KR20230170078A - Fmcw 라이다 장치용 광원 - Google Patents

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KR20230170078A
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블라디미르 다비덴코
게르트 조지파 에보 모르티르
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스캔티넬 포토닉스 게엠베하
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Abstract

FMCW 라이다 장치(14)의 광원(16)은 광집적 회로에 의해 형성되며 기판(64)과 다층 구조(66)로 구성된다. 다층 구조에 형성된 반도체 레이저(36)는 다층 구조(66)에 에칭된 홈(72)에 수납된다. 반도체 레이저(36)와 반사기(46) 사이의 광 경로는 반도체 레이저(36)를 위한 외부 캐비티(48)를 형성한다. 외부 캐비티(48)는 캐비티 광 도파관(44)에서 유도된 빛의 감쇠를 유발하는 가변 감쇠기(50)를 포함한다. 외부 캐비티는 또한 광학 위상 변조기(60)를 포함할 수 있다.

Description

FMCW 라이다 장치용 광원
본 발명은 움직이는 물체 또는 움직이지 않는 물체에 대한 거리 및/또는 속도 측정에 사용되는 FMCW 라이다 장치용 광원에 관한 것이다. 이러한 장치는 예를 들어 자율 주행 차량에 사용될 수 있다. 본 발명은 또한 이러한 광원을 포함하는 FMCW 라이다 장치 및 이러한 광원을 보정하는 방법에 관한 것이다.
주파수 변조 연속파(FMCW, frequency modulation continous wave)는 원래 레이더 애플리케이션을 위해 개발된 거리 및 속도 측정 기술이다. 전파 대신 빛을 사용하는 경우 이 기술을 일반적으로 FMCW LiDAR라고 하며, 여기서 LiDAR는 "빛 감지 및 거리 측정"의 약어이다.
FMCW LiDAR 장치에서는 주파수 변조("처핑") 광선이 환경을 스캔한다. 빛의 작은 부분이 물체에서 난반사되어 장치에 수신되고 국부 발진 파동과 겹쳐진다. 일반적으로 비트 주파수라고 하는 두 신호 간의 주파수 차이를 측정하여 물체의 범위 R을 계산하는 데 사용한다. 또한 상대 속도의 현재에서 관찰되는 도플러 주파수 이동을 기반으로 방사형 상대 속도 v를 계산할 수도 있다. 광원으로 튜너블 레이저를 사용하고 검출기로 포토다이오드를 사용하면 포토다이오드가 두 광파의 제곱합에 비례하는 전류("자기 혼합 효과")를 전달하기 때문에 포토다이오드 전류에서 비트 주파수를 직접 추출할 수 있다.
물체 위로 FMCW 광선을 스캔하여 3D 이미지를 얻는 작업은 일반적으로 갈바노 미러 또는 이와 유사한 부피가 크고 민감한 광학 장치를 사용하여 수행된다. 그러나 특정 애플리케이션, 특히 자율 주행 분야에서 FMCW 라이다 디바이스는 작고 견고하며 저렴하고 신뢰성이 매우 높아야 한다. 따라서 움직일 수 있는 부품이 없거나 극소수인 광자 집적 회로(PIC)로 이러한 장치를 구현하는 것이 제안되었다.
거리 및 속도 측정의 정확도는 무엇보다도 광원의 스펙트럼 선폭, 변조 주파수 스팬 Δf 및 주파수 스윕의 선형성에 따라 달라진다. 따라서 광원에 대한 요구 사항이 높다.
적절한 작동 파장(가급적 가시광선 스펙트럼 창 외부)을 갖는 일반적인 DFB 또는 DBR 다이오드 레이저는 일반적으로 선폭이 수 MHz이다. 일반적으로 반도체 고유의 넓은 이득 스펙트럼으로 인해 하나 이상의 모드가 동시에 작동하여 여러 출력 파장과 넓은 선폭(linewidth)을 가진다. 그러나 자율 주행 및 이와 유사한 애플리케이션에서 요구되는 정확도를 달성하기 위해서는 MHz 범위의 선폭이 너무 크다. 따라서 약 3배 정도 감소된 선폭, 즉 kHz 범위의 선폭이 필요하다.
선형 스윕 주파수 변조로 좁은 대역폭을 갖는 빛을 생성하는 한 가지 접근 방식은 단일 측 파대(SSB) 변조를 수행하는 것이다. CW 레이저의 출력은 파형 발생기(예: AWG)의 선형 스윕 전기 신호에 의해 구동되는 여분의 캐비티 변조기에 의해 강도가 변조된다. Lyu, Yingkai & Yang, Tianxin & lu, Zhaoyu & Cheng, Guo & Ge, Chunfeng & Wang, Zhaoying & Jia, Dongfang & Yin, Huabing. (2017). 정확한 선형 광학 FMCW 생성을위한 외부 변조 방법. IEEE 포토닉스 기술 편지. PP. 1-1. 10.1109/LPT.2017.2736561. 이 접근 방식의 한 가지 단점은 GHz 범위에서 전류 변조를 생성하는 복잡한 전자 드라이버가 필요하다는 것이다.
당업자에게 파장 선택기를 포함하는 외부 캐비티에 레이저를 배치하여 선폭을 줄이는 방법도 알려져 있다. 외부 캐비티는 레이저 캐비티를 확장하고 일반적으로 파장 선택기로 사용되는 반사기를 포함한다. 외부 캐비티에 배치하면 레이저가 단일 세로 모드로 작동하도록 강제할 수 있다. 이 접근 방식은 Mroziewicz, Bohdan. (2008). 외부 캐비티 파장 조정 가능 반도체 레이저 - 검토. 옵토 일렉트로닉스 리뷰. 16. 347-366. 10.2478/s11772-008-0045-9. 이 논문에서는 다양한 유형의 리플렉터에 대해 설명하고 논의한다.
외부 캐비티 레이저를 FMCW LiDAR 광원의 광원으로 사용하는 방법도 제안되었다(D. Nordin, 광 주파수 변조 연속파(FMCW) 범위 및 속도 측정, 박사 학위 논문, Lule, 2004, http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:ltu:diva-25907 에서 검색됨 참조). 이 논문에서 반사기는 광섬유 브래그 격자로 형성된다.
그러나 외부 캐비티 레이저로 구성된 광원을 광자 집적 회로로 구현하는 것은 어렵다. 광원을 구성하는 FMCW 디바이스의 선폭과 이에 따른 정확도는 디바이스마다 상당히 다르다는 것이 밝혀졌다.
본 발명은 FMCW 라이다 장치용 광원을 제공하는 것을 목적으로 한다. 광원은 광자 집적 회로로 구현되어야 하며, 선폭이 매우 작으면서도 높은 생산 수율을 가질 수 있어야 한다.
본 발명에 따르면, 이러한 목적은 광원이 광자 집적 회로에 의해 형성되는 FMCW 라이다 장치용 광원에 의해 달성된다. 광원은 기판과 기판에 의해 지지되는 다층 구조로 구성된다. 다층 구조는 적어도 다음과 같은 기능 요소를 형성한다:
- 입력 광도파관, 출력 광도파관 및 캐비티 광도파관으로 구성된다.
- 입력 광 도파관을 출력 광 도파관과 캐비티 광 도파관에 모두 연결하는 광 분배기이다.
- 캐비티 광 도파관에 연결된 반사경,
- 캐비티 광 도파관으로 유도된 빛의 감쇠를 유발하는 가변 감쇠기이다.
- 다층 구조에 에칭된 홈에 수신되고 입력 광 도파관에 연결된 반도체 레이저는 반도체 레이저와 반사기 사이의 광 경로와 같은 반도체 레이저의 외부 캐비티를 형성한다.
- 반도체 레이저에 가변 작동 전류를 공급하기 위해 반도체 레이저에 연결된 제1 전기 라인, 상기 반도체 레이저는 공급된 작동 전류와 동기적으로 변화하는 주파수를 갖는 광을 생성하도록 구성되고, 및
- 가변 감쇠기에 연결된 두 번째 전기 라인으로, 감쇠기로 인한 감쇠가 두 번째 전기 라인을 통해 가변 감쇠기에 공급되는 전기 신호에 따라 달라지도록 한다.
본 발명은 외부 캐비티에서 반사되어 내부 레이저 캐비티로 들어가는 빛의 강도가 레이저의 선폭을 안정적이고 성공적으로 줄이기 위한 중요한 매개변수라는 인식에 기반한다. 이 강도가 좁은 범위의 허용 값 내에 있어야만 필요한 작은 선폭을 얻을 수 있다.
초소형 광자 집적 회로(PIC)에서 이 빛의 강도는 설계만으로는 쉽게 제어할 수 없다. 제조 공차 때문에 내부 레이저 캐비티로 들어오는 빛의 강도를 원하는 범위 내로 안정적으로 유지하는 것이 불가능하다는 것이 밝혀졌다. 추가 조치를 취하지 않으면 제조된 PIC 광원 중 극히 일부만 원하는 작은 선폭을 가질 수 있다. 그러나 생산 수율이 낮으면 저렴한 Li-DAR 디바이스 생산이라는 목표가 위태로워진다.
본 발명은 캐비티 광도파로에 유도된 빛의 감쇠를 유발하는 가변 감쇠기를 사용하여 이러한 문제를 해결한다. 따라서 외부 캐비티에서 반도체 레이저의 내부 캐비티로 공급되는 빛의 강도를 제어할 수 있다.
가변 감쇠기는 원하는 범위 내에서 선폭을 유지하기 위해 캐비티 도파관의 강도를 지속적으로 감독하는 폐쇄 루프 제어의 일부가 될 수 있다. 이를 위해 광원은 반도체 레이저의 출력을 스펙트럼 분석하고 측정 데이터를 폐쇄 루프 제어에 다시 공급하는 모니터 유닛을 포함할 수 있다.
그러나 주변 조건이 크게 변화하는 자율 주행과 같은 까다로운 애플리케이션에서도 광원의 정상 작동 중 선폭의 변화는 작으며 일반적으로 견딜 수 있는 수준이라는 것이 밝혀졌다. 즉, 문제는 제조 공차이지 LiDAR 디바이스 작동 중 주변 조건의 변화가 아니다. 따라서 광원의 정상 작동 중 폐회로 제어를 생략할 수 있는 경우가 많다.
대부분의 경우, 가변 감쇠기를 사용하여 PIC 광원을 생산한 후 배송 전에 보정하는 것으로 충분한다. 이러한 캘리브레이션 방식은 다음 단계로 구성될 수 있다:
a) 광원을 제공한다;
b) 광원에 대한 작동 전류를 생성하며, 이 작동 전류는 측정 간격 동안 선형적으로 증가 또는 감소하는 크기를 갖다;
c) 반도체 레이저에서 생성되는 빛의 주파수 특성을 측정한다;
d) c) 단계에서 측정한 주파수 특성을 목표 주파수 특성과 비교한다;
e) 감쇠기로 인한 감쇠를 결정하기 위해 d) 단계의 비교를 기반으로 감쇠기에 의한 감쇠를 결정한다.
가변 PIC 감쇠기는 조정 나사 등을 사용하여 설정할 수 없기 때문에 두 번째 전기 라인을 통해 가변 감쇠기에 전기 신호를 공급하여 설정을 수행한다.
이러한 신호의 특성은 사용되는 감쇠기 유형에 따라 다르다. 튜너블 감쇠기를 구현하기 위한 한 가지 접근 방식은 외부 캐비티의 반사기를 이러한 목적으로 사용하는 것이다. 예를 들어, 피크 반사율이 다른 파장으로 이동하도록 열적으로 조정할 수 있는 브래그 반사기가 제안되었다. 그러나 브로치 주파수 스윕이 있는 FMCW 광원의 경우 이러한 파장 감도는 바람직하지 않다. 따라서 이러한 브래그 반사기를 튜너블 감쇠기로 사용하려면 레이저의 파장 처프와 동시에 피크 반사율을 변경하는 정교한 제어가 필요한다.
이미 존재하는 부품을 튜너블 감쇠기로 사용하는 또 다른 접근 방식은 광 분배기의 분할 비율을 변경하는 것이다. 예를 들어, Nilima Gogoi와 Partha Pratim Sahu, "표면 플라즈몬 2모드 간섭 도파관에 기반한 모든 광학 튜너블 전력 분배기" Appl. Opt. 57, 2715-2719(2018) 참조. 반도체 레이저에서 외부 캐비티로, 그리고 외부 캐비티에서 반도체 레이저로 다시 결합되는 빛의 강도는 다양한 광 펄스 파워를 적용하면 변화한다. 이 접근 방식의 단점은 스플리터의 분할 비율을 변경하면 광원의 출력 전력도 필연적으로 달라질 수밖에 없으며, 이는 일반적으로 바람직하지 않다는 것이다.
바람직한 실시예에서, 가변 감쇠기는 두 개의 암을 포함하는 마하-젠더 간섭계를 포함하며, 암 중 하나는 열적으로 조정 가능한 위상 부분을 포함한다. 두 암에서 유도된 빛 사이의 위상 관계를 변경함으로써 파괴 간섭의 정도와 그에 따른 감쇠를 정확하게 설정할 수 있다. 이러한 방식으로 -5dB에서 -45dB 사이의 범위에서 강도를 감소시킬 수 있다. 이러한 유형의 감쇠기에는 추가 구성 요소가 필요하지만 캐비티 도파관으로 유도되는 빛의 강도를 제어할 수 있는 간단하고 정확하며 신뢰할 수 있는 수단을 제공한다.
다른 실시예에서, 광원은 캐비티 광 도파관에 작용하는 가변 광학 위상 변조기를 포함한다. 발명자들은 광학 위상 변조기가 레이저 주파수가 처프하는 동안 모드 호핑을 효율적으로 억제하는 데 도움이 되기 때문에 일반적으로 유용하다는 것을 발견했다.
가변 광학 위상 변조기는 반도체 레이저에 의해 생성된 빛의 주파수 변화율에 의존하는 변화율로 빛의 위상을 변경하도록 구성하는 것이 바람직하다. 그러나 일반적으로 이 조건이 대략적으로만 충족되면 충분한다. 따라서 광학 위상 변조기에는 고가의 전자 드라이버가 필요하지 않다.
바람직한 실시예에서, 가변 광학 위상 변조기는 열적으로 조정 가능한다. 이러한 열 튜닝 가능 위상 변조기는 당업자에게 잘 알려져 있으며 위상 제어를 위한 간단하고 신뢰할 수 있는 수단을 제공한다. 열 가변 위상 변조기는 캐비티 광 도파관의 일부인 가열 부분과 가열 부분에 인접한 전기 도파관 히터를 포함할 수 있다. 전기 도파관 히터는 전기 가열 전류에 노출될 때 열을 생성하도록 구성된 전기 전도성 소자를 포함할 수 있다. 그런 다음 광원은 도파관 히터에 가열 전류를 제공하기 위해 도파관 히터에 연결된 제3 전기 라인을 포함할 수 있다.
캐비티 광 도파관은 도파관 나선형으로 구성된 지연 섹션을 포함할 수 있다. 캐비티 광 도파관의 기하학적 길이는 바람직하게는 5mm에서 100mm 사이이며, 더 바람직하게는 8mm에서 12mm 사이이다. 도파관 나선형을 사용하면 최종 PIC의 외부 치수를 줄이는 데 도움이 된다.
리플렉터는 광대역 실리콘 분산 브래그 리플렉터로 구현할 수 있다. 이렇게 하면 전체 레이저 처프 범위에서 균일한 반사를 보장한다. 또는 격자 또는 포토닉 와이어 루프를 리플렉터로 사용할 수도 있다.
예를 들어 반도체 레이저는 InP DFB 레이저일 수 있다. 선택적으로 DBR 또는 VCSEL 레이저를 사용할 수 있다. 선호되는 파장은 905, 1060 또는 1550nm이다. 처프 범위는 일반적으로 0.2~150GHz, 바람직하게는 1~5GHz 사이이다.
본 발명의 대상은 또한 본 발명에 따른 광원을 포함하는 FMCW 라이다 장치이다. 이러한 장치는 제1 전기 라인 및 제2 전기 라인에 연결된 전자 제어 모듈을 포함할 수 있다. 전자 제어 모듈은 전류의 크기가 측정 간격 동안 선형적으로 증가 또는 감소하도록 제1 전기 라인을 통해 반도체에 공급되는 작동 전류를 변화시키도록 구성될 수 있다.
전자 제어 모듈은 가변 감쇠기에 전기 신호를 공급하여 가변 감쇠기가 광원의 성능 측정에 기초하여 결정되는 일정한 감쇠를 일으키도록 추가로 구성될 수 있다.
광원이 캐비티 광 도파관에 작용하는 가변 광학 위상 변조기를 포함하는 경우, 전자 제어 모듈은 광학 위상 변조기를 제어하여 0 및 2πΔf ext 사이에서 변화하는 위상 지연을 생성하도록 구성될 수 있으며, 여기서 Δf는 반도체 레이저에 의해 생성되는 빛의 주파수가 변화하는 주파수 범위이고 τext 는 빛이 반도체 레이저와 반사기 사이의 광 경로를 통과하고 반사기에서 반도체 레이저로 되돌아오는데 필요한 캐비티 왕복 시간을 나타낸다. 이 조건이 충족되지 않으면 처프에 사용할 수 있는 주파수 범위 Δf를 제한하는 모드 호핑이 발생할 수 있다.
본 발명에 의하면 FMCW 라이다 장치용 광원이 제공된다.
본 발명의 다양한 특징 및 장점은 첨부된 도면과 함께 이하의 상세한 설명을 참조함으로써 더욱 용이하게 이해될 수 있다:
도 1은 스캐너 장치가 감지한 물체에 접근하는 차량의 개략적인 측면도이다;
도 2는 도 1에 표시된 스캐너 장치의 평면도이다;
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 스캐너 장치의 레이아웃을 개략적으로 도시한 도면이다;
도 4는 스캐너 장치에 포함된 광원 주파수의 시간 의존성을 보여주는 그래프이다;
도 5 은 스캐너 장치에 포함된 광원의 개략적인 레이아웃이다;
도 6은 광자 집적 회로(PIC) 로 구현된 광원의 개략적인 단면도이다;
도 7은 광원의 외부 캐비티에 포함된 튜너블 감쇠기의 개략적인 레이아웃이다;
도 8은 광원의 내부 및 외부 공동의 반사를 보여주는 개략적인 그림이다;
도 9는 외부 캐비티의 강도에 따라 선폭이 어떻게 달라지는지 보여주는 그래프이다;
도 10은 외부 캐비티에 광학 위상 변조기가 있을 때 모드 홉이 억제되는 것을 보여주는 그래프이다;
도 11은 외부 캐비티에 광학 위상 변조기가 있을 때와 없을 때의 방출 주파수 변화를 보여주는 그래프이다.
1. 서설
도 1은 나무로 표시된 물체(12)에 접근하는 차량(10)을 보여주는 개략적인 측면도이다. 차량(10)은 스캐너 장치(14)를 갖추고 있으며, 스캐너 장치(14)는 차량(10)의 전방에 놓인 환경을 광선(L11, L21, L31 및 L41)으로 스캔한다. 각 광선에 관련된 범위 정보로부터 환경의 3차원 이미지가 컴퓨터로 재구성된다. 또한, 스캐너 장치(14)는 물체(12)에 대한 상대 속도를 결정한다. 이 정보는 물체(12)가 고정되어 있지 않고 움직이는 경우 특히 중요하다.
스캐너 장치(14)가 차량(10)의 전방에 놓여 있는 환경에 대해 계산한 정보는 예를 들어, 다양한 방식으로 차량(10)의 운전자를 보조하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 차량(10)과 물체(12)의 충돌이 위협적인 경우 경고 메시지가 생성될 수 있다. 차량(10)이 자율적으로 주행하는 경우, 전방 환경에 대한 범위 및 속도 정보는 차량(10)을 제어하는 알고리즘에 의해 요구된다.
도 1에서 알 수 있듯이, 스캐너 장치(14)는 수직 평면(즉, 도 1의 용지 평면)에서 서로 다른 방향으로 광선(L11~L41)을 방출하여 환경이 수직 방향으로 스캔되도록 한다. 도 2에서 도시된 스캐너 장치(14)의 평면도와 같이 스캔은 수평 방향에서도 동시에 이루어진다. 4개의 광선(L11, L12, L13 및 L14)이 수평면에서 서로 다른 방향으로 방출된다.
단순화를 위해 도 1과 도 2에서는 수직 및 수평으로 4개의 광선 Ln1 ~ Ln4만 방출되는 것으로 가정한다. 그러나 실제 애플리케이션에서 스캐너 장치(14)는 더 많은 광선을 방출한다. 예를 들어, k2n 광선이 선호되는데, 여기서 n은 일반적으로 7~13 사이의 자연수이며, k(수평 또는 경사) 평면 중 하나에서 방출되는 광선의 수를 지정하고, 여기서 k는 일반적으로 1~16 사이의 자연수이다.
2. 스캐너 장치
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 스캐너 장치(14)의 레이아웃을 개략적으로 도시한 도면이다. 스캐너 장치(14)는 FMCW 라이다 시스템으로 구성되며, 광원(16)을 포함한다. 스캐너 장치(14)가 작동하는 동안, 광원(16)은 낮은 주파수(fl)와 높은 주파수(fh) 사이에서 주기적으로 변화("처프")하는 주파수(fchirp)를 갖는 빛을 생성한다. 광원의 설계는 다음 절에서 보다 상세하게 설명한다.
도 4의 그래프는 이 실시예에서 광원(16)의 주파수(fchirp)가 시간(t)에 따라 어떻게 변하는지를 보여준다. 처프 지속 시간 T를 갖는 각 측정 간격은 동일한 길이 T/2의 두 개의 절반으로 나뉜다. 첫 번째 간격 동안 주파수 fchirp는 일정하고 양의 상향 처프 속도 rchirp 로 선형적으로 증가한다(즉, dfchirp/dt = rchirp ). 첫 번째 간격을 종종 상향 처프 간격이라고 한다. 두 번째 간격 동안 주파수 fchirp는 일정한 음의 다운 처프 속도 -rchirp 로 선형적으로 감소한다. 즉, dfchirp/dt = -rchirp. 그 결과 도 4와 같이 주파수 변화와 같은 삼각형 파형이 발생한다.
광원(16)은 측정 광을 기준 광("로컬 발진기"라고도 함)과 출력 광으로 분할하는 스플리터(22)에 연결된다. 이 실시예에서, 출력 광은 광학 증폭기(24)와 증폭된 출력 광을 스캐닝 유닛(28)으로 안내하는 광학 서큘레이터(26)를 통과한다. 광학 서큘레이터는 3개의 포트 A, B, C를 가지며, 한 포트에 들어온 빛은 다음 포트로 나가는 특성을 가진다. 따라서, 포트 A로 들어온 빛은 포트 B로 나가고, 포트 B로 들어온 빛은 포트 C로 나가고, 포트 C로 들어온 빛은 포트 A로 나간다. 예를 들어, 광학 서큘레이터(26)는 편광에 민감한 빔 스플리터와 스캐닝 유닛(28) 상류의 광 경로에 편광 상태를 45° 회전시키도록 배치되는 패러데이 회전기를 포함할 수 있는데, 이는 당업자에게 공지된 바와 같이 편광에 민감한 빔 스플리터와 패러데이 회전기를 포함할 수 있다. 이에 따라 증폭기(24)의 출력 광은 편향되지 않고 빔 스플리터를 통과하는 반면, 물체(12)에서 반사된 광의 편광 상태는 245°의 회전을 거쳐 편광 감응 빔 스플리터에 의해 편향되게 된다.
출력 광만을 증폭하는 증폭기(24)를 사용하는 대신, 예를 들어, 측정 광이 스플리터(22)로 들어가기 전에 증폭하거나, 광원(16, 18)과 광 결합기(20) 사이의 적어도 하나의 광 경로에 배치된 적어도 하나의 증폭기를 사용하거나, 또는 증폭기(24)를 완전히 생략하는 것도 가능하다.
스캐닝 유닛(28)은 도 1 및 도 2를 참조하여 위에서 설명한 바와 같이 출력 광선을 다른 방향을 따라 물체(도 3에서는 움직이는 자동차로 표시됨)를 향해 향하게 한다. 각 출력 광선의 일부는 일반적으로 물체(12)에 흡수되지만, 다른 일부는 반사된다. 물체(12)의 표면이 완벽하게 반사되지 않는 한, 확산 반사가 발생하여 일부 출력 광이 물체(12)에서 반사되어 스캐닝 유닛(28)을 향해 다시 전파된다. 다음에서는 입력 광이라고 하는 반사된 출력 광은 스캐닝 유닛(28)에 의해 수신되어 광학 서큘레이터(26) 쪽으로 유도된다.
광학 서큘레이터(26)는 입력 광을 스플리터(22)에 의해 측정 광으로부터 분리된 기준 광을 입력 광과 결합하는 결합기(30)로 향하게 한다. 따라서 추가 결합기(30) 뒤에 배치된 검출기(32)는 기준 광과 입력 광의 중첩을 검출한다. 검출기(32)는 당업자에게 알려진 바와 같이 평형 검출기로 구성될 수 있다. 검출기(32)에 의해 생성된 전기 신호는 검출기(32)에 의해 검출된 중첩에 의해 발생하는 비트 주파수를 분석하여 물체까지의 거리 R 및 스캐너 장치(14)와 물체(12) 사이의 상대 속도 v를 계산하는 컴퓨팅 유닛(34)으로 공급된다.
컴바이너(30)에서 스플리터(22)로 빛을 보낼 필요가 없으므로 광 서큘레이터(26)를 반드시 사용해야 하는 것은 아니다. 광학 서큘레이터(26) 대신 더 간단한 편광 민감 빔 분할 소자를 사용하는 것으로 충분할 때가 많다.
3. 광원
도 5는 광원(16)의 가장 중요한 기능 구성 요소를 개략적으로 보여준다. 후자는 제1 전기 라인(EL1)을 통해 전자 제어 모듈(19)의 레이저 구동 유닛(17)에 연결된 반도체 레이저(36)를 포함한다. 레이저 구동 유닛(17)은 반도체 레이저(36)에 가변 작동 전류를 공급하여 반도체 레이저(36)가 가변 작동 전류와 동기적으로 가변하는 주파수 fchirp를 갖는 광을 생성하도록 한다. 바람직하게는, 작동 전류, 따라서 레이저 광의 주파수 fchirp 는 도 4에 도시된 바와 같이 변화한다.
반도체 레이저(36)는 입력 광 도파관(38)에 인접하여 배열된 출력 면을 갖다. 반도체 레이저(36)에 의해 생성된 빛은 입력 광 도파관(38)으로 결합되어 출력 광 도파관(42)과 캐비티 광 도파관(44) 사이에서 빛을 분할하는 광 분배기(40)로 유도된다. 광 분배기(40)는 비대칭 분할 비율을 가지므로 입력 광 도파관(38)으로 유도된 대부분의 빛이 출력 광 도파관(42)으로 유도된다. 예를 들어, 광 분할기(40)의 분할 비율은 10-3 ~ 10-7 사이일 수 있으며, 더 바람직하게는 10-4 ~ 10-5 사이일 수 있다.
이 실시예에서, 출력 광 도파관(42)은 도 3에 도시된 스플리터(22)에 연결된다. 따라서 출력 광 도파관(42)은 광원(16)을 스캐너 장치(14)의 나머지 부분의 광 입력에 연결한다.
캐비티 광 도파관(44)은 수 밀리미터 내지 수 센티미터의 기하학적 길이를 가질 수 있다. 광원(16)의 전체 치수를 줄이기 위해, 캐비티 광 도파관(44)의 일부가 도파관 나선형(45)으로 형성될 수 있다.
캐비티 광 도파관(44)은 반사기(46)에서 종단된다. 반도체 레이저(36)에 의해 생성된 빛의 일부가 캐비티 광 도파관(44)에 결합된 후 반사기(46)에서 반사된 후 동일한 방식으로 반도체 레이저(36)를 향해 반사되어 내부 캐비티로 들어간다. 따라서 반도체 레이저(36)의 출력 면과 반사기(46) 사이의 광 경로는 반도체 레이저(36)의 외부 캐비티(48)를 형성한다.
외부 캐비티(48)는 캐비티 광 도파관(44)에서 유도된 광의 감쇠를 유발하는 가변 감쇠기(50)를 포함한다. 도 7은 감쇠기(50)의 가능한 실현을 개략적으로 보여준다. 이 실시예에서, 감쇠기(50)는 제1 암(52)과 제2 암(54)을 갖는 마하-젠더 간섭계(MZI)를 포함한다. 제1 암(52)은 제2 전기 라인(EL2)을 통해 전기 제어 모듈(19)의 감쇠기 구동 유닛(59)에 연결된 가열 요소(58)에 인접한 열적으로 조정 가능한 위상 부분(56)을 포함한다. 위상 부분(56)에서 온도에 따른 굴절률을 변경함으로써, 두 암(52) 및 54에서 유도된 빛 사이의 위상 관계가 수정된다. 위상부(56)에 의해 도입된 위상차가 k2π이고 k = 0, 1, 2, ...인 경우, 두 암(52, 41)으로 유도된 빛은 건설적으로 간섭하여 감쇠가 최소화된다. 두 암(52, 54)으로 유도된 빛이 완전히 위상을 벗어난 경우 가장 강한 감쇠가 이루어진다. 이러한 방식으로 감쇠는 두 번째 전기 라인(EL2)을 통해 공급되는 가열 전류의 크기에 따라 정확하게 설정할 수 있다.
외부 캐비티(48)는 캐비티 광 도파관(44)에 작용하는 가변 광 위상 변조기(60)를 더 포함한다. 광학 위상 변조기(60)는 반도체 레이저(16)에 의해 생성된 빛의 주파수 변화율에 의존하는 변화율로 빛의 위상을 변화시킨다. 바람직하게는, 위상 변화는 빛의 주파수 변화와 동기화된다. 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이 주파수 fchirp 가 변화하면 위상 변조기(60)에 의해 생성되는 위상 변화도 삼각형이 된다.
도시된 실시예에서, 광 위상 변조기(60)는 열적으로 조정 가능한다. 제3 전기 라인(EL3)은 광 위상 변조기(60)의 도파관 히터를 전기 제어 모듈(19)의 변조기 구동 유닛(62)에 연결한다. 이러한 방식으로 도파관 히터에 가변 가열 전류가 공급될 수 있다.
광원(16)은 광자 집적 회로(PIC)로 구현된다. 도 6은 도 5를 참조하여 위에서 설명한 구성 요소 중 일부를 보여주는 광원(16)의 개략적인 단면도이다.
이 실시예에서 광원(16)은 전술한 구성요소가 형성되는 다층 구조(66)를 지지하는 실리콘 기판(64)을 포함함을 알 수 있다. 도시된 실시예에서, 다층 구조(66)는 광 도파관(38, 42, 44) 및 스플리터(44)의 코어를 구성하는 SiN으로 만들어진 구조화된 도파관 층(68)을 포함한다. 도파관 층(68) 위에는 구조화된 실리콘 층이 있다. 이 층의 한 부분은 전기 가열 전류가 공급될 때 열을 생성하는 도파관 히터(70)의 전기 전도성 소자를 구성한다. 도파관 히터(70)는 캐비티 광 도파관(44)의 가열부(71)에 인접하여 배치된다. 도파관 히터(70)는 접촉 구조(CON2)를 통해 제2 전기 라인(EL2)에 연결된다.
구조화된 실리콘 층의 두 번째 부분은 광대역 실리콘 분산 브래그 반사기(46)를 구성한다.
다층 구조(66)는 도파관 층(68)과 구조화된 실리콘 층이 내장된 실리콘 산화물 층(69)을 더 포함한다.
반도체 레이저(36)는 다층 구조(66)에 에칭된 리세스(72)에 수신된다. 반도체 레이저(36)를 리세스(72)의 바닥에 부착하기 위해 정교한 초고정밀 플립칩 본딩 공정이 사용된다. 이 프로세스는 예를 들어 M. Theurer 외, "InP에서 SiN 광 집적 회로로의 플립칩 통합", 광파 기술 저널, 38권, 9호, 2630-2636쪽, 2020년 5월 1일, 도이: 10.1109/JLT.2020.2972065에 설명되어 있다. 반도체 레이저(36)는 추가 접촉 구조(CON1)를 통해 제1 전기 라인(EL1)에 연결된다.
출력 면(74)에서 방출된 광은 구조화된 SiN 도파관 층(68)의 일부에 의해 형성된 입력 광 도파관(38)으로 결합되고, 광 스플리터(40)를 통해 캐비티 광 도파관(44)으로 들어가고, 감쇠기(50)(스플리터(40) 및 감쇠기(50)는 모두 도 6의 단면 평면 외부에 배치되어 있으므로 도시되지 않음) 및 광 위상 변조기(60)를 통과하여 분산 브래그 반사기(46)에서 반사되고 동일한 광 경로에서 반도체 레이저(36)의 내부 캐비티(76)로 돌아간다.
도 5에 도시된 전자 제어 모듈(19)은 기판(64) 상에 직접 형성될 수도 있고, 별도의 구성요소일 수도 있다. 이는 스캐너 장치(14)의 나머지 구성요소에도 동일하게 적용된다.
4. 기능
a) 진폭 제어
도 8은 반도체 레이저(36)의 내부 캐비티(76)와 외부 캐비티(48)를 개략적으로 나타낸 것이다. 반도체 레이저(36)의 출력 면(74)은 반사율(rint)을 가지며, 외부 캐비티(48)의 반사판(46)은 반사율(rext)을 갖는다. 원하는 선폭 좁힘이 이루어지도록 하기 위해서는 외부 캐비티(48)에서 내부 캐비티(76)로 다시 반사되는 광 세기의 비율이 특정 범위, 예를 들어 약 -30 dB에 해당해야 하며, 이는 0.1%에 해당한다. 이 비율은 주로 스플리터(40)의 분할 비율, 반사기(46)의 반사율, 캐비티 광도파관(44)의 삽입 손실, 감쇠기(50)에 의한 감쇠에 따라 달라진다.
도 9는 선폭 Δf가 외부 캐비티(48)의 강도에 따라 어떻게 달라지는지를 보여주는 그래프이다. 특정 강도에서 급격한 최소값이 있음을 알 수 있다. 강도가 이 값에서 크게 벗어나면 선폭이 크게 증가한다. 따라서 외부 캐비티(48)로 유도된 빛이 작은 범위 내의 진폭(또는 강도)을 갖는 것이 중요한다.
가변 감쇠기(50)는 제조 공차에 관계없이 외부 캐비티(48) 내 광의 진폭이 이 범위 내에 있도록 보장한다. 이를 위해, 가변 감쇠기(50)는 광원(16)이 제조된 후 배송 전에 광원(16)을 보정하는 데 사용될 수 있다. 보정 중에 광원(16)은 원하는 주파수 처프를 생성하도록 전류 공급 장치에 연결된다. 레이저 출력의 선폭이 측정되고 목표 선폭의 사양과 비교된다. 측정된 선폭이 사양을 벗어난 경우 감쇠기(50)에 공급되는 전류는 레이저 출력의 선폭이 사양 내에 들어올 때까지 변경된다.
b) 캐비티 길이
외부 캐비티(48)의 광 경로 길이는 충분히 커야 한다(예: 수 밀리미터에서 수 센티미터). 예를 들어, 반사율이 -30dB인 외부 캐비티(48)에 결합된 300μm 길이의 DFB 레이저를 고려한다. 도 10은 예를 들어 주변 온도 변화로 인해 레이저의 유효 굴절률이 변화하는 경우 광원(16)의 방출 주파수가 어떻게 변하는지를 보여준다. 세 가지 곡선은 외부 캐비티(48)의 세 가지 길이, 즉 5mm(점선 점선), 7.5mm(가는 전체 선) 및 10mm(두꺼운 전체 선)를 나타낸다. 외부 캐비티(48)가 없는 반도체 레이저(36)의 방출 주파수 변화는 점선으로 표시된다.
모드 홉이 발생하는 것을 볼 수 있다. 즉, 방출 주파수가 갑자기 떨어지는 것이다. 광원(16)은 모드 홉이 없는 튜닝 범위에서만 튜닝할 수 있다. 따라서 모드 홉은 사용 가능한 주파수 범위를 제한하고 따라서 스캐너 장치(14)의 정확도를 제한한다. 도 10을 보면, 외부 캐비티(48)의 길이가 길어질수록 모드 홉이 없는 튜닝 범위가 작아지는 것을 알 수 있다. 예를 들어, 외부 캐비티 길이가 10mm인 경우 모드 홉 프리 튜닝 범위는 4GHz로 감소한다.
c) 위상 제어
이론적으로, 반도체 레이저(36)가 FMCW 스캐너 장치(14)에서 튜닝될 때 외부 캐비티(48)의 반사가 모드 홉 프리 튜닝 범위를 상당히 제한한다는 것을 알 수 있다. 이 문제를 극복하기 위해, 광학 위상 변조기(60)는 0과 2πΔfext 사이에서 변화하는 위상 지연을 생성하는데, 여기서 Δf = fh - fl 는 반도체 레이저(36)에 의해 생성되는 빛의 주파수가 변화하는 주파수 범위이고(도 4 참조), τext 는 빛이 반도체 레이저(36)와 반사기(46) 사이의 광 경로를 통과하는 데 필요한 캐비티 왕복 시간과 반사기(46)에서 반도체 레이저(36)로 되돌아오는 데 필요한 캐비티 왕복 시간이다. 이는 광학 위상 변조기(60)가 단일 패스에 대해 πΔfext 만큼 위상을 변경할 수 있어야 함을 의미한다. 이러한 위상 변화를 통해 원하는 모드 홉 프리 튜닝 범위와 동시에 최대 선폭 감소를 얻을 수 있다.
광 위상 변조기(60)의 효과는 외부 캐비티(48)에 광 위상 변조기(60)가 없을 때와 있을 때의 광원(16)의 방출 주파수 변화를 보여주는 도 11에 설명되어 있다. 반사율이 -30dB인 길이 1cm의 외부 캐비티(48)가 있다고 가정한다. 광 위상 변조기(60)가 있는 경우(전체 회색 선), 튜닝은 선형이며 12GHz 이상의 범위에서 모드 홉이 없는 반면, 광 위상 변조기(60)가 없는 경우(전체 검은색 선) 튜닝은 비선형이다. 점선은 튜닝과 비교하여 적용해야 하는 위상 지연을 나타낸다.
또한 반도체 레이저(36)가 처핑되면, 레이저(36)의 내부 캐비티로 들어오는 외부 반사광은 레이저가 순간적으로 생성하는 빛의 주파수와 다른 주파수를 갖는다는 것을 알 수 있다. 이는 외부 캐비티(48)에서 빛이 지연되기 때문이다. 이 효과는 일반적으로 선폭을 넓히고 시간이 지남에 따라 전력 변화를 유발한다.
광 위상 변조기(60)를 적절한 속도로 변조하면 이 문제도 피할 수 있다. 이를 위해 반도체 레이저(36)의 광 주파수 f가 고정된 처프 속도 rchirp 로 변경되는 경우 위상을 2πrchirp τext 의 속도로 변경해야 한다. 그러면 반도체 레이저(36)는 좁은 선폭으로 안정적으로 유지되고 광원(16)에서 생성되는 빛의 주파수는 원하는 속도 rchirp로 변한다.

Claims (14)

  1. FMCW 라이다 장치(14)를 위한 광원(14)으로, 상기 광원(14)은 광 집적회로로 이루어지며 상기 광원(14)은:
    기판(64);
    상기 기판(64)에 의해 지지되는 다층 구조(66)로, 상기 다층 구조에 의하여 적어도
    - 입력 광 도파로(38), 출력 광 도파로(42) 및 캐비티 광 도파로(44),
    - 상기 입력 광 도파로(38)를 상기 출력 광 도파로(42)와 상기 캐비티 광 도파로(44) 양측에 연결하는 광 스플리터(40),
    - 상기 캐비티 광 도파로(44)에 연결된 반사기(46)
    - 상기 캐비티 광 도파로(44)로 가이드된 광의 감쇠를 유도하는 가변 감쇠기(50)의 기능 요소들이 형성되고,
    반도체 레이저(36)는
    - 상기 다층 구조(66)내로 식각된 리세스(72)에 수납되고,
    - 상기 반도체 레이저(36) 및 상기 반사기(46) 사이의 광 경로가 상기 반도체 레이저(36)를 위한 외부 캐비티(48)를 형성하도록 상기 입력 광 도파로(38)에 연결되고,
    상기 반도체 레이저(36)에 변화하는 구동 전류를 공급하도록 상기 반도체 레이저(36)에 연결된 제1 전기 라인(EL1)으로, 상기 반도체 레이저(36)은 공급된 상기 구동 전류에 동기되어 변화하는 주파수를 가지는 광을 생성하도록 구성되고,
    상기 가변 감쇠기(50)에 연결된 제2 전기 라인(EL2)으로, 감쇠는 상기 제2 전기 선로(EL2)를 통해 상기 가변 감쇠기로 공급되는 전기 신호에 따라 상기 감쇠기(50)에 의하여 유발되는 것인 광원.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가변 감쇠기(50)은
    두 개의 암(52, 54)를 가지며, 상기 암들 중 하나는 열적으로 조정 가능한 위상 부분(56)을 포함하는 마하-젠더 간섭기를 포함하는 광원.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 광원은,
    상기 캐비티 광 도파로(44)에서 동작하는 가변 광 위상 변조기(60)를 포함하는 광원.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 가변 광 위상 변조기(60)는,
    상기 반도체 레이저(36)에 의해 생성된 상기 광의 상기 주파수의 변화율에 의존하는 변화율에 따라 상기 광의 위상을 변화시키도록 구성된 광원.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 가변 광 위상 변조기(60)는 열적으로 조정 가능한 것인 광원.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 가변 광 위상 변조기(60)는
    상기 캐비티 광 도파로의 부분인 가열부(71) 및
    상기 가열부에 인접한 전기 광 도파로 가열기(70)를 포함하며,
    상기 전기 광 도파로 가열기(70)는 전기 가열 전류에 노출되면 열을 생성하도록 구성된 전기 전도성 요소를 포함하는 광원.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 광원은 상기 도파로 가열기(70)에 가열 전류를 제공하도록 상기 도파로 가열기(70)과 연결된 제3 전기 라인(EL3)를 포함하는 광원.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 캐비티 광 도파로 가이드(44)는 5mm 내지 100mm의 길이를 가지는 광원.
  9. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광원(16)을 포함하는 FMCW 라이다 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 장치는,
    상기 제1 전기 라인(EL1) 및 상기 제2 전기 라인(EL2)에 연결된 전자 제어 모듈(19)을 포함하는 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 장치는
    상기 전자 제어 모듈(19)은 측정 구간동안 상기 전류의 크기가 선형적으로 증가하거나 감소하도록 상기 제1 전기 라인(EL1)을 통하여 상기 반도체 레이저(36)에 공급되는 상기 구동 전류를 변화시키도록 구성된 장치.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 전자 제어 모듈(19)은
    상기 가변 감쇠기(50)가 상기 광원(16)의 성능의 측정에 기초하여 일정한 감쇠를 유도하도록 전기적 신호를 상기 가변 감쇠기(50)에 공급하도록 구성된 장치.
  13. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광원(16)은 상기 캐비티 광 도파로(44)에서 동작하는 가변 광 위상 변조기(60)을 포함하고,
    상기 전자 제어 모듈(19)는 0 내지 2πΔf·τext에서 변화하는 위상 지연을 생성하도록 상기 광 위상 변조기를 제어하도록 구성되고,
    상기 Δf는 주파수 범위로, 상기 주파수 범위 내에서 상기 반도체 레이저(36)에 의해 생성된 상기 광의 주파수가 변화하고,
    상기 τext는 상기 광이 상기 반도체 레이저(36)과 상기 반사기(46) 사이의 상기 광 경로를 지나고, 다시 상기 반사기(46)와 상기 반도체 레이저(36)의 광 경로를 지나는 캐비티 왕복 시간인 장치.
  14. FMCW 라이다 장치를 위한 광원을 교정하는 방법으로, 상기 방법은:
    a) 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 광원(16)을 제공하는 단계;
    b) 상기 광원(16)을 위한 구동 전류를 생성하는 단계로, 상기 구동 전류는 측정 구단 동안 크기가 선형적으로 증가하거나 감소하며;
    c) 상기 반도체 레이저(36)에 의하여 생성ㅇ된 상기 광의 주파수 특성을 측정하는 단계;
    d) c) 단계에서 측정된 상기 주파수 특성과 목표 주파수 특성을 비교하는 단계;
    e) 상기 d) 단계의 상기 비교에 기초하여 상기 감쇠기(50)에 의한 감쇠를 결정하는 단계를 포함하는 방법.
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