(57)【要約】  本発明の光受信器アレイは、フォトニック結晶のスローライト導波路（１２）を備えた複数の受信器をアレイ配列して構成され、本発明のライダー装置は、光受信器アレイ（１０）と送信器（２１）とを直線状に配置して構成される。光受信器アレイ（１０）の複数の受信器（１１ａ〜１１ｄ）の配置関係は、（ａ）フォトニック結晶のスローライト導波路（１２）を備えた複数の受信器をアレイ配列してなるアレイ状素子であり、アレイ配列は、（ｂ）光受信器アレイを構成する複数の受信器の間の位置関係を定める配列、及び（ｃ）各受信器の向きを定める配向によって定められる。配列ピッチｐと、受信光の波長λと、隣接する受信器の導波路端で受信する受信光間の位相差が１波長分であるときの到来角度Δθrとの間には、ｐ=λ／sinΔθrの関係があり、到来角度Δθrと放射光の広がり角度Δθtとが同角度である構成が好適である。
2018221310.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フォトニック結晶のスローライト導波路を備えた複数の受信器がアレイ配列された光受信器アレイであり、
（ａ）前記各受信器の配列は、一直線方向に沿った配列ピッチｐの直線配列であり、
（ｂ）前記各受信器の配向は、各受信器の受信用スローライト導波路の進行方向が前記直線配列の配列方向と平行である、光受信器アレイ。
【請求項２】
前記各受信器の受信用スローライト導波路の進行方向の長さは、スローライト導波路の長さに対する受信強度が単調変化する不飽和範囲内である、請求項１に記載の光受信器アレイ。
【請求項３】
前記配列ピッチｐと、受信光の波長λと、隣接する受信器の導波路端で受信する受信光間の位相差が１波長分であるときの到来角度Δθrとの間には、ｐ=λ／sinΔθrの関係がある、請求項１又は２に記載の光受信器アレイ。
【請求項４】
前記到来角度Δθrは、放射光の広がり角度Δθtと同角度である、請求項３に記載の光受信器アレイ。
【請求項５】
前記各受信器は、各受信用スローライト導波路の導波路端に低損失光導波路を介して光学的に結合されたフォトダイオードをペアとして備え、
受信器とフォトダイオードの各ペアの各低損失光導波路の光導波路長は同一長である、請求項１から４の何れか一つに記載の光受信器アレイ。
【請求項６】
前記各受信器の受信用スローライト導波路の導波路端に接続された出射導波路と、
前記出射導波路を接続導波路に合流させる第１の合流器と、
前記接続導波路を他の接続導波路に合流させる第２の合流器と、
前記各受信器の受信出力を合波した出力信号を出力端に導く最終導波路とを備え、
前記出射導波路、前記接続導波路、及び最終導波路は低損失光導波路であり、
各受信用スローライト導波路から最終導波路までの各光路長は同一である、請求項１から４の何れか一つに記載の光受信器アレイ。
【請求項７】
前記出射導波路及び前記導波路は、選択的に位相調整器を備える、請求項６に記載の光受信器アレイ。
【請求項８】
前記受信器の個数は２のべき乗個であり、
前記第１の合流器はアレイ配列方向で隣接する受信器の出射導波路間において等しい光路長の位置に設けられ、
前記第２の合流器はアレイ配列方向で隣接する前記接続導波路間において等しい光路長の位置に設けられる、請求項６又は７に記載の光受信器アレイ。
【請求項９】
請求項１から８の何れか一つに記載の光受信器アレイと、
フォトニック結晶のスローライト導波路を備えた、放射光を発する一つの送信器とを備え、
前記光受信器アレイの配列方向は、受信器の導波路進行方向が前記送信器の導波路進行方向と同方向である、ライダー装置。
【請求項１０】
前記送信器から放射される隣接する放射光間の角度と当該放射光の広がり角度とは同一角度Δθtであり、
当該角度Δθtは、隣接する受信器の導波路端で受信する受信光間の位相差が１波長分であるときの到来角度Δθrと同角度である、請求項９に記載のライダー装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光受信器アレイ、及び光受信器アレイを備えたライダー装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
周囲の物体までの距離を２次元画像として取得するレーザ計測を用いたレーザレーダーもしくはライダー装置（LiDAR（Light Detection and Ranging, Laser Imaging Detection and Ranging））の技術分野は、車の自動運転や３次元地図作製等に利用されており、その基盤技術はレーザプリンタやレーザディスプレイ等にも適用可能である。【０００３】
この技術分野では、光ビームを物体に当て、物体で反射して戻ってくる反射光を検出し、その時間差や周波数差から距離の情報を取得すると共に、光ビームを２次元的に走査することによって広角の３次元情報を取得する。【０００４】
光ビーム走査には光偏向デバイスが用いられる。従来は、機器全体の回転、多角形ミラー（ポリゴンミラー）、ガルバノミラーといった機械式ミラー、マイクロマシーン技術（MEMS技術）による小型集積ミラーなど、いずれも機械式の機構が用いられているが、大型、高価、振動する移動体での不安定性などの問題があり、近年、非機械式の光偏向デバイスの研究が盛んとなっている。【０００５】
非機械式の光偏向デバイスとして、光の波長やデバイスの屈折率を変えることで光偏向を実現するフェーズド・アレイ型や回折格子型が提案されている。しかしながら、フェーズド・アレイ型の光偏向デバイスはアレイ状に並べられた多数の光放射器の位相調整が非常に難しく、高品質な鋭い光ビームを形成することができないという課題がある。一方、回折格子型の光偏向デバイスは鋭いビームの形成が容易であるが、光偏向角が小さいという課題がある。【０００６】
小さな光偏向角の課題に対して、本発明の発明者は、スローライト導波路を回折格子等の回折機構に結合させることによって光偏向角を増大させる技術を提案している（特許文献１）。スローライト光はフォトニック結晶導波路のようなフォトニックナノ構造の中で発生し、低群速度を持ち、波長や導波路の屈折率のわずかな変化により、伝搬定数を大きく変化させるという特徴を持つ。このスローライト導波路の内部、もしくは直近に回折機構を設置すると、スローライト導波路が回折機構に結合して漏れ導波路となり、自由空間に光を放射する。このとき伝搬定数の大きな変化は放射光の偏向角に反映し、結果として大きな偏向角が実現される。【０００７】
図１０Ａ〜図１０Ｄは、低群速度をもつ光（スローライト）を伝搬するフォトニック結晶導波路に回折機構を導入したデバイス構造、及び放射光の概要を示している。光偏向デバイス１０１は、フォトニック結晶の面内に導波路に沿って２種類の異なる直径の円孔を繰り返してなる二重周期構造を有するフォトニック結晶導波路１０２を備える。二重周期構造は回折機構を構成し、スローライト伝搬光を放射条件に変換して空間に放射する。【０００８】
光偏向デバイス１０１は、ＳｉＯ２等の低屈折率材料からなるクラッド１０８上の高屈折率部材１０５に円孔（低屈折率部位）１０６が配列された格子配列１０３によってフォトニック結晶導波路１０２を形成している。低屈折率部位１０６の格子配列１０３は、例えば、大径の円孔を繰り返す周期構造と、小径の円孔を繰り返す周期構造の二重周期構造である。フォトニック結晶導波路１０２の格子配列１０３において、円孔１０６が設けられない部分は入射光を伝搬する導波路コア１０７を構成する。【０００９】
放射光は、縦方向には高品質なビームが形成され、横方向には広がって放射される。なお、ここで、縦方向は導波路コアに沿った方向であり、フォトニック結晶導波路１０２を伝搬する伝搬光の導波路進行方向である。一方、横方向は導波路コア１０７に沿った方向と直交する方向であり、伝搬光の導波路進行方向と直交する方向である。【００１０】
図１０Ｂ，図１０Ｃは放射光のビーム強度分布を説明するための図であり、図１０Ｂは縦方向のビーム強度分布を示し、図１０Ｃは横方向のビーム強度角度分布を示している。【００１１】
図１０Ｂにおいて、伝搬光は導波路コアに沿って進む間に徐々に漏れ出し、縦方向のビーム強度分布が揃った鋭い放射光となる。図１０Ｃにおいて、放射光の横方向のビーム強度角度分布は広い角度分布を有する。【００１２】
放射光の横方向角度分布において、横方向の広がり、及びビーム強度が複数のピークを有した複雑なビーム強度の分布形状がある場合は、この横方向各導波路分布は放射光から平行ビームへの変換効率を低下させる要因となる。【００１３】
図１０Ｄは、放射光の横方向への広がりを抑制する一構成を示している。この構成では、光偏向デバイス１０１の上方にシリンドリカルレンズ１０４等のコリメートレンズを設置し、導波路コアからの放射光を平行ビームに変換して、放射光の横方向への広がりを抑制する。【００１４】
放射光の縦方向の偏向は、入射光の波長を変えたり、フォトニック結晶導波路１０２の屈折率を加熱などで変えることによって行う。これにより、光偏向デバイスは、縦横の両方向共にコリメートされた光ビームを形成する。【００１５】
ライダー装置は送信用と受信用の２つの光偏向デバイスを用い、送信用の光偏向デバイスを送信器として用い、受信用の光偏向デバイスを受信器として用いて、送信器から放射光を放射して測定対象の物体（対象物）に当て、物体で反射して戻ってくる反射光を受信器で検出する。ライダー装置は、周波数チャープ光信号を生成し、これを参照光と信号光に分け、信号光を送信用の光偏向デバイスから出射し、物体に当たって往復した反射光を受信用の光偏向デバイスで受光する。この検出光を参照光とミキシングし、得られたビート信号から対象物との距離を得る。【００１６】
目標との距離や相対速度の検出は、例えばレーダ装置において、レーダ波の送受信によって行う技術が知られている。（特許文献２）
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】特願２０１６−１０８４４
【特許文献２】国際公開  ＷＯ２０１３／０８８９３８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
レーザレーダーもしくはライダー装置（LiDAR（Light Detection and Ranging, Laser Imaging Detection and Ranging）：以下、ライダー装置で表記する）を、図１０に示したようなフォトニック結晶のスローライト導波路を用いた光偏向デバイス（光偏向器：以下、光偏向デバイスで表記する）を用いて構成する場合には、光偏向デバイスは、光ビームを放射させる送信器１２１として用いるだけでなく、放射光のビームが物体（図示していない）に当たって反射散乱され、戻ってくる反射光を受ける受信器１１１として用いることができる。この構成によれば、受信器１１１が受信する反射光の到来角が、送信器１２１から放射する放射光の放射角と一致していれば、反射光を効率よく受信することができる。【００１９】
一般に、送信器では、広がり角Δθtが小さく指向性の鋭いビームを空間に放射させることが求められる。送信器の開ロ長さ（光を放射する部分の大きさ）が出射光の波長λに比べて十分に大きければ、回折が抑制されて鋭いビームが形成できる。例えば、波長λ = １．５５μmの出射光に対して送信器の開ロ長さを３mmとした構成では、光ビームの広がり角Δθtはおよそ０．０３°と計算される。このような広がり角Δθtを有する光ビームを用いて３０°の角度範囲を掃引する場合には、３０°/０．０３°=１，０００点の解像点数が得られる。この解像点数は、ライダー装置の光偏向デバイスとして十分な性能である。【００２０】
一方、受信器では、送信器と同様に鋭い指向性が求められる他、できるだけ大きな受信信号を受信することが求められる。【００２１】
図１は光偏向デバイス（光偏向器：以下、光偏向デバイスで表記する）を用いたレーザレーダーもしくはライダー装置（LiDAR（Light Detection and Ranging, Laser Imaging Detection and Ranging）：以下、ライダー装置で表記する）の構成例を示している。【００２２】
図１に示す構成は、スローライト導波路の光偏向デバイスを用いたときに想定される送受信器の構成であり、送信用光偏向デバイスとして送信器１２１を、受信用光偏向デバイスとして受信器１１１を用い、送信器１２１と受信器１１１とを直線状に配列し、これらの光偏向デバイスの上方位置にシリンドリカルレンズ１０４等のコリメートレンズを配置して構成される。この構成では、光偏向デバイスを、光ビームを放射させる送信器１２１として用いるだけでなく、放射光のビームが物体（図示していない）に当たって反射散乱され、戻ってくる反射光を受ける受信器１１１としても用いる。【００２３】
上記構成において、送信器１２１の送信用スローライト導波路１２２の長さＬtの設定値は例えば３mmであり、導波路進行方向（以下、縦方向と呼ぶ）については鋭いビームが形成される。一方、導波路進行方向と直交する方向（以下、横方向と呼ぶ）については、送信用スローライト導波路１２２から放射された光が広がるので、コリメートレンズ（シリンドリカルレンズ１０４）によってコリメートする。この構成により、およそ円形スポット状の光ビームが空間に放射される。反射光が受信器１１１の受信用スローライト導波路１１２に戻る場合は、送信の場合と逆過程の光路をたどる。図１に示す送受信器の構成において、受信器１１１が受信する反射光の到来角が、送信器１２１から放射する放射光の放射角と一致していれば、反射光を効率よく受信することができる。【００２４】
ライダー装置から遠方にある物体から戻ってくる反射光は、一般に大きく広がって戻るため、受信器で受ける反射光の到来角の全てが放射光の放射角と一致することにはならず、受信器は反射光の一部を受信することになる。【００２５】
受信信号の強度は受信面積に比例すると考えられることから、受信器の受信面積を広げることによって受信信号の強度が受信面積に比例して増大すると期待される。この受信面積と受信信号強度との関係を利用して、受信器の受信信号を増大するために、送信用スローライト導波路よりも受信用スローライト導波路を長くして受信面積を大きくする構成が想定される。【００２６】
しかしながら、実際には、受信用スローライト導波路を長くして受信面積を大きくしても、受信面積に比例した信号強度を得ることはできない。【００２７】
スローライト導波路は、光の伝搬速度を遅くし、導波路との相互作用を強めることで、大きな光偏向効果を実現する。その反面、導波路の製作時の不完全性によって生じる伝搬損失が強まるという性質がある。例えば、このスローライト導波路と同様の手法によって製作されるＳｉ細線導波路と比較した実験では、スローライト導波路の伝搬損失はＳｉ細線導波路の伝搬損失よりも３倍〜１０倍も大きいという評価が得られている。【００２８】
このように伝搬損失が大きな導波路を単純に長くすると、図１の受信用スローライト導波路１１２内の矢印で示すように、受信した光はスローライト導波路を伝搬するうちに滅衰するため、結局、受信用スローライト導波路１１２の長さに見合う受信出力が得られない。なお。図１の受信用スローライト導波路１１２内の矢印の太さは、スローライト導波路を伝搬する光の強度を模式的に示している。【００２９】
図２は受信用スローライト導波路の長さＬｒに対する受信強度を示している。図２では、スローライト導波路の伝搬損失が０dB/cm，１dB/cm，５dB/cm，及び１０dB/cmの例を示している。図２において、現在、実験で評価される典型的な伝搬損失である１０dB/cmについて評価すると、受信用スローライト導波路の長さＬｒが点Ｐ（Ｌｒ＝１cm）よりも短い範囲では長さに応じて受信強度が増加するが、点Ｐよりも長い場合には受信強度の増加はほとんど見られない。【００３０】
本発明は、上記の課題を解決して、受信器の受信信号の信号強度を増大することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００３１】
本発明の光受信器アレイは、フォトニック結晶のスローライト導波路を備えた複数の受信器をアレイ配列して構成される。また、本発明のライダー装置は、この光受信器アレイと送信器とを直線状に配置して構成される。【００３２】
［光受信器アレイ］
本発明の光受信器アレイは、（ａ）フォトニック結晶のスローライト導波路を備えた複数の受信器をアレイ配列してなるアレイ状素子であり、アレイ配列は、（ｂ）光受信器アレイを構成する複数の受信器間の位置関係を定める配列、及び（ｃ）各受信器の向きを定める配向、によって複数の受信器の配置関係が定められる。【００３３】
（ａ）アレイ配列  
アレイ配列において、複数の受信器の個数を定める形態として、短尺の受信器を出発点とする形態（a1）、及び長尺の受信器を出発点とする形態（a2）がある。【００３４】
（a1）  短尺の複数の受信器で得られる各受信信号を合波した信号強度と、光受信器アレイで得ようとする受信信号の信号強度とに基づいて受信器の個数を設定する。
（a2）  長尺の受信器を複数個の受信器に分割し、分割した複数の受信器で得られる受信信号を合波した信号強度と、光受信器アレイで得ようとする受信信号の信号強度に基づいて分割数を設定する。【００３５】
(a1)、(a2)の何れの形態においても、複数の受信器の個数は、複数の受信器の受信信号を合波して得られる信号強度、及び光受信器アレイで得ようとする信号強度に基づいて、受信器の個数が設定される。光偏向デバイスの全体の長さが同程度であるとき、複数の受信器によるアレイ配列構成は、長尺の受信器による単一構成と比較して信号強度の増大が図られる。【００３６】
（ｂ,ｃ）配列及び配向
複数の受信器の配置関係を特定する複数の受信器の配列（ｂ）及び配向（ｃ）において、
（ｂ）各受信器の配列は、複数の受信器のアレイ配列において、配列ピッチｐで一直線方向に沿った直線状配列である。配列（ｂ）は、各受信器の配列間隔を配列ピッチｐに合わせ、これにより同相の反射光を受信する。
（ｃ）各受信器の配向は、その配向方向において、各受信器の受信用スローライト導波路の進行方向が、複数の受信器の直線状配列の配列方向と平行である。【００３７】
各受信器の配置関係において、受信器の配列（ｂ）が直線状配列であり、各受信器の配向（ｃ）の配向方向が直線状配列の配列方向と平行であることによって、光受信器アレイの複数の受信器はそれぞれ同じ到来角の反射光を受信し、各受信器の配列間隔を配列ピッチｐに合わせることで同位相の反射光を受信し、受信器の受信信号の信号強度の増大を図る。【００３８】
受信器は、上記した複数の光受信器のアレイ配列（ａ）、配列（ｂ）及び配向（ｃ）に加えて、（ｄ）受信器の受信用スローライト導波路の進行方向の長さについて長さ制限を設けても良い。【００３９】
受信器の受信用スローライト導波路の進行方向の長さ制限（ｄ）は、
（ｄ）各受信器の受信用スローライト導波路の進行方向の長さは、スローライト導波路の長さに対する受信強度が単調変化する不飽和範囲内である。【００４０】
スローライト導波路の受信強度は、導波路長に対する変化状態が異なる不飽和領域と飽和領域を有する。不飽和領域は、スローライト導波路内の伝搬損失が導波路長に依存して、長さに応じて単調変化する領域であり、飽和領域は、伝搬光の減衰量の増大によって導波路長が変わっても変化しない領域である。受信器の受信用スローライト導波路の進行方向の長さ制限（ｄ）の構成は、受信用スローライト導波路の進行方向の長さを、スローライト導波路の長さに対する受信強度が単調変化する不飽和範囲内に制限する。この長さ制限によって、受信用スローライト導波路の長さを、受信信号を有効に利用し得る有効長内に収めて、光偏向デバイスが過度な長さとなることを抑制する。【００４１】
この長さ制限によって、光偏向デバイスの長さが制限されている場合には、受信器のスローライト導波路で生じる実質的な伝搬損失を低減して受信器の受信強度の低減を抑制し、受信器の受信信号の信号強度が増大する。【００４２】
配列ピッチ：
受信器間の配列において、配列ピッチｐが、導波路端の受信光の位相が１波長分だけずれる長さである場合には、受信器の受信面において受信光の位相が揃う条件が満たされ、光受信器アレイで最終的に合波された受信信号の光出力が強め合う干渉が起きる。強め合いの干渉が起こる最初の角度をΔθrとしたとき、強め合いが起こる条件は、受信光の波長をλとすると次式で表される。
ｐ・sinΔθr＝λ    …（１）【００４３】
本発明の光受信器アレイにおいて、複数の受信器間の配列ピッチｐが、受信光の波長λと、隣接する受信器の導波路端で受信する受信光間の位相差が１波長分であるときの受信光の到来角度Δθrとを用いてｐ=λ／sinΔθrで表される関係とすることによって、受信器の受信信号の信号強度の増大が図られる。【００４４】
さらに、放射光の広がり角Δθtを考慮すると、ある角度の光ビームと次の角度の光ビームの間の角度差Δθを広がり角Δθtに設定することによって、放射光の重なりや隙間を生じさせることなく、少ないビーム数で対象物を漏れなく走査することができる。【００４５】
さらに、この角度差Δθtを受信強度が大きくなる角度Δθrに合致させてΔθt = Δθrとした場合には、走査効率及び受信強度において好都合となる。このときの配列ピッチはｐ= λ/sinΔθtで表され、放射光の波長λ及び広がり角Δθtによって定まる。【００４６】
（受信器の出力形態）
本発明の光受信器アレイは、受信器の受信信号の出力形態として、受信器毎に受信信号を出力する形態（i）、及び各受信器の受信信号を合波して一つの受信信号を出力する形態（ii）を有する。【００４７】
（i）受信器毎の出力形態：
受信器毎に受信信号を出力する形態は、各受信用スローライト導波路の導波路端に低損失光導波路を介してフォトダイオードと光学的に結合し、この受信用スローライト導波路とフォトダイオードとをペアとして、受信器毎に受信信号を出力する。この出力形態において、受信器とフォトダイオードの各ペアの各低損失光導波路の光導波路長を同一長とすることによって、低損失光導波路における伝搬損失を均一化し、受信器毎の受信信号の信号強度を均一化する。【００４８】
（ii）合波受信信号の出力形態：
各受信器の受信信号を合波して一つの受信信号を出力する形態は、各受信器の受信用スローライト導波路の導波路端に接続された出射導波路と、この出射導波路を次の接続導波路に合流させる第１の合流器と、この接続導波路を他の接続導波路に合流させる第２の合流器と、各受信器の受信出力を合波した出力信号を出力端に導く最終導波路とを備える。これらの出射導波路、接続導波路、及び最終導波路は低損失光導波路であり、各受信用スローライト導波路から最終導波路までの各光路長は同一長である。【００４９】
各受信器の受信信号は、出射導波路を介して接続された第１の合流器によって次の接続導波路に合流する。合流した受信信号は、接続導波路を介して接続された第２合流器によってさらに次の接続導波路に合流する。順に合流されて合波された受信信号は、最終段において最終導波路に導かれ、出力端から出力信号として出力される。【００５０】
出射導波路、接続導波路、及び最終導波路をフォトニック結晶によるＳｉ細線導波路等の低損失光導波路によって構成することにより、受信器の受信信号が伝搬する間に生じる伝搬損失が低減し、合波により得られる出力信号の出力強度が高まる。【００５１】
また、出射導波路及び接続導波路において、各受信器の受信信号が伝搬する各光路長を一致させることによって、各受信器の導波路端において同一位相であれば、各合流器には位相が揃った受信信号が入射する。これにより、合流器において受信信号の位相ずれによって生じる損失が低減する。【００５２】
位相調整：
導波路端から合流器までの光路長が一致した構成においても、導波路の幅や厚さの局所的な揺らぎによって位相ずれが生じる場合がある。出射導波路や接続導波路に設けた位相調整器によって発生した位相ずれを抑制する。位相調整器は、全ての出射導波路や接続導波路に設ける構成は必ずしも必要ではなく、合流器に受信信号を入射する複数の出射導波路や接続導波路の内で、例えば、合流器に接続される出射導波路や接続導波路について選択的に設ける構成とすることができる。【００５３】
受信器の個数：
（i）受信器毎の出力形態：
受信器毎に受信信号を出力する形態において、受信器の個数は任意に設定する。
（ii）合波受信信号の出力形態：
各受信器の受信信号を合波して一つの受信信号を出力する形態において、任意の個数の受信器を用いる構成の他、２のべき乗個の受信器を用いる構成としても良い。２のべき乗個の受信器を用いる構成は、アレイ配列方向で隣接する受信器の出射導波路間から等しい光路長の位置に第１の合流器を設けて２つの受信器の受信信号を接続導波路に合波し、さらに、アレイ配列方向で隣接する接続導波路間から等しい光路長の位置に第２の合流器を設けて２つの接続導波路の受信信号を次の接続導波路に合波する。接続導波路と第２の合流器との構成を順次繰り返し、全ての受信器の受信信号を最終導波路に合波する。【００５４】
受信器の個数を２のべき乗個とすることによって、２つの受信器の受信信号を入射する合流器を用いて構成し、各受信器から最終導波路までの光路長を合わせることができる。光路長を合わせることによって、各合流器において受信信号が位相ずれすることによって生じる損失を低減させることができる。【００５５】
［ライダー装置］
本発明のライダー装置は、本発明の光受信器アレイと、フォトニック結晶のスローライト導波路を有した放射光を発する一つの送信器を備える。【００５６】
送信器と光受信器アレイとの関係において、光受信器アレイの配列方向は受信器の導波路進行方向が送信器の導波路進行方向と同方向であり、送信器の放射光の波長と受信器の受信光の波長は同一の波長λであり、送信器の放射光の広がり角度はΔθtである。【００５７】
また、送信器から放射される隣接する放射光間の角度と、この放射光の広がり角度とは同一角度Δθtであり、この角度Δθtは、隣接する受信器の導波路端で受信する受信光間の位相差が１波長分であるときの到来角度Δθrと同角度である。【００５８】
角度Δθtと角度Δθrとの関係を上記した関係（Δθt＝Δθr）とすることによって、受信器で受信する受信信号の信号強度を増大することができる。
【発明の効果】
【００５９】
以上説明したように、本発明の光受信器アレイ及びライダー装置は、受信器の受信信号の信号強度を増大することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】光偏向デバイスを用いたライダー装置の一構成を示す図である。
【図２】受信導波路の長さＬｒに対する受信強度を示す図である。
【図３】本発明の光受信器アレイを説明するための図である。
【図４】光受信器アレイを構成する受信器の個数と受信信号の信号強度との関係を説明するための図である。
【図５】受信器アレイの受信器、及び導波路の構成を説明するための図である。
【図６Ａ】受信器アレイの受信器、及び導波路の構成例を説明するための図であり、２個の受信器を用いて光受信器アレイを構成する例である。
【図６Ｂ】８個の受信器を用いて光受信器アレイを構成する例である。
【図６Ｃ】１６個の受信器を用いて光受信器アレイを構成する例である。
【図６Ｄ】受信器が２のべき乗ではない個数で光受信器アレイを構成する例である。
【図７Ａ】複数の受信器の配列ピッチを説明するための図であり、反射光が面垂直方向から到来する場合を示す図である。
【図７Ｂ】反射光の入射角が変化し、面垂直方向から角度Δθ分ずれて到来する場合を示す図である。
【図７Ｃ】さらに反射光の到来角が大きくなった状態を示す図である。
【図７Ｄ】角受信器の受信用スローライト導波路の受信光を合波して得られる光信号の強度と反射光の到来角Δθとの関係を示す図である。
【図８Ａ】複数の受信器の配列ピッチを説明するための図であり、強め合いの干渉が起こる角度Δθrと、受信器の配列ピッチｐとｔの関係を示す図である。
【図８Ｂ】隣り合う放射光間の角度差Δθが、ビーム広がり角Δθtよりも大きい場合を示す図である。
【図８Ｃ】隣り合う放射光間の角度差Δθが、ビーム広がり角Δθtと一致している場合を示す図である。
【図８Ｄ】放射光の角度差Δθを、放射光のビーム広がり角Δθt及び反射光の到来角Δθrに一致させたときの放射光及び反射光を時系列で示す図である。
【図８Ｅ】放射光の角度差Δθを、放射光のビーム広がり角Δθt及び反射光の到来角Δθrに一致させたときの放射光及び反射光を時系列で示す図である。
【図８Ｆ】放射光の角度差Δθを、放射光のビーム広がり角Δθt及び反射光の到来角Δθrに一致させたときの放射光及び反射光を時系列で示す図である。
【図９】ライダー装置の構成を説明するための図である。
【図１０Ａ】フォトニック結晶導波路に回折機構を導入したデバイス構造、及び放射光の概要を説明するための図である。
【図１０Ｂ】縦方向のビーム強度分布を示す図である。
【図１０Ｃ】横方向のビーム強度分布を示す図である。
【図１０Ｄ】放射光の横方向への広がりを抑制する構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００６１】
以下、本発明の実施の形態について、図を参照しながら詳細に説明する。以下、図３を用いて本発明の光受信器アレイの概略構成例を説明し、図４を用いて光受信器アレイを構成する受信器の個数と受信信号の信号強度との関係を説明する。図５，図６Ａ〜図６Ｄを用いて本発明の光受信器アレイの構成例を説明し、図７Ａ〜図７Ｄ，図８Ａ〜図８Ｆを用いて複数の受信器の配列ピッチについて説明する。図９を用いてライダー装置の構成を説明する。
【００６２】
（光受信器アレイの概要）
図３は本発明の光受信器アレイを説明するための図である。光偏向デバイスは、送信器２１と複数の受信器１１ａ〜１１ｄを備える光受信器アレイ１０の２つの光偏向器を備える。送信器２１および受信器１１ａ〜１１ｄはフォトニック結晶導波路により構成される。フォトニック結晶導波路は、クラッド上に設けたＳｉ等の半導体材の高屈折率部材に低屈折率部位を周期的に配した格子配列により形成される。低屈折率部位は、例えば、高屈折率部材に設けた円孔によって形成することができる。
【００６３】
フォトニック結晶導波路には光を伝搬する導波路コアが形成される。導波路コアは、円孔の配列により構成される格子配列において、格子配列の一部に円孔を配置しない部分で形成される。送信器２１の導波路コアは送信用スローライト導波路２２を構成し、受信器１１ａ〜１１ｄの導波路コアは受信用スローライト導波路１２を構成する。
【００６４】
送信器２１の送信用スローライト導波路２２に入射された入射光は、送信用スローライト導波路２２を長さ方向に伝搬しながら、送信用スローライト導波路２２から外部に放射される。受信器１１ａ〜１１ｄの受信用スローライト導波路１２は反射光を受信し、長さ方向に伝搬した後、導波路端からＳｉ細線導波路のような低損失光導波路１３を通して受信信号を出力する。
【００６５】
送信器２１と光受信器アレイ１０は、送信用スローライト導波路２２および受信用スローライト導波路１２の長さ方向に沿って直線状に縦列配列される。縦列配列において、入射光が入射される側に送信器２１が配置され、出射光を受信する側に光受信器アレイ１０が配置される。
【００６６】
光偏向デバイスは、送信器２１及び光受信器アレイ１０の他に、平行光に変換するコリメートレンズとして１つのシリンドリカルレンズ３０を備える。シリンドリカルレンズ３０は、縦列配列された送信器２１および光受信器アレイ１０に対して、放射光を放射する面及び反射光を受信する面の側に、光偏向デバイスの縦列配列方向に沿って重ねて配置される。
【００６７】
シリンドリカルレンズ３０のサイズは、例えば、送信器２１および光受信器アレイ１０の幅と同程度以上の幅とし、縦列配列された２つの光偏向デバイス（１０，２１）の長さと同程度以上の長さとする。なお、シリンドリカルレンズ３０のサイズは、送信器２１から放射された放射光を平行ビームに変換して対象物（図示していない）に照射し、対象物で反射された反射光を光受信器アレイ１０の各受信器１１ａ〜１１ｄに集光するに十分なサイズであれば、前記した縦列配列と同程度のサイズに限らず任意のサイズとしても良い。
【００６８】
本発明の光受信器アレイ１０は、フォトニック結晶のスローライト導波路を備えた複数の受信器１１ａ〜１１ｄをアレイ配列したアレイ状素子で構成される。なお、図３に示した光受信器アレイ１０は４個の受信器１１ａ〜１１ｄをアレイ配列した構成を示しているが、アレイ配列の個数は４個に限らず任意の個数としてもよい。アレイ配列の個数を２のべき乗個とした場合には、受信信号を合波するための導波路の構成に対称性を持たせて、導波路を伝搬する際の受信信号の位相ずれを抑制し、位相ずれによって生じる合流器における損失を低減することができる。２のべき乗個のアレイ配列については後に説明する。
【００６９】
本発明の光受信器アレイ１０は、複数の受信器１１の受信用スローライト導波路１２の導波路端にＳｉ細線導波路のような低損失光導波路１３を接続して受信光を取り出す構成によって、受信用スローライト導波路１２のスローライト導波路で損失を受ける前に、各受信用スローライト導波路１２から受信光を取り出すことができる。
【００７０】
図４は、各受信用スローライト導波路から取り出された光が理想的に合波できたと仮定したときに得られる受信強度を、導波路の分割数に対して示している。なお、図４では受信用スローライト導波路の総延長を３cmとし、導波路損失が０dB/cm、５dB/cm、及び１０dB/cmの各場合について示している。
【００７１】
導波路損失が１０dB/cmである場合には、光受信器を一つの受信用スローライト導波路とした場合と比較すると、受信用スローライト導波路１２を４分割して４個の受信器１１によって光受信器アレイ１０を構成した場合には約３倍の受信強度が得られ（図４中のＱ）、受信用スローライト導波路１２を８分割して８個の受信器１１によって光受信器アレイ１０を構成した場合には約４倍の受信強度が得られ（図４中のＲ）、受信用スローライト導波路１２を１６分割して１６個の受信器によって光受信器アレイ１０を構成した場合には約５倍の受信強度が得られる（図４中のＳ）。
【００７２】
次に、本発明の光受信器アレイの構成について、（ａ）アレイ配列、及びアレイ配列における複数の受信器の配置関係を定める（ｂ）受信器の配列、（ｃ）受信器の配向について説明する。
【００７３】
（ａ）アレイ配列  
アレイ配列において、複数の受信器の個数を定める形態として、短尺の受信器を出発点とする形態（a1）、及び長尺の受信器を出発点とする形態（a2）がある。
【００７４】
（a1）  短尺の複数の受信器で得られる各受信信号を合波した信号強度と、光受信器アレイで得ようとする受信信号の信号強度とに基づいて受信器の個数を設定する。
（a2）  長尺の受信器を複数個の受信器に分割し、分割した複数の受信器で得られる受信信号を合波した信号強度と、光受信器アレイで得ようとする受信信号の信号強度に基づいて分割数を設定する。
【００７５】
（a1）の形態は、各受信器で得られる受信信号の信号強度と、光受信器アレイで得ようとする受信信号の信号強度とに基づいて受信器の個数を設定する形態であり、受信器の受信信号の信号強度が小さい場合には、光受信器アレイの受信信号の信号強度を満たすに十分な個数だけ受信器の個数を増やし、受信器の受信信号の信号強度が大きい場合には、光受信器アレイの受信信号の信号強度を満たすに十分な個数だけ受信器の個数を減らす。
【００７６】
（a2）の形態は、長尺の受信器を複数個の受信器に分割し、分割した複数の受信器の受信信号を合わせた信号強度が所望の信号強度を満たすように分割数を設定する形態である。受信器の受信信号を合わせた信号強度が所望の信号強度を満足しない場合には、分割数を増やして受信器の個数を増やす。
【００７７】
（a1），（a2）の何れの形態においても、受信器の個数は、受信器で得られる受信信号の信号強度、及び光受信器アレイで求められる信号強度に基づいて設定され、設定した複数の受信器のアレイ配列することによって、単一の受信器で得られるよりも大きな信号強度を得る。
【００７８】
複数の受信器の配置関係は、（ｂ）各受信器の位置が如何なる関係にあるかという、複数の受信器の間の位置関係を定める配列、及び（ｃ）各受信器自体が如何なる方向にあるかの向きを定める配向によって定まる。
【００７９】
（ｂ）受信器の配列
各受信器の配列は、複数の受信器のアレイ配列において、配列ピッチｐで一直線方向に沿った直線状配列であり、各受信器の配列間隔を配列ピッチｐに合わせることで同相の反射光を受信する。
【００８０】
（ｃ）受信器の配向
各受信器の配向の配向方向は、各受信器の受信用スローライト導波路の進行方向が、複数の受信器の直線状配列の配列方向と平行である。
【００８１】
各受信器の配置関係において、受信器の配列が直線状配列であり、各受信器の配向方向が直線状配列の配列方向と平行であることによって、光受信器アレイの複数の受信器はそれぞれ同じ到来角の反射光を受信する。受信する反射光を同位相とし、到来角を同一とすることによって、受信器の受信信号の信号強度の増大を図る。
【００８２】
（ｄ）受信器の受信用スローライト導波路の長さ制限
本発明の受信器は、上記したアレイ配列（ａ）、配列（ｂ）、及び配向（ｃ）の各構成に加えて、受信器の受信用スローライト導波路の進行方向の長さについて長さ制限の構成を設けても良い。
【００８３】
図２に示した受信用スローライト導波路の長さＬｒに対する受信強度の特性によれば、スローライト導波路の受信強度は、スローライト導波路内の伝搬損失が導波路長に依存し、長さに応じて単調変化する不飽和領域Ａと、伝搬光の減衰量の増大によって導波路長が変わっても変化しない飽和領域Ｂを有している。この特性は、飽和領域Ｂにおいて導波路長を長くしても受信強度は増加しないことを示している。
【００８４】
本発明の受信器は、複数の受信器によるアレイ配列において、受信用スローライト導波路の進行方向の長さを、スローライト導波路の長さに対する受信強度が単調変化する不飽和範囲Ａ内に制限する。この長さ制限によって受信器のスローライト導波路で生じる伝搬損失を受信用スローライト導波路の進行方向の長さに応じた量として、受信器の長さを有効な長さ内に収めて、過度な長さとなることを抑制する。この長さ制限によって、光偏向デバイスの長さが制限されている場合には、受信器のスローライト導波路で生じる実質的な伝搬損失を低減して受信器の受信強度の低減を抑制し、受信器の受信信号の信号強度が増大する。
【００８５】
（受信器アレイの導波路の構成）
図５は、受信器アレイの受信器、及び導波路の構成を説明するための図である。なお、ここで説明する導波路は、受信器アレイの各受信器の出力信号を導波する部材であり、受信器各導波路端に接続される出射導波路、最終的に出力信号を出力する最終導波路、及び出射導波路と最終導波路との間の光路を構成する接続導波路である。
【００８６】
図５は、受信器１１の各導波路端から取り出される光を１本の出射導波路に合波する構成例を示している。この構成例では、４つの受信器１１ａ〜１１ｄの各導波路端から取り出される光を１本の最終導波路１３ｚに合波する構成例を示している。
【００８７】
この構成は、受信器１１ａ及び１１ｂの２つの出射導波路１３ａを２×１（２入力１出力）の合流器１４ａによって１本の接続導波路１３ｂに合流させ、受信器１１ｃ及び１１ｄの２つの出射導波路１３ａを２×１の第１の合流器１４ａによって１本の接続導波路１３ｂに合流させ、２本の接続導波路１３ｂを２×１の第２の合流器１４ｂによって１本の最終導波路１３ｚに合流させて、最終出力信号を合波する。
【００８８】
このとき、各受信用スローライト導波路１２の導波路端から最終導波路１３ｚまでの長さが同一長であれば、各受信用スローライト導波路１２から出射してそれぞれの合流器１４ａ，１４ｂに合流するまでの光路長は一致し、各受信用スローライト導波路１２から出射したときの位相が同一であれば、合流器１４ａ，１４ｂに入射するときの位相も揃うため、合流器１４ａ，１４ｂでの不要な損失は抑制される。
【００８９】
このような合流器は多モード干渉導波路を用いたデバイスが既に開発されており、実験的に評価される過剰損失は０．２３dBと小さい。図５に示す構成の場合には、４つの受信用スローライト導波路１２を合波させるために２個の合流器１４ａ，１４ｂを用いており、この場合の過剰損失は０．４６dBと小さい。これを導波路端から最終導波路までの透過率に直すと，約９０％となる。
【００９０】
光受信器アレイを８個の受信器で構成した場合、３個の合流器によって受信信号を合波したときの合流器の損失は０．６９dBとなり、光受信器アレイを１６個の受信器で構成した場合、４個の合流器によって受信信号を合波したときの合流器の損失は０．９２dBとなる。合流器の損失は、何れの場合も過大な損失とはならない。
【００９１】
一方、Ｓｉ細線導波路自体の伝搬損失の典型値は２dB/cmであり、仮に、受信用スローライト導波路の総延長を３cmとした場合に、導波路を図５に示した構成とした場合には、各導波路端から最終導波路までの長さはおよそ受信器の総延長の半分の１．５cm程度となり、伝搬損失は３dBとなる。
【００９２】
この伝搬損失は、ライダー装置としては過大であるため、直線部分では導波路幅を拡大することで低損失化を図ることができる。例えば、Ｓｉ細線の通常の導波路幅は４００〜４５０nmであるが、４μm程度まで拡大すると伝搬損失は０．５dB/cm程度まで下がる。上記した合流器の損失０．４６〜０．９２dBと合わせた損失は１〜２dBに抑制される。
【００９３】
実際の装置では、各導波路端から合流器までの光路長を一致させた場合であって、導波路の幅や厚さの局所的な揺らぎによって位相ずれが生じる場合がある。この位相ずれに対して、合流器１４ａに入射する２つの出射導波路１３ａの片側の出射導波路、及び合流器１４ｂに入射する２つの接続導波路１３ｂの片側の接続導波路に、加熱ヒーターなどで構成される位相調整器１５ａ，１５ｂを配置する。位相調整器を用いることによって、不要な位相ずれを補償する。
【００９４】
（受信器の個数（分割数））
次に、本発明の光受信器アレイを構成する複数の受信器の個数（分割数）について説明する。
【００９５】
受信器毎に受信信号を出力する形態では受信器の個数は任意に設定することができる。例えば、図３において各受信器１１ａ〜１１ｄの導波路端に接続した低損失光導波路１３の出射導波路の受信信号を出力信号として利用する場合には、受信器の個数は任意に定めることができる。
【００９６】
一方、図５で示したように、受信器の受信信号を合波して一つの受信信号を出力する形態では、任意の個数の受信器を用いる構成の他、２のべき乗個の受信器を用いる構成とすることができる。
【００９７】
２のべき乗個の受信器を用いる構成は、アレイ配列方向で隣接する受信器の出射導波路間から等しい光路長の位置に第１の合流器を設けて２つの受信器の受信信号を接続導波路に合波し、さらに、アレイ配列方向で隣接する接続導波路間から等しい光路長の位置に第２の合流器を設けて２つの接続導波路の受信信号を次の接続導波路に合波する。接続導波路と第２の合流器との構成を順次繰り返すことによって、全ての受信器の受信信号を最終導波路に合波する。
【００９８】
受信器の個数を２のべき乗個とすることによって、２つの受信器の受信信号を入射する合流器を用いて構成し、各受信器から最終導波路までの光路長を合わせることができる。光路長を合わせることによって、各合流器において受信信号が位相ずれすることによって生じる損失の低減が図られる。
【００９９】
図６は本発明の受信器アレイの受信器及び導波路の構成例を示している。図６Ａ，図６Ｂ，図６Ｃは２のべき乗個の受信器を用いる構成例を示している。
【０１００】
図６Ａは２個（＝２１個）の受信器１１ａ，１１ｂを用いて光受信器アレイを構成する例を示している。この構成例では、受信器１１ａの導波路端に一方の出射導波路１３ａを接続し、受信器１１ｂの導波路端に他方の出射導波路１３ａを接続すると共に位相調整器１５ａを設け、２つの出射導波路１３ａの受信信号を合流器１４ａに合流させて合波する。
【０１０１】
図５に示す構成例は、４個（＝２２個）の受信器１１ａ〜１１ｄを用いて光受信器アレイを構成している。
【０１０２】
図６Ｂは８個（＝２３個）の受信器１１ａ〜１１ｈを用いて光受信器アレイを構成する例である。この構成例では、配列方向で隣接する受信器１１ａと受信器１１ｂとをペアとし、受信信号を出射導波路１３ａを第１の合流器１４ａに合流させ、受信器１１ｃと受信器１１ｄとをペアとして受信信号を合流させ、さらに接続導波路１３ｂを第２の合流器１４ｂに合流させる。また、受信器１１ｅ〜１１ｈについても、同様の構成によって接続導波路１３ｂを第２の合流器１４ｂに合流させ、さらに、２つの接続導波路１３ｃを第２の合流器１４ｃに合流させて、最終導波路１３ｚから出力信号を出力する。
【０１０３】
図６Ｃは１６個（＝２４個）の受信器１１ａ〜１１ｐを用いて光受信器アレイを構成する例である。この構成例においても、図６Ｂの構成例と同様に、配列方向で隣接する２つの受信器をペアとし、出射導波路１３ａ、及び接続導波路１３ｂ，１３ｃを第１の合流器１４ａ、第２の合流器１４ｂ，１４ｃに合流させ、さらに、接続導波路１３ｄを第２の合流器１４ｄに合流させて最終導波路１３ｚから出力信号を出力する。
【０１０４】
受信器１１の個数を２のべき乗個とし、配列方向で隣接する受信器あるいは出射導波路、接続導波路間に合流器を配置する構成によれば、各受信器から最終導波路間において対応する区間の光路長を一致させる導波路の経路の形成が容易となり、合流器での位相ずれ及び位相ずれによる損失が抑制される。
【０１０５】
図６Ｄは受信器の個数が２のべき乗個でない場合の導波路の構成例を示している。ここで示す構成例は、配列方向で連続する３つの受信器の組（１１ａ〜１１ｃ、１１ｄ〜１１ｆ）について、出射導波路１３a1、１３a2、１３a3を第１の合流器１４ａに合流させ、２つの接続導波路１３ｂを第２の合流器１４ｂに合流させ最終導波路１３ｚから出力信号を出力する。
【０１０６】
この構成では、第１の合流器１４ａとして３×１（３入力１出力）の合流器を用いて、３つの受信器１１ａ〜１１ｃの受信信号、及び３つの受信器１１ｄ〜１１ｆの受信信号をそれぞれ合波する。ここで、第１の合流器１４ａを３つの受信器１１ａ〜１１ｃの直線配置の中心位置に配置した場合には、出射導波路１３a2の光路長は出射導波路１３a1、１３a3の光路長と異なる長さとなるため、出射導波路１３a2の光路長を調整して各光路長を一致させる。
【０１０７】
（配列ピッチｐ）
各受信器の受信用スローライト導波路端から出射される受信光の位相は、受信器の配列ピッチｐや到来する反射光の到来角Δθtによって異なり、必ずしも一致するとは限らない。
【０１０８】
図７Ａ〜図７Ｄは、同じ配列ピッチpで各受信導波路が並べられている光受信器アレイにおいて、到来する反射光が一様な角度で各受信用スローライト導波路に到来する状態を示している。
【０１０９】
図７Ａは、反射光が面垂直方向から到来する場合を示している。この場合には、受信器の導波路端の受信光の位相は全ての導波路で一致する。
【０１１０】
図７Ｂは反射光の入射角が変化し、面垂直方向から角度Δθ分ずれて到来する場合を示している。反射光の入射角が変化すると、ある受信用スローライト導波路からの光の位相が(＋)だったとき、別の受信用スローライト導波路からの光の位相が(−)という状況があり得る。このように、位相が逆相の受信光を合波すると、信号強度が互いに打ち消し合う干渉が起こり、最悪の場合には最終的に合波された受信出力の信号強度がゼロになる。
【０１１１】
図７Ｃは、さらに反射光の到来角が大きくなった状態を示している。この状態では、受信器の導波路端の受信光の位相が１波長分だけずれて、再び揃う条件が生まれる。このような状況では、再び最終的に合波された光出力が強め合う干渉を起こす。角度によってこのような状況が繰り返される。このような合波された光出力の強め合いが起こる角度のみによってライダー装置による対象物の測距を行った場合には、逆相による信号強度の打ち消しによって信号強度が減衰するという問題は解消される。
【０１１２】
図７Ｄは、角受信器の受信用スローライト導波路の受信光を合波して得られる光信号の強度と反射光の到来角Δθとの関係を示している。光信号の強度は、上記した干渉によって到来角Δθに応じてΔθrを周期として変動する。
【０１１３】
図８Ａは、強め合いの干渉が起こる角度Δθrと、受信器の配列ピッチｐとｔの関係を示している。反射光の波長をλとしたとき、受信光の光信号の強め合いが起こる条件は、次式（１）で表され、配列ピッチｐは式（２）で表される。
p・sinΔθr = λ  …（１）
p=λ/ sinΔθr    …（２）
【０１１４】
一方、送信器から放射される放射光のビームは、送信器の導波路長や伝搬損失に依存し、これらのパラメータに基づいて放射光のビームの広がり角Δθtが決まる。例えば、波長λ =１．５５μm、送信器の長さを３mmとし、伝搬光が均一に漏れ出してビームを形成したとすると、広がり角度Δθtはおよそ０．０３°である。ただし実際には導波路に構造揺らぎなどがあるので、Δθtはこれより大きくなると考えられる。ライダー装置の走査動作では、遠方の物体に対して放射光の光ビームを順次当てて、物体で反射されて戻ってくる反射光を用いて距離計測を行う。
【０１１５】
図８Ｂ，図８Ｃは走査動作において、隣り合う放射光間の角度差を説明するための図である。図８Ｂは隣り合う放射光間の角度差Δθが、ビーム広がり角Δθtよりも大きい場合を示している。この場合には、隣り合う放射光が照射する領域間に隙間が生じ、走査領域に漏れが生じる。これに対して、図８Ｃは隣り合う放射光間の角度差Δθが、ビーム広がり角Δθtと一致している場合を示している。この場合には、隣り合う放射光が照射する領域間に隙間は生じず、漏れなく走査することができる。
【０１１６】
したがって、ビーム広がり角Δθtを考慮すると、ある放射角度の光ビームと次の放射角度の光ビームの間の角度差をビーム広がり角Δθtに設定するのが好適である。
【０１１７】
さらに、この角度差Δθを、受信強度が大きくなる角度である反射光の到来角Δθrに合致させることによって、
・放射光による走査角度の好適条件である角度差Δθ=ビーム広がり角Δθtの条件
及び
・受信器における受信信号の強度の好適条件である角度差Δθ＝反射光の到来角Δθrの条件
とが共に満たされる条件（Δθt = Δθr）が得られる。このときの配列ピッチｐは式（３）で表される。
p = λ/sinΔθt  …（３）
【０１１８】
図８Ｄ〜図８Ｆは、順次放射する放射光の角度差Δθを、放射光のビーム広がり角Δθt及び反射光の到来角Δθrに一致させたときの放射光及び反射光を時系列で模式的に示している。
【０１１９】
上記式（３）において、Δθt ＝０．０３°と仮定した場合には、配列ピッチｐ＝２．９６mmとなり、例えば、総延長２．４cmの受信器の受信用スローライト導波路を８分割した受信器アレイの構成とすることができる。
【０１２０】
なお、８分割による８個の受信器の構成では、各受信器の長さが長くなるので、損失の低減効果は限定的となるおそれがある。この場合には、解像点数は低減されるが、Δθtをより大きく設定することによって配列ピッチｐを小さくし、受信器の個数を増やして信号強度を増加する構成で対応する。
【０１２１】
例えば実際に製作したスローライト導波路でΔθt =０．０５°とした場合には配列ピッチｐ＝１．７８mmとなり、総延長２．８cmの受信器を１６分割した１６個の受信器から構成する。この構成によれば、前記したように５倍の信号増強が得られる。
【０１２２】
さらに分割数を大きくして受信器の個数を増やした構成では、位相調整器を使うことで位相ずれを抑制する。例えば、図７Ｂの状態で(−)の位相で受信信号が出射される導波路に対して、位相調整器によってπの位相変化を与えれば、全て同位相の状態とすることができる。これにより、分割数を２倍に増やすことができ、光偏向器の伝搬損失が１０ｄB/cmよりも大きなときにも、受信信号を増大させることもできる。
【０１２３】
（ライダー装置の概要）
次に、図９を用いて本発明のライダー装置の概略構成について説明する。
ライダー装置５０は、本発明の光受信器アレイ１０および送信器２１を備え、送信器２１から対象物６０に放射光Ａを照射し、対象物６０で反射して戻ってくる反射光Ｂを検出する。放射光Ａの放射角を変えながら反射光Ｂを受信することによって対象物６０を走査し、対象物６０との間の距離を求める。また、ライダー装置５０と対象物６０との相対速度を求めることもできる。
【０１２４】
ライダー装置５０は、直線状に縦列配列された送信器２１と光受信器アレイ１０、及びその上方に配置されたコリメートレンズ（シリンドリカルレンズ３０）を備える。
【０１２５】
送信器２１には信号光が入射される。送信器２１に入射された信号光は、フォトニック結晶導波路の導波路コアをスローライトによって伝搬する。スローライトは、導波路コアを伝搬する間に外部に漏れ出し、対象物６０に向けて放射光Ａを放射する。放射光Ａは対象物６０で反射する。光受信器アレイ１０の各受信器１１（図示していない）は反射光Ｂを受光し、導波路コアの導波路端から検出光を出射する。
【０１２６】
送信器２１及び光受信器アレイ１０の各受信器の偏向角は、入射光の波長あるいはフォトニック結晶導波路の屈折率によって変えることができる。フォトニック結晶導波路の屈折率を可変とする屈折率可変器５６は、例えば、送信器２１及び受信器１１を構成するフォトニック結晶導波路の温度を可変とする装置で構成することができる。
【０１２７】
送信器２１に入射される信号光は、周波数が順次変化する周波数チャープ光信号を分離器５２で分離した一方の光を用いる。この光は、半導体増幅器（ＳＯＡ）５３で増幅して用いてもよい。分離器５２で分離した他方の光は、参照光として混合器５４に導入される。
【０１２８】
周波数変調器（Modulator）は、レーザ光源５７で発生したレーザ光の周波数を一定周期Ｔで線形変調して周波数チャープ光信号を発生する。信号光と参照光は、周波数チャープ光信号を分離した光であるため周波数及び位相は同一である。
【０１２９】
混合器（Mixer）５４には、参照光と共に、光受信器アレイ１０から得られた検出光が導入され、参照光と検出光とをミキシングしたビート信号を発生する。
【０１３０】
送信器２１および光受信器アレイ１０と対象物６０との間で行われる、放射光Ａと反射光Ｂの往復によって信号光には遅延が生じ、その間に参照光は周波数チャープによって徐々に周波数が変わる。混合器（Mixer）５４では、光が往復した後に受光される信号光と参照光をミキシングし、ミキシングされた光を検出する。ミキシング光によって、信号光と検出光との周波数差に応じたビート信号が検出される。混合器（Mixer）５４は、例えば、バランス型フォトダーオード５４ａを用いて、検出光と参照光の間の遅延時間に対応した周波数差のビート信号を検出する。
【０１３１】
演算部５５は、混合器５４で得たビート信号の周波数スペクトルに基づいて対象物６０との距離を求める。演算部５５は、例えば、バランス型フォトダーオード５４ａの出力信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器、及び得られたデジタル信号を演算処理するプロセッサによって構成することができる。
【０１３２】
ビート信号のビート周波数をｆb、信号光の周波数変位幅をＢ、光速をｃ、チャープ光信号の１周期の変調に要する１変調周期をＴとすると、目標との距離Ｒは以下の式（４）で表される。
Ｒ＝（ｃ×ｆb×Ｔ）／（２×Ｂ）    …（４）
【０１３３】
なお、本発明のライダー装置によって対象物との相対速度を得る場合には、周波数が増加するアップチャープ光信号を用いて得られるビート周波数ｆuと、周波数が減少するダウンチャープ光信号を用いて得られるビート周波数ｆdとを用いて、相対速度ｖは以下の式（５）で表される。なお、ｆoはチャープ光信号の中心周波数である。
ｖ＝（ｃ／４fo）×（ｆu−ｆd）      …（５）
【０１３４】
スローライト導波路光偏向器を送信器と受信器に用いたライダー装置において、導波路に現実的な損失があっても、導波路長を長くして受信面積を増やすことによって受信信号強度を高められる。
【０１３５】
結果として、ライダー装置が検出できる物体の距離を延ばすことができる。また、より短時間に反射信号を高いＳ／Ｎで検出できるので、ライダー装置が検出する物体の３次元画像をより短時間に取得でき、フレームレートを高めることができる。
【０１３６】
なお、本発明は前記各実施の形態に限定されるものではない。本発明の趣旨に基づいて種々変形することが可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【産業上の利用可能性】
【０１３７】
本発明の光偏向デバイスは、自動車，ドローン，ロボットなどに搭載することができ、パソコンやスマートフォンに搭載して周囲環境を手軽に取り込む３Ｄスキャナ、監視システム、光交換やデータセンター用の空間マトリックス光スイッチなどに適用することができる。また、光偏向デバイスを構成する高屈折率部材として可視光材料へ適用することにより、さらにプロジェクタやレーザディスプレイ、網膜ディスプレイ、２Ｄ／３Ｄプリンタ、ＰＯＳやカード読み取り等への適用が期待される。【０１３８】
この出願は、２０１７年５月３０日に出願された日本出願特願２０１７−１０６７１０を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
【符号の説明】
【０１３９】
１０    光受信器アレイ
１１，１１ａ-１１ｈ  受信器
１２    受信用スローライト導波路
１３    低損失光導波路
１３ａ    出射導波路
１３a1    出射導波路
１３a2    出射導波路
１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ    接続導波路
１３ｚ    最終導波路
１４，１４ａ，１４ｂ、１４ｃ    合流器
１５，１５ａ，１５ｂ    位相調整器
２１    送信器
２２    送信用スローライト導波路
３０    シリンドリカルレンズ
５０    ライダー装置
５２    分離器
５４    混合器
５４ａ    バランス型フォトダーオード
５５    演算部
５６    屈折率可変器
５７    レーザ光源
６０    対象物
１０１    光偏向デバイス
１０２    フォトニック結晶導波路
１０３    格子配列
１０４    シリンドリカルレンズ
１０５    高屈折率部材
１０６    低屈折率部位（円孔）
１０７    導波路コア
１０８    クラッド
１１１    受信器
１１２    受信用スローライト導波路
１２１    送信器
１２２    送信用スローライト導波路
【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６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図８Ｅ】
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【図８Ｆ】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１０Ｄ】
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【国際調査報告】
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