MIT, 안테나 3종 섞어 라이다 간섭 100분의 1로 줄인 광학 칩 개발

MIT 연구진이 신호 간섭을 크게 줄인 실리콘 포토닉스 칩을 개발했다. 움직이는 부품 없이 훨씬 넓은 시야각으로 라이다 빔의 방향을 바꾼다. 라이다는 레이저로 주변 거리를 재는 센서를 가리킨다. 연구 결과는 학술지 네이처 커뮤니케이션스에 게재됐다.

현재 성능이 뛰어난 라이다 가운데 상당수는 주변을 훑기 위해 물리적으로 회전하거나 움직이는 기계 부품에 의존한다. 성능은 확실하지만 부피가 크고 값이 비싸며 시간이 지나면서 마모에 취약하다. 연구자들은 오랫동안 움직이는 부품을 아예 없앤 대안을 찾아 왔다.

이번 칩의 핵심 부품은 광위상배열(OPA)이다. 광위상배열은 여러 안테나로 들어가는 빛의 파동 시점을 서로 어긋나게 조절해 기계적인 구동 없이 빔의 방향을 바꾸는 장치를 말한다.

이 방식에는 오래된 딜레마가 따랐다. 시야각을 넓히려면 안테나를 촘촘히 배치해야 하는데, 안테나가 가까워지면 신호가 서로 간섭하는 크로스토크가 발생해 빔이 일그러진다. 반대로 간격을 벌리면 그레이팅 로브라 불리는 중복 빔이 생겨 정확도가 떨어지고 에너지가 낭비된다.

젤레나 노타로스 MIT 교수가 이끈 연구진은 다른 방향으로 접근했다. 동일한 안테나를 나열하는 대신 기하 구조가 서로 다른 안테나 3종을 반복 배열했다. 안테나의 폭을 바꾸고, 빛이 각 구조를 지나가는 방식에 영향을 주는 미세한 주름의 크기와 위치도 조정했다. 안테나마다 거동이 조금씩 달라지면서 이웃한 안테나끼리 훨씬 약하게 상호작용하게 된다.

연구진에 따르면 이 설계로 안테나를 훨씬 가깝게 배치하면서도 크로스토크를 크게 줄였다. 일반적인 광위상배열에서 100%에 육박하던 커플링 수준이 약 1%로 낮아졌고, 그레이팅 로브 없이 하나의 깨끗한 빔을 넓은 각도로 조향할 수 있게 됐다. 넓은 각도 주사와 빔 품질 가운데 하나를 포기해야 했던 오랜 맞교환에서 벗어났다는 것이 연구진의 설명이다.

제작에 앞서 상당한 이론 모델링과 시뮬레이션이 필요했다. 서로 다른 3종의 안테나가 모두 일관된 방식으로 빛을 내보내야 하기 때문이다. 노타로스 교수에 따르면 이번 연구는 집적형 광위상배열의 성능을 제약해 온 근본 문제를 해결했으며, 앞으로 훨씬 뛰어난 라이다 시스템을 가능하게 할 수 있다.

연구에 참여하지 않은 조이스 푼 토론토대 전기컴퓨터공학과 교수 겸 막스플랑크 미세구조물리연구소장은 이번 성과를 고체 빔 조향 기술의 중요한 진전으로 평가했다.

실리콘 포토닉스 기반 라이다는 크기를 크게 줄일 수 있고 대량 생산 시 제조 비용도 낮아질 여지가 있다. 연구자들이 오랫동안 움직이는 부품 없는 대안을 찾아온 배경이다. 연구진은 시야각을 더 넓히고 칩 규모의 빔 조향을 개선할 방법을 계속 탐색할 계획이다.

자세한 내용은 디지털 저널에서 확인할 수 있다.

이미지 출처: AI 생성 이미지