JP7076822B2 - 光受信器アレイ、及びライダー装置 - Google Patents
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Description
本発明の光受信器アレイは、(a)フォトニック結晶のスローライト導波路を備えた複数の受信器をアレイ配列してなるアレイ状素子であり、アレイ配列は、(b)光受信器アレイを構成する複数の受信器間の位置関係を定める配列、及び(c)各受信器の向きを定める配向、によって複数の受信器の配置関係が定められる。
アレイ配列において、複数の受信器の個数を定める形態として、短尺の受信器を出発点とする形態(a1)、及び長尺の受信器を出発点とする形態(a2)がある。
(a2) 長尺の受信器を複数個の受信器に分割し、分割した複数の受信器で得られる受信信号を合波した信号強度と、光受信器アレイで得ようとする受信信号の信号強度に基づいて分割数を設定する。
複数の受信器の配置関係を特定する複数の受信器の配列(b)及び配向(c)において、
(b)各受信器の配列は、複数の受信器のアレイ配列において、配列ピッチpで一直線方向に沿った直線状配列である。配列(b)は、各受信器の配列間隔を配列ピッチpに合わせ、これにより同相の反射光を受信する。
(c)各受信器の配向は、その配向方向において、各受信器の受信用スローライト導波路の進行方向が、複数の受信器の直線状配列の配列方向と平行である。
(d)各受信器の受信用スローライト導波路の進行方向の長さは、スローライト導波路の長さに対する受信強度が単調変化する不飽和範囲内である。
受信器間の配列において、配列ピッチpが、導波路端の受信光の位相が1波長分だけずれる長さである場合には、受信器の受信面において受信光の位相が揃う条件が満たされ、光受信器アレイで最終的に合波された受信信号の光出力が強め合う干渉が起きる。強め合いの干渉が起こる最初の角度をΔθrとしたとき、強め合いが起こる条件は、受信光の波長をλとすると次式で表される。
p・sinΔθr=λ …(1)
本発明の光受信器アレイは、受信器の受信信号の出力形態として、受信器毎に受信信号を出力する形態(i)、及び各受信器の受信信号を合波して一つの受信信号を出力する形態(ii)を有する。
受信器毎に受信信号を出力する形態は、各受信用スローライト導波路の導波路端に低損失光導波路を介してフォトダイオードと光学的に結合し、この受信用スローライト導波路とフォトダイオードとをペアとして、受信器毎に受信信号を出力する。この出力形態において、受信器とフォトダイオードの各ペアの各低損失光導波路の光導波路長を同一長とすることによって、低損失光導波路における伝搬損失を均一化し、受信器毎の受信信号の信号強度を均一化する。
各受信器の受信信号を合波して一つの受信信号を出力する形態は、各受信器の受信用スローライト導波路の導波路端に接続された出射導波路と、この出射導波路を次の接続導波路に合流させる第1の合流器と、この接続導波路を他の接続導波路に合流させる第2の合流器と、各受信器の受信出力を合波した出力信号を出力端に導く最終導波路とを備える。これらの出射導波路、接続導波路、及び最終導波路は低損失光導波路であり、各受信用スローライト導波路から最終導波路までの各光路長は同一長である。
導波路端から合流器までの光路長が一致した構成においても、導波路の幅や厚さの局所的な揺らぎによって位相ずれが生じる場合がある。出射導波路や接続導波路に設けた位相調整器によって発生した位相ずれを抑制する。位相調整器は、全ての出射導波路や接続導波路に設ける構成は必ずしも必要ではなく、合流器に受信信号を入射する複数の出射導波路や接続導波路の内で、例えば、合流器に接続される出射導波路や接続導波路について選択的に設ける構成とすることができる。
(i)受信器毎の出力形態:
受信器毎に受信信号を出力する形態において、受信器の個数は任意に設定する。
(ii)合波受信信号の出力形態:
各受信器の受信信号を合波して一つの受信信号を出力する形態において、任意の個数の受信器を用いる構成の他、2のべき乗個の受信器を用いる構成としても良い。2のべき乗個の受信器を用いる構成は、アレイ配列方向で隣接する受信器の出射導波路間から等しい光路長の位置に第1の合流器を設けて2つの受信器の受信信号を接続導波路に合波し、さらに、アレイ配列方向で隣接する接続導波路間から等しい光路長の位置に第2の合流器を設けて2つの接続導波路の受信信号を次の接続導波路に合波する。接続導波路と第2の合流器との構成を順次繰り返し、全ての受信器の受信信号を最終導波路に合波する。
本発明のライダー装置は、本発明の光受信器アレイと、フォトニック結晶のスローライト導波路を有した放射光を発する一つの送信器を備える。
図3は本発明の光受信器アレイを説明するための図である。光偏向デバイスは、送信器21と複数の受信器11a~11dを備える光受信器アレイ10の2つの光偏向器を備える。送信器21および受信器11a~11dはフォトニック結晶導波路により構成される。フォトニック結晶導波路は、クラッド上に設けたSi等の半導体材の高屈折率部材に低屈折率部位を周期的に配した格子配列により形成される。低屈折率部位は、例えば、高屈折率部材に設けた円孔によって形成することができる。
アレイ配列において、複数の受信器の個数を定める形態として、短尺の受信器を出発点とする形態(a1)、及び長尺の受信器を出発点とする形態(a2)がある。
(a2) 長尺の受信器を複数個の受信器に分割し、分割した複数の受信器で得られる受信信号を合波した信号強度と、光受信器アレイで得ようとする受信信号の信号強度に基づいて分割数を設定する。
各受信器の配列は、複数の受信器のアレイ配列において、配列ピッチpで一直線方向に沿った直線状配列であり、各受信器の配列間隔を配列ピッチpに合わせることで同相の反射光を受信する。
各受信器の配向の配向方向は、各受信器の受信用スローライト導波路の進行方向が、複数の受信器の直線状配列の配列方向と平行である。
本発明の受信器は、上記したアレイ配列(a)、配列(b)、及び配向(c)の各構成に加えて、受信器の受信用スローライト導波路の進行方向の長さについて長さ制限の構成を設けても良い。
図5は、受信器アレイの受信器、及び導波路の構成を説明するための図である。なお、ここで説明する導波路は、受信器アレイの各受信器の出力信号を導波する部材であり、受信器各導波路端に接続される出射導波路、最終的に出力信号を出力する最終導波路、及び出射導波路と最終導波路との間の光路を構成する接続導波路である。
次に、本発明の光受信器アレイを構成する複数の受信器の個数(分割数)について説明する。
各受信器の受信用スローライト導波路端から出射される受信光の位相は、受信器の配列ピッチpや到来する反射光の到来角Δθtによって異なり、必ずしも一致するとは限らない。
p・sinΔθr = λ …(1)
p=λ/ sinΔθr …(2)
・放射光による走査角度の好適条件である角度差Δθ=ビーム広がり角Δθtの条件
及び
・受信器における受信信号の強度の好適条件である角度差Δθ=反射光の到来角Δθrの条件
とが共に満たされる条件(Δθt = Δθr)が得られる。このときの配列ピッチpは式(3)で表される。
p = λ/sinΔθt …(3)
次に、図9を用いて本発明のライダー装置の概略構成について説明する。
ライダー装置50は、本発明の光受信器アレイ10および送信器21を備え、送信器21から対象物60に放射光Aを照射し、対象物60で反射して戻ってくる反射光Bを検出する。放射光Aの放射角を変えながら反射光Bを受信することによって対象物60を走査し、対象物60との間の距離を求める。また、ライダー装置50と対象物60との相対速度を求めることもできる。
R=(c×fb×T)/(2×B) …(4)
v=(c/4fo)×(fu-fd) …(5)
11,11a-11h 受信器
12 受信用スローライト導波路
13 低損失光導波路
13a 出射導波路
13a1 出射導波路
13a2 出射導波路
13b,13c,13d 接続導波路
13z 最終導波路
14,14a,14b、14c 合流器
15,15a,15b 位相調整器
21 送信器
22 送信用スローライト導波路
30 シリンドリカルレンズ
50 ライダー装置
52 分離器
54 混合器
54a バランス型フォトダーオード
55 演算部
56 屈折率可変器
57 レーザ光源
60 対象物
101 光偏向デバイス
102 フォトニック結晶導波路
103 格子配列
104 シリンドリカルレンズ
105 高屈折率部材
106 低屈折率部位(円孔)
107 導波路コア
108 クラッド
111 受信器
112 受信用スローライト導波路
121 送信器
122 送信用スローライト導波路
Claims (10)
- フォトニック結晶のスローライト導波路を備えた複数の受信器がアレイ配列された光受信器アレイであり、
(a)前記各受信器の配列は、一直線方向に沿った配列ピッチpの直線配列であり、
(b)前記各受信器の配向は、各受信器の受信用スローライト導波路の進行方向が前記直線配列の配列方向と平行である、光受信器アレイ。 - 前記各受信器の受信用スローライト導波路の進行方向の長さは、スローライト導波路の長さに対する受信強度が単調変化する不飽和範囲内である、請求項1に記載の光受信器アレイ。
- 前記配列ピッチpと、受信光の波長λと、隣接する受信器の導波路端で受信する受信光間の位相差が1波長分であるときの到来角度Δθrとの間には、p=λ/sinΔθrの関係がある、請求項1又は2に記載の光受信器アレイ。
- 前記到来角度Δθrは、放射光の広がり角度Δθtと同角度である、請求項3に記載の光受信器アレイ。
- 前記各受信器は、各受信用スローライト導波路の導波路端に低損失光導波路を介して光学的に結合されたフォトダイオードをペアとして備え、
受信器とフォトダイオードの各ペアの各低損失光導波路の光導波路長は同一長である、請求項1から4の何れか一つに記載の光受信器アレイ。 - 前記各受信器の受信用スローライト導波路の導波路端に接続された出射導波路と、
前記出射導波路を接続導波路に合流させる第1の合流器と、
前記接続導波路を他の接続導波路に合流させる第2の合流器と、
前記各受信器の受信出力を合波した出力信号を出力端に導く最終導波路とを備え、
前記出射導波路、前記接続導波路、及び最終導波路は低損失光導波路であり、
各受信用スローライト導波路から最終導波路までの各光路長は同一である、請求項1から4の何れか一つに記載の光受信器アレイ。 - 前記出射導波路及び前記接続導波路は、選択的に位相調整器を備える、請求項6に記載の光受信器アレイ。
- 前記受信器の個数は2のべき乗個であり、
前記第1の合流器はアレイ配列方向で隣接する受信器の出射導波路間において等しい光路長の位置に設けられ、
前記第2の合流器はアレイ配列方向で隣接する前記接続導波路間において等しい光路長の位置に設けられる、請求項6又は7に記載の光受信器アレイ。 - 請求項1から8の何れか一つに記載の光受信器アレイと、
フォトニック結晶のスローライト導波路を備えた、放射光を発する一つの送信器とを備え、
前記光受信器アレイの配列方向は、受信器の導波路進行方向が前記送信器の導波路進行方向と同方向である、ライダー装置。 - 前記送信器から放射される隣接する放射光間の角度と当該放射光の広がり角度とは同一角度Δθtであり、
当該角度Δθtは、隣接する受信器の導波路端で受信する受信光間の位相差が1波長分であるときの到来角度Δθrと同角度である、請求項9に記載のライダー装置。
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