特開 2022-70238 集積フォトニクスエアデータシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022070238

(43)【公開日】2022-05-12

(54)【発明の名称】集積フォトニクスエアデータシステム

(51)【国際特許分類】

   G01S 7/481 20060101AFI20220502BHJP

   G01S 17/933 20200101ALI20220502BHJP

【ＦＩ】

G01S7/481 A

G01S17/933

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2021174557

(22)【出願日】2021-10-26

(31)【優先権主張番号】17/080,102

(32)【優先日】2020-10-26

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(71)【出願人】

【識別番号】500575824

【氏名又は名称】ハネウェル・インターナショナル・インコーポレーテッド

【氏名又は名称原語表記】Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｃ．

(74)【代理人】

【識別番号】100118902

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 修

(74)【代理人】

【識別番号】100106208

【弁理士】

【氏名又は名称】宮前 徹

(74)【代理人】

【識別番号】100196508

【弁理士】

【氏名又は名称】松尾 淳一

(74)【代理人】

【識別番号】100147991

【弁理士】

【氏名又は名称】鳥居 健一

(72)【発明者】

【氏名】マシュー・ウェイド・プケット

(72)【発明者】

【氏名】スティーブン・ティン

(72)【発明者】

【氏名】チャド・ファーティグ

【テーマコード（参考）】

5J084

【Ｆターム（参考）】

5J084AA05

5J084AA07

5J084AA09

5J084AB08

5J084AC04

5J084BA03

5J084BB18

5J084BB20

5J084BB31

5J084BB34

5J084BB40

5J084CA33

5J084EA31

(57)【要約】      （修正有）

【課題】集積フォトニクスエアデータシステムを提供する。
【解決手段】レーザー源１０４からの光ビームは、任意の所与の時間に複数の放射格子カプラのうちの１つに光ビームを伝送するように、動作する複数の調整可能な光学フィルタ１０６に送られる。調整可能な光学フィルタは、光ビームが放射格子カプラの各々から異なる時間に対象領域内に放射されるように構成されている。受動光学フィルタアレイは、放射された光ビームから散乱光を受信するように構成されている。受動光学フィルタアレイは、互いに光学的に連通しており、周波数選択のために動作する複数の光学ノッチフィルタと、各々が光学ノッチフィルタのうちの１つの出力にそれぞれ結合された複数の光学検出器１０８と、を備える。受動光学フィルタアレイは、受信された散乱光の周波数スペクトル分解を複数の信号に実行するように動作する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

集積フォトニクスチップであって、
フォトニクス子基材と、
前記フォトニクス基材に動作可能に結合されたレーザー源であって、光ビームを放射するように動作する、前記レーザー源と、
前記フォトニクス基材上の複数の調整可能な光学フィルタであって、前記調整可能な光学フィルタが、互いに、および前記レーザー源と光学的に連通している、光学フィルタと、
前記フォトニクス基材上の複数の放射格子カプラで、各々が前記調整可能な光学フィルタのうちの１つの出力にそれぞれ結合された、前記放射格子カプラであって、各放射格子カプラが、前記それぞれの調整可能な光学フィルタの前記出力から受信された前記光ビームを異なる方向における対象領域内に放射するように構成されている、放射格子カプラと、
前記フォトニクス基材上の少なくとも１つの受信格子カプラであって、前記対象領域から散乱光を受信するように構成された、少なくとも１つの受信格子カプラと、
前記フォトニクス基板上で、前記受信格子カプラと光学的に連通している、受動光学フィルタアレイであって、前記受信格子カプラからの前記散乱光を受信するように構成された、前記受動光学フィルタアレイと、を備え、前記受動光学フィルタアレイが、周波数選択のために動作する複数の光学ノッチフィルタと、各々が前記光学ノッチフィルタのうちの１つの出力にそれぞれ結合された複数の光学的検出器とを備え、前記光学ノッチフィルタの各々が、対応する波長範囲で前記受信された散乱光を前記光学検出器のそれぞれの１つに通過させるように構成されており、各対応する波長範囲が、別個であり、前記受動光学フィルタアレイが、前記受信された散乱光の複数の信号への周波数スペクトル分解を実行するように動作し、
前記レーザー源から放射された前記光ビームが、前記光ビームが前記放射格子カプラの各々から異なる時間で前記対象領域内に放射されるように、任意の所与の時間で前記放射格子カプラのうちの１つへの前記光ビームの伝送を可能にするように動作する、１つ以上の前記調整可能な光学フィルタに送られる、集積フォトニクスチップ。

【請求項2】

前記複数の調整可能な光学フィルタに結合された複数のマイクロヒータを更に備え、前記複数のマイクロヒータが、それぞれの調整可能な光学フィルタの共振周波数が前記レーザー源の共振周波数と一致するように、前記複数の調整可能な光学フィルタを加熱するように構成されている、請求項１に記載の集積フォトニクスチップ。

【請求項3】

前記複数のマイクロヒータに結合されたコントローラを更に備え、前記コントローラが、１つのマイクロヒータのみが一定の期間に活動的にさせられるように、各マイクロヒータを選択的に活動的に、または非活動的にさせるように構成されている、請求項２に記載の集積フォトニクスチップ。

【発明の詳細な説明】

【背景技術】

【0001】

光検出と測距（ライダー（lidar））システムなどの光学検出システムは、周囲環境におけるエアデータの分析に有効である。多くの場合、これらのライダーシステムは、航空機などの乗り物に実装され、乗り物が動いて進む際に乗り物の操作者を支援することができる様々なエアデータパラメータに、エアデータ測定値を変換するのに有用である。

【0002】

ライダーシステムは、様々な対象領域における光ビームを乗り物から外向きに放射することによって動作する。放射された光ビームが環境内の異常と衝突すると、光は、ミー（Mie）およびレイリー（Raleigh）散乱の原理と一貫して散乱されている。次いで、後方散乱光は、ライダーシステムによって検出されることができ、周囲環境についての関連情報を決定するために、放射光と後方散乱光との差（例えば、周波数シフト）は、分析される。

【発明の概要】

【0003】

一実施形態では、集積フォトニクスチップが提供される。集積フォトニクスチップは、フォトニクス基材と、フォトニクス基材に動作可能に結合されたレーザー源とを備える。レーザー源は、光ビームを放射するように動作する。集積フォトニクスチップは、フォトニクス基材上に複数の調整可能な光学フィルタを更に備え、このフォトニクス基材では、調整可能な光学フィルタが、互いに、およびにレーザー源と光学的に連通している。集積フォトニクスチップは、フォトニクス基材上に複数の放射格子カプラを更に備える。放射格子カプラは、各々が調整可能な光学フィルタのうちの１つの出力にそれぞれ結合される。各放射格子カプラは、それぞれの調整可能な光学フィルタの出力から受信された光ビームを、異なる方向に対象領域内に放射するように構成されている。集積フォトニクスチップは、フォトニクス基材上に少なくとも１つの受信格子カプラを更に備え、このフォトニクス基材では、受信格子カプラが、対象領域から散乱光を受信するように構成されている。集積フォトニクスチップは、フォトニクス基材上で、受信格子カプラと光学的に連通している、受動光学フィルタアレイを更に備える。受動光学フィルタアレイは、受信格子カプラから散乱光を受信するように構成されている。受動光学フィルタアレイは、周波数選択のために動作する複数の光学ノッチフィルタと、各々が光学ノッチフィルタのうちの１つの出力にそれぞれ結合された複数の光学検出器と、を備える。光学ノッチフィルタの各々は、受信された散乱光を対応する波長範囲で光学検出器のそれぞれ１つに通過させるように構成され、この光学検出器では、各々の対応する波長範囲が、別個である。受動光学フィルタアレイは、受信された散乱光の周波数スペクトル分解を複数の信号に実行するように動作する。レーザー源から放射された光ビームは、光ビームが放射格子カプラの各々から異なる時間で対象領域内に放射されるように、任意の所与の時間で放射格子カプラのうちの１つへの光ビームの伝送を可能にするように動作する、１つ以上の調整可能な光学フィルタに送られる。

【図面の簡単な説明】

【0004】

本開示の例示的な特徴、その性質、および様々な利点は、添付の図面および様々な実施形態の以下の詳細な記載から明らかになるであろう。非限定的および非網羅的な実施形態は、添付の図面を参照して記載されており、同様のラベルまたは参照番号が、特に指定されない限り、様々な図面全体にわたって同様の部分を指す。図面中の要素のサイズおよび相対位置は、必ずしも縮尺どおりに描かれていない。例えば、様々な要素の形状は、図面の可読性を改善するように選択、拡大、および配置される。描かれている要素の特定の形状は、図面における認識を容易にするために選択されている。１つ以上の実施形態は、以下における添付の図面を参照して、記載されている。

【0005】

【図1】１つ以上の実施形態に記載されるような、放射された信号に基づいてエアデータパラメータを測定するように構成された光学エアデータシステムの概略斜視図である。

【0006】

【図2】１つ以上の実施形態に記載されるような、複数の調整可能な光学フィルタおよび光学フィルタアレイを含む光学エアデータシステムの概略上面図である。

【0007】

【図3】１つ以上の実施形態に記載されるような、３つの調整可能な光学フィルタの時間当たりの電圧出力を示す図である。

【0008】

【図4】１つ以上の実施形態に記載されるような、受信された後方散乱信号の周波数当たりの信号強度を示すグラフである。

【0009】

【図5A】１つ以上の実施形態に記載されるような、光学ノッチフィルタの概略斜視図である。

【0010】

【図5B】図５Ａの光学ノッチフィルタの一部分の拡大上面図である。

【0011】

【図5C】図５Ａの光学ノッチフィルタによって出力された信号の波長当たりの正規化電力を示すグラフである。

【0012】

【図6A】例示的な実施形態による、エアデータシステムの一部として実装されることができる、格子カプラの断面側面図である。

【0013】

【図6B】図６Ａの格子カプラのシミュレートされた性能のモデル化されたグラフ表示である。

【0014】

【図7】１つ以上の実施形態に記載されるような、放射された信号に基づいてエアデータパラメータを決定するための方法を示すフローチャートである。

【0015】

慣例に従って、記載された様々な特徴は一定の縮尺で描かれているのではなく、例示的な実施形態に関連する特定の特徴を強調するように描かれている。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下の詳細な説明では、本明細書の一部を形成する添付の図面を参照し、図面には特定の例示的な実施形態を例として示す。しかしながら、他の実施形態を利用してもよく、論理的、機械的、および電気的な変更をしてもよいことを理解すべきである。更に、図面および明細書に提示された方法は、個々の工程が実行され得る順序を限定するものとして解釈されるべきではない。したがって、以下の詳細な説明は、限定的な意味で解釈されるべきではない。

【0017】

伝統的なエアデータシステムは、これらのシステムの電力、サイズ、および重量衝撃を不必要に増加させることができる、煩雑な構成に悩まされる。例えば、典型的な光検出と測距（ライダー）システムでは、異なる方向の少なくとも３つのレーザービームは、エアデータ情報を抽出するために、対象領域内に放射されている。複数のレーザー溶液が複数の光ビームを放射する所望の結果を達成する一方で、それはまた、レーザー活性を維持するために著しい電力消費を要求し得る。追加的に、多くの伝統的なライダーシステムは、乗り物全体に広がり得る、大きな空間寸法を有する個別の光学構成要素を採用する。し、これはっていてもよい。このようなシステムが維持するために著しいコスト負担を必要とするだけでなく、都市型航空交通（ＵＡＭ）の乗り物などのより小さいまたはより高感度の乗り物上で実装することが非現実的または不可能であり得る。

【0018】

本明細書に記載される実施形態は、乗り物についてのエアデータパラメータを決定するために、改善された光学エアデータシステムを介してこれらの問題に対処する。マイクロチップ上に実装されることができるエアデータシステムは、伝統的なライダーベースのシステムと比較したときに、サイズ、重量、電力、およびコストを低減する量に達することができる。追加的に、記載されたエアデータシステムの小型化は、大型および小型の乗り物エイリアス、例えば、大型の商業用航空機、ならびにより小型の航空機（例えば、ＵＡＭ乗り物）の実装を可能にする。

【0019】

光学エアデータシステムの例示的な実施形態は、複数の調整可能な光学フィルタに時分割多重化信号（例えば、光ビーム）を伝送するように構成されたレーザーなどの発光システムを含む。調整可能な光学フィルタは、光ビームが一度に調整可能な光学フィルタのみを通過するように構成されている。これは、調整可能な光学フィルタの共振周波数を、指定された時間間隔にわたってレーザーの周波数と一致するように方向付ける、調整可能な光学フィルタに結合されたスイッチを介して達成され得る。単一のレーザーから光ビームを時間多重することは、エアデータシステムを利用することの電力およびコスト負担の低減を可能にする。他の実施形態では、発光システムは、光検出と測距（ライダー）システムを備える。

【0020】

更に、特定の実施形態は、自由空間に伝送される光ビームから受信された後方散乱光を抽出および処理するために、複数のノッチフィルタを備える受動光学フィルタアレイを利用する。ノッチフィルタの各々は、受信された光スペクトルの一部分を通過するように構成されている。通過しないスペクトル部分は、それらがそれぞれのスペクトル部分を通過するように構成されているノッチフィルタに到達するまで、光学フィルタアレイを通してカスケードされる。したがって、光学フィルタアレイは、受信された光スペクトルを周波数または波長に基づいて組織化スペクトル部分に分解し、次いで、受信された光スペクトルからのエアデータパラメータを決定するために、処理システムに送信されることができる。光学フィルタアレイの使用は、特に、マイクロライダー集積フォトニクスの状況では、伝統的なエアデータシステムよりも精度およびニュアンスを増加させたエアデータシステムを可能にする。

【0021】

図を参照すると、図１は、上で記載されたような光学エアデータシステム１００の実施形態を示す。エアデータシステム１００は、シリコンまたは類似の材料からなる基材１０２上に実装される。基材１０２は、集積フォトニクスチップなどのチップを更に含むことができる。いくつかの実施形態では、チップは、およそ１ｍｍ×１ｍｍのサイズを有するマイクロチップであることができる。基材１０２は、周波数で連続波信号を複数の調整可能な光学フィルタ１０６に伝送するように構成することができる、レーザー源１０４などの光学信号発生器を更に含む。３つの調整可能な光学フィルタ１０６が図１に示されている一方、調整可能な光学フィルタの数は、エアデータシステム１００によって必要とされる任意の数に拡張されることができる。図１（および図２）に記載されるシステム構成要素は、自由空間光学素子によって、または光導波路（例えば、光ファイバ導波路）によって結合されることができる。

【0022】

各調整可能な光学フィルタ１０６は、レーザー源１０４からの光を受信するように構成されており、しかしながら、レーザー光が指定された光学フィルタ１０６を通過するかどうかは、調整可能な光学フィルタがどのように調整されるかに依存する。調整可能な光学フィルタ１０６が、レーザー源１０４の周波数で光学信号のみを伝送するように調整されるとき、次いで、レーザー源１０４からの光は、調整可能な光学フィルタ１０６を通過することができ、続いて、別個のベクトル内で自由空間に放射される。１つの調整可能な光学フィルタ１０６のみは、所与の時間にレーザー源１０４の共振周波数に調整されるべきである。このようにして、レーザー源１０４からの光は、一度に１つの正確に調整された調整可能な光学フィルタ１０６のみを通過する。以前の期間に非常に近い後の時間期間において、別の調整可能な光学フィルタは、レーザー源１０４の周波数に調整され、従前の調整可能な光学フィルタは、レーザー源１０４からの光がその調整可能な光学フィルタを通過しなくなるように、異なる周波数に調整される。

【0023】

いくつかの実施形態では、および図２～３に関して更に詳細に記載されるように、調整可能な光学フィルタは、デフォルトの（非活動的な）状態で、各フィルタがレーザー源１０４の周波数とは異なる周波数で光を通過するように調整される。次いで、調整可能な光学フィルタは、フィルタの周波数をレーザー源１０４の周波数と一致するように調整することによって活動的にさせられることができる。例えば、各調整可能な光学フィルタは、各調整可能な光学フィルタの調整を制御するために、コントローラまたはマイクロコントローラ（図１には図示せず）によって方向付けられたスイッチに結合されることができる。コントローラは、コマンド信号を指定された調整可能な光学フィルタに送信して非活動的状態に設定するように構成することができ、活動的にさせられた調整可能な光学フィルタをデフォルト（非活動的にさせられた）状態に設定するように更に方向付けることができる。

【0024】

ライダーベースの原理と一貫して、調整可能な光学フィルタ１０６を通過する信号は、自由空間での別個のベクトル内に放射されることができる。信号が（例えば、ミー（Mie）またはレイリー（Raleigh）散乱から）環境での物体に衝突するとき、信号の後方散乱部分は、反射され、検出器１０８によって受信される。次いで、検出器１０８は、取得されたデータ、例えば、エア速度、温度、およびエア密度から様々なエアデータパラメータを決定するために、後方散乱部分を処理システムに送信することができる。

【0025】

図２は、エアデータパラメータを決定するために使用される光学エアデータシステム２００を示す。エアデータシステム２００は、本明細書で更に記載されるいくつかの相違点を有するエアデータシステム１００と同様に機能する。図１と同様に、エアデータシステム２００は、シリコンベースのマイクロチップなどの基材２０２上に実装されることができる。

【0026】

エアデータシステム２００では、レーザー源２０４は、周波数で光学信号を調整可能な光学フィルタ２０６ａ、２０６ｂ、２０６ｃのセットに伝送する。調整可能な光学フィルタ２０６ａ～２０６ｃのうちの１つは、レーザー源２０４の周波数で信号を通過するように構成されている。いくつかの実施形態では、調整可能な光学フィルタ２０６ａ～２０６ｃは、それぞれのヒータ２０７ａ～２０７ｃ（例えば、マイクロヒータ）に結合されている。マイクロヒータがオンにされるとき、それは、調整可能な光学フィルタを加熱し、その後、光が調整可能な光学フィルタを通過することができる周波数を変化させる。したがって、活動的にさせられとき、調整可能な光学フィルタは、レーザー源２０４によって伝送された光ビームを通過することができる。例として、調整可能な光学フィルタ２０６ａがレーザー源２０４の周波数に一致するように加熱されると仮定する。その場合、レーザー源２０４からの光は、光が自由空間内に放射されることができる放射格子カプラ２０８ａに調整可能な光学フィルタ２０６ａを通過する。後の期間において、調整可能な光学フィルタ２０６ａは、もはや加熱されず、したがって、レーザー源２０４からの光は、もはや調整可能な光学フィルタ２０６ａを通過しなくなる。代わりに、調整可能な光学フィルタ２０６ｂは、加熱され、その場合、光は、調整可能な光学フィルタ２０６ｂへと伝搬し、そこで放射格子カプラ２０８ｂに通過する。同様に、調整可能な光学フィルタ２０６ａおよび２０６ｂがオフにされると、光は、調整可能な光学フィルタ２０６ｃを放射格子カプラ２０８ｃに伝搬することができる。活動的にすることは、それぞれのヒータに結合されたコントローラまたはプロセッサを介して達成されることができる。

【0027】

後方散乱光は、周波数分解を実行するために、後方散乱信号を光学フィルタアレイ２２０に送信する、格子カプラ２１０から受信される。基準信号は、レーザー源２０４によって光学フィルタアレイ２２０に更に提供され得る。光学フィルタアレイ２２０は、各々がそれぞれの検出器２１４に結合された複数の光学ノッチフィルタ２１２を含む。各光学ノッチフィルタ２１２は、特定の波長または周波数間隔に対応する後方散乱信号の一部分を通過するように構成されている。いくつかの実施形態では、各光学ノッチフィルタ２１２は、後方散乱信号のスペクトルが、更なる処理のためにそれぞれの検出器２１４に送信されるそれぞれの部分に分解されることを可能にする、スペクトルの異なる部分を通過する。

【0028】

例えば、受信格子カプラ２１０は、３００～８００Ｈｚの周波数スペクトルを有する後方散乱信号を受信すると仮定する。光学ノッチフィルタ２１２は、３００～３２０Ｈｚの周波数スペクトルの一部分を通過するように構成されることができ、一方第２の光学ノッチフィルタは、３２０Ｈｚ～３４０Ｈｚの部分を通過するように構成されることができる。このように、後方散乱信号スペクトルは、それぞれの部分が光学ノッチフィルタを通過してそれぞれの検出器２１４に通過するまで、異なる光学ノッチフィルタにカスケードされることができる。より多くのまたは少ない光学ノッチフィルタは、受信された後方散乱信号の受信格子カプラ２１０からの総周波数分解を補償するために、光学フィルタアレイ２２０に追加されることができる。加えて、各光学ノッチフィルタ２１２の周波数範囲が等しい分布であり得る一方（例えば、各光学ノッチフィルタ２１２は、５０Ｈｚの範囲で光を通過する）、周波数範囲はまた、光学ノッチフィルタ２１２が等しくない周波数範囲を有するように、修正されることができる。

【0029】

光学フィルタアレイ２２０は、複数の検出器２１４によって受信された信号が処理システム２１６に送信されるように、処理システム２１６に結合されている。例えば、各検出器２１４は、それぞれの光学ノッチフィルタ２１２から受信された光学信号を、処理システム２１６によって受信される対応する電気信号に変換するように構成されることができる。処理システム２１６は、プロセッサ２１８、マイクロプロセッサ、デジタル信号プロセッサ、特定用途向け集積回路、フィールドプログラマブルゲートアレイ、および／またはそれらの他の類似の変形例のうちの任意の１つまたは組み合わせを含み得る。処理システム２１６はまた、下に記載の方法に使用される様々なプロセスタスク、計算、および制御機能を実行するためのソフトウェアプログラム、ファームウェア、または他のコンピュータ可読命令を含む、またはそれらと共に機能し得る。これらの命令は、典型的には、コンピュータ可読命令またはデータ構造の格納のために使用される任意の格納媒体（または、コンピュータ可読媒体）上に、有形的に具現化されている。

【0030】

追加的に、処理システム２１６は、メモリ２３０などのメモリ回路を含み得、または結合され得る。メモリ２３０は、汎用もしくは専用コンピュータもしくはプロセッサ、または任意のプログラム可能な論理デバイスによってアクセスされることができる、任意の利用可能な格納媒体（または、コンピュータ可読媒体）を含むことができる。好適なコンピュータ可読媒体は、半導体、磁気、および／または光学媒体などの格納媒体またはメモリ媒体を含み得、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、不揮発性ＲＡＭ、電気的消去可能プログラマブルＲＯＭ、フラッシュメモリ、または他の格納媒体などの非一時的コンピュータ可読媒体内に命令を格納するとして具現化され得る。メモリ２３０はまた、取得されたデータを格納するための１つ以上のデータベースも含み得る。

【0031】

処理システム２１６が光学フィルタアレイ２２０から信号データを受信した後、処理システム２１６は、次いで、受信されたデータから様々なエアデータパラメータを決定することができる。いくつかの実施形態では、処理システム２１６は、飛行管理システムなどのエアデータ２００に結合された他のシステムにエアデータパラメータを送信することができる。処理システム２１６はまた、エアデータパラメータを、例えば、コックピット表示などのユーザインターフェースに送信することができる。処理システム２１６は、任意選択的に、後の時点でアクセスされ得るメモリ２３０内に、エアデータパラメータを格納し得る。

【0032】

図３は、１時間当たり３つの調整可能な光学フィルタのセットの電圧出力のグラフ図３００を示す。例えば、フィルタ１は、調整可能な光学フィルタ２０６ａに対応することができ、フィルタ２は、調整可能な光学フィルタ２０６ｂに対応することができ、フィルタ３は、同様に、調整可能な光学フィルタ２０６ｃに対応することができる。フィルタ１が活動的にさせられた（例えば、加熱される）とき、フィルタ１の電圧出力は、レーザー源２０４からの信号がフィルタ１を通過するにつれて、高状態に増加する。図３に明確に示されるように、この同じ時間期間中に、フィルタ１が活動的にさせられたときにフィルタ２もフィルタ３も高電圧出力を有しない。第２の期間において、フィルタ１は、非活動的にさせられ、フィルタ２は、フィルタ２内の電圧出力が高状態に達するように活動的にさせられる。最後に、第３の期間において、フィルタ３は、活動的にさせられ、フィルタ１およびフィルタ２が非活動的のままである間、高状態に達する。プロセスは、記載された順序順で必要に応じて繰り返し得る。

【0033】

図４は、放射信号および受信信号の時間当たりの信号強度のグラフ４００を示す。左ピーク４０２は、レーザーからの信号に対応し、一方、右ピークは、放射されたレーザー信号から受信された後方散乱信号である。ピーク４０４は、環境内の粒子とのミー（Mie）散乱に起因する、レーザーの共振周波数から後方散乱共振周波数への周波数シフトδｆである。ピーク４０６は、環境内の粒子とのレイリー（Raleigh）散乱の結果として、レーザーの共振周波数からの周波数シフトδｆに対応する。図４に示すように、様々なエアデータパラメータは、圧力および温度測定などの後方散乱信号によって受信される周波数の分布から決定されることができる。

【0034】

図５Ａ～５Ｃは、光学フィルタアレイ２２０で使用される光学ノッチフィルタ２１２として実装されることができる、例示的な光学ノッチフィルタ５００の構造および機能を示す。図５Ａは、光学ノッチフィルタ５００の構造の一表現を示す。図５Ｂは、光学ノッチフィルタ５００の一部分の拡大図を示す。最後に、図５Ｃは、光学ノッチフィルタ５００の出力の波長当たりの正規化電力を図示するグラフを示す。

【0035】

図５Ａを参照すると、光学ノッチフィルタ５００は、第１の導波路５０２および第２の導波路５０４を含む導波路構造を備える。入力ポート５１０は、第１の導波路５０２の第１の端部に位置付けられ、反射ポート５２０は、入力ポート５１０に隣接する第２の導波路５０４の第１の端部に位置付けられ、ドロップポート５３０は、第１の導波路５０２の反対側の第２の端部に位置付けられている。格子支援指向性カプラ５４０は、入力ポート５１０とドロップポート５３０との間の導波路構造の中央部分に位置付けられている。格子支援指向性カプラ５４０は、図５Ｂに示されるように、第１および第２の導波路５０２、５０４の各々の上に周期的格子構造５４２を有する。

【0036】

光学ノッチフィルタ５００は、光を格子支援指向性カプラ５４０に方向付ける入力ポート５１０内に注入された光を受信するように構成されている。周期的格子構造５４２の中心（図５Ｂ）では、格子構造を形成するために採用される変調の位相におけるπ位相シフトは、光がπ位相シフトの周りを循環する状態で、共振波長で緊密に閉じ込められた光フィールド５５０を生成する。π位相シフトは、格子を画定する変調の位相の急激な変化である。換言すれば、π位相シフトは、導波路変調の周期的構造が、境界面の両側のπラジアンによって空間位相でシフトされるような、導波路変調の空間パターンの急激な変化である。

【0037】

図５Ｂに示されるように、信号の共振波長で緊密に閉じ込められた光フィールドを生成するπ位相シフトは、信号がドロップポート５３０に通過することを可能にする。全ての他の波長は、反射ポート５２０を通って出る。

【0038】

図５Ｃを参照すると、グラフに図示されるピークは、例示的な光学ノッチフィルタ５００を通過する信号の一部分を表す。正規化電力は、次いで、信号スペクトルの周波数（および波長）が共振周波数から増加または減少するにつれて指数関数的に減衰する。

【0039】

本明細書に開示される実施形態で使用されることができる例示的な光学ノッチフィルタに関する更なる詳細は、その開示が参照により組み込まれる米国特許第１０，７８８，３４０号に記載されている。

【0040】

図６Ａは、従前に記載されたエアデータシステム２００内の格子カプラとして利用されることができる、ＳｉＰ格子カプラなどの格子カプラ６００の断面側面図である。格子カプラ６００は、より高い屈折率材料から構成される導波路層６２０の一部として形成される周期的格子構造６１０を含む。周期的格子構造６１０および導波路層６２０は、より低い屈折率材料から構成されるクラッディング層６３０に埋め込まれる。

【0041】

図６Ａは、以下の式に基づく格子カプラ６００の設計パラメータを図示する。

【数1】

式中、ｎは、クラッディング材料の屈折率であり、λ_０は、入力光の波長であり、ｎ_ｅｆｆは、格子材料の有効屈折率であり、θは、回折光の角度であり、Λ_ｇは、格子構造の空間周期である。図６Ａに更に示すように、ｗ_ｇは、単一の周期的格子構造の幅であり、ｓ_ｇは、隣接する周期的格子構造間の空間であり、ｔ_ｇは、各周期的格子構造の厚さである。周期的格子構造６１０は、入力面内光ビーム６５０を、回折光ビーム６５２として選択された角度で対象方向に優先的に回折するように形成されている。所与の波長に関して、この回折角は、格子カプラ６００が位置付けられているチップの上方のほぼ１８０度の角度空間全体を覆うことができる。往復デバイスとして、格子カプラは、所与の対象角度から特定波長の光を追加的に受信することができる。

【0042】

したがって、いくつかの実施形態では、格子カプラ６００は、導波路から面外への面内光を回折するために、または面内導波路に結合された面外光を受信するために、チップに組み込まれることができる。

【0043】

図６Ｂは、ＳｉＰ格子カプラなどの格子カプラ６００のシミュレートされた性能のモデル化されたグラフ表示である。図６Ｂは、格子に沿って伝搬する入力光、ならびに著しく弱い回折された光フィールドを示す。回折された光フィールドは、伝搬フィールドに対して強くなり得、格子係数を増加させることによって、必要とされる格子サイズを小さくする。これは次に、格子のエッチング深さを増加させることによって行われ得る。

【0044】

図７は、エアデータパラメータを決定するための方法７００のフローチャートである。方法７００は、図１～６に関して記載された技術を介して実装され得るが、他の技術を介しても実施され得る。フロー図のブロックは、説明を容易にするために概して順次的に配置されている。しかしながら、この構成は、単に例示的なものであり、本明細書に記載の方法（および図に示されているブロック）に関連する処理は、異なる順序で起こり得る（例えば、ブロックに関連する処理のうちの少なくとも一部は、並行方式および／またはイベント駆動方式で実行される）ことが理解されるべきである。

【0045】

方法７００は、光信号を生成することによってブロック７０２で開始する。光信号は、時分割多重化された連続波レーザーから生成されることができる。ブロック７０２から、方法７００は、調整可能な光学フィルタの調整された周波数に基づいて、光信号の少なくとも一部分を複数の調整可能な光学フィルタのうちの１つに送ることによって、ブロック７０４に進む。調整可能な光学フィルタがレーザーの共振周波数に一致するように調整されたとき、光信号は、調整された光学フィルタを通過することができる。しかしながら、調整可能な光学フィルタが調整されていないとき（例えば、非活動的なデフォルト状態で）、光信号は、光学フィルタを通過することからブロックされ、代わりに調整された光学フィルタに伝搬する。したがって、１つの光学フィルタのみは、所与の時間で調整されるべきである。

【0046】

次いで、方法７００は、それぞれの調整可能な光学フィルタに結合された、それぞれの放射格子カプラから光信号部分を伝送することによって、ブロック７０６に進む。放射格子カプラは、光信号部分を特定の方向において自由空間内に伝送するように構成されることができる。例示的な実施形態では、放射格子カプラは、光信号部分を互いに異なる方向に伝送するように配置される。

【0047】

次のブロック７０８に進むと、方法７００は、次いで、受信格子カプラから光信号の後方散乱部分を受信する。ブロック７１０において、方法７００は、後方散乱部分の周波数（または波長）分解に基づいて、光学フィルタアレイを通して信号部分をフィルタ処理する。上で記載されたように、光学フィルタアレイは、各々が検出器に結合された複数の光学ノッチフィルタを含む。光学フィルタアレイは、アレイ内の各光学ノッチフィルタを別個の周波数（または波長）範囲で構成することによって、受信された後方散乱部分の周波数分解を実行することができる。範囲内に収まる後方散乱部分の周波数または波長は、光学ノッチフィルタを通過することができ、その一方で、それらが適切な光学ノッチフィルタに伝搬されるまで光学フィルタアレイを通してカスケードされることができない。

【0048】

次いで、方法７００は、光学フィルタアレイ内の各検出器からのフィルタ処理された信号部分に対応する信号を検出することによって、ブロック７１２に進む。フィルタ処理された信号は、次いで、光学フィルタアレイに結合された処理システムに送信されることができる。

【0049】

方法７００は、次いで、検出された信号に基づいて、エアデータパラメータを決定することによって、ブロック７１４に進む。このようなエアデータパラメータは、エア速度、温度、圧力、およびエア密度を含むことができる。

【0050】

本明細書に記載される方法および技術は、デジタル電子回路、またはプログラマブルプロセッサ（例えば、専用プロセッサもしくはコンピュータなどの汎用プロセッサ）ファームウェア、ソフトウェア、またはそれぞれの様々な組み合わせで実装され得る。これらの技術を具現化する装置は、適切な入力および出力デバイス、プログラマブルプロセッサ、ならびにプログラム可能なプロセッサによる実行のためのプログラム命令を有形的に具現化する格納媒体を含み得る。これらの技術を具現化するプロセスは、入力データ上で動作し、適切な出力を生成することによって、所望の機能を実行するための命令のプログラムを実行するプログラム可能プロセッサによって実行され得る。この技術は、有利には、データおよび命令を受信し、データ格納システム、少なくとも１つの入力デバイス、および少なくとも１つの出力デバイスへのデータおよび命令を受信し、データおよび命令を伝送するように結合された少なくとも１つのプログラマブルプロセッサを含むプログラム可能なシステム上で実行可能な１つ以上のプログラムにおいて実装され得る。

【0051】

概して、プロセッサは、読み出し専用メモリおよび／またはランダムアクセスメモリから命令およびデータを受信する。コンピュータプログラム命令およびデータを有形的に具現化するために好適な格納デバイスは、例えば、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、およびフラッシュメモリデバイスなどの半導体メモリデバイスの例として、内部ハードディスクおよび取り外し可能ディスクなどの磁気ディスク、光磁気ディスク、およびＤＶＤディスクを含む。上記のいずれかは、特別に設計されたＡＳＩＣによって補充されるか、またはその中に組み込まれ得る。

【0052】

用語「およそ（approximately）」または「実質的に（substantially）」は、当業者の観点から、変更が図示される実施形態に対するプロセスまたは構造の不適合をもたらさない限り、指定された値またはパラメータが若干変更され得ることを意味する。最後に、用語「例示的な」は、本発明の理想的、本質的、または好ましい特徴を暗示するのではなく、例として添付の記載が使用されることを単に示す。
例示的な実施形態

【0053】

実施例１は、フォトニクス基材と、フォトニクス基材に動作可能に結合されたレーザー源であって、光ビームを放射するように動作する、レーザー源と、フォトニクス基材上の複数の調整可能な光学フィルタであって、調整可能な光学フィルタが、互いに、およびレーザー源と光学的に連通している、光学フィルタと、フォトニクス基材上の複数の放射格子カプラで、各々が調整可能な光学フィルタのうちの１つの出力にそれぞれ結合された、放射格子カプラであって、各放射格子カプラが、それぞれの調整可能な光学フィルタの出力から受信された光ビームを異なる方向における対象領域内に放射するように構成されている、放射格子カプラと、フォトニクス基材上の少なくとも１つの受信格子カプラであって、対象領域から散乱光を受信するように構成された、少なくとも１つの受信格子カプラと、フォトニクス基板上で、受信格子カプラと光学的に連通している、受動光学フィルタアレイであって、受信格子カプラからの散乱光を受信するように構成された、受動光学フィルタアレイと、を備え、受動光学フィルタアレイが、周波数選択のために動作する複数の光学ノッチフィルタと、各々が光学ノッチフィルタのうちの１つの出力にそれぞれ結合された複数の光学的検出器とを備え、光学ノッチフィルタの各々が、対応する波長範囲で受信された散乱光を光学検出器のそれぞれの１つに通過させるように構成されており、各対応する波長範囲が、別個であり、受動光学フィルタアレイが、受信された散乱光の複数の信号への周波数スペクトル分解を実行するように動作し、レーザー源から放射された光ビームが、光ビームが放射格子カプラの各々から異なる時間で対象領域内に放射されるように、任意の所与の時間で放射格子カプラのうちの１つへの光ビームの伝送を可能にするように動作する、１つ以上の調整可能な光学フィルタに送られる、集積フォトニクスチップを含む。

【0054】

実施例２は、複数の調整可能な光学フィルタに結合された複数のマイクロヒータを更に備え、複数のマイクロヒータが、それぞれの調整可能な光学フィルタの共振周波数がレーザー源の共振周波数と一致するように、複数の調整可能な光学フィルタを加熱するように構成されている、実施例１に記載の集積フォトニクスチップを含む。

【0055】

実施例３は、複数のマイクロヒータに結合されたコントローラを更に備え、コントローラが、１つのマイクロヒータのみが一定の期間に活動的にさせられるように、各マイクロヒータを選択的に活動的に、または非活動的にさせるように構成されている、実施例２に記載の集積フォトニクスチップを含む。

【0056】

実施例４は、受動光学フィルタアレイに結合された処理システムを更に備え、処理システムが、複数の信号を受信し、処理システムが、受信された複数の信号に基づいて、少なくとも１つのエアデータパラメータを決定するように構成された１つ以上のプロセッサを備える、実施例１～３のいずれかに記載の集積フォトニクスチップを含む。

【0057】

実施例５は、少なくとも１つのエアデータパラメータが、エア速度、圧力、温度、およびエア密度のうちの少なくとも１つを含む、実施例４に記載の集積フォトニクスチップを含む。

【0058】

実施例６は、レーザー源が、時分割多重化された連続波信号を生成するように構成されている、実施例１～５のいずれかに記載の集積フォトニクスチップを含む。

【0059】

実施例７は、レーザー源が、基準信号を受動光学フィルタアレイに伝送するように構成されている、実施例１～６のいずれかに記載の集積フォトニクスチップを含む。

【0060】

実施例８は、複数の光学ノッチフィルタの各々が、第１の導波路および第２の導波路を含む導波路構造を備え、導波路構造が、第１の導波路の第１の端部に位置付けられる入力ポートと、第２の導波路の第１の端部に位置付けられ、かつ入力ポートに隣接する反射ポートと、第１の導波路の反対側の第２の端部に位置付けられるドロップポートと、入力ポートとドロップポートとの間の導波路構造の中央部分に位置付けられる、格子支援指向性カプラであって、第１の導波路および第２の導波路の各々の上に周期的格子構造を含む、格子支援指向性カプラと、を備える、実施例１～７のいずれかに記載の集積フォトニクスチップを含む。

【0061】

実施例９は、第１の導波路が、入力ポート内に注入された光を受信し、光を格子支援指向性カプラに方向付けるように構成されており、格子支援指向性カプラの周期的格子構造が、π位相シフトを生産するように構成されており、導波路変調の周期的構造が、境界面の両側のπラジアンによって空間位相でシフトされ、光がπ位相シフトの周りを循環している状態で、共振波長で光の閉じ込められたフィールドを生成する、導波路変調の空間パターンの急激な変化であり、光の選択された波長が、ドロップポートに伝送され、光の全ての他の波長が、反射ポートを通って出る、実施例８に記載の集積フォトニクスチップを含む。

【0062】

実施例１０は、光ビームを放射するように動作するレーザー源と、互いに、およびレーザー源と光学的に連通している複数の調整可能な光学フィルタと、各々が調整可能な光学フィルタのうちの１つの出力にそれぞれ結合された複数の放射格子カプラであって、各放射格子カプラが、それぞれの調整可能な光学フィルタの出力から受信された光ビームを異なる方向における対象領域内に放射するように構成されている、複数の放射格子カプラと、複数の調整可能な光学フィルタに結合されたコントローラであって、コントローラが、活動的にさせられた調整可能な光学フィルタが所与の期間中に対応する放射格子カプラへの光ビームの伝送を可能にするために動作するように、調整可能な光学フィルタを活動的にさせるように構成されている、コントローラと、を備える、発光システムと、発光システムと動作的に連通しているエアデータ検出システムであって、エアデータ検出システムが、対象領域から散乱光を受信するように構成された少なくとも１つの受信格子カプラと、受信格子カプラと光学的に連通している受動光学フィルタアレイであって、受信格子カプラから散乱光を受信するように構成された受動光学フィルタアレイとを備え、受動光学フィルタアレイが、周波数選択のために動作する複数の光学ノッチフィルタと、各々が光学ノッチフィルタのうちの１つの出力にそれぞれ結合された複数の光学検出器と、を備え、光学ノッチフィルタの各々が、対応する周波数範囲で受信された散乱光を、光学検出器のうちの対応する１つに通過させるように構成され、各々の対応する周波数範囲は別個であり、受動光学フィルタアレイが、受信された散乱光の周波数スペクトル分解を複数の信号に実行するように動作する、エアデータ検出システムと、エアデータ検出システムに動作可能に結合された処理システムであって、処理システムが、複数の信号を受信するように構成され、処理システムが、受信された複数の信号に基づいて、少なくとも１つのエアデータパラメータを決定するように動作する、処理システムと、を備える、光学エアデータシステムを含む。

【0063】

実施例１１は、発光システムおよびエアデータ検出システムが、シリコンマイクロチップ上にある、実施例１０に記載の光学エアデータシステムを含む。

【0064】

実施例１２は、発光システムが、複数の調整可能な光学フィルタに結合された複数のマイクロヒータを更に備え、複数のマイクロヒータが、それぞれの調整可能な光学フィルタの共振周波数がレーザー源の共振周波数と一致するように、複数の調整可能な光学フィルタを加熱するように構成されている、実施例１０～１１のいずれかに記載の光学エアデータシステムを含む。

【0065】

実施例１３は、コントローラが、複数のマイクロヒータに結合され、光ビームが放射格子カプラの各々から異なる時間に対象領域内に放射されるように、各調整可能な光学フィルタを選択的に活動的に、または非活動的にさせるように構成される、実施例１２に記載の光学エアデータシステムを含む。

【0066】

実施例１４は、処理システムが、受信された複数の信号に基づいて、２つ以上のエアデータパラメータを決定するように構成された１つ以上のプロセッサを備える、実施例１０～１３のいずれかに記載の光学エアデータシステムを含む。

【0067】

実施例１５は、２つ以上のエアデータパラメータが、エア速度、圧力、温度、またはエア密度を含む、実施例１４に記載の光学エアデータシステムを含む。

【0068】

実施例１６は、レーザー源が、時分割多重化された連続波信号を生成するように構成されている、実施例１０～１５のいずれかに記載の光学エアデータシステムを含む。

【0069】

実施例１７は、レーザー源が、基準信号をエアデータ検出システムに伝送するように構成されている、実施例１０～１６のいずれかに記載の光学エアデータシステムを含む。

【0070】

実施例１８は、発光システムが、光検出と測距（ライダー）システムを備える、実施例１０～１７のいずれかに記載の光学エアデータシステムを含む。

【0071】

実施例１９は、複数の光学ノッチフィルタの各々が、第１の導波路および第２の導波路を含む導波路構造を備え、導波路構造が、第１の導波路の第１の端部に位置付けられる入力ポートと、第２の導波路の第１の端部に位置付けられ、かつ入力ポートに隣接する反射ポートと、第１の導波路の反対側の第２の端部に位置付けられるドロップポートと、入力ポートとドロップポートとの間の導波路構造の中央部分に位置付けられる、格子支援指向性カプラであって、第１の導波路および第２の導波路の各々の上に周期的格子構造を含む、格子支援指向性カプラと、を備える、実施例１０～１８のいずれかに記載の光学エアデータシステムを含む。

【0072】

実施例２０は、光学信号を生成することと、光学信号を複数の調整可能な光学フィルタに送ることであって、光学信号が、異なる期間において複数の調整可能な光学フィルタの各々に送られる、送ることと、光学信号が異なる時間に対象領域内に放射されるように、複数の調整可能な光学フィルタの各々からの光学信号を対象領域に伝送することと、伝送された光学信号に基づいて、後方散乱信号を受信することと、後方散乱信号の周波数または波長分解に基づいて、後方散乱信号を複数のフィルタ処理された信号部分内にフィルタ処理することと、複数のフィルタ処理された信号部分を検出することと、検出されたフィルタ処理された信号部分に基づいて、少なくとも１つのエアデータパラメータを決定することと、を含む、方法を含む。

【0073】

本明細書では特定の実施形態が図示され、説明されているが、当業者には、示される特定の実施形態の代わりに、同一の目的を達成することが予測される任意の構成が用いられ得ることが理解されよう。したがって、本発明は、特許請求の範囲およびその均等物によってのみ限定されることが明らかに意図されている。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図5C】

【図6A】

【図6B】

【図7】

【外国語明細書】