(57)【要約】１次元平面ビーム形成および操向光学位相アレイチップは、２次元ビーム形成および操向固体ライダの単純構築ブロックであり、複数の該チップの使用を通して、高収率および低コストにおける該ライダの製造を可能にする。製造を考慮した設計のルールに従う革新的フォトニック集積回路チップアーキテクチャは、該構築ブロックを可能にする。光学位相アレイベースの１次元ビーム形成および操向フォトニック集積回路装置は、少なくとも１つの光パワースプリッタと、少なくとも１つの光学位相シフタと、画素アレイ構成に配設された少なくとも１つの面外光学結合器とを備える。
2017521734.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学位相アレイベースの１次元ビーム形成および操向フォトニック集積回路装置であって、
少なくとも１つの光パワースプリッタと、
少なくとも１つの光学位相シフタと、
画素アレイ構成に配設された少なくとも１つの面外光学結合器と
を備える、装置。
【請求項２】
前記形成可能および操向可能ビームは、限定ではないが、
少なくとも１つのオンチップグレーティングと、
少なくとも１つのオフチップレンズと
を含む、操向方向に垂直な方向におけるスポットサイズ縮小の手段を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記少なくとも１つのオフチップレンズは、限定ではないが、
屈折レンズと、
グレーデッドインデックスレンズと、
回折光学要素と、
ホログラフィック光学要素と
を含む、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記１次元ビーム形成および操向フォトニック集積回路は、増加された操向範囲をもたらす複数の光学位相アレイを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記少なくとも１つの光パワースプリッタは、限定ではないが、
Ｙ−分岐と、
指向性結合器と、
マルチモード干渉結合器と
を含む、パワースプリッティング光学デバイスの任意のサブセットを用いて達成される、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記パワースプリッティングは、Ｙ−分岐に続いてマルチモード干渉結合器を用いて達成される、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記少なくとも１つの位相シフタは、限定ではないが、
利得要素と、
オールパスフィルタと、
ブラッググレーティングと、
分散材料と、
波長同調と、
位相同調と
を含む、位相シフト光学デバイスのサブセットを用いて制御される、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記位相同調の作動機構は、限定ではないが、
熱光学作動と、
電気光学作動と、
電気吸収作動と、
自由キャリア吸収作動と、
磁気光学作動と、
液晶作動と、
全光作動と
を含む、作動機構のサブセットを利用する、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
各画素は、それと関連付けられた独立位相シフタを有する、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
複数の前記画素は、組み合わせられた位相シフタを有することによって結束される、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
結束された画素の制御は、限定ではないが、
線形電極と、
非線形電極と、
位相オフセット電極と
のうちの１つまたは複数を含む、制御要素のサブセットを用いて達成される、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記線形、非線形、位相オフセット電極のセットからの複数の少なくとも１つのタイプの電極が存在し、複数の数で存在する電極は、
直列と、
並列と、
加法と、
減法と
のうちの少なくとも１つである様式で配置されている、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記少なくとも１つの面外光学結合器は、限定ではないが、
グレーティングと、
ホログラフィック光学要素と、
ミラーと、
全内部反射界面と、
レンズと
を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１４】
操向範囲を拡張するようにレンズ装置と組み合わせられている、請求項１に記載の装置。
【請求項１５】
前記フォトニック集積回路は、相補型金属酸化膜半導体シリコン加工プロセスに適合性がある、請求項１に記載の装置。
【請求項１６】
フォトニック集積回路装置を利用した光学位相アレイベースの１次元ビーム形成および操向のための方法であって、前記装置は、
少なくとも１つの光パワースプリッタと、
少なくとも１つの光学位相シフタと、
画素アレイ構成に配設された少なくとも１つの面外光学結合器と
を備える、方法。
【請求項１７】
前記形成可能および操向可能ビームは、限定ではないが、
少なくとも１つのオンチップグレーティングと、
少なくとも１つのオフチップレンズと
を含む、操向方向に垂直な方向におけるスポットサイズ縮小の手段を有する、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記１次元ビーム形成および操向は、複数の光学位相アレイを用いて得られる、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
各画素は、それと関連付けられた独立位相シフタを有する、請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
複数の前記画素は、組み合わせられた位相シフタを有することによって結束される、請求項１６に記載の方法。
【請求項２１】
複数の位相シフト電極は、
直列と、
並列と、
加法と、
減法と
のうちの少なくとも１つである様式で配置されている、請求項１６に記載の方法。
【請求項２２】
前記ビーム形成および操向装置は、操向範囲を拡張するようにレンズ装置と組み合わせられている、請求項１６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願への相互参照）
本出願は、２０１４年６月３０日に出願された米国特許出願第１４／３１８，７１６号に対して優先権を主張する。上記文献の内容は、参照することによって本明細書において援用される。
【０００２】
（発明の分野）
本発明は、概して、環境感知の分野に関し、より具体的には、リアルタイム３次元マッピングと、オブジェクト検出、追跡、識別、および／または分類とのための飛行時間（ＴｏＦ）ライダセンサの使用に関する。
【背景技術】
【０００３】
（発明の背景）
ライダセンサは、光検出および測距センサである。これは、ある意味において、レーザからのパルス（または代替として、変調された信号）を使用して、標的または場面を光で照射し、光子が該標的または景色まで進行し、ライダモジュール内の受信機への反射後、戻るまでにかかる時間を測定することによって、標的またはオブジェクトまでの距離を測定することができる、光学遠隔感知モジュールである。反射されたパルス（または変調された信号）は、検出され、パルス（または変調された信号）の飛行時間および強度は、それぞれ、感知されたオブジェクトの距離および反射率の測定値である。
【０００４】
従来のライダセンサは、レーザビームを走査するための機械的に移動する部分を利用する。先進運転支援システム（ＡＤＡＳ）および自律的駆動システム等の自動車用途において使用されるあるシステムを含む、いくつかのシステムでは、限定ではないが、より高いセンサ信頼性、より長いセンサ寿命時間、より小さいセンササイズ、より軽いセンサ重量、およびより軽いセンサコストを含む、種々の潜在的利点のために、固体センサを使用することが好ましい。
【０００５】
レーダ位相アレイの作成のために使用される無線周波数（ＲＦ）遅延ラインは、レーダ信号の固体操向のために、数十年前に使用されていた。検出器およびＲＦアンテナアレイと組み合わせられたフォトニック集積回路（ＰＩＣ）ベースの遅延ラインは、レーダ信号の固体操向における遅延の精度を改善するために、２０年前に使用されていた。マイクロスケールおよびナノスケールデバイスを伴うＰＩＣは、光レーザビームの固体操向のために、同調可能光学遅延ラインおよび光学アンテナを備える、学位相アレイ（ＯＰＡ）を生産するために使用されることができる。
【０００６】
今日まで生産されている光学ドメイン内の位相アレイは、複雑で、コストがかかり、および／またはビーム形成およびビーム操向と異なる目的を有する。いくつかは、空間フィルタ、光学増幅器、およびリングレーザを組み合わせ（第ＵＳ７，３３９，７２７号）、いくつかは、複数の光学入力ビームを伴い（第ＵＳ７，４０６，２２０号）、いくつかは、体積回折グレーティングおよび複数の入力方向を伴い（第ＵＳ７，４２８，１００号）、いくつかは、複数の波長のビームを組み合わせ（第ＵＳ７，４３６，５８８号）、いくつかは、光学位相基準源および利得要素を有し（第ＵＳ７，４８９，８７０号）、いくつかは、視野内の所定の面積および複数のビーム形成要素を有し（第ＵＳ７，５３２，３１１号）、いくつかは、複数の周波数および複数の光学位相基準源を有する（第ＵＳ７，５５５，２１７号）。
【０００７】
今日まで生産されている光学ドメイン内の２次元ビーム形成および操向位相アレイは、複雑な２次元画素アレイを用いて２次元で操向するため、低収率を有し、コストがかかる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第７，３３９，７２７号明細書
【特許文献２】米国特許第７，４０６，２２０号明細書
【特許文献３】米国特許第７，４２８，１００号明細書
【特許文献４】米国特許第７，４３６，５８８号明細書
【特許文献５】米国特許第７，４８９，８７０号明細書
【特許文献６】米国特許第７，５３２，３１１号明細書
【特許文献７】米国特許第７，５５５，２１７号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
（発明の要約）
１次元（１Ｄ）平面ビーム形成および操向光学位相アレイチップは、２次元（２Ｄ）ビーム形成および操向固体ライダの単純構築ブロックであり、複数の該チップの使用を通して、高収率および低コストにおける該ライダの製造を可能にする。製造を考慮した設計（ＤＦＭ）のルールに従う革新的フォトニック集積回路（ＰＩＣ）チップアーキテクチャは、該構築ブロックを可能にする。
【００１０】
以下の図面は、本発明の実施形態の例証であり、本願の一部を形成する請求項によって包含される本発明を限定することを意図するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１の概略図は、１Ｄ平面ビーム形成および操向光学位相アレイチップのスプリッティング区分を描写し、該スプリッティング区分は、１×Ｌ  Ｙ−分岐木２０に続いて、１×Ｍマルチモード干渉結合器３０を備え、１×Ｎスプリッタ（Ｌ×Ｍ＝Ｎ、例えば、８×１２８＝１０２４である）をもたらす。
【図２】図２の概略図は、１Ｄ平面ビーム形成および操向光学位相アレイチップを描写し、該チップは、レーザ１０と、Ｙ−分岐木２０およびマルチモード干渉結合器３０を備えるスプリッティング区分と、光学位相シフタ４０と、１次元画素アレイ構成に配設された面外光学結合器１２０とを備える。グレーデッドインデックス（ＧＲＩＮ）レンズ１４０が、操向方向に垂直な寸法においてスポットサイズを縮小させるために使用される。代替として、標準的幾何学的屈折レンズ、回折光学要素（ＤＯＥ）、ホログラフィック光学要素（ＨＯＥ）またはオンチップグレーティングが、該スポットサイズ縮小を達成するために使用され得る。
【図３】図３の概略図は、１Ｄ平面ビーム形成および操向光学位相アレイチップを描写し、該チップは、レーザ１０と、Ｙ−分岐木２０およびマルチモード干渉結合器３０を備えるスプリッティング区分と、プッシュプル構成での２つの群化された線形オーム加熱電極４０の形態における光学位相シフタと、面外光学結合器１２０とを備える。
【図４】図４の概略図は、１Ｄ平面ビーム形成および操向光学位相アレイチップを描写し、該チップは、レーザ１０と、Ｙ−分岐木２０およびマルチモード干渉結合器３０を備えるスプリッティング区分と、プッシュプル構成での２つの群化されたセットの線形オーム加熱電極５０の形態における光学位相シフタと、面外光学結合器１２０とを備える。
【図５】図５の概略図は、１Ｄ平面ビーム形成および操向光学位相アレイチップを描写し、該チップは、レーザ１０と、Ｙ−分岐木２０およびマルチモード干渉結合器３０を備えるスプリッティング区分と、２つの群化された線形オーム加熱電極４０の形態における光学位相シフタおよび２つの群化された非線形オーム加熱電極６０の形態における光学位相シフタ（線形および非線形加熱電極は両方とも、プッシュプル構成を取り込む）と、面外光学結合器１２０とを備える。
【図６】図６の概略図は、１Ｄ平面ビーム形成および操向光学位相アレイチップを描写し、該チップは、レーザ１０と、Ｙ−分岐木２０およびマルチモード干渉結合器３０を備えるスプリッティング区分と、２つの対の群化された線形オーム加熱電極の形態における光学位相シフタ（１つの対４０は、大まかな位相調節のために使用され、１つの対７０は、微細な位相調節のために使用され、該対の電極は両方とも、プッシュプル構成を取り込む）と、１つの位相オフセット電極８０と、面外光学結合器１２０とを備える。
【図７】図７の概略図は、１Ｄ平面ビーム形成および操向光学位相アレイチップを描写し、該チップは、レーザ１０と、Ｙ−分岐木２０およびマルチモード干渉結合器３０を備えるスプリッティング区分と、２つの対の群化された線形オーム加熱電極の形態における光学位相シフタ（各オーム加熱器は、直列の線形加熱器から成り、１つの対９０は、大まかな位相調節のために使用され、１つの対１００は、微細な位相調節のために使用され、該対の電極は両方とも、プッシュプル構成を取り込む）と、１セットの位相オフセット電極１１０と、面外光学結合器１２０とを備える。
【図８】図８の概略図は、図７の概略図に類似し、操向範囲を拡張するために使用される凹面レンズ１３０が追加される。
【図９】図９の概略図は、図７に描写される複数のフォトニック集積回路（ＰＩＣ）を備え、レーザは、２つのＰＩＣ間で共有される。代替として、各ＰＩＣは、別個のレーザが供給され得る。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（発明の詳細な説明）
ライダベースの装置および方法が、フォトニック集積回路（ＰＩＣ）を使用したレーザビームの固体操向のために使用される。統合される光学設計および加工マイクロならびにナノ技術は、画素のアレイと本質的に均一なレーザから光学信号を分布させる、チップスケールの光学スプリッタの生産のために使用され、該画素は、同調可能光学遅延ラインおよび光学アンテナを備える。該アンテナは、光の面外結合を達成する。
【００１３】
該アレイ内の該アンテナ含有画素の遅延ラインが同調されるにつれて、各アンテナは、具体的位相の光を放出し、これらの放出の干渉を通して、所望の遠距離場放射パターンを形成する。該アレイは、固体光学位相アレイ（ＯＰＡ）の機能を果たす。
【００１４】
多数のアンテナを組み込むことによって、高分解能遠距離場パターンが、ＯＰＡによって達成され、固体ライダにおいて必要とされる放射パターンビーム形成および操向だけではなく、３次元ホログラフィ、光学メモリ、光学空間分割多重化のためのモード整合、自由空間通信、および生物医学における必要に応じた恣意的放射パターンの発生をサポートすることができる。アレイからの撮像は、従来、画素の強度を通して伝送されるが、ＯＰＡは、単一源からコヒーレント光波を受信する、画素の光学位相の制御を通した撮像を可能にする。
【００１５】
１次元（１Ｄ）平面ビーム形成および操向光学位相アレイチップは、固体ライダの単純構築ブロックであり、高収率かつ低コストでライダの製造を可能にする。
【００１６】
スポットサイズの垂直寸法（すなわち、操向方向に垂直な寸法）が、少なくとも１つのオンチップグレーティングまたは少なくとも１つのオフチップレンズを用いて縮小される。
【００１７】
該オフチップレンズのタイプは、限定ではないが、
−屈折レンズ
−グレーデッドインデックス（ＧＲＩＮ）レンズ
−回折光学要素（ＤＯＥ）
−ホログラフィック光学要素（ＨＯＥ）
を含む。
【００１８】
１つまたは複数の１Ｄビーム形成および操向回路が、所望の水平視野（ＦＯＶ）または操向範囲を達成するために使用されることができる。
【００１９】
ビームスプリッティングは、限定ではないが、
−Ｙ−分岐
−指向性結合器
−マルチモード干渉（ＭＭＩ）結合器
を含む、ビームスプリッティング光学デバイスの任意のサブセットを用いて達成される。
【００２０】
ビームスプリッティングのための好ましい実施形態は、Ｙ−分岐スプリッタに続いて、ＭＭＩ結合器を備える。
【００２１】
位相シフトは、限定ではないが、
−利得要素
−オールパスフィルタ
−ブラッググレーティング
−分散材料
−波長同調
−位相同調
を含む、位相シフト光学デバイスの任意のサブセットを用いて制御される。
【００２２】
位相同調が使用されるとき、作動機構が、該遅延ラインを同調させるために使用され、該光学スプリッタは、同調可能であるとき、限定ではないが、
−熱光学作動
−電気光学作動
−電気吸収作動
−自由キャリア吸収作動
−磁気光学作動
−液晶作動
−全光作動
を含む、種々の機構のいずれかであることができる。
【００２３】
各画素は、遠距離場放射パターンの最大柔軟性および最適制御のために独立位相制御を有することができ、または群化（時として、結束と呼ばれる）が、設計の簡略化、加工、試験、制御、および動作のための１つの制御信号を用いて、位相同調を複数の画素に提供するために使用されることができる。
【００２４】
群化された位相シフトは、
−１つまたは複数の線形（三角形）電極−直列または並列；同じまたは大まかなおよび微細な調節電極
−１つまたは複数の非線形（準線形または超線形）電極−直列または並列；同じまたは大まかなおよび微細な調節電極
の任意のサブセットを用いて制御される。
【００２５】
多角形形状（例えば、長方形）の１つまたは複数の位相オフセット電極−直列または並列；同じまたは大まかなおよび微細な調節電極−加法または減法；プッシュプッシュまたはプッシュプル構成。
【００２６】
光学アンテナは、限定ではないが、
−グレーティング
−ホログラフィック光学要素（ＨＯＥ）
−ミラー
−全内部反射（ＴＩＲ）界面
−レンズ
を含む、ＰＩＣの平面外で光を結合し得る、種々のナノ構造のいずれかであることができる。
【００２７】
ＯＰＡ  ＰＩＣを含有するチップは、好ましくは、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）プロセスに適合性がある。
【図１】
2017521734.tif 000003
【図２】
2017521734.tif 000004
【図３】
2017521734.tif 000005
【図４】
2017521734.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
2017521734.tif 000009
【図８】
2017521734.tif 000010
【図９】
2017521734.tif 000011
【国際調査報告】
2017521734.tif 000012
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