光检测设备和包括其的光学系统

相关申请的交叉引用

本申请要求于2020年1月7日在韩国知识产权局递交的韩国专利申请no.10-2020-0002145的优先权，其公开内容通过引用整体并入本文。

本公开的示例实施例涉及一种光检测设备和包括该光检测设备的光学系统。

背景技术：

已经开发了通过在检测距离内的物体或地形上反射电磁波来获取信息并通过使用该信息来测量距离、位置和形状的技术，并且作为该技术之一，光检测和测距(lidar)系统正受到关注。

lidar系统包括用于将光转向到期望位置的光转向装置、和用于检测在从光转向装置发射之后从物体反射的光的光检测设备。为了使光转向，使用了一种使光照射部机械旋转的方法、和一种通过使用光学相控阵(opa)方法利用从多个单位单元或多个波导发射的光的干涉的方法。

技术实现要素：

一个或多个示例实施例提供一种光检测设备和包括该光检测设备的光学系统。

附加方面部分地将在接下来的描述中阐述，且部分地将通过该描述而变得清楚明白，或者可以通过对本公开的示例实施例的实践来获知。

根据示例实施例的一方面，提供了一种光检测设备，包括：光输入器件，被配置为接收光；多个波导，从光输入器件延伸，所述多个波导被配置为分别传输由光输入器件接收的光的部分；多个调制器，设置在所述多个波导上，并且被配置为分别调制在所述多个波导中传输的光的部分的相位；至少一个石墨烯层，被配置为吸收在所述多个波导中传输的光的部分；以及至少一个第一电极和至少一个第二电极，分别电连接至所述至少一个石墨烯层。

所述至少一个石墨烯层可以设置在所述多个波导上。

所述光检测设备还可以包括：中间层，设置在所述至少一个石墨烯层与所述多个波导之间，中间层包括折射率小于所述多个波导中的每一个波导的折射率的材料。

所述至少一个石墨烯层可以设置在所述多个波导的顶表面和侧表面中的至少一个上。

所述至少一个石墨烯层可以包括与所述多个波导的全部相对应的石墨烯层。

所述至少一个石墨烯层可以包括分别与所述多个波导中的一些波导相对应的多个石墨烯层。

所述多个波导可以在所述多个波导中的每一个波导的一端处被集成到一个波导中，并且所述至少一个石墨烯层可以包括设置在所集成的波导上的石墨烯层。

所述光检测设备还可以包括设置在所述至少一个石墨烯层上的栅极绝缘层和设置在栅极绝缘层上的栅电极。

光输入器件可以包括：天线阵列，设置在所述多个波导的端部处并且被配置为从光检测设备的外部接收光。

所述多个波导可以包括iv族半导体材料、iii-v族半导体材料、ii-vi族半导体材料、氧化物和氮化物中的至少一种。

所述多个调制器可以被配置为通过独立地调制在所述多个波导中传输的光的每个部分的相位来形成相位分布。

所述多个调制器还可以被配置为基于将电信号或热量施加到所述多个波导中的每一个波导来对相位进行调制。

光输入器件、所述多个波导、所述多个调制器、所述至少一个石墨烯层以及所述至少一个第一电极和所述至少一个第二电极可以设置在同一基板上。

根据示例实施例的另一方面，提供了一种光学系统，包括：光转向装置，被配置为使光转向；以及光检测设备，被配置为检测由光转向装置转向的光，其中，光检测设备包括：光输入器件；多个波导，从光输入器件延伸，并且被配置为分别传输输入到光输入器件的光的部分；多个调制器，设置在所述多个波导上，并且被配置为分别调制在所述多个波导中传输的光的部分的相位；至少一个石墨烯层，被配置为吸收在所述多个波导中传输的光的部分；以及至少一个第一电极和至少一个第二电极，电连接至所述至少一个石墨烯层。

光转向装置可以包括激光源和转向器件，转向器件被配置为对从激光源发射的光的部分进行转向。

光输入器件可以进一步包括天线阵列，天线阵列设置在所述多个波导的端部处并且被配置为接收由光转向装置转向的光。

所述至少一个石墨烯层可以设置在所述多个波导上。

光输入器件可以进一步包括：中间层，设置在所述至少一个石墨烯层与所述多个波导之间，中间层包括折射率小于所述多个波导的折射率的材料。

所述多个波导可以在所述多个波导的端部处被集成到一个波导中，并且所述至少一个石墨烯层可以包括设置在所集成的波导上的石墨烯层。

光转向装置和光检测设备可以设置在同一基板上。

所述至少一个第一电极和所述至少一个第二电极可以直接设置在所述至少一个石墨烯层上。

所述至少一个第一电极和所述至少一个第二电极可以通过导线连接至所述至少一个石墨烯层。

所述多个石墨烯层中的每一个可以分别对应于所述多个波导中的每一个，并且所述多个石墨烯层中的每一个可以彼此间隔开。

附图说明

根据以下结合附图的描述，本公开的示例实施例的上述和/或其他方面、特征以及优点将更清楚，在附图中：

图1是示意性示出根据示例实施例的光检测设备的透视图；

图2是沿图1的线a-a’截取的截面图；

图3是示出图2的多个波导的变形例的图；

图4是图1的光输入单元的天线的截面图；

图5是沿图1的线b-b’截取的截面图；

图6是示出图5的多个调制器的变形例的图；

图7是沿图1的线c-c’截取的截面图；

图8是示出图7的第一电极和第二电极的变形例的图；

图9是根据另一示例实施例的光检测设备的图；

图10是根据另一示例实施例的光检测设备的图；

图11是根据另一示例实施例的光检测设备的图；

图12是根据另一示例实施例的光检测设备的图；

图13是根据另一示例实施例的光检测设备的图；

图14是根据另一示例实施例的光检测设备的图；

图15是示意性示出根据另一示例实施例的光检测设备的透视图；以及

图16是示意性示出根据示例实施例的光学系统的图。

具体实施方式

现在详细参考附图中所示的示例实施例，其中贯穿附图相同的附图标记指代相同的元件。在这点上，示例实施例可以具有不同形式，并且不应当被解释为受限于本文所阐明的描述。因此，下面仅通过参考附图描述示例实施例，以解释各个方面。如本文中所使用的，术语“和/或”包括相关列出项目中的一个或多个的任何和所有组合。诸如“......中的至少一个”之类的表述在元件列表之后时修饰整个元件列表，而不是修饰列表中的单独元件。例如，表述“a、b和c中的至少一个”应该理解为仅包括a、仅包括b、仅包括c、包括a和b两者、包括a和c两者、包括b和c二者、或包括a、b和c的全部。

在下文中，被描述为“在......上方”或“在......上”的内容不仅可以指示在正上方并接触，还可以指示在上方而不接触。如在本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“所述(该)”旨在还包括复数形式，除非上下文明确地给出相反的指示。另外，除非另有说明，否则当一部分“包括”某一部件时，该部分还可以包括另一部件而不是排除其他部件。

术语“该”和类似术语的使用可以对应于单数和复数两者。当可以不同地实现某个实施例时，可以不同于所描述的顺序来执行特定的处理顺序。例如，两个连续描述的处理可以实质上同时执行或者以与所描述的顺序相反的顺序执行。

在下面的描述中，诸如“单元”和“模块”之类的术语表示用于处理至少一个功能或操作的单元，其中该单元和块可以被实现为硬件或软件，或者通过组合硬件和软件来实现。

此外，所呈现的各种附图中示出的连接线或连接件意在表示各种元件之间的示例性功能关系和/或物理或逻辑连接。应该注意，在实际设备中可以存在许多替代或者附加的功能关系、物理连接或逻辑连接。

所有示例或示例性术语的使用仅用于详细描述技术思想，并且除非在权利要求中定义，否则这些示例和示例性术语不限制本公开的范围。

图1示出了根据示例实施例的光检测设备100。在图1中，示出了用于通过使用光学相控阵(opa)方法检测从外部输入的光的一部分(例如，在被物体反射后输入的光的一部分)的光检测设备100。

参照图1，光检测设备100包括多个波导130、光输入器件120、多个调制器140和石墨烯层150。这里，形成光检测设备100的元件可以设置在同一基板110上。然而，实施例不限于此。多个波导130可以以阵列形式布置。例如，多个波导130可以在一个方向(例如，图1的y轴方向)上以一维(1d)阵列布置在基板110上。在图1中，在基板110上设置有十六个波导130，但是波导130的数量可以变化。

图2是沿图1的线a-a’截取的多个波导130的截面图。作为示例，在图2和后面附图中示出了四个波导130。

参照图2，在基板110上设置有多个波导130。在此，基板110可以包括具有绝缘表面的材料。例如，基板110可以包括基部基板111、和设置在基部基板111的顶表面上的绝缘层112。基部基板111可以包括例如半导体基板，诸如硅基板，但是不限于此。例如，基部基板111可以包括其他各种材料。绝缘层112可以包括例如氧化硅，但是不限于此，并且绝缘层112可以包括其他各种材料。另外，绝缘基板可以用作基板110。

多个波导130在基板110的顶表面上彼此间隔开。设置多个波导130以使得从外部输入到光输入器件120的光l的一部分在其中传播。波导130可以包括半导体材料、氧化物和氮化物中的至少一种。在此，半导体材料可以包括例如iv族半导体材料(诸如硅(si)或锗(ge))、iii-v族半导体材料或ii-vi族半导体材料。然而，半导体材料不限于此。

分别从多个波导130延伸的延伸部分135可以以一定厚度设置在基板110上。在图2中，延伸部分135在彼此相邻的波导130之间彼此间隔开。然而，实施例不限于此。例如，延伸部分135可以在彼此相邻的波导130之间彼此连接。

图3示出了根据另一示例实施例的图2的多个波导130的示例。参照图3，多个波导130’在基板110的顶表面上彼此间隔开。这里，多个波导130’之间没有设置上述图2的延伸部分135。

参照图1，光l的一部分从外部输入到的光输入器件120设置在多个波导130的一个端部处。光输入器件120可以包括天线阵列，其中多个天线121以阵列形式布置。多个天线121可以分别从多个波导130的端部延伸。在此，多个天线121可以包括与多个波导130相同的材料，但是实施例不限于此。

图4示出了图1的光输入器件120的天线121的截面图。在图4中示出了其中在天线121的长度方向(例如，图1的x轴方向)上切割光输入器件120中包括的天线121之一的截面。

参照图4，天线121可以具有光栅结构，其中以一定间隔形成多个凹槽121a。当光l的一部分(例如，激光的部分)从外部输入到包括天线阵列的光输入器件120时，光l的该部分可以在多个波导130的内部传播，同时其相位由下文描述的多个调制器140调制，然后可以由石墨烯层150提取。

参照图1，多个调制器140设置在多个波导130上。多个调制器140调制在多个波导130内部传播的光l的一部分的相位。多个调制器140可以通过独立地调制在多个波导130内部传播的光l的一部分的相位来形成特定的相位分布。如此形成的相位分布可以取决于光l的外部部分入射在光输入器件120上的角度。因此，当多个调制器140控制在多个波导130内部传播的光l的一部分的相位分布时，可以提高从位于特定方向上的物体发射的光的一部分的光接收效率，并且可以确定物体的位置。

图5示出了沿图1的线b-b’截取的多个调制器140的截面图。

参照图5，多个调制器140各自包括设置在波导130周围的一对电极即第一电极141和第二电极142。这里，当在第一电极141和第二电极142之间施加一定的电信号时，设置在第一电极141和第二电极142之间的波导130的折射率通过该电信号而改变。另外，可以通过波导130的折射率的变化来调制在波导130内部传播的光的相位。这样，通过在与多个波导130中的每一个相对应地设置的调制器140的第一电极141和第二电极142之间施加一定的电信号，可以通过独立地调制在多个波导130内部传播的光的部分的相位来形成一定的相位分布。

图6示出了根据示例实施例的多个调制器140的另一示例。

参照图6，多个调制器中的每一个包括围绕波导130设置的加热元件145。在此，可以在波导130与加热元件145之间设置用于防止加热元件145与波导130之间接触的中间绝缘层170。当热量通过某个加热元件145施加到波导130时，波导130的折射率改变。另外，可以通过波导130的折射率的变化来调制在波导130内部传播的光的相位。这样，当根据多个波导130中的每一个所设置的加热元件145将热量施加到波导130时，在多个波导130内部传播的光的部分的相位被独立地调制，从而形成一定的相位分布。

此外，上面已经描述了将电信号施加到波导130或将热量施加到波导130的方法，作为改变波导130的折射率的方法。然而，这仅是示例，并且可以使用其他方法来改变波导130的折射率。例如，可以在波导130周围设置压电器件，并且可以经由压电器件使波导130改变，以改变波导130的折射率。

参照图1，石墨烯层150设置在穿过多个调制器140的多个波导130上。在此，石墨烯层150可以吸收在多个波导130内部传播的光l的大部分。第一电极161和第二电极162分别电连接至石墨烯层150的两个端部。

石墨烯层150可以具有单层结构或多层结构。例如，石墨烯层150可以包括一到十个石墨烯，但是不限于此。石墨烯是具有其中碳原子二维地连接的六边形蜂窝结构的材料，并且具有薄的原子厚度。

在当前实施例中，通过将石墨烯层150布置在多个波导130上，在多个波导130内部传播的光l的大部分可以被石墨烯层150吸收，因此可以实现具有高的光接收效率的光检测设备100。

图7示出了沿图1的线c-c’截取的石墨烯层150的截面图。

参照图7，石墨烯层150设置在多个波导130上。这里，石墨烯层150被设置为接触多个波导130中的每一个的顶表面和侧表面。在这种情况下，在多个波导130内部传播的光的部分可以经由多个波导130中的每一个的顶表面和侧表面被石墨烯层150吸收。可以通过在多个波导130上生长至少一个石墨烯或通过在多个波导130上转印(transferring)至少一个石墨烯来形成石墨烯层150。此外，可以在穿过石墨烯层150的波导130的另一个端部上涂覆反射膜或非反射膜。

第一电极161和第二电极162可以电连接至石墨烯层150的两个端部。在此，第一电极161和第二电极162可以包括具有优异导电性的材料。第一电极161和第二电极162可以设置在基板110的顶表面上。

当在第一电极161和第二电极162之间施加一定电压时在多个波导130内部传播的光的一部分可以大部分被石墨烯层150吸收，此时，可以在石墨烯层150内部产生电子，并且电子可以在第一电极161和第二电极162之间移动以产生光接收电流。经由第一电极161和第二电极162测量这样的光接收电流，以检测在多个波导130内部传播的光的一部分。这里，可以调节施加在第一电极161和第二电极162之间的电压以控制光接收电流和光接收效率。

图8示出了图7的第一电极161和第二电极162的示例。参照图8，第一电极163和第二电极164可以分别经由第一导线165和第二导线166电连接至石墨烯层150的两端。这里，第一电极163和第二电极164可以与基板110间隔开。然而，这仅是示例，并且第一电极163和第二电极164可以设置在基板110的顶表面上。

在具有这种结构的光检测设备100中，当光的外部部分(例如，从物体反射的光的一部分)被输入到光输入器件120时，光的该部分沿多个波导130传播。而且，在多个波导130内部传播的光的该部分的相位被多个调制器140调制，并且光的该部分被设置在多个波导130上的石墨烯层150吸收，从而通过第一电极161和第二电极162被检测。

在示例实施例中，因为石墨烯层150吸收在多个波导130内部传播的光的大部分，所以可以实现具有相对高的光接收效率的光检测设备100。另外，当多个调制器140通过独立地调制在多个波导130内部传播的光的一部分的相位来控制相位分布时，可以进一步提高光接收效率，并且可以确定光的外部部分所入射到的位置。

这样，因为光检测设备100被配置为高效地在特定方向上接收光，所以例如可以更容易地实现用于长距离的光检测和测距(lidar)系统。另外，因为lidar系统可以降低发光器件的输出光的强度，所以可以提高眼睛安全性，并且可以实现系统的小型化和低成本。

图9示出了根据另一示例实施例的光检测设备。

参照图9，石墨烯层151可以被设置为接触多个波导130中的每一个的顶表面。在这种情况下，在多个波导130内部传播的光的部分可以经由每个波导130的顶表面被石墨烯层151吸收。在多个波导130内部传播的光的该部分的截面形状可以根据光学模式而变化。当在多个波导130内部传播的光的该部分具有在上下方向上相对较长的椭圆形的截面时，如图9所示，石墨烯层151可以被设置为接触波导130的顶表面，例如以有效地吸收在波导130内部传播的光的该部分。

图10示出了根据另一示例实施例的光检测设备。

参照图10，石墨烯层152可以被设置为接触多个波导130中的每一个的侧表面。在此，在多个波导130内部传播的光的部分可以经由每个波导130的侧表面被石墨烯层152吸收。石墨烯层152的除了与波导130的侧表面接触的部分之外的部分可以一体地彼此连接。

当在多个波导130内部传播的光的该部分具有在左右方向上相对较长的椭圆形的截面时，如图10所示，石墨烯层152可以被设置为接触波导130的侧表面，以更有效地吸收在波导130内部传播的光的该部分。

图11示出了根据另一示例实施例的光检测设备。

参照图11，中间层180设置在波导130和石墨烯层150之间。在此，中间层180可以包括具有比波导130低的折射率的材料。通过调节中间层180的材料或厚度，中间层180可以控制被石墨烯层150吸收的光的量。

图12示出了根据另一示例实施例的光检测设备。

参照图12，栅极绝缘层190设置在多个波导130中的每一个的顶表面上，并且栅电极195设置在栅极绝缘层190的顶表面上。第一电极161和第二电极162可以分别包括源电极和漏电极。在这种情况下，可以通过调节施加到第一电极161和第二电极162以及栅电极195的电压来控制光检测设备的光接收特性。

在以上示例实施例中，与多个波导130中的所有波导相对应地设置一个石墨烯层150。然而，如下所述，可以根据多个波导中的一些波导设置多个石墨烯层。在这种情况下，可以通过驱动所有石墨烯层或通过独立地驱动各石墨烯层来执行光检测。

图13示出了根据另一示例实施例的光检测设备。

参照图13，多个石墨烯层150’设置在多个波导130上。在图13中，两个石墨烯层150’设置在四个波导130上。在此，每个石墨烯层150’可以对应于两个波导130。而且，第一电极161’和第二电极162’电连接至每个石墨烯层150’。

图14示出了根据另一示例实施例的光检测设备。

参照图14，多个石墨烯层150”以一对一的方式设置在多个波导130上。在图14中，四个石墨烯层150”分别设置在四个波导130上。这里，每个石墨烯层150”可以对应于一个波导130，并且第一电极161”和第二电极162”电连接至每个石墨烯层150”。

图15示出了根据另一示例实施例的光检测设备200。上面已经参考图1的光检测设备100描述了图15的光检测设备200的多个波导130、光输入器件120和多个调制器140。

参照图15，穿过多个调制器140的多个波导130可以彼此组合以集成到一个波导230中。石墨烯层250设置在波导230上，并且第一电极261和第二电极262电连接至石墨烯层250的两个端部。

在多个波导130内部传播的光的部分在波导230中彼此组合，并且光的组合部分被石墨烯层250吸收，以经由第一电极261和第二电极262被检测。

根据以上示例实施例，由于石墨烯层吸收在多个波导内部传播的光的大部分，因此可以实现具有相对高的光接收效率的光检测设备。而且，由于多个调制器独立地调制在多个波导内部传播的光的部分的相位以控制相位分布，因此可以进一步提高光接收效率。

由于上述光检测设备能够高效地在特定方向上接收光，因此例如可以更容易地实现用于长距离的lidar系统。另外，因为lidar系统可以降低发光器件的输出光的强度，所以可以提高眼睛安全性，并且可以实现系统的小型化和低成本。

这种光检测设备可以应用于通过使用光来识别物体或地形或者测量位置、距离和形状的领域。例如，光检测设备可以应用于图像传感器、距离传感器、环境传感器、自主车辆、诸如无人机的飞行物、移动设备、步行工具和安全设备的领域。

图16示出了根据示例实施例的光学系统1000。

参照图16，光学系统1000可以包括光转向装置1100、光检测设备1200和驱动设备1300。在此，驱动设备1300可以包括用于对光转向装置1100和光检测设备1200进行驱动的驱动电路。形成光学系统1000的元件可以设置在同一基板1005上。然而，实施例不限于此，并且形成光学系统1000的一些元件可以不设置在同一基板1005中。

光转向装置1100包括发射激光束l’的激光源1110、和扫描从激光源1110发射的激光束l’的转向器件1120。例如，激光二极管可以用作激光源1110，但是实施例不限于此。

转向器件1120可以被配置为通过使用例如光学相控阵(opa)方法来扫描激光束l’。在这种情况下，转向器件1120可以通过使用相位被调制且从具有元结构的多个器件单元或从多个波导发射的光的部分的干涉来扫描激光束l’。

当转向器件1120包括多个波导时，可以经由相位调制和波长调制对激光束l’进行二维扫描。此外，当转向器件1120包括二维布置的多个单元时，可以对激光束l’进行二维扫描。

此外，除了上述的opa方法之外，转向器件1120还可以使用机械地移动激光源1110的方法、或从多个激光源同时发射激光束的闪光方法。

由光转向装置1100扫描的激光束l’中的从物体1600反射的激光束l’可以由光检测设备1200检测。在此，光检测设备1200可以是根据上述示例实施例的光检测设备之一。

上述的光学系统1000可以用在例如lidar系统、深度传感器或3d传感器中。然而，这仅是示例，并且光学系统1000可以应用于其他各种领域。

根据上述示例实施例，由于石墨烯层吸收在多个波导内部传播的光的大部分，因此可以实现具有相对高的光接收效率的光检测设备和光学系统。另外，当多个调制器通过独立地调制在多个波导内部传播的光的部分的相位来控制相位分布时，可以提高光接收效率，并且可以确定光的外部部分所入射到的位置。由于光检测设备能够高效地在特定方向上接收光，因此例如可以容易地实现用于长距离的lidar系统。另外，因为lidar系统可以降低发光器件的输出光的强度，所以可以提高眼睛安全性，并且可以实现系统的小型化和低成本。

应当理解，本文所描述的示例实施例应当被认为仅是描述性的，而不是为了限制目的。对每个示例实施例中的特征或方面的描述应当典型地被看作是可用于其他实施例中的其他类似特征或方面。

虽然已参考附图描述了示例实施例，但本领域普通技术人员将理解，在不脱离由权利要求限定的精神和范围的情况下，可以进行形式和细节上的多种改变。