광-조향각 1차원 나노 광 위상 배열 설계와 파장 변조를 이용한 빔 조향 방법

Abstract

LIDAR(Light detection and ranging) 시스템은 기존 RADAR(radio detecting and rang-ing) 시스템을 대체하기 위하여 연구되고 있는 분야이다. LIDAR의 세부 주제인 나노 광 위상 배열(Nano-photonic phased array)는 안정성, 높은 동작속도, 높은 해상도, 작은 소자 크기 등 기존의 기계 회전 방식 LIDAR에 비하여 장점이 있어 활발하게 연구되고 있다. 본 연구에서는 좁은 너비의 광 격자 방사기와 좁은 간격의 NPA를 활용한 광-조향각 NPA를 설계하고, 물리적인 광 도파로 경로 차와 C-band(1.55μm)에서의 파장 변조를 이용한 빔 조향 방법을 제안하였다.

가우시안 빔 모형과 배열 계수 모형을 통하여 단위 격자 방사기와 NPA의 특성을 근사 계산하였다. 또한, 파장 변조 빔 조향 방법을 위하여, 각 도파로 채널마다 선형적으로 증가하는 광 경로 차를 설계하였다. 빔 조향 각도 및 조향 작동을 FDTD(finite-difference time domain method) 시뮬레이션을 통하여 검증하였다.

설계된 NPA는 나노종합기술원(NNFC)의 CMOS-compatible process를 통하여 제작되었다. 제작된 NPA에서 방사되는 far-field 패턴은 IR 카메라와, 세 개의 렌즈를 통한 측정 시스템을 통하여 측정하였다. 광 입력으로는 InGaAsP ECL(external cavity laser)를 사용하였으며, 주 대물 렌즈로, 개구 수가 0.65인 렌즈를 사용하였다. 또한, 픽셀 간격과 해상도가 각각 20 μm와 640.512인 IR 카메라를 사용하였다. 유전자 알고리즘을 활용하여 각 채널의 위상을 통일하는 작업을 수행하였다.

결론으로, 0th 순서의 빔을 이용하여 51.6°의 빔 조향각을 가지는 1차원 나노 광 위상 배열을 설계하였다. 또한 각 채널마다 83.6μm의 경로 차를 가지는 1차원 나노 광 위상 배열을 설계하여, 6.4nm의 입력 광 파장을 변조하여, 2π의 빔 조향 작동을 하였다.