[发明专利]光学相控阵和使用该光学相控阵的LiDAR传感器

说明书

本发明提出一种光学相控阵(OPA)，该光学相控阵(OPA)不需要用于确定相移补偿量的复杂的校正处理，能够通过较小的相移提供光束转向或光束扫描的功能。该光学相控阵由形成在基板上的光波导构成，具备：输入光传播的总线波导；多个光耦合器，配置在总线波导上，分别提取在该总线波导中传播的光的一部分；多个波导线路，分别传播多个光耦合器提取的光；以及设置于总线波导的移相器。多个波导线路具有相互相等的光路长度，移相器设置于总线波导中的相邻的光耦合器所夹持的各区间。

技术领域

本发明涉及光学传感器技术领域，尤其涉及一种光学相控阵和使用该光学相控阵的LiDAR传感器。

背景技术

LiDAR传感器用于遥感和测距的用途，例如，在自动驾驶系统等中用于进行实时的三维映射和物体的检测、追踪、确定等。

LiDAR传感器在观察空间内扫描激光束并照射到该空间内的物体，测定该照射的光束到达物体并反射而返回到该LiDAR传感器内的接收器为止的飞行时间(TOF，Time ofFlight)，由此测定该物体的位置和距离。

作为这种LiDAR传感器已知一种使用机械式旋转部件进行激光束的扫描的传感器，但是在高级驾驶辅助系统(ADAS)或自主驾驶系统这样的一部分的系统中，优选使用能够具有各种优点的固态型光束扫描器。这样的优点包括：传感器可靠度更高、传感器寿命更长、传感器尺寸更小、传感器重量更轻和传感器成本更合理，但是并不限定于此。

作为这种固态型光束扫描器的一种具有光学相控阵(OPA，Optical Phased Array)。LiDAR传感器通过应用光学相控阵，与使用机械式光束扫描的现有的LiDAR相比，更高速且更具有适应性，并且更有用。

以往，作为与光学相控阵具有关联性的技术，已知在高频相控阵天线用的高频移相器中使用具备多个受光器的锯齿型光波导(专利文献1)。该高频移相器将由高频信号调制的光传播到上述锯齿型光波导，通过沿光波导配置在不同位置的多个受光器，接收各位置的光并进行检波，提取分别赋予了不同的相移的多个高频信号。并且，从提取的多个高频信号中选择性地输出赋予了所希望的相移的高频信号。但是，该高频移相器仅使用光波导作为对高频信号赋予延迟时间的单元而并未对光自身赋予相移。因此，不能将该技术用于光学相控阵。

作为具有其他关联性的现有技术，已知一种包括构成光移相器等的光波导的单片集成半导体结构的光信号处理装置(专利文献2、专利文献3)。在该光信号处理装置中，通过多级连接的两分支波导，输入光被分支为多束光。并且，通过设置于分别输出分支光的输出波导的移相器，对各分支光赋予单独的相移。但是，该光信号处理装置不构成光学相控阵。即，该装置仅对光进行分支并分别控制相位而并不具备用于输出衍射光的天线元件阵列(以规定的间隔输出被相位控制的光以生成衍射光的主极大光束的光输出元件的阵列)，因此不能将其直接应用于LiDAR。

此外，在想要将上述光信号处理装置的结构转用于光学相控阵的情况下，需要使从排列成一列的输出波导输出的光的相位从端部开始依次以下式的方式线性地增加。

φ_m＝mP(2π/λ)sinθ (1)

其中，m是将上述排列成一列的输出波导视为光学相控阵中的排列成一列的天线元件时的相对于该排列成一列的天线元件从端部开始依次赋予的编号。此外，P是天线元件的排列间隔，λ是输出的光的波长，θ是衍射光的主极大光束相对于天线元件的光出射端所构成的平面的法线的方向角。从式(1)可知，设置于各信道(即各天线元件和与该天线元件相连的光传输路径的每一个)的移相器必须能够提供不同的相移，并且相移的累积值必须超过2π。

但是，在上述光信号处理装置中，由于从各输出波导输出的光的相位仅通过设置于各输出波导的移相器来确定，并且各输出波导的移相器被相互独立地控制，所以用于正确地发现超过2π的累积相移的值的处理变得复杂。因此，用于使上述结构作为光学相控阵发挥功能的控制动作变得相当复杂。