JP7530099B2

JP7530099B2 - Laser Beam Scanner

Info

Publication number: JP7530099B2
Application number: JP2021001760A
Authority: JP
Inventors: 智洋北
Original assignee: Waseda University
Current assignee: Waseda University
Priority date: 2021-01-07
Filing date: 2021-01-07
Publication date: 2024-08-07
Anticipated expiration: 2041-01-07
Also published as: JP2022106627A

Description

本発明は、レーザビームスキャナに関するものである。 The present invention relates to a laser beam scanner.

光を偏向する光フェイズドアレイを用いたレーザビームスキャナが知られている。このようなレーザビームスキャナは、レーザレーダ等に用いられている（例えば、特許文献１を参照）。特許文献１に記載の光フェイズドアレイは、狭線幅（単一周波数）のレーザ光が入力される入力光導波路、互いに長さが等しい複数の光導波路とこれらの光導波路を個別に加熱する加熱素子とを有する位相変調部、入力光導波路からのレーザ光を同位相の複数のレーザ光に分配して位相変調部の各光導波路に入力する分配部、及び各光導波路に対応して設けられ、対応する光導波路からのレーザ光が入力される複数の回折格子からなる回折格子アレイを備えている。この光フェイズドアレイでは、熱光学効果による位相変調部の複数の光導波路の光路長の変化と、入力するレーザ光の波長の変化とにより、レーザ光の射出方向が制御される。この制御により、レーザ光は、回折格子アレイの各回折格子が並ぶ平面の法線に対する角度と、その平面にレーザ光を投影した像と当該平面上の基準線との角度がそれぞれ変化する。 A laser beam scanner using an optical phased array that deflects light is known. Such laser beam scanners are used in laser radars and the like (see, for example, Patent Document 1). The optical phased array described in Patent Document 1 includes an input optical waveguide into which narrow linewidth (single frequency) laser light is input, a phase modulation section having multiple optical waveguides of equal length and heating elements that individually heat these optical waveguides, a distribution section that distributes the laser light from the input optical waveguide into multiple laser lights of the same phase and inputs them to each optical waveguide of the phase modulation section, and a diffraction grating array consisting of multiple diffraction gratings provided corresponding to each optical waveguide and into which the laser light from the corresponding optical waveguide is input. In this optical phased array, the emission direction of the laser light is controlled by the change in the optical path length of the multiple optical waveguides of the phase modulation section due to the thermo-optic effect and the change in the wavelength of the input laser light. This control changes the angle of the laser light relative to the normal to the plane on which each diffraction grating of the diffraction grating array is arranged, and the angle between the image of the laser light projected onto that plane and a reference line on that plane.

二重リング共振器等で構成される波長フィルタを用いた波長可変レーザが知られている（非特許文献１、特許文献２等を参照）。非特許文献１に記載される波長可変レーザでは、半導体光増幅器（以下、ＳＯＡと称する）と波長フィルタとを結合した構成であり、波長フィルタには、２つリング光導波路を有する二重リング共振器、光導波路の一端をループ状に閉じたループミラー、一方のリング光導波路を加熱するヒータ等で構成されている。ＳＯＡは、その出力側と反対側の端面が二重リング共振器の光導波路と光学的に結合され、二重リング共振器の共振波長の光を増幅してレーザ光として出力する。一方のリング光導波路を加熱してその光路長を変化させることで、二重リング共振器の共振波長が変化し、レーザ光の波長が変化する。また、特許文献２の波長可変レーザでは、波長フィルタ、非対称マッハツェンダ干渉計型の干渉器、二重リング共振器、この二重リング共振器の一方または両方のリング光導波路及び干渉器の一方の光導波路を加熱するヒータ等で構成されている。 A wavelength-tunable laser using a wavelength filter composed of a double ring resonator or the like is known (see Non-Patent Document 1, Patent Document 2, etc.). The wavelength-tunable laser described in Non-Patent Document 1 is configured by combining a semiconductor optical amplifier (hereinafter referred to as SOA) with a wavelength filter, and the wavelength filter is composed of a double ring resonator having two ring optical waveguides, a loop mirror that closes one end of the optical waveguide in a loop shape, a heater that heats one of the ring optical waveguides, etc. The end face of the SOA opposite to its output side is optically coupled to the optical waveguide of the double ring resonator, and the light of the resonant wavelength of the double ring resonator is amplified and output as laser light. By heating one of the ring optical waveguides to change its optical path length, the resonant wavelength of the double ring resonator changes, and the wavelength of the laser light changes. In addition, the wavelength-tunable laser of Patent Document 2 is composed of a wavelength filter, an asymmetric Mach-Zehnder interferometer type interferometer, a double ring resonator, one or both ring optical waveguides of the double ring resonator, and a heater that heats one optical waveguide of the interferometer, etc.

特開２０２０－１６６０６１号公報JP 2020-166061 A 特開２０１５－１５４０５２号公報JP 2015-154052 A

北智洋，“シリコンフォトニック波長可変レーザを用いた医療イメージング用光源の開発”，立石科学技術振興財団助成研究成果集，第25号，2016，p.98- p.101Tomohiro Kita, "Development of a light source for medical imaging using a silicon photonic wavelength tunable laser", Tateishi Science and Technology Foundation Grant Research Results, No. 25, 2016, pp. 98-101

ところで、上記特許文献１のような光フェイズドアレイにおける構成では、位相変調部では、各光導波路の温度の独立性を担保するために、隣接光導波路の間隔を大きくしたり、光導波路間に溝を設けたりする必要があった。回折格子アレイを構成する回折格子は１０００個以上になることがあり、これと同数の光導波路が位相変調部に設けられるので、そのような各光導波路の温度の独立性を担保するための構造は、光フェイズドアレイひいては光フェイズドアレイを用いたレーザビームスキャナの小型化を妨げる要因になっていた。また、位相変調部の各々の光導波路を加熱する必要があり、消費電力が大きいといった問題もある。 However, in the optical phased array configuration as disclosed in Patent Document 1, in order to ensure the temperature independence of each optical waveguide in the phase modulation section, it was necessary to increase the spacing between adjacent optical waveguides or to provide grooves between the optical waveguides. A diffraction grating array may contain more than 1,000 diffraction gratings, and the same number of optical waveguides are provided in the phase modulation section. Therefore, a structure for ensuring the temperature independence of each optical waveguide is an obstacle to miniaturizing the optical phased array and, by extension, the laser beam scanner using the optical phased array. In addition, it is necessary to heat each optical waveguide in the phase modulation section, which results in a problem of high power consumption.

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、小型化に有利なレーザビームスキャナを提供することを目的とする。 The present invention was made in consideration of the above circumstances, and aims to provide a laser beam scanner that is advantageous in terms of miniaturization.

本発明のレーザビームスキャナは、半導体光増幅器と、互いに共振波長間隔が異なる第１リング光導波路及び第２リング光導波路を有し、前記半導体光増幅器に光学的に結合されて前記半導体光増幅器とともにレーザ共振器を構成する二重リング共振器と、互いに長さの異なる複数のアレイ光導波路から構成された光導波路アレイ、前記二重リング共振器と光学的に結合されて前記レーザ共振器からのレーザ光が入力され、レーザ光を前記複数のアレイ光導波路に分配する分配部、及び前記複数のアレイ光導波路に対応して設けられ前記複数のアレイ光導波路からのレーザ光が入力される複数の回折格子が配列され、入力されるレーザ光を回折して出力光として射出する回折格子アレイを有する光フェイズドアレイと、前記第１リング光導波路の第１共振波長と前記第２リング光導波路の第２共振波長とを独立してシフトする共振波長シフト部とを備えるものである。 The laser beam scanner of the present invention includes a semiconductor optical amplifier, a double ring resonator having a first ring optical waveguide and a second ring optical waveguide with different resonant wavelength intervals, optically coupled to the semiconductor optical amplifier to form a laser resonator together with the semiconductor optical amplifier, an optical waveguide array composed of a plurality of arrayed optical waveguides with different lengths, a distribution section optically coupled to the double ring resonator to which laser light from the laser resonator is input and which distributes the laser light to the plurality of arrayed optical waveguides, an optical phased array having an array of diffraction gratings arranged corresponding to the plurality of arrayed optical waveguides and into which laser light from the plurality of arrayed optical waveguides is input, diffracting the input laser light and emitting it as output light, and a resonant wavelength shift section that independently shifts the first resonant wavelength of the first ring optical waveguide and the second resonant wavelength of the second ring optical waveguide.

本発明によれば、入力されるレーザ光を分配する分配部、互いに経路長の異なる複数のアレイ光導波路から構成される光導波路アレイ、及び回折格子アレイを有する光フェイズドアレイに、互いに共振波長間隔が異なりまた共振波長シフト部によって第１リング光導波路及び第２リング光導波路の共振波長が独立してシフトされる二重リング共振器と半導体光増幅器によって構成されるレーザ共振器からのレーザ光を入力するので、隣接するアレイ光導波路の間隔を大きくしたり、アレイ光導波路間に溝を設けたりする必要がなく、レーザビームスキャナを小型化することができる。 According to the present invention, a laser beam from a laser resonator composed of a double ring resonator and a semiconductor optical amplifier, in which the resonant wavelength intervals are different and the resonant wavelengths of the first ring optical waveguide and the second ring optical waveguide are independently shifted by a resonant wavelength shifter, is input to a distribution section that distributes the input laser beam, an optical waveguide array composed of a plurality of arrayed optical waveguides having different path lengths, and an optical phased array having a diffraction grating array, so there is no need to increase the intervals between adjacent arrayed optical waveguides or to provide grooves between the arrayed optical waveguides, and the laser beam scanner can be made smaller.

実施形態に係るレーザビームスキャナを示す説明図である。FIG. 1 is an explanatory diagram showing a laser beam scanner according to an embodiment. 回折格子アレイの構成を示す斜視図である。FIG. 2 is a perspective view showing a configuration of a diffraction grating array. 出力光の射出角と方位角を示す説明図である。4 is an explanatory diagram showing the emission angle and azimuth angle of output light. FIG. 二重リング共振器の構成を示す説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram illustrating a configuration of a double ring resonator. 第１リング光導波路及び第２リング光導波路の透過スペクトルの一例を示すグラフである。4 is a graph showing an example of the transmission spectra of a first ring optical waveguide and a second ring optical waveguide; 出力光を走査する際の第１及び第２ヒータに投入する電力とレーザ光の波長との変化を示すグラフである。11 is a graph showing changes in power input to the first and second heaters and the wavelength of the laser light when the output light is scanned. 走査時の出力光の射出角と方位角の変化を示すグラフである。11 is a graph showing changes in the exit angle and azimuth angle of output light during scanning. 方位角のシミュレーション結果を示すチャートである。13 is a chart showing simulation results of an azimuth angle. 射出角のシミュレーション結果を示すチャートである。13 is a chart showing simulation results of the exit angle. 方位角及び射出角を連続的に変化させて走査する際の第１及び第２ヒータに投入する電力とレーザ光の波長との変化を示すグラフである。11 is a graph showing changes in power input to the first and second heaters and the wavelength of the laser light when scanning is performed while continuously changing the azimuth angle and the emission angle. 連続的に変化する方位角及び射出角を示すグラフである。1 is a graph showing continuously changing azimuth angle and take-off angle. 回折格子アレイの構成の別の例を示す斜視図である。FIG. 13 is a perspective view showing another example of the configuration of a diffraction grating array.

図１において、この実施形態のレーザビームスキャナ１０は、波長可変レーザ１１、光フェイズドアレイ１２及び制御部１３を備える。波長可変レーザ１１は、半導体光増幅器（Semiconductor Optical Amplifier、以下「ＳＯＡ」と称する）１４と、波長フィルタとして二重リング共振器１５とを組み合わせた外部共振型レーザである。すなわち、ＳＯＡ１４と二重リング共振器１５は、ファブリペロー型半導体レーザ（レーザ共振器）を構成する。ＳＯＡ１４は、その出力端がスポットサイズコンバータ１６を介して二重リング共振器１５に光学的に結合され、出力端と反対側の端部に反射鏡１４ａが設けられている。 In FIG. 1, the laser beam scanner 10 of this embodiment includes a tunable laser 11, an optical phased array 12, and a control unit 13. The tunable laser 11 is an external resonator type laser that combines a semiconductor optical amplifier (hereinafter referred to as "SOA") 14 with a double ring resonator 15 as a wavelength filter. In other words, the SOA 14 and the double ring resonator 15 form a Fabry-Perot type semiconductor laser (laser resonator). The output end of the SOA 14 is optically coupled to the double ring resonator 15 via a spot size converter 16, and a reflector 14a is provided at the end opposite the output end.

この波長可変レーザ１１は、レーザ光の波長を広い波長範囲で変化させることができるものであって、二重リング共振器１５の共振波長として選択される単一波長のレーザ光を出力する。二重リング共振器１５の詳細については後述する。光フェイズドアレイ１２は、基板１７上に二重リング共振器１５、スポットサイズコンバータ１６等とともにシリコンフォトニクスを用いて形成されている。レーザビームスキャナ１０の各種の光導波路は、シリコンのコアとその周囲のクラッドによって構成されている。なお、コアとしてはSiGe，Ge，InP，InGaAsP等を、クラッドとしてはSiON，SiN等を用いることもできる。 This tunable laser 11 can change the wavelength of the laser light over a wide wavelength range, and outputs laser light of a single wavelength selected as the resonant wavelength of the double ring resonator 15. Details of the double ring resonator 15 will be described later. The optical phased array 12 is formed on a substrate 17 using silicon photonics together with the double ring resonator 15, the spot size converter 16, etc. The various optical waveguides of the laser beam scanner 10 are composed of a silicon core and a cladding around it. Note that SiGe, Ge, InP, InGaAsP, etc. can be used as the core, and SiON, SiN, etc. can be used as the cladding.

光フェイズドアレイ１２は、二重リング共振器１５に光学的に結合されており、入力される波長可変レーザ１１からのレーザ光を、その波長に応じた方向に偏向して出力する。この光フェイズドアレイ１２は、分配部２１、光導波路アレイ２２、回折格子アレイ２４を有している。 The optical phased array 12 is optically coupled to the double ring resonator 15, and outputs the laser light input from the tunable laser 11 by deflecting it in a direction according to its wavelength. This optical phased array 12 has a distribution section 21, an optical waveguide array 22, and a diffraction grating array 24.

分配部２１は、入力光導波路１８を介して二重リング共振器１５に光学的に結合されており、二重リング共振器１５からのレーザ光が波長可変レーザ１１からのレーザ光として入力される。分配部２１は、光導波路アレイ２２を構成する複数の光導波路（以下、アレイ光導波路と称する）２３ａ、２３ｂ、２３ｃ・・・・に対して、入力されるレーザ光を位相差なく分配して入力光として入力する。この例では、分配部２１は、分岐型導波路で構成される複数のスプリッタ２１ａからなり、スプリッタ２１ａを複数段重ねて接続した構成でレーザ光を分配している。なお、分配部２１としては、特に限定されず、例えば、１つの入力ポートに入力された光を複数の出力ポートに分配する多モード干渉計型のスプリッタ等を用いたものであってもよい。 The distributor 21 is optically coupled to the double ring resonator 15 via the input optical waveguide 18, and the laser light from the double ring resonator 15 is input as the laser light from the wavelength-tunable laser 11. The distributor 21 distributes the input laser light without phase difference to the multiple optical waveguides (hereinafter referred to as array optical waveguides) 23a, 23b, 23c, etc. that constitute the optical waveguide array 22, and inputs it as input light. In this example, the distributor 21 is composed of multiple splitters 21a composed of branched waveguides, and distributes the laser light by connecting the splitters 21a in multiple stages. The distributor 21 is not particularly limited, and may be, for example, a multimode interferometer type splitter that distributes light input to one input port to multiple output ports.

光導波路アレイ２２は、上述のように複数のアレイ光導波路２３ａ、２３ｂ、２３ｃ・・・を有している。アレイ光導波路２３ａ、２３ｂ、２３ｃ・・・には、分配部２１で分配されるレーザ光が入力光としてそれぞれ入力される。図１では、８本のアレイ光導波路２３ａ～２３ｈを描いてあるが、実際には、例えば１０数本～１０００本程度のアレイ光導波路が設けられる。アレイ光導波路２３ａ、２３ｂ、２３ｃ・・・は、分配部２１と回折格子アレイ２４との間に互いに交差することなく設けられており、分配部２１側における並びの順序と回折格子アレイ２４側における並びの順序とが一致している。以下、アレイ光導波路２３ａ、２３ｂ、２３ｃ・・・・を区別しない場合には、アレイ光導波路２３と総称する。 As described above, the optical waveguide array 22 has a plurality of arrayed optical waveguides 23a, 23b, 23c, etc. The laser light distributed by the distribution unit 21 is input as input light to the arrayed optical waveguides 23a, 23b, 23c, etc. In FIG. 1, eight arrayed optical waveguides 23a to 23h are illustrated, but in reality, for example, about 10 to 1,000 arrayed optical waveguides are provided. The arrayed optical waveguides 23a, 23b, 23c, etc. are provided between the distribution unit 21 and the diffraction grating array 24 without intersecting with each other, and the order of arrangement on the distribution unit 21 side is the same as the order of arrangement on the diffraction grating array 24 side. Hereinafter, when the arrayed optical waveguides 23a, 23b, 23c, etc. are not distinguished from each other, they are collectively referred to as the arrayed optical waveguide 23.

光導波路アレイ２２は、入力光に対して所定の位相差を付与するものであり、アレイ光導波路２３ａ、２３ｂ、２３ｃ・・・は、互いに長さ（以下、経路長と称する）が異なっている。アレイ光導波路２３ａ、２３ｂ、２３ｃ・・・は、それらの経路長が並んでいる順番で漸増または漸減する。図１に示される例では、経路長は、アレイ光導波路２３ａ、２３ｂ、２３ｃ・・・２３ｈの順番に短くなり、アレイ光導波路２３ａが最も長く、アレイ光導波路２３ｈが最も短い。 The optical waveguide array 22 imparts a predetermined phase difference to the input light, and the array optical waveguides 23a, 23b, 23c, etc. have different lengths (hereinafter referred to as path lengths). The path lengths of the array optical waveguides 23a, 23b, 23c, etc. increase or decrease gradually in the order in which they are arranged. In the example shown in FIG. 1, the path lengths decrease in the order of the array optical waveguides 23a, 23b, 23c, etc., 23h, with the array optical waveguide 23a being the longest and the array optical waveguide 23h being the shortest.

各々のアレイ光導波路２３について、隣接するアレイ光導波路２３との経路長の差は、同じである。例えば、アレイ光導波路２３ａとアレイ光導波路２３ｂとの経路長の差、アレイ光導波路２３ｂとアレイ光導波路２３ｃとの経路長の差、アレイ光導波路２３ｇとアレイ光導波路２３ｈとの経路長の差は、いずれも等しい。各アレイ光導波路２３における光路長は、入力光の波長に応じて変化するため、その波長に応じた光路差となる。これにより、光導波路アレイ２２は、各アレイ光導波路２３を伝播するに入力光に対して、その波長に応じた位相差を生じさせる。隣接するアレイ光導波路２３同士の経路長の差は、後述の第２リング光導波路３２（図４参照）の周囲長と同程度になるように決められている。これにより、レーザ光の射出方向の制御を簡便なものにしている。なお、隣接するアレイ光導波路２３同士の経路長の差は、これに限定されない。 The difference in path length between each array optical waveguide 23 and the adjacent array optical waveguide 23 is the same. For example, the difference in path length between the array optical waveguide 23a and the array optical waveguide 23b, the difference in path length between the array optical waveguide 23b and the array optical waveguide 23c, and the difference in path length between the array optical waveguide 23g and the array optical waveguide 23h are all equal. The optical path length in each array optical waveguide 23 changes according to the wavelength of the input light, so that the optical path difference is according to the wavelength. As a result, the optical waveguide array 22 generates a phase difference according to the wavelength for the input light propagating through each array optical waveguide 23. The difference in path length between adjacent array optical waveguides 23 is determined to be approximately the same as the perimeter length of the second ring optical waveguide 32 (see FIG. 4) described later. This simplifies the control of the emission direction of the laser light. Note that the difference in path length between adjacent array optical waveguides 23 is not limited to this.

レーザビームスキャナ１０では、各アレイ光導波路２３の屈折率を変化させない。このため、各々のアレイ光導波路２３を加熱するための加熱素子や、アレイ光導波路２３の間に断熱用の溝がない。したがって、隣接したアレイ光導波路２３同士の間隔を狭くすることができ、レーザビームスキャナ１０を小型化することができる。 The laser beam scanner 10 does not change the refractive index of each array optical waveguide 23. Therefore, there are no heating elements for heating each array optical waveguide 23, and no insulating grooves between the array optical waveguides 23. Therefore, the distance between adjacent array optical waveguides 23 can be narrowed, and the laser beam scanner 10 can be made smaller.

回折格子アレイ２４は、各アレイ光導波路２３を介して入力される複数の入力光を、その入力光の波長及び位相差に応じた方向に出力光として射出する。この回折格子アレイ２４は、図２に一例を示すように、複数の回折格子２７が配列されており、光導波路アレイ２２から入力される複数の入力光を、その入力光の波長及び位相差に応じた方向に出力光として射出する。なお、出力光の波長は、波長可変レーザ１１から出力されるレーザ光の波長と同じである。 The diffraction grating array 24 outputs the multiple input light beams input through each arrayed optical waveguide 23 as output light beams in a direction corresponding to the wavelength and phase difference of the input light beams. As shown in FIG. 2 as an example, the diffraction grating array 24 has multiple diffraction gratings 27 arranged therein, and outputs the multiple input light beams input from the optical waveguide array 22 as output light beams in a direction corresponding to the wavelength and phase difference of the input light beams. The wavelength of the output light beams is the same as the wavelength of the laser light output from the tunable laser 11.

回折格子アレイ２４は、図２に模式的にその一例を示すように、複数のアレイ光導波路２３に対応して設けられた複数の回折格子２７を有し、各々の回折格子２７は、Ｘ方向に一列に並んだ複数のコア２７ａとこれらコア２７ａの周囲のクラッド２８とを含んでそれぞれ構成され、周期的な屈折率変化によりグレーティング(回折格子)として作用する。各々の回折格子２７に、Ｘ方向の一端に対応するアレイ光導波路２３からの入力光が入射する。複数の回折格子２７は、Ｘ方向と直交するＹ方向に並んでおり、複数の回折格子２７のコア２７ａが平面状に配置されている。符号２９は、アレイ光導波路２３のコアである。 The diffraction grating array 24, as shown in FIG. 2, has a plurality of diffraction gratings 27 provided in correspondence with a plurality of arrayed optical waveguides 23, and each diffraction grating 27 is composed of a plurality of cores 27a aligned in a row in the X direction and cladding 28 surrounding these cores 27a, and acts as a grating (diffraction grating) due to periodic changes in refractive index. Input light from the arrayed optical waveguide 23 corresponding to one end in the X direction is incident on each diffraction grating 27. The multiple diffraction gratings 27 are aligned in the Y direction perpendicular to the X direction, and the cores 27a of the multiple diffraction gratings 27 are arranged in a plane. Reference numeral 29 denotes the core of the arrayed optical waveguide 23.

回折格子２７のコア２７ａは、Ｘ方向に一定のピッチＰ１で配され、回折格子２７のピッチは、Ｙ方向に一定のピッチＰ２で配されている。コア２７ａのピッチＰ１は、小さいほど後述する方位角φを大きく変化させて走査することができ、大きくすると光導波路間の結合を抑えてレーザ光の線幅を狭くできる。このような観点から、ピッチＰ１は、概ね、１μｍ以上５μｍ以下の範囲内であることが好ましい。また、回折格子２７のピッチＰ２は、回折光の方向が回折格子アレイ２４のデバイスの上面方向になるように設定してある。ピッチＰ１は、レーザ光の波長と、概ね、同じ長さ以上１／２以下とするのが好ましい。 The cores 27a of the diffraction grating 27 are arranged at a constant pitch P1 in the X direction, and the pitch of the diffraction grating 27 is arranged at a constant pitch P2 in the Y direction. The smaller the pitch P1 of the cores 27a, the greater the change in the azimuth angle φ described below can be changed for scanning, and the larger the pitch P1, the narrower the line width of the laser light can be achieved by suppressing coupling between the optical waveguides. From this perspective, it is preferable that the pitch P1 is generally in the range of 1 μm to 5 μm. In addition, the pitch P2 of the diffraction grating 27 is set so that the direction of the diffracted light is toward the top surface of the device of the diffraction grating array 24. It is preferable that the pitch P1 is approximately equal to or greater than the wavelength of the laser light and less than 1/2 of the wavelength.

回折格子アレイ２４は、光導波路アレイ２２から複数の入力光が入射されると、ブラッグ回折により入力光の回折光を出力光として回折格子アレイ２４のデバイス表面側に射出する。図３にデバイス表面Ｓ２４から射出される出力光Ｌoutを示すように、出力光Ｌoutは、射出角θ、方位角φの向きに偏向されて射出される。射出角θは、出力光Ｌoutがデバイス表面Ｓ２４（ＸＹ平面）の法線Ｎとなす角度である。また、方位角φは、デバイス表面Ｓ２４上の基準となる基準線Ｈと、出力光ＬoutをＸＹ平面に投影した成分とがなす角度である。 When multiple input light beams are incident on the diffraction grating array 24 from the optical waveguide array 22, the diffraction grating array 24 emits diffracted light of the input light as output light toward the device surface side of the diffraction grating array 24 by Bragg diffraction. As shown in FIG. 3, the output light Lout emitted from the device surface S24 is deflected in a direction of an emission angle θ and an azimuth angle φ before being emitted. The emission angle θ is the angle that the output light Lout makes with the normal N of the device surface S24 (XY plane). The azimuth angle φ is the angle between the reference line H, which serves as a reference on the device surface S24, and the component of the output light Lout projected onto the XY plane.

射出角θは、ブラッグ回折の原理により定まる角度であって、回折格子２７に入力される入力光の波長によって決まる。方位角φは、回折格子アレイ２４の各部から射出される光の相互の位相差に応じた角度、すなわち回折格子アレイ２４の各部から射出される回折光の位相が揃う向きであり、入力される複数のレーザ光の相互の位相差に応じたものとなる。上述のように、光導波路アレイ２２では、入力光の波長によって、回折格子アレイ２４に入力される各入力光の位相差が変化するため、方位角φは、入力光の波長すなわち波長可変レーザ１１から出力されるレーザ光の波長に応じたものとなる。したがって、この例では、射出角θ、方位角φのいずれもが波長可変レーザ１１が出力するレーザ光の波長によって決まり、波長可変レーザ１１から出力するレーザ光の波長を制御することによって、射出角θ及び方位角φの両方を変化させてレーザ光の走査を行う。 The exit angle θ is an angle determined by the principle of Bragg diffraction, and is determined by the wavelength of the input light input to the diffraction grating 27. The azimuth angle φ is an angle according to the mutual phase difference of the light emitted from each part of the diffraction grating array 24, that is, the direction in which the phase of the diffracted light emitted from each part of the diffraction grating array 24 is aligned, and corresponds to the mutual phase difference of the multiple input laser lights. As described above, in the optical waveguide array 22, the phase difference of each input light input to the diffraction grating array 24 changes depending on the wavelength of the input light, so the azimuth angle φ corresponds to the wavelength of the input light, that is, the wavelength of the laser light output from the wavelength-variable laser 11. Therefore, in this example, both the exit angle θ and the azimuth angle φ are determined by the wavelength of the laser light output from the wavelength-variable laser 11, and the laser light is scanned by changing both the exit angle θ and the azimuth angle φ by controlling the wavelength of the laser light output from the wavelength-variable laser 11.

射出角θ、方位角φは、式（１）、式（２）によってそれぞれ表すことができる。式（１）及び式（２）中の値n_effは光導波路の実効屈折率、値λはレーザ光の波長、値mは整数、値L_opaは隣接するアレイ光導波路２３同士の経路長の差である。これらの式（１）、式（２）より、射出角θ、方位角φは、いずれも波長のみによって制御できることがわかる。 The emission angle θ and the azimuth angle φ can be expressed by formula (1) and formula (2), respectively. In formulas (1) and (2), the value n _eff is the effective refractive index of the optical waveguide, the value λ is the wavelength of the laser light, the value m is an integer, and the value L _opa is the difference in path length between adjacent arrayed optical waveguides 23. It can be seen from formulas (1) and (2) that both the emission angle θ and the azimuth angle φ can be controlled only by the wavelength.

図４において、二重リング共振器１５は、第１リング光導波路３１、第２リング光導波路３２、３本のバス光導波路３３～３５、ループミラー３６、第１ヒータ３７、第２ヒータ３８等で構成される。第１リング光導波路３１は、円環形状に形成され、バス光導波路３３とバス光導波路３４との間に配され、バス光導波路３３、３４にそれぞれ近接して配されて光学的に結合している。一方の第２リング光導波路３２は、第１リング光導波路３１と異なる直径、この例では第１リング光導波路３１よりも小さい直径の円環形状である。この第２リング光導波路３２は、バス光導波路３４とバス光導波路３５との間に配され、バス光導波路３４、３５にそれぞれ近接して配され光学的に結合している。したがって、この例では二重リング共振器１５は、第１リング光導波路３１と第２リング光導波路３２とが直列結合（並列配置）した構成であり、バーニア型の波長フィルタを構成する。 In FIG. 4, the double ring resonator 15 is composed of a first ring optical waveguide 31, a second ring optical waveguide 32, three bus optical waveguides 33 to 35, a loop mirror 36, a first heater 37, a second heater 38, etc. The first ring optical waveguide 31 is formed in an annular shape and is arranged between the bus optical waveguide 33 and the bus optical waveguide 34, and is arranged close to and optically coupled to the bus optical waveguides 33 and 34. On the other hand, the second ring optical waveguide 32 is an annular shape with a different diameter from that of the first ring optical waveguide 31, and in this example, a smaller diameter than the first ring optical waveguide 31. This second ring optical waveguide 32 is arranged between the bus optical waveguide 34 and the bus optical waveguide 35, and is arranged close to and optically coupled to the bus optical waveguides 34 and 35. Therefore, in this example, the double ring resonator 15 is configured with a first ring optical waveguide 31 and a second ring optical waveguide 32 coupled in series (arranged in parallel), forming a vernier-type wavelength filter.

二重リング共振器１５を構成する第１及び第２リング光導波路３１、３２は、円環形状に限定されない。例えば、第１及び第２リング光導波路３１、３２は、直線部を有する環状であってもよい。 The first and second ring optical waveguides 31, 32 constituting the double ring resonator 15 are not limited to a circular ring shape. For example, the first and second ring optical waveguides 31, 32 may be annular with straight portions.

第１リング光導波路３１の一端にスポットサイズコンバータ１６を介してＳＯＡ１４が接続されている。バス光導波路３５の一端に光導波路をループ状にしたループミラー３６が設けられている。ループミラー３６は、ＳＯＡ１４に設けられた反射鏡１４ａとともに、ファブリペロー型共振器の一対の反射鏡を構成する。また、バス光導波路３５のループミラー３６側の端部から入力光導波路１８が分岐しており、波長可変レーザ１１の出力としてのレーザ光が入力光導波路１８に入射して、光フェイズドアレイ１２に入力される。この例では、方向性結合器３５ａを介して、バス光導波路３５上のレーザ光の５～９５％程度を入力光導波路１８に分岐している。なお、入力光導波路１８へのレーザ光の分岐は、モード干渉結合器等を用いてもよい。 The SOA 14 is connected to one end of the first ring optical waveguide 31 via the spot size converter 16. A loop mirror 36, which is a loop of an optical waveguide, is provided at one end of the bus optical waveguide 35. The loop mirror 36, together with the reflector 14a provided on the SOA 14, constitute a pair of reflectors of a Fabry-Perot resonator. The input optical waveguide 18 branches off from the end of the bus optical waveguide 35 on the loop mirror 36 side, and the laser light output from the tunable laser 11 enters the input optical waveguide 18 and is input to the optical phased array 12. In this example, about 5 to 95% of the laser light on the bus optical waveguide 35 is branched to the input optical waveguide 18 via the directional coupler 35a. The laser light may be branched to the input optical waveguide 18 using a mode interference coupler or the like.

第１及び第２ヒータ３７、３８は、共振波長シフト部を構成する。第１ヒータ３７は、第１リング光導波路３１のコアに近接して設けられ、第２ヒータ３８は、第２リング光導波路３２のコアに近接して設けられている。これら第１及び第２ヒータ３７、３８は、第１及び第２リング光導波路３１、３２のコアを加熱し、熱光学効果によってコアの屈折率を変化させる。これにより、第１及び第２リング光導波路３１、３２の光路長を変化させて、第１及び第２リング光導波路３１、３２の共振波長をそれぞれシフトする。第１ヒータ３７は、一対の電極４３に接続され、この一対の電極４３を通して電流を流すことで発熱し、第１リング光導波路３１のコアを加熱する。同様に第２ヒータ３８は、一対の電極４４に接続され、この一対の電極４４を通して電流を流すことで発熱し、第２リング光導波路３２のコアを加熱する。したがって、第１リング光導波路３１の第１共振波長と、第２リング光導波路３２の第２共振波長を独立に制御できる。制御部１３は、第１及び第２ヒータ３７，３８に独立して電流を流して発熱量を制御することで第１及び第２リング光導波路３１、３２の第１及び第２共振波長のシフト量を独立して制御する。 The first and second heaters 37 and 38 constitute a resonant wavelength shifting section. The first heater 37 is provided close to the core of the first ring optical waveguide 31, and the second heater 38 is provided close to the core of the second ring optical waveguide 32. The first and second heaters 37 and 38 heat the cores of the first and second ring optical waveguides 31 and 32, and change the refractive index of the cores by the thermo-optical effect. This changes the optical path length of the first and second ring optical waveguides 31 and 32, and shifts the resonant wavelengths of the first and second ring optical waveguides 31 and 32, respectively. The first heater 37 is connected to a pair of electrodes 43, and generates heat by passing a current through the pair of electrodes 43, heating the core of the first ring optical waveguide 31. Similarly, the second heater 38 is connected to a pair of electrodes 44, and generates heat by passing a current through the pair of electrodes 44, thereby heating the core of the second ring optical waveguide 32. Therefore, the first resonant wavelength of the first ring optical waveguide 31 and the second resonant wavelength of the second ring optical waveguide 32 can be controlled independently. The control unit 13 controls the amount of shift of the first and second resonant wavelengths of the first and second ring optical waveguides 31 and 32 independently by passing a current independently through the first and second heaters 37 and 38 to control the amount of heat generated.

この例では、共振波長シフト部を第１及び第２ヒータ３７，３８で構成し、熱光学効果によって第１及び第２リング光導波路３１、３２のコアの屈折率を変化させて、それらの共振波長をシフト（変化）させているが、共振波長シフト部は、これに限定されない。例えば、共振波長シフト部は、第１及び第２リング光導波路３１、３２のコアに電圧を印加する電極をそれぞれ設け、その電極からの電圧印加により、第１及び第２リング光導波路３１、３２のコアの屈折率を変化させる構成でもよい。 In this example, the resonant wavelength shift section is composed of the first and second heaters 37 and 38, and the refractive index of the cores of the first and second ring optical waveguides 31 and 32 is changed by the thermo-optic effect to shift (change) their resonant wavelengths, but the resonant wavelength shift section is not limited to this. For example, the resonant wavelength shift section may be configured to have electrodes that apply voltage to the cores of the first and second ring optical waveguides 31 and 32, respectively, and to change the refractive index of the cores of the first and second ring optical waveguides 31 and 32 by applying a voltage from the electrodes.

図５に示すように、第１リング光導波路３１と第２リング光導波路３２とは、いずれも共振波長（透過率がピークとなる波長）が共振波長間隔で複数存在するくし型の透過スペクトルである。図５では、符号ｒｉｎｇ１で示す透過スペクトルが第１リング光導波路３１のものであり、符号ｒｉｎｇ２で示す透過スペクトルが第２リング光導波路３２のものである。共振波長間隔は、自由スペクトル領域（Free Spectral Range；ＦＳＲ）とも称される。 As shown in FIG. 5, the first ring optical waveguide 31 and the second ring optical waveguide 32 both have comb-shaped transmission spectra with multiple resonant wavelengths (wavelengths at which the transmittance peaks) spaced apart by the resonant wavelength. In FIG. 5, the transmission spectrum indicated by symbol ring1 is that of the first ring optical waveguide 31, and the transmission spectrum indicated by symbol ring2 is that of the second ring optical waveguide 32. The resonant wavelength interval is also called the free spectral range (FSR).

第１リング光導波路３１と第２リング光導波路３２とは、それらの直径（周回長）が互いに異なるため、第１リング光導波路３１の共振波長間隔（Δλ_ring1）と第２リング光導波路３２の共振波長間隔（Δλ_ring2）とが異なっている。リング光導波路における共振波長間隔（Δλ_ring）は、式（３）によって表される。式（３）中の値L_ringはリング光導波路の周囲長、値n_gは光導波路の群屈折率であり、値λは前述のようにレーザ光の波長である。共振波長間隔は、レーザ光の波長よりも十分短いためレーザ光の波長に対して一定であるとみなすことができる。この例のように第１及び第２リング光導波路３１、３２が円形である場合には、それらの共振波長間隔は、リング光導波路の半径により調整することができる。 The first ring optical waveguide 31 and the second ring optical waveguide 32 have different diameters (circumferential lengths), and therefore the resonance wavelength interval (Δλ _ring1 ) of the first ring optical waveguide 31 and the resonance wavelength interval (Δλ _ring2 ) of the second ring optical waveguide 32 are different. The resonance wavelength interval (Δλ _ring ) in the ring optical waveguide is expressed by formula (3). The value L _ring in formula (3) is the circumferential length of the ring optical waveguide, the value n _g is the group refractive index of the optical waveguide, and the value λ is the wavelength of the laser light as described above. The resonance wavelength interval is sufficiently shorter than the wavelength of the laser light and can be considered to be constant with respect to the wavelength of the laser light. When the first and second ring optical waveguides 31 and 32 are circular as in this example, the resonance wavelength interval can be adjusted by the radius of the ring optical waveguide.

また、第１リング光導波路３１の第１共振波長と第２リング光導波路３２の第２共振波長の共振波長とが一致する波長の間隔は、所定の波長間隔（Δλ_P）で存在する。この共振波長が一致する波長間隔は、ＳＯＡ１４の利得領域（Δλ_L、波長範囲）よりも広くしてある。これにより、ＳＯＡ１４の利得領域のうちで第１及び第２リング光導波路３１、３２の共振波長が一致する１つの波長が選択されて、その波長のレーザ光が出力される。第１及び第２リング光導波路３１、３２の共振波長が一致する波長は、第１ヒータ３７、第２ヒータ３８により、第１リング光導波路３１の第１共振波長と第２リング光導波路３２の第２共振波長の一方または両方をシフトすることにより変化する。 Furthermore, the wavelength interval at which the first resonant wavelength of the first ring optical waveguide 31 and the second resonant wavelength of the second ring optical waveguide 32 match exists at a predetermined wavelength interval (Δλ _P ). This wavelength interval at which the resonant wavelengths match is set wider than the gain region (Δλ _L , wavelength range) of the SOA 14. As a result, one wavelength at which the resonant wavelengths of the first and second ring optical waveguides 31, 32 match is selected from the gain region of the SOA 14, and laser light of that wavelength is output. The wavelength at which the resonant wavelengths of the first and second ring optical waveguides 31, 32 match can be changed by shifting one or both of the first resonant wavelength of the first ring optical waveguide 31 and the second resonant wavelength of the second ring optical waveguide 32 by the first heater 37 and the second heater 38.

第１及び第２リング光導波路３１、３２のうちの一方、この例では第２リング光導波路３２の共振波長間隔と、光フェイズドアレイ１２の自由スペクトル領域とを等しくしている。光フェイズドアレイ１２の自由スペクトル領域は、出力光として１つの次数の回折光のみが出力される（隣り合う次数の回折光の範囲と重ならない）波長の間隔（波長幅）である。光フェイズドアレイ１２では、自由スペクトル領域と同じ波長の差を持つ各入力光は、同じ方位角φの出力光として射出される。換言すれば、入力光の波長変化に対して、出力光の方位角φは、光フェイズドアレイ１２の自由スペクトル領域と同じ波長間隔で周期的に繰り返される。 The resonant wavelength interval of one of the first and second ring optical waveguides 31, 32, in this example the second ring optical waveguide 32, is set equal to the free spectral range of the optical phased array 12. The free spectral range of the optical phased array 12 is a wavelength interval (wavelength width) in which only one order of diffracted light is output as output light (does not overlap with the range of adjacent orders of diffracted light). In the optical phased array 12, each input light having the same wavelength difference as the free spectral range is emitted as output light with the same azimuth angle φ. In other words, with respect to the change in wavelength of the input light, the azimuth angle φ of the output light is periodically repeated at the same wavelength interval as the free spectral range of the optical phased array 12.

光フェイズドアレイ１２の自由スペクトル領域（Δλ_opa）は、式（４）で表すことができる。なお、上述のように、式（４）中の値λはレーザ光の波長、値n_gは光導波路の群屈折率、値L_opaは隣接するアレイ光導波路２３同士の経路長の差である。 The free spectral range (Δλ _opa ) of the optical phased array 12 can be expressed by Equation (4), where λ is the wavelength of the laser light, n _g is the group refractive index of the optical waveguide, and L _opa is the difference in path length between adjacent arrayed optical waveguides 23, as described above.

式（４）から分かるように光フェイズドアレイ１２の自由スペクトル領域は、値L_opaによって調整でき、レーザ光の波長よりも十分短いためレーザ光の波長にほとんど依存しない。 As can be seen from equation (4), the free spectral range of the optical phased array 12 can be adjusted by the value L _opa , and since it is sufficiently shorter than the wavelength of the laser light, it is almost independent of the wavelength of the laser light.

制御部１３は、第１および第２ヒータ３７、３８の発熱量を制御することによって、射出角θ、方位角φを変化させて出力光の走査を行う。第２リング光導波路３２の共振波長間隔と光フェイズドアレイ１２の自由スペクトル領域とを等しくすることにより、二重リング共振器１５に対する制御を簡単にしている。また、出力光の走査を行う場合、第１及び第２リング光導波路３１、３２を加熱すればよいので、複数のアレイ光導波路のそれぞれを加熱して位相差を付与する構成に比べて格段に消費電力が小さい。 The control unit 13 controls the amount of heat generated by the first and second heaters 37, 38 to change the emission angle θ and azimuth angle φ and perform scanning of the output light. By making the resonant wavelength interval of the second ring optical waveguide 32 equal to the free spectral range of the optical phased array 12, control of the double ring resonator 15 is simplified. In addition, when scanning the output light, it is only necessary to heat the first and second ring optical waveguides 31, 32, so power consumption is significantly smaller than in a configuration in which each of the multiple array optical waveguides is heated to impart a phase difference.

以下、上記構成により、射出角θと方位角φを制御して出力光の走査の手法の一例について説明する。図６に示すように、まず第２ヒータ３８に電流を流さず第２リング光導波路３２の共振波長を固定した状態にする。このときに、第２リング光導波路３２には複数の共振波長があるから、それらの複数の共振波長が固定された状態になる。 Below, an example of a method for scanning the output light by controlling the emission angle θ and the azimuth angle φ using the above configuration will be described. As shown in FIG. 6, first, no current is passed through the second heater 38, and the resonant wavelength of the second ring optical waveguide 32 is fixed. At this time, since the second ring optical waveguide 32 has multiple resonant wavelengths, these multiple resonant wavelengths are fixed.

続いて、第１ヒータ３７に電流に流す電流を連続的に増加する。すなわち、第１ヒータ３７に供給する電力（Ｗring1）を初期値（この例ではＷring1＝０）から連続的に増大し、第１リング光導波路３１の温度を上昇させる。第１リング光導波路３１の温度上昇にしたがって、第１リング光導波路３１の第１共振波長が長波長側に向かって連続的にシフトする。このときに、第１共振波長は、第２リング光導波路３２の共振波長の１周期分すなわち共振波長間隔Δλ_ring2だけシフトする。これにより、第１リング光導波路３１の第１共振波長が第２リング光導波路３２の第２共振波長に一致するごと、すなわち第１共振波長が第２リング光導波路３２の共振波長間隔分（Δλ_ring2）シフトされるごとに、当該一致した共振波長と同一波長のレーザ光が入力光導波路１８を介して光フェイズドアレイ１２に入力される。 Next, the current flowing through the first heater 37 is continuously increased. That is, the power (Wring1) supplied to the first heater 37 is continuously increased from the initial value (Wring1=0 in this example) to raise the temperature of the first ring optical waveguide 31. As the temperature of the first ring optical waveguide 31 rises, the first resonance wavelength of the first ring optical waveguide 31 is continuously shifted toward the longer wavelength side. At this time, the first resonance wavelength is shifted by one period of the resonance wavelength of the second ring optical waveguide 32, that is, by the resonance wavelength interval Δλ _ring2 . As a result, every time the first resonance wavelength of the first ring optical waveguide 31 matches the second resonance wavelength of the second ring optical waveguide 32, that is, every time the first resonance wavelength is shifted by the resonance wavelength interval (Δλ _ring2 ) of the second ring optical waveguide 32, a laser beam having the same wavelength as the matched resonance wavelength is input to the optical phased array 12 via the input optical waveguide 18.

第１リング光導波路３１の第１共振波長と第２リング光導波路３２の第２共振波長とが最初に一致した波長の１番目のレーザ光が光フェイズドアレイ１２に入力されると、そのレーザ光は、分配部２１で分配されて複数のアレイ光導波路２３に入力光として入力される。入力光は、入力されたアレイ光導波路２３を経て回折格子アレイ２４にそれぞれ入力される。このとき、各アレイ光導波路２３の経路長が異なっているため、回折格子アレイ２４に入力される各入力光は、アレイ光導波路２３の経路長の差、アレイ光導波路２３のコアの屈折率及び入力光の波長に応じた位相差を持つが、アレイ光導波路２３の経路長の差とアレイ光導波路２３のコアの屈折率とは固定であるため、各入力光はそれらの波長に応じた位相差を持って回折格子２７にそれぞれ入射する。 When the first laser light having a wavelength at which the first resonant wavelength of the first ring optical waveguide 31 and the second resonant wavelength of the second ring optical waveguide 32 first match is input to the optical phased array 12, the laser light is distributed by the distribution unit 21 and input to the multiple array optical waveguides 23 as input light. The input light is input to the diffraction grating array 24 via the input array optical waveguides 23. At this time, since the path lengths of the array optical waveguides 23 are different, each input light input to the diffraction grating array 24 has a phase difference according to the difference in path length of the array optical waveguide 23, the refractive index of the core of the array optical waveguide 23, and the wavelength of the input light, but since the difference in path length of the array optical waveguide 23 and the refractive index of the core of the array optical waveguide 23 are fixed, each input light is incident on the diffraction grating 27 with a phase difference according to its wavelength.

このように光導波路アレイ２２で位相差が与えられた各入力光が回折格子アレイ２４に入力された場合、上述のように入力光の波長、すなわち波長可変レーザ１１からのレーザ光の波長によって決まる射出角θ、方位角φで出力光が回折格子アレイ２４から射出される。 When each input light having a phase difference given by the optical waveguide array 22 is input to the diffraction grating array 24, the output light is emitted from the diffraction grating array 24 with an emission angle θ and an azimuth angle φ determined by the wavelength of the input light, i.e., the wavelength of the laser light from the tunable laser 11, as described above.

第１リング光導波路３１の第１共振波長のシフトにより、第１共振波長と第２共振波長とが次に一致した波長の２番目のレーザ光が光フェイズドアレイ１２に入力される。このレーザ光から分配部２１、光導波路アレイ２２を介して得られる各入力光が回折格子アレイ２４に入力される。これにより、２番目のレーザ光の波長によって決まる射出角θ、方位角φで出力光が回折格子アレイ２４から射出される。 By shifting the first resonant wavelength of the first ring optical waveguide 31, a second laser light having a wavelength where the first resonant wavelength and the second resonant wavelength are next matched is input to the optical phased array 12. Each input light obtained from this laser light via the distribution unit 21 and the optical waveguide array 22 is input to the diffraction grating array 24. As a result, output light is emitted from the diffraction grating array 24 with an emission angle θ and an azimuth angle φ determined by the wavelength of the second laser light.

２番目のレーザ光と１番目のレーザ光の波長の差は、第２リング光導波路３２の共振波長間隔（Δλ_ring2）に等しく、この共振波長間隔（Δλ_ring2）に等しい光フェイズドアレイ１２の自由スペクトル領域（Δλ_opa）に等しい。したがって、２番目のレーザ光から生成される２番目の出力光は、１番目のレーザ光から生成される１番目の出力光と方位角φが同じであり、射出角θが変化したものとなっている。 The difference in wavelength between the second laser light and the first laser light is equal to the resonant wavelength interval (Δλ _ring2 ) of the second ring optical waveguide 32, and is equal to the free spectral range (Δλ _opa ) of the optical phased array 12, which is equal to this resonant wavelength interval (Δλ _ring2 ). Therefore, the second output light generated from the second laser light has the same azimuth angle φ as the first output light generated from the first laser light, but the exit angle θ is changed.

同様にして、第１共振波長と第２共振波長とがさらに次に一致した波長の３番目のレーザ光が光フェイズドアレイ１２に入力されることによって、３番目のレーザ光の波長によって決まる射出角θ、方位角φで出力光が光フェイズドアレイ１２から射出される。３番目のレーザ光と２番目のレーザ光との波長の差は、やはり共振波長間隔（Δλ_ring2）と光フェイズドアレイ１２の自由スペクトル領域（Δλ_opa）に等しい。したがって、３番目のレーザ光から生成される３番目の出力光は、１番目及び２番目の各出力光と方位角φが同じであり、射出角θがさらに変化したものとなっている。 Similarly, a third laser light having a wavelength that is the next closest to the first and second resonant wavelengths is input to the optical phased array 12, and output light is output from the optical phased array 12 at an output angle θ and an azimuth angle φ determined by the wavelength of the third laser light. The difference in wavelength between the third laser light and the second laser light is also equal to the resonant wavelength interval (Δλ _ring2 ) and the free spectral range (Δλ _opa ) of the optical phased array 12. Therefore, the third output light generated from the third laser light has the same azimuth angle φ as the first and second output lights, and the output angle θ is further changed.

射出角θの変化量は、レーザ光の波長の変化量に比例しており、レーザ光の波長の変化量は、第２リング光導波路３２の共振波長間隔（Δλ_ring2）と同じである。したがって、１番目の出力光の射出角θに対する２番目の出力光の射出角θの増分と、２番目の出力光の射出角θに対する３番目の出力光の射出角θの増分とは等しい。以下、同様にして４番目以降（図６の例では４番目まで）の出力光が回折格子アレイ２４から射出される。 The amount of change in the emission angle θ is proportional to the amount of change in the wavelength of the laser light, and the amount of change in the wavelength of the laser light is the same as the resonant wavelength interval (Δλ _ring2 ) of the second ring optical waveguide 32. Therefore, the increment in the emission angle θ of the second output light relative to the emission angle θ of the first output light is equal to the increment in the emission angle θ of the third output light relative to the emission angle θ of the second output light. Similarly, the fourth and subsequent output lights (up to the fourth in the example of FIG. 6 ) are emitted from the diffraction grating array 24.

図７に示すように、いずれの出力光も１番目の出力光と方位角φが同じであり、射出角θが所定の角度ずつ順次に増加する。このようにして、ＳＯＡ１４の利得領域内で波長可変レーザ１１から出力するレーザ光の波長を離散的に変化させることで、一定の方位角φの下で射出角θを変化させて出力光の走査を行う。 As shown in FIG. 7, each output light has the same azimuth angle φ as the first output light, and the exit angle θ increases sequentially by a predetermined angle. In this way, by discretely changing the wavelength of the laser light output from the tunable laser 11 within the gain region of the SOA 14, the exit angle θ is changed under a constant azimuth angle φ to scan the output light.

この後、制御部１３は、第２ヒータ３８に一定の電流を流す。すなわち、第２ヒータ３８に供給する電力（Ｗring2）を一定にした状態にする。これにより、第２リング光導波路３２の共振波長を長波長側に例えば一定のシフト波長幅Δλsだけシフトする。 Then, the control unit 13 passes a constant current through the second heater 38. In other words, the power (Wring2) supplied to the second heater 38 is kept constant. This shifts the resonant wavelength of the second ring optical waveguide 32 to the long wavelength side by, for example, a constant shift wavelength width Δλs.

このように第２リング光導波路３２の第２共振波長をシフトした状態で、制御部１３は、第１ヒータ３７に供給する電力を初期値から連続的に増大し、第１共振波長を長波長側に連続にシフトする。このときにも、シフトされた第２共振波長と第１共振波長とが一致するごとに、当該一致した共振波長と同一波長のレーザ光が入力光導波路１８を介して光フェイズドアレイ１２に入力される。これにより、上述の第２リング光導波路３２の共振波長をシフトしていない場合と同様に、レーザ光が光フェイズドアレイ１２に入力されるごとに、入力されるレーザ光の波長によって決まる射出角θ、方位角φで出力光が回折格子アレイ２４から射出される。 With the second resonant wavelength of the second ring optical waveguide 32 shifted in this manner, the control unit 13 continuously increases the power supplied to the first heater 37 from the initial value, and continuously shifts the first resonant wavelength to the longer wavelength side. At this time, each time the shifted second resonant wavelength and the first resonant wavelength match, laser light of the same wavelength as the matched resonant wavelength is input to the optical phased array 12 via the input optical waveguide 18. As a result, as in the case where the resonant wavelength of the second ring optical waveguide 32 described above is not shifted, each time laser light is input to the optical phased array 12, output light is emitted from the diffraction grating array 24 at an emission angle θ and an azimuth angle φ determined by the wavelength of the input laser light.

この場合には、第２共振波長をシフトしていない場合よりもシフト波長幅Δλsだけ、レーザ光の波長が長波長側にシフトしている。したがって、出力光の射出角θ及び方位角φは、シフト波長幅Δλsに対応した角度だけ、第２共振波長をシフトしていない場合よりも大きい。出力光の方位角φは、レーザ光の波長が光フェイズドアレイ１２の自由スペクトル領域（Δλ_opa）分ずつ増加するため変化しない。そして、この方位角φの下で、出力光の射出角θが段階的に大きくなる。このときの射出角θの増分は、第２共振波長をシフトしていない場合と同じである。 In this case, the wavelength of the laser light is shifted to the long wavelength side by the shift wavelength width Δλs compared to the case where the second resonant wavelength is not shifted. Therefore, the exit angle θ and the azimuth angle φ of the output light are larger by an angle corresponding to the shift wavelength width Δλs compared to the case where the second resonant wavelength is not shifted. The azimuth angle φ of the output light does not change because the wavelength of the laser light increases by the free spectral range (Δλ _opa ) of the optical phased array 12. Then, under this azimuth angle φ, the exit angle θ of the output light increases stepwise. The increment of the exit angle θ at this time is the same as that in the case where the second resonant wavelength is not shifted.

上記のようにして、所定の角度だけ大きくした方位角φの下で射出角θを変化させて出力光の走査を行ってから、第２ヒータ３８に供給する電力を一定量増加する。これにより、第２共振波長を長波長側にシフト波長幅Δλsだけさらにシフトする。この後、第１ヒータ３７に供給する電力を初期値から連続的に増大することにより、さらに大きくした方位角φの下で射出角θを段階的に大きした出力光が回折格子アレイ２４から射出される。 As described above, the output light is scanned by changing the emission angle θ under an azimuth angle φ that is increased by a predetermined angle, and then the power supplied to the second heater 38 is increased by a fixed amount. This causes the second resonant wavelength to be further shifted toward the longer wavelength side by a wavelength width Δλs. Thereafter, by continuously increasing the power supplied to the first heater 37 from the initial value, output light with an emission angle θ that is gradually increased under an even larger azimuth angle φ is emitted from the diffraction grating array 24.

以降、同様にして第２ヒータ３８に供給する電力を一定量ずつ増加して第２共振波長を長波長側にシフトしながら、一定の第２共振波長の下で、第１ヒータ３７に供給する電力を初期値から連続的に増大して第１共振波長を連続的にシフトする。これにより、段階的に大きくした方位角φの下で射出角θを段階的に大きして出力光の走査を行う。 Then, in a similar manner, the power supplied to the second heater 38 is increased by a constant amount at a time to shift the second resonant wavelength to the longer wavelength side, while the power supplied to the first heater 37 is continuously increased from the initial value at a constant second resonant wavelength to continuously shift the first resonant wavelength. As a result, the emission angle θ is increased stepwise under the azimuth angle φ which is increased stepwise to perform scanning of the output light.

以上のように、射出角θ、方位角φを変化させた出力光の走査を行う。上記のように、第２リング光導波路３２の第２共振波長間隔と光フェイズドアレイ１２の自由スペクトル領域を等しくしているので、出力光の走査の際には、第２共振波長を段階的にシフトしながら、一定の第２共振波長の下で第１共振波長を連続的にシフトすればよく、二重リング共振器１５の第１及び第２ヒータ３７、３８に対する制御が簡単である。 As described above, the output light is scanned by changing the emission angle θ and the azimuth angle φ. As described above, the second resonant wavelength interval of the second ring optical waveguide 32 and the free spectral range of the optical phased array 12 are equal, so that when scanning the output light, it is sufficient to shift the first resonant wavelength continuously under a constant second resonant wavelength while shifting the second resonant wavelength in stages, and control of the first and second heaters 37, 38 of the dual ring resonator 15 is simple.

上記構成のレーザビームスキャナ１０について、レーザ光の波長の変化に対する出力光の方位角φの変化をシミュレーションした結果を図８に、レーザ光の波長の変化に対する出力光の射出角θの変化をシミュレーションした結果を図９にそれぞれ示す。なお、図８、図９は、いずれも径方向が射出角θを、また周方向が方位角φをそれぞれ示している。 For the laser beam scanner 10 configured as described above, the results of a simulation of the change in the azimuth angle φ of the output light relative to the change in the wavelength of the laser light are shown in Figure 8, and the results of a simulation of the change in the exit angle θ of the output light relative to the change in the wavelength of the laser light are shown in Figure 9. Note that in both Figures 8 and 9, the radial direction indicates the exit angle θ, and the circumferential direction indicates the azimuth angle φ.

図８に示す方位角φの変化についてのシミュレーションでは、中心波長を１．５５μｍ（周波数：約１９３ＴＨｚ）として、波長を±２ｎｍ（周波数で±２５０ＧＨｚ）の範囲で変化させた場合の方位角φの変化を確認した。このシミュレーションの結果より、光フェイズドアレイ１２の自由スペクトル領域（Δλ_opa）が約５００ＧＨｚであることがわかり、この自由スペクトル領域の範囲でレーザ光の波長を変化させた場合、方位角φの範囲が±３９°となることが確認された。また、この光フェイズドアレイ１２の自由スペクトル領域（Δλ_opa）の範囲でレーザ光の波長を変化させても射出角θの変化はごく僅かであることも確認された。 In the simulation of the change in the azimuth angle φ shown in FIG. 8, the change in the azimuth angle φ was confirmed when the center wavelength was set to 1.55 μm (frequency: about 193 THz) and the wavelength was changed in the range of ±2 nm (frequency ±250 GHz). From the results of this simulation, it was found that the free spectral range (Δλ _opa ) of the optical phased array 12 was about 500 GHz, and it was confirmed that when the wavelength of the laser light was changed within this free spectral range, the range of the azimuth angle φ was ±39°. It was also confirmed that the change in the exit angle θ was very small even when the wavelength of the laser light was changed within the free spectral range (Δλ _opa ) of the optical phased array 12.

一方、図９に示す射出角θの変化についてのシミュレーションでは、レーザ光の波長を、中心波長１．５５μｍから第２リング光導波路３２の共振波長間隔（Δλ_ring2＝Δλ_opa）の±１２倍（周波数で±６ＴＨｚ）だけシフトした波長１．５０３μｍと波長１．６０μｍとの間での射出角θを確認した。この結果より、レーザ光の波長を１．５０３μｍと１．６０μｍとの間で変化させることで、射出角θに±３．９°の変化が得られることが確認された。 9, the emission angle θ was confirmed between wavelengths of 1.503 μm and 1.60 μm, which are obtained by shifting the wavelength of the laser light from the central wavelength of 1.55 μm by ±12 times (frequency: ±6 THz) the resonance wavelength interval (Δλ _ring2 =Δλ _opa ) of the second ring optical waveguide 32. From this result, it was confirmed that a change of ±3.9° in the emission angle θ could be obtained by changing the wavelength of the laser light between 1.503 μm and 1.60 μm.

上記では、出力光の走査を行う際に、第１及び第２共振波長を長波長側にシフトしているが、短波長側にシフトしてもよく、一方の共振波長を長波長側にシフトし、他方の共振波長を短波長側にシフトしてもよい。 In the above, the first and second resonant wavelengths are shifted to the longer wavelength side when scanning the output light, but they may also be shifted to the shorter wavelength side, or one resonant wavelength may be shifted to the longer wavelength side and the other resonant wavelength may be shifted to the shorter wavelength side.

上記構成のレーザビームスキャナ１０により、図１０に示すように、レーザ光の波長を連続的に変化させ、射出角θ、方位角φを変化させた出力光の走査を行うことができる。この場合には、例えば、第１及び第２リング光導波路３１、３２の第１及び第２共振波長を短波長側から長波長側に変化することで、第１及び第２共振波長が一致する波長を長波長側に連続的にシフトする。レーザ光の波長が所定シフト量（このシフト量は共振波長間隔Δλ_ring2以下とするのがよい）だけシフトされるごとに、第２共振波長を長波長側に少しシフトし、再び第１及び第２共振波長を短波長側から長波長側に変化させて第１及び第２共振波長が一致する波長を長波長側に連続的にシフトする。 The laser beam scanner 10 having the above configuration can perform scanning of the output light by continuously changing the wavelength of the laser light and changing the emission angle θ and the azimuth angle φ, as shown in Fig. 10. In this case, for example, the first and second resonant wavelengths of the first and second ring optical waveguides 31 and 32 are changed from the short wavelength side to the long wavelength side, so that the wavelengths at which the first and second resonant wavelengths match are continuously shifted to the long wavelength side. Every time the wavelength of the laser light is shifted by a predetermined shift amount (this shift amount is preferably equal to or less than the resonant wavelength interval Δλ _ring2 ), the second resonant wavelength is shifted slightly to the long wavelength side, and the first and second resonant wavelengths are changed again from the short wavelength side to the long wavelength side, so that the wavelengths at which the first and second resonant wavelengths match are continuously shifted to the long wavelength side.

これにより、図１１に示すように、射出角θ、方位角φを連続的に変化させた出力光の走査を行うことができる。この場合にも第１及び第２共振波長を長波長側から短波長側へシフトするようにしてもよい。また、最初の例と同様に、射出角θ、方位角φとの組み合せによって決まる出力光の向きが離散的になるように制御することもできる。 As a result, as shown in FIG. 11, it is possible to perform scanning of the output light by continuously changing the emission angle θ and the azimuth angle φ. In this case, the first and second resonant wavelengths may also be shifted from the long wavelength side to the short wavelength side. Also, as in the first example, it is possible to control the direction of the output light determined by the combination of the emission angle θ and the azimuth angle φ so that it becomes discrete.

なお、レーザ光の波長を連続的に変化させる場合には、所定の条件を満たすように第１ヒータ３７及び第２ヒータ３８をそれぞれ精密に制御する必要があるが、最初の例のように出力光の走査を行うことは第１ヒータ３７及び第２ヒータ３８の制御が簡単になり有利である。すなわち、隣接するアレイ光導波路２３同士の経路長の差と第２リング光導波路３２の周囲長と同程度（光フェイズドアレイ１２の自由スペクトル領域（Δλ_opa）と第２リング光導波路３２の共振波長間隔分（Δλ_ring2）とをほぼ同じ）にして、第２リング光導波路３２の第２共振波長を一定値としたまま第１リング光導波路３１の第１共振波長を変化させるだけで、上述のように出力光の走査を行うことができ、出力光の走査が簡単に行える。 In addition, when the wavelength of the laser light is changed continuously, it is necessary to precisely control the first heater 37 and the second heater 38 so as to satisfy a predetermined condition, but scanning the output light as in the first example is advantageous because it simplifies the control of the first heater 37 and the second heater 38. That is, by setting the difference in path length between adjacent arrayed optical waveguides 23 to be approximately the same as the perimeter of the second ring optical waveguide 32 (the free spectral range (Δλ _opa ) of the optical phased array 12 and the resonant wavelength interval (Δλ _ring2 ) of the second ring optical waveguide 32 are approximately the same), and by simply changing the first resonant wavelength of the first ring optical waveguide 31 while keeping the second resonant wavelength of the second ring optical waveguide 32 at a constant value, the output light can be scanned as described above, and the scanning of the output light can be easily performed.

二重リング共振器の構成は、上記のものに限定されない。例えば、特開平２０１５－１５４０５２号公報に記載されているように、一対のバス光導波路の間に２つのリング光導波路が配された並列結合型やこれに非対称マッハツェンダ干渉計型の変調器を組み合わせた構成でもよい。上記の回折格子アレイの構造は、一例であり、それに限定されるものではない。例えば、図１２に模式的に示すように、回折格子アレイ２４は、それに設けられた各光導波路のコア４６にその一方の側に周期的に突出した凸部４６ａを設けた構成であってもよい。また、凸部４６ａに代えて凹部を設けた構成であってもよい。 The configuration of the double ring resonator is not limited to the above. For example, as described in JP 2015-154052 A, a parallel-coupled type in which two ring optical waveguides are arranged between a pair of bus optical waveguides, or a configuration in which this is combined with an asymmetric Mach-Zehnder interferometer type modulator, may be used. The structure of the diffraction grating array described above is an example, and is not limited thereto. For example, as shown in FIG. 12, the diffraction grating array 24 may be configured such that the core 46 of each optical waveguide provided therein has periodically protruding convex portions 46a on one side thereof. Alternatively, the diffraction grating array 24 may be configured such that concave portions are provided instead of the convex portions 46a.

１０レーザビームスキャナ
１１波長可変レーザ
１２光フェイズドアレイ
１５二重リング共振器
２１分配部
２２光導波路アレイ
２３アレイ光導波路
２４回折格子アレイ
３１第１リング光導波路
３２第２リング光導波路
３７第１ヒータ
３８第２ヒータ

REFERENCE SIGNS LIST 10 laser beam scanner 11 tunable laser 12 optical phased array 15 double ring resonator 21 distribution section 22 optical waveguide array 23 arrayed optical waveguide 24 diffraction grating array 31 first ring optical waveguide 32 second ring optical waveguide 37 first heater 38 second heater

Claims

A semiconductor optical amplifier;
a double ring resonator including a first ring optical waveguide and a second ring optical waveguide having different resonant wavelength intervals, the double ring resonator being optically coupled to the semiconductor optical amplifier to form a laser resonator together with the semiconductor optical amplifier;
an optical phased array including an optical waveguide array composed of a plurality of arrayed optical waveguides having different lengths, a distributor optically coupled to the double ring resonator to receive laser light from the laser resonator and distribute the laser light to the plurality of arrayed optical waveguides, and an optical phased array including an arrayed optical waveguide having a plurality of diffraction gratings arranged corresponding to the plurality of arrayed optical waveguides and receiving the laser light from the plurality of arrayed optical waveguides, the diffraction grating array diffracting the input laser light and emitting it as output light;
a resonance wavelength shifter that independently shifts a first resonance wavelength of the first ring optical waveguide and a second resonance wavelength of the second ring optical waveguide ,
A laser beam scanner , wherein a free spectral range of said optical phased array is equal to a resonant wavelength interval of said second ring optical waveguide .

The laser beam scanner according to claim 1 , wherein the resonant wavelength shifter shifts the second resonant wavelength stepwise and continuously shifts the first resonant wavelength at a constant second resonant wavelength.

The resonant wavelength shift unit is
a first heater provided adjacent to a core of the first ring optical waveguide, and a second heater provided adjacent to a core of the second ring optical waveguide;
3. The laser beam scanner according to claim 1, wherein the first resonant wavelength is shifted by heating a core of the first ring optical waveguide with the first heater, and the second resonant wavelength is shifted by heating a core of the second ring optical waveguide with the second heater.