JP7180866B2 - An optical heterodyne detector and a laser radar system using an optical heterodyne detector. - Google Patents

An optical heterodyne detector and a laser radar system using an optical heterodyne detector. Download PDF

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Description

本発明は、光ヘテロダイン検波器及び光ヘテロダイン検波器を用いたレーザレーダ装置に関する。 The present invention relates to an optical heterodyne detector and a laser radar apparatus using the optical heterodyne detector.

レーザレーダ装置では、例えば、送信光と、当該送信光が反射されてアンテナに受光した受信光との位相差に基づいて対象物までの距離を測定する。受信光の検出にはフォトダイオードを用いるが、受信光には多様なノイズが含まれ得るので、受信光に波長が一定の参照光を合波及び干渉させることによって受信光から送信光由来の成分を抽出する光ヘテロダイン検波が行われる。 In a laser radar device, for example, the distance to an object is measured based on the phase difference between the transmitted light and the received light received by the antenna after the transmitted light is reflected. A photodiode is used for the detection of the received light, and since the received light may contain various noises, components originating from the transmitted light are extracted from the received light by combining and interfering with the received light with a reference light having a constant wavelength. Optical heterodyne detection is performed to extract .

特許文献1には、光ヘテロダイン検波を用いた高感度の計測が可能であり、かつ信頼性が高いレーザレーダ装置およびレーザレーダ装置の光受信方法の発明が開示されている。 Patent Literature 1 discloses an invention of a highly reliable laser radar device and an optical receiving method for the laser radar device, which enables highly sensitive measurement using optical heterodyne detection.

特開2016-105082号公報JP 2016-105082 A

ところで、特許文献1に開示されたレーザレーダ装置では、光ヘテロダイン検波が可能な構成が容易に構築できるという長所があるものの、受信する波長によっては、フォトダイオードに厚膜のヘテロエピタキシャルによる基板を要し、製品の製造コストが嵩むおそれがあった。 By the way, the laser radar device disclosed in Patent Document 1 has the advantage that a configuration capable of optical heterodyne detection can be easily constructed. However, there is a risk that the manufacturing cost of the product will increase.

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、簡素な構成により高感度の計測が可能であり、かつ信頼性が高い光ヘテロダイン検波が可能な光ヘテロダイン検波器及び光ヘテロダイン検波器を用いたレーザレーダ装置を実現することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and uses an optical heterodyne detector capable of highly sensitive measurement with a simple configuration and capable of highly reliable optical heterodyne detection, and an optical heterodyne detector. It is an object of the present invention to realize a laser radar device that meets the requirements of the present invention.

上記目的を達成するために、請求項1に記載の光ヘテロダイン検波器は、レーザ光源が出力した送信光が対象物で反射された受信光を集光する集光部と、前記レーザ光源が出力した光の一部である参照光、及び前記集光部によって集光された前記受信光が伝播すると共に、前記参照光の入射方向に対して幅が徐々に拡大することにより、前記参照光の光束を拡大する拡大部を備える導波路と、前記導波路において前記参照光と前記受信光とを干渉させた結果生じる光を受光して電気信号に変換する受光部と、を備えている。
In order to achieve the above object, an optical heterodyne detector according to claim 1 comprises: a light collecting part for collecting light received by reflecting off an object from a transmission light output from a laser light source; The reference light, which is a part of the received light, and the received light condensed by the condensing section propagate, and the width of the reference light gradually expands in the incident direction of the reference light. and a light receiving portion receiving light generated as a result of interference between the reference light and the received light in the waveguide and converting the light into an electric signal.

また、請求項2に記載の光ヘテロダイン検波器は、請求項1に記載の光ヘテロダイン検波器において、前記拡大部は、前記参照光の入射方向に対して逆テーパー状に形成されたものである。
The optical heterodyne detector according to claim 2 is the optical heterodyne detector according to claim 1, wherein the enlarged portion is formed in a reverse tapered shape with respect to the incident direction of the reference light. .

また、請求項3に記載の光ヘテロダイン検波器は、請求項1又は請求項2に記載の光ヘテロダイン検波器において、前記導波路は、薄膜型の導波路であり、前記受光部は、前記薄膜型の導波路の一端側に積層された吸収層及び電極を備えて構成される。
Further, the optical heterodyne detector according to claim 3 is the optical heterodyne detector according to claim 1 or claim 2 , wherein the waveguide is a thin-film waveguide, and the light-receiving part is the thin-film waveguide. It comprises an absorbing layer and an electrode laminated on one end side of a waveguide of the type.

また、請求項4に記載の光ヘテロダイン検波器は、請求項1~請求項3のいずれか1項に記載の光ヘテロダイン検波器において、前記集光部は光学レンズである。
Further, the optical heterodyne detector according to claim 4 is the optical heterodyne detector according to any one of claims 1 to 3, wherein the condensing part is an optical lens.

また、請求項5に記載の光ヘテロダイン検波器は、請求項1~請求項のいずれか1項に記載の光ヘテロダイン検波器において、前記集光部と前記導波路との間に受信用回折格子を備える。
Further, the optical heterodyne detector according to claim 5 is the optical heterodyne detector according to any one of claims 1 to 4 , wherein a receiving diffraction light is provided between the light collecting part and the waveguide. Equipped with a grid.

また、請求項6に記載の光ヘテロダイン検波器は、請求項に記載の光ヘテロダイン検波器において、前記受信用回折格子のパターンは、前記受信用回折格子から出射する受信光の光軸上の一点を中心とする同心楕円弧状の溝が、所定間隔で配置されたものである。
Further, the optical heterodyne detector according to claim 6 is the optical heterodyne detector according to claim 5 , wherein the pattern of the reception diffraction grating is on the optical axis of the reception light emitted from the reception diffraction grating. Concentric elliptical arc-shaped grooves centered on one point are arranged at predetermined intervals.

また、請求項7に記載の光ヘテロダイン検波器は、請求項6に記載の光ヘテロダイン検波器において、前記パターンは、前記受信用回折格子から出射する受信光の光軸上の一点を中心とする同心円弧状の溝が、所定間隔で配置されたものである。
The optical heterodyne detector according to claim 7 is the optical heterodyne detector according to claim 6 , wherein the pattern is centered on a point on the optical axis of the received light emitted from the reception diffraction grating. Concentric arcuate grooves are arranged at predetermined intervals.

また、請求項8に記載の光ヘテロダイン検波器は、請求項又は請求項に記載の光ヘテロダイン検波器において、前記受信用回折格子を透過して前記参照光が前記導波路に入射される。
Further, the optical heterodyne detector according to claim 8 is the optical heterodyne detector according to claim 5 or 6 , wherein the reference light is incident on the waveguide after passing through the reception diffraction grating. .

また、請求項9に記載の光ヘテロダイン検波器は、請求項又は請求項に記載の光ヘテロダイン検波器において、前記受信用回折格子と前記導波路との間に反射鏡を設け、該反射鏡は前記導波路の光軸の側方から入射される前記参照光を前記導波路に向けて反射させる。
Further, the optical heterodyne detector according to claim 9 is the optical heterodyne detector according to claim 5 or 6 , wherein a reflecting mirror is provided between the reception diffraction grating and the waveguide, and the reflection The mirror reflects the reference light incident from the side of the optical axis of the waveguide toward the waveguide.

また、請求項10に記載の光ヘテロダイン検波器は、請求項又は請求項に記載の光ヘテロダイン検波において、前記受信用回折格子は、前記参照光の光軸と、前記受信用回折格子から出射される前記受信光の光軸とが交差するように配置され、前記参照光の光軸と前記受信用回折格子から出射される前記受信光の光軸とが交差する位置に配置され、前記受信光と前記参照光とを干渉させると共に、該干渉させた結果生じる光を前記受信光の光軸方向及び前記参照光の光軸方向の各々に出射する結合用回折格子を更に備え、前記導波路は、前記結合用回折格子から前記受信光の光軸方向に出射された光が伝播する第1導波路、及び前記結合用回折格子から前記参照光の光軸方向に出射された光が伝播する第2導波路を備え、前記受光部は、前記第1導波路で伝播された光を受光して電気信号に変換する第1受光部、及び前記第2導波路で伝播された光を受光して電気信号に変換する第2受光部を備える。
Further, the optical heterodyne detector according to claim 10 is the optical heterodyne detector according to claim 5 or 6 , wherein the reception diffraction grating has an optical axis of the reference light and a distance from the reception diffraction grating. arranged so that the optical axis of the emitted received light intersects, arranged at a position where the optical axis of the reference light intersects the optical axis of the received light emitted from the reception diffraction grating, a coupling diffraction grating that causes the received light and the reference light to interfere with each other, and emits light resulting from the interference in each of the optical axis direction of the received light and the reference light; Wave paths include a first waveguide in which light emitted from the coupling diffraction grating in the optical axis direction of the received light propagates, and a wave path in which light emitted from the coupling diffraction grating in the optical axis direction of the reference light propagates. and the light receiving section includes a first light receiving section for receiving light propagated through the first waveguide and converting the light into an electric signal, and receiving the light propagated through the second waveguide. and a second light receiving portion that converts the light into an electric signal.

また、請求項11に記載の光ヘテロダイン検波器は、請求項又は請求項に記載の光ヘテロダイン検波器において、前記受信用回折格子は、前記参照光の光軸と、前記受信用回折格子から出射される前記受信光の光軸とが交差するように配置され、前記参照光の光軸と前記受信用回折格子から出射される前記受信光の光軸とが交差する位置に配置され、前記受信光と前記参照光とを干渉させると共に、該干渉させた結果生じる光を前記受信光の光軸方向及び前記参照光の光軸方向の各々に出射する結合用回折格子と、前記結合用回折格子から前記受信光の光軸方向に出射された光を前記導波路に向けて反射させる第1反射部と、前記結合用回折格子から前記参照光の光軸方向に出射された光を前記導波路に向けて反射させる第2反射部と、を更に備える。
Further, the optical heterodyne detector according to claim 11 is the optical heterodyne detector according to claim 5 or 6 , wherein the reception diffraction grating includes the optical axis of the reference light and the reception diffraction grating arranged so that the optical axis of the received light emitted from the optical axis of the reference light intersects with the optical axis of the received light emitted from the reception diffraction grating, a coupling diffraction grating that causes the received light and the reference light to interfere with each other and emits light resulting from the interference in each of the optical axis direction of the received light and the optical axis direction of the reference light; a first reflecting portion that reflects light emitted from the diffraction grating in the optical axis direction of the received light toward the waveguide; and a second reflector that reflects toward the waveguide.

また、請求項12に記載の光ヘテロダイン検波器は、請求項11に記載の光ヘテロダイン検波器において、前記第1反射部及び前記第2反射部の各々は、グレーティングのピッチが前記結合用回折格子よりも細かい回折格子である。
The optical heterodyne detector according to claim 12 is the optical heterodyne detector according to claim 11 , wherein each of the first reflector and the second reflector has a grating pitch equal to the coupling diffraction grating. It is a finer diffraction grating than

また、請求項13に記載の光ヘテロダイン検波器は、請求項11に記載の光ヘテロダイン検波器において、前記第1反射部及び前記第2反射部の各々は、反射鏡である。
The optical heterodyne detector according to claim 13 is the optical heterodyne detector according to claim 11 , wherein each of the first reflector and the second reflector is a reflector.

また、請求項14に記載の光ヘテロダイン検波器は、請求項11~請求項13のいずれか1項に記載の光ヘテロダイン検波器において、前記受信用回折格子、前記結合用回折格子、前記第1反射部、前記第2反射部及び前記受光部を含む構成を同一チップ上に複数実装した光ヘテロダイン受光モジュールを構成する。
Further, the optical heterodyne detector according to claim 14 is the optical heterodyne detector according to any one of claims 11 to 13 , in which the reception diffraction grating, the coupling diffraction grating, the first An optical heterodyne light-receiving module is configured by mounting a plurality of configurations including the reflecting section, the second reflecting section, and the light-receiving section on the same chip.

また、請求項15に記載の光ヘテロダイン検波器は、請求項14に記載の光ヘテロダイン検波器において、前記複数実装された構成の各々に対して配置され、前記参照光を前記結合用回折格子に向けて出射する参照光用回折格子を更に備える。
Further, the optical heterodyne detector according to claim 15 is the optical heterodyne detector according to claim 14 , arranged for each of the plurality of mounted configurations, and directing the reference light to the coupling diffraction grating. It further comprises a diffraction grating for reference light emitted toward.

また、請求項16に記載のレーザレーダ装置は、請求項1~請求項15のいずれか1項に記載の光ヘテロダイン検波器と、レーザ光源が出力した送信光を外界に投光する投光部と、前記レーザ光源が出力した光の一部を前記参照光として前記導波路に帰還させる帰還部と、前記受光部が出力した電気信号に基づいて対象物までの距離を計測する演算部と、を備える。
Further, the laser radar device according to claim 16 comprises the optical heterodyne detector according to any one of claims 1 to 15, and a light projecting unit for projecting transmission light output from the laser light source to the outside world. a feedback unit for returning part of the light output from the laser light source to the waveguide as the reference light; and a calculation unit for measuring the distance to an object based on the electrical signal output from the light receiving unit; Prepare.

請求項17に記載のレーザレーダ装置は、請求項16に記載のレーザレーダ装置において、前記投光部は、前記レーザ光源が出力した前記送信光を屈折させて出射する送信用回折格子を備える。
According to a seventeenth aspect of the present invention, there is provided a laser radar apparatus according to the sixteenth aspect, wherein the light projecting section includes a transmission diffraction grating that refracts and emits the transmission light output from the laser light source.

また、請求項18に記載のレーザレーダ装置は、請求項17に記載のレーザレーダ装置において、前記送信用回折格子のパターンは、前記送信用回折格子に入射する送信光の光軸上の一点を中心とする同心楕円弧状の溝が、所定間隔で配置されたものである。
The laser radar apparatus according to claim 18 is the laser radar apparatus according to claim 17, wherein the pattern of the transmission diffraction grating is a point on the optical axis of the transmission light incident on the transmission diffraction grating. Centered concentric elliptical arc-shaped grooves are arranged at predetermined intervals.

また、請求項19に記載のレーザレーダ装置は、請求項18に記載のレーザレーダ装置において、前記パターンは、前記送信用回折格子に入射する送信光の光軸上の一点を中心とする同心円弧状の溝が、所定間隔で配置されたものである。
Further, the laser radar apparatus according to claim 19 is the laser radar apparatus according to claim 18, wherein the pattern is concentric arc-shaped around a point on the optical axis of the transmission light incident on the transmission diffraction grating. are arranged at predetermined intervals.

また、請求項20に記載のレーザレーダ装置は、請求項17~請求項19のいずれか1項に記載のレーザレーダ装置において、前記投光部は、前記送信用回折格子から出射した前記送信光を、送信用レンズを介して外界に投光する。
Further, the laser radar apparatus according to claim 20 is the laser radar apparatus according to any one of claims 17 to 19 , wherein the light projecting unit includes the transmission light emitted from the transmission diffraction grating. is projected to the outside world through the transmission lens.

また、請求項21に記載のレーザレーダ装置は、請求項17~請求項20のいずれか1項に記載のレーザレーダ装置において、前記投光部は、前記送信光の強度及び波形を変調する変調器を備える。
Further, the laser radar device according to claim 21 is the laser radar device according to any one of claims 17 to 20 , wherein the light projecting unit modulates the intensity and waveform of the transmission light. Have equipment.

また、請求項22に記載のレーザレーダ装置は、請求項21に記載のレーザレーダ装置において、前記変調器は、前記送信光の波形を矩形波に変調可能なマッハ・ツェンダー干渉計である。
The laser radar apparatus according to claim 22 is the laser radar apparatus according to claim 21 , wherein the modulator is a Mach-Zehnder interferometer capable of modulating the waveform of the transmission light into a rectangular wave.

また、請求項23に記載のレーザレーダ装置は、請求16~請求項22のいずれか1項に記載のレーザレーダ装置において、前記導波路は、薄膜型の導波路をシリコン層で覆うように構成したダブルクラッド構造である。
The laser radar device according to claim 23 is the laser radar device according to any one of claims 16 to 22 , wherein the waveguide is a thin-film waveguide covered with a silicon layer. It has a double clad structure.

また、請求項24に記載のレーザレーダ装置は、請求項16~請求項23のいずれか1項に記載のレーザレーダ装置において、前記導波路は基板平面上に形成されたプレナー導波路である。
The laser radar device according to claim 24 is the laser radar device according to any one of claims 16 to 23 , wherein the waveguide is a planar waveguide formed on the substrate plane.

また、請求項25に記載のレーザレーダ装置は、請求項16~請求項24のいずれか1項に記載のレーザレーダ装置において、前記導波路は、直線で構成された直線導波路を含んでいる。
Further, the laser radar device according to claim 25 is the laser radar device according to any one of claims 16 to 24 , wherein the waveguide includes a straight waveguide composed of straight lines. .

また、請求項26に記載のレーザレーダ装置は、請求項16~請求項25のいずれか1項に記載のレーザレーダ装置において、前記レーザ光源は偏光フィルタを備え、前記偏光フィルタの適用により、直交偏波及び平行偏波のいずれかを出力可能である。
In addition, the laser radar device according to claim 26 is the laser radar device according to any one of claims 16 to 25 , wherein the laser light source is provided with a polarizing filter, and application of the polarizing filter enables orthogonal Either polarized waves or parallel polarized waves can be output.

本発明によれば、高感度の計測が可能であり、かつ信頼性が高い光ヘテロダイン検波器を実現することができるという効果を奏する。 Advantageous Effects of Invention According to the present invention, it is possible to realize an optical heterodyne detector capable of highly sensitive measurement and having high reliability.

本発明の第1の実施の形態に係る光ヘテロダイン検波器の最小構成の一例を示した概略図である。1 is a schematic diagram showing an example of a minimum configuration of an optical heterodyne detector according to a first embodiment of the invention; FIG. 図1に示したフォトダイオードを、矢印A方向から見た場合の側面図である。FIG. 2 is a side view of the photodiode shown in FIG. 1 when viewed in the direction of arrow A; 本発明の実施の形態に係る光ヘテロダイン検波器の光ヘテロダイン検波の原理を説明する概略図である。1 is a schematic diagram illustrating the principle of optical heterodyne detection of an optical heterodyne detector according to an embodiment of the present invention; FIG. 図3に示したフォトダイオードを、矢印B方向から見た場合の側面図である。FIG. 4 is a side view of the photodiode shown in FIG. 3 when viewed in the direction of arrow B; (A)は、参照光の光束を広げるシリコン導波路の一例を、(B)は、受信光を受信しやすくするために幅広にしたシリコン導波路の一例を各々示した説明図である。(A) is an explanatory diagram showing an example of a silicon waveguide that widens the luminous flux of reference light, and (B) shows an example of a silicon waveguide that is widened to facilitate reception of received light. フォトダイオードの詳細な構造を示した概略図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing the detailed structure of a photodiode; 図6のフォトダイオードが、C-C線に沿って切断された状態を示す断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view showing a state in which the photodiode of FIG. 6 is cut along line CC; 図7に示したフォトダイオードの矢印D方向から見た場合の俯瞰図である。FIG. 8 is a bird's-eye view of the photodiode shown in FIG. 7 as viewed in the direction of arrow D; 本発明の実施の形態に係るフォトダイオードを含む光ヘテロダイン検波器を用いた距離センサの一例を示したブロック図である。1 is a block diagram showing an example of a distance sensor using an optical heterodyne detector including photodiodes according to an embodiment of the present invention; FIG. 結像レンズによる像面に対応して複数のフォトダイオードを配設した光集積回路チップの変形例を示したブロック図である。FIG. 10 is a block diagram showing a modified example of an optical integrated circuit chip in which a plurality of photodiodes are arranged corresponding to an image plane formed by an imaging lens; 結像レンズによる結像の水平方向の受信光を受光するように複数のフォトダイオードを配設した光集積回路チップの変形例を示した概略図である。FIG. 10 is a schematic diagram showing a modification of the optical integrated circuit chip in which a plurality of photodiodes are arranged so as to receive received light in the horizontal direction imaged by the imaging lens; 本発明の第1の実施の形態に係るフォトダイオード及びシリコン導波路に回折格子を組み合わせた構成の一例を示した概略図である。1 is a schematic diagram showing an example of a configuration in which a diffraction grating is combined with a photodiode and a silicon waveguide according to the first embodiment of the present invention; FIG. 本発明の第1の実施の形態に係るフォトダイオード及びシリコン導波路に回折格子を組み合わせた構成の他の例を示した概略図である。FIG. 5 is a schematic diagram showing another example of a configuration in which a photodiode and a silicon waveguide are combined with a diffraction grating according to the first embodiment of the present invention; 図13に示した構成を含む測距計チップの一例を示したブロック図である。14 is a block diagram showing an example of a rangefinder chip including the configuration shown in FIG. 13; FIG. 図14に示した測距計チップを用いた測距計の構成の一例を示した概略図である。15 is a schematic diagram showing an example of a configuration of a rangefinder using the rangefinder chip shown in FIG. 14; FIG. 図14に示した測距計チップの変形例である測距計チップの概略図である。FIG. 15 is a schematic diagram of a rangefinder chip that is a modification of the rangefinder chip shown in FIG. 14; 図16に示した測距計チップを用いた測距計の構成の一例を示した概略図である。FIG. 17 is a schematic diagram showing an example of a configuration of a rangefinder using the rangefinder chip shown in FIG. 16; 図12又は図13に示した構成に対し、参照光の入射方向を変更した構成の概略図である。FIG. 14 is a schematic diagram of a configuration in which the incident direction of reference light is changed from the configuration shown in FIG. 12 or FIG. 13; 図18に示した構成の変形例の一つである。This is one of the modifications of the configuration shown in FIG. 図19に示した構成の変形例であり、回折格子及び回折格子に代えてミラー及びミラーを備える場合の概略図である。FIG. 20 is a schematic diagram showing a modified example of the configuration shown in FIG. 19 and having a diffraction grating and mirrors instead of the diffraction gratings. ミラーの一例を示した概略図である。It is the schematic which showed an example of the mirror. 図20に示した構成を複数備えた場合の一例を示した概略図である。FIG. 21 is a schematic diagram showing an example when a plurality of configurations shown in FIG. 20 are provided; 図22に示した構成を含む光ヘテロダイン検波受光モジュールの一例を示した概略図である。FIG. 23 is a schematic diagram showing an example of an optical heterodyne detection light-receiving module including the configuration shown in FIG. 22;

[第1の実施の形態]
以下、図面を参照して本発明の第1の実施の形態について詳細に説明するが、まず、図1を参照して、本発明に係る光ヘテロダイン検波器10の基本的な構成について説明する。
[First embodiment]
A first embodiment of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings. First, the basic configuration of an optical heterodyne detector 10 according to the present invention will be described with reference to FIG.

図1は、本実施の形態に係る光ヘテロダイン検波器10の最小構成の一例を示した概略図である。図1に示したように、光ヘテロダイン検波器10は、結像レンズ20及び受光素子である導波型フォトダイオード(以下、「フォトダイオード」と略記)30を含んで構成されている。 FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of the minimum configuration of an optical heterodyne detector 10 according to this embodiment. As shown in FIG. 1, the optical heterodyne detector 10 includes an imaging lens 20 and a waveguide photodiode (hereinafter abbreviated as "photodiode") 30 as a light receiving element.

結像レンズ20は、後述するレーザ光源から出力されたレーザ光が、対象物に反射されて生じた光を受光する。図1では、1枚の凸レンズ様の単純な構成であるが、受光した光をフォトダイオード30に集光するため、凸レンズ及び凹レンズを含む複数枚のレンズ構成でもよく、レンズ表面の形状は、球面又は必要に応じて非球面を採用してもよい。 The imaging lens 20 receives light generated by a laser beam output from a laser light source, which will be described later, being reflected by an object. In FIG. 1, the configuration is simple like a single convex lens, but in order to focus the received light on the photodiode 30, a plurality of lenses including a convex lens and a concave lens may be configured, and the shape of the lens surface is spherical. Alternatively, an aspherical surface may be employed as required.

フォトダイオード30は、SiO2基板38上に、Si(シリコン)で構成されたシリコン導波路36の長手方向が結像レンズ20の光軸と並行するように帯状に形成され、シリコン導波路36の一端側にはGe(ゲルマニウム)吸収層34が積層され、Ge吸収層34の上には電極32が形成されている。シリコン導波路36及びGe吸収層34は、一例として、ヘテロエピタキシャルにより、各々形成される。本実施の形態の係るフォトダイオード30は、Siに代えてGe吸収層34を実装したことにより、可視光から近赤外線領域以外の波長の光が検出可能に構成されている。 The photodiode 30 is formed in a belt shape on a SiO 2 substrate 38 so that the longitudinal direction of a silicon waveguide 36 made of Si (silicon) is parallel to the optical axis of the imaging lens 20 . A Ge (germanium) absorption layer 34 is laminated on one end side, and an electrode 32 is formed on the Ge absorption layer 34 . The silicon waveguide 36 and the Ge absorption layer 34 are each formed by heteroepitaxial, as an example. The photodiode 30 according to the present embodiment has a Ge absorption layer 34 instead of Si, so that it can detect light of wavelengths other than visible light to near-infrared light.

フォトダイオード30は、シリコン導波路36とGe吸収層34との接合面に光が入射すると、入射した光の強度に応じて変化する電流を発生させる。発生した電流は、電極32を介して外部に導通される。電極32は、例えば、銅、アルミニウム、金又は銀等の導電性が良好な金属をCVD(化学蒸着:chemical vapor deposition)等によりGe吸収層34等の上に蒸着して形成する。 The photodiode 30 generates a current that changes according to the intensity of the incident light when light is incident on the junction surface between the silicon waveguide 36 and the Ge absorption layer 34 . The generated current is conducted outside through the electrode 32 . The electrode 32 is formed by vapor-depositing a highly conductive metal such as copper, aluminum, gold, or silver on the Ge absorption layer 34 or the like by CVD (chemical vapor deposition) or the like.

図2は、図1に示したフォトダイオード30を、矢印A方向から見た場合の側面図である。図2に示したように、本実施の形態に係るフォトダイオード30は、シリコン導波路36とGe吸収層34との接合面が、結像レンズ20の光軸22と一致するように配設される。または、結像レンズ20の光軸22の延長線上にシリコン導波路36が存在するように構成してもよい。 FIG. 2 is a side view of the photodiode 30 shown in FIG. 1 as viewed in the direction of arrow A. FIG. As shown in FIG. 2, the photodiode 30 according to the present embodiment is arranged such that the joint surface between the silicon waveguide 36 and the Ge absorption layer 34 coincides with the optical axis 22 of the imaging lens 20. be. Alternatively, the configuration may be such that the silicon waveguide 36 exists on an extension of the optical axis 22 of the imaging lens 20 .

また、フォトダイオード30は、SiO2基板38上に形成されたシリコン導波路36、Ge吸収層34及び電極32を保護するために、SiO2基板38を構成するSiO2で覆われている。SiO2で覆われても、フォトダイオード30の構成は薄膜であり、特許文献1に記載のレーザレーダ装置に係る受光素子よりも簡素な構成である。 The photodiode 30 is also covered with SiO 2 forming a SiO 2 substrate 38 in order to protect the silicon waveguide 36, the Ge absorption layer 34 and the electrode 32 formed on the SiO 2 substrate 38. FIG. Even if covered with SiO 2 , the structure of the photodiode 30 is a thin film, which is simpler than the light receiving element according to the laser radar device described in Patent Document 1.

図3は、本実施の形態に係る光ヘテロダイン検波器10の光ヘテロダイン検波の原理を説明する概略図である。図3に示したように、結像レンズ20の入射光40は、結像レンズ20によって集光され、受信光42としてフォトダイオード30のシリコン導波路36に導かれる。シリコン導波路36には、参照光44も入射され、受信光42と参照光44とを干渉させて中間周波数を発生させる光ヘテロダイン検波が行われる。受信光42と参照光44とを干渉させた結果生じる中間周波数の信号は、いわゆるビート信号となり、当該ビート信号の強弱に従って変化する電流が電気信号として出力される。 FIG. 3 is a schematic diagram for explaining the principle of optical heterodyne detection by the optical heterodyne detector 10 according to this embodiment. As shown in FIG. 3, the incident light 40 of the imaging lens 20 is condensed by the imaging lens 20 and guided to the silicon waveguide 36 of the photodiode 30 as received light 42 . The reference light 44 is also incident on the silicon waveguide 36, and optical heterodyne detection is performed in which the received light 42 and the reference light 44 interfere with each other to generate an intermediate frequency. An intermediate frequency signal resulting from interference between the received light 42 and the reference light 44 is a so-called beat signal, and a current that varies according to the strength of the beat signal is output as an electrical signal.

フォトダイオード30は、シリコン導波路36が一体に形成され、シリコン導波路36に参照光44が再現性よく誘導されると共に、結像レンズ20によって受信光42が集光され、参照光44と効率よく合波される。結像レンズ20によって受信光42を集光することにより、受信光42がシリコン導波路36の枠を超えて取り込まれ、受信光42の光量が増大し、フォトダイオード30の感度を向上させることができる。 The photodiode 30 is integrally formed with a silicon waveguide 36, and the reference light 44 is guided to the silicon waveguide 36 with good reproducibility. well combined. By condensing the received light 42 with the imaging lens 20 , the received light 42 is captured beyond the frame of the silicon waveguide 36 , the light amount of the received light 42 increases, and the sensitivity of the photodiode 30 can be improved. can.

図4は、図3に示したフォトダイオード30を、矢印B方向から見た場合の側面図である。結像レンズ20の光軸22と平行するフォトダイオード30の長さLは、上記の中間周波数の信号のレイリー長とすることにより、当該信号を効率よく電気信号に変換することができる。 FIG. 4 is a side view of the photodiode 30 shown in FIG. 3 as viewed in the direction of arrow B. FIG. By setting the length L of the photodiode 30 parallel to the optical axis 22 of the imaging lens 20 to be the Rayleigh length of the intermediate frequency signal, the signal can be efficiently converted into an electrical signal.

図5(A)は、参照光44の光束を広げるシリコン導波路の一例を、図5(B)は、受信光42を受信しやすくするために幅広にしたシリコン導波路の一例を各々示した説明図である。 FIG. 5A shows an example of a silicon waveguide that widens the luminous flux of the reference light 44, and FIG. 5B shows an example of a silicon waveguide that is widened to facilitate reception of the received light 42. It is an explanatory diagram.

図5(A)に示したように、シリコン導波路36Aは、参照光44が入射する側を頂点にした2等辺三角形状で幅が徐々に拡大する逆テーパー状を呈し、Ge吸収層34が設けられた位置において幅は最大かつ一定となるように構成されている。参照光44の入射方向に対して、シリコン導波路36Aの幅が徐々に拡大することにより、シリコン導波路36Aを伝播する参照光44の光束が拡大され、光ヘテロダイン検波において、受信光42と干渉しやすくなる。 As shown in FIG. 5A, the silicon waveguide 36A has an isosceles triangle shape with the vertex on the side on which the reference light 44 is incident, and exhibits an inverse tapered shape in which the width gradually increases. It is constructed such that the width is maximum and constant at the position provided. As the width of the silicon waveguide 36A gradually expands with respect to the incident direction of the reference light 44, the luminous flux of the reference light 44 propagating in the silicon waveguide 36A is expanded and interferes with the received light 42 in optical heterodyne detection. easier to do.

図5(B)に示したように、シリコン導波路36Bは、SiリッチなSiO2層36B2で幅広に構成され、幅広になったシリコン導波路36Bで受信光42を捕捉する。また、シリコン導波路36Bには、受信光42が入射する側を底辺にした2等辺三角形状で幅が徐々に縮小するテーパー状を呈し、Ge吸収層34が設けられた位置付近で頂点となるように構成された第1Si層36B1が設けられている。第1Si層36B1は、受信光42の入射方向に対して、幅が徐々に縮小することにより、第1Si層36B1を伝播する受信光42の光束が収束される。受信光42の光束は、参照光44の光束よりも幅が広い場合があるので、受信光42の光束を収束させることにより、光ヘテロダイン検波において、参照光44と干渉しやすくなる。 As shown in FIG. 5(B), the silicon waveguide 36B is composed of a widened Si-rich SiO 2 layer 36B2, and the widened silicon waveguide 36B traps the received light 42 . In addition, the silicon waveguide 36B has an isosceles triangle shape whose base is the side on which the received light 42 is incident and whose width is gradually reduced, and the peak is formed near the position where the Ge absorption layer 34 is provided. A first Si layer 36B1 configured as above is provided. The width of the first Si layer 36B1 is gradually reduced in the incident direction of the received light 42, so that the luminous flux of the received light 42 propagating through the first Si layer 36B1 is converged. Since the luminous flux of the received light 42 may be wider than the luminous flux of the reference light 44, converging the luminous flux of the received light 42 facilitates interference with the reference light 44 in optical heterodyne detection.

また、Ge吸収層34の周囲には、第2Si層36B3が設けられている。Ge吸収層34の幅よりも広く第2Si層36B3構成することにより、受信光42の光束が第1Si層36B1で十分に収束していない場合でも、光ヘテロダイン検波において、幅広の第2Si層36B3によって受信光42と参照光44との干渉を容易にする。 A second Si layer 36 B 3 is provided around the Ge absorption layer 34 . By configuring the second Si layer 36B3 to be wider than the width of the Ge absorption layer 34, even when the light beam of the received light 42 is not sufficiently converged by the first Si layer 36B1, the wide second Si layer 36B3 can be used for optical heterodyne detection. It facilitates interference between the received light 42 and the reference light 44 .

図6は、フォトダイオード30の詳細な構造を示した概略図である。フォトダイオード30は、SiO2基板38上に、Siで構成されたシリコン導波路36が帯状に形成され、シリコン導波路36の上にはGe吸収層34が形成され、Ge吸収層34の上にはN電極32Nが、シリコン導波路36の上にはP電極32Pが、各々形成されている。シリコン導波路36及びGe吸収層34は、一例として、ヘテロエピタキシャルにより、各々形成される。 FIG. 6 is a schematic diagram showing the detailed structure of the photodiode 30. As shown in FIG. The photodiode 30 has a strip-shaped silicon waveguide 36 made of Si formed on a SiO 2 substrate 38 , a Ge absorption layer 34 formed on the silicon waveguide 36 , and a Ge absorption layer 34 on the Ge absorption layer 34 . An N-electrode 32N is formed on the silicon waveguide 36, and a P-electrode 32P is formed on the silicon waveguide 36, respectively. The silicon waveguide 36 and the Ge absorption layer 34 are each formed by heteroepitaxial, as an example.

図7は、図6のフォトダイオード30が、C-C線に沿って切断された状態を示す断面図である。SiO2基板38上に形成されたシリコン導波路36は、Siにホウ素等の不純物をドーピングしたP型半導体で構成されている。シリコン導波路36は、当該不純物がリッチなP+Si層36Cと、当該不純物がリーンなP-Si層36Dとを有し、P+Si層36C表面にはP電極32Pが電気的に接続されている。 FIG. 7 is a cross-sectional view of the photodiode 30 of FIG. 6 taken along line CC. A silicon waveguide 36 formed on a SiO 2 substrate 38 is composed of a P-type semiconductor obtained by doping Si with an impurity such as boron. The silicon waveguide 36 has a P+Si layer 36C rich in impurities and a P-Si layer 36D lean in impurities, and a P electrode 32P is electrically connected to the surface of the P+Si layer 36C.

シリコン導波路36の上に形成されたGe吸収層34は、Geにヒ素又はリン等の不純物をドーピングしたN型半導体で構成されている。Ge吸収層34の表面にはN電極32Nが電気的に接続されている。 The Ge absorption layer 34 formed on the silicon waveguide 36 is composed of an N-type semiconductor obtained by doping Ge with an impurity such as arsenic or phosphorus. An N electrode 32N is electrically connected to the surface of the Ge absorption layer 34 .

図7に示したように、フォトダイオード30は、SiO2基板38上に形成されたシリコン導波路36、Ge吸収層34、P電極32P及びN電極32Nを保護するために、SiO2基板38を構成するSiO2で覆われている。 As shown in FIG. 7, the photodiode 30 includes a SiO 2 substrate 38 in order to protect the silicon waveguide 36, the Ge absorption layer 34, the P-electrode 32P and the N-electrode 32N formed on the SiO 2 substrate 38. It is covered with constituent SiO 2 .

図7に示したように、P電極32PとN電極32Nとの間には、P+Si層36C、P-Si層36D及びN型半導体であるGe吸収層34が介在している。P+Si層36Cは、P-Si層36Dに比して正孔が生じやすく、当該正孔に電子が移動しやすい。また、N型半導体であるGe吸収層34は、P型半導体等に移動容易な自由電子が豊富である。図7に示したフォトダイオード30は、Ge吸収層34からP+Si層36Cへの自由電子の移動により、受信光42と参照光44との中間周波数の信号を電気信号に変換する。図7に示したフォトダイオード30は、Ge吸収層34と、P+Si層36Cとの間に、正孔の発生がP+Si層36Cに比して顕著ではないP-Si層36Dを設けることにより、Ge吸収層34からP+Si層36Cへの自由電子の急激な移動を適度に抑制し、受信光42に基づいた電気信号の出力を安定させる。 As shown in FIG. 7, a P+Si layer 36C, a P-Si layer 36D, and a Ge absorption layer 34, which is an N-type semiconductor, are interposed between the P electrode 32P and the N electrode 32N. Holes are more likely to occur in the P+Si layer 36C than in the P-Si layer 36D, and electrons are more likely to move to the holes. In addition, the Ge absorption layer 34, which is an N-type semiconductor, is rich in free electrons that easily move to a P-type semiconductor or the like. The photodiode 30 shown in FIG. 7 converts an intermediate frequency signal between the received light 42 and the reference light 44 into an electric signal by movement of free electrons from the Ge absorption layer 34 to the P+Si layer 36C. In the photodiode 30 shown in FIG. 7, a P--Si layer 36D in which hole generation is less pronounced than the P+Si layer 36C is provided between the Ge absorption layer 34 and the P+Si layer 36C. The abrupt movement of free electrons from the absorption layer 34 to the P+Si layer 36C is moderately suppressed, and the electrical signal output based on the received light 42 is stabilized.

図8は、図7に示したフォトダイオード30の矢印D方向から見た場合の俯瞰図である。図8は、Ge吸収層34、P+Si層36C、P-Si層36D、P電極32P及びN電極32Nの接続が明瞭となるように、SiO2基板38を除外した状態を示している。図8に示したように、フォトダイオード30は、pn接合で構成されているが、Ge吸収層34とP+Si層36Cとを直接接合させず、Ge吸収層34とP+Si層36Cとの間に、正孔の発生がP+Si層36Cに比して顕著ではないP-Si層36Dを設けることにより、Ge吸収層34からP+Si層36Cへの自由電子の急激な移動を抑制する。かかる自由電子の移動の抑制により、受信光42がフォトダイオード30に入射した直後に、突発的に生じるノイズの発生を抑制して、受信光42に基づく電気信号を安定的に出力することが可能になる。 FIG. 8 is a bird's-eye view of the photodiode 30 shown in FIG. 7 as viewed in the direction of arrow D. FIG. FIG. 8 shows the state in which the SiO 2 substrate 38 has been removed so that the connections between the Ge absorption layer 34, the P+Si layer 36C, the P-Si layer 36D, the P electrode 32P and the N electrode 32N are clear. As shown in FIG. 8, the photodiode 30 is composed of a pn junction. By providing the P-Si layer 36D in which the generation of holes is less significant than that of the P+Si layer 36C, rapid movement of free electrons from the Ge absorption layer 34 to the P+Si layer 36C is suppressed. By suppressing the movement of free electrons, it is possible to suppress the occurrence of noise that suddenly occurs immediately after the received light 42 enters the photodiode 30, and to stably output an electrical signal based on the received light 42. become.

図9は、本実施の形態に係るフォトダイオード30を含む光ヘテロダイン検波器10を用いた距離センサの一例を示したブロック図である。図9に示した距離センサ100は、レーザレーダ装置等に用いられ、フォトダイオード30を含む光集積回路チップ110と、制御装置である制御・演算プロセッサ126と、を主に備えている。 FIG. 9 is a block diagram showing an example of a distance sensor using the optical heterodyne detector 10 including the photodiode 30 according to this embodiment. A distance sensor 100 shown in FIG. 9 is used in a laser radar device or the like, and mainly includes an optical integrated circuit chip 110 including a photodiode 30 and a control/arithmetic processor 126 as a control device.

光集積回路チップ110には、駆動回路112で駆動されるレーザ光源114から導波路102をレーザ光が伝播し、伝播したレーザ光は、方向性結合器116において、一部(例えば入射したレーザ光の10%)が導波路102Aにループバックされ、参照光44としてフォトダイオード30に入射する。方向性結合器116は、帰還部の一例である。図9に示したように、光集積回路チップ110は、同一チップ上にレーザ光の送受信機構を実装しているので、当該チップをレーザレーダ装置に用いた場合、レーザレーダ装置のアライメント調整が基本的に不要となる。 In the optical integrated circuit chip 110, laser light propagates through the waveguide 102 from a laser light source 114 driven by a drive circuit 112, and a portion of the propagated laser light (for example, incident laser light 10%) is looped back into waveguide 102 A and enters photodiode 30 as reference light 44 . Directional coupler 116 is an example of a feedback section. As shown in FIG. 9, the optical integrated circuit chip 110 has a laser light transmitting/receiving mechanism mounted on the same chip. Therefore, when the chip is used in a laser radar device, the alignment adjustment of the laser radar device is basically necessary. practically unnecessary.

導波路102は、導波路102A及び後述する102Bと共に、コアが二重に被覆されたダブルクラッド構造となっている。コアは、高屈折率のSiO2等のSi系の物質で構成され、コアを取り巻くクラッドは、コアよりも低屈折率なフッ素ドープのSiO2等で構成される。レーザ光源114が出力したレーザ光は、導波路102、102A、102Bの直線部分は、基本的にコアを真っ直ぐに伝播するが、導波路102、102A、102Bの屈曲部分は、高屈折率のコアと低屈折率なクラッドとの間で反射を繰り返すことによって伝播する。 The waveguide 102, together with the waveguide 102A and 102B described later, has a double-clad structure in which the core is double-coated. The core is made of a Si-based material such as SiO 2 with a high refractive index, and the clad surrounding the core is made of fluorine-doped SiO 2 or the like with a lower refractive index than the core. The laser light output from the laser light source 114 basically propagates straight through the cores of the waveguides 102, 102A, and 102B, but the bent portions of the waveguides 102, 102A, and 102B propagate through the high-refractive-index cores. propagates by repeated reflections between the cladding and the low-refractive-index cladding.

図9に示した導波路102、102A、102Bは、光集積回路チップ110上の平面に実装されたプレナー導波路であり、特に導波路102、102Bは、レーザ光源114から送信用レンズ24の光軸まで一直線をなすように配設されることにより、伝播するレーザ光が減衰しにくい直線導波路である。参照光44が伝播する導波路102Aも一部屈曲する構成になるが、可能な限り直線導波路となるようにして、伝播する参照光44が減衰することを抑制する。 The waveguides 102, 102A, 102B shown in FIG. 9 are planar waveguides mounted on a plane on the optical integrated circuit chip 110, and in particular, the waveguides 102, 102B pass light from the laser light source 114 to the transmission lens 24. It is a straight waveguide in which the propagating laser light is less attenuated by being arranged in a straight line up to the axis. Although the waveguide 102A through which the reference light 44 propagates is also partially bent, it is made to be a straight waveguide as much as possible to suppress attenuation of the propagating reference light 44. FIG.

方向性結合器116で参照光44を分離されたレーザ光は、位相変調器118により位相を変調される。位相変調器118は、レーザ光源114から入射したレーザ光が伝播する導波路102Bを加熱して、導波路102Bの屈折率を変化させることにより、送信光46として送信用レンズ24から照射されるレーザ光の位相を変化させる。一例として、導波路102Bを、温度に応じて屈折率が変化するSiO2等で構成すると共に、導波路102Bに通電により発熱するヒータ等を位相変調器118として実装し、当該ヒータの発熱により、導波路102Bを伝播するレーザ光の位相を変化させる。 The laser beam separated from the reference beam 44 by the directional coupler 116 is phase-modulated by the phase modulator 118 . The phase modulator 118 heats the waveguide 102B through which the laser light incident from the laser light source 114 propagates to change the refractive index of the waveguide 102B, thereby converting the laser beam emitted from the transmission lens 24 into the transmission light 46. Change the phase of light. As an example, the waveguide 102B is made of SiO 2 or the like whose refractive index changes according to the temperature, and a heater or the like that generates heat when the waveguide 102B is energized is mounted as the phase modulator 118. The phase of laser light propagating through waveguide 102B is changed.

位相変調器118で位相を変化させたレーザ光は、送信用レンズ24を介して、送信光46として照射する。このとき、位相変調器118によりレーザ光の位相が変化することにより、送信光46として照射されるレーザ光の方向が変化する。これによって、送信光として投光されるレーザ光を走査させることが可能となる。位相変調器118は、駆動回路120によって駆動されるが、駆動回路120は、制御・演算プロセッサ126によって制御される。一例として、制御・演算プロセッサ126は、送信光46の位相を大きく変調することを要する場合に、位相変調器118であるヒータの発熱が顕著になるように、駆動回路120を制御する。 The laser light whose phase has been changed by the phase modulator 118 is emitted as the transmission light 46 through the transmission lens 24 . At this time, the phase of the laser light is changed by the phase modulator 118, so that the direction of the laser light emitted as the transmission light 46 is changed. This makes it possible to scan the laser light projected as the transmission light. Phase modulator 118 is driven by drive circuit 120 , which is controlled by control and arithmetic processor 126 . As an example, the control/arithmetic processor 126 controls the drive circuit 120 so that the heater, which is the phase modulator 118, becomes significantly heated when the phase of the transmission light 46 needs to be modulated significantly.

光集積回路チップ110は、送信光46の対象物による反射光を受信光42として結像レンズ20で受光する。受光した受信光42は、結像レンズ20によってフォトダイオード30に集光される。フォトダイオード30では、集光された受信光42を参照光44と干渉させることによって中間周波数を発生させる光ヘテロダイン検波が行われる。光ヘテロダイン検波の結果、受信光42と参照光44との中間周波数に相当するビート信号が電気信号として出力される。 The optical integrated circuit chip 110 receives the reflected light of the transmitted light 46 from the object as the received light 42 with the imaging lens 20 . The received light 42 received is focused on the photodiode 30 by the imaging lens 20 . The photodiode 30 performs optical heterodyne detection that generates an intermediate frequency by causing the collected received light 42 to interfere with the reference light 44 . As a result of optical heterodyne detection, a beat signal corresponding to the intermediate frequency between the received light 42 and the reference light 44 is output as an electrical signal.

フォトダイオード30から出力された電気信号は、プリアンプ122を介してAD変換器124に入力される。AD変換器124では、プリアンプ122が出力したアナログ信号をデジタル信号に変換して、制御・演算プロセッサ126に出力する。 An electrical signal output from the photodiode 30 is input to the AD converter 124 via the preamplifier 122 . The AD converter 124 converts the analog signal output from the preamplifier 122 into a digital signal and outputs the digital signal to the control/arithmetic processor 126 .

制御・演算プロセッサ126は、ビート信号に基づくデジタル信号に対して所定の演算処理を行い、対象物に対応する受信光42の振幅及び位相の少なくとも一方を検出する。検出された受信光42の振幅及び位相の少なくとも一方の情報から、対象物までの距離を算出する。制御・演算プロセッサ126は、上記の演算処理を、レーザ光の方向毎に行い、方向毎に対象物までの距離を算出する。 The control/arithmetic processor 126 performs predetermined arithmetic processing on the digital signal based on the beat signal, and detects at least one of the amplitude and phase of the received light 42 corresponding to the object. The distance to the object is calculated from information on at least one of the amplitude and phase of the detected received light 42 . The control/arithmetic processor 126 performs the above arithmetic processing for each direction of the laser beam, and calculates the distance to the object for each direction.

レーザ光源114は、偏光フィルタを備え、当該偏光フィルタの適用により、送信光46を、TE波(直交偏波:Transverse Electric Wave)のみ、又はTM波(平行偏波:Transverse Magnetic Wave)のみに限定可能に構成してもよい。なお、TE波は、電界成分が入射面に対し横向きな偏光であり、TM波は、磁界成分が入射面に対し横向きな偏光である。 The laser light source 114 has a polarizing filter, and by applying the polarizing filter, the transmission light 46 is limited to only TE waves (orthogonal polarized waves: transverse electric waves) or TM waves (parallel polarized waves: transverse magnetic waves). may be configured as possible. The TE wave is polarized with an electric field component oriented transversely to the plane of incidence, and the TM wave is polarized with a magnetic field component oriented transversely with respect to the plane of incidence.

送信光46を、TE波又はTM波に限定することにより、送信光46が対象物で反射して生じた光を受信光42として受信した際に、同種の偏光に基づく光で光ヘテロダイン検波を行うことができる。その結果、参照光44と受信光42との中間周波数の信号生成がより顕著となり、フォトダイオード30の感度を向上させることができる。 By limiting the transmission light 46 to the TE wave or the TM wave, when the light generated by the reflection of the transmission light 46 from the object is received as the reception light 42, optical heterodyne detection can be performed with the light based on the same kind of polarization. It can be carried out. As a result, intermediate frequency signal generation between the reference light 44 and the received light 42 becomes more pronounced, and the sensitivity of the photodiode 30 can be improved.

図10は、結像レンズ20による像面に対応して複数のフォトダイオード30を配設した光集積回路チップ110Aの変形例を示したブロック図である。結像レンズ20の像面は、平坦であるとは限らず、図10に示したように湾曲する場合があるが、複数のフォトダイオード30を結像レンズ20からの受信光42の入射方向に合わせると共に、像面に応じて配設することにより、受信光42が鮮鋭に結像する焦点位置で、各々のフォトダイオード30が受信光42を捕捉でき、光集積回路チップ110Aの感度を向上させると共に、受信光42の強度に応じた電気信号を安定して出力することができる。 FIG. 10 is a block diagram showing a modification of the optical integrated circuit chip 110A in which a plurality of photodiodes 30 are arranged corresponding to the image plane formed by the imaging lens 20. As shown in FIG. The image plane of the imaging lens 20 is not necessarily flat and may be curved as shown in FIG. By aligning them and arranging them according to the image plane, each photodiode 30 can capture the received light 42 at the focal position where the received light 42 forms a sharp image, improving the sensitivity of the optical integrated circuit chip 110A. At the same time, an electrical signal corresponding to the intensity of the received light 42 can be stably output.

図11は、結像レンズ20による結像の水平方向の受信光42を受光するように複数のフォトダイオード30を配設した光集積回路チップ110Aの変形例を示した概略図である。複数のフォトダイオード30の各々は、SiO2基板38A上に実装され、SiO2基板38Aは、結像レンズ20の中心を横切るように、結像レンズ20と結合される。SiO2基板38Aと結像レンズ20とが結合された状態で、複数のフォトダイオード30の各々のシリコン導波路36が、受信光42の入射方向と一致するように、SiO2基板38A上にフォトダイオード30の各々を実装する。受信光42の入射方向に合わせて各々のフォトダイオード30の向きを最適化することにより、受信光42を効率よく捕捉でき、光集積回路チップ110Aの感度を向上させると共に、受信光42の強度に応じた電気信号を安定して出力することができる。 FIG. 11 is a schematic diagram showing a modified example of an optical integrated circuit chip 110A in which a plurality of photodiodes 30 are arranged so as to receive horizontally received light 42 imaged by the imaging lens 20. As shown in FIG. Each of the plurality of photodiodes 30 is mounted on a SiO 2 substrate 38A, and the SiO 2 substrate 38A is coupled with the imaging lens 20 so as to cross the center of the imaging lens 20. FIG. In a state in which the SiO 2 substrate 38 A and the imaging lens 20 are coupled, the silicon waveguide 36 of each of the plurality of photodiodes 30 emits photons on the SiO 2 substrate 38 A so as to match the incident direction of the received light 42 . Each of the diodes 30 is implemented. By optimizing the orientation of each photodiode 30 according to the incident direction of the received light 42, the received light 42 can be captured efficiently, the sensitivity of the optical integrated circuit chip 110A can be improved, and the intensity of the received light 42 can be controlled. A corresponding electric signal can be stably output.

以上説明したように、本実施の形態に係る光ヘテロダイン検波器10は、受光素子であるフォトダイオード30が、SiO2基板38上に形成されたシリコン導波路36、Ge吸収層34及び電極32からなる簡素な薄膜構造を有している。 As described above, in the optical heterodyne detector 10 according to the present embodiment, the photodiode 30 as a light receiving element is formed from the silicon waveguide 36 formed on the SiO 2 substrate 38, the Ge absorption layer 34 and the electrode 32. It has a simple thin film structure.

また、本実施の形態に係る光ヘテロダイン検波器10は、受信光42が結像レンズ20によって集光されてフォトダイオード30のシリコン導波路36に導かれることにより、受信光42の光量が増大し、フォトダイオード30の感度を向上させることができる。 Further, in the optical heterodyne detector 10 according to the present embodiment, the received light 42 is condensed by the imaging lens 20 and guided to the silicon waveguide 36 of the photodiode 30, thereby increasing the light amount of the received light 42. , the sensitivity of the photodiode 30 can be improved.

従って、本実施の形態に係る光ヘテロダイン検波器10は、簡素な薄膜構造でありながら、結像レンズ20による受信光42の集光により高感度の計測が可能であり、かつ簡素な構造に基づく高い信頼性を有している。 Therefore, although the optical heterodyne detector 10 according to the present embodiment has a simple thin-film structure, it is possible to perform highly sensitive measurement by condensing the received light 42 by the imaging lens 20, and is based on a simple structure. It has high reliability.

上述の簡素な薄膜構造によるフォトダイオード30は製造が容易かつ低コストなので、フォトダイオード30を含む光ヘテロダイン検波器10の製造コストを低減できる。 Since the photodiode 30 having the simple thin film structure described above can be manufactured easily and at low cost, the manufacturing cost of the optical heterodyne detector 10 including the photodiode 30 can be reduced.

また、フォトダイオード30は、シリコン導波路36が一体に形成され、シリコン導波路36に参照光44が再現性よく誘導されると共に、結像レンズ20によって受信光42が集光されることにより、参照光44と効率よく合波され、受信光42と参照光44との干渉による光ヘテロダイン検波が効果的に行われる。 In addition, the photodiode 30 is integrally formed with a silicon waveguide 36, and the reference light 44 is guided to the silicon waveguide 36 with good reproducibility. The light is efficiently multiplexed with the reference light 44, and optical heterodyne detection is effectively performed by interference between the received light 42 and the reference light 44. FIG.

さらに、本実施の形態に係る光ヘテロダイン検波器10を用いたレーザレーダ装置は、同一チップ上にレーザ光の送受信機構を実装しているので、レーザレーダ装置のアライメント調整が基本的に不要になるという効果を奏する。 Furthermore, since the laser radar device using the optical heterodyne detector 10 according to the present embodiment has a laser light transmitting/receiving mechanism mounted on the same chip, alignment adjustment of the laser radar device is basically unnecessary. It has the effect of

[第2の実施の形態]
続いて本発明の第2の実施の形態について説明する。図12は、第1の実施の形態に係るフォトダイオード30及びシリコン導波路36に回折格子50を組み合わせた構成の一例を示した概略図である。
[Second embodiment]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 12 is a schematic diagram showing an example of a configuration in which a diffraction grating 50 is combined with the photodiode 30 and the silicon waveguide 36 according to the first embodiment.

図12に示した構成は、受信光42を回折格子50によってプレナー導波路であるシリコン導波路36に入射させると共に、参照光44を回折格子50のグレーティングを透過させてシリコン導波路36に入射させ、信号光42と参照光44とを干渉合波してフォトダイオード30に入射させる。 In the configuration shown in FIG. 12, the received light 42 is incident on the silicon waveguide 36, which is a planar waveguide, through the diffraction grating 50, and the reference light 44 is transmitted through the grating of the diffraction grating 50 and is incident on the silicon waveguide 36. , the signal light 42 and the reference light 44 are interference-multiplexed and made incident on the photodiode 30 .

図13は、第1の実施の形態に係るフォトダイオード30及びシリコン導波路36に回折格子50を組み合わせた構成の他の例を示した概略図である。図13に示した構成は、受信光42に対して側方から略垂直に入射する参照光44を反射するミラー28を備える点で図12に示した構成と相違する。 FIG. 13 is a schematic diagram showing another example of a configuration in which a diffraction grating 50 is combined with the photodiode 30 and silicon waveguide 36 according to the first embodiment. The configuration shown in FIG. 13 is different from the configuration shown in FIG. 12 in that it includes a mirror 28 that reflects the reference light 44 incident substantially perpendicularly to the received light 42 from the side.

図13に示した構成では、図12に示した構成のように、参照光44の導波路を回折格子50のグレーティングを透過するように配設することを要しないので、回折格子50の機能を阻害することがなく、かつ参照光44の導波路を図12に示した構成よりも短くできるので、導波路を伝播する参照光44の減衰を抑制することができる。図12、13に示した回折格子50のパターンは、回折格子50から出射される受信光42の光軸上の一点を中心とする同心円弧状、又は同心楕円弧状の溝が、所定間隔で配置されたものである。 Unlike the configuration shown in FIG. 12, the configuration shown in FIG. 13 does not require the waveguide of the reference light 44 to pass through the grating of the diffraction grating 50. Therefore, the function of the diffraction grating 50 is eliminated. Since there is no obstruction and the waveguide of the reference light 44 can be made shorter than the configuration shown in FIG. 12, attenuation of the reference light 44 propagating through the waveguide can be suppressed. In the pattern of the diffraction grating 50 shown in FIGS. 12 and 13, concentric arc-shaped or concentric elliptical arc-shaped grooves centered on a point on the optical axis of the received light 42 emitted from the diffraction grating 50 are arranged at predetermined intervals. It is a thing.

図14は、図13に示した構成を含む測距計チップ60の一例を示したブロック図である。測距計チップ60は、レーザ光源114から導波路102をレーザ光が伝播し、伝播したレーザ光は、方向性結合器116において、一部(例えば入射したレーザ光の10%)が導波路102Dにループバックされる。導波路102Dにループバックされたレーザ光はミラー28で反射されて参照光44としてフォトダイオード30に入射する。方向性結合器116は、帰還部の一例である。 FIG. 14 is a block diagram showing an example of rangefinder chip 60 including the configuration shown in FIG. In the rangefinder chip 60, laser light propagates through the waveguide 102 from the laser light source 114, and part of the propagated laser light (for example, 10% of the incident laser light) passes through the waveguide 102D in the directional coupler 116. is looped back to The laser light looped back to the waveguide 102D is reflected by the mirror 28 and enters the photodiode 30 as the reference light 44. FIG. Directional coupler 116 is an example of a feedback section.

導波路102は、導波路102D及び後述する102Cと共に、コアが二重に被覆されたダブルクラッド構造となっている。コアは、高屈折率のSiO2等のSi系の物質で構成され、コアを取り巻くクラッドは、コアよりも低屈折率なフッ素ドープのSiO2等で構成される。レーザ光源114が出力したレーザ光は、導波路102、102C、102Dの直線部分は、基本的にコアを真っ直ぐに伝播するが、導波路102、102C、102Dの屈曲部分は、高屈折率のコアと低屈折率なクラッドとの間で反射を繰り返すことによって伝播する。図14に示した導波路102、102C、102Dは、測距計チップ60上の平面に実装されたプレナー導波路である。 The waveguide 102, together with a waveguide 102D and 102C described later, has a double-clad structure in which the core is double-coated. The core is made of a Si-based material such as SiO 2 with a high refractive index, and the clad surrounding the core is made of fluorine-doped SiO 2 or the like with a lower refractive index than the core. The laser light output from the laser light source 114 basically propagates straight through the cores of the waveguides 102, 102C, and 102D, but the bent portions of the waveguides 102, 102C, and 102D propagate through the high-refractive-index cores. propagates by repeated reflections between the cladding and the low-refractive-index cladding. Waveguides 102 , 102 C, 102 D shown in FIG. 14 are planar waveguides mounted on a plane on rangefinder chip 60 .

方向性結合器116で参照光44を分離されたレーザ光は、導波路102Cを伝播した後、送信光46として回折格子52に入射され、回折格子52から外界に出射される。図14に示した回折格子52のパターンは、入射する送信光46の光軸上の一点を中心とする同心円弧状、又は同心楕円弧状の溝が、所定間隔で配置されたものである。 The laser light separated from the reference light 44 by the directional coupler 116 propagates through the waveguide 102C, is incident on the diffraction grating 52 as the transmission light 46, and is emitted from the diffraction grating 52 to the outside world. The pattern of the diffraction grating 52 shown in FIG. 14 is such that concentric arc-shaped or concentric elliptical arc-shaped grooves centered on a point on the optical axis of the incident transmission light 46 are arranged at predetermined intervals.

回折格子52から外界に出射された送信光46が対象物で反射されて生じた反射光は回折格子50に入射して受信光42となる。受信光42は、参照光44と共にシリコン導波路36に入射され、フォトダイオード30で信号光42と参照光44とを干渉合波するヘテロダイン検波が行われる。 The transmitted light 46 emitted from the diffraction grating 52 to the outside world is reflected by the object, and the reflected light is incident on the diffraction grating 50 and becomes the received light 42 . The received light 42 enters the silicon waveguide 36 together with the reference light 44 , and the photodiode 30 performs heterodyne detection for interference-multiplexing the signal light 42 and the reference light 44 .

図15は、図14に示した測距計チップ60を用いた測距計の構成の一例を示した概略図である。図15に示したように、回折格子52から出射された送信光46は、送信用レンズ24を介して外界に出射される。 FIG. 15 is a schematic diagram showing an example of the configuration of a rangefinder using the rangefinder chip 60 shown in FIG. As shown in FIG. 15, the transmission light 46 emitted from the diffraction grating 52 is emitted to the outside through the transmission lens 24 .

図15に示した測距計は、送信光46の対象物による反射光を受信光42として結像レンズ20で受光する。受光した受信光42は、結像レンズ20によって回折格子50に集光され、フォトダイオード30で、集光された受信光42を参照光44と干渉させることによって中間周波数を発生させる光ヘテロダイン検波が行われる。光ヘテロダイン検波の結果、受信光42と参照光44との中間周波数に相当するビート信号が電気信号として出力される。 In the rangefinder shown in FIG. 15, the imaging lens 20 receives the reflected light of the transmitted light 46 from the object as the received light 42 . The received light 42 is condensed onto the diffraction grating 50 by the imaging lens 20, and the photodiode 30 performs optical heterodyne detection to generate an intermediate frequency by causing the condensed received light 42 to interfere with the reference light 44. done. As a result of optical heterodyne detection, a beat signal corresponding to the intermediate frequency between the received light 42 and the reference light 44 is output as an electrical signal.

光ヘテロダイン検波によって生じたビート信号には、送信光46と受信光42との周波数差に係る情報が含まれる。図15に示した測距計では、ビート信号に係る電気信号から送信光46と受信光42との周波数差に係る情報を抽出して、FMCW(周波数変調連続波)によって対象物への測距を行う。 The beat signal generated by optical heterodyne detection contains information about the frequency difference between the transmitted light 46 and the received light 42 . The rangefinder shown in FIG. 15 extracts information on the frequency difference between the transmitted light 46 and the received light 42 from the electrical signal related to the beat signal, and measures the distance to the object by FMCW (frequency modulated continuous wave). I do.

また、図15に示した測距計では、レーザ光源114に供給する電流の波形を三角波とし、当該三角波を変調させることにより、レーザ光源114が出力する送信光46の波長を、FMCWによる測距が最適な周波数に変更することが可能となる。 Further, in the rangefinder shown in FIG. 15, the waveform of the current supplied to the laser light source 114 is a triangular wave, and by modulating the triangular wave, the wavelength of the transmission light 46 output from the laser light source 114 can be measured by FMCW. can be changed to the optimum frequency.

図16は、図14に示した測距計チップ60の変形例である測距計チップの概略図であり、測距計チップ62は、送信光46を強度変調する変調器130をさらに備える点で、図14の測距計チップ60と相違する。しかしながら、その他の構成は測距計チップ60と同じなので、図14と同一の構成については、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。 FIG. 16 is a schematic diagram of a rangefinder chip that is a modification of rangefinder chip 60 shown in FIG. This is different from the rangefinder chip 60 in FIG. However, since other configurations are the same as the rangefinder chip 60, the same configurations as in FIG.

変調器130は、一例として、マッハ・ツェンダー干渉計を用いる。変調器130におけるマッハ・ツェンダー干渉計は、一例として、光路をInP等の半導体で構成し、外部電源から当該半導体に印加される電圧の強度及び波形に応じて、送信光46の強度及び波形を変調する。測距計チップ62では、一例として、変調器130により送信光46を三角波から矩形波に変調する。 Modulator 130 uses, as an example, a Mach-Zehnder interferometer. As an example, the Mach-Zehnder interferometer in the modulator 130 has an optical path composed of a semiconductor such as InP, and changes the intensity and waveform of the transmitted light 46 according to the intensity and waveform of the voltage applied to the semiconductor from an external power supply. modulate. In the rangefinder chip 62, for example, the modulator 130 modulates the transmission light 46 from a triangular wave to a rectangular wave.

図17は、図16に示した測距計チップ62を用いた測距計の構成の一例を示した概略図である。図17に示した測距計は、変調器130と、外部電源140と、位相比較器142をさらに備える点で、図15の測距計と相違する。しかしながら、その他の構成は図15の測距計と同じなので、図15と同一の構成については、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。 FIG. 17 is a schematic diagram showing an example of the configuration of a rangefinder using the rangefinder chip 62 shown in FIG. 17 differs from the rangefinder in FIG. 15 in that it further includes a modulator 130, an external power source 140, and a phase comparator 142. The rangefinder shown in FIG. However, since other configurations are the same as those of the rangefinder in FIG. 15, the same reference numerals are assigned to the same configurations as in FIG. 15, and detailed description thereof will be omitted.

図17に示した測距計は、レーザ光源114に供給する電流の波形を三角波とし、当該三角波を変調させることにより、レーザ光源114が出力するレーザ光の波長を変化させる。 In the rangefinder shown in FIG. 17, the waveform of the current supplied to the laser light source 114 is a triangular wave, and the wavelength of the laser light output from the laser light source 114 is changed by modulating the triangular wave.

レーザ光源114から出力された送信光46は、変調器130により、強度及び波形が変調される。変調器130は、外部電源140から供給される電流の強度及び波形に応じて、送信光46の強度及び波形を変調する。変調器130は、外部電源140から供給された電流の位相に応じて送信光46を変調するので、外部電源140から矩形波状に変化する電流が変調器130に供給されると、変調器130は、送信光46を三角波から矩形波に変調する。 The intensity and waveform of the transmission light 46 output from the laser light source 114 are modulated by the modulator 130 . The modulator 130 modulates the intensity and waveform of the transmitted light 46 according to the intensity and waveform of the current supplied from the external power supply 140 . Since the modulator 130 modulates the transmission light 46 according to the phase of the current supplied from the external power supply 140, when the current changing in a rectangular wave form is supplied from the external power supply 140 to the modulator 130, the modulator 130 , modulates the transmitted light 46 from a triangular wave to a rectangular wave.

図17に示した測距計は、送信光46の対象物による反射光を受信光42として結像レンズ20で受光する。受光した受信光42は、結像レンズ20によって回折格子50に集光され、フォトダイオード30で、集光された受信光42を参照光44と干渉させることによって中間周波数を発生させる光ヘテロダイン検波が行われる。光ヘテロダイン検波の結果、受信光42と参照光44との中間周波数に相当するビート信号が電気信号として出力される。 In the rangefinder shown in FIG. 17, the imaging lens 20 receives the reflected light of the transmitted light 46 from the object as the received light 42 . The received light 42 is condensed onto the diffraction grating 50 by the imaging lens 20, and the photodiode 30 performs optical heterodyne detection to generate an intermediate frequency by causing the condensed received light 42 to interfere with the reference light 44. done. As a result of optical heterodyne detection, a beat signal corresponding to the intermediate frequency between the received light 42 and the reference light 44 is output as an electrical signal.

位相比較器142では、フォトダイオード30が出力した電気信号の位相と、外部電源140の電流の位相とを比較して、フォトダイオード30が出力した電気信号の位相と、外部電源140の電流の位相とのずれ(位相ずれ)を検出する。当該位相ずれは、対象物までの距離に応じて変化するので、当該位相ずれに基づいて、対象物への測距が可能になる。 The phase comparator 142 compares the phase of the electrical signal output by the photodiode 30 and the phase of the current of the external power supply 140 to determine the phase of the electrical signal output by the photodiode 30 and the phase of the current of the external power supply 140. Detects the shift (phase shift) from the Since the phase shift changes according to the distance to the object, it is possible to measure the distance to the object based on the phase shift.

図15に示した測距計は、受信光42及び参照光44が共に三角波である。従って、受信光42と参照光44との位相ずれを検出するのが困難なので、受信光42と参照光44との周波数差に基づいて対象物への測距を行った。 In the rangefinder shown in FIG. 15, both the received light 42 and the reference light 44 are triangular waves. Therefore, since it is difficult to detect the phase shift between the received light 42 and the reference light 44, the distance to the object is measured based on the frequency difference between the received light 42 and the reference light 44. FIG.

しかしながら、矩形波であれば、位相ずれの検出は三角波の場合よりも容易となる。図17に示した測距計では、受信光42に基づいてフォトダイオード30が出力した電気信号の位相と、外部電源140が出力した電流の位相とを比較することにより、FMCWによる対象物への測距を行う。 However, with a square wave, it is easier to detect a phase shift than with a triangular wave. 17 compares the phase of the electrical signal output by the photodiode 30 based on the received light 42 with the phase of the current output by the external power supply 140, thereby determining the distance to the object by FMCW. Measure the distance.

図18は、図12又は図13に示した構成に対し、参照光44の入射方向を変更した構成の概略図である。図12又は図13に示した構成のように、受信光42の光軸と参照光44の光軸とを一致させると、受信光42の一部の受光が阻害される。図12に示した構成では、回折格子50の一部に参照光44が透過する部分があり、図13に示した構成では、参照光44を反射させるミラー28が存在するためである。 FIG. 18 is a schematic diagram of a configuration in which the incident direction of the reference light 44 is changed from the configuration shown in FIG. 12 or 13. FIG. If the optical axis of the received light 42 and the optical axis of the reference light 44 are aligned as in the configuration shown in FIG. 12 or 13, the reception of part of the received light 42 is blocked. This is because the structure shown in FIG. 12 has a portion through which the reference light 44 is transmitted, and the structure shown in FIG. 13 has the mirror 28 that reflects the reference light 44 .

図18に示した構成では、受信光42の光軸と参照光44の光軸とを一致させず、任意の角度でずらすことにより、受信光42の光軸と参照光44の光軸とを交差させる。また、受信光42の光軸と参照光44の光軸とが交差する位置に回折格子54を設け、回折格子54によって受信光42と参照光44とを結合(干渉)する。 In the configuration shown in FIG. 18, the optical axis of the received light 42 and the optical axis of the reference light 44 are shifted by an arbitrary angle instead of being aligned, so that the optical axis of the received light 42 and that of the reference light 44 are aligned. cross. A diffraction grating 54 is provided at the position where the optical axis of the received light 42 and the optical axis of the reference light 44 intersect, and the received light 42 and the reference light 44 are coupled (interfered) by the diffraction grating 54 .

回折格子54は、受信光42と参照光44とを干渉させた結果生じる光を受信光42の光軸方向及び参照光44の光軸方向の各々に出射する。そして、回折格子54から出射された光は、シリコン導波路36Aと一体に構成されたフォトダイオード30Aとシリコン導波路36Bと一体に構成されたフォトダイオード30Bとで受光し、電気信号に変換する。 The diffraction grating 54 emits light resulting from interference between the received light 42 and the reference light 44 in the optical axis direction of the received light 42 and the optical axis direction of the reference light 44 . The light emitted from the diffraction grating 54 is received by a photodiode 30A integrated with the silicon waveguide 36A and a photodiode 30B integrated with the silicon waveguide 36B, and converted into an electric signal.

受信光42の光軸と参照光44の光軸とが一致すると、前述のように受信光42の一部の受信が阻害される問題が生じるが、受信光42の光軸と参照光44の光軸とを一致させず、所定の角度でずらすことにより、かかる問題を解決する。 If the optical axis of the received light 42 and the optical axis of the reference light 44 are coincident, the reception of part of the received light 42 is blocked as described above. This problem is solved by shifting the optical axis by a predetermined angle instead of aligning it with the optical axis.

図19は、図18に示した構成の変形例の一つである。図18に示した構成は、フォトダイオード30A及びフォトダイオード30Bの二つの光検出器を要したが、図19に示した構成は、回折格子56及び回折格子58を備え、回折格子56及び回折格子58によって回折格子54から出射された光を折り返して(反射して)フォトダイオード30に集光する。回折格子56及び回折格子58は、各々による反射光が交差するように配設され、当該交差位置にフォトダイオード30を設ける。 FIG. 19 is one of modifications of the configuration shown in FIG. While the configuration shown in FIG. 18 required two photodetectors, photodiode 30A and photodiode 30B, the configuration shown in FIG. The light emitted from the diffraction grating 54 is folded back (reflected) by 58 and focused on the photodiode 30 . The diffraction gratings 56 and 58 are arranged so that the reflected light from each of them intersects, and the photodiode 30 is provided at the intersecting position.

回折格子56、58は、回折格子54に比して、単位面積当たりの溝の数が多く、グレーティングのピッチが細かくなっている。かかるピッチの微細化により、回折格子56、58は、回折格子54が出射した光を効率よく反射することが可能になる。 The diffraction gratings 56 and 58 have a larger number of grooves per unit area than the diffraction grating 54 and have a finer grating pitch. Such fine pitch enables the diffraction gratings 56 and 58 to efficiently reflect the light emitted from the diffraction grating 54 .

図20は、図19に示した構成の変形例であり、回折格子56及び回折格子58に代えてミラー64及びミラー66を備える点で図19に示した構成と相違するが、その他の構成は図19に示した構成と同じなので、同一の構成には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。 FIG. 20 is a modification of the configuration shown in FIG. 19, and differs from the configuration shown in FIG. 19 in that mirrors 64 and 66 are provided instead of the diffraction gratings 56 and 58. Since the configuration is the same as that shown in FIG. 19, the same reference numerals are assigned to the same configurations, and detailed description thereof will be omitted.

図21は、ミラー64、66の一例を示した概略図である。回折格子54から出射された光は、ブロック状の媒質内を図21の矢印のように進行して反射される。ミラー64、66を構成するブロックは、SiO2に比して高屈折率な材質で構成される。当該材質は、一例として、Si単体又はGe単体等である。 FIG. 21 is a schematic diagram showing an example of the mirrors 64,66. Light emitted from the diffraction grating 54 travels in the block-shaped medium as indicated by arrows in FIG. 21 and is reflected. Blocks forming the mirrors 64 and 66 are made of a material having a higher refractive index than SiO2 . The material is, for example, Si simple substance, Ge simple substance, or the like.

図22は、図20に示した構成を複数備えた場合の一例を示した概略図である。図22に示した構成は、回折格子50A、54A、ミラー64A、66A及びシリコン導波路36Cと一体に構成されたフォトダイオード30Cを含むユニットと、回折格子50B、54B、ミラー64B、66B及びシリコン導波路36Dと一体に構成されたフォトダイオード30Dを含むユニットと、回折格子50C、54C、ミラー64C、66C及びシリコン導波路36Eと一体に構成されたフォトダイオード30Eを含むユニットと、を含む。なお、図22及び後述する図23では、図面を用いての説明の便宜上、回折格子50A、50B、50Cを各々含む3つのユニットを示したが、当該ユニットをより多く含むように構成してもよい。 FIG. 22 is a schematic diagram showing an example in which a plurality of configurations shown in FIG. 20 are provided. The configuration shown in FIG. 22 includes a unit including diffraction gratings 50A, 54A, mirrors 64A, 66A, and photodiode 30C integrated with silicon waveguide 36C; A unit including a photodiode 30D integrated with a waveguide 36D, and a unit including a photodiode 30E integrated with diffraction gratings 50C, 54C, mirrors 64C, 66C and a silicon waveguide 36E. In FIG. 22 and FIG. 23, which will be described later, three units each including the diffraction gratings 50A, 50B, and 50C are shown for convenience of explanation using the drawings. good.

図22に示した構成は、回折格子50Aが出射した受信光42Aと参照光44が回折格子58Aで回折して生じた参照光44Aとを、回折格子54Aで結合して出射し、さらに回折格子54Aが出射した光をミラー64A、66Aで反射してフォトダイオード30Cに集光する。 In the configuration shown in FIG. 22, the received light 42A emitted from the diffraction grating 50A and the reference light 44A generated by diffracting the reference light 44 by the diffraction grating 58A are combined by the diffraction grating 54A and emitted. Light emitted by 54A is reflected by mirrors 64A and 66A and condensed on photodiode 30C.

参照光44の一部は、回折格子58Aを透過するので、当該透過した光を回折格子58Bで回折して参照光44Bとして回折格子54Bに出射する。回折格子54Bには、回折格子50Bが出射した受信光42Bが入射するので、回折格子54Bは、受信光42Bと参照光44Bとを結合して出射し、さらに回折格子54Bが出射した光をミラー64B、66Bで反射してフォトダイオード30Dに集光する。 Since part of the reference light 44 is transmitted through the diffraction grating 58A, the transmitted light is diffracted by the diffraction grating 58B and emitted as the reference light 44B to the diffraction grating 54B. Since the received light 42B emitted from the diffraction grating 50B is incident on the diffraction grating 54B, the diffraction grating 54B couples the received light 42B and the reference light 44B and emits the light, and mirrors the light emitted from the diffraction grating 54B. The light is reflected by 64B and 66B and focused on the photodiode 30D.

回折格子58Bを透過した光は回折格子58Cで回折され、参照光44Cとして回折格子54Cに出射される。回折格子54Cには、回折格子50Cが出射した受信光42Cが入射するので、回折格子54Cは、受信光42Cと参照光44Cとを結合して出射し、さらに回折格子54Cが出射した光をミラー64C、66Cで反射してフォトダイオード30Eに集光する。ミラー64A、64B、64C、66A、66B、66Cは、各々、図19に示した回折格子56、58のような、グレーティングのピッチが細かい回折格子のような、ミラー以外の反射部材でもよい。 The light transmitted through the diffraction grating 58B is diffracted by the diffraction grating 58C and emitted to the diffraction grating 54C as the reference light 44C. Since the received light 42C emitted from the diffraction grating 50C is incident on the diffraction grating 54C, the diffraction grating 54C couples the received light 42C and the reference light 44C and emits the light, and mirrors the light emitted from the diffraction grating 54C. The light is reflected by 64C and 66C and focused on the photodiode 30E. The mirrors 64A, 64B, 64C, 66A, 66B, and 66C may be reflecting members other than mirrors, such as diffraction gratings with a fine grating pitch, such as the diffraction gratings 56 and 58 shown in FIG.

図22に示した構成を一つのチップ上に実装すれば、受信光42と参照光44とを効率よく結合させてヘテロダイン検波を行う光ヘテロダイン受光モジュールを構成することができる。図23は、図22に示した構成を含む光ヘテロダイン検波受光モジュール160の一例を示した概略図である。 If the configuration shown in FIG. 22 is mounted on one chip, an optical heterodyne photodetector module can be constructed that efficiently couples the received light 42 and the reference light 44 to perform heterodyne detection. FIG. 23 is a schematic diagram showing an example of an optical heterodyne detection light-receiving module 160 including the configuration shown in FIG.

図23に示した光ヘテロダイン検波受光モジュール160は、結像レンズ220で受信光42を回折格子50A、50B、50Cに入射させ、図22に示した構成と同様に、受信光42A、42B、42Cと参照光44A、44B、44Cとを効率よく結合させてヘテロダイン検波を行うことが可能となる。図23において、結像レンズ220は、大きな単一のレンズで表したが、回折格子50A、50B、50Cの各々に対応した複数の結像レンズを備え、当該複数の結像レンズを配設したレンズアレイを構成してもよい。 The optical heterodyne detection light-receiving module 160 shown in FIG. 23 causes the received light 42 to enter the diffraction gratings 50A, 50B, and 50C through the imaging lens 220, and the received lights 42A, 42B, and 42C, similarly to the configuration shown in FIG. , and the reference beams 44A, 44B, and 44C can be efficiently coupled to perform heterodyne detection. In FIG. 23, the imaging lens 220 is represented by a single large lens, but has a plurality of imaging lenses corresponding to each of the diffraction gratings 50A, 50B, and 50C, and the plurality of imaging lenses are arranged. A lens array may be constructed.

図12~23で示した構成は、回折格子52等を備えることにより、薄膜型の導波路102等に対して、回折格子52の実効屈折率に応じた角度(例えば略90度)で送信光46を出射できる。また、図12~23で示した構成は、回折格子50等を備えることにより、薄膜型の導波路36等に対して、回折格子50の実効屈折率に応じた角度(例えば略90度)で受信光を受光して薄膜型の導波路36等に導くことができる。 The configurations shown in FIGS. 12 to 23 are provided with the diffraction grating 52 and the like, so that the transmission light is transmitted at an angle (for example, approximately 90 degrees) corresponding to the effective refractive index of the diffraction grating 52 with respect to the thin-film waveguide 102 and the like. 46 can be emitted. 12 to 23 is provided with the diffraction grating 50 and the like, the angle (for example, approximately 90 degrees) corresponding to the effective refractive index of the diffraction grating 50 with respect to the thin-film waveguide 36 and the like is provided. Incoming light can be received and guided to a thin-film waveguide 36 or the like.

レーザレーダ装置において、送信光46の投光及び受信光32の収束には、各々光学レンズを要するが、回折格子50、52等を有しない場合、導波路36、102等と光学レンズとが各々の光軸に沿って直列することになり、装置の前後方向での容積が増大し、装置のコンパクト化が困難となるおそれがある。 In the laser radar device, optical lenses are required for projecting the transmission light 46 and for converging the reception light 32. If the diffraction gratings 50, 52, etc. are not provided, the waveguides 36, 102, etc. and the optical lenses are respectively required. This increases the volume of the device in the front-rear direction, making it difficult to make the device compact.

本実施の形態は、回折格子50、52等により、送信光46及び受信光42の各々の光路を折り曲げることにより、光学レンズを備えたレーザレーダ装置において、光学レンズを前端としたレーザレーダ装置の後端までの寸法を、光学レンズの焦点距離程度にする。 In this embodiment, by bending the optical paths of the transmission light 46 and the reception light 42 by means of diffraction gratings 50 and 52, etc., a laser radar device having an optical lens at its front end can be improved. The dimension to the rear end should be about the focal length of the optical lens.

その結果、光学レンズを含めたレーザレーダ装置全体の容積が回折格子50、52等を有しない場合よりも抑制され、レーザレーダ装置のコンパクト化が可能になる。 As a result, the volume of the entire laser radar device including the optical lens is suppressed compared to the case where the diffraction gratings 50, 52 and the like are not provided, and the laser radar device can be made compact.

10 光ヘテロダイン検波器
20 結像レンズ
22 光軸
24 送信用レンズ
30 フォトダイオード
32 電極
32N N電極
32P P電極
34 Ge吸収層
36、36A、36B シリコン導波路
36B1 第1Si層
36B2 SiO2
36B3 第2Si層
36C P+Si層
36D P-Si層
38、38A SiO2基板
40 入射光
42 受信光
44 参照光
46 送信光
50、50A、50B、50C、52、54、54A、54B、54C、56、58、58A、58B、58C 回折格子
60、62 測距計チップ
64、64A、64B、64C、66 ミラー
100 距離センサ
102、102A、102B、102C、102D 導波路
110、110A 光集積回路チップ
112 駆動回路
114 レーザ光源
116 方向性結合器
118 位相変調器
120 駆動回路
122 プリアンプ
124 AD変換器
126 制御・演算プロセッサ
130 変調器
140 外部電源
142 位相比較器
160 光ヘテロダイン検波受光モジュール
220 結像レンズ
10 Optical heterodyne detector 20 Imaging lens 22 Optical axis 24 Transmission lens 30 Photodiode 32 Electrode 32N N electrode 32P P electrode 34 Ge absorption layers 36, 36A, 36B Silicon waveguide 36B1 First Si layer 36B2 SiO 2 layer 36B3 Second Si Layer 36C P+Si layer 36D P-Si layers 38, 38A SiO 2 substrate 40 Incident light 42 Received light 44 Reference light 46 Transmitted light 50, 50A, 50B, 50C, 52, 54, 54A, 54B, 54C, 56, 58, 58A , 58B, 58C diffraction gratings 60, 62 rangefinder chips 64, 64A, 64B, 64C, 66 mirror 100 distance sensors 102, 102A, 102B, 102C, 102D waveguides 110, 110A optical integrated circuit chip 112 drive circuit 114 laser light source 116 directional coupler 118 phase modulator 120 drive circuit 122 preamplifier 124 AD converter 126 control/arithmetic processor 130 modulator 140 external power supply 142 phase comparator 160 optical heterodyne detection light receiving module 220 imaging lens

Claims (26)

レーザ光源が出力した送信光が対象物で反射された受信光を集光する集光部と、
前記レーザ光源が出力した光の一部である参照光、及び前記集光部によって集光された前記受信光が伝播すると共に、前記参照光の入射方向に対して幅が徐々に拡大することにより、前記参照光の光束を拡大する拡大部を備える導波路と、
前記導波路において前記参照光と前記受信光とを干渉させた結果生じる光を受光して電気信号に変換する受光部と、
を備えた光ヘテロダイン検波器。
a condensing unit condensing received light that is reflected by an object from the transmitted light output by the laser light source;
As the reference light, which is a part of the light output from the laser light source, and the received light condensed by the condensing section propagate , the width of the reference light gradually expands in the direction of incidence of the reference light. , a waveguide comprising an enlarging portion for enlarging the light flux of the reference light ;
a light receiving unit that receives light generated as a result of interference between the reference light and the received light in the waveguide and converts the light into an electrical signal;
An optical heterodyne detector with
前記拡大部は、前記参照光の入射方向に対して逆テーパー状に形成されたものである請求項に記載の光ヘテロダイン検波器。 2. The optical heterodyne detector according to claim 1 , wherein said enlarged portion is formed in a reverse tapered shape with respect to the direction of incidence of said reference light. 前記導波路は、薄膜型の導波路であり、
前記受光部は、前記薄膜型の導波路の一端側に積層された吸収層及び電極を備えて構成される請求項1又は請求項2に記載の光ヘテロダイン検波器。
The waveguide is a thin-film waveguide,
3. An optical heterodyne detector according to claim 1, wherein said light receiving section comprises an absorption layer and an electrode laminated on one end side of said thin-film waveguide .
前記集光部は光学レンズである請求項1請求項3のいずれか1項に記載の光ヘテロダイン検波器。 The optical heterodyne detector according to any one of claims 1 to 3, wherein the condensing part is an optical lens. 前記集光部と前記導波路との間に受信用回折格子を備えた請求項1~請求項のいずれか1項に記載の光ヘテロダイン検波器。 The optical heterodyne detector according to any one of claims 1 to 4 , further comprising a receiving diffraction grating between the light condensing section and the waveguide. 前記受信用回折格子のパターンは、前記受信用回折格子から出射する受信光の光軸上の一点を中心とする同心楕円弧状の溝が、所定間隔で配置されたものである請求項に記載の光ヘテロダイン検波器。 6. The pattern of the reception diffraction grating according to claim 5 , wherein concentric elliptical arc-shaped grooves centered at a point on the optical axis of the reception light emitted from the reception diffraction grating are arranged at predetermined intervals. optical heterodyne detector. 前記パターンは、前記受信用回折格子から出射する受信光の光軸上の一点を中心とする同心円弧状の溝が、所定間隔で配置されたものである請求項に記載の光ヘテロダイン検波器。 7. The optical heterodyne detector according to claim 6 , wherein said pattern comprises concentric arc-shaped grooves centered at a point on the optical axis of the received light emitted from said reception diffraction grating and arranged at predetermined intervals. 前記受信用回折格子を透過して前記参照光が前記導波路に入射される請求項又は請求項に記載の光ヘテロダイン検波器。 7. The optical heterodyne detector according to claim 5 , wherein the reference light is incident on the waveguide through the reception diffraction grating. 前記受信用回折格子と前記導波路との間に反射鏡を設け、該反射鏡は前記導波路の光軸の側方から入射される前記参照光を前記導波路に向けて反射させる請求項又は請求項に記載の光ヘテロダイン検波器。 6. A reflecting mirror is provided between the reception diffraction grating and the waveguide, and the reflecting mirror reflects the reference light incident from the side of the optical axis of the waveguide toward the waveguide. Or the optical heterodyne detector according to claim 6 . 前記受信用回折格子は、前記参照光の光軸と、前記受信用回折格子から出射される前記受信光の光軸とが交差するように配置され、
前記参照光の光軸と前記受信用回折格子から出射される前記受信光の光軸とが交差する位置に配置され、前記受信光と前記参照光とを干渉させると共に、該干渉させた結果生じる光を前記受信光の光軸方向及び前記参照光の光軸方向の各々に出射する結合用回折格子を更に備え、
前記導波路は、前記結合用回折格子から前記受信光の光軸方向に出射された光が伝播する第1導波路、及び前記結合用回折格子から前記参照光の光軸方向に出射された光が伝播する第2導波路を備え、
前記受光部は、前記第1導波路で伝播された光を受光して電気信号に変換する第1受光部、及び前記第2導波路で伝播された光を受光して電気信号に変換する第2受光部を備えた請求項又は請求項に記載の光ヘテロダイン検波器。
the reception diffraction grating is arranged such that the optical axis of the reference light and the optical axis of the reception light emitted from the reception diffraction grating intersect;
is arranged at a position where the optical axis of the reference light and the optical axis of the received light emitted from the reception diffraction grating intersect, interferes the received light and the reference light, and is produced as a result of the interference further comprising a coupling diffraction grating for emitting light in each of the optical axis direction of the received light and the optical axis direction of the reference light;
The waveguides include a first waveguide through which light emitted from the coupling diffraction grating in the optical axis direction of the received light propagates, and light emitted from the coupling diffraction grating in the optical axis direction of the reference light. comprising a second waveguide through which propagates
The light-receiving unit includes a first light-receiving unit that receives light propagated through the first waveguide and converts it into an electric signal, and a second light-receiving unit that receives light propagated through the second waveguide and converts it into an electric signal. 7. The optical heterodyne detector according to claim 5 , comprising two light receiving sections.
前記受信用回折格子は、前記参照光の光軸と、前記受信用回折格子から出射される前記受信光の光軸とが交差するように配置され、
前記参照光の光軸と前記受信用回折格子から出射される前記受信光の光軸とが交差する位置に配置され、前記受信光と前記参照光とを干渉させると共に、該干渉させた結果生じる光を前記受信光の光軸方向及び前記参照光の光軸方向の各々に出射する結合用回折格子と、
前記結合用回折格子から前記受信光の光軸方向に出射された光を前記導波路に向けて反射させる第1反射部と、
前記結合用回折格子から前記参照光の光軸方向に出射された光を前記導波路に向けて反射させる第2反射部と、
を更に備えた請求項又は請求項に記載の光ヘテロダイン検波器。
the reception diffraction grating is arranged such that an optical axis of the reference light and an optical axis of the reception light emitted from the reception diffraction grating intersect;
is arranged at a position where the optical axis of the reference light and the optical axis of the received light emitted from the reception diffraction grating intersect, interferes the received light and the reference light, and is produced as a result of the interference a coupling diffraction grating for emitting light in each of the optical axis direction of the received light and the optical axis direction of the reference light;
a first reflector that reflects the light emitted from the coupling diffraction grating in the optical axis direction of the received light toward the waveguide;
a second reflector that reflects the light emitted from the coupling diffraction grating in the optical axis direction of the reference light toward the waveguide;
7. An optical heterodyne detector according to claim 5 or claim 6 , further comprising:
前記第1反射部及び前記第2反射部の各々は、グレーティングのピッチが前記結合用回折格子よりも細かい回折格子である請求項11に記載の光ヘテロダイン検波器。 12. The optical heterodyne detector according to claim 11 , wherein each of said first reflector and said second reflector is a diffraction grating having a finer grating pitch than said coupling diffraction grating. 前記第1反射部及び前記第2反射部の各々は、反射鏡である請求項11に記載の光ヘテロダイン検波器。 12. The optical heterodyne detector according to claim 11 , wherein each of said first reflector and said second reflector is a reflector. 前記受信用回折格子、前記結合用回折格子、前記第1反射部、前記第2反射部及び前記受光部を含む構成を同一チップ上に複数実装した光ヘテロダイン受光モジュールを構成する請求項11~請求項13のいずれか1項に記載の光ヘテロダイン検波器。 11. An optical heterodyne light-receiving module in which a plurality of structures including the reception diffraction grating, the coupling diffraction grating, the first reflector, the second reflector and the light-receiving part are mounted on the same chip. Item 14. The optical heterodyne detector according to any one of Item 13 . 前記複数実装された構成の各々に対して配置され、前記参照光を前記結合用回折格子に向けて出射する参照光用回折格子を更に備えた請求項14に記載の光ヘテロダイン検波器。 15. The optical heterodyne detector according to claim 14 , further comprising a reference beam diffraction grating arranged for each of said plurality of mounted structures and emitting said reference beam toward said coupling diffraction grating. 請求項1~請求項15のいずれか1項に記載の光ヘテロダイン検波器と、
レーザ光源が出力した送信光を外界に投光する投光部と、
前記レーザ光源が出力した光の一部を前記参照光として前記導波路に帰還させる帰還部と、
前記受光部が出力した電気信号に基づいて対象物までの距離を計測する演算部と、
を備えたレーザレーダ装置。
an optical heterodyne detector according to any one of claims 1 to 15 ;
a light projecting unit that projects the transmission light output from the laser light source to the outside world;
a feedback unit that feeds back part of the light output from the laser light source to the waveguide as the reference light;
a computing unit that measures the distance to an object based on the electrical signal output by the light receiving unit;
A laser radar device with
前記投光部は、前記レーザ光源が出力した前記送信光を屈折させて出射する送信用回折格子を備える請求項16に記載のレーザレーダ装置。 17. The laser radar device according to claim 16 , wherein the light projecting section includes a transmission diffraction grating that refracts and emits the transmission light output from the laser light source. 前記送信用回折格子のパターンは、前記送信用回折格子に入射する送信光の光軸上の一点を中心とする同心楕円弧状の溝が、所定間隔で配置されたものである請求項17に記載のレーザレーダ装置。 18. The pattern of the transmission diffraction grating according to claim 17 , wherein concentric elliptical arc-shaped grooves centered at a point on the optical axis of transmission light incident on the transmission diffraction grating are arranged at predetermined intervals. of laser radar equipment. 前記パターンは、前記送信用回折格子に入射する送信光の光軸上の一点を中心とする同心円弧状の溝が、所定間隔で配置されたものである請求項18に記載のレーザレーダ装置。 19. The laser radar device according to claim 18 , wherein said pattern is formed by concentric arcuate grooves centered at a point on the optical axis of the transmission light incident on said transmission diffraction grating, arranged at predetermined intervals. 前記投光部は、前記送信用回折格子から出射した前記送信光を、送信用レンズを介して外界に投光する請求項17~請求項19のいずれか1項に記載のレーザレーダ装置。 20. The laser radar device according to any one of claims 17 to 19 , wherein the light projecting section projects the transmission light emitted from the transmission diffraction grating to the outside world through a transmission lens. 前記投光部は、前記送信光の強度及び波形を変調する変調器を備える請求項17~請求項20のいずれか1項に記載のレーザレーダ装置。 21. The laser radar device according to any one of claims 17 to 20 , wherein said light projecting section comprises a modulator that modulates the intensity and waveform of said transmission light. 前記変調器は、前記送信光の波形を矩形波に変調可能なマッハ・ツェンダー干渉計である請求項21に記載のレーザレーダ装置。 22. The laser radar apparatus according to claim 21 , wherein said modulator is a Mach-Zehnder interferometer capable of modulating the waveform of said transmitted light into a rectangular wave. 前記導波路は、薄膜型の導波路をシリコン層で覆うように構成したダブルクラッド構造である請求項16~請求項22のいずれか1項に記載のレーザレーダ装置。 23. The laser radar device according to any one of claims 16 to 22 , wherein the waveguide has a double clad structure in which a thin-film waveguide is covered with a silicon layer. 前記導波路は基板平面上に形成されたプレナー導波路である請求項16~請求項23のいずれか1項に記載のレーザレーダ装置。 24. The laser radar device according to any one of claims 16 to 23 , wherein said waveguide is a planar waveguide formed on a substrate plane. 前記導波路は、直線で構成された直線導波路を含む請求項16~請求項24のいずれか1項に記載のレーザレーダ装置。 25. The laser radar device according to any one of claims 16 to 24 , wherein the waveguide includes a straight waveguide composed of straight lines. 前記レーザ光源は偏光フィルタを備え、前記偏光フィルタの適用により、直交偏波及び平行偏波のいずれかを出力可能な請求項16~請求項25のいずれか1項に記載のレーザレーダ装置。
26. The laser radar device according to any one of claims 16 to 25 , wherein the laser light source has a polarizing filter, and can output either orthogonally polarized waves or parallel polarized waves by applying the polarizing filter.
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