As the need for 3D image sensors in unmanned vehicles, robots and drones increases, LiDAR (light detection and ranging) technology capable of acquiring 2D images and depth information using light is attracting attention. In the conventional LiDAR technique, a mechanical spinning method is mainly used, but these methods are difficult to miniaturize and have low durability. In order to solve such problems, researches on a semiconductor-based solid-state optical phased array (OPA) have been actively conducted. In most optical phase arrays, beam-steering in the transversal direction is achieved by electrically controlling the phase of each channel. In the case of beam-steering in the longitudinal direction, it is achieved by using a phased array using a 2D array, or by changing the wavelength of light and controlling the Bragg-condition of the radiator. In the case of using a 2D array, it is difficult to obtain a wide beam-steering range because it is physically difficult to reduce the gap between the radiators which determine the transversal beam-steering range. In the method of changing the wavelength of light, it is difficult to integrate a laser capable of wavelength modulation into a chip, Are sensitive to wavelengths, it is difficult to ensure the consistency of light emitted from the optical phase array.
In order to solve this problem, this paper proposes an optical phased array capable of steering a beam in a longitudinal direction using a thermo-optic effect of silicon by placing a silicon-based heater of n-i-n structure in the radiator region. In this structure, a wider longitudinal beam-steering can be achieved by arranging a multiple optical phase arrays and sequentially operating them. Silicon-based optical switches are needed to operate the optical phased array sequentially. In this paper, I also propose a compact thermo-optic switch based on silicon MMI (Multi-mode interferometer) as well as an optical phase array capable of vertical radiation angle control. The MMI optical switch is an element that operates the optical switching by using the 1x2 MMI and the n-i-n heater to adjust the interference mode of the MMI asymmetrically and using the phase difference generated therefrom.
In this paper, I examine performance of individual devices of optical phased array and MMI or MZI switch. In addition, I proposed the wide angle beam-steering optical phased array by combining two devices.
무인자동차, 로봇 및 드론에서의 3차원 영상 센서의 필요성이 증가함에 따라, 빛을 이용해 2D 영상과 depth 정보까지 획득이 가능한 LiDAR(Light detection and ranging) 기술이 관심을 받고 있다. 기존의 LiDAR 기술에서는 주로 기계식 회전 방식을 이용하였지만, 이러한 방식들은 소형화가 어렵고, 내구성이 낮다는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 반도체 기반의 solid-state 광위상배열(OPA, optical phased array)의 연구가 활발히 진행되고 있다. 대부분의 광위상배열에서 수평방향으로의 빔 스캐닝은 각 채널의 위상을 전기적으로 제어하여 이루어진다. 수직방향으로의 빔 스캐닝의 경우는 2D array를 이용한 광위상배열을 이용하거나, 빛의 파장을 바꿔 방사기의 Bragg-condition을 제어함으로써 이루어진다. 2D array를 이용하는 경우에는 방사기 사이의 간격을 줄이는 것이 물리적으로 어렵기 때문에 넓은 빔 조향각을 얻기 어렵고, 빛의 파장을 바꾸는 방식은 파장 변조가 가능한 레이저를 칩에 집적하기가 어려우며, 광위상배열을 구성하는 광소자들이 파장에 민감한 소자이므로 광위상배열로부터 방사되는 빛의 일관성을 보장하기 힘들다는 단점이 있다.
이러한 문제를 해결하기 위하여, 본 논문에서는 방사기 부분에 n-i-n 구조의 실리콘 기반 가열기를 위치시켜 실리콘의 열광학 효과를 이용하여 단일 파장으로 수직방향의 스캐닝이 가능한 광위상배열을 제안한다. 이러한 구조에서 더 넓은 수직방향 빔 스캐닝은 광위상배열을 여러 개 배치하여 순차적으로 동작시키는 방식으로 이루어질 수 있다. 광위상배열을 순차적으로 동작시키기 위해서는 실리콘 기반의 광 스위치가 필요로 한다. 본 논문에서는 수직방사각 조절이 가능한 광위상배열 뿐만 아니라, 실리콘 MMI 또는 MZI 기반의 초소형 열광학 광 스위치 또한 제시한다.
본 논문에서는 수직 빔 스캐닝이 가능한 광 위상배열과 광 스위치 개별소자의 특성을 확인하고 이 두 소자를 결합한 넓은 수직 빔 스캐닝이 가능한 광 위상배열을 제시한다.
