JP2024517315A

JP2024517315A - ２次元シリコン・フォトニックｍｅｍｓスイッチ・アレイを有する擬似モノスタティックｌｉｄａｒ

Info

Publication number: JP2024517315A
Application number: JP2023569828A
Authority: JP
Inventors: セオク，タエ・ジューン; ウー，ミン・チアン・エイ
Original assignee: エヌアイ・システムズ・インコーポレイテッド
Priority date: 2021-05-10
Filing date: 2022-03-04
Publication date: 2024-04-19
Also published as: WO2022240470A1; CN117425837A; US20220357429A1; KR20240031228A; US20240175989A1; US11754683B2; EP4337987A1

Abstract

本開示は、異なる光導波路により供給を受ける個別にされた送信（Ｔｘ）光アンテナと受信（Ｒｘ）光アンテナとを有するイメージング・ライダーに関する。この光アンテナの対は、デュアル・チャンネル光スイッチ・ネットワークを介して同時に作動させることができ、Ｔｘアンテナはレーザ源へ接続され、Ｒｘアンテナは受信機へ接続される。ＴｘアンテナおよびＲｘアンテナは、互いに近接して配することができ、それにより、それらはほぼ同じファーフィールド角度に向けられる。ＴｘとＲｘとの間での光学的アライメントは不要である。このライダー構成は、ここでは擬似モノスタティック・ライダーと呼ばれ、スプリアス反射を除去し、ライダーのダイナミック・レンジを増加させる。

Description

関連出願の相互参照
[0001] この特許出願は、２０２１年５月１０日に出願され名称が「PSEUDO MONOSTATIC LIDAR WITH TWO-DIMENSIONAL SILICON PHOTONIC MEMS SWITCH ARRAY（２次元シリコン・フォトニックＭＥＭＳスイッチ・アレイを有する擬似モノスタティック・ライダー）」である米国仮特許出願第６３／１８６７４８号の優先権を主張するものであり、その全体がこの参照によりここに組み込まれる。

分野
[0002] 本開示は、新規なＬｉＤＡＲ（ライダー）のシステムおよび方法を詳細に説明する。より具体的には、本開示は、別個にされ異なる光導波路から供給を受ける送信（Ｔｘ）光アンテナと受信（Ｒｘ）光アンテナとを有するイメージング・ライダーに関する。

[0003] 光による検知と測距（light detection and ranging）（ＬｉＤＡＲ）は、自律車両や、スマートフォンやタブレットなどのようなポータブル・デバイスで広く用いられている。ソリッド・ステート・ライダーは特に魅力的であり、その理由は、それが小型化や大量生産に寄与するからである。米国特許出願公開第２０２１／０１１６７７８号は、撮像レンズの焦平面に配されるプログラマブル垂直カプラ（光アンテナとも呼ばれている）のアレイを含むビームステアリング・システムを教示する。光信号は、ＭＥＭＳ（micro-electro-mechanical system）で作動させられる導波路スイッチを含むプログラマブル光ネットワークを介して、何れの選択された光アンテナへも送ることができる。従来の熱光学式または電気光学式のスイッチと比較して、ＭＥＭＳスイッチは、低い挿入損失、少ない混信、広帯域の動作、およびデジタルでの作動を提供する。プログラマブル光アンテナの高密度のアレイは、フットプリントが小さいという利点があるので、高い分解能のイメージング・ライダーとするために１つのチップに統合することができ。

[0004] 従来の動作では、同じ光アンテナを用いて、問い合わせ光ビーム（interrogating optical beam）を送信し、目標物から反射された光信号を受信していた。この構成の欠点は、光アンテナおよび共有光経路からの何れかの残余反射が、受信した光信号と混合されることである。スプリアス反射は、信号雑音比を悪化させ、受信機の増幅器を飽和状態にさせることになり得、ライダーが遠方の目標物または低反射の目標物を見ることを妨げる。

[0005] 擬似モノスタティック・ライダー・システムが提供され、このシステムは、レンズと、少なくとも１つの光エミッタと、少なくとも１つの光検出器と、複数の対にされた光アンテナであって、それぞれが送信光アンテナと受信光アンテナとを含むものである複数の対にされた光アンテナと、前記少なくとも１つの光エミッタから選択された送信光アンテナへの第１光経路を提供するように構成されるプログラマブル光ネットワークであって、更に、選択された前記送信光アンテナと対にされている受信光アンテナから前記少なくとも１つの光検出器への、別にされた第２光経路を提供するように構成されるプログラマブル光ネットワークとを含み、前記複数の対にされた光アンテナは、レンズの焦平面に又は前記焦平面のあたりに配される。

[0006] 幾つかの実施形態では、前記複数の対にされた光アンテナと前記プログラマブル光ネットワークとはフォトニック集積回路において統合される。

[0007] １つのインプリメンテーションでは、前記少なくとも１つの光エミッタは、周波数連続変調レーザであり、前記少なくとも１つの光検出器は、バランス型フォトデテクタまたは同位相／直角位相ダブル・バランスド・フォトデテクタを含むコヒーレント光受信機であり、前記コヒーレント受信機の局部発振を作り出すために、前記少なくとも１つの光エミッタの部分(fraction)が１×２カプラにより引き出される。

[0008] １つの例では、前記少なくとも１つの光検出器はピクセルに統合され、前記ピクセルは、１×２光スイッチング・ユニットと、局部発振を作り出すために、前記少なくとも１つの光エミッタの出力の部分を分けるための１×２カプラと、送信光アンテナと、対にされた受信光アンテナと、少なくとも１つの受信光アンテナおよび局部発振からの光信号を受信するように構成されたコヒーレント受信機とを含む。

[0009] 幾つかの実施形態では、前記少なくとも１つの光検出器は複数のピクセルにより共有され、各ピクセルは、選択された前記送信光アンテナと、選択された前記送信光アンテナと対にされた前記受信光アンテナと、光バス導波路を、選択された前記送信光アンテナへ、および選択された前記送信光アンテナと対にされた前記受信光アンテナへ接続された第２光バス導波路へ、接続する２つの並列のスイッチを含むデュアル・チャンネル１×２光スイッチと、を含み、前記プログラマブル光ネットワークは、少なくとも１つの光エミッタから選択された前記送信光アンテナへの光経路と、選択された前記送信光アンテナと対にされた前記受信光アンテナから前記少なくとも１つの光検出器への物理的に分離した光経路とを提供するようにプログラムされる。

[0010] 幾つかの例では、前記少なくとも１つの光エミッタからの光エネルギーが、光スプリッタまたは光増幅器を介して複数の選択されたピクセルへ送られる。

[0011] １つの実施形態では、ピクセルの各グループに対して、個別にされた光エミッタが用いられる。

[0012] 幾つかの例では、前記少なくとも１つの光エミッタまたは前記少なくとも１つの光検出器、またはこれら双方は、前記フォトニック集積回路に統合される。

[0013] １つの実施形態では、前記少なくとも１つの光エミッタまたは前記少なくとも１つの光検出器、またはこれら双方は、別個の第２フォトニック集積回路に統合され、前記フォトニック集積回路と結合される。

[0014] 幾つかの実施形態では、前記少なくとも１つの光エミッタまたは前記少なくとも１つの光検出器、またはこれら双方は、光ファイバ、ポリマー導波路、他のタイプの導波路により前記フォトニック集積回路と接続されるか、またはレンズやグレーティング・カプラなどのような光学素子を用いて自由空間を介して結合される。

[0015] 別の実施形態では、前記複数の対にされた光アンテナの前記送信光アンテナと前記受信光アンテナとは、同じ光レイヤにおいて横に並べられる。

[0016] １つの実施形態では、前記複数の対にされた光アンテナの前記送信光アンテナと前記受信光アンテナとは、別個の光レイヤにおいて縦方向に統合される。

[0017] 幾つかの例では、前記複数の対にされた光アンテナの前記送信光アンテナと前記受信光アンテナとは直交偏波（orthogonal polarization）を有し、前記システムは、前記光学レンズの前方または後方に配された四分の一波長板を更に含む。

[0018] 別の実施形態では、前記複数の対にされた光アンテナのそれぞれの受信光アンテナは、直交偏波についての２つのアンテナを含み、直交偏波の双方における反射された光信号を検出するように構成される。

[0019] 幾つかのインプリメンテーションでは、前記プログラマブル光ネットワークは、１以上の微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）・アクチュエータ、または電気光学式または熱光学式の位相変調器を用いるマッハツェンダ干渉計、または電気光学式または熱光学式の位相変調器を用いるマイクロリング共振器により制御される。

[0020] ライダー・イメージングを行う方法が提供され、方法は、少なくとも１つの光エミッタから、プログラマブル光ネットワークにおける対にされた光アンテナの選択された送信光アンテナへの、第１の光経路を提供するように前記プログラマブル光ネットワークを制御するステップと、選択された前記送信光アンテナと対にされている受信光アンテナから、前記少なくとも１つの光検出器への、別にされた第２の光経路を提供するように前記プログラマブル光ネットワークを制御するステップとを含む。

[0021] 幾つかの例では、前記プログラマブル光ネットワークを制御することは、１以上のＭＥＭＳスイッチを作動させることを含む。

[0022] 別の例では、前記１以上のＭＥＭＳスイッチを作動させることは、前記１以上のＭＥＭＳスイッチ内に配された１以上の電極へエネルギーを供給することを更に含む。

[0023] 幾つかの実施形態では、方法は、前記少なくとも１つの光エミッタから光スプリッタを介して複数の選択されたピクセルへ光エネルギーを送ることを更に含む。

[0024] １つの実施形態では、複数のピクセルのレンジ測定を組み合わせることにより３次元イメージが得られる。

[0025] 本発明の新規な特徴は、下記の請求の範囲に詳細に記載している。本発明の特徴および利点は、本発明の原理を用いている例としての実施形態を記載している下記の詳細な説明と、添付の図面とを参照することにより、より良く理解できるであろう。

図１は、モノスタティック・アレイを有するイメージング・ベースのライダーの一例である。図２は、ここで提案する擬似モノスタティック・イメージング・ライダーの一例である。図３は、アクティブ行を選択するための１×Ｍスイッチ（行選択スイッチ）と、光アンテナを選択するための１×Ｎスイッチ（列選択スイッチ）とを示す。図４Ａは、１×２カプラにより接続されている別個にされた入力ポートと出力ポートとを有するモノスタティック・アレイを示す。図４Ｂは、周波数連続変調（ＦＭＣＷ）ライダーなどのような、コヒーレントのライダーの代替の実施形態を示す。図５Ａは、コヒーレント擬似モノスタティック・ライダーの実施形態を示す。図５Ｂは、図５Ａに記載したデュアル・チャンネル１×２スイッチの一例をクローズアップしたものを示す。図５Ｃは、コヒーレント検出器を詳細に示す図である。図５Ｄは、信号の同位相（Ｉ）成分と直角位相（Ｑ）成分との双方を検出するためのバランス型Ｉ／Ｑ検出器を含むコヒーレント検出器である。図６Ａは、各ピクセルへ統合されたコヒーレント検出器の一例を示す。図６Ｂは、各ピクセルにコヒーレント検出器を備えるのではなく、ピクセルのブロックでコヒーレント検出器を共有できるようにした代替の実施形態を示す。図６Ｃは、光スプリッタの後方で光パワーをブーストするために光増幅器が用いられるようにした代替の実施形態を示す。図６Ｄは、代替の位置に光増幅器が配されるようにした代替の実施形態を示す。図６Ｅは、ピクセルのブロックのそれぞれに対して１つのレーザと１つの検出器とが用いられる実施形態を示す。図７Ａは、レーザと検出器とが同じＰＩＣに統合されるようにした実施形態を示す。図７Ｂおよび図７Ｃは、レーザと検出器とがチップ外に配されてファイバ又は他の導波路で接続されるようにした実施形態を示す。図７Ｂおよび図７Ｃは、レーザと検出器とがチップ外に配されてファイバ又は他の導波路で接続されるようにした実施形態を示す。図７Ｄは、別個にされたＩＩＩ－Ｖ族ＰＩＣなどのようなＰＩＣにレーザと検出器とが統合され、２つのＰＩＣが互いに直接に接続されるようにした実施形態を示す。図８Ａは、ＴｘアンテナとＲｘアンテナとが並んで統合されるようにした実施形態を示す。図８Ｂは、ＴｘアンテナとＲｘアンテナとが垂直に積み重ねられるようにした実施形態を示す。図９Ａないし図９Ｃは、垂直に積み重ねられるアンテナの実施形態を示す。図９Ａないし図９Ｃは、垂直に積み重ねられるアンテナの実施形態を示す。図９Ａないし図９Ｃは、垂直に積み重ねられるアンテナの実施形態を示す。図９Ｄないし図９Ｆは、垂直に積み重ねられるアンテナの実施形態であり、２つの光アンテナは、ＴｘとＲｘとに関しての２つの直交偏波に対して動作するようにそれぞれに設計され、２つのアンテナは、９０度回転させずに平行に位置合わせされている。図９Ｄないし図９Ｆは、垂直に積み重ねられるアンテナの実施形態であり、２つの光アンテナは、ＴｘとＲｘとに関しての２つの直交偏波に対して動作するようにそれぞれに設計され、２つのアンテナは、９０度回転させずに平行に位置合わせされている。図９Ｄないし図９Ｆは、垂直に積み重ねられるアンテナの実施形態であり、２つの光アンテナは、ＴｘとＲｘとに関しての２つの直交偏波に対して動作するようにそれぞれに設計され、２つのアンテナは、９０度回転させずに平行に位置合わせされている。図１０は、アンテナと目標物との間の四分の一波長板を用いるイメージング・ライダーの一例を示す。

[0048] 本開示は、別個にされ異なる光導波路から供給を受ける送信（Ｔｘ）光アンテナと受信（Ｒｘ）光アンテナとを有するイメージング・ライダーに関する。幾つかの実施形態では、光アンテナは、グレーティング・カプラ、フォトニック結晶、レゾナント・カプラ、４５度（または他の角度）ミラー、プリズム・カプラ、または傾斜型導波路とすることができる。この光アンテナの対は、デュアル・チャンネル光スイッチ・ネットワークを介して同時に作動させることができ、ここでは、Ｔｘアンテナはレーザ源と接続され、Ｒｘアンテナは受信機と接続される。ＴｘアンテナとＲｘアンテナとは互いに隣接して配することができ、それにより、それらはほぼ同じファーフィールド角度に向くようにされる。ＴｘとＲｘとの間での光学的アライメントは不要である。ここでは擬似モノスタティック・ライダーと呼ばれるこのライダー構成は、スプリアス反射を除去し、ライダーのダイナミック・レンジを増加させる。

[0049] モノスタティック・イメージング・ライダー１００の概要の一例が図１に示されている。光アンテナの２次元（２Ｄ）アレイを有するフォトニック集積回路（ＰＩＣ）１０１が、撮像レンズ１０２の焦平面に配されている。ＰＩＣの光スイッチ・ネットワークは、一度に１以上の光アンテナ１０４を選択的に作動させる。作動させられた光アンテナのそれぞれは、特定の方向へ光を送信し（Ｔｘ）、同じアンテナが目標物から反射された光を受信する（Ｒｘ）。これは、目標物１と目標物２とへ向けられた２つの別個の光アンテナからの光ビーム経路により示しているように、光アンテナの横方向の位置とファーフィールド角度との１対１マッピングを作り出す。ここでは、これをモノスタティック・ライダーと呼び、これにおいては、送信機と受信機とが同じ光アンテナを共有する。Ｔｘファーフィールド角度とＲｘファーフィールド角度とは自動的にアライメントされるが、ライダーの受信機は、共有する光経路とアンテナとにおける残余反射に対して敏感である。残余反射は、光源（レーザ）から目標物までの光経路における幾つかのエレメントが原因で生じる望まれない反射を含み得る。それらの残余反射はまた、受信機へ送られ得るものであり、それらは、実際の目標物信号（特に、長い距離での弱い目標物信号）の検出の妨げとなる可能性があり得る。

[0050] 擬似モノスタティック・イメージング・ライダー２００の概要が図２に示されている。この実施形態では、送信機と受信機とは、別個の光アンテナと別個の光導波路とを用いて、送信アンテナと受信アンテナとへの供給を行う。すなわち、図１の実施形態は、各ピクセルの位置にあるアンテナが組み合わせ型の送信／受信アンテナを含む光アンテナのアレイを含んでいたが、図２の実施形態は、光アンテナのアレイを有するＰＩＣ２０１であって、撮像レンズ２０２の焦平面の各ピクセルに対して、別個にされた送信アンテナ２０４ａと受信アンテナ２０４ｂとを備えるＰＩＣ２０１を含む。Ｔｘ信号とＲｘ信号との間での混信（例えば、或るチャンネルから別のチャンネルへの信号の漏れ）を最小にするために、光アンテナは、ＰＩＣ２０１上で、焦平面に対して横方向（Ｘ方向またはＹ方向）または垂直方向（Ｚ方向）の何れかに、または双方の方向を組み合わせた方向に、移動させることができる。ファーフィールド角度はアンテナの横方向の位置にマッピングされるので、図２の光ビーム経路２０６ａおよび２０６ｂにより示されるようにアンテナがＸ方向またはＹ方向に移動させられた場合には、ＴｘおよびＲｘのファーフィールド角度は僅かに異なる。ファーフィールド角度の差はほぼδｒ／ｆであり、ここにおいて、δｒはＸ－Ｙ面における光アンテナ間の距離であり、ｆはレンズの焦点距離である。δｒは非常に小さいので、ＴｘアンテナとＲｘアンテナとの瞬間視野は、目標物で実質的に重複する。別の実施形態では、Ｔｘ光アンテナとＲｘ光アンテナとは、横方向に配する代わりに、垂直方向に積み重ねることができる。この場合、Ｔｘ光アンテナとＲｘ光アンテナとは、正確に同じ方向を向くが、広がり角(divergence angle)が僅かに異なる。光ビームは、光が遠くへ伝播するほど、より広がり発散する。ＴｘアンテナとＲｘアンテナとが垂直方向に積み重ねられるこの例では、ＴｘアンテナとＲｘアンテナとの間の垂直方向の変位により、Ｔｘアンテナからの目標物距離はＲｘアンテナからの目標物距離と僅かに異なる。間隔はマイクロメートル単位のものなので、その差は非常に小さい。

[0051] プログラマブル光スイッチ・ネットワークは、選択されたＴｘアンテナをレーザへ、また、その対となるＲｘアンテナを受信機へ、接続することができる。モノスタティック・アンテナ・アレイを接続するための適切なプログラマブル光スイッチ・ネットワークが、米国特許出願公開第２０２１／０１１６７７８号に記載されており、これは、この参照によりここに組み込まれる。図３は、ＰＩＣ３０１上のプログラマブル光ネットワークを示し、これは、アクティブ行を選択するための１×Ｍスイッチ（行選択スイッチ３０８）と、光アンテナ３０４選択するための１×Ｎスイッチ（列選択スイッチ３１０）とを用いる（図３は、光アンテナ３０４のＭ×Ｎアレイを示す）。プログラマブル光ネットワークは、示されているように、受信機とレーザとへ結合することができる。レーザ光は、問い合わせ光を生成するように、直接的に又は変調器を介して変調される。パルス型タイム・オブ・フライト・システム（pulsed time of flight system）では、レーザは、短い光パルス（約ナノ秒）を作り出すように変調され、受信機は、アバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ）または単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）を用いて作られる。周波数連続変調（ＦＭＣＷ）システムでは、レーザ周波数は時間とともに線形的に上昇または低下する。コヒーレント受信機は、受信した光信号とレーザ光の一部（局部発振(local oscillator)またはＬＯと呼ばれる）とをＰＩＮフォトダイオードまたはＡＰＤにおいて混合して、ビート周波数を抽出する。ＰＩＮフォトダイオードまたはＡＰＤは、様々な信号を抽出するようにバランス型の構成にして配されることが多い。このシステムは、ＦＭＣＷライダーまたはコヒーレント・ライダーと呼ばれる。この例では、１×ＭスイッチはＭ個の１×２スイッチを含み、１×ＮスイッチはＮ個の１×２スイッチを含む。他の可能な構成については、米国特許出願公開第２０２１／０１１６７７８号で論じられている。先に述べたように、この実施形態におけるＴｘおよびＲｘは、光アンテナだけではなく、導波路、光スイッチ、および入力／出力カプラ３１２を含む共通光経路も共有する。これらのコンポーネントの何れのものからの残余反射も、Ｔｘ信号およびＲｘ信号の断片を付加する。Ｔｘ信号は強いので、反射はスプリアス信号を作り出し、受信機の増幅器を飽和状態にさせる。

[0052] 場合によっては、共有される入力／出力カプラで最強の反射が生じる。１つの実施形態では、この反射は、図４Ａの実施形態で示されるような２×１カプラ４１６により接続される分離した入力ポート４１２と出力ポート４１４とを用いることにより、除くことができる。しかし、このインプリメンテーションでは、２×１カプラにおいてレーザ・パワーの半分と受信信号の半部とが失われる。

[0053] 図４Ｂは、周波数連続変調（ＦＭＣＷ）ライダーなどのようなコヒーレント・ライダー４００の代替の実施形態を示す。この実施形態は、レーザへ光学的に結合される一対の２×２カプラ４１８と、可変光減衰器（ＶＯＡ）４２０と、バランス型受信機とを含む。レーザ・パワーの一部４１６は、ＶＯＡにより減衰され、局部発振（ＬＯ）としてバランス型受信機へ送られる。ＬＯは、２×２カプラ（４１８）を介して受信機信号（４１９）と組み合わされ、バランス型受信機へ送られる。何れの場合にも、なおも、ライダーは他のコンポーネントからの残余反射に対して敏感である。

[0054] 図５Ａは、コヒーレント擬似モノスタティック・ライダー５００の実施形態を示す。送信導波路５２２ａ（１以上）および受信導波路５２２ｂ（１以上）などのような２つの分離した導波路が、送信（Ｔｘ）光アンテナ５０４ａおよび受信（Ｒｘ）光アンテナ５０４ｂの接続に用いられる。光信号を分配するために、光スイッチ・ネットワークは、デュアル・チャンネル１×２スイッチ５２４を用いて、同じピクセルにおけるＴｘ光アンテナとＲｘ光アンテナとを同時に選択する。デュアル・チャンネル１×２スイッチは、本質的には、２つの別個のＭＥＭＳ光スイッチである。それらは、常に対として作動させられるので、同じＭＥＭＳアクチュエータを共有し得る。光経路は、光の反射や混信を抑制するために、物理的に分離される。レーザ５２６と受信機またはコヒーレント受信機５２８とは、最初に、デュアル・チャンネル行選択スイッチ５０８を作動させ、次に、デュアル・チャンネル列選択スイッチ５１０を作動させることにより、それぞれ、Ｔｘ光アンテナとＲｘ光アンテナとへ接続される。ここで、レーザ・パワーの小部分が、１×２カプラ５３０により局部発振（ＬＯ）として引き出され、可変光減衰器（ＶＯＡ）５３２（ＬＯの光パワーを低減する）を介してコヒーレント受信機５２８へ送られる。レーザおよび１×２カプラからの分割された他方の光は目標物信号であり、それは、送信光アンテナ（１以上）を介して目標物へ送られ、その目標物から反射された光が受信光アンテナ（１以上）により受信され、コヒーレント受信機５２８へ送られてＬＯ光と混合される（干渉するようにされる）。このカプラ５３０の結合比は、コヒーレント受信機へ最適なパワーを提供するように選択される（例えば、５２６からのレーザ・パワーの１％）。示されているように、ＬＯパワーの微調整を行うために可変光減衰器（ＶＯＡ）を付加することができる。

[0055] 図５Ｂは、図５Ａに記載したデュアル・チャンネル１×２スイッチ５２４の一例をクローズアップしたものを示す。この実施形態では、スイッチ５２４はＭＥＭＳスイッチとしてインプリメントされる。示されているように、スイッチ５１４は、送信導波路５２２ａ（１以上）および受信導波路５２２ｂ（１以上）（図５Ａに記載した同じエレメントに対応する）へ光学的に結合された複数のカプラ導波路５２３を含むことができる。スイッチ５２４は、更に、複数のカプラ導波路５２３へ接続された複数のＭＥＭＳ電極５２５およびＭＥＭＳスプリング５２７を含むことができる。ＭＥＭＳ電極と基板上の整合する固定電極との間に電圧を印加することにより、カプラ導波路は、エバネッセント結合を通じて、送信および受信の導波路の近くの場所へと引き下げられる。この実施形態は静電アクチュエータを用いるが、他のＭＥＭＳアクチュエータを用いることもでき、それは伝熱アクチュエータ、磁気アクチュエータ、電磁アクチュエータ、圧電アクチュエータを含むが、これらには限定されない。ＭＥＭＳ電極およびＭＥＭＳスプリングの動作は、カプラ導波路が、それぞれ、送信および受信の導波路と通信するように又はしないようにする。従って、スイッチ５２４は、望まれるときに、送信／受信導波路から光エネルギーを送信するように、選択的に制御することができる。デュアル・チャンネル・スイッチはＭＥＭＳアクチュエータや機械的スプリングなどのような多くの共通の構成を共有するので、２つの別個のスイッチよりもコンパクトなものとなる。高密度のアレイおよび高分解能のイメージング・ライダーとすることについても、フットプリントが小さいことは利点である。この実施形態では２つのチャンネルのみを示したが、チャンネル数を多くするように設計を拡張することができる。

[0056] コヒーレント検出器または受信機５２８の一例が図５Ｃに詳細に示されている。受信した光信号は、２×２カプラ５３４において局部発振（ＬＯ）と混合され、一対のバランス型フォトダイオード５３６により検出される。目標物の距離および速度を抽出するために、光電流における差が増幅され処理される。一例では、電流は、電子受信機回路（例えば、トランスインピーダンス・アンプ（ＴＩＡ））により増幅され、情報が、ＡＳＩＣやＦＰＧＡなどのようなデジタル信号プロセッサによりデジタル化され処理される。

[0057] 図５Ｄに示す別の実施形態では、コヒーレント受信器５２８は、信号の同位相（Ｉ）成分と直角位相（Ｑ）成分との双方を検出するためのバランス型Ｉ／Ｑ検出器を含む。従って、２×４の９０度の光ハイブリッド５３８が用いられ、受信した光信号とＬＯとの４つの異なる組み合わせを作り出す。一対のバランス型フォトデテクタ５３６が用いられて、ビート信号のＩ成分とＱ成分とのそれぞれが抽出される。

[0058] この例ではコヒーレント・ライダーが用いられているが、同じ構造をパルス型ライダーに対して用いることもできる。その場合、ＬＯ部分は不要であり、コヒーレント受信機を、増幅器が後方に配されるフォトダイオードまたはアバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ）に、置換することができる。

[0059] イメージング・ライダーの動作の速度を向上させるために、複数のレーザと検出器とを用いることができる。図６Ａにおいては、コヒーレント受信機６２８がアレイの各ピクセル６４２に組み込まれている。ここでは説明を目的として、ピクセルは、送信アンテナ６０４ａ、受信アンテナ６０４ｂ、コヒーレント受信機６２８、１×２カプラ６４０、およびスイッチ６２４（単一チャンネル）を含むものとする。示されているように、このアーキテクチャは、ピクセルのアレイを含むことができる。上述のように、レーザ・パワーは、光スイッチ・ネットワークにより、選択されたピクセルへ送られる。ピクセルは、コヒーレント受信機に加えて、Ｔｘ光アンテナ６０４ａ、Ｒｘ光アンテナ６０４ｂ、および１×２カプラ６４０を含む。各ピクセル位置にある１×２カプラは、レーザ６２６からの光パワーの小部分を、それぞれのコヒーレント受信機に対しての局部発振（ＬＯ）として引き出す。このアーキテクチャでは、プログラマブル光ネットワークはレーザ・パワーを選択されたピクセルへ送るのみであるので、単一チャンネル・スイッチ６２４のみを必要とする。受信された光信号は、ピクセル・レベルで電気信号へと変換される。電気信号は、様々な方法で集めることができる。最も簡単な場合としては、共通信号プロセッサへ送る前に、全ての信号をまとめて加算する。代替的には、例えば、１つの行や１つの列、１つの行の一部や１つの列の一部、または行および列の一部にわたるピクセルのブロックなどのような、ピクセルのサブグループにわたっての検出された信号を加算することができる。

[0060] 別の実施形態では、行／列アドレシング回路を用いて、アクティブなピクセルからの検出信号を読み取ることができる。検出器アドレシング回路は、その同じピクセルを選択するように、プログラマブル光ネットワークと同期させることができる。全ての場合において、信号雑音比を改善し且つ動作速度を増加させるように、ピクセルにおいて又はピクセルのサブグループに対して前置増幅器を組み込むことには、利点があり得る。

[0061] 代替的には、各ピクセルにコヒーレント受信機を備える代わりに、図６Ｂに例示するように、コヒーレント受信機６２８と１×２カプラ６４０とをピクセルのブロックで共有することができる。スイッチ６２４（デュアル・チャンネル）のネットワークは、導波路を送信アンテナ６０４ａと受信アンテナ６０４ｂとへ結合することができる。この実施形態では、示されているように、スプリッタ６４４を用いて、レーザまたは光の信号を、複数のアレイへ供給できる複数の信号へと分割することができる。これは、複雑になっているピクセルを簡素化し、ピクセルが同じエリアに統合されるようにピクセルの密度を高くすることを可能とする。これは、感知エリアのサイズを増加させることなく、ライダーの分解能を高くする。通常、大きい感知エリアは大きい光学レンズを必要とする。この例では、レーザ・パワーは、統合された光スプリッタにより各ブロックへ分配される。

[0062] 図６Ｃおよび図６Ｄの実施形態に示すように、光増幅器６３９を、光スプリッタとピクセルとの間に挿入することができる。光増幅器を、光スプリッタの後方（図６Ｃ）または１×２カプラの後方（図６Ｄ）に配することができる。

[0063] 代替的には、図６Ｂの実施形態で示すようにスプリッタを用いる代わりに、各ピクセルから放出される光パワーを増加させるために複数のレーザ６２６を用いることもできる。図６Ｅに示す実施形態では、ピクセルの各ブロックに対して、１つのレーザと１つのコヒーレント受信機６２８とが用いられる。一般に、プログラマブル光アンテナ・アレイと共に、任意の数のレーザと任意の数の検出器とを用いることができる。

[0064] 光アンテナとプログラマブル光ネットワークとは、例えば、シリコン・フォトニック技術または窒化シリコン、シリカ、またはＩＩＩ－Ｖ族材料に基づく他のＰＩＣプラットフォームを用いる１つのフォトニック集積回路に、統合することができる。レーザと検出器とは、同じＰＩＣ７０１に統合するか（図７Ａ）、または、チップ外に配してファイバまたは他の導波路により接続するように（図７Ｂおよび図７Ｃ）、することができる。別の実施形態では、レーザと検出器とは、ＩＩＩ－Ｖ族ＰＩＣなどのような第１のＰＩＣ７０１に統合し、アレイおよび他のコンポーネントは第２のＰＩＣに統合し、２つのＰＩＣを互いに直接的に結合するか（図７Ｄ）、光ファイバで接続する。別の実施形態では、２つのＰＩＣを、レンズまたはレンズ・アレイなどのような自由空間光エレメントを介して、互いに結合することができる。レーザとＰＩＣ７０１ｂとの間に光アイソレータを挿入して、レーザへの望まれない反射を抑制することができる。

[0065] 上述のように、各ピクセルに関しての送信光アンテナと受信光アンテナとは、Ｔｘ信号とＲｘ信号との間での混信を最小にするために、Ｘ／Ｙ方向（並べる）とＺ方向（縦方向に重ねる）との何れかの方向にずらすことができる。Ｔｘアンテナ６０４ａとＲｘアンテナ６０４ｂとは、並べるような形で（図８Ａ）又は縦方向に重ねるような形で（図８Ｂ）、統合することができる。イメージング・ライダーは、焦平面のそれぞれの横方向位置を異なるファーフィールド角度へとマッピングするので、Ｔｘ角度とＲｘ角度との間には小さいずれがある。この角度は十分に小さいので、なおも、目標物上で重なるはずである。角度のずれを低減するために、図８Ｂに示すように、ＴｘアンテナとＲｘアンテナとを縦方向に積み重ねることができる。この実施形態では、ＴｘアンテナとＲｘアンテナとは、直交偏波を用いて動作するように設計される。それらは、アンテナ間での混信を最小にするために、異なる光レイヤ上に組み立てられる。

[0066] 縦方向に重ねられるアンテナの１つの実施形態が図９Ａ－９Ｃに示されている。この実施形態では、各アンテナは１つの偏波について動作するように設計されている。示されているように、送信光アンテナ９０４ａは、第１の偏波について動作するように設計され、受信アンテナ９０４ｂは、送信光アンテナに対して９０度回転させられて、直交する又は第二の偏波を送信または受信するようにされている。図９Ａおよび図９Ｂは、送信アンテナと受信アンテナとを別個に示し、図９Ｃは、アンテナが互いに直交するように回転させられ、縦方向に重ねられているところを示す。これらのアンテナは、アンテナ間の混信を最小にするために、縦方向に（レンズの光軸に沿って）距離Δｚ（マイクロメータの単位）だけ離されている。縦方向に重ねたアンテナの別の実施形態では、２つの光アンテナは、ＴｘおよびＲｘに関しての２つの直交偏波について、それぞれ、動作するように設計され、その実施形態では、２つのアンテナは、９０度回転させずに並列に配列される（図９Ｄ－９Ｆ）。

[0067] イメージング・ライダーの１つの実施形態では、図１０に示すように、アンテナ（例えば、Ｔｘアンテナ１００４ａおよびＲｘアンテナ１００４ｂ）と目標物との間で四分の一波長板を用いる。四分の一波長板は、レンズ１００２の前方または後方に挿入することができる。この実施形態では、Ｔｘアンテナ６０４とＲｘアンテナ６０４とは直交偏波を有する。放出された光は四分の一波長板を通過する。目標物から反射された光は、Ｒｘアンテナへ到達する前に四分の一波長板を再び通過する。偏波は、Ｒｘアンテナへ到達するときには９０度回転させられている。この実施形態は、光経路における光学的損失が最小である。

[0068] イメージング・ライダーの更に別の実施形態では、偏波ダイバーシチ受信機が用いられる。場合によっては、目標物から反射された光は偏波が解消されている。偏波ダイバーシチ受信機は、双方の偏波の反射光を捕獲することができる。この実施形態では、光は１つの偏波で放出されるが、Ｒｘは２つのアンテナを有し、その一方は、放出された光の偏波と平行な偏波についてのものであり、他方は、直交する偏波についてのものである。各アンテナの出力は、レーザから引き出されたＬＯと混合され、それ自体のコヒーレント受信機により検出される。

[0069] ここで説明したシステムおよび方法は、例えば、複数の方向のレンジ（距離）測定を行うために用いることができる。更に、ここで説明したシステムおよび方法は、３次元点群の測定を行うために用いることができる。幾つかの実施形態では、複数のピクセルを同時にオンにすることにより、３次元点群測定のフレーム・レートまたは速度を増加させることができる。幾つかの例では、これらの複数のピクセルへのパワーの供給は、同じレーザにより光スプリッタを介して行うことができる。別の実施形態では、複数のピクセルへのパワーの供給は、別個のレーザにより行うことができる。

[0070] 本発明と関連する更なる詳細については、関連する当業者の標準の範囲内での材料および製造技術を用いることができる。一般に又は論理的に用いられる更なる行動に関しての本発明の方法ベースの特徴に関しても同様である。また、説明された本発明の変形物の任意のオプションの特徴が、独立して、又はここで説明された任意の１以上の特徴と組み合わせて、記載され特許請求され得ると考えられている。同様に、単数形のものについての言及は、同じものが複数存在する可能性を含む。より具体的には、ここで及び請求の範囲で用いる単数形である「１つの」、「および」、「前記」、および「その」は、内容で明確に規定されていないがぎり、複数の参照対象を含む。更に、請求の範囲は、任意のオプションのエレメントを除外して書かれたものであり得ることに、留意されたい。従って、この陳述は、主張するエレメントの詳述または「否定的」限定の使用と関連する「単独で」、「のみ」、などのような排他的用語の使用のための先行詞として働くことを意図している。ここで定めていないかぎり、ここで用いている全ての技術的および科学的な用語は、本発明が属する技術の通常の当業者に共通に理解されている意味と同じ意味を有する。本発明の範囲は、本件の明細書によってではなく、むしろ、用いられている請求の範囲の用語の明白な意味のみにより限定される。

Claims

擬似モノスタティック・イメージング・ライダー・システムであって、
レンズと、
少なくとも１つの光エミッタと、
少なくとも１つの光検出器と、
複数の対にされた光アンテナであって、それぞれが送信光アンテナと受信光アンテナとを含むものである複数の対にされた光アンテナと、
前記少なくとも１つの光エミッタから選択された送信光アンテナへの第１光経路を提供するように構成されるプログラマブル光ネットワークであって、更に、選択された前記送信光アンテナと対にされている受信光アンテナから前記少なくとも１つの光検出器への、別にされた第２光経路を提供するように構成されるプログラマブル光ネットワークと
を含み、前記複数の対にされた光アンテナは、レンズの焦平面に又は前記焦平面のあたりに配される、
システム。
請求項１のシステムであって、前記複数の対にされた光アンテナと前記プログラマブル光ネットワークとはフォトニック集積回路において統合される、システム。
請求項１のシステムであって、前記少なくとも１つの光エミッタは、周波数連続変調レーザであり、前記少なくとも１つの光検出器は、バランス型フォトデテクタまたは同位相／直角位相ダブル・バランスド・フォトデテクタを含むコヒーレント光受信機であり、前記コヒーレント光受信機の局部発振を作り出すために、前記少なくとも１つの光エミッタの部分が１×２カプラにより引き出される、システム。
請求項１のシステムであって、前記少なくとも１つの光検出器はピクセルに統合され、前記ピクセルは、
１×２光スイッチング・ユニットと、
局部発振を作り出すために、前記少なくとも１つの光エミッタの出力の小部分を分けるための１×２カプラと、
送信光アンテナと、
対にされた受信光アンテナと、
少なくとも１つの受信光アンテナおよび局部発振からの光信号を受信するように構成されたコヒーレント受信機と
を含む、
システム。
請求項１のシステムであって、前記少なくとも１つの光検出器は複数のピクセルにより共有され、各ピクセルは、
選択された前記送信光アンテナと、
選択された前記送信光アンテナと対にされた前記受信光アンテナと、
光バス導波路を、選択された前記送信光アンテナへ、および選択された前記送信光アンテナと対にされた前記受信光アンテナへ接続された第２光バス導波路へ、接続する２つの並列のスイッチを含むデュアル・チャンネル１×２光スイッチと、
を含み、前記プログラマブル光ネットワークは、少なくとも１つの光エミッタから選択された前記送信光アンテナへの光経路と、選択された前記送信光アンテナと対にされた前記受信光アンテナから前記少なくとも１つの光検出器への物理的に分離した光経路とを提供するようにプログラムされる、
システム。
請求項５のシステムであって、前記少なくとも１つの光エミッタからの光エネルギーが、光スプリッタまたは光増幅器を介して複数の選択されたピクセルへ送られる、システム。
請求項５のシステムであって、ピクセルの各グループに対して、個別にされた光エミッタが用いられる、システム。
請求項２のシステムであって、前記少なくとも１つの光エミッタまたは前記少なくとも１つの光検出器、またはこれら双方は、前記フォトニック集積回路に統合される、システム。
請求項２のシステムであって、前記少なくとも１つの光エミッタまたは前記少なくとも１つの光検出器、またはこれら双方は、別個の第２フォトニック集積回路に統合され、前記フォトニック集積回路と結合される、システム。
請求項２のシステムであって、前記少なくとも１つの光エミッタまたは前記少なくとも１つの光検出器、またはこれら双方は、光ファイバ、ポリマー導波路、他のタイプの導波路により前記フォトニック集積回路と接続されるか、またはレンズやグレーティング・カプラなどのような光学素子を用いて自由空間を介して結合される、システム。
請求項１のシステムであって、前記複数の対にされた光アンテナの前記送信光アンテナと前記受信光アンテナとは、同じ光レイヤにおいて横に並べられる、システム。
請求項１のシステムであって、前記複数の対にされた光アンテナの前記送信光アンテナと前記受信光アンテナとは、別個の光レイヤにおいて縦方向に統合される、システム。
請求項１のシステムであって、前記複数の対にされた光アンテナの前記送信光アンテナと前記受信光アンテナとは直交偏波を有し、前記システムは、前記レンズの前方または後方に配された四分の一波長板を更に含む、システム。
請求項１のシステムであって、前記複数の対にされた光アンテナのそれぞれの受信光アンテナは、直交偏波についての２つのアンテナを含み、直交偏波の双方における反射された光信号を検出するように構成される、システム。
請求項１のシステムであって、前記プログラマブル光ネットワークは、１以上の微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）・アクチュエータ、または電気光学式または熱光学式の位相変調器を用いるマッハツェンダ干渉計、または電気光学式または熱光学式の位相変調器を用いるマイクロリング共振器により制御される、システム。
ライダー・イメージングを行う方法であって、
少なくとも１つの光エミッタから、プログラマブル光ネットワークにおける対にされた光アンテナの選択された送信光アンテナへの、第１の光経路を提供するように前記プログラマブル光ネットワークを制御するステップと、
選択された前記送信光アンテナと対にされている受信光アンテナから、前記少なくとも１つの光検出器への、別にされた第２の光経路を提供するように前記プログラマブル光ネットワークを制御するステップと
を含む方法。
請求項１６の方法であって、前記プログラマブル光ネットワークを制御することは、１以上のＭＥＭＳスイッチを作動させることを含む、方法。
請求項１７の方法であって、前記１以上のＭＥＭＳスイッチを作動させることは、前記１以上のＭＥＭＳスイッチ内に配された１以上の電極へエネルギーを供給することを更に含む、方法。
請求項１６の方法であって、前記少なくとも１つの光エミッタから光スプリッタを介して複数の選択されたピクセルへ光エネルギーを送ることを更に含む方法。
請求項１６の方法であって、複数のピクセルのレンジ測定を組み合わせることにより３次元イメージが得られる、方法。