JP7088114B2

JP7088114B2 - 光走査装置

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Publication number: JP7088114B2
Application number: JP2019064835A
Authority: JP
Inventors: 大介井上; 正市川; 哲也下垣; 達弥山下; 弘幸松原
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2019-03-28
Filing date: 2019-03-28
Publication date: 2022-06-21
Anticipated expiration: 2039-03-28
Also published as: JP2020166061A

Description

本発明は、光走査装置に関する。

非特許文献１には、光集積回路チップ上に作られる、大規模ナノフォトニックアレイを用いたアンテナ（光フェーズドアレイアンテナ）が開示されている。このようなアンテナは、測定対象物（以下、「対象物」と略記）との距離を測定するレーザレーダ装置に適用される。

Large-scale nanophotonic phased array（NatureVol493, P:195-199 2013)

しかしながら、光フェーズドアレイアンテナは、受光のための開口が数十μｍ角と小さく、レーダに使用した場合、感度が小さいという欠点がある。

また、光を放射するエレメントの間隔が半波長より大きい場合は、グレーティングローブと呼ばれるサイドローブが発生する。半導体レーザを用いた測距センサとしては、赤外から可視域がおおむね０．８～１．７μｍのレーザ波長が用いられる。グレーティングローブが発生しないためには、エレメント間隔が１μｍ以下である必要がある。屈折率３程度の材料で導波路を構成すると導波モードが結合して伝播するため、ビートが発生しモードが乱れていく。

本発明は、上記事情を鑑みて成されたものであり、対象物との距離を測定するための光を広範囲に走査することができる光走査装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本開示に係る光走査装置は、光集積回路のチップ上に配置され、発光点の各々から出力光を出力する光形成部と、前記光形成部の上部に配置されたレンズと、前記光形成部に対し傾斜または曲面を持つ形状のミラーであって、前記レンズを介して受光する前記出力光を反射させて周囲に出射するミラーと、を含んで構成されている。

また、本開示に係る光走査装置において、前記周囲に出射された前記出力光の反射光であって、前記ミラーで反射され、前記レンズを介して入射された反射光を受光する受光部と、前記光形成部による出力および前記受光部による受光に基づいて、前記出力光の反射位置までの距離を計測する距離計測部とを更に含むようにしてもよい。

また、本開示に係る光走査装置において、前記ミラーの曲面を持つ形状は、円錐形状とするようにしてもよい。

また、本開示に係る光走査装置において、前記光形成部は、光フェーズドアレイであるようにしてもよい。

また、本開示に係る光走査装置において、前記レンズと前記チップの表面との距離が、前記レンズの焦点距離より短くなるように、前記レンズが配置されるようにしてもよい。

また、本開示に係る光走査装置において、前記レンズの配置との関係において、前記光形成部である光フェーズドアレイの回折格子を、前記レンズを介して前記光フェーズドアレイのグレーティング面に入射される光の位相に応じて定められる間隔となるように、前記光フェーズドアレイの回折格子を形成するようにしてもよい。

また、本開示に係る光走査装置において、前記レンズとして、凹形状のレンズと、凸形状のレンズとの二つのレンズを用いて、前記出力光の位置を変化させて前記ミラーに出射するようにしてもよい。

また、本開示に係る光走査装置において、前記光形成部は、二次元状に配列された複数の光スイッチアレイ、または二次元状に配列された複数の回折格子とするようにしてもよい。

また、本開示に係る光走査装置において、前記レンズとして、複数のマイクロレンズの各々を用いて、前記出力光の角度を広角に変化させて周囲に出射するようにしてもよい。

本発明の光走査装置によれば、対象物との距離を測定するための光を広範囲に走査することができる。

光点と発光点からの出力光を受光する円錐形状のミラーの一例を示す図である。ミラーの円錐形状の軸方向に真上から発光点を見たときの発光点とミラーの反射面との位置関係を示す図である。発光点を形成する光集積回路の一例を示す図である。光スイッチを非対称マハツエンダとする場合の図である。光スイッチをリング共振器とする場合の図である。本発明の実施形態の光走査装置の構成を示す図である。光フェーズドアレイから照射する光と、レンズとの関係を示す図である。光フェーズドアレイの構成の一例を示す平面図である。光フェーズドアレイを複数構成した光アンテナの一例を示す図である。光フェーズドアレイを分離し、光スイッチで接続した場合の一例を示す図である。スイッチ式光アンテナと、マイクロレンズとを用いた場合の一例を示す図である。スイッチ式光アンテナの回折格子から照射する光と、マイクロレンズとの関係を示す図である。スイッチ式光アンテナの一例を示す図である。光フェーズドアレイに凹レンズと凸レンズとを組み合わせた場合の一例を示す図である。光フェーズドアレイにトーリックレンズを組み合わせた場合の一例を示す図である。光フェーズドアレイを含んだレーザレーダ装置の構成の一例を示す図である。レンズの焦点がグレーティング面にあるときの光軸の一例を示す図である。レンズの焦点距離よりもグレーティング面との距離が短い場合の光軸の一例を示す図である。グレーティングの設計の一例を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。

＜本発明の実施の形態に係る原理＞

本発明の実施の形態の詳細について説明する前に、まず、本発明の実施の形態において前提となるアンテナに関する原理を説明する。

図１は、発光点と発光点からの出力光を受光する円錐形状のミラーの一例を示す図である。図１に示すように、円錐形状のミラーは、発光点がスイッチングすることで光の向きが変わるように形成される。（１）の発光点が光ればミラーを介し、（１）の方向に光が進む。（２）～（５）についても同様である。図２は、ミラーの円錐形状の軸方向に真上から発光点を見たときの発光点とミラーの反射面との位置関係を示す図である。

図３は、発光点を形成する光集積回路の一例を示す図である。図３に示すように、発光点は、例えば、回折格子（以下、グレーティングとも表記する）によって形成される。回折格子は、スポットサイズ変換器からレーザが入射され、光スイッチでＯＮ／ＯＦＦを切り替えることで出力光を出力する。よって、基本的なアンテナの構成では、光スイッチにより、光を導波させる回折格子を切り替え、当該回折格子から出射された光を円錐形状のミラーで反射させることにより、光の方向を変えて光を走査する。図４は、光スイッチを非対称マハツエンダとする場合の図である。図５は、光スイッチをリング共振器とする場合の図である。

もっとも、基本的なアンテナの構成では、次のような課題がある。

一つは、受光量の制限である。光集積回路チップ上に作られる光フェーズドアレイアンテナ（以下、光フェーズドアレイとも表記する）は、受光開口が小さいため（数十μｍ角程度）、レーザレーダに使用した場合、感度が小さいという欠点がある。そのため、十分な感度を保てない。

もう一つは、走査角の制限である。光を放射するエレメントの間隔が半波長より大きい場合は、グレーティングローブと呼ばれるサイドローブが発生する。グレーティングローブとは、主放射方向以外の方向に放射される副次的な放射成分を指し、このグレーティングローブの影響が大きいと、例えば光フェーズドアレイを用いたレーザレーダの送信光の指向性を劣化させる要因となる。半導体レーザを用いた測距センサとしては、赤外から可視域での２μｍ以下の波長のレーザ光が用いられる。グレーティングローブを発生させないためには、エレメント間隔が1μｍ以下である必要がある。屈折率３程度の材料で導波路を構成すると、導波モードが結合することなしには伝搬ができない。したがって、導波路を近づけるとモードが結合し、遠ざけるとグレーティングローブが生じるという問題が発生する。

これらの課題に対処するため、本発明の実施形態の光走査装置では、基本的なアンテナの構成に加えて、レンズを導入する。

図６は、本発明の実施形態の光走査装置の構成を示す図である。図６に示すように、光走査装置１００は、光フェーズドアレイ１０と、レンズ１２と、ミラー１４とを備える。光集積回路のチップ上に配置された光フェーズドアレイ１０の上部にレンズ１２を配置し、光フェーズドアレイ１０と、ミラー１４との間に、レンズ１２を仲介するように構成する。本実施形態では、ミラーは傾斜及び曲面を持つ形状であり、例えば、円錐形状とする。なお、ミラーの形状は、曲面を持たないが傾斜を持つ形状でもよく、例えば、三角錐形状などでもよい。

図７は、光フェーズドアレイ１０から照射する光と、レンズ１２との関係を示す図である。光フェーズドアレイ１０は連続的に角度を変化させる。レンズ１２は光の角度変化を位置の変化に変換する。つまりレンズ１２はミラー１４での反射位置を調整する。レンズ１２を介して、円錐形状のミラーでの反射位置を調整できるようにすることで、ミラー１４で反射された光が周囲に出射される範囲を、３６０°にする。このように本発明の実施形態に係る手法は、走査角を拡大する効果があるが、それだけでなく、走査角を拡大しながら、同時に、レンズによって受光開口を増加させて感度を向上させる効果も生み出すことができる。

ここで、光フェーズドアレイ１０の基本的な構成について説明する。

図８は、光フェーズドアレイの構成の一例を示す平面図である。本実施の形態に係る光フェーズドアレイ１０は、回折格子アレイ５２、位相変調アレイ５４、および入力用の入力導波路５８を含んで構成されている。

入力導波路５８から入力された入力光Ｐｉｎは、入力導波路５８により複数（図８では、８本の場合を例示している）に分岐され、分岐された各々の光は位相変調アレイ５４で位相変調を施される。位相変調アレイ５４において位相変調された入力光Ｐｉｎは、８本の出力用の導波路の各々を介して、回折格子アレイ５２に入力される。

位相変調アレイ５４は、８本の導波路および電極部６０を備えている。電極部６０は、ヒータ電極６２－１および６２－２（電極対）、ヒータ電極６２－１および６２－２の各々に接続された引出配線、引出配線との間に配線で接続された個別電極である加熱素子を備えている。本実施の形態に係る個別電極は、図８に示すように直列に接続されている。図８に示すように個別電極は導波路の配列順序に応じて順次長くなる。

本実施の形態に係る位相変調アレイ５４は、物質の温度を上げると屈折率が変化する熱光学効果を用いた位相変調器である。すなわち、導波路の各々の上部にはヒータとして機能する個別電極の各々が配置されている。ヒータ電極６２－１と６２－２との間に電源を接続し、個別電極の各々に電流を流すことによって発熱させ、導波路の各々を加熱させる。そして、個別電極の各々から付与された熱により導波路の各々の屈折率を変化させ、導波路の各々を透過する入力光Ｐｉｎの位相を変化させている。

回折格子アレイ５２は、導波路の各々に対応して設けられた回折格子を備え、位相変調アレイ５４で位相を変えられた８つの入力光Ｐｉｎを外部に向け出力光（放射光）Ｐｏｕｔとして放射する。

以上の構成の光フェーズドアレイ１０によれば、複数の出力を有する位相変調アレイ５４において、複数の出力の各位置に比例した位相変化量が容易に得られる。よって、電極部６０に流す電流によって位相変化量の値を変え、容易に出力光Ｐｏｕｔの伝播方向を変えることが可能となっている。

図９は、光フェーズドアレイを複数構成した光アンテナの一例を示す図である。図９に示すように、光アンテナ１１０は、４つの光フェーズドアレイ１０－１～１０－４を配置した構成となる。光アンテナ１１０では、電極Ｙに対するｙ方向の電流によるＹ方向の掃引に、電極Ｘに対するｘ方向の電流によるＸ方向の掃引を組み合わせて、出力光Ｐｏｕｔ１、Ｐｏｕｔ２、Ｐｏｕｔ３、Ｐｏｕｔ４の波面を２次元的にスキャン（走査）することが可能となっている。

図１０は、光フェーズドアレイを分離し、光スイッチで接続した場合の一例を示す図である。図１０に示すように、光フェーズドアレイ１０－１～１０－４を分離して配置し、光スイッチで接続するように構成することができる。

以上が光フェーズドアレイの構成例の説明である。

次に、光走査装置のいくつかの変形例を説明する。

＜変形例１＞
変形例１は、光フェーズドアレイでなく、スイッチ式光アンテナを用いる場合の変形例である。

図１１は、スイッチ式光アンテナと、マイクロレンズとを用いた場合の一例を示す図である。図１２は、スイッチ式光アンテナの回折格子から照射する光と、マイクロレンズとの関係を示す図である。

図１１に示すように、光走査装置２００は、二次元状に配置された光スイッチアレイであるスイッチ式光アンテナ２１０と、ミラー２１４との間に、マイクロレンズ２１２を仲介するように構成する。図１２に示すように、個々のマイクロレンズ２１２－１は、回折格子２２０から照射される光を平行化し、光の隙間を埋めるように用いられる。

スイッチ式光アンテナ２１０の構成について簡単に説明する。図１３は、スイッチ式光アンテナの一例を示す図である。

図１３に示すように、スイッチ式光アンテナは、簡単には、リング導波路２３０と、ヒータ制御部２３２と、リングスイッチ２３４と、ヒータ２３６と、回折格子２２０とを含んで構成される。リングスイッチ２３４の内側に回折格子２２０を配置する。また、縦方向に配置されたヒータ制御部２３２及びヒータ２３６により、オンにする行を切り替え、横方向に配置されたヒータ制御部２３２及びヒータ２３６により、オンにする列を切り替える。

このように、ヒータ制御部２３２の制御により、光マルチプレクサ（図示省略）を介して入射された光が、いずれかのリング導波路２３０及びリングスイッチ２３４（複数であってもよい）を伝播し、伝播光が、当該リングスイッチ２３４内の回折格子から出射される。

以上が、スイッチ式光アンテナ２１０の構成例の説明である。

変形例１では、スイッチ式光アンテナ２１０にマイクロレンズ２１２を適用することで、走査間隔の短い、より高品質な３６０°の光走査を実現できる。また、光スイッチアレイの替わりに、単に、二次元状に配置された複数の回折格子を用いるようにしてもよい。

＜変形例２＞
変形例２は、凹レンズと凸レンズとを組み合わせて用いる場合の変形例である。

図１４は、光フェーズドアレイに凹レンズと凸レンズとを組み合わせた場合の一例を示す図である。

図１４に示すように、光走査装置３００において、光フェーズドアレイ３１０から出射された光は凹レンズ３１１及び凸レンズ３１２を通って、ミラー３１４に照射される。

変形例２では、凹レンズ３１１を組み込むことにより、レンズ最後端から焦点までのバックフォーカスを短くすることができ、装置を小型化することができる。

＜変形例３＞
変形例３は、トーリックレンズを用いる場合の変形例である。

図１５は、光フェーズドアレイにトーリックレンズを組み合わせた場合の一例を示す図である。

図１５に示すように、光走査装置４００において、ミラー４１４を囲うように円周状のトーリックレンズ４１２を配置する。このように構成することで、変形例２の凸レンズの役割をトーリックレンズ４１２が担い、凹レンズの役割をミラー４１４が担う。

変形例３では、レンズの配置を光フェーズドアレイとミラーとの間ではなく、ミラーの周囲に配置するように構成することで、装置を小型化することができる。

＜変形例４＞
変形例４は、レーザレーダを構成する場合の変形例である。

図１６は、光フェーズドアレイを含んだレーザレーダ装置の構成の一例を示す図である。図１６に示したレーザレーダ装置５００は、主には、光フェーズドアレイ５１０と、プロセッサ５５０とで構成され、プロセッサ５５０は、波形発生部５１４でレーザ光源５１２が出力するレーザ光の波形に係る信号を生成する。波形発生部５１４は、発振周波数が自動的に一定の割合で連続的に変化する一種の掃引発振器であり、周波数が連続的に変化するレーザ光の波形に係る信号をデジタル信号として出力する。

波形発生部５１４が出力したデジタル信号は、ＤＡコンバータ５１６でアナログ信号である電圧の変化に変換され、レーザ光源５１２は、ＤＡコンバータ５１６から入力された信号の電圧変化に応じて周波数及び波形が変化するレーザ光を光フェーズドアレイ５１０の送信側に出力する。光フェーズドアレイ５１０の送信側に出力されたレーザ光は、導波路５３２を介して回折格子５４０から外界に送信光として投光される。ヒータ５３８は、レーザ光源が出力したレーザ光が伝播する導波路５３２を加熱することにより、回折格子５４０から送信光として外界に投光される送信光の位相を変化させる。

送信光の投光先は、上述した実施形態および変形例と同様に、レンズおよびミラーによる構成であり、ミラーまたはレンズにより対象物に照射される。

送信光が対象物で反射されると、受信光として光フェーズドアレイ５１０の受信側に入射してくる。受信光がＴＥ波（Transverse Electric Wave）である直交偏波の場合を例に説明する。ＴＥの受信光は、導波路５３２に受信光が伝播し、フォトダイオード５１８によって、受信光の強弱の変化が電流の変化の信号に変換される。

フォトダイオード５１８が出力した電流は、トランスインピーダンス増幅回路（ＴＩＡ）５２０によって電圧変化に変換され、ＡＤコンバータ５２２により、各々がデジタル信号に変換される。

ＦＭＣＷによる距離検出の原理によれば、横軸で表した時間に対して例えば三角波状に周波数変調された送信信号を送信する。送信信号が距離ｄだけ離れた対象物で反射されると、受信信号となってレーザレーダ装置５００に戻り、受信される。

送信信号と受信信号とを時間軸に沿って表すと、受信信号は送信信号より遅延時間τだけ遅れる。この遅延時間τが対象物の反射位置までの距離ｄの情報を含んでいる。しかしながら、遅延時間τを高精度で直接検出するのは困難なので、本実施の形態では、周波数解析部５２４で、送信信号と受信信号との周波数差δｆを検出し、距離計測部５２６で、周波数差δｆに基づいて遅延時間τを算出し、さらに距離ｄを算出する。

変形例４によれば、光フェーズドアレイを用いたレーザレーダ装置５００は、送信光と受信光との周波数差に基づいて、対象物までの距離を計測でき、車両の自動運転制御において、適切な加速及び減速の制御に資することができる。

＜変形例５＞
変形例５は、グレーティングを改良する変形例である。

図１７は、レンズの焦点がグレーティング面にあるときの光軸の一例を示す図である。図１８は、レンズの焦点距離よりもグレーティング面との距離が短い場合の光軸の一例を示す図である。図１９は、グレーティングの設計の一例を示す図である。

図１７に示すように、レンズの焦点がグレーティング面にあるとき、光軸が複雑な向きとなる場合がある。そこで、本実施の形態では、図１８に示すように、光走査装置６００においては、レンズ６１２と、光フェーズドアレイ６１０の回折格子６２０の表面との距離が、レンズ６１２の焦点距離ｄより短くなるように、レンズ６１２が配置されるように構成する。また、光の光軸に合わせて光フェーズドアレイを配置する。これにより、光軸をシンプルに設計でき、かつ、装置を小型化することができる。

図１９に示すように、光フェーズドアレイ６１０の回折格子の溝６３０の間隔を設計する。具体的には、光フェーズドアレイ６１０の回折格子６２０は、レンズ６１２を介してグレーティング面に入射される光の位相に応じて定められる、回折格子の溝６３０の間隔となるように形成される。

詳細には、以下の回折格子の溝６３０の間隔φ_Gとなるように回折格子６２０を形成する。

・・・（１）

ここでφ_ＩＮは、入射空間光のグレーティング面上における位相であり、以下（２）式で表される。

・・・（２）

ｋ_０は真空中の波数であり、ｆはレンズの焦点距離であり、θ_ＩＮは、焦点に対するグレーティング面の角度である。

φ_Ｗは、グレーティング面上の点（ｘ_０，ｙ_０）に集光する導光波の位相であり、以下（３）式で表される。

・・・（３）

Ｎ_０は、ＴＥ_０モードの実効屈折率である。

変形例５によれば、計測の精度を向上させると共に装置を小型化することができる。

以上説明したように、本発明の実施の形態に係る光走査装置によれば、精度よく、かつ、広範囲に対象物を走査することができる。

なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能である。

１０光フェーズドアレイ
１２レンズ
１４ミラー
５２回折格子アレイ
５４位相変調アレイ
５８入力導波路
６０電極部
６２ヒータ電極
１００光走査装置
１１０光アンテナ
２００光走査装置
２１０スイッチ式光アンテナ
２１２マイクロレンズ
２１４ミラー
２２０回折格子
２３０リング導波路
２３２ヒータ制御部
２３４リングスイッチ
２３６ヒータ
３００光走査装置
３１０光フェーズドアレイ
３１１凹レンズ
３１２凸レンズ
３１４ミラー
４００光走査装置
４１２トーリックレンズ
４１４ミラー
５００レーザレーダ装置
５１０光フェーズドアレイ
５１２レーザ光源
５１４波形発生部
５１６コンバータ
５１８フォトダイオード
５２２コンバータ
５２４周波数解析部
５２６距離計測部
５３２導波路
５３８ヒータ
５４０回折格子
５５０プロセッサ
６００光走査装置
６１０光フェーズドアレイ
６１２レンズ
６２０回折格子
６３０溝

Claims

連続的に周波数が変化する信号を出力する波形発生部と、
光集積回路のチップ上に配置され、複数の発光点の各々から、前記信号の電圧変化に応じて周波数及び波形が変化する送信光であって、外界への送信光である出力光を出力する光形成部と、
前記光形成部の上部に配置されたレンズと、
前記光形成部に対し傾斜または曲面を持つ形状のミラーであって、前記レンズを介して受光する前記出力光を反射させて周囲に出射することにより前記出力光を走査させるミラーと、
前記ミラーで反射された前記出力光が対象物で反射された受信光を、前記光形成部の受信側で受信し、
送信信号と受信信号との周波数差を検出する周波数解析部と、
前記周波数差に基づいて、前記出力光の反射位置までの距離を計測する距離計測部と、を含み、
前記レンズの配置との関係において、前記レンズと、前記光形成部である光フェーズドアレイの回折格子の表面との距離が、前記レンズの焦点距離より短くなるように構成し、前記光形成部である光フェーズドアレイの回折格子の溝の間隔は、以下（１）式の間隔とし、

・・・（１）
φ _ＩＮは入射空間光のグレーティング面上における位相、φ _Ｗはグレーティング面上の点に集光する導光波の位相であり、位相φ _ＩＮは、以下（２）式で表され、

・・・（２）
ｋ _０は真空中の波数であり、ｆはレンズの焦点距離であり、θ _ＩＮは、焦点に対するグレーティング面の角度であり、位相φ _Ｗは、以下（３）式で表され、

・・・（３）
Ｎ _０は、ＴＥ _０モードの実効屈折率であるように、
前記光フェーズドアレイの回折格子を形成する光走査装置。
前記ミラーの曲面を持つ形状は、円錐形状とする請求項１に記載の光走査装置。
前記光形成部は、光フェーズドアレイである請求項１または請求項２に記載の光走査装置。
前記レンズと前記チップの表面との距離が、前記レンズの焦点距離より短くなるように、前記レンズが配置される請求項１～請求項３の何れか１項に記載の光走査装置。
前記レンズとして、凹形状のレンズと、凸形状のレンズとの二つのレンズを用いて、前記出力光の位置を変化させて前記ミラーに出射する請求項１～請求項４の何れか１項に記載の光走査装置。
前記光形成部は、二次元状に配列された複数の光スイッチアレイ、または二次元状に配列された複数の回折格子とする請求項１または請求項２に記載の光走査装置。
前記レンズとして、複数のマイクロレンズの各々を用いて、前記光形成部の回折格子から照射される光を平行化する請求項６に記載の光走査装置。