JP2020194011A - Grating coupler, grating coupler array, light reception antenna, and distance measuring sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、グレーティングカプラ(以下、GCという)、GCアレイ、受光アンテナおよび測距センサに関するものである。 The present invention relates to a grating coupler (hereinafter referred to as GC), a GC array, a light receiving antenna, and a distance measuring sensor.
従来より、外部から入射された光を光導波路に結合させる素子、もしくは、光導波路から外部へ光を放出させる素子であるGCとして、短冊型のGCや扇型のGC、正方形型のGCが提案されている。短冊型は、長方形状と三角形状がつながった形状で構成され、三角形状の部分が集光部、長方形状の部分が結合領域となる回折格子とされ、三角形状のうち長方形状と接していない頂点に導波路が接続された構造とされている。扇型は、扇形状で構成され、扇形状の中心から所定の半径の部分までは導波路に繋がる集光部、それよりも径方向外側が結合領域となる回折格子とされ、集光部の先端に導波路が接続された構造とされている。正方形型は、正方形状で構成され、正方形の相対する二辺と正方形の中心近辺を通る円弧に対して、円弧の内側の領域が集光部、円弧の外側の領域が結合領域となる回折格子とされ、正方形の四辺うち円弧の中心側の辺の中央に導波路が接続された構造とされている。 Conventionally, strip-shaped GC, fan-shaped GC, and square-shaped GC have been proposed as an element that couples light incident from the outside to an optical waveguide or an element that emits light from the optical waveguide to the outside. Has been done. The strip type is composed of a shape in which a rectangle and a triangle are connected, and the triangular part is a diffraction grating in which the condensing part and the rectangular part are the coupling region, and the triangular part is not in contact with the rectangle. The structure is such that a waveguide is connected to the apex. The fan shape is composed of a fan shape, and a condensing part connected to a waveguide from the center of the fan shape to a portion having a predetermined radius, and a diffraction grating having a coupling region on the radial outer side of the condensing part. The structure is such that a waveguide is connected to the tip. The square type is composed of a square shape, and is a diffraction grid in which the region inside the arc is the condensing part and the region outside the arc is the coupling region with respect to the arc passing through the two opposite sides of the square and the vicinity of the center of the square. It is said that the structure is such that the waveguide is connected to the center of the side on the center side of the arc among the four sides of the square.
しかしながら、短冊型や扇型は、集光部の面積が大きく、面積効率が悪い。また、複数の扇状GCを先端側の方向を並べて配置することになるため、アレイ化した際に、各GC間の隙間が大きくなるため面積効率が悪い。一方、正方形型は、正方形状の複数のGCをマトリクス状に並べられることから、アレイ化した際の各GC間の隙間を小さくできるものの、集光部の面積は大きいため、面積効率が悪い。また、回折格子は、一定幅の円弧を複数本同心円状に並べたものとされるが、回折格子の凹凸が一様であるため、特に空間からの光を受光する際に入射光との結合効率が悪い。 However, the strip type and the fan type have a large area of the light collecting portion, and the area efficiency is poor. In addition, since a plurality of fan-shaped GCs are arranged side by side in the direction of the tip side, the gap between the GCs becomes large when the array is formed, resulting in poor area efficiency. On the other hand, in the square type, since a plurality of square GCs are arranged in a matrix, the gap between each GC when arrayed can be reduced, but the area of the condensing portion is large, so that the area efficiency is poor. Further, the diffraction grating is said to have a plurality of arcs having a constant width arranged concentrically, but since the unevenness of the diffraction grating is uniform, it is combined with incident light especially when receiving light from space. ineffective.
これに対し、面積効率を高めつつ、アレイ化した際に、各GC間の隙間を小さくできる構造のGCも提案されている。このGCは、正方形の1つの角部を特定角部として、特定角部の両側の二辺と正方形の中心付近を通る円弧に対して、円弧の中心側、つまり特定角部を含む領域がテーパ部、円弧の外側の領域が結合領域となる回折格子とされ、特定角部に導波路が接続されている。 On the other hand, a GC having a structure that can reduce the gap between each GC when arrayed while improving the area efficiency has also been proposed. In this GC, one corner of the square is set as a specific corner, and the center side of the arc, that is, the region including the specific corner is tapered with respect to the arc passing through the two sides of the specific corner and the vicinity of the center of the square. The region outside the arc is a diffraction grating that serves as a coupling region, and a waveguide is connected to a specific angle portion.
ところが、このGCも回折格子が一定幅の円弧を複数本同心円状に並べたものとされ、回折格子の凹凸が一様とされているため、特に空間からの光を受光する際に入射光との結合効率が悪い。 However, this GC also has a diffraction grating in which a plurality of arcs having a constant width are arranged concentrically, and the unevenness of the diffraction grating is uniform, so that the incident light is particularly received when receiving light from space. Coupling efficiency is poor.
一方、特許文献1に、三角形状のGCであって、導波路が接続される角部を特定角部として、特定角部から同心円状の凹凸を三角形の全域に配置した回折格子を備え、特定角部から遠い位置ほど回折格子の凸部の幅が広がるようにした構造が提案されている。
On the other hand,
このような構造においては、テーパ部を設けること無くGCのほぼ全域を回折格子としているため、面積効率を高められる。また、回折格子の凹凸が一様ではなく、光の波面に合わせて回折格子の凹凸が分布化されたものとなっているため、入射光との結合効率を高めることも可能となる。 In such a structure, since almost the entire area of the GC is a diffraction grating without providing a tapered portion, area efficiency can be improved. Further, since the unevenness of the diffraction grating is not uniform and the unevenness of the diffraction grating is distributed according to the wave surface of the light, it is possible to improve the coupling efficiency with the incident light.
しかしながら、特許文献1のように、回折格子の凹凸における凸部の幅を導波路から遠くなるほど徐々に広げる構造とすることで結合効率を高められるものの、単に導波路から遠くなるほど幅を広げるだけでは十分に結合効率を高められない。
However, as in
特に、車両用の測距センサの受光素子となる受光アンテナとしてGCを使用する場合、集光レンズにて物体からの反射光を集光し、受光アンテナに入力することになる。しかし、反射光の入光角度が一定の拡がりを持つ場合、集光レンズで集光された反射光は拡がりを持ったスポットになるため、広い範囲で受光できるGCが必要となる。一方で、集光レンズで集光された反射光は大きな見込み角を持ってGCに入射するため小さなGCが必要となる。このため、1つのGCではなく、アレイ化したGCアレイが必要になる。また、集光レンズにて集光された反射光は、広範囲でほぼ一様強度となるため、広範囲において結合効率の高いものが求められる。 In particular, when the GC is used as the light receiving antenna that serves as the light receiving element of the distance measuring sensor for a vehicle, the reflected light from the object is collected by the condenser lens and input to the light receiving antenna. However, when the incoming angle of the reflected light has a certain spread, the reflected light collected by the condenser lens becomes a spot with a spread, so that a GC capable of receiving light in a wide range is required. On the other hand, the reflected light collected by the condenser lens is incident on the GC with a large viewing angle, so that a small GC is required. Therefore, an arrayed GC array is required instead of one GC. Further, since the reflected light collected by the condenser lens has substantially uniform intensity in a wide range, it is required to have high coupling efficiency in a wide range.
本発明は上記点に鑑みて、さらに入射光との結合効率を高めることが可能なGC、GCアレイ、受光アンテナおよび測距センサを提供することを目的とする。 In view of the above points, it is an object of the present invention to provide a GC, a GC array, a light receiving antenna, and a distance measuring sensor capable of further increasing the coupling efficiency with incident light.
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、受光して光導波路(12)に対して光を伝搬させる素子、もしくは光導波路から伝搬された光の発光を行う素子であるGCであって、長い対角線である長対角線と短い対角線である短対角線が直交した菱形状とされ、該菱形状の長対角線の一方の端部が位置する鋭角の第1角部(113)が光導波路に接続されていると共に、該第1角部から長対角線のもう一方の端部が位置する第2角部(114)に至るまで曲線状に配された複数の屈折率凸部(111a)と屈折率凸部の間に絶縁膜(14)が埋め込まれた埋込層(112)を含む光導入部(111)を有し、第1角部から所定の1周期幅ごとに曲線状に配された複数の屈折率凸部と埋込層が繰り返し配置された回折格子を含み、1周期幅ごとの屈折率凸部の断面積は、長対角線上において、第1角部から離れるほど小さくもしくは大きくされており、さらに、第1角部を中心とした角度の方向において、長対角線から離れるほど小さくもしくは大きくされている。
In order to achieve the above object, in the invention according to
このように、長対角線上において、第1角部から離れるほど1周期幅ごとの屈折率凸部の断面積が小さくもしくは大きくなるようにしている。それに加えて、長対角線から離れるほど、つまり各屈折率凸部曲線の端に向かうほど、1周期幅ごとの屈折率凸部の断面積が小さくもしくは大きくなるようにしている。このため、長対角線の方向だけでなく、長対角線から離れる方向においても入射光の結合効率を高めることが可能になる。よって、さらに入射光との結合効率を高めることが可能なGCにできる。 In this way, on the long diagonal line, the cross-sectional area of the refractive index convex portion for each cycle width becomes smaller or larger as the distance from the first corner portion increases. In addition, the cross-sectional area of the refractive index convex portion for each cycle width is reduced or increased as the distance from the long diagonal line, that is, toward the end of each refractive index convex portion curve. Therefore, it is possible to increase the coupling efficiency of the incident light not only in the direction of the long diagonal line but also in the direction away from the long diagonal line. Therefore, the GC can be made capable of further increasing the coupling efficiency with the incident light.
屈折率凸部の曲線形状を、同心円でも円弧でもなく、空間から光導入部(111)に入射する光波と、光導波路(12)端から光導入部(111)に入射する時間反転光波とで形成される干渉縞の形状とすることで、光導入部(111)で結合された導波光を光導波路(12)に高効率に結合することが可能となる。 The curved shape of the convex index portion is not a concentric circle or an arc, but is a light wave incident on the light introduction portion (111) from space and a time-reversed light wave incident on the light introduction portion (111) from the end of the optical waveguide (12). By forming the shape of the interference fringes to be formed, the waveguide light coupled by the light introduction portion (111) can be coupled to the optical waveguide (12) with high efficiency.
屈折率凸部の曲線形状が同心円もしくは円弧の場合は、空間から光導入部(111)により結合した導波光は、光導波路(12)を伝搬する光波形態とは異なる形態で光導波路端に集光するために、発生する波面不整合により結合損失が発生する。前項のように屈折率凸部の曲線形状を決定することで、波面不整合による損失を避けることができる。 When the curved shape of the convex index portion is a concentric circle or an arc, the waveguide light coupled from the space by the light introduction portion (111) is collected at the end of the optical waveguide in a form different from the light wave form propagating in the optical waveguide (12). Since it shines, a coupling loss occurs due to the generated wave surface mismatch. By determining the curved shape of the convex index portion as in the previous section, loss due to wave surface mismatch can be avoided.
なお、各構成要素等に付された括弧付きの参照符号は、その構成要素等と後述する実施形態に記載の具体的な構成要素等との対応関係の一例を示すものである。 The reference reference numerals in parentheses attached to each component or the like indicate an example of the correspondence between the component or the like and the specific component or the like described in the embodiment described later.
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In each of the following embodiments, parts that are the same or equal to each other will be described with the same reference numerals.
(第1実施形態)
第1実施形態について説明する。本実施形態では、GCをアレイ状としたGCアレイを受光アンテナとして適用した測距センサについて説明する。本実施形態の測距センサは、例えば車載用のLIDAR(Light Detection and Ranging)として用いられ、車外の空間のうち互いに垂直な2方向において所定の範囲に含まれる領域に光を照射し、車外の物体との距離等を検出する。なお、各図中に、測距センサの構成要素の配置や方向等を判りやすくするために、xyz軸を示してある。
(First Embodiment)
The first embodiment will be described. In this embodiment, a distance measuring sensor in which a GC array in which GC is formed as an array is applied as a light receiving antenna will be described. The distance measuring sensor of the present embodiment is used, for example, as an in-vehicle LIDAR (Light Detection and Ranging), and irradiates a region included in a predetermined range in two directions perpendicular to each other in the space outside the vehicle to irradiate the region outside the vehicle. Detects the distance to an object. In each figure, the xyz axis is shown in order to make it easy to understand the arrangement and direction of the components of the distance measuring sensor.
図1に示すように、本実施形態の測距センサは、LD(レーザダイオード)1、変調器2、増幅器3、分波器4、走査部5、受光器6、合波器7、変換器8、TIA(トランスインピーダンスアンプ)9、算出部10を備えている。これらの構成要素は、シリコンフォトニクスによって基板11に形成されており、光集積チップが構成されている。基板11には、さらに、光信号を伝達する光導波路12と、電気信号を伝達する配線13が形成されている。光導波路12は、信号伝達用光導波路に相当する。
As shown in FIG. 1, the distance measuring sensor of the present embodiment includes an LD (laser diode) 1, a
図2に示すように、基板11は、Siで構成された支持層11a、SiO2で構成された犠牲層11b、Siで構成された活性層11cが順に積層されたSOI(Silicon on Insulator)基板であり、例えば10mm□とされている。
As shown in FIG. 2, the
活性層11cはエッチングにより一部が除去されており、活性層11cと、活性層11cが除去されることによって露出した犠牲層11bは、SiO2で構成された絶縁膜14に覆われている。そして、活性層11cをコア層とし、犠牲層11bおよび絶縁膜14をクラッド層として、光導波路12が構成されている。また、配線13は、絶縁膜14の表面に形成されたAl等の層で構成されている。
A part of the
本実施形態では、光導波路12のコア層がSiで構成され、クラッド層がSiO2で構成されているが、これらの層を他の材料で構成してもよい。なお、Si、または、不純物がドープされたSiO2、SiN、SiON、LN、InPから選択された少なくとも1つの材料で光導波路12のコア層を構成することが好ましい。また、SiO2、SiN、SiON、LN、InGaAsPから選択された少なくとも1つの材料でクラッド層を構成することが好ましい。ただし、コア層とクラッド層は、異なる材料構成とされる。また、コア層の屈折率は、クラッド層よりも高くされている。
In the present embodiment, the core layer of the
また、図3に示すように、測距センサは、MEMSミラー40と、ケース16と、一部にプリズム17aが形成されたリッド17と、拡散レンズ18と、集光レンズ19とを備えた光学パッケージとされている。ケース16は、一面が開口し、内部に空間が形成された直方体状の枠体であり、セラミック等で構成されている。基板11およびMEMSミラー40は、ケース16の内部に配置されている。ケース16の開口部はリッド17によって塞がれており、リッド17の外側には拡散レンズ18および集光レンズ19が配置されている。
Further, as shown in FIG. 3, the distance measuring sensor is an optical device including a
測距センサの詳細な構成について説明する。LD1は、外部に照射するための光を発生させるものであり、光源に相当する。本実施形態では、LD1は、DFB(Distributed FeedBack)型のレーザダイオードとされており、基板11上にフリップチップ等で実装されている。具体的には、図1、図4に示すように、LD1は、III−V族半導体で構成された活性層1aと、活性層1aの両側に配置されたp型クラッド層1bおよびn型クラッド層1cとを備えている。また、LD1はn型基板1dを備えており、n型基板1dの一面にn型クラッド層1c、活性層1a、p型クラッド層1bが順に成膜されている。図4に示すように、基板11の一部においては、絶縁膜14と、活性層11cと、犠牲層11bの一部とが除去されており、LD1は、残された犠牲層11bにp型クラッド層1bが積層されるように配置されている。すなわち、犠牲層11bの上に、p型クラッド層1b、活性層1a、n型クラッド層1c、n型基板1dが順に積層されている。LD1は、III−V族半導体で構成されることにより、出力が大きくなる。
The detailed configuration of the distance measuring sensor will be described. The LD1 generates light for irradiating the outside and corresponds to a light source. In the present embodiment, the LD1 is a DFB (Distributed FeedBack) type laser diode, and is mounted on a
本実施形態では、LD1が発生させる光の波長は、0.85μm以上0.95μm以下または1.5μm以上1.6μm以下とされている。図1に示すように、LD1は、光導波路12によって変調器2に接続されており、LD1が発生させた光信号は、変調器2に入力される。なお、図4に示すように、LD1と光導波路12との間には隙間が形成されており、LD1が発生させた光は、この隙間を越えて光導波路12に入る。
In the present embodiment, the wavelength of the light generated by the LD1 is 0.85 μm or more and 0.95 μm or less, or 1.5 μm or more and 1.6 μm or less. As shown in FIG. 1, the LD1 is connected to the
変調器2は、LD1が発生させた光の周波数を変調するものである。変調器2として、例えばSSB(Single Side Band)変調器などが用いられる。具体的には、LD1が発生させた光の周波数は、変調器2によって、図5に示すように変化する。すなわち、時間の経過に伴って周波数が増減を繰り返し、時間と周波数との関係を示すグラフが三角波となる。なお、図5のグラフにおいて、実線は変調器2が出力する光信号の周波数を示し、一点鎖線は受光器6から合波器7に入力される光信号の周波数を示す。
The
図1に示すように、変調器2は、光導波路12によって増幅器3を介して分波器4に接続されており、変調器2によって周波数が変調された光信号は、増幅器3によって増幅された後、分波器4に入力される。
As shown in FIG. 1, the
分波器4は、光導波路12が分岐するカプラで構成されており、分波器4に入力された光信号は、一部が走査部5に入力され、他の部分が合波器7に入力される。光導波路12のうち分波器4と走査部5とを接続する部分を光導波路12aとし、分波器4と合波器7とを接続する部分を光導波路12bとする。
The
前述したように、本実施形態の測距センサは、車外の空間のうち互いに垂直な2方向において所定の範囲に含まれる領域に光を照射し、車外の物体との距離等を検出する。具体的には、測距センサは、車外の空間のうち所定の領域を、水平方向、および、水平面に垂直な方向において複数の領域に分割し、分割された各領域に含まれる物体との距離を算出する。以下、この水平方向および水平面に垂直な方向をそれぞれH方向、V方向とする。 As described above, the distance measuring sensor of the present embodiment irradiates a region included in a predetermined range in two directions perpendicular to each other in the space outside the vehicle, and detects a distance to an object outside the vehicle and the like. Specifically, the distance measuring sensor divides a predetermined area of the space outside the vehicle into a plurality of areas in the horizontal direction and the direction perpendicular to the horizontal plane, and the distance to the object included in each of the divided areas. Is calculated. Hereinafter, the horizontal direction and the direction perpendicular to the horizontal plane will be referred to as the H direction and the V direction, respectively.
合波器7は、測距センサのV方向の解像度、すなわち、上記所定の領域のV方向の分割数に応じて複数配置されている。そして、分波器4に入力された光信号は、光導波路12bを介して、複数の合波器7に分割されて入力される。
A plurality of
本実施形態では、測距センサの解像度がH方向に1500、V方向に20とされている。そして、これに対応して、合波器7は20個配置され、光導波路12は分波器4において1本の光導波路12aと20本の光導波路12bとに分岐している。
In this embodiment, the resolution of the distance measuring sensor is 1500 in the H direction and 20 in the V direction. Correspondingly, 20
走査部5は、入力された光信号をH方向に走査するものである。本実施形態の走査部5は、MEMSミラー40で構成されている。また、光導波路12aは、基板11の側面に至っており、分波器4が出力する光信号は、基板11の側面に配置されたコリメートレンズ37を介してMEMSミラー40に照射される。
The scanning unit 5 scans the input optical signal in the H direction. The scanning unit 5 of this embodiment is composed of a
MEMSミラー40は、Siで構成された支持層、SiO2で構成された犠牲層、Siで構成された活性層が順に積層されたSOI基板を加工することで形成されたものであり、光を反射する反射部41と、反射部41を両持ち支持する梁部42とを備えている。
The
MEMSミラー40は、例えば圧電素子の変形によって梁部42を振動させる図示しない駆動部を備えており、この駆動部によって梁部42が共振することにより、反射部41が梁部42の軸まわりに揺動する。そして、基板11から出射された光は、揺動する反射部41で反射することにより、進行方向が基板11の表面に略垂直となるとともに、H方向に走査される。このようなMEMSミラー40は、共振を利用して高速での走査が可能である。また、反射部41を適切な材料で構成することにより、高い反射率が得られる。また、ひずみゲージ等の角度センサを梁部42に設置することで、光が出射される方向を把握することができる。
The
図3に示すように、基板11およびMEMSミラー40は、基板11の側面からコリメートレンズ37を介して出射された光がMEMSミラー40に照射されるように、ケース16の内部に配置されている。基板11から出射された光は、MEMSミラー40で反射し、リッド17に照射される。リッド17は、基板11から出射される光を透過させるガラス等で構成されており、リッド17に照射された光はリッド17を透過して拡散レンズ18に照射される。
As shown in FIG. 3, the
MEMSミラー40は、拡散レンズ18に照射される光の進行方向が、基板11に垂直な方向であるz方向となるように、基板11から出射された光の進行方向を調整するものであり、方向調整ミラーに相当する。
The
なお、基板11の表面に垂直な方向には、基板11の表面に完全に垂直な方向のみでなく、略垂直な方向も含まれるものとする。同様に、基板11の表面に平行な方向には、基板11の表面に完全に平行な方向のみでなく、略平行な方向も含まれるものとする。
It should be noted that the direction perpendicular to the surface of the
拡散レンズ18は、照射された光を拡散させてラインビームを形成するものであり、シリンドリカルレンズ等で構成されている。本実施形態の拡散レンズ18は、照射された光をV方向に拡散するように、リッド17の表面に配置されている。拡散レンズ18によって拡散された光は、測距センサの外部に照射される。そして、外部の物体で反射した光は、集光レンズ19に照射される。
The
集光レンズ19は、リッド17の表面に配置されている。集光レンズ19は、拡散レンズ18から測距センサの外部に照射された光の反射光を集光して受光器6に照射するものである。
The
測距センサの外部から集光レンズ19に照射された光は、リッド17に形成されたプリズム17aを通って受光器6に照射される。プリズム17aは集光レンズを通った光をy方向に傾斜させる。なお、図3では、プリズム17aの詳細構造については示していないが、光をy方向に傾斜させる傾斜面とされている。図1に示すように、受光器6は、V方向に並んだ複数の受光アンテナ21を備えており、リッド17を通った光は、各受光アンテナ21に照射される。受光アンテナ21は、測距センサのV方向の解像度に対応して、20個配置されている。
The light emitted from the outside of the distance measuring sensor to the
各受光アンテナ21は、図6および図7に示すような回折格子を含むGC110を図8に示すように複数個アレイ状に並べたGCアレイ100で構成されている。なお、図6では、絶縁膜14の図示を省略している。
Each
GC110を構成する回折格子は、活性層11cをエッチングして複数の屈折率凸部111aとした光導入部111と、複数の屈折率凸部111aの間に埋め込まれた絶縁膜14で構成される埋込層112とによって構成されている。
The diffraction grating constituting the
具体的には、回折格子の上面形状は、H方向に平行な軸が2つの対角線のうちの長い側の対角線(以下、長対角線という)と一致させられ、V方向が長対角線に直交する短い対角線(以下、短対角線という)と一致させられた菱形状とされている。つまり、回折格子は、長対角線の一方の端部が位置する鋭角の第1角部113と、長対角線のもう一方の端部が位置する鋭角の第2角部114とを有した構成とされている。そして、回折格子は、活性層11cに対し、長対角線の両側に広がる複数の曲線状スリットを形成し、複数の屈折率凸部111aに区画することで構成されている。本実施形態では、各屈折率凸部111aは同じ高さとされている。より詳しくは、屈折率凸部111aが光導波路12に接続される側となる第1角部113から長対角線のもう一方の端部が位置する第2角部114に至るまで、屈折率凸部111aは曲線状に複数個配置された構造とされている。なお、スリットとされる部分には、SiO2で構成される絶縁膜14が埋め込まれ、これが埋込層112とされる。
Specifically, in the shape of the upper surface of the diffraction grating, the axis parallel to the H direction is made to coincide with the diagonal line on the long side of the two diagonal lines (hereinafter referred to as the long diagonal line), and the V direction is short and orthogonal to the long diagonal line. It has a diamond shape that matches the diagonal line (hereinafter referred to as the short diagonal line). That is, the diffraction grating has a configuration having an acute-angled
複数の屈折率凸部111aは、図9Aに示されるように第1角部113から離れるほど徐々に幅が狭くなる構成とされている。それに加えて、複数の屈折率凸部111aは、図7および図9Bに示されるように長対角線から離れるほど、つまり各屈折率凸部111aの端に向かうほど幅が徐々に狭くなる構成とされている。
As shown in FIG. 9A, the plurality of refractive index
本実施形態の場合、図9Aおよび図9Bに示すように、一定のピッチで屈折率凸部111aが形成されるようにしている。つまり、屈折率凸部111aの幅とスリットとされた凹部の幅を合わせた幅が一定周期幅とされ、一定周期幅ごとに屈折率凸部111aが形成されている。このため、一定周期幅に対する屈折率凸部111aの幅を屈折率凸部111aのデューティ比と表現すると、屈折率凸部111aのデューティ比が図9Aも図9Bも紙面右側に向かうほど小さくなる。さらに、図9Aと比較して、図9Bの方がそのデューティ比の小さくなり方が大きくなる。このように、長対角線上において光導波路12から離れる方向への各屈折率凸部111aのデューティ比と、GC110が構成する菱形の各辺上に光導波路12から離れる方向(以下、辺方向という)への各屈折率凸部111aのデューティ比を異ならせている。換言すれば、菱形内に第1角部113を中心として伸ばした任意の直線lと長対角線がなす角度をθとすると、どの角度θにおいても各屈折率凸部111aのデューティ比が異なった値となるようにしている。
In the case of the present embodiment, as shown in FIGS. 9A and 9B, the refractive index
なお、本実施形態の場合、屈折率凸部111aの幅は、第1角部113を中心とした径方向において切断した、1周期幅ごとの光導入部111の断面積を規定するものである。上記したように、1周期幅ごとに屈折率凸部111aのみが形成されていることから、本実施形態の場合、1周期幅ごとの屈折率凸部111aの断面積が1周期幅ごとの光導入部111の断面積となる。
In the case of the present embodiment, the width of the refractive index
GCアレイ100は、図8に示すように、菱形状で構成されたGC110を複数個敷き詰めた構成とされている。本実施形態の場合、合計16個のGC110が、長対角線同士が同方向に向けられ、菱形状とされた各GC110の辺同士が対向するように配置されることで、GCアレイ100が構成されている。GCアレイ100を構成する複数のGC110のうち、図中の左側の8個は各GC110の左側において光導波路12が接続され、右側の8個は各GC110の右側において光導波路12が接続されている。つまり、GCアレイ100を長対角線の方向において2つの領域に区画し、長対角線の一方側となる紙面左側に位置する領域については、その方向である紙面左側に位置する角部を第1角部113として光導波路12を接続している。そして、GCアレイ100のうち、長対角線のもう一方側となる紙面右側に位置する領域については、その方向である右側に位置する角部を第1角部113として光導波路12を接続している。これにより、右側の8個のGC110についてはGCアレイ100の右側から光導波路12を通じて光を取り出し、左側の8個のGC110についてはGCアレイ100の左側から光導波路12を通じて光を取り出している。
As shown in FIG. 8, the
また、各GC110は、鋭角および鈍角が等しい相似形で構成されているが、GCアレイ100の左右両端に向かうほど寸法が小さくされている。このため、GCアレイ100の左右両端に向かうほど、各GC110の間の隙間の幅が空けられるようになり、その隙間に、それよりもGCアレイ100の中央側に配置されたGC110に接続される光導波路12が配置されるようになっている。このように、光導波路12の配置スペースを考慮すると、GCアレイ100の左右両端に向かうほど各GC110の寸法を小さくすることになる。しかしながら、すべてのGC110に対して光導波路12を同方向に配置して光の取り出し方向を同方向にするのではなく、左右両側から光が取り出せるようにしている。このため、GCアレイ100の左右両端に向かうほど各GC110の寸法が小さくなるものの、できるだけ大きな寸法にすることができる。したがって、光導波路12の配置スペースとなる各GC110の間の隙間を最小化できると共に、各GC110の寸法をできるだけ大きくすることが可能となり、集積密度を高められ、面積効率の最大化を図ることが可能となっている。
Further, each
以下、GC110のうち、GCアレイ100のうち2つの領域に区画される位置となる中央に配置されたものを中央GC110a、左右両端に配置されたものを端部GC110b、中央GC110aと端部GC110bの間に配置されたものを中間GC110cという。
Hereinafter, among the GC110, the one arranged in the center which is the position divided into two regions of the
各GC110は、菱形状とされているが、中間GC110cについては、短対角線の両端部が位置する鈍角となる第3角部115や第4角部116の頂点を切り欠いた面取り部115a、116aが設けられている。中央GC110aもしくは端部GC110b以外のGC110、本実施形態の場合は中間GC110cについては、それよりも内側に位置する中央GC110aの光導波路12が隣に配置される。このため、光導波路12の折れ曲がりを緩やかにでき、折れ曲りが急になるために生じる光漏れなどの導波路損を抑制できて、光の伝搬効率を高めることが可能となる。
Each GC110 has a diamond shape, but for the intermediate GC110c, the chamfered
また、図6に示すように、受光アンテナ21の上には、BPF(バンドパスフィルタ)22と、偏光フィルタ23とが積層されている。BPF22は、所定の周波数帯域の光を通過させ、他の周波数帯域の光を遮断するものである。BPF22は、屈折率の高いTiO2膜24と、屈折率の低いSiO2膜25とが交互に積層されて構成されており、最下層および最上層の両方がTiO2膜24とされている。
Further, as shown in FIG. 6, a BPF (bandpass filter) 22 and a
偏光フィルタ23は、所定の向きに偏光した光を通過させ、他の向きに偏光した光を遮断するものである。ここでは、偏光フィルタ23にて、s偏光の光を通過させている。偏光フィルタ23は、BPF22に積層されたSiO2膜26と、SiO2膜26に積層されたAlのワイヤグリッド27とで構成されている。
The
BPF22、偏光フィルタ23によって、不要なノイズ成分の光が除去され、所定の向きに偏光した所定の周波数帯域の光が受光アンテナ21に照射される。受光アンテナ21は、光導波路12によって合波器7に接続されており、受光アンテナ21が出力した光信号は、合波器7に入力される。
The BPF 22 and the
なお、本実施形態の受光アンテナ21は、V方向の幅よりもH方向の幅が大きくされている。これにより、H方向の広い範囲で反射光を受信することができるため、測距センサのSNRが向上する。
The
合波器7は、分波器4から入力された光信号と受光アンテナ21から入力された光信号との合波により波形を生成するものであり、測距センサのV方向の解像度に対応して複数配置されている。
The
各合波器7には、分波器4と各受光アンテナ21からの光信号が入力される。そして、各合波器7は、入力された2つの光信号の合波によって形成した光信号を出力する。合波器7は、光導波路12によって変換器8に接続されており、合波器7が形成した光信号は、変換器8に入力される。
Optical signals from the
変換器8は、入力された光信号を電気信号に変換するものである。本実施形態の変換器8は、PINフォトダイオードで構成されており、入力された光信号に応じて電流信号を出力する。なお、変換器8をアバランシェフォトダイオードで構成してもよい。
The
なお、本実施形態のようにLD1が発生させる光の波長が0.85μm以上0.95μm以下である場合には、変換器8をSi半導体で構成されたフォトダイオードとすることにより、測距センサのSNRを向上させることができる。また、LD1が発生させる光の波長が1.5μm以上1.6μm以下である場合には、変換器8をGe半導体で構成されたフォトダイオードとすることにより、測距センサのSNRを向上させることができる。
When the wavelength of the light generated by the LD1 is 0.85 μm or more and 0.95 μm or less as in the present embodiment, the distance measuring sensor is formed by using the
図1に示すように、変換器8は、合波器7と同様に測距センサのV方向の解像度に対応して複数配置されており、各変換器8には、各合波器7から光信号が入力される。変換器8は、配線13によってTIA9に接続されている。TIA9は、変換器8と同様に基板11に複数配置されており、各変換器8が出力する電流信号は、各TIA9に入力される。
As shown in FIG. 1, a plurality of
TIA9は、変換器8から入力された電流信号を電圧信号に変換して出力する。TIA9は配線13によって算出部10に接続されており、TIA9が出力する電圧信号は、算出部10に入力される。
The
このような受光アンテナ21、合波器7、変換器8、TIA9は、半導体技術のバッチプロセスを用いて、基板11にそれぞれ複数形成することができる。
A plurality of such
算出部10は、入力された電気信号を処理し、ヘテロダイン検波により物体との距離等を算出するものであり、ADC(ADコンバータ)28、FFT(高速フーリエ変換)回路29、画像化処理回路30を備えている。変換器8、TIA9、算出部10は、処理部に相当する。
The
ADC28は、TIA9が出力した電気信号をデジタル信号に変換して出力するものである。FFT回路29は、ADC28が出力したデジタル信号に含まれる周波数成分を検出するものである。
The
画像化処理回路30は、FFT回路29によって検出された周波数成分に基づいて物体との距離および物体の速度を算出し、2次元のデータを形成するものである。画像化処理回路30が形成したデータは、車両に搭載された図示しないECU等に送信され、物体との衝突を回避するための自動ブレーキ等に用いられる。
The
以上が本実施形態の測距センサの構成である。なお、LD1、変調器2、変換器8、TIA9、算出部10は、図示しない配線によって外部の制御回路に接続されており、この制御回路から入力される電気信号に応じて動作する。
The above is the configuration of the distance measuring sensor of this embodiment. The LD1, the
本実施形態の測距センサの動作について説明する。本実施形態の測距センサは、レーザ光の可干渉性を利用したFMCW方式によって物体との距離および物体の速度を検出する。 The operation of the distance measuring sensor of this embodiment will be described. The ranging sensor of the present embodiment detects the distance to the object and the speed of the object by the FMCW method utilizing the coherence of the laser beam.
まず、LD1が光を発生させると、LD1から変調器2に光信号が入力される。変調器2は、入力された光信号の周波数を周期的に増減させて、図5の実線で示すような三角波を形成する。ここでは、変調器2は、f0を中心としてf0−Δf/2からf0+Δf/2の間で周波数の増減を繰り返す周期Tの三角波を形成する。変調器2が形成した光信号は、増幅器3によって増幅された後、分波器4を介してコリメートレンズ37および合波器7に入力される。
First, when the LD1 generates light, an optical signal is input from the LD1 to the
さらに、光信号は、コリメートレンズ37を介して照射光としてMEMSミラー40に出力される。そして、図示しない駆動部が梁部42を振動させることでMEMSミラー40の反射部41が梁部42の軸周りに揺動させられ、光がH方向に走査される。基板11の側面から基板11の外部に出射された光は、MEMSミラー40で反射し、進行方向が基板11の表面に垂直な方向とされて、リッド17および拡散レンズ18に照射される。
Further, the optical signal is output to the
拡散レンズ18に照射された光は、V方向に拡散されて、車両の外部に照射される。このとき、光がV方向に拡散されているため、図11に示すように、V方向の広い範囲に一度に光を照射することができる。
The light emitted to the
すなわち、光を照射する領域をH方向にm分割し、V方向にn分割したときの、H方向のi番目、V方向のj番目の領域を領域Ri,jとすると、図11の破線で示すように、領域R1,1〜R1,nに一度に光を照射することができる。そして、走査部5が光をH方向に走査することにより、領域Ri,1〜Ri,nに一度に光を照射することができる。本実施形態のように測距センサのV方向の解像度が20とされている場合には、領域Ri,1〜Ri,20に光を照射することができる。このため、光をH方向およびV方向の両方に走査する場合に比べて、走査の制御が容易になる。 That is, when the region to be irradiated with light is divided into m in the H direction and n is divided in the V direction, the i-th region in the H direction and the j-th region in the V direction are the regions Ri and j. As shown, the regions R1,1 to R1, n can be irradiated with light at once. Then, by scanning the light in the H direction by the scanning unit 5, the regions Ri, 1 to Ri, n can be irradiated with the light at once. When the resolution in the V direction of the distance measuring sensor is 20 as in the present embodiment, the regions Ri, 1 to Ri, 20 can be irradiated with light. Therefore, the scanning control becomes easier as compared with the case where the light is scanned in both the H direction and the V direction.
車両の外部に照射された光は、車両の外部の物体で反射して、集光レンズ19に照射され、集光レンズ19、リッド17、プリズム17a、偏光フィルタ23、BPF22を通って受光アンテナ21に照射される。図12に示すように、複数の受光アンテナ21はV方向に並んでいるため、V方向に並んだ複数の領域に含まれる物体で反射された光を一度に受信することができる。例えば、領域R1,1〜R1,nに含まれる物体での反射光は図12中の領域R1に照射され、領域Rm,1〜Rm,nに含まれる物体での反射光は領域R2に照射される。そして、複数の受光アンテナ21には、領域Ri,1〜Ri,nに含まれる物体での反射光がそれぞれ照射される。
The light emitted to the outside of the vehicle is reflected by an object outside the vehicle and is applied to the
受光アンテナ21に照射された光は、合波器7に入力され、分波器4から合波器7に入力された光信号と合成される。合波器7が2つの光信号を合波することで形成された光信号は、変換器8によって電流信号に変換され、さらにTIA9によって電圧信号に変換されて、算出部10に入力される。
The light emitted to the
なお、各合波器7、各変換器8、各TIA9は、各受光アンテナ21について、光信号の処理等を同時に行う。すなわち、複数の合波器7によって、領域Ri,1〜Ri,nからの反射光と分波器4から入力された光信号との合波が、各領域について同時に行われる。そして、複数の変換器8と複数のTIA9によって、合波器7が形成した光信号の電気信号への変換が、各領域について同時に行われる。
The
算出部10に入力された信号は、ADC28によってデジタル信号に変換され、FFT回路29に入力される。FFT回路29は、入力された信号の周波数成分を検出し、画像化処理回路30は、検出された周波数成分に基づいて、物体との距離および物体の速度を算出する。
The signal input to the
合波器7に受光アンテナ21から入力される光と分波器4から入力される光との間には、物体との距離および物体の速度によって、図5に示すように位相および周波数の差が生じる。
The phase and frequency difference between the light input from the
そして、合波器7によって形成された光信号には、合成される前の2つの光信号の位相の差と周波数の差によって、2つのビート周波数が現れる。一方のビート周波数fB1は、2つの光の周波数が共に増加しているときの周波数の差であり、他方のビート周波数fB2は、2つの光の周波数が共に減少しているときの周波数の差である。
Then, in the optical signal formed by the
これら2つのビート周波数は、物体との距離および物体の速度に依存するため、2つのビート周波数から、これらを算出することができる。具体的には、物体との距離をl、物体の測距センサに対する相対速度をv、光速をcとすると、l=cT(fB1+fB2)/8Δf、v=c(fB2−fB1)/4f0となる。 Since these two beat frequencies depend on the distance to the object and the speed of the object, they can be calculated from the two beat frequencies. Specifically, if the distance to the object is l, the relative velocity of the object to the distance measuring sensor is v, and the speed of light is c, then l = cT (fB1 + fB2) / 8Δf, v = c (fB2-fB1) / 4f0. ..
物体との距離および物体の速度の算出は、走査部5が光をH方向に走査する度に行われる。すなわち、領域Ri,1〜Ri,nに光が照射され、領域Ri,1〜Ri,nに含まれる物体との距離等が算出されると、走査部5は光の進行方向を変化させる。これにより、図11の矢印A1のように、光が照射される領域が変化する。そして、領域Ri+1,1〜Ri+1,nに光が照射され、領域Ri+1,1〜Ri+1,nに含まれる物体との距離等が算出される。このような動作をi=1〜mについて順に行うことにより、領域R1,1〜Rm,nに含まれる物体との距離等が算出される。ただし、i=mのときに物体との距離等の算出が終了すると、測距センサはi=m−1として、折り返して動作を繰り返す。 The distance to the object and the speed of the object are calculated each time the scanning unit 5 scans the light in the H direction. That is, when the regions Ri, 1 to Ri, n are irradiated with light and the distance to the object included in the regions Ri, 1 to Ri, n is calculated, the scanning unit 5 changes the traveling direction of the light. As a result, the region irradiated with light changes as shown by the arrow A1 in FIG. Then, the regions Ri + 1,1 to Ri + 1, n are irradiated with light, and the distance to the object included in the regions Ri + 1,1 to Ri + 1, n is calculated. By performing such an operation in order for i = 1 to m, the distance to the object included in the regions R1, 1 to Rm, n and the like are calculated. However, when the calculation of the distance to the object is completed when i = m, the distance measuring sensor sets i = m-1 and turns back to repeat the operation.
画像化処理回路30は、i=mのときの物体との距離等の算出が終了する度に、算出された距離および速度に基づいて2次元のデータを形成し、図示しないECU等に送信する。これにより、車両から近い場所に物体がある場合には、物体との衝突を回避するための自動ブレーキ等が作動する。
The
本実施形態の効果について説明する。本実施形態の測距センサでは、受光アンテナ21を構成する各GC110を菱形状としている。そして、曲線状の屈折率凸部111aを形成すると共に、各屈折率凸部111aの間に絶縁膜14が埋め込まれることで回折格子を構成している。そして、菱形状のほぼ全域に広がる回折格子とされていることから、テーパ部を設けるような構成と比較して、より広範囲において入射光を受光することが可能となる。
The effect of this embodiment will be described. In the distance measuring sensor of the present embodiment, each
また、各GC110については、長対角線上において、第1角部113から離れるほど複数の屈折率凸部111aの幅が狭くなるように凸部のデューティ比を設定している。それに加えて、長対角線から離れるほど、つまり各屈折率凸部111aの端に向かうほど屈折率凸部111aの幅が徐々に狭くなるようにしている。このため、長対角線の方向だけでなく、長対角線から離れる方向においても入射光の結合効率を高めることが可能になる。
Further, for each
具体的には、GC110での入射光の結合効率については、入射された光が長対角線の方向だけでなく、各方向において100%結合することが好ましい。そして、長対角線の方向において、第1角部113からそれと反対側の第2角部114に至るまでに光の総量分が受光されるようにできれば、当該方向において結合効率が100%になる。このような高い結合効率に近づけられるように、長対角線上において、各屈折率凸部111aの幅のデューティ比を設定している。
Specifically, regarding the coupling efficiency of the incident light in the GC110, it is preferable that the incident light is 100% coupled not only in the long diagonal direction but also in each direction. Then, if the total amount of light can be received from the
しかしながら、これは図9Aのように長対角線の長さに応じて設定されるデューティ比であり、菱形状の辺方向についても同じデューティ比に設定すると、当該辺方向では光の総量分を受光できない。このため、図9Bのように、辺方向においては、菱形状の辺の長さに対応して光の総量分が受光できるように、長対角線上に比べて、各屈折率凸部111aの幅が光導波路12から離れるほど狭まり、よりデューティ比が小さくなるようにしている。これにより、GC110のどの方向においても入射光の結合効率を高めることが可能となる。
However, this is a duty ratio set according to the length of the long diagonal as shown in FIG. 9A, and if the same duty ratio is set for the side direction of the diamond shape, the total amount of light cannot be received in the side direction. .. Therefore, as shown in FIG. 9B, in the side direction, the width of each refractive index
このような構成とすることで、より広範囲において結合効率を高めることが可能なGC110にできる。したがって、このようなGC110をアレイ状に配置してGCアレイ100を構成すること、さらにはそのようなGCアレイ100を受光アンテナ21に適用することで、広範囲において結合効率を高めることが可能なものにできる。
With such a configuration, the GC110 can be made capable of increasing the coupling efficiency in a wider range. Therefore, by arranging such GC 110s in an array to form a
また、菱形状とされた各GC110は、短対角線がV方向に沿い、長対角線がH方向に沿った配置とされる。このため、長対角線上において、各屈折率凸部111aの接線方向がV方向、その垂直方向となる長対角線の方向がH方向となる。一方、測距センサの外部の物体から戻ってくる反射光が入射光として受光アンテナ21に入射され、反射光のs偏光がV方向、p偏光がH方向に対応した向きとなる。
Further, each GC110 having a diamond shape has a short diagonal line along the V direction and a long diagonal line along the H direction. Therefore, on the long diagonal line, the tangential direction of each refractive index
本実施形態の測距センサでは、入射光のうちのs偏光に基づいて測距を行っている。このため、s偏光の入射光を効率よく受光できるようにすることが重要である。s偏光の入射光を効率よく受光するためには、回折格子の凹凸の方向がs偏光と同方向であることが好ましく、凹凸の方向がs偏光に対して垂直に近づくほど効率よく受光することができなくなる。仮に、GC110を菱形状としても、光導波路12に接続される角部を鈍角の角部とすると、屈折率凸部111aが構成する曲線の傾斜角度も鈍角になる。この場合、屈折率凸部111aの端部の接線方向がs偏光に対して垂直に近づいてしまう。このため、入射光に対する受光効率が悪化してしまう。しかしながら、本実施形態では、光導波路12に接続される角部を鋭角の角部としている。このため、屈折率凸部111aが構成する曲線の傾斜角度を鋭角にでき、屈折率凸部111aの端部の接線方向がs偏光に対して垂直に近づかないようにできる。したがって、GC110の全域において、入射光に対する受光効率を高くすることが可能となる。
In the distance measuring sensor of the present embodiment, distance measurement is performed based on the s polarization of the incident light. Therefore, it is important to be able to efficiently receive the incident light of s-polarized light. In order to efficiently receive the incident light of s-polarized light, it is preferable that the direction of the unevenness of the diffraction grating is the same as that of s-polarized light, and the closer the direction of the unevenness is to perpendicular to the s-polarized light, the more efficiently the light is received. Can't be done. Even if the
また、本実施形態のような測距センサの受光アンテナ21においては、集光レンズ19へ入射光が様々な方向から入ってくるため、それぞれの入射角度に応じて受光アンテナ21上での焦点位置がずれる。そのためより広範囲において高い結合効率が得られる受光アンテナ21である必要がある。これについて、図13を参照して説明する。
Further, in the
図13に示されるように、例えば、入射光は受光径φAが3mm程度の平行光になるが、集光レンズ19の中心線を中心として図中左右いずれかに傾斜した光も入ってくる。本実施形態では、その範囲は0.25°に及び、その範囲で傾斜しても入射光を良好に検知できるようにする必要がある。つまり、0.25°の検知角βが要求される。
As shown in FIG. 13, for example, the incident light is parallel light having a light receiving diameter of about 3 mm, but light inclined to the left or right in the figure with the center line of the
また、集光レンズ19を透過した光は、集光レンズ19での屈折によって集光され、焦点距離Ls=12mmの位置において受光アンテナ21に入光される。受光角ξは14.25°、限界スポット径φLは17μmとなる。このとき、入射光が傾斜することなく一定の方向からしか入射されないのであれば、限界スポット径φLである17μmの範囲において、受光アンテナ21による受光が行えれば良い。しかしながら、集光レンズ19へは傾斜した光も入ってくることから、そのズレ分を加味すると集光エリアサイズRLとして69μm程度が見込まれる。したがって、このような広い集光エリアサイズRLにも対応して広範囲で高い結合効率が得られる受光アンテナ21であることが必要となる。
Further, the light transmitted through the
ただし、1つのGC110を1画素とすると、1画素の幅と放射角または受光角との関係が図14のように見積もられており、1画素の幅が大きくなるほど受光角が小さくなる。そして、14.25°の受光角の光を良好に受光するためには、1画素のGC110の幅を例えば10μm程度に抑えることが必要であり、幅を69μmとしたものでは14.25°の受光角に適応できない。 However, assuming that one GC110 is one pixel, the relationship between the width of one pixel and the radiation angle or the light receiving angle is estimated as shown in FIG. 14, and the larger the width of one pixel, the smaller the light receiving angle. Then, in order to satisfactorily receive light having a light receiving angle of 14.25 °, it is necessary to suppress the width of the GC110 of one pixel to, for example, about 10 μm, and when the width is 69 μm, it is 14.25 °. Cannot adapt to the light receiving angle.
これに対して、本実施形態の受光アンテナ21は、上記したように、幅の狭い複数のGC110を敷き詰めたGCアレイ100とすることで、広範囲で高い結合効率を得ることを可能にしている。具体的には、図8に示すように、GCアレイ100の幅Wzは、光導波路12の幅w、光導波路12の間の間隔s、中央GC110aの一辺の長さLa、GC110が構成する菱形の鋭角の角度2θGを用いて、式1で表される。中央GC110aは、GC110の中でも最も大きな寸法を有しており、中間GC110cや端部GC110bの一辺の長さはそれよりも短くなる。
On the other hand, the
また、GCアレイ100の受光面積率ηA、つまり占有面積に対するGCアレイ100の面積比率は、式2で表される。
Further, the light receiving area ratio η A of the
なお、図3および図13では、集光レンズ19の中心軸が受光アンテナ21の法線方向と一致するように図示してあるが、実際には、図15に示すようにy軸方向に傾斜した状態とされる。受光アンテナ21をGC110で構成しているが、GC110での受光効率を良くするためには、GC110の表面に対する法線方向からではなく傾斜した方向からGC110に入射されるのが好ましい。このため、図15に示すように集光レンズ19の中心軸が受光アンテナ21の法線方向から傾斜させられるようにすることで、高い受光効率が得られるようにしている。
Although the central axis of the
ここで、上記したように、屈折率凸部111aについては、長対角線上において、光導波路12に接続される第1角部113から離れるほど複数の屈折率凸部111aの幅が狭くなるように凸部のデューティ比を設定している。それに加えて、長対角線から離れるほど屈折率凸部111aの幅が徐々に狭くなるようにしている。このような構成になっていることで、広範囲において結合効率を高めることが可能になるが、次のような設定とすることで、より結合効率を高めることが可能となる。
Here, as described above, with respect to the refractive index
具体的には、各屈折率凸部111aは、活性層11cをエッチングすることによって構成され、光導波路12から遠い側の端面(以下、第1エッジという)と、近い側の端面(以下、第2エッジという)とを有した構造となっている。
Specifically, each of the refractive index
ここで、図10に示すように、GC110を上方から見たときに、GC110を構成する菱形のうち光導波路12と接続される境界端の中心をxy座標の原点(0,0)とし、長対角線をy軸とし、短対角線がx軸と平行な線分であるとする。その場合、屈折率凸部111aの中心線、つまり第1エッジと第2エッジの中心位置を描く曲線(以下、中央曲線という)について、数式3が成り立つ。そして、この数式3に基づいて、第1エッジが描く曲線(以下、正側曲線という)は数式4で表され、第2エッジが描く曲線(以下、負側曲線という)は数式5で表される。なお、便宜上、第1エッジが描く曲線のyについては“y+”、第2エッジが描く曲線のyについては“y−”と表記してある。これらの式より、集光レンズ19からGC110への入射光の入射角に応じて、GC110の屈折率凸部111aの曲線形状がそれぞれ異なったものとなる。
Here, as shown in FIG. 10, when the
上記数式3〜数式5中において、mは、複数の屈折率凸部111aの光導波路12からの番号であり、光導波路12に最も近いものを“1”とし、そこから順に番号付けしたものである。λは、GC110を構成する回折格子への入射光の波長、θINは、回折格子への入射光の入射角、N0は、回折格子の実効屈折率、w0は光導波路12における導波光強度x方向分布の1/e2半幅である。実効屈折率とは、回折格子を構成する屈折率凸部111aとその間のスリットに埋め込まれた埋込層112のトータルとしての屈折率であり、本実施形態の場合は屈折率凸部111aを構成するSiと絶縁膜14を構成するSiO2のトータルの屈折率になる。fGは、回折格子の凹凸比である。回折格子の凹凸比とは、屈折率凸部111aとその隣のスリット部分、つまり絶縁膜14が埋め込まれる部分を含めた一定周期幅内における屈折率凸部111aとスリット部分の幅の比を意味している。
In the above formulas 3 to 5, m is a number from the
このように、第1エッジが数式4に示される正側曲線を描き、第2エッジが数式5に示される負側曲線を描くようにすると、より結合効率を高めることが可能となる。
In this way, if the first edge draws the positive curve shown in
(第1実施形態の変形例)
上記第1実施形態では、図9Aおよび図9Bに示したように、屈折率凸部111aが第1角部113から離れるほど徐々に幅狭となる場合について説明した。これに対して、第1角部113から離れるほど徐々に幅広になる形態とされていても良い。
(Modified example of the first embodiment)
In the first embodiment, as shown in FIGS. 9A and 9B, a case where the
例えば、屈折率凸部111aのデューティ比と光の結合係数との関係は、図16の関係となる。すなわち、デューティ比が0.5以下の場合には、デューティ比が大きくなると結合係数が徐々に増加し、0.5以上の場合には、デューティ比が大きくなると結合係数が徐々に低下する。
For example, the relationship between the duty ratio of the refractive index
デューティ比と光の結合係数との関係が図16の関係となる場合において、第1実施形態のように屈折率凸部111aが第1角部113から離れるほど徐々に幅狭とする場合には、デューティ比が0.5より大きい値から0.5に近づくようにする。これにより、結合係数を漸増させることができる。
In the case where the relationship between the duty ratio and the light coupling coefficient is the relationship shown in FIG. 16, when the refractive index
逆に、第1角部113から離れるほど徐々に幅広になる形態とする場合には、デューティ比が0.5より小さい値から0.5に近づくようにする。この場合にも、結合係数を漸増させることができる。
On the contrary, when the shape gradually widens as the distance from the
さらに、第1実施形態では、活性層11cを貫通するようにして屈折率凸部111aを形成し、各屈折率凸部111aの間に埋込層112を備えるようにした。これに対して、図9Cおよび図9Dに示すように、活性層11cを貫通させないで途中までエッチングすることで屈折率凸部111aとしても良い。
Further, in the first embodiment, the refractive index
(第2実施形態)
第2実施形態について説明する。本実施形態は、第1実施形態に対して回折格子の構造を変更したものであり、その他については第1実施形態と同様であるため、第1実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
(Second Embodiment)
The second embodiment will be described. Since this embodiment is the same as the first embodiment in that the structure of the diffraction grating is changed from that of the first embodiment, only the parts different from the first embodiment will be described.
図17に示すように、本実施形態でも、支持層11aの上に犠牲層11bおよび活性層11cが形成されたSOI基板を用い、活性層11cをエッチングしてGC110の回折格子を形成しているが、エッチング深さが第1実施形態と異なる。スリットの深さと光の結合係数との関係は、屈折率凸部111aの幅が一定の場合、図18のように示され、スリットの深さが深くなるほど、換言すればスリットの底部からの屈折率凸部111aの高さが高くなるほど結合係数が大きくなる。これに基づいて、本実施形態ではスリットの深さを設定している。具体的には、図17に示すように、回折格子における各屈折率凸部111aは、光導波路12から離れる程徐々に活性層11cを深くエッチングすることで構成されている。つまり、各屈折率凸部111aは、最も高い位置は同じ高さで同一平面とされているものの、スリットの深さが変化していることでスリットの底面からの高さが異なったものとされている。例えば、各屈折率凸部111aは、光導波路12側ではスリットの深さが低くされているためスリットの底面からの高さが低く、光導波路12から離れるほどエッチングされた溝深さが深くされることでスリットの底面からの高さが高くされている。このようなスリットは、いわゆるグレースケール露光技術を用いて形成可能である。
As shown in FIG. 17, also in this embodiment, the
なお、本実施形態の場合、屈折率凸部111aの間において、活性層11cが除去されていないスリット底部111bがあり、そのスリット底部111bも光導入部111の一部を構成することになる。1周期幅ごとに形成される光導入部111の断面積は、屈折率凸部111aとスリット底部111bの合計の断面積となる。そして、各屈折率凸部111aの間の溝状のスリット内には絶縁膜14が埋め込まれた埋込層112が配置される。これにより、屈折率凸部111aを含む光導入部とその間のスリットに埋め込まれた埋込層112とによる回折格子が構成されている。
In the case of the present embodiment, there is a
例えば、支持層11aの厚みが625μm、犠牲層11bの厚みが2.20μm、活性層11cの厚みが0.22μm、絶縁膜14の厚みが2.65μmとされる。そして、各屈折率凸部111aの間に形成される溝状のスリットの深さは、GC110が構成する菱形のうち光導波路12に接続される鋭角の頂点と反対側の頂点や、当該頂点から鈍角の頂点において活性層11cの膜厚がゼロになるように設定される。図17では、各屈折率凸部111aの間に形成される溝状のスリットの深さは、GC110が構成する菱形のうち光導波路12に接続される鋭角の頂点からの距離に対応して深くされている。
For example, the thickness of the
また、実効屈折率は、1周期幅ごとの光導入部111の断面積によって変わるため、長対角線から角度θの方向に離れるほど、1周期幅ごとの光導入部111の断面積が小さくなるように、スリットの深さを徐々に深くしている。
Further, since the effective refractive index changes depending on the cross-sectional area of the
このように、屈折率凸部111aを形成する際のエッチングの深さを調整し、光導波路12に接続される頂点から徐々にエッチングの深さが深くなる構造とされていても良い。このようにしても、第1実施形態と同様の効果を得ることができる。
In this way, the etching depth when forming the refractive index
(第3実施形態)
第3実施形態について説明する。本実施形態も、第1実施形態に対して回折格子の構造を変更したものであり、その他については第1実施形態と同様であるため、第1実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
(Third Embodiment)
The third embodiment will be described. This embodiment is also a modification of the structure of the diffraction grating with respect to the first embodiment, and the other parts are the same as those of the first embodiment. Therefore, only the parts different from the first embodiment will be described.
図19に示すように、本実施形態でも、支持層11aの上に犠牲層11bおよび活性層11cが形成されたSOI基板を用い、活性層11cをエッチングしてGC110の回折格子を形成しているが、屈折率凸部111aの高さが第1実施形態と異なる。屈折率凸部111aの高さと光の結合係数との関係は、屈折率凸部111aの幅が一定の場合、図20のように示され、屈折率凸部111aの高さが高くなるほど結合係数が大きくなる。これに基づいて、本実施形態では屈折率凸部111aの高さを設定している。具体的には、図19に示すように、回折格子における屈折率凸部111aは、光導波路12から離れる程徐々に高さが高くなる構成とされている。このような構成は、活性層11cの高さが第1角部113から離れるほど高くなるようにエッチングされることによって形成される。このように高さがことなる屈折率凸部111aについても、いわゆるグレースケール露光技術を用いて形成可能である。
As shown in FIG. 19, also in this embodiment, the
例えば、支持層11aの厚みが625μm、犠牲層11bの厚みが2.20μm、活性層11cの厚みが0.22μm、絶縁膜14の厚みが2.65μmとされる。そして、各屈折率凸部111aの高さは、GC110が構成する菱形のうち光導波路12に接続される第1角部113から離れるほど高くされ、第2角部114や第3角部115もしくは第4角部116において最も高くなるように設定される。図19では、各屈折率凸部111aの高さは、GC110が構成する菱形のうち光導波路12に接続される第1角部113の頂点からの距離に対応して高くされている。
For example, the thickness of the
また、長対角線から角度θの方向に離れるほど、1周期幅ごとの光導入部111の断面積が大きくなるように、屈折率凸部111aの高さを徐々に高くしている。
Further, the height of the refractive index
このように、屈折率凸部111a形成する際のエッチングにおいて、光導波路12に接続される頂点から徐々に屈折率凸部111aの高さが高くなっていく構造とされていても良い。このようにしても、第1実施形態と同様の効果を得ることができる。
As described above, in the etching when the refractive index
(他の実施形態)
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。例えば上記実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、上記実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではない。また、上記各実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されるものではない。
(Other embodiments)
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be appropriately modified within the scope described in the scope of patent claims. For example, in the above embodiment, it goes without saying that the elements constituting the embodiment are not necessarily essential except when it is clearly stated that they are essential and when they are clearly considered to be essential in principle. Further, in the above embodiment, when numerical values such as the number, numerical value, amount, and range of the constituent elements of the embodiment are mentioned, when it is clearly stated that they are particularly essential, and in principle, the number is clearly limited to a specific number. It is not limited to the specific number except when In addition, in each of the above embodiments, when referring to the shape, positional relationship, etc. of a component or the like, the shape, unless otherwise specified or limited in principle to a specific shape, positional relationship, etc. It is not limited to the positional relationship.
例えば、上記各実施形態では、受光して光導波路12に対して光を伝搬する受光のための素子としてGC110を適用する場合を例に挙げて説明したが、光導波路から伝搬された光の発光を行う素子として適用することもできる。
For example, in each of the above embodiments, the case where the GC110 is applied as an element for receiving light and propagating the light to the
また、第2実施形態もしくは第3実施形態と第1実施形態とを組み合わせた構成としても良い。すなわち、第2実施形態と第1実施形態とを組み合わせる場合、第2実施形態のように、長対角線上において、第1角部113から離れるほどスリットを深くする。そして、第1実施形態のように、角度θの方向においては、長対角線から離れるほど屈折率凸部111aの幅が狭くなるようにする。また、第3実施形態と第1実施形態とを組み合わせる場合、第3実施形態のように、長対角線上において、第1角部113から離れるほど屈折率凸部111aが高くなるようにする。そして、第1実施形態のように、角度θの方向においては、長対角線から離れるほど屈折率凸部111aの幅が狭くなるようにする。
Further, the configuration may be a combination of the second embodiment or the third embodiment and the first embodiment. That is, when the second embodiment and the first embodiment are combined, the slit is deepened as the distance from the
すなわち、1周期幅ごとの光導入部111の断面積について、長対角線上において、第1角部113から離れるほど大きくなり、かつ、角度θの方向において、長対角線から離れるほど大きくなる構造とされていればよい。
That is, the cross-sectional area of the
21 受光アンテナ
100 GCアレイ
111 光導入部
111a 屈折率凸部
111b スリット底部
112 埋込層
113〜116 第1〜第4角部
115a、116a 面取り部
21
Claims (14)
長い対角線である長対角線と短い対角線である短対角線が直交した菱形状とされ、該菱形状の前記長対角線の一方の端部が位置する鋭角の第1角部(113)が前記光導波路に接続されていると共に、該第1角部から前記長対角線のもう一方の端部が位置する第2角部(114)に至るまで曲線状に配置された複数の屈折率凸部(111a)と前記複数の屈折率凸部の間に絶縁膜(14)が埋め込まれた埋込層(112)を含む光導入部(111)を有し、前記第1角部から所定の1周期幅ごとに前記屈折率凸部と前記埋込層が繰り返し配置された回折格子を含み、
前記1周期幅ごとの前記屈折率凸部は、前記長対角線上において、前記第1角部から離れるほど小さくまたは大きくされており、さらに、前記第1角部を中心とした角度の方向において、前記長対角線から離れるほど小さくまたは大きくされているグレーティングカプラ。 A grating coupler that receives light and propagates light to the optical waveguide (12), or an element that emits light propagated from the optical waveguide.
The long diagonal line, which is a long diagonal line, and the short diagonal line, which is a short diagonal line, are orthogonal to each other in a rhombic shape, and the sharp first corner portion (113) where one end of the long diagonal line of the rhombic shape is located is used as the optical waveguide. With a plurality of refractive index convex portions (111a) that are connected and arranged in a curved shape from the first corner portion to the second corner portion (114) where the other end of the long diagonal line is located. It has a light introduction portion (111) including an embedded layer (112) in which an insulating film (14) is embedded between the plurality of convex indexes having a refractive index, and every predetermined cycle width from the first corner portion. Includes a diffraction grating in which the convex index portion and the embedded layer are repeatedly arranged.
The refractive index convex portion for each cycle width is made smaller or larger as the distance from the first corner portion is increased on the long diagonal line, and further, in the direction of an angle centered on the first corner portion. A grating coupler that is made smaller or larger as it goes away from the long diagonal.
前記第1エッジが描く曲線が
前記第2エッジが描く曲線が
The curve drawn by the first edge
The curve drawn by the second edge
複数の前記グレーティングカプラそれぞれは、長対角線同士が同方向に向けられ、かつ、該グレーティングカプラそれぞれが構成する菱形状の辺同士が対向するように配置されている、グレーティングカプラアレイ。 A plurality of grating couplers according to any one of claims 1 to 6 are arranged.
A grating coupler array in which long diagonal lines of each of the plurality of grating couplers are directed in the same direction, and the rhombic sides of each of the grating couplers are arranged so as to face each other.
前記中間グレーティングカプラは、前記短対角線の端部が位置する鈍角の角部のうち、前記光導波路が隣に配置される角部(115、116)について、該角部の頂点が切り欠かれた面取り部(115a、116a)とされている請求項7または8に記載のグレーティングカプラアレイ。 Among the plurality of the grating couplers, the one arranged in the center which is the position divided into the two regions is referred to as the central grating coupler (110a), and the one arranged on one side and the other side of the long diagonal line most. Is the end grating coupler (110b), and the one arranged between the central grating coupler and the end grating coupler is the intermediate grating coupler (110c).
In the intermediate grating coupler, among the obtuse-angled corners where the ends of the short diagonal lines are located, the vertices of the corners are cut out at the corners (115, 116) where the optical waveguide is arranged next to each other. The grating coupler array according to claim 7 or 8, which is a chamfered portion (115a, 116a).
請求項13に記載の受光アンテナにて前記反射光の受信を行う、測距センサ。 A ranging sensor that irradiates an object with light, receives the reflected light from the object, and measures the distance to the object based on the irradiation light to the object and the reflected light from the object. ,
A distance measuring sensor that receives the reflected light with the light receiving antenna according to claim 13.
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