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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-08-26
(45)【発行日】2024-09-03
(54)【発明の名称】回折格子アレイ
(51)【国際特許分類】
G02B 5/18 20060101AFI20240827BHJP
G02B 5/30 20060101ALI20240827BHJP
【ＦＩ】
G02B5/18
G02B5/30
【請求項の数】
4
(21)【出願番号】P 2023113730
(22)【出願日】2023-07-11
(62)【分割の表示】P 2019024796の分割
【原出願日】2019-02-14
(65)【公開番号】P2023126362
(43)【公開日】2023-09-07
【審査請求日】2023-07-11
(73)【特許権者】
【識別番号】000003609
【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所
(73)【特許権者】
【識別番号】000004260
【氏名又は名称】株式会社デンソー
(74)【代理人】
【識別番号】100084995
【弁理士】
【氏名又は名称】加藤 和詳
(72)【発明者】
【氏名】井上 大介
(72)【発明者】
【氏名】市川 正
(72)【発明者】
【氏名】中尾 朱里
(72)【発明者】
【氏名】山下 達弥
(72)【発明者】
【氏名】下垣 哲也
(72)【発明者】
【氏名】小田 敏宏
【審査官】池田 博一
(56)【参考文献】
【文献】特開平０２－０４６５３５（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１５／０２１９８０８（ＵＳ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０１５／０３７３０６（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開平０８－１０６０２１（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許第１０１９７９７１（ＵＳ，Ｂ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１８／０３６４３３６（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１８／０２９２６０９（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許第０４０２５１９７（ＵＳ，Ａ）
【文献】米国特許第０６２３１１９５（ＵＳ，Ｂ１）
【文献】米国特許第０４９５３９５１（ＵＳ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０２Ｂ ５／１８
Ｇ０２Ｂ ５／３０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
複数の格子パターンを有し、かつ前記複数の格子パターンのうちの隣り合う前記格子パターンの中心部位が重複せず、前記中心部位の回折光の電界強度より回折光の電界強度が小さい周辺部位の一部が重複するように構成された回折格子と、光入射側に前記回折格子が形成され、かつ前記回折格子の前記複数の格子パターンにより回折された回折光を伝播する導波路と、
を備え、
前記回折格子の周辺部位の一部が重複する領域の重複量を、前記複数の格子パターンのうちの単体の格子パターンにより導波路に結合される光に関する効率と、前記複数の格子パターンを重複させないときの合計面積に対する前記複数の格子パターンの一部を重複させたときの合計面積の比で表される面積率とを乗算して定まる受光効率が最大となる大きさとし、
前記回折格子は、ＴＭ波の光及びＴＥ波の光を含む光を集光するレンズで集光される当該光の領域に配置され、かつ、当該レンズに対して、ＴＭ波の光及びＴＥ波の光が同一方向から入射するように配置され、前記レンズにより集光されたＴＭ波の光及びＴＥ波の光を含む入射光のうち一方の波の光を予め定めた所定の回折角で回折する第１の回折格子群と、前記入射光のうち他方の波の光を第１の回折格子群の前記回折角と正負が反対の回折角で回折する第２の回折格子群と、を備え、前記第１の回折格子群の格子パターンの配列方向と、前記第２の回折格子群の格子パターンの配列方向とが同じ方向で、かつ各々の回折光が逆方向に向かうように前記第１の回折格子群と、前記第２の回折格子群とを配列して前記入射光を前記ＴＭ波の光及びＴＥ波の光の各々に分離し、
前記導波路は、前記回折格子で分離された前記ＴＭ波の光及びＴＥ波の光の各々を逆方向に伝播する、
回折格子アレイ。
【請求項2】
前記回折格子は、同一平面上に前記格子パターンが形成される請求項１に記載の回折格子アレイ。
【請求項3】
前記回折格子は、前記格子パターンを有する回折部材を複数備え、複数の回折部材のうち隣り合う回折部材の格子パターンの一部が重複するように、前記隣り合う回折部材の一部を重ねて形成する請求項１又は請求項２に記載の回折格子アレイ。
【請求項4】
回折される光の電界強度が予め定めた閾値以下の前記周辺部位の領域が重なるように、隣り合う前記格子パターンの一部が重複するように構成される請求項１から請求項３の何れか１項に記載の回折格子アレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、回折格子アレイに関する。
【背景技術】
【0002】
非特許文献１には、回折格子アレイを用いた技術が開示されている。この技術では、光に含まれるＴＥ波（直交偏波）とＴＭ波（平行偏波）との各々の偏光を分離して検出するために、ＴＥ波用の回折格子とＴＭ波用の回折格子とを備え、その一部を重ねて構成している。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0003】
【文献】"A Grating-Coupler-Enabled CMOS Photonics Platform" IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Volume 17 Issue 3, May-June 2011.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
ところで、測定対象物（以下、「対象物」という。）との距離を測定する測定機として、対象物へ光照射した際の反射光を用いるレーザレーダ装置等が知られており、その反射光を効率的に検出するために、反射光を受光する部分に回折格子を用いた光アンテナが知られている。反射光は微弱であることがあり、受光効率の向上が求められている。一方、非特許文献１の技術によれば、各々の回折格子によりレーザ光をＴＥ波、及びＴＭ波に分離することは可能であるものの、受光する光自体の受光効率は考慮されていない。回折格子は、例えば溝が所定間隔で形成された格子パターンにおける中央部の受光効率に比べて周囲の受光効率が低下する。このため、光アンテナの受光部として広範囲を受光するようにする場合、複数の光アンテナを並べて構成すればよい。ところが、隣り合う回折格子の各々周辺部における受光効率は、各々中央部における受光効率と比べて低下するので、広範囲を受光する場合の受光効率は低下してしまう。このため、受光する部分における光の受光効率を向上するためには、改善の余地がある。
【0005】
本発明は、上記事実に鑑みてなされたものであり、簡素かつ小規模な構成で、回折格子を用いて光を受光する場合における受光効率を向上することができる回折格子アレイを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本開示の第１態様は、複数の格子パターンを有し、かつ前記複数の格子パターンのうちの隣り合う前記格子パターンの中心部位が重複せず、前記中心部位の回折光の電界強度より回折光の電界強度が小さい周辺部位の一部が重複するように構成された回折格子と、
光入射側に前記回折格子が形成され、かつ前記回折格子の前記複数の格子パターンにより回折された回折光を伝播する導波路と、を備え、前記回折格子の周辺部位の一部が重複する領域の重複量を、前記複数の格子パターンのうちの単体の格子パターンにより導波路に結合される光に関する効率と、前記複数の格子パターンを重複させないときの合計面積に対する前記複数の格子パターンの一部を重複させたときの合計面積の比で表される面積率とを乗算して定まる受光効率が最大となる大きさとし、前記回折格子は、ＴＭ波の光及びＴＥ波の光を含む入射光のうち一方の波の光を予め定めた所定の回折角で回折する第１の回折格子群と、前記入射光のうち他方の波の光を第１の回折格子群の前記回折角と正負が反対の回折角で回折する第２の回折格子群と、を備え、前記第１の回折格子群の格子パターンの配列方向と、前記第２の回折格子群の格子パターンの配列方向とが同じ方向で、かつ各々の回折光が逆方向に向かうように前記第１の回折格子群と、前記第２の回折格子群とを配列して前記入射光を前記ＴＭ波の光及びＴＥ波の光の各々に分離し、前記導波路は、前記回折格子で分離された前記ＴＭ波の光及びＴＥ波の光の各々を逆方向に伝播する、回折格子アレイである。
光入射側に前記回折格子が形成され、かつ前記回折格子の前記複数の格子パターンにより回折された回折光を伝播する導波路と、を備え、前記回折格子の周辺部位の一部が重複する領域の重複量を、前記複数の格子パターンのうちの単体の格子パターンにより導波路に結合される光に関する効率と、前記複数の格子パターンを重複させないときの合計面積に対する前記複数の格子パターンの一部を重複させたときの合計面積の比で表される面積率とを乗算して定まる受光効率が最大となる大きさとし、前記回折格子は、ＴＭ波の光及びＴＥ波の光を含む入射光のうち一方の波の光を予め定めた所定の回折角で回折する第１の回折格子群と、前記入射光のうち他方の波の光を第１の回折格子群の前記回折角と正負が反対の回折角で回折する第２の回折格子群と、を備え、前記第１の回折格子群の格子パターンの配列方向と、前記第２の回折格子群の格子パターンの配列方向とが同じ方向で、かつ各々の回折光が逆方向に向かうように前記第１の回折格子群と、前記第２の回折格子群とを配列して前記入射光を前記ＴＭ波の光及びＴＥ波の光の各々に分離し、前記導波路は、前記回折格子で分離された前記ＴＭ波の光及びＴＥ波の光の各々を逆方向に伝播する、回折格子アレイである。
【0007】
第２態様は、第１態様の回折格子アレイにおいて、
前記回折格子は、同一平面上に前記格子パターンが形成される。
前記回折格子は、同一平面上に前記格子パターンが形成される。
【0008】
第３態様は、第１態様又は第２態様の回折格子アレイにおいて、
前記回折格子は、前記格子パターンを有する回折部材を複数備え、複数の回折部材のうち隣り合う回折部材の格子パターンの一部が重複するように、前記隣り合う回折部材の一部を重ねて形成する。
前記回折格子は、前記格子パターンを有する回折部材を複数備え、複数の回折部材のうち隣り合う回折部材の格子パターンの一部が重複するように、前記隣り合う回折部材の一部を重ねて形成する。
【0009】
第４態様は、第１態様から第３態様の何れか１態様の回折格子アレイにおいて、回折される光の電界強度が予め定めた閾値以下の前記周辺部位の領域が重なるように、隣り合う前記格子パターンの一部が重複するように構成される。
【0010】
なお、前記回折格子は、ＴＭ波の光及びＴＥ波の光を含む入射光のうち一方の波の光を予め定めた所定の回折角で回折する第１の回折格子群と、前記入射光のうち他方の波の光を第１の回折格子群の前記回折角と正負が反対の回折角で回折する第２の回折格子群と、を備え、前記第１の回折格子群の格子パターンの配列方向と、前記第２の回折格子群の格子パターンの配列方向とが同じ方向で、かつ各々の回折光が逆方向に向かうように前記第１の回折格子群と、前記第２の回折格子群とを配列して前記入射光を前記ＴＭ波の光及びＴＥ波の光の各々に分離し、前記導波路は、前記回折格子で分離された前記ＴＭ波の光及びＴＥ波の光の各々を伝播する。
【発明の効果】
【0011】
以上説明したように、本開示によれば、簡素かつ小規模な構成で、回折格子を用いて光を受光する場合における受光効率を向上することができる、という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1】第１実施形態に係るレーザレーダ装置の概略構成の一例を示すブロック図である。
【図2】第１実施形態に係る光アンテナに含まれる回折格子アレイの一例を示すブロック図である。
【図3】第１実施形態に係る回折格子アレイの一例を示すイメージ図である。
【図4】第１実施形態に係る回折格子アレイに含まれる一部の格子パターンの一例を示すイメージ図である。
【図5】第１実施形態に係る複数の格子パターンの一部を重複させた格子パターン群の一例を示すイメージ図である。
【図6】第１実施形態に係る格子パターンの一部を重複させた構造の光アンテナに含まれる回折格子アレイの一例を示すイメージ図である。
【図7】第１実施形態に係る回折格子アレイにおける格子パターンの一例を示すイメージ図である。
【図8】第１実施形態に係る格子パターンの一部を重複させた場合における受光効率に関係する特性の一例を示すイメージ図である。
【図9】第２実施形態に係る受光装置の概略構成の一例を示す概念図である。
【図10】第２実施形態に係る回折格子アレイにおける１つの格子格子における回折角の説明図である。
【図11】第２実施形態に係る回折格子アレイにおいて回折角が正負反対となる回折格子群を導波路基板に形成した一例を示す構成図である。
【図12】第２実施形態に係る回折格子アレイの構成の一例を示すイメージ図である。
【図13】第３実施形態に係る回折格子アレイの構成の一例を示すイメージ図である。
【図14】第３実施形態に係る回折格子アレイの構成の一例を示すイメージ図である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
［第１実施形態］
以下、図面を参照して本開示の技術を実現する実施形態を詳細に説明する。なお、本実施形態では、例えば車両に搭載されるレーザーレーダ装置におけるレーザ光によって対象物を検出する入射側の光アンテナに、本開示の技術を適用した場合を一例として説明する。
以下、図面を参照して本開示の技術を実現する実施形態を詳細に説明する。なお、本実施形態では、例えば車両に搭載されるレーザーレーダ装置におけるレーザ光によって対象物を検出する入射側の光アンテナに、本開示の技術を適用した場合を一例として説明する。
【0014】
図１に、レーザレーダ装置１０の概略構成の一例を示す。
図１に示すように、レーザレーダ装置１０は、対象物ＳＰからの光を受光する光アンテナ１２、光アンテナ１２で検出された光を電気信号に変換して出力する信号処理部１４、及び信号処理部１４で信号処理された信号を用いて対象物ＳＰまでの距離を演算する演算処理部１６とを備えている。光アンテナ１２は、光の入射側に回折格子アレイ１３を備えている。
図１に示すように、レーザレーダ装置１０は、対象物ＳＰからの光を受光する光アンテナ１２、光アンテナ１２で検出された光を電気信号に変換して出力する信号処理部１４、及び信号処理部１４で信号処理された信号を用いて対象物ＳＰまでの距離を演算する演算処理部１６とを備えている。光アンテナ１２は、光の入射側に回折格子アレイ１３を備えている。
【0015】
図２に、光アンテナ１２に含まれ、かつ対象物ＳＰからの光を受光する回折格子アレイ１３の一例を示す。
図２に示すように、回折格子アレイ１３は、基板１３Ｃ上に光を導波する導波路１３Ｂが形成されている。導波路１３Ｂは、基板１３Ｃが形成された面と反対側の面に格子パターン１３Ａが形成されている。格子パターン１３Ａは、光を導波路１３Ｂへ回折光として伝播させる。なお、詳細は後述するが、格子パターン１３Ａは、複数の格子パターンを形成することにより、受光効率が向上されるようになっている。また、格子パターン１３Ａは、入射光を収束するようになっている。図２に示す例では、入射光を格子パターンによって射出光として取り出す一例を示している。この図２に示す例の射出側の格子パターン部位に光電変換センサを配置することで、入射光を電気信号に変換して信号処理部１４へ出力することができる。
図２に示すように、回折格子アレイ１３は、基板１３Ｃ上に光を導波する導波路１３Ｂが形成されている。導波路１３Ｂは、基板１３Ｃが形成された面と反対側の面に格子パターン１３Ａが形成されている。格子パターン１３Ａは、光を導波路１３Ｂへ回折光として伝播させる。なお、詳細は後述するが、格子パターン１３Ａは、複数の格子パターンを形成することにより、受光効率が向上されるようになっている。また、格子パターン１３Ａは、入射光を収束するようになっている。図２に示す例では、入射光を格子パターンによって射出光として取り出す一例を示している。この図２に示す例の射出側の格子パターン部位に光電変換センサを配置することで、入射光を電気信号に変換して信号処理部１４へ出力することができる。
【0016】
ここで、光アンテナ１２に含まれる回折格子アレイ１３の受光効率について検討する。回折格子アレイ１３の受光効率は、次の式で表すことができる。
【0017】
（受光効率）
＝(回折格子アレイ面積率)×(面内のモード重なり積分)×(層構造の結合効率)
＝(回折格子アレイ面積率)×(面内のモード重なり積分)×(層構造の結合効率)
【0018】
ここで、平面波をＧ（ｘ，ｙ）とし、例えばレーザ光を用いた場合にガウシアン分布となる入射光の伝播モードをＨ（ｘ，ｙ）とした場合、モード重なり積分は、次の式で表すことができる。なお、層構造の結合効率は、回折格子アレイ１３を形成した場合に計測可能な定数である。
【数1】
【0019】
従って、回折格子アレイ１３の受光効率を向上するためには、回折格子アレイ１３の面積率が支配的であり、回折格子アレイ１３の面積率が大きくなるように、回折格子アレイ１３を形成すればよい。例えば、回折格子アレイ１３は平面波を受光するが、その回折格子アレイ１３の受光面における入射光の光束の面積が回折格子を構成する格子パターン１３Ａの受光面の面積より大きい場合、格子パターン１３Ａを、受光面に沿って複数並べて配置すればよい。
【0020】
図３に、対象物ＳＰからの光を受光する回折格子アレイ１３の一例を示す。また、図４に、回折格子アレイ１３に含まれる一部の格子パターンの一例を示す。
図３に示す例では、光アンテナ１２の受光面における入射光の光束ＩＢを受光可能に、７個の格子パターン１３Ａ１から１３Ａ７が配置されている。
図３に示す例では、光アンテナ１２の受光面における入射光の光束ＩＢを受光可能に、７個の格子パターン１３Ａ１から１３Ａ７が配置されている。
【0021】
ところで、回折格子は、格子パターンの部位によって電界強度が変化する。図４に示すように、並べて配置されている格子パターン１３Ａ２、１３Ａ３の各々では、中心の部位に比べて周辺の部位における電界強度が小さくなる。従って、格子パターン１３Ａの周辺部位における電界強度が小さい部位では受光効率が低下し、受光面に沿って複数並べて配置しても、入射光を有効に利用することが困難である。
【0022】
そこで、本実施形態では、回折格子アレイ１３における格子パターン１３Ａの一部を重複させ、回折格子アレイ１３の面積率を増加させることで、回折格子アレイ１３の受光効率を向上させている。
【0023】
図５に、格子パターン１３Ａ２及び格子パターン１３Ａ３の一部を重複させた一例として格子パターン群１３Ａｘを示す。
図５に示すように、格子パターン群１３Ａｘは、格子パターン１３Ａ２、１３Ａ３の各々における電界強度が小さい周辺部位を、重複させているので、図５に点線で示すように、その重複部位における電界強度が増加する。これにより受光効率が向上する。
図５に示すように、格子パターン群１３Ａｘは、格子パターン１３Ａ２、１３Ａ３の各々における電界強度が小さい周辺部位を、重複させているので、図５に点線で示すように、その重複部位における電界強度が増加する。これにより受光効率が向上する。
【0024】
図６に、図３に示す例の回折格子アレイ１３において格子パターン１３Ａの一部を重複させた構造の一例を示す。また、図７に、図６に示す回折格子アレイ１３における格子パターンの一例を示す。
図６に示すように、回折格子アレイ１３は、格子パターン１３Ａ１から格子パターン１３Ａ４の一部を重複させた格子パターン群１３Ａ－１と、格子パターン１３Ａ５から格子パターン１３Ａ７の一部を重複させた格子パターン群１３Ａ－２との２つの格子パターン群が受光面における入射光の光束ＩＢを受光可能に配置されている。図６に示す例では、重複された格子パターンの領域を斜線で示している。また、図７には、格子パターン群１３Ａ－１の一例を示している。このように、格子パターン１３Ａの一部を重複させることによって、受光効率を向上させることができる。
図６に示すように、回折格子アレイ１３は、格子パターン１３Ａ１から格子パターン１３Ａ４の一部を重複させた格子パターン群１３Ａ－１と、格子パターン１３Ａ５から格子パターン１３Ａ７の一部を重複させた格子パターン群１３Ａ－２との２つの格子パターン群が受光面における入射光の光束ＩＢを受光可能に配置されている。図６に示す例では、重複された格子パターンの領域を斜線で示している。また、図７には、格子パターン群１３Ａ－１の一例を示している。このように、格子パターン１３Ａの一部を重複させることによって、受光効率を向上させることができる。
【0025】
ところで、複数の格子パターン１３Ａの一部を重複させることで、受光効率が向上するが、その重複させる量に応じて受光効率は変化する。すなわち、パターンの一部を改変したため、効率が劣化することが懸念される。
次に、効率劣化の懸念を検証するため、複数の格子パターン１３Ａの一部を重複させる重複量の最適化について説明する。なお、ここでは、図７に示す格子パターン１３Ａ２、１３Ａ３の受光領域ＡＲについて、格子パターン１３Ａ２の中心と格子パターン１３Ａ３の中心との距離（以下、中心オフセットという。）Ｌを変化させた場合を検証した。
次に、効率劣化の懸念を検証するため、複数の格子パターン１３Ａの一部を重複させる重複量の最適化について説明する。なお、ここでは、図７に示す格子パターン１３Ａ２、１３Ａ３の受光領域ＡＲについて、格子パターン１３Ａ２の中心と格子パターン１３Ａ３の中心との距離（以下、中心オフセットという。）Ｌを変化させた場合を検証した。
【0026】
図８に、格子パターン１３Ａの一部を異なる重複率で重複させた場合における受光効率に関係する特性の一例を示す。図８に示す例では、中心オフセットＬを変化させた場合における、格子パターンについての単体の効率を示す関係及び受光効率を示す関係と、面積率を示す関係とを示している。
【0027】
面積率ＦＦは、格子パターン１３Ａ２、１３Ａ３の各々を重複させず並べた場合を基準とし、受光領域ＡＲに対する格子パターン１３Ａ２、１３Ａ３による面積の比率を示す。すなわち、面積率ＦＦとは以下のように定義する。
ＦＦ＝｛Σ（回折格子単素子の面積）｝／（チップ上のフットプリント）
ここで、回折格子単素子とは、重ね合わせをする前にそれ自体で回折格子として機能する回折格子を指す。多くの場合、（回折格子単素子）×（回折格子数）＝（回折格子単素子の合計面積）となる。チップ上のフットプリントとは、回折格子アレイ１３として形成された回折格子のサイズ、すなわち、複数の格子パターンが形成された回折格子の回折格子アレイ１３上の総面積を指す。
図８に示す例では、中心オフセットＬを変化させた場合における面積率の関係を一点鎖線によって示している。図８に示すように、格子パターン１３Ａ２、１３Ａ３を並べた場合である中心オフセットＬ１のときの面積率１．０から、中心オフセットＬが短くなるに従って、すなわち、格子パターン１３Ａ２、１３Ａ３の重複量が増加するに従って、面積率ＦＦが増大する。
ＦＦ＝｛Σ（回折格子単素子の面積）｝／（チップ上のフットプリント）
ここで、回折格子単素子とは、重ね合わせをする前にそれ自体で回折格子として機能する回折格子を指す。多くの場合、（回折格子単素子）×（回折格子数）＝（回折格子単素子の合計面積）となる。チップ上のフットプリントとは、回折格子アレイ１３として形成された回折格子のサイズ、すなわち、複数の格子パターンが形成された回折格子の回折格子アレイ１３上の総面積を指す。
図８に示す例では、中心オフセットＬを変化させた場合における面積率の関係を一点鎖線によって示している。図８に示すように、格子パターン１３Ａ２、１３Ａ３を並べた場合である中心オフセットＬ１のときの面積率１．０から、中心オフセットＬが短くなるに従って、すなわち、格子パターン１３Ａ２、１３Ａ３の重複量が増加するに従って、面積率ＦＦが増大する。
【0028】
一方、格子パターンについての単体の効率（以下、単体効率という。）は、格子パターン１３Ａ２又は１３Ａ３の面内のモード重なり積分の値と層構造の結合効率とから求まる効率である。単体効率は、１つの回折格子（回折格子単素子）を介して１つの導波路に結合する光に関する効率である。図８に示す例では、中心オフセットＬを変化させた場合における単体効率の関係を実線によって示している。また、受光効率は、格子パターン単体の効率に面積率ＦＦを乗算したものである。図８に示す例では、中心オフセットＬを変化させた場合における受光効率の関係を点線によって示している。
【0029】
図８に示すように、中心オフセットＬを変化させた場合、単体効率及び受光効率は、中心オフセットＬが短くなるに従って、すなわち、格子パターン１３Ａ２、１３Ａ３の重複量が増加するに従って増加し、所定の中心オフセットＬ（図８に示す例では、中心オフセットＬ２）で最大値となる。そして、中心オフセットＬ２から中心オフセットＬが短くなるに従って、単体効率及び受光効率は減少する。
【0030】
このように、所定の中心オフセットＬ２を境界として、中心オフセットＬ２を短くすると、単体効率及び受光効率が低下することは、中心部位における効率が高い光に対して格子パターンの重複によって回折機能が阻害され、最終的に回折格子として機能しなくなるためと考えられる。従って、中心オフセットＬ２までの距離において格子パターン１３Ａを重複させることが好ましく、中心オフセットＬ２の距離で格子パターン１３Ａ２、１３Ａ３を重複させることが受光効率を最大値とするために最適である。
【0031】
中心オフセットＬ２は、回折される光の電界強度から定めることが可能である。例えば、実験又は計算によって、補うことが好ましい電界強度の閾値を予め定めておき、回折される光の電界強度が予め定めた閾値以下の領域が重なるように、隣り合う格子パターンの一部が重複するように構成すればよい。
【0032】
以上説明したように、本実施の形態に係る光アンテナ１２に含まれる回折格子アレイ１３は、複数の格子パターン１３Ａを備え、隣り合う格子パターン１３Ａについて、格子パターン１３Ａの中心部位に比べて電界強度が弱い周辺部位を重ね合わせて重複させることによって、回折格子アレイ１３の受光効率が向上する。従って、各々格子パターンを備えた回折格子を複数並べて回折格子アレイ１３を形成する場合と比べて、回折格子アレイ１３の受光効率を向上させることが可能になる。
【0033】
また、本実施の形態に係る光アンテナ１２に含まれる回折格子アレイ１３は、複数の格子パターン１３Ａを備え、隣り合う格子パターン１３Ａを重ね合わせて重複させる構成のみであるので、簡素かつ小規模な構成で、回折格子アレイ１３を構成でき、また、回折格子アレイ１３を含む光アンテナ１２も、簡素かつ小規模な構成で形成することが可能になる。
【0034】
さらに、本実施の形態に係る光アンテナ１２を用いたレーザレーダ装置１０は、簡素かつ小規模な構成により光アンテナ１２によって、送信光と受信光とに基づいて、対象物までの距離を計測でき、車両の自動運転制御において、適切な加速及び減速の制御に資することができる。
【0035】
［第２実施形態］
次に、第２実施形態を説明する。第２実施形態は、光集積回路チップによって光を受光する受光装置に本開示の技術を適用したものである。なお、第２実施形態は、第１実施形態と同様の構成であるため、同一部分には同一符号を付して詳細な説明を省略する。
次に、第２実施形態を説明する。第２実施形態は、光集積回路チップによって光を受光する受光装置に本開示の技術を適用したものである。なお、第２実施形態は、第１実施形態と同様の構成であるため、同一部分には同一符号を付して詳細な説明を省略する。
【0036】
図９に、本実施形態に係る受光装置２０の概略構成の一例を示す。
図９に示すように、受光装置２０は、レーザレーダ装置１０に含まれる光アンテナ１２に代えて具備される。受光装置２０は、レンズ２２、及び光集積回路チップを構成する導波路基板２４と入射光を導波路基板２４へ回折する回折格子アレイ２６を備えている。レンズ２２は、光を集光して光束ＩＢとして光集積回路チップの回折格子アレイ２６へ光を照射するようになっている。
図９に示すように、受光装置２０は、レーザレーダ装置１０に含まれる光アンテナ１２に代えて具備される。受光装置２０は、レンズ２２、及び光集積回路チップを構成する導波路基板２４と入射光を導波路基板２４へ回折する回折格子アレイ２６を備えている。レンズ２２は、光を集光して光束ＩＢとして光集積回路チップの回折格子アレイ２６へ光を照射するようになっている。
【0037】
本実施形態に係る受光装置２０では、入射光から異なる偏光を分離して検出する。例えば、自然光には位相が異なる偏光が混在しており、例えば、電界成分が入射面に対し横向きである直交偏波（Transverse Electric Wave：以下、ＴＥ波という。）と、磁界成分が入射面に対し横向きである平行偏波（Transverse Magnetic Wave：以下、ＴＭ波という。）とが混在する。受光装置２０は、これらのＴＥ波、及びＴＭ波を分離して検出する。すなわち、本実施形態では、回折格子アレイ２６において、入射したＴＥ波、及びＴＭ波を各々別方向に分離し、導波路基板２４を伝播させる。
【0038】
図１０に、回折格子アレイ２６における１つの格子格子での、ＴＥ波の回折角θTE及びＴＭ波の回折角θTMの一例を示す。
図１０に示したように、ＴＥ波が回折角θTEで、ＴＭ波が回折角θTMで各々回折格子アレイ２６を構成する回折格子に入射すると、ＴＥ及びＴＭは同一方向に伝播する。図１０において、回折角θTE及び回折角θTMの各々を、回折格子アレイ２６を構成する回折格子の受光面の法線ベクトルＮVに対する角度として定義する。
図１０に示したように、ＴＥ波が回折角θTEで、ＴＭ波が回折角θTMで各々回折格子アレイ２６を構成する回折格子に入射すると、ＴＥ及びＴＭは同一方向に伝播する。図１０において、回折角θTE及び回折角θTMの各々を、回折格子アレイ２６を構成する回折格子の受光面の法線ベクトルＮVに対する角度として定義する。
【0039】
|回折角θTE|＝|回折角θTM|となり、かつ回折角θTEと回折角θTMとの正負が反対となるように、すなわち法線ベクトルＮVを中心に回折角θTE及び回折角θTMが対称となるように回折格子アレイ２６を構成すると、ＴＥ波及びＴＭ波が同一方向から回折格子アレイ２６に入射した場合、ＴＥ波及びＴＭ波は、各々逆方向に分離される。従って、回折角θTEと回折角θTMとの正負が反対となるように異なる回折格子群を形成することで、入射したＴＥ波、及びＴＭ波は各々別方向に分離され、導波路基板２４を伝播される。
【0040】
図１１に、回折格子アレイ２６として、回折角θTEと回折角θTMとの正負が反対となる回折格子群２６Ａ、及び２６Ｂを導波路基板２４に構成した一例を示す。
図１１に示すように、ＴＭ波が回折角θTMで回折格子群２６Ａに入射し、ＴＥ波が回折角θTEで回折格子群２６Ｂ、回折格子群２６Ａに入射すると、ＴＥ波及びＴＭ波は逆方向に伝播する。
図１１に示すように、ＴＭ波が回折角θTMで回折格子群２６Ａに入射し、ＴＥ波が回折角θTEで回折格子群２６Ｂ、回折格子群２６Ａに入射すると、ＴＥ波及びＴＭ波は逆方向に伝播する。
【0041】
図１２に、本実施形態に係る回折格子アレイ２６の構成の一例を示す。
図１２に示すように、ＴＭ波を回折する回折格子群２６Ａと、ＴＥ波を回折する回折格子群２６Ｂとを格子パターンの配列方向の線対称に形成する。これにより、レンズ２２によって集光された光束ＩＢの光のうち、光集積回路チップの回折格子アレイ２６によってＴＭ波が回折角θTMで回折格子群２６Ａで回折され、ＴＥ波が回折角θTEで回折格子群２６Ｂで回折され、ＴＥ波、及びＴＭ波は各々別方向に分離され、導波路基板２４を伝播される。
図１２に示すように、ＴＭ波を回折する回折格子群２６Ａと、ＴＥ波を回折する回折格子群２６Ｂとを格子パターンの配列方向の線対称に形成する。これにより、レンズ２２によって集光された光束ＩＢの光のうち、光集積回路チップの回折格子アレイ２６によってＴＭ波が回折角θTMで回折格子群２６Ａで回折され、ＴＥ波が回折角θTEで回折格子群２６Ｂで回折され、ＴＥ波、及びＴＭ波は各々別方向に分離され、導波路基板２４を伝播される。
【0042】
以上説明したように、本実施の形態に係る受光装置２０は、回折角が正負反対となるように構成された回折格子群２６Ａ、２６Ｂを備えることで、入射光をＴＥ波、及びＴＭ波に分離し、かつ分離された光を逆方向に伝播させることができる。これによって、ＴＥ波、及びＴＭ波の各々を独立して制御することが可能になる。
【0043】
また、本実施の形態に係る回折格子アレイは、ＴＥ波専用の回折格子群及びＴＭ波専用の回折格子群を各々備える、すなわち、同一基板上に格子パターンによる回折格子群を形成するのみで、簡素かつ小規模な構成で、装置を小型化でき、製品の製造コストを抑制できる。
【0044】
［第３実施形態］
次に第３実施形態を説明する。なお、第２実施形態は、第１実施形態と同様の構成であるため、同一部分には同一符号を付して詳細な説明を省略する。
次に第３実施形態を説明する。なお、第２実施形態は、第１実施形態と同様の構成であるため、同一部分には同一符号を付して詳細な説明を省略する。
【0045】
上記実施形態では、格子パターンの中心に光が伝播される方向に辺を有する格子パターンを光が伝播される方向に交差する方向に配列した複数の格子パターンを有する回折格子アレイを説明した。第３実施形態は、１つの格子パターンによる回折格子を１素子として複数の素子を組み合わせることによって、回折格子アレイ１３を構成する場合に本開示の技術を適用したものである。
【0046】
図１３に、本実施形態に係る回折格子アレイ２６を構成する複数の回折格子の一例を示す。また、図１４に、本実施形態に係る回折格子アレイ２６を構成する複数の回折格子を配置した一例を示す。図１４（Ａ）は本実施形態に係る回折格子アレイ２６の平面図であり、図１４（Ｂ）は本実施形態に係る回折格子アレイ２６の側面図である。
【0047】
図１３に示すように、ＴＭ波を回折する回折格子群２６Ａとして、１つの格子パターンを有する回折格子２６Ａ１、２６Ａ２，２６Ａ３を含む。また、ＴＥ波を回折する回折格子群２６Ｂとして、１つの格子パターンを有する回折格子２６Ｂ１、２６Ｂ２，２６Ｂ３を含む。
【0048】
そして、受光効率向上のために、回折格子群２６Ａでは、隣り合う回折格子の一部が重なるように配置する。すなわち、回折格子２６Ａ１と回折格子２６Ａ２との距離Ｌｙａ１を、回折格子２６Ａ１と回折格子２６Ａ２とを重複しないように並べた距離より短くする。同様に、回折格子２６Ａ２と回折格子２６Ａ３との距離Ｌｙａ２を、回折格子２６Ａ２と回折格子２６Ａ３とを重複しないように並べた距離より短くする。そして、回折格子群２６Ｂでも、隣り合う回折格子の一部が重なるように配置する。すなわち、回折格子２６Ｂ１と回折格子２６Ｂ２との距離Ｌｙｂ１を、回折格子２６Ｂ１と回折格子２６Ｂ２とを重複しないように並べた距離より短くする。同様に、回折格子２６Ｂ２と回折格子２６Ｂ３との距離Ｌｙｂ２を、回折格子２６Ｂ２と回折格子２６Ｂ３とを重複しないように並べた距離より短くする。一方、回折格子群２６Ａと回折格子群２６Ｂとの距離Ｌｚを、回折格子群２６Ａと回折格子群２６Ｂとの一部重なるように配置する。すなわち、回折格子群２６Ａと回折格子群２６Ｂとの距離Ｌｚを、回折格子群２６Ａと回折格子群２６Ｂとが重複しないように並べた距離より短くする。
【0049】
上記のように配置することで、図１４（Ａ）に示すように、隣り合う回折格子の一部が重複して、入射光の受光効率を向上することが可能になる。
【0050】
一方、回折格子アレイ２６は、回折格子群２６Ａの複数の回折格子２６Ａ１から２６Ａ３と、回折格子群２６Ｂの複数の回折格子２６Ｂ１から２６Ｂ３と、を備える。複数の回折格子２６Ａ１～２６Ａ３、２６Ｂ１～２６Ｂ３は、各々独立した単体の回折格子であるため、図１３及び図１４に示すＹＺ平面上で移動させると干渉し、重複させることは困難である。このため、図１４（Ｂ）に示すように、隣り合う回折格子を矢印Ｘ方向及び矢印Ｘ方向と逆方向に移動させることで、図１４（Ａ）に示すように平面図で隣り合う回折格子の一部が重なるように配置することが可能になる。
【0051】
以上説明したように、本実施の形態では、１つの格子パターンによる回折格子を１素子として、複数の素子による複数の回折格子を組み合わせることによって、回折格子アレイ１３を構成する。これによって、１つの格子パターンにより１素子として形成される回折格子を複数用いて回折格子アレイ１３を構成した場合であっても、回折格子の一部を重複させることで、回折格子アレイ１３の受光効率を向上することが可能になる。
【0052】
また、本実施の形態に係る光アンテナ１２に含まれる回折格子アレイ１３は、複数の格子パターン１３Ａを備え、隣り合う格子パターン１３Ａを重ね合わせて重複させる構成のみであるので、簡素かつ小規模な構成で、回折格子アレイ１３を構成でき、また、回折格子アレイ１３を含む光アンテナ１２も、簡素かつ小規模な構成で形成することが可能になる。
【0053】
なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能であることはいうまでもない。
【符号の説明】
【0054】
１０ レーザレーダ装置
１２ 光アンテナ
１３ 回折格子アレイ
１３Ａ 格子パターン
（１３Ａ１、１３Ａ２、１３Ａ３、１３Ａ４、１３Ａ５、１３Ａ６、１３Ａ７）
１３Ｂ 導波路
１３Ｃ 基板
１４ 信号処理部
１６ 演算処理部
２０ 受光装置
２２ レンズ
２４ 導波路基板
２６ 回折格子アレイ
２６Ａ 回折格子群
２６Ａ１、２６Ａ２、２６Ａ３ 回折格子
２６Ｂ 回折格子群
２６Ｂ１、２６Ｂ２、２６Ｂ３ 回折格子
ＡＲ 受光領域
ＦＦ 面積率
ＩＢ 光束
Ｌ 中心オフセット
Ｌ１、Ｌ２ 中心オフセット
Ｌｙａ１、Ｌｙａ２ 距離
Ｌｙｂ１、Ｌｙｂ２ 距離
Ｌｚ 距離
１２ 光アンテナ
１３ 回折格子アレイ
１３Ａ 格子パターン
（１３Ａ１、１３Ａ２、１３Ａ３、１３Ａ４、１３Ａ５、１３Ａ６、１３Ａ７）
１３Ｂ 導波路
１３Ｃ 基板
１４ 信号処理部
１６ 演算処理部
２０ 受光装置
２２ レンズ
２４ 導波路基板
２６ 回折格子アレイ
２６Ａ 回折格子群
２６Ａ１、２６Ａ２、２６Ａ３ 回折格子
２６Ｂ 回折格子群
２６Ｂ１、２６Ｂ２、２６Ｂ３ 回折格子
ＡＲ 受光領域
ＦＦ 面積率
ＩＢ 光束
Ｌ 中心オフセット
Ｌ１、Ｌ２ 中心オフセット
Ｌｙａ１、Ｌｙａ２ 距離
Ｌｙｂ１、Ｌｙｂ２ 距離
Ｌｚ 距離
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
