JP7180866B2 - An optical heterodyne detector and a laser radar system using an optical heterodyne detector. - Google Patents
An optical heterodyne detector and a laser radar system using an optical heterodyne detector. Download PDFInfo
- Publication number
- JP7180866B2 JP7180866B2 JP2018186732A JP2018186732A JP7180866B2 JP 7180866 B2 JP7180866 B2 JP 7180866B2 JP 2018186732 A JP2018186732 A JP 2018186732A JP 2018186732 A JP2018186732 A JP 2018186732A JP 7180866 B2 JP7180866 B2 JP 7180866B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- light
- diffraction grating
- waveguide
- optical axis
- optical
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Landscapes
- Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
- Light Receiving Elements (AREA)
- Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)
Description
本発明は、光ヘテロダイン検波器及び光ヘテロダイン検波器を用いたレーザレーダ装置に関する。 The present invention relates to an optical heterodyne detector and a laser radar apparatus using the optical heterodyne detector.
レーザレーダ装置では、例えば、送信光と、当該送信光が反射されてアンテナに受光した受信光との位相差に基づいて対象物までの距離を測定する。受信光の検出にはフォトダイオードを用いるが、受信光には多様なノイズが含まれ得るので、受信光に波長が一定の参照光を合波及び干渉させることによって受信光から送信光由来の成分を抽出する光ヘテロダイン検波が行われる。 In a laser radar device, for example, the distance to an object is measured based on the phase difference between the transmitted light and the received light received by the antenna after the transmitted light is reflected. A photodiode is used for the detection of the received light, and since the received light may contain various noises, components originating from the transmitted light are extracted from the received light by combining and interfering with the received light with a reference light having a constant wavelength. Optical heterodyne detection is performed to extract .
特許文献1には、光ヘテロダイン検波を用いた高感度の計測が可能であり、かつ信頼性が高いレーザレーダ装置およびレーザレーダ装置の光受信方法の発明が開示されている。 Patent Literature 1 discloses an invention of a highly reliable laser radar device and an optical receiving method for the laser radar device, which enables highly sensitive measurement using optical heterodyne detection.
ところで、特許文献1に開示されたレーザレーダ装置では、光ヘテロダイン検波が可能な構成が容易に構築できるという長所があるものの、受信する波長によっては、フォトダイオードに厚膜のヘテロエピタキシャルによる基板を要し、製品の製造コストが嵩むおそれがあった。 By the way, the laser radar device disclosed in Patent Document 1 has the advantage that a configuration capable of optical heterodyne detection can be easily constructed. However, there is a risk that the manufacturing cost of the product will increase.
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、簡素な構成により高感度の計測が可能であり、かつ信頼性が高い光ヘテロダイン検波が可能な光ヘテロダイン検波器及び光ヘテロダイン検波器を用いたレーザレーダ装置を実現することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and uses an optical heterodyne detector capable of highly sensitive measurement with a simple configuration and capable of highly reliable optical heterodyne detection, and an optical heterodyne detector. It is an object of the present invention to realize a laser radar device that meets the requirements of the present invention.
上記目的を達成するために、請求項1に記載の光ヘテロダイン検波器は、レーザ光源が出力した送信光が対象物で反射された受信光を集光する集光部と、前記レーザ光源が出力した光の一部である参照光、及び前記集光部によって集光された前記受信光が伝播すると共に、前記参照光の入射方向に対して幅が徐々に拡大することにより、前記参照光の光束を拡大する拡大部を備える導波路と、前記導波路において前記参照光と前記受信光とを干渉させた結果生じる光を受光して電気信号に変換する受光部と、を備えている。
In order to achieve the above object, an optical heterodyne detector according to claim 1 comprises: a light collecting part for collecting light received by reflecting off an object from a transmission light output from a laser light source; The reference light, which is a part of the received light, and the received light condensed by the condensing section propagate, and the width of the reference light gradually expands in the incident direction of the reference light. and a light receiving portion receiving light generated as a result of interference between the reference light and the received light in the waveguide and converting the light into an electric signal.
また、請求項2に記載の光ヘテロダイン検波器は、請求項1に記載の光ヘテロダイン検波器において、前記拡大部は、前記参照光の入射方向に対して逆テーパー状に形成されたものである。
The optical heterodyne detector according to claim 2 is the optical heterodyne detector according to claim 1, wherein the enlarged portion is formed in a reverse tapered shape with respect to the incident direction of the reference light. .
また、請求項3に記載の光ヘテロダイン検波器は、請求項1又は請求項2に記載の光ヘテロダイン検波器において、前記導波路は、薄膜型の導波路であり、前記受光部は、前記薄膜型の導波路の一端側に積層された吸収層及び電極を備えて構成される。
Further, the optical heterodyne detector according to claim 3 is the optical heterodyne detector according to claim 1 or claim 2 , wherein the waveguide is a thin-film waveguide, and the light-receiving part is the thin-film waveguide. It comprises an absorbing layer and an electrode laminated on one end side of a waveguide of the type.
また、請求項4に記載の光ヘテロダイン検波器は、請求項1~請求項3のいずれか1項に記載の光ヘテロダイン検波器において、前記集光部は光学レンズである。
Further, the optical heterodyne detector according to
また、請求項5に記載の光ヘテロダイン検波器は、請求項1~請求項4のいずれか1項に記載の光ヘテロダイン検波器において、前記集光部と前記導波路との間に受信用回折格子を備える。
Further, the optical heterodyne detector according to claim 5 is the optical heterodyne detector according to any one of claims 1 to 4 , wherein a receiving diffraction light is provided between the light collecting part and the waveguide. Equipped with a grid.
また、請求項6に記載の光ヘテロダイン検波器は、請求項5に記載の光ヘテロダイン検波器において、前記受信用回折格子のパターンは、前記受信用回折格子から出射する受信光の光軸上の一点を中心とする同心楕円弧状の溝が、所定間隔で配置されたものである。
Further, the optical heterodyne detector according to claim 6 is the optical heterodyne detector according to claim 5 , wherein the pattern of the reception diffraction grating is on the optical axis of the reception light emitted from the reception diffraction grating. Concentric elliptical arc-shaped grooves centered on one point are arranged at predetermined intervals.
また、請求項7に記載の光ヘテロダイン検波器は、請求項6に記載の光ヘテロダイン検波器において、前記パターンは、前記受信用回折格子から出射する受信光の光軸上の一点を中心とする同心円弧状の溝が、所定間隔で配置されたものである。
The optical heterodyne detector according to claim 7 is the optical heterodyne detector according to claim 6 , wherein the pattern is centered on a point on the optical axis of the received light emitted from the reception diffraction grating. Concentric arcuate grooves are arranged at predetermined intervals.
また、請求項8に記載の光ヘテロダイン検波器は、請求項5又は請求項6に記載の光ヘテロダイン検波器において、前記受信用回折格子を透過して前記参照光が前記導波路に入射される。
Further, the optical heterodyne detector according to claim 8 is the optical heterodyne detector according to claim 5 or 6 , wherein the reference light is incident on the waveguide after passing through the reception diffraction grating. .
また、請求項9に記載の光ヘテロダイン検波器は、請求項5又は請求項6に記載の光ヘテロダイン検波器において、前記受信用回折格子と前記導波路との間に反射鏡を設け、該反射鏡は前記導波路の光軸の側方から入射される前記参照光を前記導波路に向けて反射させる。
Further, the optical heterodyne detector according to claim 9 is the optical heterodyne detector according to claim 5 or 6 , wherein a reflecting mirror is provided between the reception diffraction grating and the waveguide, and the reflection The mirror reflects the reference light incident from the side of the optical axis of the waveguide toward the waveguide.
また、請求項10に記載の光ヘテロダイン検波器は、請求項5又は請求項6に記載の光ヘテロダイン検波において、前記受信用回折格子は、前記参照光の光軸と、前記受信用回折格子から出射される前記受信光の光軸とが交差するように配置され、前記参照光の光軸と前記受信用回折格子から出射される前記受信光の光軸とが交差する位置に配置され、前記受信光と前記参照光とを干渉させると共に、該干渉させた結果生じる光を前記受信光の光軸方向及び前記参照光の光軸方向の各々に出射する結合用回折格子を更に備え、前記導波路は、前記結合用回折格子から前記受信光の光軸方向に出射された光が伝播する第1導波路、及び前記結合用回折格子から前記参照光の光軸方向に出射された光が伝播する第2導波路を備え、前記受光部は、前記第1導波路で伝播された光を受光して電気信号に変換する第1受光部、及び前記第2導波路で伝播された光を受光して電気信号に変換する第2受光部を備える。
Further, the optical heterodyne detector according to
また、請求項11に記載の光ヘテロダイン検波器は、請求項5又は請求項6に記載の光ヘテロダイン検波器において、前記受信用回折格子は、前記参照光の光軸と、前記受信用回折格子から出射される前記受信光の光軸とが交差するように配置され、前記参照光の光軸と前記受信用回折格子から出射される前記受信光の光軸とが交差する位置に配置され、前記受信光と前記参照光とを干渉させると共に、該干渉させた結果生じる光を前記受信光の光軸方向及び前記参照光の光軸方向の各々に出射する結合用回折格子と、前記結合用回折格子から前記受信光の光軸方向に出射された光を前記導波路に向けて反射させる第1反射部と、前記結合用回折格子から前記参照光の光軸方向に出射された光を前記導波路に向けて反射させる第2反射部と、を更に備える。
Further, the optical heterodyne detector according to claim 11 is the optical heterodyne detector according to claim 5 or 6 , wherein the reception diffraction grating includes the optical axis of the reference light and the reception diffraction grating arranged so that the optical axis of the received light emitted from the optical axis of the reference light intersects with the optical axis of the received light emitted from the reception diffraction grating, a coupling diffraction grating that causes the received light and the reference light to interfere with each other and emits light resulting from the interference in each of the optical axis direction of the received light and the optical axis direction of the reference light; a first reflecting portion that reflects light emitted from the diffraction grating in the optical axis direction of the received light toward the waveguide; and a second reflector that reflects toward the waveguide.
また、請求項12に記載の光ヘテロダイン検波器は、請求項11に記載の光ヘテロダイン検波器において、前記第1反射部及び前記第2反射部の各々は、グレーティングのピッチが前記結合用回折格子よりも細かい回折格子である。
The optical heterodyne detector according to claim 12 is the optical heterodyne detector according to claim 11 , wherein each of the first reflector and the second reflector has a grating pitch equal to the coupling diffraction grating. It is a finer diffraction grating than
また、請求項13に記載の光ヘテロダイン検波器は、請求項11に記載の光ヘテロダイン検波器において、前記第1反射部及び前記第2反射部の各々は、反射鏡である。
The optical heterodyne detector according to claim 13 is the optical heterodyne detector according to claim 11 , wherein each of the first reflector and the second reflector is a reflector.
また、請求項14に記載の光ヘテロダイン検波器は、請求項11~請求項13のいずれか1項に記載の光ヘテロダイン検波器において、前記受信用回折格子、前記結合用回折格子、前記第1反射部、前記第2反射部及び前記受光部を含む構成を同一チップ上に複数実装した光ヘテロダイン受光モジュールを構成する。
Further, the optical heterodyne detector according to claim 14 is the optical heterodyne detector according to any one of claims 11 to 13 , in which the reception diffraction grating, the coupling diffraction grating, the first An optical heterodyne light-receiving module is configured by mounting a plurality of configurations including the reflecting section, the second reflecting section, and the light-receiving section on the same chip.
また、請求項15に記載の光ヘテロダイン検波器は、請求項14に記載の光ヘテロダイン検波器において、前記複数実装された構成の各々に対して配置され、前記参照光を前記結合用回折格子に向けて出射する参照光用回折格子を更に備える。
Further, the optical heterodyne detector according to claim 15 is the optical heterodyne detector according to claim 14 , arranged for each of the plurality of mounted configurations, and directing the reference light to the coupling diffraction grating. It further comprises a diffraction grating for reference light emitted toward.
また、請求項16に記載のレーザレーダ装置は、請求項1~請求項15のいずれか1項に記載の光ヘテロダイン検波器と、レーザ光源が出力した送信光を外界に投光する投光部と、前記レーザ光源が出力した光の一部を前記参照光として前記導波路に帰還させる帰還部と、前記受光部が出力した電気信号に基づいて対象物までの距離を計測する演算部と、を備える。
Further, the laser radar device according to claim 16 comprises the optical heterodyne detector according to any one of claims 1 to 15, and a light projecting unit for projecting transmission light output from the laser light source to the outside world. a feedback unit for returning part of the light output from the laser light source to the waveguide as the reference light; and a calculation unit for measuring the distance to an object based on the electrical signal output from the light receiving unit; Prepare.
請求項17に記載のレーザレーダ装置は、請求項16に記載のレーザレーダ装置において、前記投光部は、前記レーザ光源が出力した前記送信光を屈折させて出射する送信用回折格子を備える。
According to a seventeenth aspect of the present invention, there is provided a laser radar apparatus according to the sixteenth aspect, wherein the light projecting section includes a transmission diffraction grating that refracts and emits the transmission light output from the laser light source.
また、請求項18に記載のレーザレーダ装置は、請求項17に記載のレーザレーダ装置において、前記送信用回折格子のパターンは、前記送信用回折格子に入射する送信光の光軸上の一点を中心とする同心楕円弧状の溝が、所定間隔で配置されたものである。
The laser radar apparatus according to claim 18 is the laser radar apparatus according to claim 17, wherein the pattern of the transmission diffraction grating is a point on the optical axis of the transmission light incident on the transmission diffraction grating. Centered concentric elliptical arc-shaped grooves are arranged at predetermined intervals.
また、請求項19に記載のレーザレーダ装置は、請求項18に記載のレーザレーダ装置において、前記パターンは、前記送信用回折格子に入射する送信光の光軸上の一点を中心とする同心円弧状の溝が、所定間隔で配置されたものである。
Further, the laser radar apparatus according to claim 19 is the laser radar apparatus according to claim 18, wherein the pattern is concentric arc-shaped around a point on the optical axis of the transmission light incident on the transmission diffraction grating. are arranged at predetermined intervals.
また、請求項20に記載のレーザレーダ装置は、請求項17~請求項19のいずれか1項に記載のレーザレーダ装置において、前記投光部は、前記送信用回折格子から出射した前記送信光を、送信用レンズを介して外界に投光する。
Further, the laser radar apparatus according to
また、請求項21に記載のレーザレーダ装置は、請求項17~請求項20のいずれか1項に記載のレーザレーダ装置において、前記投光部は、前記送信光の強度及び波形を変調する変調器を備える。
Further, the laser radar device according to claim 21 is the laser radar device according to any one of claims 17 to 20 , wherein the light projecting unit modulates the intensity and waveform of the transmission light. Have equipment.
また、請求項22に記載のレーザレーダ装置は、請求項21に記載のレーザレーダ装置において、前記変調器は、前記送信光の波形を矩形波に変調可能なマッハ・ツェンダー干渉計である。
The laser radar apparatus according to
また、請求項23に記載のレーザレーダ装置は、請求16~請求項22のいずれか1項に記載のレーザレーダ装置において、前記導波路は、薄膜型の導波路をシリコン層で覆うように構成したダブルクラッド構造である。
The laser radar device according to claim 23 is the laser radar device according to any one of claims 16 to 22 , wherein the waveguide is a thin-film waveguide covered with a silicon layer. It has a double clad structure.
また、請求項24に記載のレーザレーダ装置は、請求項16~請求項23のいずれか1項に記載のレーザレーダ装置において、前記導波路は基板平面上に形成されたプレナー導波路である。
The laser radar device according to
また、請求項25に記載のレーザレーダ装置は、請求項16~請求項24のいずれか1項に記載のレーザレーダ装置において、前記導波路は、直線で構成された直線導波路を含んでいる。
Further, the laser radar device according to claim 25 is the laser radar device according to any one of claims 16 to 24 , wherein the waveguide includes a straight waveguide composed of straight lines. .
また、請求項26に記載のレーザレーダ装置は、請求項16~請求項25のいずれか1項に記載のレーザレーダ装置において、前記レーザ光源は偏光フィルタを備え、前記偏光フィルタの適用により、直交偏波及び平行偏波のいずれかを出力可能である。
In addition, the laser radar device according to claim 26 is the laser radar device according to any one of claims 16 to 25 , wherein the laser light source is provided with a polarizing filter, and application of the polarizing filter enables orthogonal Either polarized waves or parallel polarized waves can be output.
本発明によれば、高感度の計測が可能であり、かつ信頼性が高い光ヘテロダイン検波器を実現することができるという効果を奏する。 Advantageous Effects of Invention According to the present invention, it is possible to realize an optical heterodyne detector capable of highly sensitive measurement and having high reliability.
[第1の実施の形態]
以下、図面を参照して本発明の第1の実施の形態について詳細に説明するが、まず、図1を参照して、本発明に係る光ヘテロダイン検波器10の基本的な構成について説明する。
[First embodiment]
A first embodiment of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings. First, the basic configuration of an
図1は、本実施の形態に係る光ヘテロダイン検波器10の最小構成の一例を示した概略図である。図1に示したように、光ヘテロダイン検波器10は、結像レンズ20及び受光素子である導波型フォトダイオード(以下、「フォトダイオード」と略記)30を含んで構成されている。
FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of the minimum configuration of an
結像レンズ20は、後述するレーザ光源から出力されたレーザ光が、対象物に反射されて生じた光を受光する。図1では、1枚の凸レンズ様の単純な構成であるが、受光した光をフォトダイオード30に集光するため、凸レンズ及び凹レンズを含む複数枚のレンズ構成でもよく、レンズ表面の形状は、球面又は必要に応じて非球面を採用してもよい。
The
フォトダイオード30は、SiO2基板38上に、Si(シリコン)で構成されたシリコン導波路36の長手方向が結像レンズ20の光軸と並行するように帯状に形成され、シリコン導波路36の一端側にはGe(ゲルマニウム)吸収層34が積層され、Ge吸収層34の上には電極32が形成されている。シリコン導波路36及びGe吸収層34は、一例として、ヘテロエピタキシャルにより、各々形成される。本実施の形態の係るフォトダイオード30は、Siに代えてGe吸収層34を実装したことにより、可視光から近赤外線領域以外の波長の光が検出可能に構成されている。
The
フォトダイオード30は、シリコン導波路36とGe吸収層34との接合面に光が入射すると、入射した光の強度に応じて変化する電流を発生させる。発生した電流は、電極32を介して外部に導通される。電極32は、例えば、銅、アルミニウム、金又は銀等の導電性が良好な金属をCVD(化学蒸着:chemical vapor deposition)等によりGe吸収層34等の上に蒸着して形成する。
The
図2は、図1に示したフォトダイオード30を、矢印A方向から見た場合の側面図である。図2に示したように、本実施の形態に係るフォトダイオード30は、シリコン導波路36とGe吸収層34との接合面が、結像レンズ20の光軸22と一致するように配設される。または、結像レンズ20の光軸22の延長線上にシリコン導波路36が存在するように構成してもよい。
FIG. 2 is a side view of the
また、フォトダイオード30は、SiO2基板38上に形成されたシリコン導波路36、Ge吸収層34及び電極32を保護するために、SiO2基板38を構成するSiO2で覆われている。SiO2で覆われても、フォトダイオード30の構成は薄膜であり、特許文献1に記載のレーザレーダ装置に係る受光素子よりも簡素な構成である。
The
図3は、本実施の形態に係る光ヘテロダイン検波器10の光ヘテロダイン検波の原理を説明する概略図である。図3に示したように、結像レンズ20の入射光40は、結像レンズ20によって集光され、受信光42としてフォトダイオード30のシリコン導波路36に導かれる。シリコン導波路36には、参照光44も入射され、受信光42と参照光44とを干渉させて中間周波数を発生させる光ヘテロダイン検波が行われる。受信光42と参照光44とを干渉させた結果生じる中間周波数の信号は、いわゆるビート信号となり、当該ビート信号の強弱に従って変化する電流が電気信号として出力される。
FIG. 3 is a schematic diagram for explaining the principle of optical heterodyne detection by the optical
フォトダイオード30は、シリコン導波路36が一体に形成され、シリコン導波路36に参照光44が再現性よく誘導されると共に、結像レンズ20によって受信光42が集光され、参照光44と効率よく合波される。結像レンズ20によって受信光42を集光することにより、受信光42がシリコン導波路36の枠を超えて取り込まれ、受信光42の光量が増大し、フォトダイオード30の感度を向上させることができる。
The
図4は、図3に示したフォトダイオード30を、矢印B方向から見た場合の側面図である。結像レンズ20の光軸22と平行するフォトダイオード30の長さLは、上記の中間周波数の信号のレイリー長とすることにより、当該信号を効率よく電気信号に変換することができる。
FIG. 4 is a side view of the
図5(A)は、参照光44の光束を広げるシリコン導波路の一例を、図5(B)は、受信光42を受信しやすくするために幅広にしたシリコン導波路の一例を各々示した説明図である。
FIG. 5A shows an example of a silicon waveguide that widens the luminous flux of the
図5(A)に示したように、シリコン導波路36Aは、参照光44が入射する側を頂点にした2等辺三角形状で幅が徐々に拡大する逆テーパー状を呈し、Ge吸収層34が設けられた位置において幅は最大かつ一定となるように構成されている。参照光44の入射方向に対して、シリコン導波路36Aの幅が徐々に拡大することにより、シリコン導波路36Aを伝播する参照光44の光束が拡大され、光ヘテロダイン検波において、受信光42と干渉しやすくなる。
As shown in FIG. 5A, the
図5(B)に示したように、シリコン導波路36Bは、SiリッチなSiO2層36B2で幅広に構成され、幅広になったシリコン導波路36Bで受信光42を捕捉する。また、シリコン導波路36Bには、受信光42が入射する側を底辺にした2等辺三角形状で幅が徐々に縮小するテーパー状を呈し、Ge吸収層34が設けられた位置付近で頂点となるように構成された第1Si層36B1が設けられている。第1Si層36B1は、受信光42の入射方向に対して、幅が徐々に縮小することにより、第1Si層36B1を伝播する受信光42の光束が収束される。受信光42の光束は、参照光44の光束よりも幅が広い場合があるので、受信光42の光束を収束させることにより、光ヘテロダイン検波において、参照光44と干渉しやすくなる。
As shown in FIG. 5(B), the
また、Ge吸収層34の周囲には、第2Si層36B3が設けられている。Ge吸収層34の幅よりも広く第2Si層36B3構成することにより、受信光42の光束が第1Si層36B1で十分に収束していない場合でも、光ヘテロダイン検波において、幅広の第2Si層36B3によって受信光42と参照光44との干渉を容易にする。
A
図6は、フォトダイオード30の詳細な構造を示した概略図である。フォトダイオード30は、SiO2基板38上に、Siで構成されたシリコン導波路36が帯状に形成され、シリコン導波路36の上にはGe吸収層34が形成され、Ge吸収層34の上にはN電極32Nが、シリコン導波路36の上にはP電極32Pが、各々形成されている。シリコン導波路36及びGe吸収層34は、一例として、ヘテロエピタキシャルにより、各々形成される。
FIG. 6 is a schematic diagram showing the detailed structure of the
図7は、図6のフォトダイオード30が、C-C線に沿って切断された状態を示す断面図である。SiO2基板38上に形成されたシリコン導波路36は、Siにホウ素等の不純物をドーピングしたP型半導体で構成されている。シリコン導波路36は、当該不純物がリッチなP+Si層36Cと、当該不純物がリーンなP-Si層36Dとを有し、P+Si層36C表面にはP電極32Pが電気的に接続されている。
FIG. 7 is a cross-sectional view of the
シリコン導波路36の上に形成されたGe吸収層34は、Geにヒ素又はリン等の不純物をドーピングしたN型半導体で構成されている。Ge吸収層34の表面にはN電極32Nが電気的に接続されている。
The
図7に示したように、フォトダイオード30は、SiO2基板38上に形成されたシリコン導波路36、Ge吸収層34、P電極32P及びN電極32Nを保護するために、SiO2基板38を構成するSiO2で覆われている。
As shown in FIG. 7, the
図7に示したように、P電極32PとN電極32Nとの間には、P+Si層36C、P-Si層36D及びN型半導体であるGe吸収層34が介在している。P+Si層36Cは、P-Si層36Dに比して正孔が生じやすく、当該正孔に電子が移動しやすい。また、N型半導体であるGe吸収層34は、P型半導体等に移動容易な自由電子が豊富である。図7に示したフォトダイオード30は、Ge吸収層34からP+Si層36Cへの自由電子の移動により、受信光42と参照光44との中間周波数の信号を電気信号に変換する。図7に示したフォトダイオード30は、Ge吸収層34と、P+Si層36Cとの間に、正孔の発生がP+Si層36Cに比して顕著ではないP-Si層36Dを設けることにより、Ge吸収層34からP+Si層36Cへの自由電子の急激な移動を適度に抑制し、受信光42に基づいた電気信号の出力を安定させる。
As shown in FIG. 7, a P+
図8は、図7に示したフォトダイオード30の矢印D方向から見た場合の俯瞰図である。図8は、Ge吸収層34、P+Si層36C、P-Si層36D、P電極32P及びN電極32Nの接続が明瞭となるように、SiO2基板38を除外した状態を示している。図8に示したように、フォトダイオード30は、pn接合で構成されているが、Ge吸収層34とP+Si層36Cとを直接接合させず、Ge吸収層34とP+Si層36Cとの間に、正孔の発生がP+Si層36Cに比して顕著ではないP-Si層36Dを設けることにより、Ge吸収層34からP+Si層36Cへの自由電子の急激な移動を抑制する。かかる自由電子の移動の抑制により、受信光42がフォトダイオード30に入射した直後に、突発的に生じるノイズの発生を抑制して、受信光42に基づく電気信号を安定的に出力することが可能になる。
FIG. 8 is a bird's-eye view of the
図9は、本実施の形態に係るフォトダイオード30を含む光ヘテロダイン検波器10を用いた距離センサの一例を示したブロック図である。図9に示した距離センサ100は、レーザレーダ装置等に用いられ、フォトダイオード30を含む光集積回路チップ110と、制御装置である制御・演算プロセッサ126と、を主に備えている。
FIG. 9 is a block diagram showing an example of a distance sensor using the optical
光集積回路チップ110には、駆動回路112で駆動されるレーザ光源114から導波路102をレーザ光が伝播し、伝播したレーザ光は、方向性結合器116において、一部(例えば入射したレーザ光の10%)が導波路102Aにループバックされ、参照光44としてフォトダイオード30に入射する。方向性結合器116は、帰還部の一例である。図9に示したように、光集積回路チップ110は、同一チップ上にレーザ光の送受信機構を実装しているので、当該チップをレーザレーダ装置に用いた場合、レーザレーダ装置のアライメント調整が基本的に不要となる。
In the optical integrated circuit chip 110, laser light propagates through the
導波路102は、導波路102A及び後述する102Bと共に、コアが二重に被覆されたダブルクラッド構造となっている。コアは、高屈折率のSiO2等のSi系の物質で構成され、コアを取り巻くクラッドは、コアよりも低屈折率なフッ素ドープのSiO2等で構成される。レーザ光源114が出力したレーザ光は、導波路102、102A、102Bの直線部分は、基本的にコアを真っ直ぐに伝播するが、導波路102、102A、102Bの屈曲部分は、高屈折率のコアと低屈折率なクラッドとの間で反射を繰り返すことによって伝播する。
The
図9に示した導波路102、102A、102Bは、光集積回路チップ110上の平面に実装されたプレナー導波路であり、特に導波路102、102Bは、レーザ光源114から送信用レンズ24の光軸まで一直線をなすように配設されることにより、伝播するレーザ光が減衰しにくい直線導波路である。参照光44が伝播する導波路102Aも一部屈曲する構成になるが、可能な限り直線導波路となるようにして、伝播する参照光44が減衰することを抑制する。
The
方向性結合器116で参照光44を分離されたレーザ光は、位相変調器118により位相を変調される。位相変調器118は、レーザ光源114から入射したレーザ光が伝播する導波路102Bを加熱して、導波路102Bの屈折率を変化させることにより、送信光46として送信用レンズ24から照射されるレーザ光の位相を変化させる。一例として、導波路102Bを、温度に応じて屈折率が変化するSiO2等で構成すると共に、導波路102Bに通電により発熱するヒータ等を位相変調器118として実装し、当該ヒータの発熱により、導波路102Bを伝播するレーザ光の位相を変化させる。
The laser beam separated from the
位相変調器118で位相を変化させたレーザ光は、送信用レンズ24を介して、送信光46として照射する。このとき、位相変調器118によりレーザ光の位相が変化することにより、送信光46として照射されるレーザ光の方向が変化する。これによって、送信光として投光されるレーザ光を走査させることが可能となる。位相変調器118は、駆動回路120によって駆動されるが、駆動回路120は、制御・演算プロセッサ126によって制御される。一例として、制御・演算プロセッサ126は、送信光46の位相を大きく変調することを要する場合に、位相変調器118であるヒータの発熱が顕著になるように、駆動回路120を制御する。
The laser light whose phase has been changed by the
光集積回路チップ110は、送信光46の対象物による反射光を受信光42として結像レンズ20で受光する。受光した受信光42は、結像レンズ20によってフォトダイオード30に集光される。フォトダイオード30では、集光された受信光42を参照光44と干渉させることによって中間周波数を発生させる光ヘテロダイン検波が行われる。光ヘテロダイン検波の結果、受信光42と参照光44との中間周波数に相当するビート信号が電気信号として出力される。
The optical integrated circuit chip 110 receives the reflected light of the transmitted light 46 from the object as the received light 42 with the
フォトダイオード30から出力された電気信号は、プリアンプ122を介してAD変換器124に入力される。AD変換器124では、プリアンプ122が出力したアナログ信号をデジタル信号に変換して、制御・演算プロセッサ126に出力する。
An electrical signal output from the
制御・演算プロセッサ126は、ビート信号に基づくデジタル信号に対して所定の演算処理を行い、対象物に対応する受信光42の振幅及び位相の少なくとも一方を検出する。検出された受信光42の振幅及び位相の少なくとも一方の情報から、対象物までの距離を算出する。制御・演算プロセッサ126は、上記の演算処理を、レーザ光の方向毎に行い、方向毎に対象物までの距離を算出する。
The control/
レーザ光源114は、偏光フィルタを備え、当該偏光フィルタの適用により、送信光46を、TE波(直交偏波:Transverse Electric Wave)のみ、又はTM波(平行偏波:Transverse Magnetic Wave)のみに限定可能に構成してもよい。なお、TE波は、電界成分が入射面に対し横向きな偏光であり、TM波は、磁界成分が入射面に対し横向きな偏光である。
The
送信光46を、TE波又はTM波に限定することにより、送信光46が対象物で反射して生じた光を受信光42として受信した際に、同種の偏光に基づく光で光ヘテロダイン検波を行うことができる。その結果、参照光44と受信光42との中間周波数の信号生成がより顕著となり、フォトダイオード30の感度を向上させることができる。
By limiting the
図10は、結像レンズ20による像面に対応して複数のフォトダイオード30を配設した光集積回路チップ110Aの変形例を示したブロック図である。結像レンズ20の像面は、平坦であるとは限らず、図10に示したように湾曲する場合があるが、複数のフォトダイオード30を結像レンズ20からの受信光42の入射方向に合わせると共に、像面に応じて配設することにより、受信光42が鮮鋭に結像する焦点位置で、各々のフォトダイオード30が受信光42を捕捉でき、光集積回路チップ110Aの感度を向上させると共に、受信光42の強度に応じた電気信号を安定して出力することができる。
FIG. 10 is a block diagram showing a modification of the optical
図11は、結像レンズ20による結像の水平方向の受信光42を受光するように複数のフォトダイオード30を配設した光集積回路チップ110Aの変形例を示した概略図である。複数のフォトダイオード30の各々は、SiO2基板38A上に実装され、SiO2基板38Aは、結像レンズ20の中心を横切るように、結像レンズ20と結合される。SiO2基板38Aと結像レンズ20とが結合された状態で、複数のフォトダイオード30の各々のシリコン導波路36が、受信光42の入射方向と一致するように、SiO2基板38A上にフォトダイオード30の各々を実装する。受信光42の入射方向に合わせて各々のフォトダイオード30の向きを最適化することにより、受信光42を効率よく捕捉でき、光集積回路チップ110Aの感度を向上させると共に、受信光42の強度に応じた電気信号を安定して出力することができる。
FIG. 11 is a schematic diagram showing a modified example of an optical
以上説明したように、本実施の形態に係る光ヘテロダイン検波器10は、受光素子であるフォトダイオード30が、SiO2基板38上に形成されたシリコン導波路36、Ge吸収層34及び電極32からなる簡素な薄膜構造を有している。
As described above, in the optical
また、本実施の形態に係る光ヘテロダイン検波器10は、受信光42が結像レンズ20によって集光されてフォトダイオード30のシリコン導波路36に導かれることにより、受信光42の光量が増大し、フォトダイオード30の感度を向上させることができる。
Further, in the optical
従って、本実施の形態に係る光ヘテロダイン検波器10は、簡素な薄膜構造でありながら、結像レンズ20による受信光42の集光により高感度の計測が可能であり、かつ簡素な構造に基づく高い信頼性を有している。
Therefore, although the optical
上述の簡素な薄膜構造によるフォトダイオード30は製造が容易かつ低コストなので、フォトダイオード30を含む光ヘテロダイン検波器10の製造コストを低減できる。
Since the
また、フォトダイオード30は、シリコン導波路36が一体に形成され、シリコン導波路36に参照光44が再現性よく誘導されると共に、結像レンズ20によって受信光42が集光されることにより、参照光44と効率よく合波され、受信光42と参照光44との干渉による光ヘテロダイン検波が効果的に行われる。
In addition, the
さらに、本実施の形態に係る光ヘテロダイン検波器10を用いたレーザレーダ装置は、同一チップ上にレーザ光の送受信機構を実装しているので、レーザレーダ装置のアライメント調整が基本的に不要になるという効果を奏する。
Furthermore, since the laser radar device using the optical
[第2の実施の形態]
続いて本発明の第2の実施の形態について説明する。図12は、第1の実施の形態に係るフォトダイオード30及びシリコン導波路36に回折格子50を組み合わせた構成の一例を示した概略図である。
[Second embodiment]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 12 is a schematic diagram showing an example of a configuration in which a
図12に示した構成は、受信光42を回折格子50によってプレナー導波路であるシリコン導波路36に入射させると共に、参照光44を回折格子50のグレーティングを透過させてシリコン導波路36に入射させ、信号光42と参照光44とを干渉合波してフォトダイオード30に入射させる。
In the configuration shown in FIG. 12, the received light 42 is incident on the
図13は、第1の実施の形態に係るフォトダイオード30及びシリコン導波路36に回折格子50を組み合わせた構成の他の例を示した概略図である。図13に示した構成は、受信光42に対して側方から略垂直に入射する参照光44を反射するミラー28を備える点で図12に示した構成と相違する。
FIG. 13 is a schematic diagram showing another example of a configuration in which a
図13に示した構成では、図12に示した構成のように、参照光44の導波路を回折格子50のグレーティングを透過するように配設することを要しないので、回折格子50の機能を阻害することがなく、かつ参照光44の導波路を図12に示した構成よりも短くできるので、導波路を伝播する参照光44の減衰を抑制することができる。図12、13に示した回折格子50のパターンは、回折格子50から出射される受信光42の光軸上の一点を中心とする同心円弧状、又は同心楕円弧状の溝が、所定間隔で配置されたものである。
Unlike the configuration shown in FIG. 12, the configuration shown in FIG. 13 does not require the waveguide of the
図14は、図13に示した構成を含む測距計チップ60の一例を示したブロック図である。測距計チップ60は、レーザ光源114から導波路102をレーザ光が伝播し、伝播したレーザ光は、方向性結合器116において、一部(例えば入射したレーザ光の10%)が導波路102Dにループバックされる。導波路102Dにループバックされたレーザ光はミラー28で反射されて参照光44としてフォトダイオード30に入射する。方向性結合器116は、帰還部の一例である。
FIG. 14 is a block diagram showing an example of
導波路102は、導波路102D及び後述する102Cと共に、コアが二重に被覆されたダブルクラッド構造となっている。コアは、高屈折率のSiO2等のSi系の物質で構成され、コアを取り巻くクラッドは、コアよりも低屈折率なフッ素ドープのSiO2等で構成される。レーザ光源114が出力したレーザ光は、導波路102、102C、102Dの直線部分は、基本的にコアを真っ直ぐに伝播するが、導波路102、102C、102Dの屈曲部分は、高屈折率のコアと低屈折率なクラッドとの間で反射を繰り返すことによって伝播する。図14に示した導波路102、102C、102Dは、測距計チップ60上の平面に実装されたプレナー導波路である。
The
方向性結合器116で参照光44を分離されたレーザ光は、導波路102Cを伝播した後、送信光46として回折格子52に入射され、回折格子52から外界に出射される。図14に示した回折格子52のパターンは、入射する送信光46の光軸上の一点を中心とする同心円弧状、又は同心楕円弧状の溝が、所定間隔で配置されたものである。
The laser light separated from the
回折格子52から外界に出射された送信光46が対象物で反射されて生じた反射光は回折格子50に入射して受信光42となる。受信光42は、参照光44と共にシリコン導波路36に入射され、フォトダイオード30で信号光42と参照光44とを干渉合波するヘテロダイン検波が行われる。
The transmitted light 46 emitted from the
図15は、図14に示した測距計チップ60を用いた測距計の構成の一例を示した概略図である。図15に示したように、回折格子52から出射された送信光46は、送信用レンズ24を介して外界に出射される。
FIG. 15 is a schematic diagram showing an example of the configuration of a rangefinder using the
図15に示した測距計は、送信光46の対象物による反射光を受信光42として結像レンズ20で受光する。受光した受信光42は、結像レンズ20によって回折格子50に集光され、フォトダイオード30で、集光された受信光42を参照光44と干渉させることによって中間周波数を発生させる光ヘテロダイン検波が行われる。光ヘテロダイン検波の結果、受信光42と参照光44との中間周波数に相当するビート信号が電気信号として出力される。
In the rangefinder shown in FIG. 15, the
光ヘテロダイン検波によって生じたビート信号には、送信光46と受信光42との周波数差に係る情報が含まれる。図15に示した測距計では、ビート信号に係る電気信号から送信光46と受信光42との周波数差に係る情報を抽出して、FMCW(周波数変調連続波)によって対象物への測距を行う。
The beat signal generated by optical heterodyne detection contains information about the frequency difference between the transmitted
また、図15に示した測距計では、レーザ光源114に供給する電流の波形を三角波とし、当該三角波を変調させることにより、レーザ光源114が出力する送信光46の波長を、FMCWによる測距が最適な周波数に変更することが可能となる。
Further, in the rangefinder shown in FIG. 15, the waveform of the current supplied to the
図16は、図14に示した測距計チップ60の変形例である測距計チップの概略図であり、測距計チップ62は、送信光46を強度変調する変調器130をさらに備える点で、図14の測距計チップ60と相違する。しかしながら、その他の構成は測距計チップ60と同じなので、図14と同一の構成については、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
FIG. 16 is a schematic diagram of a rangefinder chip that is a modification of
変調器130は、一例として、マッハ・ツェンダー干渉計を用いる。変調器130におけるマッハ・ツェンダー干渉計は、一例として、光路をInP等の半導体で構成し、外部電源から当該半導体に印加される電圧の強度及び波形に応じて、送信光46の強度及び波形を変調する。測距計チップ62では、一例として、変調器130により送信光46を三角波から矩形波に変調する。
図17は、図16に示した測距計チップ62を用いた測距計の構成の一例を示した概略図である。図17に示した測距計は、変調器130と、外部電源140と、位相比較器142をさらに備える点で、図15の測距計と相違する。しかしながら、その他の構成は図15の測距計と同じなので、図15と同一の構成については、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
FIG. 17 is a schematic diagram showing an example of the configuration of a rangefinder using the
図17に示した測距計は、レーザ光源114に供給する電流の波形を三角波とし、当該三角波を変調させることにより、レーザ光源114が出力するレーザ光の波長を変化させる。
In the rangefinder shown in FIG. 17, the waveform of the current supplied to the
レーザ光源114から出力された送信光46は、変調器130により、強度及び波形が変調される。変調器130は、外部電源140から供給される電流の強度及び波形に応じて、送信光46の強度及び波形を変調する。変調器130は、外部電源140から供給された電流の位相に応じて送信光46を変調するので、外部電源140から矩形波状に変化する電流が変調器130に供給されると、変調器130は、送信光46を三角波から矩形波に変調する。
The intensity and waveform of the
図17に示した測距計は、送信光46の対象物による反射光を受信光42として結像レンズ20で受光する。受光した受信光42は、結像レンズ20によって回折格子50に集光され、フォトダイオード30で、集光された受信光42を参照光44と干渉させることによって中間周波数を発生させる光ヘテロダイン検波が行われる。光ヘテロダイン検波の結果、受信光42と参照光44との中間周波数に相当するビート信号が電気信号として出力される。
In the rangefinder shown in FIG. 17, the
位相比較器142では、フォトダイオード30が出力した電気信号の位相と、外部電源140の電流の位相とを比較して、フォトダイオード30が出力した電気信号の位相と、外部電源140の電流の位相とのずれ(位相ずれ)を検出する。当該位相ずれは、対象物までの距離に応じて変化するので、当該位相ずれに基づいて、対象物への測距が可能になる。
The
図15に示した測距計は、受信光42及び参照光44が共に三角波である。従って、受信光42と参照光44との位相ずれを検出するのが困難なので、受信光42と参照光44との周波数差に基づいて対象物への測距を行った。
In the rangefinder shown in FIG. 15, both the received light 42 and the
しかしながら、矩形波であれば、位相ずれの検出は三角波の場合よりも容易となる。図17に示した測距計では、受信光42に基づいてフォトダイオード30が出力した電気信号の位相と、外部電源140が出力した電流の位相とを比較することにより、FMCWによる対象物への測距を行う。
However, with a square wave, it is easier to detect a phase shift than with a triangular wave. 17 compares the phase of the electrical signal output by the
図18は、図12又は図13に示した構成に対し、参照光44の入射方向を変更した構成の概略図である。図12又は図13に示した構成のように、受信光42の光軸と参照光44の光軸とを一致させると、受信光42の一部の受光が阻害される。図12に示した構成では、回折格子50の一部に参照光44が透過する部分があり、図13に示した構成では、参照光44を反射させるミラー28が存在するためである。
FIG. 18 is a schematic diagram of a configuration in which the incident direction of the
図18に示した構成では、受信光42の光軸と参照光44の光軸とを一致させず、任意の角度でずらすことにより、受信光42の光軸と参照光44の光軸とを交差させる。また、受信光42の光軸と参照光44の光軸とが交差する位置に回折格子54を設け、回折格子54によって受信光42と参照光44とを結合(干渉)する。
In the configuration shown in FIG. 18, the optical axis of the received light 42 and the optical axis of the
回折格子54は、受信光42と参照光44とを干渉させた結果生じる光を受信光42の光軸方向及び参照光44の光軸方向の各々に出射する。そして、回折格子54から出射された光は、シリコン導波路36Aと一体に構成されたフォトダイオード30Aとシリコン導波路36Bと一体に構成されたフォトダイオード30Bとで受光し、電気信号に変換する。
The
受信光42の光軸と参照光44の光軸とが一致すると、前述のように受信光42の一部の受信が阻害される問題が生じるが、受信光42の光軸と参照光44の光軸とを一致させず、所定の角度でずらすことにより、かかる問題を解決する。
If the optical axis of the received light 42 and the optical axis of the
図19は、図18に示した構成の変形例の一つである。図18に示した構成は、フォトダイオード30A及びフォトダイオード30Bの二つの光検出器を要したが、図19に示した構成は、回折格子56及び回折格子58を備え、回折格子56及び回折格子58によって回折格子54から出射された光を折り返して(反射して)フォトダイオード30に集光する。回折格子56及び回折格子58は、各々による反射光が交差するように配設され、当該交差位置にフォトダイオード30を設ける。
FIG. 19 is one of modifications of the configuration shown in FIG. While the configuration shown in FIG. 18 required two photodetectors,
回折格子56、58は、回折格子54に比して、単位面積当たりの溝の数が多く、グレーティングのピッチが細かくなっている。かかるピッチの微細化により、回折格子56、58は、回折格子54が出射した光を効率よく反射することが可能になる。
The
図20は、図19に示した構成の変形例であり、回折格子56及び回折格子58に代えてミラー64及びミラー66を備える点で図19に示した構成と相違するが、その他の構成は図19に示した構成と同じなので、同一の構成には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
FIG. 20 is a modification of the configuration shown in FIG. 19, and differs from the configuration shown in FIG. 19 in that mirrors 64 and 66 are provided instead of the
図21は、ミラー64、66の一例を示した概略図である。回折格子54から出射された光は、ブロック状の媒質内を図21の矢印のように進行して反射される。ミラー64、66を構成するブロックは、SiO2に比して高屈折率な材質で構成される。当該材質は、一例として、Si単体又はGe単体等である。
FIG. 21 is a schematic diagram showing an example of the
図22は、図20に示した構成を複数備えた場合の一例を示した概略図である。図22に示した構成は、回折格子50A、54A、ミラー64A、66A及びシリコン導波路36Cと一体に構成されたフォトダイオード30Cを含むユニットと、回折格子50B、54B、ミラー64B、66B及びシリコン導波路36Dと一体に構成されたフォトダイオード30Dを含むユニットと、回折格子50C、54C、ミラー64C、66C及びシリコン導波路36Eと一体に構成されたフォトダイオード30Eを含むユニットと、を含む。なお、図22及び後述する図23では、図面を用いての説明の便宜上、回折格子50A、50B、50Cを各々含む3つのユニットを示したが、当該ユニットをより多く含むように構成してもよい。
FIG. 22 is a schematic diagram showing an example in which a plurality of configurations shown in FIG. 20 are provided. The configuration shown in FIG. 22 includes a unit including
図22に示した構成は、回折格子50Aが出射した受信光42Aと参照光44が回折格子58Aで回折して生じた参照光44Aとを、回折格子54Aで結合して出射し、さらに回折格子54Aが出射した光をミラー64A、66Aで反射してフォトダイオード30Cに集光する。
In the configuration shown in FIG. 22, the received light 42A emitted from the
参照光44の一部は、回折格子58Aを透過するので、当該透過した光を回折格子58Bで回折して参照光44Bとして回折格子54Bに出射する。回折格子54Bには、回折格子50Bが出射した受信光42Bが入射するので、回折格子54Bは、受信光42Bと参照光44Bとを結合して出射し、さらに回折格子54Bが出射した光をミラー64B、66Bで反射してフォトダイオード30Dに集光する。
Since part of the
回折格子58Bを透過した光は回折格子58Cで回折され、参照光44Cとして回折格子54Cに出射される。回折格子54Cには、回折格子50Cが出射した受信光42Cが入射するので、回折格子54Cは、受信光42Cと参照光44Cとを結合して出射し、さらに回折格子54Cが出射した光をミラー64C、66Cで反射してフォトダイオード30Eに集光する。ミラー64A、64B、64C、66A、66B、66Cは、各々、図19に示した回折格子56、58のような、グレーティングのピッチが細かい回折格子のような、ミラー以外の反射部材でもよい。
The light transmitted through the
図22に示した構成を一つのチップ上に実装すれば、受信光42と参照光44とを効率よく結合させてヘテロダイン検波を行う光ヘテロダイン受光モジュールを構成することができる。図23は、図22に示した構成を含む光ヘテロダイン検波受光モジュール160の一例を示した概略図である。
If the configuration shown in FIG. 22 is mounted on one chip, an optical heterodyne photodetector module can be constructed that efficiently couples the received light 42 and the
図23に示した光ヘテロダイン検波受光モジュール160は、結像レンズ220で受信光42を回折格子50A、50B、50Cに入射させ、図22に示した構成と同様に、受信光42A、42B、42Cと参照光44A、44B、44Cとを効率よく結合させてヘテロダイン検波を行うことが可能となる。図23において、結像レンズ220は、大きな単一のレンズで表したが、回折格子50A、50B、50Cの各々に対応した複数の結像レンズを備え、当該複数の結像レンズを配設したレンズアレイを構成してもよい。
The optical heterodyne detection light-receiving
図12~23で示した構成は、回折格子52等を備えることにより、薄膜型の導波路102等に対して、回折格子52の実効屈折率に応じた角度(例えば略90度)で送信光46を出射できる。また、図12~23で示した構成は、回折格子50等を備えることにより、薄膜型の導波路36等に対して、回折格子50の実効屈折率に応じた角度(例えば略90度)で受信光を受光して薄膜型の導波路36等に導くことができる。
The configurations shown in FIGS. 12 to 23 are provided with the
レーザレーダ装置において、送信光46の投光及び受信光32の収束には、各々光学レンズを要するが、回折格子50、52等を有しない場合、導波路36、102等と光学レンズとが各々の光軸に沿って直列することになり、装置の前後方向での容積が増大し、装置のコンパクト化が困難となるおそれがある。
In the laser radar device, optical lenses are required for projecting the
本実施の形態は、回折格子50、52等により、送信光46及び受信光42の各々の光路を折り曲げることにより、光学レンズを備えたレーザレーダ装置において、光学レンズを前端としたレーザレーダ装置の後端までの寸法を、光学レンズの焦点距離程度にする。
In this embodiment, by bending the optical paths of the
その結果、光学レンズを含めたレーザレーダ装置全体の容積が回折格子50、52等を有しない場合よりも抑制され、レーザレーダ装置のコンパクト化が可能になる。
As a result, the volume of the entire laser radar device including the optical lens is suppressed compared to the case where the
10 光ヘテロダイン検波器
20 結像レンズ
22 光軸
24 送信用レンズ
30 フォトダイオード
32 電極
32N N電極
32P P電極
34 Ge吸収層
36、36A、36B シリコン導波路
36B1 第1Si層
36B2 SiO2層
36B3 第2Si層
36C P+Si層
36D P-Si層
38、38A SiO2基板
40 入射光
42 受信光
44 参照光
46 送信光
50、50A、50B、50C、52、54、54A、54B、54C、56、58、58A、58B、58C 回折格子
60、62 測距計チップ
64、64A、64B、64C、66 ミラー
100 距離センサ
102、102A、102B、102C、102D 導波路
110、110A 光集積回路チップ
112 駆動回路
114 レーザ光源
116 方向性結合器
118 位相変調器
120 駆動回路
122 プリアンプ
124 AD変換器
126 制御・演算プロセッサ
130 変調器
140 外部電源
142 位相比較器
160 光ヘテロダイン検波受光モジュール
220 結像レンズ
10 Optical
Claims (26)
前記レーザ光源が出力した光の一部である参照光、及び前記集光部によって集光された前記受信光が伝播すると共に、前記参照光の入射方向に対して幅が徐々に拡大することにより、前記参照光の光束を拡大する拡大部を備える導波路と、
前記導波路において前記参照光と前記受信光とを干渉させた結果生じる光を受光して電気信号に変換する受光部と、
を備えた光ヘテロダイン検波器。 a condensing unit condensing received light that is reflected by an object from the transmitted light output by the laser light source;
As the reference light, which is a part of the light output from the laser light source, and the received light condensed by the condensing section propagate , the width of the reference light gradually expands in the direction of incidence of the reference light. , a waveguide comprising an enlarging portion for enlarging the light flux of the reference light ;
a light receiving unit that receives light generated as a result of interference between the reference light and the received light in the waveguide and converts the light into an electrical signal;
An optical heterodyne detector with
前記受光部は、前記薄膜型の導波路の一端側に積層された吸収層及び電極を備えて構成される請求項1又は請求項2に記載の光ヘテロダイン検波器。 The waveguide is a thin-film waveguide,
3. An optical heterodyne detector according to claim 1, wherein said light receiving section comprises an absorption layer and an electrode laminated on one end side of said thin-film waveguide .
前記参照光の光軸と前記受信用回折格子から出射される前記受信光の光軸とが交差する位置に配置され、前記受信光と前記参照光とを干渉させると共に、該干渉させた結果生じる光を前記受信光の光軸方向及び前記参照光の光軸方向の各々に出射する結合用回折格子を更に備え、
前記導波路は、前記結合用回折格子から前記受信光の光軸方向に出射された光が伝播する第1導波路、及び前記結合用回折格子から前記参照光の光軸方向に出射された光が伝播する第2導波路を備え、
前記受光部は、前記第1導波路で伝播された光を受光して電気信号に変換する第1受光部、及び前記第2導波路で伝播された光を受光して電気信号に変換する第2受光部を備えた請求項5又は請求項6に記載の光ヘテロダイン検波器。 the reception diffraction grating is arranged such that the optical axis of the reference light and the optical axis of the reception light emitted from the reception diffraction grating intersect;
is arranged at a position where the optical axis of the reference light and the optical axis of the received light emitted from the reception diffraction grating intersect, interferes the received light and the reference light, and is produced as a result of the interference further comprising a coupling diffraction grating for emitting light in each of the optical axis direction of the received light and the optical axis direction of the reference light;
The waveguides include a first waveguide through which light emitted from the coupling diffraction grating in the optical axis direction of the received light propagates, and light emitted from the coupling diffraction grating in the optical axis direction of the reference light. comprising a second waveguide through which propagates
The light-receiving unit includes a first light-receiving unit that receives light propagated through the first waveguide and converts it into an electric signal, and a second light-receiving unit that receives light propagated through the second waveguide and converts it into an electric signal. 7. The optical heterodyne detector according to claim 5 , comprising two light receiving sections.
前記参照光の光軸と前記受信用回折格子から出射される前記受信光の光軸とが交差する位置に配置され、前記受信光と前記参照光とを干渉させると共に、該干渉させた結果生じる光を前記受信光の光軸方向及び前記参照光の光軸方向の各々に出射する結合用回折格子と、
前記結合用回折格子から前記受信光の光軸方向に出射された光を前記導波路に向けて反射させる第1反射部と、
前記結合用回折格子から前記参照光の光軸方向に出射された光を前記導波路に向けて反射させる第2反射部と、
を更に備えた請求項5又は請求項6に記載の光ヘテロダイン検波器。 the reception diffraction grating is arranged such that an optical axis of the reference light and an optical axis of the reception light emitted from the reception diffraction grating intersect;
is arranged at a position where the optical axis of the reference light and the optical axis of the received light emitted from the reception diffraction grating intersect, interferes the received light and the reference light, and is produced as a result of the interference a coupling diffraction grating for emitting light in each of the optical axis direction of the received light and the optical axis direction of the reference light;
a first reflector that reflects the light emitted from the coupling diffraction grating in the optical axis direction of the received light toward the waveguide;
a second reflector that reflects the light emitted from the coupling diffraction grating in the optical axis direction of the reference light toward the waveguide;
7. An optical heterodyne detector according to claim 5 or claim 6 , further comprising:
レーザ光源が出力した送信光を外界に投光する投光部と、
前記レーザ光源が出力した光の一部を前記参照光として前記導波路に帰還させる帰還部と、
前記受光部が出力した電気信号に基づいて対象物までの距離を計測する演算部と、
を備えたレーザレーダ装置。 an optical heterodyne detector according to any one of claims 1 to 15 ;
a light projecting unit that projects the transmission light output from the laser light source to the outside world;
a feedback unit that feeds back part of the light output from the laser light source to the waveguide as the reference light;
a computing unit that measures the distance to an object based on the electrical signal output by the light receiving unit;
A laser radar device with
26. The laser radar device according to any one of claims 16 to 25 , wherein the laser light source has a polarizing filter, and can output either orthogonally polarized waves or parallel polarized waves by applying the polarizing filter.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2018186732A JP7180866B2 (en) | 2018-10-01 | 2018-10-01 | An optical heterodyne detector and a laser radar system using an optical heterodyne detector. |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2018186732A JP7180866B2 (en) | 2018-10-01 | 2018-10-01 | An optical heterodyne detector and a laser radar system using an optical heterodyne detector. |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2020056658A JP2020056658A (en) | 2020-04-09 |
JP7180866B2 true JP7180866B2 (en) | 2022-11-30 |
Family
ID=70107054
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2018186732A Active JP7180866B2 (en) | 2018-10-01 | 2018-10-01 | An optical heterodyne detector and a laser radar system using an optical heterodyne detector. |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP7180866B2 (en) |
Families Citing this family (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2022125565A1 (en) | 2020-12-07 | 2022-06-16 | Ours Technology, Llc | Heat dissipation in an optical device |
US20240329205A1 (en) * | 2021-07-28 | 2024-10-03 | Sony Semiconductor Solutions Corporation | Sensor device and electronic apparatus |
JPWO2023053499A1 (en) * | 2021-09-30 | 2023-04-06 | ||
JP2023124335A (en) * | 2022-02-25 | 2023-09-06 | ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 | Optical device and distance measuring device |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2011503526A (en) | 2007-10-09 | 2011-01-27 | ダンマークス テクニスク ユニバーシテット | Coherent lidar system based on semiconductor laser and amplifier |
JP2016105082A (en) | 2014-11-19 | 2016-06-09 | 株式会社豊田中央研究所 | Laser radar device and light reception method of laser radar device |
Family Cites Families (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP5892875B2 (en) * | 2012-06-22 | 2016-03-23 | Nttエレクトロニクス株式会社 | Optoelectronic integrated module |
-
2018
- 2018-10-01 JP JP2018186732A patent/JP7180866B2/en active Active
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2011503526A (en) | 2007-10-09 | 2011-01-27 | ダンマークス テクニスク ユニバーシテット | Coherent lidar system based on semiconductor laser and amplifier |
JP2016105082A (en) | 2014-11-19 | 2016-06-09 | 株式会社豊田中央研究所 | Laser radar device and light reception method of laser radar device |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2020056658A (en) | 2020-04-09 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US11480679B2 (en) | Distance measurement sensor | |
JP7180866B2 (en) | An optical heterodyne detector and a laser radar system using an optical heterodyne detector. | |
CN112673274B (en) | Phase control in steering of LIDAR output signals | |
US11619718B2 (en) | Integrated optical structures for LiDAR and other applications employing multiple detectors | |
JP7039948B2 (en) | Distance measurement sensor | |
JP5892875B2 (en) | Optoelectronic integrated module | |
WO2005051068A2 (en) | Silicon-based schottky barrier infrared optical detector | |
US10310085B2 (en) | Photonic integrated distance measuring pixel and method of distance measurement | |
US20200158833A1 (en) | Light receiving array and lidar device | |
US20240210622A1 (en) | Optical device | |
CN106104367A (en) | Photomodulator | |
Poulton | Integrated LIDAR with optical phased arrays in silicon photonics | |
KR20170098518A (en) | Optical sensor | |
US6340448B1 (en) | Surface plasmon sensor | |
JP7209294B2 (en) | Grating couplers, grating coupler arrays, receiving antennas and ranging sensors | |
CN113631954A (en) | Phase difference detection system and method for detecting phase difference | |
CN116648641A (en) | Polarization Separation in Remote Imaging Systems | |
US20240168223A1 (en) | Photonic integrated circuit for multiple frequency shifting of light | |
KR100798914B1 (en) | Device for wavelength selective optical beam focusing using optical fiber and optical module unsing it | |
CN109556833B (en) | Phase difference measuring device and measuring method of waveguide array | |
JP2000155093A (en) | Surface plasmon sensor | |
JPH03249502A (en) | Optical sensor | |
JPH08247714A (en) | Displacement measuring instrument |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20210608 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20220428 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20220531 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20220727 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20221018 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20221110 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 7180866 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |