WO2017086490A1 - 초소형 광 위상배열 안테나 - Google Patents

초소형 광 위상배열 안테나 Download PDF

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WO2017086490A1
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array antenna
antenna
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PCT/KR2015/012274
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유경식
유종범
백준수
박정훈
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한국과학기술원
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    • H01Q21/08—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart the units being spaced along or adjacent to a rectilinear path

Definitions

  • the following description relates to the structure of a photonic phased array antenna, and relates to the structure and arrangement of components suitable for achieving the main required performance of the optical phased array antenna. More specifically, the interference of these light waves by controlling the phase of the light waves supplied to each antenna by arraying a nanophotonic antenna that emits light waves in a free space
  • the present invention relates to an apparatus for forming a light beam in a narrow region by means of.
  • Optical phased array antennas have received much attention as light sources in image scanning, communications with light detection and raging (LIDAR) systems, driverless cars, robots, and measurement equipment. In these applications, optical phased array antennas require low power consumption, wide angle and high speed scanning, high directivity, and single main lobe radiation characteristics.
  • LIDAR light detection and raging
  • the optical phased array antenna system consists of an external light source, a combiner, a divider, a phase controller, and an antenna.
  • Such components basically have a waveguide structure.
  • the light waves supplied from an external light source are coupled to the flat panel integrated optical circuit via a combiner and distributed through the distributor into a bundle of waveguides.
  • the distributed light waves are modulated differently through a phase controller, and then supplied to the antenna through the waveguide to radiate into free space.
  • Nanophotonics technology using semiconductor and metal materials is introduced to miniaturize the optical phased array antenna, thereby achieving wide area scanning and low power consumption operation of a single kitchen.
  • a device constituting an optical phased array antenna comprises: a low refractive index dielectric substrate; A nano thin film structure formed on the low refractive index dielectric substrate; And a high refractive index semiconductor waveguide formed on the low refractive index dielectric substrate and operating in a single mode inside the nano thin film structure, wherein the antenna for emitting phase modulated light waves into free space is miniaturized.
  • the radiation beam of the phased antenna array can be concentrated and the scanning range can be extended.
  • the device constituting the optical phased array antenna the antenna is arranged in a 1-dimensional 1xM form in the lateral direction, and the 1xM-shaped array is aligned by sequentially varying the phases to be supplied to each antenna
  • One-dimensional beam scanning can be performed in a transverse space that is the same direction as the direction.
  • the device constituting the optical phased array antenna the antenna is arranged in a two-dimensional MxN form in the transverse direction and the longitudinal direction, the MxN form by sequentially varying the phase to be supplied to each antenna Two-dimensional beam scanning can be performed in the transverse and longitudinal directions in which the arrays are aligned.
  • the high refractive index waveguide may be formed by lifting the high refractive index waveguide as the low refractive index dielectric substrate is removed from the antenna.
  • the device constituting the optical phased array antenna may further include a low refractive index film on the antenna to protect the device.
  • the high refractive index optical waveguide a TE (transverse electric) mode light wave in which an electric field is formed perpendicular to the traveling direction of the light may be incident.
  • the device constituting the optical phased array antenna may include a nano thin film structure; And a high refractive index semiconductor waveguide, which is buoyant and formed as the low refractive index dielectric substrate is removed, is included in the nano thin film structure and operates in a single mode, and emits a phase modulated light wave into a free space.
  • the antenna can be miniaturized to focus the radiation beam of the phased antenna array and to extend the scanning range.
  • Embodiments can introduce a metal nanoantenna structure into a unit device and focus light waves below the diffraction limit by using surface plasmon waves excited at the interface between the metal and the dielectric. Through this, the size of the antenna unit element can be reduced to within a quarter wavelength smaller than the operating wavelength in the transverse direction and the longitudinal direction.
  • the antenna array period is formed to have a half wavelength according to the introduction of the ultra-miniature antenna structure, thereby enabling a single kitchen unit operation in the optical phased array antenna and widening the scanning angle at a given phase shift.
  • Embodiments can reduce the power of the light source because it can concentrate the light waves in a single beam operation, and can reduce the power consumption of the phase controller by improving the beam scanning range according to the phase modulation.
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an element of an optical phased array antenna according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic diagram of a one-dimensional phased array antenna in which a unit antenna is disposed in a 1 ⁇ M form according to an embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a phased array antenna in which a unit antenna 1x16 is disposed in a lateral direction according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 4 is a schematic diagram of a two-dimensional phased array antenna in which a unit antenna is disposed in an MxN form according to an embodiment.
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an element of an optical phased array antenna according to an exemplary embodiment.
  • the device constituting the optical phased array antenna is composed of the unitary antennas 105, 106 by the high refractive index semiconductor waveguide 102, the metal thin film structure 103, and the low refractive index dielectric substrate 104 which operate in a single mode. 107 may be formed.
  • the elements constituting the optical phased array antenna include a low refractive index dielectric substrate 104, a metal thin film structure 103 formed on the low refractive index dielectric substrate, and an upper portion of the low refractive index dielectric substrate 104.
  • the metal thin film structure for example, a nano thin film structure may be used as the metal thin film structure.
  • the radiation efficiency of the antenna is influenced by the refractive index of the substrate according to the configuration shape and the element size of the waveguide and the metal thin film, and in some cases, the unit antenna 106 from which the substrate is removed may exhibit high efficiency, and the unit antenna 107 It can also be used in the form of an upper low refractive index film to protect the device.
  • the unit antenna 106 from which the substrate is removed is shown, and the device constituting the optical phased array antenna may include a nano thin film structure and a high refractive index semiconductor waveguide.
  • the high refractive index semiconductor waveguide may be formed as a low refractive index dielectric substrate is removed and included in the nano thin film structure to operate in a single mode.
  • a unit antenna 107 including an upper low refractive index film is illustrated, and is formed on a low refractive index dielectric substrate, a nano thin film structure formed on the low refractive index dielectric substrate, and a low refractive index dielectric substrate.
  • An optical waveguide is injected with a TE (transverse electric) mode light wave in which an electric field is formed perpendicular to the traveling direction of light.
  • the waveguide mode is coupled to the resonance mode of the unit antenna 105 and radiated into free space. This resonance is due to surface plasmons occurring between the metal-dielectrics.
  • the resonant mode has an inherent resonant wavelength, and the highest radiation efficiency can be obtained when the operating wavelength is centered at the resonant wavelength.
  • the beam scanning angle in the longitudinal direction (waveguide direction) can be adjusted.
  • the unit device structure is suitable for use in a phased array antenna having a period of 1/2 wavelength because the geometric size can be formed on a scale smaller than the wavelength of light waves.
  • an ultra-small metal nanoantenna structure may be proposed as a unit of a device constituting the optical phased array antenna.
  • the metal nanoantenna structure utilizes surface plasmon waves excited at the interface between the metal and the dielectric, and utilizes the advantage of connecting light waves below the diffraction limit.
  • the number of sub-radiation parts of the optical phased array antenna depends on the antenna array period compared to the operating wavelength.
  • the array period is larger than the operating wavelength, two or more sub-radiation parts are radiated.
  • the arrangement period should be smaller than the operating wavelength for single kitchen operation, which is advantageous for efficiently concentrating the radiation beam.
  • the arrangement period needs to be further reduced in terms of improving the beam scanning efficiency. For example, if the array period is 1/2 wavelength, it may have a wide beam scanning range of 90 degrees at? / 2 phase shifts. Accordingly, the structure of the optical phased array antenna according to the embodiment provides a half-wavelength array period, thereby realizing wide-area scanning of a single kitchen unit.
  • the effect of the present invention will be explained by comparing it with the grating structure antenna structure.
  • a semiconductor material for example a silicon material
  • the spacing between the waveguides must be made wide enough for cross-talk free characteristics, which can be achieved by reducing the width of the optical waveguide.
  • the optical mode of the very narrow waveguide may cause very large diffraction when supplied to the grating antenna, causing unnecessary radiation in the horizontal direction and interference between the antennas.
  • the structure of the optical phased array antenna according to the embodiment improves vertical radiation efficiency through surface plasmon resonance phenomenon specially excited in the metal nanostructure, and provides very short longitudinal length to minimize interference between antennas. have.
  • FIG. 2 is a schematic diagram of a one-dimensional phased array antenna in which a unit antenna is disposed in a 1 ⁇ M form according to an embodiment.
  • the one-dimensional phased array antenna 202 may be formed by arranging the plurality of unit antennas 201 in the form of 1 ⁇ M.
  • the one-dimensional phased array antenna 202 may be formed by arranging the unit antenna 201 in a 1xM form at predetermined intervals.
  • Each high refractive index semiconductor waveguide may have a light wave having a constant phase difference along a one-dimensional array. In this case, as the number of individual antennas increases, high resolution beam scanning is possible through overlapped constructive interference in free space.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a phased array antenna in which a unit antenna 1x16 is disposed in a lateral direction according to an exemplary embodiment.
  • the propagated light wave is supplied to the unit antenna and radiated into free space, and the beam directing angle of the lateral direction (E-plane) 302 may be adjusted according to the phase difference.
  • 304 shows the E-plane beam radiation distribution according to the phase difference of the 1x16 array antenna 301 according to the embodiment. If the phase difference between each antenna is adjusted from? / 2 to-? / 2, it can have a scanning range of 90 degrees in the lateral direction.
  • the beam directing angle in the longitudinal direction (H-plane) 303 may be changed.
  • the beam directing angle in the longitudinal direction (H-plane, 303) can be adjusted according to the period (d) of the arrangement.
  • FIG. 4 is a schematic diagram of a two-dimensional phased array antenna in which a unit antenna is disposed in an MxN form according to an embodiment.
  • the 2D phased array antenna 405 may be formed by arranging a plurality of unit antennas in the form of M ⁇ N.
  • the two-dimensional phased array antenna 405 may be formed by arranging each unit antenna in an MxN shape at predetermined intervals.
  • the number of arrays can be increased to reduce the beam width.
  • 401 and 402 represent the 1x8 arrays listed in the transverse direction and the 8x1 arrays listed in the longitudinal direction, respectively.
  • Each light wave that guides along the left waveguide array 404 supplies light to the 1x8 array that is numbered odd-numbered in the longitudinal direction. Will be supplied.
  • the structure designed by combining eight one-dimensional phased array structures in this manner to form a two-dimensional phased array structure enables beam scanning in the longitudinal and lateral directions.
  • the ultra-small metal nanoantenna according to an embodiment overcomes the disadvantage that the longitudinal period becomes very large when implementing a MxN 2D array antenna because the lattice structure generally occupies a large space in the longitudinal direction (propagation direction).
  • the ultra-small metal nanoantenna according to an embodiment can realize a 2D phased array antenna system capable of minimizing negative radiation and wide-area scanning using the proposed structure.

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Abstract

일 실시예에 따르면, 광 위상 배열 안테나를 구성하는 소자는 저 굴절률 유전체 기판; 상기 저 굴절률 유전체 기판의 상부에 형성된 나노 박막 구조; 및 상기 저 굴절률 유전체 기판의 상부에 형성되고, 상기 나노 박막 구조의 내부에 단일 모드(single mode)로 동작하는 고 굴절률 반도체 도파로를 포함하고, 위상 변조된 광파를 자유 공간으로 발산하는 안테나가 소형화되어 위상 배열된 안테나 배열의 방사 빔을 집중하고 스캐닝 범위를 확장시킬 수 있다.

Description

초소형 광 위상배열 안테나
아래의 설명은 광 위상배열 안테나(photonic phased array antenna) 구조에 관한 것으로서, 광 위상배열 안테나의 주요 요구 성능을 달성하기에 적합한 구성 소자들의 구조와 배치에 관한 것이다. 보다 상세하게는 광파(light wave)를 넓은 공간(free space)으로 발산하는 나노포토닉 안테나(nanophotonic antenna)를 다중 배열(array)하여 각 안테나에 공급되는 광파의 위상을 제어함으로써, 이들 광파의 간섭에 의해 좁은 영역에 광 빔(light beam)을 형성시키는 장치에 관한 것이다.
광 위상배열 안테나는 이미지 스캐닝, LiDAR(light detection and raging) 시스템을 지닌 통신, 무인 승용차, 로봇, 그리고 측정 기기 등에서 광원으로써 많은 주목을 받았다. 이러한 응용 분야에서 광 위상 배열 안테나는 낮은 전력 소모, 광역(wide angle) 및 고속 스캐닝, 고 지향성, 단일 주방사부 방사(single main lobe radiation) 특성 등의 성능이 요구된다.
광 위상 배열 안테나 시스템은 외부 광원, 결합기, 분배기, 위상제어기, 안테나로 구성된다. 이와 같은 구성 요소들은 기본적으로 도파로 구조를 가진다. 외부의 광원에서 공급되는 광파는 결합기를 통해 평판 집적 광 회로에 결합되고 분배기를 통해 다발의 도파로 배열로 분배된다. 분배된 광파는 위상 제어기를 통해 그 위상이 상이하게 변조되며, 이후 도파로를 통해 안테나에 공급되어 자유공간으로 방사하게 된다.
나노포토닉스 기반의 광 위상배열 안테나에 대한 종래의 발명(US Patent Application 2014/0192394 A1)에서는 반도체 실리콘 소재를 기반으로 위상제어 광소자를 matrix형으로 집적한 광 위상배열 안테나를 제안한 바 있다. 상기 발명에서 사용한 안테나의 경우 유전체 물질 필름에 격자 구조를 두는 형태이며, 이러한 구조는 대부분의 광 위상배열 안테나에서 활용되고 있다. 하지만 이러한 격자 구조 안테나의 단위 구조는 도파로 다발의 횡 방향 및 종 방향으로 큰 면적을 차지하게 된다. 이로 인해 안테나 배열의 주기가 커질 경우 허용 가능한 빔 스캐닝 각도 범위가 줄어들고 주방사부(main lobe) 이외의 부방사부(side lobe)의 개수가 증가하게 되는 단점을 가진다. 또한 도파 방향으로 다수의 격자 개수가 요구되는 격자 구조 안테나의 경우 2 차원 배열 안테나 구성 시 종 방향으로 매우 큰 주기를 가지게 되는 어려움이 있다.
반도체 및 금속 소재를 사용하는 나노포토닉스 기술을 도입하여 광 위상 배열 안테나를 소형화하고, 이를 통하여 단일 주방사부의 광역 스캐닝 및 저전력 소모 동작을 달성하고자 한다.
일 실시예에 따르면, 광 위상 배열 안테나를 구성하는 소자는, 저 굴절률 유전체 기판; 상기 저 굴절률 유전체 기판의 상부에 형성된 나노 박막 구조; 및 상기 저 굴절률 유전체 기판의 상부에 형성되고, 상기 나노 박막 구조의 내부에 단일 모드(single mode)로 동작하는 고 굴절률 반도체 도파로를 포함하고, 위상 변조된 광파를 자유 공간으로 발산하는 안테나가 소형화되어 위상 배열된 안테나 배열의 방사 빔을 집중하고 스캐닝 범위를 확장시킬 수 있다.
일측에 따르면, 상기 광 위상 배열 안테나를 구성하는 소자는, 상기 안테나를 횡 방향으로 1차원의 1xM 형태로 배열하고, 각각의 안테나에 공급하는 위상을 순차적으로 달리하여 상기 1xM 형태의 배열이 정렬되는 방향과 동일한 방향인 횡 방향의 공간으로 1차원 빔 스캐닝을 할 수 있다.
또 다른 일측에 따르면, 상기 광 위상 배열 안테나를 구성하는 소자는, 상기 안테나를 횡 방향과 종 방향으로 2차원의 MxN 형태로 배열하고, 각각의 안테나에 공급하는 위상을 순차적으로 달리하여 상기 MxN 형태의 배열이 정렬되는 상기 횡 방향 및 상기 종 방향의 공간으로 2차원 빔 스캐닝을 할 수 있다.
또 다른 일측에 따르면, 상기 고 굴절률 도파로는, 상기 안테나에서 상기 저 굴절률 유전체 기판이 제거됨에 따라 상기 고 굴절률 도파로가 부양되어 형성될 수 있다.
또 다른 일측에 따르면, 상기 광 위상 배열 안테나를 구성하는 소자는, 소자를 보호하기 위하여 상기 안테나에 저 굴절률 막을 더 포함할 수 있다.
또 다른 일측에 따르면, 상기 고 굴절률 광 도파로는, 빛의 진행방향에 수직으로 전기장이 형성되는 TE(transverse electric) 모드 광파가 입사될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 광 위상 배열 안테나를 구성하는 소자는, 나노 박막 구조; 및 저 굴절률 유전체 기판이 제거됨에 따라 부양되어 형성되고, 상기 나노 박막 구조의 내부에 포함되어 단일 모드(single mode)로 동작하는 고 굴절률 반도체 도파로를 포함하고, 위상 변조된 광파를 자유 공간으로 발산하는 안테나가 소형화되어 위상 배열된 안테나 배열의 방사 빔을 집중하고 스캐닝 범위를 확장시킬 수 있다.
실시예들은 금속 나노 안테나 구조를 단위 소자로 도입하여, 금속과 유전체 사이 계면에서 여기되는 표면 플라즈몬파를 이용함으로써 광파를 회절 한계 이하로 집속할 수 있다. 이를 통하여 안테나 단위소자의 크기를 횡 방향 및 종 방향에서 동작 파장보다 작은 1/4 파장 이내로 줄일 수 있다.
실시예들은 초소형의 안테나 구조가 도입됨에 따라 안테나 배열 주기가 1/2 파장으로 형성되어 광 위상 배열 안테나에서 단일 주방사부 동작이 가능하며, 주어진 위상 변화에서 스캐닝할 수 있는 각도를 넓힐 수 있다.
실시예들은 단일 빔 동작으로 광파를 집중할 수 있기 때문에 광원의 전력을 줄일 수 있고, 위상 변조에 따른 빔 스캐닝 범위의 향상으로 위상 제어기의 전력 소모를 감소시킬 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 광 위상 배열 안테나를 구성하는 소자를 설명하기 위한 개략도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 단위 안테나를 1xM 형태로 배치한 1차원 위상배열 안테나의 개략도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 단위 안테나를 횡 방향으로 1x16로 배치한 위상 배열 안테나를 나타낸 예이다.
도 4는 일 실시예에 따른 단위 안테나를 MxN 형태로 배치한 2차원 위상배열 안테나의 개략도이다.
이하, 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 일 실시예에 따른 광 위상 배열 안테나를 구성하는 소자를 설명하기 위한 개략도이다.
광 위상 배열 안테나를 구성하는 소자는 단일 모드(single mode)로 동작하는 고 굴절률 반도체 도파로(102), 금속 박막 구조(103), 저 굴절률 유전체 기판 (104)으로 구성함으로써 단위 안테나(105, 106, 107)가 형성될 수 있다.
도 1(a)를 참고하면, 광 위상 배열 안테나를 구성하는 소자는 저 굴절률 유전체 기판(104), 저 굴절률 유전체 기판의 상부에 형성된 금속 박막 구조(103) 및 저 굴절률 유전체 기판(104)의 상부에 형성되고, 금속 박막 구조(103)의 내부에 단일 모드로 동작하는 고 굴절률 반도체 도파로(104)를 포함할 수 있고, 위상 변조된 광파를 자유 공간으로 발산하는 안테나가 소형화되어 위상 배열된 안테나 배열의 방사 빔을 집중하고 스캐닝 범위를 확장시킬 수 있다. 이때, 금속 박막 구조는 예를 들면, 나노 박막 구조가 사용될 수 있다.
도파로 및 금속 박막의 구성 형태 및 요소 크기에 따라 안테나의 방사 효율은 기판의 굴절률의 영향을 받으며, 경우에 따라 기판이 제거된 단위 안테나(106)에서 높은 효율을 보일 수 있으며, 단위 안테나(107)에 소자 보호를 위해 상부 저 굴절률 막이 포함된 형태로도 활용될 수 있다.
도 1(b)를 참고하면, 기판이 제거된 단위 안테나(106)를 나타낸 것으로, 광 위상 배열 안테나를 구성하는 소자는 나노 박막 구조 및 고 굴절률 반도체 도파로를 포함할 수 있다. 이때, 고 굴절률 반도체 도파로는 저 굴절률 유전체 기판이 제거됨에 따라 부양되어 형성되고, 나노 박막 구조의 내부에 포함되어 단일 모드로 동작할 수 있다.
도 1(c)를 참고하면, 상부 저 굴절률 막이 포함된 단위 안테나(107)를 나타낸 것으로, 저 굴절률 유전체 기판, 저 굴절률 유전체 기판의 상부에 형성된 나노 박막 구조, 저 굴절률 유전체 기판의 상부에 형성되고, 나노 박막 구조의 내부에 단일 모드로 동작하는 고 굴절률 반도체 도파로 및 나노 박막 구조의 상부에 형성된 저 굴절률 막을 포함할 수 있다.
광 도파로에는 빛의 진행방향에 수직으로 전기장이 형성되는 TE(transverse electric) 모드 광파가 입사된다. 이러한 도파 모드는 금속 박막 구조에 도달한 후에 단위 안테나(105)의 공진 모드에 결합하여 자유 공간으로 방사된다. 이러한 공진은 금속-유전체 사이에서 발생하는 표면 플라스몬에 의한 것이다. 해당 공진 모드는 고유의 공진 파장(resonant wavelength)을 가지며, 동작 파장을 공진 파장의 중심에 맞출 경우 가장 높은 방사 효율을 얻을 수 있다. 또한 공진 파장을 중심으로 동작 파장을 변화 할 경우 종 방향(도파방향)의 빔 스캐닝 각도를 조절할 수 있다. 상기의 단위 소자 구조는 기하학적인 크기가 광파의 파장보다 작은 규모로 형성될 수 있으므로 1/2 파장의 주기를 가지는 위상 배열 안테나에서 활용하는데 적합하다.
일 실시예에 따르면, 광 위상 배열 안테나를 구성하는 소자의 단위로 초소형의 금속 나노 안테나 구조를 제안할 수 있다. 금속 나노 안테나 구조는 금속과 유전체 사이의 계면에서 여기되는 표면 플라즈몬 파를 이용하는 구조로서, 광파를 회절 한계 이하로 접속할 수 있는 장점을 활용하는 구조이다.
광 위상 배열 안테나의 부방사부의 개수는 동작 파장에 대비한 안테나 배열 주기에 의존한다. 동작 파장보다 배열 주기가 크게 될 경우 2개 이상의 부방사부가 방사되며 배열 주기가 커질수록 부방사부의 개수도 더욱 증가하게 된다. 다시 말해서, 방사 빔을 효율적으로 집중하는데 유리한 단일 주방사부 동작을 위해서는 배열 주기가 동작 파장보다 작아야 함을 의미한다. 또한 배열 주기는 빔 스캐닝 효율을 향상하는 측면에서 더욱 감소 되어야 할 필요성이 있다. 예를 들어 배열 주기가 1/2 파장이 될 경우, ?/2 위상 변화에서 90도의 넓은 빔 스캐닝 범위를 가질 수 있다. 이에 따라 일 실시예에 따른 광 위상 배열 안테나의 구조는 1/2 파장 배열 주기를 제공하며, 이를 통해 단일 주방사부의 광역 스캐닝을 실현할 수 있다.
본 발명의 효과를 격자 구조 안테나 구조와 비교하여 설명하고자 한다. 반도체 물질, 예를 들어 실리콘 물질을 활용할 경우 1/2 파장의 주기를 가지는 도파로 배열을 기본적으로 구현할 수 있다. 이는 반도체 코어 물질과 이를 감싸는 클래딩(cladding) 물질 사이의 높은 굴절률 차이에서 비롯한 높은 광 구속(optical confinement) 특성 때문에 가능한 일이다. 이 경우, 무 간섭(cross-talk free) 특성을 위해 도파로 사이의 간격이 충분히 넓게 조성되어야 하는데, 이러한 요구 조건은 광 도파로의 폭을 줄임으로써 달성될 수 있다. 그러나 매우 좁은 도파로의 광 모드는 격자 구조 안테나에 공급될 경우 매우 큰 회절이 발생되어 수평 방향으로의 불필요한 방사와 이를 통한 안테나간의 간섭을 야기할 수 있다. 반면, 일 실시예에 따른 광 위상 배열 안테나의 구조는 금속 나노 구조에서 특수하게 여기되는 표면 플라즈몬 공진 현상을 통해 수직 방사 효율을 향상하고, 매우 짧은 종 방향 길이를 제공하여 안테나간 간섭을 최소화 할 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 단위 안테나를 1xM 형태로 배치한 1차원 위상배열 안테나의 개략도이다.
1차원 위상 배열 안테나(202)는 복수의 단위 안테나(201)를 1xM 형태로 배치함으로써 형성될 수 있다. 1차원 위상 배열 안테나(202)는 단위 안테나(201)를 기설정된 간격으로 일정하게 1xM 형태로 배치함으로써 형성될 수 있다.
각각의 단위 안테나 요소 사이의 횡 방향 주기는 최소화 되어 1/2 파장 크기를 가질 수 있다. 각각의 고 굴절률 반도체 도파로에는 1차원 배열을 따라서 일정한 값의 위상 차이를 지닌 광파가 진행될 수 있다. 이때, 개별 안테나의 개수가 많을수록 자유 공간 상에서의 중첩된 보강 간섭을 통해 높은 분해능의 빔 스캐닝이 가능하다.
도 3은 일 실시예에 따른 단위 안테나를 횡 방향으로 1x16로 배치한 위상 배열 안테나를 나타낸 예이다.
진행된 광파는 단위 안테나에 공급되어 자유공간으로 방사되며 위상 차이에 따라서 횡 방향(E-plane, 302) 빔 지향 각도가 조절될 수 있다. 304는 실시예에 따른 1x16 배열 안테나(301)의 위상 차에 따른 E-plane 빔 방사 분포를 나타낸 것이다. 각 안테나 사이의 위상 차를 ?/2에서 -?/2로 조정 할 경우 횡 방향으로 90도의 스캐닝 범위를 가질 수 있다. 단위 안테나의 경우와 마찬가지로 배열 안테나로 공급되는 동작 파장이 변화될 경우 종 방향(H-plane, 303)의 빔 지향 각도가 변화 될 수 있다. 또한, 종 방향(H-plane, 303)의 빔 지향 각도는 배열의 주기 (d)에 따라서도 조정이 가능하다.
도 4는 일 실시예에 따른 단위 안테나를 MxN 형태로 배치한 2차원 위상배열 안테나의 개략도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 단위 안테나를 2차원 상에서 8x8 형태로 배열한 위상 배열 안테나의 예이다. 2차원 위상 배열 안테나(405)는 복수의 단위 안테나를 MxN 형태로 배치함으로써 형성될 수 있다. 2차원 위상 배열 안테나(405)는 각각의 단위 안테나를 기설정된 간격으로 일정하게 MxN 형태로 배치함으로써 형성될 수 있다.
빔 폭을 줄이기 위해서 배열의 개수는 늘어날 수 있다. 401과 402는 각각 횡 방향으로 나열된 1x8 배열 및 종 방향으로 나열된 8x1 배열을 나타낸다. 좌측 도파로 배열(404)을 따라서 도파하는 각각의 광파는 종 방향에서 홀 수번째로 나열된 1x8 배열에 광파를 공급하게 되며, 우측 도파로 배열(404)의 종 방향에서 짝수 번째로 나열된 1x8 배열에 광파를 공급하게 된다. 이러한 방식으로 8개의 1차원 위상 배열 구조가 합쳐져서 2차원의 위상 배열 구조를 형성함으로써 고안된 구조는 종적 및 횡적 방향으로 빔 스캐닝을 가능하게 한다.
일 실시예에 따른 초소형 금속 나노 안테나는 격자 구조가 일반적으로 종적인 방향(전파 방향)으로 넓은 공간을 차지하기 때문에 MxN의 2D 배열 안테나를 구현하고자 할 경우 종 방향 주기가 매우 커지게 되는 단점을 극복하고, 종 방향 및 횡 방향에서 매우 작은 소자 면적을 제공하여 2D 배열 안테나 구현에 유리한 장점을 가진다. 결과적으로, 일 실시예에 따른 초소형 금속 나노 안테나는 제안하는 구조를 활용할 경우 부방사부가 최소화되며 광역 스캐닝이 가능한 2D 위상 배열 안테나 시스템을 실현할 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (12)

  1. 저 굴절률 유전체 기판;
    상기 저 굴절률 유전체 기판의 상부에 형성된 나노 박막 구조; 및
    상기 저 굴절률 유전체 기판의 상부에 형성되고, 상기 나노 박막 구조의 내부에 단일 모드(single mode)로 동작하는 고 굴절률 반도체 도파로
    를 포함하고,
    위상 변조된 광파를 자유 공간으로 발산하는 안테나가 소형화되어 위상 배열된 안테나 배열의 방사 빔을 집중하고 스캐닝 범위를 확장시키는
    것을 특징으로 하는 광 위상 배열 안테나를 구성하는 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 안테나를 횡 방향으로 1차원의 1xM 형태로 배열하고, 각각의 안테나에 공급하는 위상을 순차적으로 달리하여 상기 1xM 형태의 배열이 정렬되는 방향과 동일한 방향인 횡 방향의 공간으로 1차원 빔 스캐닝을 하는
    것을 특징으로 하는 광 위상 배열 안테나를 구성하는 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 안테나를 횡 방향과 종 방향으로 2차원의 MxN 형태로 배열하고, 각각의 안테나에 공급하는 위상을 순차적으로 달리하여 상기 MxN 형태의 배열이 정렬되는 상기 횡 방향 및 상기 종 방향의 공간으로 2차원 빔 스캐닝을 하는
    것을 특징으로 하는 광 위상 배열 안테나를 구성하는 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 고 굴절률 도파로는,
    상기 안테나에서 상기 저 굴절률 유전체 기판이 제거됨에 따라 상기 고 굴절률 도파로가 부양되어 형성되는
    것을 특징으로 하는 광 위상 배열 안테나를 구성하는 소자.
  5. 제1항에 있어서,
    소자를 보호하기 위하여 상기 안테나에 저 굴절률 막을 더 포함하는
    것을 특징으로 하는 광 위상 배열 안테나를 구성하는 소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 고 굴절률 광 도파로는,
    빛의 진행방향에 수직으로 전기장이 형성되는 TE(transverse electric) 모드 광파가 입사되는
    것을 특징으로 하는 광 위상 배열 안테나를 구성하는 소자.
  7. 나노 박막 구조; 및
    저 굴절률 유전체 기판이 제거됨에 따라 부양되어 형성되고, 상기 나노 박막 구조의 내부에 포함되어 단일 모드(single mode)로 동작하는 고 굴절률 반도체 도파로
    를 포함하고,
    위상 변조된 광파를 자유 공간으로 발산하는 안테나가 소형화되어 위상 배열된 안테나 배열의 방사 빔을 집중하고 스캐닝 범위를 확장시키는
    것을 특징으로 하는 광 위상 배열 안테나를 구성하는 소자.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 안테나를 횡 방향으로 1차원의 1xM 형태로 배열하고, 각각의 안테나에 공급하는 위상을 순차적으로 달리하여 상기 1xM 형태의 배열이 정렬되는 방향과 동일한 방향인 횡 방향의 공간으로 1차원 빔 스캐닝을 하는
    것을 특징으로 하는 광 위상 배열 안테나를 구성하는 소자.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 안테나를 횡 방향과 종 방향으로 2차원의 MxN 형태로 배열하고, 각각의 안테나에 공급하는 위상을 순차적으로 달리하여 상기 MxN 형태의 배열이 정렬되는 상기 횡 방향 및 상기 종 방향의 공간으로 2차원 빔 스캐닝을 하는
    것을 특징으로 하는 광 위상 배열 안테나를 구성하는 소자.
  10. 저 굴절률 유전체 기판;
    상기 저 굴절률 유전체 기판의 상부에 형성된 나노 박막 구조;
    상기 저 굴절률 유전체 기판의 상부에 형성되고, 상기 나노 박막 구조의 내부에 단일 모드(single mode)로 동작하는 고 굴절률 반도체 도파로; 및
    상기 나노 박막 구조의 상부에 형성된 저 굴절률 막
    을 포함하고,
    위상 변조된 광파를 자유 공간으로 발산하는 안테나가 소형화되어 위상 배열된 안테나 배열의 방사 빔을 집중하고 스캐닝 범위를 확장시키는
    것을 특징으로 하는 광 위상 배열 안테나를 구성하는 소자.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 안테나를 횡방향으로 1차원의 1xM 형태로 배열하고, 각각의 안테나에 공급하는 위상을 순차적으로 달리하여 상기 1xM 형태의 배열이 정렬되는 방향과 동일한 방향인 횡 방향의 공간으로 1차원 빔 스캐닝을 하는
    것을 특징으로 하는 광 위상 배열 안테나를 구성하는 소자.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 안테나를 횡 방향과 종 방향으로 2차원의 MxN 형태로 배열하고, 각각의 안테나에 공급하는 위상을 순차적으로 달리하여 상기 MxN 형태의 배열이 정렬되는 상기 횡 방향 및 상기 종 방향의 공간으로 2차원 빔 스캐닝을 하는
    것을 특징으로 하는 광 위상 배열 안테나를 구성하는 소자.
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