JP7429928B2 - 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、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、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。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。
複数の導波路素子10が一方向に配列された導波路アレイにおいて、それぞれの導波路素子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、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導波路を介して繋がる導波路を含む。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、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。
本実施形態における光デバイス100は、例えば、上部構造体と下部構造体とを貼り合わせることによって作製され得る。貼り合わせには、例えば、紫外線硬化樹脂または熱硬化樹脂などのシール部材が用いられ得る。電圧印加による光スキャンのために、光導波層20は、例えば液晶材料を含み得る。液晶材料を光デバイス100に注入するために、例えば真空封入が利用され得る。上記のシール部材によって囲まれた空間に液晶材料を注入すれば、液晶材料の注入の際に真空漏れを防ぐことができる。
図9は、Z方向から見たときの、光デバイス100の下部構造体100aの例を模式的に示す図である。図10Aから図10Cは、それぞれ、図9に示すA-A線断面、B-B線断面、およびC-C線断面を示す図である。図10Aから図10Cは、光デバイス100の下部構造体100aおよび上部構造体100bの例を模式的に示す。以下では、図9および図10Aから図10Cに示す例を参照して、本実施形態における光デバイス100の例を説明する。
図12Aは、第1の変形例における光デバイス103の構成を示す図である。図12Aでは、光デバイス103における図9のC-C線断面図に対応する図面であり、下部構造体103aおよび上部構造体103bを貼り合わせる前および後の構成を示している。前述の実施形態ではスペーサ77が形成される領域では上部構造体100bの第1のミラー30が形成されていなかった。これに対し、本変形例では、スペーサ77が形成される領域においてもミラー31が形成されている。このため、光導波層20から漏れ出た迷光がミラー31とミラー40とによって閉じ込められ、基板50aの端部まで導波する。これにより、光デバイスからの出射光に迷光が混入することを抑制することができる。
図12Bは、第2の変形例における光デバイス104の構成を示す図である。第1の変形例では、基板50bの全面にミラー31が形成されている。一方、本変形例では、スペーサ77が形成される領域において、光導波層20が形成される領域よりもミラー32の厚さが薄くなっている。厚さが薄いミラー32は、例えば多層反射膜の積層数を減らすことによって実現することができる。このような構成では、前述したパーティクルによる貼り合わせムラを低減する効果と、出射光への迷光の混入を低減する効果とを両立することが可能になる。
図14は、回路基板(たとえば、チップ)上に光分岐器90、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導波路に導入する。図14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。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14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。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。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。
11 光導波路
10A 導波路アレイ
13 グレーティング
15 グレーティング
20 光導波層
22 誘電体部材
30 第1のミラー
40 第2のミラー
50a、50b 基板
51 誘電体層
62a、62b、62A、62B 電極
73 隔壁
77 スペーサ
79 シール部材
80 位相シフタ
80A 位相シフタアレイ
90 光分岐器
100 光デバイス、光スキャンデバイス
110 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 (17)
- 第1の方向および前記第1の方向に交差する第2の方向に沿って拡がる表面を有する第1の基板と、
前記第1の基板に対向する第2の基板と、
前記第1の基板と前記第2の基板との間に位置し、前記第1の方向に沿って延びる複数の隔壁と、
前記第1の基板と前記第2の基板との間に位置する1つ以上の第1の光導波路であって、前記複数の隔壁の間に位置し前記第1の方向に沿って延びる1つ以上の誘電体部材を備える1つ以上の第1の光導波路と、
前記第1の基板と前記第2の基板とに直接的または間接的に挟持され、前記1つ以上の第1の光導波路の周囲に位置する1つ以上のスペーサであって、前記第1の基板と前記第2の基板とを支持する1つ以上のスペーサと、を備え、
前記1つ以上のスペーサの各々の弾性率は、前記複数の隔壁の何れの弾性率よりも小さく、
前記複数の隔壁は前記第1の基板に接触しない、光デバイス。 - 前記複数の隔壁は、前記第1の基板と前記第2の基板とに直接的または間接的に挟持され、
前記第1の基板と前記第2の基板とにより挟持されることによる、前記第1の基板の前記表面に垂直な方向における前記1つ以上のスペーサの各々の変形率は、前記垂直の方向における前記複数の隔壁の何れの変形率よりも大きい、請求項1に記載の光デバイス。 - 前記1つ以上のスペーサは、複数の柱状のスペーサである、請求項1または2に記載の光デバイス。
- 前記第1の基板と前記第2の基板との間隔を固定するシール部材をさらに備え、
前記シール部材は、前記第1の基板の前記表面に垂直な方向から見たときに、前記1つ以上の第1の光導波路および前記複数の隔壁を囲む、請求項1から3のいずれかに記載の光デバイス。 - 前記第1の基板と前記第2の基板との間に位置し、前記シール部材によって囲まれた領
域は、前記1つ以上の誘電体部材と同じ部材によって満たされる、請求項4に記載の光デバイス。 - 前記1つ以上のスペーサは、前記シール部材によって囲まれた領域内、および/または前記領域外に位置する、請求項4または5に記載の光デバイス。
- 前記1つ以上の第1の光導波路にそれぞれ接続された1つ以上の第2の光導波路をさらに備える、請求項1から6のいずれかに記載の光デバイス。
- 前記1つ以上の第1の光導波路は、複数の第1の光導波路であり、
前記1つ以上の第2の光導波路は、複数の第2の光導波路であり、
前記1つ以上のスペーサは、前記複数の第2の光導波路のうち、隣り合う2つの第2の光導波路の間に設けられている少なくとも1つのスペーサを含む、請求項7に記載の光デバイス。 - 前記第1の基板と、前記1つ以上の第2の光導波路との間に位置する誘電体層をさらに備える、請求項7に記載の光デバイス。
- 前記1つ以上の第2の光導波路の各々は、前記複数の隔壁のうちの隣り合う2つ隔壁の間に位置する部分を備え、
前記1つ以上の第2の光導波路の各々は、隣り合う2つ隔壁の間に位置する前記部分において第1のグレーティングを備える、請求項7から9のいずれかに記載の光デバイス。 - 前記1つ以上の第2の光導波路の各々は、前記第1の基板の前記表面に垂直な方向から見たとき、前記第1の基板および前記第2の基板のいずれか一方と重ならない部分を備え、
前記1つ以上の第2の光導波路の各々は、前記重ならない部分において第2のグレーティングを備える、請求項7から10のいずれかに記載の光デバイス。 - 前記第1の基板と前記1つ以上の誘電体部材との間、および、前記第2の基板と前記1つ以上の誘電体部材との間にそれぞれ位置する2つのミラーをさらに備える、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の基板の前記表面に垂直な方向から見たとき、前記1つ以上のスペーサが設けられた領域において前記2つのミラーの少なくとも一方が形成されていない、請求項12に記載の光デバイス。
- 前記1つ以上の第1の光導波路は、前記1つ以上の誘電体部材の屈折率を調整することが可能な構造を備え、
前記1つ以上の誘電体部材の屈折率を調整することにより、前記1つ以上の第1の光導波路から前記第1の基板もしくは前記第2の基板を介して出射する光の方向、または前記第1の基板もしくは前記第2の基板を介して前記1つ以上の第1の光導波路内に取り込まれる光の入射方向が変化する、請求項1から13のいずれかに記載の光デバイス。 - 前記1つ以上の誘電体部材を挟む一対の電極をさらに備え、
前記1つ以上の誘電体部材は、液晶材料または電気光学材料を含み、
前記一対の電極に電圧を印加することにより、前記1つ以上の誘電体部材の前記屈折率が調整される、請求項14に記載の光デバイス。 - 前記1つ以上の第1の光導波路に、それぞれ直接的にまたは他の導波路を介して繋がる
1つ以上の位相シフタをさらに備え、
前記1つ以上の位相シフタを通過する光の位相の差を変化させることにより、前記1つ以上の第1の光導波路から前記第1の基板もしくは前記第2の基板を介して出射する前記光の方向、または、前記第1の基板もしくは前記第2の基板を介して前記1つ以上の第1の光導波路に取り込まれる前記光の入射方向が変化する、請求項15に記載の光デバイス。 - 請求項1から16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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