(57)【要約】装置は、光を受け取るための導波管入力部を有する。光学スプリッタが、導波管入力部に接続され、分裂信号を形成する。導波管のアレイが、分裂信号を受け取る。位相同調領域が、導波管のアレイを包囲するクラッディング内に電極を含む。位相同調領域は、電場を電極に印加し、位相差分裂信号を導波管のアレイ内にもたらす、位相同調制御回路の制御下、電気光学効果をもたらす。出力アレイ導波管が、位相差分裂信号間の相対的位相差に基づいて、位相差分裂信号を操向ビームとして放出する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
装置であって、
光を受け取るための導波管入力部と、
前記導波管入力部に接続され、分裂信号を形成するための光学スプリッタと、
前記分裂信号を受け取るための導波管のアレイと、
前記導波管のアレイを包囲するクラッディング内に電極を含む位相同調領域であって、前記位相同調領域は、電場を前記電極に印加し、位相差分裂信号を前記導波管のアレイ内にもたらす、位相同調制御回路の制御下、電気光学効果をもたらす、位相同調領域と、
前記位相差分裂信号間の相対的位相差に基づいて、前記位相差分裂信号を操向ビームとして放出するための出力アレイ導波管と
を備える、装置。
【請求項２】
前記位相同調領域内の導波管間隔は、前記分裂信号の動作波長より大きい規模である、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記出力アレイ導波管の間隔は、前記位相同調領域内の導波管間隔より実質的に小さい、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記操向ビームは、約５０度以上の操向角度を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記操向ビームは、実質的に１度未満の発散角度を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記電極は、金属である、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記電極は、高度にドープされたシリコンである、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記クラッディングおよび前記導波管のアレイは、電気光学材料から作製される、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記クラッディングは、窒化アルミニウムから作製され、前記導波管のアレイは、窒化アルミニウムより大きい屈折率を伴う材料から作製される、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記クラッディングは、窒化ガリウムから作製され、前記導波管のアレイは、窒化ガリウムより大きい屈折率を伴う材料から作製される、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記導波管のアレイは、窒化アルミニウムから作製される、請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
前記導波管のアレイは、窒化ガリウムから作製される、請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
前記導波管のアレイは、窒化アルミニウムと窒化ガリウムの混合物である、請求項１に記載の装置。
【請求項１４】
シリコン基板をさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１５】
前記光を発生させるための統合された光源をさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１６】
統合された面外構成要素をさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１７】
前記統合された面外構成要素は、格子を含む、請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記統合された面外構成要素は、角度付けられたミラーを含む、請求項１６に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本願は、２０１６年１１月３日に出願された米国特許出願第１５／３４２，９５８号に対する優先権を主張するものであり、該米国特許出願の内容は、参照により本明細書中に援用される。
【０００２】
本発明は、飛行時間（ＴｏＦ）ＬＩＤＡＲセンサを使用した環境感知の分野に関する。より具体的には、本発明は、電気光学ビーム操向を伴う低コストかつコンパクトな光学位相アレイＴｏＦ  ＬＩＤＡＲセンサである。
【背景技術】
【０００３】
光学位相アレイ（ＯＰＡ）が、小ビーム（例えば、レーザビーム）を操作するために研究されている。ＯＰＡは、十分に開発された無線周波数（ＲＦ）対応物の進化を表す。いくつかのグループが、液晶（ＬＣ）、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）、および光学導波管デバイス等の種々の技術に基づいて、光学位相アレイを研究している。
【０００４】
ＯＰＡの１つの用途は、自動車部品のための光検出および測距（ＬＩＤＡＲ）センサである。例えば、車上に位置付けられるＬＩＤＡＲセンサは、移動中、その周囲の物体の情報を収集する。収集された情報は、車の周囲のライブイベントを特性評価する。ＬＩＤＡＲセンサが、５０度以上等の広い走査角度を操向することが望ましい一方、発散角度は、ビーム走査のスポットサイズを最小限にするために小さくある必要がある（例えば、１ｍｒａｄのオーダー）。また、本タイプのセンサは、自動車外観を阻害しないように十分にコンパクトであることが望ましい。好ましくは、センサと関連付けられた可動部品は、存在しない。さらに、自動車用途のための任意のデバイスは、最小限の電力消費および低コストを要求する。
【０００５】
ＯＰＡを実現するための１つの方法は、ビームが導波管内に閉じ込められる、平面光波回路（ＰＬＣ）に基づく。米国特許第５，２３３，６７３号は、ニオブ酸リチウムを使用する、電気光学材料を開示する。本設計は、レーザ光が１つ／複数のスプリッタの中に結合される、入力導波管と、位相が制御される、出力導波管のアレイとに基づく。本設計は、出力導波管のアレイにおけるチャネル間隔が限定されるため、操向角度の観点から、実践的限界を有する。すなわち、比較的に大きい出力チャネル間隔が、電気クロストークを最小限にするために要求される。また、ニオブ酸リチウム導波管は、大量製造および全体的コストの観点から、最良アプローチではない場合がある。
【０００６】
シリコン導波管チップに基づく光学位相アレイが、公知である。これらの設計は、レーザ光が１つ／複数のスプリッタの中に結合される、入力導波管と、移相器と、光を面外に放出する、格子結合器のアレイとに基づく。位相同調の場所は、出力導波管のアレイから分離されており、これは、狭いチャネル間隔、同等に、最大５１ｏのより広い操向角度を達成することを可能にする。また、低製造コストが、相補的金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）プロセスの使用を通して得られる。しかしながら、これらの技法は、加熱器を使用して、相対的位相差を導波管のアレイ間に生成する。すなわち、ビーム操向は、チャネル毎に、加熱器電力を要求する。したがって、本技法は、熱管理を要求する。加えて、全体的電力消費は、自動車用途では困難であり得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第５，２３３，６７３号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
装置は、光を受け取るための導波管入力部を有する。光学スプリッタが、導波管入力部に接続され、分裂信号を形成する。導波管のアレイが、分裂信号を受け取る。位相同調領域が、導波管のアレイを包囲するクラッディング内に電極を含む。位相同調領域は、電場を電極に印加し、位相差分裂信号を導波管のアレイ内にもたらす、位相同調制御回路の制御下、電気光学効果をもたらす。出力アレイ導波管が、位相差分裂信号間の相対的位相差に基づいて、位相差分裂信号を操向ビームとして放出する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
本発明は、付随の図面と関連して検討される以下の発明を実施するための形態と併せて、より完全に理解される。
【００１０】
【図１】図１は、本発明のある実施形態に従って構成される、光学位相アレイの上面図である。
【図２】図２は、本発明のある実施形態に従って構成される、光学位相アレイの断面図である。
【図３】図３は、本発明のある実施形態に従って構成される、光学位相アレイの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
同様の参照番号は、図面のいくつかの図全体を通して対応する部品を指す。
【００１２】
図１の概略図は、光学位相アレイの上面図を描写する。これは、外部源からの光が結合される、導波管入力部１１を伴う、基板１０に基づく。代替として、統合された光源が、光を発生させるために使用されてもよい。光は、１つ以上のスプリッタ１２によって分裂され、分裂信号を形成する。導波管のアレイが、分裂信号を受け取る。導波管のアレイは、位相同調領域１３を含み、これは、電極１４および１５を含む。電極１４および１５は、位相同調制御回路１３’に基づく電気光学効果を被る。
【００１３】
位相同調領域１３では、導波管間隔が、電極およびトレンチ等のデバイス要素が領域内に加工され得るように選択される。また、＞１０μｍ等の大導波管間隔も、導波管のアレイ内の電気的に関連するクロストークを最小限にするために設計される。したがって、位相同調領域内の導波管間隔は、分裂信号の動作波長より大きい規模である。
【００１４】
位相同調領域１３を通して進行する光は、出力導波管１６のアレイに送達される。出力導波管１６の導波管間隔は、最大ビーム操向角度を画定するように選択される。出力導波管間隔は、典型的には、可能な限り小さくあるように設計され、デバイスのために可能にされる最大光学結合に基づいて選択される。したがって、出力アレイ導波管１６の間隔は、位相同調領域１３内の導波管間隔より実質的に小さい。
【００１５】
出力ビーム１７は、出力導波管１６間の相対的位相差に基づいて操向される。より具体的には、位相同調領域１３は、電場を電極１４、１５に印加し、位相差分裂信号を導波管のアレイ内にもたらす、位相同調制御回路１３’の制御下、電気光学効果をもたらす。出力アレイ導波管１６は、位相差分裂信号間の相対的位相差に基づいて、位相差分裂信号を操向ビームとして放出する。
【００１６】
図２の概略図は、コア層としての窒化アルミニウム（または窒化ガリウム）２１の場合の位相同調領域１３における光学位相アレイチップ１０の側面図を描写する。窒化アルミニウムは、クラッディング層２２、典型的には、二酸化ケイ素によって包囲される。典型的には、アルミニウムまたは高度にドープされたシリコンから作製される、電極１４および１５は、コア層２１を横断して電場を生成するように堆積される。窒化アルミニウムは、誘電テンソルを有し、これは、電場の配向に基づいて、屈折率変化を生成する。電場の方向は、電極を横断して最大電圧等の限定された動作範囲内に十分に大きい屈折率変化を生成するように選定される。層は、基板２３上に加工され、これは、典型的には、シリコンであるように選定される。
【００１７】
図３の概略図は、窒化アルミニウム（または窒化ガリウム）のクラッディング層３１の場合の位相同調領域１３における光学位相アレイチップ１０の側面図を描写する。コア層３２は、窒化アルミニウム（または窒化ガリウム）より高い屈折率を有するように設計される。電極１４および１５は、コア層３２を横断して電場を生成するように堆積される。電場は、導波管３２を通して伝搬する誘導モードの位相に影響を及ぼす屈折率変化をクラッディング層３１内に生成する。層は、基板３３上に加工され、これは、典型的には、シリコンであるように選定される。
【００１８】
開示される構造は、光学ビーム操向デバイスであって、これは、出力導波管間の相対的位相差に基づいて操向される、複数のビームを形成する。設計は、デバイスが、コンパクトであって、可動部品を有しないように、フォトニック集積回路（ＰＩＣ）上の光学位相アレイに基づく。有利には、電気光学効果は、相対的位相差を導波管のアレイ内で生成するために使用される先行技術の加熱器のように、熱管理問題を引き起こさない。先行技術の加熱器は、比較的に大電力消費（例えば、１ワット以上のオーダー）をもたらすが、開示されるデバイスは、最小限の電力消費（例えば、実質的に１ワット未満）を有する。
【００１９】
光学位相アレイに基づく操向の概念は、ＲＦアンテナに基づく操向に類似する。ビームは、導波管のアレイから形成され、各導波管内の光間の相対的位相差に基づいて、導波管のアレイに沿って操向される。主ビームの最大操向角度および発散角度は、以下によって表される。
【化１】
2019534480.tif 000003
【００２０】
式中、Ｎは、出力導波管の数であって、ｄは、導波管のチャネル間隔である。また、操向ビームの数（−０．５θｓｔｅｅｒ内で操向する主ビームであって、０．５θｓｔｅｅｒおよびより高次のビームは、主ビームからθｓｔｅｅｒだけ偏移される）は、導波管内のモードフィールド径の導波管間隔に対する比に密接に関連し、１より大きいことに留意されたい。全体として、導波管のアレイに沿って光学位相アレイを実現するための設計は、導波管間隔、アレイ導波管の数、および各導波管のモードフィールド径を適切に選定することによって行われることができる。
【００２１】
シリコン導波管は、これらのデバイスが低コストＣＭＯＳ互換性プロセスを用いて加工され得るため、魅力的である。これらのＯＰＡは、熱光学同調を伴う１６の出力導波管を用いて実証されている。発散角度を改良するために、各導波管の位相が制御され得る、より多数の出力導波管が、必要である。熱光学同調は、シリコン基板の近傍およびその上の熱を散逸させ、これは、デバイス動作を妨害し得る。加えて、熱光学同調は、電力消費を増加させる。その結果、１６の出力導波管からの規模拡大能力は、限定される。
【００２２】
これらの限界を克服するために、開示される技術は、ＣＭＯＳ互換性プロセスを用いて加工され得る、電気光学材料を選定する。一実施例は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）である。窒化アルミニウムは、位相同調のために一般に使用される他の半導体材料に匹敵する、線形電気光学係数を有し、二酸化ケイ素等のＣＭＯＳ互換性材料上に成長されることができる。結晶化窒化アルミニウムは、単軸材料であって、典型的には、光学軸が、面外にあって、面内等方性を伴うように成長される。この場合、ｒ１３および／またはｒ３３の電気光学係数および面外電場が、屈折率変化を達成するために使用されることができる。屈折率変化は、以下のように表され得る。
【化２】
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【００２３】
式中、ｎｏは、電場の不在下の屈折率であって、ｒは、電気光学係数（偏光に応じてｒ１３またはｒ３３）であって、Ｅｚは、電気光学材料を横断した電場である。
【００２４】
図１に戻ると、開示されるのは、入力レーザパルスを外部光源から受け入れる、入力導波管１１を伴う、基板１０上のＰＩＣである。入力導波管１１からの光は、１×Ｎ個の分割区分１２の中に進み、そこで光は、Ｎ個の導波管の中に分裂される。位相同調区分１３は、所望のビーム操向が達成されるように、Ｎ個の導波管のための位相偏移を生成する。同調は、電気光学材料から作製される導波管を横断して延設される、一対の電極１４および１５に基づいて生じ得る。Ｎ個の導波管からの位相同調光は、Ｎ個の導波管間の相対的位相差に基づく操向角度を伴って、１６から出射する。各導波管の位相同調は、出力導波管１６から物理的に分離されるため、出力導波管の導波管間隔は、位相同調のために必要とされる電極１４および１５等の要素によって限定されない。したがって、広範囲の操向角度が、本発明を用いて利用可能である。出力ビーム１７は、導波管１６間の相対的位相差によって決定された角度で操向される。格子１８または角度付けられたミラー１９等の統合された面外構成要素が、出力ビーム１７のために使用されてもよい。
【００２５】
図２は、位相同調区分１３における本発明の側面図を描写する。電気光学材料としておよび導波管コア２１としての窒化アルミニウムの場合、導波管構造は、電場が垂直方向に生成されるであろうように設計されることができる。電気光学導波管２１は、一対の電極１４および１５によって挟まれる。クラッディング２２は、コア材料および電極１４、１５の両方の堆積を可能にする、材料である。クラッディング２２のための典型的材料は、二酸化ケイ素である。ＣＭＯＳプロセスに基づくデバイスに関して、基板２３は、シリコンである一方、電極１４および１５は、アルミニウム、高度にドープされたシリコン、または任意の他の加工互換性金属であることができる。
【００２６】
図３もまた、位相同調区分１３における本発明の側面図を描写する。電気光学材料が、クラッディング３１として使用される。伝搬モードは、コア層を越えて延在するため、コアに近接する電気光学効果は、モード伝搬、同等に、その位相に影響を及ぼすであろう。コア３２は、電気光学材料から作製される必要はないが、クラッディング３１のものより大きい屈折率を有する必要がある。コア材料の実施例は、二酸化チタンである。電極１４および１５は、コア層３２を横断して設置される。基板３３は、シリコンから形成されてもよい。
【００２７】
前述の説明は、説明の目的のために、具体的命名法を使用して、本発明の完全な理解を提供している。しかしながら、具体的詳細は、本発明を実践するために要求されないことが、当業者に明白となるであろう。したがって、本発明の具体的実施形態の前述の説明は、例証目的および説明のために提示される。それらは、包括的である、または本発明を開示される精密な形態に限定することを意図するものではない。明らかに、多くの修正および変形例が、上記の教示に照らして可能性として考えられる。実施形態は、本発明の原理およびその実践的用途を最良に説明するために選定および説明されており、それによって、当業者が本発明および検討される特定の使用に好適であるような種々の修正を伴う種々の実施形態を最良に利用することを可能にする。以下の請求項およびその均等物が、本発明の範囲を定義することが意図される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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