WO2021153828A1 - 광학 장치 - Google Patents

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WO2021153828A1
WO2021153828A1 PCT/KR2020/001496 KR2020001496W WO2021153828A1 WO 2021153828 A1 WO2021153828 A1 WO 2021153828A1 KR 2020001496 W KR2020001496 W KR 2020001496W WO 2021153828 A1 WO2021153828 A1 WO 2021153828A1
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optical
cylindrical lens
optical device
emitting
sided light
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이병구
김상천
박효훈
윤현호
심준섭
김영인
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엘지전자 주식회사
한국과학기술원
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Definitions

  • the present invention relates to an optical device capable of controlling the steering of a beam radiated from an end-fire optical phased array, and more particularly, to a vertical divergence angle of a radiated beam. It relates to an optical device that can reduce the
  • LiDAR Light Detection and Ranging
  • LiDAR emits a beam generated by a laser in a desired direction using a steering device, and when the emitted beam is reflected by an object, detects the reflected light and measures the distance to the object.
  • a typical LiDAR used a mechanical rotating device equipped with a mirror as a device to steer a beam.
  • mechanical LiDAR has problems in that it is difficult to miniaturize because of the rotation mechanism or mirror for reflection, it is vulnerable to performance degradation due to wear or vibration caused by mechanical motion, and power consumption is large.
  • a single-sided light-emitting optical phase arrayer that steers a beam using the interference characteristics of light waves emitted from a plurality of light-radiator arrays without using a mechanical steering device has been researched and developed.
  • the horizontal radiation angle of the beam is determined by the phase difference of the light waves emitted from each light emitter.
  • the beam can be steered in the horizontal direction by adjusting it as an optical phased array.
  • the arrangement distance becomes smaller than the wavelength, and the maximum horizontal viewing angle can be obtained when it is half the wavelength.
  • the optical emitter of the single-sided light-emitting optical phase arrayer is used in an array, so that N pieces are used in an array.
  • the thickness of is smaller than the wavelength, and the array width of the light emitters may be larger than the wavelength.
  • the single-sided light-emitting optical emitter arrangement of the single-sided light-emitting optical phase arrayer can have a wide vertical radiation angle due to the narrow thickness of the optical emitter.
  • an object of the present invention is to provide an optical device capable of reducing the vertical divergence angle of a beam emitted from a single-sided light-emitting optical phase arrayer.
  • the present invention is to provide an optical device capable of suppressing power interference while widening the horizontal viewing angle of a beam emitted from a single-sided light emitting optical phase arrayer.
  • An optical device includes an optical splitter that branches an optical signal into a plurality of channels, an optical phase controller that adjusts the phase of the optical signal transmitted from the optical splitter, and the optical signal transmitted from the optical phase controller and a single-sided light-emitting optical phase arrangement including a single-sided light-emitting optical emitter for emitting a light beam and a cylindrical lens positioned on a path of the emitted optical signal to adjust a vertical divergence angle.
  • the cylindrical lens may be a plano-convex lens.
  • a convex surface of the cylindrical lens may be an incident surface, and a plane may be an emission surface.
  • a plane of the cylindrical lens may be an incident surface, and a convex surface may be an emission surface.
  • An incident surface and an emission surface of the cylindrical lens may be convex.
  • the emitting surface of the cylindrical lens may be a convex surface, and the incident surface may be a concave surface having a smaller curvature than the emitting surface.
  • the cylindrical lens may have a sectoral arc shape in a horizontal direction, an incident surface of the cylindrical lens may be a flat surface, and an emission surface may be a convex surface.
  • a distance from the single-sided light emitter to the incident surface may be uniform.
  • the cylindrical lens may have a sectoral arc shape in a horizontal direction, an emitting surface of the cylindrical lens may be flat, and an incident surface of the cylindrical lens may be a convex surface.
  • a distance between the cylindrical lens and the single-sided light emitter may be greater than a focal length of the cylindrical lens.
  • the single-sided light emitting light emitter may include a plurality of optical waveguides extending in a radial direction, and widths of the plurality of optical waveguides may be different from each other.
  • the optical device reduces the radiation cross-section of the single-sided light-emitting optical emitter to half the size of the operating wavelength, thereby having a wide horizontal viewing angle and optically positioned at an appropriate position in the path of the beam emitted from the single-sided light-emitting optical phaser.
  • the vertical divergence angle of the steered and emitted beam can be reduced.
  • mutual interference between the optical waveguide arrays is sufficiently suppressed by varying the width of the optical waveguide included in the optical waveguide array for making the radiation cross-section by being included in the single-sided light emitting optical radiation array.
  • the vertical divergence angle can be adjusted while maintaining the horizontal steering direction of the beam steered and emitted from the single-sided light emitting optical phase arrayer in the horizontal direction.
  • the vertical resolution can be improved, and the sensing distance can be increased by reducing the beam spread.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration relationship of an optical device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a perspective view of an optical device in one embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a cross-sectional view illustrating an arrangement structure of a single-sided light emitting light emitter that can be implemented on a chip in an optical device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 shows the amount of interference according to the difference in width between optical waveguides when the arrangement interval is equal to the half-wavelength length.
  • FIG. 5 is a conceptual diagram for the arrangement of a single-sided light-emitting light emitter and a lens in an optical device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a conceptual diagram illustrating the radiation angle of a beam according to the arrangement of a single-sided light-emitting light emitter and a cylindrical lens in an optical device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a view showing a change in the radiation angle according to the position of the single-sided light-emitting light emitter and the lens in the optical device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a perspective view of an optical device according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a perspective view of an optical device according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a perspective view of an optical device according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a plan view and a cross-sectional view of an optical device according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 shows the configuration of an optical device 100 according to an embodiment of the present invention, a single-sided light emitting optical phase array 101 having a wide horizontal viewing angle and an optical lens 160 capable of adjusting the vertical divergence angle thereof. shows the constitutive relationship of
  • the configuration of the optical device 100 according to an embodiment of the present invention will be outlined with reference to FIG. 1 .
  • the optical device 100 may include a light source 110 , an optical phase arranger 101 , and a lens 160 .
  • the light source 110 may include a laser or LED, and may be implemented on an integrated optical chip including a low refractive index upper and lower cladding layers and a high refractive index waveguide layer.
  • the light source 110 may be composed of an independent optical module that transmits an optical signal through an optical fiber.
  • the optical signal may be connected to the optical waveguide on the chip through the optical coupler 120 .
  • the type, configuration, and structure of the light source 110 are not limited to those disclosed in the above description and drawings, and may include a range that can be easily designed and changed by a person skilled in the art.
  • the optical coupler 120 may connect the single-mode optical signal transmitted from the light source 110 through the fiber to the optical waveguide implemented on the chip.
  • the optical coupler 120 may be implemented as a grating coupler that connects an optical signal using diffraction of light by varying the refractive index at regular intervals according to an embodiment.
  • the single-mode optical fiber may be implemented as an edge coupler that connects the single-mode optical fiber to the cross-section of a waveguide implemented on a chip.
  • the optical coupler 120 may be omitted, and in this case, the light source 110 may connect the optical signal transmitted without the optical coupler 120 to the 1xN optical splitter 130 through the optical waveguide.
  • the 1xN optical splitter 130 may branch the optical signal transmitted from the optical coupler 120 on the scale of N channels to transmit the optical signal to the 1xN optical phase controller 140 .
  • the 1xN optical phase controller 140 may adjust the phase of the optical signal branched into N channels for each channel and sequentially apply a phase difference to each channel by using the function.
  • the 1xN optical emitter 150 may radiate the optical signal transmitted to each channel through the phase controller 140 into a free space to form a beam in the free space due to the interference effect by the N channels.
  • the lens 160 may adjust the vertical divergence angle while maintaining the horizontal steering angle of the beam emitted from the single-sided light emitter 150 .
  • the arrangement structure and inclusion relationship of the components included in the optical device 100 are not limited to the above description and drawings, and may be incorporated into or separated from the components.
  • At least one of the light source 110 and the lens 160 may be included in the optical phase aligner 101 , or the optical device 100 excluding the light source 110 , the optical phase aligner 101 . ) and the lens 106 .
  • FIG. 2 is a perspective view of an optical device 200 according to an embodiment of the present invention, and the number of channels (N) is shown as 5 for convenience.
  • the optical device 200 includes an optical phase aligner 201 and a lens 250, and the optical phase aligner 201 includes an optical coupler 210 implemented in a silicon integrated optical chip,
  • the 1x5 optical splitter 220, the 1x5 optical phase controller 230 and the 1x5 optical emitter 240 may be included, and the lens 250 may be cylindrical.
  • the optical coupler 210 combines the externally generated laser beam to the silicon optical waveguide of the silicon integrated optical chip.
  • a grating formed to have a constant period and depth suitable for the Bragg condition according to the wavelength and the incident angle in the silicon optical waveguide. It can be made and coupled to a silicon optical waveguide by using diffraction by a grating to a beam at a designed incident angle.
  • the 1x5 optical splitter 220 branches the single-mode optical signal on the waveguide coupled by the optical coupler 210 to the N-channel scale of constructive interference conditions using multimode interference, and a 1x5 optical phase controller ( 150) can be transferred.
  • the 1x5 optical phase controller 230 provides a means for adjusting the phase difference between channels by adjusting the phase of the optical signal transmitted from the 1x5 optical splitter 220 for each channel.
  • a rib-type optical waveguide is formed on a silicon integrated optical chip, p or n-type doping is used in the slab region, and electricity is applied thereto to achieve an electro-optic effect or a thermo-optic effect. ) effect, by adjusting the effective refractive index of the optical waveguide, the phase of the waveguided optical signal can be varied.
  • a 1x5 end-fire optical radiator (240) is made by exposing a silicon optical waveguide cross-section with N square cross-sections spaced by half the wavelength to free space.
  • the arranged light emitters 240 may have an interval of 775 nm.
  • the width of the adjacent waveguide may be designed differently.
  • the optical waveguide 240a may be formed of silicon (Si) having a high refractive index through which light guides, and a silica cladding having a low refractive index.
  • the N optical waveguides 240a have a structure in which w1, w2, w3, and w4 are repeated as shown in FIG. 3, the thickness is 220 nm, the spacing of the optical waveguides 240a is 775 nm, N is 16, and the width is In the case of 350, 420, 385, and 455 nm, the total width becomes 12 ⁇ m.
  • the distance between the optical waveguides 240a is 775 nm and the wavelength used is 1550 nm, so the theoretical viewing angle is 180o.
  • the spacing, thickness, and overall width between the optical waveguides 240a may be different from those showing an example according to an embodiment of the present invention.
  • the optical device 100 can control the width of the optical waveguide 240a of the optical emitter 240 differently to realize a wide horizontal viewing angle and suppress power interference that may occur at the same time.
  • FIG. 4 shows the amount of interference according to the difference in width between waveguides when the array spacing is equal to the half-wavelength length. , shows the ratio of optical power transmitted between the optical waveguides 240a.
  • the horizontal axis represents the width of the original optical waveguide 240a to which the original signal is applied, and the vertical axis represents the width of the adjacent optical waveguide 240a.
  • the value displayed on the map represents the power transmitted to the adjacent optical waveguide 240a due to the interference phenomenon as the ratio of the power of the original signal.
  • the width of the circular optical waveguide 240a matches the width of the adjacent optical waveguide 240a, it is transmitted at a level of -5 dB, and decreases as the difference increases.
  • the optical waveguide width 240a selected in the above example is selected in consideration of these conditions, and other combinations may be selected.
  • the lens 250 is an optical lens positioned in the traveling direction of the beam formed in the free space, and may perform a function of adjusting the vertical divergence angle of the beam.
  • the lens 250 may be a cylindrical lens, and while passing through the Farfileld pattern 260 formed in the space by being radiated with the 1xN single-sided light emitting light emitter 240, the shape of the radiated beam change
  • the cross-section of the cylindrical lens 250 may have a cylindrical cross-section and a rectangular cross-section in two perpendicular directions.
  • a cross-section of a plane including the x and z axes may be a cylindrical cross-section, and a beam incident to the cylindrical cross-section may be focused as a collimated beam.
  • a cross section of a plane including the x and y axes may be a quadrangular cross section, and the beam incident to the quadrangular cross section passes in the same direction as the incident direction.
  • the optical device 200 has a steered divergent beam 260 emitted from a cross-sectional light emitting light diffuser 240. can be reduced or collimated using a cylindrical cross-section.
  • FIG. 5 is a cylindrical lens for adjusting the vertical divergence angle of the beam emitted from the single-sided light-emitting light emitter 240 and the single-sided light-emitting light emitter 240 having a wide horizontal steering angle in the optical device 200 according to an embodiment of the present invention. It is a schematic diagram of the structure and arrangement of (250).
  • FIG. 5A is a plan view of the arrangement structure of the single-sided light-emitting light emitter 240 and the cylindrical lens 250
  • FIG. 5B is a cross-sectional view of the arrangement structure of the single-sided light-emitting light emitter 240 and the cylindrical lens 250.
  • Silicon-based single-sided light emitting light emitter 240 is a silicon (Si, 240a) layer of high refractive index on the silicon oxide (SiO2, 242) layer buried in the SOI (Silico-on-insulator) substrate 243 as a core, and , may be formed by cladding the buried silicon oxide and silicon oxide (SiO2, 241) deposited on the upper surface.
  • the single-sided light emitting light emitter 240 is generally composed of a plurality of silicon optical waveguides 240a in an array, so that the width of the optical emitter 240 is tens to hundreds of the optical waveguides 240a. doubles
  • the size of the silicon-based single-sided light emitting light emitter 240 is 12 mm, 54 times larger than the thickness of 220 nm of the silicon core.
  • the vertical divergence angle has a divergence angle 54 times greater than the horizontal divergence angle.
  • the cylindrical lens 250 disposed at a distance d in the silicon-based single-sided light emitting light emitter 240 emits a beam that diverges in the vertical direction. It can be used to reduce the divergence angle or to pass through collimation.
  • the cylindrical lens 250 is positioned in the traveling direction of the beam (a convex surface becomes an incident surface, and a plane becomes an emission surface), so that the horizontal viewing angle of the beam is It is possible to effectively reduce the vertical divergence angle without distortion.
  • the vertical divergence angle is reduced, so that the straightness of the beam can be increased and the focusing ability can be improved. Furthermore, as the focusing of the beam is improved, the power used can be reduced and the data transmission efficiency can be significantly improved.
  • the optical device 200 is a distance (d) between the single-sided light emitting light emitter 240 and the lens 250 and the focal point of the cylindrical lens 250 having a planar convex lens cross-section, f) can be controlled to reduce the vertical divergence angle more effectively.
  • FIG. 6 is a view to explain the relationship between the divergence angle and the position of the beam passing through the lens according to the arrangement of the single-sided light emitting light emitter 240 and the cylindrical lens 250 in the optical device 200 according to an embodiment of the present invention. it will be shown
  • FIG. 6A is a case in which the beam emission position of the single-sided light emitter 240 is disposed farther than the focal point of the cylindrical lens 250 .
  • 6B is a case in which the beam emission position of the single-sided light emitter 240 is located at the focal point of the cylindrical lens 250 .
  • 6C is a case in which the beam emission position of the single-sided light emitter 240 is disposed close to the focal point of the cylindrical lens 250 .
  • the optical device 100 may have the smallest beam divergence angle when the single-sided light emitter 240 is positioned at the focal point of the cylindrical lens 250 as shown in FIG. 6B .
  • the beam divergence angle may be increased as shown in FIGS. 6A and 6C .
  • the optical device 200 can converge, collimate, and diverge a beam by adjusting the position of the single-sided light-emitting light emitter 240, for example, by implementing a converged beam.
  • the vertical divergence angle can be reduced.
  • the divergence angle of the beam passing through the cylindrical lens can be adjusted.
  • FIG. 7 shows changes in vertical and horizontal radiation angles according to the positions of the single-sided light emitter 240 and the cylindrical lens 250 .
  • FIG. 7A shows the change in the vertical radiation angle
  • FIG. 7B shows the change in the horizontal radiation angle
  • the vertical divergence angle increases as the horizontal steering angle increases, so the horizontal steering angle
  • the vertical divergence angle is from 30° to 10°.
  • the maximum value of the vertical divergence angle in the range of +/ ⁇ 30° gradually decreases from 140mm to 8° and 130 to 6°.
  • the divergence angle increases at a horizontal steering angle of 0°, and the maximum divergence angle increases. Accordingly, it can be confirmed that the position of the single-sided light-emitting light emitter 240 that minimizes the divergence angle exists between 120 mm and 130 mm.
  • FIG. 7B shows the change of the horizontal divergence angle according to the position of the single-sided light emitter 240.
  • the single-sided light emitter 240 is located at 150 mm, the focal point, the horizontal divergent angle increases as the horizontal steering angle increases.
  • the maximum horizontal divergence angle was 11°.
  • the cylindrical lens 250 Since the cylindrical lens 250 is symmetrical, it shows a horizontal divergence angle of 11°, which is a maximum value, even at -30°.
  • the horizontal divergence angle measured at a horizontal steering angle of 30° becomes smaller, and the maximum horizontal divergence within the +/-30° steering range.
  • the angle gradually decreases from 140mm to 10.5°, 130mm to 9.5°, and 120mm to 8.5°.
  • the maximum vertical divergence angle and the maximum horizontal divergence angle within the horizontal steering range are determined by determining the distance between the single-sided light emitting light diffuser 240 and the cylindrical lens 250 as an appropriate value.
  • the divergence angle can be determined.
  • the maximum vertical divergence angle of 95.6° is 6.7°
  • the maximum horizontal divergence angle is 10 from 7.6°. ° can be adjusted.
  • optical devices 300 , 400 , 500 , and 600 according to another exemplary embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 8 to 10 .
  • optical devices 300 , 400 , 500 , and 600 to be described below are similar to those of the aforementioned optical device 200 except that the shapes of the lenses 350 , 450 , 550 and 650 are different.
  • the description of the other components may be directly applied to the description of the optical device 200 described above.
  • the optical lens 250 of FIG. 2 has a plane symmetrical shape to a plane including the zy axis.
  • the lens 350 may be a cylindrical lens 350 in which a surface having a curved surface and a surface opposite to the curved surface are flat.
  • the optical device 300 also has a curved surface formed on the lens 350 in the vertical direction, so that the vertical divergence angle can be reduced. does not distort the viewing angle.
  • the optical lens 450 has both sides (the plane on which the beam is incident and the beam passes through the lens). emission surface) may form a curved surface.
  • the lens 450 may form a curved surface in a vertical direction on both the surface on which the beam is incident and the surface on which the beam is emitted through the lens.
  • the optical device 400 according to another embodiment of the present invention also has a curved surface formed on the lens 450 in the vertical direction, so that the vertical divergence angle can be reduced. does not distort the viewing angle.
  • the lens 550 has both sides (the plane on which the beam is incident and the beam is emitted through the lens). surface) can form a curved surface.
  • the incident surface of the lens 550 may form a concave curved surface.
  • the lens 550 may form a curved surface on both a surface on which the beam is incident and a surface on which the beam is emitted through the lens in a vertical direction, and the incident surface may be a concave surface concave in the radiation direction of the beam.
  • the curvature of the concave surface may be smaller than the curvature of the radiating surface.
  • the optical device 500 also has a curved surface formed on the lens 550 in the vertical direction, so that the vertical divergence angle can be reduced. does not distort the viewing angle.
  • the optical device 600 may include a curved cylindrical lens 650 .
  • FIG. 1A is a plan view of an embodiment to which a curved cylindrical lens 650 is applied
  • FIG. 11B is a cross-sectional view of an embodiment to which the curved cylindrical lens 650 is applied.
  • the curved cylindrical lens 650 may have a sectoral arc shape in a horizontal direction, and may be a plano-convex lens in a vertical direction in cross-section. Furthermore, the incident surface may be planar and the emission surface may be convex.
  • the incident surface may be a convex surface and the radiation surface may be flat.
  • the curved cylindrical lens 650 When the curved cylindrical lens 650 according to the present embodiment is applied, it is possible to maintain a constant distance from the single-sided light-emitting light emitter 240 of the single-sided light-emitting optical phase arrayer 201 irrespective of beam steering, so that the divergence of the beam It has the advantage of being able to keep the angle constant.

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Abstract

본 발명의 광학 장치는 광신호를 복수의 채널로 분기하는 광분배기, 상기 광분배기로부터 전달된 상기 광신호의 위상을 조절하는 광위상 제어기 및 상기 광위상 제어기로부터 전달된 상기 광신호를 방사하는 단면발광 광방사기를 포함하는 단면발광 광위상 배열기 및 상기 방사된 광신호의 경로상에 위치하여 수직 발산각을 조절하는 원통형 렌즈를 포함한다.

Description

광학 장치
본 발명은 단면발광 광위상배열기(End-fire optical phased array)에서 방사되는 빔의 조향을 제어할 수 있는 광학 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 방사되는 빔의 수직발산각(Horizontal divergence angle)을 줄일 수 있는 광학장치에 관한 것이다.
원거리에 있는 물체의 위치나 형상을 감지하기 위하여, 전자기파를 이용하는 레이다(Radio Detection And Ranging; RADAR) 기술은 오랜 시간동안 다양한 분야에서 사용되어 왔다. 최근에는 이러한 감지기술을 발전시켜, 더욱 정밀하고, 빠르며, 소형화된 라이다(Light Detection and Ranging; LiDAR) 기술이 발전하고 있다. 광을 이용하는, 라이다기술은 자율주행자동차, 무선 광통신, 그리고 3-D 감지분야 등 차세대 주요 산업의 핵심 기술로 간주되고 있다.
라이다는 레이져에 의해 생성된 빔을 조향장치를 이용하여, 원하는 방향으로 방사하고, 방사된 빔이 물체에 의하여 반사되면, 반사광을 감지하여, 물체와의 거리를 측정한다. 일반적인 LiDAR는 빔을 조향하기 위한 장치로 미러가 탑재된 기계식 회전장치를 사용하였다. 그러나 이러한 기계식 LiDAR는 회전을 위한 기계장치나 반사를 위한 미러 때문에 소형화가 어렵고, 기계적 운동에 의한 마모나 떨림에 의한 성능저하에 취약하며, 소비전력이 크다는 문제점을 갖고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여, 기계적 조향장치를 이용하지 않고, 다수의 광방사배열기(Radiator array)에서 방사되는 광파의 간섭특성을 이용하여 빔조향을 하는 단면발광 광위상배열기가 연구 개발되었다.
상기 단면발광 광위상배열기(End-fire optical phased array)에서 빔의 수평방사각은 각 광방사기에서 방사된 광파의 위상차에 의하여 결정되는데, 이 때 방사되는 각 광파의 위상을 구비된 광위상제어기(Optical phased array)로 조정함으로써 빔을 수평방향으로 조향 할 수 있다.
이 때 조향 가능한 최대범위인 수평시야각의 크기가 단면발광 광방사기의 배열 각격에 반비례하는 특성에 따라, 배열 간격이 파장보다 작을수록 커져서, 파장의 반이 되는 경우에 최대 수평시야각을 얻을 수 있다.
그러나, 상기 광방사기의 배열 간격이 반파장으로 작아지는 경우에 광도파로간에 도파되는 광의 파워가 전달되는 간섭이 발생하게 되고, 이러한 간섭현상은 조향된 방사빔의 성능을 저하시키는 원인이 된다.
따라서, 효율적으로 조향각을 넓히기 위해서는, 광방사기의 배열이 반파장인 구조에서도 광간섭 현상을 억제할 수 있는 방법이 필요하다.
또 한, 상기 단면발광 광위상배열기의 광방사기는 단면발광으로 집적광학칩 (Integrated optical chip)에 형성된 단일모드 광도파로의 단면을 방사기(Radiator)로 하여, N 개를 배열로 사용하므로, 방사기의 두께는 파장보다 작고, 광방사기들의 배열 폭은 파장보다 클 수 있다.
그 결과, 상기 단면발광 광위상배열기의 단면발광 광방사기 배열은 좁은 두께의 광방사기로 인하여, 넓은 수직방사각 (Vertical radiation angle)을 가질 수 있다.
이러한, 넓은 수직방사각은 수직방향으로의 분해능을 저해하고, 빔의 확산이 커서 감지거리가 짧아지는 원인이 된다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제를 설명하면 다음과 같다.
첫째, 본 발명은 단면발광 광위상배열기에서 발산되는 빔의 수직발산각을 감소시킬 수 있는 광학 장치를 제공하는데 있다.
둘째, 본 발명은 단면발광 광위상배열기에서 발산되는 빔의 수평시야각을 넓게 구현하면서 파워간섭을 억제할 수 있는 광학 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 실시예에 따른 광학 장치는 광신호를 복수의 채널로 분기하는 광분배기, 상기 광분배기로부터 전달된 상기 광신호의 위상을 조절하는 광위상 제어기 및 상기 광위상 제어기로부터 전달된 상기 광신호를 방사하는 단면발광 광방사기를 포함하는 단면발광 광위상 배열기 및 상기 방사된 광신호의 경로상에 위치하여 수직 발산각을 조절하는 원통형 렌즈를 포함한다.
상기 원통형 렌즈는 평면볼록렌즈일 수 있다.
상기 원통형 렌즈의 볼록면이 입사면이되고, 평면이 방사면이 될 수 있다.
상기 원통형 렌즈의 평면이 입사면이되고, 볼록면이 방사면이 될 수 있다.
상기 원통형 렌즈의 입사면 및 방사면이 볼록면일 수 있다.
상기 원통형 렌즈의 방사면은 볼록면이고 입사면은 방사면보다 작은 곡률의 오목면일 수 있다.
상기 원통형 렌즈는 수평 방향으로 부채꼴의 호 형상이고, 상기 원통형 렌즈의 입사면이 평면이며, 방사면이 볼록면일 수 있다.
상기 단면발광 광방사기로부터 상기 입사면까지의 거리가 균일할 수 있다.
상기 원통형 렌즈는 수평 방향으로 부채꼴의 호 형상이고, 상기 원통형 렌즈의 방사면이 평면이며, 입사면이 볼록면일 수 있다.
상기 원통형 렌즈와 상기 단면발광 광방사기까지의 거리가 상기 원통형 렌즈의 초점 거리보다 클 수 있다.
상기 단면발광 광방사기는 방사 방향으로 연장된 복수의 광도파로를 포함하며, 상기 복수의 광도파로의 폭이 서로 다를 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 광학 장치는 단면발광 광방사기의 방사단면을 동작 파장의 반 크기로 줄임으로써, 넓은 수평시야각을 갖는 동시에 단면발광 광위상배열기로부터 방사된 빔의 경로의 적절한 위치에 광학 렌즈를 배치함으로써 조향되어 방사된 빔의 수직발산각을 줄일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 단면발광 광방사배열기이에 포함되어 방사단면을 만들기 위한 광도파로 배열에 포함된 광도파로의 폭을 다르게 함으로써 광도파로 배열간에 상호간섭을 충분히 억제한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 포함된 16개의 광도파로 채널을 인접한 4개의 채널로 묶어서 서로 다른 폭을 할당하고 이를 반복하는 형태로 구성함으로써, 충분한 간섭억제를 효과를 얻으면서도, 설계 및 제작 효율을 높일 수 있는 수단을 제공하였다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 단면발광 광위상배열기로부터 수평방향으로 조향되어 방사됨 빔을 수평방향의 조향방향은 유지하면서, 수직 발산각을 조정할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 수직발산각을 줄임으로써 방사빔을 이용하여 물체를 감지하는 응용분야에 있어서, 수직 분해능을 향상시킬 수 있고, 또한, 빔의 확산을 줄임으로써 감지거리를 늘릴 수 있는 장점을 갖는다.
도 1은 발명의 실시예에 따른 광학 장치의 구성 관계를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 광학 장치의 사시도이다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 장치에서 칩상에 구현될 수 있는 단면발광 광방사기의 배열 구조를 나타낸 단면도이다.
도 4는 배열 간격이 반파장 길이와 같을 때 광도파로간의 너비의 차이에 따른 간섭량을 도시한 것이다.
도 5은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 장치에서, 단면발광 광방사기와 렌즈의 배치에 대한 개념도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 장치에서 단면발광 광방사기와 원통형 렌즈의 배치에 따른 빔의 방사각을 나타낸 개념도이다.
도 7는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 장치에서 단면발광 광방사기와 렌즈의 위치에 따른 방사각 변화를 나타낸 것이다.
도 8는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학 장치 사시도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학 장치 사시도이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학 장치 사시도이다.
도 11는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학 장치의 평면도 및 단면도이다.
이 하, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 또한, 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 시청자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광학 장치(100)의 구성을 도시한 것으로, 넓은 수평시야각을 갖는 단면발광 광위상배열기(101)와 그 수직발산각을 조정할 수 있는 광학렌즈(160)의 구성 관계를 도시한 것이다.
먼저 도 1을 참고하여 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 장치(100)의 구성에 대해 개괄한다.
광학 장치(100)는 광원(110), 광위상 배열기(101) 및 렌즈(160)을 포함할 수 있다.
구체적으로, 광원(110)은 레이저 또는 LED 등을 포함할 수 있고, 저 굴절률 상하부 클래드층 및 고 굴절율 도파로층을 포함하는 집적광학칩상에 구현될 수 있다.
광원(110)은 광파이버로 광신호를 보내는 독립된 광모듈로 구성될 수 있으며, 이 때는 상기 광결합기(120)를 통하여, 칩상의 광도파로에 광신호를 연결할 수 있다.
다만, 광원(110)의 종류, 구성 및 구조는 상기 기재 및 도면에 게시된 사항에 한정되는 것은 아니며, 통상의 기술자가 용이하게 설계 변경할 수 있는 범위까지 포함할 수 있다.
광결합기(120)는 광원(110)으로부터 파이버를 통해 전달되는 단일 모드 광신호를 칩상에 구현된 광도파로에 연결할 수 있다.
광 결합기(120)는 일 실시예에 따라 일정한 간격으로 굴절률을 다르게 하여 광의 회절을 이용하여 광신호를 연결하는 광격자커플러(Grating coupler)로 구현 될 수 있다. 또 다른 실시예로 단일모드 광파이버를 칩상에 구현된 도파로 단면과 연결하는 단면 커플러(Edge coupler)로 구현될 수 있다.
또한, 광 결합기(120)는 생략될 수 있으며, 이 경우, 광원(110)은 광 결합기(120) 없이 송출된 광신호를 광도파로를 통해 상기 1xN 광분배기(130)로 연결할 수 있다.
1xN 광분배기(130)는 광결합기(120)로부터 전달된 광신호를 N개의 채널 규모로 분기하여, 1xN 광위상 제어기(140)로 광신호를 전달할 수 있다.
1xN 광위상 제어기(140)는 N개 채널로 분기되어 전달된 광신호를 채널별로 위상을 조정할 수 있으며, 그 기능을 이용하여, 각 채널별로 순차적인 위상차를 인가 할 수 있다.
1xN 광방사기(150)는 위상 제어기(140)를 통해 각 채널로 전달된 광신호를 자유공간으로 방사하여 N 개의 채널에 의한 간섭효과로 자유공간에 빔을 형성할 수 있다.
렌즈(160)는 단면발광 광방사기(150)에서 방사된 빔의 수평 조향각을 유지하면서, 수직발산각을 조정할 수 있다.
다만, 광학 장치(100)에 포함된 구성들의 배치구조 및 포함관계는 상기 기재 및 도면에 한정되는 것은 아니며, 구성에 병합되거나 분리될 수 있다.
예를 들어, 광원(110) 및 렌즈(160) 중 적어도 하나가 광위상 배열기(101)에 포함될 수도 있고, 또는 광학 장치(100)가 광원(110)을 제외하고, 광위상 배열기(101) 및 렌즈(106)만을 포함할 수도 있다.
이어서, 도 2 내지 도 4를 참고하여, 광학 장치(100)에 포함된 구성의 동작 내용과 원리를 구체적으로 설명한다.
도 2는 본 발명 일 실시예에 따른 광학 장치(200)의 사시도로서, 편의상 채널수(N)를 5로 도시하였다.
본 발명의 실시예에 따른 광학 장치(200)는 광위상 배열기(201) 및 렌즈(250)을 포함하며, 광위상 배열기(201)은 실리콘집적광학칩에 구현되는 광결합기(210), 1x5 광분배기(220), 1x5 광위상 제어기(230) 및 1x5 광방사기(240)를 포함할 수 있고, 렌즈(250)는 원통형(cylindrical)일 수 있다.
구체적으로, 광결합기(210)는 외부에서 생성된 레이져빔을 실리콘집적광학칩의 실리콘광도파로에 결합하기 위하여, 실리콘광도파로에 파장과 입사각에 따른 브래그조건에 맞는 일정한 주기와 깊이를 갖도록 형성된 격자을 만들고, 설계된 입사각으로 빔을 격자에 의한 회절을 이용하여, 실리콘광도파로에 결합할 수 있다.
1x5 광분배기(220)는 광결합기(210)에 의하여 결합된 도파로상의 단일모드 광신호를 다중모드간섭(Multimode interference)을 이용하여, 보강간섭조건의 N 채널 규모로 분기시키고, 1x5 광위상 제어기(150)로 전달할 수 있다.
1x5 광위상 제어기(230)는 1x5 광분배기(220)로부터 전달되는 광신호의 위상을 채널별로 조정하여, 채널간 위상차를 조정하는 수단을 제공한다.
일 실시예로 실리콘집적광학칩상에서 립형 광도파로를 형성시키고, 슬랩영역에 p 또는 n 타입 도핑을 이용하고, 이에 전기를 인가하여, 전기광학(Electro-optic)효과나 또는 열광학(Thermo-optic)효과를 이용하여, 광도파로의 유효굴절율(Effective refractive index)을 조정하여 도파하는 광신호의 위상을 가변 할 수 있다.
1x5 단면발광 광발산기(End-fire optical radiator, 240)는 간격이 파장의 반으로 설정된 N개의 사각형단면을 갖는 실리콘광도파 단면을 자유공간에 노출시켜 만들어진다.
예를 들면, 1550 nm의 파장을 사용하는 경우, 배열된 광발산기(240)들이 775nm의 간격을 가질 수 있다. 이 때, 광도파로에 전달되는 파워가 인접 광도파로로 전파되는 간섭현상을 억제하기 위하여, 인접 도파로의 폭을 다르게 설계할 수 있다.
다시 도 3을 참고하면, 광도파로(240a)는 광이 도파하는 고굴절율의 실리콘(Si)과 저굴절율의 실리카클래딩으로 구성될 수 있다.
N 개의 광도파로(240a)는 도 3과 같이 w1, w2, w3, w4 가 반복되는 구조로, 두께는 220 nm, 광도파로(240a)의 간격은 775 nm이고, N을 16개로 하고, 폭이 350, 420, 385, 455nm인 경우, 전체 폭이 12μm 가 된다.
인접한 광도파로(240a)에 있어서, 그 폭을 다르게 함으로써, 광도파로(240a)간의 파워간섭을 억제할 수 있다.
또 한, 제안된 구조에서 광도파로(240a)간의 간격이 775nm이고, 사용파장이 1550 nm 이므로, 이론적으로 시야각은 180º이다.
다만, 도 3에 나타난 구체적 수치로서 광도파로(240a)의 사이 간격, 두께 및 전체 폭 등은 본 발명 일 실시예에 따른 일 예를 나타낸 것으로 달라질 수 있다.
즉, 본 발명 일 실시예에 따른 광학 장치(100)는 광방사기(240)의 광도파로(240a)의 폭을 달리 제어하여 넓은 수평시야각을 구현하는 동시에 발생할 수 있는 파워간섭을 억제할 수 있다.
또한, 도 4는 배열 간격이 반파장 길이와 같을 때 도파로간의 너비의 차이에 따른 간섭량을 나타낸 것으로, 예를 들어, 1550 nm의 파장의 광을 775 nm 간격의 광도파로(240a)에 도파시킬 때, 광도파로(240a)간에 전달되는 광파워의 비를 도시한 것이다.
가로축은 원신호가 인가되는 원광도파로(240a)의 폭을 나타내며, 세로축은 인접한 광도파로(240a)의 폭을 나타낸다.
지도에 표시된 값은 간섭현상에 의하여 인접한 광도파로(240a)에 전달된 파워를 원신호의 파워와의 비로 나타낸 것이다.
원광도파로(240a)의 폭과 인접한 광도파로(240a)의 폭이 일치할 때 -5dB 수준으로 전달되고, 차이가 커짐에 따라 작아지는 것을 확인할 수 있다. 상기 일시예에서 선택된 광도파로폭(240a)은 이러한 조건을 고려하여, 선택된 것으로 다른 조합의 선택도 가능 할 수 있다.
이어서, 도 2 및 도 5 내지 도 8을 참고하여, 렌즈(250)의 구성과 효과에 대해 자세하게 설명한다.
렌즈(250)는 광학 렌즈로서 자유공간에 형성된 빔의 진행방향에 위치하여, 빔의 수직 발산각을 조정하는 기능을 수행할 수 있다.
구체적으로, 렌즈(250)는 원통형 렌즈(Cylindrical lens)일 수 있고 1xN 단면발광 광발산기(240)로 방사되어 공간에 형성된 원기리장(Farfileld pattern, 260)을 통과 시키면서, 방사된 빔의 형태를 바꾼다.
예를 들어, 원통형인 렌즈(250)의 단면은 수직한 두 방향으로 원통형단면과 사각형단면을 갖질 수 있다.
구체적으로, x, z축을 포함하는 평면의 단면은 원통형 단면일 수 있고, 상기 원통형 단면으로 입사된 빔은 시준빔으로서 초점으로 모일 수 있다.
한편, x, y축을 포함하는 평면의 단면은 사각형 단면일 수 있고, 상기 사각형 단면으로 입사된 빔은 입사된 방향과 동일한 방향으로 통과한다.
이러한 특성을 이용하여 본 발명 일 실시예에 따른 광학 장치(200)는, 단면발광 광발산기(240)로부터 방사된 조향된 발산빔(260)있어서, 조향각은 사각형 단면으로 유지하면서, 수직발산각은 원통형 단면을 이용하여, 줄이거나 또는 시준할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 장치(200)에서 넓은 수평 조향각을 갖는 단면발광 광방사기(240)와 단면발광 광방사기(240)로부터 방사된 빔의 수직발산각을 조정하는 원통형 렌즈(250)의 구조와 배치에 대한 개략도이다.
도 5a는 단면발광 광방사기(240) 및 원통형 렌즈(250)의 배치 구조에 대한 평면도이고, 도 5b는 단면발광 광방사기(240) 및 원통형 렌즈(250)의 배치 구조에 대한 단면도이다.
실리콘기반 단면발광 광방사기(240)는 SOI(Silico-on-insulator) 기판(243)에 매몰되어 있는 실리콘옥사이드(SiO2, 242)층 위의 고굴절율의 실리콘(Si, 240a)층을 코어로하고, 상기 매몰되어 있는 실리콘옥사이드와 상면에 증착된 실리콘옥사이드(SiO2, 241)를 클래딩으로 하여 형성될 수 있다.
상기 소자들의 평면도를 나타내는 도 5a와 같이 단면발광 광방사기(240)는 일반적으로 다수의 실리콘 광도파로(240a)를 배열로 구성되어 광방사기(240)의 폭이 광도파로(240a)의 수십~수백배가 된다.
예를 들어 본 발명의 일 실시예와 같이 구성하는 경우 실리콘기반 단면발광 광방사기(240)의 크기는 실리콘 코어의 두께 220nm보다 54배가 큰 12 mm의 크기를 갖는다.
광학의 회절이론에 따르면, 발산각은 방사기의 크기에 반비례하므로, 수직 발산각은 수평 발산각에 비교하여 54배나 큰 발산산각을 갖는다.
한편, 도 5b에 있어서, 실리콘기반 단면발광 광방사기(240)에서 거리 d에 배치된 원통형 렌즈(250)는 수직방향으로 발산하는 빔을 원통형렌즈의 수직단면인 평면블록렌즈(Plano convex lens)을 이용하여 발산각을 줄이거나, 시준(Collimation)하여 통과시킬 수 있다.
즉, 본 발명 일 실시예에 따른 광학 장치(200)는 원통형인 렌즈(250)를 빔의 진행방향에 위치시킴(볼록면이 입사면이되고, 평면이 방사면)으로서, 빔의 수평 시양각을 왜곡시키지 않으면서 수직 발산각을 효과적으로 감축시킬 수 있다.
그 결과, 수직 발산각이 줄어들어, 빔의 직진성을 키우고 포커싱 능력을 향상시킬 수 있으며, 나아가, 빔의 포커싱이 향상됨에 따라 사용되는 파워도 감소 및 데이터 전송 효율도 현저히 향상될 수 있다.
한편, 본 발명 실시예에 따른 광학 장치(200)는 단면발광 광방사기(240)와 렌즈(250) 사이의 거리(d) 및 평면볼록렌즈단면을 갖는 원통형 렌즈(250)의 초점(focal point, f)을 제어하여 더욱 효과적으로 수직 발산각을 줄일 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 장치(200)에서 단면발광 광방사기(240)와 실린더형 렌즈(250)의 배치에 따라 렌즈를 투과하는 빔의 발산각과 위치와 관계를 설명하기 위하여 도시한 것이다.
구체적으로, 도 6a는 단면발광 광방사기(240)의 빔 방사위치가 실린더형 렌즈(250)의 초점보다 멀리 배치된 경우이다.
도 6b는 단면발광 광방사기(240)의 빔 방사위치가 실린더형 렌즈(250)의 초점에 위치한 경우이다.
도 6c는 단면발광 광방사기(240)의 빔 방사위치가 실린더형 렌즈(250)의 초점에 가까이 배치된 경우이다.
본 발명 일 실시예에 따른 광학 장치(100)는 도 6b와 같이 단면발광 광방사기(240)의 위치가 원통형 렌즈(250)의 초점에 위치할 때, 가장 작은 빔 발산각을 가질 수 있다.
반면, 단면발광 광방사기(240)의 위치가 초점 거리보다 작거나 커지면 빔 발산각이 도 6a, 6c와 같이 커질 수 있다.
따라서, 본 발명 일 실시예에 따른, 광학 장치(200)는 단면발광 광방사기(240)의 위치를 조절하여 빔을 수렴, 시준 및 발산시킬 수 있으며, 예를 들어, 수렴빔을 구현하여 빔의 수직발산각을 감소시킬 수 있다.
이러한, 성질을 이용하여, 상기 단면발광 광방사기배열의 위치를 적당히 조정하면, 원통형렌즈의 통과한 빔의 발산각을 조정할 수 있다.
이와 같은 사항은 구체적 실험결과를 통해서도 확인할 수 있다.
도 7은 단면발광 광방사기(240)와 원통형 렌즈(250)의 위치에 따른 수직, 수평 방사각 변화를 나타낸 것이다.
도 7a는 수직방사각의 변화, 도 7b는 수평방사각의 변화를 나타내었다.
구체적으로, 도 7a을 참고하면, 단면 발광 광방사기(240)가 원통형 렌즈(250)의 초점 위치(f)인 150mm에 위치할 때, 수직발산각은 수평조향각이 증가할 수록 증가하여, 수평조향각 30°에서 10°의 수직발산각이 된다.
또한, 초점 위치(f)에서 단면발광 광방사기(240)의 위치를 가깝게 할수록, 수평조향각이 30°에서의 수직발산각이 작아지는 것을 확인할 수 있다.
원통형 렌즈(250)가 가 좌우 대칭인 점을 고려하면, +/-30° 범위에서 수직 발산각의 최대값이 140mm에서 8°, 130에서mm 6°로 점점 작아진다.
단면발광 광방사기(240)와 원통형 렌즈(250)의 거리를 120mm이하로 줄이면, 수평조향각 0°에서 발산각이 증가하여, 최대 발산각이 커진다. 따라서, 발산각을 최소로 하는 단면발광 광방사기(240)의 위치는 120mm~130mm사이에 존재함을 확인할 수 있다.
도 7b는 단면발광 광발산기(240)의 위치에 따른 수평발산각의 변화를 나타낸 것으로, 단면발광 광발산기(240)가 초점인 150mm에 위치한 경우, 수평조향각이 증가할 수록 수평발산각이 증가하며, 수평조향각이 30°인 경우에, 조향범위 +/- 30°에서, 최대수평발산각인 11°가 되었다.
원통형 렌즈(250)가 대칭이기 때문에, -30°에서도 최대값인 11°의 수평발산각을 보인다.
단면발광 광방사기(240)와 원통형 렌즈(250)의 거리가 작아지면, 수평조향각 30°에서 측정되는 수평발산각이 작아지는 것을 확인할 수 있고, +/-30° 조향범위 내에서의 최대수평발산각이 140mm에서 10.5°, 130mm에서 9.5°, 120mm에서 8.5°로 점점 작아진다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 장치(200)는 단면발광 광발산기(240)와 원통형 렌즈(250)의 거리를 적당한 값으로 결정함으로써, 수평조향범위내에서 최대수직발산각과 최대수평 발산각을 결정 할 수 있다.
예를 들어, 단면발광 광방사기(240)와 원통형 렌즈(250)의 거리를 120mm~130mm의 값으로 결정하는 경우, 최대수직발산각 95.6°이 6.7°로, 최대수평발산각이 7.6°에서 10°로 조정될 수 있다.
이어서, 도 8 내지 도 10을 참고하여, 본 발명 다른 실시예에 따른 광학 장치(300,400,500, 600)를 설명한다.
이어서 설명할 광학 장치(300,400,500,600)들은 전술한 광학 장치(200)와 비교하여 렌즈(350,450,550,650)의 형상이 상이한 것을 제외하고 유사하다.
따라서, 다른 구성들에 대한 설명은 전술한 광학 장치(200)의 설명이 그대로 적용될 수 있다.
도 8을 참고하면, 본 발명 다른 실시예에 따른 광학 장치(300)는 도 2의 광학 장치(200)와 비교하여 도 2의 광학 렌즈(250)가 z-y축을 포함하는 평면에 평면 대칭된 형상일 수 있다.
구체적으로, 렌즈(350)는 곡면을 형성한 면과 상기 곡면에 반대되는 면이 평면인 원통형 렌즈(350)일 수 있다.
본 발명 다른 실시예에 따른 광학 장치(300)역시 수직 방향으로 렌즈(350)에 곡면이 형성되어있어 수직발산각을 줄일 수 있으며, 수평 방향으로 렌즈(350)의 단면이 사각형이므로, 수평방향으로는 시야각을 왜곡시키지 않는다.
도 9를 참고하면, 본 발명 다른 실시예에 따른 광학 장치(400)는 도 2의 광학 장치(200)와 비교하여 광학 렌즈(450)가 양면(빔이 입사하는 면 및 빔이 렌즈를 통과해 방출되는 면)이 곡면을 형성할 수 있다.
구체적으로, 렌즈(450)는 빔이 입사하는 면과 빔이 렌즈를 통과해 방출되는 면이 모두 수직 방향으로 곡면을 형성할 수 있다.
본 발명 다른 실시예에 따른 광학 장치(400)역시 수직 방향으로 렌즈(450)에 곡면이 형성되어있어 수직발산각을 줄일 수 있으며, 수평 방향으로 렌즈(450)의 단면이 사각형이므로, 수평방향으로는 시야각을 왜곡시키지 않는다.
도 10을 참고하면, 본 발명 다른 실시예에 따른 광학 장치(500)는 도 2의 광학 장치(200)와 비교하여 렌즈(550)가 양면(빔이 입사하는 면 및 빔이 렌즈를 통과해 방출되는 면)이 곡면을 형성할 수 있다.
뿐만 아니라, 도 9의 광학 장치(400)과 비교하여 렌즈(550)의 입사면이 오목한 곡면을 형성할 수 있다.
구체적으로, 렌즈(550)는 빔이 입사하는 면과 빔이 렌즈를 통과해 방출되는 면이 모두 수직 방향으로 곡면을 형성할 수 있으며, 입사면은 빔의 방사 방향으로 오목한 오목면일 수 있다.
나아가, 상기 오목면의 곡률은 방사면의 곡률보다 작을 수 있다.
본 발명 다른 실시예에 따른 광학 장치(500)역시 수직 방향으로 렌즈(550)에 곡면이 형성되어 있어 수직발산각을 줄일 수 있으며, 수평 방향으로 렌즈(550)의 단면이 사각형이므로, 수평방향으로는 시야각을 왜곡시키지 않는다.
도 11을 참고하면, 본 발명의 다른 실시예로써 광학 장치(600)는 구부러진 원통형 렌즈(650)를 포함할 수 있다.
도 1a는 구부러진 원통형 렌즈(650)를 적용한 실시예의 평면도이고, 도 11b는 구부러진 원통형 렌즈(650)를 적용한 실시예의 단면도이다.
구부러진 원통형 렌즈(650)는 수평방향에서 부채꼴의 호 형상일 수 있고, 수직 방향에서는 단면이 평면볼록렌즈 일 수 있다. 나아가, 입사면이 평면이고 방사면이 볼록면일 수 있다.
다만, 입사면이 볼록면이고 방사면이 평면일 수도 있다.
본 실시예에 따른 구부러진 원통형 렌즈(650)를 적용하는 경우, 빔조향 과 관계없이 상기 단면발광 광위상배열기(201)의 단면발광 광방사기(240)와 일정한 거리를 유지할 수 있으므로, 빔의 발산각을 일정하게 할 수 있는 장점이 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.

Claims (11)

  1. 광신호를 복수의 채널로 분기하는 광분배기;
    상기 광분배기로부터 전달된 상기 광신호의 위상을 조절하는 광위상 제어기; 및
    상기 광위상 제어기로부터 전달된 상기 광신호를 방사하는 단면발광 광방사기;를 포함하는 단면발광 광위상 배열기 및 상기 방사된 광신호의 경로상에 위치하여 수직 발산각을 조절하는 원통형 렌즈를 포함하는 광학 장치.
  2. 상기 제1항에 있어서,
    상기 원통형 렌즈는 평면볼록렌즈인 광학 장치.
  3. 상기 제2항에 있어서,
    상기 원통형 렌즈의 볼록면이 입사면이되고, 평면이 방사면이 되는 광학 장치.
  4. 상기 제2항에 있어서,
    상기 원통형 렌즈의 평면이 입사면이되고, 볼록면이 방사면이 되는 광학 장치.
  5. 상기 제1항에 있어서,
    상기 원통형 렌즈의 입사면 및 방사면이 볼록면인 광학 장치.
  6. 상기 제1항에 있어서,
    상기 원통형 렌즈의 방사면은 볼록면이고, 입사면은 상기 방사면보다 작은 곡률의 오목면인 광학 장치.
  7. 상기 제1항에 있어서,
    상기 원통형 렌즈는 수평 방향으로 부채꼴의 호 형상이고, 상기 원통형 렌즈의 입사면이 평면이며, 방사면이 볼록면인 광학 장치.
  8. 상기 제7항에 있어서,
    상기 단면발광 광방사기로부터 상기 입사면까지의 거리가 균일한 광학 장치.
  9. 상기 제1항에 있어서,
    상기 원통형 렌즈는 수평 방향으로 부채꼴의 호 형상이고, 상기 원통형 렌즈의 방사면이 평면이며, 입사면이 볼록면인 광학 장치.
  10. 상기 제1항에 있어서,
    상기 원통형 렌즈와 상기 단면발광 광방사기까지의 거리가 상기 원통형 렌즈의 초점 거리보다 큰 광학 장치.
  11. 상기 제1항에 있어서,
    상기 단면발광 광방사기는 방사 방향으로 연장된 복수의 광도파로를 포함하며,
    상기 복수의 광도파로의 폭이 서로 다른 광학 장치.
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