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Integrated coherent LiDAR with broadband low-noise-laser-driven, multidimensionally multiplexed passive beam steering

본 논문은 자기 주입 잠금 외부 공진기 레이저와 다차원적으로 멀티플렉싱된 수동 분산형 광 위상 배열을 결합하여, 소스의 결맞음과 수동 공간 멀티플렉싱을 공동 최적화함으로써 넓은 시야각, 초협대역 선폭, 그리고 고정밀 거리 측정을 달성하여 확장성 병목 현상을 극복하는 하이브리드 통합 코히어런트 LiDAR 시스템을 제시한다.

원저자: Linjie Zhou, Siyu E, Qiqi Yuan, Yuyao Guo, Xinhang Li, Chang Li, Weihan Xu, Minhui Jin, yanyang zhou, Yu Li, Liangjun Lu, Wan-Su Bao, Jianping Chen

게시일 2026-08-18

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CC BY 4.0

원저자: Linjie Zhou, Siyu E, Qiqi Yuan, Yuyao Guo, Xinhang Li, Chang Li, Weihan Xu, Minhui Jin, yanyang zhou, Yu Li, Liangjun Lu, Wan-Su Bao, Jianping Chen

원본 논문은 CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) 라이선스로 제공됩니다. ✨ 이것은 아래 논문에 대한 AI 생성 설명입니다. 저자가 작성하거나 승인한 것이 아닙니다. 기술적 정확성을 위해서는 원본 논문을 참조하세요. 전체 면책 조항 읽기

자동차, 드론, 또는 로봇이 단순히 사진을 찍는 것이 아니라, 마주치는 모든 물체까지의 정확한 거리를 측정함으로써 주변 환경을 3차원으로 "볼" 수 있는 세상을 상상해 보십시오. 이것은 LiDAR(라이더)라고 불리는 기술의 약속입니다. LiDAR는 빛의 반사 강도에 의존하는 카메라 대신, 레이저 펄스를 발사하고 빛이 되돌아오는 데 걸리는 시간을 측정합니다. 내비게이션을 위해 이 시스템이 작동하려면, 레이저 빔을 좌, 우, 상, 하로 넓은 영역에 걸쳐 훑으면서 동시에 극도로 정밀하게 거리를 계산할 수 있어야 합니다. 수년 동안 엔지니어들은 이러한 시스템을 차량이나 드론에 들어갈 만큼 작게 만드는 데 어려움을 겪어 왔습니다. 전통적인 방식은 빔을 조향하기 위해 거대한 전자 스위치 배열을 필요로 하는데, 이는 부피가 크고 전력을 많이 소비하며 과열되기 쉽습니다. 과제는 무겁고 복적인 기계식 팔이나 혼란스러운 전자 제어 장치의 숲을 사용하지 않고 레이저 빔을 움직이는 방법을 찾는 것이었습니다.

상하이 교통대학교의 연구진은 레이저 빔을 조향하는 방식을 바꿈으로써 이 문제를 해결하는 새로운 접근 방식을 시연했습니다. 빔을 밀어내기 위해 수천 개의 전자 스위치를 사용하는 대신, 그들은 빛의 색상, 즉 파장을 변화시켜 레이저 빔을 움직이는 시스템을 구축했습니다. 이것은 간단해 보이지만, 매우 특별한 종류의 레이저를 필요로 합니다. 레이저는 넓은 범위를 빠르게 훑을 수 있어야 하면서도, 빛의 주파수가 매우 안정적이고 조용해야 합니다. 왜냐하면 빛의 떨림이나 노이즈는 거리 측정을 망칠 수 있기 때문입니다. 연구진은 넓은 가시 범위를 확보하기 위해 두 가지 서로 다른 기술을 결합한 하이브리드 레이저를 만들었습니다. 장치의 한 부분은 넓은 영역을 스캔하는 데 필요한 넓은 색상 범위를 선택하고, 두 번째 부분은 측정이 정밀하도록 빛을 단일하고 초순수한 톤으로 고정합니다. 이 결합을 통해 레이저는 66나노미터의 파장 범위를 훑으면서도 50헤르츠만큼 좁은 선폭을 유지할 수 있었는데, 이는 이처럼 넓은 튜닝 범위에서는 보기 드문 안정성 수준입니다.

그들의 발명품 중 두 번째 부분은 실제로 빛을 세상 밖으로 내보내는 장치입니다. 대부분의 고급 시스템에서 이 부분은 빔을 움직이기 위해 복잡한 전기 배선이 필요한 능동형 미러 또는 스위치 배열입니다. 연구진은 이를 움직이는 부품이나 표면에 전자 제어가 없는 순수 수동형 장치로 대체했습니다. 대신, 그들은 표면에 미세하게 새겨진 패턴인 경사 격자(slanted gratings)가 있는 칩을 설계했습니다. 레이저 빛이 이 패턴에 부딪히면 회절, 즉 특정 방향으로 굴절됩니다. 연구진은 다차원 멀티플렉싱이라는 영리한 기법을 사용하여 시스템을 훨씬 더 효율적으로 만들었습니다. 그들은 동일한 색상의 빛이 어떤 입력 포트로 들어오는지, 어느 방향으로 진행하는지, 그리고 편광 상태가 어떠한지에 따라 서로 다른 방향으로 나갈 수 있도록 장치를 배치했습니다. 이를 통해 더 넓은 레이저나 더 큰 칩 없이도 동일한 색상 범위를 16번 재사용할 수 있었고, 결과적으로 시스템이 볼 수 있는 서로 다른 방향의 수를 효과적으로 배가시켰습니다.

연구진이 실제 환경에서 이 결합된 시스템을 테스트했을 때, 결과는 놀라웠습니다. 그들은 다양한 거리와 높이의 계단형 타겟을 설치하고 레이저로 스캔했습니다. 특수 잠금 기술이 없는 표준 모드에서는 시스템이 거리를 정확히 짚어내는 데 어려움을 겪었으며, 측정값의 편차가 최대 8.39센티미터에 달했습니다. 그러나 측정을 안정화하기 위해 자기 주입 잠금(self-injection locking) 방식을 활성화하자, 정밀도가 극적으로 향상되었습니다. 측정값의 편차는 단 0.97센티미터로 줄어들었으며, 이는 8배 이상의 개선입니다. 이러한 정확도는 타겟을 훨씬 더 멀리, 최대 23.7미터까지 이동시켜도 유효했습니다. 그 거리에서 시스템은 29센티미터의 정밀도를 유지했는데, 이는 안정화되지 않은 버전보다 6배 더 나은 수치입니다. 또한 연구진은 시스템이 한 지점에서 다른 지점으로 시야를 전환하는 속도를 측정했습니다. 빔 조향이 전자 스위치를 움직이는 대신 레이저의 색상을 바꾸는 방식에 의존하기 때문에, 시스템은 약 28마이크로초 만에 시선을 돌릴 수 있었으며, 이 속도는 레이저 내부 구성 요소가 가열되고 냉각되는 속도에 의해서만 제한되었습니다.

이 연구의 의의는 3D 센서 전체의 구조를 얼마나 단순화할 수 있는지에 있습니다. 빔을 조향하는 복잡한 작업을 거대한 전자 제어 배열에서 하나의 스마트한 레이저로 넘김으로써, 시스템은 훨씬 더 작고 가벼우며 에너지 효율적이 됩니다. 발사 장치의 수동적 특성은 전형적인 능동형 전자 배열을 괴롭히는 열을 발생시키지 않으므로, 전력이 부족하거나 냉각이 어려운 환경에 적합합니다. 연구진은 더 넓은 외부 광원을 사용하여 테스트했을 때 수평 110도, 수직 90도의 시야각을 보여주었으며, 이는 칩의 물리적 설계가 매우 넓은 영역을 볼 수 있음을 시사합니다. 현재 실험에서는 특정 레이저 범위를 사용했지만, 근본적인 설계 원칙은 추가적인 확장을 가능하게 합니다. 이 접근 방식은 컴팩트한 솔리드 스테이트(solid-state) LiDAR 시스템을 자동차 앞 유리에 내장하거나 작은 드론의 몸체에 삽입할 수 있는 명확한 경로를 제시하며, 이전 세대의 육중함과 전력 요구 사항 없이 고정밀 3D 센싱을 더 넓은 범위의 응용 분야에 가져올 수 있게 합니다.

기술 요약: 광대역 저잡음 레이저 구동, 다차원 멀티플렉싱 기반 수동 빔 스티어링이 통합된 코히어런트 LiDAR

문제 정의
주파수 변조 연속파(FMCW) LiDAR는 공간적, 코히어런트 거리 측정 및 속도 데이터를 제공함으로써 칩 스케일 3D 센싱을 향한 유망한 경로를 제시한다. 그러나 그 확장성은 두 가지 결합된 병목 현상에 의해 저해된다:

빔 스티어링 복잡성: 능동형 광학 위상 배열(OPA)은 방대한 수의 위상 변위기를 필요로 하며, 이는 높은 전력 소비, 열 크로스토크 및 복잡한 전기적 구동 오버헤드로 이어져 고해상도, 광시야각(FOV) 시스템을 위한 확장성을 제한한다.
소스 제약: 수동 파장 스티어링 OPA는 파장을 각도로 매핑하여 제어를 단순화하지만, 광원에 무거운 부담을 지운다. 이러한 시스템은 넓은 각도 범위를 위해 넓은 튜닝 범위와 정밀한 코히어런트 거리 측정을 위한 극도로 낮은 주파수 노이즈/높이 선형 칩(chirp linearity)을 동시에 지원하는 레이저를 필요로 한다. 기존의 집적 레이저는 이 두 가지를 모두 충족하기 어렵다. 자기 주입 잠금(Self-injection-locked, SIL) 레이저는 우수한 코히어런스를 제공하지만 튜닝 범위가 제한적이며, 외부 공진기 레이저(ECL)는 넓은 튜닝 범위를 제공하지만 더 높은 주파수 노이즈를 겪는다. 또한, 기존의 수동 분산 OPA는 일반적으로 하나의 파장을 하나의 공간 지점에 매핑하므로, 레이저의 스펙트럼 대역폭 대비 공간 샘플링 용량을 제한한다.

방법론
저자들은 이러한 제약들을 분리하기 위해 광원과 빔 스티어링 메커니즘을 공동 설계한 하이브리드 집적 코히어런트 LiDAR 아키텍처를 제안한다.

소스 (SILECL): 시스템은 자기 주입 잠금 외부 공진기 레이저(SILECL)를 활용한다. 이 하이브리드 레이저는 반사형 반도체 광증폭기(RSOA)와 실리콘 질화물(Si $_3$ N $_4$ ) 포토닉 칩을 통합한다.
- 광대역 선택: 외부 공진기 섹션의 가변 사그낙 루프(TSL)와 버니어 필터(두 개의 마이크로링 공진기, MRR1 및 MRR2)는 광대역 파장 선택을 위한 넓은 자유 스펙트럼 범위(FSR)를 제공한다.
- 선폭 압축: 빛의 일부는 고품질 계수(high-Q) 마이크로링 공진기(MRR3)를 특징으로 하는 자기 주입 잠금(SIL) 섹션으로 유도된다. 위상 변위기(PS2)를 공진에 맞게 조정함으로써 레이저 모드가 잠겨 주파수 노이즈를 억제한다.
- 작동: FMCW 작동 중, 삼각형 전압 램프가 MRR3를 열적으로 구동한다. 레이징 모드는 움직이는 공진에 따라 지속적으로 끌려가고 단단하게 잠겨, 낮은 위상 노이즈를 유지하면서도 매우 선형적인 주파수 칩을 생성한다.
빔 스티어링 (수동 다차원 OPA): 에미터는 가용 스펙트럼 대역폭의 효용을 극대화하도록 설계된 순수 수동 2D 분산 OPA이다.
- 다차원 멀티플렉싱: 아키텍처는 16배의 스펙트럼 재사용(4 $\times$ $\times$ 2 $\times$ $\times$ 2)을 달성하기 위해 세 가지 별도의 멀티플렉싱 메커니즘을 채택한다:
  1. 경사 격자(Slanted Gratings): 서로 다른 경사각을 가진 4개의 서브 어레이가 수평 빔을 4개의 별도 공간 섹터로 스티어링한다 (4배 확장).
  2. 양방향 여기(Bidirectional Excitation): 격자 어레이 양측으로부터의 입력을 통해 수평 스캐닝 범위를 두 배로 늘린다 (2배).
  3. 편광 멀티플렉싱(Polarization Multiplexing): TE 및 TM 모드를 사용하여 독립적인 종방향 스캐닝 궤적을 생성한다 (2배).
- 설계: OPA는 격자 로브(grating lobes)를 억제하고 주 로브 에너지를 극대화하기 위해 높은 충전율(fill-factor, ~0.91)을 가진 Si $_3$ N $_4$ -on-SOI 플랫폼 상의 롱-그레이팅 안테나를 사용한다.

주요 기여

분리된 소스 설계: SILECL은 광대역 파장 선택(외부 공진기)과 선폭 안정화(자기 주입 잠금)를 성공적으로 분리하여, 66-nm 튜닝 범위와 sub-100-Hz 고유 선폭(최소 50 Hz)을 달성했다.
수동 스펙트럼 효율: 다차원 멀티플렉싱 전략은 "하나의 파장-하나의 지점" 제한을 극복하여, 능동 위상 변위기 없이도 단일 튜닝 대역폭으로부터 16개의 별도 각도 채널을 가능하게 한다.
시스템 통합: 제어 복잡성을 줄이면서 높은 거리 측정 정밀도를 유지하는 완전한 솔리드 스테이트 칩 스케일 코히어런트 LiDAR의 시연을 결합하였다.

결과

레이저 성능: SILECL은 66-nm 튜닝 범위(1544–1610 nm)를 달성했다. SIL 상태에서 고유 선폭은 ~50 Hz로 감소하였으며(비-SIL 상태의 ~1.2 kHz와 비교), 이는 중간-저주파 노이즈의 2-오더(two-order) 감소를 나타낸다.
칩 선형성: 자기 주입 잠금은 튜닝 범위 전체에서 99.9% 이상의 FMCW 스윕 선형성을 개선했다.
빔 스티어링: 외부 184-nm 파장 스윕을 통해 특성화된 수동 OPA는 110° $\times$ 90°의 시야각(FOV)을 보여주었다. 시스템은 16배의 스펙트럼 재사용을 달성했다.
거리 측정 정밀도:
- 2.1 m 거리에서, 거리 측정 정밀도는 8.39 cm(비-SIL)에서 0.97 cm(SIL)로 개선되어 8배 이상의 향상을 보였다.
- 23.7 m 거리에서, SIL 상태는 거리 편차를 약 1 m(비-SIL)에서 약 9 cm로 줄였으며, 29 cm의 정밀도를 기록했다(6배 개선).
- 23.7 m에서의 비트 노트 SNR(beat-note SNR)은 주파수 노이즈 감소 덕분에 5.4 dB에서 20.5 dB로 증가했다.
동적 응답: 빔 편향 시간은 히터의 열-광학적 튜닝 응답에 의해 주로 제한되며, 약 28.2 $\mu$ s로 측정되었다.

의의 및 주장
본 논문은 광대역 저잡음 스웹트 소스와 수동 스펙트럼 빔 스티어링이 공동 최적화된 포토닉 아키텍처를 구축한다고 주장한다. 이러한 공동 설계 원칙은 전통적인 능동 OPA의 확장성 한계와 표준 ECL의 코히어런스 한계를 해결한다.

저자들은 이 연구를 능동적인 위상 배열으로부터 단일 튜닝 레이저로 공간 스티어링을 오프로딩함으로써 SWaP(크기, 무게, 전력)를 크게 줄이는, 완전한 솔리드 스테이트 칩 스케일 코히어런트 LiDAR를 향한 실질적인 경로로 포지셔닝한다. 에미션 어퍼처의 순수 수동 특성은 열적 견고성과 모놀리식 집적(예: 자기-광학 순환기)과의 호환성을 강조하며, 이는 전통적인 능동 OPA가 과도한 전력 및 열적 문제에 직면하는 마이크로 UAV, 군집 로보틱스, 자동차 시스템과 같은 제약이 있는 플랫폼에 대한 배포 가능성을 시사한다. 본 연구는 모든 LiDAR 과제를 해결한다고 주장하는 것이 아니라, 소스의 코히어런스와 스티어링 복잡성을 분리하는 특정 경로를 입증하는 것이다.

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