JP6931237B2 - Light deflection device and rider device - Google Patents

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Description

本発明は、光の進行方向を制御する光偏向デバイス、および光偏向デバイスを備えたライダー装置に関する。 The present invention relates to an optical deflection device that controls the traveling direction of light, and a lidar device including the optical deflection device.

周囲の物体までの距離を2次元画像として取得するレーザ計測を用いたレーザレーダーもしくはライダー装置(LiDAR(Light Detection and Ranging, Laser Imaging Detection and Ranging))の技術分野は、車の自動運転や3次元地図作製等に利用されており、その基盤技術はレーザプリンタやレーザディスプレイ等にも適用可能である。 The technical fields of laser radar or lidar equipment (LiDAR (Light Detection and Ranging, Laser Imaging Detection and Ranging)) that use laser measurement to acquire the distance to surrounding objects as a two-dimensional image are the automatic driving of cars and three-dimensional. It is used for map production, etc., and its basic technology can also be applied to laser printers, laser displays, and the like.

この技術分野では、光ビームを物体に当て、物体で反射して戻ってくる反射光を検出し、その時間差や周波数差から距離の情報を取得すると共に、光ビームを2次元的に走査することによって広角の3次元情報を取得する。 In this technical field, a light beam is applied to an object, the reflected light reflected by the object is detected, distance information is obtained from the time difference and frequency difference, and the light beam is two-dimensionally scanned. Acquires wide-angle 3D information.

光ビーム走査には光偏向デバイスが必須である。従来は、機器全体の回転、多角形ミラー(ポリゴンミラー)、ガルバノミラーといった機械式ミラー、マイクロマシーン技術(MEMS技術)による小型集積ミラーなど、いずれも機械式の機構が用いられているが、大型、高価、振動する移動体での不安定性などが問題であり、近年、非機械式の光偏向デバイスの研究が盛んとなっている。 A light deflection device is essential for light beam scanning. Conventionally, mechanical mechanisms such as rotation of the entire device, mechanical mirrors such as polygon mirrors (polygon mirrors) and galvano mirrors, and small integrated mirrors using micromachine technology (MEMS technology) have been used, but they are large. In recent years, research on non-mechanical light deflection devices has become active due to problems such as high cost and instability in vibrating moving objects.

非機械式の光偏向デバイスとして、光の波長やデバイスの屈折率を変えることで光偏向を実現するフェーズドアレイ型や回折格子型が提案されている。しかしながら、フェーズドアレイ型の光偏向デバイスはアレイ状に並べられた多数の光放射器の位相調整が非常に難しく、高品質な鋭い光ビームを形成することができないという課題がある。回折格子型の光偏向デバイスは鋭いビームの形成が容易であるが、光偏向角が小さいという課題がある。 As a non-mechanical light deflection device, a phased array type or a diffraction grating type that realizes light deflection by changing the wavelength of light or the refractive index of the device has been proposed. However, the phased array type light deflection device has a problem that it is very difficult to adjust the phase of a large number of light radiators arranged in an array and it is not possible to form a high-quality sharp light beam. The diffraction grating type light deflection device can easily form a sharp beam, but has a problem that the light deflection angle is small.

また、走査される光ビームでは、前記した先鋭性の他、強度分布(振幅分布)の制御性が求められる。 Further, in the light beam to be scanned, in addition to the sharpness described above, controllability of the intensity distribution (amplitude distribution) is required.

放射ビームのビーム強度の制御性を有する光偏向デバイスとして、例えば特許文献1〜5が提案されている。 Patent Documents 1 to 5 have been proposed, for example, as an optical deflection device having controllability of the beam intensity of a radiation beam.

特許文献1にはグレーティングを構成する素子の高さ、幅、又は深さを導波光の導波方向に単調変化させる構成が示され、特許文献2には光の伝搬方向に対してグレーティング厚さをガウス分布とする構成が示され、特許文献3には回折格子の格子高さを略線形に漸次増大させる構成が示され、特許文献4にはグレーティングの深さ又はギャップ層の厚さを場所によって変える構成が示され、特許文献5にはグレーティングの表層に形成した溝の幅を導波路の長手方向に対して変調させる構成が示されている。 Patent Document 1 shows a configuration in which the height, width, or depth of the elements constituting the grating is monotonically changed in the waveguide direction of the waveguide light, and Patent Document 2 shows the grating thickness with respect to the propagation direction of the light. In Patent Document 3, a configuration in which the lattice height of the diffraction grating is gradually increased substantially linearly is shown, and in Patent Document 4, the depth of the grating or the thickness of the gap layer is set as the location. Patent Document 5 shows a configuration in which the width of the groove formed on the surface layer of the grating is modulated with respect to the longitudinal direction of the waveguide.

特開昭62−296102Japanese Patent Application Laid-Open No. 62-296102 特開平4−195003Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-195003 特開平6−94939Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-94939 特開平7−169088Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-169088 特開2015−161829JP 2015-161829 特願2016−10844 (図10)Japanese Patent Application No. 2016-10844 (Fig. 10)

前記した従来知られる光偏向デバイスは、導波路部とグレーティング等の光放射機構との2つの構成要素を組み合わせた構成であり、製作性、サイズ、コスト等の点から一つの構成要素で構成される光偏向デバイスが求められている。 The conventionally known light deflection device described above has a configuration in which two components of a waveguide and a light radiation mechanism such as a grating are combined, and is composed of one component in terms of manufacturability, size, cost, and the like. There is a demand for light deflection devices.

また、前記した先行技術は、光偏向デバイスとしてグレーティング(回折格子)を用い、格子の高さ、幅、又は深さ等の形状によって強度分布(振幅分布)を調整するものである。これらのグレーティングの表面形状は微細加工を要するため、加工精度や形状のばらつきといった課題を有している。そのため、形成が容易な構成によって強度分布(振幅分布)の制御性が得られる光偏向デバイスが求められている。 Further, in the above-mentioned prior art, a grating (diffraction grating) is used as an optical deflection device, and an intensity distribution (amplitude distribution) is adjusted according to a shape such as height, width, or depth of the grating. Since the surface shape of these gratings requires microfabrication, there are problems such as processing accuracy and variation in shape. Therefore, there is a demand for an optical deflection device that can obtain controllability of an intensity distribution (amplitude distribution) with a configuration that is easy to form.

本発明の光偏向デバイス及びライダー装置は、上記の課題を解決して、一つの構成要素で構成することを目的とする。また、形成が容易な構成によって強度分布(振幅分布)の調整を可能とすることを目的とする。 An object of the light deflection device and the lidar device of the present invention is to solve the above-mentioned problems and to form one component. Another object of the present invention is to make it possible to adjust the intensity distribution (amplitude distribution) by a configuration that is easy to form.

本発明の発明者は、スローライト導波路を回折格子等の回折機構に結合させることによって光偏向角を増大させる技術を提案している(特許文献6)。スローライトはフォトニック結晶導波路のようなフォトニックナノ構造の中で発生し、低群速度を持つ。スローライトの光は、波長や導波路の屈折率のわずかな変化により、伝搬定数を大きく変化させるという特徴を持つ。このスローライト導波路の内部、もしくは直近に回折機構を設置すると、スローライト導波路が回折機構に結合して漏れ導波路となり、自由空間に光を放射する。このとき伝搬定数の大きな変化は放射光の偏向角に反映し、結果として大きな偏向角が実現される。 The inventor of the present invention has proposed a technique for increasing the light deflection angle by coupling a slow light waveguide to a diffraction mechanism such as a diffraction grating (Patent Document 6). Slow light occurs in photonic nanostructures such as photonic crystal waveguides and has low group velocities. Slow light light has the characteristic that the propagation constant changes significantly due to slight changes in wavelength and refractive index of the waveguide. When a diffraction mechanism is installed inside or in the immediate vicinity of this slow light waveguide, the slow light waveguide is combined with the diffraction mechanism to form a leak waveguide, which radiates light into free space. At this time, a large change in the propagation constant is reflected in the deflection angle of the synchrotron radiation, and as a result, a large deflection angle is realized.

本発明に係る光偏向デバイスは、フォトニック結晶の面内に、導波路に沿って2種類の異なる直径の円孔を繰り返す二重周期構造を備えるものをベースとする。 The light deflection device according to the present invention is based on a photonic crystal having a dual periodic structure in which two types of circular holes having different diameters are repeated along a waveguide.

フォトニック結晶の面内に導波路に沿って1種類の直径の円孔を繰り返してなる周期構造ではスローライト伝搬光は非放射であるが、2種類の異なる直径の円孔を繰り返す二重周期構造とすることによって、スローライト伝搬光は放射条件に変換され、空間に放射される。二重周期構造は、フォトニック結晶の面内に2種類の異なる直径の円孔を繰り返して備える構成であるため、一つの構成要素で構成することができる(特許文献6)。 In a periodic structure in which circular holes of one type of diameter are repeated in the plane of a photonic crystal along a waveguide, slow light propagating light is non-radiating, but a double period in which two types of circular holes of different diameters are repeated. Due to the structure, the slow light propagating light is converted into radiation conditions and radiated into space. Since the double periodic structure has a structure in which two types of circular holes having different diameters are repeatedly provided in the plane of the photonic crystal, it can be composed of one component (Patent Document 6).

このような二重周期構造は、大径の円孔を繰り返す周期構造と、小径の円孔を繰り返す周期構造とを備え、基準の円孔の直径を2rとし、直径の相違幅を2Δrとしたとき、大径の円孔の直径は2(r+Δr)であり、小径の円孔の直径は2(r−Δr)である。なお、ここで、大径及び小径は、基準の円孔の直径に対して、あるいは互いの直径の比較において、大小の関係を示すものである。本発明者らは、このような構成においてΔrを変化させると、放射率は大きく変化するが、放射角度や伝搬方向への伝搬定数等の他の性質はあまり変化しないことを見出した。 Such a double periodic structure includes a periodic structure that repeats a large-diameter circular hole and a periodic structure that repeats a small-diameter circular hole, and the diameter of the reference circular hole is set to 2r and the difference width of the diameter is set to 2Δr. Then, the diameter of the large-diameter circular hole is 2 (r + Δr), and the diameter of the small-diameter circular hole is 2 (r−Δr). Here, the large diameter and the small diameter indicate the relationship between the large and small diameters with respect to the diameter of the reference circular hole or in the comparison of the diameters of each other. The present inventors have found that when Δr is changed in such a configuration, the emissivity changes significantly, but other properties such as the radiation angle and the propagation constant in the propagation direction do not change much.

(光偏向デバイスの形態)
本発明の光偏向デバイスの形態は、
(a)導波路として、従来のガラス材や半導体素材のバルク材に代えてフォトニック結晶によるフォトニック導波路を用いる。
(b)回折機構として、従来提案されているグレーティングに代えてフォトニック結晶の構成を用いる。
(c)フォトニック結晶による回折機構として、フォトニック結晶の面内に形成した複数の円孔の構造を備え、フォトニック結晶の面内に導波路に沿って径が変化する複数の円孔の周期構造を備える。
(Form of light deflection device)
The form of the light deflection device of the present invention is
(A) As the waveguide, a photonic waveguide made of photonic crystals is used instead of the conventional bulk material of glass material or semiconductor material.
(B) As the diffraction mechanism, a photonic crystal structure is used instead of the conventionally proposed grating.
(C) As a diffraction mechanism by the photonic crystal, a structure of a plurality of circular holes formed in the plane of the photonic crystal is provided, and a plurality of circular holes whose diameters change along the waveguide in the plane of the photonic crystal. It has a periodic structure.

本発明の光偏向デバイスが備える複数の円孔は、単にフォトニック結晶の面内に導波路を形成するだけでなく、複数の円孔の径が導波路に沿って変化する周期構造によって、放射ビームの強度分布(振幅分布)を調整する構成とする。 The plurality of circular holes provided in the light deflection device of the present invention not only form a waveguide in the plane of the photonic crystal, but also radiate due to a periodic structure in which the diameters of the plurality of circular holes change along the waveguide. The beam intensity distribution (amplitude distribution) is adjusted.

本発明の光偏向デバイスによれば、フォトニック結晶の面内の円孔は、半導体成膜技術によって円孔の径、及び位置の調整が容易であるため、光偏向デバイスは強度分布(振幅分布)の制御性を容易な構成で得ることができる。 According to the light deflection device of the present invention, the diameter and position of the circular holes in the plane of the photonic crystal can be easily adjusted by the semiconductor film forming technique, so that the light deflection device has an intensity distribution (amplitude distribution). ) Can be obtained with a simple configuration.

(円孔の二重周期構造)
本発明に係る光偏向デバイスの導波路が備える、フォトニック結晶も面内に形成された複数の円孔の周期構造は、円孔の径が導波路に沿って互いに相補的に増減する二重周期構造である。
(Double periodic structure of circular holes)
The periodic structure of a plurality of circular holes in which a photonic crystal is also formed in the plane of the waveguide of the optical deflection device according to the present invention has a double structure in which the diameters of the circular holes are complementary to each other along the waveguide. It is a periodic structure.

二重周期構造は、円孔の径が増加する第1の周期構造と円孔の径が減少する第2の周期構造とを備える。基準の円孔の直径を2r、相補的に増減する径の増減幅を2Δr、2Δrとしたとき、
(d)第1の周期構造が備える円孔の直径2rは2(r+Δr)である。
(e)第2の周期構造が備える円孔の直径2rは2(r−Δr)である。
第1の周期構造が備える円孔の直径2rと第2の周期構造が備える円孔の直径2rの各直径を、基準の円孔の直径2rに対して上記(d)、(e)の関係とすることによって、円孔の直径は導波路に沿って互いに相補的に増減する二重周期構造とすることができる。ここで、基準の円孔は、周期構造が備える複数の円孔から任意に設定することができる。
The double periodic structure includes a first periodic structure in which the diameter of the circular hole increases and a second periodic structure in which the diameter of the circular hole decreases. When the diameter of the reference circular hole is 2r and the increase / decrease width of the diameter that increases / decreases complementarily is 2Δr 1 , 2Δr 2 .
(D) The diameter 2r 1 of the circular hole included in the first periodic structure is 2 (r + Δr 1 ).
(E) The diameter 2r 2 of the circular hole included in the second periodic structure is 2 (r−Δr 2 ).
The diameters of the circular hole diameter 2r 1 provided by the first periodic structure and the circular hole diameter 2r 2 provided by the second periodic structure are set to the above-mentioned (d) and (e) with respect to the reference circular hole diameter 2r. By making the relationship of, the diameter of the circular hole can be made into a double periodic structure in which the diameter of the circular hole increases and decreases complementarily with each other along the waveguide. Here, the reference circular hole can be arbitrarily set from a plurality of circular holes included in the periodic structure.

(径の増減幅Δr、Δr
径の増減幅Δr及びΔrは複数の設定形態とすることができる。
(Diameter increase / decrease width Δr 1 , Δr 2 )
The diameter increase / decrease widths Δr 1 and Δr 2 can be set in a plurality of settings.

[第1の設定形態]
第1の設定形態は、増減幅Δr及び増減幅Δrは同一の増減幅Δrとする。この設定形態によれば、第1の周期構造の円孔の直径2rは2(r+Δr)で増加し、第2の周期構造の円孔の直径2rは2(r−Δr)で減少する。
[First setting form]
In the first setting mode, the increase / decrease width Δr 1 and the increase / decrease width Δr 2 are the same increase / decrease width Δr. According to this setting mode, the diameter 2r 1 of the circular hole of the first periodic structure increases by 2 (r + Δr), and the diameter 2r 2 of the circular hole of the second periodic structure decreases by 2 (r−Δr). ..

[第2の設定形態]
第2の設定形態は、第1の周期構造が備える円孔の面積増加分と第2の周期構造が備える円孔の面積減少分を同量とする。
[Second setting form]
In the second setting mode, the amount of increase in the area of the circular hole provided in the first periodic structure and the amount of decrease in the area of the circular hole provided in the second periodic structure are the same amount.

増減する円孔の面積を同量とする形態は、増減幅Δrと増減幅Δrとは以下の関係によって構成することができる。
増減幅Δrと増減幅Δrとの関係は以下の二つの態様で表すことができる。
In a form in which the areas of the circular holes to be increased / decreased are the same, the increase / decrease width Δr 1 and the increase / decrease width Δr 2 can be configured by the following relationship.
The relationship between the increase / decrease width Δr 1 and the increase / decrease width Δr 2 can be expressed in the following two modes.

増減面積を同量とする第1の態様:
増減幅Δr及び増減幅Δrは、基準径rに対して、
(r+Δr−r=r−(r−Δr
の関係を備える。
First aspect in which the increased / decreased area is the same amount:
The increase / decrease width Δr 1 and the increase / decrease width Δr 2 are relative to the reference diameter r.
(R + Δr 1 ) 2 − r 2 = r 2 − (r − Δr 2 ) 2
Have a relationship.

増減面積を同量とする第2の態様:
増減幅Δrと増減幅Δrの比率k(=Δr/Δr)は、基準径rに対して、
+(2r/Δr)・k=(2r/Δr)−1
又は
(1+2r/Δr)k−(2r/Δr)・k=−1
の関係を備える。
Second aspect in which the increased / decreased area is the same amount:
The ratio k (= Δr 1 / Δr 2 ) of the increase / decrease width Δr 1 and the increase / decrease width Δr 2 is relative to the reference diameter r.
k 2 + (2r / Δr 2 ) · k = (2r / Δr 2 ) -1
Or (1 + 2r / Δr 1 ) k 2- (2r / Δr 1 ) · k = -1
Have a relationship.

(光偏向デバイスの放射係数及び光放射分布)
導波路から面外に放射される放射光の伝搬方向に対する光放射分布は、光偏向デバイスの導波路の伝搬光の強度と光偏向デバイスの放射係数とに依存する。本発明の光偏向デバイスは、回折機構を構成する周期構造の円孔の径の増減状態によって放射係数を設定することができ、さらに、光放射分布を設定することができる。
(Radiation coefficient and light radiation distribution of light deflection device)
The distribution of light radiation with respect to the propagation direction of the synchrotron radiation emitted from the waveguide to the outside of the plane depends on the intensity of the light propagating in the waveguide of the light deflection device and the radiation coefficient of the light deflection device. In the light deflection device of the present invention, the radiation coefficient can be set according to the increase / decrease state of the diameter of the circular hole of the periodic structure constituting the diffraction mechanism, and further, the light radiation distribution can be set.

本発明の光偏向デバイスにおいて、導波路の伝搬光の伝搬方向に対する伝搬光強度分布P、導波路から面外に放射される放射光の伝搬方向に対する放射係数B、導波路から放射される光強度の伝搬方向に対する光放射分布Xとすると、光放射分布Xは伝搬光強度分布Pと放射係数Bとの積(B×P)で表される。 In the optical deflection device of the present invention, the propagation light intensity distribution P with respect to the propagation direction of the propagated light of the waveguide, the radiation coefficient B with respect to the propagation direction of the radiated light radiated from the waveguide to the outside of the plane, and the light intensity radiated from the waveguide. Assuming that the light radiation distribution X with respect to the propagation direction of is, the light radiation distribution X is represented by the product (B × P) of the propagated light intensity distribution P and the radiation coefficient B.

この関係から、光偏向デバイスの放射係数Bは、光放射分布Xを伝搬光強度分布Pで除したB=X/Pで表される。光偏向デバイスにおいて、光伝搬方向に沿った伝搬光強度分布は導波路の特性で定まるため、光放射分布Xは光偏向デバイスの放射係数Bにより設定することができる。したがって、放射係数Bを最適に設定することによって所望の光放射分布Xを得ることができる。 From this relationship, the radiation coefficient B of the light deflection device is represented by B = X / P obtained by dividing the light radiation distribution X by the propagation light intensity distribution P. In the light deflection device, since the propagation light intensity distribution along the light propagation direction is determined by the characteristics of the waveguide, the light radiation distribution X can be set by the radiation coefficient B of the light deflection device. Therefore, a desired light radiation distribution X can be obtained by optimally setting the radiation coefficient B.

ここで、放射係数Bと導波路に沿って変化する径の増減幅Δrとの関係を用いることによって、最適な放射係数Bを与える円孔の増減幅Δrが定まる。したがって、Δrを最適に設定することによって所望の光放射分布Xを得ることができる。 Here, by using the relationship between the radiation coefficient B and the increase / decrease width Δr of the diameter that changes along the waveguide, the increase / decrease width Δr of the circular hole that gives the optimum radiation coefficient B is determined. Therefore, the desired light radiation distribution X can be obtained by optimally setting Δr.

光放射分布Xは任意の分布形状とすることができる。例えば、光放射分布Xをガウス分布とした場合には、放射光の放射角θの変動Δθに対する放射光ビーム分布Yもガウス分布となり、不要なサイドローブを除くことができる。 The light radiation distribution X can have any distribution shape. For example, when the light radiation distribution X is a Gaussian distribution, the synchrotron radiation beam distribution Y with respect to the fluctuation Δθ of the synchrotron radiation angle θ is also a Gaussian distribution, and unnecessary side lobes can be removed.

本発明において、光放射分布Xに対応して設定される放射係数の形態によれば、放射係数Bを最適化することで、サイドローブや裾引きを小さくし、より高品質の光ビームを形成することができ、光偏向デバイスを用いたライダー装置(LiDAR)等の空間分解能が高まる。また、放射係数の調整によって、スローライト導波路の損失に応じて、光が住復したときの合計損失を最小化するような設計も可能になる。 In the present invention, according to the form of the radiation coefficient set corresponding to the light radiation distribution X, by optimizing the radiation coefficient B, the side lobe and the hemming are reduced, and a higher quality light beam is formed. This can increase the spatial resolution of lidar devices (LiDAR) using light deflection devices. In addition, the adjustment of the radiation coefficient enables a design that minimizes the total loss when the light is restored according to the loss of the slow light waveguide.

本発明の光偏向デバイスはフォトニック結晶を用いて放射係数の最適化を可能とする構成の点に一つの特徴があり、この放射係数の最適化は、従来使用されるグレーテイング(回折格子)のような回折機構では困難である。グレーティングは一般に格子の深さ(高さ)によって放射量が変化する。したがって、面内で放射量を変えるためには、場所によって格子の深さ(高さ)を変える必要があるが、このように格子の深さ(高さ)を場所に応じて調整する加工は複雑な工程を必要とし、かつ高い加工精度を得ることは難しい。また、グレーティングの格子の深さ(高さ)を変えると、光の回折条件が変わるため、場所によって深さに分布を与えると、放射角度も分布を持つようになる。そのため、放射光が形成するビームにも余計な広がりが生じてしまう。つまり、回折機構としてグレーティングを用いた場合には、放射角度を揃えたままで放射係数を最適化することはできない。 The light deflection device of the present invention is characterized in that it has a configuration that enables optimization of the radiation coefficient using a photonic crystal, and the optimization of the radiation coefficient is performed by a conventionally used grating (diffraction grating). It is difficult with a diffraction mechanism such as. The amount of radiation of grating generally changes depending on the depth (height) of the grating. Therefore, in order to change the amount of radiation in the plane, it is necessary to change the depth (height) of the grid depending on the location. It requires a complicated process and it is difficult to obtain high processing accuracy. In addition, changing the depth (height) of the grating lattice changes the diffraction conditions of light, so if the depth is distributed depending on the location, the radiation angle will also have a distribution. Therefore, the beam formed by the synchrotron radiation also has an extra spread. That is, when a grating is used as the diffraction mechanism, the radiation coefficient cannot be optimized while the radiation angles are aligned.

これに対して、本発明の光偏向デバイスの形態によれば、円孔の径を調整するといった面内の設計を変えるだけで放射係数の最適化と放射角度の固定を同時に達成することができる。また、放射係数の最適化は、面内の円孔の径を光搬送路に沿って増減するという容易な加工で実現することができ、また、高性能が実現できるという優位性を有している。 On the other hand, according to the form of the optical deflection device of the present invention, optimization of the radiation coefficient and fixation of the radiation angle can be achieved at the same time only by changing the in-plane design such as adjusting the diameter of the circular hole. .. In addition, the optimization of the radiation coefficient can be realized by easy processing of increasing or decreasing the diameter of the circular hole in the plane along the optical transport path, and has the advantage of realizing high performance. There is.

(ライダー装置)
本発明のライダー装置は、本発明の光偏向デバイスと、波長が異なる複数のレーザ光を発するレーザ光源と、レーザ光を個別に検出する光検出部とを備える。光偏向デバイスは、レーザ光源が発する複数波長のレーザ光を、各レーザ光の波長及びビーム偏向器の屈折率で定まる各偏向角の方向に同時に並列して出射する出射器、及び外部から到達する複数波長のレーザ光の内、入射角が前記偏向角であるレーザ光を選択的に同時に並列して入射する入射器を同一素子で構成する。光検出器は、入射器において、出射器で出射されたレーザ光と同一の偏向角の入射角で入射した各波長のレーザ光を個別に検出する。出射器の偏向角と入射器の偏向角とを一致させることによって、出射器から出射され、物体に当たって反射した反射光を検出する。本発明のライダー装置は、本発明の光偏向デバイスを用いることによって、照射対象物に照射されるレーザ光の光放射分布を所望に分布形状とすることができる。
(Rider device)
The lidar device of the present invention includes the light deflection device of the present invention, a laser light source that emits a plurality of laser beams having different wavelengths, and a light detection unit that individually detects the laser beams. The light deflection device reaches from the outside and an emitter that simultaneously emits laser light of multiple wavelengths emitted by a laser light source in parallel in the direction of each deflection angle determined by the wavelength of each laser light and the refractive index of the beam deflector. Among the laser beams having a plurality of wavelengths, the same element constitutes an injector in which laser beams having an incident angle of which the incident angle is the deflection angle are selectively and simultaneously incident in parallel. The photodetector individually detects the laser light of each wavelength incident at the incident angle having the same deflection angle as the laser light emitted by the emitter in the injector. By matching the deflection angle of the emitter with the deflection angle of the incidenter, the reflected light emitted from the emitter and reflected by the object is detected. By using the light deflection device of the present invention, the lidar device of the present invention can form a desired distribution shape of the light emission distribution of the laser light applied to the irradiation target.

以上説明したように、本発明の光偏向デバイス及びライダー装置は、並列動作を簡易な構成で実現し、システムの大型化ないし複雑化を回避することができる。 As described above, the optical deflection device and the lidar device of the present invention can realize parallel operation with a simple configuration and avoid an increase in size or complexity of the system.

漏れ導波路による放射光ビームの形成、及びスローライトを発生させる周期構造を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the formation of a synchrotron radiation beam by a leakage waveguide, and the periodic structure which generates a slow light. 損失分、伝搬光強度分布、光放射分布、放射光ビームの分布の特性を示す図である。It is a figure which shows the characteristic of the loss component, the propagation light intensity distribution, the light radiation distribution, and the distribution of a synchrotron radiation beam. 本発明の光偏向デバイスの構成を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the structure of the light deflection device of this invention. フォトニックバンド、群屈折率nスペクトル、波長λに対する放射角θ、及び波長λに対する放射係数BdBを示す図である。It is a figure which shows the photonic band, the group refractive index ng spectrum, the radiation angle θ with respect to a wavelength λ, and the radiation coefficient B dB with respect to a wavelength λ. 本発明の光偏向デバイスの構成を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the structure of the light deflection device of this invention. 第1の周期構造と第2の周期構造の円孔の直径の増減を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the increase / decrease of the diameter of the circular hole of the 1st periodic structure and the 2nd periodic structure. 光偏向デバイスにおいて、伝搬光強度分布P(y)、放射係数B(y)、光放射分布X(y)、放射光ビーム分布Y(Δθ)の関係を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the relationship of the propagation light intensity distribution P (y), the radiation coefficient B (y), the light radiation distribution X (y), and the synchrotron radiation beam distribution Y (Δθ) in a light deflection device. 伝搬光強度分布P(y)、放射係数B(y)、光放射分布X(y)、放射光ビーム分布Y(Δθ)を示す図である。It is a figure which shows the propagating light intensity distribution P (y), the radiation coefficient B (y), the light radiation distribution X (y), and the synchrotron radiation beam distribution Y (Δθ). 放射光ビームをガウシアンビームとする場合の光偏向デバイスの例を示す図である。It is a figure which shows the example of the light deflection device when the synchrotron radiation beam is a Gaussian beam. ライダー装置の構成の形態を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the form of the structure of a rider device.

以下、本発明の実施の形態について、図を参照しながら詳細に説明する。
スローライト構造を用いた光偏向デバイスにおいて、図1を用いて漏れ導波路を用いた光放射機構を説明し、図2〜図9を用いて本発明の光偏向デバイスの構成を説明し、図10を用いて本発明のライダー装置の構成を説明する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
In a light deflection device using a slow light structure, FIG. 1 will be used to explain a light emission mechanism using a leak waveguide, and FIGS. 2 to 9 will be used to explain the configuration of the light deflection device of the present invention. The configuration of the rider device of the present invention will be described with reference to 10.

(漏れ導波路による放射光ビーム)
図1は漏れ導波路による放射光ビームの形成、及びスローライトを発生させる周期構造を説明するための図である。図1(a)は漏れ導波路から光を放射させる概要を示し、図1(b)は回折機構としてグレーティング(回路格子)を用いた例を示している。
(Synchrotron radiation beam from leaky waveguide)
FIG. 1 is a diagram for explaining the formation of a synchrotron radiation beam by a leakage waveguide and a periodic structure for generating slow light. FIG. 1 (a) shows an outline of radiating light from a leakage waveguide, and FIG. 1 (b) shows an example of using a grating (circuit grating) as a diffraction mechanism.

図1(a)において、漏れ導波路10に入射した入射光は漏れ導波路10から偏向角θで放射ビームとして放射される。このとき、放射ビームの偏向角θは、入射光の波長λや漏れ導波路の屈折率nに依存して変化する。 In FIG. 1A, the incident light incident on the leaky waveguide 10 is radiated from the leaky waveguide 10 as a radiation beam at a deflection angle θ. At this time, the deflection angle θ of the radiated beam changes depending on the wavelength λ of the incident light and the refractive index n of the leakage waveguide.

図1(b)は、漏れ導波路による光偏向デバイスにおいて、スローライト構造の導波路と光放射機構とを個別の機構とする構成例を示している。 FIG. 1B shows a configuration example in which a waveguide having a slow light structure and a light radiation mechanism are separate mechanisms in an optical deflection device using a leakage waveguide.

光偏向デバイス1の導波部11は、第1の屈折率媒質の上部クラッド11bと下部クラッド11cとの間に、第2の屈折率媒質を周期aで配置して構成されるスローライト導波路11aを備える。スローライト導波路11aは、第1の屈折率媒質の屈折率のクラッドに対して第2の屈折率媒質を周期aで周期配置して周期構造(導波路の周期構造)を形成している。第1の屈折率媒質は第2の屈折率媒質よりも高屈折率の媒質を選択することができる。屈折率が大きな材料を深くエッチングするなどによって形成した刻みが大きな周期構造に対して、この周期構造を伝搬する方向から光を入射させると、群速度が小さい光(スローライト)が発生する。スローライト導波路11aは、一端から入射した入射光を低群速度のスローライトモードで伝搬する。 The waveguide 11 of the optical deflection device 1 is a slow light waveguide configured by arranging a second refractive index medium with a period a between the upper clad 11b and the lower clad 11c of the first refractive index medium. 11a is provided. The slow light waveguide 11a forms a periodic structure (periodic structure of the waveguide) by periodically arranging the second refractive index medium with respect to the clad of the refractive index of the first refractive index medium with a period a. As the first refractive index medium, a medium having a higher refractive index than the second refractive index medium can be selected. When light is incident on a periodic structure having a large step formed by deep etching of a material having a large refractive index from a direction propagating in this periodic structure, light (slow light) having a small group velocity is generated. The slow light waveguide 11a propagates incident light incident from one end in a low group velocity slow light mode.

光偏向デバイス1の出射部12は、上部クラッド11bに隣接した位置に表面回折格子等の光放射機構12aを備える。光放射機構12aは、例えば周期Λの凹凸形状を備える。周期Λの凹凸形状は、屈折率媒質の屈折率nと空気等の外部媒質の屈折率noutとの間で周期Λの周期構造(光放射機構の周期構造)を構成する。The exit portion 12 of the light deflection device 1 is provided with a light emission mechanism 12a such as a surface diffraction grating at a position adjacent to the upper clad 11b. The light radiation mechanism 12a has, for example, a concavo-convex shape having a period Λ. The concave-convex shape of the period Λ constitutes a periodic structure of the period Λ (periodic structure of the light emission mechanism) between the refractive index n of the refractive index medium and the refractive index n out of an external medium such as air.

導波路の周期構造を備えるスローライト導波路11aのスローライトは、光の波長λや導波路の屈折率nなどの伝搬状況のわずかな変化によって伝搬定数βが大きく変化する。このような光は、周囲に電磁界の拡がり(浸み出し成分)を持ちながら伝搬する。この浸み出し成分にわずかに触れるような距離に、屈折率が小さな材料や浅いエッチングなどによって形成される刻みが小さな周期構造(光放射機構の周期構造)を備えた出射部12を配置すると、スローライトはこれに結合して散乱・回折が行われ、上方や斜め方向に徐々に放射される。放射は、導波路進行方向に沿って広い範囲で起こり、かつ位相が揃っている。そのため、光偏向デバイスを伝搬方向に沿った横方向から見たとき、出射ビームは高品質な鋭い光ビームとなる。 Slow light having a periodic structure of the waveguide In the slow light of the waveguide 11a, the propagation constant β changes significantly due to a slight change in the propagation state such as the wavelength λ of light and the refractive index n of the waveguide. Such light propagates while having an electromagnetic field spread (exuding component) around it. When the exit portion 12 having a periodic structure (periodic structure of the light radiation mechanism) having a small step formed by a material having a small refractive index or shallow etching is arranged at a distance that slightly touches the exuding component, Slow light is combined with this to scatter and diffract, and is gradually emitted upward and diagonally. The radiation occurs over a wide area along the direction of the waveguide and is in phase. Therefore, when the light deflection device is viewed from the lateral direction along the propagation direction, the emitted beam becomes a high-quality sharp light beam.

光の波長λや、導波路の周期構造を構成する屈折率媒質の屈折率nを変えると導波部11の伝搬定数βが変わり、出射部12の光放射機構の周期構造との結合条件が変わる。その結果として、出射ビームの出射角度θが変わる。 When the wavelength λ of light or the refractive index n of the refractive index medium constituting the periodic structure of the waveguide is changed, the propagation constant β of the waveguide 11 changes, and the coupling condition with the periodic structure of the light emission mechanism of the emission unit 12 changes. change. As a result, the emission angle θ of the emission beam changes.

(フォトニック結晶によるスローライト構造)
スローライト導波路において2次元のフォトニック結晶で構成する例について、図1(c)を用いて説明する。
(Slow light structure by photonic crystal)
An example of forming a two-dimensional photonic crystal in a slow light waveguide will be described with reference to FIG. 1 (c).

図1(c)の2次元フォトニック結晶導波路11dは、同様の厚さの半導体(Siなど)スラブに同様の円孔を2次元周期的に例えば三角格子配列で配列し、配列の一列の円孔を取り除いた構成である。この2次元フォトニック結晶導波路11dの構造において、ブラッグ波長付近ではフォトニックバンドギャップが生じ、群屈折率nが大きくなってスローライトが生じる。In the two-dimensional photonic crystal waveguide 11d of FIG. 1 (c), similar circular holes are arranged two-dimensionally periodically in a semiconductor (Si or the like) slab having the same thickness, for example, in a triangular lattice arrangement. It is a configuration with the circular holes removed. In the structure of the two-dimensional photonic crystal waveguide 11d, a photonic band gap is generated near the Bragg wavelength, the group refractive index ng is increased, and slow light is generated.

漏れ導波路による光偏向デバイスにおいて、スローライト構造の導波路と光放射機構とを個別の機構とする構成では、2次元のフォトニック結晶導波路11dの表面に、周期構造を備える表面回折格子を形成して光放射機構を構成する。2次元フォトニック結晶導波路と表面回折格子の間のクラッドの厚さを調整することによって、両者の結合の度合いを変え、適切な速度の光放射を得る。 In an optical deflection device using a leakage waveguide, in a configuration in which a slow light structure waveguide and a light radiation mechanism are separate mechanisms, a surface diffraction grating having a periodic structure is provided on the surface of the two-dimensional photonic crystal waveguide 11d. It forms to form a light emission mechanism. By adjusting the thickness of the cladding between the two-dimensional photonic crystal waveguide and the surface diffraction grating, the degree of coupling between the two is changed, and light emission at an appropriate rate is obtained.

(光偏向デバイスの放射係数、光放射分布、放射光ビーム分布)
前記した光偏向デバイスは、導波路と光放射機構とを個別の構成要素で構成するのに対して、本発明の光偏向デバイスは、円孔の周期構造によって、導波路と光放射機構とを一つの機構とする構成である。以下、この円孔の周期構造において、光偏向デバイスの放射係数、光放射分布、放射光ビーム分布の概要について説明する。
(Radiation coefficient of light deflection device, light radiation distribution, synchrotron radiation beam distribution)
In the above-mentioned light deflection device, the waveguide and the light radiation mechanism are composed of individual components, whereas in the light deflection device of the present invention, the waveguide and the light radiation mechanism are formed by the periodic structure of the circular holes. It is a structure with one mechanism. Hereinafter, the outline of the radiation coefficient, the light radiation distribution, and the synchrotron radiation beam distribution of the light deflection device in the periodic structure of the circular hole will be described.

前記したスローライト構造の導波路では、スローライトが徐々に漏れ出して放射光ビームを形成する。このとき、光が伝搬する方向に対して導波路の構造が一様であれば、放射係数が一定なので、スローライトの強度が強いほど、放射強度が大きくなる。スローライトは最初に強度が強く、長い距離を伝搬するほど放射や導波路自体の損失の影響を受けて指数関数的に強度が弱くなる。そのため、放射光ビームは同じ波面の中でも手前側で強く、奥行き方向に向かって弱くなるという偏った強度分布になる。このような放射光ビームが遠方の物体に到達すると、近場の強度分布がフーリエ変換された分布になる。指数関数分布のフーリエ変換はsinc関数であるため、強度ピークから振動しながら減衰するサイドローブが多い分布になる。これは放射光ビームの品質を低下させるため、ライダー装置(LiDAR)の空間分解能を低下させることになる。 In the waveguide having the slow light structure described above, the slow light gradually leaks to form a synchrotron radiation beam. At this time, if the structure of the waveguide is uniform with respect to the direction in which the light propagates, the radiation coefficient is constant, so that the stronger the intensity of the slow light, the greater the radiation intensity. The intensity of slow light is high at first, and the longer it propagates, the weaker it becomes exponentially due to the influence of radiation and the loss of the waveguide itself. Therefore, the synchrotron radiation beam has a biased intensity distribution in which the synchrotron radiation beam is strong on the front side and weakens in the depth direction even in the same wave surface. When such a synchrotron radiation beam reaches a distant object, the intensity distribution in the near field becomes a Fourier transform distribution. Since the Fourier transform of the exponential distribution is a sinc function, the distribution has many side lobes that attenuate while oscillating from the intensity peak. This reduces the quality of the synchrotron radiation beam, which in turn reduces the spatial resolution of the lidar device (LiDAR).

上記した放射光ビームの強度分布について説明する。導波路の不要な損失係数をA[cm-1]、光放射機構による光の放射係数をB[cm-1]、光の進行距離yに対する導波路における伝搬光強度分布をP(y)とすると、以下の微分方程式が成り立つ。
dP(y)/dy=−(A+B)P(y) ・・・(1)
The intensity distribution of the synchrotron radiation beam described above will be described. The unnecessary loss coefficient of the waveguide is A [cm -1 ], the radiation coefficient of light by the light emission mechanism is B [cm -1 ], and the propagation light intensity distribution in the waveguide with respect to the traveling distance y is P (y). Then, the following differential equation holds.
dP (y) / dy =-(A + B) P (y) ... (1)

この式(1)を解くと、伝搬光強度分布P(y)及び光放射分布X(y)は、それぞれ以下の式(2),(3)で表される。
P(y)=Pe−(A+B)y ・・・(2)
X(y)=B・P(y) ・・・(3)
When this equation (1) is solved, the propagated light intensity distribution P (y) and the light radiation distribution X (y) are represented by the following equations (2) and (3), respectively.
P (y) = P 0 e − (A + B) y・ ・ ・ (2)
X (y) = BP (y) ・ ・ ・ (3)

ここで、導波路の伝搬定数をβとすると、周期Λをもつ光回折機構に変換された面内の波数kは以下の式(4)で表される。
=β−(2π/Λ)N ・・・(4)
ここで、Nは自然数である。ΛもNが大きな値を取る高次回折では複数本の放射ビームが生じる。そこで、通常はN=1の1次回折を用いる。
Here, assuming that the propagation constant of the waveguide is β, the in-plane wave number k converted into the optical diffraction mechanism having the period Λ is expressed by the following equation (4).
k = β− (2π / Λ) N ・ ・ ・ (4)
Here, N is a natural number. In high-order diffraction in which N also takes a large value in Λ, a plurality of radiated beams are generated. Therefore, usually, the first-order diffraction of N = 1 is used.

デバイス表面と自由空間の境界で波数kが保存されて放射ビームが形成され、放射角θに対して以下の式(5)が成り立つ。
=β−(2π/Λ)=ksinθ ・・・(5)
The wave number k ‖ is conserved at the boundary between the device surface and the free space to form a radiation beam, and the following equation (5) holds for the radiation angle θ.
k = β− (2π / Λ) = k 0 sinθ ・ ・ ・ (5)

θ方向に放射される放射光ビームのθからのずれ量をΔθとすると、遠方で放射光ビーム分布Y(Δθ)は、以下の式(6)となる。

Figure 0006931237
上記式(6)において、y'は放射光ビームの波面に沿った向きに対するyの射影成分である。Assuming that the amount of deviation of the synchrotron radiation beam emitted in the θ direction from θ is Δθ, the synchrotron radiation beam distribution Y (Δθ) in the distance is given by the following equation (6).
Figure 0006931237
In the above equation (6), y'is a projection component of y with respect to the direction of the synchrotron radiation beam along the wave plane.

上記した式(2),(3),(6)を用いて計算した特性を図2に示す。図2(a)のAdBとBdBは、それぞれ導波路の損失係数Aと、光放射機構による光の放射係数BをdB/cmに変換した値である。なお、ここでは、損失係数A及び放射係数Bはいずれも光の進行方向に対して一定値としている。The characteristics calculated using the above equations (2), (3), and (6) are shown in FIG. A dB and B dB in FIG. 2A are values obtained by converting the loss coefficient A of the waveguide and the radiation coefficient B of light by the optical radiation mechanism into dB / cm, respectively. Here, both the loss coefficient A and the radiation coefficient B are constant values with respect to the traveling direction of light.

図2(b)に示す伝搬光強度分布P(y)は指数関数的に減衰する関数となり、図2(c)に示す光放射分布X(y)も伝搬光強度分布P(y)を反映して指数関数的に減衰する。 The propagating light intensity distribution P (y) shown in FIG. 2B is a function that decays exponentially, and the light radiation distribution X (y) shown in FIG. 2C also reflects the propagating light intensity distribution P (y). And decay exponentially.

図2(d)に示す放射光ビーム分布Y(Δθ)は単峰ビームになるが、Δθの半値全幅は約0.04[deg]°であり、サイドローブや裾引きが現れる。
なお、図2では、放射係数BdB[dB/cm]が20dB/cm、50dB/cm、及び80dB/cmの例を示している。
The synchrotron radiation beam distribution Y (Δθ) shown in FIG. 2D is a single peak beam, but the full width at half maximum of Δθ is about 0.04 [deg] °, and side lobes and tailing appear.
Note that FIG. 2 shows examples of radiation coefficients B dB [dB / cm] of 20 dB / cm, 50 dB / cm, and 80 dB / cm.

(光偏向デバイスの二重周期構造)
本発明の光偏向デバイスは、導波路と光放射機構とを一つの機構で構成とすると共に、複数の円孔配列を二重周期構造とすることによって、スローライトの伝搬光と結合させる回折機構の放射係数Bを光の進行方向に対して徐々に変化させる構造とする。
(Double periodic structure of optical deflection device)
The light deflection device of the present invention has a diffraction mechanism that combines a waveguide and a light radiation mechanism with a single mechanism and a double-period structure with a plurality of circular hole arrays to combine with the propagating light of slow light. The structure is such that the radiation coefficient B of is gradually changed with respect to the traveling direction of light.

この二重周期構造は放射光の放射角について変化させないため、放射係数Bを調整することによって、放射係数Bが一定の場合と比較して高い品質の放射光ビームを得ることが可能となる。 Since this double periodic structure does not change the radiation angle of the synchrotron radiation, by adjusting the radiation coefficient B, it is possible to obtain a high quality synchrotron radiation beam as compared with the case where the radiation coefficient B is constant.

本発明の光偏向デバイスは、スローライト導波路としてフォトニック結晶導波路を用いて、導波路と光放射機構とを一つの機構で構成する。フォトニック結晶導波路は、導波路の左右を円孔配列したフォトニック結晶で挟むことにより光を反射させて伝搬させ、導波路を構成する。 The light deflection device of the present invention uses a photonic crystal waveguide as a slow light waveguide, and the waveguide and the light radiation mechanism are configured by one mechanism. The photonic crystal waveguide constitutes a waveguide by reflecting and propagating light by sandwiching the left and right sides of the waveguide with photonic crystals arranged in a circular hole.

本発明に係る光偏向デバイスは、フォトニック結晶の面内に、導波路を形成する導波路に沿って2種類の異なる直径の円孔を繰り返す二重周期構造を備えることをベースとする。 The light deflection device according to the present invention is based on providing a double periodic structure in the plane of a photonic crystal, which repeats two types of circular holes having different diameters along the waveguide forming the waveguide.

図3は本発明に係る光偏向デバイスの基本原理を説明するための図である(特許文献6)。
光偏向デバイス1は、Si等の半導体などの高屈折率媒質からなるスラブに、SiO等の低屈折率媒質の円孔3a,3bを2次元周期的に例えば三角格子配列で配列し、一部の配列の円孔を取り除いた構成であり、円孔を取り除いた部分は2次元フォトニック結晶による導波部を構成すると共に、放射光ビームを放射する出射部を構成する。
FIG. 3 is a diagram for explaining the basic principle of the light deflection device according to the present invention (Patent Document 6).
In the light deflection device 1, circular holes 3a and 3b of a low refractive index medium such as SiO 2 are arranged two-dimensionally periodically in a slab made of a high refractive index medium such as Si, for example, in a triangular lattice arrangement. The configuration is such that the circular holes in the arrangement of the portions are removed, and the portion from which the circular holes are removed constitutes a waveguide portion made of a two-dimensional photonic crystal and an exit portion that emits a radiated light beam.

光偏向デバイス1は、光伝搬方向に対して2種類の異なる直径2rと2rの円孔3a,3bを繰り返す二重周期構造4を備える。この二重周期構造4によって、同径の円孔を配列してなる周期構造では非放射となるスローライト伝搬光が放射条件に変換され、空間に放射される。The light deflection device 1 includes a double periodic structure 4 that repeats two types of circular holes 3a and 3b having different diameters 2r 1 and 2r 2 with respect to the light propagation direction. By this double periodic structure 4, slow light propagating light, which is non-radiating in the periodic structure in which circular holes having the same diameter are arranged, is converted into radiation conditions and radiated into space.

本発明に係る光偏向デバイスが備える二重周期構造は、大径の円孔を繰り返す周期構造と、小径の円孔を繰り返す周期構造とを備える。基準の円孔の直径を2rとし、直径の相違幅を2Δrとしたとき、大径の円孔の直径2rは2(r+Δr)であり、小径の円孔の直径2rは2(r−Δr)である。また、隣接する大径の円孔3aと小径の円孔3bとの中心間間隔をaとしたとき、各周期構造の円孔の間隔Λは2aである。The double periodic structure included in the optical deflection device according to the present invention includes a periodic structure that repeats a large-diameter circular hole and a periodic structure that repeats a small-diameter circular hole. When the diameter of the reference circular hole is 2r and the difference width of the diameter is 2Δr, the diameter 2r 1 of the large-diameter circular hole is 2 (r + Δr), and the diameter 2r 2 of the small-diameter circular hole is 2 (r−”. Δr). Further, when the distance between the centers of the adjacent large-diameter circular holes 3a and the small-diameter circular holes 3b is a, the distance Λ between the circular holes of each periodic structure is 2a.

光偏向デバイス1のサイズ例は、例えば、a=400nm、2r=210nmとし、また隣接する円孔3aと円孔3bとの間隔sは84nmである。なお、このサイズは1例であって、この数値に限られるものではない。An example of the size of the light deflection device 1 is, for example, a = 400 nm, 2r = 210 nm, and the distance s 3 between the adjacent circular holes 3a and the circular holes 3b is 84 nm. Note that this size is an example and is not limited to this value.

また、図3に示す光偏向デバイスの構成例において、3列目シフト型シリカクラッドSi LSPCWを用いたデバイスや、2列目シフト型LSPCWを用いたデバイスの構成とすることができる。ngが大きな2列目シフト型LSPCWによれば、光偏向角Δθの増大が期待される。 Further, in the configuration example of the optical deflection device shown in FIG. 3, a device using the third row shift type silica clad Si LSPCW and a device using the second row shift type LSPCW can be configured. According to the second row shift type LSPCW having a large ng, an increase in the optical deflection angle Δθ is expected.

図4(a)〜(d)は、本発明の光偏向デバイスにおいて、フォトニックバンド、群屈折率nスペクトル、波長λに対する放射角θ、及び波長λに対す放射係数BdBを示している。なお、図4(c)の放射角θは、面垂直方向(図3のz方向)をθ=0°としている。4 (a) to 4 (d) show the photonic band, the group refractive index ng spectrum, the radiation angle θ with respect to the wavelength λ, and the radiation coefficient B dB with respect to the wavelength λ in the light deflection device of the present invention. .. The radiation angle θ in FIG. 4C is set to θ = 0 ° in the plane vertical direction (z direction in FIG. 3).

図4(a)において、二重周期構造を備える本発明の光偏向デバイスにおいて、光伝搬特性を表すフォトニックバンドは、円孔の直径rが2Δr分だけ変化した場合においても、円孔の直径が2rで一様である場合と同様に変化しない。また、群屈折率nにおいても、図4(b)に示すように径変化Δrに対して変化せず、nがほぼ20の低分散のスローライトが広い波長帯域で生じ、フォトニックバンド端に相当する波長に向かって急激にnが大きくなり、スローライト効果がさらに大きくなることを示している。光伝搬特性の特性は、光の伝搬方向に対して伝搬定数βが変わらず、図4(c)に示す様に、放射される光の角度θが変わらないことを示している。In FIG. 4A, in the optical deflection device of the present invention having a dual periodic structure, the photonic band representing the light propagation characteristic has the diameter of the circular hole even when the diameter r of the circular hole changes by 2Δr. Does not change as in the case where is uniform at 2r. Further, even in the group refractive index ng , as shown in FIG. 4B, the slow light having a low dispersion of approximately 20 ng , which does not change with respect to the diameter change Δr, is generated in a wide wavelength band, and is a photonic band. It is shown that the ng increases sharply toward the wavelength corresponding to the edge, and the slow light effect further increases. The characteristic of the light propagation characteristic shows that the propagation constant β does not change with respect to the light propagation direction, and the angle θ of the emitted light does not change as shown in FIG. 4 (c).

一方、図4(d)において、光の放射係数BdBは、円孔の直径2rをΔr変化させることによって変えることができる。図4(d)では、Δrが5nm,10nm,15nm,20nmである例を示し、Δrが増加すると放射係数BdBが増加することを示している。放射係数Bは、光搬送路から伝搬光が面外に漏れ出す率を表し、Δrが大きい程、面外に放射される放射光ビームの強度が増す。また、光搬送路に沿ってΔrを調整することによって、面外に放射される放射光ビームが強度を制御することができ、光ビーム分布を調整して高品質の光ビーム分布を形成することができる。On the other hand, in FIG. 4D, the radiation coefficient B dB of light can be changed by changing the diameter 2r of the circular hole by Δr. FIG. 4D shows an example in which Δr is 5 nm, 10 nm, 15 nm, and 20 nm, and shows that the radiation coefficient B dB increases as Δr increases. The radiation coefficient B represents the rate at which the propagating light leaks out of the plane from the optical transport path, and the larger Δr, the higher the intensity of the synchrotron radiation beam emitted out of the plane. In addition, by adjusting Δr along the light transport path, the intensity of the synchrotron radiation beam emitted out of the plane can be controlled, and the light beam distribution can be adjusted to form a high-quality light beam distribution. Can be done.

図4(c)に示す波長λに対する放射角θにおいて、放射角θはフォトニックバンドを反映するためΔr依存性は小さい。図4(c)には示していないが、スローライト効果とシリカクラッド/空気境界面での屈折により、波長変化Δr=27nmに対して30°近い光偏向角Δθが得られる。 At the radiation angle θ with respect to the wavelength λ shown in FIG. 4C, the radiation angle θ reflects the photonic band, so that the Δr dependence is small. Although not shown in FIG. 4C, a light deflection angle Δθ close to 30 ° with respect to a wavelength change Δr = 27 nm can be obtained by the slow light effect and refraction at the silica clad / air interface.

図4(d)に示す波長λに対する放射係数BdBにおいて、nが大きな2列目シフト型LSPCWを使えば、さらにBdBの増大が期待される。一方、BdBはΔrが大きいほど増加する。したがって、Δrの制御により光放射量の制御が可能であり、拡がりが小さな光放射ビームの形成が可能である。In the radiation coefficient B dB for wavelength λ shown in FIG. 4 (d), Using n g large second column shift type LSPCW, further B dB increase is expected. On the other hand, B dB increases as Δr increases. Therefore, it is possible to control the amount of light radiation by controlling Δr, and it is possible to form a light radiation beam having a small spread.

このように、本発明者らはΔrを変化させると、放射率は大きく変化するが、放射角度や伝搬方向への伝搬定数等の他の性質はあまり変化しないことを見出し、本願の目的である面外に放射される放射光のビーム分布を調整して高品質の光ビーム分布を形成するために適用可能であることを見出した。 As described above, the present inventors have found that when Δr is changed, the emissivity changes significantly, but other properties such as the radiation angle and the propagation constant in the propagation direction do not change so much, which is the object of the present application. We have found that it can be applied to adjust the beam distribution of synchrotron radiation emitted out of the plane to form a high quality light beam distribution.

(光偏向デバイスの形態)
本発明の光偏向デバイスの形態は、フォトニック結晶による回折機構としてフォトニック結晶の面内に形成した複数の円孔の構造において、フォトニック結晶の面内に導波路に沿って径が変化する複数の円孔の周期構造を備える。本発明の光偏向デバイスが備える複数の円孔は、フォトニック結晶の面内において搬送光の導波路と、放射光ビームを面外に放射する光放射機構とを構成し、複数の円孔の径が導波路に沿って変化する周期構造によって、放射ビームの強度分布(振幅分布)を調整する。
(Form of light deflection device)
In the form of the light deflection device of the present invention, the diameter changes along the waveguide in the plane of the photonic crystal in the structure of a plurality of circular holes formed in the plane of the photonic crystal as a diffraction mechanism by the photonic crystal. It has a periodic structure of a plurality of circular holes. The plurality of circular holes included in the light deflection device of the present invention constitute a waveguide of conveyed light in the plane of the photonic crystal and a light radiation mechanism for radiating a synchrotron radiation beam out of the plane, and the plurality of circular holes of the plurality of circular holes. The intensity distribution (amplitude distribution) of the radiated beam is adjusted by the periodic structure in which the diameter changes along the waveguide.

図5(a)は光偏向デバイスの形態の概略構成を示し、図5(b)は光偏向デバイスの形態が備える第1の周期構造及び第2の周期構造を示している。 FIG. 5A shows a schematic configuration of the form of the light deflection device, and FIG. 5B shows a first periodic structure and a second periodic structure included in the form of the light deflection device.

図5(a),(b)において、光偏向デバイス1は導波路5を挟む両側に、光の伝搬方向に対して直径が変化する複数の円孔3a,3bの周期構造4を備える。複数の円孔の周期構造4は、円孔3a,3bの直径が導波路5に沿って互いに相補的に増減する二重周期構造である。 In FIGS. 5A and 5B, the optical deflection device 1 is provided with periodic structures 4 of a plurality of circular holes 3a and 3b whose diameters change with respect to the light propagation direction on both sides of the waveguide 5. The periodic structure 4 of the plurality of circular holes is a double periodic structure in which the diameters of the circular holes 3a and 3b increase or decrease in a complementary manner along the waveguide 5.

図5(b)において、二重周期構造4は、円孔の直径が増減する第1の周期構造4a及び第2の周期構造4bを備える。第1の周期構造4aと第2の周期構造4bの円孔の直径の増減は互いに相補的であり、一方の周期構造において円孔の直径が増加する場合には、他方の周期構造において、増加する円孔と隣接する円孔の直径は減少する。なお、円孔の直径の増減は導波路5の方向に沿ったものであるが、導波路5において伝搬光が進行する方向、あるいは伝搬光が進行する方向と逆方向の何れを基準とするかによって、増減の方向が変わる相対的なものであるため、ここでは、仮に伝搬光が進行する方向を基準の方向とし、基準方向を増加方向とし、基準と逆方向を減少方向として説明する。 In FIG. 5B, the double periodic structure 4 includes a first periodic structure 4a and a second periodic structure 4b in which the diameter of the circular hole increases or decreases. The increase and decrease in the diameter of the circular holes of the first periodic structure 4a and the second periodic structure 4b are complementary to each other, and when the diameter of the circular hole increases in one periodic structure, it increases in the other periodic structure. The diameter of the circular hole adjacent to the circular hole is reduced. The increase / decrease in the diameter of the circular hole is along the direction of the waveguide 5, but which of the direction in which the propagating light travels in the waveguide 5 or the direction opposite to the direction in which the propagating light travels is used as a reference. Since the direction of increase / decrease is relative, the direction in which the propagating light travels is assumed to be the reference direction, the reference direction is the increase direction, and the direction opposite to the reference is the decrease direction.

第1の周期構造4aにおいて、複数の円孔3aは直径2rを導波路5の伝搬光の方向に対して増加又は減少する。一方、第2の周期構造4bにおいて、複数の円孔3bは直径2rを導波路5の伝搬光の方向に対して減少又は増加する。In the first periodic structure 4a, the plurality of circular holes 3a increase or decrease in diameter 2r 1 with respect to the direction of the propagating light of the waveguide 5. On the other hand, in the second periodic structure 4b, the plurality of circular holes 3b decrease or increase the diameter 2r 2 with respect to the direction of the propagating light of the waveguide 5.

図6は第1の周期構造と第2の周期構造の円孔の直径の増減を説明するための図である。図6(a)において、基準の円孔の径をr、相補的に増減する径の増減幅をΔr、Δrとし、図面の下方から上方に向かう方向を基準方向としたとき、第1の周期構造4aを構成する円孔3aの直径2rは2Δr分増加し、順に2(r+Δr)、2(r+2Δr)・・・となる。一方、第2の周期構造4bを構成する円孔3bの直径2rは2Δr分減少し、順に2(r−Δr)、2(r−2Δr)、・・・となる。FIG. 6 is a diagram for explaining an increase / decrease in the diameter of the circular holes of the first periodic structure and the second periodic structure. In FIG. 6 (a), the diameter of the reference circle hole r, [Delta] r 1 a varying width of the diameter increasing or decreasing complementary, and [Delta] r 2, when a direction from the lower drawing upwards as the reference direction, the first The diameter 2r 1 of the circular hole 3a constituting the periodic structure 4a of the above increases by 2Δr 1 minute, and becomes 2 (r + Δr 1 ), 2 (r + 2Δr 1 ), and so on in that order. On the other hand, the diameter 2r 2 of the circular hole 3b constituting the second periodic structure 4b decreases by 2Δr 2 minutes, and becomes 2 (r−Δr 2 ), 2 (r-2Δr 2), ...

第1の周期構造4aが備える円孔3aと、第2の周期構造4bが備える円孔3bの各直径2r,2rを、基準の円孔の直径2rに対して、上記した2Δr,2Δr分だけ増減させることによって、円孔3a,3bの直径2r,2rは導波路に沿って互いに相補的に増減する二重周期構造となる。基準の円孔は、周期構造が備える複数の円孔から任意に設定することができる。なお、増減分のΔr及びΔrを共通のΔrとした場合には、第1の周期構造4aが備える円孔3aの直径は2(r+Δr)、2(r+2Δr)となり、第2の周期構造4bが備える円孔3bの直径は2(r−Δr)、2(r−2Δr)となる。 The diameters 2r 1 , 2r 2 of the circular hole 3a included in the first periodic structure 4a and the circular hole 3b included in the second periodic structure 4b are set to the above-mentioned 2Δr 1 , By increasing / decreasing by 2Δr 2 minutes, the diameters 2r 1 and 2r 2 of the circular holes 3a and 3b have a double periodic structure in which the diameters 2r 1 and 2r 2 increase and decrease complementarily along the waveguide. The reference circular hole can be arbitrarily set from a plurality of circular holes included in the periodic structure. When Δr 1 and Δr 2 for the increase / decrease are common Δr, the diameters of the circular holes 3a included in the first periodic structure 4a are 2 (r + Δr) and 2 (r + 2Δr), and the second periodic structure The diameter of the circular hole 3b included in 4b is 2 (r−Δr) and 2 (r-2Δr).

上記した説明では、第1の周期構造4aの円孔の直径2rを増加させ、第2の周期構造4bの円孔の直径2rを減少させる例について説明したが、第1の周期構造4aの円孔の直径2rを減少させ、第2の周期構造4bの直径2rを増加させてもよい。In the above description, an example in which the diameter 2r 1 of the circular hole of the first periodic structure 4a is increased and the diameter 2r 2 of the circular hole of the second periodic structure 4b is decreased has been described. The diameter 2r 1 of the circular hole may be decreased and the diameter 2r 2 of the second periodic structure 4b may be increased.

上記した構成において、ΔrとΔrの増減によって光の放射量を増減させることができるが、ΔrとΔrの増減によってはフォトニックバンドにずれが生じ、光搬送路に位置によって伝搬定数βや放射角θも同時に変化する場合がある。その結果、放射光ビームが一本にまとまらず、様々な方向に拡散してしまう低品質な放射光ビームとなる。In the above configuration, it is possible to increase or decrease the amount of radiation of light by increasing or decreasing the [Delta] r 1 and [Delta] r 2, deviation occurs in the photonic band by increasing or decreasing the [Delta] r 1 and [Delta] r 2, propagation constant by the position in the optical transport path β and radiation angle θ may change at the same time. As a result, the synchrotron radiation beam is not unified and diffuses in various directions, resulting in a low-quality synchrotron radiation beam.

ここで、上記したΔrとΔrの増減による、伝搬定数βや放射角θの変動を抑制する構成として、本発明の光偏向デバイスは、ΔrとΔrを変える際に、円孔の面積の増加分と円孔の面積の減少分とが等しくなる構成を備えると良いことが判明した。Here, as a configuration for suppressing fluctuations in the propagation constant β and the radiation angle θ due to the increase / decrease in Δr 1 and Δr 2 described above, the optical deflection device of the present invention has a circular hole when changing Δr 1 and Δr 2. It was found that it would be better to have a configuration in which the increase in area and the decrease in the area of the circular hole are equal.

この円孔の面積の増加分と円孔の面積の減少分とが同量となる関係は、増減幅Δr及び増減幅Δrとの関係において、基準の径rに対して以下の式(7)で表すことができる。
(r+Δr−r=r−(r−Δr ・・・(7)
Relationship decrease and become the same amount of area increment and the circular hole in the area of the circular hole is, in relation to the varying width [Delta] r 1 and varying width [Delta] r 2, the following equation with respect to the reference diameter r ( It can be represented by 7).
(R + Δr 1 ) 2- r 2 = r 2- (r-Δr 2 ) 2 ... (7)

図6(b)は光偏向デバイスの第1の周期構造の円孔と第2の周期構造の円孔の各面積の増減を互いに同量とする構成を示している。 FIG. 6B shows a configuration in which the increase and decrease of the areas of the circular holes of the first periodic structure and the circular holes of the second periodic structure of the light deflection device are equal to each other.

第1の周期構造の円孔3aの面積は、直径が2rから2(r+Δr)に増加することによってΔS(=(r+Δr−r)だけ増加する。一方、第2の周期構造の円孔3bの面積は、直径が2rから2(r−Δr)に減少することによってΔS(=r−(r−Δr)だけ減少する。The area of the circular hole 3a of the first periodic structure is increased by ΔS 1 (= (r + Δr 1 ) 2 −r 2 ) by increasing the diameter from 2r to 2 (r + Δr 1). On the other hand, the area of the circular hole 3b of the second periodic structure is reduced by ΔS 2 (= r 2- (r − Δr 2 ) 2 ) by reducing the diameter from 2r to 2 (r−Δr 2).

増加幅Δrと減少幅Δrを調整することによって、ΔSとΔSの面積の増減分を同量とする。光偏向デバイスの第1の周期構造の円孔と第2の周期構造の円孔の各面積の増減を互いに同量とする構成によって、前記したように、Δr=Δr=Δrとした構成と比較しても、さらにフォトニックバンドの変化を抑制することができ、高品質な光ビームを形成することができ、本願の目的である面外に放射される放射光のビーム分布を調整して高品質の光ビーム分布を形成するために好適であることを見出した。By adjusting the increase width Δr 1 and the decrease width Δr 2 , the increase / decrease in the areas of ΔS 1 and ΔS 2 is made the same amount. As described above, Δr 1 = Δr 2 = Δr is configured by making the increase and decrease of each area of the circular hole of the first periodic structure and the circular hole of the second periodic structure equal to each other in the optical deflection device. In comparison with, it is possible to further suppress changes in the photonic band, form a high-quality light beam, and adjust the beam distribution of synchrotron radiation emitted outside the plane, which is the object of the present application. It has been found that it is suitable for forming a high quality light beam distribution.

円孔の面積の増加分と円孔の面積の減少分が同量となる関係は、増減幅Δrと増減幅Δrの比率k(=Δr/Δr)を用いて表すこともできる。この場合には、増減幅Δrと増減幅Δrの比率k(=Δr/Δr)は、基準の径rに対して、以下の式(8)又は式(9)で表すことができる。
+(2r/Δr)・k=(2r/Δr)−1 ・・・(8)
(1+2r/Δr)k−(2r/Δr)・k=−1 ・・・(9)
The relationship in which the increase in the area of the circular hole and the decrease in the area of the circular hole are equal can be expressed by using the ratio k (= Δr 1 / Δr 2 ) of the increase / decrease width Δr 1 and the increase / decrease width Δr 2. .. In this case, the ratio k (= Δr 1 / Δr 2 ) of the increase / decrease width Δr 1 and the increase / decrease width Δr 2 can be expressed by the following equation (8) or equation (9) with respect to the reference diameter r. can.
k 2 + (2r / Δr 2 ) · k = (2r / Δr 2 ) -1 ... (8)
(1 + 2r / Δr 1 ) k 2- (2r / Δr 1 ) ・ k = -1 ・ ・ ・ (9)

(光偏向デバイスの放射係数及び光放射分布)
図7(a)は、光偏向デバイスにおいて、伝搬光強度分布P(y)、放射係数B(y)、光放射分布X(y)、放射光ビーム分布Y(Δθ)の関係を示し、図7(b)は放射係数B(y)と円孔の径の増減Δrとの関係を示している。なお、yは光偏向デバイスの導波路において、入射光の入射端からの距離である。
(Radiation coefficient and light radiation distribution of light deflection device)
FIG. 7A shows the relationship between the propagation light intensity distribution P (y), the radiation coefficient B (y), the light radiation distribution X (y), and the synchrotron radiation beam distribution Y (Δθ) in the light deflection device. 7 (b) shows the relationship between the radiation coefficient B (y) and the increase / decrease Δr in the diameter of the circular hole. Note that y is the distance from the incident end of the incident light in the waveguide of the optical deflection device.

本発明の光偏向デバイスは、回折機構を構成する周期構造の円孔の径の増減状態によって放射係数を設定することができ、さらに、光放射分布を設定することができる。 In the light deflection device of the present invention, the radiation coefficient can be set according to the increase / decrease state of the diameter of the circular hole of the periodic structure constituting the diffraction mechanism, and further, the light radiation distribution can be set.

本発明の光偏向デバイスにおいて、導波路の伝搬光の伝搬方向に対する伝搬光強度分布P(y)、導波路から面外に放射される放射光の伝搬方向に対する放射係数B(y)、導波路から放射される光強度の伝搬方向に対する光放射分布X(y)とすると、光放射分布X(y)は、伝搬光強度分布P(y)と放射係数B(y)とに依存し、光放射分布X(y)は伝搬光強度分布P(y)と放射係数B(y)との積により以下の式(10)で表される。
X(y)=B(y)・P(y) ・・・(10)
In the optical deflection device of the present invention, the propagating light intensity distribution P (y) with respect to the propagating direction of the propagating light of the waveguide, the radiation coefficient B (y) with respect to the propagating direction of the radiated light emitted from the waveguide to the outside of the plane, and the waveguide. Assuming that the light radiation distribution X (y) with respect to the propagation direction of the light intensity emitted from the light radiation distribution X (y), the light radiation distribution X (y) depends on the propagated light intensity distribution P (y) and the radiation coefficient B (y), and the light The radiation distribution X (y) is represented by the following equation (10) by the product of the propagated light intensity distribution P (y) and the radiation coefficient B (y).
X (y) = B (y) · P (y) ... (10)

この関係から、光偏向デバイスの放射係数B(y)は、光放射分布X(y)を伝搬光強度分布P(y)で除した以下の式(11)で表される。
B(y)=X(y)/P(y) ・・・(11)
From this relationship, the radiation coefficient B (y) of the light deflection device is expressed by the following equation (11) obtained by dividing the light radiation distribution X (y) by the propagating light intensity distribution P (y).
B (y) = X (y) / P (y) ... (11)

光偏向デバイスにおいて、光伝搬方向に沿った伝搬光強度分布は導波路の特性で定まるため、光放射分布X(y)は光偏向デバイスの放射係数B(y)により設定することができる。したがって、放射係数B(y)を設定することによって所望の光放射分布X(y)を得ることができる。 In the light deflection device, since the propagation light intensity distribution along the light propagation direction is determined by the characteristics of the waveguide, the light radiation distribution X (y) can be set by the radiation coefficient B (y) of the light deflection device. Therefore, a desired light radiation distribution X (y) can be obtained by setting the radiation coefficient B (y).

さらに、所望の光放射分布X(y)を実現するための光偏向デバイスの円孔の増減幅Δrは、放射係数B(y)と径の増減幅Δrとの関係に基づいて求めることができる。 Further, the increase / decrease width Δr of the circular hole of the light deflection device for realizing the desired light radiation distribution X (y) can be obtained based on the relationship between the radiation coefficient B (y) and the increase / decrease width Δr of the diameter. ..

放射係数B(y)と径の増減幅Δrとの関係は、放射係数−径変化特性から得ることができ、径の増減幅Δrは、この放射係数Bと増減幅Δrとの関係に基づいて、放射係数Bに対応する値として得られる。 The relationship between the radiation coefficient B (y) and the diameter increase / decrease width Δr can be obtained from the radiation coefficient − diameter change characteristic, and the diameter increase / decrease width Δr is based on the relationship between the radiation coefficient B and the diameter increase / decrease width Δr. , Obtained as a value corresponding to the radiation coefficient B.

光放射分布X(y)は任意の分布形状とすることができる。例えば、光放射分布X(y)をガウス分布とした場合には、放射光の放射角θの変動Δθに対する放射光ビーム分布Y(Δθ)のサイドローブを除くことができる。 The light radiation distribution X (y) can have any distribution shape. For example, when the light radiation distribution X (y) is a Gaussian distribution, the side lobe of the synchrotron radiation beam distribution Y (Δθ) with respect to the fluctuation Δθ of the synchrotron radiation angle θ can be removed.

図2で示したように、光搬送路方向に沿って放射係数Bが一定な場合は、光放射分布X(y)が指数関数的に減衰し、放射光ビーム分布Y(Δθ)のサイドローブはsinc関数となる。光ビームのサイドローブを抑制するためには、放射光ビーム分布Y(Δθ)をガウス関数にすることが考えられる。この場合、光放射分布X(y) 自体もガウス関数にする必要がある。伝搬光強度分布P(y)は導波路の損失係数Aや放射係数Bによって減衰する。損失係数A及び放射係数Bによる減衰も考慮に入れて、光放射分布X(y)を、長さLの導波路の中央でピークをもつガウス関数にするためには、yに沿って変化する放射係数B(y)が以下を満たす必要がある。
X(y)=B(y)・P(y)=Dexp(−a・(y−L/2)
・・・(12)
As shown in FIG. 2, when the radiation coefficient B is constant along the direction of the synchrotron radiation path, the light radiation distribution X (y) is exponentially attenuated, and the side lobe of the synchrotron radiation beam distribution Y (Δθ). Is a sinc function. In order to suppress the side lobes of the light beam, it is conceivable to make the synchrotron radiation beam distribution Y (Δθ) a Gaussian function. In this case, the light radiation distribution X (y) itself needs to be a Gaussian function. The propagating light intensity distribution P (y) is attenuated by the loss coefficient A and the radiation coefficient B of the waveguide. Taking into account the attenuation due to the loss coefficient A and the emission coefficient B, the light emission distribution X (y) is changed along y in order to make it a Gaussian function having a peak in the center of the waveguide of length L. The radiation coefficient B (y) must satisfy the following.
X (y) = B (y) · P (y) = Dexp (−a · (y−L / 2) 2 )
... (12)

ここで、aはガウス関数の広がりを与える係数、Dはガウス関数のピークでの放射量を表す定数である。式(12)に基づいて伝搬に関する微分方程式は以下の式(13)で表される。
dP(y)/dy=−AP(y)−Dexp(−a・(y−L/2)
・・・(13)
Here, a is a coefficient that gives the spread of the Gaussian function, and D is a constant that represents the amount of radiation at the peak of the Gaussian function. The differential equation related to propagation based on the equation (12) is expressed by the following equation (13).
dP (y) / dy = -AP (y) -Dexp (-a · (y-L / 2) 2 )
... (13)

式(13)を解くと、放射係数B(y)は以下の式(14)で表される。

Figure 0006931237
When the equation (13) is solved, the radiation coefficient B (y) is expressed by the following equation (14).
Figure 0006931237

図8は、上記した式(12),(14)を用いた演算結果を示し、図8(a)は伝搬光強度分布P(y)を示し、図8(b)は放射係数B(y)を示し、図8(c)は光放射分布X(y)を示し、図8(d)は放射光ビーム分布Y(Δθ)を示している。 FIG. 8 shows the calculation results using the above equations (12) and (14), FIG. 8 (a) shows the propagation light intensity distribution P (y), and FIG. 8 (b) shows the radiation coefficient B (y). ), FIG. 8 (c) shows the synchrotron radiation distribution X (y), and FIG. 8 (d) shows the synchrotron radiation beam distribution Y (Δθ).

ここでηは定数Dに依存した定数であり、y=Lの位置において放射されずに残る光の量を表している。またfはf=a・(L/2)で与えられる定数である。例えば、f=0はa=0に対応し、放射光分布X(y)は変化が無限に少ないガウス関数となる。一方、大きな定数fは大きな係数aに対応し、変化が大きなガウス関数となる。Here, η is a constant that depends on the constant D, and represents the amount of light that remains unradiated at the position of y = L. Further, f is a constant given by f = a · (L / 2) 2. For example, f = 0 corresponds to a = 0, and the synchrotron radiation distribution X (y) is a Gaussian function with infinitely small changes. On the other hand, the large constant f corresponds to the large coefficient a, and becomes a Gaussian function with a large change.

図8は、(f=2,η=0.9),(f=1,η=0.95),(f=1,η=0.9),(f=0,η=0.95),及び(f=0,η=0.9)の各値において、導波路の損失係数Aが0dB/cm,10dB/cm,及び30dB/cmであるときの各場合について示している。 FIG. 8 shows (f = 2, η = 0.9), (f = 1, η = 0.95), (f = 1, η = 0.9), (f = 0, η = 0.95). ) And (f = 0, η = 0.9), each case where the loss coefficient A of the waveguide is 0 dB / cm, 10 dB / cm, and 30 dB / cm is shown.

図8において、f=2、η=0.9とした場合に得られる放射光ビーム分布Y(Δθ)は、サイドローブや裾引きがほとんどないガウシアンビームが形成されることを示している。 In FIG. 8, the synchrotron radiation beam distribution Y (Δθ) obtained when f = 2 and η = 0.9 indicates that a Gaussian beam having almost no side lobes or tailing is formed.

(光偏向デバイスの構成例)
図9は放射光ビームをガウシアンビームとする場合の光偏向デバイスの例を示している。図9(a)は光偏向デバイス1の平面図を示し、図9(b),(c)は光偏向デバイス1の斜視図を示し、図9(c)は放射光ビームの分布形状を模式的に示している。
(Configuration example of optical deflection device)
FIG. 9 shows an example of an optical deflection device when the synchrotron radiation beam is a Gaussian beam. 9 (a) shows a plan view of the light deflection device 1, FIGS. 9 (b) and 9 (c) show a perspective view of the light deflection device 1, and FIG. 9 (c) illustrates the distribution shape of the synchrotron radiation beam. Is shown.

放射光ビームをガウシアンビームとするための放射係数B(y)を式(14)により求め、さらに、求めた放射係数B(y)の分布形状を形成する円孔の径を求める。円孔の径を求めるには、放射係数B(y)と光偏向デバイス1の面内に形成する円孔の径の増減幅Δrとの対応関係を予め求めておき、この対応関係に基づいて、放射係数Bに対応する径の増減幅Δrを光偏向デバイス1の光伝搬方向の位置に応じて求める。図9に示す構成例では、光偏向デバイス1の周期構造4が備える円孔3の列の各径を光伝搬光方向の中央付近に対して増減させる構成としている。 The radiation coefficient B (y) for converting the synchrotron radiation beam into a Gaussian beam is obtained by the equation (14), and further, the diameter of the circular hole forming the distribution shape of the obtained radiation coefficient B (y) is obtained. In order to obtain the diameter of the circular hole, the correspondence relationship between the radiation coefficient B (y) and the increase / decrease width Δr of the diameter of the circular hole formed in the plane of the light deflection device 1 is obtained in advance, and based on this correspondence relationship. , The increase / decrease width Δr of the diameter corresponding to the radiation coefficient B is obtained according to the position of the light deflection device 1 in the light propagation direction. In the configuration example shown in FIG. 9, each diameter of the row of the circular holes 3 provided in the periodic structure 4 of the light deflection device 1 is increased or decreased with respect to the vicinity of the center in the light propagation light direction.

(ライダー装置の形態)
本発明のライダー装置は、本発明の光偏向デバイスと、波長が異なる複数のレーザ光を発するレーザ光源と、レーザ光を個別に検出する光検出部とを備える。光偏向デバイスは、レーザ光源が発する複数波長のレーザ光を、各レーザ光の波長及び導波路の屈折率で定まる各偏向角の方向に同時に並列して出射する出射器、及び外部から到達する複数波長のレーザ光の内、入射角が前記偏向角であるレーザ光を選択的に同時に並列して入射する入射器を同一素子で構成する。光検出器は、入射器において、出射器で出射されたレーザ光と同一の偏向角の入射角で入射した各波長のレーザ光を個別に検出する。出射器の偏向角と入射器の偏向角とを一致させることによって、出射器から出射され、物体に当たって反射した反射光を検出することができる。
(Form of rider device)
The lidar device of the present invention includes the light deflection device of the present invention, a laser light source that emits a plurality of laser beams having different wavelengths, and a light detection unit that individually detects the laser beams. The light deflection device is an emitter that simultaneously emits laser light of multiple wavelengths emitted by a laser light source in parallel in the direction of each deflection angle determined by the wavelength of each laser light and the refractive index of the waveguide, and a plurality of light deflectors arriving from the outside. Among the laser beams having a wavelength, the same element constitutes an injector in which laser beams having an incident angle of which the incident angle is the deflection angle are selectively and simultaneously incident in parallel. The photodetector individually detects the laser light of each wavelength incident at the incident angle having the same deflection angle as the laser light emitted by the emitter in the injector. By matching the deflection angle of the emitter with the deflection angle of the incidenter, it is possible to detect the reflected light emitted from the emitter and reflected by the object.

ライダー装置の構成の各形態について、図10を用いて説明する。ライダー装置の第1形態は、入射器と出射器とを個別に構成する形態である。図10(a)はライダー装置の第1の形態を示している。第1の形態のライダー装置100Aは、レーザ光源102、導波路104、及び光偏向デバイス101で構成される出射器と、光偏向デバイス101、導波路104、及び光検出器103(フォトダイオード)で構成される入射器とを個別に備え、並置する構成である。出射器はレーザ光源102の光を光偏向デバイス101から外部に向けた出射し、入射器は物体に当たって反射した反射光を入射し、フィルタ(図示していない)を通過させ後、分岐路を介して光検出部103に導いて検出する。 Each form of the configuration of the rider device will be described with reference to FIG. The first form of the lidar device is a form in which an injector and an emitter are individually configured. FIG. 10A shows a first form of the rider device. The lidar device 100A of the first embodiment includes an emitter composed of a laser light source 102, a waveguide 104, and a light deflection device 101, and a light deflection device 101, a waveguide 104, and a photodetector 103 (photodiode). It is a configuration in which the constituent injectors are individually provided and juxtaposed. The emitter emits the light of the laser light source 102 toward the outside from the photodetector device 101, and the injector incidents the reflected light that hits the object, passes through a filter (not shown), and then passes through a branch path. It is guided to the light detection unit 103 for detection.

物体からの反射光は大きく広がって拡散するため、出射器の横に入射器を配置した構成であっても、入射器が受けられる光ビームの角度を出射器の放射角度とわずかに違うように設定することによって、出射器から出射した光を直接に入射することなく反射光を受けることができる。 Since the reflected light from an object spreads widely and diffuses, even if the injector is placed next to the emitter, the angle of the light beam received by the injector is slightly different from the emission angle of the emitter. By setting, it is possible to receive the reflected light without directly incident the light emitted from the emitter.

図10(b)はライダー装置の第2の形態を示している。第2の形態のライダー装置100Bは、導波路104を分岐し、分岐路の一端に光検出部103(フォトダイオード)を配置する構成である。光偏向デバイス101は入射した反射光をフィルタ(図示していない)に通過させ後、分岐路を介して光検出部103に導いて検出する。 FIG. 10B shows a second form of the rider device. The lidar device 100B of the second embodiment has a configuration in which the waveguide 104 is branched and the photodetector 103 (photodiode) is arranged at one end of the branch path. The light deflection device 101 passes the incident reflected light through a filter (not shown) and then guides the incident reflected light to the photodetector 103 via a branch path for detection.

図10(c)は第3の形態を示している。第3の形態のライダー装置100Cは、導波路104に光スイッチ105を挿入し、レーザ光源102のレーザ光が通過した後に光検出部103(フォトダイオード)側に切り換え、反射して戻ってきたレーザ光を光検出部103(フォトダイオード)に高効率で導く。 FIG. 10 (c) shows the third form. In the lidar device 100C of the third embodiment, the optical switch 105 is inserted into the waveguide 104, and after the laser light of the laser light source 102 has passed, the lidar device 100C is switched to the photodetector 103 (photodiode) side, and the laser is reflected and returned. Light is guided to the photodetector 103 (photodiode) with high efficiency.

図10(d)は第4の形態を示している。Si導波路にp−n接合を形成したフォトダイオードは、強い逆バイアスを掛けると、結晶欠陥を介したサブバンドギャップ吸収を起こして、本来は検出できない長波長帯の光が検出できるようになる。第4の形態のライダー装置100Dは、光検出部103としてしたp−n接合を形成したフォトダイオードを導波路104の途中に挿入し、レーザ光源102のレーザ光が通過した後に逆バイアスに変更して、反射された光パルスを検出する。 FIG. 10 (d) shows the fourth form. When a strong reverse bias is applied to a photodiode having a pn junction formed on a Si waveguide, subbandgap absorption occurs through crystal defects, and light in a long wavelength band that cannot be detected originally can be detected. .. In the lidar device 100D of the fourth embodiment, the photodiode having the pn junction formed as the photodetector 103 is inserted in the middle of the waveguide 104, and after the laser light of the laser light source 102 has passed, it is changed to the reverse bias. And detect the reflected light pulse.

図10(e)は第5の形態を示している。第5の形態のライダー装置100Eは、レーザ光源と光検出部とを兼ねるパルス光源・光検出部106を備える。パルス光源・光検出部106は、パルス光源となる半導体レーザに逆バイアスを掛けてフォトダイオードとしても動作させることができる。この構成によれば、パルス光源・光検出部106はレーザ光を発した後に、逆バイアスを掛けてフォトダイオードとしても動作させ、反射して戻ってきたレーザ光を検出する。 FIG. 10 (e) shows the fifth form. The lidar device 100E of the fifth embodiment includes a pulse light source / light detection unit 106 that also serves as a laser light source and a light detection unit. The pulse light source / photodetector 106 can also operate as a photodiode by applying a reverse bias to a semiconductor laser that serves as a pulse light source. According to this configuration, the pulse light source / photodetector 106 emits a laser beam and then applies a reverse bias to operate it as a photodiode to detect the reflected and returned laser beam.

反射光を用いるライダー装置の各形態において、レーザ光源からの光は、光パルスあるいは連続光とすることができる。ライダー装置は、光パルスを用いた場合にはTOF方式によって距離測定を行い、連続光を用いた場合にはFMCW方式によって距離測定を行うことができる。 In each form of the lidar device using reflected light, the light from the laser light source can be an optical pulse or continuous light. The lidar device can measure the distance by the TOF method when the optical pulse is used, and can measure the distance by the FMCW method when the continuous light is used.

各形態のライダー装置の装置構成によれば、仮に同じ波長の光が別の方向から到来したとしても入射角が異なるため、光は逆順をたどらないので元の導波路に結合せず、光検出部(フォトダイオード)に入射することはない。 According to the device configuration of the lidar device of each form, even if light of the same wavelength arrives from a different direction, the incident angle is different, so that the light does not follow the reverse order and is not coupled to the original waveguide, and photodetection is performed. It does not enter the part (photodiode).

図10に示す各形態例において、導波路104に波長フィルタの光フィルタを挿入してもよい。光フィルタはレーザ光源のレーザ光の波長を通過させるフィルタであり、レーザ光源の波長を変えたときは、波長変更と同期して通過波長も変えられる可変波長フィルタとするのがより好ましい。 In each embodiment shown in FIG. 10, an optical filter of a wavelength filter may be inserted in the waveguide 104. The optical filter is a filter that passes the wavelength of the laser light of the laser light source, and it is more preferable to use a variable wavelength filter that can change the passing wavelength in synchronization with the wavelength change when the wavelength of the laser light source is changed.

環境中には様々な波長の光があり、レーザ光源の波長とは異なる波長の光がノイズ成分として光偏向デバイス1に到来することがある。仮に、異なる波長の光の入射角と、光ビームの出射角とが同じであるときには、波長が異なるノイズ成分は導波路に結合することができないが、別の方向から光偏向デバイス1に到来したノイズ成分の中には、導波路に結合して戻ることができるものがある。光フィルタは、このように導波路に結合するノイズ成分を除去することができる。このノイズ成分の除去は、ライダー装置の反射信号を検出する際のSN比の向上に寄与する。 There are various wavelengths of light in the environment, and light having a wavelength different from that of the laser light source may arrive at the light deflection device 1 as a noise component. If the angle of incidence of light of different wavelengths and the angle of emission of light beams are the same, noise components with different wavelengths cannot be coupled to the waveguide, but arrive at the light deflection device 1 from a different direction. Some noise components can be coupled back to the waveguide. The optical filter can remove the noise component coupled to the waveguide in this way. The removal of this noise component contributes to the improvement of the SN ratio when detecting the reflected signal of the rider device.

光偏向デバイス及びライダー装置に関わる技術は近赤外光を用いる構成の他、可視光材料によるデバイス形成によって、プロジェクタやレーザディスプレイ、網膜ディスプレイ、2D/3Dプリンタ、POSやカード読み取り等の可視光による適用が想定される。 In addition to the configuration using near-infrared light, the technology related to light deflection devices and lidar devices uses visible light such as projectors, laser displays, retinal displays, 2D / 3D printers, POS and card readers by forming devices using visible light materials. It is expected to be applied.

なお、本発明は前記各実施の形態に限定されるものではない。本発明の趣旨に基づいて種々変形することが可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。 The present invention is not limited to each of the above embodiments. Various modifications can be made based on the gist of the present invention, and these are not excluded from the scope of the present invention.

本発明の光偏向デバイス及びライダー装置(レーザレーダー)は、自動車、ドローン、ロボット、産業機器に搭載されるレーザレーダー(LiDAR)、パソコンやスマホに搭載して周囲環境を手軽に取り込む3Dスキャナ、監視システムなどに利用できる。また同様の光偏向デバイスを用いれば、光交換やデータセンター用の空間マトリックス光スイッチなどが可能である。 The light deflection device and lidar device (laser radar) of the present invention are a laser radar (LiDAR) mounted on automobiles, drones, robots, and industrial equipment, a 3D scanner mounted on a personal computer or a smartphone to easily capture the surrounding environment, and monitoring. It can be used for systems. Further, if a similar optical deflection device is used, optical exchange, a spatial matrix optical switch for a data center, and the like are possible.

1 光偏向デバイス
2r,2r,2r 直径
3,3a,3b 円孔
4 二重周期構造
4a 周期構造
4b 周期構造
5 導波路
10 漏れ導波路
11 導波部
11a スローライト導波路
11b 上部クラッド
11c 下部クラッド
11d 2次元フォトニック結晶導波路
12 出射部
12a 光放射機構
100A〜100E ライダー装置
101 光偏向デバイス
102 レーザ光源
103 光検出部
104 導波路
105 光スイッチ
106 パルス光源・光検出部
A 導波路の損失係数
B 放射係数
D 定数
f 定数
k 波数
P 伝搬光強度分布
r 基準径
X 光放射分布
Y 放射光ビーム分布
1 Optical deflection device 2r, 2r 1 , 2r 2 Diameter 3,3a, 3b Circular hole 4 Double periodic structure 4a Periodic structure 4b Periodic structure 5 Waveguide 10 Leakage waveguide 11 waveguide 11a Slow light waveguide 11b Upper clad 11c Lower clad 11d 2D photonic crystal waveguide 12 Emission part 12a Light emission mechanism 100A-100E Rider device 101 Light deflection device 102 Laser light source 103 Light detection unit 104 Waveguide 105 Optical switch 106 Pulse light source / light detection part A Loss coefficient B Radiation coefficient D Constant f Constant k Number of waves P Propagation light intensity distribution r Reference diameter X Light radiation distribution Y Radiation light beam distribution

Claims (9)

フォトニック結晶を用いて構成された光偏向デバイスであって、
前記フォトニック結晶は、導波路と、前記導波路を挟むように設けられた複数の円孔で構成された二重周期構造と、を備え、
前記二重周期構造は、第1の周期構造と第2の周期構造とを備えるとともに、前記第1の周期構造を構成する円孔と前記第2の周期構造を構成する円孔とが前記導波路に沿った基準方向において互いに交互に配置された構造を備え、
前記第1の周期構造を構成する複数の円孔は、前記基準方向において、円孔の直径が第1の幅ずつ増加するように構成されており、
前記第2の周期構造を構成する複数の円孔は、前記基準方向において、円孔の直径が第2の幅ずつ減少するように構成されている、
光偏向デバイス。
A light deflection device constructed using photonic crystals.
The photonic crystal includes a waveguide and a double periodic structure composed of a plurality of circular holes provided so as to sandwich the waveguide.
The double periodic structure includes a first periodic structure and a second periodic structure, and the circular holes forming the first periodic structure and the circular holes forming the second periodic structure are the guides. With structures that alternate with each other in the reference direction along the waveguide,
The plurality of circular holes constituting the first periodic structure are configured such that the diameter of the circular holes increases by the first width in the reference direction.
The plurality of circular holes constituting the second periodic structure are configured such that the diameter of the circular holes decreases by the second width in the reference direction.
Light deflection device.
基準の円孔の直径を2r、前記第1の幅を2Δr、前記第2の幅を2Δr、nを0以上の整数としたとき、
前記第1の周期構造が備える円孔の直径2rは2(r+n・Δr)であり、
前記第2の周期構造が備える円孔の直径2rは2(r−n・Δr)であることを特徴とする請求項1に記載の光偏向デバイス。
2r diameter of the reference circle hole, and the 2Derutaaru 1 a first width, when the second width is 2Derutaaru 2, n an integer of 0 or more,
The diameter 2r 1 of the circular hole included in the first periodic structure is 2 (r + n · Δr 1 ).
The light deflection device according to claim 1, wherein the diameter 2r 2 of the circular hole included in the second periodic structure is 2 (rn · Δr 2).
前記第1の幅である2Δr及び前記第2の幅である2Δrは、同一の幅2Δrであることを特徴とする請求項2に記載の光偏向デバイス。 The light deflection device according to claim 2, wherein the first width 2Δr 1 and the second width 2Δr 2 have the same width 2Δr. 前記第1の周期構造が備える円孔の面積増加分と前記第2の周期構造が備える円孔の面積減少分は同量であることを特徴とする請求項2に記載の光偏向デバイス。 The light deflection device according to claim 2, wherein the amount of increase in the area of the circular hole included in the first periodic structure and the amount of decrease in the area of the circular hole included in the second periodic structure are the same amount. 前記Δr、前記Δr、及び前記rは、
(r+Δr−r=r−(r−Δr
の関係を備えること特徴とする、請求項2に記載の光偏向デバイス。
The Δr 1 , the Δr 2 , and the r are
(R + Δr 1 ) 2 − r 2 = r 2 − (r − Δr 2 ) 2
The light deflection device according to claim 2, wherein the light deflection device comprises the above-mentioned relationship.
前記Δrと前記Δrの比率k(=Δr/Δr)は、前記rに対して、
+(2r/Δr)・k=(2r/Δr)−1
又は
(1+2r/Δr)k−(2r/Δr)・k=−1
の関係を備えること特徴とする、請求項2に記載の光偏向デバイス。
Wherein [Delta] r 1 and the [Delta] r 2 ratio k (= Δr 1 / Δr 2 ) , relative to the r,
k 2 + (2r / Δr 2 ) · k = (2r / Δr 2 ) -1
Or (1 + 2r / Δr 1 ) k 2- (2r / Δr 1 ) · k = -1
The light deflection device according to claim 2, wherein the light deflection device comprises the above-mentioned relationship.
前記導波路の伝搬光の伝搬方向に対する伝搬光強度分布P、
前記導波路から面外に放射される放射光の伝搬方向に対する放射係数B、
及び
前記導波路から放射される光強度の伝搬方向に対する光放射分布Xは、
B=X/P
の関係を備え、
前記Δrは、前記放射係数Bと前記Δrとの関係において前記放射係数Bに対応する値であることを特徴とする、請求項3に記載の光偏向デバイス。
Propagation light intensity distribution P with respect to the propagation direction of the propagating light of the waveguide,
Radiation coefficient B with respect to the propagation direction of synchrotron radiation emitted out of the plane from the waveguide,
And the light radiation distribution X with respect to the propagation direction of the light intensity emitted from the waveguide is
B = X / P
With the relationship
The light deflection device according to claim 3, wherein the Δr is a value corresponding to the radiation coefficient B in the relationship between the radiation coefficient B and the Δr.
前記光放射分布Xはガウス分布であることを特徴とする、請求項7に記載の光偏向デバイス。 The light deflection device according to claim 7, wherein the light radiation distribution X has a Gaussian distribution. 請求項1から8の何れか一つに記載の光偏向デバイスと、
波長が異なる複数のレーザ光を発するレーザ光源と、
レーザ光を個別に検出する光検出部とを備え、
前記光偏向デバイスは、
前記レーザ光源が発する複数波長のレーザ光を、当該各レーザ光の波長及び導波路の屈折率で定まる各偏向角の方向に同時に並列して出射する出射器、
及び
外部から到達する複数波長のレーザ光の内、入射角が前記偏向角であるレーザ光を選択的に同時に並列して入射する入射器を同一素子または別素子で構成し、
前記光検出部は、
前記入射器において、前記出射器で出射されたレーザ光と同一の偏向角の入射角で入射した各波長のレーザ光を個別に検出することを特徴とするライダー装置。
The light deflection device according to any one of claims 1 to 8.
A laser light source that emits multiple laser beams with different wavelengths,
Equipped with a photodetector that individually detects laser light
The light deflection device is
An emitter that simultaneously emits laser light of multiple wavelengths emitted by the laser light source in parallel in the direction of each deflection angle determined by the wavelength of each laser light and the refractive index of the waveguide.
And, among the laser beams of a plurality of wavelengths arriving from the outside, the incidenter in which the laser beams having an incident angle of the deflection angle are selectively and simultaneously incident in parallel is composed of the same element or another element.
The photodetector
A lidar device, characterized in that, in the incidenter, laser light of each wavelength incident at an incident angle having the same deflection angle as the laser light emitted by the emitter is individually detected.
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