JP7274602B2 - マルチモード導波管光検出器を有するｌｉｄａｒシステム - Google Patents

Description

〔関連出願〕
この出願は、これにより引用によって本明細書にその内容全体が組み込まれる２０１９年４月４日出願の米国特許出願第１６／３７５，５１１号の「３５ Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１９（ｅ）」の下での利益を主張するものである。

本発明の開示は、一般的に、２次元にわたる距離と速度の同時測定を提供する光検出及び測距（ＬＩＤＡＲ）に関する。

高速走査ミラーは、殆どの従来のＬＩＤＡＲシステムにおいて光景を照明するのに使用される主な構成要素である。１つのミラーは、典型的にＸ方向（方位角）に沿って高速で走査し、一方で別のミラーは、Ｙ方向（仰角）に沿って低速で走査する。光の放出とターゲット反射からの検出とは、典型的に単一モードファイバを通じて同軸的に行われる。収集された光は、距離情報及び潜在的には速度情報を抽出するのに使用される測定遅延又は変更周波数痕跡を有する。点毎に検出された距離情報が走査ミラーからの角度位置フィードバックと組み合わされた時に、３Ｄ（点群）ポイントクラウドを確立することができる。

より高いフレームレートを達成するために、ミラーの角速度、特により高速の走査方向でのスキャナ（本発明の場合ではＸスキャナ）のミラーの角速度が高められる。高い角速度によるミラーと単一モードファイバベースの検出を使用する場合、遠隔物体からのターゲット信号は激しく劣化する。信号劣化は、光信号（パルス又は周波数掃引式）の発射時から遠隔散乱ターゲットからの同じ信号の収集時までのスキャナミラーの角度位置の差に主として起因する。この僅かな角度変化は、結合効率を低減するファイバ先端でのターゲット信号のウォークオフを引き起こし、これは、より弱い信号検出として顕在化する。そのような劣化は、ファイバ径が小さくなる例えば～１０μｍ直径を有する単一モードファイバの時に又はミラーの角速度が高くなる時により厳しくなる。

本発明の開示は、限定ではないが以下の例示的実施を含む。

一部の例示的実施は、光ビームを放出するように構成された光源を含む光検出及び測距（ＬＩＤＡＲ）装置を提供する。ＬＩＤＡＲ装置は、ターゲット信号としての光ビームの第１の部分と局所振動子信号としての光ビームの第２の部分とを受信してターゲット信号と局所振動子信号を結合するように構成された自由空間光学系を含む。ＬＩＤＡＲ装置は、結合された信号を受信するように構成されたマルチモード（ＭＭ）導波管を更に含むことができる。

一部の例示的実施は、ターゲットに向けて光ビームを光検出及び測距（ＬＩＤＡＲ）システムの光源によって発生させる段階を含む方法を提供する。本方法は、ターゲットによる光ビームの反射に関するターゲット信号と自由空間光学系による光ビームの反射に関する局所振動子信号とをＬＩＤＡＲシステムによって受信する段階を含む。本方法は、マルチモード（ＭＭ）導波管の中にターゲット信号と局所振動子信号を結合する段階を更に含む。

本発明の開示のこれら及び他の特徴、態様、及び利点は、以下の詳細説明を下記で簡単に説明する添付図面と共に読むことから明らかであろう。本発明の開示は、本発明の開示に列挙する２、３、４、又は５以上の特徴又は要素のあらゆる組合せをそのような特徴又は要素が本明細書に説明する特定の例示的実施において明示的に組み合わされるか又は他に列挙されるか否かに関わらず含む。この開示は、全体論的に読まれるように意図しており、そのために本発明の開示の内容が他に明確に指定しない限り、本発明の開示のいずれの分離可能な特徴又は要素もその態様及び例示的実施のいずれにおいても組合せ可能なものとして見られるものとする。

従って、この「発明の概要」は、本発明の開示の一部の態様の基本的な理解を提供するように一部の例示的実施を要約するために単に提供されることは認められるであろう。従って、上述の例示的実施は単なる例に過ぎず、本発明の開示の範囲又は精神をいずれにせよ狭めるものと解釈すべきではないことは認められるであろう。他の例示的実施、態様、及び利点は、一部の上述の例示的実施の原理を一例として示す添付図面と共に以下の詳細説明から明らかになるであろう。

本発明の開示の実施形態及び実施は、以下に与える詳細説明から及び特定の実施形態又は実施に限定するように取るべきではなく説明及び理解のみを目的とする本発明の開示の様々な態様及び実施の添付図面からより完全に理解されるであろう。

本発明の開示の例示的実施によるＬＩＤＡＲシステムを示す図である。 本発明の開示の実施形態による走査システムの光回路の態様を示す図である。 本発明の開示の実施形態によるＬＩＤＡＲシステムの態様を示す図である。 本発明の開示の実施形態による複数の光源を有するＬＩＤＡＲシステムの態様を示す図である。 本発明の開示の実施形態による例示的デマルチプレクサの図である。 本発明の開示の一部の実施形態による例示的デマルチプレクサの図である。 走査システムの光回路の態様を示す図である。 本発明の開示の実施形態により複数の光ビームを発生する複数の光源を有するＬＩＤＡＲシステムの態様を示す図である。 本発明の開示の他の実施形態により複数の光ビームを発生する複数の光源を有するＬＩＤＡＲシステムの態様を示す図である。 本発明の開示の実施によりマルチモード導波管の中にターゲット信号と局所振動子信号を結合する方法の流れ図である。

本発明の開示の例示的実施は、改善された走査ＬＩＤＡＲシステムに関する。本発明の開示の例示的実施は、従来のＬＩＤＡＲシステムの欠点及び従来のＦＭ ＬＩＤＡＲシステムの制限を解消するために周波数変調（ＦＭ）とコヒーレント検出とを使用するタイプのＬＩＤＡＲに基づいている。歴史的に、ＦＭ ＬＩＤＡＲシステムは、ビームの復路での多大な損失を欠点とし、従って、多くの場合に非常に嵩高なそのようなシステムは、飛行時間（ＴＯＦ）ＬＩＤＡＲシステムと同程度の距離を測定するのにより高い平均ビーム出力電力を必要とする。しかし、この距離は、目に安全な出力電力に対する作動距離によって制限される。

本発明の開示の例示的実施は、コヒーレント検出を用いて距離と速度を同時に測定するように構成され、他のＬＩＤＡＲシステムからのクロストークに対するノイズ耐性という追加の利点を有する。距離、フレームレート、又は検出を改善するために他の実施は、非コヒーレントシステムと併用することができる。例示的実施は、ビームの復路での光損失を最小にし、それによってシステムの測定距離が長くする。更に、非劣化光源を使用することにより、例示的実施は、小型性と変化する環境条件下での相対的安定性とに起因して望ましいプラットフォームである集積シリコンフォトニクスにおいて多くの場合に使用される成熟した波長分割多重化（ＷＤＭ）技術を利用することができる。

上述のように、ターゲット信号の戻り時のファイバ先端での偏心は、結合効率の低下の主な発生源である。ファイバ先端において偏心した戻り光の阻害効果を軽減するために、従来のＦＭ ＬＩＤＡＲシステムは、単一モード（ＳＭ）導波管の中に局所振動子（ＬＯ）信号をターゲット信号と結合することができる。結合した信号は、次に、光学的光検出器に提供することができる。一般的に、ターゲット信号とＬＯ信号とを結合する効率は、光検出器上でのＬＯ信号とターゲット信号との空間的重複に基づく。ＳＭ導波管のモードフィールド径は比較的小さいので、ターゲット信号をＳＭ導波管と結合するのは非常に困難であり、かつ製造することが困難である。更に、ＳＭ導波管は、同軸ビーム走査の時間依存の悪影響、例えば、不十分なデスキャン又は信号収差を補償しない。

本発明の開示の例示的実施は、ＬＯ信号とターゲット信号を結合して、結合された信号をマルチモード（ＭＭ）導波管に提供するＦＭ ＬＩＤＡＲシステムによって上記及び他の欠点に対処する。システムを離れる光の偏光状態は、自由空間光学系の偏光波長板を用いて変換することができる。偏光波長板の後に、光の一部分は、ＬＯ信号としてシステムに向けて反射して戻すことができ、同時に残りの光は環境に進行し、それをシステムの視野（ＦＯＶ）内にある１又は２以上の物体がターゲット信号として反射して戻すことができる。自由空間光学系は、ＬＯ信号と受信ターゲット信号とを結合して、結合された信号を発生するように構成することができる。自由空間光学系内で、ターゲット信号はＬＯ信号と干渉し、結合された信号を形成する。結合された信号の偏光状態が変換されるので、結合された信号は、ＳＭ導波管と比較してより大きいモード面積を有する１又は２以上のＭＭ導波管に偏光ビームスプリッタによって反射することができる。次に、結合された信号は、１又は２以上の導波管光検出器（ＷＧＰＤ）に提供することができる。

従って、結合された信号をＭＭ導波管に提供することにより、ＦＭ ＬＩＤＡＲシステムの性能が改善される。ＭＭ導波管は、ＳＭ導波管と比較した時により大きいモード面積を有するので、結合された信号をＭＭ導波管と結合する段階は、ＳＭ導波管を利用する従来のＦＭ ＬＩＤＡＲシステムと比較した時により効率的であり、ＦＭ ＬＩＤＡＲシステムの性能及び製造機能を改善する。更に、結合された信号を受信するのにＭＭ導波管を使用することは、同軸ＬＩＤＡＲシステムに固有のものであると考えられる不十分なデスキャン効果及び収差を補償するのに役立たせることができる。

図１は、本発明の開示の例示的実施によるＬＩＤＡＲシステム１００を示している。ＬＩＤＡＲシステム１００は、いくつかの構成要素の各々の１又は２以上を含むが、図１に示すものよりも少ないか又は追加の構成要素を含むことができる。ＬＩＤＡＲシステム１００は、交通システム、製造システム、測定システム、医療システム、及びセキュリティシステム等であるがこれらに限定されない任意のセンシング市場で実施することができる。例えば、自動車産業では、説明するビーム送出システムは、自動運転者支援システム又は自律走行車両のための空間認識を支援することができる周波数変調連続波（ＦＭＣＷ）デバイスのフロントエンドになる。図示のように、ＬＩＤＡＲシステム１００は、フォトニクスチップ上に実施された光回路１０１を含む。光回路１０１は、能動的光学構成要素と受動的光学構成要素の組合せを含むことができる。能動的光学構成要素は、光信号などを発生、増幅、又は検出することができる。一部の例では、能動的光回路は、異なる波長の光ビーム、１又は２以上の光学増幅器、又は１又は２以上の光学検出器などを含む。

自由空間光学系１１５は、光信号を搬送して光信号を能動的光回路の適切な入力／出力ポートに経路指定及び操作するための１又は２以上の光学導波管を含むことができる。自由空間光学系１１５は、タップ、波長分割マルチプレクサ、スプリッタ／コンバイナ、偏光ビームスプリッタ、又はコリメータなどを含むことができる。一部の実施形態では、後に議論するように、自由空間光学系１１５は、偏光状態を変換し、受信偏光光をＰＢＳを用いて光学検出器に向けるための構成要素を含むことができる。

光学スキャナ１０２は、走査パターンに従って環境を走査するように光信号をステアリングするためにそれぞれの直交軸に沿って回転可能である１又は２以上の走査ミラーを含む。例えば、走査ミラーは、１又は２以上のガルバノメータによって回転可能にすることができる。光学スキャナ１０２は、環境内の任意の物体上に入射する光を光回路１０１の受動的光回路構成要素に戻される戻り光ビームの中に収集する。例えば、戻り光ビームは、偏光ビームスプリッタによって光学検出器に向けることができる。ミラー及びガルバノメータに加えて、光学走査システムは、４分の１波長板、レンズ、又は反射防止被覆窓などのような構成要素を含むことができる。

光回路１０１及び光学スキャナ１０２を制御及びサポートするために、ＬＩＤＡＲシステム１００は、ＬＩＤＡＲ制御システム１１０を含む。ＬＩＤＡＲ制御システム１１０は、ＬＩＤＡＲシステム１００のための処理デバイスを含むことができる。実施形態では、処理デバイスは、マイクロプロセッサ又は中央演算処理装置などのような１又は２以上の汎用処理デバイスとすることができる。より具体的には、処理デバイスは、複合命令セットコンピュータ（ＣＩＳＣ）マイクロプロセッサ、縮小命令セットコンピュータ（ＲＩＳＣ）マイクロプロセッサ、超長命令語（ＶＬＩＷ）マイクロプロセッサ、又は他の命令セットを実施するプロセッサ、又は命令セットの組合せを実施するプロセッサとすることができる。処理デバイスは、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、又はネットワークプロセッサなどのような１又は２以上の専用処理デバイスとすることができる。

一部の実施形態では、ＬＩＤＡＲ制御システム１１０は、デジタル信号プロセッサのような信号処理ユニット１１２を含むことができる。ＬＩＤＡＲ制御システム１１０は、光学ドライバ１０３を制御するためのデジタル制御信号を出力するように構成される。一部の実施形態では、デジタル制御信号は、信号変換ユニット１０６を通してアナログ信号に変換することができる。例えば、信号変換ユニット１０６は、デジタル／アナログ変換器を含むことができる。次に、光学ドライバ１０３は、レーザ及び増幅器のような光源を駆動するための駆動信号を光回路１０１の能動的構成要素に提供することができる。一部の実施形態では、複数の光源を駆動するために、いくつかの光学ドライバ１０３及び信号変換ユニット１０６を設けることができる。

ＬＩＤＡＲ制御システム１１０は、光学スキャナ１０２に対するデジタル制御信号を出力するようにも構成される。運動制御システム１０５は、ＬＩＤＡＲ制御システム１１０から受信した制御信号に基づいて光学スキャナ１０２のガルバノメータを制御することができる。例えば、デジタル／アナログ変換器は、ＬＩＤＡＲ制御システム１１０からの座標経路指定情報を光学スキャナ１０２内のガルバノメータによって解釈可能な信号に変換することができる。一部の実施形態では、運動制御システム１０５は、光学スキャナ１０２の構成要素の位置又は作動に関する情報をＬＩＤＡＲ制御システム１１０に戻すことができる。例えば、アナログデジタルコンバータは、次に、ガルバノメータの位置に関する情報をＬＩＤＡＲ制御システム１１０によって解釈可能な信号に変換することができる。

ＬＩＤＡＲ制御システム１１０は、到着するデジタル信号を解析するように更に構成される。この点に関して、ＬＩＤＡＲシステム１００は、光回路１０１が受信する１又は２以上のビームを測定するための光学受信機１０４を含む。例えば、基準ビーム受信機は、能動的光回路からの基準ビームの振幅を測定することができ、アナログデジタルコンバータは、基準受信機からの信号をＬＩＤＡＲ制御システム１１０によって解釈可能な信号に変換する。ターゲット受信機は、ターゲットの距離及び速度に関する情報をビート周波数変調光信号の形態で搬送する光信号を測定する。反射ビームは、局所振動子からの第２の信号と混合することができる。光学受信機１０４は、ターゲット受信機からの信号をＬＩＤＡＲ制御システム１１０によって解釈可能な信号に変換するための高速アナログデジタルコンバータを含むことができる。

一部の用途では、ＬＩＤＡＲシステム１００は、環境の画像を取り込むように構成された１又は２以上の撮像デバイス１０８、システムの地点を与えるように構成された全地球測位システム１０９、又は他のセンサ入力を更に含むことができる。ＬＩＤＡＲシステム１００は、画像処理システム１１４を含むことができる。画像処理システム１１４は、画像及び地点を受信し、これらの画像及び地点又はそれらに関する情報をＬＩＤＡＲ制御システム１１０又はＬＩＤＡＲシステム１００に接続された他のシステムに送るように構成することができる。

何らかの例による作動において、ＬＩＤＡＲシステム１００は、２次元にわたって距離と速度を同時に測定するために非劣化光源を使用するように構成される。この機能は、周囲環境の距離、速度、方位角、及び仰角の実時間長測距を可能にする。一部の例示的実施では、システムは、複数の変調光ビームを同じターゲットに指定する。

一部の例では、走査処理は、光学ドライバ１０３及びＬＩＤＡＲ制御システム１１０を用いて始まる。ＬＩＤＡＲ制御システム１１０は、１又は２以上の光ビームを独立に変調するように光学ドライバ１０３に命令し、これらの変調信号は、受動的光回路を通ってコリメータに伝播する。コリメータは、この光を運動制御サブシステムによって定められた事前プログラミングされたパターンにわたって環境を走査する光学走査システムに向ける。光回路は、光が光回路１０１を離れる時に光の偏光を変換するための偏光波長板を含むことができる。実施形態では、偏光波長板は、４分の１波長板又は半波長板とすることができる。偏光光の一部分は、光回路１０１に反射して戻すことができる。例えば、レンズシステム又は平行化システムは、光の一部分を光回路１０１に反射して戻すための自然な反射特性又は反射コーティングを有することができる。

環境から反射して戻された光信号は、光回路１０１を通して受信機に至る。この光の偏光は変換されるので、この光は、光回路１０１に反射して戻された偏光光部分と共に偏光ビームスプリッタが反射することができる。従って、光源と同じファイバ又は導波管に戻るのではなく、この反射光は、別個の光学受信機に反射される。これらの信号は互いに干渉し、結合された信号を発生する。ターゲットから戻る各ビーム信号は、時間シフト波形を生成する。２つの波形間の時間位相差は、光学受信機（光検出器）上で測定されるビート周波数を発生させる。次に、結合された信号は、光学受信機１０４に反射することができる。ビームを偏光して光学受信機１０４に向ける光回路１０１の構成に対しては後で説明する。

光学受信機１０４からのアナログ信号は、ＡＤＣを用いてデジタル信号に変換される。次に、デジタル信号は、ＬＩＤＡＲ制御システム１１０に送られる。次に、信号処理ユニット１１２は、デジタル信号を受信してこれらを解釈することができる。一部の実施形態では、信号処理ユニット１１２はまた、運動制御システム１０５及びガルバノメータ（図示せず）から位置データを受信し、かつ画像処理システム１１４から画像データを受信する。次に、信号処理ユニット１１２は、光学スキャナ１０２が追加の点を走査する時に環境内の点の距離及び速度に関する情報を有する３Ｄポイントクラウドを発生させることができる。信号処理ユニット１１２は、周囲の区域内の物体の速度及び距離を決定するために３Ｄポイントクラウドデータに画像データを重ねることができる。更に、システムは、正確な地球上の地点を与えるために衛星利用ナビゲーション地点データを処理する。

図２は、走査システムの光回路２００の態様を示している。例えば、図２の光回路２００は、一部の例示的実施に従って図１に関して示したＬＩＤＡＲシステム１００の光回路１０１の一部とすることができる。図示のように、光源２０２は、ＬＩＤＡＲシステムの受動的光学構成要素にレーザビームのような光ビームを提供するように構成される。例えば、光源２０２は、レーザ源とすることができる。光ビームは、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）２１４を非偏光光として通過することができる。ＰＢＳ２１４を通過した後に、光ビームは、自由空間光学系２１２に入射することができる。実施形態では、自由空間光学系２１２は、レンズ２１０と偏光波長板２０８を含むことができる。レンズ２１０は、光をフォーカス／平行化するのに使用することができる。偏光波長板２０８の使用によって光ビームの偏光を変換することができる。次に、光ビームの偏光は、円偏光に変換されることになる。実施形態では、偏光波長板２０８は、偏光光の一部分を光源２０２に向けて反射して戻すことができる。一部の実施形態では、レンズ２１０又は偏光波長板２０８上で別個のミラー、マイクロレンズアレイ、フィルタ、又は反射コーティングを使用することができる。光の反射部分は、ターゲットからの戻り光との干渉のための局所振動子になる。

この図は、自由空間光学系２１２のレンズ２１０及び偏光波長板２０８の特定の配置を示すが、他の実施形態では、自由空間光学系２１２のレンズ２１０、偏光波長板２０８、及び他の構成要素を様々な構成で配置することができる。例えば、自由空間光学系２１２は、光ビームが偏光波長板２０８を通してレンズ２１０に至るように構成することができる。一部の実施形態では、レンズ２１０は、偏光光の一部分を光源２０２に向けて反射して戻すことができる。一部の実施形態では、偏光波長板２０８は、ＰＢＳ２１４の前に配置することができる。次に、ＰＢＳ２１４の傾斜角は、光ビームの一部分が局所振動子信号としてＷＧＰＤ２０４に向けて経路変更されるように調節することができる。

偏光波長板２０８を通過した後に、光ビームは環境に伝送され、パルスの一部分は、１又は２以上の物体から反射して戻ることができる。例えば、光は、図１に関して議論した１又は２以上の高速走査ミラーによってラスターパターンで環境に伝送することができる。反射光の一部分は、光源２０２の方向にターゲット信号として戻ることができる。自由空間光学系２１２は、受信ターゲット信号を局所振動子信号と結合して空間的に位置合わせされて共伝播する結合された信号を発生するように構成することができる。ターゲット信号と局所振動子信号とを含む結合された信号は偏光されているので、結合された信号が偏光ビームスプリッタ２０６に戻った時に、結合された信号は、光源２０２に戻るのではなく導波管光検出器２０４に反射される。局所振動子信号とターゲットからの信号とは、干渉して結合された信号を発生する。従って、２つの信号を互いに干渉させる必要はない。その後に、結合された信号は、ターゲット点における環境に関する距離、速度、又は他のファクタを解釈するために用いることができる。

図３は、本発明の開示の実施形態によるＬＩＤＡＲシステム３００の態様を示している。ＬＩＤＡＲシステム３００は、ＬＩＤＡＲシステム３００の１又は２以上の構成要素を含むフォトニクスチップ３０２を含むことができる。実施形態では、図１で上述のように、光回路１０１は、フォトニクスチップ３０２上に実施される。光回路１０１は、光ビームを発生することができ、この光ビームは、その単一モード伝播用に構成された単一モード導波管３０６に通される。一部の実施形態では、光ビームは、ＳＭ導波管３０６から光ビームのモード面積を拡大するように構成された任意的なビーム拡大器３０８ａに提供することができる。

フォトニクスチップ３０２の射出時に、光ビームは、上述のように偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）２１４を通過することができる。実施形態では、ＰＢＳ２１４に入射する前に光ビームを平行化するためにフォトニクスチップ３０２とＰＢＳ２１４の間にレンズ（図示せず）を配置することができる。ＬＩＤＡＲシステム３００は、図２で上述したように、光の偏光を変換し、光の一部分を局所振動子信号３１４として反射し、ターゲット信号と局所振動子信号を結合するなどを行うための自由空間光学系２１２を更に含むことができる。

光の偏光の変換時に、光ビームの一部分は、スキャナ３１２（例えば、図１の光学スキャナ１０２）を通してターゲット３１６に向けて伝送することができる。光ビームがターゲット３１６に当たると、ビームの一部分は、ターゲット信号３１８としてＬＩＤＡＲシステム３００に戻される。ターゲット信号３１８は、自由空間光学系２１２によって受信され、そこで上述したように局所振動子信号３１４と結合される。次に、結合された信号は、ＰＢＳ２１４によって受信され、マルチモード（ＭＭ）導波管３２６に向けて経路変更される。実施形態では、結合された信号は、ＰＢＳ２１４から１又は２以上の折り返しミラー３１６を通してＭＭ導波管３２６に経路変更することができる。一部の実施形態では、ＭＭ導波管３２６に入射する前に、結合された信号は、そのモード面積を拡大するために任意的なビーム拡大器３０８ｂに通すことができる。次に、結合された信号は、ＭＭ導波管３２６を通過することができ、導波管光検出器（ＷＧＰＤ）３２０によって受信される。その後に、結合された信号は、ターゲット点における環境に関する距離、速度、又は他のファクタを解釈するために用いることができる。

図４は、本発明の開示の実施形態による複数の光源を有するＬＩＤＡＲシステム４００の態様を示している。ＬＩＤＡＲシステム４００は、ＬＩＤＡＲシステム４００の１又は２以上の構成要素を含むフォトニクスチップ４０２を含むことができる。実施形態では、フォトニクスチップ４０２は、図１で上述したように光回路１０１を含むことができる。光回路１０１は、光ビームを発生する複数の光源を含むことができる。実施形態では、第１の光ビームは、第１の波長（例えば、λ１）を有することができ、第２の光ビームは、第２の波長（例えば、λ２）を有することができる。光ビームの発生時に、これらの光ビームは、互いにマルチプレクサ（ＭＵＸ）４０４によって単一出力ビームに多重化することができる。多重化された光ビームは、その単一モード伝播用に構成された単一モード導波管４０６に通すことができる。一部の実施形態では、光ビームは、そのモード面積を拡大するように構成されたビーム拡大器４０８ａに提供することができる。

フォトニクスチップ４０２の射出時に、光ビームは、上述のように偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）４１４を通過することができる。実施形態では、ＰＢＳ４１４に入射する前に光ビームを平行化するためにフォトニクスチップ４０２とＰＢＳ４１４の間にレンズ（図示せず）を配置することができる。ＬＩＤＡＲシステム４００は、図２で上述したように、光の偏光を変換し、光の一部分を局所振動子信号４２２として反射し、ターゲット信号４１８と局所振動子信号４２２とを結合するなどを行うための自由空間光学系４１２を更に含むことができる。

光の偏光の変換時に、光ビームの一部分は、スキャナ４２４（例えば、図１の光学スキャナ１０２）を通してターゲット４１６に向けて伝送することができる。光ビームがターゲット４１６に当たると、ビームの一部分は、ターゲット信号４１８としてＬＩＤＡＲシステム４００に戻される。ターゲット信号４１８は、自由空間光学系４１２によって受信され、そこで上述したように局所振動子信号４２２と結合される。次に、結合された信号はＰＢＳ４１４によって受信され、デマルチプレクサ（ＤＥＭＵＸ）４３０に向けて経路変更される。ＤＥＭＵＸ４３０は、光ビームを受信し、波長に基づいて、光ビームの第１の部分を第１の場所に、及び光ビームの第２の部分を第２の場所に経路変更するように構成することができる。例えば、ＤＥＭＵＸ４３０は、第１の波長λ１を有する光ビームの第１の部分を第１の場所に、及び第２の波長λ２を有する光ビームの第２の部分を第２の場所に経路変更することができる。ＤＥＭＵＸ４３０に関する更なる詳細に関しては、下記で図５Ａ及び図５Ｂで説明する。

第１のＬＯ信号と第１の波長λ１を有する第１のターゲット信号とを含む第１の結合された信号は、ＤＥＭＵＸ４３０によって第１のＭＭ導波管４２６ａに向けて経路変更することができる。一部の実施形態では、第１のＭＭ導波管４２６ａに入射する前に、第１の結合された信号は、そのモード面積を拡大するように構成されたビーム拡大器４０８ｂに通すことができる。次に、第１の結合された信号は、第１のＭＭ導波管４２６ａを通過することができ、第１の導波管光検出器（ＷＧＰＤ）４２０ａによって受信される。

第２のＬＯ信号と第２の波長λ２を有する第２のターゲット信号とを含む第２の結合された信号は、ＤＥＭＵＸ４３０によって第２のＭＭ導波管４２６ｂに向けて経路変更することができる。一部の実施形態では、第２のＭＭ導波管４２６ａに入射する前に、第２の結合された信号は、そのモード面積を拡大するように構成されたビーム拡大器４０８ｃに通すことができる。次に、第２の結合された信号は、第２のＭＭ導波管４２６ｂを通過することができ、第２の導波管光検出器（ＷＧＰＤ）４２０ｂによって受信される。

図５Ａは、本発明の開示の実施形態による例示的デマルチプレクサ５００の図である。実施形態では、デマルチプレクサ（ＤＥＭＵＸ）５００は、図４のＤＥＭＵＸ４３０に対応することができる。ＤＥＭＵＸ５００は、ダイクロイックミラー５０２と折り返しミラー５０４とを含むことができる。

ダイクロイックミラー５０２は、特定の波長の光ビームを反射／経路変更し、一方で異なる波長の光ビームがダイクロイックミラー５０２を通過することを可能にするように構成することができる。例えば、ダイクロイックミラー５０２は、λ１の波長を有する光ビームを経路変更し、一方でλ２の波長を有する光ビームがダイクロイックミラー５０２を通過することを可能にするように構成することができる。図５Ａを参照すると、ダイクロイックミラー５０２は、λ１の波長を有する光ビームを経路変更し、一方でλ２の波長を有する光ビームがダイクロイックミラー５０２を通過することを可能にするように構成されている。従って、λ１の波長を有する第１のＬＯ信号及び第１のターゲット信号を含む結合された信号の第１の部分は、図４で上述したようにＭＭ導波管４２６ａの中に経路変更される。

λ２の波長を有する第２のＬＯ信号及び第２のターゲット信号を含む結合された信号の第２の部分は、ダイクロイックミラー５０２を通過し、折り返しミラー５０４によって図４で上述したようにＭＭ導波管４２６ｂの中に経路変更される。

図５Ｂは、本発明の開示の一部の実施形態による例示的デマルチプレクサ５５０の図である。実施形態では、デマルチプレクサ（ＤＥＭＵＸ）５５０は、図４のＤＥＭＵＸ４３０に対応することができる。ＤＥＭＵＸ５５０は、分散要素５５２と折り返しミラー５５４及び５５６とを含むことができる。

分散要素５５２は、光ビームの複数の部分を光ビームの波長に基づいて異なる角度に分散させるように構成された１又は２以上の材料で形成することができる。例えば、分散要素５５２は、λ１の波長を有する光ビームの第１の部分を第１の角度に及びλ２の波長を有する光ビームの第２の部分を第２の角度に向けるように構成することができる。図５Ｂを参照すると、分散要素５５２は、λ１の波長を有する光ビームの第１の部分を折り返しミラー５５４に向く第１の角度に及びλ２の波長を有する光ビームの第２の部分を折り返しミラー５５６に向く第２の角度に向けるように構成される。折り返しミラー５５４は、光ビームの第１の部分を第１のＭＭ導波管４２６ａに経路変更するように構成することができ、折り返しミラー５５６は、光ビームの第２の部分を第２のＭＭ導波管４２６ｂに経路変更するように構成することができる。

従って、λ１の波長を有する第１のＬＯ信号及び第１のターゲット信号を含む結合された信号の第１の部分は、分散要素５５２によって折り返しミラー５５４にかつＭＭ導波管４２６ａの中に経路変更される。λ２の波長を有する第２のＬＯ信号及び第２のターゲット信号を含む結合された信号の第２の部分は、分散要素５５２によって図４で上述したように折り返しミラー５５６にかつＭＭ導波管４２６ｂの中に経路変更される。

図６は、走査システムの光回路６００の態様を示している。例えば、図６の光回路６００は、一部の例示的実施により、図１に関して示したＬＩＤＡＲシステム１００の光回路１０１の一部とすることができる。図示のように、光回路６００は、複数の光源６０２ａ、６０２ｂと複数のＷＧＰＤ６０４ａ、６０４ｂとを含む。複数の光源６０２ａ、６０２ｂ及びＷＧＰＤ６０４ａ、６０４ｂは、単一期間内で複数のデータ点を与えることができる。従って、高速走査ミラーのより少ない回転が、追加のデータを与えることができる。光回路６００の残余は、図２に関して上述したものと同じか又は同様とすることができる。例えば、光回路６００は、光の偏光を変換するための偏光波長板６０８及び光を平行化するためのレンズ６１０などを有する自由空間光学系４１２を含むことができる。一部の実施形態では、戻り光が反射される時に光源６０２ａ、６０２ｂとＷＧＰＤ６０４ａ、６０４ｂとが位置合わせされるようにＰＢＳ４１４の位置合わせを設定することができる。一部の実施形態では、複数の光源６０２ａ、６０２ｂ、複数のＷＧＰＤ６０４ａ、６０４ｂ、並びに複数のＰＢＳ４１４が存在することができる。ある点での距離データ又は速度データを発生させるために、ＷＧＰＤ６０４ａ、６０４ｂの各々において受信される信号を別個に解析することができる。一部の実施形態では、複数の光源６０２ａ、６０２ｂは、異なる波長の光ビームを提供することができる。

図７Ａは、本発明の開示の実施形態に従って複数の光ビームを発生する複数の光源を有するＬＩＤＡＲシステム７００の態様を示している。ＬＩＤＡＲシステム７００の構成要素は、ＬＩＤＡＲシステム４００の構成要素と同様とすることができる。しかし、各々が１つの光ビームを発生する２つの光源を有する代わりに、２つの光源は、各々２つの光ビームを発生する。例えば、第１の光源は、第１の波長を有する第１の光ビームと第２の波長を有する第２の光ビームとを発生することができる。同様に、第２の光源は、第３の波長を有する第３の光ビームと第４の波長を有する第４の光ビームとを発生することができる。

第１の光源によって発生された複数の光ビームは、互いにＭＵＸ４０４ａによって多重化することができ、第２の光源によって発生された複数の光ビームは、互いにＭＵＸ４０４ｂによって多重化することができる。次に、第１の光源（例えば、光源１）からの多重化ビーム及び第２の光源（例えば、光源２）からの多重化ビームは、上述のようにターゲット４１６に向けて誘導される。ターゲット信号４１８が受信されてＬＯ信号４２２と結合される。結合された信号は、ＰＢＳ４１４によってＤＥＭＵＸ４３０に向けて経路変更される。ＤＥＭＵＸ４３０は、波長と光源とに基づいて結合された信号を分離するように構成される。例えば、ＤＥＭＵＸ４３０は、第１の光源（例えば、光源１）からの第１の波長（例えば、λ１）に対応する結合された信号の第１の部分を分離し、それをＭＭ導波管４２６ａに向けて誘導することができる。ＤＥＭＵＸ４３０は、第２の光源からの第１の波長に対応する結合された信号の第２の部分を分離し、それをＭＭ導波管４２６ｂに向けて誘導することができる。更に、ＤＥＭＵＸ４３０は、第１の光源からの第２の波長（例えば、λ２）に対応する結合された信号の第３の部分を分離し、それをＭＭ導波管４２６ｃに向けて誘導することができる。同様に、ＤＥＭＵＸ４３０は、第２の光源からの第２の波長に対応する結合された信号の第４の部分を分離し、それをＭＭ導波管４２６ｄに向けて誘導することができる。

複数の光ビームを発生する２つの光源を有するものとして説明したが、本発明の開示の実施形態は、異なる波長の複数の光ビームを発生する任意の個数のレーザ源も利用することができる。例えば、異なる波長の２又は３以上の光ビームを発生する単一光源を有するＬＩＤＡＲシステムは、本発明の開示の態様を利用することができる。

図７Ｂは、本発明の開示の他の実施形態に従って複数の光ビームを発生する複数の光源を有するＬＩＤＡＲシステム７５０の態様を示している。ＬＩＤＡＲシステム７５０の構成要素は、ＬＩＤＡＲシステム７００の構成要素と同様とすることができる。しかし、複数の光源によって利用される１つの受動的光回路セットを有する代わりに、図７Ｂでは、光源の各々は、対応する受動的光回路セットを有することができる。例えば、第１の光源は、対応するＰＢＳ４１４ａと自由空間光学系４１２ａとスキャナ４２４ａとを有することができ、第２の光源は、対応するＰＢＳ４１４ｂと自由空間光学系４１２ｂとスキャナ４２４ｂとを有することができる。同様に、光源の各々は、図４～図５で上述したように波長に基づいて受信した結合された信号を分離する対応するＤＥＭＵＸ（例えば、ＤＥＭＵＸ４３０ａ及び４３０ｂ）を有することができる。明瞭化の目的で、ＭＭ導波管４２６ａ～４２６ｄの前に任意的なビーム拡大器を示していない。しかし、一部の実施形態では、ＭＭ導波管４２６ａ～４２６ｄの前のフォトニクスチップ４０２上にビーム拡大器を配置することができる。

複数の光ビームを発生する２つの光源を有するものとして説明したが、本発明の開示の実施形態は、異なる波長の複数の光ビームを発生する任意の個数のレーザ源も利用することができる。例えば、異なる波長の２又は３以上の光ビームを発生する単一光源を有するＬＩＤＡＲシステムは、本発明の開示の態様を利用することができる。

図８は、本発明の開示の実施に従ってマルチモード導波管の中にターゲット信号と局所振動子信号を結合する方法８００の流れ図を示している。実施形態では、方法８００の様々な部分は、図１、図３、及び図４それぞれのＬＩＤＡＲシステム１００、３００、及び／又は４００によって実施することができる。

図８を参照すると、方法８００は、様々な実施形態によって使用される例示的機能を示している。方法８００では、特定の機能ブロック（「ブロック」）を開示するが、そのようなブロックは例である。すなわち、複数の実施形態は、方法８００に列挙する様々な他のブロック又はブロックの変形を実施するのに適している。方法８００でのブロックは、提供するものとは異なる順序で実施することができ、方法８００でのブロックの全てが実施されるわけではないことは認められる。

ブロック８０２では、ＬＩＤＡＲシステムの光源は、ターゲットに向けて光ビームを発生する。実施形態では、複数の光源が複数の光ビームを発生することができる。一部の実施形態では、複数の光ビームは、異なる波長を有することができる。発生された光ビームは、上述のようにターゲットに向けてＰＢＳ及び自由空間光学系を通過することができる。実施形態では、１又は２以上の光ビームの偏光は、偏光波長板によって変換することができる。

ブロック８０４では、ＬＩＤＡＲシステムは、ターゲットによる光ビームの反射に関するターゲット信号を受信する。ＬＩＤＡＲシステムは、図２及び図６で上述したように自由空間光学系による光ビームの反射に関する局所振動子信号を更に受信することができる。実施形態では、複数のターゲット信号と複数の光源によって発生された複数の局所振動子信号とは、ＬＩＤＡＲシステムによって受信することができる。

ブロック８０６では、ＬＩＤＡＲシステムは、マルチモード（ＭＭ）導波管の中にターゲット信号と局所振動子信号を結合する。実施形態では、ＬＩＤＡＲシステムの自由空間光学系は、ターゲット信号と局所振動子信号とが空間的に位置合わせされて共伝播するようにこれらの信号を結合するように構成することができる。結合された信号は、ＰＢＳ及び／又は１又は２以上の折り返しミラーによってＭＭ導波管に向けて経路変更することができる。実施形態では、次に、結合された信号は、ＭＭ導波管を通して導波管に提供することができる。一部の実施形態では、導波管光検出器とＭＭ導波管は、同じフォトニクスチップ上に存在することができる。

複数の光ビームを発生するのに複数の光源を利用する実施形態では、ＤＥＭＵＸを利用して第１の波長を有する第１の結合された信号を第１のＭＭ導波管の中にかつ第２の波長を有する第２の結合された信号を第２のＭＭ導波管の中に向けることができる。一部の実施形態では、ＤＥＭＵＸは、図５Ａに上述したようにダイクロイックミラーと折り返しミラーとを含むことができる。一部の実施形態では、ＤＥＭＵＸは、図６Ｂに上述したように分散要素と１又は２以上の折り返しミラーとを含むことができる。

以上の説明は、本発明の開示の一部の実施形態の明快な理解をもたらすために特定のシステム、構成要素、及び方法などの実施例のような数々の特定の詳細を示したものである。しかし、当業者には、本発明の開示の少なくとも一部の実施形態はこれらの特定の詳細なしに実施することができることは明らかであろう。他の事例では、本発明の開示を不要に不明瞭にすることを回避するために公知の構成要素又は方法を詳細には説明せず、簡単なブロック図フォーマットで提示した。従って、図示した特定の詳細は例示的なものに過ぎない。特定の実施形態は、これらの例示的詳細とは異なり、かつ依然として本発明の開示内にあると考えることができる。

本明細書を通して「一実施形態」又は「実施形態」への言及は、これらの実施形態に関して説明した特定の特徴、構造、又は特性が少なくとも１つの実施形態内に含まれることを意味する。従って、本明細書にわたる様々な箇所での「一実施形態では」又は「実施形態では」という語句の出現は、その全てが必ずしも同じ実施形態に言及しているとは限らない。これに加えて、用語「又は」は、排他的「又は」ではなく包含的「又は」を意味するように意図している。

本明細書では、方法の作動を特定の順序に示して説明したが、各方法の作動順序は、ある一定の作動を逆の順序で実施することができるように又はある一定の作動を少なくとも部分的に他の作動と同時に実施することができるように変更することができる。別の実施形態では、異なる作動の命令又は部分作動は、断続方式又は交替方式である場合がある。

「要約」に説明するものを含む例示した本発明の実施の以上の説明は、包括的であること又は本発明を開示した厳密な形態に限定するように意図していない。本明細書では、本発明の特定の実施及び本発明に関する実施例を例示目的で説明したが、当業者が認識するように本発明内で様々な均等修正が可能である。本明細書では、「例」又は「例示的」という言葉を例、事例、又は実施形態として機能することを意味するように使用する。本明細書で「例」又は「例示的」として説明するいずれの態様又は設計も必ずしも他の態様又は設計に優って好ましいか又は有利であると解釈すべきではない。そうではなく、「例」又は「例示的」という言葉の使用は、概念を具体的な形で提供するように意図している。この出願に使用する場合に、用語「又は」は、排他的「又は」ではなく包含的「又は」を意味するように意図している。すなわち、他に指定しない限り又は関連から明らかでない限り、「Ｘは、Ａ又はＢを含む」は、自然な包含的置換物のうちのいずれかを意味するように意図している。すなわち、ＸがＡを含む、ＸがＢを含む、又はＸがＡとＢの両方を含む場合に、「Ｘは、Ａ又はＢを含む」は、これらの事例のうちのいずれかの下で満たされる。これに加えて、この出願及び特許請求の範囲内に使用する冠詞「ａ」及び「ａｎ」は、他に指定しない限り又は関連から単数形を指示することが明らかでない限り、「１又は２以上」を意味すると一般的に解釈しなければならない。更に、全体を通して用語「実施形態」、「一実施形態」、「実施」、又は「一実施」の使用は、同じ実施形態又は実施を意味することをそのように説明しない限り意図しない。更に、本明細書に使用する用語「第１」、「第２」、「第３」、「第４」などは、様々な要素の間で区別するためのラベルであるように意図しており、これらの用語の数字表示に従う序数の意味を必ずしも有するとは限らない場合がある。

１０１ 光回路
３００ ＬＩＤＡＲシステム
３０２ フォトニクスチップ
３０６ 単一モード導波管
３１４ 局所振動子信号

Claims (20)

1. 光ビームを放出するように構成された光源と、
   ターゲット信号として前記光ビームの第１の部分と局所振動子信号として該光ビームの第２の部分とを受信し、かつ、前記ターゲット信号と前記局所振動子信号とを結合するように構成された自由空間光学系と、
   前記光ビームをターゲットに対して走査しながら前記ターゲットによる前記光ビームの反射を前記ターゲット信号として受け取るように構成された光学スキャナと、
   結合された信号を受信するように構成されたマルチモード（ＭＭ）導波管と、
   を含むことを特徴とする光検出及び測距（ＬＩＤＡＲ）装置。
2. 偏光ビームスプリッタであって、該偏光ビームスプリッタを通して第１の偏光状態の光を第１の方向に通過させ、かつ第２の偏光状態の光を該第１の方向とは異なる第２の方向に反射するように構成された前記偏光ビームスプリッタを更に含む請求項１に記載のＬＩＤＡＲ装置。
3. 前記偏光ビームスプリッタを通過する前記光ビームを平行化するように構成された第２のレンズ光学系を更に含む請求項２に記載のＬＩＤＡＲ装置。
4. 前記ＭＭ導波管から前記結合された信号を受信するように構成された導波管光検出器を更に含む請求項１に記載のＬＩＤＡＲ装置。
5. 前記光源、導波管光検出器、及びＭＭ導波管は、フォトニクスチップ上に位置決めされる請求項４に記載のＬＩＤＡＲ装置。
6. 前記自由空間光学系は、前記光ビームの偏光状態を変換するように構成された偏光波長板と、該光ビームを平行化するように構成されたレンズと、を含む請求項１に記載のＬＩＤＡＲ装置。
7. 前記偏光波長板は、４分の１波長板又は半波長板のうちの一方を含む請求項６に記載のＬＩＤＡＲ装置。
8. 前記偏光波長板は、前記光ビームの前記第２の部分を前記局所振動子信号として戻すために反射器又はコーティングを更に含む請求項６に記載のＬＩＤＡＲ装置。
9. 第２の光ビームを放出する第２の光源を更に含み、前記光ビームの第１の波長が、該第２の光ビームの第２の波長とは異なる、請求項１に記載のＬＩＤＡＲ装置。
10. ダイクロイックミラーを含むデマルチプレクサであって、該ダイクロイックミラーが、前記第１の波長の前記光ビームを反射し、かつ前記第２の波長の前記第２の光ビームが該ダイクロイックミラーを通過することを可能にするように構成される前記デマルチプレクサを更に含む請求項９に記載のＬＩＤＡＲ装置。
11. 前記第１の波長の前記光ビームを第１の折り返しミラーに向けてかつ前記第２の波長の前記第２の光ビームを第２の折り返しミラーに向けて誘導するように構成された分散要素を含むデマルチプレクサを更に含む請求項９に記載のＬＩＤＡＲ装置。
12. 前記第２の光ビームに関する第２の結合された信号を受信するように構成された第２の導波管光検出器を更に含む請求項９に記載のＬＩＤＡＲ装置。
13. 光検出及び測距（ＬＩＤＡＲ）システムの光源により、ターゲットに向けて光ビームを発生させる段階であって、光学スキャナにより前記光ビームを前記ターゲットに対して走査しながら前記ターゲットによる前記光ビームの反射を受け取る段階を含む、前記光ビームを発生させる段階と、
    前記ＬＩＤＡＲシステムにより、前記ターゲットによる前記光ビームの反射に関するターゲット信号と自由空間光学系による該光ビームの反射に関する局所振動子信号とを受信する段階と、
    マルチモード（ＭＭ）導波管の中に前記ターゲット信号と前記局所振動子信号を結合する段階と、
    を含むことを特徴とする方法。
14. 導波管光検出器により、前記ＭＭ導波管から結合された信号を受信する段階を更に含む請求項１３に記載の方法。
15. 前記ＬＩＤＡＲシステム、前記ＭＭ導波管、及び前記導波管光検出器は、フォトニクスチップ上にある請求項１４に記載の方法。
16. 前記光ビームを発生させる段階は、前記自由空間光学系により、前記光ビームの偏光状態を変換する段階を含む請求項１３に記載の方法。
17. 前記ＬＩＤＡＲシステムの第２の光源により、前記光ビームとは異なる波長を有する第２の光ビームを前記ターゲットに向けて発生させる段階と、
    前記ＬＩＤＡＲシステムにより、前記ターゲットによって反射された前記第２の光ビームに関する第２のターゲット信号と、前記自由空間光学系によって反射された前記光ビームに関する第２の局所振動子信号とを受信する段階と、
    第２のＭＭ導波管の中に前記第２のターゲット信号と前記第２の局所振動子信号を結合する段階と、
    を更に含む請求項１３に記載の方法。
18. 前記第２のターゲット信号及び前記第２の局所振動子信号は、前記光ビームに関する第１の波長の光を反射するダイクロイックミラーを通過して、前記第２のＭＭ導波管の中に第２の波長の前記第２の光ビームを反射する折り返しミラーへ向けられる、請求項１７に記載の方法。
19. 前記第２のターゲット信号及び前記第２の局所振動子信号は、前記第２のＭＭ導波管の中に該第２のターゲット信号及び該第２の局所振動子信号を反射する折り返しミラーに、該第２のターゲット信号及び該第２の局所振動子信号を向けるように構成された分散要素を通過する請求項１７に記載の方法。
20. 第２の導波管光検出器により、前記第２のＭＭ導波管から第２の結合された信号を受信する段階を更に含む請求項１７に記載の方法。

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