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シリコンフォトニック結晶光アンテナとその応用

鉃矢 諒 横浜国立大学 DOI:info:doi/10.18880/00014825

2022.11.24

概要

本論文では,シリコン(Si)フォトニクスにおけるフォトニック結晶光アンテナについて,特に光レーダ(Light Detectionand Ranging: LiDAR)に向けた送受信特性改善と,その他の応用として自由空間光通信への可能性について議論する.

ここ十数年,Siフォトニクス技術を用いた小型で安価なLiDARチップ開発が,大学やベンチャー企業,研究機関において盛んである.LiDARとは周囲の距離情報をイメージ化する3次元センサの一つであり,特に自動運転実現に向けた運転支援や産業ロボット,地図作成,建設,仮想/拡張現実(VR/AR)など様々な応用先が期待されている.既存の商用化されているLiDAR装置は光のビーム走査に機械部品をもつので,大型かつ高価であり車載用途では振動や物理的衝撃に対する信頼性で不安が残る.一方でSiフォトニクスによる非機械式のビーム走査を実現する素子によるLiDARシステム開発が注目されている.Siフォトニクスとは,現代社会を支える電子機器に欠かせないSi集積回路(IC)チップを製作するComplementary Metal-Oxide-Semiconductor(CMOS)プロセスを基盤として,光導波路や光スイッチ,光変調器,受光器などの光集積素子を,Silicon-On-Insulator(SOI)基板上に製作する技術のことである.近年Siフォトニクスファウンダリサービスが充実しており,独自で高価な設備を購入し保守管理する必要がなく,Siフォトニクスチップの設計と評価に集中した研究開発を行うことができる.このようなSiフォトニクス技術に基づいた,光フェーズドアレー(OPA)や焦点面アレー(FPA)を光ビーム走査素子として用いたLiDARチップ開発は,LiDAR実証の報告例があり特に注目を集めている.OPAはアレー集積した各光アンテナの位相調整によりレンズフリーで任意のビームを形成することができる.しかし2次元アレー集積では,アンテナ間のクロストークを避けるためにピッチを狭くすることが難しく,広視野化と大規模集積に限界があり,もう1次元方向を回折格子導波路と波長掃引でビーム走査するハイブリッド型が主流になっている.一方でFPAは放射させる光アンテナの位置切り替えとレンズを組み合わせることでビーム走査を実現する.OPAと比べて簡易な構成であるのは利点であるが,解像点数がアンテナ数に依存するので高解像度化には大規模集積が課題である.

本研究室でもSiフォトニクスで製作可能なフォトニック結晶導波路(PCW)を送受信光アンテナとして用いるLiDARチップの研究を進めてきた.PCWはSOI基板のSiスラブにSiO2で満たされた円孔を三角格子状に配列した2次元PCに,円孔を取り除いた線欠陥を導入することで得られる光導波路であり,Siスラブの面内方向には主にフォトニックバンドギャップ,垂直方向にはSiとSiO2の高屈折率差による全反射を利用して光を強く閉じ込めることができる.PCWを伝搬するスローライトを用いて光バッファや小型光変調器,光パルス制御,光検出器など様々な素子への応用が期待されているが,PCWに円孔直径の変調や回折格子などの二重周期構造を導入することで,伝搬光を放射モードへと変換することができ,光の送受信アンテナとして機能する.また,PCWを伝搬するスローライトは群屈折率が数10程度と大きく巨大な角度分散を生み出し,わずかな波長や導波路屈折率変化によって放射されるビームの角度を大きく変化させることができ,またPCWへの入力方向を切り替えることで角度範囲を倍増することができる.LiDAR応用を考えたとき,対象物に当たった光が散乱しその一部が受信器に戻ってくると仮定すると,できる限り開口の長いPCWを用意する必要がある.しかしSiフォトニクスで製作されるPCWは一般に数10dB/cmの導波路損失があり,単純に導波路を長くしてもPCWに結合した光が伝搬しているうちに損失してしまい,長尺化による受信性能のスケーリングが期待できない.

そこで本研究では,まずサブアレー構成によるPCW光アンテナの送受信特性改善を試みた.サブアレー型PCW光アンテナは,短尺なPCWを複数縦列に配置し,損失の小さいSi導波路と1×2多モード干渉型カプラからなるトーナメント状の光分配器で構成し,送信時にはそれぞれのPCWに光を分配して放射し,受信時には逆過程で光を合波させて一つの受信光を得る.これによりサブアレー構成全体として導波路損失の影響を抑制し受信強度を改善するのが目的である.理論計算では,通常のPCWでは1mm程度で受信強度が飽和してこれ以上の開口を活かすことができないが,PCWを分割しながら長尺化していくことでこの強度飽和が緩和され,2,4分割ではそれぞれ3.4,5.3倍まで改善していくことがわかり,サブアレー構成がPCW光アンテナのスケーリングに有効であることが示された.また,受信だけでなく送信では,各PCWがある程度長い開口をもつことで細いビーム幅(0.1°程度)を形成するエレメントファクタに加えて,分割することで回折ビームが生じるアレーファクタを効果的に利用することで,2,4分割では0.04,0.02°という細いビーム幅を得ることができる.通常のOPAでは光アンテナ間のピッチを半波長以下に収めることが難しく,グレーティングローブが生じることで視野角を制限するが,本構成では各PCWの長さを適切に設計することでグレーティングローブをエレメントファクタで−10dB以下まで抑制することができる.

次に実際に製作したサブアレー型PCWを用いてビーム形状とビーム走査を評価した.それぞれ全長が約1,2,4mmである通常のPCWと2,4分割のサブアレー型PCWを製作した.2,4分割の素子は製作時の不均一性により各PCWからのビーム放射角度がわずかに異なり,遠方でビームの分裂やビーム幅が広がる問題があったが,各PCWに設けたTiN熱光学ヒータによりそれぞれのビーム角度を調整することで,0.04,0.02°という理論値に近いビーム幅をもつビーム形状を得ることができた.同じビーム幅をOPAで得るためには1000個以上の光アンテナを集積する必要があり,わずかな素子数かつ少ないヒータ個数で高品質なビーム形状を生み出すことができる.また2分割の素子を用いて波長掃引と熱光学制御を組み合わせた約30°の角度範囲でのビーム走査も実証し,高解像度なLiDARビーム走査素子としての有用性を示した.

一方でPCW光アンテナのLiDAR実証に向けて,周波数変調連続波(Frequency-modulated continuous-wave: FMCW)方式の光学実験系を加えた送受信性能評価についても取り組んだ.LiDARの測距方式で広く用いられるのは,光パルスの飛行時間から距離を算出するTime-ofFlight(ToF)方式であり,パルスレーザ光源と光検出器を用いた簡易な構成で実現できるのが利点であるが,直接検波方式なので太陽光や他のLiDAR装置の光など環境光の影響を受けやすく,十分な信号対雑音比(SNR)を得るためには,高強度パルス光源や高感度な検出器が必要となる.また,人の目に対する安全性も考慮すると,高強度化が難しく長距離検出には課題がある.一方でFMCW方式では,ある周期で周波数変調した連続光を照射し,対象物からの反射光とあらかじめ分けた参照光をミキシングしバランスフォトダイオード(BPD)で受信する.コヒーレント検出で得られる周波数差成分をもったビート信号から距離を算出する.ToF方式と比べて複雑な構成であるが,コヒーレント検波により,同じ光源から出た光どうしでしか干渉しないので,環境光や他のLiDARとの干渉をほとんど無視することができる.また連続光を照射するが,ToFで一般に用いられる波長900nmと比べて1550nmは太陽光スペクトルの強いピーク波長からさらに離れており,アイセーフ波長でもある.さらに対象物の速度や振動をドップラ検出することができ,一度に取得できる情報量が増すので,4,5次元LiDARへの可能性が期待される.製作したサブアレー型PCW光アンテナを用いてFMCWLiDARの送受信実験により信号強度を比較し,通常のPCWに対して分割しながら全長を倍増していくことで,2,4分割の素子でそれぞれSNRが6,12dBと改善し,送受信において性能をスケーリングできることが実証された.また,FMCWLiDARの実験系で距離を算出する際に取得したビート信号スペクトルのピーク値を検出するので,不要なピークがあると誤検出につながるので問題である.そこで,本研究当初に組んでいたLiDAR測定系を見直し,不要なノイズ信号の除去に取り組んだ.具体的には任意波形生成器(AWG)やLN変調器,光アンプ,バンドパスフィルタなどの装置がビート信号スペクトルに与える影響を調査し測定系を改善した.

PCW光アンテナの送受信性能を改善するために,サブアレー構成以外に熱光学制御によるビーム形状制御に取り組んだ.Siフォトニクスで製作されるPCWは,導波路損失による受信強度への影響だけでなく,製作時の不均一性によりビーム形状を劣化させることがあり,これを抑制する必要があった.そこでPCW内に温度勾配を形成することで,屈折率分布を制御しビームの放射角度を調整することでビーム形状の改善することを考えた.そこで初期的な実験として青色レーザをPCW端部に照射し温度勾配を形成した.理論値よりやや広がったビームをもつ素子に対してビーム形状制御することで,理論値に近いビーム形状を得ることができ,またFMCWLiDAR送受信実験においてもSNRの改善が確認でき,熱光学制御が送受信性能改善に有効であることを実証した.

PCW光アンテナで強度変調信号を用いたとき,放射された変調信号強度を見積もり,応用先拡大として,2地点への自由空間光送信実験を行った.無線通信の負荷を分散させるための手法の一つとして自由空間光通信が注目されており,光ファイバを敷設せずにできること,有線を導入するのが困難な場所,電磁波の影響を受けにくい,傍受されにくいといった特徴をもつ.PCW光アンテナを送信器として用いるためには,高速なビーム切替や正確なビーム角度制御が求められる.本研究では初期的な実験として,NRZ-OOK変調した信号光をPCW光アンテナから放射させ,約1.5m離れた2地点のファイバコリメータに対して1kHzの切り替え速度で送信した.それぞれのファイバコリメータからシングルモードファイバを介して,オシロスコープで20Gbpsまでのアイパターンを確認することができた.一方でスローライト効果により,PCW内を伝搬する変調信号の位相と放射された信号の位相間不整合が生じることで,変調周波数への制約がある.

前述の実験において高解像度化が期待できるサブアレー構成PCW光アンテナとコヒーレント検波するためのGeBPDを集積したLiDARチップを製作し,ポイントクラウド画像取得によるLiDAR実証を試みた.PCW光アンテナにはPCWのSiスラブ上に設けた浅堀回折格子を採用し,熱光学ヒータにはPCWの線欠陥部分をp型Siで挟んだp-i-p型ヒータを採用した.SiO2クラッド中に形成されるTiNヒータと比べて,直接PCWを加熱できるので消費電力が低い.サブアレー型PCWは並列に32本集積しており,マッハツェンダー型のスイッチツリーで入力切替を行う.PCWの導波路方向には波長掃引や熱光学制御によってビーム走査を行い,PCWの直行方向にはレンズと入力切替を組み合わせるFPAの方式を用いることで2次元ビーム走査を実現した.また,ビームの放射角度に対してコリメート条件を維持できるプリズムレンズを採用した.OPAでもFPAでも高解像度化には大規模集積が欠かせないが,本構成ではFPAの構成と,スローライト効果による広いビーム角度範囲を組み合わせることで,簡易な構成で高解像度なビーム走査を実現するLiDAR素子が期待できる.チップへの光入力には,光ファイバアレーのブロックを紫外線硬化樹脂によりチップ端のスポットサイズ変換器に接着した.スイッチツリーの制御とGeBPDからの信号検出のために,プリント基板にワイヤボンディングした.外部のDAC制御のオペアンプ回路により,熱光学ヒータを駆動しビーム形状制御し,波長掃引によるビーム走査を組み合わせて,再帰反射フィルムを貼り付けた対象物に対して,2次元ビーム走査を行った.波長ごとにGeBPDから検出したビート信号スペクトルから距離を算出することでポイントクラウド画像を取得した.これにより,サブアレー構成の高解像度を活かしたLiDAR動作を実証することができた.

以上の研究より,サブアレー構成と熱光学制御によりPCW光アンテナの送受信性能が改善できることが示され,またPCW光アンテナを2次元ビーム走査素子として用いるSiフォトニクスLiDARチップの開発,および自由空間光通信への応用の可能性が期待される.

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Chapter1

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