KR20230163873A - 광도파로 위상 제어 어레이를 이용한 빔 스캐닝 소자의 고속 빔포밍 방법 - Google Patents

Abstract

광도파로 위상 제어 어레이를 이용한 빔 스캐닝 소자의 고속 빔포밍 방법은 빔포밍을 수행할 파필드의 한 지점을 선정하는 단계, 위상변조 어레이를 이용하여 n 번째 채널의 위상을 독립적으로 변조하는 단계, 상기 n 번째 채널의 위상 변조에 따른 상기 파필드의 한 지점의 광파워 변화로부터 상기 n 번째 채널에 대한 위상 보정값을 계산하는 단계, 및 상기 위상변조 어레이를 이용하여 각 채널의 위상 보정값만큼 각 채널의 위상을 변조하는 단계를 포함한다.

Description

광도파로 위상 제어 어레이를 이용한 빔 스캐닝 소자의 고속 빔포밍 방법{FAST BEAMFORMING METHOD FOR BEAM SCANNING DEVICE USING OPTICAL WAVEGUIDE PHASED ARRAY}

본 발명은 광도파로 위상 제어 어레이를 이용한 빔 스캐닝 소자의 고속 빔포밍 방법에 관한 것이다.

광도파로 어레이를 통과하여 출력부에 도달한 빛들은 자유공간으로 나아가면서 하나의 빔을 형성하게 된다. 이때, 광도파로 어레이의 각 채널을 통과하는 빛의 위상을 조절하면 출력 빔의 진행 각도를 제어할 수 있으며, 이러한 장치를 광위상배열(optical phased array, OPA)이라고 한다.

라이다(light detection and range, LiDAR)란 목표물에 빛을 쏘고 반사된 광신호로부터 대상의 거리와 속도, 방향, 형태 등을 측정하는 기술로써 기상학, 지질학, 지리학 분야에서 사용되다가 최근에는 자율주행 자동차 및 무인기기에 적용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.

현재 상용화되어 있는 기계식 라이다와는 달리 광위상배열을 이용하여 라이다를 제작하면 기계적 회전부 또는 MEMS(micro-electro-mechanical systems) 소자 없이 빔 스캐닝이 가능하여 안정성이 높고 광직접회로 기술을 이용하면 소형화가 가능하며 대량생산에 유리한 장점을 지닌다.

광위상배열 소자의 제작공정에서 발생하는 미세한 광도파로 패턴 폭 차이로 인하여 출력광은 위상오차를 가지게 되며 이를 보정하는 빔포밍 작업이 필수적이다. 기존에 존재하는 광위상배열을 위한 빔포밍 방법으로는 경사하강법(graident descent algorithm), 유전 알고리즘(genetic algorithm) 등이 있으나, 이 방법들은 모두 여러 번의 반복 시행을 통하여 빔포밍을 수행하므로 빔포밍을 완료하는데 너무 많은 시간을 소요한다는 문제점이 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 완성된 광위상배열 소자에서 각 채널의 위상을 변조시켰을 때 소자에서 출력되는 파필드 프로파일(far-field profile)의 한 지점에서 관측되는 광파워 변화를 분석하여, 채널별 위상 오차를 반복 시행 없이 보정할 수 있는 간단하고 빠른 빔포밍 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 광도파로 위상 제어 어레이를 이용한 빔 스캐닝 소자의 고속 빔포밍 방법은 빔포밍을 수행할 파필드의 한 지점을 선정하는 단계, 위상변조 어레이를 이용하여 n 번째 채널의 위상을 독립적으로 변조하는 단계, 상기 n 번째 채널의 위상 변조에 따른 상기 파필드의 한 지점의 광파워 변화로부터 상기 n 번째 채널에 대한 위상 보정값을 계산하는 단계, 및 상기 위상변조 어레이를 이용하여 각 채널의 위상 보정값만큼 각 채널의 위상을 변조하는 단계를 포함한다.

상기 n이 1부터 N이 될 때까지 상기 n 번째 채널의 위상을 독립적으로 변조하는 단계 및 상기 n 번째 채널에 대한 위상 보정값을 계산하는 단계가 반복하여 수행되어 복수의 채널 각각에 대한 위상 보정값이 계산될 수 있다.

상기 복수의 채널 각각마다 위상변조를 5회 이하로 실시하여 상기 파필드의 한 지점의 광파워 변화가 측정될 수 있다.

상기 파필드의 한 지점의 광파워 변화 값을 최소 자승법을 통하여 사인 곡선 일치를 수행하여 상기 n 번째 채널에 대한 위상 보정값을 계산할 수 있다.

파필드 이미지 상에서 보강 간섭으로 인해 상대적으로 밝게 보이는 한 점을 상기 빔포밍을 수행할 파필드의 한 지점으로 선정할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 광도파로 위상 제어 어레이를 이용한 빔 스캐닝 소자의 고속 빔포밍 방법은 채널별 위상 오차를 반복 시행 없이 보정할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 광도파로 위상 제어 어레이를 이용한 빔 스캐닝 소자의 고속 빔포밍 방법은 광위상배열의 초기 위상오차를 보정하여 흩어져 있는 출력 빔을 한 점으로 모을 수 있으며, 이를 통해 라이다 장비에서 정밀하고 안정적인 빔 스캐닝 동작을 수행할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 광도파로 위상 제어 어레이를 이용한 빔 스캐닝 소자의 고속 빔포밍 방법은 기존 빔포밍 방법에 비해 가장 빠른 빔포밍 속도를 보일 뿐만 아니라 빔포밍을 통해 완성되는 메인 빔의 완성도 또한 뛰어나다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 광도파로 위상 제어 어레이를 이용한 빔 스캐닝 소자의 고속 빔포밍 방법을 실제로 제작된 광위상배열에 적용한 경우에도 시뮬레이션 결과와 마찬가지로 초기에 흩어져 있던 출력 빔이 한 점으로 잘 모이게 되는 것을 확인할 수 있으며 빔 스캐닝 또한 문제없이 되는 것을 확인할 수 있어 라이다 시스템 동작에 있어 신뢰성을 크게 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광도파로 위상 제어 어레이를 이용한 빔 스캐닝 소자 및 그 출력부에서의 니어필드 패턴, 그리고 파필드 패턴을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광도파로 위상 제어 어레이를 이용한 빔 스캐닝 소자의 고속 빔포밍 방법을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광도파로 위상 제어 어레이를 이용한 빔 스캐닝 소자의 고속 빔포밍 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 빔 스캐닝 소자의 고속 빔포밍 방법을 유전 알고리즘 및 경사하강법과 비교한 시뮬레이션 결과를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 빔 스캐닝 소자의 고속 빔포밍 방법을 유전 알고리즘 및 경사하강법과 비교한 시뮬레이션 결과를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 빔 스캐닝 소자의 고속 빔포밍 방법을 실험하기 위해 제작된 OPA 소자를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 실제 제작된 OPA 소자를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따라 제작된 OPA 소자의 실험한 결과를 나타낸다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따라 제작된 OPA 소자의 빔포밍을 완료한 후의 빔 조향을 나타낸다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

또한, 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 있는 것을 의미한다.

이하, 도 1 및 2를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 광도파로 위상 제어 어레이를 이용한 빔 스캐닝 소자의 고속 빔포밍 방법에 대하여 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광도파로 위상 제어 어레이를 이용한 빔 스캐닝 소자 및 그 출력부에서의 니어필드 패턴, 그리고 파필드 패턴을 나타낸다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광도파로 위상 제어 어레이를 이용한 빔 스캐닝 소자의 고속 빔포밍을 위해 위상 보정값을 찾는 방법을 나타낸다.

도 1 및 2를 참조하면, 광도파로 위상 제어 어레이를 이용한 빔 스캐닝 소자(10)는 광원(11), 다중 빔 스플리터(beam splitter)(12), 위상변조 어레이(13) 및 빔 집중기(beam concentrator)(14)를 포함할 수 있다. 빔 스캐닝 소자(10)를 광위상배열(optical phased array, OPA) 소자라고 지칭할 수 있다.

광원(11)은 레이저 빔을 생성하여 하나의 광도파로(optical waveguide)로 입사한다. 광원(11)은 레이저 빔을 생성할 수 있는 레이저 다이오드를 포함할 수 있다.

다중 빔 스플리터(12)는 하나의 광도파로에 입사된 레이저 빔을 복수의 채널(N개 채널의 광도파로)로 나눌 수 있다. 다중 빔 스플리터(12)는 1×N 빔 스플리터로써 Y-branch 또는 MMI(multimode interference)를 연결한 형태로 구현될 수 있다.

위상변조 어레이(13)는 복수의 채널로 나누어진 레이저 빔의 위상을 채널별로 독립적으로 제어할 수 있다. 위상변조 어레이(13)는 광도파로 상부에 얇은 금속박막 히터(히터 전극)를 올려서 제작될 수 있다. 즉, 위성변조 어레이(13)는 광도파로와 히터 전극으로 구현될 수 있다.

빔 집중기(14)는 복수의 채널의 광도파로의 어레이 간격을 줄여서 복수의 채널의 레이저 빔을 출력부를 통해 자유공간으로 출력할 수 있다. 즉, 빔 집중기(14)는 위상변조 어레이(13)를 지난 레이저 빔들이 자유공간으로 출력되기 전에 일정한 간격으로 모이도록 만드는 광도파로 형태로 구현될 수 있다.

제어 회로를 포함하는 제어 보드, 제어 알고리즘을 저장하고 있는 컴퓨터 등을 통해 빔 스캐닝 소자(10)의 전반적인 동작 제어가 수행될 수 있다.

출력부 각각의 광도파로에서 출력되는 빛의 전기장(electric field)(이를 니어필드(near-field)라 한다)을 가우시안 프로파일(Gaussian profile) 형태로 간략하게 나타낼 때, 광도파로의 위치가 만큼 떨어져 있는 여러 광도파로의 출력광들을 모두 합쳐서 OPA 출력부의 전기장 분포 를 수학식 1과 같이 표현할 수 있다.

여기서, 은 가우시안 프로파일의 진폭(amplitude)이고, 은 가우시안 프로파일의 빔 웨이스트(beam waist)이고, 는 채널을 통과한 도파광의 위상 값이다.

이후, 출력된 빛이 먼 거리를 진행한 후 파필드(far-field)를 형성하게 된다. 이때, 출력 각도 에 따른 파필드 패턴 는 각 공간 주파수(angular spatial frequency) 의 함수로 표현될 수 있다. 수학식 2와 같이, 파필드 패턴 는 의 푸리에 변환(Fourier transform)을 통하여 구할 수 있으며 파필드 진폭(far-field amplitude) 와 위상(phase) 의 합으로 나타낼 수 있다.

파필드 패턴이 형성된 인 평면상에서 상대적으로 강한 빛이 형성된 특정 한 지점을 정하고 해당 지점에 도달한 전기장의 값 를 수학식 3과 같이 정의할 수 있다.

여기서, 와 는 지점에 도달한 모든 전기장을 합쳤을 때 나타나는 파동의 진폭과 위상을 의미한다.

본 발명의 실시예에 따른 빔 스캐닝 소자(10)의 고속 빔포밍 방법은 위상을 맞추는 빔포밍 과정에서는 n번째 채널의 위상 값만 독립적으로 변화시킬 때 에 미치는 영향을 고려한다. n번째 채널을 통과해서 지점에 도달한 전기장을 로부터 제거한 뒤, 그 제거된 전기장 값에 만큼 위상을 변화시켜 다시 더해주면 수학식 4와 같은 변조된 전기장 값을 얻을 수 있다.

값에서 n번째 채널의 영향을 배제한 값을 로 정의하고, 이를 벡터로 표현하면 도 2와 같다. 이후 n번째 채널을 통과한 빛의 위상을 변조시키면 n 번째 채널 전기장 벡터가 그리는 원을 따라 가 변하게 된다. 의 강도(intensity)를 구하기 위해서 수학식 4의 절대값 제곱(absolute square)을 구하면 수학식 5와 같다.

수학식 5는 n번째 채널의 위상 변화 에 대하여 값이 정현파(sinusoidal) 함수로 나타나는 것을 보여준다. 또한 가 최대값을 가지도록 하는 위상 보정값은 라는 것을 알 수 있다. 위상을 찾기 위해 각각의 채널의 위상을 변화시키면서 값의 변화를 구하게 되는데, 이때 최소 자승법(least square approximation, LSA)을 사용하여 사인 곡선 일치(sin curve fitting)를 수행하면 빠른 시간 내에 각 채널별 위상 보정값 을 찾을 수 있다.

n 번째 채널의 위상 변화 에 따른 파필드의 한 점의 강도(intensity)를 라고 하고, n 번째 채널의 위상 보정값 을 구하기 위해서 위상 변화에 대한 강도를 m 번 측정한다고 할 때, 이 값을 수학식 6과 같은 함수로 일치(fitting)시킬 수 있다. 예를 들어, n 번째 채널에 대하여 위상 변화에 대한 강도는 5번 또는 5번 이하(m≤5) 측정될 수 있다.

최소 자승법을 이용해서 사인 곡선 일치를 하기 위해 수학식 7과 같이 표현할 수 있다.

이로부터 , , 을 계산할 수 있으며, 위상 보정값 은 수학식 8과 같이 구할 수 있다.

위상변조 어레이(13)를 통하여 각 채널에 해당되는 위상 보정값 을 입력해주면 빔포밍이 완료된다.

빔 스캐닝 소자(10)의 모든 채널(N개의 채널)에 대해서 위상 보정값을 구하여 빔포밍을 수행하는 과정에 대하여 도 3을 참조하여 설명한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광도파로 위상 제어 어레이를 이용한 빔 스캐닝 소자의 고속 빔포밍 방법을 나타내는 흐름도이다.

도 3을 참조하면, 빔 스캐닝 소자(10)는 N개의 채널에 대하여 순차적으로 위상 보정값을 계산하고, N개의 채널 각각의 채널별 위상 보정값만큼 각 채널의 위상을 변조시켜 빔포밍을 수행할 수 있다. 더욱 상세하게, 빔 스캐닝 소자(10)는 다음과 같이 고속 빔포밍 방법을 수행할 수 있다.

먼저, 빔 스캐닝 소자(10)는 n=1로 설정하고(S110), 빔포밍을 수행할 파필드의 한 지점을 선정한다(S120). n은 채널의 번호를 의미한다. 빔 스캐닝 소자(10)는 파필드 이미지 상에서 보강 간섭으로 인해 상대적으로 밝게 보이는 한 점을 모니터링할 지점으로 선정할 수 있다.

빔 스캐닝 소자(10)는 위상변조 어레이(13)를 이용하여 n 번째 채널의 위상을 독립적으로 변조하고(S130), 파필드의 한 지점의 광파워 변화를 측정한다(S140). 이는 상술한 수학식 3 내지 5를 참조할 수 있다. 빔 스캐닝 소자(10)는 각 채널마다 5개 또는 5개 이하의 위상 값(예를 들어, -120도, -60도, 0도, 60도, 120도)만큼 변조하면서 파필드 이미지 상의 한 점의 광파워 변화를 측정할 수 있다. 광파워 변화는 별도로 마련된 광파워 모니터링 장치(미도시)에 의해 측정될 수 있다. 광파워 모니터링 장치는 CCD 카메라, 광다이오드(photodiode), 광검출기 어레이(photodetector array) 등을 포함할 수 있다.

빔 스캐닝 소자(10)는 최소 자승법을 통해 n 번째 채널에 대한 위상 보정값을 계산한다(S150). 이는 상술한 수학식 6 내지 8을 참조할 수 있다. 즉, 빔 스캐닝 소자(10)는 위상 값에 대한 광파워 값을 최소 자승법을 이용하여 삼각함수로 근사하고, 근사된 삼각함수 수식에서 위상 보정값을 도출할 수 있다.

빔 스캐닝 소자(10)는 복수의 채널 각각마다 위상 변조를 5회 이하로 실시하여 나타나는 파필드의 한 지점의 광파워 변화 값들을 측정하고, 광파워 변화 값들을 이용한 최소 자승법을 통하여 사인 곡선 일치를 수행하여 n 번째 채널에 대한 위상 보정값을 계산할 수 있다.

빔 스캐닝 소자(10)는 N개의 채널 모두에 대한 위상 보정값이 계산되었는지 확인하기 위해 n=N 인지 여부를 확인한다(S160).

빔 스캐닝 소자(10)는 n=N이 아닌 경우 n에 1을 추가하고(n=n+1)(S170), S130 단계부터 S150 단계를 수행하여 다음 채널의 위상 보정값을 계산할 수 있다. 즉, n=1부터 n=N이 될 때까지 S130 단계부터 S150 단계가 반복하여 수행되어 복수의 채널 각각에 대한 위상 보정값이 계산될 수 있다. 다시 말해, 빔 스캐닝 소자(10)는 채널 번호 1부터 N까지 모든 채널에 대하여 순차적으로 위상 보정값을 계산하여 N개의 채널 각각에 대한 위상 보정값을 획득할 수 있다.

N개의 채널 각각에 대한 위상 보정값을 획득되면, 빔 스캐닝 소자(10)는 위상변조 어레이(13)를 이용하여 각 채널의 위상 보정값만큼 각 채널의 위상을 변조시켜 빔포밍을 완료할 수 있다(S180).

이하, 도 4 및 5를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 빔 스캐닝 소자(10)의 고속 빔포밍 방법이 다채널 OPA 빔포밍에 유리하다는 것을 확인하기 위해 유전 알고리즘(genetic algorithm)과 경사하강법(graident descent algorithm)과 비교한 시뮬레이션 결과에 대하여 설명한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 빔 스캐닝 소자의 고속 빔포밍 방법을 유전 알고리즘 및 경사하강법과 비교한 시뮬레이션 결과를 나타낸다.

도 4를 참조하면, 빛의 파장이 1550 nm, 빔 웨이스트가 0.5 μm, 채널 간 간격이 2 μm 인 1024개 채널의 OPA를 통과한 빛의 전기장을 수학식 1과 같이 가우시안 프로파일의 합으로 표현한 뒤 고속 푸리에 변환(fast Fourier transform, FFT) 계산을 통하여 파필드 강도 분포를 구하였다. 초기 위상 분포는 도 4의 (a)에 보이는 것과 같이 0부터 2π까지의 랜덤한 수치로 설정하였으며, 이때의 파필드 강도 분포는 도 4의 (b)와 같이 광파워가 전반적으로 흩어져 나타난다. 실제 빔포밍 과정에서는 매 단계별로 위상 분포를 조정한 후 파필드 패턴을 캡쳐(capture)하는데 걸리는 시간이 대부분을 차지하므로, 각각의 알고리즘의 속도는 파필드 패턴 캡쳐 횟수를 기준으로 평가할 수 있다.

유전 알고리즘의 경우, 하나의 개체가 1024개 채널의 위상 값을 가지고 있으며 한 세대는 500개의 개체를 가진다. 개체들의 주엽 전력(main lobe power)의 크기에 따라 뽑힐 확률을 배정하고 개체 2개를 뽑아 서로의 위상 값을 조합하여 새로운 개체를 생성한다. 새로운 개체들을 모아서 다음 세대를 만들고 위의 과정을 반복하면서 메인 빔이 점진적으로 형성된다. 500 세대를 걸쳐 메인 빔을 형성한 결과 얻어진 위상 분포와 파필드 강도 분포는 도 4의 (c)와 (d)에서 보이고 있다. 500 세대를 통해 메인 빔을 형성하였음에도 빔포밍의 완성도가 부족한데 이는 채널 수가 많아지면 최적의 위상 값을 찾을 확률 또한 희박해지기 때문이다. 따라서 유전 알고리즘은 다채널 OPA에서 그 효용성이 떨어진다.

경사하강법의 경우, 채널의 위상 변화에 따라 파필드 프로파일의 한 지점에서 관측되는 광파워 변화 값의 기울기를 구하고 이 값이 커지는 방향으로 위상 값을 맞추어 가도록 설계하였다. 빔포밍이 완료된 이후의 위상 분포와 파필드 강도 분포는 도 4의 (e)와 (f)에서 보이고 있다. 거의 모든 위상이 동일하게 정렬되고 빔포밍의 완성도가 높은 것을 볼 수 있다. 그러나 이와 같은 빔포밍을 완료하기 위해서 10k times 이상의 많은 파필드 패턴 캡쳐를 필요로 하였다.

본 발명의 실시예에 따른 빔 스캐닝 소자의 고속 빔포밍 방법을 사용한 경우, 파필드 강도 분포에서 상대적으로 광세기가 강한 한 점을 지정한 뒤 각 채널별 위상 값을 4가지로 변화시키면서 그 지점의 광파워 변화값을 구한다. 이후 최소 자승법으로 각 채널별 최적 위상 보정값을 구하고 이러한 과정을 각각의 채널에 대하여 반복적으로 수행한 후 최종적으로 모든 채널에 위상 보정값들을 동시에 인가하여 단번에 빔포밍을 이루게 된다. 빔포밍이 완료된 이후의 위상 분포와 파필드 강도 분포는 도 4의 (g)와 (h)에서 보이고 있다. 모든 위상이 동일하게 정렬되고 빔포밍의 완성도가 높은 것을 볼 수 있다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 빔 스캐닝 소자의 고속 빔포밍 방법을 유전 알고리즘 및 경사하강법과 비교한 시뮬레이션 결과를 나타낸다.

도 5를 참조하면, 각 알고리즘의 파필드 패턴 캡쳐 횟수에 따른 메인 빔 강도 변화를 보이고 있다. 본 발명의 실시예에 따른 빔 스캐닝 소자의 고속 빔포밍 방법을 사용하였을 때 4000번의 캡쳐 타임(capture time) 이후 한순간에 빔포밍이 완료되는 것을 볼 수 있다. 반면, 유전 알고리즘(Genetic)과 경사하강법(GD)은 더 많은 캡쳐 타임(capture time) 이후에 빔포밍이 완료되는 것을 볼 수 있다.

표 1은 빔포밍이 완료되는데 필요한 파필드 패턴 캡쳐 횟수와 빔포밍 이후의 메인 빔 세기(main beam intensity), 정규화된 주엽 전력(normalized main lobe power by total power), SMSR(Side Mode Suppression Ratio)을 비교한 값을 나타낸다.

이하, 도 6 내지 9를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 빔 스캐닝 소자의 고속 빔포밍 방법이 실제 OPA 소자에서도 효율적으로 동작함을 확인하기 위해 제작된 OPA 소자에 대하여 설명한다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 빔 스캐닝 소자의 고속 빔포밍 방법을 실험하기 위해 제작된 OPA 소자를 나타낸다. 도 7은 본 발명의 실시예에 따라 실제 제작된 OPA 소자를 나타낸다. 도 8은 본 발명의 실시예에 따라 제작된 OPA 소자의 실험한 결과를 나타낸다. 도 9는 본 발명의 실시예에 따라 제작된 OPA 소자의 빔포밍을 완료한 후의 빔 조향을 나타낸다.

도 6 내지 9를 참조하면, 제작된 OPA 소자(10')는 광원(11'), 1×32의 빔 스플리터(12'), 32채널의 열광학 위상변조 어레이(13'), 출력 도파로 간격을 줄이기 위한 S-밴드 빔 집중기(S-bend beam concentrator)(14'), 실린더 렌즈(cylindrical lens)(15') 및 반사 미러(16')로 구성된다. 열광학 위상변조 어레이(13')는 광도파로 상부에 얇은 금속박막 히터(히터 전극)를 올려서 제작될 수 있다. 수직 콜리메이션(Vertical collimation)을 위해 실린더 렌즈(15')는 빔 집중기(14')의 출력부에 배치되고, 45°의 반사 미러(16')가 복수의 채널의 레이저 빔을 수직으로 출력시킬 수 있다. OPA 소자(10')의 입력단에는 v-그루브 광섬유 블록(v-groove fiber block)을 부착하고, 광원(11')으로 DFB(distributed feedback) 레이저를 사용하여 빛을 입사한다.

도 7의 (a)와 같이, OPA 소자의 출력광이 형성하는 파필드 프로파일을 관측하기 위해 CCD 카메라가 반사 미러(16')에 의해 반사되는 출력광을 수신할 수 있도록 배치된다. 파필드 프로파일을 관측하기 위한 광파워 모니터링 장치로써 CCD 카메라 외에도 광다이오드(photodiode), 광검출기 어레이(photodetector array) 등을 사용할 수 있다.

빔포밍을 하기 전 초기 상태에는 도 7의 (b)와 같이 출력광이 한 점에 모이지 않고 수평 방향으로 흩어져서 나타난다.

흩어져 나타나는 출력광 중에서 가장 밝은 한 점을 본 발명의 실시예에 따른 고속 빔포밍 방법을 수행할 기준점으로 정한 후 광파워 변화를 모니터링하면서 열광학 위상변조 어레이(13')를 이용하여 각 채널마다 5가지 다른 위상 값을 인가하여 기록하면 도 8의 (a)와 같은 광파워 변화 그래프들을 얻게 된다. 최소 자승법을 이용하여 도 8의 (b)와 같이 각 채널별 위상 보정값 을 구할 수 있다. 사인 곡선 일치 값과 측정 값 간의 표준오차는 10^-4 이하이다.

CCD 카메라를 사용한 파필드 이미지 캡쳐 과정을 통하여 각 채널별 위상 보정값 을 구한 후 이를 동시에 적용시키면 도 7의 (c)와 같이 한 점에 빔이 모이게 되고 빔포밍은 완료된다. 빔포밍이 완료되는데 총 16초가 소요되었으며 이미지 캡쳐 시간에 의해 한계가 결정된다.

도 9와 같이, 빔포밍을 완료한 후 열광학 위상변조 어레이(13')에 증분 경사 위상 분포(incremental slope phase distribution)를 인가해주면 빔 조향(beam steering)을 수행할 수가 있다. 빔 조향을 위한 각 채널의 위상 분포와 조향되는 빔의 상태를 도 9에서 보이고 있다. 빔 조향하는 전체 구간에 걸쳐서 초기 빔포밍 조건이 잘 유지되면서 부엽(side lobe) 이외에 추가적으로 산란(scattering)된 빛이 나타나지 않는 것을 볼 수 있다.

지금까지 참조한 도면과 기재된 발명의 상세한 설명은 단지 본 발명의 예시적인 것으로서, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

10: 빔 스캐닝 소자 11: 광원
12: 다중 빔 스플리터 13: 위상변조 어레이
14: 빔 집중기 10': OPA 소자
12': 1×32의 빔 스플리터 13': 열광학 위상변조 어레이
14': S-밴드 빔 집중기 15': 실린더 렌즈
16': 반사 미러

Claims (5)

1. 광도파로 위상 제어 어레이를 이용한 빔 스캐닝 소자의 고속 빔포밍 방법에 있어서,
   빔포밍을 수행할 파필드의 한 지점을 선정하는 단계;
   위상변조 어레이를 이용하여 n 번째 채널의 위상을 독립적으로 변조하는 단계;
   상기 n 번째 채널의 위상 변조에 따른 상기 파필드의 한 지점의 광파워 변화로부터 상기 n 번째 채널에 대한 위상 보정값을 계산하는 단계; 및
   상기 위상변조 어레이를 이용하여 각 채널의 위상 보정값만큼 각 채널의 위상을 변조하는 단계를 포함하는 광도파로 위상 제어 어레이를 이용한 빔 스캐닝 소자의 고속 빔포밍 방법.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 n이 1부터 N이 될 때까지 상기 n 번째 채널의 위상을 독립적으로 변조하는 단계 및 상기 n 번째 채널에 대한 위상 보정값을 계산하는 단계가 반복하여 수행되어 복수의 채널 각각에 대한 위상 보정값이 계산되는 광도파로 위상 제어 어레이를 이용한 빔 스캐닝 소자의 고속 빔포밍 방법.
3. 제2 항에 있어서,
   상기 복수의 채널 각각마다 위상변조를 5회 이하로 실시하여 상기 파필드의 한 지점의 광파워 변화 값이 측정되는 광도파로 위상 제어 어레이를 이용한 빔 스캐닝 소자의 고속 빔포밍 방법.
4. 제3 항에 있어서,
   상기 파필드의 한 지점의 광파워 변화 값을 이용한 최소 자승법을 통하여 사인 곡선 일치를 수행하여 상기 n 번째 채널에 대한 위상 보정값을 계산하는 광도파로 위상 제어 어레이를 이용한 빔 스캐닝 소자의 고속 빔포밍 방법.
5. 제1 항에 있어서,
   파필드 이미지 상에서 보강 간섭으로 인해 상대적으로 밝게 보이는 한 점을 상기 빔포밍을 수행할 파필드의 한 지점으로 선정하는 광도파로 위상 제어 어레이를 이용한 빔 스캐닝 소자의 고속 빔포밍 방법.

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