[헬로티]

자동 운전의 주변 감시 센서로서 밀리파 레이더, 카메라, LiDAR 등이 있다. LiDAR는 해상도가 높기 때문에 노상 장애물이나 보행자를 검지하는 센서로서 주목받고 있다. 디자인과 탑재 공간의 관점에서 차재용 LiDAR의 소형화가 요구되고 있다. 지금까지 필자 등은 차재용 LiDAR의 소형화에 대응해 왔다. 광집적 회로를 응용해 차재용 LiDAR를 소형화하는 대응을 하고 있다.

그림 1. 애벌런치 포토다이오드의 원리

동 연구소에서는 타카이(高井) 등이 CMOS 집적 회로를 이용한 LiDAR을 연구, 보고해 왔다. Single Photon Avalanche Photo Diode(SPAD)라는 기술이 사용되고 있다. 애벌란치 포토다이오드에서는 포토다이오드의 PN 접합에 큰 바이어스를 가해 사용한다(그림 1). 광자가 포토다이오드에 들어가면 캐리어가 발생한다. 발생한 캐리어는 PN 접합의 역 바이어스로 가속되고, 다른 캐리어와 충돌해 더욱 캐리어를 발생시킨다. 이 캐리어의 연쇄적인 증가를 눈사태 증폭이라고 부른다. 역 바이어스가 큰 영역에서는 눈사태 증폭이 멈추지 않아 전류가 계속 증대한다(가이거 모드). 한편 역 바이어스가 중간 정도인 영역에서는 눈사태 증폭이 어느 정도 정지해 전류의 증가는 수습된다(애벌란치 모드). SPAD는 애벌란치 포토다이오드의 가이거 모드를 응용하는 기술이다.

SPAD는 그림 2와 같은 회로 구성으로 사용한다. 저항과 콘덴서를 적절하게 선택하면, SPAD에서 눈사태 증폭이 발생했을 때에 저항에 의해 전류가 제한되어 콘덴서의 전하를 사용하게 된다. 콘덴서의 전하를 다 사용하게 되면, 역 바이어스가 낮아져 눈사태 증폭이 정지한다. 이것을 담금질이라고 한다. 눈사태 증폭과 담금질의 조합으로, 약간의 광자가 SPAD에 들어가면 전기 펄스를 출력할 수 있는 고감도 광검출기가 생긴다.

그림 2. SPAD와 담금질

SPAD를 이용한 LiDAR의 구성 예를 나타냈다(그림 3). 반도체 레이저에 의해 펄스의 레이저광을 발생시키고 외부에 투광한다. 대상에 부딪쳐 돌아온 빛이 SPAD에 의해 검출될 때까지의 시간을 측정하는 Time of Flight(TOF) 방식이 이용된다. SPAD의 출력은 입력한 광자의 수에 대응한 디지털 펄스이다. 광신호가 없을 때에도 암전류가 존재하기 때문에 드물게 펄스가 발생한다. 단위 시간의 펄스 수를 계산해 임계값을 초과한 경우에 수신광을 얻을 수 있었다고 판단하는 검출법이 이용된다. 펄스를 계산해 임계값을 판단하는 회로는 CMOS 회로로 구성하는 것이 가능하기 때문에, 칩으로서 검출기와 검출 회로 등의 시스템 집적화가 용이하다는 특징을 가진다.

그림 3. SPAD를 이용한 LiDAR의 구성

이렇게 SPAD를 응용한 LiDAR의 연구는 집적화에 의한 저코스트와 고감도화를 양립할 수 있는 방법으로 성공을 거두었다.

한편, 필자 등은 차세대 차재 LiDAR로서는 소형화의 필요성을 느끼고 있었다. 화각과 해상도를 얻기 위해서는 레이저광을 주사할 필요가 있다. 앞에서 말한 SPAD를 이용한 LiDAR에서는 미러를 액추에이터로 회전시키는 방식을 취하고 있으며, 미러 등의 기계 부품이 LiDAR의 사이즈 크기를 지배하고 있었다. 필자 등은 기계 부품을 없애는 전자 스캔이 필요하다고 생각, 광집적 회로를 응용한 전자 스캔을 개발해 보고했다.

다음으로는 실리콘 광집적 회로에 대해 설명한다. 그리고 이어서 실리콘 광집적 회로를 응용한 스캐너에 대해 보고하고, 마지막으로는 전체적인 정리를 한다.

실리콘 광집적 회로

여기서는 실리콘 광집적 회로의 기초적인 기술에 대해 소개한다.

1. 도파로

필자 등이 시제작한 광집적 회로의 전형적인 구성 예를 나타낸다. 빛을 가두는 도파로로서 굴절률이 높은 실리콘 박막을 사용한다. 빛을 전파시키고 싶은 경로에 실리콘 세선을 형성하면, 실리콘의 굴절률이 높기 때문에 빛이 실리콘 속을 전파해 간다. 빛을 전파시키는 도파로는 그림 4와 같은 구조로 되어 있다. 도파로 폭은 단일 모드가 되는 적절한 폭이 있으며, 막두께 0.22μm 전후인 경우 0.4μm에서 0.5μm의 범위가 일반적으로 사용된다. 도파로가 가는 경우는 빛의 누설이 많고 인접하는 도파로와 결합하기 쉽기 때문에 방향성 결합기 등을 짧게 할 수 있다는 특징이 있다. 도파로가 굵은 경우는 누설이 적기 때문에 전파 손실이 적고, 굽힘 등에서도 모드가 안정된다는 특징을 가진다. 필자 등은 방향성 결합기를 짧게 할 수 있는 0.4μm를 선택했다. 굴절률이 높은 실리콘을 이용하면, 도파로의 굽힘 반경을 작게 할 수 있다. TE 모드의 빛을 전파시킨 경우 굽힘 반경을 5μm로 해도 0.07dB/90° 정도였다. 이와 같이 실리콘을 도파로 재료로 하면 광집적 회로를 소형화할 수 있다는 특징이 있다.

그림 4. 광집적 회로의 구조

2. 광스위치

광스위치로서는 마하젠더 간섭계를 사용한 광스위치와 링 공진기를 사용한 스위치 등이 있다. 링 공진기를 이용한 광스위치를 사용한 광스위치의 동작 원리를 설명한다. 그림 5와 같이 도파로에 링 모양의 도파로를 근접시키고, 링 모양의 도파로 상부에 금속 박막 히터를 장전한 구성으로 되어 있다. 도파로를 링 형상으로 함으로써 공진 파장이 발생한다. 공진 파장과 일치하는 파장의 빛은 버스 도파로에서 링 쪽으로 이동하고, 링에서 맞은편의 포트로 갈라져 나온다. 공진 파장과 일치하지 않는 빛은 버스 도파로를 통과한다(그림 5 (a)). 금속 박막 히터에 전류 주입해 발열시키면, 도파로의 온도가 상승해 열광학 효과에 의해 도파로의 굴절률이 변화한다(그림 5 (b)). 그 결과 링 공진기의 공진 파장이 변화하고, 통전 전에 갈라져 나와 있던 빛은 버스 도파로를 통과하게 된다. 이러한 원리로 빛의 스위칭을 한다.

그림 5. 광스위치의 동작 원리

시제작한 링 공진기형 광스위치의 응답 속도를 측정했다. 알루미늄의 칩 스테이지 상에 광집적 회로 칩을 고정하고, 니들 프로브를 이용해 광스위치의 히터에 전류를 공급했다. 테이퍼 파이버를 이용해 빛을 집적 회로 칩에 공급했다. 광스위치의 응답 속도는 0.3m초였다.

3. 광안테나

빛을 송수신하는 소자로서 광안테나가 필요하다. 광안테나로서 회절격자를 사용했다. 회절격자는 도파로 상에 빛의 파장에 가까운 요철을 구성한 구조로 되어 있다. 도파로를 통해 전파돼 온 빛이 회절격자를 통과하면, 전파광은 회절격자에 의해 반사 혹은 면 밖으로 회절된다. 

필자 등은 회절격자를 조밀하게 배치할 수 있는 독자적인 회절격자를 개발했다. 회절격자를 소형화하기 위해 회절격자는 요철 부분의 형상이 원호 상으로 되어 있는 집광 회절격자로 했다. 집광 회절격자의 요철 형상은 다음 식으로 표현된다.

여기에서 q는 정수, λ는 파장, neff는 실행 굴절률, nclad는 클래드 굴절률, θ는 회절각이다. 필자 등은 회절격자의 풋프린트 중, 전계강도가 약한 부분을 삭제해도 회절격자의 기능이 거의 변화하지 않는다는 것을 알게 됐다. 그래서 회절격자의 네 모서리를 잘라낸 마름모꼴의 회절격자로 했다(그림 6).

그림 6. 마름모꼴 회절격자에 의한 소형 광안테나

광집적 회로에 의한 LiDAR

빔 전환식의 구성을 나타낸다.

1. 빔 전환식의 구성과 원리

빔 전환식 광스캐너는 그림 7과 같이 렌즈와 광안테나 어레이와 광스위치 어레이로 구성된다. 광안테나는 렌즈의 초점 위치에 배치한다. 작동 원리는 다음과 같다. 광스위치 어레이에 의해 빛을 공급하는 광안테나를 전환, 빛을 공급한 광안테나에서 빛을 방사한다. 광안테나의 위치와 렌즈의 초점 거리에 의해 빛의 방사 방향은 결정된다. 카메라의 촬상 소자와 렌즈와 공간의 정확히 반대의 경로로 생각하면 이해하기 쉽다.

그림 7. 빔 전환식 스캐너 구성

2. 기하광학에 의한 설계

빔 전환식 스캐너의 설계법을 기하광학에 기초해 설명한다. 그림 8의 1점 쇄선은 광선의 중심선을 나타내며, 점선은 빔 웨스트를 나타낸다. 광안테나를 렌즈의 초점 위치에 배치했기 때문에 렌즈를 통과한 빛은 콜리메이트되어 나간다. 해상도 θdiv과 초점 거리 f와 광안테나 피치 pitch의 사이에는

그림 8. 빔 전환식 스캐너의 광학계

과 같은 관계가 있다. 

스캔각 θscan과 초점 거리와 광안테나 어레이의 길이 ldev에는

과 같은 관계가 있다.

3. 광집적 회로 구성

그림 9에 광집적 회로의 블록도를 나타냈다. 그림 9와 같이 광집적 회로 상에는 스폿 사이즈 변환기와 광스위치 어레이와 회절격자 어레이를 집적화했다. 높은 NA 광파이버의 빔 지름은 3μm의 가우시안인데, 0.4×0.22μm 도파로의 광학 모드와 다르다. 광파이버와 도파로의 모드를 고효율로 변환하기 위해 스폿 사이즈 변환기를 이용했다. 회절격자 어레이는 1차원 배열 2차원 배열로 했다. 빛을 균일하게 분배하는 분배기를 회절격자의 틈새에 배치했다. 단일 렌즈로 선 모양의 빛을 1차원으로 투광하는 구성으로 했다.

그림 9. 광집적 회로의 블록도

4. 구동 회로

스캐너는 LiDAR 시스템으로 구성할 수 있게 퍼스널컴퓨터에서 USB를 경유해 제어할 수 있게 했다. USB-SPI 브리지에 의해 USB를 SPI 신호로 변환, SPI 신호에서 16비트 AD 컨버터를 구동하고, AD 컨버터의 아날로그 신호를 전류 버퍼 앰프로 전류를 증강해 히터를 구동하게 했다(그림 10). 구동 전압은 1V 전후, 구동 전류는 30mA 전후이며, 소자마다의 개체 차이가 있다. 개체 차이에 대해서는 시제작품에서는 현물마다 조정을 해서 동작 전류를 설정했다. 실용화를 위해서는 빛의 강도를 모니터해 전류의 최적값을 자동 튜닝할 필요가 있다. 자동 튜닝은 앞으로의 과제로 했다.

그림 10. 빔 전환식 스캐너의 제어 회로

시제작 결과

필자 등은 광집적 회로를 이용해 기계 부품 없이 레이저광을 주사하는 방법을 개발해 실증했다.

1. 시제작품

광스캐너는 그림 11과 같은 모듈로 했다. 광집적 회로는 광파이버를 실장, 광파이버를 경유해 광집적 회로에 레이저광을 입력하게 했다. 제어 회로 기판 상에 광집적 회로 칩을 접착, 전기 배선을 와이어 본딩했다. 제어 회로를 포함해도 35×12mm 이내에 들어간다.

그림 11. 빔 전환식 스캐너 모듈

2. 동작 결과

투광광의 원시야상을 적외 카메라로 관찰한 결과 및 각 스위치의 동작 전압과 동작 전류를 그림 12에 나타냈다. 1채널(CH)당 20픽셀 레이저광을 4CH로 전환해 투광하는 데 성공했다. 초기 시제작기 등에서는 스폿 변형이 컸지만, 수차 보정 렌즈를 개선함으로써 스폿 변형을 줄일 수 있었다.

그림 12. 스캐너의 투광 빔 패턴

광집적 회로에 의해 빛을 주사하는 방법으로는 페이즈드 어레이 안테나가 주목받고 있다. 이 방식은 원리적으로 그레이팅 로브가 발생하지 않는다는 점이 유리한 점이다. 한편 페이즈드 어레이 안테나는 렌즈를 필요로 하지 않기 때문에 부품 수가 줄어든다는 점에서 유리하다.

맺음말

필자 등은 광집적 회로를 이용해 기계 부품 없이 레이저광을 주사하는 방법을 개발해 실증했다. 광집적 회로를 이용한 스캐너를 이용한 LiDAR를 평가하고 있는 단계이다. 앞으로 LiDAR의 평가 결과가 정리되는 대로 보고할 계획이다. 교통사고가 없어지는 것이 필자 등의 바램이며, 연구 개발의 결과가 교통안전을 위해 공헌 할 수 있기를 기대한다.

이노우에 다이스케, ㈜도요타중앙연구소