JPWO2019220513A1 - 光集積回路、並びにこれを用いた光フェーズドアレイ及びＬｉＤＡＲセンサ - Google Patents

Abstract

複数のチャネルに光位相シフトを与える光集積回路であって、位相制御の複雑化を招くことなく隣接チャネル間の位相差の波長依存性及び温度依存性が低減された光集積回路を提供する。この光集積回路は、基板上に形成された光導波路により構成され、入力光が伝搬するバス導波路と、バス導波路上に配された当該バス導波路を伝搬する光の一部をそれぞれ抽出する複数の光カプラと、複数の光カプラが抽出した光をそれぞれ伝搬する複数の導波ラインと、バス導波路に沿って隣接する光カプラの間の当該バス導波路上にそれぞれ設けられた位相シフタと、を備え、バス導波路の光入力端から各導波ラインの光出力端までの光路長が互いに等しくなるように構成されている。

Description

本発明は、一般に、光集積回路に関し、特に、光位相制御に用いられる波長非依存型の光集積回路、並びにこれを用いた光フェーズドアレイ及びＬｉＤＡＲセンサに関する。

ＬｉＤＡＲ（Ｌｉｇｈｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ）センサは、リモートセンシング及び測距の用途に用いられ、例えば、自動運転システム等においてリアルタイムの三次元マッピング及び物体の検出、追跡、特定等を行うのに用いられる。

ＬｉＤＡＲセンサは、レーザビームを観察空間内でスキャンして当該空間内の物体に照射し、当該照射したビームが物体の表面で散乱し反射されることで発生する反射戻り光を受光センサにより受信する。そして、レーザビームの照射から反射戻り光を受信するまでの光の飛行時間（ＴＯＦ、Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）と、当該反射戻り光の到来方向と、を測定することにより、当該物体の位置と距離を測定する。

このようなＬｉＤＡＲセンサとして、機械式の回転部品を用いてレーザビームのスキャンニングを行うものが知られている。しかしながら、先進運転者支援システム（ＡＤＡＳ）や自律運転システムのような一部のシステムでは、様々な利点を持ち得るソリッドステート型のビームスキャナを用いることが望ましい。そのような利点には、センサ信頼度がより高いこと、センサ寿命がより長いこと、センササイズがより小さいこと、センサ重量がより軽いこと、及びセンサコストがより手頃であることが含まれるが、これらに限定されない。

そのようなソリッドステート型のビームスキャナの一つとして光フェーズドアレイ（ＯＰＡ、Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐｈａｓｅｄ Ａｒｒａｙ）がある。ＬｉＤＡＲセンサは、光フェーズドアレイを適用することで、機械式ビームスキャンニングを用いる従来のＬｉＤＡＲに比べてより高速でより適応性のあるものとなり、より有用なものとなる。

一般に、光フェーズドアレイにおいて光を空間へ出力するアンテナアレイは、所定の間隔をもって配列された複数のアンテナエレメントで構成される。ここで、アンテナエレメントのそれぞれは、例えば光導波路で構成される。そして、各アンテナエレメントから出力される光の位相は、次式で示す線形則に従う必要がある。

ここで、ｍは、配列されたアンテナエレメントに対し端から順に付される番号である。また、Ｐはアンテナエレメントの配列間隔、λはアンテナエレメントへの入力光の波長、θはアンテナエレメントの光出射端が構成する平面の法線に対する回折光の主極大ビーム（メインビーム、又はメインローブ）の偏向角である。式（１）より明らかなように、隣接するアンテナエレメントのペアのそれぞれは、当該隣接するアンテナエレメントから出力される光の位相差が、互いに同じである必要がある。また、アンテナエレメントから出力される光に与えるべき位相の変化量、すなわち位相シフト量は、必要な偏向角θの値及び番号ｍの大きさに依存して、２πを超えるものとなり得る。

従来、光フェーズドアレイに関連性のある技術として、高周波フェーズドアレイアンテナ用の高周波位相シフタにおいて、複数の受光器を備えるジグザグ型光導波路を用いることが知られている（特許文献１）。この高周波位相シフタは、高周波信号により変調された光を上記ジグザグ型光導波路に伝搬させ、光導波路に沿って異なる位置に配された複数の受光器により各位置の光を受信し検波して、それぞれ異なる位相シフトが与えられた複数の高周波信号を抽出する。そして、抽出した複数の高周波信号のうちから所望の位相シフトが与えられた高周波信号を選択的に出力させる。しかしながら、この高周波位相シフタは、単に高周波信号に位相シフトを与える手段として光導波路を用いるものであって、光自体の位相シフトを目的とするものではない。したがって、この技術を光フェーズドアレイに用いることはできない。

仮に、この高周波位相シフタのジグザグ型光導波路を光フェーズドアレイに転用し、受信器が配されているそれぞれの位置に光カプラを設けて光を抽出したとしても、以下のような問題が生ずる。

上記従来技術に示されたジグザグ型光導波路は、高周波信号の位相シフトを目的とするため、隣接する受信器間をつなぐそれぞれの光導波路の経路長は、例えば高周波信号波長の１／１０から１／１００程度の精度で互いに等しいものであればよい。これに対し、光位相シフトを目的とする場合には、隣接する光カプラ間をつなぐそれぞれの光導波路の経路長は、光の波長の１／１０から１／１００程度の精度を必要とする。このため、上記従来技術に示されたジグザグ型光導波路は、光位相シフトの観点から見た場合には、隣接する受信器間をつなぐそれぞれの光導波路の経路長が必ずしも互いに同じではない。

このため、受信器が配されているそれぞれの位置に光カプラを設けて光を抽出し、当該抽出した光をアンテナエレメントにそれぞれ入力したとしても、隣接する光カプラから抽出される光の位相差は、隣接する光カプラのペア毎に互いに異なるものとなるため、アンテナエレメントから出力される光は、式（１）が示す線形則を満たさない。

また、隣接する光カプラ間をつなぐ光導波路の経路長が同じでないことに起因して生ずる、一の隣接する光カプラのペアにおける光の位相差と他の隣接する光カプラのペアにおける位相差との差は、入力光の波長又は周波数に依存する。その結果、光フェーズドアレイとしてのビームステアリング動作を行う際には、上記位相差の差を入力光の波長の変化に応じて補償する必要が生じ、制御が複雑なものとなる。

他の関連性のある従来技術として、光位相シフタ等を構成する光導波路を含んだ、モノリシック集積半導体構造の光信号処理装置が知られている（特許文献２、特許文献３）。この光信号処理装置では、多段に接続された２分岐導波路により、入力光が複数の光に分岐される。そして、分岐光のそれぞれを出力する出力導波路に設けられた位相シフタにより、それぞれの分岐光に個別の位相シフトが与えられる。しかしながら、この光信号処理装置を、光フェーズドアレイのための光位相制御を行う光集積回路として用いる場合には、以下のような問題が生ずる。

上述したように、各アンテナエレメントから出力される光の位相は、式（１）が示す線形則に従う必要があり、アンテナエレメントから出力される光に与えるべき位相シフト量は、２πを超えるものとなり得る。

しかしながら、上記光信号処理装置では、それぞれの出力導波路から出力される光の位相は、それぞれの出力導波路に設けられた位相シフタによってのみ決定され、且つ、それぞれの出力導波路の位相シフタは互いに独立に制御される。このため、２πを超える位相シフトの目標値を正しく発見するための処理が複雑となる。その結果、上記光信号処理装置の構成を光フェーズドアレイとして機能させるための制御動作は、かなり複雑なものとなる。

本発明に最も関連性のある従来技術として、光集積回路（ＰＩＣ、ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ）をベースとするデバイスとして構成されたＬｉＤＡＲが知られている（非特許文献１）。このデバイスは、バス導波路と、縦続接続（カスケード接続）された熱位相シフタ（ｔｈｅｒｍａｌ ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔｅｒｓ）と、バス導波路を伝搬する光の一部を抽出する複数のエバネセントカプラ（ｅｖａｎｅｓｃｅｎｔ ｃｏｕｐｌｅｒｓ）と、を有する。そして、これらのエバネセントカプラにより抽出された光は、それぞれグレーティングベースのアンテナエレメントに入力される。

これにより、グレーティングベースのアンテナエレメントが形成された基板の表面から当該アンテナエレメントの長さに沿って分布した線状の光が出力される。ここで、基板の面に平行であって且つアンテナエレメントの延在する方向に平行な方向をＸ方向、当該基板の面に平行であってＸ方向に直交する方向をＹ方向、当該基板の面の法線方向をＺ方向とすると、各アンテナエレメントはＸ方向に延在する線状光源として作用し、各アンテナエレメントから出力される光が互いに干渉することにより、Ｘ方向に広がった主極大ビームが当該基板の表面から出力されることとなる。

そして、このデバイスでは、隣接するエバネセントカプラをつなぐバス導波路での光の位相増分を熱位相シフタにより制御することで、上記主極大ビームの、Ｘ方向から見たＺ方向に対する偏向角（すなわち、Ｘ方向に広がる主極大ビームが形成する平面とＹＺ平面との交差線がＺ方向に対してなす角度）が制御されて、ビームステアリングの機能が提供される。以下、このビームステアリングを、「ＹＺ平面におけるビームステアリング」という。

しかしながら、このデバイスは、次のような欠点を有する。すなわち、エバネセントカプラとアンテナエレメントとの間に挿入された光導波路の光路長（ＯＰＬ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐａｔｈ Ｌｅｎｇｔｈ））が等しくない。このため、熱位相シフタが無通電状態にある場合、ＯＰＬの差（ＯＰＬ差、光路差）により好ましくない位相をもったチャネル（すなわち、アンテナエレメントと当該アンテナエレメントにつながる光伝送路で構成される光経路）が生じ、各アンテナエレメントから出力される光の位相は、式（１）に示す線形則に従わないものとなり得る。このため、熱位相シフタのそれぞれにオフセット電圧を含ませる必要が生ずる。

また、仮に、上記ＯＰＬ差が、結果として上記線形則を満たすようなＯＰＬ差であったとしても、当該ＯＰＬ差により発生する位相シフトは、伝搬する光の波長が異なれば異なるものとなるので、隣接アンテナエレメント間の光位相差は、入力光の波長又は周波数に依存することとなる。

このような、隣接アンテナエレメント間の光位相差の波長依存性は、ＹＺ平面における主極大ビームの偏向角に波長依存性を生じさせる。このため、例えば、動作温度によって光源の波長が変動する場合には、その時々の光源の波長に応じて偏向角のオフセット量を調整する校正処理が必要となり、光フェーズドアレイの動作制御が複雑化する。

また、光源として波長可変光源を用い、入力光の波長を制御することによりグレーティングベースのアンテナエレメントから出射されるビームの出射角を制御して、主極大ビームの方向を２つの直交平面（ＹＺ平面及びＸＺ平面）において制御しようとする場合には、上記位相シフトの波長依存性は、光フェーズドアレイの動作制御をさらに複雑なものとする。

すなわち、グレーティングベースのアンテナエレメントは、当該アンテナエレメントの延在方向であるＸ方向と基板法線方向であるＺ方向とで規定されるＸＺ平面に沿って出力光を出射する。そして、ＸＺ平面における当該出力光の出射角（当該出力光の出射方向がＺ方向に対してなす角度）は、アンテナエレメントに設けられたグレーティングのピッチと、入力光の波長とで定まる。したがって、光源として波長可変光源を用いて入力光の波長を変化させれば、各アンテナエレメントの出力光の出射角を変化させて、主極大ビームの出射角（Ｘ方向に広がる主極大ビームが規定する平面とＹＺ平面との交差線に対して、主極大ビームの出射方向が成す角度）を変化させることができる。以下、アンテナエレメントの出力光の出射角を変化させることで主極大ビームの出射角を変化させて行うビームステアリングを、「ＸＺ平面におけるビームステアリング」という。

しかしながら、上記のようにＹＺ平面における主極大ビームの偏向角を決定する隣接アンテナエレメント間の光位相差に波長依存性があれば、波長を変化させてＸＺ平面におけるビームステアリングを行おうとすると、ＹＺ平面における偏向角にズレを生じさせることとなり、ＸＺ平面におけるビームステアリングとＹＺ平面におけるビームステアリングとを独立に行うことはできない。このため、波長を変更することに応じて隣接アンテナエレメント間の光位相差に補正を加える必要が生じ、かなり複雑な動作制御が必要となる。

このデバイスの更なる問題は、周囲温度が変化した場合に、チャネル間に付加的な位相差を生ずることである。すなわち、チャネルを構成する光導波路の実効屈折率（ｎ_E）は、周囲温度が変化することにより、基板屈折率の温度依存性に応じた変化（Δｎ_E）を生ずる。これにより、各チャネルには、それぞれの経路長（Ｌ）に応じた光路長の変化（Ｌ×Δｎ_E）が生ずることとなる。そして、各チャネルの経路長に差（ΔＬ）があれば、各チャネルに発生する光路長変化に差（ΔＬ×Δｎ_E）を生ずることとなり、チャネル間に付加的な位相差が生ずることとなり得る。その結果、このデバイスでは、温度センサを設けて何らかのフィードバック制御を行うことが必要となり、デバイス及び又は制御装置が、より複雑且つ高価なものとなり得る。

また、このデバイスでは、複数のチャネルが３つのグループに分けられ、３つのグループのそれぞれにおいて、同一グループ内のチャネルに設けられた熱位相シフタに同じ電圧が印加される。すなわち、このデバイスでは、個々のチャネルの位相シフト量を個別に制御することができない。このため、上記のような入力光の波長変化や周囲温度の変化に起因した付加的な位相シフトが同一グループ内の複数のチャネルにおいて互いに異なる量をもって生じた場合には、これらの全てをそれぞれ正確に補償することは不可能である。

米国特許第５，２２２，１６２号明細書 米国特許第５，７７０，４７２号明細書 米国特許第５，９３０，０３１号明細書

Ｃｈｒｉｓｔｏｐｈｅｒ Ｖ． Ｐｏｕｌｔｏｎ， Ａｍｉ Ｙａａｃｏｂｉ， Ｄａｖｉｄ Ｂ． Ｃｏｌｅ， Ｍａｔｔｈｅｗ Ｊ． Ｂｙｒｄ， Ｍａｎａｎ Ｒａｖａｌ， Ｄｉｅｄｒｉｋ Ｖｅｒｍｅｕｌｅｎ， Ｍｉｃｈａｅｌ Ｒ． Ｗａｔｔｓ， Ｃｏｈｅｒｅｎｔ ｓｏｌｉｄ−ｓｔａｔｅ ＬＩＤＡＲ ｗｉｔｈ ｓｉｌｉｃｏｎ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｏｐｔｉｃａｌ ｐｈａｓｅｄ ａｒｒａｙｓ， Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ， Ｖｏｌ． ４２， Ｎｏ． ２０ ／ Ｏｃｔｏｂｅｒ １５， ２０１７．

本発明の目的は、入力光を分岐して構成される複数のチャネルについての位相制御の複雑化を招くことなく、隣接チャネル間の位相差についての波長依存性及び温度依存性のない光集積回路を実現することである。

本発明の一の態様は、基板上に形成された光導波路により構成される光集積回路であって、入力光が伝搬するバス導波路と、前記バス導波路上に配された、当該バス導波路を伝搬する光の一部をそれぞれ抽出する複数の光カプラと、前記複数の光カプラが抽出した光をそれぞれ伝搬する複数の導波ラインと、前記バス導波路に沿って隣接する前記光カプラの間の当該バス導波路上にそれぞれ設けられた位相シフタと、を備え、バス導波路の光入力端から各導波ラインの光出力端までの光路長が互いに等しくなるように構成されている。
本発明の他の態様によると、前記バス導波路は、複数の第１要素部分が縦続に接続されて構成され、前記導波ラインは、第２要素部分を一つ含むか、又は複数の前記第２要素部分が縦続に接続されて構成されており、前記第１要素部分は、それぞれ、前記基板の平面に沿った第１の方向（Ｘ方向）に伝搬する光を受ける当該第１要素部分の光入力部と、前記第１の方向（Ｘ方向）へ光を出力する当該第１要素部分の光出力部とが、前記第１の方向に第１所定距離Ｌ_Aを隔て、且つ前記第１の方向に直交する前記基板の平面に沿った第２の方向（Ｙ方向）に第２所定距離ｄを隔てて配置されており、前記第２要素部分は、それぞれ、光の伝搬方向に沿って上流の第１端部と光の伝搬に沿って下流の第２端部とが、前記第１の方向（Ｘ方向）に第１所定距離Ｌ_Aを隔て、且つ前記第２の方向（Ｙ方向）に第３所定距離ｑを隔てて配置されており、前記第１要素部分の光入力部に前記光カプラが設けられている。
本発明の他の態様によると、前記光カプラは、エバネセントカプラであり、前記第１要素部分の光入力部を含む当該第１要素部分の一部と、一の前記導波ラインの端部を含む当該導波ラインの一部とが、前記第２の方向に第４所定距離ｇを隔てて配されることにより構成される。
本発明の他の態様によると、前記バス導波路の光入力端から、複数の前記導波ラインの光出力端に至るそれぞれの光経路に含まれる、前記第１要素部分の数と前記第２要素部分の数の合計は、それぞれの前記光経路において互いに同じである。
本発明の他の態様によると、前記導波ラインのそれぞれは一つ又は複数の前記第２要素部分に加えて一つ又は複数の付加的な導波路を含み、前記導波ラインのそれぞれが含む前記付加的な導波路の、光路長の合計及び前記第１の方向に沿った距離の合計は、複数の前記導波ラインにおいてそれぞれ互いに同じである。
本発明の他の態様によると、前記第１要素部分と前記第２要素部分とは、同じ光路長を持つ。
本発明の他の態様によると、前記第１要素部分は、それぞれ光の伝搬方向に所定の角度の変化を与える２つの曲がり導波路と、前記第１の方向に対し当該所定の角度をもって延在して当該２つの曲がり導波路を接続する斜め導波路と、を含み、前記第２要素部分は、光の伝搬方向を９０°変換する２つの曲がり導波路と、前記第１の方向に延在する直線導波路と、を含む。
本発明の他の態様によると、縦続接続された複数の前記第１要素部分のうち最後の前記第１要素部分には、当該最後の前記第１要素部分の光出力部につなげて設けられた前記光カプラを介して、一つの前記第２要素部分で構成される前記導波ラインが接続される。
本発明の他の態様によると、一つの前記第１要素部分と、一つの前記導波ラインの端部を含む前記第２要素部分と、をそれぞれ含む複数の第３要素部分を含み、前記複数の第３要素部分に含まれるそれぞれの前記第１要素部分が互いに縦続接続され、前記複数の第３要素部分に含まれるそれぞれの前記第２要素部分に一つ又は複数の他の前記第２要素部分が縦続接続されている。
本発明の他の態様によると、前記位相シフタは、それぞれ、前記バス導波路の一部に設けられたヒータにより構成され、前記ヒータは、同じ電流を通電したときに互いに同じ温度となるように、長さ、幅、及び厚さを含むサイズ、並びに形状が、互いに同じとなるように構成されている。
本発明の他の態様によると、前記基板は、Ｓｉ₃Ｎ₄、Ｓｉ、ＳｉＯＮ、ＬｉＮｂＯ₃、ＬｉＴａＯ₃、及びＳｉＣのいずれかで構成される。
本発明の他の態様は、上記いずれかの光集積回路を備える光フェーズドアレイである。
本発明の他の態様によると、前記光フェーズドアレイは、基板上に設けられた、それぞれがその長さ方向に沿ってその幅又は厚さが周期的に変化する複数の摂動導波路により構成され、前記光集積回路が出力する光のそれぞれを当該基板の表面から空間へ出力するアンテナアレイを備える。
本発明の他の態様によると、上記いずれかの光フェーズドアレイを備えるＬｉＤＡＲセンサである。

本発明によれば、入力光を分岐して構成される複数のチャネルについての位相制御の複雑化を招くことなく、隣接チャネル間の位相差についての波長依存性及び温度依存性のない光集積回路を実現することである。

図１は、本発明の一実施形態に係る光集積回路を用いた光フェーズドアレイを備えるＬｉＤＡＲセンサの構成を示す図である。 図２は、本発明の一実施形態に係る光集積回路の構成を示す図である。 図３は、図１に示す光フェーズドアレイを構成するアンテナアレイの構成を示す図である。 図４は、図３に示すアンテナアレイから出力される光を模式的に示した図である。 図５は、図３に示すアンテナアレイから出力される主極大ビームを模式的に示した図である。 図６は、図２に示す光集積回路を構成する第１要素部分及び第２要素部分の構成を示す図である。 図７は、図６に示す第１要素部分を構成する斜め導波路の長さと各部の寸法との関係を示す図である。 図８は、図２に示す光集積回路に接続された図３に示すアンテナアレイから出力される光の遠視野像の一例を示す図である。 図９は、図３に示すアンテナアレイに代えて用いることのできる他のアンテナアレイの構成を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。以下に示す実施形態は、本発明に係る光集積回路を用いて構成された光フェーズドアレイを備えるＬｉＤＡＲセンサである。ただし、光フェーズドアレイ及びＬｉＤＡＲセンサは一例であって、本発明の光集積回路の適用分野はこれには限られない。例えば、監視装置等のセキュリティ用途、ドローン等の飛行ナビゲーション用途、及び、その他の三次元情報を必要とする任意の用途に、本発明の光集積回路を用いることができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る光集積回路を用いた光フェーズドアレイを備えるＬｉＤＡＲセンサの構成を示す図である。このＬｉＤＡＲセンサ１００は、光源１０２と、光フェーズドアレイ（ＯＰＡ）１０４と、受光センサ１０６と、処理装置１０８と、を備える。

光源１０２は、例えば半導体レーザを備え、処理装置１０８からの信号に基づいて、変調された変調光を出力する。この変調は、例えば半導体レーザへの通電電流を処理装置１０８からの信号により変調することにより行われる。これに代えて、光源１０２が更に光変調器を備えるものとし、処理装置１０８からの信号により当該光変調器を動作させて、半導体レーザからの光を当該光変調器により変調して出力するものとすることができる。光源１０２から出力されるこの変調光は、ＯＰＡ１０４の入力光となる。

ＯＰＡ１０４は、本発明に係る光集積回路１１０と、アンテナアレイ１１２と、光集積回路１１０の出力光をアンテナアレイ１１２へ導く光伝送路１１４と、を備える。光伝送路１１４は、例えば互いに光路長の等しい複数の光ファイバで構成される。

光集積回路１１０は、光源１０２からの入力光から、それぞれに所定の位相シフトが与えられた複数の光を生成して、アンテナアレイ１１２へ出力する。アンテナアレイ１１２は、アンテナエレメントである光導波路を所定のピッチで配置して構成されており、光集積回路１１０から出力された上記複数の光を、それぞれのアンテナエレメントから空間へ出力する。

光集積回路１１０は、位相シフタを含み、アンテナアレイ１１２のそれぞれ隣接するアンテナエレメント間における位相差が等しく且つ所定の値となるように、アンテナアレイ１１２に出力する上記複数の光に位相シフトを与える。これにより、アンテナアレイ１１２は、アンテナエレメントから空間へ出力される光のそれぞれが回折して互いに干渉することにより生成される主極大ビーム（メインビーム、又はメインローブ）を照射光として出力すると共に、当該照射光の出射方向を変化させてビームステアリングを行う。ここで、光集積回路１１０及びアンテナアレイ１１２は、共に基板上に形成された光導波路により構成されている。これにより、ＯＰＡ１０４は、ソリッドステートタイプのＯＰＡとして構成される。光集積回路１１０及びアンテナアレイ１１２の具体的構成については後述する。

受光センサ１０６は、例えば集光レンズとＣＣＤ等の受光素子アレイにより構成される。受光センサ１０６は、ＯＰＡ１０４が出力する照射光が物体にあたって反射され又は散乱されて戻ってくる光（反射戻り光）を検出する。

処理装置１０８は、光源１０２に変調光を出力させると共に、ＯＰＡ１０４を構成する光集積回路１１０が備える位相シフタを制御して、上記照射光についてのビームステアリングを行う。さらに、処理装置１０８は、上記照射光がＯＰＡ１０４から出力されて、物体により反射又は散乱された後、反射戻り光となって受光センサ１０６により受信されるまでの、上記ビームの飛行時間（Ｔｉｍｅ Ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）を算出する。また、処理装置１０８は、受光センサ１０６に到来する上記反射戻り光の到来方向を特定する。これにより、処理装置１０８は、空間における上記物体の形状や位置等を示す空間マッピング情報を出力する。処理装置１０８は、例えばデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ、Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）などのプロセッサやコンピュータにより構成されるものとすることができる。

図２は、ＯＰＡ１０４を構成する本発明の一実施形態に係る光集積回路１１０の構成を示す図である。光集積回路１１０は、基板２００上に形成された光導波路により構成されている。本実施形態では、基板２００はＳｉＯ₂を主成分とする酸化したシリコンあるいは石英ガラスであり、例えばＳｉＯ₂中に埋め込まれたＳｉ₃Ｎ₄により単一モードの光導波路が形成されている。ただし、この構成は一例であって、基板２００は、Ｓｉ₃Ｎ₄、Ｓｉ、ＳｉＯＮ、ＬｉＮｂＯ₃、ＬｉＴａＯ₃、又はＳｉＣ等の材料を用いて構成されるものとすることができる。

光集積回路１１０は、基板２００上に形成された光導波路として、光源１０２からの入力光を伝搬するバス導波路２０２と、４つの導波ライン２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃ、２０４ｄと、これらの導波ライン２０４ａ等にそれぞれ接続された直線導波路２０６ａ、２０６ｂ、２０６ｃ、２０６ｄと、を備える。なお、これらの光導波路は、全て同じ基板２００上に形成されるので、以下において、光導波路についての「経路長が等しい」というときは、「光路長が等しい」という意味をも含むものとし、「光路長が等しい」というときは、「経路長が等しい」という意味をも含むものとする。

また、光集積回路１１０は、バス導波路２０２上に配された、バス導波路２０２を伝搬する光の一部を抽出する複数の光カプラ２２０ａ、２２０ｂ、２２０ｃ、２２０ｄを備える。また、バス導波路２０２に沿って互いに隣接する光カプラ２２０ａと２２０ｂとの間、２２０ｂと２２０ｃとの間、２２０ｃと２２０ｄとの間のバス導波路２０２の部分に、それぞれ、位相シフタ２２２ａ、２２２ｂ、及び２２２ｃが設けられている。ここで、位相シフタ２２２ａ、２２２ｂ、２２２ｃは、それぞれ、バス導波路２０２の一部に設けられたヒータ２２４ａ、２２４ｂ、２２４ｃにより構成されている。これらのヒータ２２４ａ等は、例えば、バス導波路２０２上に形成された下地層であるチタン（Ｔｉ）の上に金（Ａｕ）を含む層を形成して構成される薄膜ヒータである。

光カプラ２２０ａ、２２０ｂ、２２０ｃ、２２０ｄは、本実施形態では、それぞれ、所定距離を隔てて近接する２つの光導波路間のエバネセント波を介した光の結合を利用するエバネセントカプラである。具体的には、光カプラ２２０ａ、２２０ｂ、２２０ｃ、２２０ｄは、それぞれ、バス導波路２０２の一部である４つの部分のそれぞれと、導波ライン２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃ、２０４ｄのそれぞれの端部を含む一部分と、が距離ｇのギャップを挟んで近接して配されることにより構成されている。

これにより、光カプラ２２０ａ、２２０ｂ、２２０ｃ、２２０ｄが抽出した光は、それぞれ、導波ライン２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃ、２０４ｄ内を伝搬し、導波ライン２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃ、２０４ｄの光出力端２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃ、２１０ｄにそれぞれ接続された、それぞれ同じ光路長を持つ直線導波路２０６ａ、２０６ｂ、２０６ｃ、２０６ｄを介して、光出力端２１２ａ、２１２ｂ、２１２ｃ、２１２ｄから基板２００の外へ出力される。そして、出力されたこれらの光は、光伝送路１１４を介して、アンテナアレイ１１２に入力される。

図３は、アンテナアレイ１１２の構成を示す図である。図示左側の図は、アンテナアレイ１１２の平面図、図示右側の図は、当該平面図に示すラインＥ−Ｅ部分の断面を示すＥＥ断面矢視図である。

アンテナアレイ１１２は、基板３００に設けられた図示ｘ方向に延在する、アンテナエレメントである４つの光導波路３０２ａ、３０２ｂ、３０２ｃ、３０２ｄで構成される。基板３００及び光導波路３０２ａ等は、上述した基板２００及び基板２００上の光導波路と同様の材料を用いて構成されるものとすることができる。また、光導波路３０２ａ、３０２ｂ、３０２ｃ、３０２ｄは、ｘ方向に直交するｙ方向に沿って所定の間隔Ｐで並走するように配されている。ここで、ｘ方向は、基板３００の表面に沿った、光導波路３０２ａ等が延在する方向であり、ｙ方向は、当該基板３００の表面に沿ってｘ方向に直交する方向である。また、基板３００の面の法線方向をｚ方向というものとする。

光集積回路１１０の光出力端２１２ａ、２１２ｂ、２１２ｃ、２１２ｄから出力された光は、それぞれ、光導波路３０２ａ、３０２ｂ、３０２ｃ、３０２ｄに入力される。本実施形態におけるアンテナアレイ１１２は、グレーティングベースのアンテナアレイであり、光導波路３０２ａ、３０２ｂ、３０２ｃ、３０２ｄのそれぞれは、その長さ方向（ｘ方向）に沿ってその厚さが周期ｐ_gで変化する摂動導波路で構成されている。

これにより、光導波路３０２ａ、３０２ｂ、３０２ｃ、３０２ｄに入力された各光は、図示右側の図において矢印で模式的に示すように、それぞれの光導波路３０２ａ等の長さ方向（ｘ方向）に沿って分布して出力され、結果として基板３００の表面からｘ方向に延在する線状の光として出力される。そして、光導波路３０２ａ、３０２ｂ、３０２ｃ、３０２ｄから出射した光は、回折して互いに干渉し、回折光の主極大ビームを生成する。

図４は、アンテナアレイ１１２の光導波路３０２ａ等から出力される光を模式的に示した図である。図４には、一例として、光導波路３０２ｃから出力される出力光４００を示している。光導波路３０２ｃ内を伝搬する光は、ブラッググレーティングとして機能する当該光導波路３０２ｃの厚さ方向の周期的摂動に起因して、光導波路３０２ｃの長さ方向（ｘ方向）と基板３００の法線方向（ｚ方向）とで規定されるｘｚ平面である平面４０２に沿って当該長さ方向に分布して出力されることで、出力光４００（平面４０２に沿って描かれた図示複数の平行な矢印）となる。このとき、光導波路３０２ｃの各部から出射される出力光４００の出射角ψ（当該出力光の出射方向がｚ方向に対して成す角）は、出力光の波長と上記摂動の周期ｐ_gとで定まる。そして、図４に示す出射光と同様の光が他の光導波路３０２ａ、３０２ｂ、３０２ｄから出力されることにより、これらの光の回折及び干渉により、回折光の主極大ビームが生成される。

図５は、アンテナアレイ１１２から出力される主極大ビームを模式的に示した図である。主極大ビーム５００は、図４に一例を示した光導波路３０２ｃからの出射ビームと同様に、ｘ方向に延在する仮想的な線状光源からの、ｘ方向に広がる平面５０２を構成するビームとして形成される。そして、主極大ビーム５００が構成する平面５０２の偏向角、すなわち、当該平面がｚ方向に対して成すθは、アンテナエレメントである光導波路３０２ａ、３０２ｂ、３０２ｃ、３０２ｄの間隔Ｐと、隣接する光導波路３０２ａ等の間の光の位相差φと、当該光の波長λと、で定まる（式（１）参照）。

図４、図５、及びこれらの図についての上記説明から明らかなように、本実施形態では、光源１０２から入力されてアンテナアレイ１１２から出力される光の波長を変化させることにより、主極大ビーム５００についてのＸＺ平面におけるビームステアリングを行うことができると共に、光導波路３０２ａ、３０２ｂ、３０２ｃ、３０２ｄから隣接して出力される光の位相差を光集積回路１１０により変化させることにより、主極大ビーム５００についてのＹＺ平面におけるビームステアリングを行うことができる。

図２に戻り、特に、本実施形態の光集積回路１１０では、バス導波路２０２の光入力端２３０から導波ライン２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃ、２０４ｄのそれぞれの光出力端２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃ、２１０ｄまでの光の経路長又は光路長が互いに等しくなるように（すなわち、当該経路長又は光路長に差がない状態となるように）構成される。

このため、光集積回路１１０では、光入力端２３０からの入力光の波長が変化した場合にも、光出力端２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃ、２１０ｄから出力される光の間には、上記波長の変化に起因する付加的な位相差は生じない。また、上記経路長又は光路長に差がないことから、環境温度の変動等により基板２００の実効屈折率ｎ_Eが変化したときの、光入力端２３０から光出力端２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃ、２１０ｄまでのそれぞれの光経路の経路長又は光路長の変動量は、当該経路長の全てについて実効屈折率ｎ_Eの変化量Δｎ_Eで定まる同じ量となる。したがって、光出力端２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃ、２１０ｄから出力される光の間においては、当該実効屈折率ｎ_Eの変化に起因する付加的な位相差も生じない。すなわち、光集積回路１１０では、光出力端２１０ａ等の出力光の間の、入力光の波長変化及び環境温度の変動に起因する付加的な位相差は、原理的にゼロである。

そして、光出力端２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃ、２１０ｄに接続された直線導波路２０６ａ、２０６ｂ、２０６ｃ、２０６ｄ及び光伝送路１１４を構成する複数の光ファイバも、それぞれ互いに同じ経路長又は光路長を有しているので、アンテナアレイ１１２を構成する光導波路３０２ａ、３０２ｂ、３０２ｃ、３０２ｄから空間へ出力される光の間も、入力光波長の変化や環境温度の変動等に起因する位相差は発生しない。

また、位相シフタ２２２ａ等を動作させた場合、光カプラ２２０ａ等から導波ライン２０４ａ等に向けて出力されるそれぞれの光の位相シフト量は、バス導波路２０２に沿って光入力端２３０に最も近い光カプラ２２０ａ等から順に、複数の位相シフタ２２２ａ等により生ずる位相シフトが順次累積された位相シフト量となる。このため、光集積回路１１０では、位相シフタ２２２ａ等のそれぞれにより比較的小さな位相シフトを与えるだけで、したがってより小さな電圧を与えるだけで、２πを超える累積位相シフトを精度よく生じさせて、主極大ビーム５００の偏向角を変化させることができる。

すなわち、光集積回路１１０では、位相制御の複雑化を招くことなく、隣接チャネル間の位相差の波長依存性及び温度依存性を低減することができる。また、その結果として、位相制御による主極大ビーム５００のＹＺ平面におけるビームステアリングと、入力光波長の制御によるＸＺ平面におけるビームステアリングと、を独立に実行することができ、動作制御が簡単化され得る。

なお、位相シフタ２２２ａ等を動作させて主極大ビーム５００の偏向角θを変化させる場合、隣接する光カプラ２２０ａ等から抽出される光の位相差の増分が、全ての互いに隣接する光カプラ２２０ａ等の間において同じとなるようにすればよい。したがって、隣接する光カプラ２２０ａ等の間に設けられる位相シフタ２２２ａ等は、それぞれ、同じ量の位相シフトを発生するよう動作すればよい。

このため、位相シフタ２２２ａ等のヒータ２２４ａ等をそれぞれ互いに同じデザインで構成すれば、位相シフタ２２２ａ等のそれぞれに実質的に同じ大きさの電流を与えることで、それぞれ隣接する光カプラ２２０ａ等から抽出される光の間に同じ位相差を生じさせて、主極大ビーム２３６の偏向角θを変化させることができる。これにより、光集積回路１１０をより簡単に動作させることが可能となる。具体的には、位相シフタ２２２ａ等を構成するヒータ２２４ａ等を、それぞれ同じ電流を通電したときに互いに同じ温度となるように、それらの長さ、幅、及び厚さを含むサイズ、並びに形状が、互いに同じとなるように構成するものとすることができる。この場合、さらに、ヒータ２２４ａ等を互いに直列に接続し、例えば基板２００上に設けられた２つの電極パッド（不図示）から、直列接続された全てのヒータ２２４ａ等へ通電するものとすれば、全てのヒータ２２４ａ等に同じ電流を流して同じ位相シフトを発生させることができるので、光集積回路１１０を更に簡単に動作させることが可能となる。

図２に戻り、光集積回路１１０は、詳細には以下のように構成されている。まず、バス導波路２０２は、複数の第１要素部分２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃが縦続接続されて構成されている。図２には、バス導波路２０２を構成するそれぞれの第１要素部分が識別し易いように、第１要素部分２０２ａ及び２０２ｃがクロスハッチングで示され、第１要素部分２０２ｂが縦線ハッチングで示されている。

また、光集積回路１１０では、導波ライン２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃ、２０４ｄは、一つの第２要素部分を含むか、又は複数の第２要素部分が縦続に接続されて構成されている。具体的には、導波ライン２０４ａは、縦続に接続された複数の第２要素部分２０４ａ−１、２０４ａ−２、２０４ａ−３、２０４ａ−４を含み、導波ライン２０４ｂは、縦続に接続された第２要素部分２０４ｂ−１、２０４ｂ−２、２０４ｂ−３を含む。また、導波ライン２０４ｃは、縦続に接続された第２要素部分２０４ｃ−１、２０４ｃ−２を含み、導波ライン２０４ｄは、一つの第２要素部分２０４ｄ−１を含む。なお、以下において、「第２要素部分２０４ａ−１等」とは、第２要素部分２０４ａ−１、２０４ａ−２、２０４ａ−３、２０４ａ−４、２０４ｂ−１、２０４ｂ−２、２０４ｂ−３、２０４ｃ−１、２０４ｃ−２、及び２０４ｄ−１を意味するものとする。また、図２においては、第２要素部分２０４ａ−１等を、それぞれ斜線ハッチングにより示している。

第１要素部分２０２ａ等は、互いに同じ構成を有する。第１要素部分２０２ａ等は、それぞれ、基板２００の平面に沿った第１の方向である図示Ｘ方向に伝搬する光を受ける当該第１要素部分２０２ａ等の光入力部と、Ｘ方向へ光を出力する当該第１要素部分２０２ａ等の光出力部とが、Ｘ方向に第１所定距離Ｌ_Aを隔て、且つＸ方向に直交する基板２００の平面に沿った第２の方向であるＹ方向に第２所定距離ｄを隔てて配置されている。

また、第２要素部分２０４ａ−１等は、互いに同じ構成を有する。第２要素部分２０４ａ−１等は、それぞれ、光の伝搬方向に沿って上流の第１端部と光の伝搬に沿って下流の第２端部とが、第１の方向であるＸ方向に第１所定距離Ｌ_Aを隔て、且つ第２の方向であるＹ方向に第３所定距離ｑを隔てて配置されている。

また、光集積回路１１０は、縦続に接続された第１要素部分２０２ａ、２０２ｂ、及び２０２ｃのそれぞれの光入力部に、光カプラ２２０ａ、２２０ｂ、及び２２０ｃが設けられている。本実施形態では、さらに、縦続に接続された最後の第１要素部分２０２ｃの光出力部につなげて光カプラ２２０ｄが設けられている。

これにより、導波ライン２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃ、２０４ｄのそれぞれの光出力端２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃ、２１０ｄのＹ方向の間隔が、第２所定距離ｄから第３所定距離ｑを差し引いた間隔ｐとなる。すなわち、次式の関係を有する。
ｐ＝ｄ−ｑ （２）

なお、本実施形態では、光カプラ２２０ａ等は、上述したようにエバネセントカプラであり、第１要素部分２０２ａ等の光入力部を含む当該第１要素部分２０２ａ等の一部と、一の導波ライン２０４ａ等の端部を含む当該導波ライン２０４ａ等の一部とが、Ｙ方向に第４所定距離ｇを隔てて配されることにより構成されている。

また、光集積回路１１０では、バス導波路２０２の光入力端２３０から、導波ライン２０４ａ等の光出力端２１０ａ等に至るそれぞれの光経路に含まれる、第１要素部分２０２ａ等の数と第２要素部分２０４ａ−１等の数の合計が、それぞれの上記光経路において互いに同じとなっている。

これにより、光集積回路１１０では、縦続接続された最初の第１要素部分２０２ａの光入力部（図２におけるＸ方向の位置Ａ１）から導波ライン２０４ａ等のそれぞれの光出力端２１０ａ等までのＸ方向に沿ったそれぞれの距離を互いに同じとすることができ、光出力端２１０ａ等をＹ方向に平行なライン２３２に沿って並べることができる。

さらに、光集積回路１１０では、導波ライン２０４ａ等のそれぞれは、一つ又は複数の前記第２要素部分２０４ａ−１等に加えて、一つ又は複数の付加的な、Ｘ方向に延在する直線状の光導波路２４０ａ−１等を含む。そして、導波ライン２０４ａ等のそれぞれが含む上記付加的な光導波路２４０ａ−１等の、光路長の合計及び前記Ｘ方向に沿った距離の合計は、導波ライン２０４ａ等においてそれぞれ互いに同じ値となっている。

これにより、光集積回路１１０では、バス導波路２０２及び導波ライン２０４ａ等のそれぞれが互いに交差することなく、Ｘ方向位置Ａ１から光出力端２１０ａ等までのＸ方向に沿ったそれぞれの距離を互いに同じとして、光出力端２１０ａ等をＹ方向に平行なライン２３２に沿って並べることができる。

具体的には、縦続接続された最初の第１要素部分２０２ａの光入力部に設けられた光カプラ２２０ａから始まる導波ライン２０４ａは、隣接する第２要素部分２０４ａ−１と２０４ａ−２との間、２０４ａ−２と２０４ａ−３との間、２０４ａ−３と２０４ａ−４との間に、それぞれ、長さｔをもってＸ方向に延在する直線状の光導波路２４０ａ−１、２４０ａ−２、２４０ａ−３を含む。これにより、最初の第１要素部分２０２ａの光入力部であるＸ方向位置Ａ１から導波ライン２０４ａの光出力端２１０ａまでのＸ方向に沿った距離は、３Ｌ_A＋３ｔとなる。

また、縦続接続された２番目の第１要素部分２０２ｂの光入力部に設けられた光カプラ２２０ｂから始まる導波ライン２０４ｂは、隣接する第２要素部分２０４ｂ−１と２０４ｂ−２との間、２０４ｂ−２と２０４ｂ−３との間、及び第２要素部分２０４ｂ−３と光出力端２１０ｂとの間に、それぞれ、長さｔをもつ直線状の光導波路２４０ｂ−１、２４０ｂ−２、２４０ｂ−３を含む。これにより、Ｘ方向位置Ａ１から導波ライン２０４ｂの光出力端２１０ｂまでのＸ方向に沿った距離も、３Ｌ_A＋３ｔとなる。

また、縦続接続された最後の第１要素部分２０２ｃの光入力部に設けられた光カプラ２２０ｃから始まる導波ライン２０４ｃは、隣接する第２要素部分２０４ｃ−１と２０４ｃ−２との間、及び第２要素部分２０４ｃ−２と光出力端２１０ｃとの間に、それぞれ、長さｔをもつ光導波路２４０ｃ−１及び長さ２ｔをもつ光導波路２４０ｃ−２を含む。これにより、Ｘ方向位置Ａ１から導波ライン２０４ｃの光出力端２１０ｃまでのＸ方向に沿った距離も、３Ｌ_A＋３ｔとなる。

さらに、縦続接続された最後の第１要素部分２０２ｃの光出力部につなげて設けられた光カプラ２２０ｄから始まる導波ライン２０４ｄは、第２要素部分２０４ｄ−１と光出力端２１０ｄとの間に、長さ３ｔをもつ光導波路２４０ｄ−１を含んでいる。これにより、Ｘ方向位置Ａ１から導波ライン２０４ｄの光出力端２１０ｄまでのＸ方向に沿った距離も、３Ｌ_A＋３ｔとなる。その結果、光出力端２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃ、２１０ｄは、Ｘ方向の位置が同じとなり、Ｙ方向に平行なライン２３２に沿って配列されることとなる。

なお、本実施形態では、光導波路２４０ａ−１等をＸ方向に延在する直線状の導波路であるものとしたが、これには限られない。例えば、Ｘ方向に所定の距離を持つ共に、光をＹ方向に所定の距離移動させるような、任意の形状の導波路として光導波路２４０ａ−１等を構成してもよい。この場合には、導波ライン２０４ａ等のそれぞれが含む光導波路２４０ａ−１等のＹ方向に沿った距離の合計も、導波ライン２０４ａ等においてそれぞれ互いに同じ値となっている必要がある。

さらに、本実施形態の光集積回路１１０では、第１要素部分２０２ａ等と第２要素部分２０４ａ−１等とが、同じ光路長を持つ。これにより、光集積回路１１０は、光入力端２３０から光出力端２１０ａ等に至るそれぞれの光経路の光路長が互いに同じになるように構成されることとなる。

すなわち、上述の如く光入力端２３０から光出力端２１０ａ等に至るそれぞれの光経路に含まれる第１要素部分２０２ａ等の数と第２要素部分２０４ａ−１等の数の合計は、それぞれの光経路において互いに同じである。したがって、第１要素部分２０２ａ等と第２要素部分２０４ａ−１等の光路長が同じであれば、上記光経路のそれぞれに含まれる第１要素部分２０２ａ等と第２要素部分２０４ａ−１等の光路長の総和は、光経路のそれぞれにおいて互いに等しくなる。

そして、上述の如く、それぞれの導波ライン２０４ａ等に含まれる付加的な光導波路２４０ａ−１等の光路長の合計は、各導波ライン２０４ａ等において互いに同じであるので、結果として、光入力端２３０から光出力端２１０ａ等に至るそれぞれの光経路の全体の光路長は、互いに等しく構成されることとなる。

上述したように、第１要素部分２０２ａ等は互いに同じ構成を有し、第２要素部分２０４ａ−１等は互いに同じ構成を有するので、以下では、第１要素部分２０２ａと第２要素部分２０４ａ−１とを例にとり、それらの構成についてより詳細に説明する。

図６は、第１要素部分２０２ａ及び第２要素部分２０４ａ−１の構成を示す図である。なお、図６においては、図を簡略化して理解を容易にするため、位相シフタ２２２ａの記載を省略している。

第２要素部分２０４ａ−１は、光の伝搬方向に沿って上流である第１端部６００がＸ方向位置Ａ１に配されており、光の伝搬方向に沿って下流である第２端部６０２がＸ方向位置Ａ２に配されている。ここで、Ｘ方向位置Ａ１とＡ２との間の距離は、Ｌ_Aである。

上述したように、第２要素部分２０４ａ−１は、上流の第１端部６００と下流の第２端部６０２とが、Ｘ方向に第１所定距離Ｌ_Aを隔て、且つＹ方向に第３所定距離ｑを隔てて配置されている。そして、第２要素部分２０４ａ−１は、同じ曲率半径ｒを持って光の伝搬方向を９０°変換する２つの曲がり導波路６０４、６０６と、長さａに亘りＸ方向に延在して第１端部６００と曲がり導波路６０４とをつなぐ直線導波路６０８と、を含む。また、第２要素部分２０４ａ−１は、長さｃを持ってｙ方向に延在して曲がり導波路６０４と６０６とを接続する直線導波路６１０を含み、曲がり導波路６０６の端部が第２端部６０２を構成する。したがって、以下の各式が成り立つ。
Ｌ_A＝ａ＋２ｒ （３）
ｑ＝２ｒ＋ｃ （４）
そして、第２要素部分２０４ａ−１の経路長Ｓ_Lは、次式で与えられる。
Ｓ_L＝ａ＋ｃ＋πｒ （５）

一方、第１要素部分２０２ａは、光入力部６１２と光出力部６１４とが、それぞれＸ方向位置Ａ１及びＡ２に配されている。上述したように、第１要素部分２０２ａは、光入力部６１２と光出力部６１４とが、Ｘ方向に第１所定距離Ｌ_Aを隔て、且つＹ方向に第２所定距離ｄを隔てて配置されている。そして、第１要素部分２０２ａは、光入力部６１２及び光出力部６１４のそれぞれを一端として含む部分である直線導波路６１６、６１８を含む。直線導波路６１６、６１８は、それぞれ長さｅ及びｈをもってＸ方向に延在する。

また、第１要素部分２０２ａは、直線導波路６１６、６１８につながる２つの曲がり導波路６２０、６２２を含む。曲がり導波路６２０、６２２は、同じ曲率半径ｒをもって光の伝搬方向に所定の角度α（ｒａｄ）の変化を与える。したがって、曲がり導波路６２０、６２２の経路長ｆは、次式で与えられる。
ｆ＝ｒα （６）

さらに、第１要素部分２０２ａは、Ｘ方向に対し所定の角度αをもって延在して２つの曲がり導波路６２０、６２２を接続する斜め導波路６２４を含む。この斜め導波路６２４の長さをＤとすると、第１要素部分２０２ａの経路長Ｓ_Bは、次式で与えられる。
Ｓ_B＝ｅ＋ｈ＋２ｒα＋Ｄ （７）

また、直線導波路６１６と曲がり導波路６２０との接続部から、曲がり導波路６２２と直線導波路６１８との接続部までのＸ方向の距離Ｌ_Bは、次式で与えられる。
Ｌ_B＝Ｌ_A−ｅ−ｈ （８）

図７は、斜め導波路６２４の長さＤと、各部の寸法との関係を示す図である。円弧７００、７０２は、それぞれ曲がり導波路６２０、６２２に対応し、直線７０４は斜め導波路６２４に対応する。図７より、次式の関係があることがわかる。

ｄΔ＝ｄ−２Δ＝ｄ−２ｒ（１−ｃｏｓα） （１０）
Δ＝ｒ（１−ｃｏｓα） （１１）
Ｌ_u＝Ｌ_B−２ｕ＝Ｌ_B−２ｒ・ｓｉｎα （１２）
ｕ＝ｒ・ｓｉｎα （１３）

角度αに関して式（９）を解くと、解の一つとして次式を得る。

そして、斜め導波路６２４の長さＤとして、次式が得られる。

さらに、式（２）、式（３）、式（４）、式（８）より、
Ｓ_B（Ｌ_B，ｄ，ｒ）＝２ｒα（Ｌ_B，ｄ，ｒ）
＋Ｄ（Ｌ_B，ｄ，ｒ）＋ｅ＋ｈ （１６）
Ｓ_L（Ｌ_B，ｄ，ｒ）＝ａ＋πｒ＋ｃ
＝Ｌ＋ｅ＋ｈ＋ｄ−ｐ−（４−π）ｒ （１７）
となる。

そして、
Ｓ_B（Ｌ_B，ｄ，ｒ）＝Ｓ_L（Ｌ_B，ｄ，ｒ） （１８）
とするには、
２ｒα（Ｌ_B，ｄ，ｒ）＋Ｄ（Ｌ_B，ｄ，ｒ）
＝Ｌ_B＋ｄ−ｐ−（４−π）ｒ （１９）
であればよいことがわかる。

直線導波路６１６、６１８の長さｅ及びｈは、式（１８）（１９）には含まれていないため、任意に選択することができる。直線導波路６１６は光カプラ２２０ａを構成する部分であり、その長さｅは、例えばエバネセントカプラである光カプラ２２０ａの結合係数に関する要求条件から選択され得る。直線導波路６１８の長さｈは、その他の設計要求条件から適宜選択され得る。

式（１９）を解くことにより、距離Ｌ_Bを得ることができる。その後、式（１４）、（１５）、及び（１６）においてＬ_Bを代入することにより、角度α、斜め導波路６２４の長さＤ、及び直線導波路６０８の長さａを算出することができる。

一例として、上述の各式を用いることにより、上述したサイズに関するパラメータの値を、以下のように決定することができる。
与えられるパラメータ：
光出力端２１０ａ等の配列間隔Ｐ＝２μｍ；
曲がり導波路６０４等の曲率半径ｒ＝２０μｍ；
光カプラを構成する直線導波路６１６の長さｅ（光カプラ２２０ａの結合距離）＝２μｍ；
光カプラ２２０ａにおける導波路間の間隔（結合ギャップ）ｇ＝０．４μｍ；
直線導波路６１８の長さｈ＝１０μｍ；
直線導波路６１０の長さｃ＝０；
算出したパラメータ：
Ｙ方向距離ｄ＝４２μｍ；
Ｘ方向距離Ｌ_B＝４２．４５８μｍ；
角度α＝７２．９°；
斜め導波路６２４の長さＤ＝１４．３７６μｍ；
直線導波路６０８の長さａ＝１４．４５８μｍ。

なお、本実施形態の光集積回路１１０は、見方を変えれば、一つの第１要素部分２０２ａ等と、一つの導波ライン２０４ａ等の端部を含む第２要素部分２０４ａ−１等と、をそれぞれに含む複数の第３要素部分を含み、当該複数の第３要素部分に含まれる第１要素部分２０２ａ等が互いに縦続接続され、且つ当該複数の第３要素部分に含まれる第２要素部分２０４ａ−１等に一つ又は複数の他の第２要素部分２０４ａ−１等が縦続接続されて構成されている、ということもできる。

具体的には、本実施形態の光集積回路１１０では、複数の第３要素部分２５０ａ、２５０ｂ、２５０ｃ（それぞれ図示点線で囲った部分）が縦続接続されている。第３要素部分２５０ａは、一つの第１要素部分２０２ａと、一つの導波ライン２０４ａの端部を含む第２要素部分２０４ａ−１と、を含み、第３要素部分２５０ｂは、一つの第１要素部分２０２ｂと、一つの導波ライン２０４ｂの端部を含む第２要素部分２０４ｂ−１と、を含む。また、第３要素部分２５０ｃは、一つの第１要素部分２０２ｃと、一つの導波ライン２０４ｃの端部を含む第２要素部分２０４ｃ−１と、を含む。

そして、複数の第３要素部分２５０ａ、２５０ｂ、２５０ｃにそれぞれ含まれる第１要素部分２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃが縦続接続されることにより、第３要素部分２５０ａ、２５０ｂ、２５０ｃが互いに縦続接続されている。また、第３要素部分２５０ａに含まれる第２要素部分２０４ａ−１に、３つの第２要素部分２０４ａ−２、２０４ａ−３、２０４ａ−４が縦続接続されている。また、第３要素部分２５０ｂに含まれる第２要素部分２０４ｂ−１に、２つの第２要素部分２０４ｂ−２、２０４ｂ−３が縦続接続され、第３要素部分２５０ｃに含まれる第２要素部分２０４ｃ−１に、１つの第２要素部分２０４ｃ−２が縦続接続されている。

光集積回路１１０をこのように見た場合、より多くの数のチャネルを備える光集積回路を構成しようとする場合には、縦続接続する第３要素部分２５０ａ等の数を増やすと共に、それぞれの導波ライン２０４ａ等を構成する第２要素部分２０４ａ−１等の数を適宜増やせば良いことが判る。すなわち、本実施形態の光集積回路１１０の構成は、チャネル数のより多い構成にも容易に拡張することができる。

上述した光集積回路１１０は、以下のように動作する。
この光集積回路１１０は、バス導波路２０２の光入力端２３０から導波ライン２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃ、２０４ｄのそれぞれの光出力端２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃ、２１０ｄまでの光の経路長又は光路長が互いに等しくなるように構成されている。したがって、位相シフタ２２２ａ等が無通電状態である場合、光出力端２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃ、２１０ｄにおける隣接チャネル間の位相差は、ゼロである。

位相シフタ２２２ａ等のいずれか（例えば位相シフタ２２２ａ）に通電すると、当該位相シフタ２２２ａ等の下のバス導波路２０２の部分の実効屈折率ｎ_Eが変化し、隣接する光出力端２１０ａ等の間に次式で表される位相差φが発生する。

ここに、λ₀は真空中における光源の波長、Ｌ_Cは位相シフタ２２２ａ等において加熱される導波路部分の長さ、Δｎ_Eは実効屈折率ｎ_Eの変化量である。実効屈折率の変化量Δｎ_Eは、一般に、温度の単調関数であり、温度は電流の単調関数である。したがって、式（２０）で表される位相差φは、一般に、対応する位相シフタ２２２ａ等に印加する電圧についての単調増加関数となる。これにより、位相シフタ２２２ａ等への通電電圧を制御して、隣接する光出力端２１０ａ等の間の位相差を制御することにより、光出力端２１０ａ等につながった光導波路３０２ａ等により構成されるアンテナアレイ１１２から出射される回折光の主極大ビームの出射方向を制御することができる。

図８は、アンテナアレイ１１２から出力される光の遠視野像の一例を示す図である。図８には、位相シフタ２２２ａ等により種々の量の位相シフトを発生させた場合の、４つの遠視野像が示されている。これら４つの遠視野像の横軸は全て偏向角θの正弦値（ｓｉｎθ）であり、縦軸は、それぞれのｓｉｎθの値に対する光強度Ｉ（ｓｉｎθ）である。すなわち、図示において光強度Ｉ（ｓｉｎθ）のピークは、アンテナアレイ１１２の光導波路３０２ａ等からの出力光により生成される回折光の主極大ビームを表し、横軸に沿った当該ピークの位置の移動は、当該主極大ビームの偏向角（すなわち、出射方向）の変化を表している。なお、４つの遠視野像において、横軸は同じスケールを用いており、２つの破線に挟まれた領域が、主極大ビームの動作領域を示している。

図８の最上段の（ａ）に示す遠視野像は、位相シフタ２２２ａ等の全てが無通電状態であるときの遠視野像を示す。この状態においては、隣接する光出力端２１０ａ等から出力される光の位相差はゼロである。したがって、アンテナアレイ１１２において、隣接する光導波路３０２ａ等から出力される光の位相差もゼロとなり、光導波路３０２ａ等からの出力光により生成される回折光の主極大ビーム（図示斜線ハッチング部分）はｓｉｎθ＝０の位置にある。すなわち、当該主極大ビームはθ＝０の方向へ出射される。

図８の（ｂ）に示す遠視野像は、位相シフタ２２２ａ等の全てに通電して、隣接する光出力端２１０ａ等の間の光の位相差φをπ／２に設定したときの遠視野像を示す。アンテナアレイ１１２から出力される回折光の主極大ビームは、その強度を減少させつつ、図示右方向へ移動する。

図８の（ｃ）に示す遠視野像は、位相シフタ２２２ａ等への通電電圧を増加させ、隣接する光出力端２１０ａ等の間の光の位相差φをπに設定したときの遠視野像を示す。アンテナアレイ１１２から出力される回折光の主極大ビームは、その強度を更に減少させつつ、図示右方向へ更に移動し、動作領域の右端に達している。また、動作領域の左端には、動作領域の右端に達した主極大ビームと同じ大きさに成長した新たな主極大ビームが出現する。

図８の（ｄ）に示す遠視野像は、位相シフタ２２２ａ等への通電電圧を更に増加させ、隣接する光出力端２１０ａ等の間の光の位相差φを３π／２に設定したときの遠視野像を示す。図８（ｃ）において動作領域の左端に出現した主極大ビームが、その強度を増加させつつ図示右方向へ移動している。

位相シフタ２２２ａ等への通電電圧を更に増加させ、隣接する光出力端２１０ａ等の間の光の位相差φを２πに設定すると、図８（ｄ）に示す主極大ビームは更に図示右方向へ移動して、遠視野像は、図８の（ａ）に示す遠視野像と同じとなる。

上記のように、位相シフタ２２２ａ等への通電電圧を変化させて隣接する光出力端２１０ａ等の間の光の位相差を変化させることにより、アンテナアレイ１１２から出力される回折光の主極大ビームの出射方向を変化させて、ビームステアリングを実行することができる。

なお、本実施形態では、アンテナアレイ１１２として、アンテナエレメントである光導波路３０２ａ等が、その長さ方向（ｘ方向）に沿ってその厚さが周期ｐ_gで変化する摂動導波路で構成されるものとしたが、これには限られない。例えば、図９に示すように、基板９００上に形成されたアンテナエレメントである光導波路９０２ａ、９０２ｂ、９０３ｃ、９０４ｄが、その長さ方向（ｘ方向）に沿ってその幅が周期的に変化する摂動導波路で構成されているアンテナアレイ９１２を、アンテナアレイ１１２に代えて用いるものとすることもできる。なお、図９の図示左側の図はアンテナアレイ９１２の平面図、図９の図示右側の図は、当該平面図に示すラインＦ−Ｆ部分の断面を示すＦＦ断面矢視図である。

以上、説明したように、本発明の光集積回路１１０は、基板２００上に形成された光導波路により構成される。光集積回路１１０は、上記光導波路として、入力光が伝搬するバス導波路２０２と、バス導波路２０２上に配された、当該バス導波路２０２を伝搬する光の一部をそれぞれ抽出する複数の光カプラ２２０ａ等と、を備える。また、光集積回路１１０は、複数の光カプラ２２０ａ等が抽出した光をそれぞれ伝搬する複数の導波ライン２０４ａ等と、バス導波路２０２に沿って隣接する光カプラ２２０ａ等の間の当該バス導波路２０２上にそれぞれ設けられた位相シフタ２２２ａ等と、を備える。そして、バス導波路２０２の光入力端２３０から各導波ライン２０４ａ等の光出力端２１０ａ等までの光路長が互いに等しくなるように構成されている。

この構成によれば、バス導波路２０２の光入力端２３０から各導波ライン２０４ａ等の光出力端２１０ａ等までの光路長が互いに等しくなるように構成されているので、入力光波長の変化や環境温度変動に起因する基板屈折率の変化があっても、隣接する光出力端２１０ａ等の間（すなわち、隣接するチャネル間）の光位相差は変化しない。

また、バス導波路２０２に、各チャネルにそれぞれ光を抽出する複数の光カプラ２２０ａ等が配され、隣接する光カプラ２２０ａ等の間に位相シフタ２２２ａ等が設けられているので、それぞれの位相シフタ２２２ａ等に比較的小さな位相シフトを発生させるだけで、したがってより小さな電圧を与えるだけで、２πを超える累積位相シフトを精度よく生じさせて、アンテナアレイ１１２から出射する主極大ビーム５００の出射方向を変化させることができる。さらに、位相シフタ２２２ａ等を個別に調整することで、隣接するチャネルペアの位相差をそれぞれ個別に調整することができる。

すなわち、この構成によれば、入力光を分岐して構成される複数のチャネルについての位相制御の複雑化を招くことなく、隣接チャネル間の位相差についての波長依存性及び温度依存性のない光集積回路を実現することができる。したがって、位相制御による主極大ビーム５００のＹＺ平面におけるビームステアリングと、入力光波長の制御によるＸＺ平面におけるビームステアリングと、を独立に実行することができ、動作制御が簡単化され得る。また、温度センサ及び温度フィードバックを用いることなく、且つデバイスの温度を安定化することなく、広い温度範囲で動作させることができる。

また、光集積回路１１０では、バス導波路２０２は、複数の第１要素部分２０２ａ等が縦続に接続されて構成され、導波ライン２０４ａ等は、第２要素部分２０４ａ−１等を一つ含むか、又は複数の第２要素部分２０４ａ−１等が縦続に接続されて構成されている。そして、第１要素部分２０２ａ等は、それぞれ、基板２００の平面に沿った第１の方向であるＸ方向に伝搬する光を受ける当該第１要素部分２０２ａ等の光入力部と、Ｘ方向へ光を出力する当該第１要素部分２０２ａ等の光出力部とが、Ｘ方向に第１所定距離Ｌ_Aを隔て、且つＸ方向に直交するＹ方向に第２所定距離ｄを隔てて配置されている。また、第２要素部分２０４ａ−１等は、それぞれ、光の伝搬方向に沿って上流の第１端部と光の伝搬に沿って下流の第２端部とが、Ｘ方向に第１所定距離Ｌ_Aを隔て、且つＹ方向に第３所定距離ｑを隔てて配置されている。さらに、第１要素部分２０２ａ等の光入力部に光カプラ２２０ａ等が設けられている。

この構成によれば、導波ライン２０４ａ等のそれぞれの光出力端２１０ａ等のＹ方向の間隔を、第１要素部分２０２ａ等及び第２要素部分２０４ａ−１等の設計パラメータから定めることができる。

また、光集積回路１１０では、光カプラ２２０ａ等は、エバネセントカプラであり、第１要素部分２０２ａ等の光入力部を含む当該第１要素部分２０２ａ等の一部と、一の導波ライン２０４ａ等の端部を含む当該導波ライン２０４ａ等の一部とが、Ｙ方向に第４所定距離ｇを隔てて配されることにより構成されている。

この構成によれば、バス導波路２０２と導波ライン２０４ａ等とを幾何学的に分離することができるので、それぞれの導波路の経路長から、それぞれのチャネルの光路長を正確に定めることができる。

また、光集積回路１１０では、バス導波路２０２の光入力端２３０から、複数の導波ライン２０４ａ等の光出力端２１０ａ等に至るそれぞれの光経路に含まれる、第１要素部分２０２ａ等の数と第２要素部分２０４ａ−１等の数の合計は、それぞれの上記光経路において互いに同じである。

この構成によれば、縦続接続された最初の第１要素部分２０２ａの光入力部（図２におけるＸ方向の位置Ａ１）から導波ライン２０４ａ等のそれぞれの光出力端２１０ａ等までのＸ方向に沿ったそれぞれの距離を互いに同じとすることができ、光出力端２１０ａ等をＹ方向に平行なライン２３２に沿って並べることができる。

また、光集積回路１１０では、導波ライン２０４ａ等のそれぞれは一つ又は複数の第２要素部分２０４ａ−１等に加えて一つ又は複数の付加的な光導波路２４０ａ−１等を含む。そして、導波ライン２０４ａ等のそれぞれが含む付加的な光導波路２４０ａ−１等の光路長の合計及びＸ方向に沿った距離の合計は、複数の導波ライン２０４ａ等においてそれぞれ互いに同じである。

この構成によれば、バス導波路２０２及び導波ライン２０４ａ等のそれぞれが互いに交差することなく、Ｘ方向位置Ａ１から光出力端２１０ａ等までのＸ方向に沿ったそれぞれの距離を互いに同じとして、光出力端２１０ａ等をＹ方向に平行なライン２３２に沿って並べることができる。

また、光集積回路１１０では、第１要素部分２０２ａ等と第２要素部分２０４ａ−１等とは、同じ光路長を持つ。

この構成によれば、第１要素部分２０２ａ等と第２要素部分２０４ａ−１等との組み合わせで構成される光入力端２３０から光出力端２１０ａ等に至るそれぞれの光経路の光路長を、互いに同じになるように構成することができる。

また、光集積回路１１０では、第１要素部分２０２ａ等は、それぞれ光の伝搬方向に所定の角度αの変化を与える２つの曲がり導波路６２０、６２２と、Ｘの方向に対し当該所定の角度αをもって延在して当該２つの曲がり導波路６２０、６２２を接続する斜め導波路６２４と、を含む。そして、第２要素部分２０４ａ−１等は、光の伝搬方向を９０°変換する２つの曲がり導波路６０４、６０６と、Ｘ方向に延在する直線導波路６０８と、を含む。

この構成によれば、互いに同じ光路長をもつような第１要素部分２０２ａ等と第２要素部分２０４ａ−１等とを、単純な幾何学的形状で設計することができる。

また、光集積回路１１０では、縦続接続された複数の第１要素部分２０２ａ等のうち最後の第１要素部分２０２ｃには、当該最後の第１要素部分２０２ｃの光出力部につなげて設けられた光カプラ２２０ｄを介して、一つの第２要素部分２０４ｄ−１で構成される導波ライン２０４ｄが接続されている。

この構成によれば、入力光の伝搬方向に沿って最も下流に配置されるチャネルについても、他のチャネルと同様に設計することができる。

また、光集積回路１１０では、一つの第１要素部分２０２ａ等と、一つの導波ライン２０４ａ等の端部を含む第２要素部分２０４ａ−１等と、をそれぞれ含む複数の第３要素部分２５０ａ等を含む。そして、複数の第３要素部分２５０ａ等に含まれるそれぞれの第１要素部分２０２ａ等が互いに縦続接続され、複数の第３要素部分２５０ａ等に含まれるそれぞれの第２要素部分２０４ａ−１等に一つ又は複数の他の第２要素部分２０４ａ−１等が縦続接続されている。

この構成によれば、第３要素部分２５０ａ等の数と第２要素部分２０４ａ−１等の数を適宜増やすことで、光集積回路１１０の構成をチャネル数のより多い構成に容易に拡張することができる。

また、光集積回路１１０では、位相シフタ２２２ａ等は、バス導波路２０２の一部に設けられたヒータ２２４ａにより構成される。そして、ヒータ２２４ａ等は、同じ電流を通電したときに互いに同じ温度となるように、長さ、幅、及び厚さを含むサイズ、並びに形状が、互いに同じとなるように構成されている。この構成によれば、バス導波路２０２上に金属薄膜等を設けるだけの簡易な構成で、バス導波路２０２を伝搬する光に位相シフトを与えることができる。また、ヒータ２２４ａ等に同じ電流を流すだけで、隣接する光カプラ２２０ａ等から導波ライン２０４ａ等へ出射する各光の間に同じ位相シフトを生じさせることができる。さらに、この構成によれば、ヒータ２２４ａ等を互いに直列に接続し、例えば基板２００上に設けられた２つの電極パッド（不図示）から、直列接続された全てのヒータ２２４ａ等へ通電するものとすれば、全てのヒータ２２４ａ等に同じ電流を流して同じ位相シフトを発生させることができるので、光集積回路１１０を更に簡単に動作させることが可能となる。

また、本発明は、光集積回路１１０を備える光フェーズドアレイ１０４である。この構成によれば、入力光波長に変化があっても安定なＹＺ平面でのビームステアリングを提供することのできる、又はＹＺ平面とＸＺ平面でのビームステアリングを独立に制御することのできる光フェーズドアレイを実現することができる。

また、光フェーズドアレイ１０４は、基板３００又は９００の上に設けられた、それぞれがその長さ方向に沿ってその幅又は厚さが周期的に変化する複数の摂動導波路である光導波路３０２ａ等又は９０２ａ等により構成されたアンテナアレイ１１２又は９１２を備える。そして、アンテナアレイ１１２又は９１２は、光集積回路１１０が出力する光のそれぞれを、基板３００又は９００の表面から空間へ出力する。

この構成によれば、本発明の光集積回路１１０と共に種々の構成のアンテナアレイを用いて光フェーズドアレイが実現され得る。

また、本発明は、光集積回路１１０を有する光フェーズドアレイ１０４を備えたＬｉＤＡＲセンサ１００である。

この構成によれば、安定なＹＺ平面でのビームステアリングを提供することのできる、又は互いに独立したＹＺ平面及びＸＺ平面でのビームステアリングが実行されるＬｉＤＡＲセンサを実現することができる。

なお、本発明は上記実施形態の構成に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能である。

例えば、上記実施形態では、光集積回路１１０は、導波ライン２０４ａ等を４つ備えて４つのチャネルを構成しているが、これには限られない。例えば、光集積回路１１０は、より多くの又はより少ない数の導波ライン２０４ａ等を備えて、より多い又はより少ない数のチャネルを有するものとすることができる。

また、上記実施形態では、アンテナアレイ１１２が、光集積回路１１０の基板２００とは別の基板３００を用いて構成されるものとしたが、これには限られない。例えば、アンテナアレイ１１２を構成する光導波路３０２ａ等を、基板２００上において、直線導波路２０６ａ等につなげて設けることができる。この場合には、光出力端２１０ａ等の配列間隔ｐが、アンテナエレメントである光導波路３０２ａ等の配列間隔Ｐとなるように、第１要素部分２０２ａ等及び第２要素部分２０４ａ−１等を設計するものとすることができる。

また、本実施形態では、光カプラ２２０ａ等がエバネセントカプラであるものとしたが、これには限られない。例えば、光カプラ２２０ａ等をＹ字型の導波路を用いた分岐カプラで構成することもできる。

また、本実施形態では、位相シフタ２２２ａ等としてヒータ２２４ａ等を用いた熱位相シフタを用いたが、これには限られない。例えば、基板２００が電気光学効果を有するＬｉＮｂＯ₃等で構成される場合には、位相シフタ２２２ａ等を、当該基板に印加する電界を制御することで基板屈折率を部分的に変化させる位相シフタとして構成するものとすることができる。また、例えば、基板２００が半導体材料である場合には、光導波路中にＰＮ接合部を形成して位相シフタ２２２ａ等として用い、当該ＰＮ接合部に通電することで基板屈折率を変化させて光の位相をシフトさせるものとしてもよい。

１００…ＬｉＤＡＲセンサ、１０２…光源、１０４…光フェーズドアレイ（ＯＰＡ）、１０６…受光センサ、１０８…処理装置、１１０…光集積回路、１１２、９１２…アンテナアレイ、１１４…光伝送路、２００、３００、９００…基板、２０２…バス導波路、２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃ、２０２ｄ…第１要素部分、２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃ、２０４ｄ…導波ライン、２０４ａ−１、２０４ａ−２、２０４ａ−３、２０４ａ−４、２０４ｂ−１、２０４ｂ−２、２０４ｂ−３、２０４ｃ−１、２０４ｃ−２、２０４ｄ−１…第２要素部分、２０６ａ、２０６ｂ、２０６ｃ、２０６ｄ、６０８、６１０、６１６、６１８…直線導波路、２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃ、２１０ｄ、２１２ａ、２１２ｂ、２１２ｃ、２１２ｄ…光出力端、２２０ａ、２２０ｂ、２２０ｃ、２２０ｄ…光カプラ、２２２ａ、２２２ｂ、２２２ｃ…位相シフタ、２２４ａ、２２４ｂ、２２４ｃ…ヒータ、２３０…光入力端、２３２…ライン、２３４…エッジ、２４０ａ−１、２４０ａ−２、２４０ａ−３、２４０ｂ−１、２４０ｂ−２、２４０ｂ−３、２４０ｃ−１．２４０ｃ−２、２４０ｄ−１、３０２ａ、３０２ｂ、３０２ｃ、３０２ｄ、９０２ａ、９０２ｂ、９０２ｃ、９０２ｄ…光導波路、２５０ａ、２５０ｂ、２５０ｃ…第３要素部分、４００…出力光、４０２、５０２…平面、６００…第１端部、６０２…第２端部、６０４、６０６、６２０、６２２…曲がり導波路、６１２…光入力部、６１４…光出力部、６２４…斜め導波路、７００、７０２…円弧、７０４…直線。

本発明の一の態様は、基板上に形成された光導波路により構成される光集積回路であって、入力光が伝搬するバス導波路と、前記バス導波路上に配された、当該バス導波路を伝搬する光の一部をそれぞれ抽出する複数の光カプラと、前記複数の光カプラが抽出した光をそれぞれ伝搬する複数の導波ラインと、前記バス導波路に沿って隣接する前記光カプラの間の当該バス導波路上にそれぞれ設けられた位相シフタと、を備え、前記複数の光カプラは、前記バス導波路に沿って縦続接続されており、且つ、同一の前記基板上において、前記バス導波路の光入力端から前記光カプラのそれぞれを介して前記導波ラインのそれぞれの光出力端に至るまでの光路長が、前記位相シフタのいずれにも通電しない状態において互いに等しくなるように構成されており、前記位相シフタは、隣接する前記光カプラを接続する直線状の前記バス導波路の部分に形成されている。
本発明の他の態様によると、前記バス導波路及び前記複数の導波ラインは、互いに同一の構成を有する複数の要素部分が縦続接続されて構成される部分を含み、前記要素部分のそれぞれは、前記バス導波路の一部と、前記バス導波路の前記一部に設けられた前記位相シフタと、前記バス導波路の前記一部に設けられて前記バス導波路の前記一部を伝搬する光の一部を抽出する前記光カプラの一つと、前記光カプラの当該一つが抽出した光を伝搬する前記導波ラインの一部と、を含み、前記要素部分のそれぞれにおいて、当該要素部分に含まれる前記バス導波路の前記一部と前記導波ラインの前記一部とは、当該要素部分に含まれる前記位相シフタに通電しない状態において互いに同じ光路長を有し、且つ、前記要素部分のそれぞれが備える前記バス導波路の前記一部どうしが接続されることにより前記複数の前記要素部分が縦続接続されており、前記位相シフタは、隣接する前記光カプラを接続する直線状の前記バス導波路の部分に形成されている。
本発明の他の態様によると、前記バス導波路は、複数の第１要素部分を含み、前記導波ラインは、一つ又は複数の第２要素部分を含み、前記第１要素部分は、それぞれ、前記基板の平面に沿った第１の方向（Ｘ方向）に伝搬する光を受ける当該第１要素部分の光入力部と、前記第１の方向（Ｘ方向）へ光を出力する当該第１要素部分の光出力部とが、前記第１の方向に第１所定距離ＬＡを隔て、且つ前記第１の方向に直交する前記基板の平面に沿った第２の方向（Ｙ方向）に第２所定距離ｄを隔てて配置されており、且つ前記第１要素部分の光入力部に前記光カプラが設けられており、前記第２要素部分は、それぞれ、光の伝搬方向に沿って上流の第１端部と光の伝搬に沿って下流の第２端部とが、前記第１の方向（Ｘ方向）に第１所定距離ＬＡを隔て、且つ前記第２の方向（Ｙ方向）に第３所定距離ｑを隔てて配置されており、前記バス導波路は、複数の前記第１要素部分が縦続接続されて構成され、前記導波ラインは、一つの前記第２要素部分で構成されるか、又は複数の前記第２要素部分が縦続接続されて構成されている。
本発明の他の態様によると、前記光カプラは、エバネセントカプラであり、前記第１要素部分の光入力部を含む当該第１要素部分の一部と、一の前記導波ラインの端部を含む当該導波ラインの一部とが、前記第２の方向に第４所定距離ｇを隔てて配されることにより構成される。
本発明の他の態様によると、前記バス導波路の光入力端から、複数の前記導波ラインの光出力端に至るそれぞれの光経路に含まれる、前記第１要素部分の数と前記第２要素部分の数の合計は、それぞれの前記光経路において互いに同じである。
本発明の他の態様によると、前記導波ラインのそれぞれは一つ又は複数の前記第２要素部分に加えて一つ又は複数の付加的な導波路を含み、前記導波ラインのそれぞれが含む前記付加的な導波路の、光路長の合計及び前記第１の方向に沿った距離の合計は、複数の前記導波ラインにおいてそれぞれ互いに同じである。
本発明の他の態様によると、前記第１要素部分と前記第２要素部分とは、同じ光路長を持つ。
本発明の他の態様によると、前記第１要素部分は、それぞれ光の伝搬方向に所定の角度の変化を与える２つの曲がり導波路と、前記第１の方向に対し当該所定の角度をもって延在して当該２つの曲がり導波路を接続する斜め導波路と、を含み、前記第２要素部分は、光の伝搬方向を９０°変換する２つの曲がり導波路と、前記第１の方向に延在する直線導波路と、を含む。
本発明の他の態様によると、縦続接続された複数の前記第１要素部分のうち最後の前記第１要素部分には、当該最後の前記第１要素部分の光出力部につなげて設けられた前記光カプラを介して、一つの前記第２要素部分で構成される前記導波ラインが接続される。
本発明の他の態様によると、一つの前記第１要素部分と、一つの前記導波ラインの端部を含む前記第２要素部分と、をそれぞれ含む複数の第３要素部分を含み、複数の前記第３要素部分に含まれるそれぞれの前記第１要素部分が互いに縦続接続されることにより複数の前記第３要素部分が縦続接続され、且つ、前記複数の第３要素部分に含まれるそれぞれの前記第２要素部分に一つ又は複数の他の前記第２要素部分が縦続接続されている。
本発明の他の態様によると、前記位相シフタは、それぞれ、前記バス導波路の一部に設けられたヒータにより構成され、前記ヒータは、同じ電流を通電したときに互いに同じ温度となるように、長さ、幅、及び厚さを含むサイズ、並びに形状が、互いに同じとなるように構成されている。
本発明の他の態様によると、前記基板は、Ｓｉ３Ｎ４、Ｓｉ、ＳｉＯＮ、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、及びＳｉＣのいずれかで構成される。
本発明の他の態様は、上記いずれかの光集積回路を備える光フェーズドアレイである。
本発明の他の態様によると、前記光フェーズドアレイは、基板上に設けられた、それぞれがその長さ方向に沿ってその幅又は厚さが周期的に変化する複数の摂動導波路により構成され、前記光集積回路が出力する光のそれぞれを当該基板の表面から空間へ出力するアンテナアレイを備える。
本発明の他の態様によると、上記いずれかの光フェーズドアレイを備えるＬｉＤＡＲセンサである。
本発明の他の態様は、入力光を分岐して構成される所定の数の光チャネルを備える、光集積回路の設計方法である。前記設計方法は、前記光集積回路の要素部分を構成するステップを含む。前記要素部分を構成する前記ステップでは、前記要素部分を、入力光が伝搬するバス導波路の一部と、前記バス導波路の前記一部に設けられて前記バス導波路の前記一部を伝搬する光の一部を抽出する光カプラと、前記バス導波路の前記一部に設けられた位相シフタであって、隣接する前記光カプラを接続する直線状の前記バス導波路の部分に形成された位相シフタと、前記光カプラが抽出した光を伝搬する導波ラインの一部と、を含み、且つ、前記バス導波路の前記一部と前記導波ラインの前記一部とが、前記位相シフタに通電しない状態において互いに同じ光路長を有する、よう構成する。また、前記設計方法は、前記要素部分のそれぞれが備える前記バス導波路の前記一部どうしを接続して前記所定の数に応じた数の前記要素部分を縦続接続することにより、前記所定の数の前記光チャネルを構成するステップを含む。

Claims (14)

1. 基板上に形成された光導波路により構成される光集積回路であって、
   入力光が伝搬するバス導波路と、
   前記バス導波路上に配された、当該バス導波路を伝搬する光の一部をそれぞれ抽出する複数の光カプラと、
   前記複数の光カプラが抽出した光をそれぞれ伝搬する複数の導波ラインと、
   前記バス導波路に沿って隣接する前記光カプラの間の当該バス導波路上にそれぞれ設けられた位相シフタと、
   を備え、
   バス導波路の光入力端から各導波ラインの光出力端までの光路長が互いに等しくなるように構成されていることを特徴とする、
   光集積回路。
2. 前記バス導波路は、複数の第１要素部分が縦続に接続されて構成され、
   前記導波ラインは、第２要素部分を一つ含むか、又は複数の前記第２要素部分が縦続に接続されて構成されており、
   前記第１要素部分は、それぞれ、前記基板の平面に沿った第１の方向に伝搬する光を受ける当該第１要素部分の光入力部と、前記第１の方向へ光を出力する当該第１要素部分の光出力部とが、前記第１の方向に第１所定距離を隔て、且つ前記第１の方向に直交する前記基板の平面に沿った第２の方向に第２所定距離を隔てて配置されており、
   前記第２要素部分は、それぞれ、光の伝搬方向に沿って上流の第１端部と光の伝搬に沿って下流の第２端部とが、前記第１の方向に第１所定距離を隔て、且つ前記第２の方向に第３所定距離を隔てて配置されており、
   前記第１要素部分の光入力部に前記光カプラが設けられている、
   請求項１に記載の光集積回路。
3. 前記光カプラは、エバネセントカプラであり、前記第１要素部分の光入力部を含む当該第１要素部分の一部と、一の前記導波ラインの端部を含む当該導波ラインの一部とが、前記第２の方向に第４所定距離を隔てて配されることにより構成される、
   請求項２に記載の光集積回路。
4. 前記バス導波路の光入力端から、複数の前記導波ラインの光出力端に至るそれぞれの光経路に含まれる、前記第１要素部分の数と前記第２要素部分の数の合計は、それぞれの前記光経路において互いに同じである、
   請求項２又は３に記載の光集積回路。
5. 前記導波ラインのそれぞれは一つ又は複数の前記第２要素部分に加えて一つ又は複数の付加的な導波路を含み、
   前記導波ラインのそれぞれが含む前記付加的な導波路の、光路長の合計及び前記第１の方向に沿った距離の合計は、複数の前記導波ラインにおいてそれぞれ互いに同じである、
   請求項２ないし４のいずれか一項に記載の光集積回路。
6. 前記第１要素部分と前記第２要素部分とは、同じ光路長を持つ、
   請求項２ないし５のいずれか一項に記載の光集積回路。
7. 前記第１要素部分は、それぞれ光の伝搬方向に所定の角度の変化を与える２つの曲がり導波路と、前記第１の方向に対し当該所定の角度をもって延在して当該２つの曲がり導波路を接続する斜め導波路と、を含み、
   前記第２要素部分は、光の伝搬方向を９０°変換する２つの曲がり導波路と、前記第１の方向に延在する直線導波路と、を含む、
   請求項２ないし６のいずれか一項に記載の光集積回路。
8. 縦続接続された複数の前記第１要素部分のうち最後の前記第１要素部分には、当該最後の前記第１要素部分の光出力部につなげて設けられた前記光カプラを介して、一つの前記第２要素部分で構成される前記導波ラインが接続される、
   請求項２ないし７のいずれか一項に記載の光集積回路。
9. 一つの前記第１要素部分と、一つの前記導波ラインの端部を含む前記第２要素部分と、をそれぞれ含む複数の第３要素部分を含み、
   前記複数の第３要素部分に含まれるそれぞれの前記第１要素部分が互いに縦続接続され、前記複数の第３要素部分に含まれるそれぞれの前記第２要素部分に一つ又は複数の他の前記第２要素部分が縦続接続されて構成されている、
   請求項２ないし８のいずれか一項に記載の光集積回路。
10. 前記位相シフタは、それぞれ、前記バス導波路の一部に設けられたヒータにより構成され、
    前記ヒータは、同じ電流を通電したときに互いに同じ温度となるように、長さ、幅、及び厚さを含むサイズ、並びに形状が、互いに同じとなるように構成されている、
    請求項１ないし９のいずれか一項に記載の光集積回路。
11. 前記基板は、Ｓｉ₃Ｎ₄、Ｓｉ、ＳｉＯＮ、ＬｉＮｂＯ₃、ＬｉＴａＯ₃、及びＳｉＣのいずれかで構成される、
    請求項１ないし１０のいずれか一項に記載の光集積回路。
12. 請求項１ないし１１のいずれか一項に記載の光集積回路を備える光フェーズドアレイ。
13. 基板上に設けられた、それぞれがその長さ方向に沿ってその幅又は厚さが周期的に変化する複数の摂動導波路により構成され、前記光集積回路が出力する光のそれぞれを当該基板の表面から空間へ出力するアンテナアレイを備える、請求項１２に記載の光フェーズドアレイ。
14. 請求項１２又は１３に記載の光フェーズドアレイを備えるＬｉＤＡＲセンサ。

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