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JP7039948B2 - 測距センサ - Google Patents

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Description

本発明は、測距センサに関するものである。
近年、レーザを用いて物体との距離等を検出するLIDAR(Light Detection and Ranging)が提案されており、車載用のLIDARで広角化が要求されている。
例えば特許文献1では、光ファイバを備える2つの光源が発生させた光を2方向からミラーに照射することで、ミラーで反射した2つの光ビームが互いに異なる範囲に照射される測距センサが提案されている。この測距センサでは、可動域が制限された1つのミラーに対して、通常の約2倍の広さの範囲に光を照射することができる。
特表2004-517352号公報
車載用のLIDARでは搭載場所の自由度が重要であるため、小型かつ広角のLIDARが必要とされている。しかしながら、ミラーに2方向から光を照射するために、特許文献1に記載のように光ファイバを備える光源を2つ用意し、あるいは、光源からの光を伝達するファイバを分岐させると、光学系の体格及び製造コストが増加する。
本発明は上記点に鑑みて、体格の大型化を抑制しながら光の照射範囲を広角化することが可能な測距センサを提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、光の送受信により物体との距離を測定する測距センサであって、光源(1)と、光源が発生させた光を光源の外部へ出射する複数の出射部(2)と、出射部から出射された光をミラー(23)で反射するとともにミラーを振動させることにより、該光を走査する走査部(3)と、該光の物体での反射光を受信する受光部(4)と、受光部が受信した光に基づいて物体との距離を測定する処理部(5)と、を備え、複数の出射部からの出射光が互いに異なる方向からミラーに入射することで、走査部によって複数の出射部からの出射光が互いに異なる範囲で走査される構成とされており、光源は、半導体基板(6)に配置された半導体光増幅器(7)、および、半導体基板に形成されたシリコンフォトニクス回路を有する共振器(8)で構成されており、複数の出射部からの出射光は、互いに発光時間が異なる。
また、請求項3に記載の発明では、光の送受信により物体との距離を測定する測距センサであって、光源(1)と、光源が発生させた光を光源の外部へ出射する複数の出射部(2)と、出射部から出射された光をミラー(23)で反射するとともにミラーを振動させることにより、該光を走査する走査部(3)と、該光の物体での反射光を受信する受光部(4)と、受光部が受信した光に基づいて物体との距離を測定する処理部(5)と、を備え、複数の出射部からの出射光が互いに異なる方向からミラーに入射することで、走査部によって複数の出射部からの出射光が互いに異なる範囲で走査される構成とされており、光源は、半導体基板(6)に配置された半導体光増幅器(7)、および、半導体基板に形成されたシリコンフォトニクス回路を有する共振器(8)で構成されており、複数の出射部からの出射光は、互いに偏光方向が異なる。
さらに、請求項5に記載の発明では、光の送受信により物体との距離を測定する測距センサであって、光源(1)と、光源が発生させた光を光源の外部へ出射する複数の出射部(2)と、出射部から出射された光をミラー(23)で反射するとともにミラーを振動させることにより、該光を走査する走査部(3)と、該光の物体での反射光を受信する受光部(4)と、受光部が受信した光に基づいて物体との距離を測定する処理部(5)と、を備え、複数の出射部からの出射光が互いに異なる方向からミラーに入射することで、走査部によって複数の出射部からの出射光が互いに異なる範囲で走査される構成とされており、光源は、半導体基板(6)に配置された半導体光増幅器(7)、および、半導体基板に形成されたシリコンフォトニクス回路を有する共振器(8)で構成されており、複数の出射部からの出射光は、互いにモードが異なる。
また、請求項7に記載の発明では、光の送受信により物体との距離を測定する測距センサであって、光源(1)と、光源が発生させた光を光源の外部へ出射する複数の出射部(2)と、出射部から出射された光をミラー(23)で反射するとともにミラーを振動させることにより、該光を走査する走査部(3)と、該光の物体での反射光を受信する受光部(4)と、受光部が受信した光に基づいて物体との距離を測定する処理部(5)と、を備え、複数の出射部からの出射光が互いに異なる方向からミラーに入射することで、走査部によって複数の出射部からの出射光が互いに異なる範囲で走査される構成とされており、光源は、半導体基板(6)に配置された半導体光増幅器(7)、および、半導体基板に形成されたシリコンフォトニクス回路を有する共振器(8)で構成されており、複数の出射部からの出射光は、互いに周波数が異なり、処理部は、物体との距離および物体の速度を周波数変調連続波方式で測定する。
これによれば、光源が、半導体光増幅器、および、シリコンフォトニクス回路を有する共振器で構成されているため、光源を単一基板に形成することが可能となり、光源の体格を小さくすることができる。そのため、ミラーに複数の方向から光を照射して光の照射範囲を広角化する構成としても測距センサの体格の大型化を抑制することができる。
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。
第1実施形態にかかる測距センサの構成を示す図である。 第1実施形態にかかる測距センサの構成を示す平面図である。 図2に示す半導体基板の断面図である。 図2に示す半導体基板およびチップの断面図である。 2つの光源の発光時間および受光部が光を受信する時間を示す図である。 2つの光源が発生させた光の走査範囲を示す図である。 第2実施形態にかかる測距センサの平面図である。 第3実施形態における出射光の周波数を示す図である。 第4実施形態における出射光および受信光の偏光方向を示す図である。 第4実施形態にかかる測距センサの構成を示す図である。 第5実施形態における出射光および受信光のモードを示す図である。 出射光のモードを制御する方法について説明するための図である。 受信光のモードを識別する方法について説明するための図である。 第6実施形態にかかる測距センサの平面図である。 第7実施形態にかかる測距センサの平面図である。 第8実施形態にかかる測距センサの平面図である。
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。
(第1実施形態)
第1実施形態について説明する。本実施形態の測距センサは、車両に搭載され、光の送受信により車両と物体との距離を測定するものである。ここでは、送信光と受信光とを合成してこれらの周波数差を調べるヘテロダイン検波によって物体との距離を算出するFMCW(Frequency Modulated Continuous Wave:周波数変調連続波)方式の測距センサについて説明する。
図1、図2に示すように、測距センサは、光源1と、光源1が発生させた光を光源1の外部へ出射する出射部2と、出射部2から出射された光を走査する走査部3とを備える。また、測距センサは、外部からの光を受信する受光部4と、受光部4が受信した光に基づいて物体との距離を測定する処理部5とを備えている。
図2に示すように、光源1は、半導体基板6に配置されたSOA(半導体光増幅器)7、および、半導体基板6に形成されたシリコンフォトニクス回路を有する共振器8で構成されている。本実施形態の測距センサは、光源1を2つ備えている。すなわち、測距センサは、SOA7と、共振器8とを、それぞれ2つ備えている。
図3に示すように、半導体基板6は、Siで構成された支持層9、SiOで構成された犠牲層10、Siで構成された活性層11が順に積層されたSOI(Silicon on Insulator)基板とされている。
活性層11はエッチングにより一部が除去されており、活性層11と、活性層11が除去されることによって露出した犠牲層10は、SiOで構成された絶縁膜12に覆われている。そして、活性層11をコア層とし、活性層11の周りの犠牲層10および絶縁膜12をクラッド層として、光導波路13が構成されている。光導波路13は、基板側光導波路に相当する。
また、絶縁膜12の表面には、Al等で構成された配線14が形成されている。配線14は、処理部5が備える複数の構成要素を互いに接続し、また、測距センサを図示しない電源等に接続するためのものである。
本実施形態では、光導波路13のコア層がSiで構成され、クラッド層がSiOで構成されているが、これらの層を他の材料で構成してもよい。なお、Si、または、不純物がドープされたSiO、SiN、SiON、LN、InPから選択された少なくとも1つの材料で光導波路13のコア層を構成することが好ましい。また、SiO、SiN、SiON、LN、InGaAsPから選択された少なくとも1つの材料でクラッド層を構成することが好ましい。ただし、コア層とクラッド層は、異なる材料構成とされる。
図2に示すように、測距センサは、SOA7が形成されたチップ15を2つ備えている。図4に示すように、チップ15は、基板16に、クラッド層17、コア層18、クラッド層19が順に積層された構成とされており、クラッド層19が下になるように、半導体基板6上に配置されている。
コア層18は、エッチングにより一部が除去されており、コア層18と、コア層18が除去されることによって露出したクラッド層17は、クラッド層19に覆われている。これにより、図2に示すようにチップ15の一端と他端とを連結する形状の光導波路20が形成されている。光導波路20は、チップ側光導波路に相当する。コア層18は、InGaAsP、InGaAlAs等のIII-V族半導体で構成される。
図4に示すように、半導体基板6の端部において、活性層11と、犠牲層10と、支持層9の一部とが除去されている。そして、残された支持層9の上にクラッド層19が積層されており、活性層11の端面はコア層18の端面に対向している。これにより、光導波路13から出射された光が光導波路20に入射し、また、光導波路20から出射された光が光導波路13に入射する。
図2に示すように、共振器8は、光導波路13によって構成されたリング共振器とされている。SOA7が発生させた光の一部は、共振器8によって波長および周波数帯域が調整された後、光導波路13から出射し、チップ15の光導波路20に入射してSOA7に戻る。そして、他の一部は、共振器8によって波長および周波数帯域が調整された後、受光部4が出力した光信号と合波されてから処理部5に入力される。
共振器8からSOA7に戻った光は、光導波路20のうち光導波路13とは反対側の端部で構成された出射部2から、チップ15の外部へ出射される。出射部2から出射された光は、図1の実線矢印で示すように、固定ミラー21およびハーフミラー22で反射した後、走査部3が備えるスキャンミラー23に入射する。
前述したように、本実施形態の測距センサはSOA7が形成されたチップ15、および共振器8をそれぞれ2つ備えており、各SOA7が発生させた光の一部は、各共振器8からSOA7に戻った後、各チップ15に形成された出射部2から出射される。
すなわち、本実施形態では、光源1および出射部2が2つ配置されており、一方の光源1が発生させた光が一方の出射部2から出射され、他方の光源1が発生させた光が他方の出射部2から出射される。そして、図2に示すように、2つの光導波路20は、出射部2を構成する部分において、一方が他方に対して傾斜するように形成されており、一方の出射部2からの出射光は、他方の出射部2からの出射光に対して傾斜した状態で固定ミラー21に入射する。これにより、2つの出射光が互いに異なる方向からスキャンミラー23に入射する。
また、本実施形態では、2つの出射部2のうちの一方から出射される光と、他方から出射される光とで、発光時間が異なる。すなわち、2つの光源1をそれぞれ光源1a、1bとすると、図5に示すように、光源1aと光源1bが交互に光を発生させる。これにより、受光部4は、光源1aが発生させた光の反射光と、光源1bが発生させた光の反射光とを、交互に受信する。
本実施形態では、光源1a、1bは、発生させる光の周波数を時間によって変化させる。例えば、光源1aが発生させる光の周波数の波形は、fA0とfA1との間で増減を繰り返す三角波とされ、光源1bが発生させる光の周波数の波形は、fB0とfB1との間で増減を繰り返す三角波とされる。光源1a、1bの1回の発光時間は、例えば三角波の1周期分とされる。
走査部3は、スキャンミラー23と、図示しない駆動部とを備えており、出射部2から出射された光をスキャンミラー23で反射するとともに、スキャンミラー23を図示しない駆動部によって振動させることにより、該光を走査する。
スキャンミラー23としては、例えば、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)ミラーや、コイルが取り付けられて電磁石で動くボイスコイルミラー等が用いられる。振動するスキャンミラー23が光を反射することにより、2次元スキャンまたは1次元ラインスキャンが行われる。
前述したように、2つの出射部2からの光が互いに異なる方向からスキャンミラー23に入射するようになっており、これにより、一方の出射部2からの出射光が、他方の出射部2からの出射光とは異なる範囲で走査される。
光源1a、1bが発生させた光の走査範囲をそれぞれ走査範囲Ra、Rbとすると、走査範囲Ra、Rbは、例えば図6に示すように矩形状の範囲とされる。図6では走査範囲Ra、Rbの一部が重なっているが、他の部分では走査範囲Ra、Rbが分かれており、走査範囲Ra、Rbのいずれか一方のみで走査する場合に比べて、全体での走査範囲が広くなっている。なお、図6では、固定ミラー21、ハーフミラー22等の図示を省略している。
走査範囲Ra、Rb内の物体で反射した光は、図1の破線矢印で示すように、スキャンミラー23に入射した後、ハーフミラー22を通過し、固定ミラー24で反射して、受光部4に入射する。
受光部4は、例えば光導波路13によって構成された回折格子とされている。図2に示すように、受光部4に接続された光導波路13と、共振器8に接続された光導波路13は、途中で合流して合波器25を形成しており、受光部4および共振器8からの光信号は、合波器25によって合波されて処理部5に入力される。
処理部5は、PD(フォトダイオード)26、TIA(トランスインピーダンスアンプ)27、算出部28を備えている。本実施形態の処理部5は、物体との距離および物体の速度をFMCW方式で測定する。
PD26は、入力された光信号を電気信号に変換するものである。PD26は光導波路13によって合波器25に接続されており、合波器25が形成した光信号は、PD26に入力される。
PD26は、例えばPINフォトダイオードで構成されており、入力された光信号に応じて電流信号を出力する。なお、PD26をアバランシェフォトダイオードで構成してもよい。PD26は、配線14によってTIA27に接続されており、PD26が出力する電流信号は、TIA27に入力される。
TIA27は、PD26から入力された電流信号を電圧信号に変換して出力する。TIA27は配線14によって算出部28に接続されており、TIA27が出力する電圧信号は、算出部28に入力される。
算出部28は、入力された電気信号を処理し、ヘテロダイン検波により物体との距離等を算出するものである。具体的には、算出部28は、TIA27が出力した電気信号をデジタル信号に変換し、このデジタル信号に含まれる周波数成分をFFTによって検出し、この周波数成分に基づいて物体との距離および物体の速度を算出する。
算出部28は、測距用の光を出射した出射部2を識別するとともに、スキャンミラー23の角度を取得し、これらに基づいて物体の方向を検出する。そして、算出部28は、物体との距離等の算出結果と、物体の方向の検出結果とを用いて、走査部3が2次元スキャンを行っている場合には2次元のデータを形成し、走査部3が1次元ラインスキャンを行っている場合には1次元のデータを形成する。算出部28が形成したデータは、車両に搭載された図示しないECU等に送信され、物体との衝突を回避するための自動ブレーキ等に用いられる。
図2に示すように、本実施形態の測距センサは処理部5を2つ備えており、2つの処理部5は、光導波路13、合波器25を介して、光源1a、1bにそれぞれ接続されている。光源1a、1bに接続された処理部5をそれぞれ処理部5a、5bとする。
また、測距センサは受光部4を2つ備えており、処理部5a、5bは、光導波路13、合波器25を介して、それぞれ受光部4に接続されている。処理部5a、5bに接続された受光部4をそれぞれ受光部4a、4bとする。
そして、各処理部5は、受光部4が光を受信した時間によって、該光を出射した出射部2を識別する。具体的には、処理部5aの算出部28は、光源1aが発光している間にPD26に入力された光信号から、受光部4が受信した光と、光源1aが発生させた光とのビート周波数を検出し、このビート周波数に基づいて物体との距離および物体の速度を算出する。また、処理部5bの算出部28は、光源1bが発光している間にPD26に入力された光信号から、受光部4が受信した光と、光源1bが発生させた光とのビート周波数を検出し、このビート周波数に基づいて物体との距離および物体の速度を算出する。
以上が本実施形態の測距センサの構成である。なお、SOA7、PD26、TIA27、算出部28は、図示しない配線によって外部の制御回路に接続されており、この制御回路から入力される電気信号に応じて作動する。
本実施形態の測距センサの作動について説明する。光源1のSOA7が光を発生させると、SOA7から共振器8に光信号が入力される。共振器8は、入力された光信号の波長および帯域を調整して、SOA7およびPD26に向けて出力する。共振器8からSOA7に戻った光は、光導波路20で構成された出射部2から出射され、固定ミラー21、ハーフミラー22、スキャンミラー23で反射して、車両の外部に照射される。
このとき、外部から入力される電気信号に応じて、光源1a、1bは交互に光を発生させる。また、光源1a、1bが発生させた光は、互いに異なる方向からスキャンミラー23に照射され、これら2つの光は互いに異なる範囲に走査される。
車両の外部に照射された光は、車両の外部の物体で反射して、スキャンミラー23に入射する。そして、反射光は、ハーフミラー22を通過し、固定ミラー24で反射して、2つの受光部4に入射する。
受光部4が受信した光は、合波器25によって、共振器8からの光と合成される。これにより形成された光信号は、PD26によって電流信号に変換され、さらにTIA27によって電圧信号に変換されて、算出部28に入力される。
算出部28は、入力された信号をデジタル信号に変換し、このデジタル信号の周波数成分をFFTにより検出し、検出した周波数成分に基づいて、物体との距離および物体の速度を算出する。
なお、処理部5aの算出部28は、光源1aの発光時間において検出されたビート周波数に基づいて物体との距離等を算出し、処理部5bの算出部28は、光源1bの発光時間において検出されたビート周波数に基づいて物体との距離等を算出する。
算出部28は、算出結果を図示しないECU等に送信する。そして、所定距離以内に物体がある場合には、物体との衝突を回避するための自動ブレーキ等が作動する。
本実施形態の効果について説明する。本実施形態では、光源1が、SOA7、および、シリコンフォトニクス回路を有する共振器8で構成されており、1つの半導体基板6上にSOA7および共振器8が配置されているため、光源1の体格が小さい。したがって、スキャンミラー23に2方向から光を照射する構成としても測距センサの体格の大型化を抑制することができる。
また、光源が発生させた光の一部をPDへ入力するFMCW方式のLIDARでは、光源が増えるとシステムが複雑になる。これに対して、本実施形態のように、ヘテロダイン検波の参照光と信号光を合波する回路をシリコンフォトニクス技術によって1つの半導体基板6上に形成することにより、システムの複雑化による測距センサの大型化を抑制することができる。
また、2つの出射部2からの出射光が、互いに異なる方向からスキャンミラー23に入射することにより、互いに異なる範囲で走査される。したがって、片方の出射光のみを走査する場合に比べて、光の照射範囲を広角化することができる。
また、光源1、受光器4、処理部5等を1つの半導体基板6上に配置しているため、これらを別の基板上に配置する場合に比べて、測距センサの製造が容易である。
また、光源1a、1bとで発光時間が異なるため、物体との距離等を測定する際に、測定用の光を出射した出射部2を識別することができる。これにより、物体の方向を正しく検出することができる。
なお、固定ミラー21を2つ配置し、2つの固定ミラー21の角度によって光源1a、1bからの光が互いに異なる方向からスキャンミラー23に入射するようにしてもよい。しかしながら、本実施形態のように出射部2を構成する光導波路20の角度でスキャンミラーへの入射方向を調整することで、部品点数が減り、測距センサの製造コストを低減することができる。
(第2実施形態)
第2実施形態について説明する。本実施形態は、第1実施形態に対してチップ15の構成を変更したものであり、その他については第1実施形態と同様であるため、第1実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
図7に示すように、本実施形態の測距センサは、2つのSOA7が形成されたチップ15を備えており、2つの出射部2は、チップ15に形成された2つの光導波路20で構成されている。なお、図7では、受光部4、処理部5等の図示を省略している。
このように、2つのSOA7を1つのチップ15に形成することにより、部品点数が減り、測距センサの小型化が可能となる。また、測距センサの製造がさらに容易になる。また、測距センサの製造コストをさらに低減することができる。
(第3実施形態)
第3実施形態について説明する。本実施形態は、第1実施形態に対して光源を識別する方法を変更したものであり、その他については第1実施形態と同様であるため、第1実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
本実施形態では、2つの出射部2のうちの一方から出射される光と、他方から出射される光とで、周波数が異なる。例えば、fA0、fA1とfB0、fB1との間にTHzオーダの差が設けられている。
このように周波数の差を設けると、処理部5aでは、次のようにビートが検出される。すなわち、光源1aが発生させた光が受光部4aに入射すると、図8の矢印A、Bで示すように、ヘテロダイン検波においてGHzオーダ以下のビート、例えば1GHz程度のビートが検出される。一方、光源1bが発生させた光が受光部4aに入射すると、ビート周波数はTHzオーダとなり、この周波数の光は通常PD26では検知されないため、処理部5aでは、ビート周波数が検出されない。
処理部5bでは、次のようにビートが検出される。すなわち、光源1bが発生させた光が受光部4bに入射すると、図8の矢印C、Dで示すように、ヘテロダイン検波においてGHzオーダ以下のビート、例えば1GHz程度のビートが検出される。一方、光源1aが発生させた光が受光部4bに入射すると、ビート周波数はTHzオーダとなり、この周波数の光は通常PD26では検知されないため、処理部5bでは、ビート周波数が検出されない。
このように、光源1a、1bが発生させる光に周波数の差を設けることで、処理部5において、ビートが検出されたか否かによって、2つの出射部2から出射された光の反射光を識別することができる。したがって、光源1aと光源1bが同時に発光しても物体を検知することが可能となり、フレームレートが向上する。
(第4実施形態)
第4実施形態について説明する。本実施形態は、第1実施形態に対して光源を識別する方法を変更したものであり、その他については第1実施形態と同様であるため、第1実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
本実施形態では、2つの出射部2のうちの一方から出射される光と、他方から出射される光とで、偏光方向が異なる。具体的には、光源1aが発生させて一方の出射部2から出射される光は、TE波(Transverse Electric Wave)とされており、光源1bが発生させて他方の出射部2から出射される光は、TM波(Transverse Magnetic Wave)とされている。そして、図9に示すように、光源1a、1bは同時に光を発生させ、受光部4には、各光源1が発生させた光の反射光が同時に入射する。
また、図10に示すように、受光部4は、一方の出射部2からの出射光と同じ偏光方向の光を受信する受光アンテナ29と、他方の出射部2からの出射光と同じ偏光方向の光を受信する受光アンテナ30と、を備えている。具体的には、受光アンテナ29は、TE波を受信可能な向きにスリットが形成された回折格子とされており、受光アンテナ30は、TM波を受信可能な向きにスリットが形成された回折格子とされている。
また、本実施形態では2つのハーフミラー22が配置されており、2つのハーフミラー22は、TE波を通すPBS(偏光ビームスプリッタ)と、TM波を通すPBSで構成されている。
処理部5は、受光部4が受信した光の偏光方向によって、該光を出射した出射部2を識別する。具体的には、処理部5は2つのPD26を備えており、一方のPD26には受光アンテナ29と共振器8からの光信号が入力され、他方のPD26には受光アンテナ30と共振器8からの光信号が入力される。また、処理部5は2つのPD26に対応して2つのTIA27を備えている。そして、算出部28は、いずれのTIA27から電気信号が入力されたかによって、受光部4が受信した光を出射した出射部2を識別する。
このように、受信光の偏光方向によって光源を識別する本実施形態では、光源1aと光源1bが同時に発光しても物体を検知することができる。したがって、フレームレートを向上させることができる。
また、このように偏光特性を利用すると、光の利用効率が高くなる。例えば光源1が発生させた光がハーフミラー22を通過する本実施形態では、光の利用効率は0.5の2乗すなわち0.25となる。
(第5実施形態)
第5実施形態について説明する。本実施形態は、第1実施形態に対して光源を識別する方法を変更したものであり、その他については第1実施形態と同様であるため、第1実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
本実施形態では、2つの出射部2のうちの一方から出射される光と、他方から出射される光とで、モードが異なる。具体的には、光源1aが発生させた光は、中央部の強度が高く外側へ向かうにつれて強度が低くなる基本モードとされ、光源1bが発生させた光は、強度のピークが2つ存在する1次モードとされて出射される。そして、図11に示すように、光源1a、1bは同時に光を発生させ、受光部4には、各光源1が発生させた光の反射光が同時に入射する。
このように出射光のモードを調整するには、例えば、SOA7と出射部2との間の光導波路20を、基本モードの光のみが通過するように形成する。そして、光源1bに接続された出射部2においては、図12に示すように、光源1bが発生させた光が2つに分波し、その後再び合波して出射されるように、光導波路20の一部を2つに分岐させる。さらに、2つに分岐した光導波路20のうち、片方の光導波路20を挟むように電極31、32を配置し、電極31、32に電圧を印加することで、この光導波路20に電流を流して屈折率を変化させ、この光導波路20を通る光の位相を反転させる。これにより、合波した後の光のモードが1次モードとなり、出射部2から出射される。
処理部5は、受光部4が受信した光のモードによって、該光を出射した出射部2を識別する。具体的には、本実施形態の処理部5は半導体基板6の外部に配置されており、図13に示すようにアレイ状に並んだ複数のPD26を備えている。そして、受光部4および共振器8から送信された光は、合波器25によって合波された後に半導体基板6の端面から出射され、複数のPD26に照射される。また、処理部5は複数のPD26に対応してTIA27を複数備えており、各PD26の出力電流はTIA27によって電圧信号に変換され、算出部28に入力される。
算出部28は、外周部のPD26よりも内周部のPD26の出力が大きく、かつ、複数のPD26全体で出力のピークが1つであるとき、受信光のモードが基本モードである、すなわち、受信光が光源1aから出射された光の反射光であると判定する。また、算出部28は、中央部のPD26の出力が小さく、出力のピークが中央部の両側に2つ存在するとき、受信光のモードが1次モードである、すなわち、受信光が光源1bから出射された光の反射光であると判定する。
このように、受信光のモードによって光源を識別する本実施形態では、光源1aと光源1bが同時に発光しても物体を検知することができる。したがって、フレームレートを向上させることができる。また、光のモードは外乱や熱で変化しにくいので、測距センサのロバスト性を向上させることができる。
(第6実施形態)
第6実施形態について説明する。本実施形態は、第2実施形態に対して光導波路20の構成を変更したものであり、その他については第2実施形態と同様であるため、第2実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
図14に示すように、本実施形態では、半導体基板6とチップ15との接続部では、2つの光導波路20が互いに平行に形成されるとともに、2つの光導波路13が互いに平行に形成されている。なお、2つの光導波路が互いに略平行に形成されていてもよい。
光導波路13を上記のように形成することにより、半導体基板6の活性層11等を除去するためのエッチングの位置がずれた場合にも、半導体基板6の端面において、2つの光導波路13の間隔が維持される。また、光導波路20を上記のように形成することにより、チップ15のダイシングの位置がずれた場合にも、チップ15の端面において、2つの光導波路20の間隔が維持される。したがって、光導波路13と光導波路20の位置がずれることを抑制することができる。
(第7実施形態)
第7実施形態について説明する。本実施形態は、第6実施形態に対してSOAを追加したものであり、その他については第6実施形態と同様であるため、第6実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
図15に示すように、本実施形態の測距センサは、SOA7とは別のSOA33を備えている。SOA33は、チップ15と同様の構成とされたチップ34に2つ形成されており、チップ34には、2つの光導波路35が形成されている。
チップ34は、2つの出射部2から出射された光が2つの光導波路35に入射するように半導体基板6上に配置されており、光源1が発生させた光は、SOA33によって増幅されて出射される。
このようにSOA33を配置して出射部2からの出射光を増幅することにより、測距センサの高出力化が可能になる。なお、チップ34の端面での反射を抑制するために、チップ34の端面にARコート(反射防止膜)を形成することが望ましい。
(第8実施形態)
第8実施形態について説明する。本実施形態は、第1実施形態に対して出射部2の位置を変更したものであり、その他については第1実施形態と同様であるため、第1実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
図16に示すように、本実施形態の測距センサは、光源1と、受光部4と、処理部5とをそれぞれ1つ備えている。また、測距センサはチップ15のうち共振器8とは反対側の端面に配置された全反射ミラー36を備えており、SOA7が発生させた光は、全反射ミラー36によって反射されて、光導波路20から光導波路13に入射し、共振器8によって帯域を調整される。
また、半導体基板6には光スイッチ37が形成されており、共振器8と合波器25とを接続する光導波路13は、途中で分岐して光スイッチ37に接続されている。光スイッチ37には、半導体基板6の端面に至る2つの光導波路13が接続されており、出射部2は、共振器8および光スイッチ37と半導体基板6の端面とを接続する光導波路13で構成されている。
また、測距センサは、SOA33が形成されたチップ34を2つ備えており、半導体基板6には、出射部2から出射された光が光導波路35に入射するように2つのチップ34が配置されている。
通常、半導体基板6はチップ15に比べて幅が大きいため、このように半導体基板6側に出射部2を形成することで、2つの出射部2の間隔を大きくすることができる。これにより、光学系を小型化することが可能となる。
なお、このように半導体基板6の光導波路13から出射する場合には、LIDARで必要とされる高輝度出射のために、Siよりもバンドギャップが高く2光子吸収のないSiNやドープSiO、SiOで光導波路13を構成することが望ましい。
(他の実施形態)
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。
例えば、上記第1~第8実施形態を、パルス光の往復時間を測定して物体との距離を測定するTOF(Time of Flight)方式の測距センサに適用してもよい。第1実施形態をTOF方式の測距センサに適用する場合には、例えば光源1aの1~2回のパルス発光と、光源1bの1~2回のパルス発光とが交互に行われる。また、第3実施形態をTOF方式の測距センサに適用する場合には、PD26として、周波数依存性を持つものが用いられる。
また、測距センサが光源1を3つ以上備えていてもよい。また、測距センサが出射部2を3つ以上備えていてもよく、この場合にも、複数の出射部2からの出射光の間で発光時間、周波数、モード等が異なっていれば、受光部4が光を受信した時間、受信光の周波数、モード等によって光源を識別することができる。
1 光源
2 出射部
3 走査部
4 受光部
5 処理部
6 半導体基板
7 SOA
8 共振器
23 スキャンミラー

Claims (14)

  1. 光の送受信により物体との距離を測定する測距センサであって、
    光源(1)と、
    前記光源が発生させた光を前記光源の外部へ出射する複数の出射部(2)と、
    前記出射部から出射された光をミラー(23)で反射するとともに前記ミラーを振動させることにより、該光を走査する走査部(3)と、
    該光の物体での反射光を受信する受光部(4)と、
    前記受光部が受信した光に基づいて物体との距離を測定する処理部(5)と、を備え、
    前記複数の出射部からの出射光が互いに異なる方向から前記ミラーに入射することで、前記走査部によって前記複数の出射部からの出射光が互いに異なる範囲で走査される構成とされており、
    前記光源は、半導体基板(6)に配置された半導体光増幅器(7)、および、前記半導体基板に形成されたシリコンフォトニクス回路を有する共振器(8)で構成されており、
    前記複数の出射部からの出射光は、互いに発光時間が異なる測距センサ。
  2. 前記処理部は、前記受光部が光を受信した時間によって、該光を出射した出射部を識別する請求項に記載の測距センサ。
  3. 光の送受信により物体との距離を測定する測距センサであって、
    光源(1)と、
    前記光源が発生させた光を前記光源の外部へ出射する複数の出射部(2)と、
    前記出射部から出射された光をミラー(23)で反射するとともに前記ミラーを振動させることにより、該光を走査する走査部(3)と、
    該光の物体での反射光を受信する受光部(4)と、
    前記受光部が受信した光に基づいて物体との距離を測定する処理部(5)と、を備え、
    前記複数の出射部からの出射光が互いに異なる方向から前記ミラーに入射することで、前記走査部によって前記複数の出射部からの出射光が互いに異なる範囲で走査される構成とされており、
    前記光源は、半導体基板(6)に配置された半導体光増幅器(7)、および、前記半導体基板に形成されたシリコンフォトニクス回路を有する共振器(8)で構成されており、
    前記複数の出射部からの出射光は、互いに偏光方向が異なる測距センサ。
  4. 前記処理部は、前記受光部が受信した光の偏光方向によって、該光を出射した出射部を識別する請求項に記載の測距センサ。
  5. 光の送受信により物体との距離を測定する測距センサであって、
    光源(1)と、
    前記光源が発生させた光を前記光源の外部へ出射する複数の出射部(2)と、
    前記出射部から出射された光をミラー(23)で反射するとともに前記ミラーを振動させることにより、該光を走査する走査部(3)と、
    該光の物体での反射光を受信する受光部(4)と、
    前記受光部が受信した光に基づいて物体との距離を測定する処理部(5)と、を備え、
    前記複数の出射部からの出射光が互いに異なる方向から前記ミラーに入射することで、前記走査部によって前記複数の出射部からの出射光が互いに異なる範囲で走査される構成とされており、
    前記光源は、半導体基板(6)に配置された半導体光増幅器(7)、および、前記半導体基板に形成されたシリコンフォトニクス回路を有する共振器(8)で構成されており、
    前記複数の出射部からの出射光は、互いにモードが異なる測距センサ。
  6. 前記処理部は、前記受光部が受信した光のモードによって、該光を出射した出射部を識別する請求項に記載の測距センサ。
  7. 光の送受信により物体との距離を測定する測距センサであって、
    光源(1)と、
    前記光源が発生させた光を前記光源の外部へ出射する複数の出射部(2)と、
    前記出射部から出射された光をミラー(23)で反射するとともに前記ミラーを振動させることにより、該光を走査する走査部(3)と、
    該光の物体での反射光を受信する受光部(4)と、
    前記受光部が受信した光に基づいて物体との距離を測定する処理部(5)と、を備え、
    前記複数の出射部からの出射光が互いに異なる方向から前記ミラーに入射することで、前記走査部によって前記複数の出射部からの出射光が互いに異なる範囲で走査される構成とされており、
    前記光源は、半導体基板(6)に配置された半導体光増幅器(7)、および、前記半導体基板に形成されたシリコンフォトニクス回路を有する共振器(8)で構成されており、
    前記複数の出射部からの出射光は、互いに周波数が異なり、
    前記処理部は、物体との距離および物体の速度を周波数変調連続波方式で測定する測距センサ。
  8. 前記処理部は、前記受光部が受信した光の周波数によって、該光を出射した出射部を識別する請求項に記載の測距センサ。
  9. 前記半導体光増幅器が形成された複数のチップ(15)を備え、
    前記複数の出射部は、前記複数のチップに形成された光導波路(20)で構成されている請求項1ないし8のいずれか1つに記載の測距センサ。
  10. 前記半導体光増幅器が複数形成されたチップ(15)を備え、
    前記複数の出射部は、前記チップに形成された複数の光導波路(20)で構成されている請求項1ないし8のいずれか1つに記載の測距センサ。
  11. 前記複数の光導波路をそれぞれチップ側光導波路とし、
    前記半導体基板に、前記共振器からの光を前記チップへ出射するための複数の基板側光導波路(13)が形成されており、
    前記半導体基板および前記チップは、前記複数の基板側光導波路からの出射光が複数の前記チップ側光導波路に入射するように配置されており、
    前記半導体基板と前記チップとの接続部では、複数の前記チップ側光導波路が互いに平行に形成されるとともに、前記複数の基板側光導波路が互いに平行に形成されている請求項10に記載の測距センサ。
  12. 前記出射部は、前記共振器と前記半導体基板の端面とを接続する光導波路(13)で構成されている請求項1ないし8のいずれか1つに記載の測距センサ。
  13. 前記処理部は、物体との距離および物体の速度を周波数変調連続波方式で測定する請求項1ないし12のいずれか1つに記載の測距センサ。
  14. 前記複数の出射部からの出射光を増幅する半導体光増幅器(33)を備える請求項1ないし13のいずれか1つに記載の測距センサ。
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