[논문 리뷰] SiN-on-SOI Optical Phased Array LiDAR for Ultra-Wide Field of View and 4D Sensing

Baisong Chen, Yingzhi Li외 12명|arXiv (Cornell University)|2024. 01. 09.

Advanced Optical Sensing Technologies참고 문헌 33인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 160°의 초광대 시야와 4D sensing을 위한 Vernier 기반 트랜시버를 갖춘 SiN-on-SOI 광학 위상 배열 LiDAR 설계를 소개하여, FMCW LiDAR를 이용한 균일한 빔 품질과 5.5-mm 거리 측정 정확도를 달성한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 널리 확장된 FoV에서 빔 파워를 유지하는 솔리드-스테이트 OPA로 자율 이미징을 촉진한다.
• 3-dB 미만의 전력 변화로 160° FoV를 달성하기 위한 연결된 빔형 안테나와 Vernier 개념을 제안한다.
• 다른 피치를 갖는 두 OPA를 단일 기판에 일체화하여 준동축 Vernier OPA 트랜시버를 구성한다.
• 3D 이미징 및 속도 측정(4D sensing)을 위한 FMCW LiDAR를 시연한다.

제안 방법

• 넓은 탐색 각도에서 빔 파워를 균일하게 하는 체인드 그래팅 안테나 설계.
• 준동축 동작을 위한 다른 피치를 갖는 두 OPA를 통합하여 Vernier OPA 구성을 구현.
• 5.5-mm 정확도의 3D 거리 측정을 위한 FMCW LiDAR 응용.
• 평탄한 빔 파워 프로파일로 임의의 탐색 각도에서 균일한 빔 품질 달성.
• 넓은 FoV의 3D 이미징을 위한 Vernier OPA LiDAR의 실험적 시연.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초광대 FoV에서 균일한 빔 파워를 제공하는 체인드 그래팅 안테나가 가능할까?
• RQ2 Vernier OPA 트랜시버가 160° FoV에서 3D 이미징을 위한 준동축 빔 스티어링을 가능하게 할까?
• RQ3 제안된 OPA를 사용한 FMCW LiDAR의 거리 측정 정확도는 어느 정도일까?
• RQ4 동시에 속도 측정을 통해 시스템이 4D sensing을 지원할 수 있을까?

주요 결과

• 160° FoV에서 필드 전체에 걸쳐 빔 파워 변화가 3-dB 미만으로 달성된다.
• 평탄한 빔 파워 프로파일로 임의의 탐색 각도에서 균일한 빔 품질을 시연한다.
• FMCW LiDAR 구성에서 5.5 mm의 거리 측정 정확도.
• 넓은 FoV를 위한 3D 이미징에서의 Vernier OPA LiDAR의 최초 실험적 구현.
• 서로 다른 피치를 갖는 두 OPA의 단일 기판 통합으로 준동축 Vernier 트랜시버를 형성한다.