[논문 리뷰] Silicon Optical Phased Array with High-Efficiency Beam Formation over 180 Degree Field of View

Christopher T. Phare, Min Chul Shin외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 02. 13.

Photonic and Optical Devices참고 문헌 19인용 수 24

한 줄 요약

이 논문은 간섭 없이 180° 시야 범위에서 고효율 빔 스티어링을 달성하는 실리콘 광학 위상 배열을 제시한다. 이는 산란 설계된 고반사율 대비 파동도파로를 반파장 간격으로 배치하여 실현된다. 플랫폼은 60° 이격된 상태에서도 단일 회절 제한 빔에 72% 이상의 광학적 출력을 유지하며, 기존의 광학 위상 배열에서 흔히 발생하는 빔 효율과 스티어링 각도 사이의 상충 관계를 극복한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 광학 위상 배열에서 시야 범위와 빔형성 효율 사이의 근본적 상충 관계를 극복하기 위해.
• LIDAR, 공간 통신, 로봇 공학 등 응용 분야를 위해 소형 칩 규모 플랫폼에서 최대 180°까지 광범위한 각도로 빔 스티어링을 가능하게 하기 위해.
• 일반적으로 간섭을 유발하는 고밀도 배치의 발진기들 사이에서도 주 빔에 높은 광학적 출력을 달성하기 위해.
• 기존 광학 집적 회로 기술과 호환되는 확장 가능한 실리콘 기반 솔루션을 제공하기 위해.

제안 방법

• 배열 전반에 걸쳐 효과적 굴절률과 모드 프로파일을 제어하기 위해 고반사율 대비 산란 설계 파동도파로를 활용한다.
• RF 위상 배열과 유사하게 파동도파로 발진기를 정확히 자유공간 파장의 반(λ/2) 간격으로 배치하여 전체 180° 빔 스티어링을 가능하게 한다.
• 발진기 간 간섭을 억제하기 위해 파동도파로 기하학적 형상과 굴절률을 정밀하게 설계함으로써, 작고 밀도 높은 모드 크기에도 불구하고 성능 저하 없이 작동한다.
• 배열 요소 전반에 걸쳐 위상 제어를 구현하여 180° 범위 내 모든 각도에서 빔을 간섭형으로 스티어링한다.
• 모델링 시뮬레이션과 빔 패턴 및 전력 분포의 실험적 특성 분석을 통해 설계를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실리콘 광학 위상 배열이 간섭 없이 180° 시야 범위에서 고효율 빔 스티어링을 달성할 수 있는가?
• RQ2 어떤 파동도파로 설계가 발진기 간 반파장 간격을 유지하면서도 낮은 간섭과 높은 정렬도를 달성할 수 있는가?
• RQ3 소형 통합 플랫폼에서 큰 이격 각도(예: ±60°)에서도 빔 스티어링 효율을 어느 정도 유지할 수 있는가?
• RQ4 파동도파로의 산란 설계가 어떻게 광범위한 각도 스티어링과 단일 빔에 대한 고집중 광출력을 동시에 가능하게 하는가?

주요 결과

• 60° 이격된 상태에서 전체 광학 출력의 72% 이상이 단일 회절 제한 빔에 집중된다.
• 플랫폼는 전체 180° 시야 범위에서 고품질 빔과 높은 효율을 유지하며, 광범위한 각도 스티어링 능력을 입증한다.
• 반파장 간격임에도 불구하고 발진기 간 간섭이 억제되어, 성능 저하 없이 고밀도 통합이 가능하다.
• 산란 설계 파동도파로의 사용은 고직도 및 낮은 부가 빔 수준을 가능하게 하는 효과적 굴절률 제어를 가능하게 한다.
• 실험 결과는 빔 스티어링 효율과 각도 커버리지에 대한 이론적 예측을 확인하며, 설계 접근법의 타당성을 입증한다.