[論文レビュー] Diffraction limited centimeter scale radiator: metasurface grating antenna for phased array LiDAR

Weiqiang Xie, Jinxi Huang+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 28, 2018

Antenna Design and Analysis被引用数 8

ひとこと要約

この論文では、シリコンナ nitrideプラットフォーム上に1 cm長のメタサーフェス grating アンテナを提示しており、放射強度を chirped に制御する設計とモンテカルロ・マルコフ連鎖最適化を用いて、回折限界のビーム品質（-10 dBビーム開口角 0.02°）、90%の効率、37,000の1次元指向性利得を達成している。このデバイスにより、上部金属ミラーとアポダイズドフィッシュボーングレーティング構造を用いて、1方向放射を実現する、オンチップでCMOS準拠の位相配列LiDARが可能になる。

ABSTRACT

In this paper, we demonstrate a radiation-strength-chirped metasurface centimeter-long grating antenna, whose beam quality is approaching the diffraction limit in its footprint with 90 percent efficiency.Instead of chirping the duty cycle to tune radiation strength, which calls for non-scalable fabrication resolution, we design a 2D fish-bone surface grating with apodized width of the bone.The meta surface is made by silicon nitride on top of silicon waveguide to weakly perturb the mode. Moreover, a Monte Carlo Markov Chain(MCMC) algorithm is implemented to design the radiation strength profile, making the optimized trade off between efficiency, beam quality and fabrication challenge. A metal mirror is designed to deposit on the top of the cladding for unidirectional upside-down radiation and uniform lateral gain. For the 1cm grating, our design is for a 0.01 degree beam with 37000 1D directional gain and 90% efficiency, with 200nm feature size. Finally, we fabricated the antenna and measured the beam quality with Fourier imaging system, which gives result of 0.02 degree -10dB beam divergence. To the best of our knowledge, this is the state-of-the-art on-chip antenna with CMOS- foundry-compatible technology.

研究の動機と目的

• 位相配列LiDAR向けに、回折限界のビーム品質を実現する小型でオンチップのアンテナを開発すること。
• 大口径領域における正確な放射強度制御を達成するためのプロセススケーラビリティの課題を克服すること。
• ビーム形成と高い指向性を実現するためのアポダイズド幅変調を施したメタサーフェス grating を設計すること。
• 上部金属ミラーを統合して一方向放射と一様な横方向利得を実現すること。
• CMOSプロセスで作製可能なプロセスを用いて、高い効率と優れたビーム品質を達成すること。

提案手法

• シリコン波ガイド上にシリコンナ nitride 層を形成し、その上にアポダイズド幅を有する2次元フィッシュボーン表面 grating を設計し、ガイドモードを弱く摂動させる。
• グレーティング全体にわたりデューティーサイクルを調整することで、放射強度をchirped（周波数変調）したプロファイルを実装する。
• ビーム品質、指向性、プロセス制約のトレードオフを最適化するために、モンテカルロ・マルコフ連鎖（MCMC）アルゴリズムを用いる。
• クラッド上に上部金属ミラーを堆積させ、一方向で上向きの放射を可能にするとともに、逆方向ローブを抑制する。
• CMOS準拠プロセスを用いて200 nmの特徴寸法でデバイスをプロトタイピングする。
• 遠方場放射パターンを測定するためのフーリエイメージングシステムを用いて、ビーム品質を実験的に検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 センチメートルスケールのオンチップアンテナが、メタサーフェス grating 設計を用いて回折限界のビーム品質を達成できるか？
• RQ2 プロセスでサブ波長分解能を必要とせずに、大口径領域にわたり放射強度を正確に制御する方法は何か？
• RQ3 ビーム品質、効率、プロセス実装可能性の最良なトレードオフを実現する最適化手法は何か？
• RQ4 上部金属ミラーは、平面波ガイド構造において、一方向放射と一様な横方向利得を効果的に実現できるか？
• RQ5 CMOS準拠プロセスは、高利得・低開口角のオンチップLiDARアンテナのプロダクションをどの程度サポートできるか？

主な発見

• プロトタイプ化された1 cmのメタサーフェス grating アンテナは、-10 dBビーム開口角が0.02°に達し、ほぼ回折限界の性能を示している。
• アンテナは90%の放射効率を示しており、LiDAR用途における電力効率の向上が顕著に見られる。
• 1次元指向性利得は37,000に達しており、ビームの高濃縮性と高い角度分解能が確認された。
• MCMCで最適化された放射強度プロファイルは、200 nmのプロセス制約を満たしつつ、効果的なビーム形成を可能にした。
• 上部金属ミラーは逆方向放射を効果的に抑制し、一様な横方向利得を伴う一方向放射を実現した。
• 設計は完全にCMOSファブリケーションプロセスと互換性があり、オンチップ位相配列LiDARシステムへのスケーラブルな統合を可能にした。