[論文レビュー] SiN-on-SOI Optical Phased Array LiDAR for Ultra-Wide Field of View and 4D Sensing

Baisong Chen, Yingzhi Li+12 more|arXiv (Cornell University)|Jan 9, 2024

Advanced Optical Sensing Technologies参考文献 33被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、160°の超広視野と Vernier ベースのトランシーバを備えた SiN-on-SOI 光学位相配列 LiDAR 設計を提案し、FMCW LiDAR を用いてビーム品質を均一化し、5.5-mm の測距精度を達成します。

ABSTRACT

Three-dimensional (3D) imaging techniques are facilitating the autonomous vehicles to build intelligent system. Optical phased arrays (OPAs) featured by all solid-state configurations are becoming a promising solution for 3D imaging. However, majority of state-of-art OPAs commonly suffer from severe power degradation at the edge of field of view (FoV), resulting in limited effective FoV and deteriorating 3D imaging quality. Here, we synergize chained grating antenna and vernier concept to design a novel OPA for realizing a record wide 160°-FoV 3D imaging. By virtue of the chained antenna, the OPA exhibits less than 3-dB beam power variation within the 160° FoV. In addition, two OPAs with different pitch are integrated monolithically to form a quasi-coaxial Vernier OPA transceiver. With the aid of flat beam power profile provided by the chained antennas, the OPA exhibits uniform beam quality at an arbitrary steering angle. The superior beam steering performance enables the OPA to accomplish 160° wide-FoV 3D imaging based on the frequency-modulated continuous-wave (FMCW) LiDAR scheme. The ranging accuracy is 5.5-mm. Moreover, the OPA is also applied to velocity measurement for 4D sensing. To our best knowledge, it is the first experimental implementation of a Vernier OPA LiDAR on 3D imaging to achieve a remarkable FoV.

研究の動機と目的

• 幅広い FoV 全体でビーム電力を維持する固体状態 OPAs を用いた自律イメージングの推進。
• 160° FoV を実現し、3-dB 未満の電力変動を達成する連結グレーティングアンテナと Vernier コンセプトを提案。
• 異なるピッチの2つの OPA をモノリシックに統合して準同軸 Vernier OPA トランシーバを形成。
• 3D イメージングと速度測定（4D センシング）のための FMCW LiDAR のデモンストレーション。

提案手法

• 広いシ steering 角度にわたってビーム電力を平坦化する連結グレーティングアンテナの設計。
• 準同軸動作のために異なるピッチの2つのOPAsを統合した Vernier OPA 構成の使用。
• 5.5-mm の精度を持つ3D距離測定のための FMCW LiDAR の適用。
• 平坦なビーム電力プロファイルにより、任意のステアリング角度で均一なビーム品質を実現する実装。
• 広い FoV の 3D イメージングのための Vernier OPA LiDAR の実験デモンストレーション。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超広範囲 FoV にわたってビーム電力を均一に提供する連結グレーティングアンテナは実現可能か？
• RQ2 Vernier OPA トランスシーバは 160° FoV での 3D イメージングにおいて準同軸ビームステアリングを実現できるか？
• RQ3 提案 OPA を用いた FMCW LiDAR で達成可能な測距精度はどの程度か？
• RQ4 同時速度測定を通じた 4D センシングをシステムはサポートできるか？

主な発見

• 160° FoV を実現し、場内でのビーム電力変動を 3-dB 未満に抑える。
• 平坦なビーム電力プロファイルにより任意のステアリング角度で均一なビーム品質を示す。
• FMCW LiDAR 構成における測距精度は 5.5 mm。
• 広い FoV のための 3D イメージングにおける Vernier OPA LiDAR の初の実験的実装。
• 異なるピッチを持つ二つの OPA をモノリシックに統合し、準同軸 Vernier トランシーバを形成。