光偏转装置制造方法及图纸

本发明专利技术的目的在于改进来自光偏转装置的光束的辐射效率。所述光偏转装置由具有晶格布置的光子晶体波导制成，所述晶格布置具有低折射率部分，所述低折射率部分周期性地排列在高折射率构件内。所述晶格布置具有双周期性结构，所述双周期性结构由在所述低折射率部分的周期性阵列中彼此不同的第一周期性阵列和第二周期性阵列组成。没有排列低折射率部分的线性缺陷构成用于传播入射光的波导芯。构成双周期性结构的周期性阵列的至少第一周期性阵列或第二周期性阵列的截面沿低折射率部分的厚度方向是不对称的。

Light deflection device

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】光偏转装置
本专利技术涉及一种控制光的传播方向的光偏转装置。
技术介绍
在使用获取到任何周围物体的距离作为二维图像的激光测量的激光雷达或LiDAR(光检测和测距、激光成像检测和测距)装置领域中，此类装置用于汽车的自动驾驶、三维地图的创建等，其基本技术也可以在激光打印机、激光显示器、激光加工机器等上实施。在该
中，将光束施加到物体，检测从物体反射的反射光，从其时间差和频率差获得关于距离的信息，并且对该光束进行二维扫描，以便获得广角三维信息。光偏转装置在光束扫描中是必不可少的。传统上使用的是：机械机构，例如整个装置的旋转；机械镜，例如多面镜(多边形镜(polygonmirrors))和振镜(galvanometermirrors)；以及使用微机技术(微机电系统(microelectromechanical,MEMS)技术)的小型集成镜。同时，这些机构具有与它们的大尺寸、增加的成本以及关于振荡的运动物体的不稳定性相关联的问题，在这种情况下，近年来，对非机械的光偏转装置进行了广泛地研究。作为非机械的光偏转装置，已经提出了通过改变光波长或装置的折射率来实现光偏转的相控阵型(phasedarraytype)或衍射光栅型(diffractiongratingtype)的装置。然而，相控阵型光偏转装置具有难以调节布置成阵列的大量光辐射器(radiator)的相位以及难以形成高质量锐光束的问题。同时，衍射光栅型光偏转装置可以容易地形成锐光束，但是具有光偏转角小的问题。为了解决小光偏转角的问题，本专利技术的专利技术人提出了通过将慢光波导(slowlightwaveguide)耦合至诸如衍射光栅的衍射机构、来增加光偏转角的技术(专利文献1)。在诸如光子晶体波导的光子纳米结构中产生的慢光的特征在于以下事实：慢光具有低的群速度，并且由于波导的波长和折射率的细微变化而导致传播系数的显著变化。当衍射机构安装在慢光波导内部或附近时，慢光波导与衍射机构耦合并成为漏隙波导(leakywaveguide)，其将光辐射到自由空间。在这一点上，传播常数的显著变化影响辐射光的偏转角，其结果是实现了大的偏转角。图36A示出了一种装置结构，其中衍射机构被引入传播具有低群速度的光(慢光)的光子晶体波导中；以及从该装置结构辐射的辐射光束的轮廓。衍射机构例如通过圆孔图案的双周期性结构进行配置，根据该圆孔图案的双周期性结构，具有不同直径的两种类型的圆孔沿波导交替重复地布置在光子晶体的表面中；或者通过圆孔图案的双周期性结构进行配置，根据该圆孔图案的双周期性结构，具有长的和短的光栅栅距(gratingpitches)的圆孔沿波导交替重复地以两个周期布置在光子晶体的表面中，其中，入射光入射到慢光波导上，并且慢光的传播光被转换成使得其满足辐射条件，并因此作为辐射光束被辐射到空间中。图36B是用于解释辐射光束的光束强度分布的图，图36B示出了长度方向上的光束强度分布，其中，随着辐射光束沿波导逐渐泄漏，长度方向上的光束强度分布反射均匀的锐光束。图36C示出了横向方向上的光束强度分布，其中，横向方向上的光束强度分布呈现出宽角度分布。现有技术文献专利文献专利文献1：国际专利申请WO2017/126386号专利文献2：日本未经审查的专利申请公开2001-272555号专利文献3：日本未经审查的专利申请公开2004-294517号
技术实现思路
专利技术要解决的问题传统上，如图36A所示，基于光从光子晶体波导向上辐射的情况来执行由光偏转装置对辐射光束的分析。然而，上述光子晶体波导具有相对于波导的厚度方向对称的对称结构。由于光子晶体波导的对称结构，即使当波导的侧面被定义为向上的方向时，光的辐射也相对于光子晶体以上下对称的方式发生，待通过光偏转装置使用的辐射光束从该波导的侧面辐射。图37A至图37E示出了相对于波导的厚度方向对称的传统光子晶体波导中，圆孔图案的双周期性结构的实施例，该圆孔图案的双周期性结构通过彼此直径不同的大直径孔和小直径孔布置为V形而配置。图37E示出了波导板(waveguideslab)的截面形状，且为双周期性结构，在该双周期性结构中，大直径孔的直径设置为215nm，小直径孔的直径设置为205nm，并且直径差Δ2r设置为10nm。而且，关于它们的截面形状，侧壁是垂直的，并且在厚度方向上的上端和下端处的孔的直径彼此相同，并且截面形状在厚度方向上上下对称。并且，尽管未在该图中示出，但是在实际制造的光子晶体波导结构中，空气存在于SiO2包覆材料上方，该SiO2包覆材料覆盖形成波导的Si板，并且Si基板存在于该覆盖Si板的SiO2包覆材料下方。同样在该计算中，该空气和基板为假设的。图37A、37B、37C和37D分别示出了包括双周期性结构的光子晶体波导的归一化频率a/λ、群折射率、辐射系数(散射损耗)和辐射比P上/P下(Pupper/Plower)。图37D表明，随着辐射比P上/P下变为大于1，向上辐射量变为大于向下辐射量；并且随着辐射比P上/P下变为小于1，向下辐射量变为大于向上辐射量。应当注意，图37D的辐射比是穿过从上方和下方夹层波导板的包覆部的传播光的光功率比。图37D示出了以下事实：即使在由于SiO2包覆材料上方存在空气且SiO2包覆材料下方存在基板而导致的不对称性的情况下，辐射比P上/P下在所有孔的截面形状在厚度方向上为上下对称的情况下也基本上为1，并且该事实意味着基本相同量的光束从波导板向上和向下射出。图38A至图38C是用于解释具有上下对称结构的光子晶体波导的光辐射的图。在上述图36A至图36C中，虽然为了简化仅示出了向上的光辐射，但是如图38A至图38C所示，从具有上下对称结构的光子晶体波导的波导板辐射的光实际上经由层压在上侧和下侧的包覆材料而在上下方向上被辐射。图38A示意性地示出了从上下对称结构向上和向下辐射的光的光辐射。已经从具有上下对称结构的光子晶体波导的波导板辐射的光不仅向上辐射，还与相同光束一起向下辐射，使得已经产生的辐射光的一半将不会被利用。而且，在该光子晶体波导用作光接收机构的情况下，如图38B所示，不可能利用正在接收的光的一半。接收反射光的过程等同于沿相反方向再定向(redirected)辐射光的过程，并且，如果仅接收向上的光束，则没有从下方再定向的光束，其结果是，当接收的光耦合到波导时，只有来自上方的光将被耦合到波导，而来自下方的光未被耦合到波导。因此，与将要接收向上和向下光束两者的情况相比，仅耦合了一半的光量。因此，在发送时和在接收时分别发生3dB的损耗，并且理论上在发送和接收期间发生6dB的总损耗。如上所述并且如图38C所示，实际的光子晶体波导具有层压结构，在该层压结构中由SiO2等制成的包覆材料设置在波导层(波导板)的下方，并且由Si等制成的半导体基板设置在包覆材料的下方，使得从波导板向下辐射的光部分地通过该半导体基板的表面反射，并且与从该波导板向上反射的光合并，其结果是，向上辐射的辐射光束的形状被扭曲。例如，即本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光偏转装置，其包括具有晶格阵列的光子晶体波导，所述晶格阵列具有低折射率部分，所述低折射率部分周期性地布置在高折射率构件的表面中，所述晶格阵列构成所述波导，其中/n所述晶格阵列包括双周期性结构，所述双周期性结构包括在所述低折射率部分的周期性布置中彼此不同的第一周期性阵列和第二周期性阵列，以及/n所述低折射率部分，相对于所述双周期性结构的所述第一周期性阵列和所述第二周期性阵列中的至少一个的厚度方向，具有不对称截面形状。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170824 JP 2017-1608251.一种光偏转装置，其包括具有晶格阵列的光子晶体波导，所述晶格阵列具有低折射率部分，所述低折射率部分周期性地布置在高折射率构件的表面中，所述晶格阵列构成所述波导，其中
所述晶格阵列包括双周期性结构，所述双周期性结构包括在所述低折射率部分的周期性布置中彼此不同的第一周期性阵列和第二周期性阵列，以及
所述低折射率部分，相对于所述双周期性结构的所述第一周期性阵列和所述第二周期性阵列中的至少一个的厚度方向，具有不对称截面形状。


2.根据权利要求1所述的光偏转装置，其中，具有所述不对称截面形状的所述低折射率部分的侧壁在厚度方向上各自具有倾斜壁或阶梯壁的壁形状，所述阶梯壁由至少两个壁限定，所述至少两个壁选自由倾斜壁、垂直壁和水平壁组成的组。


3.根据权利要求1或2所述的光偏转装置，其中，所述双周期性结构被配置为：
具有不同直径的圆孔布置在所述第一周期性阵列和所述第二周期性阵列的所述低折射率部分中；
所述圆孔以预定间隔布置在包括所述周期性阵列的所述波导的传播方向上；
所述第一周期性阵列的所述圆孔和所述第二周期性阵列的所述圆孔交替地布置在沿所述波导的传播方向延伸的行中；且
在彼此直径不同的大直径圆孔和小直径圆孔中，所述小直径圆孔具有不对称截面形状。


4.根据权利要求1或2所述的光偏转装置，其中，所述双周期性结构被配置为：
具有不同直径的圆孔布置在所述第一周期性阵列和所述第二周期性阵列的所述低折射率部中；
所述圆孔以预定间隔布置在包括所述周期性阵列的所述波导的传播方向上；
所述第一周期性阵列的所述圆孔和所述第二周期性阵列的所述圆孔交替地布置在沿所述波导的传播方向延...

【专利技术属性】
技术研发人员：马场俊彦，竹内萌江，伊藤宽之，楠侑真，
申请(专利权)人：国立大学法人横滨国立大学，
类型：发明
国别省市：日本;JP