JP7211355B2

JP7211355B2 - optical antenna

Info

Publication number: JP7211355B2
Application number: JP2019235176A
Authority: JP
Inventors: 大介井上; 正市川; 哲也下垣; 達弥山下; 朱里中尾
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2019-12-25
Filing date: 2019-12-25
Publication date: 2023-01-24
Anticipated expiration: 2039-12-25
Also published as: JP2021103147A

Description

本発明は、光アンテナに関するものであり、特に電気回路の配線に特徴を有するものである。 The present invention relates to an optical antenna, and is particularly characterized by the wiring of electric circuits.

レーザー光を用いて対象物を検出し、その対象物までの距離を測定する技術としてＬｉＤＡＲ（Light Detection and Ranging ）がある。ＬｉＤＡＲは、光集積回路による小型ＬｉＤＡＲの研究が進んでおり、光フェーズドアレイアンテナの試作が報告されている（非特許文献１）。ＬｉＤＡＲとして十分な感度を稼ぐためには、アンテナ面積が大きいことが必要である。光フェーズドアレイアンテナは、アンテナ素子のサイズが光の波長オーダーであるため、大面積のアンテナを構成しようとすると、莫大な数のアンテナ素子が必要になる。従来の光フェーズドアレイアンテナでは、各アンテナ素子の移相量などを制御するための電気回路の配線数もアンテナ素子数と同数必要となり、アンテナ素子数の増加すると配線数も同数増加させる必要がある。 LiDAR (Light Detection and Ranging) is a technique for detecting an object using laser light and measuring the distance to the object. As for LiDAR, research on compact LiDAR using an optical integrated circuit is progressing, and a trial production of an optical phased array antenna has been reported (Non-Patent Document 1). In order to obtain sufficient sensitivity as a LiDAR, it is necessary to have a large antenna area. Since the size of the antenna element of the optical phased array antenna is on the order of the wavelength of light, an enormous number of antenna elements are required to form a large-area antenna. Conventional optical phased array antennas require the same number of wires for the electrical circuit to control the amount of phase shift of each antenna element as the number of antenna elements. .

https://jp.techcrunch.com/2019/07/17/2019-07-16-voyant-photonics-raises-4-3m-to-fit-lidar-on-the-head-of-a-pin/https://jp.techcrunch.com/2019/07/17/2019-07-16-voyant-photonics-raises-4-3m-to-fit-lidar-on-the-head-of-a-pin/

非特許文献１のフェーズドアレイアンテナは、おびただしい数の配線を有しているが、これでも実際に求められているアンテナ面積の１／１０以下であり、アンテナ素子、配線数をさらに増やす必要がある。しかし、これ以上配線数を増加させることは困難であった。 The phased array antenna of Non-Patent Document 1 has a large number of wirings, but even this is less than 1/10 of the actually required antenna area, and it is necessary to further increase the number of antenna elements and wirings. . However, it has been difficult to increase the number of wirings any further.

そこで本発明の目的は、複数の光アンテナ素子と、各光アンテナ素子に対してそれぞれ作用し、電気的に駆動される複数の駆動部を有した光アンテナについて、駆動部を駆動させる電気回路の配線数を削減することである。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide an optical antenna having a plurality of optical antenna elements and a plurality of driving sections that act on the respective optical antenna elements and are electrically driven. It is to reduce the number of wiring.

本発明は、ｎ（ｎは２以上の自然数）個の光アンテナ素子と、各光アンテナ素子に対してそれぞれ作用し、電気的に駆動されるｎ個の駆動部と、駆動部を駆動させる電気回路と、を有した光アンテナであって、電気回路は、Ｍ行×Ｎ列（ｎ≦Ｍ×Ｎを満たし、Ｍは１以上の自然数、Ｎは２以上の自然数）のマトリクス状の配線と、各列のいずれかを導通させるスイッチとを有し、駆動部は、一端が行方向の配線、他端が列方向の配線に接続され、列ごとに時分割で駆動され、駆動部は移相器であり、光アンテナは、各光アンテナ素子に入力する光の位相を変化させる移相器を有した光フェーズドアレイアンテナであり、移相器は、ヒータを有し、ヒータの熱により屈折率を変化させることで移相量を制御する移相器であり、スイッチのスイッチング周波数は、ヒータの熱応答速度よりも速い、ことを特徴とする光アンテナである。
また本発明は、ｎ（ｎは２以上の自然数）個の光アンテナ素子と、各光アンテナ素子に対してそれぞれ作用し、電気的に駆動されるｎ個の駆動部と、駆動部を駆動させる電気回路と、を有した光アンテナであって、電気回路は、Ｍ行×Ｎ列（ｎ≦Ｍ×Ｎを満たし、Ｍは１以上の自然数、Ｎは２以上の自然数）のマトリクス状の配線と、各列のいずれかを導通させるスイッチとを有し、駆動部は、一端が行方向の配線、他端が列方向の配線に接続され、列ごとに時分割で駆動され、駆動部は位相モニタであり、光アンテナは、各光アンテナ素子に入力する光の位相を変化させる移相器を有し、移相器による位相量を位相モニタによりモニタする光フェーズドアレイアンテナであり、位相モニタは、フォトダイオードを有し、フォトダイオードにより光ヘテロダイン干渉法で位相量を検出する位相モニタである、ことを特徴とする光アンテナである。
また本発明は、ｎ（ｎは２以上の自然数）個の光アンテナ素子と、各光アンテナ素子に対してそれぞれ作用し、電気的に駆動されるｎ個の駆動部と、駆動部を駆動させる電気回路と、を有した光アンテナであって、電気回路は、Ｍ行×Ｎ列（ｎ≦Ｍ×Ｎを満たし、Ｍは１以上の自然数、Ｎは２以上の自然数）のマトリクス状の配線と、各列のいずれかを導通させるスイッチとを有し、駆動部は、一端が行方向の配線、他端が列方向の配線に接続され、列ごとに時分割で駆動され、光アンテナ素子は、送信光アンテナ素子と、受信光アンテナ素子とを有し、光アンテナは、各送信光アンテナ素子への光の入力を光スイッチにより切り替えるスイッチ式光アンテナアレイであり、駆動部は、送信光アンテナ素子への光の一部と受信光アンテナ素子からの光とを合波して光ヘテロダイン検波する光ヘテロダイン検波器である、ことを特徴とする光アンテナである。 The present invention includes n (n is a natural number of 2 or more) optical antenna elements, n driving units that act on each optical antenna element and are electrically driven, and an electric driving unit that drives the driving units. and a circuit, wherein the electric circuit comprises wiring in a matrix of M rows×N columns (n≤M×N, where M is a natural number of 1 or more and N is a natural number of 2 or more); , and a switch that conducts one of the columns. The driving unit has one end connected to the wiring in the row direction and the other end to the wiring in the column direction, and is driven in a time division manner for each column, and the driving unit is shifted. The optical antenna is an optical phased array antenna having a phase shifter that changes the phase of light input to each optical antenna element, the phase shifter has a heater, and is refracted by the heat of the heater. The optical antenna is characterized in that the phase shifter controls the amount of phase shift by changing the ratio, and the switching frequency of the switch is faster than the thermal response speed of the heater .
In addition, the present invention provides n (n is a natural number of 2 or more) optical antenna elements, n driving units that act on the respective optical antenna elements and are electrically driven, and drives the driving units. and an electric circuit, wherein the electric circuit is wiring in a matrix of M rows×N columns (where n≤M×N, where M is a natural number of 1 or more and N is a natural number of 2 or more). and a switch that conducts one of the columns, and the driving section has one end connected to the wiring in the row direction and the other end connected to the wiring in the column direction. A phase monitor, wherein the optical antenna is an optical phased array antenna having a phase shifter for changing the phase of light input to each optical antenna element, and monitoring the phase amount by the phase shifter with the phase monitor, is a phase monitor that has a photodiode and detects a phase amount by an optical heterodyne interferometry using the photodiode.
Further, the present invention provides n (n is a natural number of 2 or more) optical antenna elements, n driving units that act on each optical antenna element and are electrically driven, and drives the driving units. and an electric circuit, wherein the electric circuit is wiring in a matrix of M rows×N columns (n≤M×N, where M is a natural number of 1 or more and N is a natural number of 2 or more). and a switch that conducts one of the columns, and the drive unit has one end connected to the wiring in the row direction and the other end to the wiring in the column direction, and is driven in a time-division manner for each column, and the optical antenna element has a transmission optical antenna element and a reception optical antenna element, the optical antenna is a switch-type optical antenna array that switches the input of light to each transmission optical antenna element by an optical switch, and the driving unit is a transmission optical antenna element The optical antenna is characterized by being an optical heterodyne detector that multiplexes a part of the light to the antenna element and the light from the receiving optical antenna element and performs optical heterodyne detection.

本発明において、駆動部は移相器であり、光アンテナは、各光アンテナ素子に入力する光の位相を変化させる移相器を有した光フェーズドアレイアンテナであり、移相器は、ヒータを有し、ヒータの熱により屈折率を変化させることで移相量を制御する移相器であり、スイッチのスイッチング周波数は、ヒータの熱応答速度よりも速い、としてもよい。熱容量のローパスフィルタ効果により、連続して加熱するのと同様とすることができる。 In the present invention, the driver is a phase shifter, the optical antenna is an optical phased array antenna having a phase shifter that changes the phase of light input to each optical antenna element, and the phase shifter is a heater. It is a phase shifter that controls the amount of phase shift by changing the refractive index with the heat of the heater, and the switching frequency of the switch may be faster than the thermal response speed of the heater. Due to the low-pass filter effect of heat capacity, it can be similar to continuous heating.

本発明において、駆動部は位相モニタであり、光アンテナは、各光アンテナ素子に入力する光の位相を変化させる移相器を有し、移相器による位相量を位相モニタによりモニタする光フェーズドアレイアンテナであり、位相モニタは、フォトダイオードを有し、フォトダイオードにより光ヘテロダイン干渉法で位相量を検出する位相モニタである、としてもよい。 In the present invention, the driver is a phase monitor, the optical antenna has a phase shifter that changes the phase of light input to each optical antenna element, and the phase monitor monitors the phase amount by the phase shifter. The array antenna may be an array antenna, and the phase monitor may be a phase monitor having photodiodes and detecting the phase quantity by optical heterodyne interferometry with the photodiodes.

また、位相モニタは、光アンテナの後段を２分配し、その後に隣接する光アンテナからの光同士を合波する光カプラを有し、光カプラからの光をフォトダイオードに入力させることで、隣接する光アンテナ間の光の位相差を検出する構成としてもよい。 Further, the phase monitor divides the post-stage of the optical antenna into two, and has an optical coupler that multiplexes the light beams from the adjacent optical antennas after that. It may be configured to detect the phase difference of light between the optical antennas.

本発明において、駆動部は光スイッチであり、光アンテナは、各光アンテナ素子への光の入力を光スイッチにより切り替えるスイッチ式光アンテナアレイであり、光スイッチは、リング共振器と、リング共振器を加熱するヒータとを有し、ヒータの熱によりリング共振器の共振波長を変化させることでスイッチ動作をさせる光スイッチであり、スイッチのスイッチング周波数は、ヒータの熱応答速度よりも速い、としてもよい。熱容量のローパスフィルタ効果により、連続して加熱するのと同様とすることができる。 In the present invention, the driving unit is an optical switch, the optical antenna is a switch-type optical antenna array that switches the input of light to each optical antenna element by an optical switch, and the optical switch is a ring resonator and a ring resonator. It is an optical switch that performs a switching operation by changing the resonant wavelength of the ring resonator with the heat of the heater, and the switching frequency of the switch is faster than the thermal response speed of the heater. good. Due to the low-pass filter effect of heat capacity, it can be similar to continuous heating.

本発明において、光アンテナ素子は、送信光アンテナ素子と、受信光アンテナ素子とを有し、光アンテナは、各送信光アンテナ素子への光の入力を光スイッチにより切り替えるスイッチ式光アンテナアレイであり、駆動部は、送信光アンテナへの光の一部と受信光アンテナからの光とを合波して光ヘテロダイン検波する光ヘテロダイン検波器である、としてもよい。 In the present invention, the optical antenna element has a transmitting optical antenna element and a receiving optical antenna element, and the optical antenna is a switching optical antenna array that switches the input of light to each transmitting optical antenna element by an optical switch. Alternatively, the driving unit may be an optical heterodyne detector that combines a part of the light to the transmission optical antenna and the light from the reception optical antenna and performs optical heterodyne detection.

また、光ヘテロダイン検波器は、２つのフォトダイオードが直列に接続されたバランス型光検出器と、送信光アンテナ素子への光の一部と受信光アンテナ素子からの光の合波光を１８０°位相が異なるように２分配し、２つのフォトダイオードにそれぞれ入力させる方向性結合器と、を有する構成としてもよい。 The optical heterodyne detector includes a balanced photodetector in which two photodiodes are connected in series, and a combined light of a part of the light to the transmitting optical antenna element and the light from the receiving optical antenna element . and a directional coupler that distributes two different signals and inputs them to two photodiodes.

本発明によれば、光アンテナの駆動部を駆動させる電気回路の配線数を大幅に削減することができる。 According to the present invention, it is possible to greatly reduce the number of wirings of the electric circuit for driving the driving section of the optical antenna.

実施例１の光フェーズドアレイアンテナの構成を示した図。1 is a diagram showing the configuration of an optical phased array antenna of Example 1. FIG. 移相器１２の構成を示した図。The figure which showed the structure of the phase shifter 12. FIG. 光アンテナ素子１３および終端器１４の構成を示した図。4 is a diagram showing the configuration of an optical antenna element 13 and a terminator 14; FIG. 位相モニタ１５の構成を示した図。4 is a diagram showing the configuration of a phase monitor 15; FIG. 移相器１２を駆動するための電気回路の構成を示した図。4 is a diagram showing the configuration of an electric circuit for driving the phase shifter 12; FIG. スイッチＳ１～Ｓ４のオンのタイミングを示した図。FIG. 4 is a diagram showing the timing of turning on switches S1 to S4; 位相モニタ１５を駆動するための電気回路の構成を示した図。4 is a diagram showing the configuration of an electric circuit for driving the phase monitor 15; FIG. 移相器１２の変形例を示した図。The figure which showed the modification of the phase shifter 12. FIG. 光フェーズドアレイアンテナの変形例を示した図。The figure which showed the modification of an optical phased array antenna. 実施例２のスイッチ式光アンテナアレイの構成を示した図。FIG. 8 is a diagram showing the configuration of a switch-type optical antenna array according to a second embodiment; 実施例３におけるスイッチ式光アンテナ３０の構成を示した図。FIG. 10 is a diagram showing the configuration of a switch-type optical antenna 30 according to the third embodiment; バランス型光検出器３７を駆動するための電気回路の構成を示した図。FIG. 4 is a diagram showing the configuration of an electric circuit for driving a balanced photodetector 37;

以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。 Specific examples of the present invention will be described below with reference to the drawings, but the present invention is not limited to the examples.

図１は、実施例１の光フェーズドアレイアンテナの構成を示した図である。実施例１の光フェーズドアレイアンテナは、光導波路１０と、分配器１１と、移相器１２と、光アンテナ素子１３と、終端器１４と、位相モニタ１５と、によって構成されていて、これらは光集積回路として構成されている。 FIG. 1 is a diagram showing the configuration of an optical phased array antenna of Example 1. FIG. The optical phased array antenna of Example 1 comprises an optical waveguide 10, a distributor 11, a phase shifter 12, an optical antenna element 13, a terminator 14, and a phase monitor 15, which are It is configured as an optical integrated circuit.

（光導波路１０の構成）
光導波路１０は、光を伝搬させるコアと、コアを覆い、コアよりも屈折率の低い材料からなるクラッドで構成される。たとえば、コアはＳｉやＳｉＮからなり、クラッドはＳｉＯ₂からなる。光導波路１０の構造は従来より知られている任意の構造でよく、埋め込み型、リッジ型、スラブ型などの構造を用いることができる。光導波路１０は、分配器１１によって光アンテナ素子１３と同数の線路に分配されている。分配器１１は、１×２の分配器を多段に接続したものであり、光導波路１０は２の累乗の数に分配されている。 (Configuration of optical waveguide 10)
The optical waveguide 10 is composed of a core that propagates light and a clad that covers the core and is made of a material having a lower refractive index than the core. For example, the core is made of Si or SiN and the clad is made of _SiO2 . The structure of the optical waveguide 10 may be any conventionally known structure, and structures such as buried type, ridge type, and slab type can be used. The optical waveguide 10 is distributed to the same number of lines as the optical antenna elements 13 by the distributor 11 . The splitter 11 is formed by connecting 1×2 splitters in multiple stages, and the optical waveguides 10 are split into powers of two.

（移相器１２の構成）
移相器１２は、各光導波路１０に設けられており、光導波路１０を加熱することにより屈折率を変化させ、これにより光導波路１０を伝搬する光の位相を変化させるものである。図２は、移相器１２の構成を示した図である。図２のように、移相器１２は、光導波路１０上に設けられた薄膜ヒータ１２１と、薄膜ヒータ１２１上に設けられ、離間して設けられた２つの電極１２２と、によって構成されている。２つの電極１２２間に電圧を印加することにより、薄膜ヒータ１２１を抵抗加熱により発熱させ、薄膜ヒータ１２１と接触する光導波路１０を加熱し、光導波路１０の屈折率を変化させることで光の位相を変化させる。移相量は、電極１２２間の電圧値や印加時間によって制御することができる。移相器１２を駆動するための電気回路の構成については後述する。 (Configuration of phase shifter 12)
The phase shifter 12 is provided in each optical waveguide 10 and heats the optical waveguide 10 to change the refractive index, thereby changing the phase of light propagating through the optical waveguide 10 . FIG. 2 is a diagram showing the configuration of the phase shifter 12. As shown in FIG. As shown in FIG. 2, the phase shifter 12 is composed of a thin film heater 121 provided on the optical waveguide 10 and two electrodes 122 provided on the thin film heater 121 and spaced apart. . By applying a voltage between the two electrodes 122, the thin film heater 121 is caused to generate heat by resistance heating, heating the optical waveguide 10 in contact with the thin film heater 121, and changing the refractive index of the optical waveguide 10 to change the phase of the light. change. The phase shift amount can be controlled by the voltage value between the electrodes 122 and the application time. A configuration of an electric circuit for driving the phase shifter 12 will be described later.

実施例１では、移相器１２が光アンテナ素子１３など他の光回路素子から分離して配置されており、薄膜ヒータ１２１が光導波路１０から分離して配置されている。そのため、移相器１２の長さは自由に設定でき、熱容量を積極的に利用してローパスフィルタ効果を発生させることができる。このローパスフィルタ効果により、移相器１２をＰＷＭのように時断続的に動作させることが可能となっている。その結果、移相器１２の動作温度を低減することができ、たとえば５０℃程度で駆動することができる。米国特許出願公開第２０１５／０３４６３４０号に記載されている従来の移相器は、光導波路を直接加熱する方式であり、応答速度が１００ｋＨｚ、動作温度が５００℃であり、実施例１の移相器１２は動作温度を大きく低減できている。また、上記従来の移相器は、サイズが大きく光アンテナ素子１３の間隔が広くなり、グレーティングローブが多くなるが、実施例１の移相器１２では光アンテナ素子１３から分離しているためそのような問題は生じない。 In Example 1, the phase shifter 12 is arranged separately from other optical circuit elements such as the optical antenna element 13 , and the thin film heater 121 is arranged separately from the optical waveguide 10 . Therefore, the length of the phase shifter 12 can be freely set, and the heat capacity can be actively used to generate a low-pass filter effect. This low-pass filter effect enables the phase shifter 12 to operate intermittently like PWM. As a result, the operating temperature of the phase shifter 12 can be reduced, and can be driven at about 50.degree. The conventional phase shifter described in US Patent Application Publication No. 2015/0346340 is a method of directly heating the optical waveguide, has a response speed of 100 kHz, an operating temperature of 500 ° C., and the phase shifter of Example 1 The device 12 can greatly reduce the operating temperature. In addition, the conventional phase shifter is large in size and the distance between the optical antenna elements 13 is large, resulting in many grating lobes. No such problem arises.

なお、移相器１２の構成は実施例１に示した構造に限らず、加熱により屈折率を変化させて位相を制御可能な任意の構造を採用することができる。たとえば、図８に示す構造を採用してもよい。図８は、移相器１２の変形例の断面を示した図である。図８のように、光導波路１０は、Ｓｉからなるコア１１１がＳｉＯ₂からなるクラッド１１２に埋め込まれた構造であり、移相器１２は、ｐ層１１３、ｎ層１１４、ｐ＋領域１１５、ｎ＋領域１１６、電極１１７Ａ、１１７Ｂにより構成されている。移相器１２は、コア１１１を挟むようにしてｐ型Ｓｉからなるｐ層１１３と、ｎ型Ｓｉからなるｎ層１１４とを有している。また、ｐ層１１３表面近傍の一部領域は、ｐ層１１３よりもｐ型不純物濃度の高いｐ＋領域１１５となっている。また、ｎ層１１４表面近傍の一部領域は、ｎ層１１４よりもｎ型不純物の高いｎ＋領域１１６となっている。また、ｐ＋領域１１５およびｎ＋領域１１６に接してＡｌからなる電極１１７Ａ、１１７Ｂがそれぞれ設けられている。 The structure of the phase shifter 12 is not limited to the structure shown in the first embodiment, and any structure that can control the phase by changing the refractive index by heating can be adopted. For example, the structure shown in FIG. 8 may be adopted. FIG. 8 is a diagram showing a cross section of a modification of the phase shifter 12. As shown in FIG. As shown in FIG. 8, the optical waveguide 10 has a structure in which a core 111 made of Si is embedded in a clad 112 made of SiO ₂ , and the phase shifter 12 includes a p-layer 113, an n-layer 114, a p+ region 115, an n+ It is composed of a region 116 and electrodes 117A and 117B. Phase shifter 12 has p-layer 113 made of p-type Si and n-layer 114 made of n-type Si with core 111 sandwiched therebetween. A partial region near the surface of the p-layer 113 is a p+ region 115 having a p-type impurity concentration higher than that of the p-layer 113 . A partial region near the surface of the n-layer 114 is an n+ region 116 having a higher n-type impurity than the n-layer 114 . Electrodes 117A and 117B made of Al are provided in contact with p+ region 115 and n+ region 116, respectively.

この変形例の移相器１２では、電極１１７Ａに正電圧、電極１１７Ｂに負電圧を印加してｐｎ構造に順方向電圧を印加することでコア１１１を伝搬する光の位相を変化させる。順方向電圧を印加すると、ｐ層１１３からコア１１１を通ってｎ層１１４へと電流が流れ、コア１１１が直接抵抗加熱により発熱し、コア１１１の屈折率が変化する。この屈折率の変化によって光の位相を変化させることができる。 In the phase shifter 12 of this modification, the phase of light propagating through the core 111 is changed by applying a positive voltage to the electrode 117A and a negative voltage to the electrode 117B to apply a forward voltage to the pn structure. When a forward voltage is applied, current flows from p-layer 113 through core 111 to n-layer 114, core 111 generates heat by direct resistance heating, and the refractive index of core 111 changes. This change in refractive index can change the phase of light.

図８の変形例の移相器１２は、ｐｎ接合構造であったが、ユニポーラ型の構造としてもよい。たとえば、図８において、ｎ層１１４をｐ層、ｎ＋領域１１６をｐ＋領域に置き換えた単純な電導構造としてもよい。その場合も、電極１１７Ａ、電極１１７Ｂに電圧を印加して通電するとジュール熱が発生し、図８の移相器１２と同様の効果が得られる。 Although the phase shifter 12 of the modified example of FIG. 8 has a pn junction structure, it may have a unipolar structure. For example, in FIG. 8, a simple conductive structure may be employed in which the n layer 114 is replaced with a p layer and the n+ region 116 is replaced with a p+ region. In this case as well, when a voltage is applied to the electrodes 117A and 117B to conduct electricity, Joule heat is generated, and the same effect as that of the phase shifter 12 in FIG. 8 can be obtained.

（光アンテナ素子１３の構成）
光アンテナ素子１３は、各光導波路１０の端部に設けられた回折格子である。回折格子は、図３に示すように、線路方向に周期的な凹凸形状を光導波路１０のコアに設けた構造である。この回折格子によって光導波路１０のコアから光を外部に取り出し、所定の方向に放射させる。 (Configuration of optical antenna element 13)
The optical antenna element 13 is a diffraction grating provided at the end of each optical waveguide 10 . As shown in FIG. 3, the diffraction grating has a structure in which the core of the optical waveguide 10 is provided with periodic irregularities in the line direction. The diffraction grating extracts light from the core of the optical waveguide 10 to the outside and radiates it in a predetermined direction.

（終端器１４の構成）
終端器１４は、各光アンテナ素子１３に接続されており、反射戻り光を抑制するものである。図３に示すように、光導波路のコアを先細り形状とすることで光をコアから漏れさせる構造である。 (Configuration of terminator 14)
A terminator 14 is connected to each optical antenna element 13 and suppresses reflected return light. As shown in FIG. 3, the core of the optical waveguide is tapered to allow light to leak from the core.

（位相モニタ１５の構成）
位相モニタ１５は、移相器１２による位相量を検出しモニタするものである。移相器１２の位相量は、環境温度の変化や製造誤差などの影響によりばらつきを生じるため、位相量をモニタしてフィードバック制御する必要がある。図４は、位相モニタ１５の構成を示した図である。図４のように、位相モニタ１５は、各光導波路１０を伝搬する光の一部を分岐させ伝搬させるモニタ光導波路１５１と、基準となる光を伝搬させる基準光導波路１５２と、モニタ光導波路１５１と基準光導波路１５２を合波させる光カプラ１５３と、モニタ光導波路１５１からの光と基準光導波路１５３からの基準光から光ヘテロダイン干渉法によって位相を検出するＰＤ（フォトダイオード）１５４とを有している。位相モニタ１５によって検出した位相量に基づき、移相器１２をフィードバック制御し、移相器１２による移相量が所望の値になるように制御する。 (Configuration of phase monitor 15)
A phase monitor 15 detects and monitors the phase amount by the phase shifter 12 . Since the phase amount of the phase shifter 12 varies due to environmental temperature changes, manufacturing errors, etc., it is necessary to monitor the phase amount and perform feedback control. FIG. 4 is a diagram showing the configuration of the phase monitor 15. As shown in FIG. As shown in FIG. 4, the phase monitor 15 includes a monitor optical waveguide 151 for branching and propagating part of the light propagating through each optical waveguide 10, a reference optical waveguide 152 for propagating reference light, and a monitor optical waveguide 151. and a reference light waveguide 152, and a PD (photodiode) 154 for detecting the phase from the light from the monitor light waveguide 151 and the reference light from the reference light waveguide 153 by optical heterodyne interferometry. ing. Based on the phase amount detected by the phase monitor 15, the phase shifter 12 is feedback-controlled so that the phase shift amount by the phase shifter 12 becomes a desired value.

なお、基準光に対する位相ではなく、隣接する光導波路１０間の光の位相差を光ヘテロダイン干渉法によって検出し、その位相差に基づき各移相器１２の位相量を制御するようにしてもよい。 Instead of detecting the phase with respect to the reference light, the phase difference between adjacent optical waveguides 10 may be detected by the optical heterodyne interferometry, and the phase amount of each phase shifter 12 may be controlled based on the phase difference. .

また、実施例１では、光アンテナ素子１３の手前で光を分岐させているが、移相器１２よりも後段であれば任意の位置で分岐させてよい。また、終端器１４を設けず、光アンテナ素子１３を透過した光をそのまま位相モニタ１５に用いてもよい。光フェーズドアレイアンテナの構成をより簡略化できる。そのような構成の例を図９に示す。図９のように、光アンテナ素子１３の後段の各光導波路１０は、光カプラ１７によって２分配されている。２分配されたそれぞれの光導波路１０は、隣接する光導波路１０と光カプラ１８によって合波され、位相モニタ１５に入力される。このようにして、光ヘテロダイン干渉法により隣接する光導波路１０間の位相差を検出する構成である。光フェーズドアレイアンテナを図９のように構成すれば、終端器１４を必要とせず、基準光を導く光導波路も必要ないため、より簡素化することができる。なお、図９のように、両端の光導波路１０同士についても合波して位相モニタ１５により位相差を検出する構成とするのがよい。位相差の全体的な整合を取ることができ、位相量の制御をより精度よく行うことができる。 Also, in the first embodiment, light is branched before the optical antenna element 13 , but it may be branched at any position after the phase shifter 12 . Alternatively, the light transmitted through the optical antenna element 13 may be used as it is for the phase monitor 15 without providing the terminator 14 . The configuration of the optical phased array antenna can be simplified. An example of such a configuration is shown in FIG. As shown in FIG. 9, each optical waveguide 10 downstream of the optical antenna element 13 is divided into two by the optical coupler 17 . The optical waveguides 10 divided into two are multiplexed by the adjacent optical waveguides 10 and the optical coupler 18 and input to the phase monitor 15 . In this manner, the phase difference between the adjacent optical waveguides 10 is detected by the optical heterodyne interferometry. If the optical phased array antenna is configured as shown in FIG. 9, the terminator 14 is not required and the optical waveguide for guiding the reference light is not required, so that the antenna can be simplified further. As shown in FIG. 9, it is preferable that the optical waveguides 10 at both ends are combined and the phase difference is detected by the phase monitor 15 . Overall matching of the phase difference can be obtained, and the phase amount can be controlled more accurately.

（移相器１２駆動の電気回路の構成）
次に、移相器１２を駆動するための電気回路について説明する。図５は、移相器１２を駆動するための電気回路の構成を示した図である。説明の簡便のため、図５では光アンテナ素子１３の数（光導波路１０の数）が１６の場合について示している。図５のように、配線は４×４のマトリックス状になっており、行方向の４本の配線Ｍ１～Ｍ４と列方向の４本の配線Ｎ１～Ｎ４で構成されている。行方向の４本の配線Ｍ１～Ｍ４には、ドライバＤ１～Ｄ４がそれぞれ接続されている。列方向の４本の配線Ｎ１～Ｎ４にはスイッチＳ１～Ｓ４がそれぞれ接続されている。また、列方向の配線Ｎ１～Ｎ４と行方向の４本の配線Ｍ１～Ｍ４の交点には、それぞれ抵抗Ｒが挿入されている。抵抗Ｒは計１６個である。この抵抗Ｒは、移相器１２の薄膜ヒータ１２１の抵抗である。 (Configuration of electric circuit for driving phase shifter 12)
Next, an electric circuit for driving the phase shifter 12 will be described. FIG. 5 is a diagram showing the configuration of an electric circuit for driving the phase shifter 12. As shown in FIG. For simplicity of explanation, FIG. 5 shows a case where the number of optical antenna elements 13 (the number of optical waveguides 10) is 16. In FIG. As shown in FIG. 5, the wirings are arranged in a 4×4 matrix and consist of four wirings M1 to M4 in the row direction and four wirings N1 to N4 in the column direction. Drivers D1 to D4 are connected to the four wirings M1 to M4 in the row direction, respectively. Switches S1 to S4 are connected to the four wirings N1 to N4 in the column direction, respectively. Resistances R are inserted at intersections of the wirings N1 to N4 in the column direction and the four wirings M1 to M4 in the row direction. There are 16 resistors R in total. This resistance R is the resistance of the thin film heater 121 of the phase shifter 12 .

ドライバＤ１～Ｄ４は、移相器１２の薄膜ヒータ１２１に印加する電圧を制御する装置であり、アナログ方式やＰＷＭ方式など制御方式は問わない。 The drivers D1 to D4 are devices for controlling the voltage applied to the thin film heater 121 of the phase shifter 12, and the control method such as analog method or PWM method does not matter.

スイッチＳ１～Ｓ４は、列方向の配線Ｎ１～Ｎ４の導通・遮断を制御する装置であり、たとえばＭＯＳＦＥＴである。スイッチＳ１～Ｓ４のオンオフのタイミングは、図６に示す通りである。図６のように、スイッチＳ１～Ｓ４のうち１つのスイッチのみがオンとなり、その間は他のスイッチはオフとなる。また、スイッチＳ１～Ｓ４は、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ１、・・・の順に繰り返し切り替えられる。たとえばスイッチＳ１がオンの場合、Ｍ１～Ｍ４の行の配線とＮ１の列との配線が導通し、その列の４つの抵抗Ｒに電流が流れる。したがって、移相器１２の１６個の薄膜ヒータ１２１は、時分割で４つずつ通電され加熱される。 The switches S1 to S4 are devices for controlling conduction/interruption of the wirings N1 to N4 in the column direction, and are MOSFETs, for example. The on/off timings of the switches S1 to S4 are as shown in FIG. As shown in FIG. 6, only one of the switches S1 to S4 is turned on, while the other switches are turned off. Further, the switches S1 to S4 are repeatedly switched in the order of S1, S2, S3, S4, S1, . For example, when the switch S1 is on, the wirings of the rows of M1 to M4 and the wiring of the column of N1 are conductive, and current flows through the four resistors R of the column. Therefore, the 16 thin film heaters 121 of the phase shifter 12 are energized and heated four by four in a time division manner.

ここで、各スイッチＳ１～Ｓ４のオンオフの周期Ｔは、薄膜ヒータ１２１の熱応答時間よりも短い時間とする。言い換えれば熱応答速度よりもスイッチング周波数を速くする。スイッチング周波数をこのように設定すれば、熱容量のローパスフィルタ効果で平滑化されるため、連続的に加熱するのと同等とすることができる。好ましいスイッチング周波数は、薄膜ヒータ１２１の熱応答速度の１０倍以上である。実施例１の場合、熱応答速度は１０ｋＨｚ程度であるため、スイッチング周波数を数百ｋＨｚとすれば十分である。 Here, the ON/OFF period T of each of the switches S1 to S4 is set to be shorter than the thermal response time of the thin film heater 121. FIG. In other words, the switching frequency is made faster than the thermal response speed. If the switching frequency is set in this manner, the heat capacity is smoothed by the low-pass filter effect, so it can be equivalent to continuous heating. A preferable switching frequency is ten times or more the thermal response speed of the thin film heater 121 . In the case of Example 1, since the thermal response speed is about 10 kHz, it is sufficient to set the switching frequency to several hundred kHz.

このように、実施例１の場合、移相器１２を駆動するための電気回路の配線数は行方向に４、列方向に４、合計で８であり、個別に移相器１２を駆動する場合の配線数１６に比べて削減できている。 As described above, in the case of the first embodiment, the number of wires of the electric circuit for driving the phase shifters 12 is 4 in the row direction and 4 in the column direction, 8 in total, and the phase shifters 12 are driven individually. The number of wires can be reduced compared to 16 in the case.

（位相モニタ１５駆動の電気回路の構成）
次に、位相モニタ１５を駆動するための電気回路について説明する。図７は、位相モニタ１５を駆動するための電気回路の構成を示した図である。説明の簡便のため、図７では光アンテナ素子１３の数（光導波路１０の数）が１６の場合について示している。図７のように、移相器１２を駆動するための電気回路の配線と同様の構成である。つまり、配線は４×４のマトリックス状になっており、行方向の４本の配線Ｍ１１～Ｍ１４と列方向の４本の配線Ｎ１１～Ｎ１４で構成されている。行方向の４本の配線Ｍ１１～Ｍ１４には、増幅器ＡＭ１～ＡＭ４がそれぞれ接続されている。列方向の４本の配線Ｎ１１～Ｎ１４にはスイッチＳ１１～Ｓ１４がそれぞれ接続されている。また、列方向の配線Ｎ１１～Ｎ１４と行方向の４本の配線Ｍ１１～Ｍ１４の交点には、それぞれ位相モニタ１５のＰＤ１５４が挿入されている。各行の４つのＰＤ１５４は、アノードが共通に接続されて増幅器ＡＭ１～ＡＭ４の１つに接続され、カソードはそれぞれスイッチＳ１１～Ｓ１４に接続されている。 (Configuration of electric circuit for driving phase monitor 15)
Next, an electric circuit for driving the phase monitor 15 will be described. FIG. 7 is a diagram showing the configuration of an electric circuit for driving the phase monitor 15. As shown in FIG. For simplicity of explanation, FIG. 7 shows a case where the number of optical antenna elements 13 (the number of optical waveguides 10) is 16. In FIG. As shown in FIG. 7, the configuration is similar to the wiring of the electric circuit for driving the phase shifter 12. FIG. That is, the wirings are arranged in a 4×4 matrix, and are composed of four wirings M11 to M14 in the row direction and four wirings N11 to N14 in the column direction. Amplifiers AM1 to AM4 are connected to the four wirings M11 to M14 in the row direction, respectively. Switches S11 to S14 are connected to the four wirings N11 to N14 in the column direction, respectively. PDs 154 of the phase monitor 15 are inserted at intersections of the wirings N11 to N14 in the column direction and the four wirings M11 to M14 in the row direction. The four PDs 154 in each row have their anodes connected in common to one of the amplifiers AM1-AM4, and their cathodes connected to switches S11-S14, respectively.

増幅器ＡＭ１～ＡＭ４は、光電流を増幅する装置である。ＰＤ１５４には、モニタ光導波路１５１からの光と基準光導波路１５３からの基準光を合波した光が入力され、光ヘテロダイン干渉によりモニタ光導波路１５１からの光と基準光導波路１５３からの基準光との位相差に応じた光電流が流れる。 Amplifiers AM1 to AM4 are devices for amplifying photocurrents. Light obtained by combining the light from the monitor optical waveguide 151 and the reference light from the reference light waveguide 153 is input to the PD 154, and the light from the monitor light waveguide 151 and the reference light from the reference light waveguide 153 are combined by optical heterodyne interference. A photocurrent flows according to the phase difference of

スイッチＳ１１～Ｓ１４は、列方向の配線Ｎ１１～Ｎ１４の導通・遮断を制御する装置であり、たとえばＭＯＳＦＥＴである。スイッチＳ１１～Ｓ１４にはなるべく容量の小さなものを用いることが好ましい。光ヘテロダイン干渉法では周波数特性が要求されるので、容量の小さなものを用いることでノイズの影響低減や周波数特性の悪化を抑制できる。 The switches S11 to S14 are devices for controlling conduction/interruption of the wirings N11 to N14 in the column direction, and are MOSFETs, for example. It is preferable to use switches S11 to S14 having as small a capacity as possible. Since the optical heterodyne interferometry method requires frequency characteristics, using a capacitor with a small capacitance can reduce the influence of noise and suppress the deterioration of frequency characteristics.

たとえば、スイッチＳ１１～Ｓ１４の容量は、次の要件を満たすように設定することが好ましい。スイッチＳ１１～Ｓ１４であるＭＯＳＦＥＴのゲートドレイン容量をＣＧＤ、ドレインソース容量をＣＤＳ、ＰＤ１５４の接合容量をＣＰＤ、増幅器ＡＭ１～ＡＭ４の利得帯域積をＧＢＷ、フィードバック抵抗をＲ、補償コンデンサの容量をＣ２として、次の式を満たすようにする。
Ｃ１＝Σ（ＣＧＤ^-1＋ＣＤＳ^-1＋ＣＰＤ^-1）^-1
Ｃ２≧（Ｃ１／（π・ＧＢＷ・Ｒ））^1/2
Ｃ１の式の和は、図７の回路の列ごとに和を取る意味である。上記のようにＣ１を設定すれば、回路の位相余裕が十分に大きくなり、回路の安定性を高くすることができる。 For example, the capacities of the switches S11-S14 are preferably set to satisfy the following requirements. Let CGD be the gate-drain capacitance of the MOSFETs that are the switches S11-S14, CDS be the drain-source capacitance, CPD be the junction capacitance of the PD154, GBW be the gain-bandwidth product of the amplifiers AM1-AM4, R be the feedback resistance, and C2 be the capacitance of the compensation capacitor. , so that it satisfies the following equation:
C1=Σ(CGD ^-1 +CDS ^-1 +CPD ^-1 ) ^-1
C2≧(C1/(π・GBW・R)) ^1/2
The sum of the expression of C1 means that the sum is taken for each column of the circuit in FIG. By setting C1 as described above, the phase margin of the circuit becomes sufficiently large, and the stability of the circuit can be improved.

スイッチＳ１～Ｓ４のオンオフのタイミングは、図６に示すように移相器１２の場合と同様である。すなわち、スイッチＳ１～Ｓ４のうち１つのスイッチのみがオンとなり、その間は他のスイッチはオフとなる。また、スイッチＳ１～Ｓ４は、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ１、・・・の順に繰り返し切り替えられる。したがって、位相モニタ１５の１６個のＰＤ１５４の光電流は、列ごとに時分割で４つずつ増幅器ＡＭ１～ＡＭ４から読み出される。 The on/off timings of the switches S1 to S4 are the same as in the case of the phase shifter 12 as shown in FIG. That is, only one of the switches S1 to S4 is turned on, while the other switches are turned off. Further, the switches S1 to S4 are repeatedly switched in the order of S1, S2, S3, S4, S1, . Therefore, the photocurrents of the 16 PDs 154 of the phase monitor 15 are read out four by four from the amplifiers AM1 to AM4 for each column in a time division manner.

なお、スイッチＳ１～Ｓ４のオンオフの周期Ｔは、移相器１２の場合と同様に設定する必要はなく、移相器１２の位相量にばらつきが生じないようにフィードバック制御できる範囲であれば任意に設定してよい。 The on/off cycle T of the switches S1 to S4 does not need to be set in the same manner as in the case of the phase shifter 12, and can be set arbitrarily within a range in which feedback control can be performed so that the phase amount of the phase shifter 12 does not fluctuate. can be set to

このように、実施例１の場合、位相モニタ１５を駆動するための電気回路の配線数は行方向に４、列方向に４、合計で８であり、個別に位相モニタ１５を駆動する場合の配線数１６に比べて削減できている。 As described above, in the case of the first embodiment, the number of wires of the electric circuit for driving the phase monitor 15 is 4 in the row direction and 4 in the column direction, that is, 8 in total. The number of wirings can be reduced compared to 16 wirings.

以上、実施例１の光フェーズドアレイアンテナによれば、移相器１２や位相モニタ１５を駆動するための電気回路の配線数を大幅に削減することができる。たとえば、光アンテナ素子１３の数が１０２４の場合、従来の電気回路では光アンテナ素子１３の数と同数の１０２４の配線数が必要であったが、実施例１によれば配線数は１０２４の平方根の２倍である６４で済み、配線数を大幅に削減することができる。その結果、光フェーズドアレイアンテナの面積の増大を図ることが可能となる。 As described above, according to the optical phased array antenna of the first embodiment, the number of wires in the electric circuit for driving the phase shifter 12 and the phase monitor 15 can be greatly reduced. For example, when the number of optical antenna elements 13 is 1024, the conventional electric circuit requires 1024 wires, which is the same number as the number of optical antenna elements 13. However, according to the first embodiment, the number of wires is the square root of 1024. , which is twice as large as 64, and the number of wirings can be greatly reduced. As a result, it is possible to increase the area of the optical phased array antenna.

図１０は、実施例２のスイッチ式光アンテナアレイの構成を示した図である。図１０のように、実施例２のスイッチ式光アンテナアレイは、スイッチ式光アンテナ２０がマトリックス状に配列された構成である。各スイッチ式光アンテナ２０は指向性が異なっており、スイッチにより光を放射するスイッチ式光アンテナ２０を選択することで、放射方向の走査が可能となっている。また、各スイッチ式光アンテナ２０の上方には、マイクロレンズ（図示しない）が設けられ、マイクロレンズアレイを構成している。マイクロレンズアレイは、各スイッチ式光アンテナ２０からの放射光をコリメートして隙間を埋めるために設けている。また、マイクロレンズアレイ上にはレンズ（図示しない）が設けられ、指向性をより鋭くしている。 FIG. 10 is a diagram showing the configuration of the switched optical antenna array of the second embodiment. As shown in FIG. 10, the switch type optical antenna array of Example 2 has a configuration in which switch type optical antennas 20 are arranged in a matrix. Each switch-type optical antenna 20 has a different directivity, and by selecting the switch-type optical antenna 20 that emits light with a switch, it is possible to scan in the radiation direction. A microlens (not shown) is provided above each switch-type optical antenna 20 to form a microlens array. The microlens array is provided to collimate the radiated light from each switch-type optical antenna 20 and fill the gap. A lens (not shown) is provided on the microlens array to sharpen the directivity.

スイッチ式光アンテナ２０は、図１０のように、光導波路２１と、リング共振器２２と、光アンテナ素子２３と、方向性結合器２４、２５と、薄膜ヒータ２６と、によって構成されていて、これらは光集積回路として構成されている。 As shown in FIG. 10, the switched optical antenna 20 comprises an optical waveguide 21, a ring resonator 22, an optical antenna element 23, directional couplers 24 and 25, and a thin film heater 26. These are configured as optical integrated circuits.

光導波路２１は、方向性結合器２４を介してリング共振器２２と結合されている。リング共振器２２は、コアがリング状のパターンの光導波路であり、その線路長とコアの屈折率によって共振波長が設定される。 Optical waveguide 21 is coupled to ring resonator 22 via directional coupler 24 . The ring resonator 22 is an optical waveguide whose core has a ring-shaped pattern, and the resonance wavelength is set by the line length and the refractive index of the core.

光アンテナ素子２３は、リング共振器２２のリングのパターン内に配置されており、方向性結合器２５を介してリング共振器２２と結合されている。また、光アンテナ素子２３は回折格子であり、光の放射方向は回折格子の格子周期などによって制御可能である。 The optical antenna element 23 is arranged in the ring pattern of the ring resonator 22 and coupled to the ring resonator 22 via the directional coupler 25 . Also, the optical antenna element 23 is a diffraction grating, and the radiation direction of light can be controlled by the grating period of the diffraction grating.

薄膜ヒータ２６は、リング共振器２２上に設けられている。薄膜ヒータ２６上には２つの電極が設けられ、電極間に電圧を印加することで薄膜ヒータ２６を抵抗加熱により発熱させる。これより、リング共振器２２を加熱し、屈折率を変化させることが可能となっている。なお、薄膜ヒータ２６に替えて、図８のようなｐｎ接合によりリング共振器２２のコアに電流を流して加熱する直接抵抗加熱方式のヒータを用いてもよい。 A thin film heater 26 is provided on the ring resonator 22 . Two electrodes are provided on the thin film heater 26, and the thin film heater 26 is caused to generate heat by resistance heating by applying a voltage between the electrodes. This makes it possible to heat the ring resonator 22 and change the refractive index. Instead of the thin-film heater 26, a heater of a direct resistance heating system, which heats the core of the ring resonator 22 by applying a current through a pn junction as shown in FIG. 8, may be used.

リング共振器２２および薄膜ヒータ２６は、光導波路２１から光アンテナ素子２３への光の伝搬をオンオフするスイッチとして動作する。薄膜ヒータ２６による加熱を行わない状態では、光導波路２１を伝搬する光の波長とリング共振器２２の共振波長が異なるようにし、これにより光導波路２１から光アンテナ素子２３に光が伝搬しないようにする。一方、薄薄膜ヒータ２６によるリング共振器２２の加熱を行い、リング共振器の屈折率を変化させてリング共振器の共振波長を変化させ、光導波路２１を伝搬する光の波長とリング共振器２２の共振波長を一致させると、光導波路２１を伝搬する光はリング共振器２２を介して光アンテナ素子２３へと伝搬する。このように、リング共振器２２と薄膜ヒータ２６によって光スイッチとして動作させる。 The ring resonator 22 and the thin film heater 26 operate as switches that turn on and off the propagation of light from the optical waveguide 21 to the optical antenna element 23 . The wavelength of the light propagating through the optical waveguide 21 and the resonant wavelength of the ring resonator 22 are set to be different when the thin film heater 26 is not heating, so that the light does not propagate from the optical waveguide 21 to the optical antenna element 23. do. On the other hand, the thin-film heater 26 heats the ring resonator 22 to change the refractive index of the ring resonator to change the resonance wavelength of the ring resonator. are matched, the light propagating through the optical waveguide 21 propagates to the optical antenna element 23 via the ring resonator 22 . Thus, the ring resonator 22 and the thin film heater 26 are operated as an optical switch.

次に、薄膜ヒータ２６を駆動するための電気回路の構成を説明する。薄膜ヒータ２６を駆動するための電気回路の構成は、実施例１の移相器１２を駆動するための電気回路と同様である。つまり、配線は４×４のマトリックス状になっており、行方向の４本の配線Ｍ１～Ｍ４と列方向の４本の配線Ｎ１～Ｎ４で構成されている。行方向の４本の配線Ｍ１～Ｍ４には、ドライバＤ１～Ｄ４がそれぞれ接続されている。列方向の４本の配線Ｎ１～Ｎ４にはスイッチＳ１～Ｓ４がそれぞれ接続されている。また、列方向の配線Ｎ１～Ｎ４と行方向の４本の配線Ｍ１～Ｍ４の交点には、それぞれ抵抗Ｒが挿入されている。抵抗Ｒは計１６個である。この抵抗Ｒは、薄膜ヒータ２６の抵抗である。 Next, the configuration of an electric circuit for driving the thin film heater 26 will be described. The configuration of the electric circuit for driving the thin film heater 26 is the same as the electric circuit for driving the phase shifter 12 of the first embodiment. That is, the wirings are arranged in a 4×4 matrix, and are composed of four wirings M1 to M4 in the row direction and four wirings N1 to N4 in the column direction. Drivers D1 to D4 are connected to the four wirings M1 to M4 in the row direction, respectively. Switches S1 to S4 are connected to the four wirings N1 to N4 in the column direction, respectively. Resistances R are inserted at intersections of the wirings N1 to N4 in the column direction and the four wirings M1 to M4 in the row direction. There are 16 resistors R in total. This resistance R is the resistance of the thin film heater 26 .

オンにする光スイッチは、次のようにして選択する。行方向については、各ドライバＤ１～Ｄにより薄膜ヒータ２６に電圧を印加する行（配線Ｍ１～Ｍ４のいずれか）を選択することで行う。ここで印加電圧は、リング共振器２２と薄膜ヒータ２６で構成される光スイッチがオンとなるような電圧値とする。列方向については、スイッチＳ１～Ｓ４によって列（配線Ｎ１～Ｎ４のいずれか）を選択することにより行う。このようにして行方向、列方向を選択することで、マトリクス状に配列された光スイッチのいずれかを選択的にオンにすることができる。 The optical switches to be turned on are selected as follows. The row direction is selected by selecting a row (one of the wirings M1 to M4) to apply a voltage to the thin film heater 26 by each of the drivers D1 to D. FIG. Here, the applied voltage is such that the optical switch composed of the ring resonator 22 and the thin film heater 26 is turned on. In the column direction, the column (one of the wirings N1 to N4) is selected by switches S1 to S4. By selecting the row direction and the column direction in this manner, any one of the optical switches arranged in a matrix can be selectively turned on.

ここで、各スイッチＳ１～Ｓ４のオンオフの周期Ｔは、実施例１の移相器１２の場合と同様とする。つまり、薄膜ヒータ２６の熱応答時間よりも短い時間とする。言い換えれば薄膜ヒータ２６の熱応答速度よりもスイッチング周波数を速くする。スイッチング周波数をこのように設定すれば、熱容量のローパスフィルタ効果で平滑化されるため、連続的に加熱するのと同等とすることができる。好ましいスイッチング周波数は、薄膜ヒータ２６の熱応答速度の１０倍以上である。実施例１の場合、薄膜ヒータ２６の熱応答速度は１０ｋＨｚ程度であるため、スイッチング周波数を数百ｋＨｚとすれば十分である。 Here, the on/off cycle T of each of the switches S1 to S4 is the same as in the case of the phase shifter 12 of the first embodiment. That is, the time is shorter than the thermal response time of the thin film heater 26 . In other words, the switching frequency is made faster than the thermal response speed of the thin film heater 26 . If the switching frequency is set in this manner, the heat capacity is smoothed by the low-pass filter effect, so it can be equivalent to continuous heating. A preferred switching frequency is ten times or more the thermal response speed of the thin film heater 26 . In the case of Example 1, since the thermal response speed of the thin film heater 26 is about 10 kHz, it is sufficient to set the switching frequency to several hundred kHz.

以上、実施例２のスイッチ式光アンテナアレイによれば、光スイッチの薄膜ヒータ２６を駆動するための電気回路の配線数を大幅に削減することができる。 As described above, according to the switch-type optical antenna array of the second embodiment, the number of wires in the electric circuit for driving the thin film heater 26 of the optical switch can be greatly reduced.

実施例３のスイッチ式光アンテナアレイは、実施例２におけるスイッチ式光アンテナ２０を、以下に説明するスイッチ式光アンテナ３０に置き換えたものである。 The switch-type optical antenna array of Example 3 is obtained by replacing the switch-type optical antenna 20 in Example 2 with a switch-type optical antenna 30 described below.

図１１は、スイッチ式光アンテナ３０の構成を示した図である。スイッチ式光アンテナ３０は、図１１に示すように、送信光アンテナ３１と、受信光アンテナ３２と、光カプラ３３と、方向性結合器３４と、２つのＰＤ３５と、光スイッチ３６とを有している。光カプラ３３、方向性結合器３４、２つのＰＤ３５によって光ヘテロダイン検波器を構成している。 FIG. 11 is a diagram showing the configuration of the switch-type optical antenna 30. As shown in FIG. The switched optical antenna 30 has a transmitting optical antenna 31, a receiving optical antenna 32, an optical coupler 33, a directional coupler 34, two PDs 35, and an optical switch 36, as shown in FIG. ing. The optical coupler 33, directional coupler 34, and two PDs 35 constitute an optical heterodyne detector.

送信光アンテナ３１および受信光アンテナ３２は、回折格子である。送信光アンテナ３１は、光スイッチ３６を介して光導波路２１と接続されている。光スイッチ３６は、実施例２のようにリング共振器２２と薄膜ヒータ２６で構成される。送信光アンテナ３１への光の一部は光カプラ３３によって参照光として分岐され、受信光アンテナ３２からの光と参照光とが方向性結合器３４に入力される。方向性結合器３４に入力された受信光アンテナ３２からの光と参照光は合波され、互いに位相が１８０°異なる２つの合波光が出力される。それら２つの合波光は、バランス型光検出器３７を構成する２つのＰＤ３５にそれぞれ入力され、光ヘテロダイン検波される。バランス型光検出器３７は、２つのＰＤ３５が直列に接続された構造である。 The transmitting optical antenna 31 and the receiving optical antenna 32 are diffraction gratings. The transmission optical antenna 31 is connected to the optical waveguide 21 via the optical switch 36 . The optical switch 36 is composed of the ring resonator 22 and the thin film heater 26 as in the second embodiment. Part of the light to the transmitting optical antenna 31 is branched by the optical coupler 33 as reference light, and the light from the receiving optical antenna 32 and the reference light are input to the directional coupler 34 . The light from the receiving optical antenna 32 and the reference light that are input to the directional coupler 34 are multiplexed, and two combined lights that are 180 degrees out of phase with each other are output. These two combined lights are respectively input to two PDs 35 constituting a balanced photodetector 37 and subjected to optical heterodyne detection. The balanced photodetector 37 has a structure in which two PDs 35 are connected in series.

スイッチ式光アンテナ３０では、送信光アンテナ３１と受信光アンテナ３２とを近接して配置しているため、擬似的に同軸系とみなすことができ、実施例３のスイッチ式光アンテナアレイをＬｉＤＡＲなどに応用した場合に測定精度向上を図ることができる。また、実施例３では光検出器としてバランス型を用いており、これにより直流成分をキャンセルして交流成分のみを取り出すことができ、測定精度の向上を図ることができる。 In the switch-type optical antenna 30, since the transmission optical antenna 31 and the reception optical antenna 32 are arranged close to each other, it can be regarded as a pseudo-coaxial system, and the switch-type optical antenna array of the third embodiment can be used for applications such as LiDAR. It is possible to improve the measurement accuracy when applied to Further, in the third embodiment, a balance type photodetector is used, which can cancel the DC component and extract only the AC component, thereby improving the measurement accuracy.

次に、バランス型光検出器３７を駆動するための電気回路の構成を説明する。図１２は、バランス型光検出器３７を駆動するための電気回路の構成を示した図である。図１２のように、配線がマトリクス状になっており、複数の行方向の配線Ｍと、複数の列方向の配線Ｎで構成されている。列方向の各配線Ｎには、バランス型光検出器３７が並列に挿入されており、両端にそれぞれスイッチＳ３０、Ｓ３１が設けられている。また、行方向の配線Ｍは、各バランス型光検出器３７の２つのＰＤ３５が接続する点と共通に接続されており、また各配線ＭはトランスインピーダンスアンプＴＩＡに接続されている。 Next, the configuration of an electric circuit for driving the balanced photodetector 37 will be described. FIG. 12 is a diagram showing the configuration of an electric circuit for driving the balanced photodetector 37. As shown in FIG. As shown in FIG. 12, the wirings are arranged in a matrix and are composed of a plurality of wirings M in the row direction and a plurality of wirings N in the column direction. A balanced photodetector 37 is inserted in parallel to each line N in the column direction, and switches S30 and S31 are provided at both ends thereof. Also, the wiring M in the row direction is connected in common with the point where the two PDs 35 of each balanced photodetector 37 are connected, and each wiring M is connected to the transimpedance amplifier TIA.

スイッチＳ３０、Ｓ３１は、列方向の配線Ｎの導通・遮断を制御する装置であり、たとえばＭＯＳＦＥＴである。スイッチＳ３０、Ｓ３１にはなるべく容量の小さなものを用いることが好ましい。光ヘテロダイン検波では周波数特性が要求されるので、容量の小さなものを用いることでノイズの影響低減や周波数特性の悪化を抑制できる。 The switches S30 and S31 are devices for controlling conduction/interruption of the wiring N in the column direction, and are MOSFETs, for example. It is preferable to use the switches S30 and S31 having as small a capacity as possible. Since optical heterodyne detection requires frequency characteristics, using a capacitor with a small capacitance can reduce the influence of noise and suppress the deterioration of frequency characteristics.

たとえば、スイッチＳ３０、３１の容量は、次の要件を満たすように設定することが好ましい。スイッチＳ３０であるＭＯＳＦＥＴのゲートドレイン容量をＣＧＤｕ、ドレインソース容量をＣＤＳｕ、２つのＰＤ３５のうちスイッチＳ３０側の接合容量をＣＰＤｕ、スイッチＳ３１であるＭＯＳＦＥＴのゲートドレイン容量をＣＧＤｌ、ドレインソース容量をＣＤＳｌ、２つのＰＤ３５のうちスイッチＳ３１側の接合容量をＣＰＤｌ、トランスインピーダンスアンプＴＩＡの利得帯域積をＧＢＷ、フィードバック抵抗をＲ、補償コンデンサの容量をＣ２として、次の式を満たすようにする。
Ｃ１ｕ＝Σ（ＣＧＤｕ^-1＋ＣＤＳｕ^-1＋ＣＰＤｕ^-1）^-1
Ｃ１ｌ＝Σ（ＣＧＤｌ^-1＋ＣＤＳｌ^-1＋ＣＰＤｌ^-1）^-1
Ｃ１＝（Ｃ１ｕ^-1＋Ｃ１ｌ^-1）^-1
Ｃ２≧（Ｃ１／（π・ＧＢＷ・Ｒ））^1/2
Ｃ１ｕ、Ｃ１ｌの式の和は、図１２の回路の列ごとに和を取る意味である。上記のようにＣ１を設定すれば、回路の位相余裕が十分に大きくなり、回路の安定性を高くすることができる。 For example, the capacities of switches S30 and S31 are preferably set to satisfy the following requirements. CGDu is the gate-drain capacitance of the MOSFET that is the switch S30, CDSu is the drain-source capacitance, CPDu is the junction capacitance on the switch S30 side of the two PDs 35, CGDl is the gate-drain capacitance of the MOSFET that is the switch S31, CDSl is the drain-source capacitance, Let CPDl be the junction capacitance on the switch S31 side of the two PDs 35, GBW be the gain band product of the transimpedance amplifier TIA, R be the feedback resistance, and C2 be the capacitance of the compensation capacitor, and the following equation should be satisfied.
C1u=Σ(CGDu ⁻¹ +CDSu ⁻¹ +CPDu ⁻¹ ) ⁻¹
C1l=Σ(CGDl- ¹ +CDSl ^-1 +CPDl ^-1 ) ^-1
C1=(C1u ^-1 +C1l ^-1 ) ^-1
C2≧(C1/(π・GBW・R)) ^1/2
The sum of the expressions C1u and C1l means that the sum is taken for each column of the circuit in FIG. By setting C1 as described above, the phase margin of the circuit becomes sufficiently large, and the stability of the circuit can be improved.

なお、実施例３では、列方向の配線ＮにおいてスイッチＳ３０、Ｓ３１をバランス型光検出器３７の両端に設けているが、片側だけでもよい。ただし、両側に設けるとＤＣ成分を抑制することができて好ましい。 In the third embodiment, the switches S30 and S31 are provided on both ends of the balanced photodetector 37 in the wiring N in the column direction, but they may be provided on only one side. However, it is preferable to provide them on both sides because the DC component can be suppressed.

バランス型光検出器３７を駆動するための電気回路では、スイッチＳ３０、Ｓ３１のオンオフによって列方向の各配線Ｎが順番に導通される。そして、その列にある各バランス型光検出器３７からの信号が、行方向の各配線Ｍから読み出される。つまり、バランス型光検出器３７からの信号は、列ごとに時分割で読み出される。 In the electric circuit for driving the balanced photodetector 37, the wirings N in the column direction are sequentially conducted by turning on/off the switches S30 and S31. A signal from each balanced photodetector 37 in that column is read out from each wiring M in the row direction. In other words, the signal from the balanced photodetector 37 is read out column by column in a time-division manner.

以上、実施例３のスイッチ式光アンテナアレイによれば、光ヘテロダイン検波を行うための電気回路の配線数を、光ヘテロダイン検波の周波数特性を損なうことなく、大幅に削減することができる。 As described above, according to the switched optical antenna array of the third embodiment, the number of wires in the electric circuit for performing optical heterodyne detection can be greatly reduced without impairing the frequency characteristics of optical heterodyne detection.

（各種変形例）
実施例１は移相器１２および位相モニタ１５を駆動するための電気回路、実施例２はスイッチ式光アンテナアレイの光スイッチを駆動するための電気回路、実施例３はスイッチ式光アンテナアレイの光ヘテロダイン検波を動作させるための電気回路について配線数を削減するものであったが、本発明はこれに限らず、各光アンテナ素子に対してそれぞれ作用し、電気的に駆動される駆動部を駆動するための電気回路であれば適用できる。 (Various modifications)
Example 1 is an electric circuit for driving the phase shifter 12 and the phase monitor 15, Example 2 is an electric circuit for driving the optical switches of the switched optical antenna array, and Example 3 is for the switched optical antenna array. Although the number of wires in the electric circuit for operating the optical heterodyne detection has been reduced, the present invention is not limited to this. Any electric circuit for driving can be applied.

また、実施例ではアンテナ素子数をＮ×Ｎ個とし、電気回路の配線をＮ×Ｎのマトリクス状とする場合を例示したが、本発明はこれに限らない。一般に、アンテナ素子数がｎ個である場合、ｎ≦Ｍ×Ｎ（ただしＭは１以上の自然数、Ｎは２以上の自然数）となるようなＭ、Ｎを選び、Ｍ×Ｎのマトリクス状の配線とし、Ｎ個の列ごとに複数の素子を電気的に駆動するように設定すればよい。 Further, in the embodiment, the number of antenna elements is N×N, and the wiring of the electric circuit is arranged in an N×N matrix, but the present invention is not limited to this. In general, when the number of antenna elements is n, select M and N such that n≦M×N (where M is a natural number of 1 or more and N is a natural number of 2 or more), and form an M×N matrix. A wiring may be used, and a plurality of elements may be electrically driven for every N columns.

本発明は、光アンテナ素子の数が多い場合に有効であり、特に光アンテナ素子の数が１０００以上の場合に効果的である。 The present invention is effective when the number of optical antenna elements is large, and is particularly effective when the number of optical antenna elements is 1000 or more.

本発明の光アンテナは、ＬｉＤＡＲなどに適用することができる。 The optical antenna of the present invention can be applied to LiDAR and the like.

１０：光導波路
１１：分配器
１２：移相器
１３：光アンテナ素子
１４：終端器
１５：モニタＰＤ
２０、３０：スイッチ式光アンテナ
２１：光導波路
２２：リング共振器
２３：光アンテナ素子
２４、２５：方向性結合器
２６：薄膜ヒータ
３１：送信光アンテナ
３２：受信光アンテナ
３３：光カプラ
３４：方向性結合器
３５：ＰＤ
３６：光スイッチ
３７：バランス型光検出器
Ｓ１～Ｓ４、Ｓ１１～Ｓ１４：スイッチ
Ｍ１～Ｍ４、Ｎ１～Ｎ４、Ｍ１１～Ｍ１４、Ｎ１１～Ｎ１４：配線 10: Optical waveguide 11: Distributor 12: Phase shifter 13: Optical antenna element 14: Terminator 15: Monitor PD
20, 30: Switched optical antenna 21: Optical waveguide 22: Ring resonator 23: Optical antenna element 24, 25: Directional coupler 26: Thin film heater 31: Transmitting optical antenna 32: Receiving optical antenna 33: Optical coupler 34: Directional coupler 35: PD
36: Optical switch 37: Balanced photodetector S1-S4, S11-S14: Switch M1-M4, N1-N4, M11-M14, N11-N14: Wiring

Claims

n (n is a natural number equal to or greater than 2) optical antenna elements; n driving units that act on the respective optical antenna elements and are electrically driven; and an electric circuit that drives the driving units. , an optical antenna having
The electric circuit includes wiring in a matrix of M rows×N columns (where n≤M×N, where M is a natural number of 1 or more and N is a natural number of 2 or more), and a switch for conducting one of the columns. has
one end of the driving unit is connected to the wiring in the row direction and the other end is connected to the wiring in the column direction, and the driving unit is driven in a time-sharing manner for each column;
The driving unit is a phase shifter, the optical antenna is an optical phased array antenna having the phase shifter that changes the phase of light input to each optical antenna element,
The phase shifter is a phase shifter that has a heater and controls the phase shift amount by changing the refractive index with the heat of the heater,
a switching frequency of the switch is faster than a thermal response speed of the heater;
An optical antenna characterized by:

n (n is a natural number equal to or greater than 2) optical antenna elements; n driving units that act on the respective optical antenna elements and are electrically driven; and an electric circuit that drives the driving units. , an optical antenna having
The electric circuit includes wiring in a matrix of M rows×N columns (where n≤M×N, where M is a natural number of 1 or more and N is a natural number of 2 or more), and a switch for conducting one of the columns. has
one end of the driving unit is connected to the wiring in the row direction and the other end is connected to the wiring in the column direction, and the driving unit is driven in a time-sharing manner for each column;
The driving unit is a phase monitor, the optical antenna has a phase shifter that changes the phase of the light input to each of the optical antenna elements, and the phase monitor monitors the phase amount by the phase shifter. is a phased array antenna,
The phase monitor is a phase monitor that has a photodiode and detects a phase amount by an optical heterodyne interferometry using the photodiode.
An optical antenna characterized by:

The phase monitor divides the post-stage of the optical antenna into two, and has an optical coupler that multiplexes the light from the optical antennas adjacent after that, and inputs the light from the optical coupler to the photodiode. 3. The optical antenna according to claim 2, which detects a phase difference of light between adjacent optical antennas.

n (n is a natural number equal to or greater than 2) optical antenna elements; n driving units that act on the respective optical antenna elements and are electrically driven; and an electric circuit that drives the driving units. , an optical antenna having
The electric circuit includes wiring in a matrix of M rows×N columns (where n≤M×N, where M is a natural number of 1 or more and N is a natural number of 2 or more), and a switch for conducting one of the columns. has
one end of the driving unit is connected to the wiring in the row direction and the other end is connected to the wiring in the column direction, and the driving unit is driven in a time-sharing manner for each column;
The optical antenna element has a transmitting optical antenna element and a receiving optical antenna element, and the optical antenna is a switch-type optical antenna array that switches input of light to each of the transmitting optical antenna elements by an optical switch,
The drive unit is an optical heterodyne detector that multiplexes part of the light to the transmission optical antenna element and the light from the reception optical antenna element and performs optical heterodyne detection.
An optical antenna characterized by:

The optical heterodyne detector is
a balanced photodetector in which two photodiodes are connected in series;
a directional coupler for dividing a part of the light to the transmission optical antenna element and the combined light of the light from the reception optical antenna element into two with a phase difference of 180°, and inputting them to the two photodiodes respectively;
5. The optical antenna according to claim 4, comprising: