CN110678793B - 光接收器阵列和光学雷达装置 - Google Patents

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Abstract

本发明光接收器阵列由以阵列形式排列的多个含光子晶体慢光波导(12)的接收器构成，本发明光学雷达装置由直线排列的光接收器阵列(10)和发射器(21)构成。所述光接收器阵列(10)的多个接收器(11a～11d)的排列关系为(a)由排成阵列的多个含光子晶体慢光波导(12)的接收器所形成的阵列状元件，而且该阵列排列形式由如下两者定义：(b)定义了构成所述光接收器阵列的多个接收器间位置关系的排列形式；以及(c)定义了每一接收器方向的朝向。当相邻接收器波导末端所接收的接收光之间的相位差对应于一个波长时，排列间距p，接收光波长λ以及入射角Δθr之间满足关系p＝λ/sinΔθr。入射角Δθr等于辐射光外扩角度Δθt的这一构造为合适构造。

Description

光接收器阵列和光学雷达装置
技术领域
本发明涉及一种光接收器阵列以及含该光接收器阵列的光学雷达(LiDAR)装置。
背景技术
通过激光测量以二维图像形式获取周围物体距离的激光雷达(也称光学雷达(LiDAR)、光学检测和测距装置、激光成像检测和测距装置)技术领域用于车辆自动驾驶、三维地图制图等用途，而且其基础技术可应用于激光打印机、激光显示器等物。
在该技术领域中，先令光束冲撞物体，然后检测经物体反射后返回的反射光。随后，根据光束的时间差和频率差，获得距离信息，并通过对光束进行二维扫描而获取三维信息。
光束扫描中使用光偏转装置。传统上，此类装置采用机械机构，例如整个装置的旋转、多面镜和振镜等机械式反射镜以及采用微机械技术(MEMS技术)的小型集成反射镜。然而，由于尺寸大、价格高以及振动移动体稳定性差的问题，最近已开发出非机械式光偏转装置。
已提出的非机械式光偏转装置有通过改变光的波长和装置折射率而实现光偏转的相控阵型和衍射光栅型装置。然而，相控阵型光偏转装置存在排成阵列的多个光辐射体难以进行相位调整且无法形成轮廓清晰的高质量光束的问题。与此同时，衍射光栅型光偏转装置存在虽易于形成轮廓清晰的光束但光偏转角度较小的问题。
对于光偏转角度较小的问题，本发明的发明人提出一种通过将慢光波导与衍射光栅等衍射机构耦合而增大光偏转角度的技术(专利文献1)。其中，慢光由光子晶体波导等光子纳米结构生成，群速度较低，而且传播常数在波导波长和折射率发生轻微改变时便会大幅变化。当所述衍射机构设于慢光波导内部或距其极近之处时，便可将该慢光波导与所述衍射机构耦合形成泄漏波导，以向自由空间发出光线。如此，所述传播常数的大幅变化便可反映辐射光的偏转角度，从而实现大的偏转角度。
图10A至图10D所示为设于以低的群速度(慢光)传播光的光子晶体波导内的衍射机构的装置结构以及辐射光的简要概念。光偏转装置101包括光子晶体波导102，该光子晶体波导具有通过在光子晶体平面内沿波导重复设置两种不同直径的圆孔而形成的双周期结构。该双周期结构构成上述衍射机构，并用于将慢速传播光转换至辐射状态并将其发射于空间中。
光偏转装置101通过光栅阵列103形成光子晶体波导102，在该光子晶体波导中，设于SiO2等低折射率材料制成的包层108上的高折射率构件105中排列有圆孔(低折射率部分)106。低折射率部分106的光栅阵列103例如具有由重复的大直径圆孔构成的周期结构和重复的小直径圆孔构成的周期结构组成的双周期结构。在光子晶体波导102的光栅阵列103中，未设有圆孔106的部分构成用于传播入射光的波导芯107。
高质量光束沿垂直方向形成于辐射光之上，而辐射光沿水平方向扩展并发射。其中，垂直方向为沿波导芯的方向，而且为在光子晶体波导102内传播的传播光的波导传播方向。水平方向为与沿波导芯107的方向正交的方向，而且为与所述传播光的波导传播方向正交的方向。
图10B和图10C为所述辐射光的光束强度分布图，其中，图10B为垂直方向上光束强度分布图，图10C为水平方向上光束强度角度分布图。
在图10B中，传播光在沿波导芯前进的过程中逐渐泄漏，并变成垂直方向光束强度分布实现对齐的轮廓清晰的辐射光。在图10C中，辐射光在水平方向上的光束强度角度分布实现广角分布。
在辐射光的水平方向角度分布中，当所述复合光束强度分布形状中存在多个水平方向上外扩峰和光束强度外扩峰时，水平方向上的每一波导分布均将成为降低辐射光向平行光束转化时的转化效率的因素。
图10D所示为一种用于抑制辐射光在水平方向上外扩的构造。在该构造中，光偏转装置101的上方设置柱面透镜104等准直透镜，以将来自波导芯的辐射光转化为平行光束，从而实现对辐射光在水平方向上外扩的抑制。
该光偏转装置通过改变入射光的波长并利用加热改变光子晶体波导102的折射率，使得辐射光沿垂直方向偏振，从而形成在垂直和水平两方向上均准直的光束。
相应的光学雷达装置通过两个光偏转装置实现发射和接收。其中，用于发射的光偏转装置用作发射器，用于接收的光偏转装置用作接收器。发射器发出的辐射光与待测物体(对象)冲撞，而接收器对因被该物体反射而从该物体返回的反射光进行检测。所述光学雷达装置生成线性调频光信号后，将其分为参考光和信号光，然后以用于发射的光偏转装置发出所述信号光，并以用于接收的光偏转装置接收因与所述物体冲撞而生成并来回反射的反射光。在检测光与参考光混合后，便可从所得的差拍信号中获得距所述对象的距离。
在一种已知技术中，通过例如在雷达装置中发射和接收雷达波，对与目标的距离及相对速度进行检测(专利文献2)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：申请号为2016-10844的日本专利申请
专利文献2：公开号为WO2013/088938的国际专利申请
发明内容
发明解决的技术问题
当以采用如图10所示的光子晶体慢光波导的光偏转装置(即偏光器，下称“光偏转装置”)组成激光雷达(即光学雷达(LiDAR)、光学检测和测距装置、激光成像检测和测距装置，下称“光学雷达装置”)时，该光偏转装置不仅用作发射光束的发射器121，而且还可用作接收因物体(未图示)对辐射光束的冲撞、反射、散射及返回而形成的反射光的接收器111。根据这一构造，当接收器111所接收的反射光的入射角与发射器121所发射的辐射光的辐射角一致时，可以实现反射光的有效接收。
通常情况下，发射器需要以较小的外扩角度Δθt和高度的定向性向空间发射光束。当发射器的开口长度(光线发射部分的尺寸)与发射光波长λ相比足够大时，可以实现抑制衍射并生成轮廓清晰的光束的效果。例如，对于发射器的开口长度为3mm且发射光波长λ＝1.55μm的构造，光束外扩角度Δθt的计算值约为0.03°。当以具有这一外扩角度Δθt的光束扫描30°的角度范围时，可获得30°/0.03°＝1000个分辨率点。这一分辨率点数足以满足光学雷达装置所用光偏转装置的性能要求。
接收器不但需要具有与发射器类似的高度定向性，而且需要使接收信号最大化。
图1所示为使用光偏转装置(即偏光器，下称“光偏转装置”)的激光雷达(即光学雷达(LiDAR)、光学检测和测距装置、激光成像检测和测距装置，下称“光学雷达装置”)的一种例示构造。
图1所示构造为采用慢光波导光偏转装置时的一种可期发射器/接收器构造。其中，发射器121用作发射光偏转装置，接收器111用作接收光偏转装置。发射器121与接收器111直线对准，而且光偏转装置的上方位置设有柱面透镜104等准直透镜。在这一构造中，所述光偏转装置不仅用作发射光束的发射器121，而且还用作接收因物体(未图示)对辐射光束的冲撞、反射、散射及返回而形成的反射光的接收器111。
在上述构造中，供发射器121发射的慢光波导122的长度Lt设置值例如为3mm，以在波导传播方向(下称垂直方向)上形成轮廓清晰的光束。在与该波导传播方向(下称水平方向)正交的方向上，慢光波导122发出的供发射的光在外扩后由准直透镜(柱面透镜104)准直。该构造向空间发射近似圆形的点状光束。当供接收器111接收的反射光返回供慢光波导112时，其所循的光路与发射时相反。在图1所示发射器/接收器构造中，当接收器111所接收的反射光的入射角与发射器121所发射的辐射光的辐射角一致时，可实现反射光的有效接收。
自物体返回光学雷达装置的反射光一般较为分散，并非接收器所接收的所有反射光的入射角均与辐射光的辐射角一致，因此接收器仅接收反射光的一部分。
据认为，接收信号的强度与接收面积成正比，因此通过扩大接收器的接收面积，有望能够以与接收面积成比例的方式增大接收信号强度。利用接收面积与接收信号强度之间的这一关系，上述构造似乎应该使得供接收的慢光波导长度大于供发射的慢光波导长度，以通过增大接收面积而增大接收器的接收信号。
然而，实际上，即使增大用于接收的慢光波长并扩大接收面积，也无法获得与接收面积成正比的信号强度。
慢光波导可通过延迟光的传播速度并增大与波导的相互作用而实现较大的光偏转效果。然而，此类波导还具有制造过程中的缺陷可导致更大的传播损耗的特性。举例而言，在对按照类似方法制造的慢光波导与硅细线波导进行比较的试验中，慢光波导的传播损耗评测值比硅细线波导传播损耗评测值高3～10倍。
如此，当将传播损耗较大的慢光波导仅简单地加长时，则如图1用于接收的慢光波导112中的箭头所示，所接收的光将在于该慢光波导内传播的过程中湮灭，最终无法获得与接收慢光波导112长度相对应的接收输出。此外，图1接收慢光波导112内的箭头厚度示意性地表示光在该慢光波导内传播时的强度。
图2为接收慢光波导的接收强度与长度Lr关系图。图2所示例示慢光波导传播损耗分别为0dB/cm、1dB/cm、5dB/cm、10dB/cm。在图2中，当考察10dB/cm这一传统试验所得传播损耗评测值时可知，当接收慢光波导长度Lr处于P点以内范围时(Lr＝1cm)，接收强度随长度增大，然而，当长度超出P点之后，接收强度鲜有增大。
本发明的目的在于，通过解决上述问题而增大接收器接收信号的信号强度。
解决问题的技术手段
本发明光接收器阵列由排成阵列的多个含光子晶体慢光波导的接收器构成。此外，本发明光学雷达装置由直连排列的所述光接收器阵列与发射器构成。
[光接收器阵列]
本发明光接收器阵列为(a)一种由排成阵列的多个含光子晶体慢光波导的接收器形成的阵列状元件。在该阵列排列形式中，所述多个接收器的排列方式由如下两者定义：(b)定义了构成所述光接收器阵列的多个接收器之间的位置关系的排列方式；以及(c)定义了每一接收器方向的朝向。
(a)阵列排列形式
在所述阵列排列形式中，定义多个接收器的个数的形式包括：(a1)以短接收器为起始点的形式；以及(a2)以长接收器为起始点的形式。
(a1)接收器个数根据对多个短接收器分别获得的接收信号进行多路复用而获得的信号强度以及待由光接收器阵列获得的接收信号的信号强度设置。
(a2)长接收器分割为多个接收器，其中，分割数根据对多个分割接收器获得的接收信号进行多路复用而获得的信号强度以及待由光接收器阵列获得的接收信号的信号强度设置。
无论是在形式(a1)中还是在形式(a2)中，所述多个接收器的个数均根据对该多个接收器的接收信号的多路复用获得的信号强度以及待由光接收器阵列获得的信号强度设置。当所述光偏转装置的长度设置为同一程度时，与采用长接收器的单接收器构造相比，该多接收器阵列排列形式构造能够增大信号强度。
(b，c)排列形式和朝向
在确定所述多个接收器排列方式的该多个接收器的排列形式(b)和朝向(c)中：
(b)每一接收器的排列形式均为在所述多个接收器阵列排列形式中沿同一直线方向且具有排列间距p的直线排列。排列形式(b)使得接收器的排列间隔对应于排列间距p，从而实现以相同相位接收反射光。
(c)就每一接收器的朝向而言，每一接收器的接收慢光波导的传播方向与沿其朝向方向的所述多个接收器的直线排列的排列方向平行。
在每一接收器的排列方式中，该接收器的排列形式(b)为直线排列，而且每一接收器朝向(c)的朝向方向平行于所述直线排列的排列方向。如此，通过使每一接收器的排列间隔对应于排列间距p，所述光接收器阵列的多个接收器以相同入射角接收反射光，并以相同相位接收反射光，从而提高接收器接收信号的信号强度。
在上述(a)阵列排列形式，(b)多个光接收器的排列方式以及(c)接收器朝向之外，所述接收器可在接收器的接收慢光波导传播方向上的长度方面具有(d)长度限制。
在所述接收器的接收慢光波导传播方向上的长度限制(d)方面：
(d)每一接收器的接收慢光波导传播方向上的长度处于接收强度随慢光波导长度单调变化的不饱和范围内。
所述慢光波导的接收强度包括接收强度随波导长度变化情况不同的不饱和区域和饱和区域。所述不饱和区域为强度随长度单调变化且慢光波导的传播损耗取决于波导长度的区域，而所述饱和区域为接收强度即使在波导长度因传播光衰减量的增加而发生变化时也不改变的区域。接收器的接收慢光波导传播方向上的长度限制(d)这一构造将接收慢光波导传播方向上的长度限制于接收强度随慢光波导长度单调变化的不饱和范围。通过该长度限制，接收慢光波导的长度处于能够实现接收信号的有效利用的有效长度范围内，从而防止所述光偏转装置的长度过长。
当以这一长度限制对所述光偏转装置的长度进行限制时，可以减小接收器慢光波导所产生的大量传播损耗，从而抑制接收器接收强度的下降，并增大接收器接收信号的信号强度。
排列间距：
在各接收器之间的排列形式中，当排列间距p的长度使得波导末端的接收光相位偏移一个波长时，可满足接收光相位在接收器接收面上对齐的条件，从而实现能够增大经所述光接收器阵列最终多路复用的接收信号的光输出的界面。当导致干扰增大的初始角度为Δθr，且接收光波长为λ时，增大条件表示为下式：
p·sinΔθr＝λ...(1)
在本发明光接收器阵列中，当相邻接收器的波导末端所接收的接收光之间的相位差对应于一个波长时，所述多个接收器的排列间距p具有由接收光波长λ和接收光入射角Δθr表示的p＝λ/sinΔθr这一关系，而且可以实现接收器接收信号的信号强度的增大。
此外，对于辐射光的外扩角度Δθt而言，当将某一角度的光束与下一角度的光束之间的角度差Δθ设为该外扩角度Δθt时，能够实现以少量的光束对整个物体的扫描，而且其中不发生重叠或间隙。
另外，当所述角度差Δθt与能够使得接收强度增大至满足Δθt＝Δθr的角度Δθr相匹配时，可实现足够高的扫描效率和接收强度。此时，排列间距表示为p＝λ/sinΔθt，并由波长λ和辐射光外扩角度Δθt限定。
(接收器的输出形式)
作为输出接收器接收信号的形式，本发明光接收器阵列具有：(i)每一接收器均输出接收信号的形式；以及(ii)将各个接收器的接收信号多路复用并输出一个接收信号的形式。
(i)每一接收器均输出的形式：
在每一接收器均输出接收信号的形式中，光电二极管经低损耗光波导光学耦合至接收慢光波导的波导末端，而且该接收慢光波导与光电二极管配为一对，从而实现每一接收器均输出接收信号。在该输出形式中，每一接收器及光电二极管对的低损耗光波导的光波导长度均设为彼此相同，从而使得每一接收器具有均一的低损耗光波导传播损耗和接收信号的信号强度。
(ii)接收信号多路复用输出形式：
对各个接收器的接收信号进行多路复用并输出单个接收信号的形式包括：与每一接收器的接收慢光波导的波导末端相连的发射波导；将发射波导接合至下一连接波导的第一接合器；将该连接波导接合至另一连接波导的第二接合器；以及将通过对各个接收器的接收输出进行多路复用而形成的输出信号引至输出端的最终波导。所述发射波导、连接波导和最终波导均为低损耗光波导，并具有相同的从接收慢光波导至最终波导光路长度。
各个接收器的接收信号由通过发射波导连接的第一接合器接入下一波导。该接入接收信号进一步由通过连接波导连接的第二接合器接入下一连接波导。如此依次汇接且多路复用的接收信号在最后一级被引至最终波导，并作为输出信号从输出端输出。
所述发射波导、连接波导和最终波导由光子晶体所制硅细线波导等低损耗光波导构成，因此可降低接收器的接收信号在传播中发生的传播损耗，并提高多路复用所得输出信号的输出强度。
此外，在所述发射波导和连接波导中，通过使用于传播各个接收器接收信号的光路长度彼此相等，可使得接收信号在每一接合器上以对准的相位入射，而且在每一接收器的波导末端均处于同一相位。如此，可降低接合器中接收信号的相移所致损耗。
相位调整：
在从波导末端至接合器的光路长度彼此相等的构造中，相位可能会因波导宽度和厚度的局部波动而发生偏移。该相移可由设于发射波导和连接波导上的调相器抑制。此类调相器无需设于所有的发射波导和连接波导上，而且可选择性地设置。例如，在所述多个发射波导和用于接收待引至接合器的接收信号的连接波导当中，所述调相器可设于与该接合器连接的发射波导和连接波导上。
接收器个数：
(i)每一接收器均输出的形式：
在每一接收器均输出的形式中，接收器个数任选设置。
(ii)接收信号多路复用输出形式：
对各个接收器的接收信号进行多路复用并输出单个接收信号的形式可包括采用任选接收器个数的构造以及采用2的幂个接收器的构造。在采用接收器个数为2的幂的构造中，第一接合器设于沿阵列排列方向自相邻接收器的发射波导将两个接收器的接收信号多路复用至连接波导的光路长度相等的位置，第二接合器设于沿阵列排列方向自相邻连接波导将两个连接波导的接收信号多路复用至下一连接波导的光路长度相等的位置。该连接波导和第二接合器的构造依次重复，从而将所有接收器的接收信号多路复用至最终波导。
通过将接收器个数设为2的幂，可使得用于实现所述两个接收器的接收信号的入射的接合器得到使用，而且可使得从每一接收器至最终波导的光路长度彼此相等。通过所述光路长度彼此相等，可以减小每一接合器处因接收信号的相移而发生的损耗。
[光学雷达装置]
本发明光学雷达装置包括本发明光接收器阵列以及一个用于发射辐射光且具有光子晶体慢光波导的发射器。
就所述发射器和光接收器阵列之间的关系而言，在该光接收器阵列的排列方向上，接收器的波导传播方向与发射器的波导传播方向相同，发射器的辐射光波长和接收器的接收光波长具有相同波长λ，发射器辐射光的外扩角度为Δθt。
此外，发射器发射的相邻辐射光之间的角度与辐射光的外扩角度具有相同角度Δθt，而且该角度Δθt与当相邻接收器波导末端所接收的接收光之间的相位差对应于一个波长使得入射角Δθr相同。
通过使角度Δθt和角度Δθr之间的关系满足关系Δθt＝Δθr，可以提高接收器所接收的接收信号的信号强度。
本发明的有益效果
如上所述，本发明光接收器阵列和光学雷达装置可提高接收器接收信号的信号强度。
附图说明
图1为使用光偏转装置的光学雷达装置的一种构造的说明图。
图2为接收强度与接收波长Lr关系图。
图3为本发明光接收阵列说明图。
图4为构成光接收器阵列的接收器个数与接收信号的信号强度间关系图。
图5为接收器阵列中的接收器与波导的构造说明图。
图6A为接收器阵列中的接收器与波导的例示构造说明图，该图所示为由两个接收器构成光接收器阵列的例示构造。
图6B所示为由八个接收器构成光接收器阵列的例示构造。
图6C所示为由十六个接收器构成光接收器阵列的例示构造。
图6D所示为由2的幂个接收器构成光接收器阵列的例示构造。
图7A为多个接收器的排列间距说明图，该图所示为反射光沿平面垂直方向入射的情形。
图7B所示为反射光的入射角变化且光的入射方向与所述平面垂直方向偏离角度Δθ的情形。
图7C为反射光的入射角进一步增大的状态图。
图7D为每一接收器的接收慢光波导的接收光多路复用后获得的光信号强度与反射光入射角Δθ间关系图。
图8A为多个接收器的排列间距说明图，该图所示为可提高强度的干扰所发生的角度Δθr与接收器排列间距p，t之间的关系。
图8B所示为相邻辐射光的角度差Δθ大于光束外扩角度Δθt的情形。
图8C所示为相邻辐射光的角度差Δθ等于光束外扩角度Δθt的情形。
图8D按时间顺序示出了当辐射光角度差Δθ设为与辐射光束外扩角度Δθt及反射光入射角Δθr相等时的辐射光和反射光。
图8E按时间顺序示出了当辐射光角度差Δθ设为与辐射光束外扩角度Δθt及反射光入射角Δθr相等时的辐射光和反射光。
图8F按时间顺序示出了当辐射光角度差Δθ设为与辐射光束外扩角度Δθt及反射光入射角Δθr相等时的辐射光和反射光。
图9为光学雷达装置构造说明图。
图10A为光子晶体波导内设有衍射机构的装置结构及辐射光概要说明图。
图10B所示为垂直方向上的光束强度分布。
图10C所示为水平方向上的光束强度分布。
图10D所示为抑制辐射光沿水平方向外扩的构造。
附图标记列表
10 光接收器阵列
11，11a～11h 接收器
12 接收慢光波导
13 低损耗光波导
13a 发射波导
13a1 发射波导
13a2 发射波导
13b，13c，13d 连接波导
13z 最终波导
14，14a，14b，14c 接合器
15，15a，15b 调相器
21 发射器
22 发射慢光波导
30 柱面透镜
50 光学雷达装置
52 分光器
54 混光器
54a 平衡型光电二极管
55 计算部件
56 折射率改变装置
57 激光源
60 物体
101 光偏转装置
102 光子晶体波导
103 光栅阵列
104 柱面透镜
105 高折射率构件
106 低折射率部分(圆孔)
107 波导芯
108 包层
111 接收器
112 接收慢光波导
121 发射器
122 发射慢光波导
具体实施方式
以下，参考附图，详细描述本发明的实施方式。其中：参考图3，说明本发明光接收器阵列的一种构造简例；参考图4，说明该光接收器阵列内的接收器个数与接收信号的信号强度之间的关系；参考图5及图6A～图6D，说明本发明光接收器阵列的一种例示构造；参考图7A～图7D及图8A～图8F，说明多个接收器的排列间距；参考图9，说明光学雷达装置构造。
(光接收器阵列简述)
图3为本发明光接收器阵列说明图。光偏转装置包括含发射器21和多个接收器11a～11d的光接收器阵列10的两个偏光器。发射器21和接收器11a～11d由光子晶体波导构成。该光子晶体波导由光栅阵列形成，在该光栅阵列中，低折射率部分周期性地排列于由设于包层上的硅等半导体材料构成的高折射率构件中。所述低折射率部分可例如由设于所述高折射率构件中的圆孔形成。
所述光子晶体波导上形成用于传播光的波导芯。该波导芯由所述由排列圆孔构成的光栅阵列的未设圆孔的一部分形成。发射器21的波导芯构成发射慢光波导22，接收器11a～11d的波导芯构成接收慢光波导12。
入射于发射器21的发射慢光波导22上的入射光在沿长度方向上在发射慢光波导22内传播的过程中朝发射慢光波导22外发射。接收器11a～11d的接收慢光波导12在接收反射光后，使其沿长度方向传播，并经硅细线波导等低损耗光波导13自波导末端输出接收信号。
发射器21和光接收器阵列10沿发射慢光波导22和接收慢光波导12的长度方向上直线垂直排列。在该垂直排列方式中，发射器21设于入射光入射一侧，光接收器阵列10设于发射光被接收的一侧。
除了发射器21和光接收器阵列10之外，该光偏转装置还包括柱面透镜30，该柱面透镜作为将光转化为平行光的准直透镜。柱面透镜30设于垂直对齐排列的发射器21和光接收器阵列10的辐射光发射面和反射光接受面一侧，从而在该光偏转装置的垂直排列方向上重叠。
柱面透镜30的尺寸例如使得其宽度大于或等于发射器21和光接收器阵列10的宽度，且长度大于或等于垂直对齐排列的两个光偏转装置(10，21)的长度。此外，柱面透镜30的尺寸并不限于与上述垂直对齐排列方式几乎相同的尺寸，而是可以为可选尺寸，只要该尺寸足以使得发射器21发出的辐射光转化为平行光束且发射至物体(未图示)并使得物体反射的反射光收集至光接收器阵列10的相应接收器11a～11d即可。
本发明光接收器阵列10由阵列状元件构成，该阵列状元件由排成阵列的含光子晶体慢光波导的多个接收器11a～11d形成。此外，图3所示光接收器阵列10具有四个接收器11a～11d排成阵列的构造，但是该阵列排列形式中的接收器个数并不限于4，而且可以为可选个数。当该阵列排列形式的接收器个数设为2的幂时，可获得用于对接收信号进行多路复用的波导构造，该构造具有能够在接收信号于波导内传播的过程中抑制接收信号相移的对称特性，从而可降低相移导致的接合器损耗。以下，将对接收器个数为2的幂的阵列排列形式进行说明。
在本发明光接收器阵列10的构造中，由多个接收器11构成的接收慢光波导12的波导末端连有硅细线波导等低损耗光波导13，该低损耗光波导用于在发生因接收慢光波导12内的慢光波导导致的损耗之前获取接收光，从而实现从接收慢光波导12获取接收光。
图4为当假设从每一接收慢光波导获取的光均能够以理想方式多路复用时的接收强度与波导分割数关系图。此外，图4所示为接收慢光波导的总延伸长度为3mm且波导损耗分别为0dB/cm、5dB/cm及10dB/cm时的状况。
当波导损耗为10dB/cm时，与光接收器仅有一个接收慢光波导构成的情形相比，当将接收慢光波导12一分为四且光接收器阵列10由四个接收器11构成时(图4中的Q)，可获得约3倍增大的接收强度；当将接收慢光波导12一分为八且光接收器阵列10由八个接收器11构成时(图4中的R)，可获得约4倍增大的接收强度；当将接收慢光波导12一分十六且光接收器阵列10由十六个接收器11构成时(图4中的S)，可获得约5倍增大的接收强度。
以下，将就定义所述阵列排列形式内的多个接收器之间的排列关系的(a)阵列排列形式，(b)接收器排列形式以及(c)接收器朝向，对本发明光接收器阵列的构造进行说明。
(a)阵列排列形式
在所述阵列排列形式中，定义多个接收器的个数的形式包括：(a1)以短接收器为起始点的形式；以及(a2)以长接收器为起始点的形式。
(a1)接收器个数根据对多个短接收器分别获得的接收信号进行多路复用而获得的信号强度以及待由光接收器阵列获得的接收信号的信号强度设置。
(a2)长接收器分割为多个接收器，其中，分割数根据对多个分割接收器获得的接收信号进行多路复用而获得的信号强度以及待由光接收器阵列获得的接收信号的信号强度设置。
在形式(a1)中，接收器个数根据各个接收器获得的接收信号的信号强度以及待由光接收器阵列获得的接收信号的信号强度设置。当接收器的接收信号的信号强度较小时，接收器的个数增大至足以满足光接收器阵列的接收信号的信号强度，而当接收器的接收信号的信号强度较大时，接收器的个数减小至足以满足光接收器阵列的接收信号的信号强度。
在形式(a2)中，长接收器分割为多个接收器，而且分割数设置为使得对多个分割接收器的接收信号进行多路复用后获得的信号强度满足所需信号强度。当对各接收器的接收信号进行多路复用后获得的信号强度不满足所需信号强度时，通过增大分割数而提高接收器的个数。
无论是在形式(a1)中还是在形式(a2)中，所述多个接收器的个数均根据接收器获得的接收信号的信号强度以及光接收器阵列获得的信号强度设置。通过按如此方式设置的排成阵列的多个接收器，可以获得比单个接收器所能获得的信号强度更大的信号强度。
所述多个接收器之间的排列方式由如下两者定义：(b)在各个接收器的位置具有何等关系方面定义了所述多个接收器间位置关系的排列方式；以及(c)在每个接收器处于何等方向方面进行方向定义的朝向。
(b)接收器排列方式
在接收器排列方式中，每一接收器均沿同一直线方向以所述多个接收器的阵列排列形式的间距p直线排列。通过使每一接收器的排列间隔对应于排列间距p，可接收到具有相同相位的反射光。
(c)接收器朝向
就每一接收器的朝向而言，每一接收器的接收慢光波导的传播方向与沿其朝向方向的所述多个接收器的直线排列的排列方向平行。
在每一接收器的排列方式中，该接收器的排列方式均为直线排列，而且每一接收器的朝向方向均平行于直线排列的朝向方向，从而使得所述光接收器阵列的多个接收器以同一入射角接收反射光。所接收的反射光具有相同相位，而且入射角相同，以增大接收器接收信号的信号强度。
(d)接收器的接收慢光波导的长度限制
在上述(a)阵列排列形式，(b)接收器排列方式以及(c)接收器朝向之外，本发明接收器可在接收器的接收慢光波导传播方向上的长度方面具有长度限制。
根据图2所示接收强度/接收慢光波导长度Lr特性曲线，慢光波导的接收强度分为接收强度随长度单调变化且慢光波导的传播损耗取决于波导长度的不饱和区域A以及接收强度即使在波导长度因传播光衰减量的增加而发生变化时也不改变的饱和区域B。这一特性表明，在饱和区域B内，即使增大波导长度，也无法提高接收强度。
在所述多个接收器的阵列排列形式中，本发明接收器将接收慢光波导传播方向上的长度限制于接收强度随慢光波导长度单调变化的不饱和范围A内。通过这一长度限制，可使得接收器慢光波导内发生的传播损耗量与接收慢光波导的传播方向长度相对应，并使得接收器长度处于有效长度内，从而防止接收器长度过长。当以这一长度限制对所述光偏转装置的长度进行限制时，可以减小接收器慢光波导所产生的大量传播损耗，从而抑制接收器接收强度的下降，并增大接收器接收信号的信号强度。
(接收器阵列的波导构造)
图5为接收器阵列内接收器和波导的构造说明图。此外，该说明图中的波导为一种对接收器阵列内的每一接收器的输出信号进行引导的构件，并包括与接收器每一波导末端相连的发射波导，用于最终输出输出信号的最终波导以及构成所述发射波导和最终波导之间光路的连接波导。
图5所示为从接收器11每一波导末端获取的光均多路复用至同一发射波导的例示构造。在该例示构造中，从四个接收器11a～11d的波导末端获取的光多路复用至同一最终波导13z。
在该构造中，接收器11a，11b和两个发射波导13a由2×1(2个输入端/1个输出端)接合器14a汇接至一个连接波导13b，接收器11c，11d和两个发射波导13a由第一2×1接合器14a汇接至一个连接波导13b，两个连接波导13b由第二2×1接合器14b汇接至一个最终波导13z，从而实现最终输出信号的多路复用。
此时，如果从每一接收慢光波导12的波导末端至最终波导13z的长度相同，则光从每一接收慢光波导12的发射点至其接入相应接合器14a，14b的汇接点的光路长度便相等。此外，如果光从每一接收慢光波导12射出时的相位相同，则光入射至接合器14a，14b上的相位便会对齐，从而抑制接合器14a，14b的不必要损耗。
此类接合器采用目前已开发出的使用多模干涉波导的装置，其实验评测过渡损耗量低至0.23dB。在图5所示构造的情形中，通过两个接合器14a，14b对四个接收慢光波导12进行多路复用，过度损耗为0.46dB，同样较低。据此计算的波导末端至最终波导传输比率为约90％。
当所述光接收器阵列由八个接收器构成，并通过三个接合器实现接收信号的多路复用时，接合器损耗为0.69dB。当所述光接收器阵列由十六个接收器构成，并通过四个接合器实现接收信号的多路复用时，接合器损耗为0.92dB。在任何情况下，接合器损耗均不过量。
与此同时，Si细线波导本身的典型传播损耗值为2dB/cm。如果所述接收慢光波导的总延伸长度为3cm，当采用图5所示波导结构时，则从每一波导末端至最终波导的长度为约1.5cm(接收器总延伸长度的一半)，传播损耗为3dB。
该传播损耗已超出光学雷达装置的要求，并可以通过增大直线部分的波导宽度而降低。举例而言，硅细线的一般波导宽度为400～450nm，但如果当其增大至约4μm时，传播损耗将降至约0.5dB/cm，其与0.46～0.92dB的上述接合器损耗的总损耗限制于1～2dB。
在实际装置中，即使当从波导末端至对应接合器的光路长度彼此相等，但是由于波导宽度和厚度的局部波动，仍有可能发生相移。为了消除此类相移，接入接合器14a的两个发射波导13a一侧的发射波导以及接入接合器14b的两个连接波导13b一侧的连接波导上分别设有加热器等物构成的调相器15a，15b。通过这些调相器，可以补偿不必要的相移。
(接收器个数(分割数))
以下，将对构成本发明光接收器阵列的所述多个接收器的个数(分割数)进行说明。
在每一接收器均输出接收信号的形式中，接收器的个数任选设置。举例而言，当与相应接收器11a～11d的波导末端相连的低损耗光波导13的发射波导的各接收信号用作图3中的输出信号时，接收器的个数可任选设置。
此外，如图5所示，对各个接收器的接收信号进行多路复用并输出一个接收信号的形式可包括采用任选接收器个数的构造以及采用2的幂个接收器的构造。
在采用接收器个数为2的幂的构造中，第一接合器设于沿阵列排列方向自相邻接收器的发射波导将两个接收器的接收信号多路复用至连接波导的光路长度相等的位置，第二接合器设于沿阵列排列方向自相邻连接波导将两个连接波导的接收信号多路复用至下一连接波导的光路长度相等的位置。该连接波导和第二接合器的构造依次重复，从而将所有接收器的接收信号多路复用至所述最终波导。
通过将接收器个数设为2的幂，可使得用于实现所述两个接收器的接收信号的入射的接合器得到使用，而且可使得从每一接收器至最终波导的光路长度彼此相等。通过所述光路长度彼此相等，可以减小每一接合器处因接收信号的相移而发生的损耗。
图6所示为本发明接收器阵列的接收器及波导的例示构造。图6A、图6B、图6C所示为采用2的幂个接收器的例示构造。
图6A所示为由两个(＝21)接收器11a，11b构成光接收器阵列的例示构造。在该例示构造中，一个发射波导13a与接收器11a的波导末端相连，另一发射波导13a与接收器11b的波导末端相连。此外，还设置调相器15a，而且所述两个发射波导13a的接收信号由接合器14a汇接且多路复用。
在图5所示例示构造中，由四个(＝22)接收器11a～11d构成光接收器阵列。
图6B所示为由八个(＝23)接收器11a～11h构成光接收器阵列的例示构造。在该例示构造中，沿排列方向彼此相邻的接收器11a与接收器11b成为一对，发射波导13a的接收信号与第一接合器14a的接收信号交汇，接收器11c与接收器11d成为一对，以使得接收信号相互交汇，连接波导13b与第二接合器14b相接。此外，对于接收器11e～11h而言，连接波导13b与第二接合器14b以类似构造相接，而且两个连接波导13c汇接于第二接合器14c，从而使得输出信号从最终波导13z输出。
图6C所示为由十六个(＝24)接收器11a～11p构成光接收器阵列的例示构造。在该例示构造中，与图6B例示构造类似，沿所述排列方向彼此相邻的两个接收器成为一对，发射波导13a和连接波导13b，13c汇接至第一接合器14a，而且第二接合器14b，14c和连接波导13d汇接至第二接合器14d，从而使得输出信号从最终波导13z输出。
由于接收器11的个数设为2的幂，而且各接合器设于沿所述排列方向彼此相邻的接收器之间或发射波导和连接波导之间，因此易于形成使得相应区域内从每一接收器至最终波导的光路长度均彼此相等的波导路径，从而能够抑制接合器处的相移，并因而降低该相移导致的损耗。
图6D所示为接收器个数不为2的幂的例示波导构造。在图示例示构造中，对于沿所述排列方向相继排列的一组三个接收器(11a～11c，11d～11f)，发射波导13a1，13a2，13a3汇接至第一接合器14a，两个连接波导13b汇接至第二接合器14b，以使得输出信号从最终波导13z输出。
在该构造中，3×1(3个输入端/1个输出端)接合器用作第一接合器14a，以分别对三个接收器11a～11c的接收信号以及三个接收器11d～11f的接收信号进行多路复用。其中，当第一接合器14a设于直线排列的三个接收器11a～11c的中心位置时，发射波导13a2的光路长度将与发射波导13a1，13a3的光路长度不同，从而只得通过调节发射波导13a2的光路长度而使得所述两个光路长度变得彼此相等。
(排列间距p)
每一接收器的接收慢光波导末端发出的接收光的相位随接收器的排列间距p和入射反射光的入射角Δθt的不同而不同，而且并不总是相等。
图7A～图7D所示为入射反射光以类似角度入射至各个接收波导以同一排列间距p排列的光接收器阵列内的每一接收慢光波导上的各种情形。
图7A所示为反射光沿平面垂直方向入射的情形。在该情形中，对于所有波导，接收器波导末端处的接收光相位均彼此相等。
图7B所示为反射光入射角发生变化且入射方向与平面垂直方向偏离角度Δθ的情形。当所述反射光的入射角变化时，如果某一接收慢光波导的输出光的相位为(+)，则另一接收慢光波导的输出光的相位可能为(-)。如此，当相位相反的接收光多路复用时，将发生导致信号强度相互抵消的干扰。在最坏情况下，最终多路复用后的接收信号的输出信号强度将变为零。
图7C所示为反射光入射角变大的状态。在该状态下，发生接收器波导末端处的接收光相位因偏移一个波长而再次对准的情形。在这一状态下，再次发生使得最终多路复用后的光输出增大的干扰。取决于具体角度，此类状态具有可重复性。当光学雷达装置仅以使得多路复用后的光输出彼此增大的角度对物体进行测量时，可以解决信号强度因信号相位相反导致的强度相互抵消而衰减的问题。
图7D所示为对每一接收器的接收慢光波导的接收光进行多路复用后获得的光信号强度与反射光入射角Δθ之间的关系。其中，光信号强度因上述干扰而随入射角Δθ变化，变化周期为Δθr。
图8A所示为可提高强度的干扰所发生的角度Δθr与接收器排列间距p，t之间的关系。当反射光的波长为λ时，提高接收光的光信号强度的条件如下式(1)所示，排列间距p如式(2)所示。
p·sinΔθr＝λ...(1)
p＝λ/sinΔθr...(2)
此外，发射器发出的辐射光束取决于发射器的波导长度和传播损耗，而且辐射光束的外扩角度Δθt根据上述参数确定。例如，当通过以λ＝1.55μm的波长以及3mm的发射器长度令传播光均匀泄露而形成光束时，外扩角度Δθt为0.03°。然而，由于波导在结构方面存在波动，因此认为Δθt实际上更大。在光学雷达装置的扫描操作中，令辐射光束与远方物体依次冲撞，并利用该物体反射回的反射光进行距离测量。
图8B和图8C为扫描操作中相邻辐射光之间的角度差说明图。图8B所示为相邻辐射光之间的角度差Δθ大于光束外扩角度Δθt的情形。在该情形中，发出相邻辐射光的区域之间生成空隙，而且扫描区域内形成泄露。图8C所示为相邻辐射光之间的角度差Δθ等于光束外扩角度Δθt的情形。在该情形中，发出相邻辐射光的区域之间未生成空隙，而且可实现无泄露扫描。
因此，就光束外扩角度Δθt的观点来看，某一辐射角的光束与下一辐射角的光束之间的角度差适于设置为该光束外扩角度Δθt。
此外，通过令角度差Δθ等于可提高接收强度的反射光入射角Δθr，同时满足条件：
-作为合适的辐射光扫描角度条件的角度差Δθ＝光束外扩角度Δθt；以及
-作为合适的接收器接收信号强度条件的反射光的角度差Δθ＝入射角Δθr，可获得(Δθt＝Δθr)。此时，排列间距p表示为式(3)：
p＝λ/sinΔθt...(3)
图8D～图8F为当令依次发射的辐射光的角度差Δθ等于辐射光束外扩角度Δθt和反射光入射角Δθr时的辐射光和反射光的按时间顺序示意图。
在上式(3)中，当假设Δθt＝0.03°时，则满足排列间距p＝2.96mm，因此举例而言，可通过将总延伸长度为2.4cm的接收器慢光波导一分为八而构成接收器阵列。
在通过将接收器分割为八个而获得的八接收器构造中，每一接收器的长度均变大，而且可能对减小损耗的效果构成限制。在该情形中，分辨率点数会减小，但是通过将Δθt设为更大的值，可减小排列间距p，从而使得接收器个数的增加获得提高信号强度的效果。
举例而言，当实际制造的慢光波导的Δθt＝0.05°时，将满足排列间距p＝1.78mm，因此可通过将总延伸长度为2.8cm的接收器一分十六而构成接收器阵列。在该构造中，如上所述，可获得5倍增大的接收强度。
在分割数较大且接收器个数较大的构造中，利用调相器进行相移抑制。例如，当所述调相器向在图7B状态下以(-)相位发送接收信号的波导赋予相位变化π时，可使得所有相位均彼此相等。如此，可将所述分割数加倍，而且即使当偏光器的传播损耗大于10dB/cm时，也可增大接收信号的强度。
(光学雷达装置简述)
以下，参考图9，对本发明光学雷达装置的概略构造进行说明。
光学雷达装置50包括本发明光接收器阵列10和发射器21，并在由发射器21向物体60发射辐射光A后，检测物体60反射回的反射光B。通过在接收反射光B的同时改变辐射光A的辐射角，可实现对物体60的扫描，以确定距物体60的距离。此外，还可获得光学雷达装置50与物体60的相对速度。
光学雷达装置50包括沿垂直方向直线排列的发射器21和光接收器阵列10，以及设于此两者上方的准直透镜(柱面透镜30)。
当信号光入射至发射器21上后，以慢光的形式在光子晶体波导的波导芯内传播。该慢光在于所述波导芯内传播的过程中泄露至外部，并向物体60发射辐射光A。辐射光A被物体60反射后，光接收器阵列10内的每一接收器11(未图示)均接收反射光B，并从波导芯的波导末端发射检测光。
发射器21和光接收器阵列10的每一接收器的偏转角度可通过入射光的波长或光子晶体波导的折射率改变。使光子晶体波导的折射率发生变化的折射率改变装置56可例有由使构成发射器21和接收器11的光子晶体波导的温度发生变化的装置构成。
入射至发射器21的信号光采用通过由分光器52对频率依次变化的线性调频光信号进行分光而获得的光。该光可由半导体放大器(SOA)53放大。分光器52分出的另一道光引入混光器54，以作为参考光。
调频器通过对激光源57产生的激光频率以恒定周期T进行线性调频而生成上述线性调频光信号。由于所述信号光和参考光通过对所述线性调频光信号进行分光获得，因此具有相同的频率和相位。
光接收器阵列10获得的检测光与所述参考光一并引入混光器54，以通过该参考光和检测光的混光而生成差拍信号。
信号光通过辐射光A和反射光B在发射器21、光接收器阵列10以及物体60之间的来回传播而得到延迟。在该过程中，参考光的频率因线性调频而逐渐改变。在混光器54中，在上述光来回传播后接收到的信号光与所述参考光混光，从而对混光后的光进行检测。通过该混光后的光，可检测到与所述信号光和检测光之间的频率差对应的差拍信号。混光器54例如通过平衡型光电二极管54a检测具有与所述检测光和参考光之间的延迟时间对应的频率差的差拍信号。
计算部件55根据混光器54所获得的差拍信号的频谱获得距物体60的距离。计算部件55可例如由对平衡型光电二极管54a的输出信号进行模数转换的模数转换器以及用于对所得数字信号进行计算处理的处理器构成。
当差拍信号的差拍频率为fb，信号光的频移宽度为B，光速为c，线性调频光信号的一个周期的调频所需的一个调制周期为T时，距目标的距离R如下式(4)所示：
R＝(c×fb×T)/(2×B)...(4)
在本发明光学雷达装置对所述物体的相对速度进行获取时，相对速度v由下式(5)表示，其中，差拍频率fu由用于提高频率的线性上调频光信号获得，差拍频率fd由用于降低频率的线性下调频光信号获得，fo为线性调频光信号的中心频率：
v＝(c/4fo)×(fu-fd)...(5)
在将慢光波导偏光器用作发射器和接收器的光学雷达装置中，即使当波导中存在实际损耗，也可通过增大波导长度和增大接收面积的方式提高接收信号的强度。
如此，可以延长光学雷达装置所得检测的物体距离。此外，还能够以更短的时间和更高的信噪比(S/N)实现反射信号的检测，从而能够在更短的时间获得所述光学雷达装置所检测的物体的三维图像，并提高帧速率。
此外，本发明不限于上述实施方式。在本发明的主旨内，还可做出各种变化，这些变化也处于本发明的范围之内。
工业适用性
本发明光偏转装置可安装于汽车、无人机、机器人等物之上，而且可用于通过安装于个人计算机和智能电话中而摄取外围环境的三维扫描器、监控系统、用于光学转换或数据中心的空间矩阵光学开关等应用中。通过应用至作为构成所述光偏转装置的高折射率构件的可见光光学材料，其还可期应用至投影仪、激光显示器、视网膜显示器、二维/三维打印机、POS机、读卡器等物。
本申请要求申请号为2017-106710且申请日为2017年5月30日的日本专利申请的优先权，并将其公开内容全部并入本文。

Claims (9)

1.一种光接收器阵列，其中以阵列形式排列有具有光子晶体慢光波导的多个接收器，其特征在于：
(a)各所述接收器的排列为沿同一直线方向的直线排列且具有一排列间距p；以及
(b)在各所述接收器的朝向上，每一接收器的接收慢光波导的传播方向平行于所述直线排列的排列方向，
其中，设置所述排列间距p的长度使得相邻接收器的波导末端所接收的接收光之间的相位差为一个波长，且所述排列间距p，所述接收光的波长λ以及所述接收光的入射角Δθr之间满足关系p＝λ/sinΔθr。
2.如权利要求1所述的光接收器阵列，其特征在于，每一接收器的所述接收慢光波导在所述传播方向上的长度处于接收强度随该慢光波导长度单调变化的不饱和范围内。
3.如权利要求1所述的光接收器阵列，其特征在于，所述入射角Δθr等于辐射光的外扩角度Δθt。
4.如权利要求1或2所述的光接收器阵列，其特征在于：
每一接收器均包括成对的光电二极管，所述光电二极管通过低损耗光波导光学耦合至每一接收慢光波导的波导末端；以及
所述接收器与每对光电二极管内各低损耗光波导的光波导长度彼此相等。
5.如权利要求1或2所述的光接收器阵列，其特征在于，包括：
发射波导，与每一接收器的所述接收慢光波导的波导末端相连；
第一接合器，用于将所述发射波导接合至连接波导；
第二接合器，用于将所述连接波导接合至其他连接波导；以及
最终波导，用于将通过对各接收器的接收输出进行多路复用而获得的输出信号引至输出端，其中，
所述发射波导、所述连接波导及所述最终波导为低损耗光波导，以及
从各所述接收慢光波导至所述最终波导的光路长度彼此相等。
6.如权利要求5所述的光接收器阵列，其特征在于，所述发射波导和所述连接波导选择性地包括调相器。
7.如权利要求5所述的光接收器阵列，其特征在于：
所述接收器的个数为2的幂；
所述第一接合器设于将相邻接收器的发射波导之间沿阵列排列方向的光路长度等分的位置；以及
所述第二接合器设于将相邻连接波导之间沿所述阵列排列方向的光路长度等分的位置。
8.一种光学雷达装置，其特征在于，包括：
根据权利要求1或2所述的光接收器阵列；以及
一发射器，用于发射辐射光且具有光子晶体慢光波导，其中，
在所述光接收器阵列的排列方向上，接收器的波导的传播方向与所述发射器的波导的传播方向相同。
9.如权利要求8所述的光学雷达装置，其特征在于：
所述发射器发出的相邻辐射光之间的角度与辐射光的外扩角度为同一角度Δθt；以及
当相邻接收器的波导末端所接收的接收光之间的相位差为一个波长时，所述角度Δθt等于入射角Δθr。
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