JP2018173537A - Optical waveguide device and laser radar - Google Patents

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秀彰 岡山
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秀彰 岡山
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical waveguide device that is used for a laser radar, the optical waveguide device having strong resistance against high intensity light.SOLUTION: An optical waveguide device comprises: an optical waveguide core; and a clad that covers the optical waveguide core. The optical waveguide core includes a first input/output part and a second input/output part that are formed along a common reference plane, an array waveguide part that includes a plurality of fine-line waveguides connecting the first input/output part with second input/output part in parallel, and refractive index control parts that are provided in the middle of the fine-line waveguides. The first input/output part is a grating coupler or a spot size converter. The refractive index control parts give phase shift with different amounts of shift to rays of light propagating through the fine-line waveguides. The second input/output part couples the light propagating in a direction along the reference plane and the light propagating in a direction intersecting the reference plane.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

この発明は、レーザレーダに利用する光導波路素子、及びこの光導波路素子を含むレーザレーダに関する。   The present invention relates to an optical waveguide element used for laser radar, and a laser radar including the optical waveguide element.

レーザ光を掃引して対象物に照射し、その反射光を受光することによって、対象物の大きさ、形状、又は対象物との距離等を検出するレーザレーダの開発が行われている。そして、レーザレーダの送信部や受信部に、例えばシリコン(Si)を導波路材料とした光導波路素子を利用する技術が研究されている(例えば特許文献1及び2参照)。   Laser radars have been developed that detect the size, shape, or distance from an object by sweeping laser light, irradiating the object, and receiving the reflected light. In addition, a technique of using an optical waveguide element using, for example, silicon (Si) as a waveguide material for a transmitter and a receiver of a laser radar has been studied (see, for example, Patent Documents 1 and 2).

光導波路素子を利用するレーザレーダでは、送信部が、光導波路素子によって構成された分波部及びアレイ導波路部を備える。アレイ導波路部は、複数の細線導波路を含み、これら複数の細線導波路が分波部と並列に接続されている。   In a laser radar using an optical waveguide element, the transmission unit includes a demultiplexing unit and an arrayed waveguide unit configured by the optical waveguide element. The arrayed waveguide portion includes a plurality of thin wire waveguides, and the plurality of thin wire waveguides are connected in parallel with the branching portion.

そして、光導波路素子を利用するレーザレーダでは、分波部においてレーザ光を複数に分波する。分波されたレーザ光は、それぞれアレイ導波路部の異なる細線導波路に入力される。アレイ導波路部では、各細線導波路を伝播するレーザ光に、それぞれ異なる変移量の位相変移を与える(すなわち位相を制御する)。そして、各細線導波路から出力されるレーザ光を合波して、対象物に対する照射光としての光ビームを形成する。   In a laser radar using an optical waveguide element, a laser beam is demultiplexed into a plurality of beams at a demultiplexing unit. The demultiplexed laser beams are respectively input to different thin wire waveguides in the arrayed waveguide portion. In the arrayed waveguide portion, a phase shift with a different shift amount is given to the laser light propagating through each thin wire waveguide (that is, the phase is controlled). And the laser beam output from each thin wire | line waveguide is multiplexed, and the light beam as irradiation light with respect to a target object is formed.

光導波路素子を利用するレーザレーダでは、アレイ導波路部において、レーザ光の位相を制御することによって、照射光の進行方向を制御することができる。従って、照射光の進行方向を制御するに当たり、装置に可動部分を設ける必要がない。その結果、例えばレーザレーダを車両に搭載する場合等において、振動に対する耐性が向上するため、信頼性に優れたレーザレーダを実現できる。   In the laser radar using the optical waveguide element, the traveling direction of the irradiation light can be controlled by controlling the phase of the laser light in the arrayed waveguide portion. Therefore, it is not necessary to provide a movable part in the apparatus when controlling the traveling direction of the irradiation light. As a result, for example, when a laser radar is mounted on a vehicle, resistance to vibration is improved, so that a laser radar having excellent reliability can be realized.

ここで、Siを導波路材料とする光導波路素子(Si導波路)では、実質的に光の伝送路となる光導波路コアを、Siを材料として形成する。そして、Siよりも屈折率の低い例えば酸化シリコン(SiO)等を材料としたクラッドで、光導波路コアの周囲を覆う。このような構成により、Si導波路では、光導波路コアとクラッドとの屈折率差が極めて大きくなるため、光導波路コア内に光を強く閉じ込めることができる。その結果、Si導波路では、光導波路の寸法を小さくできる。また、Si導波路では、曲げ半径を例えば数μm程度まで小さくした、小型の曲線導波路を実現することができる。そのため、Si導波路をレーザレーダに利用することによって、装置全体の小型化に有利となる。さらに、Siは、温度係数が大きい。このため、例えば電極を用いた熱光学効果によって位相制御を行う場合、小さい電力で位相制御を行うことが可能である。 Here, in an optical waveguide element (Si waveguide) using Si as a waveguide material, an optical waveguide core that substantially becomes a light transmission path is formed using Si as a material. Then, the periphery of the optical waveguide core is covered with a clad made of, for example, silicon oxide (SiO 2 ) having a refractive index lower than that of Si. With such a configuration, in the Si waveguide, the refractive index difference between the optical waveguide core and the clad becomes extremely large, so that light can be strongly confined in the optical waveguide core. As a result, in the Si waveguide, the size of the optical waveguide can be reduced. Further, in the Si waveguide, a small curved waveguide having a bending radius reduced to, for example, about several μm can be realized. Therefore, using the Si waveguide for laser radar is advantageous for downsizing the entire apparatus. Furthermore, Si has a large temperature coefficient. For this reason, for example, when phase control is performed by a thermo-optic effect using an electrode, it is possible to perform phase control with small electric power.

米国特許第2015/0378241号明細書US Patent No. 2015/0378241 米国特許第2016/0049765号明細書US 2016/0049765

ところで、レーザレーダでは、遠くの対象物を検出する用途に用いる場合、レーザ光として強い光パルスを用いる必要がある。しかしながら、光導波路素子を利用するレーザレーダでは、寸法の小さいSi導波路に高強度の光が入力されると、二光子吸収の影響により、光導波路素子自体が損傷し劣化するという問題がある。   By the way, in a laser radar, when using for the object which detects a far object, it is necessary to use a strong light pulse as a laser beam. However, in the laser radar using the optical waveguide element, when high intensity light is input to the Si waveguide having a small size, there is a problem that the optical waveguide element itself is damaged and deteriorated due to the influence of two-photon absorption.

この発明の目的は、レーザレーダに利用する光導波路素子であって、高強度の光に対する耐性が強い光導波路素子、及びこれを含むレーザレーダを提供することにある。   An object of the present invention is to provide an optical waveguide element used for laser radar, which is highly resistant to high-intensity light, and a laser radar including the same.

上述した課題を解決するために、この発明による光導波路素子は、光導波路コアと、光導波路コアを包含するクラッドとを備えている。光導波路コアは、共通の基準面に沿って形成された、第1入出力部と、第2入出力部と、第1入出力部及び第2入出力部間を並列に接続する、複数の細線導波路を含むアレイ導波路部と、各細線導波路の中途に設けられた屈折率制御部とを含む。第1入出力部は、グレーティングカプラ又はスポットサイズ変換器である。各屈折率制御部は、細線導波路を伝播する光にそれぞれ異なる変移量の位相変移を与える。第2入出力部は、基準面に沿った方向に伝播する光と基準面と交差する方向に伝播する光とを結合する。   In order to solve the above-described problems, an optical waveguide device according to the present invention includes an optical waveguide core and a clad including the optical waveguide core. The optical waveguide core includes a plurality of first input / output units, a second input / output unit, and a first input / output unit and a second input / output unit that are formed along a common reference plane. It includes an arrayed waveguide portion including a thin wire waveguide, and a refractive index control portion provided in the middle of each thin wire waveguide. The first input / output unit is a grating coupler or a spot size converter. Each refractive index control unit gives a phase shift of a different shift amount to light propagating through the thin wire waveguide. The second input / output unit couples light propagating in a direction along the reference plane and light propagating in a direction intersecting the reference plane.

この発明の光導波路素子では、パルス光源等の発光素子からの光を、第1入出力部を経て、各細線導波路に入力することができる。そして、発光素子からの光の強度及び細線導波路の耐性に応じて、細線導波路の設置数を決定し、光を分岐する。このため、発光素子からの光を、寸法の小さい細線導波路に直接入力する場合と異なり、この発明の光導波路素子では、二光子吸収が生じるのを抑制することができる。従って、この発明の光導波路素子は、高強度の光に対する耐性が強く、例えばレーザレーダの送信部に用いた場合であっても、光導波路の劣化という問題を防止できる。   In the optical waveguide device of the present invention, light from a light emitting device such as a pulse light source can be input to each thin wire waveguide via the first input / output unit. And according to the intensity | strength of the light from a light emitting element, and the tolerance of a thin wire waveguide, the installation number of a thin wire waveguide is determined, and light is branched. For this reason, unlike the case where the light from the light emitting element is directly input to the thin waveguide having a small size, the optical waveguide element of the present invention can suppress the two-photon absorption. Therefore, the optical waveguide device of the present invention has high resistance to high-intensity light, and can prevent the problem of deterioration of the optical waveguide even when it is used, for example, in a laser radar transmitter.

(A)は、この発明の光導波路素子を示す概略的平面図であり、(B)は(A)に示す構造体をI-I線で切り取った概略的端面図である。(A) is a schematic plan view showing an optical waveguide device of the present invention, and (B) is a schematic end view of the structure shown in (A) taken along line II. (A)は、第1入出力部を説明するための概略的端面図であり、(B)及び(C)は、第1入出力部を説明するための概略的平面図である。(A) is a schematic end view for explaining the first input / output unit, and (B) and (C) are schematic plan views for explaining the first input / output unit. この発明の第1のレーザレーダを示す概略的平面図である。1 is a schematic plan view showing a first laser radar of the present invention. この発明の第1のレーザレーダを示す図であり、図3に示す構造体を紙面の左側から見た概略的側面図である。It is a figure which shows the 1st laser radar of this invention, and is the schematic side view which looked at the structure shown in FIG. 3 from the left side of the paper surface. この発明の第2のレーザレーダを示す概略的平面図である。It is a schematic plan view which shows the 2nd laser radar of this invention. (A)は、図5に示す構造体を紙面の左側から見た概略的側面図であり、(B)は、図5に示す構造体を紙面の下側から見た概略的側面図である。(A) is the schematic side view which looked at the structure shown in FIG. 5 from the left side of a paper surface, (B) is the schematic side view which looked at the structure shown in FIG. 5 from the paper surface lower side. . (A)は、接続導波路部と第1入出力部との接続部分を説明するための概略的端面図であり、(B)は、接続導波路部と第1入出力部との接続部分を説明するための概略的平面図である。(A) is a schematic end view for explaining a connection portion between the connection waveguide portion and the first input / output portion, and (B) is a connection portion between the connection waveguide portion and the first input / output portion. It is a schematic plan view for demonstrating. (A)は、接続導波路部と第1入出力部との接続部分を説明するための概略的平面図であり、(B)は(A)に示す構造体をII-II線で切り取った概略的端面図である。(A) is a schematic plan view for demonstrating the connection part of a connection waveguide part and a 1st input / output part, (B) is the structure shown to (A) cut out by the II-II line | wire It is a schematic end view. この発明の第3のレーザレーダを示す概略的平面図である。It is a schematic plan view which shows the 3rd laser radar of this invention.

以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明するが、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係については、この発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例につき説明するが、各構成要素の材質及び数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の構成の範囲を逸脱せずにこの発明の効果を達成できる多くの変更又は変形を行うことができる。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the shape, size, and arrangement relationship of each component are merely schematically shown to the extent that the present invention can be understood. In the following, a preferred configuration example of the present invention will be described. However, the material and numerical conditions of each component are merely preferred examples. Therefore, the present invention is not limited to the following embodiments, and many changes or modifications that can achieve the effects of the present invention can be made without departing from the scope of the configuration of the present invention.

(光導波路素子)
図1を参照して、この発明の第1の実施の形態による光導波路素子(以下、単に光導波路素子とも称する)について説明する。図1(A)は、光導波路素子を示す概略平面図である。なお、図1(A)では、後述する支持基板、クラッド及び電極を省略して示してある。図1(B)は、図1(A)に示す構造体をI−I線で切り取った概略的端面図である。
(Optical waveguide element)
With reference to FIG. 1, an optical waveguide device (hereinafter also simply referred to as an optical waveguide device) according to a first embodiment of the present invention will be described. FIG. 1A is a schematic plan view showing an optical waveguide element. Note that in FIG. 1A, a support substrate, a clad, and an electrode to be described later are omitted. FIG. 1B is a schematic end view of the structure shown in FIG. 1A taken along line II.

なお、以下の説明では、各構成要素について、光伝播方向に沿った方向を長さ方向とする。また、支持基板の厚さに沿った方向を厚さ方向とする。また、長さ方向及び厚さ方向に直交する方向を幅方向とする。   In the following description, for each component, the direction along the light propagation direction is the length direction. The direction along the thickness of the support substrate is the thickness direction. Moreover, let the direction orthogonal to a length direction and a thickness direction be a width direction.

光導波路素子100は、支持基板10とクラッド20と光導波路コア30と電極40を備えて構成されている。光導波路コア30は、第1入出力部31と、第2入出力部35と、第1入出力部31及び第2入出力部35間を並列に接続する、複数の細線導波路33−1〜n(nは正の整数)を含むアレイ導波路部32と、各細線導波路33−1〜nの中途に設けられた屈折率制御部34−1〜nとを含んでいる。第1入出力部31、アレイ導波路部32及び第2入出力部35は、共通の基準面Sに沿って形成されている。ここでは、基準面Sは、例えば支持基板10の上面に平行な面とすることができる。   The optical waveguide device 100 includes a support substrate 10, a clad 20, an optical waveguide core 30, and an electrode 40. The optical waveguide core 30 includes a first input / output unit 31, a second input / output unit 35, and a plurality of thin wire waveguides 33-1 that connect the first input / output unit 31 and the second input / output unit 35 in parallel. To n (n is a positive integer), and refractive index control units 34-1 to n provided in the middle of the thin wire waveguides 33-1 to 33-n. The first input / output unit 31, the arrayed waveguide unit 32, and the second input / output unit 35 are formed along a common reference plane S. Here, the reference plane S can be a plane parallel to the upper surface of the support substrate 10, for example.

光導波路素子100は、例えばレーザレーダの送信部や受信部として利用される。ここでは、一例として、光導波路素子100を送信部として利用する場合の構成例について説明する。この場合には、光導波路素子100は、第1入出力部31において、基準面Sから外れる位置にある例えばパルス光源等の発光素子(以下、パルス光源とも称する)と接続される。   The optical waveguide device 100 is used, for example, as a transmitter or receiver of a laser radar. Here, as an example, a configuration example in which the optical waveguide device 100 is used as a transmission unit will be described. In this case, the optical waveguide element 100 is connected to a light emitting element such as a pulsed light source (hereinafter also referred to as a pulsed light source) at a position deviating from the reference plane S in the first input / output unit 31.

光導波路素子100では、パルス光源からの光は、第1入出力部31に入力される。第1入出力部31に入力された光は、n分岐され、アレイ導波路部32の各細線導波路33−1〜nに送られる。各細線導波路33−1〜nを伝播する光には、屈折率制御部34−1〜nにおいて、それぞれ異なる変移量の位相変移が与えられる(すなわち位相が制御される)。各細線導波路33−1〜nを伝播する、位相制御された光は、第2入出力部35で合波され、照射光として出力される。   In the optical waveguide device 100, light from the pulse light source is input to the first input / output unit 31. The light input to the first input / output unit 31 is branched into n and sent to the thin wire waveguides 33-1 to 33-n of the arrayed waveguide unit 32. The light propagating through each of the thin wire waveguides 33-1 to 33-n is given a phase shift with a different amount of shift (that is, the phase is controlled) in the refractive index control units 34-1 to 34-n. The phase-controlled light that propagates through each of the thin wire waveguides 33-1 to 33-n is combined at the second input / output unit 35 and output as irradiation light.

支持基板10は、例えば単結晶Siを材料とした平板状体で構成されている。   The support substrate 10 is composed of a flat plate made of, for example, single crystal Si.

クラッド20は、支持基板10上に、支持基板10の上面を被覆し、かつ光導波路コア30を包含して形成されている。クラッド20は、例えばSiOを材料として形成されている。 The clad 20 is formed on the support substrate 10 so as to cover the upper surface of the support substrate 10 and include the optical waveguide core 30. The clad 20 is formed using, for example, SiO 2 as a material.

光導波路コア30は、クラッド20よりも高い屈折率を有するSiを材料として形成されている。その結果、光導波路コア30は、光の伝送路として機能し、光導波路コア30に入力された光が光導波路コア30の平面形状に応じた伝播方向に伝播する。   The optical waveguide core 30 is made of Si having a higher refractive index than that of the cladding 20. As a result, the optical waveguide core 30 functions as a light transmission path, and light input to the optical waveguide core 30 propagates in a propagation direction corresponding to the planar shape of the optical waveguide core 30.

なお、伝播する光が支持基板10へ逃げるのを防止するために、光導波路コア30は、支持基板10から例えば少なくとも3μm以上離間して形成されているのが好ましい。   In order to prevent the propagating light from escaping to the support substrate 10, the optical waveguide core 30 is preferably formed to be separated from the support substrate 10 by at least 3 μm, for example.

第1入出力部31は、グレーティングカプラとして構成されている。図2を参照して、第1入出力部31について説明する。図2(A)は、第1入出力部31を説明するための概略的端面図であり、第1入出力部31を長さ方向に沿って切り取った端面を示している。   The first input / output unit 31 is configured as a grating coupler. The first input / output unit 31 will be described with reference to FIG. FIG. 2A is a schematic end view for explaining the first input / output unit 31, and shows an end surface obtained by cutting the first input / output unit 31 along the length direction.

第1入出力部31には、グレーティングが形成されている。グレーティングは、第1入出力部31に格子溝51を形成することによって形成されている。格子溝51は、第1入出力部31の上面から、厚さ方向の中途まで穿たれて形成されている。また、格子溝51は、長さ方向に沿って周期的に複数形成されている。グレーティングは、基準面Sから外れる位置にあるパルス光源から入力される光(すなわち基準面Sと交差する方向に伝播する光)を回折して、基準面Sに沿った方向に伝播する光と結合させる。   A grating is formed in the first input / output unit 31. The grating is formed by forming a lattice groove 51 in the first input / output unit 31. The lattice groove 51 is formed by being drilled from the upper surface of the first input / output part 31 to the middle in the thickness direction. A plurality of lattice grooves 51 are periodically formed along the length direction. The grating diffracts light (that is, light propagating in a direction crossing the reference plane S) input from a pulse light source located at a position away from the reference plane S, and couples it with light propagating in the direction along the reference plane S. Let

また、第1入出力部31の他の構成例として、図2(B)に示すように、各細線導波路33−1〜nの端部にグレーティングを形成し、グレーティングカプラとしての第1入出力部31を構成することもできる。図2(B)は、各細線導波路33−1〜nの端部にグレーティングカプラとしての第1入出力部31を形成した場合の構成例を示す概略的平面図である。図2(B)では、支持基板及びクラッドを省略して示してある。   As another configuration example of the first input / output unit 31, as shown in FIG. 2B, a grating is formed at the end of each of the thin wire waveguides 33-1 to 33-n, so that the first input as a grating coupler is formed. The output unit 31 can also be configured. FIG. 2B is a schematic plan view showing a configuration example when the first input / output unit 31 as a grating coupler is formed at the end of each of the thin wire waveguides 33-1 to 33-n. In FIG. 2B, the support substrate and the clad are omitted.

グレーティングは、各細線導波路33−1〜nの端部に格子溝52a及び52bを形成することによって形成されている。格子溝52aは、細線導波路33−1〜nの一方の側面に、長さ方向に沿って周期的に複数形成されている。格子溝52bは、細線導波路33−1〜nの他方の側面に、長さ方向に沿って格子溝52aと同一周期で周期的に複数形成されている。   The grating is formed by forming lattice grooves 52a and 52b at the end portions of the thin wire waveguides 33-1 to 33-n. A plurality of grating grooves 52a are periodically formed along the length direction on one side surface of the thin wire waveguides 33-1 to 33-n. A plurality of grating grooves 52b are periodically formed on the other side surface of the thin wire waveguides 33-1 to 33-n at the same period as the grating grooves 52a along the length direction.

さらに、第1入出力部31に形成するグレーティングの他の構成例として、図2(C)に示すように、フォトニック結晶を用いることもできる。図2(C)は、第1入出力部31としてフォトニック結晶を形成した場合の構成例を示す概略的平面図である。図2(C)では、支持基板及びクラッドを省略して示してある。   Furthermore, as another configuration example of the grating formed in the first input / output unit 31, a photonic crystal can be used as shown in FIG. FIG. 2C is a schematic plan view illustrating a configuration example when a photonic crystal is formed as the first input / output unit 31. In FIG. 2C, the support substrate and the clad are omitted.

フォトニック結晶は、第1入出力部31に空孔53を形成することによって構成されている。空孔53は、第1入出力部31を上面から下面まで貫通して形成されている。また、空孔53は、複数列形成されている。そして、空孔53は、各列において長さ方向に沿って周期的に複数形成されている。   The photonic crystal is configured by forming holes 53 in the first input / output unit 31. The hole 53 is formed so as to penetrate the first input / output unit 31 from the upper surface to the lower surface. The holes 53 are formed in a plurality of rows. A plurality of holes 53 are periodically formed along the length direction in each row.

アレイ導波路部32に含まれる各細線導波路33−1〜nは、ここでは、曲線導波路及び直線導波路を組み合わせて形成されている。細線導波路33−1〜nは、例えば厚さ及び幅を数百nm程度の小さい寸法とすることができる。   Each of the thin wire waveguides 33-1 to 3 to n included in the arrayed waveguide portion 32 is formed by combining a curved waveguide and a straight waveguide. The thin wire waveguides 33-1 to 33-n can have a thickness and a width as small as about several hundred nm, for example.

各細線導波路33−1〜nと第1入出力部31との各間には、テーパ部36−1〜nが設けられている。テーパ部36−1〜nは、第1入出力部31と接続された一端から、細線導波路33−1〜nと接続された他端まで、連続的に幅が縮小するテーパ形状とされている。テーパ部36−1〜nの、細線導波路33−1〜nと接続された他端の幅は、細線導波路33−1〜nの幅と一致するように設計されている。テーパ部36−1〜nを設けることによって、第1入出力部31及び各細線導波路33−1〜n間を伝播する光の反射を緩和することができる。なお、第1入出力部31として図2(B)に係るグレーティングカプラを用いる場合には、テーパ部36−1〜nを省略することができる。   Tapered portions 36-1 to 36 -n are provided between the thin wire waveguides 33-1 to 3 -n and the first input / output unit 31. The taper portions 36-1 to 36-n are tapered so that the width continuously decreases from one end connected to the first input / output unit 31 to the other end connected to the thin wire waveguides 33-1 to 33-n. Yes. The widths of the other ends of the taper portions 36-1 to 36-n connected to the thin wire waveguides 33-1 to 33-n are designed to coincide with the widths of the thin wire waveguides 33-1 to 33-n. By providing the taper portions 36-1 to 36-n, reflection of light propagating between the first input / output unit 31 and the thin wire waveguides 33-1 to 33-n can be reduced. When the grating coupler according to FIG. 2B is used as the first input / output unit 31, the tapered portions 36-1 to 36-n can be omitted.

屈折率制御部34−1〜nは、各細線導波路33−1〜nの中途に、後述する電極40の直下の領域として設定されている。屈折率制御部34−1〜nでは、電極40の作用により、細線導波路33−1〜nを伝播する光に対して、それぞれ異なる変移量の位相変移が与えられる。   The refractive index controllers 34-1 to 3-4-n are set as regions immediately below the electrodes 40 to be described later in the middle of the thin-line waveguides 33-1 to 3-n. In the refractive index control units 34-1 to 34-n, the phase shifts of different amounts of shift are given to the light propagating through the thin wire waveguides 33-1 to 33-n by the action of the electrodes 40.

第2入出力部35は、グレーティングカプラとして構成されている。第2入出力部35には、第1入出力部31と同様にグレーティングが形成されている。グレーティングは、基準面Sに沿った方向に伝播する光を回折して、基準面Sと交差する方向に伝播する光と結合させる。この結果、第2入出力部35は、アレイ導波路部32から送られる光を、照射光として、基準面Sから外れる方向に出力する。照射光は、細線導波路33−1〜nの屈折率制御部34−1〜nで与えられた位相変移に応じて、幅方向(図1(A)にx方向として示す)における進行方向が定まる。従って、各屈折率制御部34−1〜nにおいて、光の位相変移を制御することによって、x方向を走査する照射光を出力することができる。   The second input / output unit 35 is configured as a grating coupler. A grating is formed in the second input / output unit 35 as in the first input / output unit 31. The grating diffracts the light propagating in the direction along the reference plane S and combines it with the light propagating in the direction intersecting the reference plane S. As a result, the second input / output unit 35 outputs the light transmitted from the arrayed waveguide unit 32 in the direction away from the reference plane S as irradiation light. The traveling direction of the irradiation light in the width direction (shown as the x direction in FIG. 1A) depends on the phase shift given by the refractive index control units 34-1 to 3-4 of the thin wire waveguides 33-1 to 33-n. Determined. Therefore, in each of the refractive index control units 34-1 to 34-n, irradiation light for scanning in the x direction can be output by controlling the phase shift of the light.

第2入出力部35と各細線導波路33−1〜nとの各間には、テーパ部37−1〜nが設けられている。テーパ部37−1〜nは、細線導波路33−1〜nと接続された一端から、第2入出力部35と接続された他端まで、連続的に幅が拡大するテーパ形状とされている。テーパ部37−1〜nの、細線導波路33−1〜nと接続された一端の幅は、細線導波路33−1〜nの幅と一致するように設計されている。テーパ部37−1〜nを設けることによって、各細線導波路33−1〜n及び第2入出力部35間を伝播する光の反射を緩和することができる。   Tapered portions 37-1 to 37 -n are provided between the second input / output unit 35 and the thin wire waveguides 33-1 to 33 -n. The tapered portions 37-1 to 37-n are tapered so that the width continuously increases from one end connected to the thin wire waveguides 33-1 to 33-n to the other end connected to the second input / output unit 35. Yes. The widths of the ends of the taper portions 37-1 to 37-n connected to the thin wire waveguides 33-1 to 33-n are designed to coincide with the widths of the thin wire waveguides 33-1 to 33-n. By providing the taper portions 37-1 to 37-n, reflection of light propagating between the thin wire waveguides 33-1 to 33-n and the second input / output unit 35 can be reduced.

電極40−1〜nは、クラッド20を介して、屈折率制御部34−1〜nを被覆する位置に形成される。電極40−1〜nに電流を流すことでジュール熱を発生させることができる。そして、この発熱による熱光学効果によって、屈折率制御部34−1〜nの屈折率を変化させることができる。その結果、屈折率制御部34−1〜nを伝播する光の位相を変移させることができる。   The electrodes 40-1 to 40-n are formed at positions that cover the refractive index control units 34-1 to 3-n via the clad 20. Joule heat can be generated by passing a current through the electrodes 40-1 to 40-n. The refractive index of the refractive index control units 34-1 to 34-1 can be changed by the thermo-optic effect due to the heat generation. As a result, the phase of light propagating through the refractive index control units 34-1 to 34-1 can be shifted.

以上に説明した光導波路素子100では、パルス光源からの光が、グレーティングカプラとして構成された第1入出力部31を経て、各細線導波路33−1〜nに入力される。そして、パルス光源からの光の強度及び細線導波路33−1〜nの耐性に応じて、細線導波路33−1〜nの設置数を決定し、光を分岐する。従って、パルス光源からの光を、寸法の小さい細線導波路33−1〜nに直接入力する場合と異なり、光導波路素子100では、二光子吸収が生じるのを抑制することができる。従って、光導波路素子100は、高強度の光に対する耐性が強く、例えばレーザレーダの送信部に用いた場合であっても、光導波路の劣化という問題を防止できる。   In the optical waveguide device 100 described above, the light from the pulse light source is input to the thin wire waveguides 33-1 to 33-n via the first input / output unit 31 configured as a grating coupler. And according to the intensity | strength of the light from a pulse light source, and the tolerance of the thin wire | line waveguides 33-1 to 3-n, the installation number of the thin wire | line waveguides 33-1 to 3-n is determined, and light is branched. Therefore, unlike the case where the light from the pulse light source is directly input to the small-sized waveguides 33-1 to 33-n, the optical waveguide device 100 can suppress the two-photon absorption. Therefore, the optical waveguide element 100 has high resistance to high-intensity light, and can prevent the problem of deterioration of the optical waveguide even when it is used, for example, in a laser radar transmitter.

ここで、パルス光源からの光は数〜数十Wの強度であるのに対し、Si導波路の光強度に対する耐性は200mW程度が限界である。このため、20本以上の細線導波路33−1〜nを形成するのが好ましい。また、第2入出力部35から出力される照射光の、基準面Sに対する出力角度は、隣り合う細線導波路33−1〜n間の離間距離をD、及び波長をλとして、λ/D程度となる。従って、細線導波路33−1〜n間の離間距離Dを小さく設計することによって、出力角度(x方向に沿った、基準面Sと出力光との間の角度)を大きくとることができる。ここでは、細線導波路33−1〜n間の離間距離Dを数μmとすることができる。   Here, the light from the pulse light source has an intensity of several to several tens of watts, whereas the resistance to the light intensity of the Si waveguide is limited to about 200 mW. For this reason, it is preferable to form 20 or more fine wire waveguides 33-1 to 33-n. The output angle of the irradiation light output from the second input / output unit 35 with respect to the reference plane S is λ / D, where D is the separation distance between adjacent thin wire waveguides 33-1 to 33-n, and λ is the wavelength. It will be about. Therefore, the output angle (the angle between the reference plane S and the output light along the x direction) can be increased by designing the separation distance D between the thin wire waveguides 33-1 to 33-n to be small. Here, the separation distance D between the thin wire waveguides 33-1 to 33-n can be set to several μm.

(第1のレーザレーダ)
図3及び図4を参照して、この発明の第2の実施の形態によるレーザレーダ(以下、第1のレーザレーダとも称する)について説明する。ここでは、上述した光導波路素子100を、レーザレーダの送信部として利用した場合の構成について説明する。そこで、図3及び図4には、第1のレーザレーダの送信部のみを示す。図3は、第1のレーザレーダを示す概略的平面図である。なお、図3では、クラッド及び電極を省略して示してある。図4は、図3に示す構造体を紙面の左側から見た概略的側面図である。なお、図4では、支持基板、光導波路素子の第2入出力部及び後述するレンズのみを示してあり、その他の構成要素を省略してある。第1のレーザレーダは、上述した光導波路素子100(図1参照)を備えて構成されるため、光導波路素子100については、共通する構成要素は同一の符号を付し、その説明を省略する。
(First laser radar)
A laser radar (hereinafter also referred to as a first laser radar) according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. Here, a configuration when the above-described optical waveguide device 100 is used as a transmission unit of a laser radar will be described. 3 and 4 show only the transmission unit of the first laser radar. FIG. 3 is a schematic plan view showing the first laser radar. In FIG. 3, the cladding and the electrodes are omitted. FIG. 4 is a schematic side view of the structure shown in FIG. 3 as viewed from the left side of the drawing. In FIG. 4, only the support substrate, the second input / output unit of the optical waveguide element, and a lens described later are shown, and other components are omitted. Since the first laser radar is configured to include the above-described optical waveguide device 100 (see FIG. 1), common components of the optical waveguide device 100 are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted. .

第1のレーザレーダ200は、送信部として、複数の光導波路素子100、各光導波路素子100に一対一対応して接続される複数のパルス光源110、及びレンズ120を備えて構成されている。図3では、第1のレーザレーダ200が、4つの光導波路素子100−1〜4及びこれらに対応する4つのパルス光源110−1〜4を備える構成例を示している。   The first laser radar 200 includes a plurality of optical waveguide elements 100, a plurality of pulse light sources 110 connected to the respective optical waveguide elements 100 in a one-to-one correspondence, and a lens 120 as a transmission unit. FIG. 3 shows a configuration example in which the first laser radar 200 includes four optical waveguide elements 100-1 to 100-4 and four pulse light sources 110-1 to 110-4 corresponding thereto.

光導波路素子100−1〜4の各光導波路コア30は、共通の支持基板10上に、共通の基準面S(図1(B)参照)に沿って形成されている。また、各光導波路コア30は、共通のクラッド20(図1(B)参照)に包含されて形成されている。   Each optical waveguide core 30 of the optical waveguide elements 100-1 to 100-4 is formed on a common support substrate 10 along a common reference plane S (see FIG. 1B). Each optical waveguide core 30 is formed so as to be included in a common clad 20 (see FIG. 1B).

光導波路素子100−1〜4は、上述した屈折率制御部34−1〜nを用いた位相制御による照射光の走査方向(x方向)の向きを揃えて設けられている。さらに、光導波路素子100−1〜4は、それぞれの第2入出力部35がx方向に直交する方向(y方向)に沿って並ぶように配置されている。なお、図3では、各第2入出力部35がy方向に沿って一直線状に並ぶ例を示しているが、光導波路素子100−1〜4の配置はこれに限られない。光導波路素子100−1〜4の配置は、各第2入出力部35からの照射光によってy方向の走査を行うべく、第2入出力部35がy方向に沿って配置されていればよい。例えば、第2入出力部35がy方向に沿って2列に千鳥状に並ぶように、光導波路素子100−1〜4を配置することもできる。   The optical waveguide elements 100-1 to 100-4 are provided in the same direction in the scanning direction (x direction) of irradiation light by phase control using the above-described refractive index control units 34-1 to 3-4-n. Furthermore, the optical waveguide elements 100-1 to 100-4 are arranged such that the respective second input / output units 35 are arranged along a direction (y direction) orthogonal to the x direction. 3 shows an example in which the second input / output units 35 are arranged in a straight line along the y direction, the arrangement of the optical waveguide elements 100-1 to 100-4 is not limited to this. The optical waveguide elements 100-1 to 100-4 may be arranged as long as the second input / output unit 35 is arranged along the y direction so as to perform scanning in the y direction by the irradiation light from each second input / output unit 35. . For example, the optical waveguide elements 100-1 to 100-4 can be arranged so that the second input / output units 35 are arranged in a staggered pattern in two rows along the y direction.

パルス光源110−1〜4は、パルス光を生成し、それぞれ対応する光導波路素子100−1〜4の第1入出力部31に生成したパルス光を入力する。パルス光源110−1〜4は、基準面S(図1(B)参照)から外れる位置に設けられる。従って、パルス光源からの光は、基準面Sと交差する方向に伝播する。   The pulse light sources 110-1 to 110-4 generate pulsed light, and input the generated pulsed light to the first input / output units 31 of the corresponding optical waveguide elements 100-1 to 100-4, respectively. The pulse light sources 110-1 to 110-4 are provided at positions that deviate from the reference plane S (see FIG. 1B). Therefore, the light from the pulse light source propagates in the direction intersecting the reference plane S.

レンズ120は、光導波路素子100−1〜4の各第2入出力部35と空間的に重なる位置に、支持基板10の上面と対向して設けられている。各第2入出力部35から出力される照射光は、レンズ120に入力され、レンズ120の曲率に応じた方向へ出力される。   The lens 120 is provided to face the upper surface of the support substrate 10 at a position that spatially overlaps the second input / output units 35 of the optical waveguide elements 100-1 to 100-4. Irradiation light output from each second input / output unit 35 is input to the lens 120 and is output in a direction corresponding to the curvature of the lens 120.

光導波路素子100−1〜4の第2入出力部35のy方向における配置によって、各第2入出力部35からの照射光は、それぞれレンズ120への入力位置が異なる。このため、各第2入出力部35からの照射光は、レンズ120を経ることにより、それぞれy方向の出力方向が異なる。従って、第1のレーザレーダ200では、光導波路素子100を複数設け、y方向に沿って各第2入出力部35を配置することによって、照射光によるy方向の走査が可能となる。また、上述したように、屈折率制御部34−1〜nを用いた位相制御によって、照射光によるx方向の走査が可能である。   Depending on the arrangement of the second input / output units 35 in the y direction of the optical waveguide elements 100-1 to 100-4, the irradiation light from each second input / output unit 35 has a different input position to the lens 120. For this reason, the irradiation light from each 2nd input / output part 35 passes through the lens 120, respectively, and the output direction of ay direction differs. Therefore, in the first laser radar 200, by providing a plurality of optical waveguide elements 100 and disposing the second input / output units 35 along the y direction, scanning in the y direction with irradiation light becomes possible. Further, as described above, the scanning in the x direction by the irradiation light is possible by the phase control using the refractive index control units 34-1 to 34-n.

第1のレーザレーダ200を用いて対象物を検出する際には、パルス光源110−1〜4の一つを選択して駆動させる。そして、選択されたパルス光源110−1〜4からのパルス光を、対応する光導波路素子100−1〜4において、屈折率制御部34−1〜nを用いて位相制御することにより、対象物をx方向に走査する照射光として出力する。この動作を、パルス光源110−1〜4を順次に駆動させて行うことによって、対象物をy方向に走査しつつ、y方向の各位置でx方向にも走査することができる。このように、第1のレーザレーダ200では、照射光をx方向及びy方向に掃引して対象物に照射することができる。   When the target is detected using the first laser radar 200, one of the pulse light sources 110-1 to 110-4 is selected and driven. Then, the phase of the pulsed light from the selected pulsed light sources 110-1 to 110-4 is controlled in the corresponding optical waveguide elements 100-1 to 100-4 using the refractive index control units 34-1 to 34-n. Are output as irradiation light for scanning in the x direction. By performing this operation by sequentially driving the pulse light sources 110-1 to 110-4, it is possible to scan in the x direction at each position in the y direction while scanning the object in the y direction. As described above, the first laser radar 200 can irradiate the object by sweeping the irradiation light in the x direction and the y direction.

また、第1のレーザレーダ200では、支持基板10の、送信部とは別の領域に形成された受信部(図示せず)において、対象物からの反射光を受信する。第1のレーザレーダ200では、各光導波路素子100−1〜4から順次に照射光が出力されるため、対象物のy方向における各位置からの反射光が、時間をずらしてそれぞれ順次に受信される。   Further, in the first laser radar 200, reflected light from an object is received by a receiving unit (not shown) formed in a region different from the transmitting unit of the support substrate 10. In the first laser radar 200, since the irradiation light is sequentially output from each of the optical waveguide elements 100-1 to 100-4, the reflected light from each position in the y direction of the object is sequentially received at different times. Is done.

従って、受信した時間によって、対象物のy方向におけるいずれの位置からの反射光かを識別することができる。そして、各時間で受信した反射光を合わせることによって、対象物の大きさ、形状、又は対象物との距離等を検出することができる。   Therefore, the reflected light from which position in the y direction of the object can be identified based on the received time. Then, by combining the reflected light received at each time, it is possible to detect the size, shape, distance from the object, and the like.

(第2のレーザレーダ)
図5及び図6を参照して、この発明の第3の実施の形態によるレーザレーダ(以下、第2のレーザレーダとも称する)について説明する。ここでは、上述した光導波路素子100を、レーザレーダの送信部として利用した場合の構成について説明する。そこで、図5及び図6には、第2のレーザレーダの送信部のみを示す。図5は、第2のレーザレーダを示す概略的平面図である。なお、図5では、クラッド及び電極を省略して示してある。図6(A)は、図5に示す構造体を紙面の左側から見た概略的側面図である。また、図6(B)は、図5に示す構造体を紙面の下側から見た概略的側面図である。なお、図6では、支持基板、光導波路素子の第2入出力部、レンズ及び後述する遮光板のみを示してあり、その他の構成要素を省略してある。第2のレーザレーダは、上述した光導波路素子100(図1参照)を備えて構成されるため、光導波路素子100については、共通する構成要素は同一の符号を付し、その説明を省略する。また、上述した第1のレーザレーダ200と共通する構成要素についても同一の符号を付し、その説明を省略する。
(Second laser radar)
A laser radar according to a third embodiment of the present invention (hereinafter also referred to as a second laser radar) will be described with reference to FIGS. Here, a configuration when the above-described optical waveguide device 100 is used as a transmission unit of a laser radar will be described. Therefore, FIGS. 5 and 6 show only the transmitter of the second laser radar. FIG. 5 is a schematic plan view showing the second laser radar. In FIG. 5, the cladding and the electrodes are omitted. FIG. 6A is a schematic side view of the structure shown in FIG. 5 viewed from the left side of the drawing. FIG. 6B is a schematic side view of the structure shown in FIG. 5 viewed from the lower side of the drawing. In FIG. 6, only the support substrate, the second input / output unit of the optical waveguide element, the lens, and a light shielding plate described later are shown, and other components are omitted. Since the second laser radar is configured to include the above-described optical waveguide device 100 (see FIG. 1), common components of the optical waveguide device 100 are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted. . Also, the same reference numerals are given to the components common to the first laser radar 200 described above, and the description thereof is omitted.

第2のレーザレーダ300は、送信部として、複数の光導波路素子100、一つのパルス光源110、接続導波路部130、レンズ120及び遮光板140を備えて構成されている。図5では、第2のレーザレーダ300が、4つの光導波路素子100−1〜4を備える構成例を示している。   The second laser radar 300 includes a plurality of optical waveguide elements 100, one pulse light source 110, a connection waveguide unit 130, a lens 120, and a light shielding plate 140 as a transmission unit. FIG. 5 shows a configuration example in which the second laser radar 300 includes four optical waveguide elements 100-1 to 100-4.

接続導波路部130は、光導波路素子100−1〜4の各光導波路コア30と共通の支持基板10上に形成されている。また、接続導波路部130は、各光導波路コア30と共通のクラッド20に包含されて形成されている。   The connection waveguide section 130 is formed on the support substrate 10 common to the optical waveguide cores 30 of the optical waveguide elements 100-1 to 100-4. Further, the connection waveguide section 130 is formed so as to be included in the clad 20 common to each optical waveguide core 30.

接続導波路部130は、クラッド20よりも高い屈折率を有し、かつ光導波路コア30よりも低い屈折率を有する、例えばSiO(xは正の整数)又はSiNを材料として形成されている。その結果、接続導波路部130は、光の伝送路として機能し、接続導波路部130に入力された光が接続導波路部130の平面形状に応じた伝播方向に伝播する。また、光導波路コア30よりも屈折率が低いため、接続導波路部130の厚さ及び幅は1μm以上と、光導波路コア30よりも大きく設計される。 The connection waveguide section 130 has a refractive index higher than that of the clad 20 and a refractive index lower than that of the optical waveguide core 30. For example, the connection waveguide section 130 is made of SiO x (x is a positive integer) or SiN. . As a result, the connection waveguide section 130 functions as a light transmission path, and light input to the connection waveguide section 130 propagates in a propagation direction according to the planar shape of the connection waveguide section 130. Further, since the refractive index is lower than that of the optical waveguide core 30, the thickness and width of the connection waveguide portion 130 are designed to be 1 μm or larger and larger than the optical waveguide core 30.

接続導波路部130は、パルス光源110と各光導波路素子100−1〜4の第1入出力部31との各間を接続している。従って、パルス光源110からの光は、接続導波路部130を経て、各光導波路素子100−1〜4の第1入出力部31に分配される。   The connection waveguide part 130 connects between the pulse light source 110 and the first input / output part 31 of each of the optical waveguide elements 100-1 to 100-4. Therefore, the light from the pulse light source 110 is distributed to the first input / output units 31 of the respective optical waveguide devices 100-1 to 4 through the connection waveguide unit 130.

上述したように、接続導波路部130は光導波路コア30よりも大きいため、二光子吸収の影響が小さい。そのため、パルス光源110と接続導波路部130とは、グレーティングカプラ等の光分配機構を有した入出力部を用いることなく、端面結合等により直接接続することができる。   As described above, since the connection waveguide section 130 is larger than the optical waveguide core 30, the influence of two-photon absorption is small. Therefore, the pulse light source 110 and the connection waveguide section 130 can be directly connected by end face coupling or the like without using an input / output section having a light distribution mechanism such as a grating coupler.

接続導波路部130の、第1入出力部31と接続された端部は、第1入出力部31を包含している。図7を参照して、接続導波路部130と第1入出力部31との接続について説明する。図7(A)は、接続導波路部130と第1入出力部31との接続部分を説明するための概略的端面図であり、接続導波路部130及び第1入出力部31を長さ方向に沿って切り取った端面を示している。   An end portion of the connection waveguide unit 130 connected to the first input / output unit 31 includes the first input / output unit 31. With reference to FIG. 7, the connection between the connection waveguide unit 130 and the first input / output unit 31 will be described. FIG. 7A is a schematic end view for explaining a connection portion between the connection waveguide section 130 and the first input / output section 31. The connection waveguide section 130 and the first input / output section 31 are long. The end surface cut out along the direction is shown.

第1入出力部31は、接続導波路部130の端部に包含されている。このように、接続導波路部130で第1入出力部31を包含することによって、接続導波路部130を伝播する光が、接続導波路部130よりも屈折率が高い第1入出力部31へ移行する。第1入出力部31へ移行した光は、グレーティングカプラとしての第1入出力部31において回折され、細線導波路33−1〜nへ送られる。   The first input / output unit 31 is included at the end of the connection waveguide unit 130. As described above, by including the first input / output unit 31 in the connection waveguide unit 130, the light that propagates through the connection waveguide unit 130 has a higher refractive index than the connection waveguide unit 130. Migrate to The light transferred to the first input / output unit 31 is diffracted by the first input / output unit 31 serving as a grating coupler, and sent to the thin wire waveguides 33-1 to 33-n.

接続導波路部130と第1入出力部31との接続において、第1入出力部31をグレーティングカプラに代えて、スポットサイズ変換器とすることもできる。この場合の構成を図7(B)に示す。図7(B)は、第1入出力部31をスポットサイズ変換器とした場合の、接続導波路部130と第1入出力部31との接続部分を説明するための概略的平面図である。図7(B)では、支持基板及びクラッドを省略し、かつ接続導波路部130を透明としてある。   In the connection between the connection waveguide section 130 and the first input / output section 31, the first input / output section 31 can be replaced with a grating coupler and can be a spot size converter. The structure in this case is shown in FIG. FIG. 7B is a schematic plan view for explaining a connection portion between the connection waveguide section 130 and the first input / output section 31 when the first input / output section 31 is a spot size converter. . In FIG. 7B, the support substrate and the clad are omitted, and the connection waveguide section 130 is transparent.

図7(B)に係る構成例では、第1入出力部31は、各細線導波路33−1〜nの端部にテーパ部54−1〜nを形成することで構成される。テーパ部54−1〜nは、接続導波路部130側の一端から、細線導波路33−1〜n側の他端まで、連続的に幅が拡大するテーパ形状とされている。テーパ部54−1〜nの、細線導波路33−1〜n側の他端の幅は、細線導波路33−1〜nの幅と一致するように設計されている。   In the configuration example according to FIG. 7B, the first input / output unit 31 is configured by forming tapered portions 54-1 to n at the end portions of the thin wire waveguides 33-1 to n. The taper portions 54-1 to 54-n are tapered so that the width continuously increases from one end on the connection waveguide portion 130 side to the other end on the narrow wire waveguides 33-1 to n-side. The widths of the other ends of the taper portions 54-1 to n on the thin wire waveguides 33-1 to n are designed to coincide with the widths of the thin wire waveguides 33-1 to 33-n.

このような構造により、接続導波路部130を伝播する光は、徐々にテーパ部54−1〜nに移行する。テーパ部54−1〜nは、接続導波路部130よりも屈折率が高いため、接続導波路部130からテーパ部54−1〜nへ移行する光は、モードフィールド径(MFD:Mode Field Diameter)が縮小され、細線導波路33−1〜nへ送られる。なお、第1入出力部31として、図7(B)の構成例のスポットサイズ変換器を用いる場合には、上述したテーパ部36−1〜nを省略することができる。   With such a structure, light propagating through the connection waveguide section 130 gradually shifts to the taper sections 54-1 to 54-n. Since the taper portions 54-1 to 54-n have a higher refractive index than that of the connection waveguide portion 130, light that moves from the connection waveguide portion 130 to the taper portions 54-1 to 54-n has a mode field diameter (MFD: Mode Field Diameter). ) Is reduced and sent to the thin wire waveguides 33-1 to 33-n. In addition, when using the spot size converter of the structural example of FIG.7 (B) as the 1st input / output part 31, taper part 36-1 to n mentioned above can be abbreviate | omitted.

さらに、第1入出力部31をスポットサイズ変換器とする場合の他の構成例として、第1入出力部31の厚さが変化する構成とすることもできる。この場合の構成を図8に示す。図8(A)は、第1入出力部31をスポットサイズ変換器とした場合の、接続導波路部130と第1入出力部31との接続部分を説明するための概略的平面図である。図8(A)では、支持基板及びクラッドを省略し、かつ接続導波路部130を透明としてある。図8(B)は、図8(A)に示す構造体をII−II線で切り取った概略的端面図である。   Furthermore, as another configuration example in which the first input / output unit 31 is a spot size converter, a configuration in which the thickness of the first input / output unit 31 is changed can be employed. The configuration in this case is shown in FIG. FIG. 8A is a schematic plan view for explaining a connection portion between the connection waveguide section 130 and the first input / output section 31 when the first input / output section 31 is a spot size converter. . In FIG. 8A, the support substrate and the clad are omitted, and the connection waveguide section 130 is transparent. FIG. 8B is a schematic end view of the structure shown in FIG. 8A taken along the line II-II.

図8に係る構成例では、第1入出力部31は、接続導波路部130側の一端から、テーパ部36−1〜n側の他端まで、連続的に厚さが拡大するテーパ形状とされている。第1入出力部31の、テーパ部36−1〜n側の他端の厚さは、テーパ部36−1〜nの厚さ(すなわち細線導波路33−1〜nの厚さ)と一致するように設計されている。   In the configuration example according to FIG. 8, the first input / output unit 31 has a tapered shape whose thickness continuously increases from one end on the connection waveguide unit 130 side to the other end on the taper unit 36-1 to n side. Has been. The thickness of the other end of the first input / output part 31 on the taper part 36-1 to n side coincides with the thickness of the taper part 36-1 to n (that is, the thickness of the thin wire waveguides 33-1 to 33-n). Designed to be.

このような構造により、接続導波路部130を伝播する光は、徐々に第1入出力部31に移行する。第1入出力部31は、接続導波路部130よりも屈折率が高いため、接続導波路部130から第1入出力部31へ移行する光は、MFDが縮小され、テーパ部36−1〜nを経て細線導波路33−1〜nへ送られる。   With such a structure, the light propagating through the connection waveguide unit 130 gradually shifts to the first input / output unit 31. Since the first input / output unit 31 has a refractive index higher than that of the connection waveguide unit 130, the light that moves from the connection waveguide unit 130 to the first input / output unit 31 has a reduced MFD, and the tapered units 36-1 to 36-1. It is sent to the thin wire waveguides 33-1 to n through n.

遮光板140は、光導波路素子100−1〜4の各第2入出力部35とレンズ120との各間において、第2入出力部35からレンズ120への光の光路のうちの一部の光路と交差する位置に配置される。これによって、各第2入出力部35からの照射光のうち、遮光板140と交差する方向へ出力される照射光は、遮光板140によって遮られる。ここでは、第2入出力部35からレンズ120のy方向に沿った一端側の領域への光の光路と交差する位置に、遮光板140が配置されている。従って、x方向における座標x=0への照射光(基点状態)は、遮光板140によって遮られ、レンズ120に到達しない。   The light shielding plate 140 is a part of the optical path of light from the second input / output unit 35 to the lens 120 between each of the second input / output units 35 of the optical waveguide elements 100-1 to 100-4 and the lens 120. It is arranged at a position that intersects the optical path. Thereby, of the irradiation light from each second input / output unit 35, the irradiation light output in a direction intersecting with the light shielding plate 140 is blocked by the light shielding plate 140. Here, the light shielding plate 140 is disposed at a position that intersects the optical path of light from the second input / output unit 35 to the region on one end side along the y direction of the lens 120. Therefore, the irradiation light (base point state) at the coordinate x = 0 in the x direction is blocked by the light blocking plate 140 and does not reach the lens 120.

第2のレーザレーダ300を用いて対象物を検出する際には、パルス光源110を駆動させる。そして、選択した一つの光導波路素子100において、屈折率制御部34−1〜nを用いて位相制御することにより、対象物をx方向に走査する照射光として出力する。このとき、x方向の走査を行う光導波路素子100以外の光導波路素子100は、屈折率制御部34−1〜nを用いて位相制御することにより、照射光を遮光板140と交差する方向へ出力する。これによって、ある時間において、x方向の走査を行う光導波路素子100からの照射光のみがレンズ120を経て出力され、これ以外の光導波路素子100からの照射光は、遮光板140によって遮られる。そして、光導波路素子100−1〜4を順次に選択して、x方向の走査を行うことによって、対象物をy方向に走査しつつ、y方向の各位置でx方向にも走査することができる。このように、第2のレーザレーダ300では、複数のパルス光源110を備えることなく、照射光をx方向及びy方向に掃引して対象物に照射することができる。従って、第2のレーザレーダ300は、省電力の観点で有利である。また、パルス光源110は、一般的に高価であるため、複数のパルス光源110を要しない第2のレーザレーダ300は、コストの観点においても有利である。   When detecting an object using the second laser radar 300, the pulsed light source 110 is driven. Then, in one selected optical waveguide device 100, phase control is performed using the refractive index control units 34-1 to 34-n, so that the object is output as irradiation light for scanning in the x direction. At this time, the optical waveguide elements 100 other than the optical waveguide element 100 that performs scanning in the x direction perform phase control using the refractive index control units 34-1 to 34-n, so that the irradiation light crosses the light shielding plate 140. Output. Accordingly, only light irradiated from the optical waveguide element 100 that performs scanning in the x direction is output through the lens 120 at a certain time, and light irradiated from other optical waveguide elements 100 is blocked by the light shielding plate 140. Then, by sequentially selecting the optical waveguide elements 100-1 to 100-4 and scanning in the x direction, it is possible to scan in the x direction at each position in the y direction while scanning the object in the y direction. it can. Thus, the second laser radar 300 can irradiate the object by sweeping the irradiation light in the x direction and the y direction without providing the plurality of pulse light sources 110. Therefore, the second laser radar 300 is advantageous from the viewpoint of power saving. In addition, since the pulse light source 110 is generally expensive, the second laser radar 300 that does not require a plurality of pulse light sources 110 is advantageous in terms of cost.

(第3のレーザレーダ)
図9を参照して、この発明の第4の実施の形態によるレーザレーダ(以下、第3のレーザレーダとも称する)について説明する。ここでは、上述した光導波路素子100を、レーザレーダの送信部として利用した場合の構成について説明する。そこで、図9には、第3のレーザレーダの送信部のみを示す。図9は、第3のレーザレーダを示す概略的平面図である。なお、図9では、クラッド及び電極を省略して示してある。第3のレーザレーダは、上述した光導波路素子100(図1参照)を備えて構成されるため、光導波路素子100については、共通する構成要素は同一の符号を付し、その説明を省略する。また、
第3のレーザレーダは、上述した第2のレーザレーダと、遮光板を省略する点及び遅延線を追加する点で相違する。その他の構成要素については、第2のレーザレーダと同様であるため、共通する構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
(Third laser radar)
A laser radar (hereinafter also referred to as a third laser radar) according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. Here, a configuration when the above-described optical waveguide device 100 is used as a transmission unit of a laser radar will be described. FIG. 9 shows only the transmission unit of the third laser radar. FIG. 9 is a schematic plan view showing a third laser radar. In FIG. 9, the cladding and the electrodes are omitted. Since the third laser radar is configured to include the above-described optical waveguide element 100 (see FIG. 1), the common constituent elements of the optical waveguide element 100 are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted. . Also,
The third laser radar is different from the above-described second laser radar in that the light shielding plate is omitted and a delay line is added. Since other components are the same as those of the second laser radar, common components are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.

第3のレーザレーダ400では、接続導波路部130の中途に遅延線150が設けられている。遅延線150は、接続導波路部130の一部として、接続導波路部130と一体的に形成されている。ここでは、接続導波路部130の、光導波路素子100−1の第1入出力部31とパルス光源110とを接続する部分に遅延線150−1が、光導波路素子100−2の第1入出力部31とパルス光源110とを接続する部分に遅延線150−2が、及び光導波路素子100−3の第1入出力部31とパルス光源110とを接続する部分に遅延線150−3が、それぞれ設けられている。第3のレーザレーダ400では、これら遅延線150−1〜3が設けられることによって、パルス光源110と光導波路素子100−1〜nとの各間の光の伝送距離が、異なる値とされている。   In the third laser radar 400, the delay line 150 is provided in the middle of the connection waveguide section 130. The delay line 150 is formed integrally with the connection waveguide section 130 as a part of the connection waveguide section 130. Here, a delay line 150-1 is connected to the first input / output unit 31 of the optical waveguide device 100-1 and the pulse light source 110 in the connection waveguide unit 130. A delay line 150-2 is provided at a portion connecting the output unit 31 and the pulse light source 110, and a delay line 150-3 is provided at a portion connecting the first input / output unit 31 and the pulse light source 110 of the optical waveguide device 100-3. , Each provided. In the third laser radar 400, by providing these delay lines 150-1 to 150-3, the light transmission distances between the pulse light source 110 and the optical waveguide elements 100-1 to 100-n are set to different values. Yes.

第3のレーザレーダ400では、遅延線150−1〜3を設けることによって、パルス光源110からの伝送距離が短い光導波路素子100から順次に(ここでは、光導波路素子100−4〜1の順に)照射光を出力することができる。また、第1のレーザレーダ200及び第2のレーザレーダ300と同様に、屈折率制御部34−1〜nを用いて位相制御することにより、対象物をx方向に走査する照射光を出力することができる。これによって、対象物をy方向に走査しつつ、y方向の各位置でx方向にも走査することができる。このように、第3のレーザレーダ400では、複数のパルス光源110を備えることなく、照射光をx方向及びy方向に掃引して対象物に照射することができる。従って、第3のレーザレーダ400は、第2のレーザレーダ300と同様に省電力の観点で有利である。また、パルス光源110は、一般的に高価であるため、複数のパルス光源110を要しない第3のレーザレーダ400は、コストの観点においても有利である。   In the third laser radar 400, by providing the delay lines 150-1 to 150-3, the optical waveguide elements 100 having a short transmission distance from the pulse light source 110 are sequentially formed (here, in the order of the optical waveguide elements 100-4 to 1). ) The irradiation light can be output. Similarly to the first laser radar 200 and the second laser radar 300, the phase control is performed using the refractive index control units 34-1 to 34-n, so that irradiation light for scanning the object in the x direction is output. be able to. Accordingly, it is possible to scan in the x direction at each position in the y direction while scanning the object in the y direction. Thus, the third laser radar 400 can irradiate the object by sweeping the irradiation light in the x direction and the y direction without providing the plurality of pulse light sources 110. Therefore, the third laser radar 400 is advantageous from the viewpoint of power saving, like the second laser radar 300. In addition, since the pulse light source 110 is generally expensive, the third laser radar 400 that does not require a plurality of pulse light sources 110 is advantageous in terms of cost.

(受信部)
上述した第1のレーザレーダ200、第2のレーザレーダ300及び第3のレーザレーダ400では、光導波路素子100をレーザレーダの送信部に利用する構成例について説明した。しかし、光導波路素子100は、レーザレーダの受信部に利用することもできる。
(Receiver)
In the first laser radar 200, the second laser radar 300, and the third laser radar 400 described above, the configuration example in which the optical waveguide element 100 is used for the transmission unit of the laser radar has been described. However, the optical waveguide device 100 can also be used for a receiving part of a laser radar.

光導波路素子100をレーザレーダの受信部に利用する場合には、上述した第1のレーザレーダ200、第2のレーザレーダ300及び第3のレーザレーダ400のパルス光源110に代えて、受光素子を設けることができる。そして、第2入出力部35から、対象物からの反射光が入力される。光の経路は可逆であるため、第2入出力部35から入力された反射光は、各細線導波路33−1〜n及び第1入出力部31を経て受光素子に受信される。   When the optical waveguide device 100 is used as a receiving unit of a laser radar, a light receiving device is used instead of the pulse light sources 110 of the first laser radar 200, the second laser radar 300, and the third laser radar 400 described above. Can be provided. Then, reflected light from the object is input from the second input / output unit 35. Since the light path is reversible, the reflected light input from the second input / output unit 35 is received by the light receiving element via the thin wire waveguides 33-1 to 33-n and the first input / output unit 31.

光導波路素子100を利用する受光素子を、第1のレーザレーダ200、第2のレーザレーダ300及び第3のレーザレーダ400の受信部として用いることもできる。この場合には、送信部及び受信部に設ける複数の光導波路素子100について、送信部において照射光を出力する光導波路素子100と、受信部において反射光を受信する光導波路素子100とを一対一対応させる。上述したように、第1のレーザレーダ200、第2のレーザレーダ300及び第3のレーザレーダ400では、対象物のy方向における各位置からの反射光が、時間をずらしてそれぞれ順次に受信される。従って、受信した時間によって、対象物のy方向におけるいずれの位置からの反射光かを識別することができる。そして、各時間で受信した反射光を合わせることによって、対象物の大きさ、形状、又は対象物との距離等を検出することができる。   A light receiving element using the optical waveguide element 100 can also be used as a receiving unit of the first laser radar 200, the second laser radar 300, and the third laser radar 400. In this case, for the plurality of optical waveguide elements 100 provided in the transmission unit and the reception unit, the optical waveguide element 100 that outputs irradiation light in the transmission unit and the optical waveguide element 100 that receives reflected light in the reception unit are one-to-one. Make it correspond. As described above, in the first laser radar 200, the second laser radar 300, and the third laser radar 400, the reflected light from each position in the y direction of the object is sequentially received at different times. The Therefore, the reflected light from which position in the y direction of the object can be identified based on the received time. Then, by combining the reflected light received at each time, it is possible to detect the size, shape, distance from the object, and the like.

ここで、第2のレーザレーダ300及び第3のレーザレーダ400の構成例を受信部に適用する場合には、受光素子を1つとすることができる。このため、例えばアバランシェ・フォトダイオード(Avalanche Photodiode:APD)等の高感度であるが高価な受光素子を用いたとしても、コストを抑えることができる。   Here, when the configuration examples of the second laser radar 300 and the third laser radar 400 are applied to the receiving unit, one light receiving element can be provided. For this reason, for example, even if a highly sensitive but expensive light receiving element such as an avalanche photodiode (APD) is used, the cost can be suppressed.

なお、対象物からの反射光は、パルス光源110からの光に比べ、強度が小さい。このため、レーザレーダの受信部に利用する場合には、光導波路素子100から第1入出力部31を省略して、各細線導波路33−1〜nからの光を直接受光素子に入力する構成とすることもできる。   The reflected light from the object has a lower intensity than the light from the pulse light source 110. For this reason, when using for the receiving part of a laser radar, the 1st input / output part 31 is abbreviate | omitted from the optical waveguide element 100, and the light from each thin wire | line waveguide 33-1 to n is directly input into a light receiving element. It can also be configured.

10:支持基板
20:クラッド
30:光導波路コア
31:第1入出力部
32:アレイ導波路部
33:細線導波路
34:屈折率制御部
35:第2入出力部
40:電極
100:光導波路素子
110:パルス光源
120:レンズ
130:接続導波路部
140:遮光板
200:第1のレーザレーダ
300:第2のレーザレーダ
400:第3のレーザレーダ
10: support substrate 20: clad 30: optical waveguide core 31: first input / output unit 32: arrayed waveguide unit 33: fine wire waveguide 34: refractive index control unit 35: second input / output unit 40: electrode 100: optical waveguide Element 110: Pulse light source 120: Lens 130: Connection waveguide section 140: Light shielding plate 200: First laser radar 300: Second laser radar 400: Third laser radar

Claims (5)

光導波路コアと、該光導波路コアを包含するクラッドとを備え、
前記光導波路コアは、共通の基準面に沿って形成された、第1入出力部と、第2入出力部と、前記第1入出力部及び前記第2入出力部間を並列に接続する、複数の細線導波路を含むアレイ導波路部と、各前記細線導波路の中途に設けられた屈折率制御部とを含み、
前記第1入出力部は、グレーティングカプラであり、
各前記屈折率制御部は、前記細線導波路を伝播する光にそれぞれ異なる変移量の位相変移を与え、
前記第2入出力部は、前記基準面に沿った方向に伝播する光と前記基準面と交差する方向に伝播する光とを結合する
ことを特徴とする光導波路素子。
An optical waveguide core and a clad including the optical waveguide core;
The optical waveguide core connects a first input / output unit, a second input / output unit, and the first input / output unit and the second input / output unit, which are formed along a common reference plane, in parallel. An arrayed waveguide portion including a plurality of fine wire waveguides, and a refractive index control portion provided in the middle of each of the fine wire waveguides,
The first input / output unit is a grating coupler;
Each of the refractive index control units gives a phase shift of a different shift amount to the light propagating through the thin wire waveguide,
The second input / output unit couples light propagating in a direction along the reference plane and light propagating in a direction intersecting the reference plane.
光導波路コアと、該光導波路コアを包含するクラッドとを備え、
前記光導波路コアは、共通の基準面に沿って形成された、第1入出力部と、第2入出力部と、前記第1入出力部及び前記第2入出力部間を並列に接続する、複数の細線導波路を含むアレイ導波路部と、各前記細線導波路の中途に設けられた屈折率制御部とを含み、
前記第1入出力部は、スポットサイズ変換器であり、
各前記屈折率制御部は、前記細線導波路を伝播する光にそれぞれ異なる変移量の位相変移を与え、
前記第2入出力部は、前記基準面に沿った方向に伝播する光と前記基準面と交差する方向に伝播する光とを結合する
ことを特徴とする光導波路素子。
An optical waveguide core and a clad including the optical waveguide core;
The optical waveguide core connects a first input / output unit, a second input / output unit, and the first input / output unit and the second input / output unit, which are formed along a common reference plane, in parallel. An arrayed waveguide portion including a plurality of fine wire waveguides, and a refractive index control portion provided in the middle of each of the fine wire waveguides,
The first input / output unit is a spot size converter;
Each of the refractive index control units gives a phase shift of a different shift amount to the light propagating through the thin wire waveguide,
The second input / output unit couples light propagating in a direction along the reference plane and light propagating in a direction intersecting the reference plane.
複数の請求項1に記載の光導波路素子と、複数の発光素子と、レンズとを備え、
前記複数の光導波路素子は、該複数の光導波路素子の各前記第2入出力部の幅方向を揃え、かつ該幅方向に直交する長さ方向に沿って並んで配置され、
前記複数の発光素子は、前記複数の光導波路素子の各前記第1入出力部と一対一対応して接続され、
前記レンズは、前記複数の光導波路素子の各前記第2入出力部から送られる光を当該レンズの曲率に応じた方向に出力する
ことを特徴とするレーザレーダ。
A plurality of optical waveguide elements according to claim 1, a plurality of light emitting elements, and a lens,
The plurality of optical waveguide elements are arranged side by side along the length direction perpendicular to the width direction, with the width direction of each of the second input / output portions of the plurality of optical waveguide elements being aligned.
The plurality of light emitting elements are connected in a one-to-one correspondence with the first input / output units of the plurality of optical waveguide elements,
The laser radar, wherein the lens outputs light transmitted from each of the second input / output units of the plurality of optical waveguide elements in a direction corresponding to a curvature of the lens.
複数の請求項1又は2に記載の光導波路素子と、1つの発光素子と、接続導波路部と、レンズと、遮光板とを備え、
前記複数の光導波路素子は、該複数の光導波路素子の各前記第2入出力部の幅方向を揃え、かつ該幅方向に直交する長さ方向に沿って並んで配置され、
前記接続導波路部は、前記クラッドよりも屈折率が高く、かつ前記光導波路コアよりも屈折率が低い材料で形成されており、
前記接続導波路部は、前記発光素子と前記複数の光導波路素子の各前記第1入出力部との各間を接続し、
前記レンズは、前記複数の光導波路素子の各前記第2入出力部から送られる光を当該レンズの曲率に応じた方向に出力し、
前記遮光板は、前記複数の光導波路素子の各前記第2入出力部と前記レンズとの各間において、前記第2入出力部から前記レンズへの光の光路のうちの一部の光路と交差する位置に配置される
ことを特徴とするレーザレーダ。
A plurality of the optical waveguide device according to claim 1, one light emitting device, a connection waveguide portion, a lens, and a light shielding plate,
The plurality of optical waveguide elements are arranged side by side along the length direction perpendicular to the width direction, with the width direction of each of the second input / output portions of the plurality of optical waveguide elements being aligned.
The connection waveguide portion is formed of a material having a refractive index higher than that of the cladding and a refractive index lower than that of the optical waveguide core,
The connection waveguide portion connects between the light emitting element and each of the first input / output portions of the plurality of optical waveguide elements,
The lens outputs light transmitted from each of the second input / output units of the plurality of optical waveguide elements in a direction according to the curvature of the lens,
The light shielding plate includes a part of an optical path of light from the second input / output unit to the lens between each of the second input / output units of the plurality of optical waveguide elements and the lens. A laser radar characterized by being arranged at an intersecting position.
複数の請求項1又は2に記載の光導波路素子と、1つの発光素子と、接続導波路部と、レンズとを備え、
前記複数の光導波路素子は、該複数の光導波路素子の各前記第2入出力部の幅方向を揃え、かつ該幅方向に直交する長さ方向に沿って並んで配置され、
前記接続導波路部は、前記クラッドよりも屈折率が高く、かつ前記光導波路コアよりも屈折率が低い材料で形成されており、
前記接続導波路部は、前記発光素子と前記複数の光導波路素子の各前記第1入出力部との各間を接続し、
前記接続導波路部の、前記発光素子と各前記第1入出力部とを接続する各部分に、前記接続導波路部の一部として遅延線が形成されることによって、前記発光素子と各前記第1入出力部との各間の光の伝送距離が異なる値とされており、
前記レンズは、前記複数の光導波路素子の各前記第2入出力部から送られる光を当該レンズの曲率に応じた方向に出力する
ことを特徴とするレーザレーダ。
A plurality of optical waveguide elements according to claim 1, one light emitting element, a connection waveguide section, and a lens,
The plurality of optical waveguide elements are arranged side by side along the length direction perpendicular to the width direction, with the width direction of each of the second input / output portions of the plurality of optical waveguide elements being aligned.
The connection waveguide portion is formed of a material having a refractive index higher than that of the cladding and a refractive index lower than that of the optical waveguide core,
The connection waveguide portion connects between the light emitting element and each of the first input / output portions of the plurality of optical waveguide elements,
A delay line is formed as a part of the connection waveguide part in each part of the connection waveguide part that connects the light emitting element and each of the first input / output parts. The light transmission distance between each of the first input / output unit and the first input / output unit is a different value.
The laser radar, wherein the lens outputs light transmitted from each of the second input / output units of the plurality of optical waveguide elements in a direction corresponding to a curvature of the lens.
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