(57)【要約】【課題】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。【解決手段】レーザ光源１１４が出力した送信光４６が対象物で反射された受信光４２を集光する結像レンズ２０と、レーザ光源１１４が出力した光の一部である参照光４４、及び結像レンズ２０によって集光された受信光４２が伝播する導波路１０２Ａと、導波路１２０Ａにおいて参照光４４と受信光４２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フォトダイオード３０と、を備える。【選択図】図９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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請求項１に記載の光ヘテロダイン検波器。
【請求項３】
前記集光部は光学レンズである請求項１又は請求項２に記載の光ヘテロダイン検波器。
【請求項４】
前記導波路は、前記参照光を拡げて前記受光部に受光させるための拡大部を備える請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の光ヘテロダイン検波器。
【請求項５】
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請求項４に記載の光ヘテロダイン検波器。
【請求項６】
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た請求項１〜請求項５のいずれか1項に記載の光ヘテロダイン検波器。
【請求項７】
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請求項６に記載の光ヘテロダイン検波器。
【請求項８】
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請求項７に記載の光ヘテロダイン検波器。
【請求項９】
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請求項６又は請求書７に記載の光ヘテロダイン検波器。
【請求項１０】
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請求項６又は請求書７に記載の光ヘテロダイン検波器。
【請求項１１】
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受光部を備えた請求項６又は請求書７に記載の光ヘテロダイン検波器。
【請求項１２】
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、
を更に備えた請求項６又は請求書７に記載の光ヘテロダイン検波器。
【請求項１３】
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請求項１２に記載の光ヘテロダイン検波器。
【請求項１４】
前記第１反射部及び前記第２反射部の各々は、反射鏡である請求項１２に記載の光ヘテロダイン検波器。
【請求項１５】
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請求項１２〜請求項１４のいずれか１項に記載の光ヘテロダイン検波器。
【請求項１６】
前記複数の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た請求項１５に記載の光ヘテロダイン検波器。
【請求項１７】
請求項１〜請求項１６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、
を備えたレーザレーダ装置。
【請求項１８】
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請求項１７に記載のレーザレーダ装置。
【請求項１９】
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請求項１８に記載のレーザレーダ装置。
【請求項２０】
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請求項１９に記載のレーザレーダ装置。
【請求項２１】
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請求項１８〜請求項２０のいずれか１項に記載のレーザレーダ装置。
【請求項２２】
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請求項１８〜請求項２１のいずれか１項に記載のレーザレーダ装置。
【請求項２３】
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請求項２２に記載のレーザレーダ装置。
【請求項２４】
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請求項１７〜請求項２３のいずれか１項に記載のレーザレーダ装置。
【請求項２５】
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請求項１７〜請求項２４のいずれか１項に記載のレーザレーダ装置。
【請求項２６】
前記導波路は、直線で構成された直線導波路を含む請求項１７〜請求項２５のいずれか１項に記載のレーザレーダ装置。
【請求項２７】
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な請求項１７〜請求項２６のいずれか１項に記載のレーザレーダ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１６−１０５０８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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。
【０００８】
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ている。
【０００９】
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、前記集光部は光学レンズである。
【００１０】
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、前記導波路は、前記参照光を拡げて前記受光部に受光させるための拡大部を備えている。
【００１１】
また、請求項５に記載の光ヘテロダイン検波器は、請求項４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ている。
【００１２】
また、請求項６に記載の光ヘテロダイン検波器は、請求項１〜請求項５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ている。
【００１３】
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。
【００１４】
また、請求項８に記載の光ヘテロダイン検波器は、請求項７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。
【００１５】
また、請求項９に記載の光ヘテロダイン検波器は、請求項６又は請求書７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。
【００１６】
また、請求項１０に記載の光ヘテロダイン検波器は、請求項６又は請求書７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。
【００１７】
また、請求項１１に記載の光ヘテロダイン検波器は、請求項６又は請求書７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受光部を備えている。
【００１８】
また、請求項１２に記載の光ヘテロダイン検波器は、請求項６又は請求書７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。
【００１９】
また、請求項１３に記載の光ヘテロダイン検波器は、請求項１２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。
【００２０】
また、請求項１４に記載の光ヘテロダイン検波器は、請求項１２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。
【００２１】
また、請求項１５に記載の光ヘテロダイン検波器は、請求項１２〜請求項１４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。
【００２２】
また、請求項１６に記載の光ヘテロダイン検波器は、請求項１５に記載の光ヘテロダイン検波器において、前記複数の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。
【００２３】
請求項１７に記載のレーザレーダ装置は、請求項１〜請求項１６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、を備えている。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
また、請求項２０に記載のレーザレーダ装置は、請求項１９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。
【００２７】
また、請求項２１に記載のレーザレーダ装置は、請求項１８〜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。
【００２８】
また、請求項２２に記載のレーザレーダ装置は、請求項１８〜請求項２１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。
【００２９】
また、請求項２３に記載のレーザレーダ装置は、請求項２２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。
【００３０】
また、請求項２４に記載のレーザレーダ装置は、請求項１７〜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、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。
【００３１】
また、請求項２５に記載のレーザレーダ装置は、請求項１７〜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、前記導波路は基板平面上に形成されたプレナー導波路である。
【００３２】
また、請求項２６に記載のレーザレーダ装置は、請求項１７〜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、前記導波路は、直線で構成された直線導波路を含んでいる。
【００３３】
また、請求項２７に記載のレーザレーダ装置は、請求項１７〜請求項２６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。
【発明の効果】
【００３４】
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。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る光ヘテロダイン検波器の最小構成の一例を示した概略図である。
【図２】図１に示したフォトダイオードを、矢印Ａ方向から見た場合の側面図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る光ヘテロダイン検波器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４】図３に示したフォトダイオードを、矢印Ｂ方向から見た場合の側面図である。
【図５】（Ａ）は、参照光の光束を広げるシリコン導波路の一例を、（Ｂ）は、受信光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。
【図６】フォトダイオードの詳細な構造を示した概略図である。
【図７】図６のフォトダイオードが、Ｃ−Ｃ線に沿って切断された状態を示す断面図である。
【図８】図７に示したフォトダイオードの矢印Ｄ方向から見た場合の俯瞰図である。
【図９】本発明の実施の形態に係るフォトダイオードを含む光ヘテロダイン検波器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１０】結像レンズによる像面に対応して複数のフォトダイオードを配設した光集積回路チップの変形例を示したブロック図である。
【図１１】結像レンズによる結像の水平方向の受信光を受光するように複数のフォトダイオードを配設した光集積回路チップの変形例を示した概略図である。
【図１２】本発明の第１の実施の形態に係るフォトダイオード及びシリコン導波路に回折格子を組み合わせた構成の一例を示した概略図である。
【図１３】本発明の第１の実施の形態に係るフォトダイオード及びシリコン導波路に回折格子を組み合わせた構成の他の例を示した概略図である。
【図１４】図１３に示した構成を含む測距計チップの一例を示したブロック図である。
【図１５】図１４に示した測距計チップを用いた測距計の構成の一例を示した概略図である。
【図１６】図１４に示した測距計チップの変形例である測距計チップの概略図である。
【図１７】図１６に示した測距計チップを用いた測距計の構成の一例を示した概略図である。
【図１８】図１２又は図１３に示した構成に対し、参照光の入射方向を変更した構成の概略図である。
【図１９】図１８に示した構成の変形例の一つである。
【図２０】図１９に示した構成の変形例であり、回折格子及び回折格子に代えてミラー及びミラーを備える場合の概略図である。
【図２１】ミラーの一例を示した概略図である。
【図２２】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２３】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の一例を示した概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
［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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
［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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【００９３】
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。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
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。
【００９７】
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。
【００９８】
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。
【００９９】
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。
【０１００】
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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
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。
【０１０４】
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。
【０１０５】
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。
【０１０６】
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。
【０１０７】
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。
【０１０８】
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。
【０１０９】
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。
【０１１０】
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。
【０１１１】
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。
【０１１２】
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。
【０１１３】
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。
【符号の説明】
【０１１４】
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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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