JP6513884B1 - Optical phased array and LIDAR sensor using the same - Google Patents

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Abstract

位相シフト補償量を決定するための複雑な校正処理を要することなく比較的小さな位相シフトによりビームステアリング又はビームスキャニングの機能を提供し得る光フェーズドアレイ(OPA)を実現する。この光フェーズドアレイは、基板上に形成された光導波路により構成され、入力光が伝搬するバス導波路と、バス導波路上に配された、当該バス導波路を伝搬する光の一部をそれぞれ抽出する複数の光カプラと、複数の光カプラが抽出した光をそれぞれ伝搬する複数の導波ラインと、バス導波路に設けられた位相シフタと、を備える。複数の導波ラインは互いに等しい光路長を持ち、位相シフタはバス導波路のうち隣接する光カプラが挟むそれぞれの区間に設けられている。An optical phased array (OPA) that can provide the function of beam steering or beam scanning with relatively small phase shift without requiring complicated calibration process to determine the amount of phase shift compensation. The optical phased array is composed of an optical waveguide formed on a substrate, and includes a bus waveguide through which input light propagates and a part of light propagating through the bus waveguide disposed on the bus waveguide. A plurality of optical couplers to be extracted, a plurality of waveguide lines for respectively propagating the light extracted by the plurality of optical couplers, and a phase shifter provided in the bus waveguide. The plurality of waveguide lines have the same optical path length, and the phase shifter is provided in each section of the bus waveguide between adjacent optical couplers.

Description

本発明は、光ビームの出射方向を制御してビームステアリング又はビームスキャンニングの機能を提供する光フェーズドアレイ、及びこれを用いたLiDAR(Light Detection and Ranging)センサに関する。   The present invention relates to a light phased array that controls the emission direction of a light beam to provide a beam steering or beam scanning function, and a LiDAR (Light Detection and Ranging) sensor using the same.

LiDARセンサは、リモートセンシング及び測距の用途に用いられ、例えば、自動運転システム等においてリアルタイムの三次元マッピング及び物体の検出、追跡、特定等を行うのに用いられる。   The LiDAR sensor is used for remote sensing and ranging applications, for example, for performing real-time three-dimensional mapping and object detection, tracking, identification, etc. in an automatic driving system or the like.

LiDARセンサは、レーザビームを観察空間内でスキャンして当該空間内の物体に照射し、当該照射したビームが物体へ到達し反射して当該LiDARセンサ内の受信器まで戻ってくるまでの飛行時間(TOF、Time of Flight)を測定することにより、当該物体の位置と距離を測定する。   The LiDAR sensor scans the laser beam in the observation space and irradiates an object in the space, and the time of flight until the irradiated beam reaches the object and reflects it back to the receiver in the LiDAR sensor The position and distance of the object are measured by measuring (TOF, Time of Flight).

このようなLiDARセンサとして、機械式の回転部品を用いてレーザビームのスキャンニングを行うものが知られているが、先進運転者支援システム(ADAS)や自律運転システムのような一部のシステムでは、様々な利点を持ち得るソリッドステート型のビームスキャナを用いることが望ましい。そのような利点には、センサ信頼度がより高いこと、センサ寿命がより長いこと、センササイズがより小さいこと、センサ重量がより軽いこと、及びセンサコストがより手頃であることが含まれるが、これらに限定されない。   As such a LiDAR sensor, one that scans a laser beam using mechanical rotating parts is known, but some systems such as advanced driver assistance systems (ADAS) and autonomous driving systems are known. It is desirable to use a solid state beam scanner that can have various advantages. Such benefits include higher sensor reliability, longer sensor life, smaller sensor size, lighter sensor weight, and more affordable sensor costs. It is not limited to these.

そのようなソリッドステート型のビームスキャナの一つとして光フェーズドアレイ(OPA、Optical Phased Array)がある。LiDARセンサは、光フェーズドアレイを適用することで、機械式ビームスキャンニングを用いる従来のLiDARに比べてより高速でより適応性のあるものとなり、より有用なものとなる。   One such solid-state beam scanner is an optical phased array (OPA). The application of optical phased arrays makes LiDAR sensors faster and more adaptive and more useful than conventional LiDAR using mechanical beam scanning.

従来、光フェーズドアレイに関連性のある技術として、高周波フェーズドアレイアンテナ用の高周波位相シフタにおいて、複数の受光器を備えるジグザグ型光導波路を用いることが知られている(特許文献1)。この高周波位相シフタは、高周波信号により変調された光を上記ジグザグ型光導波路に伝搬させ、光導波路に沿って異なる位置に配された複数の受光器により各位置の光を受信し検波して、それぞれ異なる位相シフトが与えられた複数の高周波信号を抽出する。そして、抽出した複数の高周波信号のうちから所望の位相シフトが与えられた高周波信号を選択的に出力させる。しかしながら、この高周波位相シフタは、単に高周波信号に遅延時間を与える手段として光導波路を用いるものであって、光自体に位相シフトを与えるものではない。したがって、この技術を光フェーズドアレイに用いることはできない。   Conventionally, as a technique related to an optical phased array, it is known that a high frequency phase shifter for a high frequency phased array antenna uses a zigzag optical waveguide provided with a plurality of light receivers (Patent Document 1). The high frequency phase shifter causes the light modulated by the high frequency signal to propagate to the zigzag optical waveguide, and the light of each position is received and detected by a plurality of light receivers disposed at different positions along the optical waveguide. A plurality of high frequency signals given different phase shifts are extracted. Then, a high frequency signal to which a desired phase shift is given among the plurality of extracted high frequency signals is selectively output. However, this high frequency phase shifter merely uses an optical waveguide as a means for giving a delay time to a high frequency signal, and does not give a phase shift to light itself. Therefore, this technique can not be used for optical phased arrays.

他の関連性のある従来技術として、光位相シフタ等を構成する光導波路を含んだ、モノリシック集積半導体構造の光信号処理装置が知られている(特許文献2、特許文献3)。この光信号処理装置では、多段に接続された2分岐導波路により、入力光が複数の光に分岐される。そして、分岐光のそれぞれを出力する出力導波路に設けられた位相シフタにより、それぞれの分岐光に個別の位相シフトが与えられる。しかしながら、この光信号処理装置は、光フェーズドアレイを構成していない。すなわち、この装置は、単に光を分岐して個々に位相を制御するものであり、回折光を出力させるためのアンテナエレメントアレイ(回折光の主極大ビームが生成されるように位相制御された光を所定の間隔で出力する光出力エレメントのアレイ)を備えていないので、これをそのままLiDARに適用することはできない。   As another related prior art, an optical signal processing apparatus having a monolithic integrated semiconductor structure including an optical waveguide constituting an optical phase shifter or the like is known (Patent Document 2, Patent Document 3). In this optical signal processing device, the input light is branched into a plurality of lights by the 2-branch waveguides connected in multiple stages. Then, individual phase shifts are given to the respective branched lights by the phase shifters provided in the output waveguides that output the respective branched lights. However, this optical signal processing device does not constitute an optical phased array. That is, this device simply divides the light to individually control the phase, and an antenna element array for outputting the diffracted light (the light whose phase is controlled so that the main maximum beam of the diffracted light is generated) Can not be applied to LiDAR as it is, since it is not provided with an array of light output elements that output at predetermined intervals.

また、上記光信号処理装置の構成を光フェーズドアレイに転用しようとする場合には、一列に並んだ出力導波路から出力される光の位相を、端から順に、次式で示すように線形に増加させる必要がある。   In addition, when the configuration of the above optical signal processing apparatus is to be diverted to an optical phased array, the phase of light output from the output waveguides arranged in a line is linear as shown by the following equation in order from the end Need to increase.

Figure 0006513884
Figure 0006513884

ここで、mは、上記一列に並んだ出力導波路を光フェーズドアレイにおける一列に並んだアンテナエレメントとみなした場合の、当該一列に並んだアンテナエレメントに対し端から順に付される番号である。また、Pはアンテナエレメントの配列間隔、λは出力される光の波長、θはアンテナエレメントの光出射端が構成する平面の法線に対する回折光の主極大ビームの方向角である。式(1)より明らかなように、各チャネル(すなわち、各アンテナエレメントと当該アンテナエレメントにつながる光伝送路のそれぞれ)に設けられた位相シフタは、異なる位相シフトを提供し得るものであって、且つ位相シフトの累積値が2πを超え得るものでなければならない。   Here, m is a number sequentially assigned from the end to the arrayed antenna elements when the aligned output waveguides are regarded as the arrayed antenna elements in the optical phased array. Further, P is an arrangement interval of the antenna elements, λ is a wavelength of light to be output, and θ is a direction angle of the main maximum beam of diffracted light with respect to a normal of a plane formed by the light emitting end of the antenna element. As apparent from equation (1), the phase shifters provided for each channel (ie, each antenna element and each of the optical transmission paths leading to the antenna element) can provide different phase shifts, And the cumulative value of the phase shift must be more than 2π.

しかしながら、上記光信号処理装置では、それぞれの出力導波路から出力される光の位相は、それぞれの出力導波路に設けられた位相シフタによってのみ決定され、且つ、それぞれの出力導波路の位相シフタは互いに独立に制御されるので、2πを超える累積位相シフトの値を正しく発見するための処理が複雑となる。このため、上記構成を光フェーズドアレイとして機能させるための制御動作はかなり複雑なものとなる。   However, in the above optical signal processing apparatus, the phase of light output from each output waveguide is determined only by the phase shifter provided in each output waveguide, and the phase shifter of each output waveguide is Because they are controlled independently of each other, the process for correctly finding the value of the accumulated phase shift exceeding 2π is complicated. Therefore, the control operation for causing the above configuration to function as an optical phased array becomes quite complicated.

本発明に最も関連性のある従来技術として、光集積回路(PIC、photonic integrated circuit)をベースとするデバイスとして構成されたLiDARが知られている(非特許文献1)。このデバイスは、バス導波路と、縦続接続(カスケード接続)された熱位相シフタ(thermal phase shifters)と、縦続接続されたエバネセントカプラ(evanescent couplers)とを有し、これらがグレーティングベースのアンテナエレメントに接続されている。このデバイスでは、バス導波路の位相増分を制御することによりビームステアリングの機能が提供される。   As the prior art most relevant to the present invention, LiDAR configured as a device based on a photonic integrated circuit (PIC) is known (Non-Patent Document 1). This device has bus waveguides, cascaded thermal phase shifters, and cascaded evanescent couplers, which are used as grating-based antenna elements. It is connected. In this device, the beam steering function is provided by controlling the phase increment of the bus waveguide.

しかしながら、このデバイスは、次のような欠点を有する。すなわち、エバネセントカプラとグレーティングベースのアンテナエレメントとの間に挿入された導波路の距離が互いに等しくなっていない。すなわち、各導波路の全光路長(全OPL(Optical Path Length))が等しくなっていない。このため、位相シフタのアイドル動作時(非通電時)において、それぞれ隣接するアンテナエレメント間の出力光の位相関係が一定とならない。   However, this device has the following drawbacks. That is, the distances of the waveguides inserted between the evanescent coupler and the grating based antenna element are not equal to each other. That is, all optical path lengths (all OPLs (Optical Path Lengths)) of the respective waveguides are not equal. Therefore, during idle operation (during non-energization) of the phase shifter, the phase relationship of the output light between the adjacent antenna elements is not constant.

このようなOPLにおける差(OPL差、光路差)により、好ましくない位相シフトをもったチャネルが生じ得る。一般に、アンテナエレメントから出力される位相シフトが式(1)に示す線形則に従わない場合には、アンテナエレメントアレイから出力される回折光の主極大ビーム(メインビーム、又はメインローブ)のビーム幅は広がり、その結果、角度解像度が悪化する。   Such differences in OPL (OPL difference, optical path difference) can result in channels with unwanted phase shifts. In general, when the phase shift output from the antenna element does not follow the linear law shown in equation (1), the beam width of the main maximum beam (main beam or main lobe) of the diffracted light output from the antenna element array Spreads, resulting in poor angular resolution.

また、バス導波路における位相シフトが屈折率に依存した線形性を保って式(1)に示されているように線形な位相傾斜を維持している場合でも、メインビームは或るビーム角でシフトした状態となるので、全てのビームシフタに付加的な位相シフトを与えて当該ビーム角を補償すべく、校正処理が必要となる。   Also, even if the phase shift in the bus waveguide maintains the linearity dependent on the refractive index and maintains the linear phase tilt as shown in Equation (1), the main beam is at a certain beam angle Because of the shifted state, a calibration process is required to provide an additional phase shift to all beam shifters to compensate for the beam angle.

校正処理では、これらの付加的な位相シフトの大きさを特定し、当該付加的な位相シフトを補償すべく位相シフタのヒータ制御電圧に初期バイアス電圧を含ませる必要がある。このため、光フェーズドアレイの動作及び制御がより複雑となる。   In the calibration process, it is necessary to identify the magnitude of these additional phase shifts and to include the initial bias voltage in the heater control voltage of the phase shifter in order to compensate for the additional phase shifts. This makes the operation and control of the optical phased array more complicated.

光フェーズドアレイが広い周波数帯域で(すなわち、広い波長帯域で)動作する場合には、更なる問題が発生する。この場合には、屈折率の波長依存性に起因して、波長が異なると位相シフトが異なるものとなるので、校正処理はかなり複雑になる。   Additional problems arise when the optical phased array operates in a wide frequency band (ie, in a wide wavelength band). In this case, due to the wavelength dependency of the refractive index, the calibration process becomes quite complicated because the phase shift becomes different at different wavelengths.

米国特許第5,222,162号明細書U.S. Pat. No. 5,222,162 米国特許第5,770,472号明細書U.S. Patent No. 5,770,472 米国特許第5,930,031号明細書U.S. Pat. No. 5,930,031

Christopher V. Poulton, Ami Yaacobi, David B. Cole, Matthew J. Byrd, Manan Raval, Diedrik Vermeulen, Michael R. Watts, Coherent solid−state LIDAR with silicon photonic optical phased arrays, Optics Letters, Vol. 42, No. 20 / October 15, 2017.Christopher V. Poulton, Ami Yaacobi, David B. Cole, Matthew J. Byrd, Manan Raval, Diedrik Vermeulen, Michael R. Watts, Coherent solid-state LIDAR with silicon photonic optical phased arrays, Optics Letters, Vol. 42, No. 20 / October 15, 2017.

本発明の目的は、位相シフト補償量を決定するための複雑な校正処理を要することなく比較的小さな位相シフトによりビームステアリング又はビームスキャニングの機能を提供し得る光フェーズドアレイ(OPA)を実現することである。   The object of the present invention is to realize an optical phased array (OPA) which can provide the function of beam steering or beam scanning with relatively small phase shift without requiring complicated calibration process to determine the amount of phase shift compensation. It is.

本発明の一の態様は、基板上に形成された光導波路により構成される光フェーズドアレイであって、入力光が伝搬するバス導波路と、前記バス導波路上に配された、当該バス導波路を伝搬する光の一部をそれぞれ抽出する複数の光カプラと、前記複数の光カプラが抽出した光をそれぞれ伝搬する複数の導波ラインと、前記バス導波路に設けられた位相シフタと、を備え、前記複数の光カプラは、前記バス導波路に沿って縦続接続され、前記位相シフタは、前記バス導波路のうち隣接する前記光カプラが挟むそれぞれの区間に設けられ、前記バス導波路に沿った隣接する前記光カプラの間のそれぞれの区間は、全て同じ長さで構成され、前記位相シフタのいずれにも通電しない状態において隣接する前記光カプラから抽出される光の互いの位相差がすべて同じ所定の値となるように構成されており、前記複数の導波ラインは、互いに等しい光路長を持ち、前記複数の導波ラインのそれぞれは、対応する前記複数の光カプラから、互いに同じ方向に延在する部分を有し、前記複数の導波ラインの光出射端は、前記延在する方向に平行な一のラインに沿って所定の間隔で配列されて、前記延在する方向と直交する方向へ光を出射する、よう構成されている
本発明の他の態様によると、前記所定の値は、πの奇数倍又は2πの整数倍である。
本発明の他の態様によると、前記複数の光カプラにそれぞれ接続された前記複数の導波ラインのそれぞれの光の出射端は、前記基板の第1の方向に平行なラインに沿って、所定の間隔で配されており、前記複数の光カプラは、前記第1の方向に直交する第2の方向に沿って第1の所定距離をもって互いに離間し、且つ前記第1の方向に沿って前記所定の間隔と前記第1の所定距離とを加算した距離である第2の所定距離をもって互いに離間するよう配されており、前記複数の導波ラインは、それぞれ、前記複数の光カプラの一つにその一端が接続された前記第1の方向に延在する直線導波路と、当該直線導波路に接続され、当該導波ラインの出力端に向かって光の伝搬方向を90°変換する曲がり導波路と、により構成されている。
本発明の他の態様によると、前記バス導波路は、その一部が前記光カプラの一部を構成する複数の蛇行導波路が縦続接続されて構成され、前記光カプラは、エバネセントカプラで構成されており、前記バス導波路を構成する前記蛇行導波路のそれぞれは、直線導波路と曲がり導波路とを有し、前記蛇行導波路の前記曲がり導波路の一部が前記エバネセントカプラの一部を構成する。
本発明の他の態様によると、前記位相シフタは、前記蛇行導波路が有する前記直線導波路に設けられている。
本発明の他の態様によると、前記位相シフタは、それぞれ、前記基板の上に設けられたヒータにより構成され、前記ヒータは、同じ電流を通電したときに互いに同じ温度となるように、前記直線導波路に沿った長さ、幅、及び厚さを含むサイズ、並びに形状が、互いに同じとなるように構成されている。
本発明の他の態様によると、前記蛇行導波路は、光の伝搬方向を180°変換する一つの第1の曲がり導波路と、光の伝搬方向を90°変換する2つの第2の曲がり導波路と、前記第1の曲がり導波路を前記2つの第2の曲がり導波路にそれぞれ接続する2つの直線導波路で構成されており、前記2つの第2の曲がり導波路のそれぞれの一部が、隣接する前記エバネセントカプラの一部を構成している。
本発明の他の態様によると、前記導波ラインのそれぞれには、その幅方向又は深さ方向のサイズが変化する摂動導波路で構成されたグレーティングベースのアンテナエレメントが接続されており、前記摂動導波路のそれぞれにより前記基板の表面から光が出力されるよう構成されている。
本発明の他の態様によると、前記基板の材料は、Si34、Si、SiON、LiNbO3、LiTaO3、及びSiCのいずれかである。
本発明の他の態様は、前記いずれかの構成を有する光フェーズドアレイを用いたLiDARセンサである。
One aspect of the present invention is an optical phased array constituted by an optical waveguide formed on a substrate, and a bus waveguide through which input light propagates, and the bus waveguide disposed on the bus waveguide. A plurality of optical couplers for respectively extracting a portion of light propagating in the waveguide, a plurality of waveguide lines for respectively propagating the light extracted by the plurality of optical couplers, and a phase shifter provided in the bus waveguide; wherein the plurality of optical couplers, the cascaded along the bus waveguide, said phase shifter, said optical coupler is provided, et al in their respective sections sandwiching the adjacent of the bus waveguide, said bus electrically The sections between the adjacent optical couplers along the waveguide are all of the same length, and the phases of the light extracted from the adjacent optical couplers in a state where no current is supplied to any of the phase shifters. All have the same predetermined value, and the plurality of waveguide lines have equal optical path lengths, and each of the plurality of waveguide lines is connected to each other from the corresponding plurality of optical couplers. The light emitting ends of the plurality of waveguide lines are arranged at predetermined intervals along a line parallel to the extending direction, and the extending direction has the portions extending in the same direction. It is configured to emit light in the direction orthogonal to the direction .
According to another aspect of the invention, the predetermined value is an odd multiple of π or an integer multiple of 2π.
According to another aspect of the present invention, the light emission end of each of the plurality of waveguide lines respectively connected to the plurality of optical couplers is determined along a line parallel to the first direction of the substrate. The plurality of optical couplers are spaced apart from each other by a first predetermined distance along a second direction orthogonal to the first direction, and along the first direction. The plurality of waveguide lines are spaced apart from each other by a second predetermined distance which is a sum of a predetermined distance and the first predetermined distance, and each of the plurality of waveguide lines is one of the plurality of optical couplers And a straight waveguide extending in the first direction whose one end is connected, and a bent waveguide connected to the straight waveguide and converting the propagation direction of light toward the output end of the waveguide line by 90 °. and waveguide, and is composed of.
According to another aspect of the present invention, the bus waveguide is configured by cascading a plurality of serpentine waveguides, a portion of which constitutes a portion of the optical coupler, and the optical coupler is configured of an evanescent coupler And each of the meandering waveguides constituting the bus waveguide has a straight waveguide and a bending waveguide, and a part of the bending waveguide of the meandering waveguide is a part of the evanescent coupler Configure
According to another aspect of the present invention, the phase shifter is provided in the straight waveguides in which the meander waveguide has.
According to another aspect of the present invention, each of the phase shifters is constituted by a heater provided on the substrate, and the heaters have the same straight line so that they have the same temperature when the same current is applied. The sizes, including the length, width and thickness along the waveguide , as well as the shape are configured to be identical to one another.
According to another aspect of the present invention, the meandering waveguide includes one first bending waveguide that converts the propagation direction of light by 180 ° and two second bending waveguides that convert the propagation direction of light by 90 °. A waveguide and two straight waveguides respectively connecting the first curved waveguide to the two second curved waveguides, a portion of each of the two second curved waveguides being And a part of the adjacent evanescent couplers.
According to another aspect of the present invention, each of the waveguide lines is connected with a grating-based antenna element composed of a perturbation waveguide whose size in the width direction or depth direction changes, Each of the waveguides is configured to output light from the surface of the substrate.
According to another aspect of the present invention, the material of the substrate is any of Si 3 N 4 , Si, SiON, LiNbO 3 , LiTaO 3 , and SiC.
Another aspect of the present invention is a LiDAR sensor using an optical phased array having any of the above-described configurations.

本発明によれば、位相シフト補償量を決定するための複雑な校正処理を必要とすることなく比較的小さな位相シフトによりビームステアリング(スキャニング)機能を提供することのできる光フェーズドアレイ(OPA)を実現することができる。
本発明によれば、位相シフト補償量を決定するための複雑な校正処理を必要とすることなく、また複数のヒータをそれぞれ個別に制御することなく、二つの電極パッドで繋がった各ヒータのすべてが等しい温度になり、累積位相シフト差を線形に変化させる方法によりビームステアリング(スキャニング)機能を提供することのできる光フェーズドアレイ(OPA)を実現することができる。
According to the present invention, an optical phased array (OPA) capable of providing a beam steering (scanning) function with relatively small phase shift without the need for complicated calibration processing to determine the amount of phase shift compensation. It can be realized.
According to the present invention, all of the respective heaters connected by two electrode pads are not required without requiring a complicated calibration process to determine the phase shift compensation amount and without individually controlling the plurality of heaters. Is an equal temperature, and an optical phased array (OPA) capable of providing a beam steering (scanning) function can be realized by a method of linearly changing the accumulated phase shift difference.

図1は、本発明の一実施形態に係る光フェーズドアレイを用いたLiDARセンサの構成を示す図である。FIG. 1 is a view showing the configuration of a LiDAR sensor using an optical phased array according to an embodiment of the present invention. 図2は、本発明の一実施形態に係る光フェーズドアレイの構成を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing the configuration of an optical phased array according to an embodiment of the present invention. 図3は、図2に示す光フェーズドアレイのバス導波路を構成する一の蛇行導波路の構成を示す図である。FIG. 3 is a view showing the configuration of one meandering waveguide constituting the bus waveguide of the optical phased array shown in FIG. 図4Aは、図2に示す光フェーズドアレイにおいて、位相シフタが非動作状態のときに出射される光の遠視野像の一例(位相差がπの奇数倍の場合)を示す図である。FIG. 4A is a view showing an example of a far-field pattern of light emitted when the phase shifter is in the non-operating state in the optical phased array shown in FIG. 2 (case where the phase difference is an odd multiple of π). 図4Bは、図2に示す光フェーズドアレイにおいて、位相シフタにより位相シフトが与えられた場合に出射される光の遠視野像の他の一例(位相差が2πの整数倍の場合)を示す図である。FIG. 4B is a diagram showing another example of the far-field pattern of the light emitted when the phase shift is given by the phase shifter in the optical phased array shown in FIG. 2 (when the phase difference is an integral multiple of 2π) It is. 図5Aは、図2に示す光フェーズドアレイのアンテナエレメントとして用いることのできる摂動導波路の一例を示す図である。FIG. 5A is a view showing an example of a perturbation waveguide that can be used as an antenna element of the optical phased array shown in FIG. 図5Bは、図2に示す光フェーズドアレイのアンテナエレメントとして用いることのできる摂動導波路の他の一例を示す図である。FIG. 5B is a view showing another example of a perturbation waveguide that can be used as an antenna element of the optical phased array shown in FIG.

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。以下に示す実施形態は、本発明の光フェーズドアレイを用いたLiDARセンサである。ただし、LiDARセンサは一例であって、本発明の光フェーズドアレイの適用分野はこれには限られない。例えば、監視装置等のセキュリティ用途、ドローン等の飛行ナビゲーション用途、及び、その他の三次元情報を必要とする任意の用途に、本発明の光フェーズドアレイを用いることができる。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The embodiment shown below is a LiDAR sensor using the optical phased array of the present invention. However, the LiDAR sensor is an example, and the application field of the optical phased array of the present invention is not limited thereto. For example, the optical phased array of the present invention may be used in security applications such as surveillance devices, flight navigation applications such as drones, and any other applications requiring three-dimensional information.

図1は、本発明の一実施形態に係る光フェーズドアレイを用いるLiDARセンサの構成を示す図である。このLiDARセンサ100は、光源102と、光フェーズドアレイ(OPA)104と、受光センサ106と、処理装置108と、を備える。   FIG. 1 is a view showing the configuration of a LiDAR sensor using an optical phased array according to an embodiment of the present invention. The LiDAR sensor 100 includes a light source 102, an optical phased array (OPA) 104, a light receiving sensor 106, and a processing unit 108.

光源102は、例えば半導体レーザを備え、処理装置108からの信号に基づいて、変調された変調光を出力する。この変調は、例えば半導体レーザへの通電電流を処理装置108からの信号により変調することにより行われる。これに代えて、光源102が更に光変調器を備えるものとし、処理装置108からの信号により当該光変調器を動作させて、半導体レーザからの光を当該光変調器により変調して出力するものとすることができる。光源102から出力されるこの変調光は、OPA104の入力光となる。   The light source 102 includes, for example, a semiconductor laser, and outputs modulated modulated light based on a signal from the processing device 108. This modulation is performed, for example, by modulating the current supplied to the semiconductor laser with a signal from the processing device 108. Instead of this, the light source 102 further includes an optical modulator, operates the optical modulator according to the signal from the processing device 108, and modulates and outputs the light from the semiconductor laser by the optical modulator. It can be done. This modulated light output from the light source 102 becomes input light of the OPA 104.

OPA104は、光源102からの入力光を複数の光に分岐すると共に、当該分岐された複数の光をアンテナエレメントアレイから出力する。これにより、OPA104は、上記出力される光のそれぞれが回折して互いに干渉することにより生成される、回折光の主極大ビーム(メインビーム、又はメインローブ)を出力する。また、OPA104は、上記分岐された複数の光のそれぞれに所定の位相シフトを与えて、上記主極大ビームの出力方向を偏向させて、当該主極大ビームのビームステアリング又はビームスキャンニングを行う。OPA104の具体的構成については後述する。   The OPA 104 splits the input light from the light source 102 into a plurality of lights, and outputs the split plurality of lights from the antenna element array. As a result, the OPA 104 outputs the main maximum beam (main beam or main lobe) of the diffracted light, which is generated when each of the output lights is diffracted and interferes with each other. In addition, the OPA 104 applies a predetermined phase shift to each of the plurality of branched lights, deflects the output direction of the main maximum beam, and performs beam steering or beam scanning of the main maximum beam. The specific configuration of the OPA 104 will be described later.

受光センサ106は、例えば集光レンズとCCD等の受光素子アレイにより構成される。受光センサ106は、OPA104が出力する主極大ビームが物体にあたって反射され又は散乱されて戻ってくる光(反射戻り光)を検出する。   The light receiving sensor 106 is composed of, for example, a condenser lens and a light receiving element array such as a CCD. The light receiving sensor 106 detects light (reflected return light) returned by the main maximum beam output from the OPA 104 being reflected or scattered on the object.

処理装置108は、光源102に変調光を出力させる。上述したように、処理装置108は、例えば光源102に備える半導体レーザ又は光変調器に信号を与え、光源102から変調光を出力させる。また、処理装置108は、上記主極大ビームがOPA104から出力されて、物体により反射又は散乱された後、反射戻り光となって受光センサ106により受信されるまでの、上記ビームの飛行時間(Time Of Flight)を算出する。また、処理装置108は、受光センサ106に到来する上記反射戻り光の到来方向を特定する。これにより、処理装置108は、空間における上記物体の形状や位置等を示す空間マッピング情報を出力する。処理装置108は、例えばデジタルシグナルプロセッサ(DSP、Digital Signal Processor)などのプロセッサやコンピュータにより構成されるものとすることができる。   The processing unit 108 causes the light source 102 to output modulated light. As described above, the processing device 108 applies a signal to, for example, the semiconductor laser or the light modulator included in the light source 102, and causes the light source 102 to output the modulated light. In addition, the processing device 108 outputs the main maximum beam from the OPA 104 and is reflected or scattered by the object, and then becomes the reflected return light and the flight time of the beam until it is received by the light receiving sensor 106 (Time Calculate Of Flight). Further, the processing device 108 specifies the arrival direction of the reflected return light arriving at the light receiving sensor 106. Thereby, the processing device 108 outputs space mapping information indicating the shape, position, and the like of the object in space. The processing device 108 may be configured by a processor such as a digital signal processor (DSP, Digital Signal Processor) or a computer.

図2は、OPA104の構成を示す図である。OPA104は、基板200上に形成された光導波路を用いて、ソリッドステートタイプのOPAとして構成されている。本実施形態では、基板200は、酸化されたシリコン基板、あるいはSiO2を主成分とする石英ガラスであり、例えばSiO2の中に埋め込まれたSi34により光導波路が形成されている。ただし、この構成は一例であって、基板200は、Si34、Si、SiON、LiNbO3、LiTaO3、又はSiC等の材料を用いて構成されるものとすることができる。FIG. 2 is a diagram showing the configuration of the OPA 104. As shown in FIG. The OPA 104 is configured as an OPA of a solid state type using an optical waveguide formed on the substrate 200. In the present embodiment, the substrate 200 is an oxidized silicon substrate or quartz glass containing SiO 2 as a main component, and an optical waveguide is formed of, for example, Si 3 N 4 embedded in SiO 2 . However, this configuration is an example, and the substrate 200 can be configured using a material such as Si 3 N 4 , Si, SiON, LiNbO 3 , LiTaO 3 , or SiC.

OPA104は、基板200上に形成された光導波路として、光源102からの入力光が入力されるバス導波路202と、4つの導波ライン204a、204b、204c、204d(それぞれ図示斜めハッチング部分と図示クロスハッチング部分とを含む導波路部分)と、回折光の主極大ビーム236を生成するアンテナエレメント206a、206b、206c、206dと、を備える。アンテナエレメント206a、206b、206c、206dは、所定の間隔pで配列されたアンテナエレメントアレイ208を構成している。アンテナエレメント206a、206b、206c、206dは、本実施形態では直線導波路で構成されている。   The OPA 104 is, as an optical waveguide formed on the substrate 200, a bus waveguide 202 into which input light from the light source 102 is input, and four waveguide lines 204a, 204b, 204c, 204d A waveguide portion including cross-hatched portions), and antenna elements 206a, 206b, 206c, and 206d that generate a main maximum beam 236 of diffracted light. The antenna elements 206a, 206b, 206c, 206d constitute an antenna element array 208 arranged at a predetermined spacing p. The antenna elements 206a, 206b, 206c, and 206d are configured by linear waveguides in the present embodiment.

バス導波路202には、当該バス導波路202を伝搬する光の一部をそれぞれ抽出する複数の光カプラ220a、220b、220c、220dが設けられている。また、互いに隣接する光カプラ220aと220bとの間、220bと220cとの間、220cと220dとの間には、それぞれに2つの位相シフタ222aと224a、222bと224b、及び222cと224cが設けられている。   The bus waveguide 202 is provided with a plurality of optical couplers 220 a, 220 b, 220 c, and 220 d that respectively extract part of the light propagating through the bus waveguide 202. Further, two phase shifters 222a and 224a, 222b and 224b, and 222c and 224c are provided between the adjacent optical couplers 220a and 220b, between 220b and 220c, and between 220c and 220d, respectively. It is done.

光カプラ220a、220b、220c、220dは、本実施形態では、それぞれ、所定距離を隔てて近接する2つの光導波路間のエバネセント波を介した光の結合を利用するエバネセントカプラである。また、位相シフタ222a、222b、222c、及び224a、224b、224cは、それぞれ、バス導波路202の一部に設けられたヒータ226a、226b、226c、及び228a、228b、228cにより構成されている。   The optical couplers 220a, 220b, 220c, and 220d are evanescent couplers that use coupling of light via evanescent waves between two adjacent optical waveguides separated by a predetermined distance in this embodiment. The phase shifters 222a, 222b, 222c and 224a, 224b, 224c are respectively configured by heaters 226a, 226b, 226c and 228a, 228b, 228c provided in part of the bus waveguide 202.

これにより、位相シフタ222a等は、バス導波路202を構成する材料が有する熱光学効果により、ヒータ226a等が与える温度変化により、当該ヒータ226a等の真下のバス導波路202の部分に屈折率変化を生じさせ、当該部分を通過する光の位相を変化させる。ここで、ヒータ226a、226b、226c、及び228a、228b、228cは、本実施形態では、例えばバス導波路202上に形成された下地層であるチタン(Ti)の上に金(Au)の層を形成して構成される薄膜ヒータである。   Thereby, the phase shifters 222a and the like change the refractive index of the portion of the bus waveguide 202 immediately below the heater 226a and the like due to the temperature change given by the heater 226a and the like due to the thermo-optic effect of the material constituting the bus waveguide 202. To change the phase of the light passing through the part. Here, the heaters 226a, 226b, 226c and 228a, 228b, 228c are, for example, a layer of gold (Au) on titanium (Ti) which is an underlayer formed on the bus waveguide 202 in this embodiment, for example. The thin film heater is configured by forming

光カプラ220a、220b、220c、220dにより抽出されたバス導波路202を伝搬する光の一部は、それぞれ、導波ライン204a、204b、204c、204dを伝搬する。導波ライン204a、204b、204c、204dのそれぞれの光出力端210a、210b、210c、210dは、基板200の第1の方向であるY方向に平行なライン232に沿って、所定の間隔pで配列され、それぞれ、直線導波路であるアンテナエレメント206a、206b、206c、206dに接続されている。アンテナエレメント206a、206b、206c、206dは、互いに同じ光路長を持ち、それぞれの光出射端212a、212b、212c、212dが、Y方向に平行な基板200の図示下側のエッジ234に沿って、光出力端210a等と同じ所定の間隔pで配列されている。   Part of the light propagating through the bus waveguide 202 extracted by the optical couplers 220a, 220b, 220c, and 220d propagates through the waveguide lines 204a, 204b, 204c, and 204d, respectively. The light output ends 210a, 210b, 210c, and 210d of the waveguide lines 204a, 204b, 204c, and 204d, respectively, are at predetermined intervals p along a line 232 parallel to the Y direction, which is the first direction of the substrate 200. They are arranged and connected to antenna elements 206a, 206b, 206c, 206d which are linear waveguides, respectively. The antenna elements 206a, 206b, 206c, 206d have the same optical path length, and the light emitting ends 212a, 212b, 212c, 212d are arranged along the lower edge 234 of the substrate 200 shown in FIG. The light output end 210a and the like are arranged at the same predetermined interval p.

これにより、アンテナエレメントアレイ208を構成するアンテナエレメント206a、206b、206c、206dから、互いの間に所定の位相差を持った光が出力され、当該出力された光が形成する回折光の主極大ビーム236が、当該位相差により定まる方向へ出力される。そして、位相シフタ222a等により上記位相差を変化させることで、主極大ビーム236の偏向角θを変化させて、ビームステアリング動作が行われる。ここで、偏向角θは、光出射端212a、212b、212c、212dを含む平面(本実施形態では、基板200のエッジ234)の法線238に対して主極大ビーム236が成す角度として定義される。   As a result, light having a predetermined phase difference between each other is output from the antenna elements 206a, 206b, 206c, and 206d constituting the antenna element array 208, and the main maximum of diffracted light formed by the output light The beam 236 is output in the direction determined by the phase difference. Then, the beam steering operation is performed by changing the deflection angle θ of the main maximum beam 236 by changing the phase difference with the phase shifter 222 a or the like. Here, the deflection angle θ is defined as an angle formed by the main maximum beam 236 with respect to the normal 238 of the plane (in the present embodiment, the edge 234 of the substrate 200) including the light emitting ends 212a, 212b, 212c and 212d. Ru.

特に、本実施形態のOPA104では、導波ライン204a、204b、204c、204dは互いに等しい光路長を持つ。また、上述したように、位相シフタ222a等は、バス導波路202のうち隣接する光カプラ220a等が挟むそれぞれの区間に設けられている。また、位相シフタ222a等、224a等が非動作状態(すなわち、ヒータ226a等、228a等が無通電状態)である場合に、バス導波路202に沿った隣接する光カプラ220a等の間のそれぞれの区間は、隣接する光カプラ220a等から抽出される光の互いの位相差がπの奇数倍(すなわち、互いに逆位相)となるように構成されている。   In particular, in the OPA 104 of this embodiment, the waveguide lines 204a, 204b, 204c, and 204d have equal optical path lengths. Further, as described above, the phase shifter 222 a and the like are provided in each section of the bus waveguide 202 which is adjacent to the adjacent optical coupler 220 a and the like. Also, when the phase shifters 222a etc., 224a etc. are in a non-operating state (ie, the heaters 226a etc., 228a etc. are non-energized), each between adjacent optical couplers 220a etc. along the bus waveguide 202 The sections are configured such that the phase difference between the lights extracted from the adjacent optical couplers 220a and the like is an odd multiple of π (that is, the phases are opposite to each other).

これにより、OPA104では、導波ライン204a等が互いに同じ光路長を持つので、位相シフタ222a等が非動作状態である場合に隣接する光出力端210a等(従って、隣接する光出射端212a等)から出力される光の位相差は、バス導波路202に沿った光カプラ220a等の互いの位置関係により定まる位相差となる。すなわち、当該位置関係により定まる位相差に対して付加的に発生する位相シフトがないので、位相シフトのオフセットを補償する必要がなく、単純な制御によりOPA104を動作させることができる。   As a result, in the OPA 104, the waveguide lines 204a and the like have the same optical path length, and therefore the light output end 210a and the like adjacent to each other (when the phase shifter 222a and the like are inoperative) The phase difference of the light output from the optical fiber is determined by the positional relationship of the optical coupler 220 a and the like along the bus waveguide 202. That is, since there is no additional phase shift that occurs with respect to the phase difference determined by the positional relationship, there is no need to compensate for the phase shift offset, and the OPA 104 can be operated by simple control.

また、位相シフタ222a等を動作させた場合に光カプラ220a等から導波ライン204a等に向けて出力される光の位相シフト量は、バス導波路202に沿って光入力端230に最も近い光カプラ220a等から順に、複数の位相シフタ222a等により生ずる位相シフトが順次累積された位相シフト量となる。このため、OPA104では、位相シフタ222a等のそれぞれにより比較的小さな位相シフトを与えるだけで、2πを超える累積位相シフトを線形的に精度よく生じさせて、アンテナエレメントアレイ208から出射する主極大ビーム236の広がり幅を増加させることなく、その出射方向を変化させることができる。   In addition, when the phase shifter 222a or the like is operated, the phase shift amount of light output from the optical coupler 220a or the like toward the waveguide line 204a or the like is the light closest to the light input end 230 along the bus waveguide 202 The phase shift amounts generated by the plurality of phase shifters 222 a and the like are sequentially accumulated, in order from the coupler 220 a and the like. For this reason, in the OPA 104, by providing relatively small phase shifts by the phase shifters 222a and the like, cumulative phase shifts exceeding 2π can be generated linearly and precisely, and the main maximum beams 236 emitted from the antenna element array 208 The emission direction can be changed without increasing the spread width of the light.

また、位相シフタ222a等を動作させて主極大ビーム236の偏向角θを変化させる場合、全ての互いに隣接する光カプラ220a等の間において、当該隣接する光カプラ220a等から抽出される光の互いの位相差の変化分が同じとなるようにすればよい。したがって、隣接する光カプラ220a等の間に設けられる位相シフタ222a等はそれぞれ、バス導波路202の光の伝搬方向に沿って上流にある直近の光カプラ220a等から抽出される光の位相に対し、それぞれ同じ量の位相シフトのみを与えるよう動作すればよい。   When the phase shifter 222a or the like is operated to change the deflection angle θ of the main maximum beam 236, the light extracted from the adjacent optical couplers 220a or the like is mutually adjacent between all the adjacent optical couplers 220a or the like. It is sufficient to make the change of the phase difference be the same. Therefore, the phase shifters 222a and the like provided between the adjacent optical couplers 220a and the like are each for the phase of the light extracted from the nearest optical coupler 220a and the like located upstream along the light propagation direction of the bus waveguide 202. Each need only be operated to provide the same amount of phase shift.

このため、位相シフタ222a等及び224a等をそれぞれ互いに同じデザインで構成すれば、位相シフタ222a等のそれぞれ及び224a等のそれぞれには、実質的に同じ大きさの電流を与えることで、それぞれ隣接する光カプラ220a等から抽出される光の間に同じ位相差を生じさせて、主極大ビーム236の偏向角θを変化させることができる。具体的には、位相シフタ222a等及び224a等を構成するヒータ226a等及び228a等を、それぞれ同じ電流を通電したときに互いに同じ温度となるように、それらの長さ、幅、及び厚さを含むサイズ、並びに形状が、互いに同じとなるように構成するものとすることができる。ヒータ226a等及び228a等の各ヒータの2つの端子は、例えば基板200上に設けられた電極パッド(不図示)に接続され、当該電極パッドを介して基板200の外部から通電される。これにより、すべての位相シフタ222a等、224a等に等しい位相シフトを生じさせて、OPA104をより簡単に動作させることが可能となる。   Therefore, if phase shifters 222a and so forth and 224a and so on are respectively designed to have the same design, each of phase shifters 222a and so on and 224a and so on will be adjacent to each other by applying currents of substantially the same magnitude. The deflection angle θ of the main maximum beam 236 can be changed by causing the same phase difference to occur between the lights extracted from the optical coupler 220a and the like. Specifically, the heaters 226a and so forth constituting the phase shifters 222a and so forth and 224a and so on have the length, width, and thickness so that they have the same temperature when the same current flows respectively. The included size and shape may be configured to be the same as each other. The two terminals of each heater, such as the heaters 226a and so on and 228a, are connected to, for example, an electrode pad (not shown) provided on the substrate 200, and are energized from the outside of the substrate 200 via the electrode pad. This makes it possible to make the OPA 104 operate more easily by causing all the phase shifters 222a etc., 224a etc. to have equal phase shifts.

なお、本実施形態において、隣接する光カプラ220a等から抽出される光の互いの位相差がπの奇数倍(すなわち、互いに逆位相)となるように構成するのは、ヒータ226a等により構成される位相シフタ222a等により実現し得る位相シフトが、基板200における屈折率の温度依存性に起因して、ヒータ226等への電流絶対値の増加に対し増加または減少のいずれか一方向のみとなるためである。この場合、位相シフタ222a等への通電電流絶対値の増加に伴って主極大ビーム236は一方向にのみ移動するので、主極大ビーム236を動作角度範囲の端から端まで連続的に移動させるには、位相シフタ222a等が非動作状態のときには、主極大ビーム236が動作角度範囲の端に配されるようにする必要があるためである。   In the present embodiment, the heaters 226a and the like are configured such that the phase differences of light extracted from adjacent optical couplers 220a and the like are odd multiples of π (that is, opposite phases to each other). The phase shift that can be realized by the phase shifter 222a or the like is only one direction of increase or decrease relative to the increase of the current absolute value to the heater 226 or the like due to the temperature dependency of the refractive index in the substrate 200 It is for. In this case, since the main maximum beam 236 moves only in one direction along with the increase of the absolute value of current supplied to the phase shifter 222a etc., the main maximum beam 236 is continuously moved from end to end of the operating angle range. The reason is that the main maximum beam 236 needs to be disposed at the end of the operating angle range when the phase shifter 222a and the like are in the non-operating state.

したがって、例えば、基板200としてLiNbO3等の電気光学効果を有する基板を用い、位相シフタ222a等として基板200への電界印加方向の反転により光の位相を増加及び減少させることのできる位相シフタを用いる場合には、隣接する光カプラ220a等の間のバス導波路202の区間は、隣接する光カプラ220a等から抽出される光が必ずしも逆位相となるように構成する必要はない。この場合には、位相シフタ222a等が非動作状態であるときに主極大ビーム236を動作角度範囲の中央に置くか又は所定の偏向角θの位置に置くかにより、隣接する光カプラ220a等の間のバス導波路202の区間を、隣接する光カプラ220a等から抽出される光の互いの位相差が2πの整数倍又は所定の値となるように構成するものとすることができる。Therefore, for example, a substrate having an electro-optical effect such as LiNbO 3 is used as the substrate 200, and a phase shifter capable of increasing and decreasing the phase of light as the phase shifter 222a etc. by reversing the electric field application direction to the substrate 200 is used. In this case, the section of the bus waveguide 202 between the adjacent optical couplers 220a and the like does not necessarily have to be configured such that the light extracted from the adjacent optical couplers 220a and the like has the opposite phase. In this case, depending on whether the main maximum beam 236 is placed at the center of the operating angle range or at the position of the predetermined deflection angle θ when the phase shifter 222a or the like is not in operation, the adjacent optical coupler 220a etc. The section of the bus waveguide 202 between them may be configured such that the phase difference between the lights extracted from the adjacent optical couplers 220a etc. becomes an integral multiple of 2π or a predetermined value.

図2に戻り、OPA104は、より具体的には以下のように構成されている。
上述したとおり、光カプラ220a等にそれぞれ接続された導波ライン204a等のそれぞれの光出力端210a等は、基板200の第1の方向であるY方向に平行なライン232に沿って、所定の間隔pで配されている。また、光カプラ220a、220b、220c、220dは、第1の方向に直交する第2の方向であるX方向に沿って第1の所定距離dをもって互いに離間し、且つ、Y方向に沿って上記所定の間隔pと上記第1の所定距離dとを加算した距離である第2の所定距離s(=d+p)をもって互いに離間するように配されている。
Returning to FIG. 2, the OPA 104 is more specifically configured as follows.
As described above, the light output end 210a and the like of the waveguide line 204a and the like respectively connected to the optical coupler 220a and the like are predetermined along the line 232 parallel to the Y direction which is the first direction of the substrate 200. It is distributed at intervals p. The optical couplers 220a, 220b, 220c, 220d are separated from each other by a first predetermined distance d along the X direction which is a second direction orthogonal to the first direction, and along the Y direction. It is arranged to be separated from each other by a second predetermined distance s (= d + p) which is a distance obtained by adding the predetermined interval p and the first predetermined distance d.

また、導波ライン204a、204b、204c、204dは、それぞれ、光カプラ220a、220b、220c、220dにその一端が接続されてY方向に延在する直線導波路204a−1、204b−1、204c−1、204d−1(それぞれ斜めハッチング部分)と、当該直線導波路のそれぞれに接続され、光出力端210a、210b、210c、210dに向かって光の伝搬方向を90°変換する曲がり導波路204a−2、204b−2、204c−2、204d−2(それぞれ図示クロスハッチング部分)と、により構成されている。ここで、曲がり導波路204a−2、204b−2、204c−2、204d−2は、互いに同じ曲率rをもつ。   The waveguide lines 204a, 204b, 204c, and 204d are connected to the optical couplers 220a, 220b, 220c, and 220d at their one ends, and extend in the Y direction into linear waveguides 204a-1, 204b-1, and 204c. -1, 204d-1 (respectively hatched portions) and a curved waveguide 204a connected to each of the straight waveguides and converting the propagation direction of light by 90 ° toward the light output ends 210a, 210b, 210c, 210d -2, 204b-2, 204c-2, and 204d-2 (each cross hatching portion shown). Here, the curved waveguides 204 a-2, 204 b-2, 204 c-2 and 204 d-2 have the same curvature r.

これにより、直線導波路204a−1の長さに対する直線導波路204b−1、204c−1、204d−1の長さの差分は、光カプラ220a等のY方向の配列間隔sと、光出力端210a等の配列間隔pとにより定まり、それぞれ、−s+p、−2s+2p、−3s+3pとなる。上記のとおり、s=d+pであるので、上記差分は、それぞれ、−d、−2d、−3dとなる。   Thereby, the difference between the lengths of the linear waveguides 204b-1, 204c-1 and 204d-1 with respect to the length of the linear waveguide 204a-1 is the arrangement interval s in the Y direction of the optical coupler 220a etc. The value is determined by the arrangement interval p of 210 a and the like, and becomes −s + p, −2s + 2p, and −3s + 3p. As described above, since s = d + p, the differences are −d, −2d, and −3d, respectively.

また、直線導波路204a−1、204b−1、204c−1、204d−1に接続された曲がり導波路204a−2、204b−2、204c−2、204d−2から、ライン232に配列されたそれぞれの光出力端210a、210b、210c、210dまでの長さは、光カプラ220a等のX方向の配列間隔dで定まり、それぞれ、0、d、2d、3dとなる。   In addition, the curved waveguides 204a-2, 204b-2, 204c-2, and 204d-2 connected to the linear waveguides 204a-1, 204b-1, 204c-1, and 204d-1 are arranged in the line 232. The lengths to the respective light output ends 210a, 210b, 210c and 210d are determined by the arrangement interval d in the X direction of the optical coupler 220a etc., and become 0, d, 2d and 3d, respectively.

したがって、上記直線導波路204a−1に対する直線導波路204b−1、204c−1、204d−1の長さの差分−d、−2d、−3dは、曲がり導波路204a−2、204b−2、204c−2、204d−2から光出力端210a、210b、210c、210dまでの長さの差により相殺され、導波ライン204a、204b、204c、204dは、互いに同じ長さ、従って同じ光路長を持つものとなる。   Therefore, the difference in length -d, -2d, -3d of the straight waveguides 204b-1, 204c-1, 204d-1 with respect to the straight waveguide 204a-1 is a curved waveguide 204a-2, 204b-2, The waveguide lines 204a, 204b, 204c, 204d have the same length, and thus the same optical path length, offset by the difference in length from 204c-2, 204d-2 to the light output end 210a, 210b, 210c, 210d. It becomes what you have.

さらに、OPA104のバス導波路202は、その一部が光カプラ220a等の一部を構成する複数の蛇行導波路が縦続接続されて構成されている。より具体的には、バス導波路202は、図2に示す点A1と点A2とを接続する蛇行導波路202−1と、点A2と点A3とを接続する蛇行導波路202−2と、点A3と点A4とを接続する蛇行導波路202−3と、が縦続接続されて構成されている。   Further, the bus waveguide 202 of the OPA 104 is configured by cascading a plurality of serpentine waveguides, a part of which constitutes a part of the optical coupler 220a or the like. More specifically, the bus waveguide 202 includes a meandering waveguide 202-1 connecting the points A1 and A2 shown in FIG. 2, and a meandering waveguide 202-2 connecting the points A2 and A3. The meandering waveguide 202-3 connecting the point A3 and the point A4 is connected in cascade.

蛇行導波路202−1、202−2、202−3は、いずれも同様の構成を有しているので、以下では、蛇行導波路202−1を例にとって、その構成の詳細を説明する。   The serpentine waveguides 202-1, 202-2, and 202-3 all have the same configuration, and therefore, the configuration of the serpentine waveguide 202-1 will be described by way of example.

図3は、蛇行導波路202−1の構成を示す部分詳細図である。蛇行導波路202−1は、2つの直線導波路300、302(共に、図示斜線ハッチング部分)と、3つの曲がり導波路310、312、314とを有する。曲がり導波路310、312、314は、例えば同じ曲率半径rを持つ円弧状導波路である。曲がり導波路310は、光の伝搬方向を180°変換する第1の曲がり導波路であり、曲がり導波路312、314は、光の伝搬方向を90°変換する2つの第2の曲がり導波路である。   FIG. 3 is a partial detailed view showing the configuration of the meandering waveguide 202-1. The meandering waveguide 202-1 has two straight waveguides 300, 302 (both shown hatched) and three curved waveguides 310, 312, 314. The curved waveguides 310, 312, 314 are, for example, arc-shaped waveguides having the same radius of curvature r. The bending waveguide 310 is a first bending waveguide that converts the light propagation direction by 180 °, and the bending waveguides 312 and 314 are two second bending waveguides that convert the light propagation direction by 90 °. is there.

なお、図3においては、図を簡略化して理解を容易にするため、位相シフタ222a、224a及びヒータ226a、228aの図示を省略しているが、実際には、直線導波路300、302には、それぞれ、位相シフタ222a及び224aが設けられている。   Although the phase shifters 222a and 224a and the heaters 226a and 228a are omitted in FIG. 3 in order to simplify the drawing and facilitate understanding, in practice, the linear waveguides 300 and 302 are not shown. Phase shifters 222a and 224a are provided, respectively.

そして、直線導波路300、302は、曲がり導波路310を曲がり導波路312、314にそれぞれ接続している。したがって、点A1及び点A2にそれぞれつながる第2の曲がり導波路である曲がり導波路312、314の一部が、それぞれエバネセントカプラである隣接する光カプラ220a、220bの一部を構成している(図2)。   The straight waveguides 300 and 302 connect the curved waveguides 310 to the curved waveguides 312 and 314, respectively. Therefore, a part of the bent waveguides 312 and 314 which are the second bent waveguides respectively connected to the point A1 and the point A2 constitutes a part of the adjacent optical couplers 220a and 220b which are evanescent couplers ( Figure 2).

ここで、上述のとおり、隣接する光カプラ220a等は第1の方向であるY方向に沿って第2の所定距離sをもって互いに離間するように配されているので、点A1−A2間のY方向の距離はsとなる。また、曲がり導波路312、314は同じ曲率半径rをもつので、曲がり導波路312が直線導波路300に接続する位置と曲がり導波路314が直線導波路302に接続する位置との間のY方向に沿った距離もsとなる。   Here, as described above, the adjacent optical couplers 220a and so on are arranged to be separated from each other by the second predetermined distance s along the Y direction which is the first direction. The distance in the direction is s. In addition, since the bending waveguides 312 and 314 have the same radius of curvature r, the Y direction between the position where the bending waveguide 312 connects to the linear waveguide 300 and the position where the bending waveguide 314 connects to the linear waveguide 302 The distance along is also s.

また、隣接する光カプラ220a等は第2の方向であるX方向に沿って第1の所定距離dだけ離間するように配されているので、点A1−A2間のX方向の距離はdである。また、本実施形態の蛇行導波路202−1等は、X方向のサイズを小さくするため、X方向に延在する直線導波路を含まないので、
d=4r (2)
である。
Further, since the adjacent optical couplers 220a and the like are arranged to be separated by the first predetermined distance d along the X direction which is the second direction, the distance between the points A1 and A2 in the X direction is d. is there. Further, since the meandering waveguide 202-1 and the like of the present embodiment do not include a straight waveguide extending in the X direction in order to reduce the size in the X direction,
d = 4r (2)
It is.

直線導波路300及び302の長さをそれぞれq及びbとすると、蛇行導波路202−1の経路長Lc(すなわち、点A1からA2までの経路長Lc)は、
Lc=b+q+2πr (3)
となる。また、図3より、
b=s+q (4)
の関係が成り立つ。
Assuming that the lengths of the linear waveguides 300 and 302 are q and b, respectively, the path length Lc of the serpentine waveguide 202-1 (that is, the path length Lc from point A1 to A2) is
Lc = b + q + 2πr (3)
It becomes. Also, from FIG.
b = s + q (4)
The relationship of

ここで、隣接する光カプラ220a、220bから導波ライン204a、204bに出力される光の位相差φ0は、入力光の波長をλ0とすると、次式で与えられる。Here, assuming that the wavelength of the input light is λ 0 , the phase difference φ 0 of the light output from the adjacent optical couplers 220 a and 220 b to the waveguide lines 204 a and 204 b is given by the following equation.

Figure 0006513884
Figure 0006513884

上述したように、本実施形態では、隣接する光カプラ220a等から出力される光の位相を互いに逆位相(したがって、位相差をπの奇数倍)とするので、
φ0=π(2i+1) (i=0,1,2,…) (6)
である。したがって、式(5)と式(6)から、次式が成り立つ必要があることがわかる。
As described above, in this embodiment, the phases of light output from the adjacent optical couplers 220a and the like are opposite to each other (therefore, the phase difference is an odd multiple of π).
φ 0 = π (2i + 1) (i = 0, 1, 2,...) (6)
It is. Therefore, it can be understood from the equations (5) and (6) that the following equation needs to hold.

Figure 0006513884
Figure 0006513884

また、式(7)は、式(3)を用いて、次式となる。

Figure 0006513884
Moreover, Formula (7) becomes following Formula using Formula (3).
Figure 0006513884

ここで、曲率半径rは、曲がり導波路310、312、314の曲がり導波損失が所定量を超えない設計値として与えられる。したがって、蛇行導波路202−1の第1の所定距離dは、光学特性の設計値として与えられる。また、配列間隔pは、使用する光の波長と主極大ビーム236の偏向角θについての要求から定まる光学特性の設計値として与えられる。すなわち、第2の所定距離s(=d+p)も、光学特性の設計値から与えられる。   Here, the radius of curvature r is given as a design value in which the bending waveguide loss of the bending waveguides 310, 312, 314 does not exceed a predetermined amount. Therefore, the first predetermined distance d of the meandering waveguide 202-1 is given as a design value of the optical characteristic. Further, the arrangement interval p is given as a design value of optical characteristics determined from the wavelength of light used and the requirement for the deflection angle θ of the main maximum beam 236. That is, the second predetermined distance s (= d + p) is also given from the design value of the optical characteristic.

したがって、Lcは、光学特性設計から定まるs及びdに対して、直線導波路300及び302の長さb及びqを調整することにより定まる。このb及びqは、式(4)を満たし、dは式(2)を満たすので、式(8)に式(4)及び式(2)を適用して、次式を得る。   Therefore, Lc is determined by adjusting the lengths b and q of the linear waveguides 300 and 302 with respect to s and d determined from the optical property design. Since b and q satisfy equation (4) and d satisfy equation (2), equations (4) and (2) are applied to equation (8) to obtain the following equation.

Figure 0006513884
Figure 0006513884

結論として、蛇行導波路202−1により隣接する光カプラ220a及び220bから導波ライン204a、204bへ出力される光の位相を互いに逆位相とするための条件は、次式となることがわかる。   As a conclusion, it can be seen that the condition for making the phases of light output from the adjacent optical couplers 220a and 220b to the waveguide lines 204a and 204b by the meandering waveguide 202-1 opposite to each other is as follows.

Figure 0006513884
Figure 0006513884

換言すれば、式(10)及び式(4)を満たす長さq及びbを持つように、直線導波路300及び302の距離q及びbを設定することで、隣接する光カプラ220a及び220bから導波ライン204a、204bへ出力される光の位相を互いに逆位相とすることができる。   In other words, by setting the distances q and b of the linear waveguides 300 and 302 so as to have the lengths q and b satisfying the equations (10) and (4), the adjacent optical couplers 220a and 220b The phases of light output to the waveguide lines 204a and 204b can be opposite to each other.

そして、他の蛇行導波路202−2、202−3も、蛇行導波路202−1と同様に設計することにより、隣接するすべての光カプラ220a等の間において、対応する導波ライン204a等へ出力する光の位相を互いに逆位相とすることができる。そして、位相シフタ222a等により通電することで、隣接する全ての光カプラ220a等の間で等量の位相シフトを発生させれば、アンテナエレメントアレイ208から出力される主極大ビーム236の偏向角を変化させることができる。   Further, by designing the other meandering waveguides 202-2 and 202-3 in the same manner as the meandering waveguide 202-1, it is possible to connect to the corresponding waveguide line 204a etc. between all the adjacent optical couplers 220a etc. The phases of light to be output can be made opposite to each other. Then, if an equal amount of phase shift is generated between all the adjacent optical couplers 220a and the like by energizing the phase shifter 222a and the like, the deflection angle of the main maximum beam 236 output from the antenna element array 208 is It can be changed.

なお、本実施形態においては、蛇行導波路202−1の直線導波路300及び302の双方に位相シフタ222a及び224aを設けているが、必要とされる位相シフト量や制御の際の消費電力条件によって、直線導波路300及び302の一方又は双方に位相シフタ222a等を設けるものすることができる。なお、蛇行導波路202−2、202−3についても同様である。   In the present embodiment, the phase shifters 222a and 224a are provided in both the linear waveguides 300 and 302 of the meandering waveguide 202-1, but the required phase shift amount and the power consumption condition for control are provided. Thus, the phase shifter 222a or the like can be provided in one or both of the linear waveguides 300 and 302. The same applies to the meandering waveguides 202-2 and 202-3.

図4A及び図4Bは、アンテナエレメントアレイ208から出力される光の遠視野像を示す図である。図4A及び図4Bともに、横軸は、基板200のエッジ234の法線238から測った偏向角θに対するsinθの値、縦軸は光の強度である。   FIGS. 4A and 4B are diagrams showing far-field patterns of light output from the antenna element array 208. FIG. In both FIGS. 4A and 4B, the horizontal axis is the value of sin θ with respect to the deflection angle θ measured from the normal 238 of the edge 234 of the substrate 200, and the vertical axis is the light intensity.

図4Aは、位相シフタ222a等が非動作状態であって隣接するアンテナエレメント206a等から出力される光の位相が互いに逆位相(すなわち、位相差がπの奇数倍)であるときの遠視野像を示している。2つの主極大ビームに相当する2つのメインローブ400、402が、それぞれ動作範囲(すなわち、主極大ビームの移動可能角度範囲)の両端に位置している。   FIG. 4A is a far-field image when the phase shifters 222a and the like are in a non-operating state and the phases of light output from adjacent antenna elements 206a and the like are opposite to each other (that is, the phase difference is an odd multiple of π). Is shown. Two main lobes 400 and 402 corresponding to the two main maximum beams are respectively located at both ends of the operating range (ie, the movable angle range of the main maximum beam).

図4Bは、位相シフタ222a等により隣接するアンテナエレメント206a等の間に大きさπの位相シフトが導入されて、隣接するアンテナエレメント206a等から出力される光の位相が同じ(すなわち、位相差が2πの整数倍)になったときの、遠視野像を示している。一方の主極大ビームが移動し、当該主極大ビームに相当する一つのメインローブ404が、動作範囲の中央に位置している。   In FIG. 4B, a phase shift of size π is introduced between adjacent antenna elements 206a and the like by phase shifter 222a and the like, and the phases of light output from the adjacent antenna elements 206a and the like are the same (ie, the phase difference is A far-field pattern is shown when it becomes an integer multiple of 2π. One main maximal beam moves, and one main lobe 404 corresponding to the main maximal beam is located at the center of the operating range.

なお、上述した実施形態では、アンテナエレメント206a等は、通常の直線導波路であって導波ライン204a等が伝搬した光を基板200のエッジ234に配された光出射端212a等から出力するものとしたが、これには限られない。例えば、アンテナエレメント206a等を、その幅又は厚さが周期的に変化する摂動導波路により構成されるグレーティングベースのアンテナエレメントとし、導波ライン204a等が伝搬した光を基板200の表面から線状の光として出力するものとすることができる。この場合、位相シフタ222a等を動作させることで、X方向から見たときの基板200の表面法線に対する主極大ビームの偏向角を変化させるものとすることができる。   In the embodiment described above, the antenna elements 206a and the like are normal linear waveguides and output the light propagated by the waveguide lines 204a and the like from the light emitting end 212a and the like arranged at the edge 234 of the substrate 200. However, it is not limited to this. For example, the antenna elements 206a and the like are grating-based antenna elements configured by a perturbation waveguide whose width or thickness changes periodically, and light propagated by the waveguide lines 204a and the like is linearly formed from the surface of the substrate 200. It can be output as light of In this case, by operating the phase shifter 222a or the like, the deflection angle of the main maximum beam with respect to the surface normal of the substrate 200 when viewed from the X direction can be changed.

図5A及び図5Bは、アンテナエレメント206a等に代えて用いることのできる、上記のような摂動導波路の例を示す図である。図5A、図5Bにおいて、図2における構成要素と同じ要素については、同じ符号を用いて示している。   FIGS. 5A and 5B show examples of the above-described perturbation waveguides that can be used instead of the antenna element 206a and the like. In FIGS. 5A and 5B, the same elements as the elements in FIG. 2 are indicated by the same reference numerals.

図5Aにおいて、図示左は基板200の表面のうち摂動導波路で構成されるグレーティングベースのアンテナエレメントが形成される部分を示した平面図、図示右は図示左の平面図におけるDD断面図である。図5Aでは、基板200表面から見た導波路の幅が周期的に変化する摂動導波路であるアンテナエレメント206a−1、206b−1、206c−1、206d−1が用いられている。アンテナエレメント206a−1等は、ライン232の位置で導波ライン204a等と接続されている。アンテナエレメント206a−1等のそれぞれは、DD断面図において矢印で示す方向に、その長さ方向に沿って分布した光を基板200の表面から出射する。これにより、アンテナエレメント206a−1等のそれぞれは、基板200の表面においてX方向に延在する線状光源として作用し、基板200の表面から上方へ向かう主極大ビームを生成する。この構成においては、位相シフタ222a等を動作させることで、X方向から見たときの基板200の表面法線に対する主極大ビームの偏向角を変化させるものとすることができる。   In FIG. 5A, the left in the figure is a plan view showing a portion of the surface of the substrate 200 on which the grating based antenna element composed of the perturbation waveguide is formed, and the figure right is a DD cross section in the plan view in the left . In FIG. 5A, antenna elements 206 a-1, 206 b-1, 206 c-1, and 206 d-1, which are perturbation waveguides in which the width of the waveguide viewed from the surface of the substrate 200 changes periodically, are used. The antenna elements 206 a-1 and the like are connected to the waveguide lines 204 a and the like at the position of the line 232. Each of the antenna elements 206a-1 and the like emits light distributed along the length direction from the surface of the substrate 200 in the direction indicated by the arrow in the DD sectional view. Thus, each of the antenna elements 206a-1 and so on acts as a linear light source extending in the X direction on the surface of the substrate 200, and generates a main maximum beam directed upward from the surface of the substrate 200. In this configuration, it is possible to change the deflection angle of the main maximum beam with respect to the surface normal of the substrate 200 when viewed from the X direction by operating the phase shifter 222a and the like.

図5Bにおいて、図示左は基板200の表面のうち摂動導波路で構成されるグレーティングベースのアンテナエレメントが形成される部分を示した平面図、図示右は図示左の平面図におけるEE断面図である。図5Bでは、導波路の厚さが周期的に変化する摂動導波路であるアンテナエレメント206a−2、206b−2、206c−2、206d−2が用いられている。アンテナエレメント206a−2等は、ライン232の位置で導波ライン204a等と接続されている。アンテナエレメント206a−2等のそれぞれは、EE断面図において矢印で示す方向に、その長さ方向に沿って分布した光を基板200の表面から出射する。これにより、アンテナエレメント206a−2等のそれぞれは、基板200の表面においてX方向に延在する線状光源として作用し、基板200の表面から上方へ向かう主極大ビームを生成する。この構成においては、図5Aと同様に、位相シフタ222a等を動作さることで、X方向から見たときの基板200の表面法線に対する主極大ビームの偏向角を変化させるものとすることができる。   In FIG. 5B, the left in the figure is a plan view showing a portion of the surface of the substrate 200 on which the grating based antenna element composed of the perturbation waveguide is formed, and the figure right is an EE cross section in the plan view in the left . In FIG. 5B, antenna elements 206 a-2, 206 b-2, 206 c-2 and 206 d-2 which are perturbation waveguides in which the thickness of the waveguide periodically changes are used. The antenna elements 206 a-2 and the like are connected to the waveguide lines 204 a and the like at the position of the line 232. Each of the antenna elements 206a-2 and the like emits light distributed along the length direction from the surface of the substrate 200 in the direction indicated by the arrow in the EE cross-sectional view. Thus, each of the antenna elements 206a-2 and the like acts as a linear light source extending in the X direction on the surface of the substrate 200, and generates a main maximum beam directed upward from the surface of the substrate 200. In this configuration, as in FIG. 5A, it is possible to change the deflection angle of the main maximum beam with respect to the surface normal of the substrate 200 when viewed from the X direction by operating the phase shifter 222a etc. .

以上、説明したように、本発明のOPA104は、基板200上に形成された光導波路により構成されるソリッドステート型の光フェーズドアレイである。OPA104は、入力光が伝搬するバス導波路202と、バス導波路202上に配された、当該バス導波路202を伝搬する光の一部をそれぞれ抽出する複数の光カプラ220a等と、を備える。また、OPA104は、複数の光カプラ220a等が抽出した光をそれぞれ伝搬する複数の導波ライン204a等と、バス導波路202に設けられた位相シフタ222a等と、を備える。また、複数の導波ライン204a等は互いに等しい光路長を持ち、位相シフタ222a等は、バス導波路202のうち隣接する光カプラ220a等が挟むそれぞれの区間に設けられている。   As described above, the OPA 104 of the present invention is a solid-state type optical phased array composed of optical waveguides formed on the substrate 200. The OPA 104 includes a bus waveguide 202 through which input light propagates, and a plurality of optical couplers 220 a and the like disposed on the bus waveguide 202 for extracting a part of the light propagating through the bus waveguide 202. . Further, the OPA 104 includes a plurality of waveguide lines 204 a and the like that respectively propagate the light extracted by the plurality of optical couplers 220 a and the like, and a phase shifter 222 a and the like provided in the bus waveguide 202. Further, the plurality of waveguide lines 204 a and the like have equal optical path lengths, and the phase shifter 222 a and the like are provided in each section of the bus waveguide 202 sandwiched by the adjacent optical couplers 220 a and the like.

この構成によれば、導波ライン204a等が互いに同じ光路長を持つので、位相シフタ222a等が非動作状態である場合に隣接する光出力端210a等(従って、隣接する光出射端212a等)から出力される光の位相差は、主としてバス導波路202に沿った複数の光カプラ220a等の互いの位置関係により定まる。すなわち、当該位置関係により定まる位相差に対して付加的に発生する位相シフトがないので、位相シフトのオフセットを補償する必要がなく、単純な制御によりOPA104を動作させることができる。   According to this configuration, since the waveguide lines 204a and the like have the same optical path length, when the phase shifter 222a and the like are in the non-operating state, the light output end 210a and the like adjacent to each other The phase difference of the light output from the light source is determined mainly by the positional relationship between the plurality of optical couplers 220 a and the like along the bus waveguide 202. That is, since there is no additional phase shift that occurs with respect to the phase difference determined by the positional relationship, there is no need to compensate for the phase shift offset, and the OPA 104 can be operated by simple control.

また、位相シフタ222a等を動作させた場合に、光カプラ220a等から導波ライン204a等に向けて出力される光の位相シフト量は、バス導波路202に沿って光入力端230に最も近い順に、複数の位相シフタ222a等により生ずる位相シフトが順次累積された位相シフト量となるので、位相シフタ222a等のそれぞれにより比較的小さな位相シフトを与えるだけで、2πを超える累積位相シフトを精度よく生じさせて、アンテナエレメントアレイ208から出射する主極大ビーム236の出射方向を変化させることができる。   In addition, when the phase shifter 222a or the like is operated, the phase shift amount of light output from the optical coupler 220a or the like toward the waveguide line 204a or the like is closest to the light input end 230 along the bus waveguide 202. Since the phase shifts generated by the plurality of phase shifters 222a and so on become sequentially accumulated phase shifts, cumulative phase shifts exceeding 2π can be accurately obtained only by providing relatively small phase shifts by each of the phase shifters 222a and the like. As a result, the emission direction of the main maximum beam 236 emitted from the antenna element array 208 can be changed.

OPA104は、また、複数の光カプラ220a等にそれぞれ接続された複数の導波ライン204a等のそれぞれの光の光出力端210a等が、基板200の第1の方向であるY方向に平行なライン232に沿って所定の間隔pで配されている。また、複数の光カプラ220a等は、Y方向に直交する第2の方向であるX方向に沿って第1の所定距離dをもって互いに離間し、且つY方向に沿って第2の所定距離s(=d+p)をもって互いに離間するよう配されている。そして、複数の導波ライン204a等は、それぞれ、複数の光カプラ220a等の一つにその一端が接続されてX方向に延在する直線導波路204a−1等と、当該直線導波路204a−1等に接続され、当該導波ライン204a等の光出力端210a等に向かって光の伝搬方向を90°変換する曲がり導波路204a−2等と、により構成されている。さらに、バス導波路202は、その一部が光カプラ220a等の一部を構成する複数の蛇行導波路202−1等が縦続接続されて構成されている。   The OPA 104 is also a line in which light output ends 210 a and the like of light of the plurality of waveguide lines 204 a and the like respectively connected to the plurality of optical couplers 220 a and the like are parallel to the first direction of the substrate 200. It is disposed at a predetermined interval p along 232. The plurality of optical couplers 220a and so on are separated from each other by a first predetermined distance d along the X direction which is the second direction orthogonal to the Y direction, and a second predetermined distance s (along the Y direction). They are spaced apart from each other with = d + p). A plurality of waveguide lines 204a etc. are respectively connected with one end of one of the plurality of optical couplers 220a etc. and extend in the X direction, and a straight waveguide 204a-1 etc. And a bent waveguide 204 a-2 or the like that is connected to 1 and converts the propagation direction of light by 90 ° toward the light output end 210 a of the waveguide line 204 a or the like. Further, the bus waveguide 202 is configured by cascading a plurality of serpentine waveguides 202-1 and the like, a part of which constitutes a part of the optical coupler 220a and the like.

この構成によれば、互いに同じ光路長を持つ導波ライン204a等をシンプルに構成することができる。また、より多くのチャネルを設けるには縦続接続する蛇行導波路202−1等及び対応する導波ライン204a等を所定の間隔で追加配置するだけでよいので、設計拡張性の高いOPAを実現することができる。   According to this configuration, the waveguide lines 204 a and the like having the same optical path length can be simply configured. Also, in order to provide more channels, it is only necessary to additionally arrange the cascaded meandering waveguides 202-1 and the like and the corresponding waveguide lines 204a and the like at predetermined intervals, so that an OPA with high design extensibility is realized. be able to.

また、OPA104では、光カプラ220a等は、所定距離を隔てて近接する2つの光導波路間のエバネセント波を介した光の結合を利用するエバネセントカプラで構成されている。また、バス導波路202を構成する蛇行導波路202−1等は、直線導波路300、302と、曲がり導波路310、312、314とを有し、蛇行導波路202−1等の曲がり導波路312、314の一部が光カプラ220a等であるエバネセントカプラの一部を構成している。   Further, in the OPA 104, the optical coupler 220a and the like are configured as evanescent couplers that use coupling of light via evanescent waves between two optical waveguides that are separated by a predetermined distance. The meandering waveguides 202-1 and the like constituting the bus waveguide 202 have straight waveguides 300 and 302 and bending waveguides 310, 312 and 314, and the bending waveguides such as the meandering waveguide 202-1 and the like A part of 312 and 314 constitutes a part of an evanescent coupler which is the optical coupler 220a or the like.

この構成によれば、バス導波路202の伝搬損失を増加させることなく、バス導波路202を伝搬する光を導波ライン204a等へ分配することができる。   According to this configuration, it is possible to distribute the light propagating through the bus waveguide 202 to the waveguide line 204 a or the like without increasing the propagation loss of the bus waveguide 202.

また、OPA104では、蛇行導波路202−1を構成する曲がり導波路は、光の伝搬方向を180°変換する一つの第1の曲がり導波路310と、光の伝搬方向を90°変換する2つの第2の曲がり導波路312、314と、第1の曲がり導波路310を2つの第2の曲がり導波路312及び314にそれぞれ接続する2つの直線導波路300、302で構成されている。そして、2つの第2の曲がり導波路312、314のそれぞれの一部が、隣接するエバネセントカプラである光カプラ220a、220bの一部を構成している。   Further, in the OPA 104, the bending waveguides constituting the meandering waveguide 202-1 are one first bending waveguide 310 for converting the propagation direction of light by 180 °, and two for converting the propagation direction of light by 90 °. It comprises a second curved waveguide 312, 314 and two linear waveguides 300, 302 connecting the first curved waveguide 310 to the two second curved waveguides 312 and 314 respectively. Then, a part of each of the two second curved waveguides 312 and 314 constitutes a part of the optical couplers 220a and 220b which are adjacent evanescent couplers.

この構成によれば、所定の距離間隔で配された隣接する光カプラ220a等を、同じ所定の光路長を持つ蛇行導波路202−1等により接続するという単純な構成で、隣接する光カプラ220a等から導波ライン204a等へ出射する各光の間の位相差が一定となるようにすることができる。   According to this configuration, the adjacent optical coupler 220a is connected by a simple configuration in which adjacent optical couplers 220a and the like arranged at predetermined distance intervals are connected by meandering waveguide 202-1 and the like having the same predetermined optical path length. It is possible to make the phase difference between each light emitted from the light source to the waveguide line 204 a etc. constant.

また、OPA104では、位相シフタ222a等は、第1の曲がり導波路310を2つの第2の曲がり導波路312、314に接続する2つの直線導波路300、302の一方又は双方に設けられている。この構成によれば、蛇行導波路202−1に沿った位相シフタ222a、224aのトータルの長さを、直線導波路300及び302の長さを加算した長さの範囲まで自由に選択することができるので、位相シフタ222a、224aの動作電圧についての設計自由度が向上する。   Further, in the OPA 104, the phase shifters 222a and the like are provided in one or both of the two linear waveguides 300, 302 connecting the first curved waveguide 310 to the two second curved waveguides 312, 314. . According to this configuration, the total length of the phase shifters 222a and 224a along the meandering waveguide 202-1 can be freely selected to a range of lengths obtained by adding the lengths of the linear waveguides 300 and 302. Since this can be done, the design freedom of the operating voltage of the phase shifters 222a and 224a is improved.

また、OPA104では、位相シフタ222a等は、バス導波路202の一部に設けられたヒータ226a等、228a等により構成される。そして、ヒータ226a等、228a等は、同じ電流を通電したときに互いに同じ温度となるように、長さ、幅、及び厚さを含むサイズ、並びに形状が、互いに同じとなるように構成されている。この構成によれば、バス導波路202上に金属薄膜等を設けるだけの簡易な構成で、バス導波路202を伝搬する光に位相シフトを与えることができる。また、ヒータ226a等、228a等に同じ電流を流すだけで、隣接する光カプラ220a等から導波ライン204a等へ出射する各光の間に同じ位相シフトを生じさせることができる。   Further, in the OPA 104, the phase shifter 222a and the like are configured by the heaters 226a and the like 228a and the like provided in a part of the bus waveguide 202. The heaters 226a and the like 228a and the like are configured to have the same size, shape, and length, including the length, width, and thickness, to have the same temperature when passing the same current. There is. According to this configuration, it is possible to give a phase shift to the light propagating through the bus waveguide 202 with a simple configuration in which only a metal thin film or the like is provided on the bus waveguide 202. Further, the same phase shift can be generated between the respective lights emitted from the adjacent optical couplers 220a and the like to the waveguide lines 204a and the like only by supplying the same current to the heaters 226a and the like 228a and the like.

また、OPA104では、バス導波路202に沿った隣接する光カプラ220a等の間のそれぞれの区間は、全て同じ長さで構成され、隣接する光カプラ220a等から抽出される光の互いの位相差がすべて同じ所定の値となるように構成されている。   Further, in the OPA 104, the sections between adjacent optical couplers 220a and the like along the bus waveguide 202 are all configured to have the same length, and the phase difference between the lights extracted from the adjacent optical couplers 220a and the like Are all configured to have the same predetermined value.

この構成によれば、位相シフタ222a等が非動作状態の場合の主極大ビーム236の出射方向(初期方向)を、任意の所定の方向に設定することができる。これにより、例えば、本光フェーズドアレイをLiDARセンサに用いた場合に、動作開始において最初に探索すべき方向に主極大ビーム236の初期方向を予め設定しておくことができるので、所望の方向の空間情報を迅速に取得することが可能となる。   According to this configuration, it is possible to set the emission direction (initial direction) of the main maximum beam 236 when the phase shifter 222a or the like is in the non-operating state, to any predetermined direction. Thereby, for example, when the present optical phased array is used for a LiDAR sensor, the initial direction of the main maximum beam 236 can be set in advance in the direction to be searched first at the start of operation. Spatial information can be acquired quickly.

また、OPA104では、バス導波路202に沿った隣接する光カプラ220a等の間のそれぞれの区間は、全て同じ長さで構成され、隣接する光カプラ220a等から抽出される光の互いの位相差がすべてπの奇数倍又は2πの整数倍となるように構成されている。   Further, in the OPA 104, the sections between adjacent optical couplers 220a and the like along the bus waveguide 202 are all configured to have the same length, and the phase difference between the lights extracted from the adjacent optical couplers 220a and the like Are all configured to be an odd multiple of π or an integer multiple of 2π.

この構成によれば、位相シフタ222a等が非動作状態であるときの主極大ビーム236の出射方向を動作範囲の端又は中央に設定して、動作開始時に主極大ビーム236を端から端へ移動させて全動作範囲をスキャンしたり、動作範囲の中央から所望の方向へ移動させてスキャンを行うことができる。   According to this configuration, the emission direction of the main maximum beam 236 when the phase shifter 222a or the like is not operating is set at the end or center of the operating range, and the main maximum beam 236 is moved from end to end at the start of operation. It is possible to scan the entire operating range or to move it from the center of the operating range in a desired direction for scanning.

また、OPA104では、導波ライン204a等のそれぞれに接続するアンテナエレメント206a等として、その幅方向又は深さ方向のサイズが変化する摂動導波路で構成されたグレーティングベースのアンテナエレメントを用い、当該摂動導波路のそれぞれにより基板200の表面から光が出力されるよう構成することができる。この構成によれば、上記摂動導波路の長さに沿って線状の主極大ビームを基板200の表面から出射させることができるので、例えば三次元空間マッピングを行うLiDARセンサを容易に構成することができる。   Further, in the OPA 104, as the antenna element 206a connected to each of the waveguide lines 204a etc., a grating based antenna element formed of a perturbation waveguide whose size in the width direction or the depth direction changes is used. Each of the waveguides can be configured to output light from the surface of the substrate 200. According to this configuration, since the linear main maximum beam can be emitted from the surface of the substrate 200 along the length of the perturbation waveguide, it is easy to configure, for example, a LiDAR sensor that performs three-dimensional space mapping. Can.

また、本発明は、OPA104を用いたLiDARセンサ100である。この構成によれば、複雑な制御を必要とせず、比較的少ない位相シフトで動作する、ソリッドステート型のOPA104を用いて、高信頼で且つ制御の容易なLiDARセンサを実現することができる。   Further, the present invention is a LiDAR sensor 100 using the OPA 104. According to this configuration, it is possible to realize a highly reliable and easy-to-control LiDAR sensor using solid-state OPA 104 that does not require complicated control and operates with relatively few phase shifts.

なお、本発明は上記実施形態の構成に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能である。   The present invention is not limited to the configuration of the above-described embodiment, and can be implemented in various modes without departing from the scope of the invention.

例えば、上記実施形態では、アンテナエレメント206a等もバス導波路202等と同じ一枚の基板200上に構成されるものとしたが、これには限られない。例えば、アンテナエレメント206a等を基板200とは別の基板上に構成するものとして、導波ライン204a等とアンテナエレメント206a等とを、基板200上に形成した直線導波路や光ファイバを介して光学的に接続するものとすることができる。   For example, in the above embodiment, the antenna elements 206a and the like are also formed on the same substrate 200 as the bus waveguide 202 and the like, but the present invention is not limited thereto. For example, when the antenna elements 206a and the like are formed on a substrate different from the substrate 200, the waveguide lines 204a and the antenna elements 206a and the like are formed on the substrate 200 via a linear waveguide or an optical fiber. Can be connected.

100…LiDARセンサ、102…光源、104…光フェーズドアレイ(OPA)、106…受光センサ、108…処理装置、200…基板、202…バス導波路、202−1、202−2、202−3…蛇行導波路、204a、204b、204c、204d…導波ライン、204a−1、204b−1、204c−1、204d−1、300、302…直線導波路、204a−2、204b−2、204c−2、204d−2、310、312、314…曲がり導波路、206a、206a−1、206a−2、206b、206b−1、206b−2、206c、206c−1、206c−2、206d、206d−1、206d−2…アンテナエレメント、208…アンテナエレメントアレイ、210a、210b、210c、210d…光出力端、212a、212b、212c、212d…光出射端、220a、220b、220c、220d…光カプラ、222a、222b、222c、224a、224b、224c…位相シフタ、226a、226b、226c、228a、228b、228c…ヒータ、230…光入力端、232…ライン、234…エッジ、236…主極大ビーム、238…法線、400、402、404…メインローブ。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... LiDAR sensor, 102 ... light source, 104 ... optical phased array (OPA) 106 ... light reception sensor, 108 ... processing apparatus, 200 ... board | substrate, 202 ... bus waveguide, 202-1, 202-2, 202-3 ... Meandering waveguide, 204a, 204b, 204c, 204d ... waveguide line, 204a-1, 204b-1, 204c-1, 204d-1, 300, 302 ... linear waveguide, 204a-2, 204b-2, 204c- 2, 204d-2, 310, 312, 314 ... curved waveguides 206a, 206a-1, 206a-2, 206b, 206b-1, 206b-2, 206c-1, 206c-1, 206c-2, 206d, 206d- 1, 206d-2 ... antenna element, 208 ... antenna element array, 210a, 210b, 210c, 2 0d ... light output end 212a, 212b, 212c, 212d ... light emission end 220a, 220b, 220c, 220d ... optical coupler, 222a, 222b, 222c, 224a, 224b, 224c ... phase shifter, 226a, 226b, 226c, 228a, 228b, 228c ... heater, 230 ... light input end, 232 ... line, 234 ... edge, 236 ... main maximum beam, 238 ... normal, 400, 402, 404 ... main lobe.

Claims (10)

基板の上に形成された光導波路により構成される光フェーズドアレイであって、
入力光が伝搬するバス導波路と、
前記バス導波路の上に配された、当該バス導波路を伝搬する光の一部をそれぞれ抽出する複数の光カプラと、
前記複数の光カプラが抽出した光をそれぞれ伝搬する複数の導波ラインと、
前記バス導波路に設けられた位相シフタと、
を備え、
前記複数の光カプラは、前記バス導波路に沿って縦続接続され、
前記位相シフタは、前記バス導波路のうち隣接する前記光カプラが挟むそれぞれの区間に設けられ、
前記バス導波路に沿った隣接する前記光カプラの間のそれぞれの区間は、全て同じ長さで構成され、前記位相シフタのいずれにも通電しない状態において隣接する前記光カプラから抽出される光の互いの位相差がすべて同じ所定の値となるように構成されており、
前記複数の導波ラインは、
互いに等しい光路長を持ち、
前記複数の導波ラインのそれぞれは対応する前記複数の光カプラから、互いに同じ方向に延在する部分を有し、
前記複数の導波ラインの光出射端は、前記延在する方向に平行な一のラインに沿って所定の間隔で配列されて、前記延在する方向と直交する方向へ光を出射する、
よう構成されている、
光フェーズドアレイ。
An optical phased array comprising an optical waveguide formed on a substrate, the optical phased array comprising:
A bus waveguide through which input light propagates,
A plurality of optical couplers disposed on the bus waveguide for respectively extracting a part of light propagating in the bus waveguide;
A plurality of waveguide lines respectively propagating the light extracted by the plurality of optical couplers;
A phase shifter provided in the bus waveguide;
Equipped with
The plurality of optical couplers are cascaded along the bus waveguide,
The phase shifters are provided in respective sections sandwiching the adjacent optical couplers in the bus waveguide,
The sections between the adjacent optical couplers along the bus waveguide are all configured to have the same length, and the light extracted from the adjacent optical couplers in a state in which none of the phase shifters is energized All the phase differences are configured to have the same predetermined value,
The plurality of waveguide lines are
Have equal optical path lengths,
Wherein each of the plurality of waveguide line, from a corresponding plurality of optical couplers, have a portion extending in the same direction,
Light emitting end of said plurality of waveguide lines, before being arranged in the direction Kinobe standing along one line parallel at a predetermined interval, for emitting light in a direction perpendicular to the forward direction of Kinobe standing ,
Is configured as
Optical phased array.
前記所定の値は、πの奇数倍又は2πの整数倍である、
請求項1に記載の光フェーズドアレイ。
The predetermined value is an odd multiple of π or an integer multiple of 2π.
The optical phased array according to claim 1.
前記複数の光カプラにそれぞれ接続された前記複数の導波ラインのそれぞれの光の出射端は、前記基板の第1の方向に平行なラインに沿って、所定の間隔で配されており、
前記複数の光カプラは、前記第1の方向に直交する第2の方向に沿って第1の所定距離をもって互いに離間し、且つ前記第1の方向に沿って前記所定の間隔と前記第1の所定距離とを加算した距離である第2の所定距離をもって互いに離間するよう配されており、
前記複数の導波ラインは、それぞれ、前記複数の光カプラの一つにその一端が接続された前記第1の方向に延在する直線導波路と、当該直線導波路に接続され、当該導波ラインの出力端に向かって光の伝搬方向を90°変換する曲がり導波路と、により構成されている、
請求項1又は2に記載の光フェーズドアレイ。
The light emission ends of the light of the plurality of waveguide lines connected to the plurality of optical couplers are arranged at predetermined intervals along a line parallel to the first direction of the substrate,
The plurality of optical couplers are spaced apart from each other by a first predetermined distance along a second direction orthogonal to the first direction, and the first and second optical couplers are separated from each other along the first direction. It is arranged to be separated from each other by a second predetermined distance which is a distance obtained by adding the predetermined distance and
The plurality of waveguide lines are respectively connected to the linear waveguide extending in the first direction, one end of which is connected to one of the plurality of optical couplers, and the linear waveguide; A curved waveguide that converts the light propagation direction by 90 ° toward the output end of the line;
The optical phased array according to claim 1 or 2.
前記バス導波路は、その一部が前記光カプラの一部を構成する複数の蛇行導波路が縦続接続されて構成され、
前記光カプラは、エバネセントカプラで構成されており、
前記バス導波路を構成する前記蛇行導波路のそれぞれは、直線導波路と曲がり導波路とを有し、
前記蛇行導波路の前記曲がり導波路の一部が前記エバネセントカプラの一部を構成する、
請求項1ないし3のいずれか一項に記載の光フェーズドアレイ。
The bus waveguide is configured by cascading a plurality of serpentine waveguides, a part of which constitutes a part of the optical coupler,
The optical coupler is composed of an evanescent coupler,
Each of the meandering waveguides constituting the bus waveguide has a linear waveguide and a curved waveguide,
A portion of the curved waveguide of the serpentine waveguide constitutes a portion of the evanescent coupler,
The optical phased array according to any one of claims 1 to 3.
前記位相シフタは、前記蛇行導波路が有する前記直線導波路に設けられている、
請求項4に記載の光フェーズドアレイ。
The phase shifter is provided to the linear waveguide included in the meandering waveguide.
The optical phased array according to claim 4.
前記位相シフタは、それぞれ、前記基板の上に設けられたヒータにより構成され、
前記ヒータは、同じ電流を通電したときに互いに同じ温度となるように、前記直線導波路に沿った長さ、幅、及び厚さを含むサイズ、並びに形状が、互いに同じとなるように構成されている、
請求項5に記載の光フェーズドアレイ。
Each of the phase shifters is constituted by a heater provided on the substrate,
The heaters are configured to be the same in size, as well as in shape, including the length, width, and thickness along the linear waveguide, such that the same current flows when the same current is applied. ing,
The optical phased array according to claim 5.
前記蛇行導波路は、光の伝搬方向を180°変換する一つの第1の曲がり導波路と、光の伝搬方向を90°変換する2つの第2の曲がり導波路と、前記第1の曲がり導波路を前記2つの第2の曲がり導波路にそれぞれ接続する2つの直線導波路で構成されており、
前記2つの第2の曲がり導波路のそれぞれの一部が、隣接する前記エバネセントカプラの一部を構成している、
請求項4ないし6のいずれか一項に記載の光フェーズドアレイ。
The meandering waveguide includes one first bending waveguide that converts the propagation direction of light by 180 °, two second bending waveguides that convert the propagation direction of light by 90 °, and the first bending waveguide. Consisting of two straight waveguides connecting the waveguide to the two second curved waveguides,
A portion of each of the two second bending waveguides constitutes a portion of the adjacent evanescent coupler,
The optical phased array according to any one of claims 4 to 6.
前記導波ラインのそれぞれには、その幅方向又は深さ方向のサイズが変化する摂動導波路で構成されたグレーティングベースのアンテナエレメントが接続されており、前記摂動導波路のそれぞれにより前記基板の表面から光が出力されるよう構成されている、
請求項1ないし7のいずれか一項に記載の光フェーズドアレイ。
Each of the waveguide lines is connected to a grating-based antenna element composed of a perturbation waveguide whose size in the width direction or depth direction changes, and the surface of the substrate is connected by the perturbation waveguides. Is configured to output light from
The optical phased array according to any one of claims 1 to 7.
前記基板の材料は、Si、Si、SiON、LiNbO、LiTaO、及びSiCのいずれかである、
請求項1ないし8のいずれか一項に記載の光フェーズドアレイ。
The material of the substrate is any of Si 3 N 4 , Si, SiON, LiNbO 3 , LiTaO 3 , and SiC.
The optical phased array according to any one of claims 1 to 8.
請求項1ないし9のいずれか一項に記載の光フェーズドアレイを用いたLiDARセンサ。   A LiDAR sensor using the optical phased array according to any one of claims 1 to 9.
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