JP7394395B2 - 光デバイスおよび光検出システム - Google Patents
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Description
以下、一例として、2次元スキャンを行う光スキャンデバイスの構成を説明する。ただし、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明および実質的に同一の構成に対する重複する説明を省略することがある。これは、以下の説明が不必要に冗長になることを避け、当業者の理解を容易にするためである。なお、本発明者らは、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供するのであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。以下の説明において、同一または類似する構成要素については、同じ参照符号を付している。
図2は、1つの光導波路素子10の断面の構造および伝搬する光の例を模式的に示す図である。図2では、図1に示すX方向およびY方向に垂直な方向をZ方向とし、光導波路素子10のXZ面に平行な断面が模式的に示されている。光導波路素子10において、一対のミラー30とミラー40が光導波層20を挟むように配置されている。光導波層20のX方向における一端から導入された光22は、光導波層20の上面(図2における上側の表面)に設けられた第1のミラー30および下面(図2における下側の表面)に設けられた第2のミラー40によって反射を繰り返しながら光導波層20内を伝搬する。第1のミラー30の光透過率は第2のミラー40の光透過率よりも高い。このため、主に第1のミラー30から光の一部を出力することができる。
複数の光導波路素子10が一方向に配列された光導波路アレイにおいて、それぞれの光導波路素子10から出射される光の干渉により、光の出射方向は変化する。各光導波路素子10に供給する光の位相を調整することにより、光の出射方向を変化させることができる。以下、その原理を説明する。
それぞれの光導波路素子10から出射される光の位相を制御するために、例えば、光導波路素子10に光を導入する前段に、光の位相を変化させる位相シフタが設けられ得る。本実施形態における光スキャンデバイス100は、複数の光導波路素子10のそれぞれに接続された複数の位相シフタと、各位相シフタを伝搬する光の位相を調整する第2調整素子とを備える。各位相シフタは、複数の光導波路素子10の対応する1つにおける光導波層20に直接的にまたは他の光導波路を介して繋がる光導波路を含む。第2調整素子は、複数の位相シフタから複数の光導波路素子10へ伝搬する光の位相の差をそれぞれ変化させることにより、複数の光導波路素子10から出射される光の方向(すなわち、第3の方向D3)を変化させる。以下の説明では、光導波路アレイと同様に、配列された複数の位相シフタを「位相シフタアレイ」と称することがある。
光デバイス100は、例えば下部構造体と上部構造体との貼りあわせによって作製され得る。
図7は、本実施形態における光デバイス100の例を模式的に示す図である。本実施形態における光デバイス100は、基板50aと、基板50bと、ミラー30と、ミラー40と、光導波層20と、電極62aおよび電極62bと、制御回路500とを備える。
R1-Ph1-R2-Ph2-R3
・KDP(KH2PO4)型結晶・・・例えば、KDP、ADP(NH4H2PO4)、KDA(KH2AsO4)、RDA(RbH2PO4)、またはADA(NH4H2AsO4)
・立方晶系材料・・・例えば、KTN、BaTiO3、SrTiO3、Pb3MgNb2O9、GaAs、CdTe、またはInAs
・正方晶系材料・・・例えば、LiNbO3またはLiTaO3
・せん亜鉛鉱型材料・・・例えば、ZnS、ZnSe、ZnTe、GaAs、またはCuCl
・タングステンブロンズ型材料・・・KLiNbO3、SrBaNb2O6、KSrNbO、BaNaNbO、Ca2Nb2O7
前述した例では、出射光のスポットの広がりを低減する例を説明した。本実施形態における光スキャンデバイス100では、出射光のスポットの広がりを積極的に増減させてもよい。ここでは、簡単のために、光導波層20の厚さは均一であるとする。
実施形態2では、簡単のために、光導波層20の厚さは均一であるとした。実際には、光導波層20の厚さは不均一であり得る。この場合、本実施形態における光スキャンデバイス100では、実施形態1および実施形態2を組み合わせて、出射光のスポットの広がりを積極的に増減させてもよい。複数の電極部の各々に印加される電圧は、第1電圧成分および第2電圧成分の和である。
図12は、回路基板(たとえば、チップ)上に光分岐器90、光導波路アレイ10A、位相シフタアレイ80A、および光源130などの素子を集積した光スキャンデバイス100の構成例を示す図である。光源130は、例えば、半導体レーザーなどの発光素子であり得る。この例における光源130は、自由空間における波長がλである単一波長の光を出射する。光分岐器90は、光源130からの光を分岐して複数の位相シフタにおける光導波路に導入する。図12に示す例において、チップ上には電極62Aと、複数の電極62Bとが設けられている。光導波路アレイ10Aには、電極62Aから制御信号が供給される。位相シフタアレイ80Aにおける複数の位相シフタ80には、複数の電極62Bから制御信号がそれぞれ送られる。電極62A、および複数の電極62Bは、上記の制御信号を生成する不図示の制御回路に接続され得る。制御回路は、図12に示すチップ上に設けられていてもよいし、光スキャンデバイス100における他のチップに設けられていてもよい。
本開示の前述の各実施形態における光スキャンデバイスは、ほぼ同一の構成で、光受信デバイスとしても用いることができる。光受信デバイスは、光スキャンデバイスと同一の光導波路アレイ10Aと、受信可能な光の方向を調整する第1調整素子とを備える。光導波路アレイ10Aの各第1のミラー30は、第3の方向から第1の反射面の反対側に入射する光を透過させる。光導波路アレイ10Aの各光導波層20は、第2の方向に第1のミラー30を透過した光を伝搬させる。第1調整素子が各光導波路素子10における前記光導波層20の屈折率および厚さ、ならびに光の波長の少なくとも1つを変化させることにより、受信可能な光の方向を変化させることができる。さらに、光受信デバイスが、光スキャンデバイスと同一の複数の位相シフタ80、または80aおよび80bと、複数の光導波路素子10から複数の位相シフタ80、または80aおよび80bを通過して出力される光の位相の差をそれぞれ変化させる第2調整素子を備える場合には、受信可能な光の方向を2次元的に変化させることができる。
10A 光導波路アレイ
20 光導波層
30 第1のミラー
40 第2のミラー
62a、62b、62A、62B 電極
80 位相シフタ
80A 位相シフタアレイ
90 光分岐器
100 光スキャンデバイス
110 光導波路アレイの駆動回路
130 光源
210 位相シフタアレイの駆動回路
310 ビームスポット
400 光検出器
500 制御回路
600 信号処理回路
Claims (15)
- 第1の方向に延びる第1のミラーと、
前記第1のミラーに対向し、前記第1の方向に延びる第2のミラーと、
前記第1のミラーと前記第2のミラーとの間に位置し、光を前記第1の方向に沿って伝搬させる光導波層であって、電圧が印加されたときに屈折率が変化する材料を含む光導波層と、
前記光導波層を直接的または間接的に挟む第1電極および第2電極であって、前記第1電極は前記第1の方向に並ぶ複数の電極部を含む、第1電極および第2電極と、
前記第1電極における前記複数の電極部の各々と、前記第2電極との間に印加する電圧を制御する制御回路と、を備え、
前記光導波層から前記第1のミラーを介して前記光が出射する、または、前記第1のミラーを介して前記光導波層に前記光が取り込まれる、光デバイス。 - 前記制御回路は、前記複数の電極部の各々と前記第2電極との間に印加する電圧の値を、前記第1のミラーに垂直な方向から見た場合に前記複数の電極部にそれぞれ重なる前記光導波層の複数の部分から同一の出射角度で光が出射する値に設定する、請求項1に記載の光デバイス。
- 前記光導波層のうち、前記複数の電極部におけるk番目(kは2以上の整数)の電極部に重なる部分の屈折率をnwkとし、前記部分の厚さをdkとし、
前記光導波層を伝搬する光の空気中における波長をλとし、
前記光導波層を伝搬する光のモード数をmとするとき、
前記制御回路は、前記複数の電極部の各々と前記第2電極との間に印加する電圧の値を、前記第1のミラーに垂直な方向から見た場合に前記複数の電極部にそれぞれ重なる前記光導波層の複数の部分のすべてにおいて、(nwk)2-(mλ/2dk)2が等しくなる値に設定する、請求項1に記載の光デバイス。 - 前記制御回路は、光の出射角度と、前記第1電極における前記複数の電極部の各々と前記第2電極との間に印加する電圧を示すデータを参照して、前記第1電極における前記複数の電極部の各々と前記第2電極との間に印加する電圧の値を決定する、請求項1から3のいずれかに記載の光デバイス。
- 前記複数の電極部の各々と前記第2電極との間に印加する前記電圧は、第1電圧成分および第2電圧成分の和であり、
前記制御回路は、
前記第1電圧成分を、電極部によらず、前記第1のミラーを介して出射される前記光の出射角度に応じた一律の値に設定し、
前記第2電圧成分を、前記第1のミラーに垂直な方向から見た場合に前記複数の電極部にそれぞれ重なる前記光導波層の複数の部分の各々の厚さに応じた値に設定する、請求項1から4のいずれかに記載の光デバイス。 - 温度センサをさらに備え、
前記制御回路は、
前記複数の電極部の各々と前記第2電極との間に印加する前記電圧を、前記温度センサによって計測された温度に応じた値に設定する、請求項1から4のいずれかに記載の光デバイス。 - 前記第2電極に前記光導波層を挟んで対向する第3電極をさらに備える、
請求項1に記載の光デバイス。 - 温度センサをさらに備え、
前記制御回路は、前記第2電極と前記第3電極との間に印加する電圧を、前記温度センサによって計測された温度に応じた値に設定する、請求項7に記載の光デバイス。 - 前記複数の電極部のうち、隣り合う任意の2つの電極部は、各電極部の表面に平行でかつ前記第1の方向に直交する方向から見たとき、重なる部分を有している、請求項1から8のいずれかに記載の光デバイス。
- 前記複数の電極部は、前記第1の方向、および前記第1の方向に交差する第2の方向に並ぶ、請求項1から8のいずれかに記載の光デバイス。
- 前記光導波層は、液晶材料または電気光学材料を含む、請求項1から10のいずれかに記載の光デバイス。
- 前記制御回路は、前記複数の電極部の各々と前記第2電極との間に印加する前記電圧を制御することにより、前記光導波層から前記第1のミラーを介して出射される前記光の方向および形状を制御する、請求項1から11のいずれかに記載の光デバイス。
- 前記第1の方向に交差する第2の方向に配列された複数の光導波路ユニットであって、各々が、前記第1のミラーと、前記第2のミラーと、前記光導波層と、前記第1電極および前記第2電極とを含む複数の光導波路ユニットと、を備える、請求項1から12のいずれかに記載の光デバイス。
- 前記複数の光導波路ユニットにそれぞれ接続された複数の位相シフタであって、それぞれが、前記複数の光導波路ユニットの対応する1つにおける前記光導波層に直接的にまたは他の光導波路を介して繋がる光導波路を含む複数の位相シフタをさらに備え、
前記複数の位相シフタを通過する光の位相の差をそれぞれ変化させることにより、前記光導波層から前記第1のミラーを介して出射する前記光の方向、または、前記第1のミラーを介して前記光導波層に取り込まれる前記光の入射方向が変化する、請求項13に記載の光デバイス。 - 請求項1から14のいずれかに記載の光デバイスと、
前記光デバイスから出射され、対象物から反射された光を検出する光検出器と、
前記光検出器の出力に基づいて、距離分布データを生成する信号処理回路と、を備える、光検出システム。
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