WO2017086523A1 - 광 위상 배열 안테나에 적용을 위한 변조 가능한 격자 구조를 갖는 나노포토닉 발산기 - Google Patents

광 위상 배열 안테나에 적용을 위한 변조 가능한 격자 구조를 갖는 나노포토닉 발산기 Download PDF

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WO2017086523A1
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grating
light
optic effect
current injection
diverter element
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PCT/KR2015/012946
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박효훈
김종훈
박지환
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한국과학기술원
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    • G02F2201/305—Constructional arrangements not provided for in groups G02F1/00 - G02F7/00 grating diffraction grating

Definitions

  • the present invention relates to a light radiator structure for application to a photonic phased array antenna, and more particularly, to allow light waves to diverge into the free space of a grating.
  • a diverter structure using a lattice structure that can modulate the longitudinal radial angle of the lattice.
  • the optical phased array antenna may be used as a light source for scanning an optical beam for image scanning in a driverless vehicle, a robot, and the like.
  • the desirable performance of an optical phased array antenna for applications in various fields should be small in size, high in light beam divergence efficiency, forming a clear beam, and having a wide beam scanning range.
  • an optical phased array antenna based on semiconductor materials is required.
  • the present invention proposes a specific structure for the light emitter based on the semiconductor material.
  • the semiconductor material includes not only silicon and a compound material semiconductor, but also an insulator material such as silicon oxide and silicon nitride and metal thin film materials used to fabricate optical devices of these materials.
  • the radiation angle is controlled in the longitudinal direction of the lattice structure, and the modulating means forms a p-type or n-type doped region in or near the lattice to provide an electro-optic effect or a thermo-effect during voltage application or current injection.
  • the change in refractive index due to the optic effect is used.
  • the longitudinal radial direction of the output light wave emitted from the grating by the period of the grating and the wavelength of the input light is limited to specific directions. This limits the longitudinal scanning range of the phase-matching beam to a narrow range.
  • the column direction of the 2D phased array arranged in a matrix to continuously change the radial direction in the longitudinal direction ( column), ie a phase change in the longitudinal direction should be provided.
  • the complex structure of the 2D array is required to obtain phase control in the column direction, and due to spatial constraints due to the integration of components having various functions in each divergence unit.
  • the longitudinal scanning range obtained by the phased array is narrowed to within 10 degrees.
  • FIG. 1 the structure of the 1xM basic phased array antenna proposed in the previous invention (PCT / KR2015 / 012199) of the laboratory is shown in FIG. 1.
  • the main elements constituting the phased array antenna in FIG. 1 are largely a light source 100, a light power distributor 101-1, 101-2, a power distributor, a phase controller 102, and a light. It consists of an emitter 104 (radiator). Each of these components is connected to an optical waveguide 106.
  • phase controller 102 and the light emitter 104 are connected to each other by an optical waveguide 106, and the coupling waveguides have a high density, so that coupling between the waveguides can occur, so that the arrangement is As important, they are divided into phase-feeding lines (103).
  • the optical power divider 101-1, 101-2, phase controller 102, and phase outside the 1 ⁇ M diverter array 105 to ensure sufficient space in the longitudinal direction of the light diverter 104.
  • the supply line 103 is arrange
  • the conventional invention PCT / KR2015 / 012199
  • 2D two dimensions
  • the present invention proposes a diverter structure capable of directly modulating the longitudinal divergence angle without the need for using longitudinal phase modulation or modifiable light sources.
  • the radiation angle modulation of the present invention is not possible because active control of the longitudinal radiation angle is impossible at certain wavelengths of the 1xM type 1D phased array antenna or the (1xM) xN typed array antenna having the independence of the phased array in the longitudinal direction.
  • the possible diverter structure can be very usefully applied to the above two types of phased array antennas.
  • the present invention intends to achieve a 2D scanning function including both the transverse direction and the longitudinal direction by using only a 1xM 1D array by applying a longitudinal divergence angle modifiable light emitter.
  • an optical diverter element constituting an optical phased array antenna includes: an optical waveguide including a waveguide core and a waveguide clad using a semiconductor material; And a grating periodically formed above or below the optical waveguide, wherein the light diverter element receives an input light wave in one direction of the optical waveguide and the grating, and spaces the output light wave using scattering from the grating. And an effective refractive index of the grating through voltage application or current injection around the light diverter element to adjust the radiation angle of the output light wave emitted into the space.
  • the light emitter element may adjust the radiation angle to widen the range in the longitudinal direction of the grating.
  • the light emitter element may change the effective refractive index of the grating by using the electro-optic effect through the voltage application or the current injection.
  • the light emitter element may form a p-n junction structure in or near the grating to take advantage of the electro-optic effect through the voltage application or the current injection.
  • the light emitter element may form a p-i-n junction structure in or near the lattice in order to take advantage of the electro-optic effect through the voltage application or current injection.
  • the light emitter element may change the effective refractive index of the grating by using a thermo-optic effect through the current injection.
  • the light diverter element forms a region doped with either p-type or n-type in or near the lattice to take advantage of the thermo-optic effect through the current injection, and the current in the doped region Joule heat generated by injecting can increase the temperature of the grating portion.
  • the light emitter element forms a pn junction in or near the lattice and uses the Joule heat generated by injecting a current into the pn junction to take advantage of the thermo-optic effect through the current injection. Can be raised.
  • the light emitter element applies a reverse voltage to a pn junction formed in or near the lattice to use a thermo-optic effect through the current injection, and the temperature of the lattice portion with a breakdown current according to a voltage higher than the breakdown voltage. Can be raised.
  • the present invention can achieve a 2D scanning function including both the transverse direction and the longitudinal direction by using only a 1xM 1D array by applying a longitudinal divergence angle modifiable light emitter.
  • 1 is a schematic diagram showing the main elements constituting the optical phased array antenna proposed in the previous invention.
  • FIG. 2 is a schematic view showing the basic structure of the light emitter of the present invention.
  • 3 is a structure of a light emitter having a lattice structure modifiable by an electro-optic effect according to an embodiment of the present invention, and is a structure of a light emitter configured by p-n junction.
  • FIG. 4 is a structure of a light emitter having a lattice structure modifiable by an electro-optic effect according to an embodiment of the present invention, and is a structure of a light emitter configured by p-i-n junction.
  • 5 is a structure of a light emitter having a lattice structure modifiable by a thermo-optic effect according to an embodiment of the present invention, and is a structure of a light emitter composed of p or n doped regions.
  • 6 is a structure of a light emitter having a lattice structure modifiable by a thermo-optic effect according to an embodiment of the present invention, and is a structure of a light emitter configured by p-n junction.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing the basic structure of the light emitter according to an embodiment of the present invention. Specifically, (a) of FIG. 2 is a longitudinal cross-sectional view showing a light emitter, and (b) is a plan view showing a light emitter.
  • the radiation angle of the far field 203 of the output light wave emitted from the grating structure may be designed by using Equation 1 based on a diffraction principle.
  • Equation 1 Is the center wavelength in the free space of the input light wave, Is the period of the grating, n eff is the effective index of the optical waveguide (the entire waveguide including the core and clad) containing the grating, n c is the cladding of the cladding over the core Refractive index, and Represents a radiation angle (for example, an angle from the normal direction of the grating surface) of the diffraction pattern formed by diffraction of light waves scattered from the periodic grating, which corresponds to the center of the light intensity.
  • a radiation angle for example, an angle from the normal direction of the grating surface
  • the effective refractive index n eff is determined according to the structure of the optical waveguide based on the material of the optical waveguide and the refractive index according to the wavelength of the optical waveguide.
  • the present invention provides a radiation angle by electrically changing the effective refractive index n eff in Equation (1).
  • n eff the effective refractive index
  • Figure 3 is a structure of a light emitter having a lattice structure modifiable by an electro-optic effect according to an embodiment of the present invention, and is a structure of a light emitter configured by p-n junction.
  • Figure 3 (a) is a plan view
  • (b) is a cross-sectional view passing through the Z1-Z2 line.
  • FIG. 4 is a structure of a light emitter having a lattice structure modifiable by an electro-optic effect according to an embodiment of the present invention, and is a structure of a light emitter configured by p-i-n junction. Specifically, (a) of FIG. 4 is a plan view, and (b) is a cross-sectional view passing along the Z1-Z2 line.
  • the p-type doped region 304-1 and the n-type doped region 304-2 are part of the grating 301 in the optical waveguide core 300, or It is formed nearby.
  • electrodes 305-1 and 305-2 are formed in the p-type doped region 304-1 and the n-type doped region 304-2 near the optical waveguide core 300.
  • the carrier concentration that is, the concentration of electrons or holes
  • FCPD free carrier plasma dispersion
  • Radiation angle of the output light wave 203 emitted from the grating 301 of the doped region due to this refractive index change May vary.
  • Electro-optic effects and free carrier plasma dispersion (FCPD) effects are well known effects in the optics of semiconductors, and thus detailed descriptions are omitted.
  • the p-type doped region 404-1, the i-type region 404-3, and the n-type doped region 404-2 are formed of an optical waveguide core ( Formed in or near the grating 401 within 400.
  • electrodes 405-1 and 405-2 are formed in the p-type doped region 404-1 and the n-type doped region 404-2 near the grating 401.
  • the refractive index of the doped region is changed by the electro-optic effect, that is, the FCPD effect, on the principle as described with reference to FIG. 3.
  • the radiation angle of the output light wave 203 emitted from the grating 401 of the doped region due to this refractive index change. May vary.
  • a reverse bias is applied so that a carrier can be extracted.
  • a carrier is injected. It is to apply forward bias to make it possible.
  • the radiation angle of the output light wave 203 emitted from the grating 401 of the doped region The values of the voltages applied to the silver electrodes 405-1 and 405-2 can be controlled to be appropriately adjusted.
  • FIG. 5 is a structure of a light emitter having a lattice structure modifiable by a thermo-optic effect according to an embodiment of the present invention, and is a structure of a light emitter composed of p or n doped regions. Specifically, (a) of FIG. 5 is a plan view, and (b) is a cross-sectional view passing along the Z1-Z2 line.
  • FIG. 6 is a structure of a light emitter having a lattice structure modifiable by a thermo-optic effect according to an embodiment of the present invention, and is a structure of a light emitter configured by p-n junction. Specifically, (a) of FIG. 6 is a plan view, and (b) is a cross-sectional view passing along the Z1-Z2 line.
  • the region 504 doped with either p-type or n-type is an optical waveguide core 500.
  • electrodes 505-1 and 505-2 are formed in the doped region 504 in a p-type or n-type near both sides of the optical waveguide core 500.
  • the purpose of forming the doped region 504 in the p-type or n-type is to lower the resistance than the surroundings, so that the current flows intensively into the doped region during the current injection. Therefore, when a current is applied between the two electrodes 505-1 and 305-2 while the input light wave 502 is incident on the optical waveguide core 500, Joule heat generated by the current is generated to increase the temperature. do. When the temperature of the portions of the doped regions 504-1 and 504-2 rises, the effective refractive index of the portion of the grating 501 is changed by the thermo-optic effect.
  • thermo-optic effect is a widely known effect in the optics of the semiconductor, a detailed description thereof will be omitted.
  • a relatively positive voltage may be applied to the electrode 505-1 and a relatively negative voltage to the 505-2 to apply a current from the electrode 505-1 to the electrode 505-2;
  • a positive voltage and a negative voltage may be applied to the reverse and a current may be applied from the electrode 505-2 to the electrode 505-1. Since the temperature rise due to Joule heat increases as the current increases, the change in the effective refractive index, that is, the radial angle The control of is controlled by the strength of the current.
  • the p-type doped region 604-1 and the n-type doped region 604-2 are part of the grating 601 in the optical waveguide core 600, or It is formed nearby.
  • electrodes 605-1 and 605-2 are formed in the p-type doped region 604-1 and the n-type doped region 604-2 near the optical waveguide core 600.
  • the doped regions can have a lower resistance than the surroundings, so that current can be concentrated. Therefore, when a current is applied between the two electrodes 605-1 and 605-2 while the light wave 602 is input to the optical waveguide core 600, a joule heat generated by the current is generated and the doped region 604. -1, 604-2) temperature rises. When the temperature of the doped regions 604-1 and 604-2 rises, the refractive index changes due to the thermo-optic effect. Radiation angle of the output light wave 203 emitted from the grating 601 in the doped region due to this refractive index change May vary.
  • the degree of temperature rise may vary according to the direction of voltage application between the two electrodes 605-1 and 605-2.
  • the current increases continuously from zero as the voltage continuously increases from zero. Therefore, the effective refractive index can also be changed continuously.
  • the control of may be adjusted by the intensity of the current injected between the electrodes 605-1, 605-2 or the magnitude of the absolute voltage applied between the electrodes 605-1, 605-2.
  • Embodiments as described above are only intended to embody the present invention, various adjustments are possible in detail.
  • the pn junction is described as being positioned in the center of the optical waveguide cores 301 and 601 in which the grating is formed in FIGS. 3 and 6, the pn junction is not limited thereto, and the pn junction may be formed on either side of the optical waveguide core. It may be biased or located on either side of the optical waveguide core.
  • the pi junction and the ip junction are respectively located at the side end of the optical waveguide core 401 on which the grating is formed.
  • the present disclosure is not limited thereto, and the pi junction and the ip junction may be disposed at either side of the optical waveguide core. Or may be located on either side of the optical waveguide core.
  • electrodes 305-1, 305-2, 405-1, 405-2, 505-1, 505-2, 605-1 and 605-2 are placed over the p-type or n-type doped region.
  • the present invention is not limited thereto or limited thereto, and the electrodes 305-1, 305-2, 405-1, 405-2, 505-1, 505-2, 605-1, and 605-2 are electrically In order to reduce the resistance, it may be formed over the p + or n + doped region of higher concentration than the p or n type doping concentration of the grating portions 301, 401, 501, 601.
  • the optical waveguide core 301 in which the electrodes 305-1, 305-2, 405-1, 405-2, 505-1, 505-2, 605-1, and 605-2 is grating-shaped is formed. It has been described as being located in the vicinity of the side of the, 401, 501, 601, but is not limited to this, the electrode 305-1, 305-2, 405-1, 405-2, 505-1, 505- 2, 605-1, and 605-2 may be disposed at positions off the side of the optical waveguide core for proper voltage application and current injection array placement.
  • the rib waveguide structure is taken as an example to the optical waveguide cores 300, 400, 500, and 600.
  • An electrode is formed in the rib portion of the waveguide (part of the optical waveguide lower layer) 306, 406, 506, and 606, but the present invention is not limited thereto or limited thereto.
  • the electrode may be a strip (channel) type, an embedded strip type, Based on various types of optical waveguides such as ridge type (eg, "Fundamentals of Photonics," BEA Saleh and MC Teich, 2nd Edition, p. 310), voltage application and current injection can be performed in the vicinity of the grating portion. It may be formed in various structures and positions.
  • n eff Effective index of grating-formed optical waveguide
  • n c Refractive index of the clad covering the grating formed optical waveguide
  • Waveguide core 106, 200, 300, 400, 500, 600: Waveguide core
  • 304-2, 404-2, 604-2 n-type doped region

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Abstract

광 위상 배열 안테나를 구성하는 광 발산기 소자는 반도체 소재를 이용한 도파로 코어와 도파로 클래드를 포함한 광 도파로; 및 상기 광 도파로 상부 또는 하부에 주기적으로 형성되는 격자를 포함하고, 상기 광 발산기 소자는 입력 광파를 상기 광 도파로와 상기 격자의 일방향으로 입사하고, 상기 격자로부터의 산란을 이용하여 출력 광파를 공간으로 방사하며, 상기 공간으로 방사되는 출력 광파의 방사각을 조절하기 위하여 상기 광 발산기 소자 주위에 전압인가 또는 전류주입을 통하여 상기 격자의 유효 굴절률을 변화시킨다.

Description

광 위상 배열 안테나에 적용을 위한 변조 가능한 격자 구조를 갖는 나노포토닉 발산기
본 발명은 광 위상 배열 안테나(photonic phased array antenna)에 적용을 위한 광 발산기 (radiator) 구조에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 광파(light wave)가 격자의 넓은 공간(free space)으로 발산되도록 하기 위하여 격자의 종방향 방사각을 변조할 수 있는 격자구조를 이용한 발산기 구조를 제안한다.
광 위상 배열 안테나는 무인자동차, 로봇 등에서 영상 스캐닝을 위해 광 빔을 주사하는 광원으로 사용될 수 있다. 다양한 분야에서 응용을 위한 광 위상 배열 안테나의 바람직한 성능은 크기가 작고, 광 빔 발산 효율이 높고, 선명한 빔을 형성하고, 빔 스캐닝 범위가 넓어야 한다. 이러한 여러 가지 요구 성능 중에서 소형화를 달성하기 위해서는 반도체 소재를 기반으로 하는 광 위상 배열 안테나 구성이 필요하다. 또한, 광 빔의 발산 효율, 선명도, 그리고 스캐닝의 성능들은 광파를 발산하는 광 발산기의 구조에 크게 의존되므로, 본 발명에서는 광 발산기에 대한 구체적인 구조를 반도체 소재를 기반으로 제안하고자 한다.
여기서, 반도체 소재에는 실리콘, 화합물 소재 반도체뿐만 아니라 이들 소재의 광 소자 제작에 사용되는 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 등의 절연체(dielectric) 소재와 금속 박막 소재들을 포함한다.
또한, 변조 가능한 격자구조에서 방사각도는 격자의 종방향으로 제어하는 것이며, 변조 수단은 격자 내에 또는 인근에 p형 또는 n형 도핑 영역을 형성하여 전압 인가 또는 전류 주입시 electro-optic 효과 또는 thermo-optic 효과에 의한 굴절률의 변화를 이용하는 것이다.
나노포토닉스 기반의 광 위상 배열 안테나에 대한 종래의 발명(US Patent Application 2014/0192394 A1)및 본 연구실의 종전의 발명(PCT/KR2015/012199)을 통하여 반도체 실리콘 소재를 기반으로 하는 격자구조의 위상제어 안테나 구조들이 제안된 바 있다.
상기 발명의 격자구조의 광 발산기에서는 격자의 주기, 입력 광의 파장에 의해 격자로부터 방사되는 출력 광파의 종방향 방사방향은 특정 방향들로 제한이 된다. 이로 인하여 위상정합 빔의 종방향 스캐닝 범위는 좁은 범위로 제한된다.
구체적으로, MxN 2차원(2D) 위상배열 안테나 구조에서(예컨대, US Patent Application 2014/0192394 A1)는 방사방향을 종방향으로 연속적으로 변화시키기 위해서 행렬(matrix) 배치된 2D 위상배열의 열방향(column), 즉, 종방향으로 위상변화가 제공되어야 한다. 하지만, 2차원(2D) 위상배열에서는 열방향의 위상제어 기능을 얻기 위해 2D 배열의 복잡한 구조가 요구되는 문제점 및 여러 가지 기능을 갖는 구성 소자들이 각 발산기 단위마다 집적됨으로 인해 공간적인 제약에 의해 위상배열로 얻을 수 있는 종방향 스캐닝 범위가 10 도이내로 좁아지는 문제점이 있다.
또한, 1xM 1차원(1D) 광 발산기 어레이와 같은 구조에서는 입사 파장을 변조시켜야만 종방향 방사방향을 능동적으로 변화시킬 수 있다. 하지만, 입사파장의 변조 기능을 제공하기 위해서는 넓은 범위의 파장변조 가능한 광원을 사용해야 하는 문제점이 있다.
구체적으로, 본 연구실의 종전의 발명(PCT/KR2015/012199)에서 제안된 1xM형 기본 위상배열 안테나 구조는 도 1과 같다. 도 1에서 위상 배열 안테나를 구성하는 주요 소자들은 크게 광원(100)(light source), 광 파워 분배기(101-1, 101-2)(power distributor), 위상 제어기(102)(phase controller), 광 발산기(104)(radiator)로 구성되어 있다. 이들 구성 소자들 각각은 광 도파로(106)로 연결되어 있다. 예를 들어, 위상 제어기(102)와 광 발산기(104)는 광 도파로(106)로 서로 연결되어 있으며, 이 연결 도파로는 밀집도가 높아 도파로 간의 커플링(coupling)이 발생될 수 있어 그 배치가 중요하므로, 위상 공급선(103)(phase-feeding line)으로 구분되어 있다.
도 1의 위상 배열에서는 광 발산기(104)의 길이방향으로 충분한 공간을 확보하기 위하여 1xM 발산기 어레이(105) 밖에 광 파워 분배기(101-1, 101-2), 위상 제어기(102), 위상 공급선(103) 들을 배치한 특징을 갖고 있다. 이 때, 1xM 발산기 어레이에서는 횡방향 위상변화만으로는 수직방향, 즉, 위도(latitude)방향의 스캐닝은 이루어지지 않는다. 이로 인해, 종래의 발명(PCT/KR2015/012199)은 1xM 발산기 어레이 N 개를 상하로 독립적으로 배치하고, 각 1xM 발산기 어레이에서 종방향 방사각도를 각기 다른 각도로 담당케 함으로써 2차원(2D) 공간의 빔 스캐닝 기능을 부여하는 구조를 제안하였다. 이러한 방식은 1xM 발산기 어레이 N 개를 상하로 배치해야 하는 문제를 안고 있다.
따라서, 본 발명에서는 종방향 위상변조나 변조가능 광원을 사용할 필요 없이, 종방향 발산각을 직접 변조할 수 있는 발산기 구조를 제안한다. 특히, 1xM형 1D 위상배열 안테나 또는 종방향으로 위상배열에 독립성을 갖는 (1xM)xN형 위상배열 안테나의 특정 파장에서는 종방향 방사각에 대한 능동적인 제어가 불가능하기 때문에, 본 발명의 방사각 변조 가능한 발산기 구조는 상술한 두 가지 유형의 위상 배열 안테나에서 매우 유용하게 적용될 수 있다.
본 발명은 종방향 발산각 변조 가능한 광 발산기를 적용함으로써, 1xM 1D 어레이 하나만으로도 횡방향과 종방향에 모두 포함하는 2D 스캐닝 기능을 달성하고자 한다.
본 발명의 일실시예에 따른, 광 위상 배열 안테나를 구성하는 광 발산기 소자는 반도체 소재를 이용한 도파로 코어와 도파로 클래드를 포함한 광 도파로; 및 상기 광 도파로 상부 또는 하부에 주기적으로 형성되는 격자를 포함하고, 상기 광 발산기 소자는 입력 광파를 상기 광 도파로와 상기 격자의 일방향으로 입사하고, 상기 격자로부터의 산란을 이용하여 출력 광파를 공간으로 방사하며, 상기 공간으로 방사되는 출력 광파의 방사각을 조절하기 위하여 상기 광 발산기 소자 주위에 전압인가 또는 전류주입을 통하여 상기 격자의 유효 굴절률을 변화시킨다.
상기 광 발산기 소자는 상기 격자의 종방향으로 범위를 넓히도록 상기 방사각을 조절할 수 있다.
상기 광 발산기 소자는 상기 전압인가 또는 상기 전류주입을 통한 electro-optic 효과를 이용하여 상기 격자의 유효 굴절률을 변화시킬 수 있다.
상기 광 발산기 소자는 상기 전압인가 또는 상기 전류주입을 통한 electro-optic 효과를 이용하기 위하여 상기 격자 내 또는 인근에 p-n 접합 구조를 형성할 수 있다.
상기 광 발산기 소자는 상기 전압인가 또는 상기 전류주입을 통한 electro-optic 효과를 이용하기 위하여 상기 격자 내 또는 인근에 p-i-n 접합 구조를 형성할 수 있다.
상기 광 발산기 소자는 상기 전류주입을 통한 thermo-optic 효과를 이용하여 상기 격자의 유효 굴절률을 변화시킬 수 있다.
상기 광 발산기 소자는 상기 전류주입을 통한 thermo-optic 효과를 이용하기 위하여, 상기 격자 내 또는 인근에 p형 또는 n형 중 어느 하나의 형으로 도핑한 영역을 형성하고, 상기 도핑된 영역에 전류를 주입하여 발생되는 Joule 열로 상기 격자 부분의 온도를 상승시킬 수 있다.
상기 광 발산기 소자는 상기 전류주입을 통한 thermo-optic 효과를 이용하기 위하여, 상기 격자 내 또는 인근에 p-n 접합을 형성하고, 상기 p-n 접합에 전류를 주입하여 발생되는 Joule 열로 상기 격자 부분의 온도를 상승시킬 수 있다.
상기 광 발산기 소자는 상기 전류주입을 통한 thermo-optic 효과를 이용하기 위하여, 상기 격자 내 또는 인근에 형성된 p-n 접합에 역전압을 인가하고, 파괴전압 이상의 전압에 따른 파괴전류로 상기 격자 부분의 온도를 상승시킬 수 있다.
본 발명은 종방향 발산각 변조 가능한 광 발산기를 적용함으로써, 1xM 1D 어레이 하나만으로도 횡방향과 종방향에 모두 포함하는 2D 스캐닝 기능을 달성할 수 있다.
도 1은 종전의 발명에서 제안한 광 위상배열 안테나를 구성하는 주요 소자들을 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 광 발산기의 기본구조를 나타낸 개략도이다.
도 3은 본 별명의 일실시예에 따른 electro-optic 효과에 의해 변조 가능한 격자구조를 갖는 광 발산기의 구조로써, p-n 접합으로 구성된 광 발산기의 구조이다.
도 4는 본 별명의 일실시예에 따른 electro-optic 효과에 의해 변조 가능한 격자구조를 갖는 광 발산기의 구조로써, p-i-n 접합으로 구성된 광 발산기의 구조이다.
도 5는 본 별명의 일실시예에 따른 thermo-optic 효과에 의해 변조 가능한 격자구조를 갖는 광 발산기의 구조로써, p 또는 n 도핑 영역으로 구성된 광 발산기의 구조이다.
도 6은 본 별명의 일실시예에 따른 thermo-optic 효과에 의해 변조 가능한 격자구조를 갖는 광 발산기의 구조로써, p-n 접합으로 구성된 광 발산기의 구조이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예들에 따른 격자구조 발산기에 대해 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 하기의 실시예들은 본 발명을 구체화하기 위한 것일 뿐 본 발명의 권리 범위를 제한하거나 한정하는 것이 아님은 물론이다. 본 발명의 상세한 설명 및 실시예들로부터 본 발명이 속하는 기술 분야의 전문가가 용이하게 유추할 수 있는 것은 본 발명의 권리 범위에 속하는 것으로 해석된다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 광 발산기의 기본구조를 나타낸 개략도이다. 구체적으로, 도 2의 (a)는 광 발산기를 나타낸 종단면도이고, (b)는 광 발산기를 나타낸 평면도이다.
도 2를 참조하면, 격자 구조로부터 방사되는 출력 광파의 원거리장(203)의 방사각은 회절(diffraction) 원리에 의하여 수학식 1을 활용하여 설계될 수 있다.
<수학식 1>
Figure PCTKR2015012946-appb-I000001
수학식 1에서,
Figure PCTKR2015012946-appb-I000002
는 입력 광파의 자유공간에서 중심 파장,
Figure PCTKR2015012946-appb-I000003
는 격자의 주기, neff는 격자를 포함하는 광 도파로(코어와 클래드를 포함한 전체 도파로)의 유효 귤절률(effective index), nc는 격자가 형성된 광 도파로 코어 위를 덮고 있는 클래드 (clad)의 굴절률, 그리고
Figure PCTKR2015012946-appb-I000004
는 주기적인 격자로부터 산란된 광파의 회절로 형성된 회절패턴 중에서 빛의 세기가 가장 큰 중심에 해당되는 방사 각도(예컨대, 격자표면의 법선(normal)방향으로부터의 각도)를 나타낸다.
여기서, 유효 굴절률 neff는 광 도파로의 소재와 광파의 파장에 따른 굴절률 (refractive index)을 기반으로 하여 광 도파로의 구조에 따라 정해진다. 또한, 클래드의 굴절률은 격자가 자유공간에 노출되어 있을 경우에는 nc=1로 나타낼 수 있다. 이러한 수식은 고전적인 회절원리에 기반을 두고 있으나, 격자의 주기, 광 도파로 코어의 너비와 두께 등의 기하학적인 규모가 회절한계(diffraction limit) 이하인 경우, 즉, 입력 광파의 파장의 절반(
Figure PCTKR2015012946-appb-I000005
/2)에 가깝거나 이보다 작을 경우에는 고전적인 회절원리로써는 제대로 묘사하기 어려운 점이 있다. 그러나, 파장과 굴절률에 따라 방사 각도에 대한 개략적인 의존성은 수학식 1을 통하여 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명은 수학식 1에서 유효 굴절률 neff을 전기적으로 변화시킴으로써 방사각
Figure PCTKR2015012946-appb-I000006
를 제어할 수 있는 발산각 구조를 제안한다.
도 3은 본 별명의 일실시예에 따른 electro-optic 효과에 의해 변조 가능한 격자구조를 갖는 광 발산기의 구조로써, p-n 접합으로 구성된 광 발산기의 구조이다. 구체적으로, 도 3의 (a)는 평면도이고, (b)는 Z1-Z2 선을 지나는 횡단면도이다.
도 4는 본 별명의 일실시예에 따른 electro-optic 효과에 의해 변조 가능한 격자구조를 갖는 광 발산기의 구조로써, p-i-n 접합으로 구성된 광 발산기의 구조이다. 구체적으로, 도 4의 (a)는 평면도이고, (b)는 Z1-Z2선을 지나는 횡단면도이다.
p-n 접합 구조를 이용하는 도 3을 참조하면, (a)와 같이, p형 도핑 영역(304-1)과 n형 도핑 영역(304-2)이 광 도파로 코어(300) 내의 격자(301) 부분 또는 인근에 형성된다. 또한, 광 도파로 코어(300) 인근의 p형 도핑 영역(304-1)과 n형 도핑 영역(304-2)에 전극(305-1, 305-2)이 형성된다.
이와 같은 광 도파로 코어(300)에 입력 광파(302)가 입사되는 상태에서 두 전극들(305-1, 305-2) 사이에 전압 또는 전류가 인가되면, 도핑 영역(304-1, 304-2)에 캐리어(carrier) 농도, 즉, 전자(electron) 또는 홀(hole)의 농도가 증가하여 electro-optic 효과, 구체적으로 free carrier plasma dispersion(FCPD) 효과에 의하여 도핑된 영역의 굴절률이 변화하게 된다. 이 굴절률 변화로 인하여 도핑 영역의 격자(301)로부터 방사되는 출력 광파(203)의 방사각
Figure PCTKR2015012946-appb-I000007
가 달라질 수 있다. Electro-optic 효과와 free carrier plasma dispersion(FCPD) 효과는 반도체의 광학에서 널리 알려진 효과이므로, 상세한 설명은 생략한다.
p-i-n 접합 구조를 이용하는 도 4를 참조하면, (a)와 같이, p형 도핑 영역(404-1), i형 영역(404-3)과 n형 도핑 영역(404-2)이 광 도파로 코어(400) 내의 격자(401) 부분 또는 인근에 형성된다. 또한, 격자(401) 부분 인근의 p형 도핑 영역(404-1)과 n형 도핑 영역(404-2)에 전극(405-1, 405-2)이 형성된다.
두 전극들(405-1, 405-2) 사이에 전압 또는 전류가 인가되면, 도 3을 참조하여 설명한 바와 같은 원리로 electro-optic 효과, 즉, FCPD 효과에 의하여 도핑된 영역의 굴절률이 변화하게 되고, 이 굴절률 변화로 인하여 도핑 영역의 격자 (401)로부터 방사되는 출력 광파(203)의 방사각
Figure PCTKR2015012946-appb-I000008
가 달라질 수 있다.
전압 또는 전류 인가에서 굴절률 변화를 보다 효과적으로 얻을 수 있는 바람직한 방법은 도 3의 p-n 접합 구조에서는 캐리어가 추출될 수 있도록 역전압(reverse bias)을 인가하며, 도 4의 p-i-n 접합 구조에서는 캐리어가 주입될 수 있도록 순전압(forward bias)를 인가하는 것이다.
이 때, 도핑된 영역의 격자(401)로부터 방사되는 출력 광파(203)의 방사각
Figure PCTKR2015012946-appb-I000009
은 전극(405-1, 405-2)에 인가되는 전압의 값이 적절히 조절되어 제어될 수 있다.
도 5는 본 별명의 일실시예에 따른 thermo-optic 효과에 의해 변조 가능한 격자구조를 갖는 광 발산기의 구조로써, p 또는 n 도핑 영역으로 구성된 광 발산기의 구조이다. 구체적으로, 도 5의 (a)는 평면도이고, (b)는 Z1-Z2 선을 지나는 횡단면도이다.
도 6은 본 별명의 일실시예에 따른 thermo-optic 효과에 의해 변조 가능한 격자구조를 갖는 광 발산기의 구조로써, p-n 접합으로 구성된 광 발산기의 구조이다. 구체적으로, 도 6의 (a)는 평면도이고, (b)는 Z1-Z2선을 지나는 횡단면도이다.
p형 또는 n형으로 도핑된 영역으로 구성된 광 발산기를 나타낸 도 5를 참조하면, (a)와 같이, p형과 n형 중 어느 하나의 형으로 도핑된 영역(504)이 광 도파로 코어(500) 내의 격자(501) 부분 또는 인근에 형성된다. 또한, 광 도파로 코어(500)의 양쪽 인근의 p형 또는 n형으로 도핑 영역(504)에는 전극(505-1, 505-2)이 형성된다.
이와 같이 p형 또는 n형으로 도핑 영역(504)을 형성하는 목적은 주위 보다 저항을 낮게 하여, 전류 주입 시 도핑된 영역으로 전류가 집중적으로 흐르도록 유도하기 위함이다. 따라서, 광 도파로 코어(500)에 입력 광파(502)가 입사되는 상태에서 두 전극들(505-1, 305-2) 사이에 전류가 인가되면, 전류에 의한 Joule 열이 발생되어 온도가 상승하게 된다. 도핑된 영역(504-1, 504-2) 부분의 온도가 상승하면 thermo-optic 효과에 의하여 격자(501) 부분의 유효 굴절률이 변화하게 된다.
따라서, 이 유효 굴절률 변화로 인하여 도핑된 영역 내의 격자(501)로부터 방사되는 출력 광파(203)의 방사각
Figure PCTKR2015012946-appb-I000010
가 달라질 수 있다. Thermo-optic 효과는 반도체의 광학에서 널리 알려진 효과이므로, 상세한 설명은 생략한다.
도 5에 도시된 광 발산기의 구조에서는 두 전극들(505-1, 505-2) 사이에 전류 주입의 방향을 어느 쪽으로 하든지 상관이 없다. 다시 말하면, 전극 505-1에는 상대적으로 + 전압을 인가하고 505-2에는 상대적으로 - 전압을 인가하여, 전류를 전극(505-1) 에서 전극(505-2)으로 향하게 인가하여도 되고; + 전압과 - 전압을 그 반대로 인가하여 전류를 전극(505-2) 에서 전극(505-1)으로 향하게 인가하여도 된다. Joule 열에 의한 온도 상승은 전류가 클수록 커지므로, 유효 굴절률의 변화, 즉, 방사각
Figure PCTKR2015012946-appb-I000011
의 제어는 전류의 세기로 조절한다.
p-n 접합 구조를 이용하는 도 6을 참조하면, (a)와 같이, p형 도핑 영역(604-1)과 n형 도핑 영역(604-2)이 광 도파로 코어(600) 내의 격자(601) 부분 또는 인근에 형성된다. 또한, 광 도파로 코어(600) 인근의 p형 도핑 영역 (604-1)과 n형 도핑 영역 (604-2)에 전극 (605-1, 605-2)이 형성된다.
여기서, p형 도핑 영역(604-1)과 n형 도핑 영역(604-2)의 두 가지 도핑 영역이 접합되어도, 이들 도핑 영역이 주위 보다 저항이 낮아 전류를 집중적으로 흐르게 될 수 있다. 따라서, 광 도파로 코어(600)에 광파(602)가 입력되는 상태에서 두 전극들(605-1, 605-2) 사이에 전류가 인가되면, 전류에 의한 Joule 열이 발생되어 도핑된 영역(604-1, 604-2) 부분의 온도가 상승하게 된다. 도핑된 영역(604-1, 604-2) 부분의 온도가 상승하면 thermo-optic 효과에 의하여 굴절률이 변화하게 된다. 이 굴절률 변화로 인하여 도핑 영역 내의 격자(601)로부터 방사되는 출력 광파(203)의 방사각
Figure PCTKR2015012946-appb-I000012
가 달라질 수 있다.
도 6에 도시된 광 발산기의 구조에서는 두 전극들(605-1, 605-2) 사이에 전압 인가의 방향에 따라 온도 상승의 정도가 달라질 수 있다. 두 전극들(605-1, 605-2) 사이에 순방향의 전압이 인가되는 경우에는 전압이 0에서부터 연속적으로 상승함에 따라 전류도 0에서부터 연속적으로 상승하게 된다. 따라서 유효 굴절률도 연속적으로 변화될 수 있다.
이에 비하여, 두 전극들(605-1, 605-2) 사이에 역방향의 전압이 인가되는 경우에는 파괴전압(breakdown voltage)에 이르기 전까지는 전류가 적고 그 변화도 작다가 파괴전압을 넘어서면 전류가 급작스럽게 증가될 수 있다. 따라서 도핑영역(604-1, 604-2)의 온도 상승과 thermo-optic 효과에 의한 유효 굴절률 변화도 파괴전압 이상에서 효과적으로 나타날 수 있다.
실리콘 소재의 격자 커플러(grating coupler)에 대한 연구결과(Jong-Hun Kim et al., IEEE Photo. Tech. Lett, vol. 27, no. 21, p.2034, Nov. 1, 2015)에 의하면, 역전압 하의 파괴 상태에서 전류 대비 굴절률 변화로 나타낸 변조효율은 동일한 p-n 접합 구조에서 순전압 하에서 변조효율 보다 높다. 따라서 본 발명에서 p-n 접합 구조를 이용하는 격자 구조 광 발산기에서는 변조 효율을 고려하면, 순전압을 인가하는 것 보다는 역전압을 인가하여 파괴 상태를 이용하는 것이 더 바람직할 수 있다. 순전압 또는 역전압의 어느 경우라도, Joule 열에 의한 온도 상승은 전류가 클수록 커지므로, 도 6의 광 발산기의 구조에서는 유효 굴절률의 변화, 즉, 방사각
Figure PCTKR2015012946-appb-I000013
의 제어는 전극들(605-1, 605-2) 사이에 주입되는 전류의 세기 또는 전극들(605-1, 605-2) 사이에 인가되는 절대 전압의 크기로 조절될 수 있다.
상술한 바와 같은 실시예들은 본 발명을 구체화하기 위한 것일 뿐이며, 세부구조에서 다양한 조정이 가능하다. 예를 들어, 도 3 및 6에서 격자가 형성된 광 도파로 코어(301, 601)의 가운데에 p-n 접합이 위치한 경우로 설명되었으나, 이에 제한되거나 한정되지 않고, p-n 접합은 광 도파로 코어 내의 어느 한쪽 측면에 치우치게 하거나 광 도파로 코어 밖의 어느 한쪽에 위치할 수도 있다.
마찬가지로, 도 4에서 격자가 형성된 광 도파로 코어(401) 측면 끝에 p-i 접합과 i-p 접합 각각이 위치한 경우로 설명되었으나, 이에 제한되거나 한정되지 않고, p-i 접합과 i-p 접합 각각은 광 도파로 코어 내의 어느 한쪽에 위치하게 하거나 광 도파로 코어 밖의 어느 한쪽에 위치할 수도 있다.
또한, 도 3 내지 6에서 전극(305-1, 305-2, 405-1, 405-2, 505-1, 505-2, 605-1, 605-2)이 p형 또는 n형 도핑 영역 위에 형성되는 경우로 설명되었으나, 이에 제한되거나 한정되지 않고, 전극(305-1, 305-2, 405-1, 405-2, 505-1, 505-2, 605-1, 605-2)은 전기적 저항을 줄이려는 의도로, 격자 부분(301, 401, 501, 601)의 p형 또는 n형 도핑 농도보다 더 높은 농도의 p+형 또는 n+형 도핑 영역 위에 형성될 수도 있다.
또한, 도 3 내지 6에서 전극(305-1, 305-2, 405-1, 405-2, 505-1, 505-2, 605-1, 605-2)이 격자가 형성된 광 도파로 코어 (301, 401, 501, 601)의 측면 인근 부분에 위치하는 경우로 설명되었으나, 이에 제한되거나 한정되지 않고, 전극(305-1, 305-2, 405-1, 405-2, 505-1, 505-2, 605-1, 605-2)은 적절한 전압 인가, 전류 주입 어레이 배치를 위하여 광 도파로 코어의 측면에서 벗어난 위치에 배치될 수도 있다.
또한, 도 3의 (b), 도 4의 (b), 도 5의 (b) 및 도 6의 (b)에서는 rib형 도파로 구조를 예로 들어 광 도파로 코어(300, 400, 500, 600) 측면에 도파로의 rib 부분(광 도파로 하부층의 일부)(306, 406, 506, 606)에 전극이 형성되는 경우로 설명되었으나, 이에 제한되거나 한정되지 않고, 전극은 strip(channel)형, embedded strip형, ridge형(예컨대, "Fundamentals of Photonics," B. E. A. Saleh and M. C. Teich, 2nd Edition, p.310) 등의 다양한 유형의 광 도파로를 기반으로 하여, 격자 부분의 인근에 전압 인가와 전류 주입이 수행될 수 있는 다양한 구조 및 위치로 형성될 수도 있다.
이상의 실시예들에서 사용된 기호가 나타내는 바는 다음과 같다.
X: 격자의 종방향
Z: 격자의 횡방향
Y: 격자의 법선방향 (Normal 방향)
Figure PCTKR2015012946-appb-I000014
: 자유공간에서 입력 광파의 파장
Figure PCTKR2015012946-appb-I000015
: 격자의 주기
M: 어레이 내의 광 발산기 개수
Figure PCTKR2015012946-appb-I000016
: 단위 격자의 종방향 방사 각도 (법선으로부터 각도)
neff: 격자가 형성된 광 도파로의 유효 귤절률 (effective index)
nc: 격자가 형성된 광 도파로 위를 덮고 있는 클래드 (clad)의 굴절률
[부호의 설명]
100: 광원 (Light source)
101-1, 101-2: 1 대 N 광파워 분배기 (1:N power distributor)
102: 위상 제어기 (Phase controller)
103: 위상 공급선 (Phase-feeding line)
104: 발산기 (Radiator)
105: 1xM 발산기 어레이 (1xM radiator array)
106, 200, 300, 400, 500, 600: 광 도파로 코어 (Waveguide core)
201, 301, 401, 501, 601: 격자 (Grating)
202, 302, 402, 502, 602: 입력 광파 (Light wave)
203: 격자에서 방사되는 회절패턴의 출력 광파
304-1, 404-1, 604-1: p형 도핑 영역
304-2, 404-2, 604-2: n형 도핑 영역
504: p형 또는 n형 도핑 영역
305-1, 305-2, 405-1, 405-2, 505-1, 505-2, 605-1, 605-2: 전극 (Electrode)
306, 406, 506, 606: 광 도파로의 rib 부분 또는 광 도파로의 clad 층
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 (9)

  1. 광 위상 배열 안테나를 구성하는 광 발산기 소자에 있어서,
    반도체 소재를 이용한 도파로 코어와 도파로 클래드를 포함한 광 도파로; 및
    상기 광 도파로 상부 또는 하부에 주기적으로 형성되는 격자
    를 포함하고,
    상기 광 발산기 소자는
    입력 광파를 상기 광 도파로와 상기 격자의 일방향으로 입사하고, 상기 격자로부터의 산란을 이용하여 출력 광파를 공간으로 방사하며, 상기 공간으로 방사되는 출력 광파의 방사각을 조절하기 위하여 상기 광 발산기 소자 주위에 전압인가 또는 전류주입을 통하여 상기 격자의 유효 굴절률을 변화시키는, 광 발산기 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광 발산기 소자는
    상기 격자의 종방향으로 범위를 넓히도록 상기 방사각을 조절하는, 광 발산기 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 광 발산기 소자는
    상기 전압인가 또는 상기 전류주입을 통한 electro-optic 효과를 이용하여 상기 격자의 유효 굴절률을 변화시키는, 광 발산기 소자.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 광 발산기 소자는
    상기 전압인가 또는 상기 전류주입을 통한 electro-optic 효과를 이용하기 위하여 상기 격자 내 또는 인근에 p-n 접합 구조를 형성하는, 광 발산기 소자.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 광 발산기 소자는
    상기 전압인가 또는 상기 전류주입을 통한 electro-optic 효과를 이용하기 위하여 상기 격자 내 또는 인근에 p-i-n 접합 구조를 형성하는, 광 발산기 소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 광 발산기 소자는
    상기 전류주입을 통한 thermo-optic 효과를 이용하여 상기 격자의 유효 굴절률을 변화시키는, 광 발산기 소자.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 광 발산기 소자는
    상기 전류주입을 통한 thermo-optic 효과를 이용하기 위하여, 상기 격자 내 또는 인근에 p형 또는 n형 중 어느 하나의 형으로 도핑한 영역을 형성하고, 상기 도핑된 영역에 전류를 주입하여 발생되는 Joule 열로 상기 격자 부분의 온도를 상승시키는, 광 발산기 소자.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 광 발산기 소자는
    상기 전류주입을 통한 thermo-optic 효과를 이용하기 위하여, 상기 격자 내 또는 인근에 p-n 접합을 형성하고, 상기 p-n 접합에 전류를 주입하여 발생되는 Joule 열로 상기 격자 부분의 온도를 상승시키는, 광 발산기 소자.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 광 발산기 소자는
    상기 전류주입을 통한 thermo-optic 효과를 이용하기 위하여, 상기 격자 내 또는 인근에 형성된 p-n 접합에 역전압을 인가하고, 파괴전압 이상의 전압에 따른 파괴전류로 상기 격자 부분의 온도를 상승시키는, 광 발산기 소자.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109462145A (zh) * 2017-12-28 2019-03-12 南京邮电大学 集成谐振光栅微腔的GaN基悬空波导激光器及制备方法
JP2019184649A (ja) * 2018-04-02 2019-10-24 株式会社豊田中央研究所 光偏向素子

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101836613B1 (ko) * 2016-04-08 2018-03-09 한국과학기술원 광파가 공간으로 방사되는 방사각을 조절하는 광 발산기
CN113687552A (zh) * 2020-05-19 2021-11-23 联合微电子中心有限责任公司 一种移相控制电路
CN112201707B (zh) * 2020-09-21 2022-06-24 三明学院 一种光栅结构的硅基全硅表面吸收探测器及其制备方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120183251A1 (en) * 2009-09-29 2012-07-19 Gilles Rasigade Semiconductor on insulant high-rate compact optical modulator
US20140023318A1 (en) * 2012-07-20 2014-01-23 The Boeing Company Optical antenna and methods for optical beam steering
US20140161464A1 (en) * 2012-07-26 2014-06-12 California Institute Of Technology Optically driven active radiator
US20140192394A1 (en) * 2013-01-08 2014-07-10 Jie Sun Optical phased arrays
KR101561368B1 (ko) * 2011-04-01 2015-10-16 인텔 코포레이션 광 도파관 구조

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1554978A (zh) * 2003-12-19 2004-12-15 中国科学院上海光学精密机械研究所 高速电光相控阵二维激光光束扫描器
CN101571592B (zh) * 2009-05-22 2012-03-21 北京航空航天大学 基于光学上变频的被动毫米波扫描成像系统
MX345668B (es) * 2010-10-15 2016-03-30 The Invent Science Fund I Llc Antenas de dispersión por superficie.
CN104570404A (zh) * 2014-12-22 2015-04-29 中国电子科技集团公司第三十八研究所 一种基于热光调制的光波束形成网络芯片及其制备方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120183251A1 (en) * 2009-09-29 2012-07-19 Gilles Rasigade Semiconductor on insulant high-rate compact optical modulator
KR101561368B1 (ko) * 2011-04-01 2015-10-16 인텔 코포레이션 광 도파관 구조
US20140023318A1 (en) * 2012-07-20 2014-01-23 The Boeing Company Optical antenna and methods for optical beam steering
US20140161464A1 (en) * 2012-07-26 2014-06-12 California Institute Of Technology Optically driven active radiator
US20140192394A1 (en) * 2013-01-08 2014-07-10 Jie Sun Optical phased arrays

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109462145A (zh) * 2017-12-28 2019-03-12 南京邮电大学 集成谐振光栅微腔的GaN基悬空波导激光器及制备方法
JP2019184649A (ja) * 2018-04-02 2019-10-24 株式会社豊田中央研究所 光偏向素子
JP7077727B2 (ja) 2018-04-02 2022-05-31 株式会社豊田中央研究所 光偏向素子

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