JP6956964B2 - 光偏向デバイスおよびライダー装置 - 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。
レーザレーダーもしくはライダー装置（LiDER（Light Detection and Ranging, Laser Imaging Detection and Ranging））（以下、ライダー装置で記す）の分野において、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によって、車の自動運転や３次元地図への開発が行われている。ライダー装置の他の利用分野として、レーザプリンタやレーザディスプレイがある。
ライダー装置では、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。
光ビームの走査は光偏向デバイスを用い行われる。従来、回転する多角形ミラー（ポリゴンミラー）による機械式光偏向デバイスが用いられている。この多角形ミラーの光偏向デバイスは、車のような振動する移動体では不安定になり、寿命も短いという問題がある。この問題を解決するものとして、マイクロマシーン技術（MEMS技術）を使った小型集積ミラーも実用化が進められている。しかしながら、MEMS技術を使った小型集積ミラーにおいても、移動体での不安定性は残っており、さらに従来の機械式光偏向デバイスと比べて走査速度が遅いという問題もある。
これらの機械式の光偏向デバイスの問題を解決する非機械式の光偏向デバイスとして位相アレイと漏れ導波路が研究されている。
位相アレイは基板上に集積された多数の光放射器から光の干渉を使って光ビームを形成する。個々の放射器の位相を調整することで、任意の方向にビームを形成することができる。（非特許文献１）
しかしながら、位相調整に要求される精度が非常に高く、通常、この精度を満たすことが難しいため、光ビームは要求するよりも広がってしまい、ぼけた情報しか得られないという問題がある。
一方、漏れ導波路型の光偏向デバイスは、導波路に刻んだ回折格子、導波路の上下に形成された多層膜などによって、導波路を伝搬する光を上方向や斜め方向に放射させるもので、均一な放射によって鋭い光ビームを形成することができ、光の波長や導波路の屈折率を変えることによって光ビームを走査させることができる。また，多層膜の角度分散が大きい条件（スローライト条件）に近い波長で動作させると、波長や屈折率に対する感度が高まり、ビームスキャン角度を大きくすることができる。（非特許文献２）
回折格子付き導波路は、弱い回折格子によって導波路から光が徐々に漏れ出して光ビームを形成するものであり、波長や導波路屈折率によって光ビームを走査することができる。（特許文献１）
特許第５６６２２６６号
"One-Dimensional Off-Chip Beam Steering and Shaping Using Optical Phased Arrays on Silicon-on-Insulator"Karel Van Acoleyen, KatarzynaKomorowska, WimBogaerts，RoelBaets，JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, VOL. 29, NO. 23, DECEMBER 1, 2011 "Giant and high-resolution beam steering usingslow-light waveguide amplifier"XiaodongGu,Toshikazu Shimada, and Fumio Koyama, 7 November 2011 / Vol. 19, No. 23 / OPTICS EXPRESS 22683
機械式の光偏向デバイス、及び非機械式の光偏向デバイスのいずれにおいても、ライダー装置では光ビームを物体に当て、その反射光に基づいて距離を計測している。例えば、パルス状の光を物体に当て、反射パルスの遅れ時間距離を計測するＴｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ（ＴＯＦ）法と、連続光を周波数変調して物体に当て、反射光と参照光の差周波数から距離を計測するＦｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ（ＦＭＣＷ）法の二種類が知られている。いずれの計測方法においても、光ビームを物体に当て、反射光を受けてはじめて一箇所の情報を取得するため、各画素について情報を得るためには、最低でも物体との間を往復する時間が必要である。
例えば、ライダー装置を車や屋外ロボットのセンサとして利用する場合には、測定可能な距離の一例として１５０ｍが検討される。この場合には、ライダー装置と物体との間は往復で３００ｍの距離があるため、空気中の光速を考慮すると、光が往復するに要する時間は１μｓである。
このとき、ライダー装置が備える光偏向デバイスの二次元画像の画素数を１００万画素とすると、画像１フレーム分の情報を取得するには１ｓ（＝１００万画素×１μｓ）が必要となり、フレームレートは１fpsとなる。
図１２は、画像１フレーム分の情報取得を説明するための図である。
図１２（ａ）は各画素の情報取得を逐次行うに例を説明するための図である。二次元画像１００の各画素１０１は、各測定時（ｔ＝ｔ１，ｔ２，…，ｔｍ）においてパルス光の放射と反射波の検出とを行って１画素分の情報を取得し、全画素について繰り返すことによって１フレーム分の情報を取得する。したがって、１フレーム分の情報を取得するには画素数に応じた計測時間を要することになる。
計測時間を短縮するために、ライダー装置の画素数を仮に１０万画素に減らしたとしても、画像１フレーム分の情報を取得するには１００mｓ（＝10万画素×１μｓ）が必要となり、フレームレートは１０fpsとなる。これらのフレームレート１fps，１０fpsは、通常のビデオレートである３０fpsに至らない。車の自動運転への適用には、通常のビデオレートよりも高速の１００fps以上が要求されるため、画素数の減少によってフレームレートを上げるためには、さらに画素数を減らすことが求められる。
フレームレートを上げる解決手段として、複数個のライダー装置を組み合わせ、各ライダー装置を並列動作させることが考えられる。例えば、１万画素の画素数で１００fpsを有するライダー装置を３２個組み合わせて並列動作させることによって３２万画素を実現させる構成が考えられる。
図１２（ｂ）は、各画素の情報取得を並列動作させる例を説明するための図である。二次元画像１００を複数のライダー装置のブロック１００ａ〜１００ｄの組み合わせによって構成し、各ブロック１００ａ〜１００ｄの各画素１０１について、各測定時（ｔ＝ｔ１，ｔ２，…，ｔｌ）においてパルス光の放射と反射波の検出によって１画素分の情報を取得する。各ブロック１００ａ〜１００ｄの全画素について繰り返すことによって、１フレーム分の情報を取得する。各ブロックについて並列動作することでフレームレートの向上を図る。
複数個のライダー装置を組み合わせ、各ライダー装置を並列動作させる構成は、各ブロックの動作時点を同期させながら並列動作させる必要があるため、システムが大型化、複雑化するという問題がある。
本願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、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を目的とする。
本願発明は、光偏向デバイスは、その偏向角が光の波長及び屈折率に対して依存性を有することに鑑み、波長を異にする複数波長の各光を、波長及び屈折率によって個々に定まる各偏向角の方向に同時に並列して偏向させ、複数の光ビームの並列動作を簡易な構成で実現する。
波長を異にする複数の波長の光は、各波長や屈折率で定まる個々に異なる偏向角で偏向するため、同時に並列して偏向させることができる。偏向した複数の光ビームは、同時に並列動作であっても、光の波長や偏向角の相違に基づいて、個々の光ビームを区別することができる。
（光偏向デバイス）
本願発明の光偏向デバイスは、偏向角が波長依存性及び屈折率依存性を有するビーム偏向器を備える。ビーム偏向器は、波長が異なる複数波長の光を、その光の各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偏向させる。
屈折率が固定である場合には、光偏向デバイスは、導波した光を、その光の波長の変化に対応して定まる複数の各偏向角で偏向する。
また、屈折率が可変である場合には、光偏向デバイスは、導波した光を、その光の波長及び屈折率に対応して定まる各偏向角で偏向する。このとき、光の波長が固定である場合には、そのときの波長に対応する偏向角を基準として、屈折率の変化に対応して定まる複数の各偏向角で偏向する。
ビーム偏向器は、複数波長の各波長の光を１つの素子で偏向する単体で構成する他、複数波長の各波長の光を個々に偏向する複数個の素子をアレイ状に配列した複合体で構成することができる。
単体構成では、一つのビーム偏向器において、波長を異にする複数波長の光を導入することで偏向角を変える他、一波長の光又は波長を異にする複数波長の光を導入すると共にビーム偏向器の屈折率を変化させることで偏向角を変え、これによって、複数の光を異なる複数の偏向角に偏向させる。
複合体構成では、導入した光を、その光の波長に対応して定まる偏向角で偏向させるビーム偏向器を複数個備え、この複数個のビーム偏向器を各波長で並列配置する。この並列配置する複数個のビーム偏向器は、波長を異にする複数波長の光を導入して偏向角を変える他、一波長の光又は波長を異にする複数波長の光を導入すると共に屈折率を変化させることで偏向角を変え、複数の光ビームを異なる複数の偏向角に偏向させる。
本願発明の光偏向デバイスは、導入した光を偏向させて出射光を形成する出射器、及び／又は、外部から取り込んだ光を偏向させて入射光とする入射器を構成することができる。
外部から取り込む光は、出射器から出射された出射光が物体で反射して得られる反射光とすることができる。
光偏向デバイスの偏向角は、出射器では出射角に相当し、入射器では入射角に相当する。出射時における光偏向デバイスの光の波長や屈折率と、入射時における光偏向デバイスの光の波長や屈折率を合わせることによって、出射時と入射時の偏向角を一致させることができ、出射光に対して正反対の方向で反射してくる光のみを入射することができる。
（出射器）
本願発明の光偏向デバイスによる出射器は、ビーム偏向器と共に波長が異なる複数のレーザ光を発するレーザ光源を備える。ビーム偏向器は、レーザ光源が発する複数波長のレーザ光を、その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。
出射器は、レーザ光源とビーム偏向器との間に波長合分波器を備える構成とすることができる。この波長合分波器は、レーザ光源の複数波長のレーザ光を波長合波し、得られた複数波長のレーザ光をビーム偏向器に導く。
（入射器）
本願発明の光偏向デバイスによる入射器は、レーザ光を個別に検出する光検出器を備える。ビーム偏向器は、外部から到達する複数波長のレーザ光の内、入射角が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であるレーザ光を選択的に同時に並列して入射する。光検出器は、ビーム偏向器の偏向光を検出する。
入射器は、ビーム偏向器と前記光検出器との間に波長合分波器を備える構成とすることができる。この波長合分波器は、入射した複数波長のレーザ光を波長分波し、得られた複数波長のレーザ光を各波長を検出する光検出器に導く。
本願発明のビーム偏向器は、通常に知られる表面回折格子、又は、多層膜構造あるいは表面回折格子を有する漏れ導波路とすることができる。
（ライダー装置）
本願発明のライダー装置は、本願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器とを備える。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ことができる。
ライダー装置においても、レーザ光源とビーム偏向器との間、及び／又は、ビーム偏向器と前記光検出器との間に波長合分波器を備える構成とすることができる。波長合分波器は、レーザ光源が発する複数波長のレーザ光の波長合波、及び／又は、入射した複数波長のレーザ光の各波長のレーザ光への波長分波を行うことができる。
また、ライダー装置が備えるビーム偏向器についても、表面回折格子、又は、多層膜構造あるいは表面回折格子を有する漏れ導波路とすることができる。
以上説明したように、本願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。
本願発明の光偏向デバイス及びライダー装置の概略構成を説明するための図である。 本願発明のライダー装置の概略構成を説明するための図である。 本願発明の光偏向デバイスの出射器の第１及び第２の形態を説明するための図である。 本願発明の光偏向デバイスの出射器の第３及び第４の形態を説明するための図である。 本願発明の光偏向デバイスの入射器の第１及び第２の形態を説明するための図である。 本願発明のライダー装置の形態を説明するための図である。 本願発明の漏れ導波路による光偏向デバイスを説明するための図である。 本願発明の漏れ導波路による光偏向デバイスを説明するための図である。 本願発明の光偏向デバイスの二次元走査を説明するための図である。 本願発明の光偏向デバイスの二次元走査を説明するための図である。 波長合分波器の例を説明するための図である。 画像１フレーム分の情報取得を説明するための図である。
以下、本願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。以下、図１，図２を用いて本願発明の光偏向デバイス及びライダー装置の概略構成例及び動作を説明し、図３〜５を用いて本願発明の光偏向デバイスの各形態について説明し、図６を用いて本願発明のライダー装置の形態を説明し、図７、８を用いて漏れ導波路による光偏向デバイスを説明し、図９，１０を用いて光偏向デバイスの二次元走査について説明し、図１１を用いて波長合分波器の例を説明する。
（光偏向デバイス、ライダー装置の概要）
図１は本願発明に係る光偏向デバイスの概略を説明するための図である。
光偏向デバイスは、偏向角が光の波長及び屈折率に対する依存性に基づいて、波長を異にする複数波長の各光を、波長及び屈折率によって個々に定まる各偏向角の方向に同時に並列して偏向させ、複数の光ビームを並列動作させる。偏向した複数の光ビームは、光の波長や偏向角の相違に基づいて、個々の光ビームを区別することができる。光偏向デバイスは、偏向角が波長依存性及び屈折率依存性を有するビーム偏向器（図示していない）を備える構成とすることができる。
図１は光偏向デバイスの偏向角の波長依存性及び屈折率依存性を説明している。図１（ａ）〜（ｃ）は偏向角を示し、図１（ｄ）〜（ｆ）は光偏向デバイスを出射器として用いた際の出射角を示し、図１（ｇ）〜（ｉ）は光偏向デバイスを入射器として用いた際の入射角を示し、図１（ｊ）〜（ｌ）は偏向角及び偏向角の変化を示している。なお、図１（ａ）〜（ｌ）に示す角度や変化の大きさは説明の便宜上から概略を示すものであって、実際の状態を示すものではない。
光偏向デバイスは、偏向角の波長依存性及び屈折率依存性により、波長及び／又は屈折率を基づいて異なる偏向角で光を偏向する。
図１（ａ）は、固定された屈折率ｎにおいて、異なる波長λ１〜λｐに対する各偏向角θ１〜θｐを示している。例えば、光偏向デバイスは、導入された光の波長がλ１であるときは、波長λ１の光を、屈折率ｎ及び波長λ１に対応する偏向角θ１で偏向し、導入された光の波長がλｐであるときは、波長λｐの光を、屈折率ｎ及び波長λｐに対応する偏向角θｐで偏向する。
図１（ｂ）は、固定された波長λにおいて、異なる屈折率ｎａ〜ｎｑに対する各偏向角θａ〜θｑを示している。例えば、光偏向デバイスは、屈折率がｎａであるときは、導入された波長λの光を、波長λ及び屈折率ｎａに対応する偏向角θａで偏向し、屈折率がｎｑであるときは、導入された波長λの光を、波長λ及び屈折率ｎｑに対応する偏向角θｑで偏向する。
図１（ｃ）は、屈折率がｎで異なる波長λ１〜λｐに対する各偏向角θ１〜θｐにおいて、屈折率ｎをΔｎだけ変化させたときの偏向角θ１〜θpの変化を示している。例えば、光偏向デバイスは、導入された光の波長がλ１であるときは、波長λ１の光を、波長λ１及び屈折率ｎ＋Δｎに対応する偏向角θ１＋Δθで偏向し、導入された光の波長がλｐであるときは、波長λｐの光を、波長λｐ及び屈折率ｎ＋Δｎに対応する偏向角θｐ＋Δθで偏向する。
図１（ｄ）〜図１（ｆ）は、光偏向デバイスに導入された光を光偏向して光偏向デバイスの外部に放射する出射器を構成する場合を示している。
図１（ｄ）は、固定された屈折率ｎにおいて、異なる波長λ１〜λｐに対する各偏向角θ１〜θｐを出射角として光ビームを放出する場合を示している。光偏向デバイスは、導入された光の波長がλ１であるときは、波長λ１の光を、屈折率ｎ及び波長λ１に対応する偏向角θ１を出射角として光ビームを放射し、導入された光の波長がλｐであるときは、波長λｐの光を、屈折率ｎ及び波長λｐに対応する偏向角θｐを出射角として光ビームを放射する。出射光の光ビームは波長及び出射角が異なるため、各出射光を区別することができる。
図１（ｅ）は、固定された波長λにおいて、異なる屈折率ｎａ〜ｎｑに対する各偏向角θａ〜θｑを出射角として光ビームを放出する場合を示している。光偏向デバイスは、屈折率がｎａであるときは、導入された波長λの光を、波長λ及び屈折率ｎａに対応する偏向角θａを出射角として光ビームを放射し、屈折率がｎｑであるときは、導入された波長λの光を、波長λ及び屈折率ｎｑに対応する偏向角θｑを出射角として光ビームを放射する。出射光の光ビームは出射角が異なるため、各出射光を区別することができる。
図１（ｆ）は、屈折率がｎで異なる波長λ１〜λｐに対する各偏向角θ１〜θｐにおいて、屈折率ｎをΔｎだけ変化させたときの偏向角θ１〜θpの変化を出射角として光ビームを放出する場合を示している。光偏向デバイスは、導入された光の波長がλ１であるときは、波長λ１の光を、波長λ１及び屈折率ｎ＋Δｎに対応する偏向角θ１＋Δθを出射角として放射し、導入された光の波長がλｐであるときは、波長λｐの光を、波長λｐ及び屈折率ｎ＋Δｎに対応する偏向角θｐ＋Δθで偏向を出射角として放射する。出射光の光ビームは出射角を、各波長で定まる出射角θに対してΔθの範囲で拡大することができる。
図１（ｇ）〜図１（ｉ）は、光偏向デバイスに到達した光を光偏向して光偏向デバイス内に入射する入射器を構成する場合を示している。
図１（ｇ）は、光偏向デバイスに到達した光ビームの内で、固定された屈折率ｎにおいて異なる波長λ１〜λｐに対する各偏向角θ１〜θｐを入射角とする光ビームを入射する場合を示している。
光偏向デバイスは、到達した光ビームの波長がλ１であるときは、その光ビームの内で、屈折率ｎ及び波長λ１に対応する偏向角θ１と一致する入射角の光ビームを入射し、到達した光ビームの波長がλｐであるときは、その光ビームの内で、屈折率ｎ及び波長λｐに対応する偏向角θｐと一致する入射角の光ビームを入射する。入射光の光ビームは波長及び入射角が異なるため、各入射光を区別することができる。
図１（ｈ）は、光偏向デバイスに到達した光ビームの内で、固定された波長λにおいて、異なる屈折率ｎａ〜ｎｑに対する各偏向角θａ〜θｑを入射角とする光ビームを入射する場合を示している。光偏向デバイスは、屈折率がｎａであるときは、到達した光ビームの波長λの光の内で波長λ及び屈折率ｎａに対応する偏向角θａを入射角として光ビームを入射し、屈折率がｎｑであるときは、到達した光ビームの波長λの光の内で波長λ及び屈折率ｎｑに対応する偏向角θｑを入射角として光ビームを入射する。入射光の光ビームは、入射角が異なるため各入射光を区別することができる。
図１（ｉ）は、屈折率がｎで異なる波長λ１〜λｐに対する各偏向角θ１〜θｐにおいて、屈折率ｎをΔｎだけ変化させたときの偏向角θ１〜θpの変化を入射角として光ビームを入射する場合を示している。光偏向デバイスは、光偏向デバイスに到達した光ビームの内で、波長λ１の光から波長λ１及び屈折率ｎ＋Δｎに対応する偏向角θ１＋Δθを入射角とする光ビームを入射し、波長λｐの光から波長λｐ及び屈折率ｎ＋Δｎに対応する偏向角θｐ＋Δθで偏向を入射角とする光ビームを入射する。入射光の光ビームは、入射角を、各波長で定まる入射角θに対してΔθの範囲で拡大することができる。
図１（ｊ）は、波長λに対する偏向角θの依存性の概略を示し、図１（ｋ）は、屈折率ｎに対する偏向角θの依存性の概略を示し、図１（ｌ）は、屈折率ｎの変化Δｎに対する偏向角θの変化Δθの概略を示している。
図２は、ライダー装置１０の概略構成を示している。
図２（ａ）は、単体の光偏向デバイス１によってライダー装置１０を構成する場合を示している。単体の光偏向デバイス１は、一つのビーム偏向器から同時に複数の光ビームを異なる出射角で出射すると共に、同一のビーム偏向器で同時に複数の光ビームを出射角と同角度の入射角で入射する。複数の光ビームは、各出射光の出射角を異ならせることによって、各出射角を区別して出射することができ、また、各入射光の入射角を異ならせることによって、各入射角を区別して入射することができる。
図２（ｂ）は、複数個の光偏向デバイス１をライン状に配列したアレイ構成を示している。ライダー装置１０を構成する各光偏向デバイス１は、それぞれ異なる偏向角で出射及び入射を並列動作することで、同時の複数の画素データを取得することができる。この構成において、各光偏向デバイス１の波長や屈折率を時間変化することによって、アレイ構造を複数配列した構成と同様の画素データを取得することができる。
図２（ｃ）は、図２（ｂ）に示すアレイ構造を複数配列してなる２次元配置の構成を示している。２次元配置のライダー装置１０Ｂは、各光偏向デバイス１の出射角及び入射角を異ならせることによって、同時に複数の光ビームを区別可能な状態で出入射することができる。
（光偏向デバイスの各形態）
以下、図３〜５を用いて本願発明の光偏向デバイスの各形態を説明する。図３，４は出射器として構成する際の光偏向デバイスの形態として４つの形態を示し、図５は入射器として構成する際の光偏向デバイスの形態として３つの形態を示している。なお、以下では、ビーム偏向器２、レーザ光源３、及び導波路４をそれぞれＡ〜Ｃの３個を用いた光偏向デバイスの例を示しているが、光偏向デバイスを構成する個数は３個に限らず任意の複数個とすることができる。
（出射器の第１の形態）
図３（ａ）は光偏向デバイスを出射器として構成する第１の形態を示している。
第１の形態の光偏向デバイス１Ａは、レーザ光源３Ａ〜３Ｃが発生するそれぞれ異なる波長λ１〜λ３のレーザ光を、導波路４Ａ〜４Ｃを介してビーム偏向器２Ａ〜２Ｃに導入し、各波長に対応する出射角で放射する出射器を構成する。
レーザ光源３Ａ〜３Ｃは、各波長を発生する複数のレーザ光源を同一の集積回路で構成する他、各波長を発生するレーザ光源を複数個用いる構成、あるいは外部のレーザ光源を用いる構成とすることができる。ビーム偏向器２Ａ〜２Ｃは、一基板上に複数のビーム偏向器を形成する他、各基板上の形成したビーム偏向器の複数個を配置する構成としてもよい。各レーザ光源が発生する波長λは固定としている。
ビーム偏向器２Ａは、レーザ光源３Ａのレーザ光を導波路４Ａを介し、レーザ光の波長λ１に対応した偏向角θ１を出射角として放射する。ビーム偏向器２Ｂ，２Ｃにおいても、ビーム偏向器２Ａと同様に各レーザ光の波長λ２，λ３に対応した偏向角θ２，θ３を出射角として放射する。各ビーム偏向器の屈折率ｎは固定としている。
（出射器の第２の形態）
図３（ｂ）は光偏向デバイスを出射器として構成する第２の形態を示している。
第２の形態の光偏向デバイス１Ｂは、第１の形態と同様に、レーザ光源３Ａ〜３Ｃが発生するそれぞれ異なる波長λ１〜λ３のレーザ光を、導波路４Ａ〜４Ｃを介してビーム偏向器２Ａ〜２Ｃに導入し、各波長に対応する出射角で放射する出射器を構成する。
第１の形態の光偏向デバイス１Ａは、各レーザ光源が発生する波長λ、及び各ビーム偏向器の屈折率ｎを固定であるのに対して、第２の形態の光偏向デバイス１Ｂは波長λ及び屈折率ｎを可変とする構成である。
レーザ光源３Ａ〜３Ｃは、各波長を発生する複数のレーザ光源を同一の集積回路で構成する他、各波長を発生するレーザ光源を複数個用いる構成、あるいは外部のレーザ光源を用いる構成とすることができる。ビーム偏向器２Ａ〜２Ｃは、一基板上に複数のビーム偏向器を形成する他、各基板上の形成したビーム偏向器の複数個を配置する構成としてもよい。
ビーム偏向器２Ａは、レーザ光源３Ａのレーザ光を導波路４Ａを介し、レーザ光の波長λ１に対応した偏向角θ１を出射角として放射する。このとき、レーザ光源３Ａが発生するレーザ光の波長λ１を可変としてλ１＋Δλとすることによって、ビーム偏向器２Ａから波長λ１＋Δλの光ビームの出射角を変更して出射する。
ビーム偏向器２Ｂ，２Ｃにおいても、ビーム偏向器２Ａと同様に波長λ２＋Δλ，λ３＋Δλの光ビームの出射角を変更して出射する。
この第２の形態によれば、波長λを変えることで複数波長の光ビームを出射する他、屈折率ｎをΔｎの幅で変化させることによって光ビームの放射角を変化させて、光ビームを走査させることができる。
（出射器の第３の形態）
図４（ａ）は光偏向デバイスを出射器として構成する第３の形態を示している。
第３の形態の光偏向デバイス１Ｃは、レーザ光源３Ａ〜３Ｃが発生するそれぞれ異なる波長λ１〜λ３のレーザ光を、一本のバス導波路６を介して１つのビーム偏向器２に導入し、波長を異にする複数の光ビームを各波長に対応する出射角で放射する出射器を構成する。第３の形態は、第１の形態と同様に、各レーザ光源が発生する波長λ、及び各ビーム偏向器の屈折率ｎを固定とする構成である。
レーザ光源３Ａ〜３Ｃは、各波長を発生する複数のレーザ光源を同一の集積回路で構成する他、各波長を発生するレーザ光源を複数個用いる構成、あるいは外部のレーザ光源を用いる構成とすることができる。ビーム偏向器２Ａ〜２Ｃは基板上に形成する。各レーザ光源が発生する波長λは固定としている。
バス導波路６には複数の波長合分波器７Ａ〜７Ｃが設けられ、一端はビーム偏向器２に接続される。各波長合分波器７Ａ〜７Ｃには、導波路８Ａ〜８Ｃを介してレーザ光源３Ａ〜３Ｃが接続され、各レーザ光源３Ａ〜３Ｃが発する波長λ１〜λ３のレーザ光源をビーム偏向器２に導入する。
ビーム偏向器２は、導波路８Ａ、波長合分波器７Ａ、及びバス導波路６を介してレーザ光源３Ａのレーザ光を導入し、レーザ光の波長λ１に対応した偏向角θ１を出射角として放射する。ビーム偏向器２Ｂ，２Ｃにおいても、導波路８Ｂ，８Ｃ、波長合分波器７Ｂ，７Ｃ、及びバス導波路６を介してレーザ光源３Ｂ，３Ｃのレーザ光を導入し、レーザ光の波長λ２，λ３に対応した偏向角θ２，θ３を出射角として放射する。
（出射器の第４の形態）
図４（ｂ）は光偏向デバイスを出射器として構成する第４の形態を示している。
第４の形態の光偏向デバイス１Ｄは、第３の形態と同様に、レーザ光源３Ａ〜３Ｃが発生するそれぞれ異なる波長λ１〜λ３のレーザ光を、バス導波路６を介して一つのビーム偏向器２に導入し、各波長に対応する出射角で放射する出射器を構成する。
第３の形態の光偏向デバイス１Ｃは、各レーザ光源が発生する波長λ、及び各ビーム偏向器の屈折率ｎを固定であるのに対して、第４の形態の光偏向デバイス１Ｄは波長λ及び屈折率ｎを可変とする構成である。
レーザ光源３Ａ〜３Ｃは、各波長を発生する複数のレーザ光源を同一の集積回路で構成する他、各波長を発生するレーザ光源を複数個用いる構成、あるいは外部のレーザ光源を用いる構成とすることができる。ビーム偏向器２は、一基板上に形成することができる。
ビーム偏向器２Ａは、導波路８Ａ及びバス導波路６を介してレーザ光源３Ａのレーザ光を導入し、レーザ光の波長λ１に対応した偏向角θ１を出射角として放射する。このとき、レーザ光源３Ａが発生するレーザ光の波長λ１を可変としてλ１＋Δλとすることによって、ビーム偏向器２から波長λ１＋Δλの光ビームの出射角を変更して出射する。
また、ビーム偏向器２は、レーザ光源３Ａの波長λ１のレーザ光の他に、レーザ光源３Ｂ，３Ｃの波長λ２，λ３のレーザ光についても、波長λ１＋Δλのレーザ光と同様に波長λ２＋Δλ，λ３＋Δλの光ビームの出射角を変更して出射する。
この第４の形態によれば、波長λを変えることで複数波長の光ビームを出射する他、屈折率ｎをΔｎの幅で変化させることによって光ビームの放射角を変化させて、光ビームを走査させることができる。
以下、光偏向デバイスを入射器として構成する第１〜３の形態について説明する。
（入射器の第１の形態）
第１の形態は、ビーム偏向器及び光検出器のみによって入射器を構成する形態である。図５（ａ）は光偏向デバイスを入射器として構成する第１の形態を示している。
入射器の第１の形態の光偏向デバイス１Ｅは、複数のビーム偏向器２Ａ〜２Ｃと、当該ビーム偏向器２Ａ〜２Ｃと導波路４Ａ〜４Ｃを介して接続される複数の光検出器５Ａ〜５Ｃを備える。
光偏向デバイス１Ｅにおいて、各ビーム偏向器２Ａ〜２Ｃは、外部から到達する複数波長のレーザ光の内、入射角が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であるレーザ光を選択的に同時に並列して入射し、入射したレーザ光を光検出器で個別に検出する。
ビーム偏向器２Ａ〜２Ｃは、一基板上に複数のビーム偏向器を形成する他、各基板上の形成したビーム偏向器の複数個を配置する構成としてもよい。光検出器５Ａ〜５Ｃは、各光検出器を複数個用いる構成、あるいは同一の集積回路による構成とすることができる。
ビーム偏向器２Ａは、到達する複数のレーザ光の内で、偏向角θ１を入射角とする光ビームを入射する。入射した光ビームは、導波路４Ａを介して光検出器５Ａで検出される。
ビーム偏向器２Ｂ，２Ｃにおいても、ビーム偏向器２Ａと同様に、到達する複数のレーザ光の内で、偏向角θ２，θ３を入射角とする光ビームを入射する。入射した光ビームは、導波路４Ｂ，４Ｃを介して光検出器５Ｂ，５Ｃで検出される。なお、各ビーム偏向器２Ａ〜２Ｃの屈折率ｎは固定としている。
図示しない出射器から放射された光ビームは、物体に当たり反射する。反射光に内、各ビーム偏向器に向かって反射した反射光は光検出器５で検出され、電気信号に変換されて検出される。
（入射器の第２の形態）
第２の形態は、ビーム偏向器及び光検出器を組み合わせた形態であり、ビーム偏向器とび光検出器は集積することができる。図５（ｂ）は光偏向デバイスを入射器として構成する第２の形態を示している。
入射器の第２の形態の光偏向デバイス１Ｆは、複数のビーム偏向器２Ａ〜２Ｃと、当該ビーム偏向器２Ａ〜２Ｃと導波路４Ａ〜４Ｃを介して接続される複数の光検出器５Ａ〜５Ｃを備える。なお、図５（ｂ）では、導波路４Ａ〜４Ｃを分岐し、一方の分岐端にレーザ光源３Ａ〜３Ｃを接続し、他方の分岐端に光検出器５Ａ〜５Ｃを接続している。
光偏向デバイス１Ｆにおいて、各ビーム偏向器２Ａ〜２Ｃは、外部から到達する複数波長のレーザ光の内、入射角が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であるレーザ光を選択的に同時に並列して入射し、入射したレーザ光を光検出器で個別に検出する。
ビーム偏向器２Ａ〜２Ｃは、一基板上に複数のビーム偏向器を形成する他、各基板上の形成したビーム偏向器の複数個を配置する構成としてもよい。また、レーザ光源３Ａ〜３Ｃは、各波長を発生する複数のレーザ光源を同一の集積回路で構成する他、各波長を発生するレーザ光源を複数個用いる構成、あるいは外部のレーザ光源を用いる構成とすることができる。
ビーム偏向器２Ａは、接続されるレーザ光源３Ａのレーザ光の波長λ１に対応した偏向角θ１を出射角として放射すると共に、到達する複数のレーザ光の内で、偏向角θ１を入射角とする光ビームを入射する。入射した光ビームは、導波路４Ａを介して光検出器５Ａで検出される。
ビーム偏向器２Ｂ，２Ｃにおいても、ビーム偏向器２Ａと同様に、各ビーム偏向器２Ｂ，２Ｃに接続されるレーザ光源３Ｂ，３Ｃのレーザ光の波長λ２，λ３に対応した偏向角θ２，θ３を出射角として放射すると共に、到達する複数のレーザ光の内で、偏向角θ２，θ３を入射角とする光ビームを入射する。入射した光ビームは、導波路４Ｂ，４Ｃを介して光検出器５Ｂ，５Ｃで検出される。なお、各ビーム偏向器２Ａ〜２Ｃの屈折率ｎは固定としている。
ビーム偏向器２Ａ〜２Ｃから放射された光ビームは、物体に当たった後、各ビーム偏向器に向かって反射する。反射光は、ビーム偏向器２Ａ〜２Ｃと物体との間の光路において出射光と同じ光路をたどって戻るため、ビーム偏向器２Ａ〜２Ｃの状態を光を放射した状態に維持することで、反射光を出射角と同じ入射角で受光する光アンテナとして動作させることができる。レーザ光源と物体との間の経路上に合分波器を配置し、光検出器５で検出することによって、反射光を電気信号に変換することができる。
（入射器の第３の形態）
第３の形態は、第２の形態と同様に、ビーム偏向器及び光検出器を組み合わせた形態であり、ビーム偏向器と光検出器は集積することができる。図５（ｃ）は光偏向デバイスを入射器として構成する第３の形態を示している。
入射器の第３の形態の光偏向デバイス１Ｇは、一つのビーム偏向器２と、当該ビーム偏向器２とバス導波路６と波長合分波器７Ａ〜７Ｃ、及び導波路８Ａ〜８Ｃを介して接続される複数の光検出器５Ａ〜５Ｃを備える。なお、図５（ｂ）では、バス導波路６上の波長合分波器７Ａ〜７Ｃは、それぞれ導波路８Ａ〜８Ｃを介してレーザ光源３Ａ〜３Ｃ及び光検出器５Ａ〜５Ｃを接続している。
光偏向デバイス１Ｇにおいて、ビーム偏向器２は、外部から到達する複数波長のレーザ光の内、入射角が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であるレーザ光を選択的に同時に並列して入射し、入射したレーザ光を光検出器で個別に検出する。
ビーム偏向器２は基板上に形成する。また、レーザ光源３Ａ〜３Ｃは、各波長を発生する複数のレーザ光源を同一の集積回路で構成する他、各波長を発生するレーザ光源を複数個用いる構成、あるいは外部のレーザ光源を用いる構成とすることができる。
ビーム偏向器２は、バス導波路６を介して接続される複数のレーザ光源３Ａ〜３Ｃのレーザ光の各波長λ１〜λ３に対応した偏向角θ１〜θ３を出射角として放射すると共に、到達する複数のレーザ光の内で、偏向角θ１〜θ３を入射角とする光ビームを入射する。入射した光ビームは、バス導波路６，波長合分波器７Ａ〜７Ｃ、導波路８Ａ〜８Ｃを介して各光検出器５Ａ〜５Ｃで検出される。
ビーム偏向器２Ｂ，２Ｃにおいても、ビーム偏向器２Ａと同様に、各ビーム偏向器２Ｂ，２Ｃに接続されるレーザ光源３Ｂ，３Ｃのレーザ光の波長λ２，λ３に対応した偏向角θ２，θ３を出射角として放射すると共に、到達する複数のレーザ光の内で、偏向角θ２，θ３を入射角とする光ビームを入射する。入射した光ビームは、導波路４Ｂ，４Ｃを介して光検出器５Ｂ，５Ｃで検出される。なお、各ビーム偏向器２Ａ〜２Ｃの屈折率ｎは固定としている。
ビーム偏向器２から放射された光ビームは、各波長に対応する出射角で放出され、物体に当たった後、各ビーム偏向器に向かって反射する。反射光は、ビーム偏向器２と物体との間の光路において、波長毎に出射光と同じ光路をたどって戻るため、ビーム偏向器２の状態を光を放射した状態に維持することで、各波長の光ビームについて、反射光を出射角と同じ入射角で受光する光アンテナとして動作させることができる。レーザ光源と物体との間の経路上に波長合分波器７を配置し、光検出器５で検出することによって、反射光を電気信号に変換することができる。
（ライダー装置の形態）
反射光を用いるライダー装置の構成は複数の形態とすることができる。図６はライダー装置の第１〜第５の各形態を説明するための図である。
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６（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１０Ａは、レーザ光源３、導波路４、及びビーム偏向器２で構成される出射器と、ビーム偏向器２、導波路４、及び光検出器５（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３の光をビーム偏向器２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器５に導いて検出する。
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。
図６（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１０Ａは、導波路４を分岐し、分岐路の一端に光検出器５（フォトダイオード）を配置する構成である。ビーム偏向器２は入射した反射光をフィルタ（図示していない）を通過させた後、分岐路を介して光検出器５に導いて検出する。
図６（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１０Ｂは、導波路４に光スイッチ９を挿入し、レーザ光源３のレーザ光が通過した後に光検出器５（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器５（フォトダイオード）に高効率で導く。
図６（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３の形態のライダー装置１０Ｃは、光検出器５として上記したｐ−ｎ接合を形成したフォトダイオードを導波路４の途中に挿入し、レーザ光源３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。
図６（ｅ）は第５の形態を示している。第４の形態のライダー装置１０Ｄは、レーザ光源と光検出器とを兼ねるパルス光源・光検出部１１を備える。パルス光源・光検出部１１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１１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。
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。
上記した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、光検出器（フォトダイオード）に入射することはない。
図６に示す各形態例において、導波路４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。
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のビーム偏向器２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光導波路に結合することができないが、別の方向からビーム偏向器２に到来したノイズ成分の中には、光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、このように光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。
（漏れ導波路による光偏向デバイス）
次に、ビーム偏向器の構成例について説明する。ビーム偏向器は漏れ導波路により構成することができる。漏れ導波路は、導波路に刻んだ回折格子、導波路の上下に形成された多層膜によって。導波路を伝搬する光を上方向や斜め方向に放射させる。放射される光は均一放射となるため鋭い光ビームを得ることができる。放射角度は、光の波長λや導波路の屈折率ｎに依存するため、この波長λ及び／又は屈折率ｎを変えることによって光を偏向させることができる。
漏れ導波路型のビーム偏向器において、導波路としてスローライトの構造を用いることによって偏向角を拡大することができる。
図７は漏れ導波路型のビーム偏向器においてスローライト構造の構成例を示している。図７（ａ）において、ビーム偏向器２の導波部１２は、第１の屈折率媒質の上部クラッド１２ｂと下部クラッド１２ｃ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１２ａを備える。スローライト導波路１２ａ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で周期配置してなる第１の周期構造を形成される。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１２ａ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。
ビーム偏向器２の出射部１３は、上部クラッド１２ｂに隣接した位置に表面回折格子１３ａを備える。表面回折格子１３ａは周期Λの凹凸形状を備える。周期Λの凹凸形状は、表面回折格子１３ａを構成する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の第２の周期構造を構成する。
第１の周期構造によるスローライト導波路１２ａ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（第２の周期構造）を備えた出射部１３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。
光の波長λや、第１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１２の伝搬定数βが変わり、出射部１３の第２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。
表面回折格子の光は必ずしも上斜め方向だけでなく、下斜め方向にも放射される。光偏向デバイスの構造は上下非対称であるため、全く同じ強度の光が放射されるわけではないが、下斜め方向の放射も発生する。図７（ｂ）は、上斜め方向の放射を上方向回折光とし、下斜め方向の放射を下方向回折光として示している。
ビーム偏向器２は、下部クラッド１２ｃの下方に反射部を備える構成としてもよい。図７（ｃ），（ｄ）は反射部を備える構成例を示している。
図７（ｃ）に示す構成例は、構造の基板としてＳｉなどの高屈折率媒質がある場合を示している。ここでは下方向の放射光が下部クラッド１２ｃと高屈折率基板１４との間の境界面で反射され、上斜め方向に戻される。下部クラッド１２ｃの厚さを最適化し、反射した光とあらかじめ上斜め方向に放射される光が強め合う干渉を起こすようにすれば、全体として上斜め方向への放射を強めることができる。図７（ｄ）に示す構成例は、基板１５と下部クラッド１２ｃの間に金属反射鏡や多層膜反射鏡等の反射鏡１６を挿入し、上斜め方向への放射をさらに高めた構成である。
（フォトニック結晶によるスローライト構造）
次に、フォトニック結晶によるスローライト構造について、スローライト導波路及び回折格子の構成例について図８を用いて説明する。なお、ここでは、第１の屈折率媒質を高屈折率媒質とし、第２の屈折率媒質を低屈折率媒質とする例を示している。
スローライトを発生させる第１の周期構造の例として、フォトニック結晶導波路が考えられる。図８（ａ）〜図８（ｄ）はフォトニック結晶導波路による第１の周期構造例を示し、図８（ａ），（ｂ）は１次元のフォトニック結晶導波路を示し、図８（ｃ）は２次元のフォトニック結晶導波路を示している。
図８（ａ）の１次元フォトニック結晶導波路１２Ａは、半導体などの高屈折率媒質からなる矩形チャネル導波路（Ｓｉ細線など）に円孔を周期的に配列する構成例であり、図８（ｂ）の１次元フォトニック結晶導波路１２Ｂは、高屈折率媒質の矩形チャネル導波路を周期的に分離する構成例である。
この構成では、ａ＝λ/２ｎを満たすブラッグ波長付近でフォトニックバンドギャップ（ストップバンド）を生じ、その付近の規格化周波数a/λにおいてdβ/dλ∝ｎｇが徐々に大きくなり、スローライトが生じる。
円孔配列タイプの場合では、例えば、λ≒1550nmに対してＳｉの厚さは200nm程度，幅は400nm程度，円孔直径は200nm程度，周期ａ＝400 nm程度とすることができる。
図８（ｃ）の２次元フォトニック結晶導波路１２Ｃ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１２Ｃの構造においても、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ｎｇが大きくなってスローライトが生じる。
１次元フォトニック結晶導波路及び２次元フォトニック結晶導波路のいずれの構造においても、ブラッグ波長ではｎｇ＞ 100の大きなスローライト効果が生じるが、ブラッグ波長から離れると徐々にｎｇは小さくなる。なお、１次元フォトニック結晶導波路に比べると、２次元フォトニック結晶導波路の方がより広い波長範囲で大きなｎｇを維持することができる。
図８（ｄ）はシリカクラッドに挟まれた２次元フォトニック結晶導波路を示す斜視図である。この構成例は、シリカクラッドを形成した２次元のフォトニック結晶導波路の表面に、第２の周期構造となる表面回折格子を形成している。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ることができ、適切な速度の光放射を得ることができる。
（光偏向デバイスの２次元掃引の構成）
以下、出射の光ビームを２次元的に掃引する構成について、図９，１０を用いて説明する。
図９はスローライト導波路のアレイ構成とシリンドリカルレンズとの組み合わせによって、２次元的なビーム掃引を行う構成例を示している。
図９（ａ）において、スローライト導波路と回折格子とを並行に多数本配置してアレイ集積２３を構成し、アレイ集積２３の出射側の出射方向にはシリンドリカルレンズ２４が配置される。各スローライト導波路には光増幅器や位相調整器２２が接続される。この位相調整器２２には切り替え部２１が接続され、切り替え部２１によって導波路２０からの光を切り替えて入射するスローライト導波路を選択し、位相調整器２２で位相調整した後に選択したスローライト導波路に入射する。切り替え部２１は光路切り替え光スイッチ、又は波長分波器を用いることができる。
切り替え部２１によってスローライト導波路の内の１本を選択することによって、導波路２０からの入射光は何れかのスローライト導波路から出射される。このとき、図９（ｂ）に示す様に、シリンドリカルレンズ２４ａに対する出射ビームの相対位置が変わるため、シリンドリカルレンズ２４ａから出る出射ビームの断面内の角度が変化する。
導波路が細いときには放射される光の広がりが特に大きくなる。そのときには、図９（ｃ）に示す様に、それぞれの回折格子の上にまず小さなシリンドリカルレンズアレイ２４ｂを配置して、放射される光の広がりを抑制し、その後に大きなシリンドリカルレンズ２４ａに光を入射させる構成によって図９（ｂ）と同じ機能を実現することができる。
この構成において、入射光の波長を広範囲にわたって連続的に掃引すると共に、波長分波器によって導波路を順次切り替えることによって、あるいは、時系列で波長が変化する光を光路切り替えスイッチによって導波路を順次切り替えることによって、各スローライト導波路において出射ビームの出射角度θを波長に応じて変えられるように設計する。この構成によって、２次元的な光ビームの角度の掃引を実現することができる。
入射光の波長の掃引に代えて、ヒーターやｐ−ｎ接合による光スイッチによって導波路を切り替えると共に、ヒーターやｐ−ｎ接合によってスローライト導波路からの出射ビームの出射角度θを変えても同様の効果を得ることができる。
スローライト導波路の切り替えを波長分波器で行い、出射ビームの偏向をヒーターやｐ−ｎ接合で行う構成のほか、スローライト導波路の切り替えをヒーターやｐ−ｎ接合で行い、出射ビームの偏向を波長分波器で行う構成としてもよい。
図９（ａ）は導波路アレイの中の一つの導波路を選択する構成である。これに対して、図１０に示す構成例は、アレイ状に配置したスローライト導波路に長さが異なるヒーターやｐ−ｎ接合を設けたアレイ集積２６に位相調整器２２を接続し、導波路２０からの入射光をパワー分配器２５を介して各導波路に向けて分配し、各分配光をそれぞれ位相調整した後、スローライト導波路に入射する。
アレイ集積２６は、全てのスローライト導波路に光が入射され、徐々に異なる位相変化が与えられる位相アレイを構成している。この構成によって、鋭いビーム放射と位相変化による偏向角の変化とが実現される。この位相アレイ構成は、位相が異なる複数の光が同時に出射されることで出射ビームが形成されるため、シリンドリカルレンズは不要である。
図１０（ａ）における入射光のパワー分配は、中央の導波路が強く、周囲の導波路になるごとに徐々に弱くなり、そのパワー分布の包絡線がガウシアン分布によるようにすると、放射された後に形成される出射ビームの品質が特に向上する。このような分配の構成例として、アレイ導波路回折格子に用いられるような構成、すなわち入射導波路の光をいったん、幅広いスラブ導波路に接続させて、その内部を光がガウシアン分布になるように自由伝搬させ、スラブ導波路の末端に所望の数のアレイ導波路を接続する構成としてもよい。
図１０（ｂ）はアレイ集積２６の断面構造例を示している。アレイ集積２６は、アレイ状に配置したスローライト導波路上の長さが異なるヒーターやｐ−ｎ接合をアレイ状に設けて位相アレイを構成している。
図１１を用いて波長合分波器の構成例を説明する。
図１１は、三角型結合マイクロリング共振器を用いた波長合分波器７の例を示している。波長合分波器７は、１０μｍ角程度の狭い面積に配置した相互に結合する複数のリング導波路は、箱型のドロップスペクトルを形成する。この周波数特性のドロップ形状の周波数域を通過域とすることによって、特定の波長域の光をバス導波路に合分波する波長合分波器を構成する。また、適度に広いドロップスペクトルに設計することで、微小な波長変化Δλを与えて安定した合分波特性を確保することができる。
また、導波路８上に光変調器（図示していない）を設ける構成とすることができ、周波数光変調器を利用するFrequency Modulation Continuous Wave(FMCW)方式のおライダー装置の信号生成部として利用することができる。
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。
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，ロボットなどに搭載することができ、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、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に適用することができる。
１，１Ａ〜１Ｆ 光偏向デバイス
２，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ ビーム偏向器
３，３Ａ〜３Ｃ レーザ光源
４，４Ａ〜４Ｃ 導波路
５，５Ａ〜５Ｃ 光検出器
６ バス導波路
７，７Ａ，７Ｂ 波長合分波器
８，８Ａ，８Ｂ，８Ｃ 導波路
９ 光スイッチ
１０，１０Ａ〜１０Ｄ ライダー装置
１１ パルス光源・光検出部
１２ 導波部
１２Ａ〜１２Ｃ 次元フォトニック結晶導波路
１２ａ スローライト導波路
１２ｂ 上部クラッド
１２ｃ 下部クラッド
１３ 出射部
１３ａ 表面回折格子
１４ 高屈折率基板
１５ 基板
１６ 反射鏡
２０ 導波路
２１ 切り替え部
２２ 位相調整器
２３ アレイ集積
２４ シリンドリカルレンズ
２４ａ シリンドリカルレンズ
２４ｂ シリンドリカルレンズアレイ
２５ パワー分配器
２６ アレイ集積
１００ 二次元画像
１００ａ〜１００ｄ ブロック
１０１ 画素

Claims (9)

  1. 偏向角が波長依存性及び屈折率依存性を有するシリコンフォトニクススローライト構造体からなるビーム偏向器と、
    波長が異なる複数のレーザ光を発するレーザ光源を備え、
    前記ビーム偏向器は、
    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、偏向させることを特徴とする、光偏向デバイス。
  2. 前記レーザ光源と前記ビーム偏向器との間に波長合分波器を備え、
    前記波長合分波器は、
    前記レーザ光源の複数波長のレーザ光を波長合波することを特徴とする、請求項１に記載の光偏向デバイス。
  3. 前記ビーム偏向器は、表面回折格子、又は、多層膜構造あるいは表面回折格子を有する漏れ導波路であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の光偏向デバイス。
  4. 前記ビーム偏向器は、
    複数波長の各波長の光を１つの素子で偏向する単体、
    又は、
    複数波長の各波長の光を個々に偏向する複数個の素子をアレイ状に配列した複合体であることを特徴とする、請求項１から３の何れか一項に記載の光偏向デバイス。
  5. 前記ビーム偏向器の屈折率は可変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。
  6. 請求項１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器とを備え、
    前記光偏向デバイスは、
    前記ビーム偏向器、
    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、
    前記光検出器は、
    前記入射器において、前記ビーム偏向器から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。
  7. 前記レーザ光源と前記ビーム偏向器との間、及び／又は、前記ビーム偏向器と前記光検出器との間に波長合分波器を備え、
    前記波長合分波器は、
    前記レーザ光源が発する複数波長のレーザ光の波長合波、
    及び／又は、
    前記入射した複数波長のレーザ光の各波長のレーザ光への波長分波を行うことを特徴とする、請求項６記載のライダー装置。
  8. 前記ビーム偏向器は、表面回折格子、又は、多層膜構造あるいは回折格子を有する漏れ導波路であることを特徴とする、請求項６又は７に記載のライダー装置。
  9. 前記ビーム偏向器は、
    複数波長の各波長の光を１つの素子で偏向する単体、
    又は、
    複数波長の各波長の光を個々に偏向する複数個の素子をアレイ状に配列した複合体であることを特徴とする、請求項６から８の何れか一項に記載のライダー装置。
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