Optical phased arrays (OPA) are very stable, rapid and precise beam steering without moving parts in LiDAR (Light Detection and Ranging) systems. In many cases, wavelength steering is used for longitudinal beam steering. But wavelength steering has a limitation that integrated tunable laser source is needed. So we introduce effective index steering method. To change the effective index of the grating region, thermo-optic effect is used because silicon has a large thermo optic coefficient being $1.86×10^{-4}K$ at 1550nm wavelength.
At the same manner, tunable grating coupler is introduced for broadband operation using thermo-optic effect in silicon. In this research, as a thermo optic heater, a p-n diode is employed to joule heating by forward current injection. We suggest that this method is applied on the grating radiator for longitudinal beam steering.
In this paper, the one element tunable grating radiator for longitudinal beam steering using thermo optic is demonstrated. Above all, Find suitable grating radiator’s design parameters using FDTD (Finite Differential time domain) simulation. Under this conditions, we fabricate the device and package the device for far-field measurement. As a results, the beam steering efficiency is 0.49 degree per 0.01 effective index increase. Under forward biasing 7.7 V, the maximum longitudinal steering angle is 3.14 degree. Above forward biasing 7.7 V, the device is destroyed because of metal contact melting point. To achieve longitudinal steering angle 3.14 degree, the wavelength is tuned 35nm using wavelength steering. In other words, the effective index steering has an effect that wavelength steering of 35nm tuning.
In conclusion, the effective index steering method replaced the wavelength steering method by improving beam steering efficiency. There is no need to integrated tunable laser source. It means that the effective index steering method is CMOS(complementary metal-oxide semiconductor) compatible process. Also, the effective index steering is applied on the 1-dimensional phased array grating radiator. Therefore, the effective index steering is promising beam steering method in optical phased arrays.
본 연구에서는 기존의 넓은 밴드를 사용하기 위해 제안된 변조 가능한 광 격자 커플러를 실제 라이다 시스템에서의 광 격자 방사기로서 사용될 수 있는 지에 대한 검증을 시작으로 진행되었다. 격자 구조는 커플러로 사용될 때와 방사기로 사용될 때 물리적인 동작 방식이 다르기 때문에 이를 분석하기 위한 노력을 했다. 방사기로 사용될 광 격자 커플러는 기존 논문들에서는 광 위상 배열 형태의 끝 단에서 종 방향이나 횡 방향 빔 조향을 위한 구조로 사용되어 왔다. 특히 종 방향 빔 조향을 위해서 주로 파장 변조 방식을 사용했는데 본 연구에서는 이러한 방식의 빔 조향은 변조 가능한 레이저 광원을 집적화 시켜야 한다는 어려운 점이 있어서 유효 굴절률 조향 방식을 채택했다.
광 격자 부분의 유효 굴절률을 변화시키기 위해 실리콘의 열 광학 계수($\partial n/\partial T$ = 1.86 ×10^{-4}K^{-1}$)가 상대적으로 높기 때문에 pn 접합에 순방향 전류를 흘려주어 열을 방생시켜 유효 굴절률을 증가시키는 열 광학 효과를 이용했다. 어느 순간이상의 전류가 흐르게 되면 소자가 물리적으로 파괴되는 현상이 일어나 최대로 줄 수 있는 전력대비 종 방향으로 조향되는 각도를 구하기 위한 연구를 시작했다.
우선적으로 시뮬레이션을 통해 광 격자 방사기에 영향을 줄 수 있는 설계 변수들을 정리해서 실제 소자 제작 시에 이러한 변수들을 최적화했고 기존 방식인 파장 변조 방식과 유효 굴절률 조향 방식을 서로 비교하여 시뮬레이션을 진행했고 결과적으로 유효 굴절률 조향 방식도 종 방향 빔 조향을 하는 것에 큰 문제가 없었다.
최종적으로 소자 제작 및 패키징을 통해 실제 광 격자 방사기에서 나온 빛의 far-field 패턴을 분석했고 실제 측정 결과에서도 파장으로 종 방향 각도를 조향하는 방법과 유효 굴절률을 변화시켜 종 방향 각도를 조향하는 방법을 서로 비교 분석했다. 그 결과 유효 굴절률 조향 방식으로 최대 $3.14 \circ$ 를 조향 가능하다는 것을 산출해냈다. 이를 파장 조향 방식으로 환산하면 약 35 nm의 파장 변조를 해야 가능한 각도이고 다시 말해서 유효 굴절률 조향 방식은 파장 35 nm의 변조효과가 있다는 것을 보였다.
이는 라이다 시스템에서 기존 파장 조향 방식이 아닌 유효 굴절률 조향 방식을 채택함으로써 종 방향 조향을 가능하다는 것을 뜻한다. 앞으로 더 높은 열 효율을 달성함과 동시에 하나의 방사기가 아니라 1-dimensional한 배열 형식의 방사기를 통해 횡 방향 조향도 가능하다는 것을 보일 것이다.
