광위상배열 기술은 서로 떨어진 안테나에서 방출되는 신호의 보강간섭을 통해 전자기파를 집중시킨 다음, 기계적 구성 요소 없이 자유공간에서 광신호를 조종할 수 있는 기술이다. 근래의 광자집적회로의 빠른 발전에 기반하여 만들어진 광위상배열 장치는 기계적인 관성이 없는 신호조향과 높은 응답률을 제공한다. 이러한 특성으로 인해 광위상배열 장치는 최근 들어 자율주행기술 분야에서 각광받고 있다. 자동차의 자율주행 단계는 0단계에서 5단계까지 총 여섯 단계로 구분되는데, 그 중에서 3단계를 조건부 자율주행으로, 4단계와 5단계를 완전한 자율주행이 가능한 단계로 구분한다. 현재 자율주행기술은 2단계까지만 상용화되어 있으며, 3단계 이상의 자율주행기술을 현실화하기 위해서는 주행 중인 자동차의 주위 환경을 효과적으로 모니터링할 수 있는 기술의 도움이 필수이다^[1,2].

라이다(light detection and ranging, LiDAR) 기술은 대표적인 환경 모니터링 기술로, 주위 사물의 위치뿐만 아니라 속도와 온도 등 다양한 물리적 특성을 실시간으로 모니터링할 수 있다. 그러나 현재 상용화되어 있는 기계식 라이다는 부피가 크고, 초당 처리할 수 있는 이미지 프레임의 수가 제한적이며, 가격이 고가이기에 널리 쓰이지 못하고 있다. 이러한 단점을 해결하기 위해 광위상배열 기술을 이용한 고정식 라이다에 대한 관심이 높아지고 있다. 고정식 라이다는 기계적 구성 요소가 없으므로 관성 혹은 진동에 의한 영향을 받지 않으며, 기계식 라이다와 비교하여 더 작은 부피와 높은 이미지 처리 속도, 그리고 기존의 반도체 생산설비를 이용한 저비용 대량생산이 용이하여 이를 이용할 시 자율주행기술 대중화에 기여할 수 있다^[3,4].

그림 1은 일반적인 광위상배열 장치의 모식도이다. 고정식 라이다에 적용된 광위상배열 기술은 라이다에서 방출되는 전파 신호를 다양한 각도로 방출함으로써 주위 환경을 모니터링하기 위해 소자 사이즈로 소형화하여 사용한다. 광위상배열 소자에 주입된 신호는 광분배기를 통해 여러 채널로 분배되고, 각각의 채널을 따라 전파되면서 위상이 변조된 신호는 서로 인접한 채널로 이루어진 안테나를 통해 자유공간으로 방출된다. 이 안테나는 종단방출(end-fire) 배열을 따르는데, 이 구조는 신호의 전파손실을 줄이고 광위상배열 장치의 설계를 단순화하는데 유리할 뿐만 아니라 안테나 상단에 나노공정을 가함으로써 신호를 광위상배열 소자에 수직한 방향으로 신호를 방출하여 2차원 신호조향을 구현할 수도 있다^[5-8]. 종단방출 배열 안테나와 자유공간 사이의 경계면에서 발생하는 반사에 의한 손실은 일반적으로 1 dB 이하이며, 이는 반사방지 코팅을 이용하여 더 줄일 수 있다. 그러나 이 반사방지 코팅을 추가하기 위해서는 나노공정이 끝난 뒤 웨이퍼로부터 개별적으로 분리된 광위상배열 소자가 필요하고, 또한 안테나가 있는 수십 마이크로미터 스케일의 좁은 영역에 대해 충분한 표면 평탄도를 구현하기 어렵다. 또한 반사 코팅은 마모될 수 있기에 시간이 지남에 따라 효과가 감소할 수 있다.

Figure 1. Schematic structure of an optical phased array device, comprising a light source, beam splitter, phase shifters, and emitters.

폭이 점진적으로 변하는 형태의 도파로는 일반적으로 광원과 도파로를 커플링할 때 사용된다. 레이저 광원과 소자의 커플링 효율을 최대화하기 위한 엣지 커플러(edge coupler), 격자 도파로 구조와 자유공간을 커플링하기 위한 격자 커플러(grating coupler), 그리고 서로 다른 물질로 이루어진 두 개의 다른 도파로를 커플링할 때도 이러한 형태의 도파로가 사용된다. 도파로의 폭이 작아짐에 따라 도파로의 각 모드에 대한 유효 굴절률이 작아지며, 이를 이용하여 서로 다른 물질로 이루어진 물체에 대한 유효 굴절률을 유사하게 만들 수 있다. 프레넬 방정식에 따르면 두 물체의 굴절률이 유사할수록 물체의 경계면에서 일어나는 신호의 반사율은 감소하고 투과율은 증가한다.

본 논문에서 우리는 실리콘 나이트라이드(silicon nitride, Si₃N₄) 도파로에 기반하는 종단방출형 광위상배열소자에 대한 새로운 안테나 설계를 제안한다. 도파로의 폭과 두께는 각각 2 μm와 0.5 μm이고, 안테나는 신호의 진행방향에 따라 폭이 점점 가늘어지는 구조를 가진다. 연구 결과 우리는 새로운 안테나 구조가 적용된 종단방출형 광위상배열 소자의 신호 투과율이 기존 구조 대비 약 23% 더 증가하고, 반사율은 80% 이상 감소하는 것을 확인하였다.

폭이 점점 가늘어지는 종단방출형 안테나의 반사율과 투과율을 측정하기 위해, 맥스웰 방정식의 해를 구하기 위한 3-D finite-difference time-domain (FDTD) 시뮬레이션을 활용하였다. 본 연구에 사용된 3-D FDTD 시뮬레이션 구조는 그림 2와 같다. 안테나 구조는 각각 두께 2 μm인 규소층과 2.75 μm인 하단 이산화규소층, 폭이 2 μm이고 두께가 0.5 μm인 실리콘 나이트라이드 도파로층, 그리고 두께가 1.75 μm인 상단 이산화규소층으로 구성되어 있다. 광원은 파장이 1.55 μm인 TE 모드 광원을 선택하였다. 진공 영역의 굴절률은 1이며, 1.55 μm의 파장에 대한 규소의 굴절률은 3.47638, 이산화규소의 굴절률은 1.444, 실리콘 나이트라이드의 굴절률은 1.9963을 가정하였다. 그림 2에서 나타나는 바와 같이 안테나 구조 끝단 폭은 빛의 진행방향에 대해 선형적으로 감소한다.

Figure 2. Side view (a) and top view (b) of the tapered antenna structure. The width of the tip of the antenna structure decreases linearly towards the direction of the signal.

상단과 하단의 이산화규소층을 비롯하여 실리콘 나이트라이드 층은 plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD)을 이용하여 제작이 가능하며 폭이 점점 가늘어지는 구조는 전자빔 판화법(e-beam lithography)을 이용하여 가공이 가능하다. 본 연구에서 우리는 폭이 점점 가늘어지는 안테나 구조의 팁 폭(tip width)과 팁 길이(tip length)가 안테나 구조의 반사율과 투과율에 끼치는 영향을 분석하는 것에 초점을 맞추었다. 1.55 μm의 파장을 가지는 빛에 대한 실리콘 나이트라이드 도파로의 TE₀ 모드에 대한 유효굴절률은 도파로의 폭이 작아짐에 따라서 비선형적으로 감소하며(그림 3), 도파로의 폭이 0.25 μm에 이르면 이산화규소의 굴절률과 유사한 굴절률을 보인다. 프레넬 방정식에 따르면 어느 한 매질에서 다른 매질에 수직하게 입사하는 빛에 대한 프레넬 반사율은 다음과 같다.

Figure 3. (a) Effective refractive index of the TE₀ mode and (b) Fresnel reflectance at normal incidence, according to the width of the Si₃N₄ waveguide. As the width of the waveguide decreases, the effective refractive index at a wavelength of 1.55 μm decreases nonlinearly, and when the width of the waveguide is 0.25 μm, the effective refractive index is similar to that of silicon dioxide. Waveguide width reduction decreases the effective refractive index and Fresnel reflectance nonlinearly as light is incident perpendicular to the interface.

n₁과 n₂는 각각 두 매질의 굴절률, 그리고 R은 반사율을 나타낸다. 식 (1)에 따르면, 서로 인접한 두 매질의 굴절률의 차가 작을수록 수직 입사에 대한 투과율은 증가하고, 반사율은 감소한다. 상기의 수학적 관계로부터 본 연구자들은 안테나의 팁 폭이 줄어들수록 빛의 투과율이 증가하고, 반사율은 감소할 것이라고 예상하였다. 우리는 가장 높은 투과율과 가장 낮은 투과율을 보이는 팁 폭과 팁 길이를 조사하기 위해 팁 폭은 0.05 μm에서 2 μm까지 0.05 μm 간격으로, 그리고 팁 길이는 5 μm에서 100 μm까지 5 μm 간격으로 변화시키며 안테나 구조의 투과율과 반사율의 변화를 연구하였다.

그림 3은 도파로의 폭에 따른 1.55 μm 파장에 대한 TE₀ 모드의 유효굴절률의 변화와 이를 통해 계산한 프레넬 반사율을 보여준다. 유효굴절률은 도파로의 폭이 2 μm일 때 약 1.76의 값을 가지고 도파로의 폭이 작아질수록 비선형적으로 감소하는데, 도파로의 폭이 2 μm 이하 0.5 μm 이상인 영역에서는 도파로의 폭이 작아질수록 그래프의 기울기가 점점 커지다가 폭이 0.5 μm 이하인 영역에서는 폭이 작아질수록 기울기가 작아진다. 도파로의 폭이 0.2 μm인 경우 약 1.45의 값을 가지는데, 이 값은 1.55 μm 파장에 대한 이산화규소의 굴절률과 유사하다. 상기의 유효굴절률 값과 식 (1)을 이용하여 도파로의 폭에 따른 도파로와 진공의 경계면에 수직하게 입사하는 신호에 대한 프레넬 반사율을 계산하면, 도파로의 폭이 2 μm일 때 프레넬 반사율은 7.60%를 보이고 도파로의 폭이 작아질수록 더 작은 값을 가지며, 도파로의 폭이 1 μm일 때는 6.54%의 값을 보인다. 이러한 차이는 도파로를 따라서 진행하는 신호가 도파로와 진공의 경계면에 수직하게 입사하지 않는다는 것을 뜻한다.

그림 4는 팁 길이가 100 μm이고 도파로의 폭이 2 μm일 때, 팁 폭에 따른 도파로의 폭의 변화를 보여준다. 팁 폭은 각각 0.15 μm, 0.1 μm, 0.05 μm를 고려하였으며 팁 폭이 작아질수록 그래프의 기울기가 더 가팔라진다. 팁 폭이 0.15 μm인 경우에 신호가 99.55 μm 진행한 지점에서 전파 모드가 존재하지 않는 영역에 도달하고, 팁 폭이 0.1 μm와 0.05 μm인 경우에는 각각 96.93 μm, 94.45 μm 진행한 지점에서 이 영역에 도달한다. 이를 통하여 팁 폭이 작아질수록 전파 모드가 없는 영역에서 신호가 진행하는 길이가 더 길어지는 것을 알 수 있다.

Figure 4. Change in antenna width according to the distance for 2 μm Si₃N₄ waveguide width and 100 μm tip length.

그림 5는 각각 팁 길이가 100 μm일 때 팁 폭에 따른 안테나 구조의 투과율과 후방 반사율 및 팁 폭이 0.15 μm일 때 팁 길이에 따른 투과율과 반사율의 변화를 보여준다. 팁 폭이 2 μm 이하 1 μm 이상인 영역에서 도파로는 2개 이상의 TE 모드와 TM 모드를 가질 수 있고, 폭이 1 μm 이하 0.25 μm 이상인 영역에서는 각각 단 하나의 TE 모드와 TM 모드를, 폭이 0.25 μm 이하 0.15 μm 이상인 영역에서는 하나의 TM 모드를 가질 수 있으며, 마지막으로 그보다 폭이 더 작은 영역에서는 모드가 존재하지 않는다. 후방 반사율의 경우, 도파로가 가질 수 있는 모드와 무관하게 팁 폭이 2 μm 이하인 모든 영역에서 팁 폭이 감소함에 따라 그 값이 비선형적으로 감소하는 경향을 보이고, 특히 그 폭이 0.25 μm 이상이며 1 μm 이하인 영역에서는 반사율이 더 가파르게 감소한다. 상기한 바와 같이 도파로의 폭이 2 μm인 경우 경계면에 수직하게 입사하는 빛에 대한 프레넬 반사율은 7.60%이며, 도파로의 폭이 1 μm인 경우에는 6.54%의 값을 보이는데, 이와 달리 그림 5의 후방 반사율은 각각 그보다 훨씬 큰 11.8% 및 9.2%의 값을 보인다. 모든 방향으로의 반사율을 포함하는 프레넬 반사율과 다르게, 그림 5의 후방 반사율은 도파로와 진공 사이의 경계면으로부터 도파로를 따라 반사되는 신호의 세기만을 측정한 값이므로 신호가 도파로에서 경계면에 수직하게 입사하는 경우 후방 반사율은 프레넬 반사율보다 커질 수가 없다. 특히 팁 폭이 0.3 μm일 때 두 그래프는 교점을 가지는데, 이를 통해 도파로에서 방출되는 신호는 적어도 팁 폭이 0.3 μm 큰 영역에서는 경계면에 수직하지 않게 입사하는 것을 알 수 있다.

Figure 5. Changes in the transmittance and back reflectance of the antenna (a) according to the tip width at 100 μm tip length and (b) according to the tip length at 0.15 μm tip width.

투과율의 경우, 팁 폭이 2 μm 이하이며 1 μm 이상인 영역에서는 팁 폭이 작아질수록 그 값이 줄어드는 경향을 보인다. 그림 3에 따르면 도파로의 폭이 2 μm인 경우 도파로의 유효굴절률은 1.76인데, 식 (1)에 따르면 굴절률이 1.76인 매질에서 굴절률이 1인 매질에 수직하게 입사하는 빛에 대한 투과율은 90%지만, 그림 5에 따르면 팁 폭이 2 μm인 경우의 시뮬레이션에서 안테나 구조의 투과율이 78.31%로 나타났다. 이 영역에서 도파로는 두 개 이상의 TE 모드와 TM 모드를 가지는데, 팁 폭이 작아짐에 따라 투과율이 감소하는 경향을 보인다. 이 영역에서 발생하는 투과율의 감소는 일반적인 단일 슬릿 구조에서 슬릿의 폭이 작아지면 회절 효과가 커지는 것과 유사하게 팁 폭이 작아짐에 따라 신호의 발산각이 증가하여 프레넬 투과율이 감소하는 것으로 해석할 수 있다. 그러나 대조적으로 팁 폭이 1 μm 이하 0.25 μm 이상인 영역에서는 팁 폭이 작아짐에 따라 투과율이 증가하는 경향이 매우 뚜렷하게 나타난다. 이 영역에서는 각각 하나의 TE 모드(TE₀)와 TM 모드(TM₀)만이 존재한다. TE₀ 모드의 경우 도파로의 폭이 감소함에 따라 도파로의 모드 구속이 빠르게 약화되는 경향을 보이는데, 이로 인하여 팁 폭이 감소할수록 슬릿의 폭이 증가하는 것과 같은 효과가 나타남에 따라 실질적인 발산각이 감소하여 프레넬 투과율이 증가하는 효과가 나타난다. 그러나 팁 폭이 0.15 μm 이하인 영역에서는 팁 폭이 작을수록 투과율이 소폭 줄어든 경향을 보이는데, 이 영역에서는 모드의 구속이 사라짐에 따라 슬릿의 폭이 줄어드는 것과 유사한 특성을 보이기 때문이다. 팁 폭이 0.15 μm일 때 투과율은 96.53%로 최대값을 가지며 이때 후방 반사율은 1.941%로 나타난다.

팁 길이의 경우, 팁 폭이 0.15 μm일 때, 팁 길이가 5 μm 이상 15 μm 이하인 영역에서는 팁 길이가 증가함에 따라 투과율이 96%까지 가파르게 증가하다가, 팁 길이가 15 μm 이상인 영역에서는 기울기가 매우 완만하게 변하여 약 96.5%의 투과율을 보인다. 이를 통해 폭이 2 μm인 도파로에서 폭이 0.15 μm인 팁으로 모드가 안정적으로 변환되기 위해서는 15 μm 이상의 팁 길이가 필요하다는 것을 알 수 있다. 이와 대조적으로 후방반사율의 경우에는 팁 길이가 5 μm일 때 2.2%, 50 μm일 때 1.7%의 값을 가지며 이 범위에서 그 값이 불규칙하게 진동하는데, 이 사실로부터 후방 반사율은 팁 길이에 유의미한 영향을 받지 않는다는 것을 알 수 있다.

광위상배열은 전자기파를 집중시키기 위해 안테나에서 방출되는 신호를 자유공간에서 제어하기 위하여 사용되는 구조로, 특히 라이다를 이용한 자율주행장치에 적용되어 주변환경을 모니터링하는 데 사용된다. 종단방출 배열을 따르는 고정식 라이다는 크기가 작고 빠른 처리속도를 가지지만, 안테나와 자유공간의 경계면에서 반사에 의한 출력 손실이 발생한다. 이를 해결하기 위한 방안으로 본 연구에서는 방출부로 갈수록 폭이 점점 좁아지는 형태의 도파로를 이용한 안테나 구조를 제안하였다. 폭이 2 μm, 높이가 0.55 μm인 실리콘 나이트라이드 도파로와 1.55 μm의 동작파장을 가지는 안테나 구조에 대하여 팁 폭과 팁 길이를 달리하여 3-D FDTD 시뮬레이션을 수행하였다. 폭이 좁아지는 구조가 없는 경우에 투과율과 반사율이 각각 78.31%, 11.8%로 나타났으나, 새로 제안한 구조에서는 팁 폭이 0.15 μm, 팁 길이가 100 μm일 때 투과율과 후방 반사율이 각각 96.53%, 1.941%로 나타나 기존 구조 대비 투과율은 23% 상승하고, 반사율은 80% 이상 감소하는 것을 확인하였다.

본 연구는 주위환경 감지기술의 발전에 중요한 역할을 할 수 있으며, 라이다와 광위상배열 기술의 결합을 통한 자동차 및 다른 자율주행 시스템의 성능의 향상에 응용 가능할 것으로 기대한다. 또한 본 연구가 다룬 이론에 따른 후속 연구를 통해 시료 제작이 이루어지고 있으며, 후속 연구에서 본 논문의 계산 결과와의 비교분석이 이루어질 예정이다.

한국정보통신산업진흥원 인공지능중심산업융합집적단지조성사업(Grant no. S0315-21-1001-C01); 한국연구재단 중견연구자사업(Grant no. 2021R1A2C100713011); 산업통상자원부 초고난도자율주행모빌리티 인지예측센서기술개발 (Grant no. RS-2022-00144310).

저자는 본 논문과 관련된 어떠한 이해충돌 사항도 없었음을 밝힌다.

본 연구의 결과 분석 및 생성된 데이터는 모두 본 논문 내 명시하였으며 공공의 이용이 가능하다. 데이터에 접근하거나 사용하고자 하는 이는 저자에게 타당한 이유를 밝히고 허가를 득해 사용 가능하다.