[논문 리뷰] Diffraction limited centimeter scale radiator: metasurface grating antenna for phased array LiDAR

Weiqiang Xie, Jinxi Huang외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 09. 28.

Antenna Design and Analysis인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 실리콘 질화물 플랫폼에 구현된 1cm 길이의 메타표면 격자 안테나를 제시하며, 방사 강도가 치르프된 설계와 몬테카를로 마르코프 체인 최적화를 통해 0.02°의 -10 dB beam 분산, 90%의 효율성, 37,000의 1차원 직접성 이득을 달성하며 회절 한계에 도달하는 빔 품질을 구현한다. 이 장치는 상부 금속 거울과 아포다이즈드 물고기 뼈 격자 구조를 통해 단방향 복사가 가능하며, 칩 내부에 통합된 CMOS 호환성 펄스 배열 LiDAR를 실현한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 편미분 한계를 갖는 빔 품질을 갖춘 소형 칩 내부 안테나를 개발하기 위해.
• 큰 아포터처에서 정밀한 방사 강도 제어를 달성하는 데 있어 제조 가용성 도전 과제를 극복하기 위해.
• 빔 형상 조절과 고직도를 위한 아포다이즈드 폭 조절을 갖춘 메타표면 격자 설계를 위해.
• 단방향 복사를 위해 상부 금속 거울과 균일한 횡방향 이득을 확보하기 위해.
• CMOS 제조 공정 호환 기술을 사용하여 고효율성과 높은 빔 품질을 달성하기 위해.

제안 방법

• 유도 모드를 약간 교란시키기 위해 실리콘 웨이브가이드 위에 실리콘 질화물 층에 2차원 물고기 뼈 표면 격자를 아포다이즈드 폭으로 설계한다.
• 격자 전역에서 듀티 사이클을 조절하여 방사 강도 치르프 프로파일을 적용함으로써 방사 강도를 제어한다.
• 빔 품질, 직접성, 제조 제약 조건 간의 트레이드오���을 최적화하기 위해 몬테카를로 마르코프 체인(MCMC) 알고리즘을 사용한다.
• 상부 금속 거울을 클래딩에 증착하여 단방향 상향 복사를 가능하게 하고 후방 빔을 억제한다.
• CMOS 호환 공정을 사용하여 200 nm 특징 치수로 제조한다.
• 원추형 이미징 시스템을 사용하여 장거리 복사 패턴을 측정함으로써 빔 품질을 실험적으로 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 1cm 스케일의 칩 내부 안테나가 메타표면 격자 설계를 통해 회절 한계에 도달하는 빔 품질을 달성할 수 있는가?
• RQ2 제조 시 하위 파장 해상도가 필요 없이 큰 아포터처 전역에서 방사 강도를 정밀하게 제어할 수 있는가?
• RQ3 빔 품질, 효율성, 제조 가능성 간의 최적 트레이드오프를 달성할 수 있는 최적화 방법은 무엇인가?
• RQ4 상부 금속 거울이 평판 웨이브가이드 구조에서 단방향 복사와 균일한 횡방향 이득을 효과적으로 가능하게 하는가?
• RQ5 CMOS 호환 공정이 고이득, 저분산 칩 내부 LiDAR 안테나의 제조를 어느 정도 지원할 수 있는가?

주요 결과

• 제작된 1cm 메타표면 격자 안테나는 -10 dB 빔 분산이 0.02°를 기록하여 거의 회절 한계 성능을 나타낸다.
• 안테나는 90%의 방사 효율성을 보이며, LiDAR 응용 분야에서 전력 전달 성능을 크게 향상시킨다.
• 1차원 직접성 이득은 37,000에 도달하여 고집중 빔과 높은 각도 해상도를 확인한다.
• MCMC 최적화된 방사 강도 프로파일은 200 nm 제조 제약 조건을 준수하면서도 효과적인 빔 형상 조절을 가능하게 한다.
• 상부 금속 거울은 후방 복사를 성공적으로 억제하고 단방향 방출 및 균일한 횡방향 이득을 보장한다.
• 설계는 CMOS 팹 공정과 완전히 호환되어 칩 내부 펄스 배열 LiDAR 시스템의 확장 가능한 통합을 가능하게 한다.