Light detection and ranging(LIDAR) is promising research area which replaceable radio detecting and ranging(RADAR) system. Nano-photonic phased array (NPA) is sub-topic of LIDAR, has advantage of sta-bility, operation speed, resolution and device size compared with typical electro-mechanical rotation type LIDAR. In this research we designed wide steering angle NPA using narrow width grating radiator and narrow array gap NPA and we suggested beam steering method using physical waveguide path difference and wave-length tuning based on C-band(1.55μm) wavelength and silicon waveguide condition.
Unit grating radiator and NPA behavior are approximately calculated applying Gaussian beam model array factor model. For wavelength tuning beam-forming, linearly increasing optical path length difference is designed through each channel of waveguide. Steering angle and beam steering operation is performed by Finite-difference time domain method (FDTD) simulation.
Designed NPA is fabricated CMOS-compatible process by National Nano-fab center(NNFC). In-GaAsP External cavity laser(ECL) is used for IR light input source. Far-field pattern radiated by NPA is measured by three-step lens to IR camera system. Numerical aperture(NA) of main objective lens is 0.65. Pixel pitch and resolution of IR camera is 20μm and 640？512. Genetic algorism is applied to make phase matching condition of each radiator channel.
In conclusion, 51.6° steering angle is achieved tuning wavelength using only 0th order beam. Tuning 6.4nm using tunable source, 2π beam steering operation is performed applying 83.6μm wave guide path dif-ference in each channel.
LIDAR(Light detection and ranging) 시스템은 기존 RADAR(radio detecting and rang-ing) 시스템을 대체하기 위하여 연구되고 있는 분야이다. LIDAR의 세부 주제인 나노 광 위상 배열(Nano-photonic phased array)는 안정성, 높은 동작속도, 높은 해상도, 작은 소자 크기 등 기존의 기계 회전 방식 LIDAR에 비하여 장점이 있어 활발하게 연구되고 있다. 본 연구에서는 좁은 너비의 광 격자 방사기와 좁은 간격의 NPA를 활용한 광-조향각 NPA를 설계하고, 물리적인 광 도파로 경로 차와 C-band(1.55μm)에서의 파장 변조를 이용한 빔 조향 방법을 제안하였다.
가우시안 빔 모형과 배열 계수 모형을 통하여 단위 격자 방사기와 NPA의 특성을 근사 계산하였다. 또한, 파장 변조 빔 조향 방법을 위하여, 각 도파로 채널마다 선형적으로 증가하는 광 경로 차를 설계하였다. 빔 조향 각도 및 조향 작동을 FDTD(finite-difference time domain method) 시뮬레이션을 통하여 검증하였다.
설계된 NPA는 나노종합기술원(NNFC)의 CMOS-compatible process를 통하여 제작되었다. 제작된 NPA에서 방사되는 far-field 패턴은 IR 카메라와, 세 개의 렌즈를 통한 측정 시스템을 통하여 측정하였다. 광 입력으로는 InGaAsP ECL(external cavity laser)를 사용하였으며, 주 대물 렌즈로, 개구 수가 0.65인 렌즈를 사용하였다. 또한, 픽셀 간격과 해상도가 각각 20 μm와 640.512인 IR 카메라를 사용하였다. 유전자 알고리즘을 활용하여 각 채널의 위상을 통일하는 작업을 수행하였다.
결론으로, 0th 순서의 빔을 이용하여 51.6°의 빔 조향각을 가지는 1차원 나노 광 위상 배열을 설계하였다. 또한 각 채널마다 83.6μm의 경로 차를 가지는 1차원 나노 광 위상 배열을 설계하여, 6.4nm의 입력 광 파장을 변조하여, 2π의 빔 조향 작동을 하였다.
