JPWO2017126386A1 - 光偏向デバイスおよびライダー装置 - Google Patents
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Abstract
Description
(1) 光が伝搬する光伝搬部を、シリコン等の高屈折率媒質を有する光導波層上に形成される微細構造とする構成
(2) 光伝搬部を構成する微細構造を、スローライトを発現する周期構造と、光を放射する周期構造の2つの周期構造とする構成
を備える。
(a) シリコンの第1の屈折率媒質に第2の低屈折率媒質を周期aで備え、周期方向の少なくとも一端を入射端とする光導波部を構成する第1の周期構造
(b) 第1の屈折率媒質に第2の屈折率媒質を第1の周期構造の周期aよりも長い周期Λ(a<Λ<2a)で備え、周期方向の側端を出射端とする出射部を構成する第2の周期構造
を備え、
(c) 第2の周期構造の配置位置は、第1の周期構造の光導波部を伝搬する光の強度分布の周辺部(尾部)である構成
(d) 周期aはa=λ/2nである(nは第1の周期構造の光導波部を伝搬する光の等価屈折率、λはブラッグ波長付近の波長)構成
を備える。
2重周期構造の他の構成例は、フォトニック結晶の面内に、導波路に沿って2種類の異なる直径の円孔を繰り返す二重周期構造である。この二重周期構造は、大径の円孔を繰り返す周期構造と、小径の円孔を繰り返す周期構造とを備え、基準の円孔の直径を2r、直径の相違幅を2Δrとしたとき、大径の円孔の直径は2(r+Δr)であり、小径の円孔の直径は2(r−Δr)である。
出射ビームの出射角度θの変化において、出射角度θの感度は光の波長λや第1の周期構造を構成する屈折率媒質の屈折率nと関連して変化し、わずかな波長変化や屈折率変化によって出射角度θは大きく変化する。
出射部から拡散する出射ビームの出射角度を一方向に揃える光学系(シリンドリカルレンズ)を、出射部の出射方向の前方に備える。この光学系によって、出射部から拡散する周期ビームの広がりを一方向に揃えて、出射ビームのビーム品質を向上させることができる。
光導波部の両端に、光路切替スイッチ光路を介して2つの光路を切り替え自在に接続する。光路切替スイッチ光路によって2つの光路に入射光を切り替えて入射し、光偏向デバイスの光導波部の両端から入射光を切り替えて入射する。出射角度θは伝搬定数βの向きによっても変わるため、光路切替スイッチを使って第1の周期構造の光導波部に入射する光の向きを変えることによって、出射角度θの角度範囲を広げる。
本願発明の光偏向デバイスは、出射ビームの角度変化の方向を一方向で行う1次元ビーム掃引に適用する他、出射ビームの角度変化の方向を異なる二方向で行う2次元ビーム掃引に適用することができる。
本願発明の光偏向デバイスは、出射光が反射して戻る反射光を受光することができ、反射光を用いた装置に適用することができる。反射光を利用するライダー装置は、光偏向デバイスと、光偏向デバイスにパルス光を入射するパルス光源と、光偏向デバイスで受けた光を検出する光検出部とを備えた構成とすることができる。光偏向デバイスは、出射光の出射とこの出射光に起因する反射光の入射の2方向で光を入出力する。ライダー装置では、出射光の出射と反射光の入射とを、一つの光偏向デバイスで行うことができる。ライダー装置は、光偏向デバイスに向かうパルス光と光偏向デバイスで受けた光とを切り替える切替部を備える構成としてもよい。
・光偏向デバイスの構成
図1は光偏向デバイスの構成を説明するための概略図である。図1(a)は概略構成を説明するための図であり、図1(b)は光偏向デバイスの周期構造の概略を説明するための図である。
次に、スローライトによる出射角度θの制御について説明する。
・出射角度の変化
群速度が小さい光であるスローライトの伝搬定数βは光の波長λや第1の周期構造を構成する屈折率媒質の屈折率nに依存して変化する。このスローライト光が第2の周期構造に結合すると、伝搬定数βがβN=β−(2π/Λ)Nに変換される。ここでNは整数である。
θ=sin−1(βN/k0)=sin−1nN …(1)
となる。ここでnN=βN/k0としている。
β−(2π/Λ)N≦k0 …(2)
波長λに対する出射角度θの感度は以下の式(3)で表される。
dθ/dλ=(βN+λdβ/dλ)/[2π√{1−(βN/k0)2}]
=(nN+ng)/[λ√(1−nN 2)] …(3)
ここで、ngはスローライト導波路の群屈折率(群速度の低下率)である。
ng=c・dβ/dω=(λ2/2π)・dβ/dλ
で与えられるが、スローライト導波路ではngが数十以上の大きな値である。
屈折率nに対する出射角度θの感度は以下の式(5)で表される。
dθ/dn=*(ng/n)/[√(1−nN 2)]・(dλ/dn)/(λ/n)
=*ng/[n√(1−nN 2)] …(5)
図3,図4は、本願発明の光偏向デバイスの出射角度を制御する構成を説明するための図である。
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を図5〜7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5(a)〜図5(c)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5(a),5(b)は1次元のフォトニック結晶導波路を示し、図5(c)は2次元のフォトニック結晶導波路を示している。
以下、周期構造によるスローライトの放射条件について説明する。図6(a)は第1の周期構造による放射条件を説明するための図であり、第1の周期構造のみのフォトニックバンドを示している。
第2の周期構造の周期Λは様々な値を取り得るが、典型例はΛ=2aである。図6(b)は第2の周期構造の周期Λが2aであるときのフォトニックバンドを示している。この周期構造では、第2の周期構造がもつ波数ベクトル2π/Λによるバンドシフトによって、導波路モードの波数は、空気への放射モード領域の放射条件に変換され、進行方向と同じ方向の斜め上方に放射される光に変換される。
放射条件を満たさないため、光は放射されない。
(b) a<Λ<2aの範囲:
斜めの方に放射される。
(b1) Λ<4a/3の場合:
図7(a)はΛ<4a/3の場合を示している。この周期Λでは、一部の波長は空気への放射条件を満たさなくなる。
(b2) Λ=*4a/3の場合:
図7(b)はΛ=*4a/3の場合を示している。この周期Λでは、全てのスローライトモードが空気への放射条件に入り、複数の放射は起こらない。スローライトモードは負方向の放射条件の縁にあるので、放射は進行方向とは逆方向の水平近い角度で偏向される。
(b3) 4a/3<Λ<2aの場合:
図7(c)は4a/3<Λ<2aの場合を示している。この周期Λでは、複数の放射が起こる。
(b4) Λ=2aの場合:
図7(d)はΛ=2aの場合を示している。この周期Λでは、再びスローライトモードが全て放射条件となり、かつ複数の放射は起こらない。
(b5) Λ>2aの場合:
図7(e)はΛ>2aの場合を示している。この周期Λでは、フォトニックバンドの折り返し回数が多くなるので、放射条件が多数現れる。
Λ=*4a/3、又はΛ=2aの条件を満たすものが好適である。
次に、波長λや屈折率nが十分に変えられる状況で得られる最大の偏向角について説明する。
β=(2π/a)N−0.25nc(2π/a)〜(2π/a)N−0.50(2π/a)
=*(4N−nc)k0〜(4N−2)k0 …(6)
ここで、ncは放射条件を決める上下クラッドの屈折率である.
Λ=2aの場合には、スローライトのβは2π/Λ=2π/2a=*2k0によって波数変換されるので、以下の式(7)で表される。
βN=*(4N−nc)k0〜(4N−4)k0 …(7)
β1=*(2−NC)k0〜0 …(8)
nN=n1=β1/k0=*(2−nc)〜0 …(9)
θ=sin−1n1=sin−1(2−nc)〜0 …(10)
Λ=4a/3の場合には、スローライトのβが2π/Λ=3π/2a=*3k0によって波数変換されるので、以下の式(11)で表される。
βN=*(4N―3―nc)k0〜(4N−5)k0 …(11)
β1=*−(nc−1)k0〜−k0 …(12)
nN=n1=β1/k0=*−(nc−1)〜−1 …(13)
θ=sin−1n1=sin−1[−(nc−1)]〜−1 …(14)
空気クラッドではθ=0°〜−90°となり、シリカクラッドではθ=−27°〜−90°となる。
スローライトの伝搬条件を満たす波長範囲は、フォトニック結晶導波路がエアブリッジ構造の場合にはλ=*1550nm付近で35nm程度の範囲であり、シリカクラッドの場合では15nm程度である。これらの範囲において、前記したような最大のビーム偏向が得られる。
a/λ=*0.258
β=0.55(2π/a)〜0.63(2π/a)=*2.13k0〜2.44k0
で計算される。
n1=−0.87〜−0.56
θ=−60°〜−34°
π/Λ=(2π/λ)(λ/a)(a/Λ)=2.13+1
によって波数変換され、屈折率n1及び出射角度θは以下の値となる。
n1=−1〜−0.69
θ=−90°〜−44°
この場合、波長1550nm付近で10nmの範囲で波長変化させるだけで偏向角90−44=46°の範囲を実現することができる。
次に、図10を用いて回折格子の構成例について説明する。
第2の周期構造による出射部3を構成する回折格子は,表面回折格子のほかに、他の構造とすることができる。
光偏向デバイス1は、Si等の半導体などの高屈折率媒質からなるスラブに、SiO2等の低屈折率媒質の円孔3b,3cを2次元周期的に例えば三角格子配列で配列し、一部の配列の円孔を取り除いた構成であり、円孔を取り除いた部分は2次元フォトニック結晶による導波部を構成すると共に、放射光ビームを放射する出射部を構成する。
以下、出射ビームの偏向角を調整する構成について、図13,14を用いて説明する。
図13は光偏向デバイスに対する入射光の入射方向を切り替えることによって偏向角の範囲を拡大する構成例を示している。
図14は光偏向デバイスから出射される光の広がりを光学系レンズを介して抑制する構成を示している。
以下、出射ビームを2次元的に掃引する構成について、図15,16を用いて説明する。
図15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。
上記した光ビームを放射する光偏向デバイスは、反射光を用いた装置に適用することができる。図17は光偏向デバイスの反射光を用いた装置への適用を説明するための図である。
1a,1b 光偏向デバイス
2 光導波部
2A 1次元フォトニック結晶導波路
2B 1次元フォトニック結晶導波路
2C〜2H 2次元フォトニック結晶導波路
2a スローライト導波路
2b 上部クラッド
2c 下部クラッド
3 出射部
3B エアブリッジ型回折格子
3C エアブリッジ型回折格子
3D〜3J 回折格子
3a 表面回折格子
3b,3c 円孔
4 波長制御部
5 屈折率制御部
6 出射角度制御部
7,7a,7b スイッチ
8a〜8f 光路
9,9a シリンドリカルレンズ
9b プラスチックモールド
10 入射導波路
11 切り替え部
12 位相調整器
13 アレイ集積
14 パワー分配器
15 アレイ集積
21 高屈折率媒質
22 低屈折率媒質
23 屈折率変更部
31 高屈折率媒質
32 低屈折率媒質
33 屈折率変更部
40 高屈折率基板
41 基板
42 反射鏡
50 パルス光源
60 光検出部
70 光フィルタ
80 入射導波路
90 光スイッチ
100 ライダー装置
Claims (21)
- 屈折率の周期構造を備えたシリコンフォトニクスデバイスであり、
前記周期構造は、
シリコン基材の第1の屈折率媒質に、周期aで屈折率を異にする第2の屈折率媒質を備え、周期方向の少なくとも一端を入射端とする光導波部を構成する第1の周期構造と、
第1の屈折率媒質に、前記第1の周期構造の周期aよりも長い周期Λ(a<Λ<2a)で屈折率を異にする第2の屈折率媒質を備え、周期方向の側端を出射端とする出射部を構成する第2の周期構造とを備え、
前記第2の周期構造の配置位置は、前記第1の周期構造の光導波部を伝搬する光の強度分布の周辺部であり、
前記周期aはa=λ/2n(nは第1の周期構造の光導波部の伝搬光の等価屈折率、λはブラッグ波長付近の波長)であることを特徴とする、光偏向デバイス。 - 前記第1の周期構造及び前記第2の周期構造において、第1の周期構造の刻みは第2の周期構造の刻みよりも大きいことを特徴とする、請求項1に記載の光偏向デバイス。
- 前記第1の周期構造の光導波部はスローライト導波路であり、
前記第2の周期構造の出射部は回折格子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。 - 前記スローライト導波路はフォトニック結晶の周期構造で構成されるフォトニック結晶導波路であることを特徴とする請求項3に記載の光偏向デバイス。
- 前記フォトニック結晶導波路は、
シリコン基板上のクラッドとの間に空気層を備えるエアブリッジ型スローライト導波路、
又は、
クラッド内に埋め込まれるクラッド埋込型スローライト導波路であることを特徴とする請求項4に記載の光偏向デバイス。 - 前記回折格子は、屈折率媒質に周期的に設けた凹凸構造、又はフォトニック結晶の周期構造で構成されることを特徴とする請求項3に記載の光偏向デバイス。
- 前記回折格子は、
前記エアブリッジ型スローライト導波路の間、又はクラッド埋込型スローライト導波路のクラッドとの間に、空気層を備えるエアブリッジ型回折格子、
又は、
前記クラッド埋込型スローライト導波路を埋め込むクラッドにおいて、上クラッドの上部、上クラッド、あるいは下クラッドのクラッド内に埋め込まれる埋込型回折格子、
又は、
シリコン基板に形成した回折格子の何れか一つであることを特徴とする、請求項6に記載の光偏向デバイス。 - 前記回折格子は、
前記フォトニック結晶導波路の両側、
又は、
前記フォトニック結晶導波路の上部表面に設けることを特徴とする、請求項4に記載の光偏向デバイス。 - 前記フォトニック結晶導波路は、フォトニック結晶の周期構造を短周期と長周期構造の2種類の周期を備える2重周期構造を備え、
短周期の周期構造は第1の周期構造のスローライト導波路を構成し、
長周期の周期構造は第2の周期構造の回折格子を構成することを特徴とする、請求項4に記載の光偏向デバイス。 - 前記第1の周期構造は、直線状の周期構造を有する1次元フォトニック結晶導波路、又は、平面状の周期構造に直線欠陥部を有する2次元フォトニック結晶導波路であることを特徴とする、請求項1から9に記載の光偏向デバイス。
- 前記第2の周期構造の下方の基板側に、前記出射部から出射した出射光を反射する反射部を備えることを特徴とする、請求項1から10に記載の光偏向デバイス。
- フォトニック結晶の面内に、導波路に沿って2種類の異なる直径の円孔を繰り返す二重周期構造を備えた光偏向デバイス。
- 前記二重周期構造は、大径の円孔を繰り返す周期構造と、小径の円孔を繰り返す周期構造とを備え、
基準の円孔の直径を2r、直径の相違幅を2Δrとしたとき、
大径の円孔の直径は2(r+Δr)であり、
小径の円孔の直径は2(r−Δr)であることを特徴とする請求項12に記載の光偏向デバイス。 - 入射光の波長変更を制御する波長制御部、及び/又は、第1の周期構造及び/又は第2の周期構造の屈折率変更を制御する屈折率制御部を備え、
前記波長制御部による入射光の波長変更、及び/又は、前記屈折率制御部による周期構造内の屈折率媒質の屈折率変更によって、出射ビームの出射角度を変更することを特徴とする、請求項1から13に記載の光偏向デバイス。 - 前記波長制御部の波長変更及び/又は前記屈折率制御部の屈折率変更を制御する制御部を備え、
前記制御部は波長変更及び/又は屈折率変更の時間制御による出射角度の逐次変更により、1次元ビーム掃引することを特徴とする、請求項14に記載の光偏向デバイス。 - 前記出射部から拡散する出射ビームの出射角度を一方向に揃える光学系を備えることを特徴とする、請求項1から15の何れか一つに記載の光偏向デバイス。
- 前記光学系は、前記出射部の出射側に配置されるシリンドリカルレンズ、又は前記出射部の出射側に出射方向に順に配置されるマイクロレンズアレイ及びシリンドリカルレンズであることを特徴とする、請求項16に記載の光偏向デバイス。
- 前記光導波部の両端に対して、入射光を入射する光路を切り替える光路切替スイッチを備えることを特徴とする、請求項1から17に記載の光偏向デバイス。
- 複数の前記光導波部の平行配置で構成されるアレイ構成と、
前記複数の光導波部の少なくとも何れか一つに入射光を切り替えて入射する入射光切替スイッチとを備え、
前記出射部の方向に依存する第1の出射方向のビーム掃引と、前記入射光切替スイッチによる光導波部の選択に依存する第2の出射方向のビーム掃引とにより2次元ビーム掃引することを特徴とする、請求項16又は17に記載の光偏向デバイス。 - 複数の前記光導波部の平行配置で構成されるアレイ構成と、
前記複数の光導波部に位相調整した入射光を入射する位相調整器とからなる位相アレイを備え、
前記位相調整器の位相調整によって2次元掃引することを特徴とする、請求項15に記載の光偏向デバイス。 - 請求項1から20の何れかに記載の光偏向デバイスと、
前記光偏向デバイスにパルス光を入射するパルス光源と、
前記光偏向デバイスで受けた光を検出する光検出部と、
を備えたライダー装置。
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