JP2024026881A - 光デバイス - Google Patents
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Abstract
【課題】比較的簡単な構成で、導波路間の光結合を実現し得る新規な光デバイスを提供する。【解決手段】光デバイスは、第1の方向に延びる第1の導波路と、第1の方向に延びる第2の導波路であって、第1の反射面を有する第1のミラーと、第1の反射面に対向する第2の反射面を有する第2のミラーと、第1のミラーと第2のミラーの間の光導波層と、を備える第2の導波路と、を備え、第1の導波路および第2の導波路の少なくとも一方は、第1の反射面に垂直な方向から見た場合に第1のミラー、第2のミラー、および第1の導波路が重なる領域の一部に1つ以上のグレーティングを有し、1つ以上のグレーティングは、重なる領域における第1のミラーまたは第2のミラーの端部から、第1の方向に、前記第1のミラーの厚さおよび第2のミラーの厚さの少なくとも一方よりも長い距離だけ離れている。【選択図】図8A
Description
本開示は、光デバイスに関する。
従来、光で空間を走査(スキャン)できる種々のデバイスが提案されている。
特許文献1は、ミラーを回転させる駆動装置を用いて、光によるスキャンを行うことができる構成を開示している。
特許文献2は、2次元的に配列された複数のナノフォトニックアンテナ素子を有する光フェーズドアレイを開示している。それぞれのアンテナ素子は可変光遅延線(すなわち、位相シフタ)に光学的に結合される。この光フェーズドアレイでは、コヒーレント光ビームが導波路によってそれぞれのアンテナ素子に誘導され、位相シフタによって光ビームの位相がシフトされる。これにより、遠視野放射パターンの振幅分布を変化させることができる。
特許文献3は、内部を光が導波する光導波層、および光導波層の上面および下面に形成された第1分布ブラッグ反射鏡を備える導波路と、導波路内に光を入射させるための光入射口と、光入射口から入射して導波路内を導波する光を出射させるために導波路の表面に形成された光出射口とを備える光偏向素子を開示している。
特許文献4は、全反射によって光を伝搬させる第1の導波路と、2つの多層反射膜の間に光を伝搬させる第2の導波路とを備える光スキャンデバイスを開示している。第1の導波路および第2の導波路は、接続されている。
本開示の一態様は、比較的簡単な構成で、導波路間の光結合を実現し得る新規な光デバイスを提供する。
本開示の一態様に係る光デバイスは、第1の方向に延びる第1の導波路と、前記第1の導波路に接続された第2の導波路であって、第1の反射面を有する第1のミラーと、前記第1の反射面に対向する第2の反射面を有する第2のミラーと、前記第1のミラーと前記第2のミラーの間の光導波層であって、前記第1の導波路の先端部を含む部分を内包する光導波層と、を備える第2の導波路と、を備える。前記第1の導波路および前記第2の導波路の少なくとも一方は、前記第1の反射面に垂直な方向から見た場合に前記第1のミラー、前記第2のミラー、および前記第1の導波路が重なる接続領域の一部に1つ以上のグレーティングを有する。前記1つ以上のグレーティングは、前記接続領域における前記第1のミラーまたは前記第2のミラーの端部から、前記第1の方向に、前記第1のミラーの厚さおよび前記第2のミラーの厚さの少なくとも一方よりも長い距離だけ離れている。
本開示の包括的または具体的な態様は、デバイス、システム、方法、またはこれらの任意の組み合わせによって実現されてもよい。
本開示の一態様によれば、比較的簡単な構成で、導波路間の光結合を実現することができる。
本明細書において、「屈折率、厚さ、および波長の少なくとも1つ」とは、光導波層の屈折率、光導波層の厚さ、および光導波層に入力される波長からなる群から選択される少なくとも1つを意味する。光の出射方向を変化させるために、屈折率、厚さ、および波長のいずれか1つを単独で制御してもよい。あるいは、これらの3つのうちの任意の2つまたは全てを制御して光の出射方向を変化させてもよい。屈折率または厚さの制御に代えて、または加えて、光導波層に入力される光の波長を制御してもよい。
以上の基本原理は、光を出射する用途だけでなく、光信号を受信する用途にも同様に適用できる。屈折率、厚さ、および波長の少なくとも1つを変化させることにより、受信できる光の方向を1次元的に変化させることができる。さらに、一方向に配列された複数の導波路素子にそれぞれ接続された複数の位相シフタによって光の位相差を変化させれば、受信できる光の方向を2次元的に変化させることができる。
本開示の光スキャンデバイスおよび光受信デバイスは、例えば、LiDAR(Light Detection and Ranging)システムなどの光検出システムにおけるアンテナとして用いられ得る。LiDARシステムは、ミリ波などの電波を用いたレーダシステムと比較して、短波長の電磁波(可視光、赤外線、または紫外線)を用いるため、高い分解能で物体の距離分布を検出することができる。そのようなLiDARシステムは、例えば自動車、UAV(Unmanned Aerial Vehicle、所謂ドローン)、AGV(Automated Guided Vehicle)などの移動体に搭載され、衝突回避技術の1つとして使用され得る。本明細書において、光スキャンデバイスと光受信デバイスを「光デバイス」と総称することがある。また、光スキャンデバイスまたは光受信デバイスに使用されるデバイスについても「光デバイス」と称することがある。
<光スキャンデバイスの構成例>
以下、一例として、2次元スキャンを行う光スキャンデバイスの構成を説明する。ただし、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明および実質的に同一の構成に対する重複する説明を省略することがある。これは、以下の説明が不必要に冗長になることを避け、当業者の理解を容易にするためである。なお、発明者らは、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供するのであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。以下の説明において、同一または類似する構成要素については、同じ参照符号を付している。
以下、一例として、2次元スキャンを行う光スキャンデバイスの構成を説明する。ただし、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明および実質的に同一の構成に対する重複する説明を省略することがある。これは、以下の説明が不必要に冗長になることを避け、当業者の理解を容易にするためである。なお、発明者らは、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供するのであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。以下の説明において、同一または類似する構成要素については、同じ参照符号を付している。
本開示において、「光」とは、可視光(波長が約400nm~約700nm)だけでなく、紫外線(波長が約10nm~約400nm)および赤外線(波長が約700nm~約1mm)を含む電磁波を意味する。本明細書において、紫外線を「紫外光」と称し、赤外線を「赤外光」と称することがある。
本開示において、光による「スキャン」とは、光の方向を変化させることを意味する。「1次元スキャン」とは、光の方向を、当該方向に交差する方向に沿って直線的に変化させることを意味する。「2次元スキャン」とは、光の方向を、当該方向に交差する平面に沿って2次元的に変化させることを意味する。
図1は、光スキャンデバイス100の例を模式的に示す斜視図である。光スキャンデバイス100は、複数の導波路素子10を含む導波路アレイを備える。複数の導波路素子10の各々は、第1の方向(図1におけるX方向)に延びた形状を有する。複数の導波路素子10は、第1の方向に交差する第2の方向(図1におけるY方向)に規則的に配列されている。複数の導波路素子10は、第1の方向に光を伝搬させながら、第1および第2の方向に平行な仮想的な平面に交差する第3の方向D3に光を出射させる。本開示では、第1の方向(X方向)と第2の方向(Y方向)とが直交しているが、両者が直交していなくてもよい。本開示では、複数の導波路素子10がY方向に等間隔で並んでいるが、必ずしも等間隔に並んでいる必要はない。
なお、本願の図面に示される構造物の向きは、説明のわかりやすさを考慮して設定されており、実施の際の向きをなんら制限するものではない。また、図面に示されている構造物の全体または一部分の形状および大きさも、現実の形状および大きさを制限するものではない。
複数の導波路素子10のそれぞれは、互いに対向する第1のミラー30および第2のミラー40(以下、それぞれを単に「ミラー」と称する場合がある)と、ミラー30とミラー40の間に位置する光導波層20とを有する。ミラー30およびミラー40の各々は、第3の方向D3に交差する反射面を、光導波層20との界面に有する。ミラー30およびミラー40、ならびに光導波層20は、第1の方向(X方向)に延びた形状を有している。
なお、後述するように、複数の導波路素子10の複数の第1のミラー30は、一体に構成されたミラーの複数の部分であってもよい。また、複数の導波路素子10の複数の第2のミラー40は、一体に構成されたミラーの複数の部分であってもよい。さらに、複数の導波路素子10の複数の光導波層20は、一体に構成された光導波層の複数の部分であってもよい。少なくとも、(1)各第1のミラー30が他の第1のミラー30と別体に構成されているか、(2)各第2のミラー40が他の第2のミラー40と別体に構成されているか、(3)各光導波層20が他の光導波層20と別体に構成されていることにより、複数の導波路を形成することができる。「別体に構成されている」とは、物理的に空間を設けることのみならず、間に屈折率が異なる材料を挟み、分離することも含む。
第1のミラー30の反射面と第2のミラー40の反射面とは略平行に対向している。2つのミラー30およびミラー40のうち、少なくとも第1のミラー30は、光導波層20を伝搬する光の一部を透過させる特性を有する。言い換えれば、第1のミラー30は、当該光について、第2のミラー40よりも高い光透過率を有する。このため、光導波層20を伝搬する光の一部は、第1のミラー30から外部に出射される。このようなミラー30および40は、例えば誘電体による多層膜(「多層反射膜」と称することもある。)によって形成される多層膜ミラーであり得る。
それぞれの導波路素子10に入力する光の位相を制御し、さらに、これらの導波路素子10における光導波層20の屈折率もしくは厚さ、または光導波層20に入力される光の波長を同期して同時に変化させることで、光による2次元スキャンを実現することができる。
本発明者らは、そのような2次元スキャンを実現するために、導波路素子10の動作原理について分析を行った。その結果に基づき、複数の導波路素子10を同期して駆動することで、光による2次元スキャンを実現することに成功した。
図1に示すように、各導波路素子10に光を入力すると、各導波路素子10の出射面から光が出射される。出射面は、第1のミラー30の反射面の反対側に位置する。その出射光の方向D3は、光導波層の屈折率、厚さ、および光の波長に依存する。本開示では、各導波路素子10から出射される光が概ね同じ方向になるように、各光導波層の屈折率、厚さ、および波長の少なくとも1つが同期して制御される。これにより、複数の導波路素子10から出射される光の波数ベクトルのX方向の成分を変化させることができる。言い換えれば、出射光の方向D3を、図1に示される方向101に沿って変化させることができる。
さらに、複数の導波路素子10から出射される光は同じ方向を向いているので、出射光は互いに干渉する。それぞれの導波路素子10から出射される光の位相を制御することにより、干渉によって光が強め合う方向を変化させることができる。例えば、同じサイズの複数の導波路素子10がY方向に等間隔で並んでいる場合、複数の導波路素子10には、一定量ずつ位相の異なる光が入力される。その位相差を変化させることにより、出射光の波数ベクトルの、Y方向の成分を変化させることができる。言い換えれば、複数の導波路素子10に導入される光の位相差をそれぞれ変化させることにより、干渉によって出射光が強め合う方向D3を、図1に示される方向102に沿って変化させることができる。これにより、光による2次元スキャンを実現することができる。
以下、光スキャンデバイス100の動作原理を説明する。
<導波路素子の動作原理>
図2は、1つの導波路素子10の断面の構造および伝搬する光の例を模式的に示す図である。図2では、図1に示すX方向およびY方向に垂直な方向をZ方向とし、導波路素子10のXZ面に平行な断面が模式的に示されている。導波路素子10において、一対のミラー30とミラー40が光導波層20を挟むように配置されている。光導波層20のX方向における一端から導入された光22は、光導波層20の上面(図2における上側の表面)に設けられた第1のミラー30および下面(図2における下側の表面)に設けられた第2のミラー40によって反射を繰り返しながら光導波層20内を伝搬する。第1のミラー30の光透過率は第2のミラー40の光透過率よりも高い。このため、主に第1のミラー30から光の一部を出力することができる。
図2は、1つの導波路素子10の断面の構造および伝搬する光の例を模式的に示す図である。図2では、図1に示すX方向およびY方向に垂直な方向をZ方向とし、導波路素子10のXZ面に平行な断面が模式的に示されている。導波路素子10において、一対のミラー30とミラー40が光導波層20を挟むように配置されている。光導波層20のX方向における一端から導入された光22は、光導波層20の上面(図2における上側の表面)に設けられた第1のミラー30および下面(図2における下側の表面)に設けられた第2のミラー40によって反射を繰り返しながら光導波層20内を伝搬する。第1のミラー30の光透過率は第2のミラー40の光透過率よりも高い。このため、主に第1のミラー30から光の一部を出力することができる。
通常の光ファイバーなどの導波路では、全反射を繰り返しながら光が導波路に沿って伝搬する。これに対して、導波路素子10では、光は光導波層20の上下に配置されたミラー30および40によって反射を繰り返しながら伝搬する。このため、光の伝搬角度に制約がない。ここで光の伝搬角度とは、ミラー30またはミラー40と光導波層20との界面への入射角度を意味する。ミラー30またはミラー40に対して、より垂直に近い角度で入射する光も伝搬できる。すなわち、全反射の臨界角よりも小さい角度で界面に入射する光も伝搬できる。このため、光の伝搬方向における光の群速度は自由空間における光速に比べて大きく低下する。これにより、導波路素子10は、光の波長、光導波層20の厚さ、および光導波層20の屈折率の変化に対して光の伝搬条件が大きく変化するという性質を持つ。導波路素子10は、「反射型導波路」または「スローライト導波路」とも称される。
式(1)からわかるように、空気中での光の波長λ、光導波層20の屈折率nwおよび光導波層20の厚さdのいずれかを変えることで光の出射方向を変えることができる。
例えば、nw=2、d=387nm、λ=1550nm、m=1の場合、出射角度は0°である。この状態から、屈折率をnw=2.2に変化させると、出射角度は約66°に変化する。一方、屈折率を変えずに厚さをd=420nmに変化させると、出射角度は約51°に変化する。屈折率も厚さも変化させずに波長をλ=1500nmに変化させると、出射角度は約30°に変化する。このように、光の波長λ、光導波層20の屈折率nw、および光導波層20の厚さdのいずれかを変えることにより、光の出射方向を大きく変えることができる。
そこで、本開示の光スキャンデバイス100では、光導波層20に入力される光の波長λ、光導波層20の屈折率nw、および光導波層20の厚さdの少なくとも1つを制御することにより、光の出射方向が制御される。光の波長λは、動作中に変化させず、一定に維持されてもよい。その場合、よりシンプルな構成で光のスキャンを実現できる。波長λは、特に限定されない。例えば、波長λは、一般的なシリコン(Si)により光を吸収することで光を検出するフォトディテクタまたはイメージセンサで高い検出感度が得られる400nmから1100nm(可視光から近赤外光)の波長域に含まれ得る。他の例では、波長λは、光ファイバーまたはSi導波路において伝送損失の比較的小さい1260nmから1625nmの近赤外光の波長域に含まれ得る。なお、これらの波長範囲は一例である。使用される光の波長域は、可視光または赤外光の波長域に限定されず、例えば紫外光の波長域であってもよい。
出射光の方向を変化させるために、光スキャンデバイス100は、各導波路素子10における光導波層20の屈折率、厚さ、および波長の少なくとも1つを変化させる第1調整素子を備え得る。
以上のように、導波路素子10を用いれば、光導波層20の屈折率nw、厚さd、および波長λの少なくとも1つを変化させることにより、光の出射方向を大きく変えることができる。これにより、ミラー30から出射される光の出射角度を、導波路素子10に沿った方向に変化させることができる。少なくとも1つの導波路素子10を用いることにより、このような1次元のスキャンを実現することができる。
光導波層20の少なくとも一部の屈折率を調整するために、光導波層20は、液晶材料または電気光学材料を含んでいてもよい。光導波層20は、一対の電極によって挟まれ得る。一対の電極に電圧を印加することにより、光導波層20の屈折率を変化させることができる。
光導波層20の厚さを調整するために、例えば、第1のミラー30および第2のミラー40の少なくとも一方に少なくとも1つのアクチュエータが接続されてもよい。少なくとも1つのアクチュエータによって第1のミラー30と第2のミラー40との距離を変化させることにより、光導波層20の厚さを変化させることができる。光導波層20が液体から形成されていれば、光導波層20の厚さは容易に変化し得る。
<2次元スキャンの動作原理>
複数の導波路素子10が一方向に配列された導波路アレイにおいて、それぞれの導波路素子10から出射される光の干渉により、光の出射方向は変化する。各導波路素子10に供給する光の位相を調整することにより、光の出射方向を変化させることができる。以下、その原理を説明する。
複数の導波路素子10が一方向に配列された導波路アレイにおいて、それぞれの導波路素子10から出射される光の干渉により、光の出射方向は変化する。各導波路素子10に供給する光の位相を調整することにより、光の出射方向を変化させることができる。以下、その原理を説明する。
図3Aは、導波路アレイの出射面に垂直な方向に光を出射する導波路アレイの断面を示す図である。図3Aには、各導波路素子10を伝搬する光の位相シフト量も記載されている。ここで、位相シフト量は、左端の導波路素子10を伝搬する光の位相を基準にした値である。本開示の導波路アレイは、等間隔に配列された複数の導波路素子10を含んでいる。図3Aにおいて、破線の円弧は、各導波路素子10から出射される光の波面を示している。直線は、光の干渉によって形成される波面を示している。矢印は、導波路アレイから出射される光の方向(すなわち、波数ベクトルの方向)を示している。図3Aに示す例では、各導波路素子10における光導波層20を伝搬する光の位相はいずれも同じである。この場合、光は導波路素子10の配列方向(Y方向)および光導波層20が延びる方向(X方向)の両方に垂直な方向(Z方向)に出射される。
図3Bは、導波路アレイの出射面に垂直な方向とは異なる方向に光を出射する導波路アレイの断面を示す図である。図3Bに示す例では、複数の導波路素子10における光導波層20を伝搬する光の位相が、配列方向に一定量(Δφ)ずつ異なっている。この場合、光は、Z方向とは異なる方向に出射される。このΔφを変化させることにより、光の波数ベクトルのY方向の成分を変化させることができる。隣接する2つの導波路素子10の間の中心間距離をpとすると、光の出射角度α0は、以下の式(2)によって表される。
図2に示す例では、光の出射方向は、XZ平面に平行である。すなわち、α0=0°である。図3Aおよび図3Bに示す例では、光スキャンデバイス100から出射される光の方向は、YZ平面に平行である。すなわち、θ=0°である。しかし、一般には、光スキャンデバイス100から出射される光の方向は、XZ平面にも、YZ平面にも平行ではない。すなわち、θ≠0°およびα0≠0°である。
図4は、3次元空間における導波路アレイの例を模式的に示す斜視図である。図4に示す太い矢印は、光スキャンデバイス100から出射される光の方向を表す。θは、光の出射方向とYZ平面とがなす角度である。θは式(1)を満たす。α0は、光の出射方向とXZ平面とがなす角度である。α0は式(2)を満たす。
<導波路アレイに導入する光の位相制御>
それぞれの導波路素子10から出射される光の位相を制御するために、例えば、導波路素子10に光を導入する前段に、光の位相を変化させる位相シフタが設けられ得る。本開示の光スキャンデバイス100は、複数の導波路素子10のそれぞれに接続された複数の位相シフタと、各位相シフタを伝搬する光の位相を調整する第2調整素子とを備える。各位相シフタは、複数の導波路素子10の対応する1つにおける光導波層20に直接的にまたは他の導波路を介して繋がる導波路を含む。第2調整素子は、複数の位相シフタから複数の導波路素子10へ伝搬する光の位相の差をそれぞれ変化させることにより、複数の導波路素子10から出射される光の方向(すなわち、第3の方向D3)を変化させる。以下の説明では、導波路アレイと同様に、配列された複数の位相シフタを「位相シフタアレイ」と称することがある。
それぞれの導波路素子10から出射される光の位相を制御するために、例えば、導波路素子10に光を導入する前段に、光の位相を変化させる位相シフタが設けられ得る。本開示の光スキャンデバイス100は、複数の導波路素子10のそれぞれに接続された複数の位相シフタと、各位相シフタを伝搬する光の位相を調整する第2調整素子とを備える。各位相シフタは、複数の導波路素子10の対応する1つにおける光導波層20に直接的にまたは他の導波路を介して繋がる導波路を含む。第2調整素子は、複数の位相シフタから複数の導波路素子10へ伝搬する光の位相の差をそれぞれ変化させることにより、複数の導波路素子10から出射される光の方向(すなわち、第3の方向D3)を変化させる。以下の説明では、導波路アレイと同様に、配列された複数の位相シフタを「位相シフタアレイ」と称することがある。
図5は、導波路アレイ10Aおよび位相シフタアレイ80Aを、光出射面の法線方向(Z方向)から見た模式図である。図5に示される例では、全ての位相シフタ80が同じ伝搬特性を有し、全ての導波路素子10が同じ伝搬特性を有する。それぞれの位相シフタ80およびそれぞれの導波路素子10は同じ長さであってもよいし、長さが異なっていてもよい。それぞれの位相シフタ80の長さが等しい場合は、例えば、駆動電圧によってそれぞれの位相シフト量を調整することができる。また、それぞれの位相シフタ80の長さを等ステップで変化させた構造にすることにより、同じ駆動電圧で等ステップの位相シフトを与えることもできる。さらに、この光スキャンデバイス100は、複数の位相シフタ80に光を分岐して供給する光分岐器90と、各導波路素子10を駆動する第1駆動回路110と、各位相シフタ80を駆動する第2駆動回路210とをさらに備える。図5に示す直線の矢印は光の入力を表している。別々に設けられた第1駆動回路110と第2駆動回路210とをそれぞれ独立に制御することにより、2次元スキャンを実現できる。この例では、第1駆動回路110は、第1調整素子の1つの要素として機能し、第2駆動回路210は、第2調整素子の1つの要素として機能する。
第1駆動回路110は、各導波路素子10における光導波層20の屈折率および厚さの少なくとも一方を変化させることにより、光導波層20から出射する光の角度を変化させる。第2駆動回路210は、各位相シフタ80における導波路20aの屈折率を変化させることにより、導波路20aの内部を伝搬する光の位相を変化させる。光分岐器90は、全反射によって光が伝搬する導波路で構成してもよいし、導波路素子10と同様の反射型導波路で構成してもよい。
なお、光分岐器90で分岐したそれぞれの光に対して位相を制御した後に、それぞれの光を位相シフタ80に導入してもよい。この位相制御には、例えば、位相シフタ80に至るまでの導波路の長さを調整することによるパッシブな位相制御構造を用いることができる。あるいは、位相シフタ80と同様の機能を有する電気信号で制御可能な位相シフタを用いてもよい。このような方法により、例えば、全ての位相シフタ80に等位相の光が供給されるように、位相シフタ80に導入される前に位相を調整してもよい。そのような調整により、第2駆動回路210による各位相シフタ80の制御をシンプルにすることができる。
上記の光スキャンデバイス100と同様の構成を有する光デバイスは、光受信デバイスとしても利用できる。光デバイスの動作原理、および動作方法などの詳細は、米国特許出願公開第2018/0224709号に開示されている。この文献の開示内容全体を本明細書に援用する。
<全反射導波路およびスローライト導波路の接続>
次に、全反射導波路およびスローライト導波路を接続することにより、全反射導波路からスローライト導波路に光を入力する例を説明する。
次に、全反射導波路およびスローライト導波路を接続することにより、全反射導波路からスローライト導波路に光を入力する例を説明する。
図6は、全反射導波路1およびスローライト導波路10が接続された光デバイスの例を模式的に示す断面図である。本明細書では、全反射導波路1を「第1の導波路1」と称し、スローライト導波路10を「第2の導波路10」と称することがある。ひとまず、第1のミラー30の端部30eの形状を考慮せずに、図6に示す光デバイスを説明する。
全反射導波路1のうち、少なくとも先端部は、X方向に延びた構造を有する。スローライト導波路10は、全反射導波路1に接続されている。スローライト導波路10における光導波層20は、全反射導波路1の先端部を含む部分を内包している。光導波層20の屈折率は、全反射導波路1の屈折率よりも低い。Z方向から見たとき、全反射導波路1およびスローライト導波路10が重なる接続領域111において、全反射導波路1は、X方向に沿って屈折率が周期pで変化するグレーティング15を備える。接続領域111は、Z方向から見たとき、第1のミラー30、第2のミラー40、および全反射導波路1が重なる領域であると言うこともできる。図6に示すグレーティング15は、X方向に並ぶ4つの凹部を有する。実際には、さらに多数の凹部が、グレーティング15に設けられ得る。凹部に代えて、凸部が設けられていてもよい。グレーティング15におけるX方向に並ぶ凹部または凸部の個数は、例えば4以上が望ましい。また、凹部または凸部の個数は、4以上64以下であり得る。ある例では、凹部または凸部の個数は、8以上32以下であり得る。ある例では、凹部または凸部の個数は、8以上16以下であり得る。凹部または凸部の個数は、各凹部または凸部の回折効率に応じて調整され得る。各凹部または凸部の回折効率は、その深さまたは高さ、および幅などの寸法条件に依存する。したがって、グレーティング15全体として良好な特性が得られるように、各凹部または凸部の寸法に応じて、それらの個数は調整される。
全反射導波路1は、接続領域111において、第1のミラー30の反射面に対向する第1の表面1s1、および第2のミラー40の反射面に対向する第2の表面1s2を有する。図6に示す例では、グレーティング15は、全反射導波路1の第1の表面1s1に設けられている。グレーティング15は、第2の表面1s2に設けられていてもよい。グレーティング15は、全反射導波路1の第1の表面1s1および第2の表面1s2の少なくとも一方に設けられ得る。
グレーティング15は、全反射導波路1とスローライト導波路10との界面に限らず、他の位置に設けられていてもよい。また、複数のグレーティングが設けられていてもよい。第1のミラー30の反射面に垂直な方向から見て全反射導波路1およびスローライト導波路10が重なる接続領域111において、全反射導波路1およびスローライト導波路10の少なくとも一部は、少なくとも1つのグレーティングを含み得る。各グレーティングは、全反射導波路1およびスローライト導波路10が延びるX方向に沿って屈折率が周期的に変化する。
全反射導波路1のうち、光導波層20の外部に位置する部分は、他の誘電体層によって支持されてもよいし、2つの誘電体層によって挟まれていてもよい。
接続領域111の長さは、例えば、3μmから50μm程度であり得る。そのような大きさの接続領域111の内部に、8周期から32周期程度のグレーティング15が形成され得る。非接続領域112の長さは、例えば、100μmから5mm程度であり得る。接続領域111の長さは、例えば非接続領域112の長さの数百分の1から数十分の1程度であり得る。ただし、この長さに限定されず、必要な特性に応じて各部材の寸法は決定される。
接続領域111において、第1のミラー30は、第2のミラー40よりも高い透過率を有していなくてもよい。スローライト導波路10のうち、接続領域111以外の非接続領域112においても、接続領域111に近い領域では、第1のミラー30は、第2のミラー40よりも高い透過率を有していなくてもよい。接続領域111は、光の結合効率を高めるために設けられる。このため、接続領域111の近傍では、スローライト導波路10は、必ずしも光を出射する必要はない。
全反射導波路1における導波モードの伝搬定数をβ1=2πne1/λとし、スローライト導波路10における導波モードの伝搬定数をβ2=2πne2/λとする。λは、空気中における光の波長である。ne1およびne2は、それぞれ全反射導波路1およびスローライト導波路10における実効屈折率(等価屈折率とも称する)である。全反射導波路1内を伝搬する光は、外部の空気とは結合しない。そのような導波モードの実効屈折率は、ne1>1である。一方、スローライト導波路10における光導波層20を伝搬する光の一部は、外部の空気に出射される。そのような導波モードの実効屈折率は、0<ne2<1である。したがって、β1とβ2とは大きく異なる。そのため、一般に、全反射導波路1からスローライト導波路10への導波光の結合効率は低い。
接続領域111において、全反射導波路1がグレーティング15を備える場合、グレーティング15に起因する回折が生じる。その場合、全反射導波路1における導波モードの伝搬定数β1は、逆格子2π/pの整数倍だけシフトする。例えば-1次回折によってβ1がβ1-(2π/p)にシフトする場合、pを適切に設定すれば、β1-(2π/p)=β2が成り立つようにすることができる。その場合、接続領域111における2つの伝搬定数が一致するため、導波光は全反射導波路1からスローライト導波路10に高い効率で結合する。β1-(2π/p)=β2から、周期pは以下の式(3)によって表される。
スローライト導波路10において、接続領域111と、それ以外の非接続領域112とでは、同じ導波モードであることから、導波光は高い効率で結合する。
前述の例では、第1の導波路1と第2の導波路10とが重なる接続領域111の全体にわたってグレーティングが設けられている。しかし、本開示の光デバイスの構造は、そのような構造に限定されない。グレーティングは、接続領域111の一部、例えば、接続領域111のうち、第1の導波路1の先端に近い部位にのみ設けられていてもよい。言い換えれば、接続領域111のうち、第1の導波路1の先端から離れた部位には、グレーティングが設けられていなくてもよい。本開示のある実施形態においては、1つ以上のグレーティングが、光導波層20および第1の導波路1の両方に接する媒質(例えば空気)と光導波層20との界面から、第1の方向に、第1のミラー30の厚さおよび第2のミラー40の厚さの少なくとも一方よりも長い距離だけ離れた位置に設けられる。そのような構造によれば、光導波層20の厚さが均一でない場合であっても、良好な光出射特性を実現し易いことが、本発明者らの検討により、明らかになった。
前述した例では、光導波層20の厚さは、X方向に沿って一定であると仮定していた。しかし、実際には、様々な原因により、光導波層20の厚さがX方向に沿って変化し得る。以下では、光導波層20の厚さがX方向に沿って変化することによる影響を、詳しく説明する。以下の説明では、グレーティングの数は1つであるが、グレーティングの数は2以上であってもよい。
図7は、光導波層20の厚さの変化率と、第1のミラー30からの出射光の広がり角との関係の計算結果の例を示す図である。図7の例における光導波層20の厚さの変化率の範囲は、0nm/mmから100nm/mmである。ここで「厚さの変化率」とは、光導波層20の長さ方向、すなわち第1の方向に沿った1mmの変位に対する厚さの変化量を意味する。0nm/mmは、光導波層20の厚さがX方向に沿って実質的に変化しないことを表す。100nm/mmは、光導波層20の長さ方向に沿った1mmの変位に対して、光導波層20の厚さが100nm変化することを表す。
本計算では、光導波層20の厚さを2.15μm、屈折率を1.68として、光導波層20の厚さがX方向に沿って変化する導波路を仮定した。第1のミラー30の出射面から出射される光の複素振幅を求め、これに2次元離散フーリエ変換を施すことにより、遠方における出射光の角度スペクトルが計算された。以下の説明では、出射光の広がり角は、角度スペクトルにおける出射光の半値全幅として記述される。
図7に示すように、光導波層20の厚さの変化率が10nm/mm程度である場合、出射光の広がり角は、光導波層20の厚さが一定である場合とほぼ同じである。しかし、光導波層20の厚さの変化率が20nm/mm以上である場合、出射光の広がり角は、光導波層20の傾きに対してほぼ単調に増加する。このような出射光の広がりは、光導波層20の不均一な厚さにより、第1のミラー30から出射される光の位相分布が乱れることに起因する。出射光の広がり角が大きいと、出射光の直進性が失われる。特に、全反射導波路1とスローライト導波路10とが接続される接続領域111では、接続領域111から光がさらに進行した部位よりも、第1のミラー30から出射される光の強度が高い。したがって、接続領域111における光導波層20の厚さが一定でなければ、接続領域111における第1のミラー30から光が出射された場合に、比較的強い出射光が過度に広がる可能性がある。
光導波層20の厚さが変化する原因として、加工により、第1のミラー30の端部の形状が変化することが考えられる。図6に示すように、第1のミラー30の端部30eは、例えば、エッチング加工によって傾斜し得る。さらに、光導波層20の厚さが変化する他の原因として、第1のミラー30および/または第2のミラー40の反りが考えられる。
以下では、光導波層20の厚さの変化による影響を抑制する光デバイスの例を説明する。
図8Aは、本開示の例示的な実施形態における光デバイスを模式的に示す図である。光デバイスの周囲の媒質は、例えば空気である。光導波層20および全反射導波路1の両方に接する媒質と、光導波層20との界面20iは、全反射導波路1を囲む。本実施形態において、第1のミラー30および第2のミラー40のX方向の端部は一致している。よって、本実施形態における接続領域111の端面20iは、第1のミラー30および第2のミラー40の端部を通り、且つY方向およびZ方向に並行な面である。当該端面20iが本実施形態における接続領域111の端部である。また本実施形態においては、上記の媒質と光導波層20との界面20iが、接続領域111の端面20iと一致する。図8Aに示すように、グレーティング15は、図6に示す例と比較して、第1のミラー30の端部30eから離れて、光導波層20のより内部に位置する。第1のミラー30の端部30eの傾斜部をX方向に射影したときの長さが第1のミラー30の厚さを超える場合、信頼性の観点から、そのような第1のミラー30は光デバイスには用いられない。このため、実際に光デバイスに用いられる第1のミラー30では、端部30eの傾斜部をX方向に射影したときの長さは、第1のミラー30の厚さ以下である。第1のミラー30の厚さは、例えば、3μmであり得る。第2のミラー40が、端面20i付近において、第1のミラー30のような端面を有する場合についても同様である。したがって、光導波層20の厚さの変化による影響を抑制するために、グレーティング15は、端面20iから、X方向に、第1のミラー30の厚さおよび第2のミラー40の厚さの少なくとも一方よりも長い距離だけ離れて配置され得る。言い換えれば、X方向における端面20iからグレーティング15までの距離L0は、第1のミラー30の厚さおよび第2のミラー40の厚さの少なくとも一方よりも長い。ここで端面20iからグレーティング15までの距離L0は、グレーティング15の2つの端部のうち、端面20iに近い方の端部と、端面20iとの距離を意味する。
図8Bは、図8Aに示す全反射導波路1およびスローライト導波路10の接続をZ方向から見た模式図である。図8Bに示す例では、全反射導波路1のうち、光導波層20の外側において、全反射導波路1は、スローライト導波路10に近づくにつれて、幅が単調に増加する部分を含む。すなわち、全反射導波路1の一部は、テーパー構造1tを有する。光導波層20から遠い部分における全反射導波路1の幅wwは、結合部である接続領域111における全反射導波路1の幅wcよりも狭い。幅wwは、幅wcの例えば100分の1から2分の1程度であり得る。全反射導波路1のうち、幅の狭い導波路部分1wと、幅の広い導波路部分1cとの間にテーパー構造1tが存在する。このような構造を採用すれば、幅の狭い導波路部分1wを伝搬する光が、幅の広い導波路部分1cに入射するときの反射を抑制することができる。
ところで、第1のミラー30および/または第2のミラー40の反りは、第1のミラー30および/または第2のミラー40のX方向における中心付近において最も小さくなる。このため、グレーティング15は、光導波層20内の第1のミラー30および/または第2のミラー40のX方向における中心付近に位置していてもよい。一方、端面20iからグレーティング15までの距離L0が短い方が、全反射導波路1のうち、光導波層20の内部に位置する部分に欠陥および/またはパーティクルが発生する確率が小さくなる。したがって、端面20iからグレーティング15までの距離L0、およびグレーティング15の長さLgの合計L0+Lgは、第1のミラー30の長さの半分および第2のミラー40の長さの半分のいずれか短い方よりも短くてもよい。L0+Lgは、図8Aに示す接続領域111の長さに相当する。図8Aに示す第1のミラー30および第2のミラー40の各々の全体の長さは、特に限定されないが、例えば、300μm以上10mm以下であり得る。ある例において、当該長さは、1mm以上5mm以下、例えば約2mmであり得る。
接続領域111は、グレーティングを含まない第1接続領域111aと、グレーティング15を含む第2接続領域111bとに分けることができる。第1接続領域111aの長さはL0であり、第2接続領域111bの長さはLgである。第1接続領域111aの長さL0は、例えば3μm以上1mm以下であり得る。当該長さL0は、10μm以上1mm以下であってもよい。他の例では、当該長さL0は、150μm以上1mm以下に設定され得る。
次に、端面20iからグレーティング15までの距離L0がより長い光デバイスの例を説明する。
図9は、端面20iからグレーティング15までの距離L0がより長い光デバイスの例を模式的に示す図である。端面20iからグレーティング15までの距離L0は、例えば、スローライト導波路10をX方向に沿って伝搬する光の強度が1/e倍に減衰するのに要する減衰距離よりも長い値に設定され得る。eは、自然対数の底である。当該減衰距離は、例えば、約150μmから約200μm、またはそれ以上であり得る。当該減衰距離は、Z方向から見たときに第1のミラー30と第2のミラー40とが重なる領域の長さの数十分の1以上であり得る。式(3)が満たされないとき、全反射導波路1を伝搬する光は、非接続領域112には伝搬せず、光導波層20内にある全反射導波路1の端面1eによって反射される。反射された光の一部は、接続領域111における光導波層20内に漏れ、-X方向に伝搬する。これにより、光導波層20内を-X方向に伝搬する光を、接続領域111における第1のミラー30から、後方に出射することができる。さらに、光導波層20が液晶材料または電気光学材料を含む場合、式(3)を満たすように光導波層20の屈折率を調整することにより、光の出射方向を後方から前方に切り替えること、およびその逆が可能になる。なお、「前方」とは、スローライト導波路10から出射された光の出射方向が、全反射導波路1からスローライト導波路10に向かう+X方向の成分を有することを意味する。「後方」とは、スローライト導波路10から出射された光の出射方向が、スローライト導波路10から全反射導波路1に向かう-X方向の成分を有することを意味する。次に、グレーティング15を介した全反射導波路1およびスローライト導波路10の接続の変形例を説明する。図10Aから図10C、ならびに図11Aおよび図11Bを参照して説明する以下の変形例は、グレーティング15が、光導波層20のより内部に位置するという点において、図8Aに示す例と共通している。
図10Aから図10Cは、図8Aに示す光デバイスの変形例を模式的に示す断面図である。図10Aから図10Cに示す例では、図10Aから図10Cに示す例では、全反射導波路1は、誘電体層51によって支持されており、誘電体層51は、第2のミラー40によって支持されている。全反射導波路1およびスローライト導波路10では、第2のミラー40が共通に用いられている。誘電体層51は、例えばSiO2から形成される。誘電体層51の屈折率nsubは、全反射導波路1の屈折率nw1よりも小さい。したがって、全反射導波路1を伝搬する光は、誘電体層51には漏れない。誘電体層51は、第2のミラー40によって支持されていなくてもよい。接続領域111および非接続領域112以外の領域では、第2のミラー40を、誘電体層51と同じ材料の構造に置き換えてもよい。本変形例における接続領域111の端面は、第1のミラー30の端部を通り、且つY方向およびZ方向に並行な面である。当該端面が本実施形態における接続領域111の端部である。
図10Aに示す例では、全反射導波路1は、第1の表面1s1において、グレーティング15を備える。図10Bに示す例では、全反射導波路1は、第2の表面1s2において、グレーティング15を備える。図10Cに示す例では、全反射導波路1は、第1の表面1s1および第2の表面1s2の両方において、グレーティング15を備える。
このように、全反射導波路1は、第1の表面1s1、および第2の表面1s2の少なくとも一方において、グレーティング15を備えてもよい。
図11Aおよび図11Bは、図8Aに示す光デバイスの他の変形例を模式的に示す断面図である。図11Aおよび図11Bに示す例では、図10Aから図10Cに示す例と同様に、全反射導波路1は、誘電体層51によって支持されており、誘電体層51は、第2のミラー40によって支持されている。
図11Aおよび図11Bの例では、全反射導波路1ではなく、第1のミラー30および/または第2のミラー40の反射面にグレーティング15が設けられている。図11Aに示す例では、スローライト導波路10は、第1のミラー30における反射面において、グレーティング15を備える。図11Bに示す例では、スローライト導波路10は、第2のミラー40における反射面において、グレーティング15を備える。
図11Aおよび図11Bに示す例では、全反射導波路1と、第1のミラー30および/または第2のミラー40とのZ方向の距離は比較的近い。これにより、全反射導波路1におけるエバネッセント光は、グレーティング15によって回折される。その結果、前述の例と同様、全反射導波路1からスローライト導波路10に導波光の結合効率を高めることができる。このように、スローライト導波路10は、第1のミラー30における反射面および第2のミラー40における反射面の少なくとも一方において、グレーティング15を備えてもよい。
図8A、図10Aから図10C、ならびに図11Aおよび図11Bに示すように、全反射導波路1およびスローライト導波路10の少なくとも一方は、Z方向から見たときに、全反射導波路1とスローライト導波路10とが重なる部分の一部に、グレーティング15を有する。
なお、図9に示す全反射導波路1も、図10Aから図10C、ならびに図11Aおよび図11Bに示すように、第2のミラー40上の誘電体層51によって支持されていてもよい。
次に、前述した光デバイスにおける構成要素が有し得る機能を説明する。
光導波層20の少なくとも一部は、屈折率および/または厚さを調整することが可能な構造を有していてもよい。屈折率および/または厚さを調整することにより、第1のミラー30から出射される光の方向のうち、X方向の成分が変化する。
光導波層20の少なくとも一部の屈折率を調整するために、光導波層20は、液晶材料または電気光学材料を含んでいてもよい。光導波層20は、一対の電極によって挟まれ得る。一対の電極に電圧を印加することにより、光導波層20の屈折率を変化させることができる。
光導波層20のうち、接続領域111における屈折率と、非接続領域112における屈折率とを同時に調整してもよい。しかし、接続領域111における屈折率を調整すると、式(3)の条件が変化し得る。その結果、全反射導波路1からスローライト導波路10への導波光の結合効率が低下し得る。そこで、接続領域111における屈折率を一定に維持し、非接続領域112における屈折率のみを調整できるようにしてもよい。接続領域111および非接続領域112における屈折率が異なっても、接続領域111と非接続領域112との界面において生じる導波光の反射の影響は小さい。
その場合、上記の一対の電極(「第1の一対の電極」とも称する)は、光導波層20のうち、第1のミラー30における反射面に垂直な方向から見て全反射導波路1に重なる部分とは異なる部分を間に挟む。不図示の制御回路が一対の電極に電圧を印加することにより、非接続領域112における上記少なくとも一部の屈折率を調整することができる。
設計通りに式(3)の条件が満たされていればよいが、実際には、製造誤差に起因して、式(3)の条件が完全に満たされない場合がある。そのような場合の補償のために、非接続領域112における屈折率の調整とは別に、接続領域111に屈折率を調整する機能を光デバイスに付与してもよい。
その場合、上記第1の一対の電極に加えて、第2の一対の電極が設けられ得る。第2の一対の電極は、光導波層20のうち、Z方向から見て全反射導波路に重なる部分の少なくとも一部を間に挟む。制御回路は、第1の一対の電極および第2の一対の電極に独立して電圧を印加することにより、第1の一対の電極の間に位置する光導波層の部分の屈折率と、第2の一対の電極の間に位置する光導波層の部分の屈折率とを独立して調整することができる。
光導波層20の厚さを調整するために、例えば、第1のミラー30および第2のミラー40の少なくとも一方に少なくとも1つのアクチュエータが接続されてもよい。制御回路は、少なくとも1つのアクチュエータを制御して第1のミラー30と第2のミラー40との距離を変化させることにより、光導波層20の厚さを変化させることができる。光導波層20が液体から形成されていれば、光導波層20の厚さは容易に変化し得る。
上記少なくとも1つのアクチュエータは、非接続領域112における第1のミラー30および第2のミラー40の少なくとも一方に接続され得る。アクチュエータによって、非接続領域112における光導波層20の厚さを変化させることができる。このとき、式(3)の条件は変化しない。
上記少なくとも1つのアクチュエータは、2つのアクチュエ―タであってもよい。一方のアクチュエータは、接続領域111における第1のミラー30および第2のミラー40の少なくとも一方に接続され得る。他方のアクチュエータは、非接続領域112における第1のミラー30および第2のミラー40の少なくとも一方に接続され得る。2つのアクチュエータによって、接続領域111における光導波層20の厚さと、非接続領域112における光導波層20の厚さとを別々に変化させることができる。これにより、設計通りに式(3)の条件が満たされていない場合の補償が可能である。
全反射導波路1およびスローライト導波路10の組を複数組備える光デバイスを構成することにより、2次元の光スキャンも可能である。そのような光スキャンデバイスは、Y方向に配列された複数の導波路ユニットを備える。各導波路ユニットは、上記の全反射導波路1およびスローライト導波路10を備える。当該光スキャンデバイスでは、複数の位相シフタが、複数の導波路ユニットにそれぞれ接続される。複数の位相シフタは、それぞれ、複数の導波路ユニットの対応する1つにおける全反射導波路1に直接的にまたは他の導波路を介して繋がる導波路を含む。複数の位相シフタを通過する光の位相の差をそれぞれ変化させることにより、光スキャンデバイスから出射される光の方向のうち、Y方向の成分を変化させることができる。同様の構造によって光受信デバイスを構成することもできる。
<応用例>
図12は、回路基板(たとえば、チップ)上に光分岐器90、導波路アレイ10A、位相シフタアレイ80A、および光源130などの素子を集積した光スキャンデバイス100の構成例を示す図である。光源130は、例えば、半導体レーザーなどの発光素子であり得る。この例における光源130は、自由空間における波長がλである単一波長の光を出射する。光分岐器90は、光源130からの光を分岐して複数の位相シフタにおける導波路に導入する。図12に示す例において、チップ上には電極62Aと、複数の電極62Bとが設けられている。導波路アレイ10Aには、電極62Aから制御信号が供給される。位相シフタアレイ80Aにおける複数の位相シフタ80には、複数の電極62Bから制御信号がそれぞれ送られる。電極62A、および複数の電極62Bは、上記の制御信号を生成する不図示の制御回路に接続され得る。制御回路は、図12に示すチップ上に設けられていてもよいし、光スキャンデバイス100における他のチップに設けられていてもよい。
図12は、回路基板(たとえば、チップ)上に光分岐器90、導波路アレイ10A、位相シフタアレイ80A、および光源130などの素子を集積した光スキャンデバイス100の構成例を示す図である。光源130は、例えば、半導体レーザーなどの発光素子であり得る。この例における光源130は、自由空間における波長がλである単一波長の光を出射する。光分岐器90は、光源130からの光を分岐して複数の位相シフタにおける導波路に導入する。図12に示す例において、チップ上には電極62Aと、複数の電極62Bとが設けられている。導波路アレイ10Aには、電極62Aから制御信号が供給される。位相シフタアレイ80Aにおける複数の位相シフタ80には、複数の電極62Bから制御信号がそれぞれ送られる。電極62A、および複数の電極62Bは、上記の制御信号を生成する不図示の制御回路に接続され得る。制御回路は、図12に示すチップ上に設けられていてもよいし、光スキャンデバイス100における他のチップに設けられていてもよい。
図12に示すように、全てのコンポーネントをチップ上に集積することで、小型のデバイスで広範囲の光スキャンが実現できる。例えば2mm×1mm程度のチップに、図12に示される全てのコンポーネントを集積することができる。
図13は、光スキャンデバイス100から遠方にレーザーなどの光ビームを照射して2次元スキャンを実行している様子を示す模式図である。2次元スキャンは、ビームスポット310を水平および垂直方向に移動させることによって実行される。例えば、公知のTOF(Time Of Flight)法と組み合わせることで、2次元の測距画像を取得することができる。TOF法は、レーザーを照射して対象物からの反射光を観測することで、光の飛行時間を算出し、距離を求める方法である。
図14は、そのような測距画像を生成することが可能な光検出システムの一例であるLiDARシステム300の構成例を示すブロック図である。LiDARシステム300は、光スキャンデバイス100と、光検出器400と、信号処理回路600と、制御回路500とを備える。光検出器400は、光スキャンデバイス100から出射され、対象物から反射された光を検出する。光検出器400は、例えば光スキャンデバイス100から出射される光の波長λに感度を有するイメージセンサ、またはフォトダイオードなどの受光素子を含むフォトディテクタであり得る。光検出器400は、受光した光の量に応じた電気信号を出力する。信号処理回路600は、光検出器400から出力された電気信号に基づいて、対象物までの距離を計算し、距離分布データを生成する。距離分布データは、距離の2次元分布を示すデータ(すなわち、測距画像)である。制御回路500は、光スキャンデバイス100、光検出器400、および信号処理回路600を制御するプロセッサである。制御回路500は、光スキャンデバイス100からの光ビームの照射のタイミングおよび光検出器400の露光および信号読出しのタイミングを制御し、信号処理回路600に、測距画像の生成を指示する。
2次元スキャンにおいて、測距画像を取得するフレームレートとして、例えば一般的に動画でよく使われる60fps、50fps、30fps、25fps、24fpsなどから選択することができる。また、車載システムへの応用を考慮すると、フレームレートが大きいほど測距画像を取得する頻度が上がり、精度よく障害物を検知できる。例えば、60km/hでの走行時において、60fpsのフレームレートでは車が約28cm移動するごとに画像を取得することができる。120fpsのフレームレートでは、車が約14cm移動するごとに画像を取得することができる。180fpsのフレームレートでは車が、約9.3cm移動するごとに、画像を取得することができる。
1つの測距画像を取得するために必要な時間は、ビームスキャンの速度に依存する。例えば、解像点数が100×100のイメージを60fpsで取得するためには1点につき1.67μs以下でビームスキャンをする必要がある。この場合、制御回路500は、600kHzの動作速度で、光スキャンデバイス100による光ビームの出射、および光検出器400による信号蓄積・読出しを制御する。
<光受信デバイスへの応用例>
本開示の光スキャンデバイスは、ほぼ同一の構成で、光受信デバイスとしても用いることができる。光受信デバイスは、光スキャンデバイスと同一の導波路アレイ10Aと、受信可能な光の方向を調整する第1調整素子とを備える。導波路アレイ10Aの各第1のミラー30は、第3の方向から第1の反射面の反対側に入射する光を透過させる。導波路アレイ10Aの各光導波層20は、第2の方向に第1のミラー30を透過した光を伝搬させる。第1調整素子が各導波路素子10における前記光導波層20の屈折率および厚さ、ならびに光の波長の少なくとも1つを変化させることにより、受信可能な光の方向を変化させることができる。さらに、光受信デバイスが、光スキャンデバイスと同一の複数の位相シフタ80、または80aおよび80bと、複数の導波路素子10から複数の位相シフタ80、または80aおよび80bを通過して出力される光の位相の差をそれぞれ変化させる第2調整素子を備える場合には、受信可能な光の方向を2次元的に変化させることができる。
本開示の光スキャンデバイスは、ほぼ同一の構成で、光受信デバイスとしても用いることができる。光受信デバイスは、光スキャンデバイスと同一の導波路アレイ10Aと、受信可能な光の方向を調整する第1調整素子とを備える。導波路アレイ10Aの各第1のミラー30は、第3の方向から第1の反射面の反対側に入射する光を透過させる。導波路アレイ10Aの各光導波層20は、第2の方向に第1のミラー30を透過した光を伝搬させる。第1調整素子が各導波路素子10における前記光導波層20の屈折率および厚さ、ならびに光の波長の少なくとも1つを変化させることにより、受信可能な光の方向を変化させることができる。さらに、光受信デバイスが、光スキャンデバイスと同一の複数の位相シフタ80、または80aおよび80bと、複数の導波路素子10から複数の位相シフタ80、または80aおよび80bを通過して出力される光の位相の差をそれぞれ変化させる第2調整素子を備える場合には、受信可能な光の方向を2次元的に変化させることができる。
例えば図12に示す光スキャンデバイス100における光源130を受信回路に置換した光受信デバイスを構成することができる。導波路アレイ10Aに波長λの光が入射すると、その光は位相シフタアレイ80Aを通じて光分岐器90へ送られ、最終的に一箇所に集められ、受信回路に送られる。その一箇所に集められた光の強度は、光受信デバイスの感度を表すといえる。光受信デバイスの感度は、導波路アレイおよび位相シフタアレイ80Aに別々に組み込まれた調整素子によって調整することができる。光受信デバイスでは、例えば図4において、波数ベクトル(図中の太い矢印)の方向が反対になる。入射光は、導波路素子10が延びる方向(図中のX方向)の光成分と、導波路素子10の配列方向(図中のY方向)の光成分とを有している。X方向の光成分の感度は、導波路アレイ10Aに組み込まれた調整素子によって調整できる。一方、導波路素子10の配列方向の光成分の感度は、位相シフタアレイ80Aに組み込まれた調整素子によって調整できる。光受信デバイスの感度が最大になるときの光の位相差Δφ、光導波層20の屈折率nwおよび厚さdから、図4に示すθおよびα0がわかる。これにより、光の入射方向を特定することができる。
前述した実施形態は、適宜、組み合わせることができる。
最後に、前述した光デバイスを以下の項目にまとめる。
第1の項目に係る光デバイスは、第1の方向に延びる第1の導波路と、前記第1の導波路に接続された第2の導波路であって、第1の反射面を有する第1のミラーと、前記第1の反射面に対向する第2の反射面を有する第2のミラーと、前記第1のミラーと前記第2のミラーの間の光導波層であって、前記第1の導波路の先端部を含む部分を内包する光導波層と、を備える第2の導波路と、を備える。前記第1の導波路および前記第2の導波路の少なくとも一方は、前記第1の反射面に垂直な方向から見た場合に前記第1のミラー、前記第2のミラー、および前記第1の導波路が重なる接続領域の一部に1つ以上のグレーティングを有する。前記1つ以上のグレーティングは、前記接続領域における前記第1のミラーまたは前記第2のミラーの端部から、前記第1の方向に、前記第1のミラーの厚さおよび前記第2のミラーの厚さの少なくとも一方よりも長い距離だけ離れている。
この光デバイスでは、第1のミラーおよび/または第の2ミラーの接続領域に近い側の端部に傾斜部が形成されても、当該傾斜部の影響を受けずに、第1の導波路を伝搬する光は、グレーティングを介して、第2の導波路に高い効率で結合することができる。
第2の項目に係る光デバイスは、第1の項目に係る光デバイスにおいて、前記接続領域が、前記端部から前記1つ以上のグレーティングまでの第1領域と、前記1つ以上のグレーティングが存在する第2領域とを含む。前記第1領域の前記第1の方向の長さと、前記第2領域の前記第1の方向の長さとの合計は、前記第1のミラーの前記第1の方向の長さの半分、および前記第2のミラーの前記第1の方向の長さの半分のいずれか短い方よりも短い。
この光デバイスでは、光導波層の内部に発生する欠陥および/またはパーティクルが、第1の導波路から第2の導波路への光結合に及ぼす影響を抑制することができる。
第3の項目に係る光デバイスは、第1または第2の項目に係る光デバイスにおいて、前記端部から前記1つ以上のグレーティングまでの距離が、前記第2の導波路を前記第1の方向に沿って伝搬する光の強度が1/e倍(eは自然対数の底)に減衰するのに要する距離よりも長い。
この光デバイスでは、第1の導波路を伝搬する光が、グレーティングを介して第2の導波路に結合しないとき、当該光の一部は、接続領域における光導波層を、第2の導波路から第1の導波路に向かう方向に伝搬する。その結果、当該光の一部は、第1のミラーおよび/または第2のミラーから後方に出射される。
第4の項目に係る光デバイスは、第1から第3の項目のいずれかに係る光デバイスにおいて、前記第1のミラーの透過率が、前記第2のミラーの透過率よりも高い。前記第1の導波路から前記第2の導波路における前記光導波層に入力された光の一部が、前記第1のミラーを介して出射される。
この光デバイスでは、光が、第1のミラーを介して出射される。
第5の項目に係る光デバイスは、第1から第4の項目のいずれかに係る光デバイスにおいて、前記第1の導波路を伝搬する前記光の導波モードの実効屈折率をne1、前記光の空気中の波長をλとすると、前記1つ以上のグレーティングの各々の周期が、λ/ne1よりも大きく、λ/(ne1-1)よりも小さい。
この光デバイスでは、グレーティングの周期を適切に設定することにより、第1の導波路を伝搬する光は、グレーティングを介して第2の導波路に高い効率で結合することができる。
本開示における光スキャンデバイスおよび光受信デバイスは、例えば自動車、UAV、AGVなどの車両に搭載されるライダーシステムなどの用途に利用できる。
10 導波路素子、光導波路
11 光導波路
10A 導波路アレイ
15、15a、15b、15c、15m グレーティング
20 光導波層
30 第1のミラー
40 第2のミラー
51 誘電体層
62a、62b、62A、62B 電極
73 複数の隔壁
80 位相シフタ
80A 位相シフタアレイ
90 光分岐器
100 光スキャンデバイス
111 接続領域
112 非接続領域
110 導波路アレイの駆動回路
130 光源
210 位相シフタアレイの駆動回路
310 ビームスポット
400 光検出器
500 制御回路
600 信号処理回路
11 光導波路
10A 導波路アレイ
15、15a、15b、15c、15m グレーティング
20 光導波層
30 第1のミラー
40 第2のミラー
51 誘電体層
62a、62b、62A、62B 電極
73 複数の隔壁
80 位相シフタ
80A 位相シフタアレイ
90 光分岐器
100 光スキャンデバイス
111 接続領域
112 非接続領域
110 導波路アレイの駆動回路
130 光源
210 位相シフタアレイの駆動回路
310 ビームスポット
400 光検出器
500 制御回路
600 信号処理回路
Claims (5)
- 第1の方向に延びる第1の導波路と、
前記第1の方向に延びる第2の導波路であって、
第1の反射面を有する第1のミラーと、
前記第1の反射面に対向する第2の反射面を有する第2のミラーと、
前記第1のミラーと前記第2のミラーの間の光導波層と、を備える第2の導波路と、を備え、
前記第1の導波路および前記第2の導波路の少なくとも一方は、前記第1の反射面に垂直な方向から見た場合に前記第1のミラー、前記第2のミラー、および前記第1の導波路が重なる領域の一部に1つ以上のグレーティングを有し、
前記1つ以上のグレーティングは、前記重なる領域における前記第1のミラーまたは前記第2のミラーの端部から、前記第1の方向に、前記第1のミラーの厚さおよび前記第2のミラーの厚さの少なくとも一方よりも長い距離だけ離れている、
光デバイス。 - 前記重なる領域は、前記端部から前記1つ以上のグレーティングまでの第1領域と、前記1つ以上のグレーティングが存在する第2領域とを含み、
前記第1領域の前記第1の方向の長さと、前記第2領域の前記第1の方向の長さとの合計は、前記第1のミラーの前記第1の方向の長さの半分、および前記第2のミラーの前記第1の方向の長さの半分のいずれか短い方よりも短い、
請求項1に記載の光デバイス。 - 前記端部から前記1つ以上のグレーティングまでの距離は、前記第2の導波路を前記第1の方向に沿って伝搬する光の強度が1/e倍(eは自然対数の底)に減衰するのに要する距離よりも長い、
請求項1または2に記載の光デバイス。 - 前記第1のミラーの透過率は、前記第2のミラーの透過率よりも高く、
前記第1の導波路から前記第2の導波路における前記光導波層に入力された光の一部が、前記第1のミラーを介して出射される、
請求項1から3のいずれかに記載の光デバイス。 - 前記第1の導波路を前記第1の方向に沿って伝搬する光の導波モードの実効屈折率をne1、前記第1の導波路を前記第1の方向に沿って伝搬する前記光の空気中の波長をλとすると、
前記1つ以上のグレーティングの各々の周期は、λ/ne1よりも大きく、λ/(ne1-1)よりも小さい、
請求項1から4のいずれかに記載の光デバイス。
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