔 발산을 훨씬 더 증가시킨다. 발산 빔이 광학 프리즘/웨지에 입사하면, 빔의 각도 발산이 더 증가될 수 있다.　　
투과 회절 격자가 위상 시프터들에 의해 제공되는 수평 시야를 통과하고, 높은 회절 효율을 유지하기 위해, 투과 회절 격자 내로의 입사각은 수직 입사각이 되도록 구성될 수 있다. 이는 곡면 회절 요소(예를 들어, 회절 격자)를 가짐으로써 달성될 수 있고, 이러한 구성의 일 예시가 도 36에 도시되어 있다. 이는 본 구성이 회절 요소 상으로의 다른 큰 입사각(위상 시프터 기반 조향)을 완화하도록 허용한다.
본 개시 내용이 특정 실시예들과 관련하여 설명되었지만, 본 개시 내용은 개시된 실시예들에 제한되는 것이 아니라, 오히려, 첨부된 청구항들의 범위 내에 포함되는 다양한 변형들 및 등가의 배열들을 포괄하도록 의도되며, 이 범위는 법률 하에서 허용되는 바와 같은 모든 이러한 변형들 및 등가의 구조들을 포함하도록 가장 넓은 해석에 따라야 한다는 점이 이해되어야 한다.

Claims (49)

  1. 장치로서,
    광학 위상 어레이(optical phased array)를 포함하는 광자 집적 회로(photonic integrated circuit),
    상기 광학 위상 어레이에 대해 고정된 위치에 있고, 상기 광학 위상 어레이로 광학 빔을 결합하거나 또는 상기 광학 위상 어레이로부터의 광학 빔을 결합하도록 구성된 포커싱 요소, 및
    상기 포커싱 요소에 대해 고정된 위치에 있고, 상기 광학 빔을 상기 포커싱 요소로 조향(steer)하거나 또는 상기 포커싱 요소로부터의 상기 광학 빔을 조향하도록 구성된 조향 요소
    를 포함하고, 상기 포커싱 요소 또는 상기 조향 요소 중 적어도 하나는 상기 광자 집적 회로에 외부적으로 결합되는, 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 조향 요소는 분산 요소(dispersive element)를 포함하는, 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 분산 요소는 회절 요소를 포함하는, 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 분산 요소는 굴절 요소를 포함하는, 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 굴절 요소는 프리즘을 포함하는, 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 포커싱 요소는 렌즈를 포함하는, 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 포커싱 요소는 반사 표면을 포함하는, 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 광자 집적 회로, 상기 포커싱 요소, 및 상기 조향 요소는 LiDAR 시스템의 적어도 일부에 포함되는, 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 광자 집적 회로, 상기 포커싱 요소, 및 상기 조향 요소는 통신 시스템의 자유 공간 광학 링크(free space optical link)의 적어도 일부에 포함되는, 장치.
  10. 장치로서,
    광학 위상 어레이,
    상기 광학 위상 어레이에 대해 고정된 위치에 있고, 광학 빔을 상기 광학 위상 어레이로 재지향시키거나 또는 상기 광학 위상 어레이로부터의 광학 빔을 재지향시키도록 구성된 반사 표면, 및
    상기 반사 표면에 대해 고정된 위치에 있고, 상기 광학 빔을 상기 반사 표면으로 조향하거나 또는 상기 반사 표면으로부터의 상기 광학 빔을 조향하도록 구성된 조향 요소
    를 포함하는, 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 반사 표면은 상기 광학 빔이 상기 광학 위상 어레이로부터 재지향될 때 적어도 제1 평면에서 상기 광학 빔을 실질적으로 시준하도록 성형되는(shaped), 장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 광학 위상 어레이의 안테나 요소들에 광학파(optical wave)를 제공하도록 구성된 광학 소스를 더 포함하는, 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 안테나 요소들 간의 상대적인 위상 시프트들은 상기 제1 평면에 수직인 제2 평면에서 상기 광학 위상 어레이로부터 방출된 상기 광학 빔의 조향을 제공하는, 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 조향 요소는 회절 요소를 포함하고, 상기 광학 소스는 상기 광학 위상 어레이의 상기 안테나 요소들에 제공되는 상기 광학파의 파장을 튜닝하도록 구성되는 튜닝 가능한 광학 소스를 포함하고, 튜닝된 파장은 상기 제1 평면에서 상기 회절 요소로부터 방출되는 상기 광학 빔의 조향을 제공하는, 장치.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 조향 요소는 상기 제1 평면에서 상기 빔을 조향하기 위해 전자적으로 튜닝되도록 구성되는 회절 요소를 포함하는, 장치.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 광학 위상 어레이, 상기 반사 표면, 및 상기 조향 요소는 LiDAR 시스템의 적어도 일부에 포함되는, 장치.
  17. 제10항에 있어서,
    상기 광학 위상 어레이, 상기 반사 표면, 및 상기 조향 요소는 통신 시스템의 자유 공간 광학 링크의 적어도 일부에 포함되는, 장치.
  18. 장치로서,
    광학 위상 어레이,
    상기 광학 위상 어레이에 대해 고정된 위치에 있고, 광학 빔을 상기 광학 위상 어레이로 결합하거나 또는 상기 광학 위상 어레이로부터의 광학 빔을 결합하도록 구성된 렌즈, 및
    상기 렌즈에 대해 고정된 위치에 있고, 상기 광학 빔을 상기 렌즈로 조향하거나 또는 상기 렌즈로부터의 상기 광학 빔을 조향하도록 구성된 조향 요소
    를 포함하는, 장치.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 렌즈는 상기 광학 빔이 상기 광학 위상 어레이로부터 결합될 때 적어도 제1 평면에서 상기 광학 빔을 실질적으로 시준하도록 성형되는, 장치.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 광학 위상 어레이의 안테나 요소들에 광학파를 제공하도록 구성된 광학 소스를 더 포함하는, 장치.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 안테나 요소들 간의 상대적인 위상 시프트들은 상기 제1 평면에 수직인 제2 평면에서 상기 광학 위상 어레이로부터 방출된 상기 광학 빔의 조향을 제공하는, 장치.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 조향 요소는 회절 요소를 포함하고, 상기 광학 소스는 상기 광학 위상 어레이의 상기 안테나 요소들에 제공되는 상기 광학파의 파장을 튜닝하도록 구성되는 튜닝 가능한 광학 소스를 포함하고, 튜닝된 파장은 상기 제1 평면에서 상기 회절 요소로부터 방출되는 상기 광학 빔의 조향을 제공하는, 장치.
  23. 제21항에 있어서,
    상기 조향 요소는 상기 제1 평면에서 상기 빔을 조향하기 위해 전자적으로 튜닝되도록 구성되는 회절 요소를 포함하는, 장치.
  24. 제18항에 있어서,
    상기 광학 위상 어레이는 광자 집적 회로 내에 형성된 각각의 광학 도파관들에 결합되는 복수의 안테나 요소들을 포함하는, 장치.
  25. 제18항에 있어서,
    상기 광학 위상 어레이, 상기 렌즈, 및 상기 조향 요소는 LiDAR 시스템의 적어도 일부에 포함되는, 장치.
  26. 제18항에 있어서,
    상기 광학 위상 어레이, 상기 렌즈, 및 상기 조향 요소는 통신 시스템의 자유 공간 광학 링크의 적어도 일부에 포함되는, 장치.
  27. 장치로서,
    복수의 광학 위상 어레이들, 및
    상기 광학 위상 어레이들에 대해 고정된 위치에 있고, 상기 광학 위상 어레이들로부터 광학 빔들을 수신하도록 구성된 포커싱 요소
    를 포함하고, 상기 포커싱 요소는 적어도 제1 평면에서 상기 광학 빔들을 실질적으로 시준하도록 위치되고 구성되는, 장치.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 광학 위상 어레이들 및 상기 포커싱 요소는 LiDAR 시스템의 적어도 일부에 포함되는, 장치.
  29. 제27항에 있어서,
    상기 광학 위상 어레이들 및 상기 포커싱 요소는 통신 시스템의 자유 공간 광학 링크의 적어도 일부에 포함되는, 장치.
  30. 제27항에 있어서,
    상기 복수의 광학 위상 어레이들은 각각의 받침대 상에 배열되고, 각각의 광학 위상 어레이는 제1 축을 따라 배열된 방출기 요소들의 선형 어레이를 포함하고, 상기 방출기 요소들의 각각의 선형 어레이는 상기 제1 축을 따라 다른 선형 어레이들에 대해 오프셋되고, 상기 제1 축에 수직인 제2 축을 따라 다른 선형 어레이들에 대해 오프셋되는, 장치.
  31. 장치로서,
    광학 위상 어레이, 및
    상기 광학 위상 어레이에 대해 고정된 위치에 있고, 상기 광학 위상 어레이로부터 광학 빔을 수신하도록 구성된 포커싱 조향 요소
    를 포함하고, 상기 포커싱 조향 요소는 적어도 제1 평면에서 상기 광학 빔을 실질적으로 시준하고, 상기 제1 평면에서 상기 광학 빔을 조향하도록 구성되는, 장치.
  32. 제31항에 있어서,
    상기 포커싱 조향 요소는 포커싱 회절 요소를 포함하는, 장치.
  33. 제31항에 있어서,
    상기 광학 위상 어레이 및 상기 포커싱 조향 요소는 LiDAR 시스템의 적어도 일부에 포함되는, 장치.
  34. 제31항에 있어서,
    상기 광학 위상 어레이 및 상기 포커싱 조향 요소는 통신 시스템의 자유 공간 광학 링크의 적어도 일부에 포함되는, 장치.
  35. 장치로서,
    광학 위상 어레이, 및
    상기 광학 위상 어레이에 대해 고정된 위치에 있고, 광학 빔을 수신하고 상기 광학 위상 어레이에 상기 광학 빔을 재지향하도록 구성된 반사 포커싱 요소
    를 포함하는, 장치.
  36. 제35항에 있어서,
    상기 반사 포커싱 요소는 반사 표면을 포함하는, 장치.
  37. 제36항에 있어서,
    상기 반사 포커싱 요소에 대해 고정된 위치에 있고, 상기 광학 빔을 상기 반사 표면으로 투과시키도록 구성된 회절 요소를 더 포함하는, 장치.
  38. 제37항에 있어서,
    상기 회절 요소는 곡면 회절 요소를 포함하고, 상기 곡면 회절 요소는 상기 곡면 회절 요소를 통해 상기 광학 빔을 투과시키는, 장치.
  39. 제35항에 있어서,
    상기 광학 위상 어레이 및 상기 반사 포커싱 요소는 LiDAR 시스템의 적어도 일부에 포함되는, 장치.
  40. 제35항에 있어서,
    상기 광학 위상 어레이 및 상기 반사 포커싱 요소는 통신 시스템의 자유 공간 광학 링크의 적어도 일부에 포함되는, 장치.
  41. 제1항에 있어서,
    상기 광학 위상 어레이의 안테나 요소들에 광학파를 제공하도록 구성된 광학 소스를 더 포함하는, 장치.
  42. 제41항에 있어서,
    상기 안테나 요소들 간의 상대적인 위상 시프트들은 제1 평면에서 상기 광학 위상 어레이로부터 방출된 상기 광학 빔의 조향을 제공하는, 장치.
  43. 제42항에 있어서,
    상기 조향 요소는 분산 요소를 포함하고, 상기 광학 소스는 상기 광학 위상 어레이의 상기 안테나 요소들에 제공되는 상기 광학파의 파장을 튜닝하도록 구성되는 튜닝 가능한 광학 소스를 포함하고, 튜닝된 파장은 상기 제1 평면에 수직인 제2 평면에서 상기 분산 요소로부터 방출되는 상기 광학 빔의 조향을 제공하는, 장치.
  44. 제1항에 있어서,
    상기 광학 위상 어레이의 안테나 요소들 간의 상대적인 위상 시프트들은 제1 평면에서 상기 광학 위상 어레이로부터 방출된 상기 광학 빔의 조향을 제공하고, 상기 조향 요소는 상기 제1 평면에 수직인 제2 평면에서 상기 광학 빔의 조향을 제공하는, 장치.
  45. 제44항에 있어서,
    상기 안테나 요소들 간의 상기 상대적인 위상 시프트들은 각각의 안테나 요소들에 결합된 각각의 위상 시프터들을 통해 적용되는, 장치.
  46. 제10항에 있어서,
    상기 광학 위상 어레이의 안테나 요소들 간의 상대적인 위상 시프트들은 제1 평면에서 상기 광학 위상 어레이로부터 방출된 상기 광학 빔의 조향을 제공하고, 상기 조향 요소는 상기 제1 평면에 수직인 제2 평면에서 상기 광학 빔의 조향을 제공하는, 장치.
  47. 제18항에 있어서,
    상기 광학 위상 어레이의 안테나 요소들 간의 상대적인 위상 시프트들은 제1 평면에서 상기 광학 위상 어레이로부터 방출된 상기 광학 빔의 조향을 제공하고, 상기 조향 요소는 상기 제1 평면에 수직인 제2 평면에서 상기 광학 빔의 조향을 제공하는, 장치.
  48. 제2항에 있어서,
    상기 분산 요소는 적어도 2개의 프리즘들을 포함하는, 장치.
  49. 제2항에 있어서,
    상기 분산 요소는 적어도 하나의 회절 격자 및 적어도 하나의 프리즘을 포함하는, 장치.
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