WO2021096210A1 - 광의 위상을 가변할 수 있는 배열 안테나 - Google Patents

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WO2021096210A1
WO2021096210A1 PCT/KR2020/015752 KR2020015752W WO2021096210A1 WO 2021096210 A1 WO2021096210 A1 WO 2021096210A1 KR 2020015752 W KR2020015752 W KR 2020015752W WO 2021096210 A1 WO2021096210 A1 WO 2021096210A1
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phase variable
waveguide
antenna
array antenna
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유난이
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광주과학기술원
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    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/26Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02FOPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/29Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the position or the direction of light beams, i.e. deflection
    • G02F1/295Analog deflection from or in an optical waveguide structure]
    • G02F1/2955Analog deflection from or in an optical waveguide structure] by controlled diffraction or phased-array beam steering
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    • H01Q1/00Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/36Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith
    • H01Q1/38Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith formed by a conductive layer on an insulating support
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    • G02FOPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F2201/00Constructional arrangements not provided for in groups G02F1/00 - G02F7/00
    • G02F2201/30Constructional arrangements not provided for in groups G02F1/00 - G02F7/00 grating
    • G02F2201/305Constructional arrangements not provided for in groups G02F1/00 - G02F7/00 grating diffraction grating

Definitions

  • the present embodiment relates to an array antenna capable of precisely varying the phase of light.
  • a lidar sensor for an autonomous vehicle acquires 3D spatial information by measuring the return time of the incident pulsed laser reflected off an object.
  • the lidar is largely divided into a flash method and a scanning method.
  • the flash-type lidar is a method that simultaneously scans a laser beam over a large area, and includes a 2D array-type light-receiving element so that the receiver can also recognize the reflected image.
  • a scanning type radar performs point mapping in a three-dimensional space by rotating the laser beam in the vertical and horizontal directions. Therefore, the scanning type lidar has less laser light source output and a simple receiver structure compared to the flash method.
  • the conventional scanning type radar measured a 360° viewing angle by rotating a mechanical motor.
  • the basic mechanical radar cannot be used in unmanned vehicles that require limited power and weight because the motor for rotation is heavy and consumes a lot of power. There is a problem that the mechanical rotational speed does not correspond.
  • the conventional scanning type radar considered the use of an optical phased array antenna.
  • the optical phased array antenna distributes the incident laser to each antenna element using several directional couplers, modulates the phase of the dispersed laser, and outputs the laser in a desired direction.
  • the waveguide in the lidar of the conventional scanning method increases the magnitude of the Evanescent Wave in the waveguide mode due to a low refractive index, it can easily interact with adjacent waveguides having the same propagation constant.
  • the distance between the antenna elements In order to widen the limited horizontal viewing angle of the optical phase array antenna, the distance between the antenna elements must be close to a distance of half the wavelength ( ⁇ /2). The desired output phase distribution cannot be obtained due to cross-talk).
  • a lidar for the purpose of mounting in an autonomous vehicle since normal operation is important for the safety of occupants and pedestrians, there is a problem in that it is difficult to mount a conventional lidar in a device such as an autonomous vehicle.
  • An object of the present invention is to provide an optical phase variable array antenna capable of outputting exactly as desired while being lighter and cheaper by replacing mechanical rotation.
  • a receiving unit for distributing input light to a plurality of antenna element waveguides, a phase variable unit for varying the phase of light propagating to each antenna element waveguide by applying heat to each antenna element waveguide, and a plurality of antenna elements Including, the phase is varied in the phase variable unit, characterized in that it comprises an output unit for outputting the light propagated to each antenna element waveguide to each antenna element, and a base unit for seating the receiving unit, the phase variable unit and the output unit It provides an optical phase variable array antenna.
  • the receiving unit includes a multi-mode interference coupler, a Y-junction coupler, or a directional coupler in order to distribute the input light to a plurality of antenna element waveguides.
  • Directional Coupler a multi-mode interference coupler, a Y-junction coupler, or a directional coupler in order to distribute the input light to a plurality of antenna element waveguides.
  • the phase variable unit is characterized in that the heating amount of each antenna element waveguide is different from each other.
  • the base portion is formed by laminating a silicon substrate and a silicon oxide cladding on the silicon substrate.
  • each of the plurality of antenna elements includes a diffraction grating having a predetermined interval.
  • the diffraction grating is formed non-periodically.
  • the distance between the diffraction gratings decreases as the diffraction grating faces the center of the antenna element, and the distance between the diffraction gratings is kept constant within a preset range from the center of the antenna element. It is characterized in that the distance between the diffraction gratings increases as it goes out of the preset range from the center of the antenna element and goes to the outside.
  • the distance between the diffraction gratings decreases as the diffraction grating faces the center from the outer side of the antenna element, and the distance between the diffraction gratings increases again when the diffraction grating is out of the center of the antenna element.
  • the output unit is characterized in that it outputs the light propagating through the waveguide of the antenna element in a direction perpendicular to the propagation direction of the light.
  • FIG. 1 is a diagram showing the configuration of an optical phase variable array antenna according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing the configuration of a micro heater according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a cross-sectional view of a phase variable part according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 4 and 5 are cross-sectional and perspective views of an antenna element according to an embodiment of the present invention.
  • 6 and 7 are graphs showing the output of the conventional array antenna and the output of the optical phase variable array antenna according to an embodiment of the present invention.
  • first, second, A, and B may be used to describe various elements, but the elements should not be limited by the terms. The above terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another component. For example, without departing from the scope of the present invention, a first element may be referred to as a second element, and similarly, a second element may be referred to as a first element.
  • the term and/or includes a combination of a plurality of related listed items or any of a plurality of related listed items.
  • each configuration, process, process, or method included in each embodiment of the present invention may be shared within a range not technically contradictory to each other.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an optical phase variable array antenna according to an embodiment of the present invention.
  • an optical phase variable array antenna 100 includes a receiver 110, a phase variable 120, an output 130, and a base 140.
  • the optical phase variable array antenna 100 is a component that adjusts the direction of output light by varying the phase of (laser) light to be irradiated for sensing in a lidar system (not shown).
  • the optical phase variable array antenna 100 includes a light source (not shown) that generates light and outputs (transmits) it to the optical phase variable array antenna, and a sensing device (not shown) that receives and senses reflected light reflected from an object. It is possible to configure the system.
  • the receiving unit 110 receives light output from a light source (not shown) and distributes the received light to a plurality of antenna element waveguides using a plurality of couplers.
  • the receiving unit 110 includes a first optical coupler 112 for receiving light output from a light source (not shown).
  • the mode diameter of the light output from the light source (not shown) is usually different from the mode diameter of the waveguide 122 to be described later in the optical phase variable array antenna 100.
  • the receiving unit 110 fully receives the light output from the light source by adjusting the mode diameter of the light output from the light source using the first optical coupler 112.
  • the first optical coupler 112 may have an inverted tapered structure in a silicon oxide waveguide having a cantilever shape in order to adjust a mode diameter of light.
  • the receiving unit 110 distributes the light received using the second optical coupler 114 to the plurality of antenna element waveguides.
  • the second optical coupler 114 may be implemented as a multi-mode interference coupler, a Y-junction coupler, or a directional coupler, and at least one is included and received. Distributed light into a plurality of pieces.
  • the phase variable unit 120 changes the phase of the waveguide mode by changing the refractive index of the waveguide 122 of each antenna element.
  • the phase variable unit 120 includes a micro heater 126 and an electrode 124 to supply power to the micro heater 126.
  • the phase variable unit 120 changes the refractive index of each waveguide 122 by applying Joule heat to the antenna element waveguide 122 using the micro heater 126, and the change in the refractive index of the waveguide causes a phase change of the waveguide mode.
  • the micro heater 126 and the electrode 124 are shown in detail in FIG. 2.
  • FIG. 2 is a diagram showing the configuration of a micro heater according to an embodiment of the present invention.
  • the electrode 124a and the electrode 124b are disposed in a diagonal direction on the base portions 140 of both outer sides of the plurality of antenna element waveguides 122, and one micro-heater 126 is It crosses over each waveguide 122 and is connected to each of the electrodes 124a and 124b.
  • the micro-heater 126 crosses all the waveguides 122 at once and contacts the base portion of each waveguide only once and is not connected to the electrode, but one or more times with the base portion of each waveguide 122. Contact and connected to the electrode.
  • the micro-heater 126 proceeds in the direction of each waveguide 122, is bent in a direction in which the waveguide is located (a direction perpendicular to the direction of the waveguide), and contacts the base of a specific waveguide. It is formed in a shape that moves in the direction of the waveguide after moving away from the negative part, so that it may contact the base part on one or more waveguides at a time.
  • the micro-heater 126 may change the position of the base part on each waveguide and the number of times of contact by continuously changing the position of the base part (on the waveguide) whose direction is to be contacted.
  • the micro-heater 126 shown in FIG. 2 is formed to be connected to the electrode 124a, and initially contacts only the base portion of the waveguide closest to the electrode 124a and then moves away, and gradually the electrode 124a After contacting the base portion of the waveguide, which is separated from the waveguide, it is moved away, and finally, it is formed in a form that is connected to the electrode 124b across all the waveguides.
  • micro-heater 126 Since the micro-heater 126 is connected to the electrode by varying the number of contact with the base part on each waveguide, even if only one micro-heater 126 and two electrodes 124a, 124b are provided, all waveguides can be heated at once. It is possible to change the heating degree of each waveguide. However, only an example in which the micro-heater 126 is formed in a form in which both the base portion of each waveguide and the number of contacts are different is shown in FIG. 2, but is not necessarily limited thereto, and the number of contact with the base portion of some waveguides is the same.
  • the micro-heater first contacts one electrode to the base of the waveguide and then moves away, gradually contacts the base of the waveguide, which is closer to the one electrode, and then moves away, and then again, the waveguide that is farthest from the one electrode. It may have a form that is connected to other electrodes in a form that is in contact with the upper part and then moves away from it.
  • the micro heater 122 may be formed by the following process. After applying a platinum paste in a form in which the micro heater 122 is to be formed using a micro pen, a micro heater can be manufactured by irradiating a laser to the applied area.
  • the micro-heater 126 contacts the base portion of each waveguide and indirectly applies heat to the waveguide 122, thereby changing the refractive index of the waveguide.
  • a cross section of the waveguide 122 in contact with the heater 126 is shown in FIG. 3.
  • FIG 3 is a cross-sectional view of a phase variable part according to an embodiment of the present invention.
  • the base portion 140 includes claddings 310 and 320 and a substrate 330.
  • the substrate 330 is made of silicon, and the claddings 310 and 320 made of silicon oxide (SiO2) are deposited on the substrate 330.
  • the waveguide 122 is implemented in silicon and disposed inside the claddings 310 and 320, and the cladding is divided into an upper cladding 310 and a lower cladding 320 based on the waveguide 122.
  • the waveguide 122 has a shape surrounded by silicon oxide. Since the waveguide 122 is surrounded by a cladding made of silicon oxide, an effect of reducing optical losses occurs.
  • the micro-heater 126 contacts the upper cladding 310 on the waveguide 122 to transfer heat to the waveguide 122. That is, the micro-heater 126 is bent to the base portion of the waveguide, that is, the upper cladding 310 in the waveguide direction, and contacts the upper cladding 310 on the waveguide 122 to transfer heat to the waveguide 122.
  • the output unit 130 maintains the phase distribution varied by the phase variable unit 120, and outputs light to the top of the antenna (+z axis) in a direction perpendicular to the propagation direction.
  • 130 may output light in the xy plane in the z-axis direction, and the wavelength of light input to the receiving unit 110 and the light output from the output unit 130 according to the phase changed by the phase variable unit 120 The output direction is steered.
  • an optimized waveguide width should be used to reduce the distance between the antenna element waveguides 122, which requires a wide width to be used to reduce the size of the evanescent wave, but compensates for the distance between the closer elements due to the wide width. It should be.
  • FIG. 4 A cross section of one antenna element 132 in the output unit 130 is shown in FIG. 4, and a perspective view of one antenna element 132 is shown in FIG. 5.
  • FIG 4 and 5 are cross-sectional and perspective views of an antenna element according to an embodiment of the present invention.
  • the antenna element is also an element disposed on the base portion 140, it is implemented in the same configuration as the cross section of the phase variable portion 120.
  • claddings 310 and 320 made of silicon oxide (SiO2) are deposited on the silicon substrate 330, and a waveguide 122 is disposed inside the cladding to convert the cladding into the upper part 310 and the lower part 320.
  • the waveguide 122 is implemented with silicon and a cladding made of silicon oxide is positioned on the waveguide 122, an effect of remarkably reducing optical loss occurs. Further, the diffraction grating 410 is formed on the upper part of the waveguide.
  • the diffraction grating has aperiodicity with symmetry, it can be more smoothly formed on a material made of silicon oxide than silicon. Accordingly, in the antenna element according to an embodiment of the present invention, as the cladding and the waveguide are implemented with the above-described material, it is easy to manufacture and optical loss can be reduced.
  • the silicon of the upper cladding 310 has a high refractive index, it serves to increase the value of the effective refractive index (Effective Refractive Index) of the hybrid waveguide and reduces the mode size, but minimizes nonlinear loss due to 2-photon absorption. It has a thickness of less than 120nm. In order to eliminate vertical refractive index symmetry, the maximum value of the thickness of silicon that is periodically changed may be thicker than that of the receiver or modulator, and the material covering the upper part of the waveguide has a larger refractive index instead of silicon oxide depending on the use environment of LiDAR. Silicon nitride oxide can be used.
  • the antenna element includes a diffraction grating 410 in which the thickness of the upper cladding 310 is periodically changed in order to directionally emit light to the top (+z axis).
  • the diffraction grating 410 may be formed by etching, but is not limited thereto, and may be formed by various methods such as laser etching. At this time, a phase change occurs due to a change in thickness in a thin portion and a thick portion of the diffraction grating 410, and the constructive interference is satisfied in the upper portion and the destructive interference is satisfied in the lower portion of the diffraction grating.
  • the thickness of the upper and lower silicon oxide claddings 310 and 320 surrounding the waveguide is close to a multiple of half the wavelength to prevent constructive interference. Satisfies.
  • the interval 420 between the diffraction gratings 410 is intentionally formed non-periodically rather than at equal intervals. Regardless of the size of the antenna element, the diffraction grating 410 is symmetrical with respect to the center 430 of the antenna element, and the interval 420 between the diffraction gratings is formed aperiodically.
  • the spacing 420 between the diffraction gratings 410 of the antenna element decreases toward the center 430 from the outer side of the antenna element, and then increases again after passing the center 430. It can have a shape.
  • the distance 420 between the diffraction gratings 410 of the antenna element decreases from the outer side of the antenna element toward the center 430, and the distance is maintained constant within a preset range from the center 430. It may have a shape that increases toward the outside outside a preset range from the center 430.
  • the spacing 420 between the diffraction gratings 410 has aperiodicity and symmetry, the following effects occur.
  • 6 and 7 are graphs showing the output of the conventional array antenna and the output of the optical phase variable array antenna according to an embodiment of the present invention.
  • the radiation intensity is formed at equal intervals, so that the positions of the diffraction gratings in the conventional array antenna are arranged at equal intervals.
  • a main lobe of constant power occurs at the center (0°), but a side lobe of considerable power occurs even at a position away from the center. You can confirm that there is.
  • FIG. 6(c) since the spacing of the diffraction gratings in the conventional array antenna are all the same, it can be seen that the S/N ratio has a considerably low value only at the position of zero.
  • the diffraction grating in the optical phase variable array antenna according to an embodiment of the present invention is It can be seen that the position has aperiodicity and symmetry.
  • a main lobe of constant power is generated at the center (0°), and only a side lobe of remarkably reduced power is fine even if it is slightly out of the center (0°). It can be confirmed that the S/N ratio has improved remarkably. This is more clearly confirmed with reference to Fig. 7(c).
  • the narrower the spacing of the grating grating increases the S/N ratio
  • the wider the spacing of the diffraction grating the lower the S/N ratio.
  • the diffraction grating in the optical phase variable array antenna according to an embodiment of the present invention has a narrow spacing at the center and a wide spacing as it moves away from the center, only the main lobe of constant power and the side lobe significantly reduced. You can see that this is happening.

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Abstract

광의 위상을 가변할 수 있는 배열 안테나를 개시한다. 본 실시예의 일 측면에 의하면, 입력되는 광을 복수의 안테나 소자 도파로로 분배하는 수신부와 각 안테나 소자 도파로로 열을 가하여 각 안테나 소자 도파로로 전파되는 광의 위상을 가변하는 위상 가변부와 복수의 안테나 소자를 포함하며, 상기 위상 가변부에서 위상이 가변되어 각 안테나 소자 도파로로 전파되는 광을 각 안테나 소자로 출력하는 출력부 및 상기 수신부, 상기 위상 가변부 및 상기 출력부를 안착시키는 베이스부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 위상 가변 배열안테나를 제공한다.

Description

광의 위상을 가변할 수 있는 배열 안테나
본 실시예는 광의 위상을 정밀하게 가변할 수 있는 배열 안테나에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제 공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
자율주행용 차량용 라이다 센서는 입사된 펄스 레이저가 물체에 반사되어 돌아오는 시간을 측정하여 3차원 공간 정보를 획득한다. 레이저 방출 방식에 따라, 라이다는 크게 플래시 방식과 스캐닝 방식으로 나누어진다. 플래시 방식의 라이다는 넓은 면적에 레이저 빔을 동시에 주사하는 방법으로, 수신부도 반사되어 오는 이미지를 인식할 수 있게 2D 어레이 형태의 수광소자를 포함한다. 그와 달리, 스캐닝 방식의 라이다는 레이저 빔의 수직 수평방향의 회전을 통해 삼차원 공간을 포인트 맵핑(Point Mapping)한다. 그렇기 때문에 스캐닝 방식의 라이다는 플래시 방식에 비해 적은 레이저 광원 출력과 단순한 수신부 구조를 갖는다.
종래의 스캐닝 방식의 라이다는 기계적 모터 회전에 의한 360°시야각을 측정하였다. 하지만, 기본의 기계적 라이다는 회전을 위한 모터의 무게가 무겁고 많은 전력을 소모하기 때문에, 제한된 전력과 중량을 요구하는 무인비행체에서 사용될 수 없을 뿐만 아니라, 자율주행 차량의 고속도로 주행에서 필요한 회전 속도에 기계식 회전속도가 상응하지 못하는 문제가 존재한다.
따라서, 종래의 스캐닝 방식의 라이다는 광 위상배열 안테나의 이용을 고려하였다. 광 위상배열 안테나는 여러 개의 방향성 결합기를 이용해 입사된 레이저를 각각의 안테나 소자로 분산하고, 분산된 레이저의 위상을 변조하여 원하는 방향으로 레이저를 출력하였다.
그러나 종래의 스캐닝 방식의 라이다 내 도파로는 낮은 굴절률로 인해 도파로 모드의 소멸파(Evanescent Wave)의 크기가 커지므로, 같은 전파상수 (Propagation Constant)를 갖는 인접한 도파로와 쉽게 상호작용 할 수 있다. 광 위 상배열 안테나가 가지고 있는 제한된 수평시야각을 넓히기 위해서, 안테나 소자사 이의 간격이 파장의 반(λ/2) 만큼의 거리에 근접해야 하는데, 안테나 소자사이가 가까워질수록 인접한 소자 사이의 혼선(Cross-talk)로 인해 원하는 출력 위상분포를 얻지 못한다. 자율주행차량 내 장착을 목적을 둔 라이다의 경우, 정상적인 작동을 하는 것이 탑승자와 보행자의 안전에 중요하기 때문에, 종래의 라이다는 자율주 행차량 등의 장치에 장착이 곤란한 문제가 있었다.
본 발명의 일 실시예는, 기계적 회전을 대체하여 보다 가볍고 저렴하면서도, 원하는 대로 정확히 출력할 수 있는 광 위상 가변 배열안테나를 제공하는데 일 목적이 있다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 입력되는 광을 복수의 안테나 소자 도파로로 분배하는 수신부와 각 안테나 소자 도파로로 열을 가하여 각 안테나 소자 도파로로 전파되는 광의 위상을 가변하는 위상 가변부와 복수의 안테나 소자를 포함하며, 상기 위상 가변부에서 위상이 가변되어 각 안테나 소자 도파로로 전파되는 광을 각 안테나 소자로 출력하는 출력부 및 상기 수신부, 상기 위상 가변부 및 상기 출력부를 안착시키는 베이스부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 위상 가변 배열안테나를 제공한다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 상기 수신부는 상기 입력되는 광을 복수의 안테나 소자 도파로로 분배하기 위해 다중모드 간섭기(Multi-mode Interference Coupler), Y-접합부 커플러(Y-junction Coupler) 또는 방향성 결합기 (Directional Coupler)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 상기 위상 가변부는 각 안테나 소자 도파로를 가열하는 양이 서로 상이한 것을 특징으로 한다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 상기 베이스부는 실리콘 기판과 상기 실리콘 기판 상에 산화 실리콘 클래딩이 적층되어 형성된 것을 특징으로 한다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 상기 복수의 안테나 소자는 각각 기 설정된 간격을 갖는 회절 격자를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 상기 회절격자는 비 주기적으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 상기 회절격자는 안테나 소자의 외곽으로부터 중심을 향할수록 각 회절격자간 간격이 감소하고, 안테나 소자의 중심으로부터 기 설정된 범위 내에서는 각 회절격자간 간격이 일정하게 유지되며, 안테나 소자의 중심으로부터 기 설정된 범위를 벗어나 다시 외곽으로 향할수록 각 회절 격자간 간격이 증가하는 것을 특징으로 한다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 상기 회절격자는 안테나 소자의 외곽으로부터 중심을 향할수록 각 회절격자간 간격이 감소하고, 안테나 소자의 중심을 벗어나면 다시 각 회절격자간 간격이 증가하는 것을 특징으로 한다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 상기 출력부는 안테나 소자 도파로로 전파되는 광을 광의 전파방향에 수직한 방향으로 출력하는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 실시예의 일 측면에 따르면, 기계적 회전을 대체하여 보다 가볍고 저렴하면서도, 원하는 대로 정확히 출력할 수 있어 다양한 장치 내에서 라이다 시스템으로 장착될 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 위상가변 배열 안테나의 구 성을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 히터의 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 위상 가변부의 단면도이다.
도 4 및 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 소자의 단면도 및 사시도이다.
도 6 및 7은 종래의 배열 안테나의 출력과 본 발명의 일 실시예에 따른 광 위상가변 배열 안테나의 출력을 도시한 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에서, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서 "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해서 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 본 발명의 각 실시예에 포함된 각 구성, 과정, 공정 또는 방법 등은 기술적으로 상호간 모순되지 않는 범위 내에서 공유될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 위상가변 배열 안테나의 구성을 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광 위상가변 배열 안테나(100)는 수신부(110), 위상 가변부(120), 출력부(130) 및 베이스부(140)를 포함한다.
광 위상가변 배열 안테나(100)는 라이다 시스템(미도시) 내에서 센싱을 위해 조사할 (레이저) 광의 위상을 가변하여 출력되는 광의 방향을 조정하는 구성이다. 광 위상가변 배열 안테나(100)는 광을 생성하여 광 위상가변 배열 안테나로 출력(전달)하는 광원(미도시) 및 대상물 등으로부터 반사되는 반사광을 수광하여 센싱하는 센싱장치(미도시)와 함께 라이다 시스템을 구성할 수 있다.
수신부(110)는 광원(미도시)에서 출력된 광을 수신하고, 복수 개의 커플러를 이용하여 수신한 광을 복수 개의 안테나 소자 도파로로 분배한다.
수신부(110)는 광원(미도시)에서 출력된 광을 수신하기 위한 제1 광 커플러(112)를 포함한다. 광원(미도시)에서 출력된 광의 모드 지름은 광 위상가변 배열 안테나(100) 내 후술할 도파로(122)의 모드 지름과 상이한 것이 보통이다. 수신부(110)는 제1 광 커플러(112)를 이용하여, 광원에서 출력된 광의 모드 지름을 조정함으로써, 광원에서 출력된 광을 온전히 수신한다. 제1 광 커플러(112)는 광의 모드 지름을 조정하기 위해 캔틸레버 형태의 산화 실리콘 도파로 속에서 역테이퍼 형태의 구조를 가질 수 있다.
수신부(110)는 제2 광 커플러(114)를 이용하여 수신한 광을 복수의 안테나 소자 도파로로 분배한다. 여기서, 제2 광 커플러(114)는 다중모드 간섭기(Multi-mode Interference Coupler), Y-접합부 커플러(Y-junction Coupler) 또는 방향성 결합기(Directional Coupler)로 구현될 수 있으며, 하나 이상이 포함되어 수신된 광을 복수 개로 분배한다.
위상 가변부(120)는 각 안테나 소자 도파로(122)의 굴절률을 변화시켜 도파로 모드의 위상을 변화시킨다.
위상 가변부(120)는 마이크로 히터(126)와 마이크로 히터(126)로 전원을 공급할 전극(124)을 포함한다. 위상 가변부(120)는 마이크로 히터(126)를 이용하여 안테나 소자 도파로(122)로 줄열을 가하여 각 도파로(122)의 굴절률을 변화 시키고, 도파로의 굴절률 변화는 도파로 모드의 위상 변화를 유발한다. 마이크로 히터(126) 및 전극(124)에 대해서는 도 2에 상세히 도시되어 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 히터의 구성을 도시한 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 전극(124a)과 전극(124b)은 복수의 안테나 소자 도파로(122)의 양 외곽의 베이스부(140)에 대각선 방향으로 배치되며, 하나의 마이크로 히터(126)가 각 도파로(122) 상을 가로지르며 각 전극(124a, 124b)에 연결된다.
이때, 마이크로 히터(126)은 모든 도파로(122)를 일시에 가로질러 각 도파로 상의 베이스부와 1회만 접촉하며 전극에 연결되는 것이 아니라, 각각의 도파로(122) 상의 베이스부와 1회 또는 복수 회 접촉하며 전극에 연결된다. 마이크로 히터(126)는 각 도파로(122)의 방향으로 진행하다가 도파로가 위치한 방향(도파로의 방향과 수직한 방향)으로 꺾이며 특정 도파로 상의 베이스부까지 접촉하는 형태를 가지며, 그 후 다시 도파로 상의 베이스부로부터 멀어진 후 다시 도파로의 방향으로 진행하는 형태로 형성되어, 일시에 하나 또는 복수 개의 도파로 상의 베이스부와 접촉할 수 있다. 마이크로 히터(126)는 방향이 접촉하고자 하는 (도파로 상의) 베이스부의 위치를 지속적으로 달리함으로써, 각 도파로 상의 베이스부의 위치와 접촉 횟수를 달리 할 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시된 마이크로 히터(126)는 전극(124a)와 연결되도록 형성되며, 최초에는 전극(124a)과 가장 근접한 도파로 상의 베이스부까지만 접촉한 후 멀어지며, 차츰 전극(124a)과 멀어지는 도파로 상의 베이스부까지 접촉한 후 멀어지고 최종적으로는 모든 도파로 상을 가로질러 전극(124b)와 연결되는 형태로 형성된다. 마이크로 히터(126)가 이처럼 각 도파로 상의 베이스부와 접촉 횟수를 달리하며 전극에 연결되기 때문에, 하나의 마이크로 히터(126) 및 두 개의 전극(124a, 124b)만을 구비하더라도 모든 도파로를 일시에 가열 할 수 있고, 각 도파로의 가열 정도를 모두 달리할 수 있다. 다만, 도 2에는 각 도파로 상의 베이스부와 접촉횟수가 모두 다른 형태로 마이크로 히터(126)가 형성된 예만이 도시되어 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 일부 도파로 상의 베이스부와는 접촉횟수가 동일한 형태(예를 들어, 마이크로 히터가 최초에 일 전극과 가장 먼 도파로 상의 베이스부까지 접촉한 후 멀어지며, 차츰 일 전극과 가까워지는 도파로 상의 베이스부까지 접촉한 후 멀어지다가, 다시 일 전극과 가장 먼 도파로 상의 베이스부까지 접촉한 후 멀어지는 형태로 다른 전극과 연결되는 형태)를 가질 수 있다.
마이크로 히터(122)는 다음과 같은 공정에 의해 형성될 수 있다. 마이크로 펜(Micro Pen)을 이용하여 마이크로 히터(122)를 형성하고자 하는 형태로백금 페이스트(Pt Paste)를 도포한 후, 도포한 부위로 레이저를 조사함으로써 마이크로 히터를 제조할 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 마이크로 히터(126)는 각 도파로 상의 베이스부와 접촉하며 도파로(122)로 간접적으로 열을 가함으로써, 도파로의 굴절률을 변화시킨다. 히터(126)가 접촉한 도파로(122)의 단면은 도 3에 도시되어 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 위상 가변부의 단면도이다.
도 3을 참조하면, 베이스부(140)는 클래딩(310, 320) 및 기판(330)을 포함한다. 기판(330)은 실리콘으로 구현되며, 기판(330) 상에 산화 실리콘(SiO2)으로 구현된 클래딩(310, 320)이 증착되는 형태로 구현된다. 이때, 도파로(122)는 실리콘으로 구현되어 클래딩(310, 320)의 내부에 배치되며, 도파로(122)를 기준으로 클래딩을 상부 클래딩(310)과 하부 클래딩(320)으로 구분한다. 도파로(122)는 산화 실리콘에 둘러 쌓여있는 형태를 갖는다. 도파로(122)가 산화 실리콘으로 구현된 클래딩에 둘러 쌓여있어, 광학적 손실(Optical Loss)이 감소하는 효과가 발생한다.
이때, 마이크로 히터(126)는 도파로(122)상의 상부 클래딩(310)과 접촉함으로써, 열을 도파로(122)로 전달한다. 즉, 마이크로 히터(126)는 도파로 방향으로 도파로 상의 베이스부, 즉, 상부 클래딩(310)까지 꺾이며 도파로(122) 상의 상부 클래딩(310)과 접촉하여 도파로(122)로 열을 전달한다.
다시 도 1을 참조하면, 출력부(130)는 위상 가변부(120)에서 가변된 위상분포를 유지하며, 광을 전파방향의 수직인 방향인 안테나 상부(+z축)로 출력한 다 출력부(130)는 광을 x-y 평면에서 z축 방향으로 출력할 수 있는데, 수신부(110)로 입력되는 광의 파장과, 위상 가변부(120)에서 가변된 위상에 따라 출력부(130)에서 출력되는 광의 출력 방향은 스티어링(Steering)된다.
출력부(130)에서는 안테나 소자 도파로(122)들의 거리를 좁히기 위해 최적화된 도파로 너비를 사용해야 하는데, 이는 소멸파의 크기를 작게 하기 위해서는 넓은 너비가 사용되어야 하지만, 넓은 너비로 인해 가까워진 소자간 거리는 보상되어야 한다.
출력부(130) 내 하나의 안테나 소자(132)의 단면이 도 4에 도시되어 있고, 하나의 안테나 소자(132)의 사시도가 도 5에 도시되어 있다.
도 4 및 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 소자의 단면도 및 사시도이다.
안테나 소자, 역시, 베이스부(140) 상에 배치된 소자이므로, 위상 가변부(120)의 단면과 동일한 구성으로 구현된다. 안테나 소자도 실리콘 기판(330)상에 산화 실리콘(SiO2)으로 구현된 클래딩(310, 320)이 증착되고, 클래딩 내부에 도파로(122)가 배치되어 클래딩을 상부(310)와 하부(320)로 구분한다. 도파로(122)가 실리콘으로 구현되고 도파로(122) 상부에 산화 실리콘으로 구현된 클래딩이 위치함에 따라, 광학적 손실이 현저히 감소되는 효과가 발생한다. 나아가, 도파로의 상부에 회절격자(410)가 형성되는데, 이러한 회절격자가 대칭성과 함께 비주기성을 갖기 때문에 실리콘 보다는 산화 실리콘으로 구현된 소재에 보다 원활하게 형성될 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 소자는 클래딩과 도파로가 전술한 소재로 구현됨에 따라, 제조에 있어서도 용이해지고 광학적 손실도 감소될 수 있다.
상부 클래딩(310)의 실리콘은 높은 굴절률을 갖기 때문에, 하이브리드 도파로의 실효 굴절률(Effective Refractive Index)의 값을 높여주는 역할과 모드 크기를 축소해주지만, 2-광자 흡수로 인한 비선형적 소실을 최소화하기 위해 120nm 이하의 두께를 갖는다. 수직 굴절율 대칭을 없애기 위해 주기적으로 변화시 킨 실리콘의 두께의 최대값은 수신부나 변조부보다 더 두꺼울 수 있고, 도파로 상부를 덮는 물질은 라이다의 사용 환경에 따라 산화 실리콘을 대신해 그보다 큰 굴절률을 갖는 질화 산화 실리콘이 사용될 수 있다.
안테나 소자가 상부(+z축)로 광을 지향적으로 방출하기 위해서, 상부 클래딩(310)의 두께를 주기적으로 변화시킨 회절격자(410)를 포함한다. 회절격자(410)는 에칭(Etching)에 의해 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니고, 레이저 식각 등 다양한 방법에 의해 형성될 수 있다. 이때, 회절격자(410)의 얇은 부분과 두꺼운 부분에서의 두께 변화로 인해 위상변화가 발생하는데, 회절격자의 상부에서는 보강간섭이, 하부에서는 상쇄간섭이 만족하게 된다. 이에 따라, 안테나 소자 내 도파로(122)로 전파되는 광은 상부로 지향적으로 방출되고, 도파로를 둘러싼 상층과 하층의 산화 실리콘 클래딩(310, 320)의 두께는 파장의 반의 배수에 근접하여 보강간섭을 만족한다.
이때, 회절격자(410)간 간격(420)은 의도적으로 등간격이 아닌 비주기적으로 형성된다. 안테나 소자는 안테나 소자의 크기와 무관하게, 안테나 소자의 중심(430)을 기준으로 회절격자(410)가 대칭성을 가지며 형성되며 회절격자간 간격(420)은 비주기적으로 형성된다.
예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 안테나 소자의 회절격자(410)간 간격(420)은 안테나 소자의 외곽으로부터 중심(430)을 향할수록 감소하다가, 중심(430)을 지나면 다시 증가하는 형태를 가질 수 있다. 또는, 안테나 소자의 회절격자(410)간 간격(420)은 안테나 소자의 외곽으로부터 중심(430)을 향할수록 감 소하다가, 중심(430)으로부터 기 설정된 범위 내에서는 간격이 일정하게 유지되며, 다시 중심(430)으로부터 기 설정된 범위를 벗어나 외곽을 향할수록 증가하는 형태를 가질 수 있다. 이처럼, 회절격자(410)간 간격(420)이 비주기성과 대칭성을 가짐에 따라, 다음과 같은 효과가 발생한다. 회절격자(410)간 간격(420)을 균일하게 배치하는 주기성을 깨고 비주기성과 대칭성을 갖도록 하여, 많은 양의 광을 출력할 수 있어 수직으로의 광 출력이 많아져서 신호의 세기가 증가하고, 이에 따른 원거리에서의 잡음대비 신호세기(S/N비)의 증가한다.
이러한 효과는 도 6 및 7에 도시된 그래프에 의해 뒷받침된다.
도 6 및 7은 종래의 배열 안테나의 출력과 본 발명의 일 실시예에 따른 광 위상가변 배열 안테나의 출력을 도시한 그래프이다.
도 6(a)를 참조하면, 방사 세기가 등간격으로 형성된 것을 보아 종래의 배열 안테나 내 회절격자의 위치는 등간격으로 배치된 것을 확인할 수 있다. 이 경우, 도 6(b)를 참조하면, 중심(0°)에서 일정한 파워의 메인 로브(Main Lobe)가 발생하고는 있으나, 중심으로 벗어난 위치에서도 상당한 파워의 사이드 로브(Side Lobe)가 발생하고 있는 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 6(c)를 참조하면, 종래의 배열 안테나 내 회절격자의 간격은 모두 동일하므로 0의 위치에서만 상당히 낮은 S/N비의 값을 갖는 것을 확인할 수 있다.
반면, 도 7(a)를 참조하면, 방사 세기는 중심에서는 간격이 좁아지고 중심으로부터 멀수록 간격이 넓어지는 것을 확인할 수 있어, 본 발명의 일 실시예에 따른 광 위상가변 배열 안테나 내 회절격자의 위치는 비주기성과 대칭성을 갖 는 것을 확인할 수 있다. 이 경우, 도 7(b)를 참조하면, 중심(0°)에서 일정한 파워의 메인 로브(Main Lobe)가 발생하고 있으며, 중심(0°) 조금만 벗어나더라도 현저하게 감소한 파워의 사이드 로브만이 미세하게 발생하고 있어 S/N비가 현저히 개선되었음을 확인할 수 있다. 이는 도 7(c)를 참조하면 보다 확실히 확인된다. 화절격자의 간격이 좁을수록(0에 가까울수록) S/N비는 상승하고 있으며, 회절격자의 간 격이 넓을수록(0으로부터 멀어질수록) S/N비는 하강하고 있음을 확인할 수 있다. 전술한 대로, 본 발명의 일 실시예에 따른 광 위상가변 배열 안테나 내 회절격자는 중심에서 좁은 간격을 가지고 중심으로부터 멀어질수록 넓은 간격을 갖기 때문에, 일정한 파워의 메인로브와 현저히 감소된 사이드로브만이 발생하고 있음을 확인할 수 있다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
[부호의 설명]
100: 광 위상 가변 배열안테나
110: 수신부
112: 제1 광 커플러
114: 제2 광 커플러
120: 위상 가변부
122: 광 도파로
124: 전극
126: 마이크로 히터
130: 출력부
132: 안테나 소자
140: 베이스부
310, 320: 클래딩
330: 기판
410: 회절격자
420: 간격
430: 중심

Claims (9)

  1. 입력되는 광을 복수의 안테나 소자 도파로로 분배하는 수신부;
    각 안테나 소자 도파로로 열을 가하여 각 안테나 소자 도파로로 전파되는 광의 위상을 가변하는 위상 가변부;
    복수의 안테나 소자를 포함하며, 상기 위상 가변부에서 위상이 가변되어 각 안테나 소자 도파로로 전파되는 광을 각 안테나 소자로 출력하는 출력부; 및
    상기 수신부, 상기 위상 가변부 및 상기 출력부를 안착시키는 베이스부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 위상 가변 배열안테나.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 수신부는,
    상기 입력되는 광을 복수의 안테나 소자 도파로로 분배하기 위해 다중모드 간섭기(Multi-mode Interference Coupler), Y-접합부 커플러(Y-junction Coupler) 또는 방향성 결합기(Directional Coupler)를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 위상 가변 배열안테나.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 위상 가변부는,
    각 안테나 소자 도파로를 가열하는 양이 서로 상이한 것을 특징으로 하는 광 위상 가변 배열안테나.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 베이스부는,
    실리콘 기판과 상기 실리콘 기판 상에 산화 실리콘 클래딩이 적층되어 형성된 것을 특징으로 하는 광 위상 가변 배열안테나.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 복수의 안테나 소자는,
    각각 기 설정된 간격을 갖는 회절 격자를 구비하는 것을 특징으로 하는 광 위상 가변 배열안테나.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 회절격자는,
    비 주기적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 광 위상 가변 배열안테나.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 회절격자는,
    안테나 소자의 외곽으로부터 중심을 향할수록 각 회절격자간 간격이 감소하고, 안테나 소자의 중심으로부터 기 설정된 범위 내에서는 각 회절격자간 간격이 일정하게 유지되며, 안테나 소자의 중심으로부터 기 설정된 범위를 벗어나 다시 외곽으로 향할수록 각 회절격자간 간격이 증가하는 것을 특징으로 하는 광 위상 가변 배열안테나.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 회절격자는,
    안테나 소자의 외곽으로부터 중심을 향할수록 각 회절격자간 간격이 감소하고, 안테나 소자의 중심을 벗어나면 다시 각 회절격자간 간격이 증가하는 것을 특징으로 하는 광 위상 가변 배열안테나.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 출력부는,
    안테나 소자 도파로로 전파되는 광을 광의 전파방향에 수직한 방향으로 출력하는 것을 특징으로 하는 광 위상 가변 배열안테나.
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