LiDAR (light detection and ranging) is a technology that detects distance using light, and has recently been spotlighted in various applications such as autonomous vehicles and small robots. Among them, OPA (optical phased array) have various advantages because it can be manufactured at a chip level through a CMOS-compatible process. Previously, a LiDAR system was constructed by using OPA as a component that emits light in a desired direction, but recently, studies using OPA as a light receiving element have also been proposed. In this paper, a LiDAR system capable of measuring distance by performing transmission and reception functions simultaneously using a single OPA is proposed and verified through experiments.
First, the OPA device for a LiDAR system was designed and fabricated to beam scanning experiments. The design of the electro-optic p-i-n phase shifter was optimized in consideration of the phase tuning efficiency and optical loss. And the high-speed, low-power beam scanning operation was verified with the OPA using such electro-optic phase shifter. In addition, the phase control of OPA and the possibility of continuous beam scanning were discussed by calculating the phase error caused by the fabrication error in the Si-based optical devices.
Using the same OPA element, receiving operation was also verified and finally the bidirectional LiDAR system that simultaneously performs transmission and reception operations based on one OPA is implemented. The single-OPA-based bidirectional LiDAR system can measure distances in a wide angular range and could utilize the coherent detection methods such as FMCW. Such bidirectional LiDAR system can become a core technology for next generation OPA-based LiDAR which provides high-precision performance and compact footprint.
LiDAR(light detection and ranging)는 빛을 이용하여 거리를 탐지하는 기술로 최근 자율주행 자동차나 소형 로봇용 센서 등 여러 분야에서 각광받고 있다. 그 중 CMOS-compatible process를 통해 chip level로 제작할 수 있어 다양한 장점을 갖는 OPA(optical phased array) 기술이 활발히 연구되고 있다. 기존에는 OPA를 원하는 방향으로 빛을 방사하는 부품으로 활용하여 LiDAR 시스템을 구성하였지만 최근에는 OPA를 빛을 수광하는 요소로 활용하는 연구도 제시되고 있다. 본 논문에서는 단일 OPA를 이용하여 송신과 수신 기능을 동시에 수행함으로써 거리 측정이 가능한 LiDAR 시스템을 제안하고 실험을 통해 검증한다.
먼저, LiDAR 시스템을 위한 OPA 소자를 설계하고 제작하여 beam scanning을 실험하였다. 위상 변조 효율과 광손실을 고려하여 electro-optic 방식의 p-i-n phase shifter의 설계를 최적화하였으며, 이를 적용한 OPA로 고속, 저전력 beam scanning 동작을 검증하였다. 또한 Si 기반의 광소자에서 공정 오차에 의해 발생하는 위상 오차를 계산하여 OPA의 위상 제어와 연속적인 beam scanning 가능성에 관해 논의하였다.
같은 구조의 OPA 소자를 활용하여 수광이 가능함을 실험하였으며, 최종적으로 하나의 OPA에 기반하여 송신, 수신 동작을 동시에 수행하는 양방향 LiDAR 시스템을 구현하였다. 해당 단일 OPA 기반 양방향 LiDAR 시스템은 넓은 각도 범위의 거리 측정이 가능하며 FMCW 등 coherent detection 방식에 적용이 용이하다. 이러한 시스템은 향후 고정밀, 고집적 OPA 기반 LiDAR를 구현하는 핵심기술이 될 수 있다.
