(57)【要約】【課題】空間からの入射光との結合効率を高めることが可能なＧＣ、ＧＣアレイ、受光アンテナおよび測距センサを提供する。【解決手段】受光アンテナ２１を構成する各ＧＣ１１０を菱形状とする。そして、長対角線の一方の端部が位置する鋭角の第１角部１１３を中心として曲線状の屈折率凸部１１１ａを形成すると共に、各屈折率凸部１１１ａの間に絶縁膜で構成される埋込層１１２を埋込むことで回折格子を構成する。菱形状のほぼ全域に広がる回折格子とされていることから、テーパ部を設けるような構成と比較して、より広範囲において入射光を受光することが可能となる。【選択図】図７
2020194011.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
受光して光導波路（１２）に対して光を伝搬させる素子、もしくは光導波路から伝搬された光の発光を行う素子であるグレーティングカプラであって、
長い対角線である長対角線と短い対角線である短対角線が直交した菱形状とされ、該菱形状の前記長対角線の一方の端部が位置する鋭角の第１角部（１１３）が前記光導波路に接続されていると共に、該第１角部から前記長対角線のもう一方の端部が位置する第２角部（１１４）に至るまで曲線状に配置された複数の屈折率凸部（１１１ａ）と前記複数の屈折率凸部の間に絶縁膜（１４）が埋め込まれた埋込層（１１２）を含む光導入部（１１１）を有し、前記第１角部から所定の１周期幅ごとに前記屈折率凸部と前記埋込層が繰り返し配置された回折格子を含み、
前記１周期幅ごとの前記屈折率凸部は、前記長対角線上において、前記第１角部から離れるほど小さくまたは大きくされており、さらに、前記第１角部を中心とした角度の方向において、前記長対角線から離れるほど小さくまたは大きくされているグレーティングカプラ。
【請求項２】
前記複数の屈折率凸部は、支持層（１１ａ）の上に形成された犠牲層（１１ｂ）の上に形成された活性層（１１ｃ）に形成されたスリットによって区画されており、該複数の屈折率凸部それぞれは同じ高さで構成され、前記長対角線上において、前記第１角部から離れるほど幅が狭くまたは広くされており、さらに、前記角度の方向において、前記長対角線から離れるほど幅が狭くまたは広くされている、請求項１に記載のグレーティングカプラ。
【請求項３】
前記複数の屈折率凸部は、支持層（１１ａ）の上に形成された犠牲層（１１ｂ）の上に形成された活性層（１１ｃ）の一部に形成されたスリットによって区画されており、該複数の屈折率凸部それぞれは同じ高さで構成され、前記長対角線上において、前記第１角部から離れるほど幅が狭くまたは広くされており、さらに、前記角度の方向において、前記長対角線から離れるほど幅が狭くまたは広くされている、請求項１に記載のグレーティングカプラ。
【請求項４】
前記複数の屈折率凸部は、支持層（１１ａ）と犠牲層（１１ｂ）と活性層（１１ｃ）との積層構造における前記活性層に形成されたスリットによって区画されており、前記第１角部から離れるほど前記スリットの深さが深くなっており、さらに、前記角度の方向において、前記長対角線から離れるほど前記スリットの深さが深くなっている、請求項１に記載のグレーティングカプラ。
【請求項５】
前記複数の屈折率凸部は、支持層（１１ａ）と犠牲層（１１ｂ）と活性層（１１ｃ）との積層構造における前記活性層に形成されたスリットによって区画されており、前記第１角部から離れるほど前記活性層の高さが高くされ、さらに、前記角度の方向において、前記長対角線から離れるほど高くなっている、請求項１に記載のグレーティングカプラ。
【請求項６】
前記複数の屈折率凸部それぞれは、該屈折率凸部のうち前記第１角部から遠い側の端面を第１エッジ、近い側の端面を第２エッジとして、
前記第１エッジが描く曲線が
【数１】
2020194011.tif 000010
を満たしており、
前記第２エッジが描く曲線が
【数２】
2020194011.tif 000011
を満たしている、請求項１ないし５のいずれか１つに記載のグレーティングカプラ。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか１つに記載のグレーティングカプラが複数配置され、
複数の前記グレーティングカプラそれぞれは、長対角線同士が同方向に向けられ、かつ、該グレーティングカプラそれぞれが構成する菱形状の辺同士が対向するように配置されている、グレーティングカプラアレイ。
【請求項８】
複数の前記グレーティングカプラは、前記長対角線の方向において２つの領域に区画され、該長対角線の一方側に位置する領域については、当該方向に位置する前記菱形状の角部を前記第１角部として前記光導波路が接続され、該長対角線のもう一方側に位置する領域については、当該方向に位置する前記菱形状の角部を前記第１角部として前記光導波路が接続されている、請求項７に記載のグレーティングカプラアレイ。
【請求項９】
複数の前記グレーティングカプラのうち、前記２つの領域に区画される位置となる中央に配置されたものを中央グレーティングカプラ（１１０ａ）とし、最も前記長対角線の一方側ともう一方側に配置されたものを端部グレーティングカプラ（１１０ｂ）とし、前記中央グレーティングカプラと前記端部グレーティングカプラの間に配置されたものを中間グレーティングカプラ（１１０ｃ）として、
前記中間グレーティングカプラは、前記短対角線の端部が位置する鈍角の角部のうち、前記光導波路が隣に配置される角部（１１５、１１６）について、該角部の頂点が切り欠かれた面取り部（１１５ａ、１１６ａ）とされている請求項７または８に記載のグレーティングカプラアレイ。
【請求項１０】
集光レンズからグレーティングカプラへの入射光の入射角に応じて、前記グレーティングカプラの屈折率凸部の曲線形状がそれぞれ異なることを特徴とする請求項７ないし９のいずれか１つに記載のグレーティングカプラアレイ
【請求項１１】
グレーティングカプラアレイの面積が、集光レンズで集光された入射光のスポットの面積よりも大きいことを特徴とする請求項７ないし１０のいずれか１つに記載のグレーティングカプラアレイ
【請求項１２】
グレーティングカプラアレイを構成する個々のグレーティングカプラの面積が、集光レンズで集光された入射光のスポットの面積と略同じ大きさであり、グレーティングカプラアレイの面積が、集光レンズに入射する光の入射角により拡がる集光エリアサイズと略同じ大きさであることを特徴とする請求項７ないし１１のいずれか１つに記載のグレーティングカプラアレイ
【請求項１３】
請求項７ないし１２のいずれか１つに記載のグレーティングカプラアレイを有し、該グレーティングカプラアレイにて光の受光を行う受光アンテナ。
【請求項１４】
物体に対して光を照射すると共に前記物体での反射光を受光し、前記物体への照射光と該物体からの反射光とに基づいて前記物体までの距離を測定する測距センサであって、
請求項１３に記載の受光アンテナにて前記反射光の受信を行う、測距センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、グレーティングカプラ（以下、ＧＣという）、ＧＣアレイ、受光アンテナおよび測距センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、外部から入射された光を光導波路に結合させる素子、もしくは、光導波路から外部へ光を放出させる素子であるＧＣとして、短冊型のＧＣや扇型のＧＣ、正方形型のＧＣが提案されている。短冊型は、長方形状と三角形状がつながった形状で構成され、三角形状の部分が集光部、長方形状の部分が結合領域となる回折格子とされ、三角形状のうち長方形状と接していない頂点に導波路が接続された構造とされている。扇型は、扇形状で構成され、扇形状の中心から所定の半径の部分までは導波路に繋がる集光部、それよりも径方向外側が結合領域となる回折格子とされ、集光部の先端に導波路が接続された構造とされている。正方形型は、正方形状で構成され、正方形の相対する二辺と正方形の中心近辺を通る円弧に対して、円弧の内側の領域が集光部、円弧の外側の領域が結合領域となる回折格子とされ、正方形の四辺うち円弧の中心側の辺の中央に導波路が接続された構造とされている。
【０００３】
しかしながら、短冊型や扇型は、集光部の面積が大きく、面積効率が悪い。また、複数の扇状ＧＣを先端側の方向を並べて配置することになるため、アレイ化した際に、各ＧＣ間の隙間が大きくなるため面積効率が悪い。一方、正方形型は、正方形状の複数のＧＣをマトリクス状に並べられることから、アレイ化した際の各ＧＣ間の隙間を小さくできるものの、集光部の面積は大きいため、面積効率が悪い。また、回折格子は、一定幅の円弧を複数本同心円状に並べたものとされるが、回折格子の凹凸が一様であるため、特に空間からの光を受光する際に入射光との結合効率が悪い。
【０００４】
これに対し、面積効率を高めつつ、アレイ化した際に、各ＧＣ間の隙間を小さくできる構造のＧＣも提案されている。このＧＣは、正方形の１つの角部を特定角部として、特定角部の両側の二辺と正方形の中心付近を通る円弧に対して、円弧の中心側、つまり特定角部を含む領域がテーパ部、円弧の外側の領域が結合領域となる回折格子とされ、特定角部に導波路が接続されている。
【０００５】
ところが、このＧＣも回折格子が一定幅の円弧を複数本同心円状に並べたものとされ、回折格子の凹凸が一様とされているため、特に空間からの光を受光する際に入射光との結合効率が悪い。
【０００６】
一方、特許文献１に、三角形状のＧＣであって、導波路が接続される角部を特定角部として、特定角部から同心円状の凹凸を三角形の全域に配置した回折格子を備え、特定角部から遠い位置ほど回折格子の凸部の幅が広がるようにした構造が提案されている。
【０００７】
このような構造においては、テーパ部を設けること無くＧＣのほぼ全域を回折格子としているため、面積効率を高められる。また、回折格子の凹凸が一様ではなく、光の波面に合わせて回折格子の凹凸が分布化されたものとなっているため、入射光との結合効率を高めることも可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第７２４５８０３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１のように、回折格子の凹凸における凸部の幅を導波路から遠くなるほど徐々に広げる構造とすることで結合効率を高められるものの、単に導波路から遠くなるほど幅を広げるだけでは十分に結合効率を高められない。
【００１０】
特に、車両用の測距センサの受光素子となる受光アンテナとしてＧＣを使用する場合、集光レンズにて物体からの反射光を集光し、受光アンテナに入力することになる。しかし、反射光の入光角度が一定の拡がりを持つ場合、集光レンズで集光された反射光は拡がりを持ったスポットになるため、広い範囲で受光できるＧＣが必要となる。一方で、集光レンズで集光された反射光は大きな見込み角を持ってＧＣに入射するため小さなＧＣが必要となる。このため、１つのＧＣではなく、アレイ化したＧＣアレイが必要になる。また、集光レンズにて集光された反射光は、広範囲でほぼ一様強度となるため、広範囲において結合効率の高いものが求められる。
【００１１】
本発明は上記点に鑑みて、さらに入射光との結合効率を高めることが可能なＧＣ、ＧＣアレイ、受光アンテナおよび測距センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、受光して光導波路（１２）に対して光を伝搬させる素子、もしくは光導波路から伝搬された光の発光を行う素子であるＧＣであって、長い対角線である長対角線と短い対角線である短対角線が直交した菱形状とされ、該菱形状の長対角線の一方の端部が位置する鋭角の第１角部（１１３）が光導波路に接続されていると共に、該第１角部から長対角線のもう一方の端部が位置する第２角部（１１４）に至るまで曲線状に配された複数の屈折率凸部（１１１ａ）と屈折率凸部の間に絶縁膜（１４）が埋め込まれた埋込層（１１２）を含む光導入部（１１１）を有し、第１角部から所定の１周期幅ごとに曲線状に配された複数の屈折率凸部と埋込層が繰り返し配置された回折格子を含み、１周期幅ごとの屈折率凸部の断面積は、長対角線上において、第１角部から離れるほど小さくもしくは大きくされており、さらに、第１角部を中心とした角度の方向において、長対角線から離れるほど小さくもしくは大きくされている。
【００１３】
このように、長対角線上において、第１角部から離れるほど１周期幅ごとの屈折率凸部の断面積が小さくもしくは大きくなるようにしている。それに加えて、長対角線から離れるほど、つまり各屈折率凸部曲線の端に向かうほど、１周期幅ごとの屈折率凸部の断面積が小さくもしくは大きくなるようにしている。このため、長対角線の方向だけでなく、長対角線から離れる方向においても入射光の結合効率を高めることが可能になる。よって、さらに入射光との結合効率を高めることが可能なＧＣにできる。
【００１４】
屈折率凸部の曲線形状を、同心円でも円弧でもなく、空間から光導入部（１１１）に入射する光波と、光導波路（１２）端から光導入部（１１１）に入射する時間反転光波とで形成される干渉縞の形状とすることで、光導入部（１１１）で結合された導波光を光導波路（１２）に高効率に結合することが可能となる。
【００１５】
屈折率凸部の曲線形状が同心円もしくは円弧の場合は、空間から光導入部（１１１）により結合した導波光は、光導波路（１２）を伝搬する光波形態とは異なる形態で光導波路端に集光するために、発生する波面不整合により結合損失が発生する。前項のように屈折率凸部の曲線形状を決定することで、波面不整合による損失を避けることができる。
【００１６】
なお、各構成要素等に付された括弧付きの参照符号は、その構成要素等と後述する実施形態に記載の具体的な構成要素等との対応関係の一例を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第１実施形態にかかる測距センサの全体構成を示す図である。
【図２】図１に示す基板の断面図である。
【図３】第１実施形態にかかる測距センサの断面図である。
【図４】図１に示す光源の断面図である。
【図５】光信号の周波数の変化を示すグラフである。
【図６】受光アンテナにフィルタが積層された様子を示す斜視図である。
【図７】ＧＣアレイに備えられるＧＣの１つを拡大した上面図である。
【図８】ＧＣアレイおよび光導波路の上面図である。
【図９Ａ】図７のIXA―IXA断面図である。
【図９Ｂ】図７のIXB―IXB断面図である。
【図９Ｃ】第１実施形態の変形例で説明するＧＣの断面図であり、図７のIXA―IXA断面に相当する図である。
【図９Ｄ】第１実施形態の変形例で説明するＧＣの断面図であり、図７のIXB―IXB断面に相当する図である。
【図１０】ＧＣの構成や屈折率凸部の曲線形状を説明するためのＧＣの上面図である。
【図１１】第１実施形態にかかる測距センサの動作を示す図である。
【図１２】図１に示す受光器の平面図である。
【図１３】集光レンズへの入射光および集光レンズで集光された光の様子を示す図である。
【図１４】画素の幅と放射角または受光角との関係を示した図である。
【図１５】測距センサに取り付けられた状態での集光レンズへの入射光および集光レンズで集光された光の様子を示す図である。
【図１６】デューティ比と光の結合係数との関係を示した図である。
【図１７】第２実施形態で説明する測距センサに備えられるＧＣの断面図である。
【図１８】スリットの深さと光の結合係数との関係を示した図である。
【図１９】第３実施形態で説明する測距センサに備えられるＧＣの断面図である。
【図２０】屈折率凸部の高さと光の結合係数との関係を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
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。
【００１９】
（第１実施形態）
第１実施形態について説明する。本実施形態では、ＧＣをアレイ状としたＧＣアレイを受光アンテナとして適用した測距センサについて説明する。本実施形態の測距センサは、例えば車載用のＬＩＤＡＲ（Light Detection and Ranging）として用いられ、車外の空間のうち互いに垂直な２方向において所定の範囲に含まれる領域に光を照射し、車外の物体との距離等を検出する。なお、各図中に、測距センサの構成要素の配置や方向等を判りやすくするために、ｘｙｚ軸を示してある。
【００２０】
図１に示すように、本実施形態の測距センサは、ＬＤ（レーザダイオード）１、変調器２、増幅器３、分波器４、走査部５、受光器６、合波器７、変換器８、ＴＩＡ（トランスインピーダンスアンプ）９、算出部１０を備えている。これらの構成要素は、シリコンフォトニクスによって基板１１に形成されており、光集積チップが構成されている。基板１１には、さらに、光信号を伝達する光導波路１２と、電気信号を伝達する配線１３が形成されている。光導波路１２は、信号伝達用光導波路に相当する。
【００２１】
図２に示すように、基板１１は、Ｓｉで構成された支持層１１ａ、ＳｉＯ２で構成された犠牲層１１ｂ、Ｓｉで構成された活性層１１ｃが順に積層されたＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板であり、例えば１０ｍｍ□とされている。
【００２２】
活性層１１ｃはエッチングにより一部が除去されており、活性層１１ｃと、活性層１１ｃが除去されることによって露出した犠牲層１１ｂは、ＳｉＯ２で構成された絶縁膜１４に覆われている。そして、活性層１１ｃをコア層とし、犠牲層１１ｂおよび絶縁膜１４をクラッド層として、光導波路１２が構成されている。また、配線１３は、絶縁膜１４の表面に形成されたＡｌ等の層で構成されている。
【００２３】
本実施形態では、光導波路１２のコア層がＳｉで構成され、クラッド層がＳｉＯ２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ＳｉＯ２、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１２のコア層を構成することが好ましい。また、ＳｉＯ２、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。また、コア層の屈折率は、クラッド層よりも高くされている。
【００２４】
また、図３に示すように、測距センサは、ＭＥＭＳミラー４０と、ケース１６と、一部にプリズム１７ａが形成されたリッド１７と、拡散レンズ１８と、集光レンズ１９とを備えた光学パッケージとされている。ケース１６は、一面が開口し、内部に空間が形成された直方体状の枠体であり、セラミック等で構成されている。基板１１およびＭＥＭＳミラー４０は、ケース１６の内部に配置されている。ケース１６の開口部はリッド１７によって塞がれており、リッド１７の外側には拡散レンズ１８および集光レンズ１９が配置されている。
【００２５】
測距センサの詳細な構成について説明する。ＬＤ１は、外部に照射するための光を発生させるものであり、光源に相当する。本実施形態では、ＬＤ１は、ＤＦＢ（Distributed FeedBack）型のレーザダイオードとされており、基板１１上にフリップチップ等で実装されている。具体的には、図１、図４に示すように、ＬＤ１は、III−V族半導体で構成された活性層１ａと、活性層１ａの両側に配置されたｐ型クラッド層１ｂおよびｎ型クラッド層１ｃとを備えている。また、ＬＤ１はｎ型基板１ｄを備えており、ｎ型基板１ｄの一面にｎ型クラッド層１ｃ、活性層１ａ、ｐ型クラッド層１ｂが順に成膜されている。図４に示すように、基板１１の一部においては、絶縁膜１４と、活性層１１ｃと、犠牲層１１ｂの一部とが除去されており、ＬＤ１は、残された犠牲層１１ｂにｐ型クラッド層１ｂが積層されるように配置されている。すなわち、犠牲層１１ｂの上に、ｐ型クラッド層１ｂ、活性層１ａ、ｎ型クラッド層１ｃ、ｎ型基板１ｄが順に積層されている。ＬＤ１は、III−V族半導体で構成されることにより、出力が大きくなる。
【００２６】
本実施形態では、ＬＤ１が発生させる光の波長は、０．８５μｍ以上０．９５μｍ以下または１．５μｍ以上１．６μｍ以下とされている。図１に示すように、ＬＤ１は、光導波路１２によって変調器２に接続されており、ＬＤ１が発生させた光信号は、変調器２に入力される。なお、図４に示すように、ＬＤ１と光導波路１２との間には隙間が形成されており、ＬＤ１が発生させた光は、この隙間を越えて光導波路１２に入る。
【００２７】
変調器２は、ＬＤ１が発生させた光の周波数を変調するものである。変調器２として、例えばＳＳＢ（Single Side Band）変調器などが用いられる。具体的には、ＬＤ１が発生させた光の周波数は、変調器２によって、図５に示すように変化する。すなわち、時間の経過に伴って周波数が増減を繰り返し、時間と周波数との関係を示すグラフが三角波となる。なお、図５のグラフにおいて、実線は変調器２が出力する光信号の周波数を示し、一点鎖線は受光器６から合波器７に入力される光信号の周波数を示す。
【００２８】
図１に示すように、変調器２は、光導波路１２によって増幅器３を介して分波器４に接続されており、変調器２によって周波数が変調された光信号は、増幅器３によって増幅された後、分波器４に入力される。
【００２９】
分波器４は、光導波路１２が分岐するカプラで構成されており、分波器４に入力された光信号は、一部が走査部５に入力され、他の部分が合波器７に入力される。光導波路１２のうち分波器４と走査部５とを接続する部分を光導波路１２ａとし、分波器４と合波器７とを接続する部分を光導波路１２ｂとする。
【００３０】
前述したように、本実施形態の測距センサは、車外の空間のうち互いに垂直な２方向において所定の範囲に含まれる領域に光を照射し、車外の物体との距離等を検出する。具体的には、測距センサは、車外の空間のうち所定の領域を、水平方向、および、水平面に垂直な方向において複数の領域に分割し、分割された各領域に含まれる物体との距離を算出する。以下、この水平方向および水平面に垂直な方向をそれぞれＨ方向、Ｖ方向とする。
【００３１】
合波器７は、測距センサのＶ方向の解像度、すなわち、上記所定の領域のＶ方向の分割数に応じて複数配置されている。そして、分波器４に入力された光信号は、光導波路１２ｂを介して、複数の合波器７に分割されて入力される。
【００３２】
本実施形態では、測距センサの解像度がＨ方向に１５００、Ｖ方向に２０とされている。そして、これに対応して、合波器７は２０個配置され、光導波路１２は分波器４において１本の光導波路１２ａと２０本の光導波路１２ｂとに分岐している。
【００３３】
走査部５は、入力された光信号をＨ方向に走査するものである。本実施形態の走査部５は、ＭＥＭＳミラー４０で構成されている。また、光導波路１２ａは、基板１１の側面に至っており、分波器４が出力する光信号は、基板１１の側面に配置されたコリメートレンズ３７を介してＭＥＭＳミラー４０に照射される。
【００３４】
ＭＥＭＳミラー４０は、Ｓｉで構成された支持層、ＳｉＯ２で構成された犠牲層、Ｓｉで構成された活性層が順に積層されたＳＯＩ基板を加工することで形成されたものであり、光を反射する反射部４１と、反射部４１を両持ち支持する梁部４２とを備えている。
【００３５】
ＭＥＭＳミラー４０は、例えば圧電素子の変形によって梁部４２を振動させる図示しない駆動部を備えており、この駆動部によって梁部４２が共振することにより、反射部４１が梁部４２の軸まわりに揺動する。そして、基板１１から出射された光は、揺動する反射部４１で反射することにより、進行方向が基板１１の表面に略垂直となるとともに、Ｈ方向に走査される。このようなＭＥＭＳミラー４０は、共振を利用して高速での走査が可能である。また、反射部４１を適切な材料で構成することにより、高い反射率が得られる。また、ひずみゲージ等の角度センサを梁部４２に設置することで、光が出射される方向を把握することができる。
【００３６】
図３に示すように、基板１１およびＭＥＭＳミラー４０は、基板１１の側面からコリメートレンズ３７を介して出射された光がＭＥＭＳミラー４０に照射されるように、ケース１６の内部に配置されている。基板１１から出射された光は、ＭＥＭＳミラー４０で反射し、リッド１７に照射される。リッド１７は、基板１１から出射される光を透過させるガラス等で構成されており、リッド１７に照射された光はリッド１７を透過して拡散レンズ１８に照射される。
【００３７】
ＭＥＭＳミラー４０は、拡散レンズ１８に照射される光の進行方向が、基板１１に垂直な方向であるｚ方向となるように、基板１１から出射された光の進行方向を調整するものであり、方向調整ミラーに相当する。
【００３８】
なお、基板１１の表面に垂直な方向には、基板１１の表面に完全に垂直な方向のみでなく、略垂直な方向も含まれるものとする。同様に、基板１１の表面に平行な方向には、基板１１の表面に完全に平行な方向のみでなく、略平行な方向も含まれるものとする。
【００３９】
拡散レンズ１８は、照射された光を拡散させてラインビームを形成するものであり、シリンドリカルレンズ等で構成されている。本実施形態の拡散レンズ１８は、照射された光をＶ方向に拡散するように、リッド１７の表面に配置されている。拡散レンズ１８によって拡散された光は、測距センサの外部に照射される。そして、外部の物体で反射した光は、集光レンズ１９に照射される。
【００４０】
集光レンズ１９は、リッド１７の表面に配置されている。集光レンズ１９は、拡散レンズ１８から測距センサの外部に照射された光の反射光を集光して受光器６に照射するものである。
【００４１】
測距センサの外部から集光レンズ１９に照射された光は、リッド１７に形成されたプリズム１７ａを通って受光器６に照射される。プリズム１７ａは集光レンズを通った光をｙ方向に傾斜させる。なお、図３では、プリズム１７ａの詳細構造については示していないが、光をｙ方向に傾斜させる傾斜面とされている。図１に示すように、受光器６は、Ｖ方向に並んだ複数の受光アンテナ２１を備えており、リッド１７を通った光は、各受光アンテナ２１に照射される。受光アンテナ２１は、測距センサのＶ方向の解像度に対応して、２０個配置されている。
【００４２】
各受光アンテナ２１は、図６および図７に示すような回折格子を含むＧＣ１１０を図８に示すように複数個アレイ状に並べたＧＣアレイ１００で構成されている。なお、図６では、絶縁膜１４の図示を省略している。
【００４３】
ＧＣ１１０を構成する回折格子は、活性層１１ｃをエッチングして複数の屈折率凸部１１１ａとした光導入部１１１と、複数の屈折率凸部１１１ａの間に埋め込まれた絶縁膜１４で構成される埋込層１１２とによって構成されている。
【００４４】
具体的には、回折格子の上面形状は、Ｈ方向に平行な軸が２つの対角線のうちの長い側の対角線（以下、長対角線という）と一致させられ、Ｖ方向が長対角線に直交する短い対角線（以下、短対角線という）と一致させられた菱形状とされている。つまり、回折格子は、長対角線の一方の端部が位置する鋭角の第１角部１１３と、長対角線のもう一方の端部が位置する鋭角の第２角部１１４とを有した構成とされている。そして、回折格子は、活性層１１ｃに対し、長対角線の両側に広がる複数の曲線状スリットを形成し、複数の屈折率凸部１１１ａに区画することで構成されている。本実施形態では、各屈折率凸部１１１ａは同じ高さとされている。より詳しくは、屈折率凸部１１１ａが光導波路１２に接続される側となる第１角部１１３から長対角線のもう一方の端部が位置する第２角部１１４に至るまで、屈折率凸部１１１ａは曲線状に複数個配置された構造とされている。なお、スリットとされる部分には、ＳｉＯ２で構成される絶縁膜１４が埋め込まれ、これが埋込層１１２とされる。
【００４５】
複数の屈折率凸部１１１ａは、図９Ａに示されるように第１角部１１３から離れるほど徐々に幅が狭くなる構成とされている。それに加えて、複数の屈折率凸部１１１ａは、図７および図９Ｂに示されるように長対角線から離れるほど、つまり各屈折率凸部１１１ａの端に向かうほど幅が徐々に狭くなる構成とされている。
【００４６】
本実施形態の場合、図９Ａおよび図９Ｂに示すように、一定のピッチで屈折率凸部１１１ａが形成されるようにしている。つまり、屈折率凸部１１１ａの幅とスリットとされた凹部の幅を合わせた幅が一定周期幅とされ、一定周期幅ごとに屈折率凸部１１１ａが形成されている。このため、一定周期幅に対する屈折率凸部１１１ａの幅を屈折率凸部１１１ａのデューティ比と表現すると、屈折率凸部１１１ａのデューティ比が図９Ａも図９Ｂも紙面右側に向かうほど小さくなる。さらに、図９Ａと比較して、図９Ｂの方がそのデューティ比の小さくなり方が大きくなる。このように、長対角線上において光導波路１２から離れる方向への各屈折率凸部１１１ａのデューティ比と、ＧＣ１１０が構成する菱形の各辺上に光導波路１２から離れる方向（以下、辺方向という）への各屈折率凸部１１１ａのデューティ比を異ならせている。換言すれば、菱形内に第１角部１１３を中心として伸ばした任意の直線ｌと長対角線がなす角度をθとすると、どの角度θにおいても各屈折率凸部１１１ａのデューティ比が異なった値となるようにしている。
【００４７】
なお、本実施形態の場合、屈折率凸部１１１ａの幅は、第１角部１１３を中心とした径方向において切断した、１周期幅ごとの光導入部１１１の断面積を規定するものである。上記したように、１周期幅ごとに屈折率凸部１１１ａのみが形成されていることから、本実施形態の場合、１周期幅ごとの屈折率凸部１１１ａの断面積が１周期幅ごとの光導入部１１１の断面積となる。
【００４８】
ＧＣアレイ１００は、図８に示すように、菱形状で構成されたＧＣ１１０を複数個敷き詰めた構成とされている。本実施形態の場合、合計１６個のＧＣ１１０が、長対角線同士が同方向に向けられ、菱形状とされた各ＧＣ１１０の辺同士が対向するように配置されることで、ＧＣアレイ１００が構成されている。ＧＣアレイ１００を構成する複数のＧＣ１１０のうち、図中の左側の８個は各ＧＣ１１０の左側において光導波路１２が接続され、右側の８個は各ＧＣ１１０の右側において光導波路１２が接続されている。つまり、ＧＣアレイ１００を長対角線の方向において２つの領域に区画し、長対角線の一方側となる紙面左側に位置する領域については、その方向である紙面左側に位置する角部を第１角部１１３として光導波路１２を接続している。そして、ＧＣアレイ１００のうち、長対角線のもう一方側となる紙面右側に位置する領域については、その方向である右側に位置する角部を第１角部１１３として光導波路１２を接続している。これにより、右側の８個のＧＣ１１０についてはＧＣアレイ１００の右側から光導波路１２を通じて光を取り出し、左側の８個のＧＣ１１０についてはＧＣアレイ１００の左側から光導波路１２を通じて光を取り出している。
【００４９】
また、各ＧＣ１１０は、鋭角および鈍角が等しい相似形で構成されているが、ＧＣアレイ１００の左右両端に向かうほど寸法が小さくされている。このため、ＧＣアレイ１００の左右両端に向かうほど、各ＧＣ１１０の間の隙間の幅が空けられるようになり、その隙間に、それよりもＧＣアレイ１００の中央側に配置されたＧＣ１１０に接続される光導波路１２が配置されるようになっている。このように、光導波路１２の配置スペースを考慮すると、ＧＣアレイ１００の左右両端に向かうほど各ＧＣ１１０の寸法を小さくすることになる。しかしながら、すべてのＧＣ１１０に対して光導波路１２を同方向に配置して光の取り出し方向を同方向にするのではなく、左右両側から光が取り出せるようにしている。このため、ＧＣアレイ１００の左右両端に向かうほど各ＧＣ１１０の寸法が小さくなるものの、できるだけ大きな寸法にすることができる。したがって、光導波路１２の配置スペースとなる各ＧＣ１１０の間の隙間を最小化できると共に、各ＧＣ１１０の寸法をできるだけ大きくすることが可能となり、集積密度を高められ、面積効率の最大化を図ることが可能となっている。
【００５０】
以下、ＧＣ１１０のうち、ＧＣアレイ１００のうち２つの領域に区画される位置となる中央に配置されたものを中央ＧＣ１１０ａ、左右両端に配置されたものを端部ＧＣ１１０ｂ、中央ＧＣ１１０ａと端部ＧＣ１１０ｂの間に配置されたものを中間ＧＣ１１０ｃという。
【００５１】
各ＧＣ１１０は、菱形状とされているが、中間ＧＣ１１０ｃについては、短対角線の両端部が位置する鈍角となる第３角部１１５や第４角部１１６の頂点を切り欠いた面取り部１１５ａ、１１６ａが設けられている。中央ＧＣ１１０ａもしくは端部ＧＣ１１０ｂ以外のＧＣ１１０、本実施形態の場合は中間ＧＣ１１０ｃについては、それよりも内側に位置する中央ＧＣ１１０ａの光導波路１２が隣に配置される。このため、光導波路１２の折れ曲がりを緩やかにでき、折れ曲りが急になるために生じる光漏れなどの導波路損を抑制できて、光の伝搬効率を高めることが可能となる。
【００５２】
また、図６に示すように、受光アンテナ２１の上には、ＢＰＦ（バンドパスフィルタ）２２と、偏光フィルタ２３とが積層されている。ＢＰＦ２２は、所定の周波数帯域の光を通過させ、他の周波数帯域の光を遮断するものである。ＢＰＦ２２は、屈折率の高いＴｉＯ２膜２４と、屈折率の低いＳｉＯ２膜２５とが交互に積層されて構成されており、最下層および最上層の両方がＴｉＯ２膜２４とされている。
【００５３】
偏光フィルタ２３は、所定の向きに偏光した光を通過させ、他の向きに偏光した光を遮断するものである。ここでは、偏光フィルタ２３にて、ｓ偏光の光を通過させている。偏光フィルタ２３は、ＢＰＦ２２に積層されたＳｉＯ２膜２６と、ＳｉＯ２膜２６に積層されたＡｌのワイヤグリッド２７とで構成されている。
【００５４】
ＢＰＦ２２、偏光フィルタ２３によって、不要なノイズ成分の光が除去され、所定の向きに偏光した所定の周波数帯域の光が受光アンテナ２１に照射される。受光アンテナ２１は、光導波路１２によって合波器７に接続されており、受光アンテナ２１が出力した光信号は、合波器７に入力される。
【００５５】
なお、本実施形態の受光アンテナ２１は、Ｖ方向の幅よりもＨ方向の幅が大きくされている。これにより、Ｈ方向の広い範囲で反射光を受信することができるため、測距センサのＳＮＲが向上する。
【００５６】
合波器７は、分波器４から入力された光信号と受光アンテナ２１から入力された光信号との合波により波形を生成するものであり、測距センサのＶ方向の解像度に対応して複数配置されている。
【００５７】
各合波器７には、分波器４と各受光アンテナ２１からの光信号が入力される。そして、各合波器７は、入力された２つの光信号の合波によって形成した光信号を出力する。合波器７は、光導波路１２によって変換器８に接続されており、合波器７が形成した光信号は、変換器８に入力される。
【００５８】
変換器８は、入力された光信号を電気信号に変換するものである。本実施形態の変換器８は、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、変換器８をアバランシェフォトダイオードで構成してもよい。
【００５９】
なお、本実施形態のようにＬＤ１が発生させる光の波長が０．８５μｍ以上０．９５μｍ以下である場合には、変換器８をＳｉ半導体で構成されたフォトダイオードとすることにより、測距センサのＳＮＲを向上させることができる。また、ＬＤ１が発生させる光の波長が１．５μｍ以上１．６μｍ以下である場合には、変換器８をＧｅ半導体で構成されたフォトダイオードとすることにより、測距センサのＳＮＲを向上させることができる。
【００６０】
図１に示すように、変換器８は、合波器７と同様に測距センサのＶ方向の解像度に対応して複数配置されており、各変換器８には、各合波器７から光信号が入力される。変換器８は、配線１３によってＴＩＡ９に接続されている。ＴＩＡ９は、変換器８と同様に基板１１に複数配置されており、各変換器８が出力する電流信号は、各ＴＩＡ９に入力される。
【００６１】
ＴＩＡ９は、変換器８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。ＴＩＡ９は配線１３によって算出部１０に接続されており、ＴＩＡ９が出力する電圧信号は、算出部１０に入力される。
【００６２】
このような受光アンテナ２１、合波器７、変換器８、ＴＩＡ９は、半導体技術のバッチプロセスを用いて、基板１１にそれぞれ複数形成することができる。
【００６３】
算出部１０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り、ＡＤＣ（ＡＤコンバータ）２８、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）回路２９、画像化処理回路３０を備えている。変換器８、ＴＩＡ９、算出部１０は、処理部に相当する。
【００６４】
ＡＤＣ２８は、ＴＩＡ９が出力した電気信号をデジタル信号に変換して出力するものである。ＦＦＴ回路２９は、ＡＤＣ２８が出力したデジタル信号に含まれる周波数成分を検出するものである。
【００６５】
画像化処理回路３０は、ＦＦＴ回路２９によって検出され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し、２次元のデータを形成するものである。画像化処理回路３０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。
【００６６】
以上が本実施形態の測距センサの構成である。なお、ＬＤ１、変調器２、変換器８、ＴＩＡ９、算出部１０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動作する。
【００６７】
本実施形態の測距センサの動作について説明する。本実施形態の測距センサは、レーザ光の可干渉性を利用したＦＭＣＷ方式によって物体との距離および物体の速度を検出する。
【００６８】
まず、ＬＤ１が光を発生させると、ＬＤ１から変調器２に光信号が入力される。変調器２は、入力された光信号の周波数を周期的に増減させて、図５の実線で示すような三角波を形成する。ここでは、変調器２は、ｆ０を中心としてｆ０−Δｆ／２からｆ０＋Δｆ／２の間で周波数の増減を繰り返す周期Ｔの三角波を形成する。変調器２が形成した光信号は、増幅器３によって増幅された後、分波器４を介してコリメートレンズ３７および合波器７に入力される。
【００６９】
さらに、光信号は、コリメートレンズ３７を介して照射光としてＭＥＭＳミラー４０に出力される。そして、図示しない駆動部が梁部４２を振動させることでＭＥＭＳミラー４０の反射部４１が梁部４２の軸周りに揺動させられ、光がＨ方向に走査される。基板１１の側面から基板１１の外部に出射された光は、ＭＥＭＳミラー４０で反射し、進行方向が基板１１の表面に垂直な方向とされて、リッド１７および拡散レンズ１８に照射される。
【００７０】
拡散レンズ１８に照射された光は、Ｖ方向に拡散されて、車両の外部に照射される。このとき、光がＶ方向に拡散されているため、図１１に示すように、Ｖ方向の広い範囲に一度に光を照射することができる。
【００７１】
すなわち、光を照射する領域をＨ方向にｍ分割し、Ｖ方向にｎ分割したときの、Ｈ方向のｉ番目、Ｖ方向のｊ番目の領域を領域Ｒｉ，ｊとすると、図１１の破線で示すように、領域Ｒ１，１〜Ｒ１，ｎに一度に光を照射することができる。そして、走査部５が光をＨ方向に走査することにより、領域Ｒｉ，１〜Ｒｉ，ｎに一度に光を照射することができる。本実施形態のように測距センサのＶ方向の解像度が２０とされている場合には、領域Ｒｉ，１〜Ｒｉ，２０に光を照射することができる。このため、光をＨ方向およびＶ方向の両方に走査する場合に比べて、走査の制御が容易になる。
【００７２】
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、集光レンズ１９に照射され、集光レンズ１９、リッド１７、プリズム１７ａ、偏光フィルタ２３、ＢＰＦ２２を通って受光アンテナ２１に照射される。図１２に示すように、複数の受光アンテナ２１はＶ方向に並んでいるため、Ｖ方向に並んだ複数の領域に含まれる物体で反射された光を一度に受信することができる。例えば、領域Ｒ１，１〜Ｒ１，ｎに含まれる物体での反射光は図１２中の領域Ｒ１に照射され、領域Ｒｍ，１〜Ｒｍ，ｎに含まれる物体での反射光は領域Ｒ２に照射される。そして、複数の受光アンテナ２１には、領域Ｒｉ，１〜Ｒｉ，ｎに含まれる物体での反射光がそれぞれ照射される。
【００７３】
受光アンテナ２１に照射された光は、合波器７に入力され、分波器４から合波器７に入力された光信号と合成される。合波器７が２つの光信号を合波することで形成された光信号は、変換器８によって電流信号に変換され、さらにＴＩＡ９によって電圧信号に変換されて、算出部１０に入力される。
【００７４】
なお、各合波器７、各変換器８、各ＴＩＡ９は、各受光アンテナ２１について、光信号の処理等を同時に行う。すなわち、複数の合波器７によって、領域Ｒｉ，１〜Ｒｉ，ｎからの反射光と分波器４から入力された光信号との合波が、各領域について同時に行われる。そして、複数の変換器８と複数のＴＩＡ９によって、合波器７が形成した光信号の電気信号への変換が、各領域について同時に行われる。
【００７５】
算出部１０に入力された信号は、ＡＤＣ２８によってデジタル信号に変換され、ＦＦＴ回路２９に入力される。ＦＦＴ回路２９は、入力された信号の周波数成分を検出し、画像化処理回路３０は、検出され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。
【００７６】
合波器７に受光アンテナ２１から入力される光と分波器４から入力される光との間には、物体との距離および物体の速度によって、図５に示すように位相および周波数の差が生じる。
【００７７】
そして、合波器７によって形成された光信号には、合成される前の２つの光信号の位相の差と周波数の差によって、２つのビート周波数が現れる。一方のビート周波数ｆＢ１は、２つの光の周波数が共に増加しているときの周波数の差であり、他方のビート周波数ｆＢ２は、２つの光の周波数が共に減少しているときの周波数の差である。
【００７８】
これら２つのビート周波数は、物体との距離および物体の速度に依存するため、２つのビート周波数から、これらを算出することができる。具体的には、物体との距離をｌ、物体の測距センサに対する相対速度をｖ、光速をｃとすると、ｌ＝ｃＴ（ｆＢ１＋ｆＢ２）／８Δｆ、ｖ＝ｃ（ｆＢ２−ｆＢ１）／４ｆ０となる。
【００７９】
物体との距離および物体の速度の算出は、走査部５が光をＨ方向に走査する度に行われる。すなわち、領域Ｒｉ，１〜Ｒｉ，ｎに光が照射され、領域Ｒｉ，１〜Ｒｉ，ｎに含まれる物体との距離等が算出されると、走査部５は光の進行方向を変化させる。これにより、図１１の矢印Ａ１のように、光が照射される領域が変化する。そして、領域Ｒｉ＋１，１〜Ｒｉ＋１，ｎに光が照射され、領域Ｒｉ＋１，１〜Ｒｉ＋１，ｎに含まれる物体との距離等が算出される。このような動作をｉ＝１〜ｍについて順に行うことにより、領域Ｒ１，１〜Ｒｍ，ｎに含まれる物体との距離等が算出される。ただし、ｉ＝ｍのときに物体との距離等の算出が終了すると、測距センサはｉ＝ｍ−１として、折り返して動作を繰り返す。
【００８０】
画像化処理回路３０は、ｉ＝ｍのときの物体との距離等の算出が終了する度に、算出された距離および速度に基づいて２次元のデータを形成し、図示しないＥＣＵ等に送信する。これにより、車両から近い場所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。
【００８１】
本実施形態の効果について説明する。本実施形態の測距センサでは、受光アンテナ２１を構成する各ＧＣ１１０を菱形状としている。そして、曲線状の屈折率凸部１１１ａを形成すると共に、各屈折率凸部１１１ａの間に絶縁膜１４が埋め込まれることで回折格子を構成している。そして、菱形状のほぼ全域に広がる回折格子とされていることから、テーパ部を設けるような構成と比較して、より広範囲において入射光を受光することが可能となる。
【００８２】
また、各ＧＣ１１０については、長対角線上において、第１角部１１３から離れるほど複数の屈折率凸部１１１ａの幅が狭くなるように凸部のデューティ比を設定している。それに加えて、長対角線から離れるほど、つまり各屈折率凸部１１１ａの端に向かうほど屈折率凸部１１１ａの幅が徐々に狭くなるようにしている。このため、長対角線の方向だけでなく、長対角線から離れる方向においても入射光の結合効率を高めることが可能になる。
【００８３】
具体的には、ＧＣ１１０での入射光の結合効率については、入射された光が長対角線の方向だけでなく、各方向において１００％結合することが好ましい。そして、長対角線の方向において、第１角部１１３からそれと反対側の第２角部１１４に至るまでに光の総量分が受光されるようにできれば、当該方向において結合効率が１００％になる。このような高い結合効率に近づけられるように、長対角線上において、各屈折率凸部１１１ａの幅のデューティ比を設定している。
【００８４】
しかしながら、これは図９Ａのように長対角線の長さに応じて設定されるデューティ比であり、菱形状の辺方向についても同じデューティ比に設定すると、当該辺方向では光の総量分を受光できない。このため、図９Ｂのように、辺方向においては、菱形状の辺の長さに対応して光の総量分が受光できるように、長対角線上に比べて、各屈折率凸部１１１ａの幅が光導波路１２から離れるほど狭まり、よりデューティ比が小さくなるようにしている。これにより、ＧＣ１１０のどの方向においても入射光の結合効率を高めることが可能となる。
【００８５】
このような構成とすることで、より広範囲において結合効率を高めることが可能なＧＣ１１０にできる。したがって、このようなＧＣ１１０をアレイ状に配置してＧＣアレイ１００を構成すること、さらにはそのようなＧＣアレイ１００を受光アンテナ２１に適用することで、広範囲において結合効率を高めることが可能なものにできる。
【００８６】
また、菱形状とされた各ＧＣ１１０は、短対角線がＶ方向に沿い、長対角線がＨ方向に沿った配置とされる。このため、長対角線上において、各屈折率凸部１１１ａの接線方向がＶ方向、その垂直方向となる長対角線の方向がＨ方向となる。一方、測距センサの外部の物体から戻ってくる反射光が入射光として受光アンテナ２１に入射され、反射光のｓ偏光がＶ方向、ｐ偏光がＨ方向に対応した向きとなる。
【００８７】
本実施形態の測距センサでは、入射光のうちのｓ偏光に基づいて測距を行っている。このため、ｓ偏光の入射光を効率よく受光できるようにすることが重要である。ｓ偏光の入射光を効率よく受光するためには、回折格子の凹凸の方向がｓ偏光と同方向であることが好ましく、凹凸の方向がｓ偏光に対して垂直に近づくほど効率よく受光することができなくなる。仮に、ＧＣ１１０を菱形状としても、光導波路１２に接続される角部を鈍角の角部とすると、屈折率凸部１１１ａが構成する曲線の傾斜角度も鈍角になる。この場合、屈折率凸部１１１ａの端部の接線方向がｓ偏光に対して垂直に近づいてしまう。このため、入射光に対する受光効率が悪化してしまう。しかしながら、本実施形態では、光導波路１２に接続される角部を鋭角の角部としている。このため、屈折率凸部１１１ａが構成する曲線の傾斜角度を鋭角にでき、屈折率凸部１１１ａの端部の接線方向がｓ偏光に対して垂直に近づかないようにできる。したがって、ＧＣ１１０の全域において、入射光に対する受光効率を高くすることが可能となる。
【００８８】
また、本実施形態のような測距センサの受光アンテナ２１においては、集光レンズ１９へ入射光が様々な方向から入ってくるため、それぞれの入射角度に応じて受光アンテナ２１上での焦点位置がずれる。そのためより広範囲において高い結合効率が得られる受光アンテナ２１である必要がある。これについて、図１３を参照して説明する。
【００８９】
図１３に示されるように、例えば、入射光は受光径φＡが３ｍｍ程度の平行光になるが、集光レンズ１９の中心線を中心として図中左右いずれかに傾斜した光も入ってくる。本実施形態では、その範囲は０．２５°に及び、その範囲で傾斜しても入射光を良好に検知できるようにする必要がある。つまり、０．２５°の検知角βが要求される。
【００９０】
また、集光レンズ１９を透過した光は、集光レンズ１９での屈折によって集光され、焦点距離Ｌｓ＝１２ｍｍの位置において受光アンテナ２１に入光される。受光角ξは１４．２５°、限界スポット径φＬは１７μｍとなる。このとき、入射光が傾斜することなく一定の方向からしか入射されないのであれば、限界スポット径φＬである１７μｍの範囲において、受光アンテナ２１による受光が行えれば良い。しかしながら、集光レンズ１９へは傾斜した光も入ってくることから、そのズレ分を加味すると集光エリアサイズＲＬとして６９μｍ程度が見込まれる。したがって、このような広い集光エリアサイズＲＬにも対応して広範囲で高い結合効率が得られる受光アンテナ２１であることが必要となる。
【００９１】
ただし、１つのＧＣ１１０を１画素とすると、１画素の幅と放射角または受光角との関係が図１４のように見積もられており、１画素の幅が大きくなるほど受光角が小さくなる。そして、１４．２５°の受光角の光を良好に受光するためには、１画素のＧＣ１１０の幅を例えば１０μｍ程度に抑えることが必要であり、幅を６９μｍとしたものでは１４．２５°の受光角に適応できない。
【００９２】
これに対して、本実施形態の受光アンテナ２１は、上記したように、幅の狭い複数のＧＣ１１０を敷き詰めたＧＣアレイ１００とすることで、広範囲で高い結合効率を得ることを可能にしている。具体的には、図８に示すように、ＧＣアレイ１００の幅Ｗｚは、光導波路１２の幅ｗ、光導波路１２の間の間隔ｓ、中央ＧＣ１１０ａの一辺の長さＬａ、ＧＣ１１０が構成する菱形の鋭角の角度２θＧを用いて、式１で表される。中央ＧＣ１１０ａは、ＧＣ１１０の中でも最も大きな寸法を有しており、中間ＧＣ１１０ｃや端部ＧＣ１１０ｂの一辺の長さはそれよりも短くなる。
【００９３】
【数１】
2020194011.tif 000003
ここで、ＧＣアレイ１００の幅Ｗｚについて、６９μｍ以上となる７０μｍとし、間隔ｓ＝０．５μｍ、角度θＧ＝３０°とすると、長さＬａは１１μｍとなる。つまり、中央ＧＣ１１０ａの一辺の長さａを１１μｍという１０μｍ程度の値にでき、中間ＧＣ１１０ｃや端部ＧＣ１１０ｂについては、一辺の長さをそれよりも短くできる。したがって、上記した１４．２５°の受光角に適応することができ、集光レンズ１９への入射光が様々な方向からの光を含んでいても、受光アンテナ２１によって効率よく受光することが可能となり、長距離の測距が可能となる。
【００９４】
また、ＧＣアレイ１００の受光面積率ηＡ、つまり占有面積に対するＧＣアレイ１００の面積比率は、式２で表される。
【００９５】
【数２】
2020194011.tif 000004
そして、ＧＣアレイ１００の幅Ｗｚについて、６９μｍ以上となる７０μｍとし、間隔ｓ＝０．５μｍ、角度θＧ＝３０°、一辺の長さＬａ＝１１μｍ、幅ｗ＝０．４μｍとすると、受光面積率ηＡは、０．８５となる。このように、高い受光面積率ηＡを得ることができ、高い結合効率が得られることが判る。ここで説明した寸法においては、受光アンテナ２１を構成するＧＣアレイ１００の面積が集光レンズ１９で集光された入射光のスポットの面積よりも大きくなる。また、ＧＣアレイ１００を構成する個々のＧＣ１１０の面積が集光レンズ１９で集光された入射光のスポットの面積と略同じ大きさとなる。そして、ＧＣアレイ１１０の面積が、集光レンズ１９に入射する光の入射角により広がる集光エリアサイズＲＬと略同じ大きさになる。
【００９６】
なお、図３および図１３では、集光レンズ１９の中心軸が受光アンテナ２１の法線方向と一致するように図示してあるが、実際には、図１５に示すようにｙ軸方向に傾斜した状態とされる。受光アンテナ２１をＧＣ１１０で構成しているが、ＧＣ１１０での受光効率を良くするためには、ＧＣ１１０の表面に対する法線方向からではなく傾斜した方向からＧＣ１１０に入射されるのが好ましい。このため、図１５に示すように集光レンズ１９の中心軸が受光アンテナ２１の法線方向から傾斜させられるようにすることで、高い受光効率が得られるようにしている。
【００９７】
ここで、上記したように、屈折率凸部１１１ａについては、長対角線上において、光導波路１２に接続される第１角部１１３から離れるほど複数の屈折率凸部１１１ａの幅が狭くなるように凸部のデューティ比を設定している。それに加えて、長対角線から離れるほど屈折率凸部１１１ａの幅が徐々に狭くなるようにしている。このような構成になっていることで、広範囲において結合効率を高めることが可能になるが、次のような設定とすることで、より結合効率を高めることが可能となる。
【００９８】
具体的には、各屈折率凸部１１１ａは、活性層１１ｃをエッチングすることによって構成され、光導波路１２から遠い側の端面（以下、第１エッジという）と、近い側の端面（以下、第２エッジという）とを有した構造となっている。
【００９９】
ここで、図１０に示すように、ＧＣ１１０を上方から見たときに、ＧＣ１１０を構成する菱形のうち光導波路１２と接続される境界端の中心をｘｙ座標の原点（０，０）とし、長対角線をｙ軸とし、短対角線がｘ軸と平行な線分であるとする。その場合、屈折率凸部１１１ａの中心線、つまり第１エッジと第２エッジの中心位置を描く曲線（以下、中央曲線という）について、数式３が成り立つ。そして、この数式３に基づいて、第１エッジが描く曲線（以下、正側曲線という）は数式４で表され、第２エッジが描く曲線（以下、負側曲線という）は数式５で表される。なお、便宜上、第１エッジが描く曲線のｙについては“ｙ＋”、第２エッジが描く曲線のｙについては“ｙ−”と表記してある。これらの式より、集光レンズ１９からＧＣ１１０への入射光の入射角に応じて、ＧＣ１１０の屈折率凸部１１１ａの曲線形状がそれぞれ異なったものとなる。
【０１００】
【数３】
2020194011.tif 000005
【０１０１】
【数４】
2020194011.tif 000006
【０１０２】
【数５】
2020194011.tif 000007
【０１０３】
上記数式３〜数式５中において、ｍは、複数の屈折率凸部１１１ａの光導波路１２からの番号であり、光導波路１２に最も近いものを“１”とし、そこから順に番号付けしたものである。λは、ＧＣ１１０を構成する回折格子への入射光の波長、θＩＮは、回折格子への入射光の入射角、Ｎ０は、回折格子の実効屈折率、ｗ０は光導波路１２における導波光強度ｘ方向分布の１／ｅ２半幅である。実効屈折率とは、回折格子を構成する屈折率凸部１１１ａとその間のスリットに埋め込まれた埋込層１１２のトータルとしての屈折率であり、本実施形態の場合は屈折率凸部１１１ａを構成するＳｉと絶縁膜１４を構成するＳｉＯ２のトータルの屈折率になる。ｆＧは、回折格子の凹凸比である。回折格子の凹凸比とは、屈折率凸部１１１ａとその隣のスリット部分、つまり絶縁膜１４が埋め込まれる部分を含めた一定周期幅内における屈折率凸部１１１ａとスリット部分の幅の比を意味している。
【０１０４】
【数６】
2020194011.tif 000008
なお、ｆＧについては、数式６で表される。この式において、ＬＧＣは、角度θの方向の導波光の伝搬長であり、数式７で表され、αＭＡＸは、放射損失係数の最大値、ηRは放射効率である。角度θについては、ＧＣ１１０が構成する菱形の鋭角の角度を２θＧとすると、長対角線を挟んだ両側において０°〜θＧの範囲で変化する。
【０１０５】
【数７】
2020194011.tif 000009
例えば、上記各式において、実効屈折率Ｎ０は、２．０８５、長対角線における放射損失係数αは、０．３３３μｍ−１、波長λは、１．５５μｍ、入射角θＩＮは、１０°として設計される。
【０１０６】
このように、第１エッジが数式４に示される正側曲線を描き、第２エッジが数式５に示される負側曲線を描くようにすると、より結合効率を高めることが可能となる。
【０１０７】
（第１実施形態の変形例）
上記第１実施形態では、図９Ａおよび図９Ｂに示したように、屈折率凸部１１１ａが第１角部１１３から離れるほど徐々に幅狭となる場合について説明した。これに対して、第１角部１１３から離れるほど徐々に幅広になる形態とされていても良い。
【０１０８】
例えば、屈折率凸部１１１ａのデューティ比と光の結合係数との関係は、図１６の関係となる。すなわち、デューティ比が０．５以下の場合には、デューティ比が大きくなると結合係数が徐々に増加し、０．５以上の場合には、デューティ比が大きくなると結合係数が徐々に低下する。
【０１０９】
デューティ比と光の結合係数との関係が図１６の関係となる場合において、第１実施形態のように屈折率凸部１１１ａが第１角部１１３から離れるほど徐々に幅狭とする場合には、デューティ比が０．５より大きい値から０．５に近づくようにする。これにより、結合係数を漸増させることができる。
【０１１０】
逆に、第１角部１１３から離れるほど徐々に幅広になる形態とする場合には、デューティ比が０．５より小さい値から０．５に近づくようにする。この場合にも、結合係数を漸増させることができる。
【０１１１】
さらに、第１実施形態では、活性層１１ｃを貫通するようにして屈折率凸部１１１ａを形成し、各屈折率凸部１１１ａの間に埋込層１１２を備えるようにした。これに対して、図９Ｃおよび図９Ｄに示すように、活性層１１ｃを貫通させないで途中までエッチングすることで屈折率凸部１１１ａとしても良い。
【０１１２】
（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実施形態に対して回折格子の構造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。
【０１１３】
図１７に示すように、本実施形態でも、支持層１１ａの上に犠牲層１１ｂおよび活性層１１ｃが形成されたＳＯＩ基板を用い、活性層１１ｃをエッチングしてＧＣ１１０の回折格子を形成しているが、エッチング深さが第１実施形態と異なる。スリットの深さと光の結合係数との関係は、屈折率凸部１１１ａの幅が一定の場合、図１８のように示され、スリットの深さが深くなるほど、換言すればスリットの底部からの屈折率凸部１１１ａの高さが高くなるほど結合係数が大きくなる。これに基づいて、本実施形態ではスリットの深さを設定している。具体的には、図１７に示すように、回折格子における各屈折率凸部１１１ａは、光導波路１２から離れる程徐々に活性層１１ｃを深くエッチングすることで構成されている。つまり、各屈折率凸部１１１ａは、最も高い位置は同じ高さで同一平面とされているものの、スリットの深さが変化していることでスリットの底面からの高さが異なったものとされている。例えば、各屈折率凸部１１１ａは、光導波路１２側ではスリットの深さが低くされているためスリットの底面からの高さが低く、光導波路１２から離れるほどエッチングされた溝深さが深くされることでスリットの底面からの高さが高くされている。このようなスリットは、いわゆるグレースケール露光技術を用いて形成可能である。
【０１１４】
なお、本実施形態の場合、屈折率凸部１１１ａの間において、活性層１１ｃが除去されていないスリット底部１１１ｂがあり、そのスリット底部１１１ｂも光導入部１１１の一部を構成することになる。１周期幅ごとに形成される光導入部１１１の断面積は、屈折率凸部１１１ａとスリット底部１１１ｂの合計の断面積となる。そして、各屈折率凸部１１１ａの間の溝状のスリット内には絶縁膜１４が埋め込まれた埋込層１１２が配置される。これにより、屈折率凸部１１１ａを含む光導入部とその間のスリットに埋め込まれた埋込層１１２とによる回折格子が構成されている。
【０１１５】
例えば、支持層１１ａの厚みが６２５μｍ、犠牲層１１ｂの厚みが２．２０μｍ、活性層１１ｃの厚みが０．２２μｍ、絶縁膜１４の厚みが２．６５μｍとされる。そして、各屈折率凸部１１１ａの間に形成される溝状のスリットの深さは、ＧＣ１１０が構成する菱形のうち光導波路１２に接続される鋭角の頂点と反対側の頂点や、当該頂点から鈍角の頂点において活性層１１ｃの膜厚がゼロになるように設定される。図１７では、各屈折率凸部１１１ａの間に形成される溝状のスリットの深さは、ＧＣ１１０が構成する菱形のうち光導波路１２に接続される鋭角の頂点からの距離に対応して深くされている。
【０１１６】
また、実効屈折率は、１周期幅ごとの光導入部１１１の断面積によって変わるため、長対角線から角度θの方向に離れるほど、１周期幅ごとの光導入部１１１の断面積が小さくなるように、スリットの深さを徐々に深くしている。
【０１１７】
このように、屈折率凸部１１１ａを形成する際のエッチングの深さを調整し、光導波路１２に接続される頂点から徐々にエッチングの深さが深くなる構造とされていても良い。このようにしても、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【０１１８】
（第３実施形態）
第３実施形態について説明する。本実施形態も、第１実施形態に対して回折格子の構造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。
【０１１９】
図１９に示すように、本実施形態でも、支持層１１ａの上に犠牲層１１ｂおよび活性層１１ｃが形成されたＳＯＩ基板を用い、活性層１１ｃをエッチングしてＧＣ１１０の回折格子を形成しているが、屈折率凸部１１１ａの高さが第１実施形態と異なる。屈折率凸部１１１ａの高さと光の結合係数との関係は、屈折率凸部１１１ａの幅が一定の場合、図２０のように示され、屈折率凸部１１１ａの高さが高くなるほど結合係数が大きくなる。これに基づいて、本実施形態では屈折率凸部１１１ａの高さを設定している。具体的には、図１９に示すように、回折格子における屈折率凸部１１１ａは、光導波路１２から離れる程徐々に高さが高くなる構成とされている。このような構成は、活性層１１ｃの高さが第１角部１１３から離れるほど高くなるようにエッチングされることによって形成される。このように高さがことなる屈折率凸部１１１ａについても、いわゆるグレースケール露光技術を用いて形成可能である。
【０１２０】
例えば、支持層１１ａの厚みが６２５μｍ、犠牲層１１ｂの厚みが２．２０μｍ、活性層１１ｃの厚みが０．２２μｍ、絶縁膜１４の厚みが２．６５μｍとされる。そして、各屈折率凸部１１１ａの高さは、ＧＣ１１０が構成する菱形のうち光導波路１２に接続される第１角部１１３から離れるほど高くされ、第２角部１１４や第３角部１１５もしくは第４角部１１６において最も高くなるように設定される。図１９では、各屈折率凸部１１１ａの高さは、ＧＣ１１０が構成する菱形のうち光導波路１２に接続される第１角部１１３の頂点からの距離に対応して高くされている。
【０１２１】
また、長対角線から角度θの方向に離れるほど、１周期幅ごとの光導入部１１１の断面積が大きくなるように、屈折率凸部１１１ａの高さを徐々に高くしている。
【０１２２】
このように、屈折率凸部１１１ａ形成する際のエッチングにおいて、光導波路１２に接続される頂点から徐々に屈折率凸部１１１ａの高さが高くなっていく構造とされていても良い。このようにしても、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【０１２３】
（他の実施形態）
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。例えば上記実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、上記実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではない。また、上記各実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されるものではない。
【０１２４】
例えば、上記各実施形態では、受光して光導波路１２に対して光を伝搬する受光のための素子としてＧＣ１１０を適用する場合を例に挙げて説明したが、光導波路から伝搬された光の発光を行う素子として適用することもできる。
【０１２５】
また、第２実施形態もしくは第３実施形態と第１実施形態とを組み合わせた構成としても良い。すなわち、第２実施形態と第１実施形態とを組み合わせる場合、第２実施形態のように、長対角線上において、第１角部１１３から離れるほどスリットを深くする。そして、第１実施形態のように、角度θの方向においては、長対角線から離れるほど屈折率凸部１１１ａの幅が狭くなるようにする。また、第３実施形態と第１実施形態とを組み合わせる場合、第３実施形態のように、長対角線上において、第１角部１１３から離れるほど屈折率凸部１１１ａが高くなるようにする。そして、第１実施形態のように、角度θの方向においては、長対角線から離れるほど屈折率凸部１１１ａの幅が狭くなるようにする。
【０１２６】
すなわち、１周期幅ごとの光導入部１１１の断面積について、長対角線上において、第１角部１１３から離れるほど大きくなり、かつ、角度θの方向において、長対角線から離れるほど大きくなる構造とされていればよい。
【符号の説明】
【０１２７】
２１                受光アンテナ
１００              ＧＣアレイ
１１１              光導入部
１１１ａ            屈折率凸部
１１１ｂ            スリット底部
１１２              埋込層
１１３〜１１６      第１〜第４角部
１１５ａ、１１６ａ  面取り部
【図１】
2020194011.tif 000012
【図２】
2020194011.tif 000013
【図３】
2020194011.tif 000014
【図４】
2020194011.tif 000015
【図５】
2020194011.tif 000016
【図６】
2020194011.tif 000017
【図７】
2020194011.tif 000018
【図８】
2020194011.tif 000019
【図９Ａ】
2020194011.tif 000020
【図９Ｂ】
2020194011.tif 000021
【図９Ｃ】
2020194011.tif 000022
【図９Ｄ】
2020194011.tif 000023
【図１０】
2020194011.tif 000024
【図１１】
2020194011.tif 000025
【図１２】
2020194011.tif 000026
【図１３】
2020194011.tif 000027
【図１４】
2020194011.tif 000028
【図１５】
2020194011.tif 000029
【図１６】
2020194011.tif 000030
【図１７】
2020194011.tif 000031
【図１８】
2020194011.tif 000032
【図１９】
2020194011.tif 000033
【図２０】
2020194011.tif 000034