JP7465885B2 - Ｌｉｄａｒ出力信号の増幅 - Google Patents

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Description

関連出願
本特許出願は、２０１９年３月６日に出願された米国仮特許出願シリアル番号６２/８１４,８４４の利益を主張し、その全体として本明細書に組み込まれる。
本発明は、光学装置に関し、特にＬＩＤＡＲシステムに関する。
ＬＩＤＡＲ技術は、様々な用途に応用されている。ＬＩＤＡＲ技術は、ＬＩＤＡＲチップのような光源から送信されるＬＩＤＡＲ出力信号を生成する。光源から離れて配置された物体は、ＬＩＤＡＲ出力信号を反射する。反射された光信号は、ＬＩＤＡＲ入力信号として機能し、光源によって受信される。該ＬＩＤＡＲ入力信号は、ＬＩＤＡＲ出力信号の光源と反射物体との間の距離及び/または視線速度を示すＬＩＤＡＲデータを運ぶ。いくつかの例では、光源及び/または光源に関連する電子機器は、ＬＩＤＡＲデータを抽出するようにＬＩＤＡＲ入力信号を処理することができる。
ＬＩＤＡＲ出力信号を生成し、ＬＩＤＡＲデータを抽出するために必要とされる電気光学的な機能の全てを一体化できるプラットフォームが非常に望ましい。例えば、これらの機能はＬＩＤＡＲチップ上に一体化されることが望ましい。しかし、ＬＩＤＡＲチップのようなプラットフォームにおけるＬＩＤＡＲ出力信号の源としてレーザがしばしば使用される。しかし、これらのレーザの出力パワーにおける制限は、これらのプラットフォームにおけるＬＩＤＡＲ出力信号のパワーを制限する。ＬＩＤＡＲ出力信号の制限されたパワーはまた、ＬＩＤＡＲデータを運ぶ光信号の利用可能なパワーを制限する。利用可能なレーザ光源は、複数の異なるＬＩＤＡＲ出力信号(異なる波長チャネル)が生成される場合に、出力パワーに特に制限される。導波路及び結合損失はまた、物体によって反射された後にＬＩＤＡＲチップに戻る光信号のレベルを減少させることによって、受信経路上の検出に利用可能な光パワーをさらに制限することがある。範囲及び測定精度のような性能パラメータは、受信された光パワーに強く依存する。その結果、パワーが増加されたＬＩＤＡＲ出力信号を有し、かつ/または受信経路上にパワーが増加されたＬＩＤＡＲチップのようなＬＩＤＡＲプラットフォームが必要とされている。
ＬＩＤＡＲシステムは、ＬＩＤＡＲ出力信号を送信するＬＩＤＡＲチップを含む。該ＬＩＤＡＲチップは、１つ以上のチップ導波路を含む。該１つ以上のチップ導波路は、出発ＬＩＤＡＲ信号及び入射ＬＩＤＡＲ信号から選択された１つ以上の光信号を運ぶように構成されたユーティリティ導波路を含む。該システムはまた、第１ファセット及び第２ファセットを備える増幅器導波路を有する増幅器を含む。該増幅器は、第１ファセットがユーティリティ導波路のファセットと光学的に整列されるが、第２ファセットが1つ以上のＬＩＤＡＲチップ導波路のいずれとも光学的に整列されないように配置されている。
ＬＩＤＡＲシステムの別の実施形態は、第１導波路及び第２導波路を含むＬＩＤＡＲチップを有する。該ＬＩＤＡＲシステムはまた、第１ファセット及び第２ファセットを備える増幅器導波路を含む増幅器チップを有する。該増幅器チップは、第１ファセットが第１導波路のファセットと光学的に整列され、かつ、第２ファセットが第２導波路のファセットと光学的に整列されるように、前記ＬＩＤＡＲチップ上に配置されている。前記増幅器導波路は、第１導波路から光信号を受信し、第２導波路が増幅器導波路から光信号を受信するよう、光信号を誘導するように構成されている。前記増幅器チップは、光信号が増幅器導波路に入射するときの進行方向と、光信号が増幅器導波路を出射するときの進行方向との間の角度が１８０°未満となるように構築されている。
ＬＩＤＡＲチップの上面図である。
図１に従ってシリコン・オン・インシュレータウエハから構築されたＬＩＤＡＲチップの断面図である。
ＬＩＤＡＲシステムの概略図である。
ＬＩＤＡＲシステムの別の実施形態の概略図である。
ＬＩＤＡＲシステムの別の実施形態の概略図である。
複数の要素組立を含むＬＩＤＡＲシステムの実施形態の概略図である。
複数の導波路と整列された増幅器を含むＬＩＤＡＲシステムの実施形態の概略図である。
複数の導波路と整列された増幅器を含むＬＩＤＡＲシステムの別の実施形態の概略図である。
複数のチャネルを含む出発ＬＩＤＡＲ信号を生成するように構成された複数の光源を示している。
複数のレーザ光源を含む光源を示している。
複数のチャネルを含む光信号を生成するように構成された構造の一例を示している。
処理ユニットの一例を示している。
図１０Ａに従って構築された処理ユニットと共に使用するのに適した電子機器の概略図を提供する。
ＬＩＤＡＲを増幅器と光学的に結合するためのインターフェースを含むＬＩＤＡＲチップの一部の斜視図である。
は、図１１Ａに示されたＬＩＤＡＲチップの部分と共に使用するのに適した増幅器チップの斜視図である。
図１１Ｃ及び図１１Ｄは、図１１Ｂの増幅器とインターフェース接続する図１１ＡのＬＩＤＡＲチップを含むシステムを示している。図１１Ｃは、該システムの上面図である。
図１１Ｃに示されたシステムの、ＬＩＤＡＲチップ上の導波路及び増幅器チップ上の増幅器導波路を通って取った断面図である。
ユーティリティ導波路内の光信号の伝搬方向に対して非垂直な角度でファセットを有するユーティリティ導波路を含むＬＩＤＡＲシステムの上面図である。
増幅器導波路内の光信号の伝搬方向に対して非垂直な角度で複数のファセットを有する増幅器導波路を含むＬＩＤＡＲシステムの上面図である。
増幅器導波路内の光信号の伝搬方向に対して非垂直な角度でのファセット及び該伝搬方向に対して垂直な角度での第２ファセットを有する増幅器導波路を含むＬＩＤＡＲシステムの上面図である。
２つの増幅器を含むように改変された図１１Ｂ～図１１Ｄの増幅器チップの斜視図である。
光信号が増幅器導波路に入射するときの進行方向と、光信号が増幅器導波路を出射するときの進行方向との間の角度が１８０°未満であるように改変された図１１Ｂ～図１１Ｄの増幅器チップの斜視図である。
光線操縦機能を備え、図６Ａに従って構築されたＬＩＤＡＲチップの出力要素に適用する出力要素の概略図である。
ＬＩＤＡＲチップからＬＩＤＡＲ出力信号を受信するように配置されたレンズを含むＬＩＤＡＲシステムを示している。
ＬＩＤＡＲチップからＬＩＤＡＲ出力信号を受信するように配置された光ファイバを含むＬＩＤＡＲシステムを示している。
発明の詳細な説明
ＬＩＤＡＲチップは、ＬＩＤＡＲ出力信号を生成して送信する。ＬＩＤＡＲチップは、出発ＬＩＤＡＲ信号を運ぶユーティリティ導波路を含む。該システムはまた、第１ファセット及び第２ファセットを備える増幅器導波路を有する増幅器を含む。該増幅器は、第１ファセットがユーティリティ導波路のファセットと光学的に整列されるが、第２ファセットがＬＩＤＡＲチップ上のいずれの導波路とも光学的に整列されないように、ＬＩＤＡＲチップ上に配置される。
増幅器導波路は、ユーティリティ導波路から出発ＬＩＤＡＲ信号を受信し、増幅器導波路が第１ファセットから第２ファセットへ出発ＬＩＤＡＲ信号を運ぶときに、出発ＬＩＤＡＲ信号のパワーを増幅する。出発ＬＩＤＡＲ信号は、第２ファセットを通過し、ＬＩＤＡＲチップから離れて、ＬＩＤＡＲ出力信号として移動する。いくつかの例では、ＬＩＤＡＲ出力信号は、ＬＩＤＡＲシステムからも離れて移動し、システム出力信号として機能する。他の例では、システム出力信号は、ＬＩＤＡＲシステムから離れて移動し、ＬＩＤＡＲ出力信号からの光を含むか、またはそれからなる。ＬＩＤＡＲシステムから離れて移動している間、システム出力信号は、物体によって反射され得る。反射された光信号は、ＬＩＤＡＲデータを含む。反射された光の全部または一部は、ＬＩＤＡＲ入力信号として増幅器導波路に戻る。増幅器導波路が第２ファセットから第１ファセットへＬＩＤＡＲ入力信号を運ぶときに、該ＬＩＤＡＲ入力信号を増幅することができる。ＬＩＤＡＲチップによって更なる処理のために、ユーティリティ導波路は、増幅されたＬＩＤＡＲ入力信号を受信する。この構成では、ＬＩＤＡＲ出力信号は、ＬＩＤＡＲチップから離れるにつれて増幅され、また、ＬＩＤＡＲチップに入射するにつれて増幅される。従って、ＬＩＤＡＲ出力信号及びＬＩＤＡＲ入力信号のパワーが増強される。
増幅器導波路は、２つの導波路ではなく、１つの導波路のみと光学的に整列されるので、導波路界面で生じる結合損失は低減される。また、増幅器導波路を２つの他の導波路と同時に整列させることによる不正確さは低減される。さらに、増幅器導波路が２つの他の導波路と同時に整合されるとき、ＬＩＤＡＲチップ上の増幅器の配置中に導波路への損傷を防止するために、増幅器導波路と他の導波路との間に間隙が存在する。導波路界面の結合損失は、より広い間隙のために増加する。しかし、１つの導波路界面しか存在しない場合、増幅器導波路は、部品の耐性が許す限り、チップ導波路に近接して配置することができる。その結果、増幅器は、パワー損失を低減しながら、ＬＩＤＡＲ入力信号及び/またはＬＩＤＡＲ出力信号のパワーを増強させることができる。
図１は、１つ以上のＬＩＤＡＲ出力信号を生成し、いずれのＬＩＤＡＲ出力信号を用いて、ＬＩＤＡＲデータ(ＬＩＤＡＲ出力信号の光源と反射物体との間の距離及び/または視線速度)を含む光信号及び/または電気信号を生成するように構成されたＬＩＤＡＲ構築体８を含むＬＩＤＡＲチップの上面図である。該ＬＩＤＡＲ構築体８は、レーザキャビティを含む。該レーザキャビティは、レーザのための利得媒体(図示せず)を含むか、またはそれからなることができる光源１０を含む。前記チップはまた、光源１０から光信号を受信する空洞導波路１２を含む。前記光源は、凹部１３内に配置され、それにより、該光源のファセットが空洞導波路１２のファセットと光学的に整列されて、該光源及び空洞導波路１２が光信号を交換できるようにすることができる。空洞導波路１２は、光信号を部分リターン装置１４に運ぶ。図示の部分リターン装置１４は、ブラッグ格子のような光学格子である。しかし、他の部分リターン装置１４を使用することができる。例えば、ミラーは、エシェル格子及びアレイ導波路格子と共に使用することができる。
部分リターン装置１４は、光信号の戻り部分を戻り信号として空洞導波路１２に戻す。例えば、空洞導波路１２は、光信号の戻り部分が利得媒体を通過するように、戻り信号を光源１０に戻す。光源１０は、空洞導波路１２で受信された光信号に少なくとも一部の戻り信号が付加されるように構成されている。例えば、光源１０は、利得媒体から受信した戻り信号を利得媒体に戻す高度、完全、または部分的な反射装置１５を含むことができる。その結果、光は、部分リターン装置１４と反射装置１５との間で共振して、分布ブラッグ反射器(ＤＢＲ)レーザキャビティを形成することができる。ＤＢＲレーザキャビティは、ＤＦＢレーザよりも本質的に狭い線幅及び長い干渉長を有するため、ＬＩＤＡＲチップからＬＩＤＡＲ出力信号を反射する物体はＬＩＤＡＲチップからさらに離れて位置するときの性能が改善される。
部分リターン装置１４は、空洞導波路１２から受信した光信号の一部をＬＩＤＡＲチップ上に含まれるユーティリティ導波路１６に通過させる。ユーティリティ導波路１６が部分リターン装置１４から受信する光信号のうちの一部は、レーザキャビティの出力として機能する。レーザキャビティの出力は、ユーティリティ導波路１６上の出発ＬＩＤＡＲ信号として機能する。ユーティリティ導波路１６は、ファセット１８で終端し、出発ＬＩＤＡＲ信号をファセット１８に運ぶ。
ファセット１８は、光増幅器２０の第１ファセット１９と光学的に整列されている。光増幅器は、第２ファセット２２で終端する増幅器導波路２１を含む。出発ＬＩＤＡＲ信号は、第１ファセット１９を通ってユーティリティ導波路１６のファセット１８を通過し、ファセット１９を通過し、増幅器導波路２１内に受信される。該増幅器導波路２１は、出発ＬＩＤＡＲ信号を第２ファセット２２に運ぶ。第２ファセット２２を通って移動する出発ＬＩＤＡＲ信号がチップを出射して、ＬＩＤＡＲ出力信号として機能するように、該第２ファセット２２を配置することができる。例えば、第２ファセット２２をＬＩＤＡＲチップに、またはその縁部の近くに配置し、それにより、該第２ファセット２２を通って移動する出発ＬＩＤＡＲ信号が該チップを出射してＬＩＤＡＲ出力信号として機能することができる。
ＬＩＤＡＲ出力信号は、ＬＩＤＡＲチップから離れて移動する。いくつかの例では、ＬＩＤＡＲ出力信号は、ＬＩＤＡＲシステムからも離れて移動し、これにより、システム出力信号として機能する。他の例では、システム出力信号は、ＬＩＤＡＲシステムから離れて移動し、ＬＩＤＡＲ出力信号からの光を含むか、またはそれからなる。ＬＩＤＡＲシステムから離れて移動している間、システム出力信号は、物体によって反射され得る。反射された光信号は、ＬＩＤＡＲデータを含む。反射された光信号の全部または一部は、該物体から離れて移動する。反射された光の少なくとも一部は、ＬＩＤＡＲ入力信号として増幅器２０の第２ファセット２２に戻る。従って、反射された信号の一部は、第２ファセット２２を通って増幅器導波路２１に入射することができる。該増幅器導波路２１は、ＬＩＤＡＲ入力信号を第１ファセット１９に運ぶ。ＬＩＤＡＲ入力信号は、増幅器導波路２１の第１ファセット１９を通過し、ユーティリティ導波路１６のファセット１８を通過し、ユーティリティ導波路１６内に受信される。そこで、それは入射ＬＩＤＡＲ信号として機能できる。増幅器は、ＬＩＤＡＲ出力信号及び/またはＬＩＤＡＲ入力信号を増幅するように動作することができる。
ＬＩＤＡＲチップは、ＬＩＤＡＲデータを運ぶ光信号が生成されるデータ分岐２４を含む。該データ分岐は、光信号の一部をユーティリティ導波路１６からデータ分岐に移動させる光結合部２６を含む。例えば、光結合部２６は、出発ＬＩＤＡＲ信号の一部をユーティリティ導波路１６から参照導波路２７上に参照信号として結合させる。該参照導波路２７は、参照信号を光結合部２８に運ぶ。
光結合部２６はまた、入射ＬＩＤＡＲ信号の一部を比較信号としてユーティリティ導波路１６から比較導波路３０上に結合させる。該比較信号は、入射ＬＩＤＡＲ信号からの光（ＬＩＤＡＲ入力信号）の少なくとも一部を含む。該比較信号は、参照光信号から光を除外することができる。比較導波路３０は、比較信号を光結合部２８に運ぶ。
図示の光結合部２６は、ユーティリティ導波路１６からの光が参照導波路２７及び比較導波路３０に結合されるが、他の信号タップ要素を用いてユーティリティ導波路１６からの光信号の一部を参照導波路２７及び比較導波路３０に移動させることができるように、ユーティリティ導波路１６を参照導波路２７及び比較導波路３０に十分に近接させた結果である。適切な信号タップ要素の例には、ｙ接合、複合モード干渉結合器(ＭＭＩ)、及び集積光循環器が含まれるが、これらに限定されない。
光結合部２８は、比較信号と参照信号とを複合信号に結合させる。参照信号は、出発ＬＩＤＡＲ信号からの光を含む。例えば、参照信号は、出発ＬＩＤＡＲ信号のサンプルとして機能することができる。参照信号は、ＬＩＤＡＲ出力信号及び入射ＬＩＤＡＲ信号（ＬＩＤＡＲ入力信号）からの光を除外することができる。対照的に、比較信号光は、入射ＬＩＤＡＲ信号（ＬＩＤＡＲ入力信号）からの光を含む。例えば、比較信号は、入射ＬＩＤＡＲ信号のサンプルとして機能することができる。従って、比較信号は、参照信号中の光がＬＩＤＡＲシステム外の物体によって反射されていない間に、ＬＩＤＡＲシステム外の物体によって反射された光を含むか、またはそれからなる。該チップと反射物体が互いに相対的に移動している場合、ドップラー効果により、比較信号及び参照信号は異なる周波数を有する。その結果、該比較信号と参照信号との間に拍動が発生する。
光結合部２８はまた、得られた複合サンプル信号を第１検出器導波路３６及び第２検出器導波路３８に分割する。第１検出器導波路３６は、複合サンプル信号の第１部分を第１電気信号に変換する第１光センサ４０に、複合サンプル信号の第１部分を運ぶ。第２検出器導波路３８は、複合サンプル信号の第２部分を第２電気信号に変換する第２光センサ４２に、複合サンプル信号の第２部分を運ぶ。適切な光センサの例には、ゲルマニウムフォトダイオード(ＰＤ)及びアバランシェフォトダイオード(ＡＰＤ)が含まれる。
光結合部２８、第１光センサ４０及び第２光センサ４２は、電気的データ信号を出力する平衡光検出器として接続することができる。例えば、信号光電流のＤＣ要素が相殺され、検出感度が向上するように、光結合部２８、第１光センサ４０及び第２光センサ４２を接続することができる。第１光センサ４０と第２光センサ４２とを平衡光検出器として接続するのに適した方法には、第１光センサ４０と第２光センサ４２とを直列に接続することが含まれる。一例では、第１光センサ４０及び第２光センサ４２は両方とも直列に接続されたアバランシェフォトダイオードである。小さな信号変動を検出するには、平衡光検出が望ましい。
適切な光結合部２８の一例は、２×２ＭＭＩ装置のような複合モード干渉(ＭＭＩ)装置である。他の適切な光結合部２８には、断熱性の分割器及び方向性の結合器が含まれるが、これらに限定されない。いくつかの例では、図示された光結合部２８の機能は、１つ以上の光学要素または光学要素の組合せによって実行される。
単一の光センサは、第１光センサ４０及び第２光センサ４２を交換することができ、データ信号を出力することができる。単一の光センサが第１光センサ４０と第２光センサ４２とを交換するとき、光結合部２８は光分割の機能を備える必要はない。その結果、図示した光結合部２８は、図示した２×１光結合部ではなく、２×１光結合部であってもよい。例えば、図示した光結合部は、２×１ＭＭＩ装置であってもよい。これらの例では、ＬＩＤＡＲチップは、複合サンプル信号を光センサに運ぶ単一の検出器導波路を含む。
データ分岐は、比較導波路３０上の比較信号を減衰させるよう、データ光減衰器４４を操作できるように比較導波路３０に沿って配置されたデータ光減衰器４４を含む。ＬＩＤＡＲチップはまた、ユーティリティ導波路１６上の出発ＬＩＤＡＲ信号を減衰させるよう、出力光減衰器４６を操作できるようにユーティリティ導波路１６に沿って配置された出力光減衰器４６を含む。データ光減衰器４４及び/または出力光減衰器４６のための適切な減衰器は、光信号の強度を減衰させるように構成されている。光信号の強度を減衰させるように構成された適切な減衰器の例には、キャリア注入ベースのＰＩＮダイオード、電気吸収変調器、及びマッハ-ツェンダー(ＭＺ)変調器が含まれる。
ＬＩＤＡＲチップはまた、比較信号の一部を比較導波路３０からサンプリング導波路５２に結合するサンプリング指向性結合器５０を含む。該比較信号の結合部分は、サンプリング信号として機能する。サンプリング導波路５２は、サンプリング信号をサンプリング光センサ５４に運ぶ。図１は、比較信号の一部をサンプリング導波路５２上に移動させるサンプリング指向性結合器５０を示しているが、他の信号タップ要素を用いて、比較信号の一部を比較導波路３０からサンプリング導波路５２上に移動させることができる。適切な信号タップ要素の例には、ｙ接合及びＭＭＩが含まれるが、これらに限定されない。
ＬＩＤＡＲチップは、レーザキャビティの動作を制御するための制御分岐５５を含む。該制御分岐は、出発ＬＩＤＡＲ信号の一部をユーティリティ導波路１６から制御導波路５７上に移動させる指向性結合器５６を含む。該出発ＬＩＤＡＲ信号の結合された部分は、タップ付き信号として機能する。図１は、出発ＬＩＤＡＲ信号の一部を制御導波路５７上に移動させる指向性結合器５６を示しているが、他の信号タップ要素を用いて、出発ＬＩＤＡＲ信号の一部をユーティリティ導波路１６から制御導波路５７上に移動させることができる。適切な信号タップ要素の例には、ｙ接合及びＭＭＩが含まれるが、これらに限定されない。
制御導波路５７は、タップ付き信号を干渉計５８に運ぶ。該干渉計５８はタップ付き信号を分割し、タップ付き信号の異なる部分をタップ付き信号の部分の間の位相差で再結合する。図示の干渉計５８は、マッハツェンダー干渉計であるが、他の干渉計を使用することができる。
干渉計５８は、干渉計導波路６０上に制御光信号を出力する。該干渉計導波路６０は、制御光信号を制御光センサ６１に運ぶ。該制御光センサ６１は、制御光信号を電気制御信号として機能する電気信号に変換する。干渉計信号は、出発ＬＩＤＡＲ信号の周波数及び/または周波数の変化の関数である強度を有する。例えば、マッハツェンダー干渉計は、縞パターンを有する正弦波制御光信号を出力する。出発ＬＩＤＡＲ信号の周波数変化により、制御光信号の周波数が変化するであろう。従って、制御光センサ６１からの電気制御信号の周波数は、出発ＬＩＤＡＲ信号の周波数の関数である。他の検出機構は、制御光センサ６１の代わりに使用することができる。例えば、制御光センサ６１は、光結合部２８、第１光センサ４０、及び第２光センサ４２として配置された平衡型光検出器に置き換えることができる。
電子機器６２は、チップ上の１つ以上の構成要素を操作することができる。例えば、電子機器６２は、光源１０、増幅器２０ｍ、データ光減衰器４４、出力光減衰器４６、第１光センサ４０、第２光センサ４２、サンプリング光センサ５４、及び制御光センサ６１と電気的に通信し、それらの動作を制御することができる。電子機器６２は、チップから離れて示されているが、電子機器の全部または一部をチップ上に含めることができる。例えば、チップは、第１光センサ４０を第２光センサ４２と直列に接続する導電体を含むことができる。
チップの動作中、電子機器６２は、レーザキャビティが出発ＬＩＤＡＲ信号を出力するように光源１０を操作する。次いで、電子機器６２は、各サイクルが視野内のサンプル領域のＬＩＤＡＲデータを生成する一連のサイクルを通じてチップを操作する。各サイクル中、データ信号は複数回サンプリングされる。いずれのサンプルの間、電子機器は、出発ＬＩＤＡＲ信号の周波数を調整する。以下でより詳細に説明するように、電子機器は、出発ＬＩＤＡＲ信号の周波数を時間の関数として電子機器に知られるように、出発ＬＩＤＡＲ信号の周波数を制御するために、制御分岐からの出力を使用することができる。いくつかの例では、サイクルは、少なくとも第１サンプル及び第２サンプルを含む。第１サンプルの間、電子機器６２は、出発ＬＩＤＡＲ信号の周波数を増加させることができ、第２サンプルの間、電子機器６２は、出発ＬＩＤＡＲ信号の周波数を低下させることができる。例えば、レーザキャビティは、出発ＬＩＤＡＲ信号（及びこれによるＬＩＤＡＲ出力信号)を波長１５５０ｎｍで出力するように構成することができる。第１サンプルの間、電子機器６２は、波長が１５５０ｎｍから１４５９.９８ｎｍに減少するように、出発ＬＩＤＡＲ信号（及びこれによるＬＩＤＡＲ出力信号)の周波数を増加させ、その後、波長が１４５９.９８ｎｍから１５５０ｎｍに増加するように、出発ＬＩＤＡＲ信号の周波数を減少させることができる。
第１サンプルの間に出発ＬＩＤＡＲ信号の周波数が増加されると、ＬＩＤＡＲ出力信号は、チップから離れて移動し、次いでＬＩＤＡＲ入力信号としてチップに戻る。ＬＩＤＡＲ入力信号の一部は、比較信号となる。ＬＩＤＡＲ出力信号及びＬＩＤＡＲ入力信号がチップと反射物体との間を移動している間に、出発ＬＩＤＡＲ信号の周波数は増加し続ける。出発ＬＩＤＡＲ信号の一部が参照信号となるので、参照信号の周波数は増加し続ける。その結果、比較信号は、光結合部に同時に入射する参照信号よりも低い周波数で光結合部に入射する。さらに、反射物体はチップから離れるほど配置されると、ＬＩＤＡＲ入力信号がチップに戻る前に、参照信号の周波数がより増加する。従って、比較信号の周波数と参照信号の周波数との差が大きいほど、反射物体はチップからより離れる。その結果、比較信号の周波数と参照信号の周波数との差は、チップと反射物体との間の距離の関数である。
同じ理由で、第２サンプルの間に出発ＬＩＤＡＲ信号の周波数が減少した場合、比較信号は、光結合部に同時に入射する参照信号よりも高い周波数で光結合部に入射し、第２サンプルの間に比較信号の周波数と参照信号の周波数との差も、ＬＩＤＡＲシステムと反射物体との間の距離の関数である。
いくつかの例では、比較信号の周波数と参照信号の周波数との間の差は、ＬＩＤＡＲシステム及び反射物体の相対的な動きがまた、比較信号の周波数に影響を及ぼし得るので、ドップラー効果の関数であり得る。例えば、チップが反射物体から離れて、または反射物体に向かって移動するとき、及び/または反射物体がチップから離れて、またはチップに向かって移動するとき、ドップラー効果は比較信号の周波数に影響を及ぼす可能性がある。比較信号の周波数は、反射物体がチップに向かってまたはチップから離れて移動する速度、及び/またはチップが反射物体に向かってまたは反射物体から離れて移動する速度の関数であるので、比較信号の周波数と参照信号の周波数との差も、反射物体がチップに向かってまたはチップから離れて移動する速度、及び/またはチップが反射物体に向かってまたは反射物体から離れて移動する速度の関数である。従って、比較信号の周波数と参照信号の周波数との差は、チップと反射物体との間の距離の関数であり、ドップラー効果の関数でもある。
複合サンプル信号及びデータ信号はそれぞれ、比較信号と参照信号とを効果的に比較する。例えば、光結合部は比較信号と参照信号とを結合し、これらの信号は異なる周波数を有するので、比較信号と参照信号との間には拍動が存在する。従って、複合サンプル信号及びデータ信号は、比較信号と参照信号との間の周波数の差に関連する拍動周波数を有する。該拍動周波数を用いて、比較信号と参照信号の周波数の差を測定することができる。複合サンプル信号及び/またはデータ信号の拍動周波数はより高い場合、比較信号の周波数と参照信号の周波数との差がより大きい。その結果、データ信号の拍動周波数は、チップと反射物体との間の距離の関数であり、ドップラー効果の関数でもある。
上述したように、拍動周波数は、２つの未知数の関数であり、即ち、チップと反射物体との間の距離及びチップと反射物体との相対速度（即ち、ドップラー効果の寄与)である。比較信号と参照信号との間の周波数差(Δｆ)の変化は、Δｆ＝２Δｖｆ/ｃによって与えられる。ここで、fがＬＩＤＡＲ出力信号及びこれによる参照信号の周波数であり、Δｖがチップと反射物体の相対速度であり、また、cが空気中の光速である。複数の異なるサンプルを用いることで、電子機器６２は、該２つの未知数を解くことができる。例えば、第１サンプルについて測定された拍動周波数は、未知の距離及びドップラー寄与に関連し、第２サンプルについて測定された拍動周波数はまた、未知の距離及びドップラー寄与に関連する。該２つの関係を利用して、電子機器６２は、該２つの未知数を解くことができる。従って、チップと反射物体との間の距離は、ドップラー効果から影響を受けることなく測定することができる。さらに、いくつかの例では、電子機器６２は、該距離をドップラー効果と組合せて用い、チップに向かってまたは離れて移動する反射物体の速度を測定する。
標的及び光源の相対速度がゼロまたは非常に遅い場合、拍動周波数に対するドップラー効果の寄与は、実質的にゼロである。これらの例では、ドップラー効果は拍動周波数に実質的に寄与せず、電子機器６２は、第１サンプルのみをかけて、チップと反射物体との間の距離を測定することができる。
動作中、電子機器６２は、出発ＬＩＤＡＲ信号の周波数を制御光センサ６１からの電気制御信号の出力に応じて調整することができる。上記のように、制御光センサ６１から出力される電気制御信号の大きさは、出発ＬＩＤＡＲ信号の周波数の関数である。従って、電子機器６２は、該制御の大きさに応じて出発ＬＩＤＡＲ信号の周波数を調整することができる。例えば、サンプルの１つの間に出発ＬＩＤＡＲ信号の周波数を変化させながら、電子機器６２は、電気制御信号の大きさの適値の範囲を時間の関数として有することができる。サンプル中の複数の異なる時間において、電子機器６２は、電気制御信号の大きさをサンプル中の現在の時間に関連する値の範囲と比較することができる。電気制御信号の大きさは、出発ＬＩＤＡＲ信号の周波数が電気制御信号の大きさの関連範囲の外にあることを示すと、電子機器６２は、光源１０を操作し、それが関連範囲内に入射するように、出発ＬＩＤＡＲ信号の周波数を変化させることができる。電気制御信号の大きさは、出発ＬＩＤＡＲ信号の周波数が電気制御信号の大きさの関連範囲内にあることを示すと、電子機器６２は、出発ＬＩＤＡＲ信号の周波数を変化させない。
動作中、電子機器６２は、出力光減衰器４６による減衰のレベルを、サンプリング光センサ５４からのサンプリング信号に応じて調整することができる。例えば、電子機器６２は、出力光減衰器４６を操作し、これにより、第１信号閾値以上のサンプリング信号の大きさに応じて減衰のレベルを向上させ、かつ/または第２信号閾値未満のサンプリング信号の大きさに応じてパワー低下の大きさを低下させる。
いくつかの例では、電子機器６２は、出力光減衰器４６による減衰のレベルを調整し、逆反射がレーザキャビティの性能に及ぼす影響を防止または低減する。例えば、第１信号閾値及び/または第２信号閾値を任意に選択し、逆反射がレーザキャビティの性能に及ぼす影響を防止または低減することができる。逆反射は、ＬＩＤＡＲ入力信号の一部が戻されたＬＩＤＡＲ信号としてレーザキャビティに戻るときに生じる。いくつかの例では、ファセット１８を通過するＬＩＤＡＲ入力信号の５０％程度は、レーザキャビティに戻る。部分リターン装置１４に入射する戻されたＬＩＤＡＲ信号のパワーは、該部分リターン装置１４(パワー低下)から出射する出発ＬＩＤＡＲ信号のパワーの以下で最小限のパワー低下閾値の以上に低下しないときに、戻されたＬＩＤＡＲ信号がレーザキャビティの性能に影響を及ぼし得る。図示されたチップでは、該最小限のパワー低下閾値は、約３５ｄＢ(０.０３％)であってもよい。従って、部分リターン装置１４に入射する戻されたＬＩＤＡＲ信号のパワーは、３５ｄＢ以下で、部分リターン装置１４から出射する出発ＬＩＤＡＲ信号のパワーより以下のときに、戻されたＬＩＤＡＲ信号がレーザキャビティの性能に影響を及ぼし得る。
電子機器６２は、出力光減衰器４６を操作し、例えば、標的物体が非常に近接しているか、または高反射性であるか、またはその両方である場合には、低いパワー低下の影響を低減することができる。図１から明らかなように、減衰のレベルを増強させるための出力光減衰器４６の動作は、部分リターン装置１４に入射する戻されたＬＩＤＡＲ信号のパワーを低減させ、また、部分リターン装置１４から離れた位置での戻された出発ＬＩＤＡＲ信号のパワーも低減させる。出力光減衰器４６は、部分リターン装置１４から離れて配置されているので、部分リターン装置１４から出射する出発ＬＩＤＡＲ信号のパワーは、出力光減衰器４６の動作に直接影響されない。従って、減衰のレベルを増強させるための出力光減衰器４６の動作は、パワー低下のレベルを増加させる。その結果、電子機器は、光減衰器４６を用いて、パワー低下を調整することができる。
さらに、サンプリング信号の大きさは、パワー低下に関連している。例えば、サンプリング信号の大きさは、図１から明らかなように、比較信号のパワーに関連している。比較信号はＬＩＤＡＲ入力信号の一部であるので、サンプリング信号の大きさは、ＬＩＤＡＲ入力信号のパワーに関連している。戻されたＬＩＤＡＲ信号がＬＩＤＡＲ入力信号の一部であるので、この結果は、サンプリング信号の大きさも戻されたＬＩＤＡＲ信号のパワーに関連していることを意味する。従って、サンプリング信号の大きさは、パワー低下に関連している。
サンプリング信号の大きさはパワー低下に関連しているので、電子機器６２は、サンプリング信号の大きさを利用して、出力光減衰器を操作し、比較信号のパワーの大きさを目標範囲内に維持することができる。例えば、電子機器６２は、パワー低下の大きさが第１閾値以下であることを示すサンプリング信号に応じてパワー低下の大きさを増加させるように、出力光減衰器４６を操作することができ、かつ/または電子機器６２は、パワー低下の大きさが第２閾値以上であることを示すサンプリング信号に応じてパワー低下の大きさを減少させるように、出力光減衰器４６を操作することができる。いくつかの例では、前記第１閾値は、最小パワー低下閾値以上である。一例では、電子機器６２は出力光減衰器４６を操作し、これによって、第１信号閾値以上のサンプリング信号の大きさに応じてパワー低下の大きさを増加させ、かつ/または第２信号閾値未満のサンプリング信号の大きさに応じてパワー低下の大きさを減少させる。第１閾値、第２閾値、第１信号閾値、及び第２信号閾値からなる群から選択される１つ、２つ、３つ、または４つの変数の値は、ＬＩＤＡＲチップシステムの設定における光学チップのキャリブレーションから測定することができる。
複合光信号のパワーがパワー閾値を超えたときに、光センサは飽和状態になることがある。光センサが飽和状態になると、データ信号の大きさは最大値になる。複合光信号のパワーがパワー閾値を超えてさらに増加することにもかかわらず、この最大値は増加しない。従って、複合光信号のパワーがパワー閾値を超えると、データは失われることができる。動作中、複合光信号のパワーがパワー閾値以下に維持されるように、電子機器６２は、データ光減衰器４４による減衰のレベルを調整することができる。
図１から明らかなように、サンプリング信号の大きさは、比較信号のパワーに関連している。従って、電子機器６２は、サンプリング信号からの出力に応じてデータ光減衰器４４を操作することができる。例えば、電子機器６２は、サンプリング信号の大きさが比較信号閾値の上限を超えたパワーを示すときに、比較信号の減衰を増加させるようにデータ光減衰器を操作することができ、かつ/または、サンプリング信号の大きさが比較信号閾値の下限を下回ったパワーを示すときに、比較信号の減衰を減少させるようにデータ光減衰器を操作することができる。例えば、いくつかの例では、電子機器６２は、サンプリング信号の大きさが比較信号閾値の上限以上であるときに、比較信号の減衰を増加させることができ、かつ/または電子機器６２は、サンプリング信号の大きさが比較信号閾値の上限以下であるときに、比較信号の減衰を減少させることができる。
上述したように、電子機器６２は、出力光減衰器４６による減衰のレベルをサンプリング信号に応じて調整することができる。出力光減衰器４６による減衰のレベルをサンプリング信号に応じて調整することに加えて、またはその代替として、電子機器６２は、データ光減衰器４４による減衰のレベルをサンプリング信号に応じて調整することができる。
前記チップに適切なプラットフォームには、シリカ、リン化インジウム、及びシリコン・オン・インシュレータウエハが含まれるが、これらに限定されない。図２は、シリコン・オン・インシュレータウエハプラットフォーム上に構築されたチップの一部の断面図である。シリコン・オン・インシュレータ(ＳＯＩ)ウエハは、基板８４上に埋め込まれた層８２を含むベース８１の上に配置された透光性媒体８０を含む。該埋め込まれた層８２は、前記透光性媒体８０と基板８４との間にある。シリコン・オン・インシュレータウエハでは、前記埋め込まれた層はシリカであり、一方、前記基板及び透光性媒体はシリコンである。ＳＯＩウエハのような光学プラットフォームの基板は、前記チップ全体のベースとして機能することができる。例えば、図１に示される光学要素を前記基板の上面及び/または側面上に、またはその上に配置してもよい。
図２に示されたチップの部分は、シリコン・オン・インシュレータウエハから構築されたチップと共に使用するのに適した導波路構造を含む。透光性媒体のリッジ８６は、該透光性媒体の平板領域８８から離れて延伸する。光信号は、該リッジの頂部と埋め込まれた酸化物層との間に拘束される。
リッジ導波路の寸法は、図２に標記されている。例えば、該リッジは、ｗと表記された幅及びｈと表記された高さを有している。該平板領域の厚さは、Ｔと表記される。ＬＩＤＡＲへの応用において、これらの寸法は、他の用途よりも重要である。なぜなら、他の用途で使用されるよりも高いレベルの光パワーを使用する必要があるからである。リッジ幅(ｗと表記)は１μｍより大きく４μｍ未満であり、リッジ高さ(ｈと表記)は１μｍより大きく４μｍ未満であり、また平板領域の厚さは０.５μｍより大きく３μｍ未満である。これらの寸法は、導波路の直線部または実質的に直線部、導波路の湾曲部、及び導波路の先細部に適用することができる。従って、導波路のこれらの部分は単一モードであろう。しかし、いくつかの例では、これらの寸法は、導波路の直線または実質的に直線部に適用される一方、導波路の湾曲部及び/または導波路の先細部は、これらの範囲外の寸法を有する。例えば、図１に示すユーティリティ導波路１６の先細部の幅及び/または高さは、４μｍを超えてもよく、４μｍ～１２μｍの範囲内であってもよい。加えて、または代替として、導波路の湾曲部における光損失を低減するために、導波路湾曲部の平板の厚さを小さくしてもよい。例えば、導波路の湾曲部は、厚さ０.０μｍ以上０.５μｍ未満の平板領域から離れて延伸するリッジを有してもよい。上記の寸法は、一般に、単一モードの構造を有する導波路の直線部または実質的に直線部に適用するが、それらは、複合モードである先細部及び/または湾曲部にも適用できる。高次モードを実質的に励起しないテーパを用いて、複合モードの幾何学的形状と単一モードの幾何学的形状とを結合することができる。従って、複合モードの寸法を有する導波路の部分で運ばれても、導波路内で運ばれる信号が単一モードで運ばれるように、導波路を構築することができる。図２の導波路構築物は、空洞導波路１２、ユーティリティ導波路１６、参照導波路２７、比較導波路３０、第１検出器導波路３６、第２検出器導波路３８、サンプリング導波路５２、制御導波路５７、及び干渉計導波路６０からなる群から選択される導波路の全部または一部に適している。図２の文脈に開示された導波路構築物は、以下に開示されるステアリング導波路にも適している。
ユーティリティ導波路１６とインターフェース接続された光源１０は、前記チップとは別個の構成要素であって、それに取り付けられる利得要素であってもよい。例えば、光源１０は、フリップチップ配列で前記チップに取り付けられた利得要素であってもよい。
光源１０をシリコン・オン・インシュレータウエハから構築されたチップ上のリッジ導波路とインターフェース接続する場合に、フリップチップ配列を使用することは適切である。シリコン・オン・インシュレータウエハから構築されたチップ上でフリップチップ利得要素とリッジ導波路との間の適切なインターフェースの例は、２０１７年７月１１日に発行された米国特許第９,７０５,２７８号及び１９９９年１１月２３日に発行された米国特許第５,９９１,４８４号に記載されており、そのいずれも全体として本明細書に組み込まれる。これらの構築物は光源１０として適用できる。光源１０が利得要素である場合、電子機器６２は、該利得要素を介して印加される電流のレベルを変化させることによって、出発ＬＩＤＡＲ信号の周波数を変化させることができる。
減衰器は、前記チップから分離され、該チップに取り付けられる構成要素であってもよい。例えば、減衰器は、フリップチップ配列で前記チップに取り付けられた減衰器チップ上に含まれてもよい。データ減衰器及び制御減衰器からなる群から選択された全部または一部の減衰器に減衰器チップを適用できる。
別の構成要素上に減衰器を含むことの代わりに、減衰器の全部または一部を前記チップと一体化することができる。例えば、シリコン・オン・インシュレータウエハから構築されたチップ上のリッジ導波路とインターフェース接続される減衰器の例は、１９９９年６月１日に発行された米国特許第５,９０８,３０５号に記載され、その全体として本明細書に組み込まれる。前記チップと一体化された減衰器は、データ減衰器及び制御減衰器からなる群から選択された光センサの全部または一部に適用できる。
チップ上で導波路とインターフェース接続される光センサは、前記チップから分離され、該チップに取り付けられる構成要素であってもよい。例えば、該光センサは、フォトダイオードまたはアバランシェフォトダイオードであってもよい。適切な光センサ構成要素の例には、浜松社（所在地：日本浜松市）によって製造されたＩｎＧａＡｓ ＰＩＮフォトダイオードまたはＩｎＧａＡｓ ＡＰＤ（アバランシェフォトダイオード）が含まれるが、これらに限定されない。これらの光センサを、図１に示すように前記チップ上の中央に配置してもよい。あるいは、光センサで終端する導波路の全部または一部は、前記チップの縁部に位置するファセット１８で終端することができる。また、該光センサがファセット１８を通過する光を受信するように、光センサをファセット１８上のチップの端に取り付けることができる。前記チップから独立した別の構成要素の光センサを第１光センサ４０、第２光センサ４２、サンプリング光センサ５４、及び制御光センサ６１からなる群から選択された全部または一部の光センサに適用できる。
独立した構成要素の光センサの代替として、全部または一部の光センサを前記チップと一体化することができる。例えば、シリコン・オン・インシュレータウエハから構築されたチップ上のリッジ導波路とインターフェース接続される光センサの例は、Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ第１５集、第２１号、１３９６５―１３９７１（２００７）；２０１２年１月１０日に発行された米国特許第８,０９３,０８０号；２０１２年８月１４日に発行された米国特許第８,２４２,４３２号；及び２０００年８月２２日に発行された米国特許第６,１０８,８４７２号に記載され、それらの全体として本明細書に組み込まれる。第１光センサ４０、第２光センサ４２、サンプリング光センサ５４、及び制御光センサ６１からなる群から選択され全部または一部の光センサに前記チップと一体化された光センサを適用できる。
様々な光学装置プラットフォームと一体化された光学格子の構築が利用可能である。例えば、リッジの頂部及び/または後側に溝を形成し、ブラッグ格子をリッジ導波路内に形成することができる。
ＬＩＤＡＲチップは、１つのＬＩＤＡＲ出力信号または複数の異なるＬＩＤＡＲ出力信号を生成するように改変することができる。例えば、図３Ａは、１つ以上の異なるＬＩＤＡＲ出力信号を生成するように改変された図１のＬＩＤＡＲチップの概略図である。該ＬＩＤＡＲチップは、波長がそれぞれ異なる１つ以上の異なるチャンネルを含む出発光信号を出力する光源１１０を備えた要素組立８を含む。これらのチャンネルの波長は、１つのチャンネルから次のチャンネルへの波長の増加が一定または実質的に一定であるように周期的に間隔を置いておくことができる。単一チャンネルを生成するための適切な光源１１０は、図１～図２の文脈で開示されている。周期的に間隔を置いて配置された波長を有する複数のチャンネルを生成するための適切な光源１１０には、櫛型レーザ、単一の光導波路に多重化された複数の単一波長レーザ、２０１７年１１月３０日に出願された米国特許出願シリアル番号１１/９９８,８４６、「マルチチャンネル光学装置」と題する米国特許第７５４２６４１号（その全体として本明細書に組み込まれる。）に記載されているような光源が含まれるが、これらに限定されない。
ユーティリティ導波路１６は、光源１１０から出発光信号を受信する。変調器１１４は、任意に、ユーティリティ導波路１６に沿って配置される。変調器１１４は、出発光信号、及びそれによるＬＩＤＡＲ出力信号のパワーを変調するように構成される。電子機器６２は、変調器１１４を操作することができる。その結果、電子機器６２は、出発ＬＩＤＡＲ信号、及びそれによるＬＩＤＡＲ出力信号のパワーを変調することができる。適切な変調器１１４には、ＰＩＮダイオードキャリア注入装置、マッハ-ツェンダー変調器装置、及び電気吸収変調器装置が含まれるが、これらに限定されない。変調器１１４がサイバー・オン・インシュレータプラットフォーム上に構築される場合の適切な変調器は、１９９３年９月２１日に出願された米国特許出願シリアル番号６１７,８１０、「集積シリコンＰＩＮダイオード電気光学導波路」に開示され、その全体として本明細書に組み込まれる。
ユーティリティ導波路１６は、変調器１１４から出発光信号を信号誘導要素１１８に運ぶ。該信号誘導要素１１８は、出発光信号をＬＩＤＡＲ分岐１２０及び/またはデータ分岐１２２に方向付けることができる。該ＬＩＤＡＲ分岐は、ＬＩＤＡＲ出力信号を出力し、ＬＩＤＡＲ入力信号を受信する。該データ分岐は、ＬＩＤＡＲデータ(ＬＩＤＡＲ出力信号源と反射物体との間の距離及び/または視線速度)を生成するためにＬＩＤＡＲ入力信号を処理する。
ＬＩＤＡＲ分岐は、信号誘導要素１１８から出発ＬＩＤＡＲ信号の少なくとも一部を受信するＬＩＤＡＲ信号導波路１２４を含む。該ＬＩＤＡＲ信号導波路１２４は、出発ＬＩＤＡＲ信号の少なくとも一部をファセット１８に運ぶ。該ファセット１８は、光増幅器２０の第１ファセット１９と光学的に整列される。該光増幅器は、第２ファセット２２で終端する増幅器導波路２１を含む。出発ＬＩＤＡＲ信号は、第１ファセット１９を通ってユーティリティ導波路１６のファセット１８を通過し、増幅器導波路２１内に受信される。該増幅器導波路２１は、出発ＬＩＤＡＲ信号を第２ファセット２２に運ぶ。第２ファセット２２を通って移動する出発ＬＩＤＡＲ信号が前記チップを出射してＬＩＤＡＲ出力信号として機能するように、該第２ファセット２２を配置してもよい。例えば、第２ファセット２２をＬＩＤＡＲチップの縁部にまたはその近くに配置して、第２ファセット２２を通って移動する出発ＬＩＤＡＲ信号が該チップを出射するようにすることができる。前記出発ＬＩＤＡＲ信号が波長の異なる複数の異なるチャネルを含む場合、該出発ＬＩＤＡＲ信号を、異なる波長(チャネル)で、それぞれが視野内の異なるサンプル領域に方向付けられる複数のＬＩＤＡＲ出力信号に分離することができる。前記出発ＬＩＤＡＲ信号を、光フェーズドアレイ(ＯＰＡ)のような波長分散装置によって複数のＬＩＤＡＲ出力信号に分離することができる。いくつかの例では、前記ＬＩＤＡＲ出力信号は、ＬＩＤＡＲシステムから離れて移動し、システム出力信号として機能する。いくつかの例では、ＬＩＤＡＲシステムから離れて移動し、該ＬＩＤＡＲシステムを含むか、またはそれからなるＬＩＤＡＲシステム出力信号は、信号を出力し、システム出力信号として機能する。該システム出力信号は、ＬＩＤＡＲシステムの外部に配置された反射物体(図示せず)によって反射され得る。反射された光の全部または一部は、入射ＬＩＤＡＲ信号として増幅器２０に戻る。
ＬＩＤＡＲ信号導波路１２４は、入射ＬＩＤＡＲ信号を信号誘導要素１１８に運ぶ。該信号誘導要素１１８は、前記入射光信号をユーティリティ導波路１６及び/または比較信号導波路１２８に方向付ける。該比較信号導波路１２８に方向付けられた入射ＬＩＤＡＲ信号の部分は、比較入射ＬＩＤＡＲ信号として機能する。
前記比較信号導波路１２８は、前記比較入射ＬＩＤＡＲ信号を比較分波器１３０に運ぶ。該比較光信号が複数のチャンネルを含む場合、該比較分波器１３０は、比較入射ＬＩＤＡＲ信号を異なる波長を有する比較信号に分割する。比較分波器１３０は、比較信号を異なる比較導波路１３２上に出力する。比較導波路１３２は、それぞれ、比較信号のうちの１つを異なる処理要素１３４に運ぶ。
信号誘導要素１１８は、信号誘導要素１１８が入射ＬＩＤＡＲ信号の少なくとも一部を比較導波路１３２に方向付けるとき、信号誘導要素１１８はまた、出発ＬＩＤＡＲ信号の少なくとも一部を参照信号導波路１３６に方向付けるように構成される。参照信号導波路１３６によって受信された出発ＬＩＤＡＲ信号の部分は、参照光信号として機能する。
参照信号導波路１３６は、参照光信号を参照分波器１３８に運ぶ。参照光信号が複数のチャンネルを含む場合、参照分波器１３８は、参照光信号を、それぞれ異なる波長を有する異なる参照信号に分割する。参照分波器１３８は、参照信号を異なる参照導波路１４０上に出力する。参照導波路１４０は、それぞれ、参照信号の１つを処理要素１３４の異なる１つに運ぶ。
比較導波路１３２及び参照導波路１４０は、比較信号及び対応する参照信号が同一の処理要素１３４で受信されるように構成されている。例えば、比較導波路１３２及び参照導波路１４０は、比較信号及び対応する同一波長の参照信号が同一の処理要素１３４で受信されるように構成されている。
以下でより詳しく説明されるように、処理要素１３４は、それぞれ、比較信号を対応する参照信号と結合して、視野上のサンプル領域のＬＩＤＡＲデータを運ぶ複合信号を形成する。従って、複合信号を処理して、サンプル領域のＬＩＤＡＲデータを抽出することができる。
信号誘導要素１１８は、光結合部であってもよい。信号誘導要素１１８が光結合部である場合、信号誘導要素１１８は、出発光信号の第１部分をＬＩＤＡＲ信号導波路１２４に、出発光信号の第２部分を参照信号導波路１３６に方向付けると共に、入射光信号の第１部分をユーティリティ導波路１６に、入射光信号の第２部分を比較信号導波路１２８に方向付ける。従って、入射ＬＩＤＡＲ信号の第２部分は、比較入射ＬＩＤＡＲ信号として機能することができ、出発ＬＩＤＡＲ信号の第２部分は、参照光信号として機能することができる。
信号誘導要素１１８は、交差スイッチのような光スイッチであってもよい。適切な交差スイッチは、クロスモードまたはパスモードで動作することができる。パスモードでは、出発ＬＩＤＡＲ信号は、ＬＩＤＡＲ信号導波路１２４に方向付けられ、入射ＬＩＤＡＲ信号は、ユーティリティ導波路１６に方向付けられるであろう。クロスモードでは、出発ＬＩＤＡＲ信号は、参照信号導波路１３６に方向付けられ、入射ＬＩＤＡＲ信号は、比較信号導波路１２８に方向付けられる。従って、入射ＬＩＤＡＲ信号または入射ＬＩＤＡＲ信号の一部は、比較光信号として機能することができ、また出発ＬＩＤＡＲ信号または出発ＬＩＤＡＲ信号の一部は、参照光信号として機能することができる。
交差スイッチのような光スイッチを電子機器で制御することができる。例えば、電子機器は、スイッチがクロスモードまたはパスモードにあるようにスイッチ操作を制御することができる。ＬＩＤＡＲ出力信号がＬＩＤＡＲシステムから送信される場合、該スイッチがパスモードにあるように電子機器はスイッチを操作する。ＬＩＤＡＲ入力信号がＬＩＤＡＲシステムによって受信される場合、該スイッチが交差モードにあるように電子機器はスイッチを操作する。光結合部を信号誘導要素１１８として使用する場合より、スイッチを使用することによって、光損失のレベルをより低くすることができる。
信号誘導要素１１８の動作に関する上記の説明では、前記比較光信号及び前記参照光信号は、同時にデータ分岐に方向付けられる。その結果、処理要素３４は、それぞれ、比較信号を対応する参照信号と結合することができる。
レーザ光源からの光は、典型的には線形的に偏光されるので、ＬＩＤＡＲ出力信号も、典型的には線形的に偏光される。標的からの反射は、戻り光の偏光角を変化させることがある。従って、ＬＩＤＡＲ入力信号は、異なる線形偏光の光を含むことができる。例えば、ＬＩＤＡＲ入力信号の第１部分は、第１線形偏光の光を含むことができ、ＬＩＤＡＲ入力信号の第２部分は、第２線形偏光の光を含むことができる。得られた複合信号の強度は、比較信号偏光と参照信号偏光との間の角度の余弦の２乗に比例する。該角度が９０度であれば、ＬＩＤＡＲデータは、結果としての複合信号において失われることがある。その結果、ＬＩＤＡＲ出力信号偏光の変化を補償するように、ＬＩＤＡＲシステムを改変することができる。
図３Ｂは、信号誘導要素１１８として光循環器を含むように改変された図３ＡのＬＩＤＡＲシステムを示している。該光循環器は、出発光信号がＬＩＤＡＲ信号導波路１２４に方向付けられ、入射ＬＩＤＡＲ信号が比較信号導波路１２８に方向付けられるように構成されている。比較信号導波路１２８は、比較分波器１３０に比較入射ＬＩＤＡＲ信号を運ぶ。さらに、タップ要素１４４は、ユーティリティ導波路１６に沿って配置される。該タップ要素１４４は、出発ＬＩＤＡＲ信号の第１部分が参照信号導波路１３６上で受信されるように、出発ＬＩＤＡＲ信号の第１部分をタップオフするように構成される。参照信号導波路１３６によって受信された出発ＬＩＤＡＲ信号の第１部分は、参照光信号として機能する。参照信号導波路１３６は、参照光信号を参照分波器１３８に運ぶ。従って、図３Ａの文脈に開示されているように、電子機器は、図３ＢのＬＩＤＡＲシステムを操作することができる。適切な光循環器には、ファラデー回転子ベースの光ファイバ循環器及び一体化された光循環器が含まれるが、これらに限定されない。図３Ｂの信号誘導要素１１８は光循環器として開示されているが、図３Ｂの信号誘導要素１１８は、光結合部または光スイッチであってもよい。
図４は、ＬＩＤＡＲ出力信号の偏光の変化を補償するように、図３Ａ及び/または図３ＢのＬＩＤＡＲシステムを改変したもの概略図である。タップ要素１４４は、ユーティリティ導波路１６に沿って配置されている。該タップ要素１４４は、出発ＬＩＤＡＲ信号の第１部分をタップオフするように構成されている。これにより、出発ＬＩＤＡＲ信号の第１部分が第１参照信号導波路１４６上に受信される。第１参照信号導波路１４６によって受信された出発ＬＩＤＡＲ信号の第１部分は、第１参照光信号として機能する。また、該タップ要素１４４は、出発ＬＩＤＡＲ信号の第２部分をタップオフするように構成されている。これにより、出発ＬＩＤＡＲ信号の第２部分が第２参照信号導波路１４８上に受信される。第２参照信号導波路１４８によって受信された出発ＬＩＤＡＲ信号の第２部分は、第２参照光信号として機能する。
第１参照信号導波路１４６は、第１参照光信号を第１参照分波器１５０に運ぶ。該第１参照光信号が複数のチャンネルを含む場合、第１参照分波器１５０は、該第１参照光信号を、それぞれ異なる波長を有する異なる第１参照信号に分割する。第１参照分波器１５０は、第１参照信号を異なる第１参照導波路１５２上に出力する。第１参照導波路１５２は、それぞれ、第１参照信号のうちの１つをいくつかの第１処理要素１５４のうちの１つに運ぶ。
第２参照信号導波路１４８は、第２参照光信号を第２参照分波器１５６に運ぶ。該第２参照光信号が複数のチャンネルを含む場合、第２参照分波器１５６は、該第２参照光信号を、それぞれ異なる波長を有する異なる第２参照信号に分割する。第２参照分波器１５６は、第２参照信号を異なる第２参照導波路１５８上に出力する。第２参照導波路１５８は、それぞれ、第２参照信号のうちの１つをいくつかの第２処理要素１６０のうちの１つに運ぶ。
ユーティリティ導波路１６は、出発ＬＩＤＡＲ信号を信号誘導要素１１８に運ぶ。該信号誘導要素１１８は、出発ＬＩＤＡＲ信号をＬＩＤＡＲ信号導波路１２４に方向付ける。該ＬＩＤＡＲ信号導波路１２４は、増幅器２０から入射ＬＩＤＡＲ信号を受信し、該入射ＬＩＤＡＲ信号を信号誘導要素１１８に運ぶ。該信号誘導要素１１８は、前記入射ＬＩＤＡＲ信号を中間導波路１６２に方向付ける。適切な信号誘導要素１１８には、循環器、２×２光結合部、１×２光結合部、及びスイッチが含まれるが、これらに限定されない。
中間導波路１６２は、受信された入射ＬＩＤＡＲ信号の部分をビーム分割器１６４に運ぶ。該ビーム分割器１６４は、光線を前駆比較入射信号及び第２比較入射信号に分割する。該前駆比較入射信号は、前駆比較信号導波路１６５上で受信され、該第２比較入射信号は、第２比較信号導波路１６６上に受信される。該前駆比較信号導波路１６５は、前駆比較入射信号を偏光回転子１６７に運ぶ。偏光回転子は、第１比較信号導波路１６９上に受信された第１比較入射信号を出力する。該第１比較信号導波路１６９は、第１比較入射信号を第１比較分波器１６８に運び、第２比較信号導波路１６６は、第２比較入射信号を第２比較分波器１７０に運ぶ。
第１比較入射ＬＩＤＡＲ信号が複数のチャンネルを含む場合、第１比較分波器１６８は、該第１比較入射ＬＩＤＡＲ信号を、それぞれ異なる波長を有する異なる第１比較信号に分割する。該第１比較分波器１６８は、第１比較信号を異なる第１比較導波路１７２上に出力する。該第１比較導波路１７２は、それぞれ、第１比較信号のうちの１つを異なる第１処理要素１５４に運ぶ。
第２比較光信号が複数のチャンネルを含む場合、第２比較分波器１７０は、第１比較入射ＬＩＤＡＲ信号を、それぞれ異なる波長を有する異なる第２比較信号に分割する。前記第２比較分波器１７０は、第２比較信号を異なる第２比較導波路１７４上に出力する。該第２比較導波路１７４は、それぞれ、第２比較信号のうちの１つを異なる第２処理要素１６０に運ぶ。
第１比較導波路１７２及び第１参照導波路１５２は、比較信号及び対応する参照信号が同一の第１処理要素１５４で受信されるように構成される。例えば、第１比較導波路１７２及び第１参照導波路１５２は、第１比較信号及び同一波長の第１参照信号が同一の第１処理要素１５４で受信されるように構成される。
第２比較導波路１７４及び第２参照導波路１５８は、比較信号及び対応する参照信号が同一の第２処理要素１６０で受信されるように構成される。例えば、第２比較導波路１７４及び第２参照導波路１５８は、第２比較信号及び同一波長の第２参照信号が同一の第２処理要素１６０で受信されるように構成される。
第１処理要素１５４は、それぞれ、第１比較信号を対応する第１参照信号と結合して、視野上のサンプル領域のＬＩＤＡＲデータを運ぶ第１複合信号を形成する。第２処理要素１６０は、それぞれ、第２比較信号を対応する第２参照信号と結合して、視野上のサンプル領域のＬＩＤＡＲデータを運ぶ第２複合信号を形成する。
ＬＩＤＡＲシステムは、第１比較信号が対応する第２比較信号と同じ偏光角を有するように構築される。例えば、ビーム分割器１６４は、偏光ビーム分割器であってもよい。偏光ビーム分割器の一例は、前駆比較入射信号中のチャンネルが第１偏光を有するが、第２偏光を有しなく、または実質的に有しないように、かつ、第２比較入射信号中のチャンネルが第２偏光を有するが、第１偏光を有しなく、または実質的に有しないように構築される。例えば、偏光ビーム分割器は、第１偏光を有する入射ＬＩＤＡＲ信号の一部を前駆比較信号導波路１６５に導き、かつ、第２偏光を有する入射ＬＩＤＡＲ信号の一部を第２比較信号導波路１６６に誘導することができる。第１偏光及び第２偏光は線形の偏光であってもよく、第２偏光は第１偏光とは異なる。例えば、第１偏光はＴＥであってもよく、第２偏光はＴＭであってもよい。あるいは、第１偏光はＴＭであってもよく、第２偏光はＴＥであってもよい。適切なビーム分割器には、ウォラストンプリズム、非対称なｙ分岐を用いるＭＥＭベースの偏光ビーム分割器及び一体化された光学偏光ビーム分割器、マッハツェンダー干渉計、及び複合モード干渉結合器が含まれるが、これらに限定されない。
偏光回転子は、前駆比較入射信号におけるチャンネルの偏光を第１偏光から第２偏光に変化させるように構成することができる。その結果、第１比較入射信号のチャンネルは、第２偏光を有するが、第１偏光を有しなく、または実質的に有しない。従って、第１比較入射信号におけるチャンネル及び第２比較入射信号における対応のチャンネルは、それぞれ同じ偏光(この議論では第２偏光)を有する。前記第１比較入射信号から生じる第１比較信号は、第２比較入射信号から生じる対応の第２比較信号と同じ偏光角を有する。適切な偏光回転子には、偏光保持ファイバの回転、ファラデー回転子、半波プレート、非対称なｙ分岐を用いるＭＥＭベースの偏光回転子及び一体化された光学偏光回転子、マッハツェンダー干渉計、及び複合モード干渉結合器が含まれるが、これらに限定されない。
ＬＩＤＡＲ出力信号は線形的に偏光されるので、第１参照信号は、対応する第２参照信号と同じ線形偏光角を有することができる。例えば、第１参照信号及び第２参照信号は、それぞれ、第１比較入射信号及び第２比較入射信号と同じ偏光を有することができる。従って、第１比較信号、第２比較信号、第１参照信号、及び第２参照信号は、それぞれ同じ偏光を有することができる。この例では、第１比較信号、第２比較信号、第１参照信号、及び第２参照信号は、それぞれ、第２偏光の光を有することができる。
上記配置の結果、前記第１複合信号は、同一偏光の参照信号と比較信号との組合せから由来し、それにより、所望の該参照信号と比較信号との間の拍動を提供するであろう。例えば、前記第１複合信号は、それぞれ、第１偏光の参照信号と比較信号との組合せから由来し、第２偏光の光を除外または実質的に除外する。あるいは、前記第１複合信号は、それぞれ、第２偏光の参照信号と比較信号との組合せから由来し、第１偏光の光を除外または実質的に除外する。同様に、前記第２複合信号は、それぞれ、同じ偏光の参照信号及び比較信号を含み、それにより、所望の参照信号と比較信号との間の拍動を提供するであろう。例えば、前記第２複合信号は、それぞれ、第１偏光の参照信号と比較信号との組合せから由来し、第２偏光の光を除外または実質的に除外し、あるいは、前記第１複合信号は、第２偏光の参照信号と比較信号との組合せから由来し、第１偏光の光を除外または実質的に除外する。
上記の配置により、視野内の１つのサンプル領域のＬＩＤＡＲデータが、該サンプル領域に生成された複数の異なる複合信号(即ち、第１複合信号及び第２複合信号)に表示される。いくつかの例では、サンプル領域のＬＩＤＡＲデータを測定することは、異なる複合信号(即ち、第１複合信号及び第２複合信号)からＬＩＤＡＲデータを組合せる電子機器を含む。ＬＩＤＡＲデータを組合せることは、複数の異なる複合信号から生成されるＬＩＤＡＲデータの平均、中央値、またはモードを取ることを含むことができる。例えば、電子機器は、第１複合信号から測定されたＬＩＤＡＲ出力信号の供給源と反射物体との間の距離、及び第２複合信号から測定された該距離を平均化でき、かつ/または電子機器は、第１複合信号から測定されたＬＩＤＡＲ出力信号の供給源と反射物体との間の視線速度、及び第２複合信号から測定された該視線速度を平均化できる。
いくつかの例では、サンプル領域のＬＩＤＡＲデータを測定することは、１つ以上の複合信号（即ち、第１複合信号及び/または第２複合信号)を最も現実的なＬＩＤＡＲデータ(代表的なＬＩＤＡＲデータ)の供給源として識別する電子機器を含む。次いで、電子機器は、他の処理に使用するため、識別された複合信号からのＬＩＤＡＲデータを代表的なＬＩＤＡＲデータとして使用できる。例えば、電子機器は、前記代表的なＬＩＤＡＲデータを有することでより大きな振幅をもつ信号(第１複合信号または第２複合信号)を識別でき、ＬＩＤＡＲシステムによる更なる処理のために、識別された信号からＬＩＤＡＲデータを使用できる。いくつかの例では、電子機器は、代表的なＬＩＤＡＲデータを用いて複合信号を識別することと異なるＬＩＤＡＲ信号からのＬＩＤＡＲデータを組合せることを組合せる。例えば、電子機器は、代表的なＬＩＤＡＲデータを有することで振幅閾値より上の振幅をもつ各々の複合信号を識別でき、２つより多い複合信号が代表的なＬＩＤＡＲデータを有するものとして識別される場合、該電子機器は、識別された各複合信号からのＬＩＤＡＲデータを組合せることができる。１つの複合信号が代表的なＬＩＤＡＲデータを有するものとして識別される場合、電子機器は、その複合信号からのＬＩＤＡＲデータを代表的なＬＩＤＡＲデータとして使用できる。複合信号のいずれも、代表的なＬＩＤＡＲデータを有するものとして識別されない場合、電子機器は、これらの複合信号に関連するサンプル領域のＬＩＤＡＲデータを廃棄できる。
図４の説明では、第１比較信号、第２比較信号、第１参照信号、及び第２参照信号はそれぞれ第２偏光を有するように構成要素が配置されているが、図４の構成要素を、第１複合信号が同じ線形偏光の参照信号と比較信号とを組合せた結果、また、第１複合信号が同じ線形偏光の参照信号と比較信号とを組合せた結果となるように配置することもできる。例えば、前記偏光回転子を、前駆比較信号導波路１６５と第１比較信号導波路１６９との間ではなく、第１参照信号導波路１４６に沿って配置してもよい。別の例として、第１参照信号及び第２参照信号がそれぞれ第１偏光を有する場合、偏光回転子を第２比較信号導波路１６６に沿って配置してもよい。
上記のシステム構成によって、ＬＩＤＡＲ入力信号の第１部分(第１偏光の部分)及びＬＩＤＡＲ入力信号の第１部分(第２偏光の部分)は、異なる複合信号に方向付けられる。例えば、該システム構成によって、第１複合信号が、第１複合信号よりもＬＩＤＡＲ入力信号の第１部分から多くのパワーを含み、かつ、第２複合信号が、第１複合信号よりもＬＩＤＡＲ入力信号の第２部分から多くのパワーを含むことができる。あるいは、該システム構成によって、第１複合信号が、第１複合信号よりもＬＩＤＡＲ入力信号の第２部分から多くのパワーを含み、かつ、第２複合信号が、第１複合信号よりもＬＩＤＡＲ入力信号の第１部分から多くのパワーを含む。いくつかの例では、ＬＩＤＡＲ入力信号の第１部分は、パワーを有しなく、または実質的にパワーを有しない。または、ＬＩＤＡＲ入力信号の第２部分は、パワーを有しなく、または実質的にパワーを有しない。
図３Ａ～図４のＬＩＤＡＲチップは、複数のＬＩＤＡＲ出力信号を生成する文脈で開示されているが、１つのＬＩＤＡＲ出力信号を生成または出力するように図３Ａ～図４のＬＩＤＡＲチップを構成し、かつ/または操作してもよい。例えば、光源１１０は、単一のチャンネルを出力することができる。
ＬＩＤＡＲチップは、１つ以上のＬＩＤＡＲ出力信号を生成し、いずれのＬＩＤＡＲ出力信号を用いて、ＬＩＤＡＲデータ(ＬＩＤＡＲシステムと反射物体との間の距離及び/または視線速度)を含む光信号及び/または電気信号を生成するようにそれぞれ構成された1つ以上の要素組立を含むことができる。例えば、図５は、それぞれ図３Ａに従って構築された複数の要素組立を含むＬＩＤＡＲチップを示している。
いずれの異なる要素組立からの出発ＬＩＤＡＲ信号は、それぞれ異なる増幅器で受信されることができる。対照的に、図５は、複数の増幅器２０を含む増幅器チップ１７４で受信されたいずれの異なる要素組立からの出発ＬＩＤＡＲ信号を示している。増幅器チップ１７４上の各増幅器２０は、該出発ＬＩＤＡＲ信号の異なる１つを受信する。
図５は、同一のＬＩＤＡＲチップ上に含まれる複数の要素組立を示しているが、該複数の要素組立を異なるＬＩＤＡＲチップ上に含めてもよく、異なるＬＩＤＡＲチップを共通の基板(図示せず)上に配置してもよい。例えば、図３Ａに従って構築された複数のＬＩＤＡＲチップを共通の基板上に配置してもよい。
図１Ａ～図５のＬＩＤＡＲチップは、各々が１つのＬＩＤＡＲチップ導波路と光学的に整列されているが、いずれの他のＬＩＤＡＲチップ導波路と光学的に整列されていない１つ以上の増幅器導波路を含む。ＬＩＤＡＲチップ導波路をＬＩＤＡＲチップと一体化することができる。いくつかの例では、前記ＬＩＤＡＲチップ導波路は、ベース８１の上に完全にまたは部分的に配置される。それにより、ベース８１に垂直なラインが、ベース８１上に配置されたＬＩＤＡＲチップ導波路の部分の全体にわたって、該ＬＩＤＡＲチップ導波路を通過することができる。その結果、いくつかの例では、ＬＩＤＡＲチップ導波路は、ＬＩＤＡＲチップ導波路の長さの全部または一部に対してベース８１に対して固定される。いくつかの例では、ＬＩＤＡＲチップ導波路は、図２に従って構築されたリッジ導波路のようなリッジ導波路である。図１Ａ～図５に示されている増幅器チップは、ＬＩＤＡＲチップの端部に配置され、それにより、１つ以上の増幅器導波路は、それぞれ、１つのＬＩＤＡＲチップ導波路のみと光学的に整列される。例えば、増幅器チップ上のファセットで開始し、ファセットに該増幅器チップから離れて出発ＬＩＤＡＲ信号の伝播の方向に、該ＬＩＤＡＲチップのいずれの部分も通過せずに延伸するようなラインを引けるように、増幅器チップをＬＩＤＡＲチップの端部に配置することができる。
実施形態では、増幅器チップをＬＩＤＡＲチップ上に配置し、それにより、第１ファセットが第１導波路のファセットと光学的に整列され、かつ、第２ファセットが第２導波路のファセットと光学的に整列される。この構成において、増幅器導波路は、第１導波路から光信号を受信し、第２導波路が増幅器導波路から該光信号を受信するように該光信号を誘導する。また、増幅器チップを構築し、それにより、光信号が増幅器導波路に入射するときの進行方向と、光信号が増幅器導波路を出射するときに進行方向との間の角度が、１８０°未満であるか、または９０°以下である。一例として、図６Ａに示されているＬＩＤＡＲチップの実施形態では、増幅器導波路２１が、ＬＩＤＡＲ信号導波路１２４(第１導波路)から出発光信号を受信し、ＬＩＤＡＲ信号導波路１７６(第２導波路)の第２部分が増幅器導波路２１から出発光信号を受信するように該光信号を誘導する。また、光信号が増幅器導波路２１に入射するときに進行方向は、該光信号が増幅器導波路２１を出射するときに進行方向と平行、または実質的に平行する。その結果、出発ＬＩＤＡＲ信号が増幅器導波路に入射するときの進行方向と出発ＬＩＤＡＲ信号が増幅器導波路から出射するときの進行方向との間の角度が０°または実質的に０°であり、従って、１８０°未満である。
図６Ａにおいて、ＬＩＤＡＲ信号導波路１７６の第２部分は、出発ＬＩＤＡＲ信号を出力要素１７８に運ぶ。出発光信号が異なる波長で複数の異なるチャネルを含む場合、出力要素１７８は、出発光信号を、それぞれ異なる波長(チャネル)で、視野内の異なるサンプル領域に向けられる複数のＬＩＤＡＲ出力信号に分離することができる。いくつかの例では、ＬＩＤＡＲ出力信号は、ＬＩＤＡＲシステムから離れて移動し、システム出力信号として機能する。他の例では、システム出力信号は、ＬＩＤＡＲシステムから離れて移動し、ＬＩＤＡＲ出力信号からの光を含むか、またはそれからなる。ＬＩＤＡＲシステムから離れて移動している間、システム出力信号は、ＬＩＤＡＲシステムの外部に配置された１つ以上の物体によって反射され得る。反射された光は、ＬＩＤＡＲデータを含む。反射された光の全部または一部は、ＬＩＤＡＲ入力信号として出力要素１７８に戻る。出力要素１７８は、ＬＩＤＡＲ入力信号を結合し、その結果をＬＩＤＡＲ信号導波路１７６の第２部分に入射光信号として出力する。
図６Ａの文脈に開示された増幅器チップを他のＬＩＤＡＲチップ導波路に沿って配置してもよい。例えば、図６Ｂは、ユーティリティ導波路に沿って配置された図６Ａの増幅器チップを示している。ユーティリティ導波路の第１部分１７７は、光源１１０から出発ＬＩＤＡＲ信号を受信し、該出発ＬＩＤＡＲ信号を増幅器チップ２０に運ぶ。増幅器導波路２１は、ユーティリティ導波路１７７の第１部分(第１導波路として)からの出発光信号を受信し、導波路１６(第２導波路として)が増幅器導波路２１から該出発光信号を受信するように該光信号を誘導する。図６Ｂの構成では、出発ＬＩＤＡＲ信号は、比較信号を増幅することなく増幅される。対照的に、図６Ａの構成は、出発ＬＩＤＡＲ信号及び結果としての比較信号の両方の増幅を提供する。
いくつかの例では、出力要素１７８はまた、ビーム操縦機能を備える。これらの例では、出力要素１７８は、電子機器６２と電気通信することができる。電子機器６２は、出力要素を操作し、１つ以上のＬＩＤＡＲ出力信号を視野内の異なるサンプル領域に操縦することができる。異なるＬＩＤＡＲ出力信号が独立して操縦されるか、または同時に操縦されるように、出力要素１７８及び/または電子装置６２を構成してもよい。
単一の増幅器チップは、図１～図５に従って構築された１つ以上の増幅器導波路及び図６Ａ～図６Ｂに従って構築された１つ以上の増幅器導波路を含んでもよい。
上記のＬＩＤＡＲシステムは、各要素組立内に単一の光源１１０を有するものとして図示されているが、該光源１１０は、複数の光源を含むことができる。例えば、図７は、各々がＮ個のチャンネルを生成するＭ個の副光源１１１を含む光源１１０を示している。該チャンネルは、それぞれチャンネル導波路１８０上に受信される。該チャンネル導波路は、前記ユーティリティ導波路１６上に受信される出発ＬＩＤＡＲ信号を形成するように、チャンネルを結合するチャンネル合波器１８２に前記チャンネルを運ぶ。
図７において、各チャンネルは、λi,jと表記されている。ここで、iが副光源１１１の数で、１～Ｍである。ｊが副光源ｊのチャンネルの数で、１～Ｎである。上述のように、副光源１１１は、チャンネルの波長が、１つのチャンネルから次のチャンネル(Δλ)への波長の増加が一定または実質的に一定であるよう、周期的に間隔を置いて配置されるように構成することができる。いくつかの例では、副光源１１１は、隣接する波長のチャンネルが異なる副光源１１１によって生成されるように構成されている。例えば、λi,j＝λ0＋((ｉ―１)＋（ｊ―１）（Ｍ）)(Δλ)となるように副光源１１１を構成することができる。該構成に適用する副光源１１１には、櫛型レーザが含まれるが、これに限定されない。該構成では、チャンネル合波器は、該チャンネル合波器の自由スペクトル範囲(ＦＳＲ)の倍数に等しい波長間隔（（Ｎ―１）＊Δλ）を有するように設計された環式合波器であってもよい。従って、波長範囲（（Ｎ―１）＊Δλ）にわたって循環するようにチャンネル合波器を設計してもよい。適切な環式合波器には、Ｇｅｍｆｉｒｅ社の「無色」ＡＷＧ(８チャンネル環式アレイ導波路格子、２０１８)が含まれるが、これに限定されない。
副光源１１１の適切な数(Ｍ)として、２、４または８以上、かつ/または１６、３２または６４未満の値が含まれるが、これらに限定されない。副光源１１１によって提供されるチャンネルの適切な数(Ｎ)として、２、４または８以上、かつ/または１６、３２または６４未満の値が含まれるが、これらに限定されない。１つのチャンネルから次のチャンネルへの波長増加(Δλ)の適値として、０．２ｎｍ、０．４ｎｍまたは０．６ｎｍ以上、かつ/または０．８ｎｍ、１．０ｎｍまたは１．５ｎｍ未満の値が含まれるが、これらに限定されない。最短波長を有するチャンネルの波長の適値として、１．３μｍ、１．４μｍまたは１．５μｍ以上、かつ/または１．６μｍ、１．７μｍまたは１．８μｍ未満の値が含まれるが、これらに限定されない。一例のＬＩＤＡＲシステムでは、Ｍが２、４または８以上、かつ/または１６、３２または６４未満であり、Ｎが２、４または８以上、かつ/または１６、３２または６４未満であり、また、Δλが０．２ｎｍ、０．４ｎｍまたは０．６ｎｍ以上、かつ/または０．８ｎｍ、１ｎｍまたは１．５ｎｍ未満である。
いくつかの例では、光源１１０は、光源１１１の少なくとも一部が、それぞれ、隣接する波長を有する２つ以上のチャンネルを生成するように構成されている。例えば、λi,j＝λ0＋((ｊ―１)＋（ｉ―１）（Ｎ）)(Δλ)になるように副光源１１１を構成してもよい。該構成に適用する副光源１１１には、櫛型レーザが含まれるが、これに限定されない。該構成では、チャンネル合波器は、少なくともＮΔλの帯域幅を有する広帯域合波器であってもよい。適切な広帯域合波器には、アレイ導波路格子(ＡＷＧ)及び薄膜フィルタが含まれるが、これらに限定されない。
上述したように、光源及び/または副光源のうちの１つ以上は、櫛型レーザであってもよい。しかし、該光源１１０について、他の構成も可能である。例えば、図８に示されたのは、複数のレーザ光源１８４を含む光源１１０または副光源１１１の一例である。図８に示された光源１１０または副光源１１１は、各々が光源導波路１８６上にチャンネルの１つを出力する複数のレーザ源１８４を含む。該光源導波路１８６は、チャンネルを結合して、チャンネル導波路またはユーティリティ導波路１６上に受信される光信号を形成するレーザ合波器１８８にチャンネルを運ぶ。該電子機器は、レーザ光源１８４を操作することができる。これにより、該レーザ光源１８４が各チャンネルを同時に出力する。図８に従って構築された光源１１０または副光源１１１と共に使用するのに適したレーザには、外部空洞レーザ、分布帰還型レーザ(ＤＦＢ)、及びＦаｂｒｙ―Ｐеｒｏｔ(ＦＰ)レーザが含まれるが、これらに限定されない。前記外部空洞レーザは、一般的に線幅が狭いため、該実施形態では有利である。これにより、検出された信号のノイズを低減できる。
図９は、光源１１０または副光源１１１構築物のもう一つ可能な例を示している。該光源１１０または副光源１１１は、半導体レーザの利得要素のような利得要素１９０を含む。利得導波路１９２は、該利得要素と光学的に整列されて、これにより、該利得要素から光信号を受信する。いくつかの例では、該利得導波路は、利得要素に含まれる利得媒体を除外する。例えば、利得導波路は、シリコン・オン・インシュレータチップ上のリッジ導波路であってもよい。複数の部分リターン装置１９４は、利得導波路に沿って配置される。これにより、該部分リターン装置が光信号と相互作用する。
動作中、電子機器は、前記利得媒体が光信号を出力するように利得要素を操作する。部分リターン装置１９４は、それぞれ、光信号の一部を通過させる。ユーティリティ導波路１６が部分リターン装置から受信する光信号の一部は、出発ＬＩＤＡＲ信号として機能する。該部分リターン装置はまた、前記光信号の一部を利得要素に戻す。これにより、該光信号の戻り部分が該利得要素を通過する。前記利得要素は、完全または部分的に反射層を含むことができる。この層は、利得要素から光信号の戻り部分を受信し、該光信号の戻り部分を反射して、利得要素に戻す。これは、該光信号の戻り部分が増幅し、レーザ発振することを可能にする。従って、前記光源１１０または副光源１１１は、外部空洞レーザであってもよい。
各部分リターン装置が異なる波長の光を戻すように、部分リターン装置を構成してもよい。例えば、光源１１０によって出力されることになっている各チャンネルの波長が、部分リターン装置のうちの少なくとも１つによって戻されるように、部分リターン装置を構成してもよい。その結果、所望のチャンネルは、それぞれ、レーザ発振し、出発ＬＩＤＡＲ信号中に存在するであろう。適切な部分リターン装置には、ブラッグ格子が含まれるが、これに限定されない。
処理要素１３４の全部または一部を、図１Ａの文脈に開示されているように構築及び/または操作することができる。しかし、該処理要素１３４は、他の構成及び/または動作原理を有してもよい。一例として、図１０Ａ～図１０Ｂは、ＬＩＤＡＲチップ及び/またはＬＩＤＡＲシステムに適用する処理要素１３４の一例を示している。第１分割器２０２は、参照導波路２７、１４０、１５２、または１５８上に担持された参照信号を第１参照導波路２１０及び第２参照導波路２０８に分割する。該第１参照導波路２１０は、前記参照信号の第１部分を光結合要素２１１に運ぶ。該第２参照導波路２０８は、前記参照信号の第２部分を第２光結合要素２１２に運ぶ。
第２分割器２００は、比較導波路３０、１３０、１７２、または１７４に担持された比較信号を第１比較導波路２０４及び第２比較導波路２０６に分割する。該第１比較導波路２０４は、前記比較信号の第１部分を光結合要素２１１に運ぶ。該第２比較導波路２０８は、前記比較信号の第２部分を第２光結合要素２１２に運ぶ。
第２光結合要素２１２は、比較信号の第２部分及び参照信号の第２部分を組合せて、第２複合信号とする。比較信号の第２部分と参照信号の第２部分との間の周波数の差により、第２複合信号は、比較信号の第２部分と参照信号の第２部分との間で拍動する。光結合要素２１２はまた、得られた第２複合信号を第１補助検出器導波路２１４及び第２補助検出器導波路２１６に分割する。
第１補助検出器導波路２１４は、第２複合信号の第１部分を第１補助光センサ２１８に運ぶ。該第１補助光センサ２１８は、第２複合信号の第１部分を第１補助電気信号に変換する。前記第２補助検出器導波路２１６は、第２複合信号の第２部分を第２補助光センサ２２０に運ぶ。該第２補助光センサ２２０は、第２複合信号の第２部分を第２補助電気信号に変換する。適切な光センサの例には、ゲルマニウムフォトダイオード(ＰＤ)及びアバランシェフォトダイオード(ＡＰＤ)が含まれる。
第１光結合要素２１１は、比較信号の第１部分及び参照信号の第１部分を組合せて、第１複合信号とする。比較信号の第１部分と参照信号の第１部分との間の周波数の差により、第１複合信号は、比較信号の第１部分と参照信号の第１部分との間で拍動する。光結合要素２１１はまた、該第１複合信号を第１検出器導波路２２１及び第２検出器導波路２２２に分割する。
第１検出器導波路２２１は、第１複合信号の第１部分を第１光センサ２２３に運ぶ。該第１光センサ２２３は、第２複合信号の第１部分を第１電気信号に変換する。第２検出器導波路２２２は、第２複合信号の第２部分を第２補助光センサ２２４に運ぶ。該第２補助光センサ２２４は、第２複合信号の第２部分を第２電気信号に変換する。適切な光センサの例には、ゲルマニウムフォトダイオード(ＰＤ)及びアバランシェフォトダイオード(ＡＰＤ)が含まれる。
第１参照導波路２１０及び第２参照導波路２０８は、参照信号の第１部分と参照信号の第２部分との間に位相シフトを提供するように構築される。例えば、参照信号の第１部分と参照信号の第２部分との間に９０度の位相シフトを提供するように、第１参照導波路２１０及び第２参照導波路２０８を構成することができる。一例として、１つの参照信号部分は、同位相の要素であってもよく、その他の参照信号部分は、直角位相の要素であってもよい。従って、参照信号部分の１つは、正弦関数であってもよく、その他の参照信号部分は、余弦関数であってもよい。一例では、第１参照信号部分が余弦関数であり、かつ第２参照信号部分が正弦関数であるように、第１参照導波路２１０及び第２参照導波路２０８を構築している。従って、第２複合信号における参照信号の部分は、第１複合信号における参照信号の部分に対して位相シフトされるが、第１複合信号における比較信号の部分は、第２複合信号における比較信号の部分に対して位相シフトされない。
第１光センサ２２３と第２光センサ２２４を接続して平衡検出器とすることができ、第１補助光センサ２１８と第２補助光センサ２２０を接続して平衡検出器とすることもできる。例えば、図１０Ｂは、電子機器、第１光センサ２２３、第２光センサ２２４、第１補助光センサ２１８、及び第２補助光センサ２２０の間の関係の概略を示している。フォトダイオードのシンボルは、第１光センサ２２３、第２光センサ２２４、第１補助光センサ２１８、及び第２補助光センサ２２０を表すために使用されるが、これらのセンサのうちの１つ以上は、他の構成を有してもよい。いくつかの例では、図１０Ｂの概略図に示されている全ての構成要素は、ＬＩＤＡＲシステムに含まれる。いくつかの例では、図１０Ｂの概略図に示されている構成要素は、ＬＩＤＡＲシステムと該ＬＩＤＡＲシステムから離れて配置された電子機器との間に分配される。
前記電子機器は、前記第１光センサ２２３と第２光センサ２２４とを接続して第１平衡検出器２２５とする。また、該電子機器は、前記第１補助光センサ２１８と第２補助光センサ２２０とを接続して第２平衡検出器２２６とする。具体的に、前記第１光センサ２２３と第２光センサ２２４とは直列に接続される。また、前記第１補助光センサ２１８と第２補助光センサ２２０とは直列に接続される。前記第１平衡検出器における直列の接続は、該第１平衡検出器からの出力を第１データ信号として運ぶ第１データ線２２８と通信する。前記第２平衡検出器における直列の接続は、第１平衡検出器からの出力を第２データ信号として運ぶ第２データ線２３２と通信する。前記比較信号と参照信号との間の拍動、即ち、前記第１複合信号と第２複合信号との間の拍動の結果として、前記第１データ信号及び第２データ信号は拍動している。
第１データ線２２８は、第１データ信号を第１スイッチ２３４に運ぶ。該第１スイッチは、第１データ信号が距離分岐１３６に運ばれる第１配置であってもよく、または第１データ信号が速度分岐２３８に運ばれる第２配置であってもよい。図１０Ｂにおいて、第１スイッチ２３４は、第１配置に示されている。第２データ線２３２は、第２データ信号を第２スイッチ２４０に運ぶ。該第２スイッチは、第２データ信号が距離分岐２３６に運ばれる第１配置であってもよく、または第２データ信号が速度分岐２３８に運ばれる第２配置であってもよい。図１０Ｂにおいて、第２スイッチ２４０は、第１配置に示されている。前記第１スイッチ及び/または第２スイッチに適用するスイッチには、電気機械スイッチ、及び固体ＭＯＳＦＥＴまたはＰＩＮダイオードスイッチが含まれるが、これらに限定されない。
電子機器は、第１スイッチ及び第２スイッチが第１期間と第２期間中に同じ配置になるように、これらを操作する。例えば、電子機器は、第１期間中に第１スイッチ及び第２スイッチともに第１配置に、また、第２期間中にそれらはともに第２配置になるように、第１スイッチ及び第２スイッチを操作することができる。この例では、第１期間中に前記第１データ信号及び第２データ信号は、距離分岐２３６に運ばれ、また、第２期間中にこれらは速度分岐２３８に運ばれる。
ＬＩＤＡＲシステムの動作中、ＬＩＤＡＲデータの生成は、ＬＩＤＡＲデータがサイクルごとに生成される一連のサイクルに分割される。いくつかの例では、各サイクルは、視野内の異なるサンプル領域に対応する。従って、異なるサイクルは、視野内の異なるサンプル領域のＬＩＤＡＲデータを生成することができる。
前記サイクルは、各サイクルの時間を、距離期間(第１期間)及び速度期間(第２期間)を含む異なる期間に分割できるように実行することができる。反射物体とＬＩＤＡＲチップとの間の距離は、前記距離期間において測定することができ、反射物体とＬＩＤＡＲチップとの間の視線速度は、前記速度期間において測定することができる。
前記電子機器は、前記第１データ信号及び第２データ信号を用いて、少なくとも、ＬＩＤＡＲシステムと反射物体との間の距離を測定または近似するように構成される。例えば、第１期間中、前記電子機器は、変調器１１４を操作し、これにより、出発ＬＩＤＡＲ信号の振幅、及びこれによるＬＩＤＡＲ出力信号の振幅にチャープを加えることができる。振幅にチャープを加えることは、出発ＬＩＤＡＲ信号の振幅が正弦波の関数となるように該出発ＬＩＤＡＲ信号の振幅を変調することを含むことができる。一例では、前記出発ＬＩＤＡＲ信号の振幅は、出発ＬＩＤＡＲ信号の振幅が正弦波を含む関数の平方根であり、かつ/または正弦波の平方根であるように変調される。例えば、変調された出発ＬＩＤＡＲ信号及び式１：（Ｍ＋Ｎ＊ｃｏｓ（Ｃ＊ｔ＋Ｄ＊ｔ２）１/２ｃｏｓ（Ｆ＊ｔ）(式中、Ｍ、Ｎ、Ｃ、Ｄ及びＦは定数であり、ｔは時間を表し、Ｍ＞０、Ｎ＞０、また、被開平数が負になることを防ぐために、Ｍ≧Ｎ、Ｃ＞０、Ｄ≠０)で数学的に表されるＬＩＤＡＲ出力信号を生成するように、出発ＬＩＤＡＲ信号を変調することができる。以下に明らかになるように、ＦはＬＩＤＡＲ出力信号の周波数の関数(ｆＣ)であってもよい。式１において、Ｆ＞＞Ｃとなるように、Ｆ及びＣを選択することができる。
前記距離分岐は、第１距離分岐線２４２を含む。第１期間中、該第１距離分岐線２４２は、第１データ信号を第１乗算器２４４に運ぶ。図１０Ｂにおいて、該第１乗算器２４４は、該第１データ信号の振幅を二乗し、第１乗算されたデータ信号を出力するように構成されている。該距離分岐は、第２距離分岐線２４６を含む。第１期間中、該第２距離分岐線２４６は、第２データ信号を第２乗算器２４８に運ぶ。図１０Ｂにおいて、該第２乗算器２４８は、該第２データ信号の振幅を二乗し、第２乗算されたデータ信号を出力するように構成されている。適切な第１乗算器及び/または第２乗算器には、ギルバートセルミキサーのようなＲＦミキサが含まれるが、これに限定されない。
前記距離分岐は、第１乗算されたデータ信号と第２乗算されたデータ信号とを加算する加算器２５０を含む。該加算器は、加算されたデータ信号を出力する。適切な加算器には、抵抗型または複合型の結合器を含むＲＦ結合器が含まれるが、これらに限定されない。該距離分岐は、加算されたデータ信号を受信し、拍動データ信号を出力する低域通過フィルタ２５２を含む。該低域通過フィルタは、参照信号と戻り信号との混合の人為的結果である加算されたデータ信号へのより高い周波数寄与を除去するように選択される。該低域通過フィルタを、帯域幅がｆｄｍaｘ/２＋ατ０ｍaｘ以上になるように選択してもよい。ここで、ｆｄｍaｘが、ＬＩＤＡＲシステムが信頼できる結果を提供するＬＩＤＡＲ入力信号に対するＬＩＤＡＲ入力信号のドップラーシフトの最大レベルを表し、τ０ｍaｘが、ＬＩＤＡＲ出力信号の送信とＬＩＤＡＲ入力信号の受信との間の最大遅延を表し、また、αが、サンプル期間(即ち、第１期間)中に変調された出発ＬＩＤＡＲ信号の振幅に加えられたチャープの周波数の変化率を表す。いくつかの例では、αは、Ｂ/Ｔから測定される。ここで、Ｂが、サンプル期間中に変調された出発ＬＩＤＡＲ信号の振幅に加えられたチャープの周波数の変化を表し、Ｔが、サンプル期間の持続時間である。いくつかの例では、Ｔは、
から測定される。ここで、λｃが、出発ＬＩＤＡＲ信号の波長を表し、Δνｍｉｎが、速度解像度を表し、また、Ｂが、
から測定することができる。ここで、ｃが光速を表し、ΔＲｍｉｎが距離解像度を表す。いくつかの例では、フィルタの帯域幅は、０．１ＧＨｚ、０．２ＧＨｚまたは０．３ＧＨｚより大きく、かつ/または０．４ＧＨｚ、０．５ＧＨｚまたは１ＧＨｚ未満である。対応する掃引期間(Ｔ)の値は、１０μｓ、８μｓ、４μｓ、３μｓ、２μｓ、及び１μｓであってもよい。
距離分岐は、フィルタから拍動データ信号を受信するアナログ―デジタル変換器（ＡＤＣ）２５４を含む。該アナログ―デジタル変換器（ＡＤＣ）２５４は、前記拍動データ信号をアナログ形式からデジタル形式に変換し、その結果をデジタルＬＩＤＡＲデータ信号として出力する。上述したように、拍動データ信号の変換は、サンプリング速度で拍動データ信号をサンプリングすることを含む。ＬＩＤＡＲ出力信号の振幅にチャープを加えることは、複合信号及び結果として生じる電気信号の拍動から視線速度の影響を実質的に減少し、または除去する。例えば、ＬＩＤＡＲ入力信号に対するＬＩＤＡＲ出力信号の周波数シフト（「周波数シフト」、Δｆ）は、Δｆ＝Δｆｄ＋Δｆｓと表記ことができる。ここで、Δｆｄが、ドップラーシフトによる周波数の変化を表し、Δｆｓが、反射物体とＬＩＤＡＲシステムとの間の分離に起因する周波数の変化である。前記出発ＬＩＤＡＲ信号は、変調された出発ＬＩＤＡＲ信号、及びそれによる同じく変調されたＬＩＤＡＲ出力信号を生成するように変調することができる。ここで、ドップラーシフトによる周波数の変化(Δｆｄ)が、ＬＩＤＡＲとして機能し、一定の振幅、及び変調された出発ＬＩＤＡＲ信号及び/またはＬＩＤＡＲ出力信号と同じ周波数を持つ正弦波ＬＩＤＡＲ出力信号から発生しうるドップラーシフトの１０％、５％、１％、または０．１％未満である。例えば、ドップラーシフトによる周波数の変化(Δｆｄ)が、ＬＩＤＡＲ出力信号として機能し、変調された出発ＬＩＤＡＲ信号及び/またはＬＩＤＡＲ出力信号と同じ周波数を持つ連続波から発生しうるドップラーシフトの１０％、５％、１％、または０．１％未満である変調された出発ＬＩＤＡＲ信号及び/またはＬＩＤＡＲ出力信号を生成するように、前記出発ＬＩＤＡＲ信号及び/またはＬＩＤＡＲ出力信号を変調してもよい。別の例では、ドップラーシフトによる周波数の変化(Δｆｄ)が、ＬＩＤＡＲ出力信号として機能する変調前の出発ＬＩＤＡＲ信号（変調されていない出発ＬＩＤＡＲ信号）から発生しうるドップラーシフトの１０％、５％、１％、または０．１％未満である変調された出発ＬＩＤＡＲ信号及び/またはＬＩＤＡＲ出力信号を生成するように、前記出発ＬＩＤＡＲ信号及び/またはＬＩＤＡＲ出力信号を変調してもよい。これらの結果は、Ｃに対する式１の変数Ｆの値を増加させることによって達成できる。例えば、Ｆは２πｆｃを表すことができ、Ｃは２πｆ１を表すことができる。ここで、ｆ１が、変調された出発ＬＩＤＡＲ信号の振幅における周波数チャープのベース周波数を表す。従って、チャープベース周波数(ｆ１)に対するＬＩＤＡＲ出力信号(ｆｃ)の周波数の値を増加させることによって、ＦをＣに対して増加させることができる。一例として、ｆｃ＞＞ｆ1になるように、ｆｃ及びｆ１を選択してもよい。いくつかの場合では、ｆｃ：ｆ１が、２：１、１０：１、１×１０４：１、５×１０４または１×１０５：１より大きく、かつ/または５×１０５、１×１０６、５×１０６または５×１０８未満となるように、ｆｃ及びｆ１を選択してもよい。従って、変数Ｆ及びＣはまた、Ｆ：Ｃの比と同じ値を有してもよい。周波数シフトからのドップラーシフトによる周波数の変化(Δｆｄ)の減少及び/または除去は、拍動周波数を低下させ、それにより、必要なサンプリング速度を低減させる。
前記距離分岐は、アナログ―デジタル変換器(ＡＤＣ)２５４からデジタルＬＩＤＡＲデータ信号を受信する変換モジュール２５６を含む。該変換モジュール２５６は、前記デジタルＬＩＤＡＲデータ信号に実変換を実行し、時間領域から周波数領域に変換するように構成される。該変換により、反射物体とＬＩＤＡＲシステムとの間の距離によって引き起こされる、ＬＩＤＡＲ入力信号に対するＬＩＤＡＲ入力信号のシフトの周波数シフトが明確に解決された。適切な実変換は、高速フーリエ変換(ＦＦＴ)のようなフーリエ変換である。実変換としての変換の分類によって、複雑なフーリエ変換のような複合変換から、変換を区別できる。前記変換モジュールは、ファームウェア、ハードウェア、ソフトウェア、またはそれらの組合せを用いて、帰属される機能を実行することができる。
前記変換モジュールによって提供される周波数は、相対移動による周波数シフトからのインプットを有しないか、または実質的なそのインプットを有しないので、測定された周波数シフトを用いて、反射物体とＬＩＤＡＲシステムとの間の距離を近似することができる。例えば、電子機器は、式３：Ｒ０＝ｃ＊Δｆ/（２α）を用いて、反射物体とＬＩＤＡＲシステムとの間の距離（Ｒ０）を近似することができる。ここで、Δｆが前記変換モジュールから出力されたピーク周波数として近似でき、また、ｃが光速である。
第１データ信号及び第２データ信号を用いて、ＬＩＤＡＲシステム及び反射物体の少なくとも視線速度を測定または近似するように、前記速度分岐を構成してもよい。図１～図５の文脈で開示された時間の関数である周波数を有するＬＩＤＡＲ出力信号は、ＬＩＤＡＲ出力信号の周波数が時間の関数ではないＬＩＤＡＲ出力信号によって置換されてもよい。例えば、前記ＬＩＤＡＲ出力信号は、連続波(ＣＷ)であってもよい。例えば、第２期間中に変調された出発ＬＩＤＡＲ信号、及びそれによるＬＩＤＡＲ出力信号は、チャープされていない連続波(ＣＷ)であってもよい。例として、変調された出発ＬＩＤＡＲ信号、及びそれによるＬＩＤＡＲ出力信号は、式２：Ｇ＊ｃｏｓ（Ｈ＊ｔ）で表すことができる。ここで、Ｇ及びＨが定数であり、また、ｔが時間を表す。いくつかの例では、Ｇが出発ＬＩＤＡＲ信号のパワーの平方根を表し、かつ/またはＨが式１からの定数Ｆを表す。光源の出力が変調された出発ＬＩＤＡＲ信号に望まれる波形を有する場合、前記電子機器が、出発ＬＩＤＡＲ信号を修正するように変調器１１４を操作する必要はない。これらの例では、光源の出力は、変調された出発ＬＩＤＡＲ信号、及びそれによるＬＩＤＡＲ出力信号として機能することができる。いくつかの例では、前記電子機器は、前記変調器１１４を操作して、望ましい形態の変調された出発ＬＩＤＡＲ信号を生成する。
ＬＩＤＡＲ出力信号の周波数は第２期間において一定であるので、反射物体とＬＩＤＡＲシステムとの間の距離を変化させることは、ＬＩＤＡＲ入力信号の周波数に変化を生じさせない。その結果、分離距離は、ＬＩＤＡＲ出力信号の周波数に対するＬＩＤＡＲ入力信号の周波数のシフトに寄与しない。従って、該分離距離の影響は、ＬＩＤＡＲ出力信号の周波数に対するＬＩＤＡＲ入力信号の周波数のシフトから、除去され、または実質てきに除去されている。
前記速度分岐は、第１速度分岐線２６０及び第２速度分岐線２６０を含む。第２期間中に、第１速度分岐線２６０は、第１データ信号をアナログ形式からデジタル形式に変換し、第１デジタルデータ信号を出力するアナログ―デジタル変換器(ＡＤＣ)１６４に第１データ信号を運ぶ。上述したように、該第１データ信号の変換は、第１データ信号をサンプリング速度でサンプリングすることによって行われる。連続波をＬＩＤＡＲ出力信号として使用することにより、反射物体とＬＩＤＡＲシステムとの間の距離の影響が複合信号の拍動及び結果として生じる電気信号から実質的に除去される。従って、前記拍動周波数は低減され、必要なサンプリング速度は低減される。
第２速度分岐線２６２は、第２データ信号をアナログ形式からデジタル形式に変換し、第２デジタルデータ信号を出力するアナログ―デジタル変換器(ＡＤＣ)２６６に第２データ信号を運ぶ。上述したように、該第２データ信号の変換は、第２データ信号をサンプリング速度でサンプリングすることを含む。連続波をＬＩＤＡＲ出力信号として使用することにより、反射物体とＬＩＤＡＲシステムとの間の距離の影響が第２複合信号の拍動及び結果として生じる電気信号から実質的に低減され、または除去される。従って、拍動周波数は低減され、必要なサンプリング速度は低減される。
アナログ―デジタル変換器(ＡＤＣ)２６４のサンプリング速度は、アナログ―デジタル変換器(ＡＤＣ)２６６のサンプリング速度と同じであっても、または異なっていてもよい。
速度分岐は、アナログ―デジタル変換器(ＡＤＣ)２６４からの第１デジタルデータ信号及びアナログ―デジタル変換器(ＡＤＣ)２６６からの第２デジタルデータ信号を受信する変換モジュール２６８を含む。第１データ信号は同位相の要素であり、第２データ信号は直角位相の要素であるため、第１データ信号及び第２データ信号は共に、第１データ信号が実在の要素であり、第２データ信号が架空の要素である複合速度データ信号として作用する。その結果、第１デジタルデータ信号は、デジタル速度データ信号の実在の要素であってもよく、第２データ信号は、デジタル速度データ信号の架空の要素であってもよい。該デジタル速度データ信号に複合変換を実行し、時間領域から周波数領域に変換するように、前記変換モジュール１６８を構成してもよい。該変換により、反射物体とＬＩＤＡＲシステムの間の視線速度によって引き起こされる、ＬＩＤＡＲ入力信号に対するＬＩＤＡＲ入力信号のシフトの周波数シフトが明確に解決された。適切な複合変換は、複合高速フーリエ変換(ＦＦＴ)のようなフーリエ変換である。前記変換モジュールは、ファームウェア、ハードウェア、ソフトウェア、またはそれらの組合せを用いて、帰属される機能を実行することができる。
変換モジュール２６８によって提供される周波数シフトは、反射物体とＬＩＤＡＲシステムとの間の分離距離に起因する周波数シフトからのインプットを有しないので、また、速度データ信号の複雑な性質のために、変換モジュール２６８の出力を用いて、反射物体とＬＩＤＡＲシステムとの間の視線速度を近似することができる。例えば、電子機器は、式４：ｖ＝ｃ＊ｆｄ/（２＊ｆｃ）を用いて、反射物体とＬＩＤＡＲシステムとの間の視線速度(ｖ)を近似することができる。ここで、ｆｄが変換モジュール２６８からピーク周波数出力として近似され、ｃが光速であり、また、ｆｃがＬＩＤＡＲ出力信号の周波数を表す。
図１０Ｂの概略図に他の構成要素を追加することができる。例えば、ＬＩＤＡＲシステムが複数のＬＩＤＡＲ出力信号を生成するか、またはＬＩＤＡＲ出力信号を生成する他のＬＩＤＡＲシステムと共に使用される(即ち、周波数または波長分割多重化、ＦＤＭ/ＷＭＤによって)場合、該ＬＩＤＡＲシステムは、１つ以上のフィルタを含み、拍動データ信号及び/または速度データ信号の実在及び/または架空の要素から干渉信号を除去することができる。従って、ＬＩＤＡＲシステムは、図示された構成要素に加えて、１つ以上のフィルタを含むことができる。適切なフィルタには、低域通過フィルタが含まれるが、これに限定されない。光学的な設計の場合、干渉要素の周波数が平衡検波器の帯域幅外にある場合には、該平衡検波器によってフィルタリングが効果的に提供され得るので、追加のフィルタリングを必要としないことがある。
第１期間及び第２期間中に使用されるサンプリング速度は、第１期間の最小サンプリング速度及び第２期間の最小サンプリング速度からなる群から選択された２つの値のうちの大きい値以上の値を有するように選択されてもよい。例えば、第１期間中、第１期間サンプリング速度(ｆｓ１)の速度範囲は、ｆｓ１≧２×ατ０ｍａｘによって測定することができる。ここで、τ０ｍａｘが、ＬＩＤＡＲ出力信号の送信とＬＩＤＡＲ入力信号の受信との間の最大時間を表す。第２期間中、第２期間サンプリング速度(ｆｓ２)の速度範囲は、ｆｓ２≧２×ｆｄｍａｘによって測定することができる。ここで、ｆｄｍａｘが、ＬＩＤＡＲシステムが信頼性のある結果を提供するためのＬＩＤＡＲ入力信号に対するＬＩＤＡＲ入力信号のドップラーシフトの最大レベルを表す。該最大レベルは、ＬＩＤＡＲシステムが信頼性のある結果を提供する最大レベルによって測定される。従って、最大距離は、一般に、ＬＩＤＡＲ仕様に設定された視野の距離に対応し、また、最大ドップラーシフトは、一般に、該仕様に設定された最大視線速度値で発生しうるドップラーシフトに対応する。これらの２つの式に示されたように、第１期間の最小サンプリング速度が２ατ０ｍａｘであり、また、第２期間の最小サンプリング速度が２ｆｄｍａｘである。その結果、サンプリング速度は、２ατ０ｍａｘ及び２ｆｄｍａｘの大きい方の値以上の値を有するように選択される。言い換えると、第１期間中及び第２期間中に使用されるサンプリング速度(ｆｓ)は、ｆｓ≧ ｍａｘ（２ατ０ｍａｘ, ２ｆｄｍａｘ）である。いくつかの例では、第１期間中及び第２期間中に使用されるサンプリング速度(ｆｓ)は、０．１ＧＨｚ、０．２ＧＨｚまたは０．５ＧＨｚ以上、かつ/または１ＧＨｚ、２ＧＨｚまたは４ＧＨｚ未満である。
上記ＬＩＤＡＲシステムの動作に関する説明では、ユーティリティ導波路１６上に変調器が存在すると仮定されているが、該変調器は任意である。これらの例では、電子機器は、光源１０を操作し、これにより、第１期間中に出発ＬＩＤＡＲ信号の周波数を増加させ、また、第２期間中に出発ＬＩＤＡＲ信号の周波数を低下させることができる。得られた複合信号からＬＩＤＡＲデータを抽出するための適切な方法は、２０１８年５月１５日に出願された米国特許出願シリアル番号６２/６７１,９１３の「光学センサーチップ」に開示されている。その全体が本明細書に組み込まれる。
電子機器は、増幅器２０を操作することができる。該増幅器２０は、振幅増幅器であってもよい。従って、電子機器は、増幅器を操作し、出発ＬＩＤＡＲ信号及び/または入射ＬＩＤＡＲ信号のパワーを増強させることができる。その結果、増幅器は、ＬＩＤＡＲ出力信号及び/またはＬＩＤＡＲ入力信号のパワーを増強させることができる。ＬＩＤＡＲシステムが増幅器チップ上に複数の増幅器を含む場合、電子装置は、増幅器を独立して操作することができる。あるいは、電子機器は、増幅器を同時に操作することができる。増幅器を同時に操作する一例として、電子機器は、直列または並列に接続された増幅器を操作する。
１つ以上の増幅器２０をＬＩＤＡＲチップのプラットフォーム上に一体化することができる。例えば、1つ以上の増幅器２０を、シリコン・オン・インシュレータウエハ上に構築されたＬＩＤＡＲチップ上に一体化してもよい。シリコン・オン・インシュレータウエハ上に一体化できる増幅器構築物の一例は、２０１１年１０月１４日に出願された米国特許出願シリアル番号１３/３１７,３４０号、「光学装置にレーザ及び増幅器機能を提供する利得媒体」に記載され、その全体が本明細書に組み込まれる。
いくつかの例では、1つ以上の増幅器２０は、ＬＩＤＡＲチップから分離され、ＬＩＤＡＲチップに取り付けられたチップ上に含まれる。ＬＩＤＡＲチップに１つ以上の増幅器を含むチップを取り付けるための適切な方法には、フリップチップ接合が含まれるが、これに限定されない。
図１１Ａは、ＬＩＤＡＲチップを増幅器チップと光学的に結合するためのインターフェースを含むＬＩＤＡＲチップの一部の斜視図である。ＬＩＤＡＲチップの図示された部分は、補助装置を受容するようにサイズ決めされた停止凹部３３０を含む。該停止凹部３３０は、透光性媒体８０を通って、ベース８１内に延伸している。図示されたバージョンでは、停止凹部３３０は、光透過性媒体８０、埋め込まれた層８２を通って、基板８４内に延伸している。
ユーティリティ導波路１６のファセット１８は、停止凹部３０の側面として機能する。図示されていないが、ユーティリティ導波路１６のファセット３１は、反射防止コーティングを含んでもよい。適切な反射防止コーティングには、窒化ケイ素または酸化アルミニウムのような単層コーティング、または窒化ケイ素、酸化アルミニウム及び/またはシリカを含むことができる多層コーティングが含まれるが、これらに限定されない。
１つ以上の停止部３３２は、停止凹部３３０の底部から上方に延伸する。例えば、図１１Ａは、停止凹部３３０の底部から上方に延伸する４つの停止部３３２を示している。該停止部３３２は、基部３３６に配置されたクラッド３３４を含む。基板８４は、停止部３３２の基部３３６として機能することができ、該停止部３３２は、埋め込まれた層８２を排除することができる。停止部３３２に含まれる基板８４の部分は、停止凹部３３０の底部から埋め込まれた層８２のレベルまで延伸することができる。例えば、停止部３３２は、埋め込まれた層８２を通ってエッチングし、また、下にある基板８４をエッチストップとして用いることで形成することができる。その結果、埋め込まれた層８２が第２導波路の底部を画定し、ベース部分３３６の頂部が埋め込まれた層８２のすぐ下に位置するので、ユーティリティ導波路１６内の光信号の光モードに対するベース部分３３６の頂部の位置はよく分かる。増幅器チップ上でユーティリティ導波路１６と増幅器導波路との間の所望の整列ができるような高さを停止部３３２に与えるように、停止部３３２のベース部分３３６上にクラッド３３４を形成することができる。
取り付けパッド３３８は、停止凹部３３０の底部に配置されている。増幅器チップがＬＩＤＡＲチップ上に配置されると、取り付けパッド３３８を用いて、該ＬＩＤＡＲチップに対して増幅器チップを固定することができる。いくつかの例では、取り付けパッド３３８はまた、ＬＩＤＡＲチップと増幅器チップ上の１つ以上の増幅器との間の電気通信を提供する。適切な取り付けパッド３３８には、はんだパッドが含まれるが、これに限定されない。
図１１Ｂは、増幅器チップの一実施形態の斜視図である。図示の増幅器チップは、平面光学装置として知られている装置に分類される。増幅器チップは、利得媒体３４０内に画定された増幅器導波路２１を含む。適切な利得媒体には、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、及びＧａＡｓが含まれるが、これらに限定されない。
利得媒体３４０内に延伸する溝３７４は、利得媒体３４０内のリッジ３７６を画定する。該リッジ３７６は、増幅器導波路２１を画定する。いくつかの例では、利得媒体３４０は、該リッジ内に１つ以上の層３４１を含み、かつ/またはリッジ３７６を横切って延伸する。１つ以上の層３４１を利得媒体３４０の異なる領域間に配置してもよい。１つ以上の層３４１の上の利得媒体３４０の領域は、１つ以上の層３４１の下の利得媒体３４０の領域と同じであっても異なっていてもよい。増幅器導波路２１を通って誘導された光信号をリッジ３７６に対して特定の位置に拘束するように、前記層を選択してもよい。いずれの層３４１は、Ｉｎ、Ｐ、Ｇａ及びＡｓからなる群から選択される２つ以上の成分を含むか、またはそれからなる材料の異なる組成を有することができる。一例では、利得媒体３４０はＩｎＰであり、かつ、1つ以上の層３４１は異なる比率でそれぞれＧａ及びＡｓを含む。
増幅器導波路２１は、第１ファセット１９と第２ファセット２２との間に光路を提供する。図示されていないが、第１ファセット１９及び/または第２ファセット２２は、任意に反射防止コーティングを含んでもよい。適切な反射防止コーティングには、窒化ケイ素または酸化アルミニウムのような単層コーティング、または窒化ケイ素、酸化アルミニウム及び/またはシリカを含んでもよい多層コーティングが含まれるが、これらに限定されない。
増幅器チップは、ＬＩＤＡＲチップに対して増幅器チップを固定するために用いられる１つ以上の取り付けパッド３５４を含む。適切な取り付けパッド３５４には、はんだパッドが含まれるが、これらに限定されない。
増幅器チップはまた、１つ以上の整列凹部３５６を含む。図１Ｂ中の破線は、整列凹部３５６の１つの深さ及び形状を示している。
図１１Ｃ及び図１１Ｄは、図１１Ｂの増幅器チップとインターフェース接続している図１１ＡのＬＩＤＡＲチップを含むＬＩＤＡＲシステムを示している。図１１Ｃは、該ＬＩＤＡＲシステムの上面図である。図１１Ｄは、該ＬＩＤＡＲチップ上のユーティリティ導波路１６及び増幅器チップ上の増幅器導波路２１を通ってから取った該システムの断面の側面図である。例えば、図１１Ｄの断面は、図１１Ｃ中の（Ｂ）を通って延びる線に沿って取ることができる。図１１Ｃ及び図１１Ｄは、それぞれ、システム内の他の物の背後に位置する物を示す破線を含む。例えば、図１１Ｃは、リッジ３７６が利得媒体３４０の下に位置していても、増幅器導波路２１のリッジ３７６を示す破線を含む。また、図１１Ｄは、停止部３３２の部分の位置を示す破線、及び増幅器導波路２１のリッジ３７６の背後に位置する整列凹部３５６と含む。図１１Ｄはまた、ユーティリティ導波路１６のリッジ８６がユーティリティ導波路１６を画定するスラブ領域８８とインターフェース接続する位置を示す破線、及び増幅器導波路２１のリッジ３７６が増幅器チップのスラブ領域３７４とインターフェース接続する位置を示す破線を含む。
増幅器チップは、ＬＩＤＡＲチップ上の停止凹部３３０内に配置される。増幅器チップは、増幅器導波路２１のリッジ３７６が、増幅器チップの底部とＬＩＤＡＲチップのベース２１との間に位置するように配置される。従って、増幅器チップは、停止凹部３３０内で反転される。はんだまたは他の接着剤３５８は、停止凹部３３０の底部及び増幅器チップ上の取り付けパッド３５４の上で取り付けパッド３３８に接触する。例えば、はんだまたは他の接着剤３５８は、停止凹部３３０の底部にある取り付けパッド３３８から補助装置の上にある取り付けパッド３５４まで延伸する。従って、はんだまたは他の接着剤３５８は、補助装置をＬＩＤＡＲチップに対して固定する。
ユーティリティ導波路１６のファセット１８は、ユーティリティ導波路１６及び増幅器導波路２１が光信号を交換できるように、増幅器導波路２１の第１ファセット１９と整列される。Ａと標記された線で示されるように、ＬＩＤＡＲチップと増幅器チップとの間での光信号の移動方向がベース２１の上面及び/または下面と平行であるか、または実質的に平行であるという点で、該システムは水平の遷移経路を提供している。増幅器導波路２１の第１ファセット１９の頂部は、ユーティリティ導波路のファセット１８の頂部より下のレベルにある。
ＬＩＤＡＲチップ上の１つ以上の停止部３３２は、それぞれ、補助装置上の整列凹部３５６のうちの１つに受信される。各停止部３３２の頂部は、整列凹部３５６の底部に接触する。その結果、停止部３３２と整列凹部３５６の底部との間の相互作用は、増幅器チップのＬＩＤＡＲチップへの他の移動を防止する。いくつかの例では、補助装置は、停止部３３２の頂部に載置される。
図１１Ｄから明らかなように、増幅器導波路２１の第１ファセット１９は、ＬＩＤＡＲチップ上のユーティリティ導波路１６のファセット１８と垂直に整列される。図１１Ｃから明らかなように、増幅器導波路２１の第１ファセット１９は、ＬＩＤＡＲチップ上のユーティリティ導波路１６のファセット１８と水平方向に整列される。該水平方向の整列は、増幅器チップ及びＬＩＤＡＲチップ上のマーク及び/または物体を整列させることで達成できる。
垂直整列は、ＬＩＤＡＲチップ上の停止部３３２の高さを制御することで達成できる。例えば、増幅器導波路２１の第１ファセット１９をＬＩＤＡＲチップ上のユーティリティ導波路１６のファセット１８に対して特定の高さに配置するように、停止部３３２の基部３３６上のクラッド３３４を高くすることができる。所望のクラッド３３４の厚さは、蒸着、プラズマ強化化学気相堆積(ＰＥＣＶＤ)、及び/またはスパッタリング等の堆積技術を用いて、１つ以上のクラッド層を堆積させることで正確に達成できる。その結果、停止部３３２を形成するために、停止部３３２のベース部分３３６上に１つ以上のクラッド層を堆積し、所望の垂直配列ができるような高さに停止部３３２を形成することができる。クラッド３３４の層に適用する材料には、シリカ、窒化ケイ素、及びポリマーが含まれるが、これらに限定されない。
図１１Ｄでは、第１ファセット１９は、ファセット１８からＤで標記された距離で離間している。増幅器導波路は１つの導波路のみと光学的整列されているので、第１ファセット１９は、従来の構成で可能な程度よりもファセット１８に近くことができる。例えば、第１ファセット１９とファセット１８との間の距離は、５μｍ、３μｍ、または１μｍ未満で、かつ/または０.０μｍより大きいであってもよい。図１１Ｄでは、ＬＩＤＡＲチップが配置される内部は、第１ファセット１９とファセット１８との間の間隙に配置されているが、間隙内に他の間隙材料を配置してもよい。例えば、間隙内に固体間隙材料を配置することができる。適切な間隙材料の例には、エポキシ及びポリマーが含まれるが、これらに限定されない。
ファセット１８、第１ファセット１９、及び第２ファセット２２からなる群から選択される１つ以上のファセットは、ファセットで終端する導波路の伝搬方向に対して非垂直な角度を有することができる。例えば、図１２Ａは、ファセット１８が、ファセット１８におけるユーティリティ導波路１６を通る光信号の伝搬方向に対して角度βを持つように改変された図１１Ｃのシステムの上面図である。ユーティリティ導波路１６及び増幅器導波路２１を通る光路に沿った光信号の伝搬方向は、破線で示されたｄｐｒｏｐによって示されている。図１２Ａはまた、第１ファセット１９が、第1ファセット１９における増幅器導波路２１を通る光信号の伝搬方向に対して角度δを持ち、また、第２ファセット２２が、第２ファセット２２における増幅器導波路２１を通る光信号の伝搬方向に対して角度εを持つことを示している。図１１Ｄで明らかであるように、いくつかの例では、ファセット１８、第１ファセット１９、及び第２ファセット２２からなる群から選択された１つ以上のファセットは、ＬＩＤＡＲチップの底部のようなＬＩＤＡＲチップの平面に垂直である。例えば、ファセット１８、第１ファセット１９、及び第２ファセット２２からなる群から選択される１つ以上のファセットは、埋め込まれた層８２、基板８４または増幅器２０の平面のような基板に垂直である。
図１２Ａに示されているように、角度βの値は９０°未満であってもよい。図１２Ａでは、角度δ及び角度εの値が９０°と示されているが、図１２Ｂに示されているように、角度δ及び/または角度εの値は、９０°未満であってもよい。
角度β、角度δ、及び角度εからなる群から選択される角度の全部または一部の値は、同じであっても異なっていてもよい。例えば、図１２Ａ及び図１２Ｂは、角度δの値と等しい角度βの値を示しているが、角度βの値は、角度δの値とは異なっていてもよい。図１２Ｂは、角度εの値に等しい角度δの値を示しているが、角度δの値は、図１２Ｃに示されている角度εの値とは異なっていてもよい。角度δの値と角度εの値の差は、図１２Ｃに示されているように、湾曲した増幅器導波路２１を用いて達成できる。湾曲した導波路により、第１ファセット１９及び第２ファセット２２を含む増幅器２０の側面が平行であると同時に、第１ファセット１９及び第２ファセット２２に対して所望される角度を有している。あるいは、角度δの値と角度εの値との差は、増幅器２０の側面は平行でないときに、直線の増幅器導波路２１を用いて達成できる。
角度βの適値には、７０°、７５°または８０°より大きく、かつ/または８１°、８５°または９０°未満の値が含まれるが、これらに限定されない。角度δの適値には、７０°、７５°または８０°より大きく、かつ/または８１°、８５°または９０°未満の値が含まれるが、これらに限定されない。角度εの適値には、７０°、８０°または９０°より大きい値が含まれるが、これらに限定されない。
いくつかの例では、角度β、角度δ、及び角度εからなる群から選択された角度の全部または一部の値を選択して１つ以上の機能を達成する。例えば、角度β、角度δ、及び角度εからなる群から選択される１つ、２つ、または３つの角度の値を選択して導波路における後方反射の影響を低減することができる。例えば、角度βの値を選択してユーティリティ導波路１６における後方反射を低減することができる。角度δの値を選択して増幅器導波路２１における後方反射を低減することができ、及び/または角度εの値を選択して増幅器導波路２１における後方反射を低減させることができる。後方反射の影響を低減するように選択された角度の適値は、７０°、７５°または８０°より大きく、かつ/または８１°、８５°または９０°未満である。別の例では、レーザシステムの包装を簡略化するために、角度εの値は９０°である。別の例では、角度εは９０°である一方、角度βの値は９０°未満であり、かつ、δの値は９０°未満である。別の例では、角度εは９０°である一方、角度βの値は７５°～８５°であり、かつ、δの値は７５°～８５°である。
図１１Ｂ～図１１Ｄの増幅器チップは、複数の増幅器を含み、図５のＬＩＤＡＲシステムに適用する増幅器チップを提供するように改変できる。例えば、図１３は、２つの増幅器を含むように改変された図１１Ｂ～図１１Ｄの増幅器チップの斜視図である。該ＬＩＤＡＲチップは、複数の増幅器を並列または直列に接続するように、取り付けパッド３５４の間に電気的接続を提供する金属トレース及び/またははんだバンプのような電気コネクタを含むことができる。あるいは、増幅器チップは、増幅器が単独に操作される他の取り付けパッド(図示せず)を含むことができる。
図１１Ｂ～図１１Ｄの増幅器チップは、光信号が増幅器導波路２１に入射するときの進行方向と、該光信号が増幅器導波路２１を出射するときの進行方向との間の角度が１８０°未満であり、図６ＡのＬＩＤＡＲシステムに適用した増幅器チップを提供するように改変することができる。例えば、図1４は、光信号が増幅器導波路２１に入射するときの進行方向が、該光信号が増幅器導波路２１を出射するときの進行方向と平行または本質的に平行となるように改変された図１１Ｂ～図１１Ｄの増幅器チップの斜視図である。その結果、出発ＬＩＤＡＲ信号が増幅器導波路に入射するときの進行方向と、該出発ＬＩＤＡＲ信号が増幅器導波路を出射するときの進行方向との間の角度は、０°である。該増幅器チップは、上側と下側との間に複数の側面を含む。光信号は、該光信号が増幅器導波路２１から出射するのと同じ側方を通って増幅器導波路２１に入射する。
図１５は、ビーム操縦機能を備え、図６Ａの出力要素に適用する出力要素の一例を示している。該出力要素を、図１～図２に従って、及び/または図３Ａ～図５に従って構築されたＬＩＤＡＲチップと組合せて用いることができる。例えば、出力要素１７８は、図１のユーティリティ導波路１６から、または図３Ａ～図５の１つ以上のＬＩＤＡＲ信号導波路１２４から、または図６のＬＩＤＡＲ信号導波路１７６の第２部分から出発光信号を受信できる分割器４８４を含む。分割器４８４は、出発光信号を、ステアリング導波路４８６上にそれぞれ担持された複数の出力信号に分割する。各ステアリング導波路は、ファセット４８８で終端する。該ファセットは、ファセットを通ってチップから出射する出力信号が結合してＬＩＤＡＲ出力信号を形成するように配置される。
隣接するステアリング導波路のファセットにおける出力信号間に位相差がないように、分割器４８４及びステアリング導波路４８６を構築してもよい。例えば、いずれの出力信号が分割器から出射するときに同相であり、かつ、いずれのステアリング導波路が同じ長さを有することができるように、分割器を構築してもよい。あるいは、隣接するステアリング導波路のファセットにおける出力信号の間に直線的に増加する位相差があるように、分割器４８４及びステアリング導波路４８６を構築してもよい。例えば、ステアリング導波路の番号jの位相がｆ０＋（ｊ―１）ｆであるように、ステアリング導波路を構築してもよい。ここでjは１～Ｎの整数であり、ステアリング導波路が図８に示すように順次番号付けされるとき、ステアリング導波路に関連する数を表す。fは、位相チューナ(以下で説明する)が位相差に影響を与えないときに隣接するステアリング導波路間の位相差である。また、ｆ０は、ステアリング導波路ｋ＝１のファセットにおける出力信号の位相である。チャンネルが異なる波長を有することができるので、ｆ及びｆ０の値はそれぞれ、チャンネルの１つに関連付けられ得る。いくつかの例では、ステアリング導波路が直線的に増加する長さの差を有するようにステアリング導波路を構築することによって、該位相差は得られる。例えば、ステアリング導波路の長さｊは、ｌ０＋（ｋ―ｌ）Δｌで表すことができる。ここで、ｋは１～Ｋの整数であり、ステアリング導波路が図１５に示されているように順次番号付けされるとき、ステアリング導波路に関連する数を表す。Δｌは、隣接するステアリング導波路間の長さの差である。また、ｌ０は、ステアリング導波路ｋ＝１の長さである。Δｌは、出力信号に含まれる異なるチャンネルの波長の異なるパーセントであるので、異なるＬＩＤＡＲ出力信号は、それぞれ、ＬＩＤＡＲチップから離れて異なる方向（θ）へ移動する。ステアリング導波路が同じ長さである場合、Δｌの値はゼロであり、ｆの値はゼロである。適切なΔｌは、０または５μｍより大きく、かつ/または１０または１５μｍ未満であるが、これらに限定されない。適切なｆは、０πまたは７πより大きく、かつ/または１５πまたは２０π未満であるが、これらに限定されない。適切なＮは、１０または５００より大きく、かつ/または１０００または２０００未満であるが、これらに限定されない。分割器２８４は、分波機能を備える必要はない。適切な分割器４８４には、が、スター結合器、カスケード接続されたｙ接合、及びカスケード接続された１×２ＭＭＩ結合器が含まれるが、これらに限定されない。
位相チューナ４９０は、ステアリング導波路の少なくとも一部に沿って任意に配置することができる。位相チューナが最初及び最後のステアリング導波路に沿って配置されて示されているが、これらの位相チューナは任意である。例えば、前記チップは、ステアリング導波路ｊ＝１上の位相チューナを含む必要はない。
電子機器を構成し、隣接するステアリング導波路のファセットにおける出力信号間に位相差を生成するように、位相チューナを操作してもよい。電子機器は、位相差がステアリング導波路にわたって直線的に増加し続けるように、位相チューナを操作することができる。例えば、電子機器は、番号ｋのステアリング導波路のチューナ誘導位相が（ｋ―１）αであるように、位相チューナを操作することができる。ここで、ｋが、１～Ｎの整数であり、ステアリング導波路が図１５に示すように順次番号付けされたときにステアリング導波路に関連する数を表す。αが、隣接するステアリング導波路間のチューナ誘導位相差である。従って、番号ｋのステアリング導波路の位相はｆ０＋（ｋ―１）ｆ＋（ｋ―１）αである。図１５は、例示を簡略化するために、４本のステアリング導波路のみを有するチップを示しているが、該チップは、より多くのステアリング導波路を含んでもよい。例えば、前記チップは、４本より多く、１００本より多く、または１０００本より多くのステアリング導波路、かつ/または１００００本未満のステアリング導波路を含んでもよい。
電子機器を構成し、位相差αの値を調整するように位相チューナを操作することができる。位相差αの値を調整することで、ＬＩＤＡＲ出力信号がチップから離れて移動する方向(θ)を変化させる。従って、電子機器は、位相差αを変化させることによってＬＩＤＡＲ出力信号を走査することができる。ＬＩＤＡＲ出力信号が走査され得る角度の範囲は、ΦＲである。いくつかの例では、ΦVから-ΦVまで延伸できる。ここで、α=０のときにＬＩＤＡＲ出力信号の方向にΦ＝０°と測定される。Δｌの値がゼロでなければ、長さの差は、異なる波長の光がチップから離れて異なる方向(θ)に移動するように、回折を引き起こす。従って、これがチップから離れて移動するときに、出発ＬＩＤＡＲ信号のいくらかの拡散が存在し得る。さらに、回折のレベルを変化させることは、α＝０°のときに出発ＬＩＤＡＲ信号がチップから離れて移動する角度を変化させる。しかし、長さの差(Δｌ≠０)を有するステアリング導波路を提供することで、チップ上のステアリング導波路のレイアウトを簡略化することができる。
図１５に従って構築された出力要素１７８の構成及び動作に関する他の詳細は、２０１８年６月５日に出願された米国仮特許出願シリアル番号６２/６８０,７８７に記載され、その全体として本明細書に組み込まれる。
ＬＩＤＡＲシステムは、ＬＩＤＡＲチップの他に光学要素を含んでもよい。例えば、ＬＩＤＡＲシステムは、ＬＩＤＡＲチップから送信された１つ以上のＬＩＤＡＲ出力信号を受信する１つ以上のレンズを含んでもよい。いくつかの例では、前記レンズは、１つ以上のＬＩＤＡＲ出力信号を集束するか、または１つ以上のＬＩＤＡＲ出力信号を平行にするように配置される。図１６は、ＬＩＤＡＲチップから送信された１つ以上のＬＩＤＡＲ出力信号を受信し、１つ以上のＬＩＤＡＲ出力信号を平行にするように配置されたレンズ５００を含むＬＩＤＡＲシステムを示している。上述した実施形態では、ＬＩＤＡＲ出力信号は、ＬＩＤＡＲシステムから離れて移動し、システム出力信号として機能することができる。図１６のＬＩＤＡＲシステムでは、レンズから出力される光は、システム出力信号として機能することができる。
図１３～図１６のファセットは、増幅器導波路２１内の光信号の伝搬方向に対して垂直であるとして示されているが、図１３～図１６中の増幅器を、図１２Ａ～図１２Ｃの文脈に開示されたように、ファセットの全部または一部が増幅器導波路２１内の光信号の伝搬方向に対して非垂直であるように、構築してもよい。同様に、増幅器導波路２１とインターフェース接続されるＬＩＤＡＲチップ上の導波路を、図１２Ａ～図１２Ｃの文脈で開示されたように、ファセットの全部または一部が導波路内の光信号の伝搬方向に対して非垂直であるように、構築してもよい。
ＬＩＤＡＲシステムは、ＬＩＤＡＲチップから送信された１つ以上のＬＩＤＡＲ出力信号を受信する光ファイバを含んでもよい。図１７は、ＬＩＤＡＲチップから送信された1つ以上のＬＩＤＡＲ出力信号を受信する光ファイバを示している。該光ファイバは、コア５０４の上にクラッド５０２を含む。コア５０４は第２ファセット２２と整列され、これにより、コア５０４及び増幅器導波路が光信号を交換することができる。ＬＩＤＡＲチップに光ファイバの終端を固定するための適切な機構には、ファイバブロック、Ｖ溝、及びフェルールが含まれるが、これらに限定されない。ＬＩＤＡＲシステムは、ＬＩＤＡＲシステムから離れて移動するシステム出力信号を出力し、光ファイバによって受信されたＬＩＤＡＲ出力信号の一部を含むか、またはそれからなることができる。ＬＩＤＡＲシステムの外側に配置された物体による反射の後、反射された光の全部または一部は、光ファイバ及び増幅器導波路に戻ることができる。
様々なプラットフォームをＬＩＤＡＲチップに用いることができる。適切なプラットフォームには、シリコン・オン・インシュレータウエハが含まれるが、これに限定されない。上記の構成要素のうちの１つ以上、及び/または上記の構成要素の一部は、前記チップと一体化することができ、またはフリップチップ接合技術のような技術を用いてチップの上に配置することができる。例えば、光源１1０及び/または副光源１1１は、利得要素及び導波路のような１つ以上の他の構成要素を含むことができる。前記導波路は、チップと一体化されてもよい。前記利得要素は、チップから分離されるが、フリップチップ接合によってチップに取り付けられる構成要素であってもよい。あるいは、上記ＬＩＤＡＲシステムを別個の構成要素で構築してもよい。例えば、導波路の全部または一部は、個別の構成要素を接続する光ファイバであってもよい。あるいは、ＬＩＤＡＲシステムの１つ以上の部分は、チップの上に一体化されながら、他の部分は別個の構成要素であってもよい。例えば、ユーティリティ導波路１６は、光源１1０とＬＩＤＡＲシステムの残りの部分を含む光学チップとの間で光通信を提供する光ファイバであってもよく、またはその光ファイバを含んでいてもよい。
これらの教示を考慮して、当業者が、本発明の他の実施形態、組合せ及び改変を容易に想到するであろう。従って、本発明は、上記の明細書及び付随の図面と関連して見た場合に、そのような全ての実施形態及び改変を包含する以下の特許請求の範囲によってのみ限定されるべきである。


Claims (19)

  1. 出発ＬＩＤＡＲ信号を出力するように構成された光源、およびベース上に複数のＬＩＤＡＲチップ導波路を含むＬＩＤＡＲチップを含むＬＩＤＡＲシステムであって、
    前記ＬＩＤＡＲチップ導波路は、増幅器がＬＩＤＡＲチップから受信する、出発ＬＩＤＡＲ信号および入射ＬＩＤＡＲ信号から選択される１つまたは複数の光信号を運ぶように構成されたユーティリティ導波路を含み、増幅器導波路は、入射ＬＩＤＡＲ信号を第２ファセットから第１ファセットに誘導し、ユーティリティ導波路は、第１ファセットから入射ＬＩＤＡＲ信号を受信し、
    前記入射ＬＩＤＡＲ信号は、ＬＩＤＡＲシステムの外側にある物体によって反射された出発ＬＩＤＡＲ信号からの光を含み、および
    前記ＬＩＤＡＲチップは、ベース上に増幅器を含み、該増幅器は、第１ファセットと第２ファセットで終端する、利得媒体に定義された増幅器導波路を備え、
    前記増幅器は、前記第１ファセットが前記ユーティリティ導波路のファセットと光学的に整列されているが、前記第２ファセットが前記ＬＩＤＡＲチップ導波路のいずれかとも光学的に整列されていないように配置される、
    ＬＩＤＡＲシステム。
  2. 前記光源は、レーザーである、請求項１に記載のＬＩＤＡＲシステム。
  3. 前記増幅器導波路は、前記ユーティリティ導波路から前記出発ＬＩＤＡＲ信号を受信し、受信された出発ＬＩＤＡＲ信号を、前記第２ファセットを通って誘導し、前記増幅器は、前記出発ＬＩＤＡＲ信号が前記第２ファセットを通過した結果として前記ＬＩＤＡＲチップから出射するように配置される、請求項１に記載のＬＩＤＡＲシステム。
  4. 前記出発ＬＩＤＡＲ信号は、複数の波長チャネルを含む、請求項３に記載のＬＩＤＡＲシステム。
  5. 前記ユーティリティ導波路は、出発ＬＩＤＡＲ信号及び入射ＬＩＤＡＲ信号を運ぶように構成されている、、請求項１に記載のＬＩＤＡＲシステム。
  6. 前記増幅器は、前記ＬＩＤＡＲチップに取り付けられた増幅器チップの上に含まれる、請求項１に記載のＬＩＤＡＲシステム。
  7. 前記増幅器チップは、前記ＬＩＤＡＲチップにフリップチップ接合される、請求項６に記載のＬＩＤＡＲシステム。
  8. 前記増幅器チップは、前記第２ファセットで開始し、前記ＬＩＤＡＲチップのいずれの部分も通過せずに、該増幅器チップから離れて該第２ファセット上の出発ＬＩＤＡＲ信号の伝播方向へ延伸するようなラインを引けるように、前記ＬＩＤＡＲチップの端部に配置される、請求項６に記載のＬＩＤＡＲシステム。
  9. 前記ＬＩＤＡＲチップは、ベースの上に配置されたユーティリティ導波路を有し、前記増幅器導波路の頂部のレベルは、該ユーティリティ導波路の頂部のレベルと該ベースとの間にある、請求項１に記載のＬＩＤＡＲシステム。
  10. 前記ユーティリティ導波路のファセットは、前記第１ファセットから離間している、請求項１に記載のＬＩＤＡＲシステム。
  11. 前記ユーティリティ導波路は、前記入射ＬＩＤＡＲ信号及び前記出発ＬＩＤＡＲ信号の両方を運ぶように構成されている、請求項１に記載のＬＩＤＡＲシステム。
  12. 前記ＬＩＤＡＲチップは、シリコン・オン・インシュレータプラットフォームの上に構築される、請求項１に記載のＬＩＤＡＲシステム。
  13. 前記第２ファセットは、光ファイバのファセットと光学的に整列される、請求項１に記載のＬＩＤＡＲシステム。
  14. 前記ユーティリティ導波路のファセットは、前記ユーティリティ導波路のファセットにおける前記ユーティリティ導波路の伝搬方向に対して７５°～８５°の角度であり、かつ、
    前記増幅器導波路は、前記第１ファセットが該第１ファセットにおける前記増幅器導波路の伝搬方向に対して７５°～８５°の角度であり、前記第２ファセットが該第２ファセットにおける前記増幅器導波路の伝搬方向に対して９０°の角度であるように、湾曲されている、請求項１に記載のＬＩＤＡＲシステム。
  15. 前記第１ファセットおよび前記第２ファセットは、前記ＬＩＤＡＲシステムの動作中に前記１つまたは複数の光信号が前記第１ファセットおよび前記第２ファセットを介して送信されるように構成される、請求項１に記載のＬＩＤＡＲシステム。
  16. 前記ベースは、シリコン基板と、前記ＬＩＤＡＲチップ導波路を含み、前記増幅器導波路は、前記シリコン基板上に配置される、請求項１に記載のＬＩＤＡＲシステム。
  17. 前記ＬＩＤＡＲチップは、拍動周波数で拍動する複合信号を形成するために参照信号と比較信号を結合するように構成された信号の結合部分を含み、前記比較信号は、前記入射ＬＩＤＡＲ信号からの光を含み、 参照信号は、ＬＩＤＡＲシステムの外側にある物体によって反射されていない光を含む、請求項１に記載のＬＩＤＡＲシステム。
  18. 前記拍動周波数からＬＩＤＡＲデータを計算する電子機器をさらに備え、前記ＬＩＤＡＲデータは、前記ＬＩＤＡＲシステムと前記ＬＩＤＡＲシステムの外側に位置する物体との間の距離および／または動径速度を示す、請求項１７に記載のＬＩＤＡＲシステム。
  19. 前記参照信号は、前記出発ＬＩＤＡＲ信号からの光を含み、前記比較信号は、前記出発ＬＩＤＡＲ信号からの光を含む、請求項１７に記載のＬＩＤＡＲシステム。
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