JPWO2018193723A1 - 光スキャンデバイス、光受信デバイス、および光検出システム - Google Patents
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Abstract
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。図1は、本開示の例示的な実施形態における光スキャンデバイス100の構成を模式的に示す斜視図である。光スキャンデバイス100は、第1の方向(図1におけるY方向)に規則的に配列された複数の導波路素子10を含む導波路アレイを備える。複数の導波路素子10の各々は、第1の方向に交差する第2の方向(図1におけるX方向)に延びた形状を有する。複数の導波路素子10は、第2の方向に光を伝搬させながら、第1および第2の方向に平行な仮想的な平面に交差する第3の方向D3に光を出射させる。本実施形態では、第1の方向(Y方向)と第2の方向(X方向)とが直交しているが、両者が直交していなくてもよい。本実施形態では、複数の導波路素子10がY方向に等間隔で並んでいるが、必ずしも等間隔に並んでいる必要はない。
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。
以下、図12および図13を参照しながら、導波路1、10間の導波光の結合の原理を説明する。簡単のため、導波路1、10内を伝搬する光を近似的に光線であると考える。導波路10の上下の多層反射膜と光導波層20との界面、および導波路1の上下の多層反射膜と光導波層2との界面(または、光導波層2と外部媒質との界面)で、光が完全に反射されると仮定する。第1の導波路1における光導波層2の厚さをd1、第2の導波路10における光導波層20の厚さをd2とする。導波路1、10のそれぞれにおいて、伝播光が存在する条件は、以下の式(5)、(6)で表される。
2d1nw1cosθw1=mλ (5)
2d2nw2cosθw2=mλ (6)
ここで、λは光の波長、mは1以上の整数である。
nw1sin(90°−θw1)=nw2sin(90°−θw2) (7)
nw1cosθw1=nw2cosθw2 (8)
本実施形態の効果を確認するため、本発明者らは、条件を様々に変えて、光の結合効率を計算した。計算には、Photon Design社のFIMMWAVEを用いた。
nw2sinθw2=1 (9)
d2/dcutoff=nw2/√(nw2 2−1) (10)
0.95×dcutoff<d2<1.5×dcutoff
(0.95×mλ/(2nw2)<d2<1.5×mλ/2nw2))
0.95×dcutoff<d2<1.5×dcutoff
0.95×dcutoff<d2<1.5×dcutoff
(すなわち、0.95×mλ/(2nw2)<d2<1.5×mλ/(2nw2))
1.2×dcutoff<d2<1.5×dcutoff
(すなわち、1.2×mλ/(2nw2)<d2<1.5×mλ/(2nw2))
複数の導波路素子(すなわち、第2の導波路)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。
導波路アレイからは0次光のほかに高次の回折光も出射され得る。簡単のために、図26においてθ=0oの場合を考える。つまり、回折光の出射方向はYZ平面に平行である。
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を設ける。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」と呼ぶことがある。
次に、導波路素子10における光導波層20の屈折率を調整する第1調整素子の構成例を説明する。
次に、光導波層20に液晶材料を用いた構成の具体例を説明する。
R1−Ph1−R2−Ph2−R3
次に、光導波層20に電気光学材料を用いた構成の具体例を説明する。
・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、SrTiO3Pb3MgNb2O9、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
次に、第2調整素子による複数の位相シフタ80における位相の調整のための構成を説明する。複数の位相シフタ80における位相の調整は、位相シフタ80における導波路20aの屈折率を変化させることによって実現され得る。この屈折率の調整は、既に説明した、各導波路素子10における光導波層20の屈折率を調整する方法と全く同じ方法によって実現することができる。例えば、図32Aから図33を参照しながら説明した屈折率変調の構成および方法をそのまま適用することができる。図32Aから図33に関する説明において、導波路素子10を位相シフタ80と読み替え、第1調整素子60を第2調整素子と読み替え、光導波層20を導波路20aと読み替え、第1駆動回路110を第2駆動回路210と読み替える。このため、位相シフタ80における屈折率変調についての詳細な説明は省略する。
本実施形態では、第1調整素子は、複数の導波路素子10から出射される光の方向が揃うように、各導波路素子10を駆動する。複数の導波路素子10から出射される光の方向を揃えるために、例えば、各導波路素子10に個別に駆動部を設け、これらの駆動部を同期駆動する。
導波路アレイ、位相シフタアレイ80A、およびこれらをつなぐ導波路は、半導体プロセス、3Dプリンター、自己組織化、ナノインプリントなど、高精度の微細加工が可能なプロセスによって製造することができる。これらのプロセスにより、小さい領域に必要な要素を集積することが可能である。
続いて、本実施形態の変形例を説明する。
次に、基板上に第1および第2の導波路が配置された光スキャンデバイスの実施形態を説明する。
図61は、本実施形態おける、複数の導波路素子10をY方向に配列した導波路アレイ10Aの構成例を模式的に示す、YZ平面における光スキャンデバイスの断面図である。図61の構成例では、Y方向において、第1のミラー30の幅は、光導波層20の幅よりも長い。第2のミラー40は、複数の導波路素子10によって共用されている。言い換えれば、各導波路素子10における第2のミラー40は、1つの繋がったミラーの一部である。第1のミラー30、光導波層20の端面からY方向に突出する部分を有する。Y方向における当該突出する部分の寸法を、y1とする。Y方向における、光導波層20の端面からの距離を、yとする。y=0は、光導波層20の端面に相当する。
図67は、回路基板(例えば、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67の構成例において、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、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67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60とを備える。導波路アレイ10Aは、第3の方向から入射した光を複数の導波路素子10によって受ける。より具体的には、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導波路アレイ10Aの各光導波層20に透過させる。導波路アレイ10Aの各光導波層20は、受けた光、すなわち第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60が各導波路素子10における前記光導波層20の屈折率を変化させることにより、受信可能な光の方向である第3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調整素子を備えている場合には、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。
多層反射膜を備える第1のミラーと、
前記多層反射膜に対向する多層反射膜を備える第2のミラーと、
前記第1のミラーと前記第2のミラーの間に位置し、入力光を伝搬光として伝搬させる光導波層と、
前記光導波層を間に挟んで位置する一対の電極と、
前記一対の電極に電圧を印加する駆動回路と、
を備え、
前記第1のミラー、前記第2のミラー、および前記光導波層は、同一の方向に延びた構造を有し、
前記第1のミラーは、前記第2のミラーよりも高い光透過率を有し、前記光導波層内を伝搬する前記伝搬光の一部を透過させて前記光導波層の外部に出射光として出射し、
前記光導波層は、液晶材料または電気光学材料を含み、
前記液晶材料の配向方向または前記電気光学材料の分極軸の方向は、前記一対の電極に前記電圧が印加されていない状態において、前記光導波層が延びる前記方向に平行または垂直であり、
前記駆動回路は、前記一対の電極に前記電圧を印加することにより、前記光導波層を伝搬する前記伝搬光に対する前記液晶材料または前記電気光学材料の屈折率を変化させることで、前記光導波層から出射される前記出射光の方向を変化させる、
光スキャンデバイス。
前記光導波層に直接的に繋がり、前記光導波層に前記入力光を入力する全反射導波路をさらに備える、項目1に記載の光スキャンデバイス。
前記光導波層は、前記液晶材料を含み、
前記液晶材料の前記配向方向は、前記一対の電極に前記電圧が印加されていない状態において、前記光導波層が延びる前記方向に平行または垂直であり、
前記駆動回路は、前記一対の電極に前記電圧を印加することにより、前記液晶材料の前記配向方向を変化させ、前記液晶材料の前記屈折率を変化させる、
項目2に記載の光スキャンデバイス。
前記一対の電極は、前記電圧が印加されたとき、前記第1および第2のミラーの反射面の法線方向に電場を発生させる態様で配置され、
前記液晶材料の前記配向方向は、前記一対の電極に前記電圧が印加されていない状態において、前記光導波層が延びる前記方向に平行である、項目3に記載の光スキャンデバイス。
直線偏光を出射する光源をさらに備え、
前記光源が出射した前記直線偏光がP偏光の前記入力光として前記光導波層に入力される、
項目4に記載の光スキャンデバイス。
前記一対の電極は、前記電圧が印加されたとき、前記第1および第2のミラーの反射面の法線方向に電場を発生させる態様で配置され、
前記液晶材料の前記配向方向は、前記一対の電極に前記電圧が印加されていない状態において、前記光導波層が延びる前記方向および前記第1および第2のミラーの法線方向の両方に垂直である、項目3に記載の光スキャンデバイス。
直線偏光を出射する光源をさらに備え、
前記光源が出射した前記直線偏光がS偏光の前記入力光として前記光導波層に入力される、
項目6に記載の光スキャンデバイス。
前記一対の電極は、前記電圧が印加されたとき、前記光導波層が延びる前記方向および前記第1および第2のミラーの反射面の法線方向の両方に垂直な方向に電場を発生させる態様で配置され、
前記液晶材料の前記配向方向は、前記一対の電極に前記電圧が印加されていない状態において、前記光導波層が延びる前記方向に平行である、
項目3に記載の光スキャンデバイス。
直線偏光を出射する光源をさらに備え、
前記光源が出射した前記直線偏光がS偏光の前記入力光として前記光導波層に入力される、
項目8に記載の光スキャンデバイス。
直線偏光を出射する光源をさらに備え、
前記光源が出射した前記直線偏光がP偏光の前記入力光として前記光導波層に入力される、
項目8に記載の光スキャンデバイス。
前記液晶材料は、ネマチック液晶分子を含み、
前記ネマチック液晶分子の分子構造は、
R1−Ph1−R2−Ph2−R3で表され、
R1およびR3は、それぞれ独立して、アミノ基、カルボニル基、カルボキシル基、シアノ基、アミン基、ニトロ基、ニトリル基、およびアルキル鎖からなる群から選択される一つであり、
Ph1およびPh2は、それぞれ独立して、芳香族基であり、
R2は、ビニル基、カルボニル基、カルボキシル基、ジアゾ基、およびアゾキシ基からなる群から選択される一つである、項目1から10のいずれかに記載の光スキャンデバイス。
前記液晶材料は、組成の異なる複数の液晶分子の混合物である、項目11に記載の光スキャンデバイス。
前記光導波層は、前記電気光学材料を含み、
前記電気光学材料の前記分極軸の前記方向は、前記光導波層が延びる前記方向に平行または垂直であり、
前記一対の電極は、前記電圧が印加されたときに前記一対の電極間に発生する電場の方向が、前記前記分極軸の前記方向に一致する態様で配置され、
前記駆動回路は、前記一対の電極に前記電圧を印加することにより、前記電気光学材料の前記屈折率を変化させる、項目1または2に記載の光スキャンデバイス。
前記電気光学材料の前記分極軸の前記方向は、前記光導波層が延びる前記方向および前記第1および第2のミラーの反射面の法線方向の両方に垂直である、項目13に記載の光スキャンデバイス。
直線偏光を出射する光源をさらに備え、
前記光源が出射した前記直線偏光がS偏光の前記入力光として前記光導波層に入力される、
項目14に記載の光スキャンデバイス。
前記電気光学材料の前記分極軸の前記方向は、前記第1および第2のミラーの反射面の法線方向に一致している、項目13に記載の光スキャンデバイス。
直線偏光を出射する光源をさらに備え、
前記光源が出射した前記直線偏光がP偏光の前記入力光として前記光導波層に入力される、
項目16に記載の光スキャンデバイス。
前記電気光学材料は、
KTa1−xNbxO3、または
K1−yAyTa1−xNbxO3(AはLiまたはNa)
で表される化合物を含み、
xは、0よりも大きく1よりも小さい実数であり、
yは、0よりも大きく1よりも小さい実数である、項目13から17のいずれかに記載の光スキャンデバイス。
第1の方向に配列された複数の導波路ユニットを備え、
前記複数の導波路ユニットの各々は、
多層反射膜を備える第1のミラーと、
前記多層反射膜に対向する多層反射膜を備える第2のミラーと、
前記第1のミラーと前記第2のミラーの間に位置し、入力光を伝搬光として伝搬させる光導波層と、
前記光導波層を間に挟んで位置する一対の電極と、
前記一対の電極に電圧を印加する駆動回路と、
を備え、
前記第1のミラー、前記第2のミラー、および前記光導波層は、同一の方向に延びた構造を有し、
前記第1のミラーは、前記第2のミラーよりも高い光透過率を有し、前記光導波層内を伝搬する前記伝搬光の一部を透過させて前記光導波層の外部に出射光として出射し、
前記光導波層は、液晶材料または電気光学材料を含み、
前記液晶材料の配向方向または前記電気光学材料の分極軸の方向は、前記一対の電極に前記電圧が印加されていない状態において、前記光導波層が延びる前記方向に平行または垂直であり、
前記駆動回路は、前記一対の電極に前記電圧を印加することにより、前記光導波層を伝搬する前記伝搬光に対する前記液晶材料または前記電気光学材料の屈折率を変化させることで、前記光導波層から出射される前記出射光の方向を変化させる、
光スキャンデバイス。
前記複数の導波路ユニットの各々は、前記光導波層に直接的に繋がり、前記光導波層に前記入力光を入力する全反射導波路をさらに備える、項目19に記載の光スキャンデバイス。
複数の位相シフタと、
前記複数の位相シフタを駆動する他の駆動回路と、
をさらに備え、
前記複数の位相シフタの各々は、前記複数の導波路ユニットの1つにおける前記光導波層に直接的にまたは前記全反射導波路を介して間接的に繋がる導波路を含み、
各位相シフタにおける前記導波路は、電圧の印加または温度変化に応じて屈折率が変化する材料を含み、
前記他の駆動回路は、各位相シフタにおける前記導波路に電圧を印加する、または前記導波路の温度を変化させることにより、前記導波路内の屈折率を変化させ、前記複数の位相シフタから前記複数の導波路ユニットに伝搬する光の位相の差をそれぞれ変化させる、項目19または20に記載の光スキャンデバイス。
多層反射膜を備える第1のミラーと、
前記多層反射膜に対向する多層反射膜を備える第2のミラーと、
前記第1のミラーと前記第2のミラーの間に位置し、入力光を伝搬光として伝搬させる光導波層と、
前記光導波層を間に挟んで位置する一対の電極と、
前記一対の電極に電圧を印加する駆動回路と、
を備え、
前記第1のミラー、前記第2のミラー、および前記光導波層は、同一の方向に延びた構造を有し、
前記第1のミラーは、前記第2のミラーよりも高い光透過率を有し、外部からの入射光を透過させて前記入力光として前記光導波層内に入力し、
前記光導波層は、液晶材料または電気光学材料を含み、
前記液晶材料の配向方向または前記電気光学材料の分極軸の方向は、前記一対の電極に前記電圧が印加されていない状態において、前記光導波層が延びる前記方向に平行または垂直であり、
前記駆動回路は、前記一対の電極に前記電圧を印加することにより、前記光導波層の屈折率を変化させることで、受信可能な前記入射光の方向を変化させる、
光受信デバイス。
項目1から21のいずれかに記載の光スキャンデバイスと、
前記光スキャンデバイスから出射された出射光を対象物が反射光として反射した場合に、前記反射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。
第1の導波路と、
前記第1の導波路に繋がる第2の導波路と、
を備え、
前記第2の導波路は、
多層反射膜を備える第1のミラーと、
前記第1のミラーの前記多層反射膜に対向する多層反射膜を備える第2のミラーと、
前記第1のミラーおよび前記第2のミラーの間に位置し、前記第1の導波路に入力され前記第1の導波路を伝搬した光を伝搬させる光導波層と、
を備え、
前記第1のミラーは、前記第2のミラーよりも高い光透過率を有し、前記光導波層内を伝搬する光の一部を、前記光導波層の外部に出射し、
前記光導波層の屈折率を変化させることにより、前記第2の導波路から出射される光の方向を変化させる調整素子をさらに備える、
光スキャンデバイス。
前記光導波層は、電圧が印加された場合に、前記光導波層を伝搬する光に対する屈折率が変化する材料を含み、
前記調整素子は、前記光導波層に電圧を印加することにより、前記光導波層の屈折率を変化させることで、前記第2の導波路から出射される光の方向を変化させる、
項目24に記載の光スキャンデバイス。
前記第1の導波路は、対向する2つの多層反射膜と、前記2つの多層反射膜に挟まれた光導波層とを有する、項目24または25に記載の光スキャンデバイス。
前記対向する2つの多層反射膜の光透過率は、前記第1のミラーの光透過率よりも低い、項目26に記載の光スキャンデバイス。
前記第1の導波路の屈折率をnw1、前記第2の導波路における前記光導波層の屈折率をnw2とするとき、
|nw1−nw2|/nw1<0.4
である、項目24から27のいずれかに記載の光スキャンデバイス。
前記第2の導波路における前記光導波層の屈折率をnw2、前記第2の導波路における前記光導波層の厚さをd2、前記第1の導波路に入力される光の波長をλとするとき、
0.95×mλ/(2nw2)<d2<1.5×mλ/(2nw2)
を満たす、項目24から28のいずれかに記載の光スキャンデバイス。
前記第1の導波路は、前記第1の導波路に入力された光を全反射によって伝搬させ、
1.2×mλ/(2nw2)<d2<1.5×mλ/(2nw2)
をさらに満たす、項目24から29のいずれかに記載の光スキャンデバイス。
前記第1の導波路の屈折率をnw1、前記第2の導波路における前記光導波層の屈折率をnw2とするとき、nw1>nw2である、項目24から30のいずれかに記載の光スキャンデバイス。
前記第2の導波路における前記光導波層は、ギャップを介して前記第1の導波路に繋がり、
前記第1の導波路に入力される光の波長をλとするとき、
前記ギャップの屈折率と前記ギャップの幅との積は、λ/6.5以下である、
項目24から31のいずれかに記載の光スキャンデバイス。
前記第1の導波路の厚さ方向の中心と、前記第2の導波路の厚さ方向の中心とのずれの大きさをΔzとし、前記第1の導波路における光導波層の厚さと前記第2の導波路における前記光導波層の厚さとの差をΔdとするとき、
−Δd/2<Δz<Δd/2
を満たす、項目24から32のいずれかに記載の光スキャンデバイス。
前記第1の導波路は、対向する2つの多層反射膜と、前記2つの多層反射膜に挟まれた光導波層とを備え、
前記2つの多層反射膜の一方は、隣接する部位よりも膜厚が薄い箇所を備え、
前記光導波層は、前記箇所に入射した光を伝搬させ、前記第2の導波路における前記光導波層の端面に入力する、
項目24から33のいずれかに記載の光スキャンデバイス。
前記第1の導波路は、表面の一部にグレーティングを備え、前記グレーティングに入射した光を伝搬させ、前記第2の導波路における前記光導波層の端面に入力する、
項目24から33のいずれかに記載の光スキャンデバイス。
前記第1の導波路は、前記第1の導波路の端面から入射した光を伝搬させ、前記第2の導波路における前記光導波層の端面に入力する、
項目24から33のいずれかに記載の光スキャンデバイス。
前記第1の導波路に繋がり、外部から入射した光を伝搬させて前記第1の導波路に入力する第3の導波路をさらに備える、項目24から33のいずれかに記載の光スキャンデバイス。
前記第1の導波路は、対向する2つの多層反射膜と、前記2つの多層反射膜に挟まれた光導波層とを備え、
前記第3の導波路は、全反射によって光を伝搬させて前記第1の導波路に前記光を入力する、項目37に記載の光スキャンデバイス。
前記第3の導波路は、表面の一部にグレーティングを備え、前記グレーティングに入射した光を伝搬させ、前記第1の導波路の端面に入力する、
項目37または38に記載の光スキャンデバイス。
前記第3の導波路は、前記第3の導波路の端面から入射した光を伝搬させ、前記第1の導波路の端面に入力する、
項目37または38に記載の光スキャンデバイス。
第1の方向に配列された複数の導波路ユニットを備え、
前記複数の導波路ユニットの各々は、
第1の導波路と、
前記第1の導波路に繋がり、前記第1の方向に交差する第2の方向に光を伝搬させる第2の導波路と、
を備え、
前記第2の導波路は、
多層反射膜を備える第1のミラーと、
前記第1のミラーの前記多層反射膜に対向する多層反射膜を備える第2のミラーと、
前記第1のミラーおよび前記第2のミラーの間に位置し、前記第1の導波路に入力され前記第1の導波路を伝搬した光を伝搬させる光導波層と、
を備え、
前記第1のミラーは、前記第2のミラーよりも高い光透過率を有し、前記光導波層内を伝搬する光の一部を、前記光導波層の外部に出射し、
各第2の導波路における前記光導波層の屈折率を変化させることにより、各第2の導波路から出射される光の方向を変化させる第1調整素子をさらに備える、
光スキャンデバイス。
前記複数の導波路ユニットにおける前記第1の導波路から前記第2の導波路へ伝搬する光の位相の差を調整することにより、各第2の導波路から出射される光の方向を変化させる第2調整素子をさらに備える、項目41に記載の光スキャンデバイス。
前記複数の導波路ユニットにおける前記第1の導波路にそれぞれ接続された導波路を有する複数の位相シフタをさらに備え、
各位相シフタにおける前記導波路は、電圧の印加または温度変化に応じて屈折率が変化する材料を含み、
前記第2調整素子は、各位相シフタにおける前記導波路に電圧を印加する、または前記導波路の温度を変化させることにより、前記導波路内の屈折率を変化させ、前記複数の位相シフタから前記複数の導波路素子に伝搬する光の位相の差をそれぞれ変化させる、
項目42に記載の光スキャンデバイス。
各第2の導波路から出射する光の波数ベクトルの、前記第2の方向の成分をX成分、前記第1の方向の成分をY成分とするとき、
前記第1調整素子は、前記波数ベクトルのX成分を変化させ、
前記第2調整素子は、前記波数ベクトルのY成分を変化させる、
項目42または43に記載の光スキャンデバイス。
自由空間における波長がλの光を出射する光源と、
前記光源からの前記光を分岐して前記複数の位相シフタにおける前記導波路に導入する光分岐器と、
をさらに備える、項目42または43に記載の光スキャンデバイス。
第1の導波路と、
前記第1の導波路に繋がる第2の導波路と、
を備え、
前記第2の導波路は、
多層反射膜を備える第1のミラーと、
前記第1のミラーの前記多層反射膜に対向する多層反射膜を備える第2のミラーと、
前記第1のミラーおよび前記第2のミラーの間に位置し、光を伝搬させる光導波層と、を備え、
前記第1のミラーは、前記第2のミラーよりも高い光透過率を有し、前記第1のミラーに入射した光の一部を、前記光導波層内に導入し、
前記第1のミラーから前記光導波層に入射した光の一部は、前記第1の導波路に入力され、
前記光導波層の屈折率を変化させる調整素子をさらに備える、
光受信デバイス。
項目1から22のいずれかに記載の光スキャンデバイスと、
前記光スキャン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、
を備えるライダーシステム。
2 光導波層、導波路
3 多層反射膜
4 多層反射膜
5 グレーティング
6 レーザー光源
7 光ファイバー
10 導波路素子(第2の導波路)
20 光導波層
30 第1のミラー
40 第2のミラー
42 低屈折率層
44 高屈折率層
50,50A,50B,50C 基板
51 第1の誘電体層(調整層)
60 調整素子
61 第2の誘電体層(保護層)
62 電極
64 配線
66 電源
68 ヒーター
73,73a,73b スペーサ
80,80a,80b 位相シフタ
90,90a,90b 光分岐器
92 光スイッチ
100 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 (23)
- 多層反射膜を備える第1のミラーと、
前記多層反射膜に対向する多層反射膜を備える第2のミラーと、
前記第1のミラーと前記第2のミラーの間に位置し、入力光を伝搬光として伝搬させる光導波層と、
前記光導波層を間に挟んで位置する一対の電極と、
前記一対の電極に電圧を印加する駆動回路と、
を備え、
前記第1のミラー、前記第2のミラー、および前記光導波層は、同一の方向に延びた構造を有し、
前記第1のミラーは、前記第2のミラーよりも高い光透過率を有し、前記光導波層内を伝搬する前記伝搬光の一部を透過させて前記光導波層の外部に出射光として出射し、
前記光導波層は、液晶材料または電気光学材料を含み、
前記液晶材料の配向方向または前記電気光学材料の分極軸の方向は、前記一対の電極に前記電圧が印加されていない状態において、前記光導波層が延びる前記方向に平行または垂直であり、
前記駆動回路は、前記一対の電極に前記電圧を印加することにより、前記光導波層を伝搬する前記伝搬光に対する前記液晶材料または前記電気光学材料の屈折率を変化させることで、前記光導波層から出射される前記出射光の方向を変化させる、
光スキャンデバイス。 - 前記光導波層に直接的に繋がり、前記光導波層に前記入力光を入力する全反射導波路をさらに備える、請求項1に記載の光スキャンデバイス。
- 前記光導波層は、前記液晶材料を含み、
前記液晶材料の前記配向方向は、前記一対の電極に前記電圧が印加されていない状態において、前記光導波層が延びる前記方向に平行または垂直であり、
前記駆動回路は、前記一対の電極に前記電圧を印加することにより、前記液晶材料の前記配向方向を変化させ、前記液晶材料の前記屈折率を変化させる、
請求項2に記載の光スキャンデバイス。 - 前記一対の電極は、前記電圧が印加されたとき、前記第1および第2のミラーの反射面の法線方向に電場を発生させる態様で配置され、
前記液晶材料の前記配向方向は、前記一対の電極に前記電圧が印加されていない状態において、前記光導波層が延びる前記方向に平行である、
請求項3に記載の光スキャンデバイス。 - 直線偏光を出射する光源をさらに備え、
前記光源が出射した前記直線偏光がP偏光の前記入力光として前記光導波層に入力される、請求項4に記載の光スキャンデバイス。 - 前記一対の電極は、前記電圧が印加されたとき、前記第1および第2のミラーの反射面の法線方向に電場を発生させる態様で配置され、
前記液晶材料の前記配向方向は、前記一対の電極に前記電圧が印加されていない状態において、前記光導波層が延びる前記方向および前記第1および第2のミラーの法線方向の両方に垂直である、
請求項3に記載の光スキャンデバイス。 - 直線偏光を出射する光源をさらに備え、
前記光源が出射した前記直線偏光がS偏光の前記入力光として前記光導波層に入力される、請求項6に記載の光スキャンデバイス。 - 前記一対の電極は、前記電圧が印加されたとき、前記光導波層が延びる前記方向および前記第1および第2のミラーの反射面の法線方向の両方に垂直な方向に電場を発生させる態様で配置され、
前記液晶材料の前記配向方向は、前記一対の電極に前記電圧が印加されていない状態において、前記光導波層が延びる前記方向に平行である、
請求項3に記載の光スキャンデバイス。 - 直線偏光を出射する光源をさらに備え、
前記光源が出射した前記直線偏光がS偏光の前記入力光として前記光導波層に入力される、請求項8に記載の光スキャンデバイス。 - 直線偏光を出射する光源をさらに備え、
前記光源が出射した前記直線偏光がP偏光の前記入力光として前記光導波層に入力される、請求項8に記載の光スキャンデバイス。 - 前記液晶材料は、ネマチック液晶分子を含み、
前記ネマチック液晶分子の分子構造は、
R1−Ph1−R2−Ph2−R3で表され、
R1およびR3は、それぞれ独立して、アミノ基、カルボニル基、カルボキシル基、シアノ基、アミン基、ニトロ基、ニトリル基、およびアルキル鎖からなる群から選択される一つであり、
Ph1およびPh2は、それぞれ独立して、芳香族基であり、
R2は、ビニル基、カルボニル基、カルボキシル基、ジアゾ基、およびアゾキシ基からなる群から選択される一つである、
請求項1から10のいずれかに記載の光スキャンデバイス。 - 前記液晶材料は、組成の異なる複数の液晶分子の混合物である、請求項11に記載の光スキャンデバイス。
- 前記光導波層は、前記電気光学材料を含み、
前記電気光学材料の前記分極軸の前記方向は、前記光導波層が延びる前記方向に平行または垂直であり、
前記一対の電極は、前記電圧が印加されたときに前記一対の電極間に発生する電場の方向が、前記前記分極軸の前記方向に一致する態様で配置され、
前記駆動回路は、前記一対の電極に前記電圧を印加することにより、前記電気光学材料の前記屈折率を変化させる、
請求項1または2に記載の光スキャンデバイス。 - 前記電気光学材料の前記分極軸の前記方向は、前記光導波層が延びる前記方向および前記第1および第2のミラーの反射面の法線方向の両方に垂直である、
請求項13に記載の光スキャンデバイス。 - 直線偏光を出射する光源をさらに備え、
前記光源が出射した前記直線偏光がS偏光の前記入力光として前記光導波層に入力される、請求項14に記載の光スキャンデバイス。 - 前記電気光学材料の前記分極軸の前記方向は、前記第1および第2のミラーの反射面の法線方向に一致している、
請求項13に記載の光スキャンデバイス。 - 直線偏光を出射する光源をさらに備え、
前記光源が出射した前記直線偏光がP偏光の前記入力光として前記光導波層に入力される、請求項16に記載の光スキャンデバイス。 - 前記電気光学材料は、
KTa1−xNbxO3、または
K1−yAyTa1−xNbxO3(AはLiまたはNa)
で表される化合物を含み、
xは、0よりも大きく1よりも小さい実数であり、
yは、0よりも大きく1よりも小さい実数である、
請求項13から17のいずれかに記載の光スキャンデバイス。 - 第1の方向に配列された複数の導波路ユニットを備え、
前記複数の導波路ユニットの各々は、
多層反射膜を備える第1のミラーと、
前記多層反射膜に対向する多層反射膜を備える第2のミラーと、
前記第1のミラーと前記第2のミラーの間に位置し、入力光を伝搬光として伝搬させる光導波層と、
前記光導波層を間に挟んで位置する一対の電極と、
前記一対の電極に電圧を印加する駆動回路と、
を備え、
前記第1のミラー、前記第2のミラー、および前記光導波層は、同一の方向に延びた構造を有し、
前記第1のミラーは、前記第2のミラーよりも高い光透過率を有し、前記光導波層内を伝搬する前記伝搬光の一部を透過させて前記光導波層の外部に出射光として出射し、
前記光導波層は、液晶材料または電気光学材料を含み、
前記液晶材料の配向方向または前記電気光学材料の分極軸の方向は、前記一対の電極に前記電圧が印加されていない状態において、前記光導波層が延びる前記方向に平行または垂直であり、
前記駆動回路は、前記一対の電極に前記電圧を印加することにより、前記光導波層を伝搬する前記伝搬光に対する前記液晶材料または前記電気光学材料の屈折率を変化させることで、前記光導波層から出射される前記出射光の方向を変化させる、
光スキャンデバイス。 - 前記複数の導波路ユニットの各々は、前記光導波層に直接的に繋がり、前記光導波層に前記入力光を入力する全反射導波路をさらに備える、請求項19に記載の光スキャンデバイス。
- 複数の位相シフタと、
前記複数の位相シフタを駆動する他の駆動回路と、
をさらに備え、
前記複数の位相シフタの各々は、前記複数の導波路ユニットの1つにおける前記光導波層に直接的にまたは前記全反射導波路を介して間接的に繋がる導波路を含み、
各位相シフタにおける前記導波路は、電圧の印加または温度変化に応じて屈折率が変化する材料を含み、
前記他の駆動回路は、各位相シフタにおける前記導波路に電圧を印加する、または前記導波路の温度を変化させることにより、前記導波路内の屈折率を変化させ、前記複数の位相シフタから前記複数の導波路ユニットに伝搬する光の位相の差をそれぞれ変化させる、請求項19または20に記載の光スキャンデバイス。 - 多層反射膜を備える第1のミラーと、
前記多層反射膜に対向する多層反射膜を備える第2のミラーと、
前記第1のミラーと前記第2のミラーの間に位置し、入力光を伝搬光として伝搬させる光導波層と、
前記光導波層を間に挟んで位置する一対の電極と、
前記一対の電極に電圧を印加する駆動回路と、
を備え、
前記第1のミラー、前記第2のミラー、および前記光導波層は、同一の方向に延びた構造を有し、
前記第1のミラーは、前記第2のミラーよりも高い光透過率を有し、外部からの入射光を透過させて前記入力光として前記光導波層内に入力し、
前記光導波層は、液晶材料または電気光学材料を含み、
前記液晶材料の配向方向または前記電気光学材料の分極軸の方向は、前記一対の電極に前記電圧が印加されていない状態において、前記光導波層が延びる前記方向に平行または垂直であり、
前記駆動回路は、前記一対の電極に前記電圧を印加することにより、前記光導波層の屈折率を変化させることで、受信可能な前記入射光の方向を変化させる、
光受信デバイス。 - 請求項1から21のいずれかに記載の光スキャンデバイスと、
前記光スキャンデバイスから出射された出射光を対象物が反射光として反射した場合に、前記反射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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