JP2020091432A - スイッチ式光アンテナおよび光走査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】投光パワーの最大化を図ることが可能なスイッチ式光アンテナおよび光走査装置を提供すること。【解決手段】リング共振器１６Ａ、１６Ｂの少なくとも一部の屈折率を変化させる屈折率変調部１８Ａ、１８Ｂと、第１の導波路２０の入力端の付近から一部取り出した光を検出する第１の光検出器ＰＤ＿０と、第２の導波路２２Ａ、２２Ｂの入力端の付近から一部取り出した光を検出する第２の光検出器ＰＤ＿Ａ、ＰＤ＿Ｂと、回折格子１２Ａ、１２Ｂからの出力光をオンオフさせるように、屈折率変調部１８Ａ、１８Ｂによるリング共振器１６Ａ、１６Ｂの屈折率の変化を制御すると共に、第１の光検出器ＰＤ＿０及び第２の光検出器ＰＤ＿Ａ、ＰＤ＿Ｂで検出した光の差分の絶対値が最小となるように、屈折率変調部１８Ａ、１８Ｂによるリング共振器１６Ａ、１６Ｂの屈折率の変化を調整する投光用信号処理部２８と、を含む。【選択図】図３

Description

本発明は、スイッチ式光アンテナおよび光走査装置に関する。

スイッチ式光アンテナとは、光の放射、非放射（停止）を制御するデバイスであり、スイッチ式光アンテナアレイ、あるいは光走査装置を構成するキーデバイスである。スイッチ式光アンテナの一形態として、図１１に示すようなリング共振器を用いて光の経路をスイッチングして、投光させるアンテナを切り替える技術が知られている（図１２参照）。スイッチングにはヒータの温度調節による屈折率変調を用いることができる（図１３参照）。

また、導波路を通る光を一部取り出して光検出器(PD)でパワーを測定し、パワーが最大となるようにフィードバック信号を生成し、フィードバック信号による屈折率の微調整により、リング共振器を透過する光のパワーを最大化する技術が知られている（特許文献１）。

特許第5831206号公報

しかしながら、単純なスイッチング電流テーブルを使ったスイッチ切り替えのみでは、測定環境やレーザの周波数揺らぎの影響を受けて、各光スイッチの消光比が劣化する。これにより出力光のパワーが低下してしまう、という問題がある。

また、FMCW(周波数変調連続波)式LIDARのレーザ光は時間的に強度が変動する。そのため、特許文献１に記載の方法では光検出器で測定する光のパワーも変動し、屈折率の動的な微調整が困難となる。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、投光パワーの最大化を図ることが可能なスイッチ式光アンテナおよび光走査装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係るスイッチ式光アンテナは、光の入力端および出力端を有する第１の導波路と、前記第１の導波路に第１の方向性結合器を介して結合されたリング共振器と、前記リング共振器と第２の方向性結合器を介して結合された入力端、および出力端を有する第２の導波路と、前記第２の導波路と結合された回折格子と、前記リング共振器の少なくとも一部の屈折率を変化させる屈折率変調部と、前記第１の導波路の入力端の付近から一部取り出した光を検出する第１の光検出器と、前記第２の導波路の入力端の付近から一部取り出した光を検出する第２の光検出器と、周波数と強度が同じ一定の周期で変動する光源から得られた光を、前記第１の導波路の入力端に入力したときに、前記回折格子からの出力光をオンオフさせるように、前記屈折率変調部による前記リング共振器の屈折率の変化を制御すると共に、前記第１の光検出器及び前記第２の光検出器で検出した光の差分の絶対値が最小となるように、前記屈折率変調部による前記リング共振器の屈折率の変化を調整する信号処理部と、を含んで構成されている。

また、本発明に係る光走査装置は、上記のスイッチ式光アンテナと、前記スイッチ式光アンテナの上部に設けられたレンズと、を含んで構成されている。

本発明によれば、投光パワーの最大化を図ることが可能なスイッチ式光アンテナおよび光走査装置を提供することが可能となるという効果を奏する。

第１の実施の形態に係る光走査装置の構成の一例を示す概略図である。 第１の実施の形態に係る周波数変調レーザから出力されるレーザの周波数及びパワーの変化を示すグラフである。 第１の実施の形態に係るスイッチ式光アンテナの構成の一例を示す平面図である。 第１の実施の形態に係るスイッチ式光アンテナの投光用信号処理部による処理の流れを示すフローチャートである。 第２の実施の形態に係るスイッチ式光アンテナの構成の一例を示す平面図である。 第３の実施の形態に係るスイッチ式光アンテナの構成の一例を示す平面図である。 第４の実施の形態に係るスイッチ式光アンテナの構成の一例を示す平面図である。 第５の実施の形態に係るスイッチ式光アンテナの構成の一例を示す平面図である。 第６の実施の形態に係るスイッチ式光アンテナの構成の一例を示す斜視図である。 第７の実施の形態に係るスイッチ式光アンテナの構成の一例を示す斜視図である。 （Ａ）出力光をオンさせるときのリング共振器の透過特性を示すグラフ、及び（Ｂ）出力光をオフさせるときのリング共振器の透過特性を示すグラフである。 従来技術に係るスイッチ式光アンテナの構成の一例を示す平面図である。 リング共振器に熱を付与して透過特性を変更させる原理を説明するためのグラフである。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。

［本発明の実施の形態の概要］
FMCW式レーザレーダはレーザ光源の周波数変調を要する。レーザへの注入電流を変化させる方法が一般的な周波数変調手法であるが、同時にレーザ光のパワーも変調される。従来のモニタ用光検出器の測定値をフィードバック信号として用いる技術では、モニタする光のパワーが変動するため、光スイッチの透過率を最適値で収束させることができない。

そこで、本発明の実施の形態では、リング共振器及び屈折率変調部を用いた光スイッチ前後の２ヵ所にてパワーを計測して減算処理をすることにより、レーザ光源の強度変動に影響されずに投光パワーの最大化と安定化を図ることができるようにする。

［第１の実施の形態］
図１を参照して、本実施の形態に係るスイッチ式光アンテナを用いた光走査装置について説明する。図１は、本実施の形態に係る光走査装置１００の概略図を示している。

図１に示すように、光走査装置１００は、入力光Ｐｉｎとしてのレーザを発生する周波数変調レーザ５０と、スイッチ式光アンテナ１０−１と、受光用光検出器６０と、受光用信号処理部７０とを含んで構成されている。

周波数変調レーザ５０は、図２に示すように、周波数と強度が同じ一定の周期で変動するレーザを、入力光Ｐｉｎとして発生する。

スイッチ式光アンテナ１０−１に入射した入力光Ｐｉｎは、スイッチ式光アンテナ１０−１から出力光Ｐｏｕｔとしてターゲットに向かって出力される。ターゲットにおいて反射された反射光Ｐｒｅｆと入力光Ｐｉｎの一部とを合成した光が、受光用光検出器６０に入射され検出される。受光用信号処理部７０は、受光用光検出器６０による検出結果に基づいて、ターゲットまでの距離や相対速度を算出する。

図３は、スイッチ式光アンテナ１０−１の平面図を示している。スイッチ式光アンテナ１０−１は、回折格子を複数個（図３では、２個の場合を例示している）配置して構成されている。

図３に示すように、スイッチ式光アンテナ１０−１は、複数の回折格子１２Ａ、１２Ｂ、複数のリング共振器１６Ａ、１６Ｂ、方向性結合器１４−１Ａ、１４−１Ｂ、１４−２Ａ、１４−２Ｂ、複数の屈折率変調部１８Ａ、１８Ｂ、第１の導波路２０、第２の導波路２２Ａ、２２Ｂ、第１の光検出器ＰＤ＿０、第２の光検出器ＰＤ＿Ａ、ＰＤ＿Ｂ、及び投光用信号処理部２８を備え、基板（図示省略）上に光導波路技術によって集積化されている。

第１の導波路２０は、光の入力端および出力端を有し、入力端から入力光Ｐｉｎを導入する。

リング共振器１６Ａは方向性結合器１４−２Ａを介して第１の導波路２０と光結合され、方向性結合器１４−１Ａを介して第２の導波路２２Ａと光結合された光導波路である。また、リング共振器１６Ｂは方向性結合器１４−２Ｂを介して第１の導波路２０と光結合され、方向性結合器１４−１Ｂを介して第２の導波路２２Ｂと光結合された光導波路である。リング共振器１６Ａ、１６Ｂは、図１１（Ａ）に示すような入力光を透過させるときの透過特性と、図１１（Ｂ）に示すような入力光を透過させないときの透過特性と、を有している。

第２の導波路２２Ａ、２２Ｂは、入力端から透過光Ｐｔｈを導入するとともに、出力端から回折格子１２Ａ、１２Ｂに透過光Ｐｔｈを入力する光導波路である。

回折格子１２Ａ、１２Ｂは、伝播してきた光を出力光Ｐｏｕｔとして放射する部位である。つまり、回折格子１２Ａ、１２Ｂは、リング共振器１６Ａ、１２Ｂに導入された入力光Ｐｉｎの一部を出力光Ｐｏｕｔとして出射する。回折格子１２Ａ、１２Ｂの形態は特に限定されないが、本実施の形態では一例としてテーパ付回折格子を用いている。なお、回折格子１２Ａ、１２Ｂが、第１の方向（列方向）に配列された複数の回折格子からなる回折格子アレイの一例である。

屈折率変調部１８Ａは、例えばヒータであり、リング共振器１６Ａ上に配置され、リング共振器１６Ａの一部の領域に熱を付与し、熱光学効果によって当該領域の屈折率を変化させる（図１３参照）。また、屈折率変調部１８Ｂは、リング共振器１６Ｂ上に配置され、リング共振器１６Ｂの一部の領域に熱を付与し、熱光学効果によって当該領域の屈折率を変化させる。なお、屈折率変調部１８Ａ、１８Ｂとして、電流を注入して屈折率を変化させるキャリア注入機構などを用いても良い。

第１の光検出器ＰＤ＿０は、第１の導波路２０の入力端の付近から一部取り出した光を検出する。

第２の光検出器ＰＤ＿Ａは、第２の導波路２２Ａの入力端の付近から一部取り出した光を検出する。また、第２の光検出器ＰＤ＿Ｂは、第２の導波路２２Ｂの入力端の付近から一部取り出した光を検出する。

投光用信号処理部２８は、回折格子１２Ａからの出力光をオンオフさせるように、屈折率変調部１８Ａによるリング共振器１６Ａの屈折率の変化を制御する屈折率調整信号を屈折率変調部１８Ａに出力すると共に、回折格子１２Ｂからの出力光をオンオフさせるように、屈折率変調部１８Ｂによるリング共振器１６Ｂの屈折率の変化を制御する屈折率調整信号を屈折率変調部１８Ｂに出力する。

具体的には、回折格子１２Ａからの出力光及び回折格子１２Ｂからの出力光のいずれか一方をオンさせ、他方をオフさせるように、屈折率調整信号を屈折率変調部１８Ａに出力すると共に、屈折率調整信号を屈折率変調部１８Ｂに出力する。

また、投光用信号処理部２８は、回折格子１２Ａからの出力光をオンさせるときに、第１の光検出器ＰＤ＿０及び第２の光検出器ＰＤ＿Ａで検出した光の差分の絶対値が最小となるように、屈折率変調部１８Ａによるリング共振器１６Ａの屈折率の変化を微調整し、微調整の結果を、回折格子１２Ａからの出力光を次にオンさせるときの屈折率調整信号に反映させる。また、投光用信号処理部２８は、回折格子１２Ｂからの出力光をオンさせるときに、第１の光検出器ＰＤ＿０及び第２の光検出器ＰＤ＿Ｂで検出した光の差分の絶対値が最小となるように、屈折率変調部１８Ｂによるリング共振器１６Ｂの屈折率の変化を微調整し、微調整の結果を、回折格子１２Ｂからの出力光を次にオンさせるときの屈折率調整信号に反映させる。

投光用信号処理部２８による処理の流れを示すフローチャートについて、図４を用いて説明する。

まず、ステップＳ１００において、出力光をオンさせる回折格子を、回折格子１２Ａ、１２Ｂの何れかに切り替え、オンさせる回折格子１２Ａ又は１２Ｂに対応する屈折率調整信号を出力して出力光をオンさせると共に、オフさせる回折格子１２Ａ又は１２Ｂに対応する屈折率調整信号を出力して出力光をオフさせる。

ステップＳ１０２において、オンさせる回折格子１２Ａ又は１２Ｂに対応するリング共振器１６Ａ又は１６Ｂ及び屈折率変調部１８Ａ又は１８Ｂの前後の第１の光検出器ＰＤ＿０及び第２の光検出器ＰＤ＿Ａ又はＰＤ＿Ｂで検出した光のパワーを計測し、計測した光のパワーの差分の絶対値を計算し、計算された光のパワーの差分の絶対値が最小となるように、次の周期で出力する屈折率調整信号を微調整する。

ステップＳ１０４において、次のスキャン点に移行するか否かを判定し、次のスキャン点に移行する場合には、上記ステップＳ１００へ戻り、出力光をオンさせる回折格子を、回折格子１２Ａ、１２Ｂの何れかに切り替える。

一方、次のスキャン点に移行しない場合には、上記ステップＳ１０２へ戻る。

上記の投光用信号処理部２８による処理により、投光したいアンテナに導光する光が最大となり、安定状態になる。

以上の説明で明らかなように、スイッチ式光アンテナ１０−１では、リング共振器及び屈折率変調部を用いた光スイッチ前後の２ヵ所にてパワーを計測して減算処理をすることにより、レーザ光源の強度変動に影響されずに投光パワーの最大化と安定化を図ることができる。

また、光スイッチとしてリング共振器を利用するスイッチ式光アンテナにおいて、投光パワーが最大になる条件で光スイッチの透過率を安定化させることができる。FMCW式LIDARの場合は時間的なパワー変動が大きいため、特に有効である。

また、スイッチ式光アンテナ１０−１では、リング共振器及び屈折率変調部を用いた光スイッチにより、レーザ光の経路を切り替えて、非機械式の光走査を実現する。

［第２の実施の形態］
図５を参照して、本実施の形態に係るスイッチ式光アンテナ１０−２について説明する。図５は、スイッチ式光アンテナ１０−２の平面図を示している。スイッチ式光アンテナ１０−２は、回折格子を複数個（図５では、６個の場合を例示している）配置して構成されている。なお、第１の実施の形態で説明したスイッチ式光アンテナ１０−１と同様の構成となる部分については、同一符号を付して説明を省略する。

図５に示すように、スイッチ式光アンテナ１０−２は、複数の回折格子１２Ａ１〜１２Ａ３、１２Ｂ１〜１２Ｂ３、複数のリング共振器１６Ａ、１６Ｂ、２１６Ａ１〜２１６Ａ３、２１６Ｂ１〜２１６Ｂ３、方向性結合器１４−１Ａ、１４−１Ｂ、１４−２Ａ、１４−２Ｂ、２１４−１Ａ１〜２１４−１Ａ３、２１４−２Ａ１〜２１４−２Ａ３、２１４−１Ｂ１〜２１４−１Ｂ３、２１４−２Ｂ１〜２１４−２Ｂ３、複数の屈折率変調部１８Ａ、１８Ｂ、２１８１、２１８２、２１８３、第１の導波路２０、第２の導波路２２Ａ、２２Ｂ、第１の光検出器ＰＤ＿０、第２の光検出器ＰＤ＿Ａ、ＰＤ＿Ｂ、第３の光検出器ＰＤ＿Ａ’、ＰＤ＿Ｂ’、及び投光用信号処理部２２８を備え、基板（図示省略）上に光導波路技術によって集積化されている。

ここで、スイッチ式光アンテナ１０−２に含まれる回折格子１２Ａ１〜１２Ａ３、１２Ｂ１〜１２Ｂ３の指向性を異ならせておくことで、出力光Ｐｏｕｔの２次元スキャンが可能となる。回折格子１２Ａ１〜１２Ａ３、１２Ｂ１〜１２Ｂ３の指向性は、例えば回折格子１２Ａ１〜１２Ａ３、１２Ｂ１〜１２Ｂ３に設けるスリットのピッチや角度を変えることにより異ならせることができる。

リング共振器２１６Ａ１〜２１６Ａ３は、方向性結合器２１４−２Ａ１〜２１４−２Ａ３を介して第２の導波路２２Ａと光結合され、方向性結合器２１４−１Ａ１〜２１４−１Ａ３を介して回折格子１２Ａ１〜回折格子１２Ａ３と光結合された光導波路である。また、リング共振器２１６Ｂ１〜２１６Ｂ３は方向性結合器２１４−２Ｂ１〜２１４−２Ｂ３を介して第２の導波路２２Ｂと光結合され、方向性結合器２１４−１Ｂ１〜２１４−１Ｂ３を介して回折格子１２Ｂ１〜回折格子１２Ｂ３と光結合された光導波路である。なお、リング共振器２１６Ａ１〜２１６Ａ３と、リング共振器２１６Ｂ１〜２１６Ｂ３とのそれぞれが、第２の方向（行方向）に配列された複数のリング共振器からなるリング共振器アレイの一例である。また、回折格子１２Ａ１、１２Ｂ１と、回折格子１２Ａ２、１２Ｂ２と、回折格子１２Ａ３、１２Ｂ３とのそれぞれが、第１の方向（列方向）に配置された回折格子からなる回折格子アレイの一例であり、これからが、第２の方向（行方向）に配置された複数の回折格子アレイの一例である。

屈折率変調部２１８１は、例えばヒータであり、リング共振器２１６Ａ１、２１６Ｂ１上に跨ぐように配置され、リング共振器２１６Ａ１、２１６Ｂ１の一部の領域に熱を付与し、熱光学効果によって当該領域の屈折率を変化させる。また、屈折率変調部２１８２は、リング共振器２１６Ａ２、２１６Ｂ２上に跨ぐように配置され、リング共振器２１６Ａ２、２１６Ｂ２の一部の領域に熱を付与し、熱光学効果によって当該領域の屈折率を変化させる。また、屈折率変調部２１８３は、リング共振器２１６Ａ３、２１６Ｂ３上に跨ぐように配置され、リング共振器２１６Ａ３、２１６Ｂ３の一部の領域に熱を付与し、熱光学効果によって当該領域の屈折率を変化させる。

第３の光検出器ＰＤ＿Ａ’は、第２の導波路２２Ａの出力端から取り出した光を検出する。また、第３の光検出器ＰＤ＿Ｂ’は、第２の導波路２２Ｂの出力端から取り出した光を検出する。

投光用信号処理部２２８は、回折格子１２Ａ１〜１２Ａ３からの出力光をオンオフさせるように、屈折率変調部１８Ａによるリング共振器１６Ａの屈折率の変化を制御する屈折率調整信号を屈折率変調部１８Ａに出力すると共に、屈折率変調部２１８１〜２１８３によるリング共振器２１６Ａ１〜２１６Ａ３の屈折率の変化を制御する屈折率調整信号を屈折率変調部２１８１〜２１８３に出力する。

また、投光用信号処理部２２８は、回折格子１２Ｂ１〜１２Ｂ３からの出力光をオンオフさせるように、屈折率変調部１８Ｂによるリング共振器１６Ｂの屈折率の変化を制御する屈折率調整信号を屈折率変調部１８Ｂに出力すると共に、屈折率変調部２１８１〜２１８３によるリング共振器２１６Ｂ１〜２１６Ｂ３の屈折率の変化を制御する屈折率調整信号を屈折率変調部２１８１〜２１８３に出力する。

例えば、回折格子１２Ａ１からの出力光をオンさせ、回折格子１２Ａ２〜１２Ａ３、１２Ｂ１〜１２Ｂ３をオフさせるように、屈折率変調部１８Ａ、１８Ｂ、２１８１〜２１８３の各々に対して屈折率調整信号を出力する。

また、投光用信号処理部２２８は、回折格子１２Ａ１からの出力光をオンさせるときに、第１の光検出器ＰＤ＿０及び第２の光検出器ＰＤ＿Ａで検出した光の差分の絶対値が最小となるように、屈折率変調部１８Ａによるリング共振器１６Ａの屈折率の変化を微調整し、微調整の結果を、回折格子１２Ａ１からの出力光を次にオンさせるときの、屈折率変調部１８Ａの屈折率調整信号に反映させる。

また、投光用信号処理部２２８は、回折格子１２Ａ１からの出力光をオンさせるときに、第２の光検出器ＰＤ＿Ａ及び第３の光検出器ＰＤ＿Ａ’で検出した光の差分の絶対値が最大となるように、屈折率変調部２１８１〜２１８３によるリング共振器２１６Ａ１〜２１６Ａ３の屈折率の変化を微調整し、微調整の結果を、回折格子１２Ａ１からの出力光を次にオンさせるときの、屈折率変調部２１８１〜２１８３の屈折率調整信号に反映させる。

また、投光用信号処理部２２８は、回折格子１２Ａ２、１２Ａ３からの出力光をオンさせるときも同様に、屈折率変調部２１８１〜２１８３によるリング共振器２１６Ａ１〜２１６Ａ３の屈折率の変化を微調整し、微調整の結果を、回折格子１２Ａ２、１２Ａ３からの出力光を次にオンさせるときの、屈折率変調部２１８１〜２１８３の屈折率調整信号に反映させる。

また、投光用信号処理部２２８は、回折格子１２Ｂ１からの出力光をオンさせるときに、第２の光検出器ＰＤ＿Ｂ及び第３の光検出器ＰＤ＿Ｂ’で検出した光の差分の絶対値が最大となるように、屈折率変調部２１８１〜２１８３によるリング共振器２１６Ｂ１〜２１６Ｂ３の屈折率の変化を微調整し、微調整の結果を、回折格子１２Ｂ１からの出力光を次にオンさせるときの、屈折率変調部２１８１〜２１８３の屈折率調整信号に反映させる。

また、投光用信号処理部２２８は、回折格子１２Ｂ２、１２Ｂ３からの出力光をオンさせるときも同様に、屈折率変調部２１８１〜２１８３によるリング共振器２１６Ｂ１〜２１６Ｂ３の屈折率の変化を微調整し、微調整の結果を、回折格子１２Ｂ２、１２Ｂ３からの出力光を次にオンさせるときの、屈折率変調部２１８１〜２１８３の屈折率調整信号に反映させる。

以上のような構成を有するスイッチ式光アンテナ１０−２では、縦方向に配置されたリング共振器の屈折率を変調させる屈折率変調部として共通の屈折率変調部を用いており、個々の光スイッチごとに屈折率変調部を設ける必要がないので、光配線、電気配線の規模を削減した投光パワー安定化回路を実現でき、スイッチ式光アンテナの高密度配置が可能となる。

また、画角を広角化した場合に、アンテナ数が縦横のch数の積で大幅に増大する。1アンテナに対して1つの屈折率変調部とモニタ光量フィードバック機構を備えると、配線数が膨大な数になり、大面積を要し、光集積デバイスとしての実現性が損なわれる。本実施の形態では、複数のアンテナに渡る屈折率変調部と光検出器を配置し、配線数を少なく抑えることで構成を単純化できる。例えば、m行×n列のとき、m+n-1個の屈折率変調部で構成することができる。

［第３の実施の形態］
図６を参照して、本実施の形態に係るスイッチ式光アンテナ１０−３について説明する。図６は、スイッチ式光アンテナ１０−３の平面図を示している。スイッチ式光アンテナ１０−３は、回折格子を複数個（図６では、２個の場合を例示している）配置して構成されている。なお、第１の実施の形態で説明したスイッチ式光アンテナ１０−１と同様の構成となる部分については、同一符号を付して説明を省略する。

図６に示すように、スイッチ式光アンテナ１０−３は、複数の回折格子１２Ａ、１２Ｂ、複数のリング共振器１６Ａ、１６Ｂ、方向性結合器１４−１Ａ、１４−１Ｂ、１４−２Ａ、１４−２Ｂ、複数の屈折率変調部１８Ａ、１８Ｂ、第１の導波路２０、第２の導波路２２Ａ、２２Ｂ、第１の光検出器ＰＤ＿０、第２の光検出器ＰＤ＿Ａ、ＰＤ＿Ｂ、バックグラウンド調整部３１８、及び投光用信号処理部２８を備え、基板（図示省略）上に光導波路技術によって集積化されている。

バックグラウンド調整部３１８は、例えばヒータであり、常時、基板が基準温度となるように熱を付与し、リング共振器１６Ａ、１６Ｂの各々に対して屈折率を予め定められた量だけ変化させる。

なお、スイッチ式光アンテナ１０−３の他の構成及び作用は、第１の実施の形態で説明したスイッチ式光アンテナ１０−１と同様の構成であるため、説明を省略する。

以上のような構成を有するスイッチ式光アンテナ１０−３では、バックグラウンド調整部により、屈折率変調部の動作環境を一定にすることができる。また、基板を基準温度で安定させることで、安定性を向上させることができる。

［第４の実施の形態］
図７を参照して、本実施の形態に係るスイッチ式光アンテナ１０−４について説明する。図７は、スイッチ式光アンテナ１０−４の平面図を示している。スイッチ式光アンテナ１０−４は、回折格子を複数個（図７では、６個の場合を例示している）配置して構成されている。なお、第１、第２の実施の形態で説明したスイッチ式光アンテナ１０−１、１０−２と同様の構成となる部分については、同一符号を付して説明を省略する。

図７に示すように、スイッチ式光アンテナ１０−４は、複数の回折格子１２Ａ１〜１２Ａ３、１２Ｂ１〜１２Ｂ３、複数のリング共振器１６Ａ、１６Ｂ、２１６Ａ１〜２１６Ａ３、２１６Ｂ１〜２１６Ｂ３、方向性結合器１４−１Ａ、１４−１Ｂ、１４−２Ａ、１４−２Ｂ、２１４−１Ａ１〜２１４−１Ａ３、２１４−２Ａ１〜２１４−２Ａ３、２１４−１Ｂ１〜２１４−１Ｂ３、２１４−２Ｂ１〜２１４−２Ｂ３、複数の屈折率変調部１８Ａ、１８Ｂ、２１８１、２１８２、２１８３、第１の導波路２０、第２の導波路２２Ａ、２２Ｂ、第１の光検出器ＰＤ＿０、第２の光検出器ＰＤ＿Ａ、ＰＤ＿Ｂ、第３の光検出器ＰＤ＿Ａ’、ＰＤ＿Ｂ’、及び投光用信号処理部２２８を備え、基板（図示省略）上に光導波路技術によって集積化されている。

回折格子１２Ａ１〜１２Ａ３、１２Ｂ１〜１２Ｂ３は伝播してきた光を出力光Ｐｏｕｔとして放射する部位であり、リング共振器２１６Ａ１〜２１６Ａ３、２１６Ｂ１〜２１６Ｂ３の内部に配置されている。回折格子１２Ａ１〜１２Ａ３、１２Ｂ１〜１２Ｂ３は方向性結合器２１４−１Ａ１〜２１４−１Ａ３、２１４−１Ｂ１〜２１４−１Ｂ３を介してリング共振器２１６Ａ１〜２１６Ａ３、２１６Ｂ１〜２１６Ｂ３に光結合されている。つまり、回折格子１２Ａ１〜１２Ａ３、１２Ｂ１〜１２Ｂ３は、リング共振器２１６Ａ１〜２１６Ａ３、２１６Ｂ１〜２１６Ｂ３に導入された入力光Ｐｉｎを出力光Ｐｏｕｔとして出射する。

以上の説明で明らかなように、スイッチ式光アンテナ１０−４では、従来個別に配置されていた回折格子１２Ａ１〜１２Ａ３、１２Ｂ１〜１２Ｂ３をリング共振器２１６Ａ１〜２１６Ａ３、２１６Ｂ１〜２１６Ｂ３の内部に配置したので、回折格子およびリング導波路のレイアウト面積が縮小される。

従って、本実施の形態に係るスイッチ式光アンテナ１０−４によれば、スイッチ式光アンテナの高密度配置が可能となる。

［第５の実施の形態］
図８を参照して、本実施の形態に係るスイッチ式光アンテナ１０−５について説明する。図８は、スイッチ式光アンテナ１０−５の一部の平面図を示している。スイッチ式光アンテナ１０−５は、回折格子を複数個（図８では、６個の場合を例示している）配置して構成されている。なお、第１、第２の実施の形態で説明したスイッチ式光アンテナ１０−１、１０−２と同様の構成となる部分については、同一符号を付して説明を省略する。

図８に示すように、スイッチ式光アンテナ１０−５は、上記第２の実施の形態に係るスイッチ式光アンテナ１０−２における第３の光検出器ＰＤ＿Ａ’を、一部の光を取り出すようにリング共振器２１６Ａ１〜２１６Ａ３と光結合された第３の光検出器ＰＤ＿Ａ１〜ＰＤ＿Ａ３に置き換え、第３の光検出器ＰＤ＿Ｂ’を、一部の光を取り出すようにリング共振器２１６Ｂ１〜２１６Ｂ３と光結合された第３の光検出器ＰＤ＿Ｂ１〜ＰＤ＿Ｂ３に置き換えたものである。なお、第３の光検出器ＰＤ＿Ａ１〜ＰＤ＿Ａ３と、第３の光検出器ＰＤ＿Ｂ１〜ＰＤ＿Ｂ３とのそれぞれが、第４の光検出器からなる第４の光検出器アレイの一例である。

スイッチ式光アンテナ１０−５の投光用信号処理部２２８は、回折格子１２Ａ１〜１２Ａ３からの出力光をオンオフさせるように、屈折率変調部１８Ａによるリング共振器１６Ａの屈折率の変化を制御する屈折率調整信号を屈折率変調部１８Ａに出力すると共に、屈折率変調部２１８１〜２１８３によるリング共振器２１６Ａ１〜２１６Ａ３の屈折率の変化を制御する屈折率調整信号を屈折率変調部２１８１〜２１８３に出力する。

また、投光用信号処理部２２８は、回折格子１２Ｂ１〜１２Ｂ３からの出力光をオンオフさせるように、屈折率変調部１８Ｂによるリング共振器１６Ｂの屈折率の変化を制御する屈折率調整信号を屈折率変調部１８Ｂに出力すると共に、屈折率変調部２１８１〜２１８３によるリング共振器２１６Ｂ１〜２１６Ｂ３の屈折率の変化を制御する屈折率調整信号を屈折率変調部２１８１〜２１８３に出力する。

また、投光用信号処理部２２８は、回折格子１２Ａ１からの出力光をオンさせるときに、第１の光検出器ＰＤ＿０及び第２の光検出器ＰＤ＿Ａで検出した光の差分の絶対値が最小となるように、屈折率変調部１８Ａによるリング共振器１６Ａの屈折率の変化を微調整し、微調整の結果を、回折格子１２Ａ１からの出力光を次にオンさせるときの、屈折率変調部１８Ａの屈折率調整信号に反映させる。

また、投光用信号処理部２２８は、回折格子１２Ａ１からの出力光をオンさせるときに、第２の光検出器ＰＤ＿Ａ及び第３の光検出器ＰＤ＿Ａ１で検出した光の差分の絶対値が最小となるように、屈折率変調部２１８１によるリング共振器２１６Ａ１の屈折率の変化を微調整し、微調整の結果を、回折格子１２Ａ１からの出力光を次にオンさせるときの、屈折率変調部２１８１の屈折率調整信号に反映させる。

また、投光用信号処理部２２８は、回折格子１２Ａ２からの出力光をオンさせるときに、第２の光検出器ＰＤ＿Ａ及び第３の光検出器ＰＤ＿Ａ２で検出した光の差分の絶対値が最小となるように、屈折率変調部２１８２によるリング共振器２１６Ａ２の屈折率の変化を微調整し、微調整の結果を、回折格子１２Ａ２からの出力光を次にオンさせるときの、屈折率変調部２１８２の屈折率調整信号に反映させる。

また、投光用信号処理部２２８は、回折格子１２Ａ３からの出力光をオンさせるときに、第２の光検出器ＰＤ＿Ａ及び第３の光検出器ＰＤ＿Ａ３で検出した光の差分の絶対値が最小となるように、屈折率変調部２１８３によるリング共振器２１６Ａ３の屈折率の変化を微調整し、微調整の結果を、回折格子１２Ａ３からの出力光を次にオンさせるときの、屈折率変調部２１８３の屈折率調整信号に反映させる。

また、投光用信号処理部２２８は、回折格子１２Ｂ１からの出力光をオンさせるときに、第２の光検出器ＰＤ＿Ｂ及び第３の光検出器ＰＤ＿Ｂ１で検出した光の差分の絶対値が最小となるように、屈折率変調部２１８１によるリング共振器２１６Ｂ１の屈折率の変化を微調整し、微調整の結果を、回折格子１２Ｂ１からの出力光を次にオンさせるときの、屈折率変調部２１８１の屈折率調整信号に反映させる。

また、投光用信号処理部２２８は、回折格子１２Ｂ２からの出力光をオンさせるときに、第２の光検出器ＰＤ＿Ｂ及び第３の光検出器ＰＤ＿Ｂ２で検出した光の差分の絶対値が最小となるように、屈折率変調部２１８２によるリング共振器２１６Ｂ２の屈折率の変化を微調整し、微調整の結果を、回折格子１２Ｂ２からの出力光を次にオンさせるときの、屈折率変調部２１８２の屈折率調整信号に反映させる。

また、投光用信号処理部２２８は、回折格子１２Ｂ３からの出力光をオンさせるときに、第２の光検出器ＰＤ＿Ｂ及び第３の光検出器ＰＤ＿Ｂ３で検出した光の差分の絶対値が最小となるように、屈折率変調部２１８３によるリング共振器２１６Ｂ３の屈折率の変化を微調整し、微調整の結果を、回折格子１２Ｂ３からの出力光を次にオンさせるときの、屈折率変調部２１８３の屈折率調整信号に反映させる。

［第６の実施の形態］
図９を参照して、本実施の形態に係る光走査装置について説明する。本実施の形態に係る光走査装置は、上記のスイッチ式光アンテナ１０−２の基板の上面側にレンズ１０２を設けた形態である。

図９に示すように、スイッチ式光アンテナ１０−２に入力された入力光Ｐｉｎは、上述した制御によってスイッチ式光アンテナ１０−２の回折格子１２Ａ１〜１２Ａ３、１２Ｂ１〜１２Ｂ３のいずれかから出射され、レンズ１０２を介して出力光Ｐｏｕｔとして出力される。図９に示す原理図から明らかなように、本実施の形態に係る光走査装置では、レンズを通すことにより、発光点切り替えに伴って出力光がスキャンされるため、小さいチップで指向性が鋭くなる。

［第７の実施の形態］
図１０を参照して、本実施の形態に係る光走査装置について説明する。

図１０に示すように、スイッチ式光アンテナ１０−７は、上記第２の実施の形態に係るスイッチ式光アンテナ１０−２における第３の光検出器ＰＤ＿Ａ’を、回折格子１２Ａ１〜１２Ａ３の迷光が当たる位置であって、基板から離れた位置に配置された第３の光検出器ＰＤ＿Ａ１’〜ＰＤ＿Ａ３’に置き換え、第３の光検出器ＰＤ＿Ｂ’を、回折格子１２Ｂ１〜１２Ｂ３の迷光が当たる位置であって、基板から離れた位置に配置された第３の光検出器ＰＤ＿Ｂ１’〜ＰＤ＿Ｂ３ ’に置き換えたものである。

本実施の形態に係る光走査装置では、実際に回折格子から出力された光のパワーを直接測定するため、より直接的で精度の高い屈折率の微調整が可能になる。

［変形例］
なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能である。

例えば、上記の第６、第７の実施の形態では、一つのレンズを配置した場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、マイクロレンズアレイを配置するようにしてもよい。

また、上記の第７の実施の形態では、回折格子１２Ａ１〜１２Ａ３の迷光が当たる位置に配置された第３の光検出器ＰＤ＿Ａ１’〜ＰＤ＿Ａ３’と、回折格子１２Ｂ１〜１２Ｂ３の迷光が当たる位置に配置された第３の光検出器ＰＤ＿Ｂ１’〜ＰＤ＿Ｂ３ ’とを配置した場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、上記第２の実施の形態に係るスイッチ式光アンテナ１０−２における第２の導波路２２Ａ、２２Ｂの出力端に結合された、参照光用回折格子を各々配置し、参照光用回折格子の各々に対して、当該参照光用回折格子から出射された光を検出できる位置であって、基板から離れた位置に、第５の光検出器を配置するようにしてもよい。この場合には、投光用信号処理部２２８は、回折格子１２Ａ１からの出力光をオンさせるときに、第２の光検出器ＰＤ＿Ａ及び第５の光検出器で検出した光の差分の絶対値が最大となるように、屈折率変調部２１８１〜２１８３によるリング共振器２１６Ａ１〜２１６Ａ３の屈折率の変化を微調整し、微調整の結果を、回折格子１２Ａ１からの出力光を次にオンさせるときの、屈折率変調部２１８１〜２１８３の屈折率調整信号に反映させるようにすればよい。

１０−１〜１０−７ スイッチ式光アンテナ
１２Ａ、１２Ａ１〜２Ａ３、１２Ｂ、１２Ｂ１〜１２Ｂ３ 回折格子
１４−１Ａ、１４−１Ｂ、１４−２Ａ、１４−２Ｂ、２１４−１Ａ１〜２１４−１Ａ３、２１４−２Ａ１〜２１４−２Ａ３、２１４−１Ｂ１〜２１４−１Ｂ３、２１４−２Ｂ１〜２１４−２Ｂ３ 方向性結合器
１６Ａ、１６Ｂ、２１６Ａ１〜２１６Ａ３、２１６Ｂ１〜２１６Ｂ３ リング共振器
１８Ａ、１８Ｂ、２１８１、２１８２、２１８３ 屈折率変調部
２０ 第１の導波路
２２Ａ、２２Ｂ 第２の導波路
２８、２２８ 投光用信号処理部
５０ 周波数変調レーザ
６０ 受光用光検出器
７０ 受光用信号処理部
１００ 光走査装置
１０２ レンズ
３１８ バックグラウンド調整部
ＰＤ＿０ 第１の光検出器
ＰＤ＿Ａ、ＰＤ＿Ｂ 第２の光検出器
ＰＤ＿Ａ’、ＰＤ＿Ｂ’、ＰＤ＿Ａ１〜ＰＤ＿Ａ３、ＰＤ＿Ｂ１〜ＰＤ＿Ｂ３ 第３の光検出器
Ｐｉｎ 入力光
Ｐｏｕｔ 出力光
Ｐｒｅｆ 反射光
Ｐｔｈ 透過光

Claims (8)

1. 光の入力端および出力端を有する第１の導波路と、
   前記第１の導波路に第１の方向性結合器を介して結合されたリング共振器と、
   前記リング共振器と第２の方向性結合器を介して結合された入力端、および出力端を有する第２の導波路と、
   前記第２の導波路と結合された回折格子と、
   前記リング共振器の少なくとも一部の屈折率を変化させる屈折率変調部と、
   前記第１の導波路の入力端の付近から一部取り出した光を検出する第１の光検出器と、
   前記第２の導波路の入力端の付近から一部取り出した光を検出する第２の光検出器と、
   周波数と強度が同じ一定の周期で変動する光源から得られた光を、前記第１の導波路の入力端に入力したときに、前記回折格子からの出力光をオンオフさせるように、前記屈折率変調部による前記リング共振器の屈折率の変化を制御すると共に、前記第１の光検出器及び前記第２の光検出器で検出した光の差分の絶対値が最小となるように、前記屈折率変調部による前記リング共振器の屈折率の変化を調整する信号処理部と、
   を含むスイッチ式光アンテナ。
2. 前記回折格子は、第１の方向に配列された複数の回折格子からなる回折格子アレイであり、
   前記リング共振器は、前記複数の回折格子の各々に対して配置された複数のリング共振器であり、
   前記第２の導波路は、前記複数の回折格子の各々と結合された複数の第２の導波路であり、
   前記屈折率変調部は、前記複数のリング共振器の各々に対して配置された複数の屈折率変調部であり、
   前記第２の光検出器は、前記複数の第２の導波路の各々に対して配置された複数の第２の光検出器であり、
   前記信号処理部は、前記複数の回折格子の各々に対し、前記回折格子からの出力光をオンオフさせるように、対応する前記屈折率変調部による前記リング共振器の屈折率の変化を制御すると共に、前記第１の光検出器、及び対応する前記第２の光検出器で検出した光の差分の絶対値が最小となるように、対応する前記屈折率変調部による前記リング共振器の屈折率の変化を調整する請求項１記載のスイッチ式光アンテナ。
3. 前記複数の第２の導波路の各々に対して配置された、前記第２の導波路と結合され、かつ、第２の方向に配列された複数のリング共振器からなるリング共振器アレイと、
   前記複数の第２の導波路の各々に対して配置された、前記第２の導波路の出力端から取り出した光を検出する第３の光検出器と、
   前記リング共振器アレイの各々に含まれるリング共振器の各々に対して配置された、前記リング共振器の少なくとも一部の屈折率を変化させる複数の第２の屈折率変調部と、
   を更に含み、
   前記回折格子は、前記第２の方向に配置された複数の前記回折格子アレイであり、前記回折格子の各々は、前記リング共振器アレイに含まれるリング共振器の各々に対応して配置され、対応するリング共振器を介して前記第２の導波路と結合されており、
   前記信号処理部は、前記複数の回折格子の各々に対し、前記回折格子からの出力光をオンオフさせるように、対応する前記屈折率変調部による前記リング共振器の屈折率の変化、及び対応する前記第２の屈折率変調部による前記リング共振器の屈折率の変化を制御すると共に、
   前記第１の光検出器、及び対応する前記第２の光検出器で検出した光の差分の絶対値が最小となるように、対応する前記屈折率変調部による前記リング共振器の屈折率の変化を調整し、
   対応する前記第２の光検出器、及び対応する前記第３の光検出器で検出した光の差分の絶対値が最大となるように、対応する前記第２の屈折率変調部による前記リング共振器の屈折率の変化を調整する請求項２記載のスイッチ式光アンテナ。
4. 前記複数のリング共振器の各々に対して屈折率を予め定められた量だけ変化させるバックグラウンド調整部を更に含む請求項２又は３記載のスイッチ式光アンテナ。
5. 前記回折格子の各々は、対応する前記リング共振器の内部に配置される請求項３記載のスイッチ式光アンテナ。
6. 前記リング共振器アレイの各々に対して配置された、前記リング共振器アレイに含まれるリング共振器の各々から一部取り出した光を検出する第４の光検出器からなる第４の光検出器アレイを更に含み、
   前記信号処理部は、前記複数の回折格子の各々に対し、対応する前記第４の光検出器で検出した光に基づいて、対応する前記第２の屈折率変調部による前記リング共振器の屈折率の変化を調整する請求項３記載のスイッチ式光アンテナ。
7. 前記複数の第２の導波路の各々に対して配置された、前記第２の導波路と結合され、かつ、第２の方向に配列された複数のリング共振器からなるリング共振器アレイと、
   前記複数の第２の導波路の各々に対して配置された、前記第２の導波路の出力端に結合された、参照光用回折格子と、
   前記参照光用回折格子の各々に対して配置された、前記参照光用回折格子から出射された光を検出する第５の光検出器と、
   前記リング共振器アレイの各々に含まれるリング共振器の各々に対して配置された、前記リング共振器の少なくとも一部の屈折率を変化させる複数の第２の屈折率変調部と、を更に含み、
   前記回折格子は、前記第２の方向に配置された複数の前記回折格子アレイであり、前記回折格子の各々は、前記リング共振器アレイに含まれるリング共振器の各々に対応して配置され、対応するリング共振器を介して前記第２の導波路と結合されており、
   前記信号処理部は、前記複数の回折格子の各々に対し、前記回折格子からの出力光をオンオフさせるように、対応する前記屈折率変調部による前記リング共振器の屈折率の変化、及び対応する前記第２の屈折率変調部による前記リング共振器の屈折率の変化を制御すると共に、
   前記第１の光検出器、及び対応する前記第２の光検出器で検出した光の差分の絶対値が最小となるように、対応する前記屈折率変調部による前記リング共振器の屈折率の変化を調整し、
   対応する前記第２の光検出器、及び対応する前記第５の光検出器で検出した光の差分の絶対値が最大となるように、対応する前記第２の屈折率変調部による前記リング共振器の屈折率の変化を調整する請求項２記載のスイッチ式光アンテナ。
8. 請求項１〜請求項７のいずれか１項記載のスイッチ式光アンテナと、
   前記スイッチ式光アンテナの上部に設けられたレンズと、
   を含む光走査装置。