KR20240074629A - 6d 솔리드 스테이트 fmcw 라이다 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 감지영역에 출력광을 조사하고, 상기 출력광이 반사되는 입력광을 감지하는 라이다 시스템에 있어서, 광을 발생시키는 광원부, 상기 광원부의 광의 일부를 입력받아, 복수의 서브 채널을 포함하는 제1 분할광을 생성하는 제1 마이크로 콤(micro comb), 상기 광원부의 광의 다른 일부를 입력받아, 복수의 서브 채널을 포함하는 제2 분할광을 생성하는 제2 마이크로 콤, 상기 제1 분할광을 입력받아, 제1 편광빔 및 제2 편광빔으로 분할하는 편광 빔 스플리터, 상기 제1 편광빔 및 상기 제2 분할광의 일부를 입력받아 미리 정해진 위상 차이를 가지는 복수의 출력 신호를 생성하는 제1 광학 하이브리드 및 상기 제2 편광빔 및 상기 제2 분할광의 다른 일부를 입력받아 미리 정해진 위상 차이를 가지는 복수의 출력 신호를 생성하는 제2 광학 하이브리드를 포함한다.

Description

라이다 시스템{Lidar system}

본 발명은 라이다 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 복수의 마이크로 콤을 이용하여 편광 특성이 제어되는 라이다 시스템에 관한 것이다.

최근 차량, 로봇, 드론 등의 자율주행에 대한 니즈가 높아짐에 따라 전방 등의 감지 영역의 물체를 정밀하게 감지할 수 있는 라이다 시스템에 대한 요구가 증대되고 있다. 최근의 라이다 시스템은 고속으로 이동하면서도, 장거리 및 고정밀 감지가 가능한 형태로 발전하고 있다.

이러한 고정밀의 감지를 위한 라이다 시스템은 출력광의 편광 특성이 제어될 필요가 있다. 출력광의 편광 특성이 제어될 수 있다면, 감지 대상 물체의 표면 특성에 따라 편광 반사 특성을 분석하여 감지 대상 물체의 종류 또는 특성을 탐지할 수 있다는 장점이 있다. 이러한 장점은 감지 대상 물체에 대해 다중 포인트를 감지하여 종류 또는 형태를 탐지하는 종래의 기술에 비해, 하나의 포인트에 대해서도 물체의 종류 또는 특성을 파악할 수 있다는 장점이 있다.

특히, 상술한 편광 특성의 제어에 따른 장점에 따르면 형상이 정형화되지는 않지만 특정한 표면의 특성을 가지는 감지 대상 물체의 종류를 파악하는데 유용하다. 이러한 장점을 인해 편과 특성을 용이하게 제어할 수 있는 라이다 장치에 대한 요구가 증대되고 있다.

미국 등록특허 제11163062호(2021.11.02)

본 발명은 복수의 마이크로 콤을 이용하여 편광 특성을 제어할 수 있는 라이다 시스템을 제공하는 것에 목적이 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 감지영역에 출력광을 조사하고, 상기 출력광이 반사되는 입력광을 감지하는 라이다 시스템에 있어서, 광을 발생시키는 광원부, 상기 광원부의 광의 일부를 입력받아, 복수의 서브 채널을 포함하는 제1 분할광을 생성하는 제1 마이크로 콤(micro comb), 상기 광원부의 광의 다른 일부를 입력받아, 복수의 서브 채널을 포함하는 제2 분할광을 생성하는 제2 마이크로 콤, 상기 제1 분할광을 입력받아, 제1 편광빔 및 제2 편광빔으로 분할하는 편광 빔 스플리터, 상기 제1 편광빔 및 상기 제2 분할광의 일부를 입력받아 미리 정해진 위상 차이를 가지는 복수의 출력 신호를 생성하는 제1 광학 하이브리드 및 상기 제2 편광빔 및 상기 제2 분할광의 다른 일부를 입력받아 미리 정해진 위상 차이를 가지는 복수의 출력 신호를 생성하는 제2 광학 하이브리드를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 마이크로 콤은 국부 발진 신호에 대한 마이크로 콤이고, 상기 제2 마이크로 콤은 원천 신호에 대한 마이크로 콤일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제2 분할광을 분할하는 광학 서큘레이터를 더 포함하고, 상기 제1 광학 하이브리드와 상기 제2 광학 하이브리드에는 상기 광학 서큘레이터에 의해 분할된 제2 분할광이 입력될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 편광빔 및 상기 제2 편광빔은 서로 직교 관계의 위상을 가질 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 상기 서브 채널의 광을 증폭시키는 광 증폭부를 더 포함하고, 상기 광 증폭부는 반도체 광 증폭기(SOA, Semiconductor Optical Amplifier)를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 반도체 광 증폭기는 상기 복수의 서브 채널 중 중간 주파수 대역을 증폭하는 제1 반도체 광 증폭기 및 상기 복수의 서브 채널 중 마지막 주파수 대역을 증폭하는 제2 반도체 광 증폭기를 포함하고, 상기 제1 반도체 광 증폭기의 이득은 상기 제2 반도체 광 증폭기의 이득보다 작을 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 및 제2 마이크로 콤 중 적어도 하나의 FSR(Free Spectral Range)은 10GHz 내지 1THz일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 제1 및 제2 광학 하이브리드 중 적어도 하나는 2개의 입력 포트 및 4개의 출력 포트를 가지는 6포트 광학 하이브리드일 수 있다.

본 발명은 복수의 마이크로 콤을 이용하여 편광 특성을 제어할 수 있는 라이다 시스템을 제공할 수 있다는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 라이다 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 통상의 6포트 90° 광학 하이브리드의 입력 포트와 출력 포트를 도시한 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, 설명되는 각 단계들은 특별한 인과관계에 의해 나열된 순서에 따라 수행되어야 하는 경우를 제외하고, 나열된 순서와 상관없이 수행될 수 있다.

본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 대해 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 라이다 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 것이다.

본 발명의 라이다 시스템은, 광원부(100), 제1 마이크로 콤(micro comb)(200), 제2 마이크로 콤(300), 편광 빔 스플리터(PBS, Polarization Beam Splitter)(400), 광학 서큘레이터(500), 제1 광학 하이브리드(optical hybrid)(600) 및 제2 광학 하이브리드(700)를 포함한다.

이하, 라이다 시스템의 각 구성에 대해 상세하게 설명하도록 한다.

광원부(100)는 출력광의 원천이 되는 광을 생성한다. 광원부(100)는 레이저 다이오드일 수 있다. 광원부는 광학 위상고정회로(OPLL, Optical Phase Locked Loop) (110)와 연결되어 출력광의 위상이 제어될 수 있다.

광원부(100)의 광은 국부 발진 신호와 원천 신호로 구분되어 각각 제1 마이크로 콤 및 제2 마이크로 콤으로 분할하여 입력될 수 있다.

제1 마이크로 콤(200) 및 제2 마이크로 콤(300)은 광원부(100)의 후단에 결합된다. 제1 마이크로 콤(200) 및 제2 마이크로 콤(300)은 광원부(100)의 광을 일정한 파장 간격을 가지는 복수의 서브 채널로 분할한다. 서브 채널은 광원부가 생성한 광의 파장을 기준으로 일정한 파장 간격을 가진다. 서브 채널은 본 발명의 라이다 시스템의 정밀도를 달성하기 위한 미리 정해진 개수로 생성될 수 있다.

서브 채널은 상술한 제1 및 제2 마이크로 콤(micro comb)(200, 300)을 이용하여 생성될 수 있다. 제1 및 제2 마이크로 콤(200, 300)은 도파로 구조의 공진기를 이용하는 것으로, 일정 간격의 다수의 서브 채널을 생성할 수 있다.

상술한 것과 같이, 제1 마이크로 콤(200)은 광원부(100)의 광 중 국부 발진 신호를 입력 신호로 하고, 제2 마이크로 콤(300)은 광원부(100)의 광 중 원천 신호를 입력 신호로 할 수 있다.

제1 및 제2 마이크로 콤(200, 300)은 인접한 서브 채널 사이의 주파수 간격을 의미하는 FSR(Free Spectral Range)를 특징 정보로 가질 수 있다. 제1 및 제2 마이크로 콤(200, 300)은 10GHz 내지 1THz의 FSR을 가질 수 있다. 제1 및 제2 마이크로 콤(200, 300)은 서로 동일한 FSR을 가지는 것이 바람직하다.

제1 및 제2 마이크로 콤(200, 300)이 작은 FSR을 가질 경우, 보다 많은 서브 채널을 생성할 수 있다는 장점이 있지만, 이러한 경우 각각의 서브 채널의 광 파워는 약해질 수 있다. 따라서 일정한 수준의 광 파워를 가지는 서브 채널을 생성하기 위해서는 10GHz 내지 1THz의 FSR을 가지는 것이 바람직하다. 이러한 FSR의 범위는 본 발명의 광원부(100)로 DFB 레이저가 사용되는 것을 감안하여 결정한 것이다.

서브 채널 생성부(200)는 광 증폭부를 더 포함할 수 있다. 서브 채널 생성부(200)가 광원부(100)가 생성된 광을 복수의 서브 채널로 분할하면, 각 서브 채널의 광파워는 감소하게 된다. 이렇게 되면, 라이다 시스템의 감지 거리가 줄어들게 되어 광 증폭부를 통해 각 서브 채널의 광파워를 증폭할 필요가 있다.

광 증폭부는 반도체 광 증폭기(SOA, Semiconductor Optical Amplifier)(230)를 포함할 수 있다. 반도체 광 증폭기(230)는 제어부(240)와 연결되어 적절한 증폭 이득을 가지도록 조절될 수 있다. 반도체 광 증폭기(230)의 이득이 증가할수록 개별 서브 채널의 선폭이 커지게 되어 광학적 특성이 손상된다는 문제가 있다. 개별 서브 채널의 선폭이 커지게 되면, 입력광에서의 각 서브 채널의 신호 대비 잡음비(SNR, Signal-to-Noise Ratio)가 낮아진다는 문제가 있다. 이를 보완하기 위해 광 도파로의 재질을 Si₃N₄ 등을 사용하여 서브 채널의 증폭 전 선폭을 줄이는 것이 시도될 수 있다.

광 증폭기는 복수의 서브 채널에 대응하는 복수 개가 구비될 수 있다. 즉, 각각의 서브 채널 별 별도의 광 증폭기가 대응되어 구비되는 것일 수 있다. 여기서, 광 증폭기는 어떠한 주파수 대역의 서브 채널의 광을 증폭하는지에 따라 서로 다른 이득(gain)을 가지도록 설계 또는 설정될 수 있다.

구체적으로, 복수의 서브 채널 중 상대적으로 중간 주파수 대역의 경우, 증폭 전 광 신호의 크기가 상대적으로 크기 때문에 해당 광 증폭기의 이득이 상대적으로 작을 수 있다. 그리고 하단 또는 상단 주파수 대역의 경우, 증폭 전 광 신호의 크기가 상대적으로 작기 때문에 해당 광 증폭기의 이득이 상대적으로 클 수 있다.

예를 들어, 반도체 광 증폭기(230)는 복수의 서브 채널 중 중간 주파수 대역을 증폭하는 제1 반도체 광 증폭기 및 복수의 서브 채널 중 처음 또는 마지막 주파수 대역을 증폭하는 제2 반도체 광 증폭기를 포함할 수 있다. 그리고 제1 반도체 광 증폭기의 이득은 제2 반도체 광 증폭기의 이득보다 작을 수 있다.

편광 빔 스플리터(400)는 입사광을 지정된 비율에 따라 두 개의 빔으로 분리하는 데 사용되는 광학 부품이다. 편광 빔 스플리터(400)는 예를 들어, 큐브 타입의 빔 스플리터와 평판 타입의 빔 스플리터가 사용될 수있다. 편광 빔 스플리터(400)는 빛을 반사형 S-편광 빔과 투과형 P-편광 빔으로 분리한다.

S-편광 빔과 투과형 P-편광 빔 중 어느 하나는 제1 광학 하이브리드(600)으로 입력되고, 다른 하나는 제2 광학 하이브리드(700)로 입력되게 된다.

광학 서큘레이터(500)는 제2 분할광을 분할한다. 광학 서큘레이터(500)는 제2 마이크로콤(300)의 후단에 위치할 수 있다. 광학 서큘레이터(500)는 제2 분할광을 2개로 분할하여 하나는 제1 광학 하이브리드(600)에 입력되게 하고, 다른 하나는 제2 광학 하이브리드(700)에 입력되게 한다.

제1 및 제2 광학 하이브리드(600, 700)는 6포트 90° 광학 하이브리드로 구성될 수 있다. 6포트 90° 광학 하이브리드는 2개의 입력 포트 및 4개의 출력 포트를 가진다. 여기서, 2개의 입력 포트는 국부 발진 신호의 입력 포트와 원천 신호에 대한 입력 포트에 해당한다.

따라서, 제1 광학 하이브리드(600)의 경우, 국부 발진 신호의 입력 포트에 편광 빔 스플리터(400)에서 생성된 제1 편광빔이 입력되고, 원천 신호에 대한 입력 포트에 광학 서큘레이터(500)에서 생성된 제2 분할광의 일부가 입력된다.

또한, 제2 광학 하이브리드(700)의 경우, 국부 발진 신호의 입력 포트에 편광 빔 스플리터(400)에서 생성된 제2 편광빔이 입력되고, 원천 신호에 대한 입력 포트에 광학 서큘레이터(500)에서 생성된 제2 분할광의 다른 일부가 입력된다.

이러한 제1 광학 하이브리드(600)의 경우, 4개의 위상이 다른 신호가 출력되게 된다. 또한, 제2 광학 하이브리드(700)의 경우에도, 4개의 위상이 다른 신호가 출력되게 된다.

도 2는 통상의 6포트 90° 광학 하이브리드의 입력 포트와 출력 포트를 도시한 것이다. 두 개의 광 신호(S, L)를 입력받으면, 이는 S+L, SL, S+jL, S-jL의 4가지 출력 신호를 생성할 수 있다.

이러한 방식에 따르면, 출력광의 편광 특성을 정밀하게 제어할 수 있다는 장점이 있다. 이에 따라 감지 대상 물체의 표면의 특성을 파악할 수 있다는 장점이 있다.

본 발명의 각 실시예에 개시된 기술적 특징들은 해당 실시예에만 한정되는 것은 아니고, 서로 양립 불가능하지 않은 이상, 각 실시예에 개시된 기술적 특징들은 서로 다른 실시예에 병합되어 적용될 수 있다.

따라서, 각 실시예에서는 각각의 기술적 특징을 위주로 설명하지만, 각 기술적 특징이 서로 양립 불가능하지 않은 이상, 서로 병합되어 적용될 수 있다.

본 발명은 상술한 실시예 및 첨부한 도면에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자의 관점에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명의 범위는 본 명세서의 청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

100: 광원부
200: 제1 마이크로 콤
300: 제2 마이크로 콤
400: 편광 빔 스플리터
500: 광학 서큘레이터
600: 제1 광학 하이브리드
700: 제2 광학 하이브리드

Claims (8)

1. 감지영역에 출력광을 조사하고, 상기 출력광이 반사되는 입력광을 감지하는 라이다 시스템에 있어서,
   광을 발생시키는 광원부;
   상기 광원부의 광의 일부를 입력받아, 복수의 서브 채널을 포함하는 제1 분할광을 생성하는 제1 마이크로 콤(micro comb);
   상기 광원부의 광의 다른 일부를 입력받아, 복수의 서브 채널을 포함하는 제2 분할광을 생성하는 제2 마이크로 콤;
   상기 제1 분할광을 입력받아, 제1 편광빔 및 제2 편광빔으로 분할하는 편광 빔 스플리터;
   상기 제1 편광빔 및 상기 제2 분할광의 일부를 입력받아 미리 정해진 위상 차이를 가지는 복수의 출력 신호를 생성하는 제1 광학 하이브리드; 및
   상기 제2 편광빔 및 상기 제2 분할광의 다른 일부를 입력받아 미리 정해진 위상 차이를 가지는 복수의 출력 신호를 생성하는 제2 광학 하이브리드를 포함하는
   라이다 시스템.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 제1 마이크로 콤은 국부 발진 신호에 대한 마이크로 콤이고,
   상기 제2 마이크로 콤은 원천 신호에 대한 마이크로 콤인
   라이다 시스템.
3. 제1 항에 있어서,
   상기 제2 분할광을 분할하는 광학 서큘레이터를 더 포함하고,
   상기 제1 광학 하이브리드와 상기 제2 광학 하이브리드에는 상기 광학 서큘레이터에 의해 분할된 제2 분할광이 입력되는
   라이다 시스템.
4. 제1 항에 있어서,
   상기 제1 편광빔 및 상기 제2 편광빔은 서로 직교 관계의 위상을 가지는
   라이다 시스템.
5. 제1 항에 있어서,
   상기 상기 서브 채널의 광을 증폭시키는 광 증폭부를 더 포함하고,
   상기 광 증폭부는 반도체 광 증폭기(SOA, Semiconductor Optical Amplifier)를 포함하는
   라이다 시스템.
6. 제5 항에 있어서,
   상기 반도체 광 증폭기는 상기 복수의 서브 채널 중 중간 주파수 대역을 증폭하는 제1 반도체 광 증폭기 및 상기 복수의 서브 채널 중 마지막 주파수 대역을 증폭하는 제2 반도체 광 증폭기를 포함하고,
   상기 제1 반도체 광 증폭기의 이득은 상기 제2 반도체 광 증폭기의 이득보다 작은
   라이다 시스템.
7. 제1 항에 있어서,
   상기 제1 및 제2 마이크로 콤 중 적어도 하나의 FSR(Free Spectral Range)은 10GHz 내지 1THz인
   라이다 시스템.
8. 제1 항에 있어서,
   제1 및 제2 광학 하이브리드 중 적어도 하나는 2개의 입력 포트 및 4개의 출력 포트를 가지는 6포트 광학 하이브리드인
   라이다 시스템.