光学相控阵和使用该光学相控阵的LiDAR传感器

摘要

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。

说明书

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

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。

作为与本发明最具有关联性的现有技术，已知作为以光集成电路(PIC，photonicintegrated circuit，光子集成电路)为基础的器件而构成的LiDAR(非专利文献1)。该器件具有：总线波导、级联连接(串联连接)的热移相器(thermal phase shifters)、级联连接的渐逝耦合器(evanescent couplers)，它们与基于光栅的天线元件连接。在该器件中，通过控制总线波导的相位增量来提供光束转向的功能。

但是，该器件具有如下缺点。即，插入到渐逝耦合器与基于光栅的天线元件之间的波导的距离相互不相等。即，各波导的总光路长度(总OPL(Optical Path Length，光程长度))不相等。因此，在移相器的空闲动作时(非通电时)，各相邻的天线元件间的输出光的相位关系不固定。

由于这种OPL中的差(OPL差、光路差)，可能产生具有不期望的相移的信道。一般来说，在从天线元件输出的相移不遵循式(1)所示的线性规则的情况下，从天线元件阵列输出的衍射光的主极大光束(主光束或主瓣)的光束宽度变宽，其结果，角度分辨率恶化。

此外，在总线波导中的相移保持依赖于折射率的线性并如式(1)所示维持线性的相位倾斜的情况下，主光束也成为以某一光束角偏移的状态，因此为了对所有的光束移位器赋予附加的相移来补偿该光束角，需要进行校正处理。

在校正处理中，为了确定这些附加的相移的大小并补偿该附加的相移，需要使移相器的加热器控制电压包含初始偏置电压。因此，光学相控阵的动作和控制变得更复杂。

在光学相控阵在宽的频带中(即在宽的波长频带中)动作的情况下，产生进一步的问题。在这种情况下，如果起因于折射率的波长依赖性而波长不同，则相移不同，因此校正处理变得相当复杂。

现有技术文献以及专利文献

专利文献1：美国专利第5,222,162号说明书

专利文献2：美国专利第5,770,472号说明书

专利文献3：美国专利第5,930,031号说明书

非专利文献

非专利文献1：Christopher V.Poulton，Ami Yaacobi，David B.Cole，MatthewJ.Byrd，Manan Raval，Diedrik Vermeulen，Michael R.Watts，Coherent solid-stateLIDAR with silicon photonic optical phased arrays，Optics Letters，Vol.42，No.20/October15，2017。

发明内容

本发明的目的在于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。

为达到上述目的，本发明提出一种由形成在基板上的光波导构成的光学相控阵，具备：输入光传播的总线波导；多个光耦合器，配置在所述总线波导上，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，分别传播所述多个光耦合器提取的光；以及设置于所述总线波导的移相器，所述多个波导线路具有相互相等的光路长度，所述移相器设置于所述总线波导中的相邻的所述光耦合器所夹持的各区间。

进一步的，分别与所述多个光耦合器连接的所述多个波导线路的各光的出射端沿与所述基板的第一方向平行的线以规定的间隔配置，所述多个光耦合器以如下方式配置：沿与所述第一方向正交的第二方向以第一规定距离相互分离，并且沿所述第一方向以作为将所述规定的间隔与所述第一规定距离相加后的距离的第二规定距离相互分离，所述多个波导线路分别由直线波导和弯曲波导构成，所述直线波导在所述多个光耦合器的一个连接有所述直线波导的一端且在所述第一方向上延伸，所述弯曲波导与该直线波导连接并朝向该波导线路的输出端将光的传播方向变换90°，所述总线波导级联连接有多个曲折波导而构成，所述多个曲折波导的一部分构成所述光耦合器的一部分。

进一步的，所述光耦合器由渐逝耦合器构成，构成所述总线波导的所述曲折波导分别具有直线波导和弯曲波导，所述曲折波导的所述弯曲波导的一部分构成所述渐逝耦合器的一部分。

进一步的，所述曲折波导由将光的传播方向变换180°的一个第一弯曲波导、将光的传播方向变换90°的两个第二弯曲波导、以及将所述第一弯曲波导分别与所述两个第二弯曲波导连接的两个直线波导构成，所述两个第二弯曲波导的各一部分构成相邻的所述渐逝耦合器的一部分。

进一步的，所述移相器设置于将所述第一弯曲波导与所述两个第二弯曲波导连接的两个所述直线波导的一方或双方。

进一步的，所述移相器分别由设置于所述总线波导的一部分的加热器构成，所述加热器构成为包含长度、宽度和厚度的尺寸以及形状相互相同，以便在通电相同的电流时成为相互相同的温度。

进一步的，沿着所述总线波导的相邻的所述光耦合器之间的各区间全部以相同的长度构成，构成为从相邻的所述光耦合器提取的光的相互的相位差全部为规定值。

进一步的，所述规定值是π的奇数倍或2π的整数倍。

进一步的，在所述波导线路分别连接有由扰动波导构成的基于光栅的天线元件，所述扰动波导的宽度方向或深度方向的尺寸变化，构成为分别通过所述扰动波导从所述基板的表面输出光。

进一步的，所述基板的材料是Si

本发明的光学相控阵(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(扫描)功能。

本发明还提出一种LiDAR传感器，其特征在于，使用如上所述的光学相控阵。

与现有技术相比，本发明的优势之处在于：本发明的光学相控阵(OPA)不需要用于确定相移补偿量的复杂的校正处理，此外不需要分别单独控制多个加热器，通过两个电极焊盘相连的各加热器全部为相等的温度，并且能够通过使累积相移差线性地变化的方法来提供光束转向(扫描)功能。

附图说明

图1是示出使用本发明的一种实施方式的光学相控阵的LiDAR传感器的构成的图。

图2是示出本发明的一种实施方式的光学相控阵的结构的图。

图3是示出构成图2所示的光学相控阵的总线波导的一种曲折波导的结构的图。

图4A是示出在图2所示的光学相控阵中在移相器为非动作状态时射出的光的远场图像的一例(相位差为π的奇数倍的情况)的图。

图4B是示出在图2所示的光学相控阵中在通过移相器赋予了相移的情况下射出的光的远场图像的另一例(相位差为2π的整数倍的情况)的图。

图5A是示出能够用作图2所示的光学相控阵的天线元件的扰动波导的一例的图。

图5B是示出能够用作图2所示的光学相控阵的天线元件的扰动波导的另一例的图。

100…LiDAR传感器，102…光源，104…光学相控阵(OPA)，106…受光传感器，108…处理装置，200…基板，202…总线波导，202-1、202-2、202-3…曲折波导，204a、204b、204c、204d…波导线路，204a-1、204b-1、204c-1、204d-1、300、302…直线波导，204a-2、204b-2、204c-2、204d-2、310、312、314…弯曲波导，206a、206a-1、206a-2、206b、206b-1、206b-2、206c、206c-1、206c-2、206d、206d-1、206d-2…天线元件，208…天线元件阵列，210a、210b、210c、210d…光输出端，212a、212b、212c、212d…光出射端，220a、220b、220c、220d…光耦合器，222a、222b、222c、224a、224b、224c…移相器，226a、226b、226c、228a、228b、228c…加热器，230…光输入端，232…线，234…边缘，236…主极大光束，238…法线，400、402、404…主瓣。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案作进一步地说明。

以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。以下所示的实施方式是使用本发明的光学相控阵的LiDAR传感器。但是，LiDAR传感器是一例，本发明的光学相控阵的应用领域不限于此。例如，能够将本发明的光学相控阵用于监视装置等的安全用途、无人机等的飞行导航用途和需要其他三维信息的任意用途。

图1是示出使用本发明的一种实施方式的光学相控阵的LiDAR传感器的构成的图。该LiDAR传感器100具备：光源102、光学相控阵(OPA)104、受光传感器106和处理装置108。

光源102例如具备半导体激光器，基于来自处理装置108的信号，输出调制后的调制光。该调制例如通过利用来自处理装置108的信号调制向半导体激光器的通电电流来进行。代替于此，光源102还具备光调制器，通过来自处理装置108的信号使该光调制器动作，能够通过该光调制器调制来自半导体激光器的光并输出。从光源102输出的该调制光成为OPA104的输入光。

OPA104使来自光源102的输入光分支为多束光，并且从天线元件阵列输出该分支的多束光。由此，OPA104输出通过上述输出的光分别衍射并相互干涉而生成的衍射光的主极大光束(主光束或主瓣)。此外，OPA104对上述分支的多束光分别赋予规定的相移，使上述主极大光束的输出方向偏转，进行该主极大光束的光束转向或光束扫描。在后面说明OPA104的具体结构。

受光传感器106例如由聚光透镜和CCD等受光元件阵列构成。受光传感器106检测OPA104输出的主极大光束到达物体并被反射或散射而返回的光(反射返回光)。

处理装置108将调制光输出到光源102。如上所述，处理装置108例如将信号赋予光源102所具备的半导体激光器或光调制器，使调制光从光源102输出。此外，处理装置108计算从OPA104输出上述主极大光束在被物体反射或散射后成为反射返回光而被受光传感器106接收到为止的上述光束的飞行时间(Time Of Flight)。此外，处理装置108确定到达受光传感器106的上述反射返回光的到来方向。由此，处理装置108输出表示空间中的上述物体的形状或位置等的空间映射信息。处理装置108例如可以由数字信号处理器(DSP，DigitalSignal Processor)等处理器或计算机构成。

图2是示出OPA104的结构的图。OPA104使用形成在基板200上的光波导，构成为固态型OPA。在本实施方式中，基板200是氧化的硅基板或以SiO

OPA104作为形成在基板200上的光波导具备：输入来自光源102的输入光的总线波导202、四个波导线路204a、204b、204c、204d(分别包括图示斜阴影部分和图示交叉阴影部分的波导部分)、以及生成衍射光的主极大光束236的天线元件206a、206b、206c、206d。天线元件206a、206b、206c、206d构成以规定的间隔p排列的天线元件阵列208。天线元件206a、206b、206c、206d在本实施方式中由直线波导构成。

在总线波导202设置有分别提取在该总线波导202中传播的光的一部分的多个光耦合器220a、220b、220c、220d。此外，在相互相邻的光耦合器220a、220b之间、光耦合器220b、220c之间、光耦合器220c、220d之间分别设置有两个移相器222a、224a、两个移相器222b、224b、两个移相器222c、224c。

在本实施方式中，光耦合器220a、220b、220c、220d分别是利用隔开规定距离接近的两个光波导间的渐逝波的光耦合的渐逝耦合器。此外，移相器222a、222b、222c和移相器224a、224b、224c分别由设置于总线波导202的一部分的加热器226a、226b、226c和加热器228a、228b、228c构成。

由此，移相器222a等通过加热器226a等利用构成总线波导202的材料所具有的热光学效果而赋予的温度变化，使该加热器226a等的正下方的总线波导202的部分产生折射率变化，从而使通过该部分的光的相位变化。在此，在本实施方式中，加热器226a、226b、226c和加热器228a、228b、228c例如是在作为形成在总线波导202上的基底层的钛(Ti)上形成金(Au)层而构成的薄膜加热器。

由光耦合器220a、220b、220c、220d提取的在总线波导202中传播的光的一部分分别在波导线路204a、204b、204c、204d中传播。波导线路204a、204b、204c、204d的各光输出端210a、210b、210c、210d沿与作为基板200的第一方向的Y方向平行的线232以规定的间隔p排列，并且分别与作为直线波导的天线元件206a、206b、206c、206d连接。天线元件206a、206b、206c、206d具有相互相同的光路长度，各光出射端212a、212b、212c、212d沿与Y方向平行的基板200的图示下侧的边缘234以与光输出端210a等相同的规定的间隔p排列。

由此，从构成天线元件阵列208的天线元件206a、206b、206c、206d输出相互间具有规定的相位差的光，该输出的光所形成的衍射光的主极大光束236向由该相位差确定的方向输出。并且，通过移相器222a等使上述相位差变化，由此使主极大光束236的偏转角θ变化，进行光束转向动作。在此，偏转角θ定义为主极大光束236与包括光出射端212a、212b、212c、212d的平面(在本实施方式中为基板200的边缘234)的法线238所成的角度。

特别是在本实施方式的OPA104中，波导线路204a、204b、204c、204d具有相互相等的光路长度。此外，如上所述，移相器222a等设置于总线波导202中相邻的光耦合器220a等所夹持的各区间。此外，在移相器222a等、移相器224a等为非动作状态(即加热器226a等、加热器228a等为非通电状态)的情况下，沿着总线波导202的相邻的光耦合器220a等之间的各区间构成为从相邻的光耦合器220a等提取的光的相互的相位差为π的奇数倍(即相互相反相位)。

由此，在OPA104中，由于波导线路204a等具有相互相同的光路长度，所以在移相器222a等为非动作状态的情况下，从相邻的光输出端210a等(因此相邻的光出射端212a等)输出的光的相位差成为由沿着总线波导202的光耦合器220a等的相互的位置关系确定的相位差。即，没有相对于由该位置关系确定的相位差附加产生的相移，因此不需要补偿相移的偏移，能够通过简单的控制使OPA104动作。

此外，在使移相器222a等动作的情况下，从光耦合器220a等向波导线路204a等输出的光的相移量是沿总线波导202从最接近光输入端230的光耦合器220a等开始依次累积了由多个移相器222a等产生的相移的相移量。因此，在OPA104中，仅通过移相器222a等分别赋予较小的相移，就能够线性且高精度地产生超过2π的累积相移，不增加从天线元件阵列208射出的主极大光束236的扩展宽度而能够使其出射方向变化。

此外，在使移相器222a等动作而使主极大光束236的偏转角θ变化的情况下，只要在所有的相互相邻的光耦合器220a等之间从该相邻的光耦合器220a等提取的光的相互的相位差的变化部分相同即可。因此，设置于相邻的光耦合器220a等之间的移相器222a等分别以如下方式动作即可：对从沿总线波导202的光的传播方向位于上游的最近的光耦合器220a等提取的光的相位分别仅赋予相同的量的相移。

因此，如果以分别相互相同的设计构成移相器222a等和移相器224a等，则通过向各移相器222a等和各移相器224a等赋予实质上相同大小的电流，能够使分别从相邻的光耦合器220a等提取的光之间产生相同的相位差，并且能够使主极大光束236的偏转角θ变化。具体地说，能够将构成移相器222a等和移相器224a等的加热器226a等和加热器228a等构成为包含它们的长度、宽度和厚度的尺寸以及形状相互相同，以便在使分别通电相同的电流时成为相互相同的温度。加热器226a等和加热器228a等各加热器的两个端子例如与设置在基板200上的电极焊盘(未图示)连接，经由该电极焊盘从基板200的外部通电。由此，使所有的移相器222a等、移相器224a等产生相等的相移，能够使OPA104更简单地动作。

另外，在本实施方式中，构成为从相邻的光耦合器220a等提取的光相互的相位差为π的奇数倍(即相互相反相位)是因为：相对于起因于基板200中的折射率的温度依赖性而向加热器226等的电流绝对值的增加，通过由加热器226a等构成的移相器222a等实现的相移能够仅成为增加或减少中的任一个方向。在这种情况下，伴随向移相器222a等的通电电流绝对值的增加，主极大光束236仅向一个方向移动，因此为了使主极大光束236从动作角度范围的端部连续地移动到端部，移相器222a等为非动作状态时，需要将主极大光束236配置于动作角度范围的端部。

因此，例如作为基板200使用LiNbO

返回到图2，更具体地说OPA104以如下方式构成。

如上所述，分别与光耦合器220a等连接的波导线路204a等的各光输出端210a等沿与作为基板200的第一方向的Y方向平行的线232以规定的间隔p配置。此外，光耦合器220a、220b、220c、220d以如下方式配置：沿作为与第一方向正交的第二方向的X方向以第一规定距离d相互分离，并且沿Y方向以作为将上述规定的间隔p与上述第一规定距离d相加后的距离的第二规定距离s(＝d+p)相互分离。

此外，波导线路204a、204b、204c、204d分别由直线波导204a-1、204b-1、204c-1、204d-1(分别为斜阴影部分)和弯曲波导204a-2、204b-2、204c-2、204d-2(分别为图示交叉阴影部分)构成，该直线波导204a-1、204b-1、204c-1、204d-1在光耦合器220a、220b、220c、220d连接有其一端且在Y方向上延伸，该弯曲波导204a-2、204b-2、204c-2、204d-2分别与该直线波导连接并朝向光输出端210a、210b、210c、210d将光的传播方向变换90°。在此，弯曲波导204a-2、204b-2、204c-2、204d-2具有相互相同的曲率r。

由此，直线波导204b-1、204c-1、204d-1的长度相对于直线波导204a-1的长度的差由光耦合器220a等的Y方向的排列间隔s和光输出端210a等的排列间隔p确定，分别为-s+p、-2s+2p、-3s+3p。如上所述，s＝d+p，因此上述差分别为-d、-2d、-3d。

此外，从与直线波导204a-1、204b-1、204c-1、204d-1连接的弯曲波导204a-2、204b-2、204c-2、204d-2到排列在线232上的各光输出端210a、210b、210c、210d的长度由光耦合器220a等的X方向的排列间隔d确定，分别为0、d、2d、3d。

因此，直线波导204b-1、204c-1、204d-1的长度相对于上述直线波导204a-1的差-d、-2d、-3d通过从弯曲波导204a-2、204b-2、204c-2、204d-2到光输出端210a、210b、210c、210d的长度的差而抵消，波导线路204a、204b、204c、204d具有相互相同的长度，因此具有相同的光路长度。

此外，OPA104的总线波导202级联连接有其一部分构成光耦合器220a等的一部分的多个曲折波导而构成。更具体地说，总线波导202级联连接有连接图2所示的点A1和点A2的曲折波导202-1、连接点A2和点A3的曲折波导202-2、以及连接点A3和点A4的曲折波导202-3而构成。

曲折波导202-1、202-2、202-3均具有相同的结构，因此以下以曲折波导202-1为例详细说明其结构。

图3是示出曲折波导202-1的结构的局部详细图。曲折波导202-1具有两个直线波导300、302(均为图示斜线阴影部分)和三个弯曲波导310、312、314。弯曲波导310、312、314例如是具有相同的曲率半径r的圆弧状波导。弯曲波导310是将光的传播方向变换180°的第一弯曲波导，弯曲波导312、314是将光的传播方向变换90°的两个第二弯曲波导。

另外，在图3中，为了简化附图而容易理解，省略了移相器222a、224a和加热器226a、228a的图示，但是实际上在直线波导300、302分别设置有移相器222a、224a。

并且，直线波导300、302使弯曲波导310分别与弯曲波导312、314连接。因此，作为分别与点A1和点A2相连的第二弯曲波导的弯曲波导312、314的一部分构成分别与作为渐逝耦合器的相邻的光耦合器220a、220b的一部分(图2)。

在此，如上所述，相邻的光耦合器220a等配置成沿作为第一方向的Y方向以第二规定距离s相互分离，因此点A1-A2之间的Y方向的距离为s。此外，弯曲波导312、314具有相同的曲率半径r，因此弯曲波导312与直线波导300连接的位置和弯曲波导314与直线波导302连接的位置之间的沿着Y方向的距离也为s。

此外，相邻的光耦合器220a等配置成沿作为第二方向的X方向分离第一规定距离d，因此点A1-A2之间的X方向的距离为d。此外，本实施方式的曲折波导202-1等由于使X方向的尺寸变小，所以不包含在X方向上延伸的直线波导，因此

d＝4r (2)

如果分别将直线波导300、302的长度作为q、b，则曲折波导202-1的路径长度Lc(即从点A1到A2的路径长度Lc)为

Lc＝b+q+2πr (3)

此外，根据图3

b＝s+q (4)的关系成立。

在此，如果将输入光的波长作为λ

如上所述，在本实施方式中，将从相邻的光耦合器220a等输出的光的相位作为相互相反相位(因此使相位差为π的奇数倍)，因此

因此，根据式(5)和式(6)可知，下式需要成立。

此外，式(7)使用式(3)而成为下式。

在此，曲率半径r赋予为弯曲波导310、312、314的弯曲波导损耗不超过规定量的设计值。因此，曲折波导202-1的第一规定距离d赋予为光学特性的设计值。此外，排列间隔p赋予为根据所使用的光的波长和主极大光束236的偏转角θ的要求而确定的光学特性的设计值。即，第二规定距离s(＝d+p)也根据光学特性的设计值来赋予。

因此，Lc通过相对于根据光学特性设计确定的s和d而调整直线波导300、302的长度b、q来确定。该b和q满足式(4)，d满足式(2)，因此在式(8)中应用式(4)和式(2)而得到下式。

作为结论可知，用于使从通过曲折波导202-1相邻的光耦合器220a、220b向波导线路204a、204b输出的光的相位成为相互相反相位的条件为下式。

换句话说，通过以具有满足式(10)和式(4)的长度q、b的方式设定直线波导300、302的距离q、b，能够使从相邻的光耦合器220a、220b向波导线路204a、204b输出的光的相位成为相互相反相位。

并且，其他曲折波导202-2、202-3也与曲折波导202-1同样地设计，由此能够在相邻的所有的光耦合器220a等之间使向对应的波导线路204a等输出的光的相位成为相互相反相位。并且，如果通过由移相器222a等通电而在相邻的所有的光耦合器220a等之间产生等量的相移，则能够使从天线元件阵列208输出的主极大光束236的偏转角变化。

另外，在本实施方式中，在曲折波导202-1的直线波导300、302的双方设置有移相器222a、224a，但是也可以根据所需的相移量、控制时的消耗电力条件，在直线波导300、302的一方或双方设置移相器222a等。另外，曲折波导202-2、202-3也同样。

图4A和图4B是示出从天线元件阵列208输出的光的远场图像的图。在图4A和图4B中，横轴是相对于从基板200的边缘234的法线238测量的偏转角θ的sinθ的值，纵轴是光的强度。

图4A示出了移相器222a等为非动作状态且从相邻的天线元件206a等输出的光的相位为相互相反相位(即相位差为π的奇数倍)时的远场图像。与两个主极大光束相当的两个主瓣400、402分别位于动作范围(即主极大光束的能够移动的角度范围)的两端。

图4B示出了通过移相器222a等在相邻的天线元件206a等之间导入大小为π的相移并从相邻的天线元件206a等输出的光的相位相同(即相位差为2π的整数倍)时的远场图像。一方的主极大光束移动，与该主极大光束相当的一个主瓣404位于动作范围的中央。

另外，在上述实施方式中，天线元件206a等是通常的直线波导，从配置于基板200的边缘234的光出射端212a等输出波导线路204a等传播的光，但是并不限于此。例如，也可以将天线元件206a等作为由其宽度或厚度周期性变化的扰动波导构成的基于光栅的天线元件，并且将波导线路204a等传播的光作为线状的光从基板200的表面输出。在这种情况下，通过使移相器222a等动作，能够使从X方向观察时的主极大光束相对于基板200的表面法线的偏转角变化。

图5A和图5B是示出能够代替天线元件206a等而使用如上所述的扰动波导的例子的图。在图5A、图5B中，使用相同的附图标记表示与图2中的构成要素相同的要素。

在图5A中，图示左是示出基板200的表面中的形成由扰动波导构成的基于光栅的天线元件的部分的俯视图，图示右是图示左的俯视图中的DD剖视图。在图5A中，使用作为从基板200表面观察的波导的宽度周期性变化的扰动波导的天线元件206a-1、206b-1、206c-1、206d-1。天线元件206a-1等在线232的位置与波导线路204a等连接。天线元件206a-1等分别在DD剖视图中在由箭头所示的方向上从基板200的表面射出沿其长度方向分布的光。由此，天线元件206a-1等分别作为在基板200的表面上在X方向上延伸的线状光源发挥作用，生成从基板200的表面朝向上方的主极大光束。在该结构中，通过使移相器222a等动作，能够使从X方向观察时的主极大光束相对于基板200的表面法线的偏转角变化。

在图5B中，图示左是示出基板200的表面中的形成由扰动波导构成的基于光栅的天线元件的部分的俯视图，图示右是图示左的俯视图中的EE剖视图。在图5B中，使用作为波导的厚度周期性变化的扰动波导的天线元件206a-2、206b-2、206c-2、206d-2。天线元件206a-2等在线232的位置与波导线路204a等连接。天线元件206a-2等分别在EE剖视图中在由箭头所示的方向上从基板200的表面射出沿其长度方向分布的光。由此，天线元件206a-2等分别作为在基板200的表面上在X方向上延伸的线状光源发挥作用，生成从基板200的表面朝向上方的主极大光束。在该结构中，与图5A同样，通过使移相器222a等动作，能够使从X方向观察时的主极大光束相对于基板200的表面法线的偏转角变化。

以上，如说明所示，本发明的OPA104是由形成在基板200上的光波导构成的固态型光学相控阵。OPA104具备：输入光传播的总线波导202；以及多个光耦合器220a等，分别提取配置在总线波导202上的在该总线波导202中传播的光的一部分。此外，OPA104具备：多个波导线路204a等，分别传播多个光耦合器220a等提取的光；以及设置于总线波导202的移相器222a等。此外，多个波导线路204a等具有相互相等的光路长度，移相器222a等设置于总线波导202中的相邻的光耦合器220a等所夹持的各区间。

根据该结构，波导线路204a等具有相互相同的光路长度，因此在移相器222a等为非动作状态的情况下从相邻的光输出端210a等(因此相邻的光出射端212a等)输出的光的相位差主要由沿着总线波导202的多个光耦合器220a等的相互的位置关系来确定。即，没有相对于由该位置关系确定的相位差而附加产生的相移，因此不需要补偿相移的偏移，能够通过简单的控制使OPA104动作。

此外，在使移相器222a等动作的情况下，从光耦合器220a等向波导线路204a等输出的光的相移量是以沿总线波导202从最接近光输入端230的顺序依次累积了由多个移相器222a等产生的相移的相移量，因此仅通过对移相器222a等分别赋予较小的相移，就能够高精度地生成超过2π的累积相移，并且能够使从天线元件阵列208射出的主极大光束236的出射方向变化。

OPA104还沿与作为基板200的第一方向的Y方向平行的线232以规定的间隔p配置有分别与多个光耦合器220a等连接的多个波导线路204a等的各光的光输出端210a等。此外，多个光耦合器220a等以如下方式配置：沿作为与Y方向正交的第二方向的X方向以第一规定距离d相互分离，并且沿Y方向以第二规定距离s(＝d+p)相互分离。并且，多个波导线路204a等分别由直线波导204a-1等和弯曲波导204a-2等构成，该直线波导204a-1等在多个光耦合器220a等的一个连接有其一端且在X方向上延伸，该弯曲波导204a-2等与该直线波导204a-1等连接并朝向该波导线路204a等的光输出端210a等将光的传播方向变换90°。此外，总线波导202级联连接有其一部分构成光耦合器220a等的一部分的多个曲折波导202-1等而构成。

根据该结构，能够简单地构成具有相互相同的光路长度的波导线路204a等。此外，为了设置更多的信道，只要仅以规定的间隔追加配置级联连接的曲折波导202-1等和对应的波导线路204a等即可，因此能够实现设计扩展性高的OPA。

此外，在OPA104中，光耦合器220a等由利用经由隔开规定距离接近的两个光波导间的渐逝波的光耦合的渐逝耦合器构成。此外，构成总线波导202的曲折波导202-1等具有直线波导300、302和弯曲波导310、312、314，曲折波导202-1等的弯曲波导312、314的一部分构成作为光耦合器220a等的渐逝耦合器的一部分。

根据该结构，不增加总线波导202的传播损耗，能够将在总线波导202中传播的光分配给波导线路204a等。

此外，在OPA104中，构成曲折波导202-1的弯曲波导由将光的传播方向变换180°的一个第一弯曲波导310、将光的传播方向变换90°的两个第二弯曲波导312、314、以及将第一弯曲波导310分别与两个第二弯曲波导312、314连接的两个直线波导300、302构成。并且，两个第二弯曲波导312、314的各一部分构成作为相邻的渐逝耦合器的光耦合器220a、220b的一部分。

根据该结构，通过由具有相同的规定的光路长度的曲折波导202-1等连接以规定的距离间隔配置的相邻的光耦合器220a等这种简单的结构，能够使从相邻的光耦合器220a等向波导线路204a等射出的各光之间的相位差固定。

此外，在OPA104中，移相器222a等设置于将第一弯曲波导310与两个第二弯曲波导312、314连接的两个直线波导300、302的一方或双方。根据该结构，能够在将直线波导300、302的长度相加后的长度的范围内自由地选择沿着曲折波导202-1的移相器222a、224a的总长度，因此提高了对移相器222a、224a的动作电压的设计自由度。

此外，在OPA104中，移相器222a等由设置于总线波导202的一部分的加热器226a等、加热器228a等构成。并且，加热器226a等、加热器228a等构成为包含长度、宽度和厚度的尺寸以及形状相互相同，以便在通电相同的电流时成为相互相同的温度。根据该结构，通过仅在总线波导202上设置金属薄膜等的简单结构，就能够对在总线波导202中传播的光赋予相移。此外，仅通过使相同的电流流过加热器226a等、加热器228a等，就能够使从相邻的光耦合器220a等向波导线路204a等射出的各光之间产生相同的相移。

此外，在OPA104中，沿着总线波导202的相邻的光耦合器220a等之间的各区间全部以相同的长度构成，构成为从相邻的光耦合器220a等提取的光的相互的相位差全部为相同的规定值。

根据该结构，能够将移相器222a等为非动作状态时的主极大光束236的出射方向(初始方向)设定为任意的规定方向。由此，例如，在将本光学相控阵用于LiDAR传感器的情况下，能够在动作开始时将主极大光束236的初始方向预先设定为最初应搜索的方向，因此能够迅速地获取所希望的方向的空间信息。

此外，在OPA104中，沿着总线波导202的相邻的光耦合器220a等之间的各区间全部以相同的长度构成，构成为从相邻的耦合器220a等提取的光的相互的相位差全部为π的奇数倍或2π的整数倍。

根据该结构，能够将移相器222a等为非动作状态时的主极大光束236的出射方向设定为动作范围的端部或中央，能够在动作开始时使主极大光束236从端部移动到端部来扫描整个动作范围，或者从动作范围的中央向所希望的方向移动来进行扫描。

此外，在OPA104中，作为分别与波导线路204a等连接的天线元件206a等，使用由其宽度方向或深度方向的尺寸变化的扰动波导构成的基于光栅的天线元件，能够构成为分别通过该扰动波导从基板200的表面输出光。根据该结构，能够沿上述扰动波导的长度从基板200的表面射出线状的主极大光束，因此例如能够容易地构成进行三维空间映射的LiDAR传感器。

此外，本发明是使用OPA104的LiDAR传感器100。根据该结构，使用不需要复杂的控制而以较少的相移动作的固态型OPA104，能够实现高可靠性且容易控制的LiDAR传感器。

另外，本发明并不限于上述实施方式的结构，在不脱离其主旨的范围内能够在各种方式中实施。

例如，在上述实施方式中，天线元件206a等也构成在与总线波导202等相同的一张基板200上，但是并不限于此。例如，也可以将天线元件206a等构成在与基板200不同的基板上，经由形成在基板200上的直线波导或光纤以光学方式连接波导线路204a等和天线元件206a等。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。