[論文レビュー] Silicon Optical Phased Array with High-Efficiency Beam Formation over 180 Degree Field of View

Christopher T. Phare, Min Chul Shin+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 13, 2018

Photonic and Optical Devices参考文献 19被引用数 24

ひとこと要約

本論文では、クロストークを伴わずに半波長間隔で配置された分散設計を施した高屈折率対比波導路を用いることで、180°の視野角にわたって高効率なビームステアリングを実現するシリコン光フェーズドアレイを提示する。このプラットフォームは、60°のオフアクスでも1つの回折限界ビームに72%以上の光パワーを集約しており、従来の光フェーズドアレイにおけるビーム効率とステアリング角度の根本的トレードオフを克服した。

ABSTRACT

Chip-scale optical phased arrays could enable compact beam steering and LIDAR for autonomous vehicles, precision robotics, and free-space optical communications. Because these applications demand wide angle beam steering as well as high optical power in the output beam, a natural design choice would be to space the array emitters at a half-wavelength pitch, as is common in radiofrequency phased arrays. Optical phased arrays, however, unlike RF phased arrays, have been limited by the tradeoff between field of view (i.e. angle steering) and beamforming efficiency (i.e. optical power in the output beam). This tradeoff exists because optical phased arrays rely on waveguides as emitters, which suffer from strong crosstalk when placed in close proximity relative to their mode size. Here we overcome these limitations and demonstrate a platform for optical phased arrays with 180° field of view, where more than 72 percent of the power is carried in a single diffraction-limited beam even when steered up to 60° off-axis. Our platform leverages high index-contrast, dispersion-engineered waveguides spaced one half-wavelength apart without incurring crosstalk.

研究の動機と目的

• 光フェーズドアレイにおける視野角とビームフォーミング効率の根本的トレードオフを克服すること。
• LIDAR、無線通信、ロボット工学などの分野に応用可能な、コンactなチップスケールプラットフォームで、最大180°までの広角ビームステアリングを実現すること。
• 通常はクロストークを引き起こす可能性があるほど密に配置された発光素子であっても、メインビームに高い光パワーを集約すること。
• 既存のフォトニクス集積回路技術と互換性を持つスケーラブルなシリコンベースのソリューションを実現すること。

提案手法

• フェーズドアレイ全体にわたる有効屈折率とモードプロファイルを制御するため、高屈折率対比で分散設計された波導路を採用する。
• 発光素子を自由空間波長の半分（λ/2）の間隔で配置することで、RFフェーズドアレイと同様に180°の完全なビームステアリングを実現する。
• 波導路の幾何形状と屈折率を精密に設計することで、小さなモードサイズであるにもかかわらず、密に配置された発光素子間のクロストークを抑制する。
• アレイ素子全体に位相制御を実装し、180°範囲の全角度でコherentにビームをステアリングする。
• ビームパターンとパワー分布のシミュレーションおよび実験的評価を通じて、設計を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 シリコン光フェーズドアレイは、相互干渉を伴わずに180°の視野角にわたって高効率なビーム効率を達成できるか？
• RQ2 どのような波導路設計が、発光素子を半波長間隔で配置しつつ、低クロストークと高い指向性を維持できるか？
• RQ3 コンパクトで統合されたプラットフォームにおいて、大きなオフアクス角度（例：±60°）でもビームステアリング効率をどの程度維持できるか？
• RQ4 波導路の分散設計は、どのようにして広角ステアリングと1つのビームへの高パワー集中を両立できるか？

主な発見

• 60°のオフアクスにビームをステアリングした場合、全光パワーの72%以上が1つの回折限界ビームに集中している。
• プラットフォームは180°の全視野角にわたって高いビーム品質と効率を維持しており、広角ビームステアリング能力を示している。
• 半波長間隔であっても発光素子間のクロストークが抑制されており、性能劣化を伴わずに高密度統合が可能である。
• 分散設計を施した波導路の使用により、有効屈折率の制御が可能となり、高い指向性と低い側 lobes 水平が実現された。
• 実験結果は、ビームステアリング効率と角度カバレッジに関する理論的予測を確認しており、設計アプローチの妥当性を裏付けた。