KR20260117841A - 모듈형 어셈블리를 포함하는 광 검출 및 거리 측정 시스템 - Google Patents

모듈형 어셈블리를 포함하는 광 검출 및 거리 측정 시스템

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KR20260117841A
KR20260117841A KR1020267023989A KR20267023989A KR20260117841A KR 20260117841 A KR20260117841 A KR 20260117841A KR 1020267023989 A KR1020267023989 A KR 1020267023989A KR 20267023989 A KR20267023989 A KR 20267023989A KR 20260117841 A KR20260117841 A KR 20260117841A
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modulator
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아시시 바르드와즈
콜린 딜레이니
스테판 하이네만
아미르 호세이니
프루트비 주자바라푸
파르스 판찰
즈중 탕
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오로라 오퍼레이션스, 인크.
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Abstract

모듈형 LIDAR 센서 시스템은 빔을 출력하도록 구성된 시드 레이저, 상기 시드 레이저로부터 출력된 빔을 수신하고 상기 빔을 변조하여 변조된 빔을 생성하도록 결합된 모듈형 변조기, 상기 모듈형 변조기로부터 상기 변조된 빔을 수신하고 증폭된 빔을 생성하도록 구성된 모듈형 증폭기, 및 상기 모듈형 변조기와 상기 모듈형 증폭기에 결합된 모듈형 트랜시버 칩을 포함하며, 상기 모듈형 트랜시버 칩은 광학 창을 통해 해당 모듈형 트랜시버 칩의 제1 표면으로부터 수직으로 상기 빔을 방출하고 상기 광학 창을 통해 타겟으로부터 반사된 빔을 수신하도록 구성된다.

Description

모듈형 어셈블리를 포함하는 광 검출 및 거리 측정 시스템{LIGHT DETECTION AND RANGING (LIDAR) SYSTEM INCLUDING A MODULAR ASSEMBLY}
본 개시는 개괄적으로 광 검출 및 거리 측정(LIDAR) 시스템을 위한 컴포넌트들의 모듈형 어셈블리, 보다 구체적으로는 모듈형 변조기, 모듈형 증폭기 및 모듈형 트랜시버 칩을 포함하는 LIDAR 시스템에 관한 것이다.
LIDAR 센서 시스템들은 고도 측정으로부터 이미징, 충돌 회피에 이르는 다양한 응용 분야들에 사용된다. LIDAR 센서 시스템의 설계 및 구현에는 광자 컴포넌트들을 포함하는 칩인 광 집적 회로(PIC) 또는 집적 광학 회로가 사용될 수 있다. 과거에는 점점 더 많은 LIDAR 시스템의 광자 컴포넌트들을 단일 PIC에 포함시키려는 시도들이 있었다. 그러나, 이들 시도들은 복잡하고 이러한 복잡한 칩들의 제조 시 현저히 감소된 수율이라는 문제점이 있다. 다른 선행 기술 접근 방식에서는 LIDAR 시스템의 여러 컴포넌트들의 결합에 광섬유 커넥터들을 사용하여 왔다. 광섬유 케이블 커넥터들의 사용의 문제점은 필요한 추가 공간 외에도 광섬유와 커넥터들을 사용할 때 발생하는 구성 복잡성과 정렬 문제들이다. 따라서, 높은 수율과 감소된 복잡성을 갖는 LIDAR 시스템을 구축할 수 있는 방법에 대한 요구가 존재한다.
본 개시의 구현예들은 차량의 광 검출 및 거리 측정(LIDAR) 센서 시스템을 위한 모듈형 아키텍처, 더 구체적으로는 모듈형 컴포넌트들로 구성된 LIDAR 센서 시스템 및 컴포넌트들을 협력 및 통신을 위해 구성하는 방법들에 관한 것이다. 본 개시에 설명된 주제의 일 양태에 따라 포함되는 LIDAR 센서 시스템은 빔을 출력하도록 구성된 시드 레이저, 상기 시드 레이저로부터 출력된 빔을 수신하고 해당 빔을 변조하여 변조된 빔을 생성하도록 구성된 모듈형 변조기, 상기 모듈형 변조기로부터 상기 변조된 빔을 수신하고 증폭된 빔을 생성하도록 구성된 모듈형 증폭기 - 상기 모듈형 증폭기는 다중 개구들을 갖는 특정 반도체 광 증폭기를 포함함 -, 및 상기 모듈형 변조기와 상기 모듈형 증폭기에 결합된 모듈형 트랜시버 칩 - 해당 트랜시버 칩은 광학 창을 통해 상기 트랜시버 칩의 제1 표면으로부터 수직으로 상기 빔을 방출하고 대상으로부터 반사된 빔을 상기 광학 창을 통해 수신하도록 구성됨 - 을 포함한다.
이들 및 다른 구현예들은 각각 선택적으로 다음 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 특징들은 빔을 출력하기 위해 광학 피드백을 제공하는 격자 구조를 갖는 레이저를 포함하거나 빔을 모듈형 변조기에 결합시키는 렌즈 - 해당 렌즈는 450 내지 550 마이크로미터 범위의 피치를 가짐 - 를 포함하는 시드 레이저를 포함할 수 있다. 예를 들어, 특징들은 또한 모듈형 변조기가 동상(in-phase) 및 직교 변조 또는 주파수 변조를 수행하여 변조된 빔을 생성하는 것을 포함할 수 있다. 다른 예에서, 특징들은 모듈형 변조기와 시드 레이저가 단일 칩으로 통합되어 시드 레이저 어셈블리를 형성하는 것을 포함할 수 있다. 다른 특징에서, 시드 레이저 어셈블리는 제1 서브마운트에 장착되고, 모듈형 변조기에 결합된 모듈형 트랜시버 칩은 광 결합을 위해 시드 레이저 어셈블리의 높이와 모듈형 트랜시버 칩의 높이를 정렬하기 위한 제2 서브마운트에 장착된다. 일부 특징들에서, 모듈형 증폭기는 모듈형 변조기로부터 변조된 빔을 수신하고 자극 방출(stimulated emission)을 통해 증폭된 빔을 생성하도록 구성된 반도체 광 증폭기 또는 테이퍼드(tapered) 반도체 광 증폭기를 포함한다. 예를 들어, 일 양태에서, 모듈형 증폭기는 인화인듐(InP), 비화갈륨(GaAs), 질화규소(SiN), 비화인듐(InAs), 질화갈륨(GaN) 또는 안티몬화인듐(InSb) 중 하나를 포함한다. 특징들은 또한 특정 반도체 광학 증폭기가 그 측면들에 휨 제어(bow management)를 위한 부가 소재를 가지는 것을 포함할 수 있다. 또한, 특징들은 모듈형 증폭기가 모듈형 증폭기의 제1 부분에 장착된 제1 바 및 모듈형 증폭기의 제2 부분에 장착된 제2 바를 포함하고, 여기서 제2 바는 제1 바의 열 팽창 계수와 일치하는 열 팽창 계수를 가지며, 제1 바와 제2 바는 모듈형 증폭기의 접합 온도를 낮추도록 구성되는 특징, 또는 제1 바와 제2 바가 16개의 개구 바(aperture bars)이고 모듈형 증폭기는 16개의 테이퍼드 반도체 광학 증폭기들을 포함하는 특징을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 특징들은 렌즈 어레이에 의해 모듈형 증폭기에 광학적으로 결합된 모듈형 변조기를 포함하거나 렌즈 어레이가 모듈형 변조기의 서브마운트의 제1 높이와 모듈형 증폭기의 서브마운트의 제2 높이의 높이 차를 보상하는 특징을 포함할 수 있다. 특징들은 또한 모듈형 변조기, 모듈형 증폭기 및 모듈형 트랜시버 칩이 통합 전에 완전히 테스트되어 높은 수율을 가능하게 하는 특징을 포함할 수 있다. 다른 특징들은 스플리터가 모듈형 변조기를 모듈형 증폭기에 결합하고, 해당 스플리터는 450 내지 550 마이크로미터 범위의 피치를 갖는 1-대-16 스플리터(1-to-16 splitter)를 포함하는 특징을 포함할 수 있다. 예를 들어, 특징들은 모듈형 변조기를 모듈형 증폭기에 결합하는 렌즈 어레이와 450 내지 550 마이크로미터 범위의 피치를 갖는 복수의 1-대-4 스플리터 칩을 포함하는 스플리터를 포함할 수 있으며, 여기서 렌즈 어레이는 4개의 렌즈들을 포함하며 450 내지 550 마이크로미터 범위의 피치를 가진다. 또한, 특징들은 모듈형 변조기, 모듈형 증폭기 및 모듈형 트랜시버 칩이 수평으로 통합되거나 수직으로 통합되는 특징을 포함할 수 있다. 또한, 특징들은 모듈형 변조기, 모듈형 증폭기 및 모듈형 트랜시버 칩이 자율주행 차량의 일부이거나 자율주행 차량 제어 시스템의 일부인 특징을 포함할 수 있다.
본 개시에 설명된 주제의 다른 양태에 따라 포함되는 차량용 LIDAR 센서 시스템은 빔을 출력하도록 구성된 시드 레이저, 상기 시드 레이저로부터 빔을 수신하고 해당 빔을 변조하여 변조된 빔을 생성하도록 상기 시드 레이저에 결합된 변조기, 상기 변조기로부터 변조된 빔을 수신하고 증폭된 빔을 생성하도록 상기 변조기에 결합된 증폭기, 및 상기 변조기 및 증폭기에 결합된 트랜시버 - 상기 트랜시버는 표면 방출을 통해 상기 트랜시버에 대해 소정 방향으로 증폭된 빔을 처리 및 방출하고 차량이 위치된 환경의 물체로부터 반사된 빔을 수신 및 처리하도록 구성됨 - 를 포함한다. 본 개시의 일부 구현예들에서, 자율주행 차량 제어 시스템은 본 명세서에 설명된 바와 같은 LIDAR 센서 시스템 및 반사된 빔을 사용하여 물체까지의 거리 또는 물체의 속도 중 적어도 하나를 결정하고 상기 거리 또는 속도 중 적어도 하나에 응답하여 자율주행 차량의 동작을 제어하도록 구성된 하나 이상의 프로세서들을 포함할 수 있다. 본 개시의 일부 구현예들에서, 자율주행 차량은 본 명세서에 설명된 바와 같은 LIDAR 센서 시스템, 조향 시스템, 제동 시스템 및 차량 컨트롤러를 포함할 수 있다. 차량 컨트롤러는 반사된 빔을 사용하여 물체까지의 거리 또는 물체의 속도 중 적어도 하나를 결정하고, 상기 거리 또는 속도 중 적어도 하나에 응답하여 상기 조향 시스템과 상기 제동 시스템 중 적어도 하나의 동작을 제어하도록 구성된 하나 이상의 프로세서들을 포함할 수 있다.
이들 및 다른 구현예들은 각각 선택적으로 다음 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 특징들은 증폭된 빔이 방출되고 반사된 빔이 수신되는 통로인 광학 창을 포함하는 트랜시버를 포함할 수 있다. 특징들은 또한 증폭된 빔을 트랜시버의 표면으로부터 수직으로 방출하는 것을 포함하는 표면 방출을 포함할 수 있다. 예를 들어, 특징들은 또한 트랜시버가 물체로부터 반사된 빔을 처리하여 광전류를 검출하고 해당 검출된 광전류를 트랜스임피던스 증폭기에 결합하는 특징을 포함할 수 있다. 다른 예에서, 특징들은 변조기와 시드 레이저가 시드 레이저 어셈블리로 통합되고 시드 레이저 어셈블리가 제1 서브마운트에 장착되고 트랜시버가 광 결합을 위해 시드 레이저의 높이와 트랜시버의 높이를 정렬하기 위한 제2 서브마운트에 장착되는 특징을 포함할 수 있다. 다른 예에서, 특징들은 증폭기가 반도체 광 증폭기를 포함하고 해당 반도체 광 증폭기는 광 증폭을 위해 U-형 수동 컴포넌트와 통합되는 특징을 포함할 수 있다. 다른 예에서, 특징들은 증폭기가 변조기로부터 변조된 빔을 수신하고 자극 방출을 통해 증폭된 빔을 생성하도록 구성되는 테이퍼드 반도체 광 증폭기를 포함하는 특징을 포함할 수 있다. 일례로, 증폭기는 인화인듐(InP), 비화갈륨(GaAs), 비화인듐(InAs), 질화갈륨(GaN), 안티몬화인듐(InSb) 또는 희토류 도핑 재료 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 특징들은 변조기가 제1 렌즈 어레이를 통해 증폭기에 광학적으로 결합되고, 상기 제1 렌즈 어레이는 변조기의 서브마운트의 제1 높이와 증폭기의 서브마운트의 제2 높이의 높이 차를 보상하며, 증폭기는 제2 렌즈 어레이를 통해 트랜시버에 광학적으로 결합되는 특징을 포함할 수 있다. 일례로, 제1 렌즈 어레이, 증폭기 및 제2 렌즈 어레이는 단일 칩으로 통합된다. 다른 예에서, 다른 특징들은 변조기의 출력을 증폭기의 입력에 결합하는 스플리터를 포함하고 해당 스플리터는 450 내지 550 마이크로미터 범위의 피치를 갖는 1-대-16 스플리터를 포함하는 특징을 포함할 수 있다. 다른 예에서, 특징들은 또한 스플리터의 출력을 증폭기의 입력에 결합하는 제1 렌즈 어레이를 포함하고, 스플리터는 450 내지 550 마이크로미터 범위의 피치를 갖는 복수의 1-대-4 스플리터 칩을 포함하며, 제1 렌즈 어레이는 4개의 렌즈들을 포함하고 450 내지 550 마이크로미터 범위의 피치를 가지는 특징을 포함할 수 있다. 또한, 특징들은 변조기, 증폭기 및 트랜시버 각각이 모듈형 구조이고 광 결합을 위해 수평으로 정렬되고, 광 결합을 위해 수평으로 정렬된 변조기, 증폭기 및 트랜시버 각각의 광 포트들은 일치하는 피치, 일치하는 광 모드 크기 및 일치하는 단면(facet) 각도를 가지는 특징을 포함할 수 있다. 다른 예에서, 특징들은 변조기, 증폭기 및 트랜시버 각각이 모듈형 구조이고 광 결합을 위해 수직으로 정렬되는 특징을 포함할 수 있다.
당업자들은 본 개요가 단지 예시적인 것일 뿐이며, 어떠한 방식으로든 제한하려는 의도가 없음을 이해할 것이다. 본 명세서에 설명된 특징들 중 임의의 특징들은 임의의 다른 특징들과 함께 사용될 수 있으며, 그러한 특징들의 임의의 하위 집합은 다양한 구현예들에 따라 조합하여 사용될 수 있다. 청구범위에 의해서만 정의되는 본 명세서에 기재된 장치들 및/또는 프로세스들의 다른 양태들, 독창적인 특징들 및 장점들은 본 명세서에 언급되고 첨부된 도면들과 함께 고려되는 상세한 설명에서 분명해질 것이다. 또한, 본 개시에 사용되는 언어는 주로 가독성 및 설명 목적으로 선택되었으며, 여기에 개시된 주제의 범위를 제한하기 위한 것이 아니다.
첨부된 도면에서 여러 구현예들은 제한이 아닌 예시로서 제공되며, 유사한 참조 번호들이 유사한 요소들을 지칭한다.
도 1a는 일부 구현예들에 따른 자율주행 차량의 시스템 환경의 일례를 나타낸 블록도이다.
도 1b는 일부 구현예들에 따른 자율주행 상용 트럭 차량의 시스템 환경의 일례를 나타낸 블록도이다.
도 1c는 일부 구현예들에 따른 자율주행 상용 트럭 차량의 시스템 환경의 일례를 나타낸 블록도이다.
도 1d는 일부 구현예들에 따른 자율주행 상용 트럭 차량의 시스템 환경의 일례를 나타낸 블록도이다.
도 2는 일부 구현예들에 따른 자율주행 차량용 LIDAR 센서 시스템의 일례를 나타낸 블록도이다.
도 3은 일부 구현예들에 따른 자율주행 차량용 LIDAR 센서 시스템의 예시적인 컴포넌트들을 나타낸 하이 레벨 블록도이다.
도 4는 일부 구현예들에 따른 자율주행 차량의 수평 통합 LIDAR 센서 시스템의 예시적인 모듈형 컴포넌트들을 나타낸 하이 레벨 블록도이다.
도 5는 일부 구현예들에 따른 자율주행 차량의 수평 또는 수직 통합 LIDAR 센서 시스템의 예시적인 모듈형 컴포넌트들을 나타낸 하이 레벨 블록도이다.
도 6은 일부 구현예들에 따른 자율주행 차량의 LIDAR 센서 시스템의 모듈형 컴포넌트들의 예시적인 평면도를 나타낸 하이 레벨 블록도이다.
도 7은 일부 구현예들에 따른 자율주행 차량의 모듈형 LIDAR 센서 시스템의 예시적인 통합 칩 패키징을 나타낸 단면도이다.
본 명세서에 예시된 구조체들 및 방법들의 대체 구현예들은 여기에 설명된 원리들을 벗어나지 않고 사용될 수 있다는 것을 이해해야 한다.
특정 양태들에 따르면, 모듈형 LIDAR 센서 시스템(300)은 시드 레이저(308), 모듈형 변조기(306), 모듈형 증폭기(304) 및 모듈형 트랜시버 칩(302)을 포함한다. LIDAR 센서 시스템(300)은 이들 컴포넌트들(302, 304, 306, 308) 각각이 모듈형 설계를 가진다는 점에서 유리하다. 이러한 모듈형 설계는 컴포넌트들 각각이 개별 집적 회로이고, 개별 집적 회로들이 마이크로 렌즈들에 의해 광학적으로 결합되어 있다는 점에서 특히 유리하다. 이러한 모듈성으로 인해, 모듈형 LIDAR 센서 시스템(300)은 개별 집적 회로들 각각이 모듈형 컴포넌트들 각각에 대해 훨씬 더 높은 수율을 가지므로 위에서 언급한 선행 기술의 단점들을 극복한다. 이러한 모듈형 설계를 통해 각 컴포넌트의 효율성을 다양한 측면들에서 개별적으로 테스트할 수 있다. 또한, 이러한 모듈형 설계는 또한 모듈형 변조기(306), 모듈형 증폭기(304) 또는 모듈형 트랜시버 칩(302) 중 임의의 구성의 상이한 버전들을 다른 모듈형 컴포넌트들과 함께 사용할 수 있으므로 더 많은 구성 유연성을 제공한다. 일부 구현예들에서, LIDAR 센서 시스템(300)은 또한 LIDAR 센서 내외로 전달되는 광 신호의 경로를 제공하고 향상된 성능을 위해 해당 광 컴포넌트들에 의해 생성되는 열을 방열하기 위한 광 컴포넌트들의 구성을 정의하는 LIDAR 센서용 통합 칩 패키징을 포함할 수 있다. 모듈형 트랜시버 칩(302)은 광학 창을 통해 모듈형 트랜시버 칩(302)의 제1 표면으로부터 수직으로 빔을 방출하고, 표적으로부터 반사된 빔을 광학 창을 통해 수신하도록 구성될 수 있다.
다음의 설명에서는, 설명을 위해, 상이한 예시적 구현예들의 다양한 양태들에 대한 완전한 이해를 제공하기 위해 많은 특정 상세들이 언급된다. 임의의 특정 예시적인 구현예는 다양한 경우에 모든 특정 상세들 없이 및/또는 여기에 설명된 다양한 특징들 및 요소들의 변형, 순열 및 조합으로 실시될 수 있음에 유의한다. 이제 본 개시의 구현예들을 상세히 참조할 것이며, 그 예들은 첨부된 도면들에 예시되어 있다. 가능한 경우, 동일하거나 유사한 부분들을 지칭하기 위해 도면들과 설명에서 동일한 참조 번호들이 사용된다.
또한, 도면들에 도시된 바와 같이 한 요소와 다른 요소의 관계를 설명하기 위해 "하부" 또는 "바닥" 또는 "뒤" 또는 "아래" 및 "상부" 또는 "상단" 또는 "앞" 또는 "위"와 같은 상대적인 용어들이 본 명세서에 사용될 수 있다. 상대적인 용어들은 도면들에 표현된 방향 외에 장치의 다른 방향들을 포함하도록 의도된 것으로 이해될 것이다. 예를 들어, 도면들 중 하나의 장치를 뒤집으면, 다른 요소들의 "하부" 측에 있는 것으로 설명된 요소들은 다른 요소들의 "상부" 측들을 향하게 된다. 따라서, "하부"라는 예시적인 용어는 도면의 특정 방향에 따라 "하부"와 "상부"의 방향 모두를 포함할 수 있다. 유사하게, 도면들 중 하나의 장치를 뒤집으면, 다른 요소들의 "아래" 또는 "밑"으로 설명된 요소들은 다른 요소들의 "위로" 향하게 된다. 따라서, "아래" 또는 "밑"이라는 예시적인 용어들은 위 및 아래의 방향 모두를 포함할 수 있다.
여러 도면에서 유사 번호들이 유사 부분들을 지시하는 도면들을 참조하면, 도 1a는 여기에 개시된 다양한 기술들이 구현될 수 있는 자율주행 차량(111A)의 시스템 환경(100A)의 일례를 도시한 것이다. 예를 들어, 차량(111A)은 에너지 공급원(106)에 의해 구동되고 드라이브트레인(108)에 동력을 제공할 수 있는 원동기(104)를 포함하는 파워트레인(102)과, 방향 제어부(112), 파워트레인 제어부(114) 및 제동 제어부(116)를 포함하는 제어 시스템(110)을 포함할 수 있다. 차량(111A)은 사람 및/또는 화물을 수송할 수 있고, 육로 주행이 가능한 차량들을 비롯한 임의의 수의 다른 유형들의 차량들로 구현될 수 있으며, 전술한 컴포넌트들(102-116)은 이러한 컴포넌트들이 활용되는 차량의 유형에 따라 크게 달라질 수 있음을 이해해야 한다.
단순화를 위해, 이하에서 논하는 구현예들은 승용차, 밴, 트럭, 버스 등과 같은 휠 장착형 육상 차량에 초점을 맞춘다. 이러한 구현예들에서, 원동기(104)는 (다른 것들 중에서) 하나 이상의 전기 모터들 및/또는 내연 기관을 포함할 수 있다. 에너지 공급원(106)은 예를 들어, (예컨대, 가솔린, 디젤, 수소 등을 제공하는) 연료 시스템, 배터리 시스템, 태양광 패널들, 또는 다른 재생 에너지 공급원들, 및/또는 연료 전지 시스템을 포함할 수 있다. 드라이브트레인(108)은 원동기(104)의 출력을 차량 동작으로 변환하기에 적합한 변속기 및/또는 임의의 다른 기계적 구동 컴포넌트들과 함께 휠들 및/또는 타이어들, 그리고 차량(111A)을 제어 가능하게 정지 또는 감속하도록 구성된 하나 이상의 브레이크들 및 차량(111A)의 궤적을 제어하기에 적합한 방향 또는 조향 컴포넌트들(예를 들어, 차량의 종축에 대해 휠들의 회전 평면들의 각을 변화시키기 위해 대체로 수직인 축을 중심으로 피봇되게 하는 랙-피니언 조향 연결부)을 포함한다. 일부 구현예들에서, (예를 들어, 전기/가스 하이브리드 차량들의 경우) 파워 트레인들 및 에너지 공급원들의 조합들이 사용될 수 있고, 다른 구현예들에서, (예를 들어, 개별 휠들 또는 차축들 전용의) 다수의 전기 모터들이 원동기로서 사용될 수 있다. 수소 연료 전지 구현예의 경우, 원동기(104)는 하나 이상의 전기 모터들을 포함할 수 있고, 에너지 공급원(106)은 수소 연료로 활성화되는 연료 전지 시스템을 포함할 수 있다.
방향 제어부(112)는 차량(111A)이 원하는 궤적을 따르도록 하는 방향 또는 조향 컴포넌트들을 제어하고 조향 컴포넌트들로부터 피드백을 수신하기 위한 하나 이상의 액추에이터들 및/또는 센서들을 포함할 수 있다. 파워 트레인 제어부(114)는 파워 트레인(102)의 출력을 제어하도록, 예를 들어, 원동기(104)의 출력을 제어하고, 드라이브트레인(108) 내의 변속기의 기어를 제어하는 등을 통해 차량(111A)의 속도 및/또는 방향을 제어하도록 구성될 수 있다. 제동 제어부(116)는 차량(111A)을 감속 또는 정지시키는 하나 이상의 브레이크들, 예를 들어, 차량의 휠들에 결합된 디스크 또는 드럼 브레이크들을 제어하도록 구성될 수 있다.
전 지형(all-terrain) 또는 트랙 차량들, 및 건설 장비를 포함하되 이에 한정되지 않는 다른 차량 유형들은 상이한 파워 트레인들, 드라이브트레인들, 에너지 공급원들, 방향 제어부들, 파워 트레인 제어부들 및 제공 제어부들을 활용할 수 있다. 또한, 일부 구현예들에서는, 예를 들어, 차량의 방향 제어가 주로 하나 이상의 원동기들의 출력을 변화시킴으로써 처리되는 경우, 컴포넌트들 중 일부가 결합될 수 있다. 따라서, 여기에 개시된 구현예들은 여기에 개시된 기술들이 특히 자율주행 육상 차량에 적용되는 것에 한정되지 않는다.
예시된 구현예들에서, 차량(111A)에 대한 완전 또는 반자율 제어를 포함하는 다양한 수준들의 자율 제어가 차량 제어 시스템(120)에서 구현될 수 있는 데, 이 차량 제어 시스템은 하나 이상의 프로세서들(122) 및 하나 이상의 메모리들(124)을 포함하고, 여기서 각 프로세서(122)는 메모리(124)에 저장된 프로그램 코드 명령어들(126)을 실행하도록 구성될 수 있다. 프로세서(들)는, 예를 들어, 그래픽 처리 유닛(들)("GPU(s)") 및/또는 중앙 처리 유닛들("CPU(s)")을 포함할 수 있다.
센서들(130)은 차량(111A)의 동작을 제어하는 데 사용하기 위해 차량의 주변 환경으로부터 정보를 수집하는 데 적합한 다양한 센서들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 센서들(130)은 하나 이상의 검출 및 거리 측정 센서들(예를 들어, 레이더 센서(134) 및 LIDAR 센서(136) 중 적어도 하나), 3D 위치 센서(138), 예를 들어, GPS(글로벌 포지셔닝 시스템), GLONASS(Global Naya Navigazionnaya Sputnikovaya Sistema 또는 글로벌 항법 위성 시스템), BeiDou 항법 위성 시스템(BDS), 갈릴레오, 컴퍼스 등과 같은 위성 항법 시스템을 포함할 수 있다. 3D 위치 센서(138)는 위성 신호들을 사용하여 지구 상의 차량의 위치를 결정하는 데 사용될 수 있다. 센서들(130)은 선택적으로 카메라(140) 및/또는 IMU(관성 측정 장치)(142)를 포함할 수 있다. 카메라(140)는 모노그래픽 또는 스테레오그래픽 카메라일 수 있으며, 정지 및/또는 비디오 이미지들을 기록할 수 있다. IMU(142)는 차량(111A)의 선형 및 회전 동작을 3개의 방향들에서 검출할 수 있는 다중 자이로스코프 및 가속도계를 포함할 수 있다. 휠 엔코더들과 같은 하나 이상의 엔코더들(144)이 차량(111A)의 하나 이상의 휠들의 회전을 모니터링하는 데 사용될 수 있다. 일부 구현예들에서, LIDAR 센서(136)는 아래에 상세히 설명되는 바와 같이 코히런트 LIDAR 시스템을 위한 실리콘 포토닉스 장치의 구조를 포함할 수 있다.
센서들(130)의 출력들은, 위치 추정(localization) 서브시스템(152), 인식(perception) 서브시스템(154), 계획 서브시스템(156) 및 제어 서브시스템(158)을 포함하는 제어 서브시스템(150) 세트에 제공될 수 있다. 위치 추정 서브시스템(152)은 주로 그 주변 환경 내에서, 그리고 일반적으로 일부 참조 프레임 내에서 차량(111A)의 위치 및 방향("포즈(pose)" 또는 "포즈 추정"이라고도 함)을 정밀하게 결정하는 역할을 한다. 인식 서브시스템(154)은 주로 차량(111A)을 둘러싼 환경 내의 물체들을 검출, 추적 및/또는 식별하는 역할을 한다. 일부 구현예들에 따른 머신 러닝 모델이 물체들의 추적에 활용될 수 있다. 계획 서브시스템(156)은 주로 환경 내의 정지 및 이동 물체들뿐만 아니라 원하는 목적지가 주어질 때 일부 시간 프레임에 걸쳐 차량(111A)의 이동 궤적 또는 경로를 계획하는 역할을 한다. 일부 구현예들에 따른 머신 러닝 모델이 차량 궤적의 계획에 활용될 수 있다. 제어 서브시스템(158)은 주로 차량(111A)의 계획된 궤적을 구현하기 위해 차량 제어 시스템(120)의 다양한 제어부들을 제어하기 위한 적절한 제어 신호들을 생성하는 역할을 한다. 유사하게, 머신 러닝 모델이 계획된 궤적을 구현하기 위해 자율주행 차량(111A)을 제어하는 하나 이상의 신호들을 생성하는 데 활용될 수 있다.
도 1a에 도시된 차량 제어 시스템(120)을 위한 컴포넌트들의 집합은 단지 하나의 예시일 뿐이라는 것이 이해될 것이다. 개별 센서들은 일부 구현예들에서 생략될 수 있다. 추가로, 또는 대안으로, 일부 구현예들에서, 도 1a에 도시된 동일한 유형들의 다중 센서가 중복성을 위해 및/또는 차량 주변의 상이한 영역들을 커버하기 위해 사용될 수 있다. 또한, 휠 장착형 육상 차량의 동작 및 환경과 관련된 실제 센서 데이터를 제공하기 위해 전술한 것들 외에 다른 유형들의 추가 센서들이 존재할 수 있다. 유사하게, 다른 유형들 및/또는 조합들의 제어 서브시스템들이 다른 구현예들에서 사용될 수 있다. 또한, 서브시스템들(152-158)은 프로세서(122)와 메모리(124)와 분리되어 있는 것으로 도시되어 있지만, 일부 구현예들에서, 서브시스템(152-158)의 기능의 일부 또는 전부는 하나 이상의 메모리들(124)에 상주하고 하나 이상의 프로세서들(122)에 의해 실행되는 프로그램 코드 명령어들(126)로 구현될 수 있으며, 이들 서브시스템들(152-158)은 일부 경우에 동일한 프로세서(들) 및/또는 메모리를 사용하여 구현될 수 있음을 이해해야 한다. 서브시스템들은 적어도 부분적으로는 다양한 전용 회로 로직, 다양한 프로세서들, 다양한 필드 프로그래머블 게이트 어레이들("FPGA"), 다양한 주문형 집적 회로들("ASIC"), 다양한 실시간 컨트롤러들 등을 사용하여 구현될 수 있으며, 전술한 바와 같이, 다수의 서브시스템들은 회로, 프로세서들, 센서들 및/또는 기타 컴포넌트들을 활용할 수 있다. 또한, 차량 제어 시스템(120)의 다양한 컴포넌트들은 다양한 방식들로 네트워크 연결될 수 있다.
일부 구현예들에서, 차량(111A)은 또한 차량(111A)의 중복 또는 백업 제어 시스템으로서 사용될 수 있는 보조 차량 제어 시스템(예시되지 않음)을 포함할 수 있다. 일부 구현예들에서, 보조 차량 제어 시스템은 차량 제어 시스템(120)에 불리한 이벤트가 발생하는 경우 자율주행 차량(111A)을 완전히 작동시킬 수 있는 반면, 다른 구현예들에서, 보조 차량 제어 시스템은 제한된 기능만을 가져서, 예를 들어, 주요 차량 제어 시스템(120)에서 검출된 불리한 이벤트에 응답하여 차량(111A)을 제어된 방식으로 정지시킬 수 있다. 다른 구현예들에서, 보조 차량 제어 시스템은 생략될 수 있다.
일반적으로, 소프트웨어, 하드웨어, 회로 로직, 센서들, 네트워크들 등의 다양한 조합들을 포함하는 상이한 아키텍처들이 도 1a에 도시된 다양한 컴포넌트들을 구현하는 데 사용될 수 있다. 각 프로세서는 예를 들어, 마이크로 프로세서로 구현될 수 있고, 각 메모리는 주요 저장 장치를 포함하는 랜덤 액세스 메모리("RAM") 장치들뿐만 아니라, 임의의 보조 레벨들의 메모리, 예를 들어, 캐시 메모리들, 비휘발성 또는 백업 메모리들(예컨대, 프로그래머블 또는 플래시 메모리들), 읽기 전용 메모리들 등을 나타낼 수 있다. 또한, 각 메모리는 차량(111A)의 다른 곳에 물리적으로 위치된 메모리 저장 장치, 예를 들어 프로세서의 임의의 캐시 메모리뿐만 아니라, 예를 들어, 대용량 저장 장치 또는 다른 컴퓨터 컨트롤러에 저장된 가상 메모리로서 사용되는 임의의 저장 용량을 포함하는 것으로 간주될 수 있다. 도 1a에 도시된 하나 이상의 프로세서들(122), 또는 완전히 분리된 프로세서들은 자율 제어의 목적들 외의 추가 기능, 예를 들어, 엔터테인먼트 시스템들의 제어, 도어들, 조명들, 편의부들 등의 작동을 위한 추가 기능을 차량(111A)에 구현하는 데 사용될 수 있다.
또한, 추가 저장을 위해, 차량(111A)은 하나 이상의 대용량 저장 장치들, 예를 들어, 무엇보다도, 이동식 디스크 드라이브, 하드 디스크 드라이브, 직접 액세스 저장 장치("DASD"), 광 드라이브(예를 들어, CD 드라이브, DVD 드라이브 등), 솔리드 스테이트 저장 드라이브("SSD"), 네트워크 연결 저장 장치, 저장 영역 네트워크 및/또는 테이프 드라이브 등을 포함할 수 있다.
또한, 차량(100)은 차량(111A)이 사용자 또는 조작자로부터 다수의 입력들을 수신하고 그 사용자 또는 조작자에 대해 출력들을 생성하게 하는 사용자 인터페이스(118), 예를 들어, 하나 이상의 디스플레이들, 터치스크린들, 음성 및/또는 제스처 인터페이스들, 버튼들 및 다른 촉각 제어부들 등을 포함할 수 있다. 다른 경우, 사용자 입력은 다른 컴퓨터 또는 전자 장치를 통해, 예를 들어, 모바일 기기 상의 앱을 통해 또는 웹 인터페이스를 통해 수신될 수 있다.
또한, 차량(111A)은 예를 들어, 차량(111A)이 그 자율 제어에 사용하기 위해 훈련된 머신 러닝 모델들 및 다른 데이터를 포함하는 정보를 수신하는 매개인 클라우드 서비스와 같은 중앙 서비스를 포함하여 다른 컴퓨터들 및 전자 장치들과의 정보의 전달을 허용하도록 하나 이상의 네트워크들(176)과의 통신에 적합한 네트워크 인터페이스(162)와 같은 하나 이상의 네트워크 인터페이스를 포함할 수 있다. 하나 이상의 네트워크들(176)은 예를 들어, 통신 네트워크일 수 있으며, 인터넷과 같은 광역 네트워크("WAN"), 와이파이 LAN, 메시 네트워크 등과 같은 하나 이상의 근거리 네트워크들("LAN"), 및 하나 이상의 버스 서브시스템들을 포함할 수 있다. 하나 이상의 네트워크들(176)은 선택적으로 하나 이상의 표준 통신 기술들, 프로토콜들 및/또는 프로세스 간 통신 기술들을 활용할 수 있다. 일부 구현예들에서, 하나 이상의 센서들(130)에 의해 수집된 데이터는 추가 처리를 위해 네트워크(176)를 통해 컴퓨팅 시스템(172)에 업로드될 수 있다. 예시된 구현예에서, 차량(111A)은 네트워크(176) 및 신호 라인(178)을 통해 컴퓨팅 시스템(172)과 통신할 수 있다. 일부 구현예들에서, 컴퓨팅 시스템(172)은 클라우드 기반 컴퓨팅 장치이다. 또한, 다수의 구현예들에 따른 컴퓨팅 시스템(172)에 의한 자율주행 차량 데이터의 처리가 도 2와 관련하여 설명된다.
도 1a에 도시된 각 프로세서와 여기에 개시된 다양한 추가 컨트롤러들 및 서브시스템들은 일반적으로 운영 시스템의 제어 하에 동작하며, 아래에 더 상세히 설명되는 바와 같이 다양한 컴퓨터 소프트웨어 애플리케이션들, 컴포넌트들, 프로그램들, 객체들, 모듈들, 데이터 구조들 등을 실행하거나 이에 의존한다. 또한, 다양한 애플리케이션들, 컴포넌트들, 프로그램들, 객체들, 모듈들 등도 예를 들어, 컴퓨터 프로그램의 기능을 구현하는 데 필요한 처리를 네트워크를 통해 다수의 컴퓨터들 및/또는 서비스들에 할당할 수 있는 분산형, 클라우드 기반 또는 클라이언트-서버 컴퓨팅 환경에서 네트워크(176)를 통해 차량(100)에 결합된 다른 컴퓨터(예를 들어, 컴퓨팅 시스템(172))의 하나 이상의 프로세서들에서 실행될 수 있다.
일반적으로, 운영 체계 또는 특정 애플리케이션, 컴포넌트, 프로그램, 객체, 모듈 또는 명령어들의 시퀀스 또는 그 하위 집합의 일부로 구현되는지 여부에 무관하게 여기에 설명된 다양한 구현예들을 구현하기 위해 실행되는 루틴들은 여기에서는 "프로그램 코드"로 지칭된다. 프로그램 코드는 일반적으로, 다양한 메모리 및 저장 장치들에 다양한 시간들에 상주하고, 하나 이상의 프로세서들에 의해 판독 및 실행될 때, 본 개시의 다양한 양태들을 구현하는 단계들 또는 요소들을 실행하는 데 필요한 단계들을 수행하는 하나 이상의 명령어들을 포함한다. 또한, 구현예들은 완전히 기능하는 컴퓨터들 및 시스템들을 가지며 이하에서 그 맥락에서 설명되지만, 여기에 설명되는 다양한 구현예들은 다양한 형태들의 프로그램 제품으로 배포될 수 있으며, 구현예들은 실제로 배포를 수행하는 데 사용되는 특정 유형의 컴퓨터 판독 가능 매체와 관계없이 구현될 수 있다는 것을 이해해야 한다.
컴퓨터 판독 가능 매체의 예들로는 무엇보다도 휘발성 및 비휘발성 메모리 장치들, 플로피 및 기타 이동식 디스크들, 솔리드 스테이트 드라이브들, 하드 디스크 드라이브들, 자기 테이프 및 광 디스크들(예컨대, CD-ROM, DVD 등) 등과 같은 유형적 비일시적 매체가 포함된다.
또한, 이하에서 설명되는 다양한 프로그램 코드는 특정 구현예에서 구현되는 애플리케이션을 기초로 식별될 수 있다. 그러나, 다음의 임의의 특정 프로그램 명명법은 단지 편의상 사용되는 것이므로, 본 개시는 그러한 명명법에 의해 식별 및/또는 암시되는 임의의 특정 애플리케이션에서만 사용하도록 제한되어서는 안 된다는 점을 알아야 한다. 또한, 컴퓨터 프로그램들이 루틴들, 절차들, 방법들, 모듈들, 객체들 등으로 조직될 수 있는 통상적으로 무수히 많은 방식들과, 프로그램 기능들이 일반적인 컴퓨터 내에 상주하는 다양한 소프트웨어 계층들(예를 들어, 운영 체계들, 라이브러리들, API들, 애플리케이션들, 애플릿들 등) 사이에서 할당될 수 있는 다양한 방식들을 고려하면, 본 개시는 여기에 설명된 프로그램 기능의 특정 조직 및 할당으로 제한되지 않는다는 것을 알아야 한다.
도 1a에 도시된 예시적인 환경은 여기에 개시된 구현예들을 제한하고자 의도된 것이 아니다. 실제로, 여기에 개시된 구현예들의 범위를 벗어나지 않고 다른 대체 하드웨어 및/또는 소프트웨어 환경들이 사용될 수 있다.
트럭은 LIDAR 시스템(예컨대, 도 1a의 차량 제어 시스템(120), 도 2의 LIDAR 시스템(201) 등)을 포함할 수 있다. 일부 구현예들에서, LIDAR 시스템은 주파수 변조를 이용하여 광 신호를 인코딩하고 광학기를 사용하여 그 인코딩된 광 신호를 자유 공간으로 산란시킬 수 있다. 인코딩된 광 신호와 물체로부터 반사된 반사 신호 사이의 주파수 차이들을 검출하는 것에 의해, 주파수 변조된(FM) LIDAR 시스템은 도플러 효과를 이용하여 물체의 위치를 결정하고 및/또는 물체의 속도를 정밀하게 측정할 수 있다. FM LIDAR 시스템은 연속파("FMCW LIDAR" 또는 "코히런트 FMCW LIDAR"로 지칭됨) 또는 준연속파("FMQW LIDAR"로 지칭됨)를 사용할 수 있다. LIDAR 시스템은 위상 변조(PM)를 이용하여 광 신호를 인코딩하고 광학기를 사용하여 그 인코딩된 광 신호를 자유 공간으로 산란시킬 수 있다.
FM 또는 위상 변조된(PM) LIDAR 시스템은 자동차 및/또는 상용 트럭 응용 분야들과 관련하여 종래의 LIDAR 시스템들에 비해 상당한 장점들을 제공할 수 있다. 우선, 일부 경우, 물체(예컨대, 어두운 옷을 입은 보행자)는 물체에 입사하는 입사광 중 소량(예컨대, 10% 이하)의 광만을 FM 또는 PM LIDAR 시스템의 센서들(예컨대, 도 1a의 센서들(130))로 다시 반사한다는 점에서 낮은 반사율을 가질 수 있다. 다른 경우, 물체(예를 들어, 반짝이는 도로 표지판)는 물체에 입사하는 입사광 중 다량의 광을 FM LIDAR 시스템의 센서들로 다시 반사한다는 점에서 높은 반사율(예를 들어, 10% 초과)을 가질 수 있다.
물체의 반사율에 관계없이, FM LIDAR 시스템은 종래의 LIDAR 시스템보다 더 먼 거리(예를 들어, 2배)에서 물체를 검출(예를 들어, 분류, 인식, 발견 등)할 수 있다. 예를 들어, FM LIDAR 시스템은 300 미터 이상의 저반사율 물체를 검출할 수 있고, 400 미터 이상의 고반사율 물체를 검출할 수 있다.
이러한 검출 능력의 향상을 달성하기 위해, FM LIDAR 시스템은 센서들(예컨대, 도 1a의 센서들(130))을 사용할 수 있다. 일부 구현예들에서, 이러한 센서들은 단일 광자에 민감할 수 있으며, 이는 가능한 최소량의 광을 검출할 수 있음을 의미한다. FM LIDAR 시스템은 일부 응용 분야들에서 적외선 파장(예컨대, 950 nm, 1550 nm 등)을 사용할 수 있지만, 적외선 파장 범위(예컨대, 근적외선: 800 nm ~ 1500 nm, 중간 적외선: 1500 nm ~ 5600 nm, 및 원적외선: 5600 nm ~ 1,000,000 nm)에 한정되지 않는다. FM 또는 PM LIDAR 시스템을 적외선 파장들에서 작동시키는 것을 통해, FM 또는 PM LIDAR 시스템은 눈 안전 표준을 만족시키면서 더 강한 광 펄스들 또는 광 빔들을 브로드캐스트할 수 있다. 종래의 LIDAR 시스템들은 종종 단일 광자에 민감하지 않고 및/또는 근적외선 파장들에서만 작동하기 때문에 눈 안전의 이유들로 자체 광 출력(및 거리 검출 능력)을 제한해야 한다.
따라서, 더 먼 거리에서 물체를 검출함으로써 FM LIDAR 시스템은 예상치 못한 장애물들에 반응하는 데 더 많은 시간을 가질 수 있다. 실제로, 몇 밀리 초의 추가 시간이라도 특히 고속도로에서 고속으로 주행하는 대형 차량들(예컨대, 상용 트럭 차량)의 경우 안전과 편안함을 향상시킬 수 있다.
FM LIDAR 시스템의 다른 장점은 각 데이터 포인트에 대해 정확한 속도를 즉각적으로 제공한다는 것이다. 일부 구현예들에서, 속도 측정은 방사 방향(예를 들어, 검출된 물체와 센서 사이의 방향 벡터)의 속도 또는 레이저 신호의 주파수 중 적어도 하나를 기준으로 물체로부터 수신된 광의 주파수를 편이시키는 도플러 효과를 이용하여 수행된다. 예를 들어, 속도가 100 m/s 미만인 도로 상황에서 발생하는 속도들의 경우, 1550 나노미터(nm) 파장에서의 해당 편이는 130 메가헤르츠(MHz) 미만의 주파수 편이에 해당한다. 이 주파수 편이는 작기 때문에 광학 도메인에서 직접 검출하기 어렵다. 그러나, FMCW, PMCW 또는 FMQW LIDAR 시스템에서 코히런트 검출을 이용하는 것에 의해 다양한 신호 처리 기술들을 이용하여 주파수 변이를 계산할 수 있도록 신호를 RF 도메인으로 변환할 수 있다. 이를 통해 자율주행 차량 제어 시스템은 수신 데이터를 더 빠르게 처리할 수 있다.
순간 속도 계산은 또한 FM LIDAR 시스템이 원격 또는 희소 데이터 포인트들을 물체로 판단하고 및/또는 해당 물체의 시간에 따른 운동을 추적하는 것을 더 용이하게 한다. 예를 들어, FM LIDAR 센서(예컨대, 도 1a의 센서(130))는 300 m 떨어진 물체에서 소수의 리턴 신호들(예컨대, 광수신 신호들(hits))만 수신할 수 있지만, 해당 리턴 신호가 관심 속도 값(예컨대, 70 mph 이상의 차량 접근 속도)을 제공하는 경우, FM LIDAR 시스템 및/또는 자율주행 차량 제어 시스템은 물체들과 연관된 확률들에 대한 개별 가중치들을 결정할 수 있다.
FM LIDAR 시스템의 빠른 식별 및/또는 추적은 자율주행 차량 제어 시스템이 차량을 기동할 시간을 더 많이 제공한다. 또한, 물체들이 얼마나 빠르게 이동하는 지를 더 잘 이해하면 자율주행 차량 제어 시스템이 더 양호한 반응을 계획할 수 있다.
FM LIDAR 시스템의 다른 장점은 기존 LIDAR 시스템에 비해 정적 노이즈(static)가 적다는 것이다. 즉, 향상된 감광도를 갖도록 설계된 기존 LIDAR 시스템은 일반적으로 강한 햇빛 아래에서 성능이 저하된다. 이들 시스템들은 또한 크로스토크(예컨대, 센서들이 서로의 광 펄스들 또는 광 빔들에 의해 혼동되는 경우)와 자기 간섭(예컨대, 센서가 자신의 이전 광 펄스 또는 광 빔에 의해 혼동되는 경우)을 겪기 쉽다. 이러한 단점들을 극복하기 위해, 기존 LIDAR 시스템들을 사용하는 차량들은 종종 이러한 "노이즈"를 관리하기 위해 추가적인 하드웨어, 복잡한 소프트웨어 및/또는 더 많은 연산 능력을 필요로 한다.
반면, FM LIDAR 시스템은 각 센서가 자체적인 광 특성(예컨대, 광 빔들, 광파들, 광 펄스들)에만 응답하도록 특별히 설계되어 있기 때문에 이러한 유형의 문제들을 겪지 않는다. 리턴 광이 원래 송신된 광의 타이밍, 주파수 및/또는 파장과 일치하지 않으면, FM 센서가 해당 데이터 포인트를 필터링(예컨대, 제거, 무시 등)할 수 있다. 이와 같이, FM LIDAR 시스템은 더 적은 하드웨어 또는 소프트웨어 요건으로 더 정확한 데이터를 생성(예컨대, 생성, 도출 등)하여, 더 안전하고 원활한 주행을 가능하게 한다.
마지막으로, FM LIDAR 시스템은 기존 LIDAR 시스템들보다 확장이 용이하다. 더 많은 자율주행 차량들(예컨대, 승용차들, 상용 트럭들 등)이 도로에 등장함에 따라, FM LIDAR 시스템으로 구동되는 차량들은 센서 크로스토크로 인한 간섭 문제들을 겪지 않아도 될 것이다. 또한, FM LIDAR 시스템은 기존 LIDAR 센서들보다 더 적은 광학 피크 전력을 사용한다. 따라서, FM LIDAR를 위한 광학 컴포넌트들의 일부 또는 전부가 단일 칩에 만들어질 수 있으며, 이는 본 명세서에서 논하는 바와 같이 그 자체의 이점을 제공한다.
도 1b는 일부 구현예들에 따른 자율주행 상용 트럭 차량들의 시스템 환경의 일례를 나타낸 블록도이다. 환경(100B)은 화물(182B)을 운반하기 위한 상용 트럭(180B)을 포함한다. 일부 구현예들에서, 상용 트럭(180B)은 장거리 화물 운송, 지역 화물 운송, 복합 화물 운송(즉, 도로 기반 차량이 화물을 운송하기 위한 다수의 운송 모드들 중 하나로서 사용되는 운송) 및/또는 다른 도로 기반 화물 운송 응용 분야들에 적합하도록 구성된 차량들을 포함할 수 있다. 상용 트럭(180B)은 평판(flatbed) 트럭, 냉장 트럭(예컨대, 냉동 트럭), 환기형 밴(예컨대, 드라이 밴), 이사용 트럭 등일 수 있다. 화물(182B)은 상품 및/또는 농산물일 수 있다. 상용 트럭(180B)은 평판 트레일러, 로우보이(lowboy) 트레일러, 스텝 데크(step deck) 트레일러, 확장형 평판 트레일러, 사이드 키트(side kit) 트레일러 등과 같이 화물(182B)을 운반하기 위한 트레일러를 포함할 수 있다.
환경(100B)은 트럭으로부터 30 미터 이하의 거리 범위 내에 있는 (도 1b에서는 다른 차량으로 도시된) 물체(111B)를 포함한다.
상용 트럭(180B)은 물체(111B)까지의 거리를 판단하고 및/또는 물체(111B)의 속도를 측정하기 위한 LIDAR 시스템(184B)(예를 들어, FM LIDAR 시스템, 도 1a의 차량 제어 시스템(120), 도 2의 LIDAR 시스템(201) 등)을 포함할 수 있다. 도 1b는 하나의 LIDAR 시스템(184B)이 상용 트럭(180B)의 전방에 장착되어 있는 것을 보여주지만, LIDAR 시스템들의 수 및 상용 트럭 상의 LIDAR 시스템의 장착 영역은 특정 수 또는 특정 영역으로 제한되지 않는다. 상용 트럭(180B)은 상용 트럭(180B)의 임의의 영역(예컨대, 전면, 후면, 측면, 상단, 하단, 하부 및/또는 바닥)에 장착되는 임의의 수의 LIDAR 시스템들(184B)(또는 센서들, 변조기들, 코히런트 신호 발생기들 등과 같은 부속 컴포넌트들)을 포함하여 상용 트럭(180B)에 비해 임의의 자유 공간에서 물체의 검출을 용이하게 할 수 있다.
도시된 바와 같이, 환경(100B) 내 LIDAR 시스템(184B)은 상용 트럭(180B)으로부터 짧은 거리(예를 들어, 30 미터 이하)에 있는 물체(예를 들어, 다른 차량, 자전거, 나무, 도로 표지판들, 포트홀들 등)를 검출하도록 구성될 수 있다.
도 1c는 일부 구현예들에 따른 자율주행 상용 트럭 차량의 시스템 환경의 일례를 나타낸 블록도이다. 환경(100C)은 환경(100B)에 포함되는 것과 동일한 컴포넌트들(예컨대, 상용 트럭(180B), 화물(182B), LIDAR 시스템(184B) 등)을 포함한다.
환경(100C)은 상용 트럭(180B)으로부터 (i) 30 미터 초과 및 (ii) 150 미터 이하인 거리 범위 내에 있는 (도 1c에서 다른 차량으로 도시된) 물체(111C)를 포함한다. 도시된 바와 같이, 환경(100C) 내의 LIDAR 시스템(184B)은 상용 트럭(180B)으로부터 소정 거리(예를 들어, 100 미터)에 있는 물체(예를 들어, 다른 차량, 자전거, 나무, 도로 표지판들, 포트홀들 등)를 검출하도록 구성될 수 있다.
도 1d는 일부 구현예들에 따른 자율주행 상용 트럭 차량의 시스템 환경의 일례를 나타낸 블록도이다. 환경(100D)은 환경(100B)에 포함된 것과 동일한 컴포넌트들(예컨대, 상용 트럭(180B), 화물(182B), LIDAR 시스템(184B) 등)을 포함한다.
환경(100D)은 상용 트럭(180B)으로부터 150 미터 초과인 거리 범위 내에 있는 (도 1d에서 다른 차량으로 도시된) 물체(111D)를 포함한다. 도시된 바와 같이, 환경(100D) 내의 LIDAR 시스템(184B)은 상용 트럭(180B)으로부터 소정 거리(예를 들어, 300 미터)에 있는 물체(예를 들어, 다른 차량, 자전거, 나무, 도로 표지판들, 포트홀들 등)를 검출하도록 구성될 수 있다.
상용 트럭 응용 분야들에서는, 해당 차량에 요구되는 중량 증가 및 그에 따른 더 긴 정지 거리로 인해 모든 거리들에 있는 물체들을 효과적으로 검출하는 것이 중요하다. FM LIDAR 시스템들(예를 들어, FMCW 및/또는 FMQW 시스템들) 또는 PM LIDAR 시스템들은 전술한 장점들로 인해 상용 트럭 응용 분야들에 매우 적합하다. 따라서, 이러한 시스템들을 장착한 상용 트럭들은 단거리 또는 장거리에 걸쳐 사람과 물품들 모두를 안전하게 이송할 수 있는 능력이 향상되어 상용 트럭뿐만 아니라 주변 차량들의 안전도 향상될 수 있다. 다양한 구현예들에서, 이러한 FM 또는 PM LIDAR 시스템들은 상용 트럭에 운전자가 있고 상용 트럭의 일부 기능들이 FM 또는 PM LIDAR 시스템을 사용하여 자율적으로 작동되는 반자율주행 응용 분야들 또는 상용 트럭이 FM 또는 LIDAR 시스템에 의해 단독으로 또는 다른 차량 시스템들과 조합하여 전적으로 작동되는 완전 자율주행 응용 분야들에 사용될 수 있다.
CW 변조를 이용하는 LIDAR 시스템에서, 변조기는 레이저 광을 연속적으로 변조한다. 예를 들어, 변조 주기가 10 초인 경우, 입력 신호는 10 초 전체에 걸쳐 변조된다. 대신, 준 CW 변조를 이용하는 LIDAR 시스템에서는 변조기가 레이저 광을 활성 부분과 비활성 부분을 모두 갖도록 변조한다. 예를 들어, 10 초 주기의 경우, 변조기는 8 초("활성 부분"이라고도 함) 동안만 레이저 광을 변조하고, 2초("비활성 부분"이라고도 함) 동안은 레이저 광을 변조하지 않는다. 이렇게 함으로써, LIDAR 시스템은 변조기가 연속 신호를 제공할 필요가 없기 때문에 2초 동안의 전력 소비를 줄일 수 있다.
자동차 응용 분야들에서의 주파수 변조 연속파(FMCW) LIDAR에서, FMCW 측정 및 신호 처리 방법들이 적용되지만, 광 신호가 항상 온-상태(예를 들어, 인에이블 상태, 전원 활성화 상태, 전송 상태 등)가 아닌 준-CW 변조를 이용하여 LIDAR 시스템을 작동하는 것이 유리할 수 있다. 일부 구현예들에서, 준-CW 변조는 1% 이상 최대 50% 이하인 듀티 사이클을 가질 수 있다. 실제 측정 시간 동안 오프-상태(예를 들어, 디스에이블 상태, 전원 차단 상태 등)에서 에너지가 소비될 수 있다면, 더 긴 시간 스케일에서 모든 에너지를 일관되게 통합하기 위해 신호 대 잡음비(SNR)에 대한 향상 및/또는 신호 처리 요건의 감소가 있을 수 있다.
도 2는 일부 구현예들에 따른 자율주행 차량용 LIDAR 센서 시스템의 예시적인 환경을 나타낸 블록도이다. 환경(200)은 송신(Tx) 경로 및 수신(Rx) 경로를 포함하는 LIDAR 센서 시스템(201)을 포함한다. Tx 경로는 (도 2에 도시되지 않은) 하나 이상의 Tx 입력/출력 포트들을 포함하고, Rx 경로는 (도 2에 도시되지 않은) 하나 이상의 수신 입력/출력 포트들을 포함한다.
일부 구현예들에서, 반도체 기판 및/또는 반도체 패키지는 Tx 경로 및 Rx 경로를 포함할 수 있다. 일부 구현예들에서, 반도체 기판 및/또는 반도체 패키지는 실리콘 포토닉스 회로, 프로그래머블 로직 컨트롤러(PLC), 또는 III-V 반도체 회로 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일부 구현예들에서, 제1 반도체 기판 및/또는 제1 반도체 패키지는 Tx 경로를 포함할 수 있고, 제2 반도체 기판 및/또는 제2 반도체 패키지는 Rx 경로를 포함할 수 있다. 일부 배열들에서, Rx 입력/출력 포트들 및/또는 Tx 입력/출력 포트들은 하나 이상의 반도체 기판들 및/또는 반도체 패키지들의 하나 이상의 엣지들을 따라 발생(또는 형성/배치/위치/적치)될 수 있다.
환경(200)은 하나 이상의 송신기들(216) 및 하나 이상의 수신기들(222)을 포함한다.
환경(200)은 LIDAR 시스템(201)에 결합되는 하나 이상의 광학기(210)(예를 들어, 진동 스캐너, 단방향 스캐너, 리즐리(Risley) 프리즘, 광 순환기(circulator optic), 및/또는 빔 콜리메이터(collimator) 등)을 포함한다. 일부 구현예들에서, 하나 이상의 광학기(210)는 하나 이상의 Tx 입력/출력 포트들을 통해 Tx 경로에 결합될 수 있다. 일부 구현예들에서, 하나 이상의 광학기(210)는 하나 이상의 Rx 입력/출력 포트를 통해 Rx 경로에 결합될 수 있다.
환경(200)은 LIDAR 시스템(201)에 결합되는 차량 제어 시스템(예를 들어, 도 1a의 차량 제어 시스템(120))을 포함한다. 일부 구현예들에서, 차량 제어 시스템(120)은 하나 이상의 Rx 입력/출력 포트를 통해 Rx 경로에 결합될 수 있다.
Tx 경로는 레이저 소스(202), 변조기(204A), 변조기(204B), 증폭기(206) 및 하나 이상의 송신기들(216)을 포함할 수 있다. Rx 경로는 하나 이상의 수신기들(222), 믹서(208), 검출기(212), 트랜스임피던스 증폭기(TIA)(214) 및 하나 이상의 아날로그-디지털 컨버터들(ADC)을 포함할 수 있다. 도 2는 선택된 수의 컴포넌트들과 하나의 입력/출력 채널만을 도시하고 있지만, 환경(200)은 차량의 동작을 지원하기 위해 LIDAR 시스템의 여러 기능들의 결합을 용이하게 하기 위해 임의의 배열로 상호 연결되는 (임의의 조합의) 임의의 수의 컴포넌트들 및/또는 입력/출력 채널들을 포함할 수 있다.
레이저 소스(202)는 로컬 발진기(LO) 신호로부터 파생되는 (또는 이와 연관되는) 광 신호(또는 빔)를 생성하도록 구성될 수 있다. 일부 구현예들에서, 광 신호는 1550 나노미터와 동일하거나 실질적으로 동일한 동작 파장을 가질 수 있다. 일부 구현예들에서, 광 신호는 1400 나노미터 내지 1440 나노미터 사이의 동작 파장을 가질 수 있다.
레이저 소스(202)는 변조기(204A)에 광 신호를 제공하도록 구성될 수 있으며, 변조기(204A)는 (도 2에서 "RF1"로 나타낸) 제1 무선 주파수(RF) 신호를 기초로 하고 연속파(CW) 변조 또는 준-CW 변조를 이용하여 광 신호의 위상 및/또는 주파수를 변조하여 변조된 광 신호를 생성하도록 구성될 수 있다. 변조기(204A)는 변조된 광 신호를 증폭기(206)로 송신하도록 구성될 수 있다. 증폭기(206)는 변조된 광 신호를 증폭하여 그 증폭된 광 신호를 하나 이상의 송신기들(216)을 통해 광학기(210)로 생성하도록 구성될 수 있다. 하나 이상의 송신기들(216)은 하나 이상의 광 도파관들 또는 안테나들을 포함할 수 있다.
광학기(210)는 Tx 경로로부터 수신되는 증폭된 광 신호를 주어진 시야 내의 환경으로 물체(218) 측으로 유도하고, 물체(218)로부터 다시 반사된 리턴 신호를 수신하고, 그 리턴 신호를 하나 이상의 수신기들(222)을 통해 Rx 경로의 믹서(208)에 제공하도록 구성될 수 있다. 하나 이상의 수신기들(222)은 하나 이상의 광 도파관들 또는 안테나들을 포함할 수 있다. 일부 배열들에서, 송신기들(216) 및 수신기들(222)은 (도 2에는 도시되지 않은) 하나 이상의 트랜시버들을 구성할 수 있다. 일부 배열들에서, 하나 이상의 트랜시버들은 모노스태틱 트랜시버 또는 바이스태틱 트랜시버를 포함할 수 있다.
레이저 소스(202)는 변조기(204B)에 LO 신호를 제공하도록 구성될 수 있으며, 변조기는 (도 2에서 "RF2"로 나타낸) 제2 RF 신호를 기초로 하고 연속파(CW) 변조 또는 준-CW 변조를 이용하여 LO 신호의 위상 및/또는 주파수를 변조하여 변조된 LO 신호를 생성하고 그 변조된 LO 신호를 Rx 경로의 믹서(208)로 송신하도록 구성된다.
믹서(208)는 변조된 LO 신호를 리턴된 신호와 혼합(예를 들어, 결합, 곱셈 등)하여 하향 변환된(down-converted) 신호를 생성하고 그 하향 변환된 신호를 검출기(212)로 송신하도록 구성될 수 있다. 일부 배열들에서, 믹서(208)는 변조된 LO 신호를 검출기(212)로 송신하도록 구성될 수 있다.
검출기(212)는 하향 변환된 신호에 기초하여 전기 신호를 생성하고 그 전기 신호를 TIA(214)로 송신하도록 구성될 수 있다. 일부 배열들에서, 검출기(212)는 하향 변환된 신호 및 변조된 신호에 기초하여 전기 신호를 생성하도록 구성될 수 있다.
TIA(214)는 전기 신호를 증폭하고 그 증폭된 전기 신호를 하나 이상의 ADC들(220)을 통해 차량 제어 시스템(120)으로 송신하도록 구성될 수 있다.
일부 구현예들에서, TIA(214)는 제곱근 헤르츠 당 5 피코와트(즉, 제곱근 헤르츠 당 5Х10-12 와트) 미만의 피크 잡음 등가 출력(NEP)을 가질 수 있다. 일부 구현예들에서, TIA(214)는 4 킬로옴(kiloohms) 내지 25 킬로옴 사이의 이득을 가질 수 있다.
일부 구현예들에서, 검출기(212) 및/또는 TIA(214)는 80 킬로헤르츠(kHz) 내지 450 메가헤르츠(MHz)의 3-데시벨 대역폭을 가질 수 있다.
차량 제어 시스템(120)은 하나 이상의 ADC들(220)을 통해 TIA로부터 수신되는 하나 이상의 전기 신호들을 기초로 물체(218)까지의 거리를 판단하고 및/또는 물체(218)의 속도를 측정하도록 구성될 수 있다.
일부 구현예들에서, 변조기(204A) 및/또는 변조기(204B)는 400 메가헤르츠(MHz) 내지 1000 MHz의 대역폭을 가질 수 있다.
일부 구현예들에서, 변조기(204A)는 제1 변조된 광(광학) 신호 및 제2 변조된 광(광학) 신호를 증폭기(206)로 송신하도록 구성될 수 있다. 증폭기(206)는 제1 및 제2 변조된 광 신호들을 증폭하여 송신기들(216)를 통해 광학기(210)로 그 증폭된 광 신호를 생성하도록 구성될 수 있다. 광학기(210)는 Tx 경로로부터 수신되는 제1 및 제2 변조된 광 신호들을 주어진 시야 내의 환경으로 물체(218) 측으로 유도하고, 물체(218)로부터 다시 반사된 상응하는 제1 및 제2 리턴 신호들을 수신하고, 해당 제1 및 제2 리턴 신호들을 수신기들(222)을 통해 Rx 경로의 믹서(208)에 제공하도록 구성될 수 있다. 변조기(204B)는 (1) 제1 변조된 광 신호와 연관된 제1 변조된 LO 신호 및 (2) 제2 변조된 광 신호와 연관된 제2 변조된 LO 신호를 생성하고, 해당 제1 및 제2 변조된 LO 신호들을 Rx 경로의 믹서(208)로 송신하도록 구성될 수 있다. 믹서(208)는 제1 리턴 광 신호와 제1 변조된 LO 신호를 페어링(예를 들어, 연관, 연결, 식별 등)하고, 제1 리턴 광 신호와 제1 변조된 LO 신호를 혼합(예를 들어, 결합, 곱셈 등)하여 제1 하향 변환된 신호를 생성하고 해당 제1 하향 변환된 신호를 검출기(212)로 송신하도록 구성될 수 있다. 유사하게, 믹서(208)는 제2 리턴 광 신호와 제2 변조된 LO 신호를 페어링하고 제2 리턴 광 신호와 제2 변조된 LO 신호를 혼합하여 제2 하향 변환된 신호를 생성하고 해당 제2 하향 변환된 신호를 검출기(212)로 송신하도록 구성될 수 있다. 검출기(212)는 제1 및 제2 하향 변환된 신호들에 기초하여 각각 제1 및 제2 전기 신호들을 생성하도록 구성될 수 있다. 차량 제어 시스템(120)은 TIA(214) 및 ADC들(220)을 통해 수신된 제1 및 제2 전기 신호들에 기초하여 물체(218)까지의 거리를 판단하고 및/또는 물체(218)의 속도를 측정하도록 구성될 수 있다.
도 3은 일부 구현예들에 따른 자율주행 차량을 위한 모듈형 LIDAR 센서 시스템(300)의 예시적인 컴포넌트들(302, 304, 306 및 308)을 나타낸 하이 레벨 블록도를 도시한다. 일부 구현예들에 따르면, 모듈형 LIDAR 센서 시스템(300)은 시드 레이저(308), 모듈형 변조기(306), 모듈형 증폭기(304) 및 모듈형 트랜시버 칩(302)을 포함한다. 전술한 바와 같이, 모듈형 LIDAR 센서 시스템(300)은 그 모듈형 설계를 통해 컴포넌트들(302, 304, 306 및 308) 각각이 마이크로 렌즈들에 의해 광학적으로 결합된 개별 집적 회로들이 될 수 있기 때문에 특히 유리하다. 이것은 모듈형 컴포넌트들(302, 304, 306 및 308)의 높은 수율과 각 모듈형 컴포넌트(302, 304, 306 및 308)의 다양한 변형들에 대한 구성 및 조립의 용이성을 제공한다. 이러한 모듈형 아키텍처는 시드 레이저(308), 모듈형 변조기(306), 모듈형 증폭기(304) 및 모듈형 트랜시버 칩(302) 각각을 개별적으로 구성 및 테스트한 다음, 조립되어 도 4 및 도 5를 참조로 아래에 설명될 구성들이 될 수 있기 때문에 특히 유리하다. 기본적으로, 도 3, 도 4 및 도 5의 모듈형 아키텍처는 개별 집적 회로들과 마이크로 렌즈들만을 포함한다. 이러한 모듈형 아키텍처는 모듈형 아키텍처의 컴포넌트들을 광학적으로 결합하기 위한 어떠한 광섬유도 필요로 하지 않는다.
시드 레이저(308)는 광 빔을 생성하기 위해 제공된다. 일부 구현예들에서, 시드 레이저(308)는 예를 들어, 분산 피드백(DFB) 다이오드 레이저 소스와 같은 광원일 수 있다. 시드 레이저(308)의 광 또는 빔은 모듈형 변조기(306)에 입력하기 위해 광학적으로 결합될 수 있다. 일부 구현예들에서, 시드 레이저(308)는 DFB 다이오드 레이저 소스(310) 및 DFB 다이오드 레이저 소스(310)를 모듈형 변조기(306)에 결합하는 마이크로 렌즈 어셈블리(312)를 포함한다. 시드 레이저(308)는 단일 집적 회로로 구성될 수 있다는 점에서 모듈형이다.
모듈형 변조기(306)는 시드 레이저에 의해 생성된 광 빔을 수광하고 변조된 광 신호를 생성한다. 일부 구현예들에서, 모듈형 변조기(306)는 변조기 및 스플리터(아래 도 4 및 도 5 참조)를 포함한다. 일부 구현예들에서, 모듈형 변조기(306)는 변조된 빔을 생성하기 위해 동상 및 직교 변조를 수행한다. 일부 구현예들에서, 모듈형 변조기(306)는 변조된 빔을 생성하기 위해 위상 변조를 수행한다. 스플리터는 변조기의 출력에 결합되어 모듈형 변조기(306)의 출력을 제공한다. 일부 구현예들에서, 스플리터는 도 4를 참조로 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 모듈형 변조기(306)의 변조기와 하이브리드 통합되는 수동 컴포넌트인 단일 스플리터이다. 일부 구현예들에서, 스플리터는 도 5를 참조로 아래에서 보다 상세히 설명되는 바와 같이, 복수의 스플리터들이다. 모듈형 변조기(306)는 단일 집적 회로로 구성될 수 있다는 점에서 모듈형이다.
일부 구현예들에서, 시드 레이저(308) 및 모듈형 변조기(306)는 통합되어 시드 레이저 어셈블리(314)를 형성할 수 있다. 일부 구현예들에서, 시드 레이저 어셈블리(314)는 제1 서브마운트에 장착되고, 결합된 모듈형 트랜시버 칩(302)은 광 결합을 위해 시드 레이저 어셈블리(314)의 높이와 모듈형 트랜시버 칩(302)의 높이를 정렬하기 위한 제2 서브마운트에 장착된다.
모듈형 증폭기(304)는 하나 이상의 반도체 광 증폭기들(SOA)이다. 일부 구현예들에서, 모듈형 증폭기(304)는 하나 이상의 테이퍼드 반도체 광 증폭기들(TSOA)이다. 일부 구현예들에서, 모듈형 증폭기(304)는 하나 이상의 SOA 어레이 칩들이다. 각 SOA 어레이 칩은 광 증폭을 위한 통합형 U-턴들(U-turns) 및 다른 수동 컴포넌트들을 포함한다. 일부 구현예들에서, SOA 어레이 칩은 모든 컴포넌트들이 III-V족 재료로 형성되고 III-V족 재료로 형성된 단일 기판 상에 형성/배치되는 III-V족 반도체계 통합 포토닉 장치(integrated photonic device)일 수 있다. 또한, 일부 구현예들에서, 각 SOA 어레이 칩은 4~5개의 채널들을 포함할 수 있고, 자극 방출을 통해 빔을 증폭하도록 구성될 수 있다. 모듈형 증폭기(304)는 (도시되지 않은) 마이크로 렌즈들에 의해 모듈형 변조기(306)에 광학적으로 결합된다. 유사하게, 모듈형 증폭기(304)는 증폭된 신호를 모듈형 트랜시버 칩(302)에 제공하기 위해 (도시되지 않은) 마이크로 렌즈들에 의해 광학적으로 결합된다. 이러한 광학적 결합의 상세들은 도 4 및 도 5를 참조로 아래에서 보다 상세하게 설명될 것이다.
일부 구현예들에서, 모듈형 실리콘 포토닉스(SiPho) 트랜시버 칩(302)은 실리콘 포토닉스 회로, 프로그래머블 로직 컨트롤러(PLC) 또는 III-V 반도체 회로 중 적어도 하나를 포함한다. 모듈형 SiPho 트랜시버 칩(302)은 모듈형 증폭기(304)를 사용하여 결합된 광을 처리한다. 모듈형 SiPho 트랜시버 칩(302)은 모듈형 증폭기(304)의 출력을 처리하고 통합 칩 패키징의 광학 창을 통해 모듈형 SiPho 트랜시버 칩(302)의 표면으로부터 광을 방출하는 복수의 코히런트 픽셀들을 포함한다. 모듈형 SiPho 트랜시버 칩(302)은 타겟으로부터 반사되어 수집된 광을 처리하고 검출된 광전류를 (도시되지 않은) 트랜스임피던스 증폭기에 결합한다. 트랜스임피던스 증폭기는 광전류를 전기 전압으로 변환하며, 해당 전기 전압은 이후 통합 칩 패키징 외부로 결합된다.
도 4는 일부 구현예들에 따른 자율주행 차량들의 수평 통합의 LIDAR 센서 시스템(400)의 예시적인 모듈형 컴포넌트들을 나타낸 하이 레벨 블록도이다. 도시된 바와 같이, LIDAR 센서 시스템(400)은: 시드 레이저(308), 모듈형 변조기(306), 통합형 시드 마이크로 렌즈(402), 스플리터(404), 제1 마이크로 렌즈 어레이(406a), TSOA들(408)의 어레이, 제2 마이크로 렌즈 어레이(406b) 및 모듈형 SiPho 트랜시버 칩(302)을 포함한다.
본 구현예에서, 시드 레이저(308), 모듈형 변조기(306) 및 모듈형 SiPho 트랜시버 칩(302)은 도 3을 참조로 전술한 바와 유사한 구조, 형태 및 기능을 가지므로 여기서 설명은 반복되지 않을 것이다. 모듈형 변조기(306)는 통합형 시드 마이크로 렌즈(402)에 의해 스플리터(404)에 결합된다. 즉, 시드 레이저(308), 모듈형 변조기(306) 및 통합형 시드 마이크로 렌즈(402)는 단일 집적 회로로 통합될 수 있다. 이러한 통합을 위한 예시적인 구성이 도 4에서 컴포넌트들(306, 308, 402)의 좌측에 p-up 반도체 구조의 단면도로 도시되어 있다.
스플리터(404)는 모듈형 변조기(306)에 의해 통합형 시드 마이크로 렌즈(402)를 통해 스플리터(404)로 출력된 광 신호를 n개의 신호들로 분할하는 1-대-n 스플리터이다. 일부 구현예들에서, 스플리터(404)의 코어 피치는 450~550 마이크로미터의 범위 내에 있다. 일부 구현예들에서, 스플리터(404)는 코어 피치가 500 ㎛인 1-대-16 스플리터이다. 일부 구현예들에서, 스플리터(404)는 코어 피치가 500 ㎛인 1-대-32 스플리터이다. 일부 구현예들에서, 스플리터(404)는 수동형 광 스플리터이다. 일부 구현예들에서, 스플리터(404)는 하나 이상의 집적 회로들 상에 형성된다. 이러한 통합을 위한 예시적인 구성이 도 4에서 컴포넌트들(402 및 404)의 좌측에 p-down 반도체 구조의 단면도로 도시되어 있다.
제1 마이크로 렌즈 어레이(406a)는 스플리터(404)의 출력을 TSOA들(408)의 어레이에 광학적으로 결합시키는 데 사용된다. 제1 마이크로 렌즈 어레이(406a)는 스플리터(404)에 의해 출력되는 각 신호에 대한 마이크로 렌즈를 포함한다. 일부 구현예들에서, 제1 마이크로 렌즈 어레이(406a)는 500 ㎛ 피치를 갖는 16개의 마이크로 렌즈들을 포함한다. 일부 구현예들에서, 제1 마이크로 렌즈 어레이(406a)는 500 ㎛ 피치를 갖는 32개의 마이크로 렌즈들을 포함한다. 제1 마이크로 렌즈 어레이(406a)의 각 렌즈는 스플리터(404)의 출력을 TSOA들(408)의 어레이의 대응하는 TSOA에 결합한다. 일부 구현예들에서, 시드 마이크로 렌즈(402) 및 제1 마이크로 렌즈 어레이(406a) 렌즈 어레이는 모듈형 변조기(306)의 서브마운트의 제1 높이 및 모듈형 증폭기(408)의 서브마운트의 제2 높이의 높이 차를 보상한다.
TSOA들(408)의 어레이는 스플리터(404)의 출력 신호와 동일한 수의 TSOA들을 갖는다. 즉, 스플리터(404)에 의해 출력되는 각 신호에 대해 하나의 대응하는 TSOA가 존재한다. 일부 구현예들에서, 스플리터(404)는 16개의 광 신호들을 출력하고, TSOA들(408)의 어레이는 16개의 TSOA들을 포함한다. 일부 구현예들에서, 스플리터(404)는 32개의 광 신호들을 출력하고, TSOA들(408)의 어레이는 32개의 TSOA들을 포함한다. 일부 구현예들에서, TSOA들(408)의 어레이는 16개의 개구 바들(aperture bars) 또는 어레이가 16개의 TSOA들을 포함하는 개별적인 여러 바들을 포함한다. 아래에서 설명하는 바와 같이, TSOA들의 어레이는 양면 냉각 및 평탄도를 위한 측면의 공간(real estate)을 포함한다. 일부 구현예들에서, TSOA들은 500 ㎛의 피치를 가진다. 다른 구현예에서 어레이는 다른 유형들의 SOA들일 수 있다는 점을 이해해야 한다. TSOA들(408)의 어레이는 제1 마이크로 렌즈 어레이(406a)에 의해 스플리터(404)에 광학적으로 결합되고, 제2 마이크로 렌즈 어레이(406b)에 의해 모듈형 SiPho 트랜시버 칩(302)에 광학적으로 결합된다.
제2 마이크로 렌즈 어레이(406b)는 TSOA들(408)의 어레이의 출력을 모듈형 SiPho 트랜시버 칩(302)에 광학적으로 결합시키는 데 사용된다. 제2 마이크로 렌즈 어레이(406b)는 TSOA들(408)의 어레이에 의해 출력되는 각 신호에 대한 마이크로 렌즈를 포함한다. 본질적으로, 제2 마이크로 렌즈 어레이(406b)는 TSOA들(408)의 어레이의 각 TSOA를 위한 마이크로 렌즈를 포함한다. 일부 구현예들에서, 제2 마이크로 렌즈 어레이(406b)는 500 ㎛ 피치를 갖는 16개의 마이크로 렌즈들을 포함한다. 일부 구현예들에서, 제2 마이크로 렌즈 어레이(406b)는 500 ㎛ 피치를 갖는 32개의 마이크로 렌즈들을 포함한다. 제2 마이크로 렌즈 어레이(406b)의 각 렌즈는 TSOA의 출력을 모듈형 SiPho 트랜시버 칩(302)의 대응하는 입력에 결합한다.
일부 구현예들에서, 제1 마이크로 렌즈 어레이(406a), TSOA들(408)의 어레이 및 제2 마이크로 렌즈 어레이(406b)는 하나의 집적 회로 상에 형성된다. 이러한 통합을 위한 예시적인 구성이 도 4에서 이들 컴포넌트들(406a, 408 및 406b)의 좌측에 p-down 반도체 구조의 단면도로 도시되어 있다.
상기 모듈형 컴포넌트들(306, 402, 404, 406a, 408, 406b 및 302)은 수평으로 통합되어 있으며, 이는 각 모듈형 컴포넌트를 형성하는 반도체 칩들 각각이 도시된 바와 같이 서로 적층되어 있다는 것을 의미한다. 이것은 광학 결합에 필요한 대로 한 모듈형 컴포넌트에서 다른 모듈형 컴포넌트로 광이 전달되도록 보장하기 위해 상이한 컴포넌트들의 수평 정렬만을 필요로 한다. 일부 구현예들에서, 정렬된 2개의 칩들 각각의 광학 포트들은 동일한 피치에 있어야 하며 스넬 법칙(Snell law)에 따라 일치하는 광학 모드 크기들과 단면 각도를 가져야 한다.
도 5는 일부 구현예들에 따른 자율주행 차량들을 위한 수평 또는 수직 통합의 LIDAR 센서 시스템(500)의 예시적인 모듈형 컴포넌트들을 나타낸 하이 레벨 블록도이다. LIDAR 센서 시스템(500)은 시드 레이저(308), 모듈형 변조기(306), 복수의 시드 마이크로 렌즈들(502a-502d), 복수의 스플리터들(504a-50d), 제1 복수의 마이크로 렌즈 어레이들(506a-506d), 복수의 TSOA 칩들(508a-508d), 제2 복수의 마이크로 렌즈 어레이들(510a-510d) 및 모듈형 SiPho 트랜시버 칩(302)을 포함한다.
도 5의 LIDAR 센서 시스템(500)은 스플리터(404)를 복수의 스플리터 칩들(504a-504b)로 분할하고; 제1 마이크로 렌즈 어레이(406a)를 복수의 마이크로 렌즈 어레이들(506a-506d)로 분할하고; TSOA 칩(408)을 복수의 TSOA 칩들(508a-508d)로 분할하며; 제2 마이크로 렌즈 어레이(406b)를 복수의 마이크로 렌즈 어레이들(510a-510d)로 분할함으로써 더욱 더 모듈화된다. 이러한 모듈형 아키텍처의 변형은 보다 쉽게 제조할 수 있는 컴포넌트들을 갖는 것을 통해 수율과 신뢰성을 증가시킨다. 이러한 아키텍처는 동일한 아키텍처 출력을 달성하기 위해 증가된 수의 모듈형 컴포넌트들의 수직 또는 수평 정렬을 필요로 한다.
본 구현예에서, 시드 레이저(308), 모듈형 변조기(306) 및 모듈형 시포 트랜시버 칩(302)은 도 3 및 도 4를 참조로 전술한 바와 유사한 구조, 형태 및 기능을 가지므로, 여기서 설명이 반복되지 않을 것이다.
모듈형 변조기(306)는 복수의 마이크로 렌즈들(502a-502d)에 결합된다. 복수의 마이크로 렌즈들(502a-502d) 각각은 대응하는 스플리터(504a-504d)에 광학적으로 결합된다. 예를 들어, 마이크로 렌즈(502a)는 모듈형 변조기(306)를 스플리터(504a)에 결합한다. 유사하게, 마이크로 렌즈(502b)는 모듈형 모듈레이터(306)를 스플리터(504b)에 결합하고; 마이크로 렌즈(502c)는 모듈형 모듈레이터(3062)를 스플리터(504c)에 결합하며; 마이크로 렌즈(502d)는 모듈형 모듈레이터를 스플리터(504c)에 결합한다.
일부 구현예들에서, 복수의 스플리터들(504a-504d)은 각각 스플리터 칩이다. 예를 들어, 도 4와 유사한 아키텍처가 요구되고 모듈형 스플리터(404)가 1-대-16 스플리터인 경우, 복수의 스플리터들(504a-504d)은 각각 1-대-4 스플리터 칩이 될 것이고; 따라서, 도 5의 4개의 스플리터 칩들(504a-504d)은 도 4의 단일 모듈형 스플리터(404)와 동일한 기능을 제공할 수 있을 것이다. 복수의 스플리터들(504a-504d) 각각은 각각의 마이크로 렌즈(502a-502d)를 각각의 마이크로 렌즈 어레이(506a-506d)에 결합한다. 예를 들어, 스플리터(504a)는 마이크로 렌즈(502a)를 마이크로 렌즈 어레이(506a)에 결합하고, 스플리터(504b)는 마이크로 렌즈(502b)를 마이크로 렌즈 어레이(506b)에 결합하고, 스플리터(504c)는 마이크로 렌즈(502c)를 마이크로 렌즈 어레이(506c)에 결합하고, 스플리터(504d)는 마이크로 렌즈(502d)를 마이크로 렌즈 어레이(506d)에 결합한다. 도 5는 더 큰 분할 비율을 갖는 단일 스플리터 칩 대신에 더 작은 분할 비율을 갖는 임의의 수의 스플리터 칩들을 모듈형 방식으로 사용할 수 있는 방법을 예시하는 것으로 이해하여야 한다.
전술한 바와 같이, 각 스플리터(504a-504d)는 각각의 마이크로 렌즈 어레이(506a-506d)에 결합된다. 일부 구현예들에서는, 4개의 마이크로 렌즈 어레이들(506a-506d)이 존재한다. 도 4의 모듈형 설계를 도 5의 모듈형 설계와 계속 비교하면, 단일 마이크로 렌즈 어레이(406a)는 복수의 마이크로 렌즈 어레이들(506a-506d)로 대체된다. 예를 들어, 단일 마이크로 렌즈(406a)가 500 ㎛ 피치를 갖는 16개의 마이크로 렌즈들을 포함하고 있고 유사한 아키텍처가 요구된 경우, 복수의 마이크로 렌즈 어레이들(506a-506d)의 각 마이크로 렌즈 어레이(506a-506d)는 500 ㎛ 피치를 갖는 4개의 마이크로 렌즈들을 포함할 것이다. 일부 구현예들에서, 마이크로 렌즈 어레이들의 수 및 각 어레이 내의 마이크로 렌즈들의 수는 각각 스플리터 칩들(504a-504d)에 의해 생성되는 신호들의 수에 대응한다. 복수의 마이크로 렌즈 어레이들(506a-506d)의 각 마이크로 렌즈 어레이는 차례로 결합되어 각각의 광학 신호들을 각각의 TSOA 칩(508a-508d)에 제공한다. 예를 들어, 마이크로 렌즈 어레이(506a)는 TSOA 칩(508a)에 광 신호들을 제공하고, 마이크로 렌즈 어레이(506b)는 TSOA 칩(508b)에 광 신호들을 제공한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 복수의 TSOA 칩들(508a-508d) 각각은 그 대응하는 마이크로 렌즈 어레이(506a-506d)로부터 수신된 광 신호를 증폭한다. 일부 구현예들에서, 설계는 4개의 TSOA 칩들(508a-508d)을 포함한다. 다시, 도 4의 모듈형 설계와 도 5의 모듈형 설계를 계속 비교하면, TSOA들(408)의 단일 어레이는 복수의 TSOA 칩들(508a-508d)로 대체된다. TSOA들(408)의 단일 어레이와 대조적으로, TSOA 칩들(508a-508d) 각각은 4개의 TSOA들을 포함한다. 복수의 TSOA 칩들(508a-508d)은 일부 구현예들에서 16개의 개구 바들 또는 개별적인 여러 바들, 양면 냉각, 평탄도를 위한 측면의 공간 및 500 ㎛ 피치를 가질 수 있다. 다른 구현예들에서 TSOA 칩들(508a-508d)은 다른 유형들의 SOA들일 수 있다는 것을 이해해야 한다.
복수의 TSOA 칩들(508a-508d) 각각은 대응하는 마이크로 렌즈 어레이(510a-510d)에 의해 모듈형 SiPho 트랜시버 칩(302)에 광학적으로 결합된다. 제2 복수의 마이크로 렌즈 어레이들(510a-510d)은 제1 복수의 마이크로 렌즈 어레이들(506a-506d)과 형태 및 기능이 유사할 수 있지만, 각각의 TSOA 칩들(508a-508d)을 모듈형 SiPho 트랜시버 칩(302)에 결합한다. 이 설계의 구현예에서, 마이크로 렌즈 어레이들(510a-510d)의 수는 TSOA 칩들(508a-508d)의 수에 대응한다.
도 6은 일부 구현예들에 따른 자율주행 차량용 LIDAR 센서 시스템(600)을 위한 모듈형 컴포넌트들의 예시적인 평면도를 나타낸 하이 레벨 블록도를 도시한다. 도 6은 본 개시의 모듈형 컴포넌트들에 대한 하나의 평면 구현 및 레이아웃을 도시한다. 일부 구현예들에서, LIDAR 센서 시스템(600)은 시드 레이저 어셈블리(314), 스플리터(404), 모듈형 SiPho 트랜시버 칩(302), 복수의 반도체 광 증폭기들(602a-602d) 및 복수의 렌즈들(604a-604d)을 포함한다. 도시된 바와 같이, 시드 레이저 어셈블리(314)는 스플리터(404) 및 모듈형 SiPho 트랜시버 칩(302)을 포함하는 집적 회로(606) 상의 모듈형 컴포넌트들에 광 빔을 입력한다. 집적 회로(606)는 신호 라인(608)에 의해 광학적으로 결합되어 렌즈(604d)를 통해 복수의 반도체 광 증폭기들(602a-602d) 중 광 증폭기(602d)에 광 입력을 제공한다. 반도체 광 증폭기들(602a-602d)은 서로 광 신호들을 송수신하도록 결합되어 있다. 또한, 복수의 반도체 광 증폭기들(602a-602d) 각각은 증폭된 신호들을 다시 집적 회로(606)로 송신하기 위해 각각의 렌즈(604a-604b)에 의해 결합된다. 도시되지는 않았지만, 반도체 칩(606)은 다른 컴포넌트들에 광 신호를 제공하기 위한 다른 입력들 및 출력들도 포함한다. 일부 구현예들에서, 정렬된 2개의 칩들 각각의 광학 포트들은 동일한 피치에 있어야 하며, 또한 스넬 법칙에 따라 일치하는 광학 모드 크기들 및 단면 각도를 가져야 한다.
도 7은 일부 구현예들에 따른 자율주행 차량용 모듈형 LIDAR 센서 시스템의 예시적인 통합 칩 패키징(700)을 나타낸 단면도를 도시한다. 도 7에서, LIDAR 센서 시스템을 위한 통합 칩 패키징(700)은, 광 신호 또는 빔이 통합 칩 패키징(700) 내외로 이동하는 경로를 제공하고 성능 향상을 위해 해당 광학 컴포넌트들에 의해 생성된 열을 방열하는 광학 컴포넌트들의 구성을 정의한다. 통합 칩 패키징(700)은 통합 칩 패키징(700)의 상면을 덮는 리드(lid)(704)를 포함할 수 있다. 통합 칩 패키징(700)은 리드(704)에 결합된 U-형 블록(706)을 포함하여 광학 컴포넌트들을 기밀한 밀봉 상태로 밀폐할 수 있다. 예를 들어, U-형 블록(706)은 구리로 형성될 수 있다. 통합 칩 패키징(700)은 통합 칩 패키징(700)의 측면에 결합된 냉각판(702)을 포함할 수 있다. 일부 구현예들에서, 냉각판(702)은 리드(704)의 상부에 있도록 리드(704)에 결합될 수 있다. 다른 구현예들에서, 냉각판(702)은 광학 창(420)을 방해하지 않는 방식으로 리드(704)의 반대측의 U-형 블록(706) 아래에 있도록 U-형 블록(706)에 결합될 수 있다. 냉각판(702)의 재료는 구리, 알루미늄, 및 실리콘 중 어느 하나일 수 있다.
통합 칩 패키징(700)은 MOB(708)와 분리된 실리콘 포토닉스 트랜시버 칩(712)을 포함할 수 있다. 트랜시버 칩(712)은 마이크로 광학 어셈블리(710)를 통해 MOB(708)에 결합되고, MOB(708)에 의해 출력되는 빔을 수신하도록 구성된다. 예를 들어, 마이크로 광학 어셈블리(710)는 MOB(708)로부터의 빔을 트랜시버 칩(712)의 엣지에 있는 결합 단면(coupling facet)으로 콜리메이트하기 위한 마이크로 렌즈 어레이를 포함할 수 있다. 통합 칩 패키징(700)은 반도체 광 증폭기(SOA) 어레이 칩들(714)의 어셈블리를 포함할 수 있다. SOA 어레이 칩(714)은 트랜시버 칩(712)의 상부 표면에서 하이브리드 통합에 의해 트랜시버 칩(412)에 결합된 III-V 반도체 모듈로 구현될 수 있다. 이러한 하이브리드 통합은 SOA 어레이 칩(714)을 트랜시버 칩(712)과 결합하기 위한 마이크로 광학 어셈블리의 필요성을 제거하기 때문에 유용하다. 트랜시버 칩(412)은 MOB(708)로부터 수신된 빔을 처리하도록 구성된다. 예를 들어, 트랜시버 칩(712)은 하나 이상의 SOA 어레이 칩들(714)을 사용하여 빔을 증폭한다.
통합 칩 패키징(700)은 광 신호들을 위한 인터페이스를 제공하기 위해 리드(704)의 반대측 바닥면의 U-형 블록(706)에 광학 창(720)을 포함할 수 있다. 광학 창(720)의 재료는 유리, 용융 실리카, 유기 폴리머 중 하나일 수 있다. 광학 창(720)은 빔이 표면 방출 트랜시버 칩(712) 내외로 이동할 수 있게 한다. 상부 표면의 SOA 어레이 칩들(714)의 어셈블리를 사용하여 빔을 증폭한 후, 트랜시버 칩(712)은 광학 창(720)을 통해 하부 표면으로부터 수직으로 빔을 방출하도록 구성된다. 예를 들어, 빔은 트랜시버 칩(712)의 하부 표면에 직각으로 통합 칩 패키징(700)으로부터 방출된다. 트랜시버 칩(712)으로부터의 빔의 표면 방출의 장점은 트랜시버 칩(712)으로부터의 엣지 방출에 비해 광학 창(720)의 구성이 용이하다는 것이다. 빔이 트랜시버 칩(712)의 엣지로부터 방출되는 경우, 광학 창(720)은 광학 창(720)이 트랜시버 칩(712)의 좁은 엣지와 수평을 이루도록 정확하게 정렬되는 것이 필요할 수 있다. 이와 같이, 트랜시버 칩(712)의 표면 방출 특징은 통합 칩 패키징(700)의 용이한 조립 및 제조 가능성을 제공한다. 트랜시버 칩(712)은 통합 칩 패키징(700) 내에서 광학 창(720)과 충분히 중첩되도록 임계 오프셋만큼 광학 창(720)에서 측면으로 연장되도록 구성될 수 있다. 광학 창(720)에서 측면으로 연장되는 트랜시버 칩(712)의 단부는 기계적 강도를 위한 지지 구조체(724)에 결합될 수 있다. 일례로, 광학 창의 치수는 밀리미터 길이 Х 밀리미터 폭일 수 있다. 트랜시버 칩(712)의 하부 표면과 광학 창(720) 사이의 거리는 약 X 미크론일 수 있다.
통합 칩 패키징(700)에서 방출된 빔은 타겟에 입사되어 동일한 광학 창(720)을 통해 통합 칩 패키징(700)으로 다시 반사될 수 있다. 트랜시버 칩(712)은 타겟으로부터 반사된 빔을 수신하고 처리하도록 구성된다. 예를 들어, 트랜시버 칩(712)은 광 다이오드를 구성하여 광학 창(720)을 통해 수집된 반사 빔을 기초로 광 전류를 생성하고 해당 광 전류를 트랜스임피던스 증폭기(TIA)(722)로 송신할 수 있다. 일부 구현예들에서, 통합 칩 패키징(700)은 플립-칩 본딩을 이용하여 트랜시버 칩(712)과 통합된 TIA(722)를 포함할 수 있다. TIA(722)는 광 전류를 전압 신호로 변환하도록 구성될 수 있으며, 해당 전압 신호는 이후 와이어 본드(728)를 통해 통합 칩 패키징(700) 외부로 결합된다. 일부 구현예들에서, 통합 칩 패키징(700)은 트랜시버 칩(712) 외부의 칩 캐리어의 표면 상에 TIA(722)를 포함하여 이를 트랜시버 칩(712)에 결합할 수 있다. 다른 구현예들에서, 통합 칩 패키징(700)은 패키지된 통합에서 TIA(722)를 제외한다. 예를 들어, TIA(722)는 통합 칩 패키징(700)의 외부에 위치된다.
일부 구현예들에서, 통합 칩 패키징(700)은 동작 중에 밀폐된 컴포넌트들에 의해 생성된 열을 방출하고 밀폐된 컴포넌트들의 온도를 냉각판(702)의 기준 온도 이하로 유지하기 위한 양면 열 전달 어셈블리의 구성을 포함할 수 있다. 양면 열 전달 어셈블리에서, 제1 열 전달 컴포넌트(718)가 방열을 위해 트랜시버 칩(712)과 U-형 블록(706)의 금속 베이스 사이에 배치되도록 트랜시버 칩(712)의 하부 표면에 결합될 수 있다. 제2 열 전달 컴포넌트(716)가 방열을 위해 SOA 어레이 칩(714)과 통합 칩 패키징(700)의 리드(704) 사이에 배치되도록 SOA 어레이 칩(714)의 노출된 상부 표면에 결합될 수 있다. 예를 들어, 열 전달 컴포넌트는 열 인터페이스 재료(예를 들어, 질화알루미늄(AlN) 세라믹, 산화 베릴륨 세라믹, 열분해 흑연 시트(PGS) 등), 열전 냉각기(TEC), 액체 냉각 시스템, 또는 이들의 조합들일 수 있다. 도 7의 예에서, 제1 열 전달 컴포넌트(718)는 열전 냉각기 또는 질화 알루미늄 세라믹일 수 있다. 제2 열 전달 컴포넌트(716)는 예를 들어, SOA 어레이 칩(714)의 노출된 표면에 결합된 AlN-n-클램프와 같은 제1 열 인터페이스 재료층 및 상기 제1 층의 상부에 결합된 PGS와 같은 제2 열 인터페이스 재료층을 포함할 수 있다. 제2 열 전달 컴포넌트(718)는 임의의 적절한 높이를 가질 수 있다. 제2 열 전달 컴포넌트(718)는 트랜시버 칩(712)의 하부 표면으로부터 광학 창(720)을 통해 방출되는 광의 발산을 감소시킨다. 작은 광학 창(720)과 낮은 높이의 제2 열 전달 컴포넌트(718)의 조합은 효과적인 방열을 위해 제2 열 전달 컴포넌트(718)에 의해 커버되는 트랜시버 칩(712) 아래에 넓은 면적을 유도한다.
전술한 본 개시의 상세한 설명은 예시 및 설명의 목적으로 제시되었다. 상기 설명은 완전하거나 본 개시를 개시된 정확한 형태로 제한하기 위한 것이 아니다. 이상의 교시 내용들에 비추어 많은 변형들 및 변경들이 가능하다. 설명된 구현예들은 본 개시의 원리 및 그 실제 응용을 가장 잘 설명함으로써 당업자가 다양한 구현예들에서 그리고 고려되는 특정 용도에 적합한 다양한 변형들을 통해 본 개시를 가장 잘 활용할 수 있도록 하기 위해 선택된 것이다. 본 개시의 범위는 여기에 첨부된 청구범위에 의해 정의되도록 의도된다.
본 개시의 일부 구현예들과 그 장점들이 상세히 설명되었지만, 첨부된 청구범위에 의해 정의된 본 개시의 취지 및 범위에서 벗어나지 않고 다양한 변화들, 대체들 및 변경들이 여기에 행해질 수 있다는 것을 이해해야 한다. 예를 들어, 당업자에게는 여기에 설명된 많은 특징들, 기능들, 프로세스들 및 재료들이 본 개시의 범위 내에 유지되면서도 변경될 수 있다는 것이 쉽게 이해될 것이다. 또한, 본 개시의 범위는 명세서에 설명된 프로세스, 기계, 제조, 물질의 조성, 수단, 방법들 및 단계들의 특정 구현예들로 제한하려는 것이 아니다. 당업자라면 본 개시의 설명으로부터 쉽게 이해할 수 있는 바와 같이, 여기에 설명된 해당 구현예들과 실질적으로 동일한 기능을 수행하거나 실질적으로 동일한 결과를 달성하는 현재 존재하거나 향후 개발될 프로세스, 기계, 제조, 물질의 조성, 수단, 방법들 또는 단계들은 본 개시에 따라 활용될 수 있다. 따라서, 첨부된 청구범위는 이러한 프로세스, 기계, 제조, 물질의 조성, 수단, 방법들 또는 단계들을 해당 청구범위 내에 포함하도록 의도된다.

Claims (20)

  1. 차량용 광 검출 및 거리 측정(LIDAR) 시스템으로서:
    빔을 출력하도록 구성된 시드 레이저;
    상기 시드 레이저로부터 상기 빔을 수신하고 상기 빔을 변조하여 변조된 빔을 생성하도록 상기 시드 레이저에 결합된 변조기;
    상기 변조기로부터 상기 변조된 빔을 수신하고 증폭된 빔을 생성하도록 상기 변조기에 결합된 증폭기 - 상기 증폭기는 광 증폭을 위해 U-형 수동 컴포넌트와 통합된 반도체 광 증폭기를 포함함 -; 및
    상기 변조기 및 상기 증폭기에 결합된 트랜시버 - 상기 트랜시버는 표면 방출을 통해 상기 트랜시버에 대해 소정 방향으로 상기 증폭된 빔을 방출하고, 차량이 위치한 환경 내의 물체로부터 반사된 빔을 수신 및 처리하도록 구성됨 -
    을 포함하는, LIDAR 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 트랜시버는 상기 증폭된 빔이 방출되고 상기 반사된 빔이 수신되는 광학 창을 포함하고,
    상기 표면 방출은 상기 증폭된 빔을 상기 트랜시버의 표면으로부터 수직으로 방출하는 것을 포함하는, LIDAR 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 트랜시버는 상기 물체로부터의 상기 반사된 빔을 처리하여 광전류를 검출하고, 상기 검출된 광전류를 트랜스임피던스 증폭기에 결합하는, LIDAR 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 변조기 및 상기 시드 레이저는 시드 레이저 어셈블리로 통합되는, LIDAR 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 시드 레이저 어셈블리는 제1 서브마운트에 장착되고,
    상기 트랜시버는 광 결합을 위해 상기 시드 레이저의 높이와 상기 트랜시버의 높이를 정렬하기 위한 제2 서브마운트에 장착되는, LIDAR 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 증폭기는, 상기 증폭기의 제1 부분에 장착된 제1 바 및 상기 증폭기의 제2 부분에 장착된 제2 바를 포함하는, LIDAR 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제1 바 및 상기 제2 바는 상기 증폭기의 접합 온도를 낮추도록 구성되는, LIDAR 시스템.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 증폭기는 상기 변조기로부터 상기 변조된 빔을 수신하고 자극 방출(stimulated emission)을 통해 상기 증폭된 빔을 생성하도록 구성된 테이퍼드 반도체 광 증폭기를 포함하는, LIDAR 시스템.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 증폭기는 인화인듐(InP), 비화갈륨(GaAs), 비화인듐(InAs), 질화갈륨(GaN), 안티몬화인듐(InSb), 또는 희토류 도핑된 재료 중 적어도 하나를 포함하는, LIDAR 시스템.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 변조기는 제1 렌즈 어레이를 통해 상기 증폭기에 광학적으로 결합되는, LIDAR 시스템.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 제1 렌즈 어레이는 상기 변조기의 서브마운트의 제1 높이와 상기 증폭기의 서브마운트의 제2 높이의 높이 차를 보상하는, LIDAR 시스템.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 증폭기는 제2 렌즈 어레이를 통해 상기 트랜시버에 광학적으로 결합되는, LIDAR 시스템.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 제1 렌즈 어레이, 상기 증폭기, 및 상기 제2 렌즈 어레이는 단일 칩으로 통합되는, LIDAR 시스템.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 변조기의 출력을 상기 증폭기의 입력에 결합하는 스플리터를 더 포함하고,
    상기 스플리터는 450 내지 550 마이크로미터 범위의 피치를 갖는 1-대-16 스플리터를 포함하는, LIDAR 시스템.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 스플리터의 출력을 상기 증폭기의 입력에 결합하는 제1 렌즈 어레이를 더 포함하고,
    상기 스플리터는 450 내지 550 마이크로미터 범위의 피치를 갖는 복수의 1-대-4 스플리터 칩을 포함하며,
    상기 제1 렌즈 어레이는 4개의 렌즈를 포함하고 450 내지 550 마이크로미터 범위의 피치를 갖는, LIDAR 시스템.
  16. 청구항 1에 있어서,
    상기 변조기, 상기 증폭기 및 상기 트랜시버 각각은 모듈형 구조이고 광 결합을 위해 수평으로 정렬되는, LIDAR 시스템.
  17. 청구항 16에 있어서,
    광 결합을 위해 수평으로 정렬된 상기 변조기, 상기 증폭기 및 상기 트랜시버 각각의 광 포트는 일치하는 피치, 일치하는 광 모드 크기 및 일치하는 다면(facet) 각도를 갖는, LIDAR 시스템.
  18. 청구항 1에 있어서,
    상기 변조기, 상기 증폭기, 및 상기 트랜시버 각각은 모듈형 구조이고 광 결합을 위해 수직으로 정렬되는, LIDAR 시스템.
  19. 광 검출 및 거리 측정(LIDAR) 시스템; 및
    하나 이상의 프로세서를 포함하고,
    상기 LIDAR 시스템은,
    빔을 출력하도록 구성된 시드 레이저;
    상기 시드 레이저로부터 상기 빔을 수신하고 상기 빔을 변조하여 변조된 빔을 생성하도록 상기 시드 레이저에 결합되는 변조기;
    상기 변조기로부터 상기 변조된 빔을 수신하고 증폭된 빔을 생성하도록 상기 변조기에 결합된 증폭기 - 상기 증폭기는 광 증폭을 위해 U-형 수동 컴포넌트와 통합된 반도체 광 증폭기를 포함함 -; 및
    상기 변조기 및 상기 증폭기에 결합된 트랜시버 - 상기 트랜시버는 표면 방출을 통해 상기 트랜시버에 대해 소정 방향으로 상기 증폭된 빔을 방출하고, 자율주행 차량이 위치한 환경 내의 물체로부터 반사된 빔을 수신 및 처리하도록 구성됨 -
    을 포함하고,
    상기 하나 이상의 프로세서는,
    상기 반사된 빔을 이용하여 상기 물체까지의 거리 또는 상기 물체의 속도 중 적어도 하나를 결정하고, 상기 거리 또는 상기 속도 중 적어도 하나에 응답하여 상기 자율주행 차량의 동작을 제어하도록 구성되는, 자율주행 차량 제어 시스템.
  20. 광 검출 및 거리 측정(LIDAR) 시스템;
    조향 시스템;
    제동 시스템; 및
    차량 컨트롤러를 포함하고,
    상기 LIDAR 시스템은,
    빔을 출력하도록 구성된 시드 레이저;
    상기 시드 레이저로부터 상기 빔을 수신하고 상기 빔을 변조하여 변조된 빔을 생성하도록 상기 시드 레이저에 결합되는 변조기;
    상기 변조기로부터 상기 변조된 빔을 수신하고 증폭된 빔을 생성하도록 상기 변조기에 결합된 증폭기 - 상기 증폭기는 광 증폭을 위해 U-형 수동 컴포넌트와 통합된 반도체 광 증폭기를 포함함 -; 및
    상기 변조기 및 상기 증폭기에 결합된 트랜시버 - 상기 트랜시버는 표면 방출을 통해 상기 트랜시버에 대해 소정 방향으로 상기 증폭된 빔을 방출하고, 자율주행 차량이 위치한 환경 내의 물체로부터 반사된 빔을 수신 및 처리하도록 구성됨 -
    을 포함하고,
    상기 차량 컨트롤러는,
    상기 반사된 빔을 이용하여 상기 물체까지의 거리 또는 상기 물체의 속도 중 적어도 하나를 결정하고, 상기 거리 또는 상기 속도 중 적어도 하나에 응답하여 상기 조향 시스템 및 상기 제동 시스템 중 적어도 하나의 동작을 제어하도록 구성되는, 자율주행 차량.
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