小型化・低消費電力な光フェイズド
アレイレーザビームスキャナ
早稲田大学 理工学術院先進理工学研究科
物理及応用物理学専攻
教授 北 智洋
2022年11月22日

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レーザビームスキャナ
機械的ビームスキャン
・すでに多くの製品化
・装置の大型化
・可動部分の耐久性に難ポリゴンミラーを用いたビームスキャン

光フェーズドアレイを用いた非機械式ビームスキャン
・機械的動作部品が無いので小型、高耐久性
・電気的に導波路間の位相差を制御しているため大消費電力 (約 3-10 W [1-2])

位相シフタ[1] J. K. Doylend, et al., Opt. Exp. 19, 21595-21604 (2011).
[2] D. N. Hutchison, et al., Optica 3, 887-890 (2016).

光フェーズドアレイを用いた非機械式ビームスキャン方法2

光フェーズドアレイを用いた非機械式ビームスキャナ
シリコンフォトニクスを用いた光フェーズドアレイは非常に小型で非機械式のビームスキャンが可能[1] J. K. Doylend, et al., Opt. Exp. 19,21595-21604 (2011).
[2] D. N. Hutchison, et al., Optica 3,887-890 (2016).

電気式位相シフタ
１個あたりの消費電力数mW～数十mW

光フェーズドアレイの解像点数はアンテナ数に比例⇒高解像度な大規模光フェーズドアレイでは位相シフタだけで数Wの電力を消費

シリコンフォトニクスを用いて小型・低消費電力な非機械式ビームスキャナを実現
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波長掃引型光フェーズドアレイ

𝜽𝒙 𝜽𝒚 ともに波長に依存↓
波長掃引によって二次元的なビームスキャン
アレイ導波路回折格子(AWG)による𝜃𝑥 の変化

𝑛𝑒𝑓𝑓,𝐴𝑊𝐺 ∆𝐿 − 𝑑 sin 𝜃𝑥 = 𝑚𝜆ブラッグ回折格子による𝜃𝑦 の変化

𝑛𝑒𝑓𝑓,𝑔𝑟 Λ − Λ sin 𝜃𝑦 = 𝑛𝜆波長によって出射角を制御できるので位相シフタに要する電力はゼロ[3] K. V. Acoleyen, et al., IEEE Photon. Tech. Lett. 23, 1270-1272, (2011).

4波長掃引型光フェーズドアレイ
波長と出射角度の関係(シミュレーション)
パラメータ
波長𝜆：1500 ~ 1600 nm (step：0.25 nm)
アンテナ間隔 𝑑：2.069 μm
経路長差 Δ𝐿：79.702 μm(→FSR： 1.00 THz)
アレイ導波路回折格子のチャンネル数：64
ブラッグ回折格子のピッチ Λ：0.9 μm
ブラッグ回折格子の格子数：50

スキャン範囲
44.0 °(𝜃𝑥 )×14.1 °(𝜃𝑦 )波長掃引のみによって二次元的に出射角度を制御
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シリコン光導波路の製造誤差の影響
シリコン導波路の導波路幅の製造誤差の標準偏差1.7 nm→光導波路の屈折率に影響を与える

440 nm(W) × 220 nm(H) 導波路の実効屈折率の製造誤差依存性

導波路幅と実効屈折率の誤差の関係∆𝑛𝑒𝑓𝑓

導波路幅を大きくすることで誤差の影響を低減できる
幅440 nm × 高さ220 nm 導波路 : 𝝈 of ∆𝒏𝒆𝒇𝒇 is 4 × 10-3
幅3.2 μm × 高さ220 nm 導波路 : 𝝈 of ∆𝒏𝒆𝒇𝒇 is 1 × 10-56

製造誤差の影響の低減
出射ビームの形状(シミュレーション)

幅：440 nm

幅：3.2 μm
理想的な場合3.2 μm幅のシリコン導波路
によってアレイ導波路回折格子を構成する事で収束したビーム形成

height：220 nm

Beam forming in 64-ch. OPA
7実測結果スキャン範囲:43.9°×13.5° ビーム幅:0.534°×2.27°
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ハイブリッド波長可変レーザ
光増幅チップとシリコンフォトニクスチップを結合する事で任意の波長のレーザ光を出力可能[4]シリコンチップ内に形成した二つのリング共振器のバーニア効果によって単一のモードを選択

リング共振器上のマイクロヒータ→ レーザ発振波長をコントロール

波長可変レーザも集積化した
1チップレーザビームスキャナ[4] T. Kita, et al., IEEE J. Sel. Top. Quant. Electron., 22 23-34, (2016).

9波長可変レーザの特性
64ch. OPA

波長可変レーザ

DC×3LDController

OSA

1 mm

Control Ring1

Control two Rings

サイドモード抑圧比>30dB, 波長可変範囲60nm以上
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実測結果

波長掃引(ビームスキャン)に要する消費電力: 65 mW
11電気的な位相シフタを用いた先行研究との比較
[1]

[2]

[5]

[6]

本研究

アンテナ一つ当たりの消費電力(mW/ch.)215(TO)

80(TO)

160(EO)

12(TO)

1.02(TO)

アンテナ数

16128

325064

総消費電力(mW)

3440

10240

5120

600

65

[1] J. K. Doylend, et al., Opt. Exp. 19,21595-21604 (2011).
[2] D. N. Hutchison, et al., Optica 3,887-890 (2016).

[5] J. C. Hulme, et al., Opt. Exp. 23,6509-6519 (2015).
[6] C. V. Poulton, et al., Opt. Lett. 42,4091-4094 (2017).

TO = thermo-optical effect
EO = electro-optical effect・ビームスキャンに要する電力数十分の一・ アンテナ数を増やしても消費電力は変化しない→アンテナ数の多い大規模フェーズドアレイにするほど低消費電力化
12先行研究の1チップビームスキャナとの比較
[5]

本技術

[5] J. C. Hulme, et al., Opt. Exp. 23, 6509-6519 (2015).

デバイスサイズ: 11.5 mm × 6 mm
𝜆 tunable range : 34.5 nm
FOV : 23 ° × 3.6 °Beam width* : 1 ° × 0.6 °
アンテナ数: 32
解像点数 : 138
消費電力: 5120 mW
FOM : 0.0270
resolution point
性能指数FOM =power consumption

デバイスサイズ: 5 mm × 1.5 mm
𝜆 tunable range : 64.4 nm
FOV : 43.9 ° × 9.54 °Beam width : 0.534 ° × 2.27 °アンテナ数: 64
解像点数 : 328
消費電力: 65 mW
FOM : 5.05
* : Beam width is not well defined in [5]13想定される用途• 小型かつ低消費電力な本技術は自動運転用のLiDAR用のビームスキャナに最適• 小型・低消費電力なLiDARの用途は、自動運転以外にもドローン、工作機械用のセンサーなどにも応用可能

14実用化に向けた課題• 波長、出射方向の制御方法及び解像点数の増加について検討が必要• 実用化に向けて、波長制御の手法を確立する
必要• 𝜃𝑦 方向にビームをコリメートする光学系の導入が必要

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企業への期待• 未解決の𝜃𝑦 方向のビームコリメートは、シリンドリカルレンズ、波長制御手法についてはFPGA等を用いた電子回路により克服できると考えている。
• レンズ設計、電子回路設計の技術を持つ、企業との共同研究を希望。
• また、LiDARを開発中の企業は、本技術の導入が有効と思われる。
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本技術に関する知的財産権• 発明の名称 ：レーザビームスキャナ• 出願番号 ：特願2021-001760• 出願人：早稲田大学
• 発明者
：北 智洋

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産学連携の経歴• 2012年-2016年 日本電気株式会社と共同研究実施• 2013年-2014年 JST A-step (シーズ顕在化)に採択• 2015年-2016年 JST A-step (シーズ育成)に採択• 2018年-2021年 株式会社デンソーと共同研究実施

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お問い合わせ先
早稲田大学
リサーチイノベーションセンター
知財・研究連携支援セクション（承認ＴＬＯ）
ＴＥＬ ０３－５２８６ － ９８６７
ＦＡＸ ０３－５２８６ － ８３７４
e-mail contact-tlo@list.waseda.jp

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