「スローライト」はLIDARセンサーの開発を加速します

特に高度なテクノロジーを使用する3Dセンサーに関しては、高速であることが常に優れているとは限りません。 自動運転車、ロボットやドローン、セキュリティシステムなどの分野でのアプリケーションでは、研究者はコンパクトで使いやすい3Dセンサーを見つけるのに苦労しています。 日本の横浜国立大学の研究チームは、通常他の変数よりも速度が速い地域では予想外である、遅い光を使用してそのようなセンサーを取得する方法を開発したと考えています。

LiDARとしても知られる光検出および測距（LiDAR）は、自動運転車、ロボット、ドローンの3Dセンサーとして、セキュリティシステムで、測量や測定、特定の娯楽分野で使用されることが期待されています。多くのLiDARシステムは、レーザー光源、光検出器、およびビーム制御装置で構成されています。ビームステアリングには、通常、回転ミラーなどの機械システムが使用されるため、システムが大きく、高価で、不安定になります。最近、MEMSミラーがサイズとコストを削減するために使用されていますが、サイズ、ビーム発散（または解像度）、および速度の間にはトレードオフがあります。そのため、人々は完全な非機械的（ソリッドステート）デバイスを探していました。そのために、シリコン（Si）フォトニクスと相補型金属酸化物半導体（相補型金属酸化物半導体、CMOS）を使用して製造された光学フェーズドアレイ（光学フェーズドアレイ）プロセスは広く開発されています。フェーズドアレイ、OPA）。ただし、OPAは、光アンテナの大規模な統合、複雑で電力を消費する光位相制御、および操作範囲、解像度、効率の間のトレードオフにおいて、依然として多くの課題に直面しています。そのため、横浜国立大学では、2次元ビーム制御の一方の軸にOPAを使用し、もう一方の軸に回折格子を使用し、回折格子とコリメートレンズを組み合わせた、より単純な構成を検討しています。 Si導波路回折格子の角度発散は小さく、通常は0.14°/ nmであるため、導波路材料を製造する際に、導波路にΔ> 140nmおよび/またはΔ> 0.5の広帯域波長走査レーザー光源を必要とすることは実用的ではありません。屈折率変化の場合、回転範囲はΔ> 20°です。

近年、ますます多くのエンジニアが、機械部品なしで光線を導くことができる光フェーズドアレイに目を向けています。しかし、この記事の筆頭著者である馬場敏彦氏は、必要な光アンテナの数が膨大であり、各アンテナの校正に必要な時間と精度のために、この方法は複雑になる可能性があると考えています。馬場敏彦氏は、この研究では「スローライト」と呼ばれる別の方法を使用したと述べた。馬場敏彦氏らは、シリコンエッチング媒体を対象とした特殊な導波路「フォトニック結晶」を使用しました。フォトニック結晶と相互作用することを余儀なくされると、光は減速され、自由空間に放出されます。研究者たちはプリズムレンズを使用し、ビームを希望の方向に向けました。

研究者たちは、（I）特に浅くエッチングされた回折格子と（II）カスタムプリズムレンズを紹介しました。 Si層の浅いエッチングされたグレーティングは、下向きの放射損失を減らし、内部反射損失とコリメーション損失を減らします。研究者らはまた、回転範囲を拡大するために、LSPWCへの光の入射方向の切り替えを導入しました（III）。



▲図1.スロービームステアリングデバイスと2Dビームステアリングの概略図。ここで、（I）–（III）は、以前の研究における問題と、より広い2Dビームステアリングの解決策です。 （A）浅いグレーティングを備えたLSPCWは、より高い発光強度を向上させることができます。 （B）LSPWアレイとプリズムレンズによる2次元ビーム制御により、コリメーション状態を広範囲に維持できます。 （C）アレイからLSPWCを選択して、方向に沿ってビームステアリングを実行します。これは、参考文献1と同じ概念です。 （D）プリズムを使用して変換を 'に変換し、LSPWの光の入射方向を切り替えることにより、' = 0を含む± '方向に連続ビームステアリングが実行されます。



▲図2.プレハブ機器と1次元ビームステアリング。 （a）完成したチップの上面図。 （b）LSPCWのSEM画像。拡大図は、格子シフトと浅い格子の3番目の行を示しています。 （c）プリズムレンズは装置の上に設置されています。 （d）波長スキャン用のレンズなしのファンビームの一次元ステアリング。 FFPは0.1°の間隔で重なります。 （e）波の波長依存性。接続されたFFPは、= 1.53mにファンビームとスポットビームを示しています。 （f）、（g）ビーム発散の合計。レンズありとレンズなしの赤と黒は別々に表示されます。

製造には、直径200 mmのSOIおよびSiフォトニックCMOSプロセスを使用しました。これは、KrFエキシマレーザー露光と位相シフトマスクを使用することにより、130nm未満の最小フィーチャサイズを実現しました。図2（a）は、5.5×4.0mmのサイズで製造されたデバイスチップを示しています。中央には、32個のLSPCW = 1.2mmが80mのピッチで統合されています。ピッチは、幅10μm未満のLSPWと、各LSPWにAl電極が組み込まれたヒーターによって決定されますが、この調査では使用しませんでした。ヒーターを無視すると、ピッチを10mに下げることができます。図2（b）は、LSPWCの走査型電子顕微鏡（SEM）画像を示しています。拡大図は、浅いグレーティングと浅いエッチング後に形成された均一な穴を示しています。 LSPCWは、6レベルのTOマッハツェンダー（MZ）シリコンライン光スイッチに接続され、LSPCWと入射方向を選択します。 LSPCWとSiワイヤ間の接合には、理論上の結合損失が0.3dBのテーパ構造が使用されます。図2（c）は、アクリル切削で形成された幅24.0 mm、高さ18.7mmのプリズムを示しています。最小偏差条件では、焦点距離は15.3mmです。

この実験では、電子制御回路の制限により、16個のレーザー走査点のみが使用され、波長走査は、プリズムレンズの輪郭の不規則性がビームの輪郭に影響を与えない範囲に制限されます。 32個の統合LSPWCをすべて操作すると、その方向のビームステアリング範囲が2倍になります。また、上記のように1/3に減らすと、17,000以上の解像度ポイントが得られます。

LiDARセンサーには、非機械的なステアリングが不可欠であると考えられています。 最終的な方法と機器はサイズが小さく、可動機械構造がないため、ソリッドステートLiDARの基盤が築かれます。 このようなデバイスは、特に自動運転車などのモバイルアプリケーションでは、小型で製造コストが低く、柔軟性が高いと考えられています。 次に、馬場と彼のチームは、ソリッドステートLiDARの可能性をより完全に実証することを計画しており、そのパフォーマンスを向上させるという究極の目標を持って商業化することに取り組んでいます。